유승호 교수, 새로운 전극 보호층으로 아연전지 내구성 높인다
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 텔루르산(Telluric acid)을 활용해 새로운 전극 보호층을 구현함으로써 아연(Zn) 수계 배터리의 안정성과 수명을 향상시켰다.
본 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적 학술지 Advanced Functional Materials (IF=19) 온라인판에 8월 8일 게재됐다.
논문명: Side Reaction Pathway Modulation for Hydrogen Evolution-Free Aqueous Zn-ion Batteries
DOI: 10.1002/adfm.202512884
URL: https://doi.org/10.1002/adfm.202512884
아연 수계 배터리는 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 낮고, 저렴하면서도 높은 용량을 제공한다는 장점을 가진다. 그러나 실제 구동 과정에서 음극이 부식되고 부산물이 축적되는 등 치명적인 한계가 있다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 안정적인 구조를 지닌 텔루르산(telluric acid)을 전해질 첨가제로 적용했다. 그 결과 전극 표면에 산화아연(ZnO), 이산화텔루르(TeO2), 텔루르(Te)로 구성된 삼원 복합 인공층이 자발적으로 형성되도록 유도했다. 분석 결과, 이 인공층은 바깥쪽에 산화아연과 이산화텔루르가, 안쪽에는 텔루르가 분포하는 견고한 구조를 이루는 것으로 나타났다.
연구팀은 이렇게 형성된 인공층이 부산물 형성과 덴드라이트 성장을 억제하고, 전극 표면에 아연이 균일하게 증착되도록 해 전극 환경을 안정화한다는 사실을 확인했다. 전기화학 분석에서도 부식으로 인한 불필요한 전류와 전극-전해질 계면의 전하 전달 저항이 크게 감소했으며, 이온 이동성은 향상된 것으로 나타났다. 또한 이 인공층을 적용한 아연 대칭전지는 1,500시간 이상 안정적으로 구동됐고, 실제 환경과 유사한 조건에서도 기존 대비 뛰어난 성능을 보였다.
*덴드라이트: 충·방전 과정에서 아연이 고르지 않게 쌓이며 나뭇가지 모양으로 성장하는 결정
유승호 교수는 “텔루르산 첨가제를 이용해 전극 표면에 삼원 복합 인공층을 자발적으로 형성하는 방법은 아연 수계 배터리의 약점을 효과적으로 해결한 것”이라며, “이는 차세대 친환경 배터리 상용화를 앞당길 핵심 기술이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구) 및 개인기초연구 지원을 받아 수행됐다.
Professor Seung Ho Yu Enhances the Durability of Zinc Batteries with a New Electrode Protection Layer
A research team led by Professor Seung Ho Yu in the Department of Chemical and Biological Engineering at Korea University (President Kim Dong-One), in collaboration with Professor Young-Eun Sung’s team at Seoul National University, improved the stability and lifespan of aqueous zinc (Zn) batteries by implementing a new electrode protection layer using telluric acid.
This research was published online on August 8 in Advanced Functional Materials (IF=19), a leading international journal in the field of materials science.
Title: Side Reaction Pathway Modulation for Hydrogen Evolution-Free Aqueous Zn-ion Batteries
DOI: 10.1002/adfm.202512884
URL: https://doi.org/10.1002/adfm.202512884
Aqueous zinc batteries offer several advantages, including low fire risk due to their water-based electrolytes, low cost, and high capacity. However, they still face critical limitations during practical operation, such as anode corrosion and the accumulation of byproducts.
To address these issues, the research team applied telluric acid as an electrolyte additive because of its stable structural characteristics. As a result, they induced the spontaneous formation of a ternary artificial interphase composed of zinc oxide (ZnO), tellurium dioxide (TeO2), and tellurium (Te) on the electrode surface. Analysis showed that this artificial layer formed a robust structure, with ZnO and TeO2 distributed in the outer region and Te located in the inner region.
The team confirmed that the resulting artificial interphase suppresses byproduct formation and dendrite growth while promoting uniform zinc deposition on the electrode surface, thereby stabilizing the electrode environment. Electrochemical analysis further revealed that unnecessary corrosion current and charge-transfer resistance at the electrode-electrolyte interface were significantly reduced, while ion mobility was improved. In addition, zinc symmetric cells incorporating this artificial layer operated stably for more than 1,500 hours and exhibited superior performance compared with conventional systems even under conditions similar to practical operating environments.
*Dendrite: a branch-like crystal structure formed when zinc deposits unevenly during charge and discharge.
Professor Seung Ho Yu said, “The spontaneous formation of a ternary artificial interphase on the electrode surface using a telluric acid additive effectively addresses the weaknesses of aqueous zinc batteries,” adding, “We expect this to become a key technology for accelerating the commercialization of next-generation eco-friendly batteries.”
This work 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 on Secondary Batteries) and the Basic Research Program.
