1. 서 론
2. Zn-I2 배터리의 작동 메커니즘과 전극･전해질 설계 연구 동향
2.1 작동 원리 및 전기화학 메커니즘
2.2 양극(Cathode)
2.3 전해질(Electrolyte)
2.4 음극(Anode)
3. 결론 및 향후 전망
1. 서 론
전 세계적으로 지속 가능한 에너지 시스템으로의 전환은 필수적인 과제로 대두되고 있으며, 이에 따라 높은 안정성, 에너지 밀도, 경제성을 동시에 충족하는 차세대 이차전지 기술에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다1,2,3). 특히 재생에너지를 기반으로 하는 전력망 연계형 에너지 저장장치, 마이크로그리드, 가정용 저장 시스템 등 다양한 응용 분야에서는 긴 수명, 소재 안정성, 환경 친화성, 그리고 경제성이 핵심적인 요구 사항으로 작용한다. 그러나 태양광이나 풍력과 같은 신재생에너지원은 발전량이 기상 조건에 따라 크게 변동하는 특성을 지니고 있으며, 이러한 점은 전력망의 안정적인 운영을 저해한다. 따라서 신재생에너지의 효율적 활용과 전력 수급 균형을 위해 이를 보완할 수 있는 에너지 저장장치(ESS)의 도입은 필수적이다4,5,6).
현재 가장 상용화된 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 유기 전해질을 사용하기 때문에 인화성과 폭발성의 위험성을 안고 있다. 이로 인해 많은 연구자들이 전고체 배터리나 슈퍼커패시터와 같은 대체 기술에도 관심을 기울이고 있으며7, 8), 그 중에서도 인화성과 폭발성 위험이 낮고 친환경적인 특성을 갖춘 수계 이차전지가 차세대 에너지 저장 장치로서 주목받고 있다. 수계 아연 기반 전지는 전해질 조성과 반응 메커니즘에 따라 Zn–ion, Zn–air, Zn–halide계로 분류되며, Zn–I2 배터리를 포함한 주요 시스템들의 특성과 성능은 선행 연구에서 보고된 데이터를 종합하여 Table 1에 비교･정리하였다. Zn–Br2및 Zn–Cl2배터리와 비교하면, Zn–I2배터리의 활성종인 아이오딘(I2)은 상온에서 고체(Br2: 액체, Cl2: 기체)로 존재하며 끓는점이 높아 상대적으로 비휘발･저부식성이다. 이로써 브롬계에서 빈번한 낮은 pH･고전압 구동 시 물분해에 따른 쿨롱효율 저하, 충전 중 발생하는 브롬 가스의 휘발･독성･부식성, 그리고 염소계의 높은 휘발･독성으로 인한 안전･밀봉･유지보수 부담에 비해 취급･관리 및 시스템 설계 측면에서 유리하다11). 이러한 소재･시스템적 이점과 더불어 아연–아이오딘(Zn–I2) 배터리는 풍부한 자원에 기반한 원가 경쟁력과 높은 안전성을 동시에 충족할 잠재력을 지니며, 우수한 전기화학 특성과 안정성을 바탕으로 차세대 에너지 저장 기술의 유력한 후보로 평가된다12,13,14,15).
Table 1.
Comparison of aqueous Zinc-based battery systems
|
Zn-based batteries | Mechanism |
Theoretical Voltage (V) |
Cathode Material | Electrolyte |
Working Voltage (V) | Specific Capacity |
Energy Density (Whkg-1) |
Cycling Performance | Refs. |
| Zn-Ion |
Insertion-type reaction |
Dependent on cathode material | MnO2 |
1 M (NH4)2SO4 + 0.1M MnSO4 | 1.35 |
365 mAh g-1 @ 0.5 A g-1 | 486 |
115 mAh g-1 after 4000 cycles @ 4 A g-1 | [9] |
| Zn–Air |
Catalytic reaction | 1.65 | Pt/C + IrO2 | ZnSO4 + LiTFSI // H2SO4 + LiTFSI | 1.55 |
802 mAh g-1 (based on Zn anode) | 1243 |
2000 h @ 0.5 mA cm-2 | [10] |
| Zn–Iodine |
Conversion reaction (2e-) | 1.3 | I2@C-50 |
2 M Zn(CF3SO3)2 | - |
210 mAh g-1 @ 0.1 A g-1 | 237 |
100 mAh g-1 after 10000 cycles @ 5 A g-1 | [19] |
|
Conversion reaction (4e-) | 1.83 | PAC |
ZnCl2 + LiCl + ACN – H2O (19-19-8) | 1.45 |
594 mAh g-1 @ 0.4 A g-1 | 495 |
420 mAh g-1 after 6000 cycles @ 2 A g-1 | [18] |
Zn–I2배터리는 양극 활물질로 사용되는 아이오딘이 해수 속에 약 55 µg L-1존재할 만큼 매장량이 풍부하며, 수계 전해질 환경에서도 비교적 높은 작동 전압(약 1.3V)을 구현할 수 있어 실용적 이점이 크다. 아이오딘의 산화환원 반응은 높은 이론 용량을 제공할 뿐 아니라, 다전자 반응 경로를 통해 고에너지 밀도의 구현 가능성도 열려 있다. 더불어 아연 음극은 820 mAh g-1에 달하는 높은 이론 용량과 수계 전해질과의 우수한 호환성을 바탕으로 낮은 산화･환원 전위를 제공하며, 이를 통해 시스템의 전체 에너지 효율 향상에 기여한다16,17,18,19).
그러나 이러한 장점에도 불구하고, Zn–I2배터리는 실제 구동 과정에서 여러 근본적인 한계를 지닌다. 특히 아이오딘이 전해질에 용해되며 형성되는 폴리요오드(polyiodide) 종은 충･방전 중 음극으로 확산되어 부반응을 유발하고, 이는 자가방전(self-discharge), 용량 감소, 쿨롱 효율 저하 등으로 이어진다. 이와 함께 높은 용해 특성은 장기 순환 과정에서 활성 물질 손실을 가속화하고 전해질 내 농도 구배를 심화시켜 반응 경로의 효율성을 저하시킨다. 더불어 아이오딘 자체의 낮은 전기적 전도성은 전극 반응 속도를 지연시켜 전자 전달을 제한하는 주요 요인으로 작용한다20,21,22,23,24,25). 음극 측면에서도 불안정성이 존재한다. 아연은 수계 환경에서 수소 발생 반응(HER)이 쉽게 동반되어 전류 효율 저하, 전극 부식, 내부 압력 상승을 유발한다. 동시에 불균일한 아연 증착/용출(plating/stripping)은 덴드라이트(dendrite) 성장을 초래하며, 이는 배터리의 장기 안정성을 저해하는 주요 원인으로 작용한다26,27,28,29,30,31,32,33).
Zn–I2 배터리의 성능 향상을 위해 전해질 공학적 접근으로 다전자 반응을 촉진하여 에너지 밀도와 용량을 향상시키려는 시도가 보고되었다19). 이러한 접근은 아이오딘의 다양한 산화수를 활용하여 이론적 용량을 최대한으로 활용하고, 차세대 고에너지 밀도 전지로의 발전 가능성을 뒷받침한다. 한편, 실제 구동에서 나타나는 주요 기술적 병목 현상을 극복하기 위해서는 활성 물질의 전기전도성 향상, I3− 셔틀 현상 억제, 그리고 음극/전해질 계면에서의 부반응 완화가 핵심 과제로 지적된다. 이를 해결하기 위한 전략으로는 아이오딘의 낮은 전도성과 높은 용해도를 극복하기 위한 활성탄 기반 호스트 내 아이오딘 고정화･캡슐화20), 자유수 억제와 Zn2+ 확산 균일화 및 계면 안정화를 동시에 달성하기 위한 전해질 조성 제어34), 아연 음극의 가역성을 향상시키고 덴드라이트 성장을 억제하기 위한 합금화 전략35) 등이 제안되었다. 또한 –SO3H 작용기를 도입한 기능성 바인더를 통해 아이오딘의 용해와 셔틀 현상을 억제하고 전극 구조를 안정화 하거나, 전해질 첨가제를 활용해 구동과정에서 자발적으로 형성되는 동적 계면층을 유도하여 셔틀 억제와 요오드 활용률을 향상시키는 접근도 보고되었다36-37). 최근에는 이러한 물질･계면적 설계 전략을 기반으로, 아이오딘 종의 반응 경로를 정밀 제어하여 다전자 전환 반응(>2e−)을 활성화하고, 전극–전해질 계면에서의 이온 전달 및 전자 재결합 반응을 조절하는 통합적 접근이 제시되고 있다. 이러한 연구들은 셔틀 억제와 다전자 반응 촉진이라는 두 핵심 과제를 동시에 해결하기 위한 새로운 패러다임으로, 화학적 결합 조정, 전자 구조 설계, 계면 반응 공학이 유기적으로 결합된 통합적 시스템 설계 방향으로 발전하고 있다. 본 리뷰에서는 이러한 최신 전략들을 중심으로 Zn–I2배터리의 주요 기술적 병목 현상과 이를 극복하기 위한 연구 동향을 종합적으로 고찰하고, 향후 연구 방향을 제시하고자 한다.
2. Zn-I2 배터리의 작동 메커니즘과 전극･전해질 설계 연구 동향
2.1 작동 원리 및 전기화학 메커니즘
Zn–I2배터리의 작동 방식은 아이오딘 소스의 위치에 따라 크게 두 가지로 구분된다. 첫번째는 아이오딘이 양극 호스트 소재 내부에 담지된 방식이다(Fig. 1a). 이 경우, 보통 다공성 기반물질에 고정화된 아이오딘이 직접 산화환원 반응에 참여한다. 충전 과정에서는 아연 금속이 산화되어 Zn2+ 이온으로 용출되고, 동시에 I2 가 환원되어 I3로 전환된다. 반대로 방전 시에는 Zn2+ 가 다시 아연 금속으로 환원되고, I3가 I2 로 산화된다. 전극 반응식은 다음과 같다.
두번째는 용존 아이오딘 종 기반 방식이다(Fig. 1b). 이 경우, 전해질 속에 존재하는 I− 또는 I3− 이온이 아이오딘 공급원으로 작용하며, 전극 반응식은 다음과 같다.
Fig. 1
Schematic illustration of Zn–I2 batteries employing (a) I2 encapsulated within a host matrix and (b) dissolved iodine species (I-/I3-) in the electrolyte as the active iodine source 38), copyright 2023, John Wiley and Sons
이들 용존 종은 전해질 내에서 높은 확산성을 가지며, 전극 사이를 오가면서 전기화학 반응을 매개한다. 두가지 방식 모두 I3−가 생성되어 I2와 결합하면 I5−, I5−가 I2와 결합하면 I7−가 생성된다. 이러한 다중 아이오딘 이온들은 전해질에 용해되어 음극으로 확산되며, 아연과의 부반응을 유발한다. 이 과정은 불필요한 환원 반응을 촉진하여 자가방전, 쿨롱효율 저하, 그리고 장기 사이클 수명 단축의 주된 원인으로 작용한다. 따라서 Zn–I2배터리의 상용화를 위해서는 셔틀 현상의 억제와 아이오딘 종의 안정적 고정화 전략이 필수적이다.
한편, 아이오딘은 다양한 산화 상태를 가질 수 있어 이를 활용한 다 전자 전환 반응이 제안되고 있다. 기본적으로 I−/I3− 전환에 기반한 2e− 반응 경로 외에도, 전해질 내에서 I−가 I0를 거쳐 고산화 상태의 I+ 종으로 추가 산화될 수 있으며, 이 경우 총 4e− 전환이 가능하다. 그러나 I+ 종은 수계 환경에서 불안정하기 때문에 이를 안정화하기 위한 조건이 필요하다. 예를 들어, Cl− 이온을 도입하면 I+ 종이 ICl 형태로 존재할 수 있어 안정성이 향상되며, 결과적으로 4e− 반응 경로의 실현 가능성을 높일 수 있다19).
예시로 든 4전자 반응의 전극 반응식은 다음과 같다.
이러한 다 전자 전환 메커니즘은 작동전압을 증가시키고 용량 및 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 잠재력을 지닌다. 다만, I+ 종은 수계 전해질 환경에서 불안정하기 때문에 이를 안정화하기 위한 조건이 필요하다.
2.2 양극(Cathode)
아이오딘 양극은 높은 이론용량(I2: 211 mAh g-1)과 풍부한 자원을 바탕으로 큰 장점을 지니지만, 앞서 말했듯이 실용화를 제약하는 여러 구조적･화학적 한계를 내포하고 있다. 아이오딘과 폴리요오드화물 종의 높은 용해도는 전해질 내 확산(shuttle) 현상을 유발하여 자가방전과 활성 물질 손실로 이어지며, 이로 인해 배터리의 쿨롱효율과 장기 안정성이 저하된다. 또한 아이오딘 산화환원 반응은 본질적으로 가역성이 낮고 반응 속도가 비 대칭적이어서 에너지 효율 저하를 야기한다. 따라서 아이오딘 양극의 최적화는 고성능 아연–아이오딘 배터리를 구현하기 위한 핵심 과제로 부상하고 있다. 최근 연구들은 단순한 아이오딘 저장소로서의 역할을 넘어, 전극 구조와 계면 화학을 정교하게 설계하여 활성 물질의 고정화, 전하 전달 촉진, 반응 경로 조율, 전극–전해질 상호작용 제어를 동시에 달성하려는 방향으로 발전하고 있다.
예를들어, Xiaoxiao Liang 연구팀은 설폰산 그룹(R–SO3H)이 풍부한 폴리이미드 기반 고분자(PI-4S)를 설계하여 바인더로 사용하였다(Fig. 2a)37). PI-4S 바인더는 아이오딘 및 아이오딘화물과의 강한 화학적 상호작용을 통해 활성 아이오딘 성분의 자발적 용해와 폴리요오드화물 셔틀 현상을 억제하여, 높은 구조적 안정성과 낮은 자가방전 특성을 구현하였다(Fig. 2b). 원자수준의 양극 촉매 연구 또한 활발히 진행되고 있다. M. Liu 연구팀은 붕소(B)와 철(Fe)이 공동 도핑된 N-도핑 탄소(B–Fe–NC/I2) 전극을 개발하여 물리화학적 포획 효과를 구현하였다(Fig. 2c)39). B–Fe–NC/I2 전극은 NC/I2전극보다 낮은 전위차와 작은 분극을 나타내며(Fig. 2d), 우수한 가역성과 긴 수명을 보여주었다. 실용화 수준의 파우치 셀 테스트 결과, 2C 조건에서 300회 이상 사이클링 후에도 90%의 용량을 보존하였다. B–Fe–NC를 비롯하여 Co, Cu, Fe, Ni, Zn과 같은 전이금속 뿐만 아니라 Se, Nb 등 다양한 원소를 활용한 전략들이 보고되고 있다40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51). 이를 넘어 이중원자 촉매 연구도 활발히 진행되고 있다. Peng Hei 연구팀은 망간–아연 이원자 촉매(MnZn–NC)를 성공적으로 합성하여 양극 촉매로 사용하였다52). 이 시스템에서 망간-아연 이중원자는 원자 단위로 분산되어 MnZnN6 배위 구조를 형성하였으며, Zn–NC 및 Mn–NC와 비교했을 때 더 뛰어난 삼아이오딘화물 흡착 능력을 입증하였다. 이러한 이원자 촉매는 아이오딘 산화환원 반응의 동역학을 정교하게 조율하면서 장기 안정성을 확보할 수 있는 효과적인 전략임을 보여준다.
Zhang 연구팀은 Mo2C 나노결정에 탄소 나노층(CS/Mo2C@C)을 도입해 아이오딘 양극 호스트 촉매의 표면 전자 친화도(surface electron affinity)를 조절하였다53). 이 전략은 I2/I− 산화환원 반응 과정에서 효율적인 전자 전달을 촉진하고, 과도한 전자 포획을 억제하여 아이오딘 산화 반응(IOR)과 환원 반응(IRR)의 속도를 균형 있게 유지하였다. 결과적으로 CS/Mo2C@C/I2전극은 우수한 촉매 활성과 완전한 삼아이오딘화물(I3−) 전환을 통해 비교 전극들보다 더 작은 분극을 나타내었고 더 높은 용량을 가질 수 있었다(Fig. 2e).
Hongyang Zhao 연구팀은 고전도성 폴리요오드화물 이온성 액체(N2221-PIL) 양극을 개발하여 적용하였다(Fig. 2f)54). 이 전극은 20 mA cm-2의 높은 전류 밀도에서도 4천 사이클 이상 안정적으로 구동되었고(Fig. 2g), 유연한 마이크로배터리 및 집적 셀 환경에서도 우수한 속도 성능과 용량 유지율을 확보하였다. 전반적으로 N2221-PIL 양극은 6 mA cm-2의 전류 밀도에서 높은 용량(약 156 mAh g-1)과 99.93%의 쿨롱 효율을 달성하며, 장기 내구성을 갖춘 효과적인 전략임을 보여주었다.
Fig. 2
(a) Schematic illustration of the functional mechanisms of PI-4S and PTFE binders37). (b) Cycling durability at 4.0 A g-1 using different binder systems37), copyright 2025, John Wiley and Sons (c) Schematic illustration of B−Fe−NC synthesis39). (d) GCD curves of B-Fe-NC and NC at the 1000th cycle39), copyright 2022, American Chemical Society (e) Comparison of GCD curves for batteries with CS, CS/Mo2C, and CS/Mo2C@C cathodes at 1 A g-153), copyright 2025, John Wiley and Sons (f) Scheme of charge transport in polyiodide ionic liquid cathode54). (g) Cycling performance of N2221 - based battery at 16C54), copyright 2024, American Chemical Society
아이오딘 기반 양극은 경제성, 자원 풍부성, 높은 이론 용량을 바탕으로 큰 잠재력을 지니지만, 수용성에 기인한 셔틀 현상, 활성 물질 손실, 낮은 반응 가역성 등이 성능 저하의 주요 요인으로 작용한다. 이를 극복하기 위해 전극 구조의 정교한 설계, 계면 화학 조율, 기능성 바인더 도입, 이온 고정화 촉매 및 원자 수준 활성 부위 활용 등 다양한 전략이 제시되어 왔으며, 이러한 접근은 자가방전 억제와 전하 전달 향상을 통해 장수명과 높은 에너지 효율 달성을 가능하게 하였다. 그러나 여전히 전극–전해질 상호작용의 복잡성과 반응 경로의 비가역성은 완전한 해결을 필요로 하며, 고성능･고안정성 Zn–I2시스템 구현을 위해서는 더욱 보편적이고 근본적인 최적화 전략이 요구된다.
2.3 전해질(Electrolyte)
전해질은 배터리의 전기화학적 성능을 좌우하는 핵심 요소 중 하나로, 양극의 아이오딘 전환반응 뿐 아니라 음극의 아연 증착/용출(plating/stripping) 거동과도 직접적으로 연결되어 있다. 그러나 전통적인 수계 전해질에서는 자유수(free water)의 높은 활성으로 인한 부반응과, I3− 계열의 폴리요오드 종(polyiodide species) 확산으로 인한 셔틀 (shuttle) 현상이 심각한 문제로 지적되어 왔다. 이를 해결하고자 최근에는 전해질을 단순한 이온 전도 매체가 아닌 능동적이고 기능적인 조절자로 설계하려는 노력이 이어지고 있다. 대표적으로 고농도 전해질 조성은 자유수의 활성을 억제하고 Zn2+ 의 용매화 구조를 변화시켜 부반응을 줄이는 데 효과적이다.
실제로 Hanbing Wang 연구팀은 2.7 m ZnSO₄전해질을 도입하여 자유수 함량을 줄이고 pH를 낮춤으로써 I3− 셔틀 현상을 억제하였다55). 이 과정에서 Zn2+의 용매화 구조가 SSIP (Solvent-Separated Ion Pair)에서 CIP(Contact Ion Pair) 형태로 전환되었고, 그 결과 장시간 개방 회로 저장 후에도 높은 용량 유지율을 보였으며 43,000회 이상의 장기 사이클링에서도 안정적인 성능이 확보되었다.
공융 전해질(eutectic electrolyte) 개발을 통해 음극 계면의 근본적 안정성을 확보하려는 연구도 진행되었다. Yongqiang Yang 연구팀은 N-메틸아세트아미드(N-ACE) 기반 전해질을 적용하여 Zn2+ 주위에 이중-껍질 용매화 구조(내부 무수 껍질 + 외부 N-ACE/H2O 층)를 형성하였다56). 이를 통해 자유수 활성을 억제하고 I3− 생성을 차단하여 음극 부식과 불균일한 증착(plating)을 방지하였으며, 2 V 이상의 확장된 전압범위에서 우수한 전기화학적 안정성을 달성하였다. 또한 5천 회 이상의 충･방전 이후에도 높은 용량 유지율과 에너지 효율을 보였고, 고 전류 조건에서도 장기적 가역성을 유지하였다. 스마트 전해질(smart electrolyte) 개념도 주목받고 있다. Faxing Wang 연구팀은 P2VP (poly(2-vinylpyridine)) 기반 자극 반응성 전해질을 사용하여 과 충전 시 자가 보호 기능을 구현하였다(Fig. 3a)57). 과 충전 과정에서 pH가 증가하면 P2VP가 친수성에서 소수성 겔로 빠르게 전환되어, 30초 이내에 내부 저항이 약 4배 증가하며 배터리 손상을 방지하였다. 이후 전해질 pH를 조정하면 초기 용량의 대부분이 회복됨을 확인하였다(Fig. 3b).
서론에서 소개했던 4e− 전환을 기반으로 용량을 확대한 Yiping Zou 연구팀은 물 활성도를 억제하고 자유 Cl−을 충분히 공급하는 ZnCl2–LiCl–ACN–H2O 고농도 이중염 전해질(19–19–8)을 도입하여 실시간 ICl 형성을 유도하고 I+의 가수분해를 억제함으로써 I2/I+ 고전위 산화환원쌍을 안정적으로 작동시켜 4e− 반응을 실현하였다19). 이 전해질의 도입으로 평균 작동 전압은 1.45 V, 에너지 밀도는 I2 기준 750 Wh kg-1(전지 기준 495 Wh kg-1)에 도달했으며, 400 mA g-1에서 594 mAh g-1의 용량을 달성하였다. 또한 2000 mA g-1 조건에서 6000회 동안 사이클당 0.003%의 용량 감소율을 보였고, Zn‖Zn 대칭 전지는 약 1100 h 동안 안정한 증착/용출(plating/stripping), Zn‖Ti 셀은 600회 이상 구동 후에도 99.8%의 쿨롱 효율을 보여주어 연구팀이 제안한 고농도 이중염 전해질이 고전압･고에너지･장수명과 함께 아연 음극 안정화까지 동시에 견인함을 입증하였다.
이온성 액체 전해질 또한 효과적인 전략으로 제시되었다. Tao Xiao 연구팀은 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(EAc)를 전해질로 도입하여 셔틀 없는 아연–아이오딘 배터리를 구현하였다(Fig. 3c)58). EAc는 Zn2+ 용매화 구조를 조정해 수계 전해질에서 발생하는 부반응을 억제하였고, EMIM⁺ 이온이 폴리요오드화물과 결합하여 아이오딘 용해를 제한함으로써 셔틀 효과를 근본적으로 차단하였다. 그 결과 아연 덴드라이트 성장이 억제되고 Zn 증착이 균일하게 되었으며(Fig. 3d), 4 A g-1 조건에서 18,000회 이상의 사이클 동안 149.23 mAh g-1의 안정적인 용량과 99.79%의 높은 쿨롱 효율을 유지하였다.
Fig. 3
(a) Schematic illustration of the self-protection mechanism in SR-ZIABs57) (b) Cycling stability of SR-ZIABs under different conditions: normal operation (blue), shutdown by overcharge at 1.95 V (red), and recovery after electrolyte pH adjustment (green) 57), copyright 2020, Open Access (c) Schematic illustration of the optimization strategy using ionic liquid EAc58) (d) SEM images of Zn plates after deposition for 90 mins58), copyright 2024, John Wiley and Sons
첨가제 기반 전략도 활발히 연구되고 있다. Jiajun Chen 연구팀은 1-(2-하이드록시에틸)이미다졸(HEI)을 전해질에 첨가하여 Zn 계면을 재구성하였다(Fig. 4a)59). HEI 분자는 전극 표면에 흡착해 물 분자의 약 24.1%를 대체하여 계면을 안정화하고, 덴드라이트 성장을 억제하며 HER을 감소시켰다(Fig. 4b, 4c). 이 전해질은 50,000회 이상의 사이클에서도 용량 감소율이 0.001%에 불과한 뛰어난 안정성을 보였다.
최근에는 생체 분자 기반 접근도 제안되었다. Tianlong Wu 연구팀은 어린이 비늘 단백질(FSP)을 첨가제로 도입하여 수소결합 네트워크를 재구성하는 용매화 공학을 구현하였다(Fig. 4d, 4e)60). FSP는 자유수 활성을 억제하여 HER을 차단하는 동시에 Zn 음극의 장기 안정성을 크게 높였다. 또한 폴리요오드화물과의 상호작용을 통해 셔틀 효과를 억제하여, 고부하 조건에서도 우수한 순환 안정성을 달성하였다.
Fig. 4
(a) Schematic illustration of the HEI additive suppressing the polyiodide shuttle via ion–dipole interactions59) (b) LSV curves of BE and BE-HEI59) (c) SEM images of Zn metal anodes immersed in BE and BE-HEI for 4 days59), copyright 2024, John Wiley and Sons (d) Schematic images of H2O-induced side reactions and FSP-enabled HB/pH regulation60) (e) Schematic images of Zn plating–stripping without (left) and with (right) FSP60), copyright 2025, John Wiley and Sons
전해질은 Zn–I2배터리의 전기화학적 성능과 안정성을 결정짓는 핵심 요소로, 자유수에 기인한 부반응과 폴리요오드 종의 셔틀 현상은 자가방전, 낮은 쿨롱 효율 및 수명 단축을 유발하는 주요 걸림돌로 작용한다. 이를 극복하기 위해 다양한 기능화 전략이 제시되었다. 고농도 전해질은 자유수 활성을 억제하고 Zn2+ 용매화 구조를 변화시켜 장수명 순환을 달성할 수 있으나, 전해질 점도가 높아 전도도가 저하되는 문제가 뒤따른다. 공융 전해질은 안정적인 이중 껍질 용매화 구조를 제공해 음극 부식을 억제하고 높은 작동 전압을 구현할 수 있지만, 합성 및 조성 제어가 복잡하고 비용 부담이 있다. 첨가제 기반 전략은 적은 양으로도 효과적인 계면 안정화를 달성할 수 있으나, 장기간의 화학적 안정성과 범용성 측면에서는 추가 검증이 필요하다. 이처럼 각 접근은 상호 보완적 장점을 가지면서도 비용･전도도･안정성 측면에서 한계를 수반하며, 따라서 전해질을 단순한 이온 전도체가 아닌 능동적이고 다기능적인 구성 요소로 설계하여 전략들을 유기적으로 결합하는 것이 향후 연구의 중요한 과제가 될 것이다.
2.4 음극(Anode)
아연은 낮은 산화환원 전위와 높은 이론용량을 기반으로 음극 소재로서 매력적인 특성을 지니지만, 수계 환경에서는 여러 가지 전기화학적 불안정성이 동반된다. 충전 과정에서 아연 이온의 비균일한 증착은 덴드라이트 성장을 유발하여 셀 내부 단락과 안정성 저하로 이어지며, 아연의 환원 전위가 물보다 낮기 때문에 음극 표면에서는 수소 발생 반응(HER)이 쉽게 동반된다. 이로 인해 전류 효율 저하, 전해질 산성화, 내부 압력 상승, 전극 부식 등이 나타난다. 또한 충･방전 과정이 반복되면서 아연은 지속적으로 용해 및 재침착을 거듭하게 되고, 그 결과 표면에 전기화학적으로 비활성화된 부산물 층이 형성되어 전극의 장기적 안정성을 저해한다. 따라서 아연 음극의 불안정성을 극복하기 위해서는 계면 반응의 제어, 전극 구조의 최적화, 그리고 전해질 환경의 조율과 같은 다각적인 접근이 필요하다. 이러한 전략들은 아연 증착의 균일성을 확보하고 부반응을 억제함으로써 셀의 장기 수명과 고속 충･방전 성능을 보장하는 데 핵심적인 역할을 한다.
이러한 전략 가운데 대표적인 방법은 계면 코팅이다. Leiqian Zhang 연구팀에서는 설포네이트가 풍부한 다기능 고분자 코팅(SC-PPS)을 도입하여 아연 음극–전해질 계면에서의 이온 수송을 정밀하게 제어하였다(Fig. 5a)61). SC-PPS는 폴리요오드화물 셔틀을 효과적으로 차단하고 Zn 증착/용출(plating/ stripping) 거동을 균일하게 조율하여 Zn2+ 전달 계수를 크게 향상시켰다. 그 결과 SC-PPS@Zn 대칭 배터리는 600시간 이상 안정적으로 구동되었고, SC-PPS@Cu 전극은 140 사이클 동안 평균 98.75%의 쿨롱 효율을 유지하였다. 또한 SC-PPS@Zn 전극을 적용한 배터리는 6000 사이클 후에도 약 90.2%의 용량과 99.89%의 평균 쿨롱 효율을 보존하며 우수한 내구성을 입증하였다.
계면의 물리적 안정성을 강화하는 접근도 보고되었다. Song Chen 연구팀에서는 피트산(PA)-금속 필름을 적용하여 Zn 표면을 조정하였으며, PA-Zn, PA-Co, PA-Ni 필름 모두 기계적 안정성과 연성을 확보하였다(Fig. 5b, 5c)62). 특히 PA-Zn 필름은 거의 무시할 수 있는 필름 저항과 함께 Zn2+ 전달 계수를 0.35(Zn foil)에서 0.86으로 향상시켰고, 그 결과 5000 사이클 후에도 93.6%의 용량 유지율을 기록하였다. 이는 음극 계면에서의 전하 전달 특성을 개선함으로써 장기간 안정적으로 구동을 실현할 수 있음을 보여준다. 한편, 초소형･고에너지 응용을 겨냥한 연구도 진행되었다.
Fig. 5
(a) Schematic illustration of the synthesis process of SC-PPS and its roles in the battery61), copyright 2023, John Wiley and Sons (b) Schematic illustration of interfacial reactions on Zn surfaces with and without PA-M films.62) (c) Schematic ilustration of the dynamic Zn2+ coordination through a coordinated hopping mechanism62), copyright 2022, John Wiley and Sons
Xuting Jin 연구팀은 탄소나노튜브 기반 음극(HCNT-O)을 활용한 유연한 아연–아이오딘 마이크로배터리(ZIDMB)를 설계하였다63). I3− 용해 억제와 강력한 흡착 효과를 통해 1647.3 mWh cm-3의 체적 에너지 밀도와 2339.1 µWh cm-2의 면적 에너지 밀도를 달성하였다. 또한 2600 사이클 후에도 초기 용량의 89.2%를 유지하였으며, 0°~180°반복 굽힘 실험에서도 안정적인 성능을 보여 웨어러블 기기 응용 가능성을 입증하였다. 이와 더불어, 생체 유래 고분자 코팅을 적용하여 계면 안정성을 강화하는 전략도 제안되었다. Renjie Yi 연구팀은 카르복시메틸 키토산(CMCS) 겔 코팅을 적용하여 Zn–CMCS 음극을 제작하였으며64), 이 코팅은 물 분자 포획 능력을 강화하여 전극 표면의 친수성을 크게 개선하였다(접촉각: Zn–CMCS = 10°, bare Zn = 101°). 그 결과 Zn 증착/용출(plating/stripping) 반응이 균일해지고 계면 안정성이 확보되어, 파우치 셀은 5 mA cm-2에서 800 사이클 후에도 0.74 mAh cm-2의 가역 용량을 유지하였다. 이는 기본 아연 전극 대비 현저히 향상된 성능으로, 장수명 배터리를 위한 유망한 설계로 평가된다.
위의 연구들과 같이 아연 음극의 불안정성을 극복하기 위해 다양한 계면 공학적 전략이 제시되고 있다. 고분자 및 무기 코팅은 이온 전달을 조율하고 증착/용출(plating/stripping) 거동을 균일화하여 높은 안정성과 효율을 보장하였으며, 탄소 기반 구조를 활용한 유연 전극은 고밀도와 기계적 안정성을 동시에 구현하였다. 또한 생체 유래 고분자 코팅은 전극의 친수성과 계면 안정성을 향상시켜 장주기 구동을 가능케 하였다. 이러한 연구들은 아연 음극의 주요 문제점들을 다각도로 보완할 수 있는 효과적인 방안을 제시하며, 장기적으로 안정적인 아연–아이오딘 배터리 구현 가능성을 높이고 있다.
3. 결론 및 향후 전망
수계 Zn–I2배터리는 우수한 경제성 및 풍부한 매장량 그리고 우수한 전기화학적 성능을 바탕으로 차세대 에너지 저장장치로서 큰 가능성을 보여주고 있다. 그러나 실제 응용 단계로 나아가기 위해서는 여전히 여러 기술적 장벽을 극복해야 한다. 양극에서는 아이오딘 및 폴리요오드화물의 용해로 인한 셔틀 현상과 느린 산화환원 동역학이 주요 문제이며, 전해질에서는 자유수의 높은 활성으로 인한 부반응과 폴리요오드 종의 불안정성이 장기 안정성을 저해한다. 또한 음극에서는 반복적인 충･방전 과정에서 아연 덴드라이트 성장, 수소 발생 반응, 전극 부식이 심각한 성능 저하를 유발한다. 이러한 난제를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으며, 각 구성 요소별로 다양한 전략이 제안되고 있다.
양극의 경우, 다공성 탄소 기반 전극, 이종 원자 도핑, 단일원자/이원자 촉매 도입 등을 통해 아이오딘 고정화와 전하 전달 촉진을 동시에 달성하려는 시도가 활발하다. 이를 통해 셔틀 현상을 억제하고 아이오딘 산화환원 반응의 가역성을 개선할 수 있음을 입증하였다. 전해질 분야에서는 고농도 전해질, 공융 전해질, 이온성 액체, 기능성 첨가제 등 다양한 접근을 통해 자유수의 활성을 억제하고 Zn2+ 용매화 구조를 제어하여 부반응과 폴리요오드 이동을 억제하려는 전략이 제시되었다. 또한 고산화 상태의 아이오딘 종을 안정화하여 4e− 전환 반응을 유도함으로써 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 가능성을 보여주었다. 음극 측면에서는 보호 코팅, 계면 조절, 전해질 첨가제 및 생체분자 기반 전략 등을 통해 아연 증착/용출(plating/stripping)의 균일성을 확보하고 덴드라이트 성장을 억제하는 연구가 보고되었다. 이를 통해 장수명, 고효율의 아연 음극 구현이 가능함이 입증되었다.
정리하자면, 수계 Zn–I2배터리는 각 구성 요소별 최적화 전략을 통해 성능 저하 요인을 점진적으로 극복해 나가고 있다. 앞으로의 연구는 양극의 경우, 미세･메조 기공과 표면 결함을 적절히 조합한 다공성 구조와 이종 원자 도핑을 활용해 전도성을 높이고 아이오딘의 흡착･고정 능력을 강화하여, 실용적 성능 지표인 >10 mg cm-2의 로딩량과 5 mAh cm-2 이상의 면적용량을 달성하는 방향으로 나아가야 한다. 또한 아이오딘 전환 반응에 최적화된 촉매 활성사이트 도입과 전자구조 조율을 통해 반응 동역학을 향상시키는 전략이 요구된다. 전해질 측면에서는, 물 활성도를 낮추고 친핵성 종을 도입하여 I+와 같은 고 산화수 중간체의 안정성을 확보함으로써 4e− 전환을 활성화하고, 동시에 폴리아이오딘 셔틀과 부반응을 억제하는 조성이 필요하다. 아연 음극은 균일 증착을 유도하는 계면 안정화와 보호막 도입을 통해 HER 및 부식, 덴드라이트 성장을 억제하고, 결과적으로 높은 Zn 이용률과 최소 2000회 이상의 장수명 사이클 성능을 확보하는 방향으로 개발되어야 한다. 이러한 융합적 연구 발전은 Zn–I2배터리가 실험실 단계를 넘어 대규모 재생에너지 저장을 위한 실질적이고 경쟁력 있는 차세대 배터리로 도약하는 기반을 마련할 것이다.
