입력 2026.05.14 15:02
- 전자/이온전도성 고분자 복합체 기반 아연 금속 음극 계면 안정화 전략
- 송우진 교수 주도 공동연구팀, 수계 아연 음극 소재 새로운 메커니즘 제시
충남대학교 유기재료공학과 송우진 교수는 서울과학기술대학교, 한국전자기술연구원과의 공동연구를 통해 차세대 수계 아연 이온 이차전지의 성능을 향상한 음극 소재를 개발했다.
이번 연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘Energy Storage Materials(IF: 20.2, JCR: 4.78%)에 5월 3일 게재됐다. 이번 연구는 조양현 박사과정생 제1저자로, 송우진 교수(충남대), 서범준 교수(서울과학기술대), 곽명준 박사(한국전자기술연구원)가 공동 교신저자로 참여했다.
수계 아연 이온 전지는 높은 안전성, 낮은 비용, 친환경성을 바탕으로 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 하지만 아연 금속 음극은 반복적인 충전 및 방전 과정에서 불균일한 아연 증착, 덴드라이트 성장, 수소 발생 반응, 부식 및 부산물 형성 등의 문제를 겪으며 장기 구동 안정성이 제한된다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전자전도성과 이온전도성을 동시에 갖는 고분자 복합 계면층(Electronic/Ionic Polymer Composite, EIPC)을 설계했다. EIPC는 고분자 매트릭스와 전도성 필러 간의 강한 상호작용을 기반으로 균일한 계면 네트워크를 형성하며, 아연 이온의 이동을 조절하고 전자 전달 경로를 제공함으로써 아연 증착 거동을 안정화하는 것을 확인했다.
특히, proton-coupled electron transfer(PCET) 반응은 단순한 물리적 혼합이나 수소결합을 넘어, proton 이동과 electron transfer가 결합된 계면 재구성 메커니즘으로 작용한다. 이를 통해 그래핀 옥사이드의 전자전도성이 향상되고, 폴리아크릴산의 carboxylate 기반 아연 이온 배위 구조가 안정적으로 형성돼 전자 전달과 아연 이온 이동이 동시에 조절되는 것을 확인했다.
이번 연구는 PCET 반응을 고분자–탄소 복합 계면 설계에 도입해 전자전도성, 이온전도성, 계면 안정성을 동시에 구현한 전략이라는 점에서 의미가 있다.
송우진 교수는 “이번 연구를 통해 제시한 전자전도성과 이온전도성을 동시에 갖는 고분자 복합 계면층은 수계 아연 이온 전지뿐만 아니라 다양한 수계 금속 이차전지의 금속 음극 안정화를 위한 확장 가능한 계면 공학 플랫폼으로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(우수신진연구)으로부터 지원을 받아 수행됐다.