고려대, 카페인으로 아연 금속 전지의 한계 넘었다

카페인 첨가 수계 전해질을 통해 전지 효율과 안정성 동시 개선

△ 수계 아연 금속 전지에서 카페인 첨가제의 성능 향상 메커니즘을 나타내는 모식도

고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 카페인을 활용한 고성능 수계 전해질을 개발해 아연 음극의 안정성을 높이고, 그 작용 원리를 수화 구조 변화와 전극 흡착층 형성 과정에서 규명했다.

*수계 전해질: 물을 기반으로 한 비가연성 전해질

*수화 구조: 금속 이온이 물 분자와 결합해 형성하는 구조

본 연구 결과는 재료 및 환경공학 분야의 국제 저명 학술지 ‘Chemical Engineering Journal(IF=13.4)’ 온라인에 5월 14일자로 게재되었으며, 7월 1일에 정식 출판될 예정이다.

*논문명: Exploring the effects of biomolecular additive on performance of aqueous zinc metal batteries

*DOI: 10.1016/j.cej.2025.163465

*URL: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163465

최근 안전성과 경제성을 갖춘 차세대 이차전지로 수계 아연 금속 전지가 각광받고 있다. 아연은 리튬에 비해 매장량이 풍부하고 가격도 저렴하며, 화재 위험이 낮다는 장점이 있다. 그러나 충·방전 중 나타나는 수지상 구조 형성과 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)은 전지의 효율과 안정성을 떨어뜨리는 요인으로 작용해왔다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 아연 증착을 제어하고 부반응을 억제하는 전해질 첨가제가 주목받았다.

*수지상 구조: 전극 표면에 금속 결정이 나뭇가지처럼 불균일하게 자라나는 결정 구조

*수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER): 전지 내 물 분자가 전자를 받아 수소 기체로 전환되는 반응

이에 연구팀은 각성 물질로 알려진 카페인을 수계 전해질의 첨가제로 활용했다. 연구팀은 카페인 분자를 활용해 아연 이온의 수화 구조를 변형시키고, 음극 표면에 얇은 흡착층을 형성함으로써 전해질 내 수소 발생 반응을 억제했다. 동시에 아연 금속의 균일한 증착을 유도해 전지의 안정성과 수명을 향상시켰다. 그 결과, 0.02 몰(M) 농도로 첨가된 미량의 카페인만으로도 아연 금속 전지의 구조적 안정성을 획기적으로 개선하는데 성공했다.

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

유승호 교수는 “이번 연구는 극소량의 첨가제로도 수계 아연 전지의 한계를 효과적으로 해결할 수 있음을 입증했다”며 “향후 전해질 첨가제 설계와 응용에 있어 중요한 기준점을 제공할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구)의 지원을 받아 수행됐다.

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△ (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)