고려대, '카페인' 활용해 아연 금속 전지 한계 넘어

카페인 첨가 수계 전해질
'케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal(IF=13.4)' 온라인 게재

(왼쪽부터) 고려대 유승호 교수(공동 교신저자), 서울대 성영은 교수(공동 교신저자), 고려대 이성민 석박통합과정(공동 제1저자), 고려대 허성호 석박통합과정(공동 제1저자), 고려대 이영훈 박사후 연구원(공동 제1저자). (사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 고려대 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 카페인을 활용한 고성능 수계 전해질을 개발했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 아연 음극의 안정성을 높이고, 그 작용 원리를 수화 구조(금속 이온이 물 분자와 결합해 형성하는 구조) 변화와 전극 흡착층 형성 과정에서 규명했다.

최근 안전성과 경제성을 갖춘 차세대 이차전지로 수계 아연 금속 전지가 각광받고 있다. 그러나 충·방전 중 나타나는 수지상 구조(전극 표면에 금속 결정이 불균일하게 자라나는 결정 구조) 형성과 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)은 전지의 효율과 안정성을 떨어뜨리는 요인으로 작용해 왔다.

이러한 한계에 의해 그동안 아연 증착을 제어하고 부반응을 억제하는 전해질 첨가제가 주목받아 왔다. 이에 연구팀은 각성 물질로 알려진 카페인을 수계 전해질의 첨가제로 활용했다.

연구팀은 카페인 분자를 활용해 아연 이온의 수화 구조를 변형했다. 더해 음극 표면에 얇은 흡착층을 형성함으로써 전해질 내 수소 발생 반응을 억제하고 아연 금속의 균일한 증착을 유도했다.

사진은 수계 아연 금속 전지에서 카페인 첨가제의 성능 향상 메커니즘을 나타내는 연구 모식도. (사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

그 결과 0.02 몰(M) 농도로 첨가된 미량의 카페인만으로도 아연 금속 전지의 구조적 안정성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다.

또한 연구팀은 아연 이온의 반응 메커니즘을 체계적으로 분석해 전지 성능 향상의 원인을 규명했다. 특히 전해질 내 물 분자와 아연 이온, 그리고 카페인 분자 간 상호작용에 대한 과학적 근거도 제시했다.

유 교수는 "이번 연구는 극소량의 첨가제로도 수계 아연 전지의 한계를 효과적으로 해결할 수 있음을 입증했다"고 설명했다.

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