한양대학교 화학공학과 김찬훈 박사(연구교수) 연구팀과 한국에너지공과대학교 송주현 교수 연구팀은 공동 연구를 통해, 정수근 토토사이트의 가장 큰 기술적 난제인 덴드라이트 형성 문제를 근본적으로 억제하는 기술을 개발했다. 이번 성과는 정수근 토토사이트의 상용화 가능성을 실질적으로 높였다는 점에서 의미가 크다.

수계아연이온전지는 리튬이온전지보다 에너지 밀도는 낮지만, 물 기반 전해질을 사용해 발화 위험이 없고 안전성이 높으며, 원재료 비용도 리튬이차전지의 1/3 수준으로 저렴하다. 이 때문에 최근에는 실내용, 제로에너지건축물용, 데이터센터용 ESS(에너지저장장치)를 위한 이차전지로 많은 관심을 받고 있다. 하지만 충·방전 반복 시 아연 음극 표면에 발생하는 뾰족한 결정체인 덴드라이트(Dendrite, 수지상결정)가 수명 단축과 단락의 원인이 되며 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

공동 연구팀은 덴드라이트 형성의 원인이 아연 음극 표면에서의 아연 이온 농도 불균형에 있다는 점에 착안해, 아연 이온만을 선택적으로 통과시키는 기능성 고분자 표면 보호막을 설계했다. 이 보호막은 두께 4 마이크로미터 수준의 초박막 구조임에도 세계 최고 수준의 아연 이온 운반율(0.91)을 확보해, 음극 표면에서 균일한 아연 전착을 유도하며 덴드라이트 없이 안정적인 충·방전을 가능하게 했다.

기존 연구들이 아연 활용률과 무관하게 두꺼운 아연 포일을 기반으로 실험한 것과 달리, 본 연구팀은 14 마이크로미터 초박막 아연 포일에 보호막을 적용해 음극의 실사용 가능성을 높였다. 이 조합은 NP 비율(음극/양극 용량비) 3.3의 낮은 조건에서도 5,000회 충·방전 후 75%의 용량 유지율을 보이며 우수한 장수명 특성을 입증했다.

또한 연구팀은 80 cm² 규모의 대면적 아연 음극에도 보호막을 균일하게 적용하는 데 성공해, 대면적 공정에서의 적용 가능성도 확인했다. 해당 음극을 적용한 대형 파우치셀(300 mAh)은 실험실 수준의 코인셀 대비 약 100배 이상 큰 용량을 구현했으며, 500회 사이클 후에도 96%의 용량 유지율을 기록했다.

김찬훈 박사는 “이번 연구를 통해 아연 이온만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 기능성 고분자 표면 보호막이 덴드라이트 발생을 억제하는 데 매우 효과적임을 입증했다”며, “대면적 공정에서도 적용 가능한 기술로 설계되어 실질적인 상용화를 고려한 연구였다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 STEAM 연구 사업(미래유망융합기술파이오니어)과 국가과학기술연구회가 주관하는 선행융합연구 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 『Advanced Energy Materials (IF=26, JCR 분야 상위 2.5%)』 6월호에 게재됐다. 해당 논문 ‘A Near-Single-Ion Conducting Protective Layer for Dendrite-Free Zinc Metal Anodes’는 한양대 김찬훈 박사와 한국에너지공과대 송주현 교수가 교신저자로 참여했다.

한편, 김찬훈 박사 연구팀은 관련 기술을 2025년 3월 민간기업 ㈜티엔피솔루션에 기술이전을 완료했다. ㈜티엔피솔루션은 2019년 5월 설립 후, 통신장비 제조를 시작으로 에너지 및 안전 솔루션 분야로 사업을 확장해 온 전문 기업이다. 현재는 본 기술을 바탕으로 2026년 상반기 정수근 토토사이트 양산을 준비 중이다.

한양대학교 화학공학과 김찬훈 박사(연구교수) 연구팀과 한국에너지공과대학교 송주현 교수 연구팀은 공동 연구를 통해, 정수근 토토사이트의 가장 큰 기술적 난제인 덴드라이트 형성 문제를 근본적으로 억제하는 기술을 개발했다. 이번 성과는 정수근 토토사이트의 상용화 가능성을 실질적으로 높였다는 점에서 의미가 크다.

수계아연이온전지는 리튬이온전지보다 에너지 밀도는 낮지만, 물 기반 전해질을 사용해 발화 위험이 없고 안전성이 높으며, 원재료 비용도 리튬이차전지의 1/3 수준으로 저렴하다. 이 때문에 최근에는 실내용, 제로에너지건축물용, 데이터센터용 ESS(에너지저장장치)를 위한 이차전지로 많은 관심을 받고 있다. 하지만 충·방전 반복 시 아연 음극 표면에 발생하는 뾰족한 결정체인 덴드라이트(Dendrite, 수지상결정)가 수명 단축과 단락의 원인이 되며 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

공동 연구팀은 덴드라이트 형성의 원인이 아연 음극 표면에서의 아연 이온 농도 불균형에 있다는 점에 착안해, 아연 이온만을 선택적으로 통과시키는 기능성 고분자 표면 보호막을 설계했다. 이 보호막은 두께 4 마이크로미터 수준의 초박막 구조임에도 세계 최고 수준의 아연 이온 운반율(0.91)을 확보해, 음극 표면에서 균일한 아연 전착을 유도하며 덴드라이트 없이 안정적인 충·방전을 가능하게 했다.

기존 연구들이 아연 활용률과 무관하게 두꺼운 아연 포일을 기반으로 실험한 것과 달리, 본 연구팀은 14 마이크로미터 초박막 아연 포일에 보호막을 적용해 음극의 실사용 가능성을 높였다. 이 조합은 NP 비율(음극/양극 용량비) 3.3의 낮은 조건에서도 5,000회 충·방전 후 75%의 용량 유지율을 보이며 우수한 장수명 특성을 입증했다.

또한 연구팀은 80 cm² 규모의 대면적 아연 음극에도 보호막을 균일하게 적용하는 데 성공해, 대면적 공정에서의 적용 가능성도 확인했다. 해당 음극을 적용한 대형 파우치셀(300 mAh)은 실험실 수준의 코인셀 대비 약 100배 이상 큰 용량을 구현했으며, 500회 사이클 후에도 96%의 용량 유지율을 기록했다.

김찬훈 박사는 “이번 연구를 통해 아연 이온만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 기능성 고분자 표면 보호막이 덴드라이트 발생을 억제하는 데 매우 효과적임을 입증했다”며, “대면적 공정에서도 적용 가능한 기술로 설계되어 실질적인 상용화를 고려한 연구였다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 STEAM 연구 사업(미래유망융합기술파이오니어)과 국가과학기술연구회가 주관하는 선행융합연구 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 『Advanced Energy Materials (IF=26, JCR 분야 상위 2.5%)』 6월호에 게재됐다. 해당 논문 ‘A Near-Single-Ion Conducting Protective Layer for Dendrite-Free Zinc Metal Anodes’는 한양대 김찬훈 박사와 한국에너지공과대 송주현 교수가 교신저자로 참여했다.

한편, 김찬훈 박사 연구팀은 관련 기술을 2025년 3월 민간기업 ㈜티엔피솔루션에 기술이전을 완료했다. ㈜티엔피솔루션은 2019년 5월 설립 후, 통신장비 제조를 시작으로 에너지 및 안전 솔루션 분야로 사업을 확장해 온 전문 기업이다. 현재는 본 기술을 바탕으로 2026년 상반기 정수근 토토사이트 양산을 준비 중이다.