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1. 연구 배경
최근 에너지 저장 장치 분야에서는 높은 이론 용량과 우수한 안전성, 그리고 저렴한 비용을 동시에 갖춘 수계 아연-요오드(Zn-I₂) 배터리가 차세대 시스템으로 큰 주목을 받고 있습니다. 하지만 실제 상용화 단계에서는 요오드 활물질이 전해질에 녹아 나와 성능을 저하시키는 '셔틀 효과(shuttle effect)'와 요오드 자체의 낮은 전기 전도성이 해결해야 할 핵심 과제로 남아있었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구팀은 요오드 종을 물리적·화학적으로 강력하게 고정하여 배터리의 수명과 출력을 획기적으로 높일 수 있는 지속 가능한 탄소 호스트 소재를 개발하고자 하였습니다.
2. 핵심 연구 내용
콜라겐 업사이클링: 수산물 및 축산물 가공 부산물인 콜라겐(Collagen)을 전구체로 사용하여 질소가 도핑된 나노 다공성 탄소(NPC)를 성공적으로 합성함.
친환경 및 고순도 공정: 질소가 풍부한 콜라겐 고유의 특성을 활용해 별도의 질소 첨가제 없이도 균일한 도핑 구조를 구현했으며, KOH 활성화 공정을 통해 기공 구조를 정밀하게 제어함.
나노기공(Nanopore)의 핵심 역할:
정밀한 기공 설계: 약 1.2 nm 수준의 미세한 나노기공을 발달시켜 요오드 분자를 물리적으로 가두기에 최적화된 내부 공간을 제공함.
확산 경로 및 안정성: 잘 발달된 나노기공 네트워크는 요오드 용출을 물리적으로 차단하는 동시에, 이온의 신속한 이동을 도와 고출력 환경에서도 안정적인 반응을 유도함.
우수한 물리적 특성: 2230 m² g⁻¹ 의 매우 높은 비표면적과 1.1 cm³ g⁻¹ 의 큰 기공 부피를 확보하여 활물질 수용 능력을 극대화함.
화학적 시너지: 탄소 격자 내의 질소(특히 Graphitic N)가 요오드 종과 강력한 화학적 상호작용을 일으켜 셔틀 효과를 근본적으로 억제함.
3. 주요 연구 성과
탁월한 출력 및 용량: 20 A g⁻¹의 매우 높은 전류 밀도에서도 235 mA h g⁻¹의 고용량을 유지하며 우수한 속도 특성을 입증함.
독보적인 수명 안정성: 6 A g⁻¹ 조건에서 5,000회 이상의 장기 사이클 테스트 후에도 246 mA h g⁻¹의 용량을 유지하는 탁월한 내구성을 확인 함.
높은 효율 및 자가 방전 개선:
약 99.90%에 달하는 높은 쿨롱 효율을 기록하며 반응의 가역성을 확보함.
24시간 휴지 후에도 95.1%의 높은 용량 유지율을 보여, 기존 탄소 소재(44.7%) 대비 자가 방전 문제를 획기적으로 개선함.
4. 결론 및 기대 효과
이번 연구는 버려지는 콜라겐 부산물을 고부가가치 에너지 저장 소재로 전환함으로써 환경적 지속 가능성과 경제적 실용성을 동시에 입증했다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 특히 나노 규모의 기공 설계와 질소 도핑 기술의 결합이 요오드 양극의 고질적인 문제를 해결할 수 있음을 규명하였으며, 이는 향후 고성능·장수명 수계 아연-요오드 배터리의 상용화 시기를 앞당기는 데 핵심적인 기술적 토대가 될 것으로 기대됩니다.
Int. J. Energy Res., 2026, 1, 5891725