고려대, 카페인으로 아연 금속 전지의 한계 넘었다
카페인 첨가 수계 전해질 통해 전지 효율과 안정성 동시 개선
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 과정을 통해 규명했다.
본 연구 결과는 재료 및 환경공학 분야의 국제 저명 학술지 Chemical Engineering Journal (IF=13.4) 온라인판에 5월 14일 게재됐으며, 7월 1일 정식 출판될 예정이다.
최근 안정성과 경제성을 갖춘 차세대 이차전지로 수계 아연 금속 전지가 각광받고 있다. 아연은 리튬에 비해 매장량이 풍부하고 가격이 저렴하며 화재 위험이 낮다는 장점이 있다. 그러나 충방전 과정에서 나타나는 수지상 구조 형성과 수소 발생 반응은 전지의 효율과 안정성을 저하시키는 요인으로 작용해왔다. 이러한 한계를 극복하기 위해 아연 증착을 제어하고 부반응을 억제할 수 있는 전해질 첨가제가 주목받고 있다.
이에 연구팀은 각성물질로 알려진 카페인을 수계 전해질의 첨가제로 활용했다. 연구팀은 카페인 분자를 통해 아연 이온의 수화 구조를 변화시키고, 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) 농도의 미량 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 분자, 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 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구) 지원을 받아 수행됐다.
Korea University Overcomes Limitations of Zinc Metal Batteries Using Caffeine
Caffeine-added aqueous electrolyte simultaneously improves battery efficiency and stability
A research team led by Professor Seung Ho Yu in the Department of Chemical and Biological Engineering at Korea University (President Kim Dong-One) has developed a high-performance aqueous electrolyte using caffeine, enhancing the stability of zinc anodes and elucidating its working mechanism through changes in the hydration structure and the formation of an adsorbed interfacial layer on the electrode.
The findings were published online on May 14 in Chemical Engineering Journal (IF=13.4), a leading international journal in the fields of materials and environmental engineering, and are scheduled for formal publication on July 1.
Recently, aqueous zinc metal batteries have attracted growing attention as next-generation secondary batteries owing to their safety and cost-effectiveness. Compared with lithium, zinc is more abundant, less expensive, and presents a lower fire risk. However, dendritic structure formation and hydrogen evolution during charge–discharge processes have remained major obstacles, reducing battery efficiency and stability. To address these limitations, electrolyte additives capable of regulating zinc deposition and suppressing side reactions have emerged as a promising strategy.
In this study, the research team employed caffeine, a well-known stimulant, as an additive in an aqueous electrolyte. The caffeine molecules modified the hydration structure of zinc ions and formed a thin adsorbed layer on the anode surface, thereby suppressing hydrogen evolution in the electrolyte. At the same time, they promoted uniform zinc deposition, improving both the stability and lifespan of the battery. As a result, even a trace amount of caffeine at a concentration of 0.02 M was sufficient to significantly enhance the structural stability of zinc metal batteries.
The team also systematically analyzed the reaction mechanism of zinc ions to identify the origin of the improved battery performance. In particular, they provided scientific evidence for the interactions among water molecules, zinc ions, and caffeine molecules in the electrolyte. Professor Seung Ho Yu stated, “This study demonstrates that even an extremely small amount of additive can effectively address the limitations of aqueous zinc batteries,” adding, “We expect this work to provide an important benchmark for the future design and application of electrolyte additives.”
This research was supported by the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea through the Fundamental Technology International Cooperation Development Program (International Joint Research Program for Secondary Batteries).
