수계 아연이온전지 AZIB, 6만회 충전 배터리로 ESS 시장 노린다

리튬이온 배터리가 주도해온 이차전지 시장에 물과 아연을 이용한 수계 아연이온전지(AZIB)가 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 호주 플린더스대학교 연구진은 최근 6만 회 이상의 충·방전 수명을 확보한 수계 아연-요오드 충전식 배터리를 개발했다고 밝혔다. 전분에서 유래한 저비용 생분해성 소재로 아연-요오드 전지의 고질적 문제였던 셔틀 효과를 억제해 실용화 가능성을 높였다는 평가다.

AZIB의 핵심은 물 기반 전해질을 쓴다는 점이다. 리튬이온 배터리가 유기계 전해질을 쓰는 것과 달리 수계 전해질을 사용해 화재와 열폭주 위험을 줄일 수 있다. 음극 소재인 아연도 비교적 풍부하고 저렴해 원재료 공급망 부담이 적다. 이런 특성 때문에 AZIB는 전기차보다 대규모 에너지저장장치(ESS) 시장에서 먼저 경쟁력을 확보할 것으로 기대된다. ESS는 에너지 밀도보다 화재 안전성과 긴 수명, 원재료 공급 안정성이 경제성을 좌우하기 때문이다.

셔틀 효과 해결이 관건이었다

아연-요오드 배터리의 대표적 난제는 충·방전 과정에서 생기는 폴리요오드화물이 분리막을 통과해 아연 음극으로 이동하는 셔틀 효과다. 이 현상이 활성 물질 손실과 아연 부식, 자기방전으로 이어지면서 상용화의 걸림돌이 돼왔다. 플린더스대 연구진은 전분에서 얻은 사이클로덱스트린 기반 고분자로 소수성 공간을 만들어 요오드 계열 물질을 붙잡아두는 방식으로 이 문제를 억제했다.

연구진은 150mAh/g 조건에서 3분 충전으로 6만 회 이상의 충·방전을 구현했다. 사이클당 성능 저하율은 0.0001~0.0003% 수준으로 나타났다. 용량을 200mAh/g으로 높이면 충전 시간은 7분으로 늘어나지만 8000회 이상의 충·방전 수명을 확보했다. 작동 전압은 1.3~1.4V다.

전기차엔 아직, ESS엔 현실적 대안

AZIB가 당장 리튬이온 배터리를 대체하긴 어렵다. 물 기반 전해질은 안전성에서 강점이 있지만 전압을 높이는 데 한계가 있고, 아연 음극에서는 덴드라이트 성장과 수소 발생 문제가 나타날 수 있다. 에너지 밀도도 과제로 남아 있다. 부피와 무게 제약이 큰 전기차보다 상대적으로 여유가 있는 ESS가 AZIB의 현실적 시장으로 꼽히는 이유다.

플린더스대 연구진은 현재 산업계와 협력해 아연-요오드 배터리의 프로토타입 플랫폼 구축을 추진 중이다. 아직 상용 제품 단계는 아니지만 연구실 성능을 실제 시스템으로 옮기는 다음 단계에 들어섰다는 의미다. 이는 리튬이온 배터리 시대가 끝난다는 뜻이 아니라, 배터리 시장이 용도에 따라 서로 다른 화학계를 선택하는 방향으로 재편되고 있다는 신호로 볼 수 있다.