'3분 충전→6만번 사용' 배터리 개발됐다

대규모 에너지 저장 장치 분야에서 리튬 이온 배터리의 대안으로 활용할 수 있는 고성능, 안전성, 지속가능성을 갖춘 물 기반의 '수계 아연 이온 배터리(AZIB)'가 등장했다고 폰아레나, 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다. 호주 플린더스 대학교 연구진은 이 같은 연구 결과를 담은 논문을 화학 분야 국제 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'에 발표했다. 중판 지아(Jhongfan Jia) 플린더스 대학 과학공학대학 화학과 부교수는 "충전식 수계 아연 이온 배터리는 대규모 에너지 저장을 위한 리튬 이온 배터리의 실질적인 대안으로 부상하고 있다”며, “현재 산업계와 협력하여 이 배터리 시스템의 시제품 플랫폼을 구축하고 있다"고 밝혔다. '셔틀 효과' 차단으로 배터리 수명 극대화 현재 리튬 이온 배터리는 전기차와 스마트폰 시장을 주도하고 있지만, 높은 비용과 화재 위험, 막대한 환경 폐기물 배출 등 큰 부담을 안고 있다. 호주에서만 연간 약 3300톤의 리튬 이온 배터리 폐기물이 발생하며, 2036년에는 이 수치가 13만 6000톤을 넘어 급증할 것으로 예상된다. 아연 이온 배터리는 물을 기반으로 해 화재 위험이 없다는 장점이 있다. 그러나 '폴리요드화물(Polyiodide)'이 배터리 분리막을 통과해 누출되면서 성능이 저하되는 이른바 '셔틀 효과(shuttle effect)' 문제가 고질적인 걸림돌이었다. 연구진은 이를 해결하기 위해 전분에서 추출한 저비용•생분해성 '사이클로덱스트린(Cyclodextrin)' 기반 고분자를 도입했다. 화장품 및 식품 분야에 널리 쓰이는 사이클로덱스트린은 친수성 외부와 소수성 내부로 이루어진 분자 구조를 갖추고 있다. 연구진은 이를 일종의 '분자 우리(molecular cage)'로 설계해 폴리요드화물을 필요에 따라 가두고 방출함으로써 누출을 원천 차단했다. 지아 교수는 "이 시스템은 생분해성 올리고당에서 유래한 고분자를 사용해 셔틀 효과를 완화하는 새로운 접근법을 제시한다"며 "이를 통해 더욱 지속 가능하고 수명이 긴 수계 아연 이온 배터리를 구현할 수 있게 됐다"고 설명했다. 3분 만에 초고속 충전…성능 저하 거의 없어 해당 배터리는 1.3~1.4볼트(V) 전압에서 작동하며, 완전 충전 시 7분 만에 200mAh/g의 용량을 제공한다. 목표 용량을 150mAh/g으로 조정하면 단 3분만에 초고속 충전이 가능하고, 총 6만 회의 충·방전 주기를 자랑한다. 연구 데이터에 따르면, 이 배터리는 사이클당 0.0001%~0.0003%라는 극히 낮은 속도로 열화돼 6만 회 이상의 충전 주기를 가능케 한다. 아연 기반 배터리는 성능 저하 없이 리튬 이온 시스템보다 안전하고 비용 효율적인 대안을 제공한다. 화재 위험을 배제하면서도 리튬 이온과 동등하거나 이를 능가하는 성능을 발휘하며 무엇보다 원자재가 풍부하고 가격이 저렴해 차세대 에너지 저장 장치의 새로운 표준이 될 것으로 기대된다고 해당 매체는 전했다.