[디지털투데이 석대건 기자] 고려대학교 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 카페인을 활용한 고성능 수계 전해질을 개발했다고 2일 밝혔다. 이 기술은 아연 음극의 안정성을 높이고 수화 구조 변화와 전극 흡착층 형성 과정에서 작용 원리를 규명했다.

수계 아연 금속 전지는 안전성과 경제성을 갖춘 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 아연은 리튬 대비 매장량이 풍부하고 가격이 저렴하며 화재 위험이 낮다. 

하지만 충·방전 중 나타나는 수지상 구조 형성과 수소 발생 반응이 전지 효율과 안정성을 저하시키는 문제가 있었다. 이러한 한계 극복을 위해 아연 증착을 제어하고 부반응을 억제하는 전해질 첨가제 연구가 활발히 진행됐다.

연구팀은 각성 물질인 카페인을 수계 전해질의 첨가제로 활용하는 방법을 제시했다. 카페인 분자를 통해 아연 이온의 수화 구조를 변형시키고 음극 표면에 얇은 흡착층을 형성해 전해질 내 수소 발생 반응을 억제했다.

동시에 아연 금속의 균일한 증착을 유도해 전지의 안정성과 수명을 향상시켰다. 0.02몰 농도로 첨가된 미량의 카페인만으로도 아연 금속 전지의 구조적 안정성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다고 고려대는 전했다.

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

연구 결과는 재료 및 환경공학 분야 국제 학술지 'Chemical Engineering Journal'에 5월 14일 온라인 게재됐다. 7월 1일 정식 출판 예정이다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업 지원을 받아 수행됐다.