엄숭호 교수 연구팀, 버려지는 DNA로 차세대 아연 배터리 성능 대폭 향상

▲ (왼쪽부터) 성균관대 화학공학부 엄숭호 교수, 제1저자 안자나 박사과정생, 공동 교신저자 사만다 박사후연구원

화학공학부 엄숭호 교수 연구팀이 버려지는 DNA를 활용해 차세대 아연 수계 배터리의 성능과 수명을 획기적으로 늘리는 친환경 전극 설계 기술을 개발했다.

이번 연구는 신 생체모사 재료 및 전기화학 연구실의 안자나 박사과정생과 사만다 박사 등이 함께 수행하였다. 기존의 전기차 및 전자기기에 주로 쓰이는 리튬 이온 배터리는 성능이 뛰어나지만 화재 위험이 높고 원재료 비용이 비싸다는 단점이 있었다. 이에 대한 대안으로 물을 전해질로 사용하는 ‘수계 아연 이온 배터리’가 각광받고 있으나, 충·방전을 반복하면 전극 구조가 쉽게 붕괴되어 수명이 짧아지는 한계가 있었다.

엄숭호 교수 연구팀은 생명의 기본 단위인 DNA가 가진 정밀한 구조 형성 능력에 주목했다. 자연에서 얻은 바이오매스 유래 DNA를 전극 합성 과정에 도입한 결과, 이온이 빠르게 이동할 수 있는 미세한 구멍(다공성 구조)을 가진 전극이 만들어졌다. 이 특수 구조는 배터리 반응 속도를 가속화할 뿐만 아니라 전극 틀을 튼튼하게 잡아주는 역할을 한다.

연구팀이 개발한 DNA 기반 전극은 실험 결과 3만 번에 달하는 충·방전 테스트 후에도 초기 용량의 71.35%를 유지하는 우수한 내구성을 보였다. 이는 기존 아연 배터리가 1천~6천 번 정도의 충·방전 이후 성능이 떨어지던 것과 비교하면 수명이 수 배 이상 늘어난 수치다. 또한 배터리 내부의 이온 이동 속도가 빨라져 에너지 효율도 함께 크게 향상되었다.

이번 기술은 폭발 위험이 없고 가격이 저렴하여 스마트 그리드, 대규모 에너지 저장 장치(ESS) 등 지속 가능한 미래 클린에너지 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다. 연구팀은 앞으로 이 기술의 생산 규모를 확대하고 실질적인 배터리 셀 성능을 더욱 개선해 상용화를 앞당길 계획이다.

엄숭호 교수는 “이번 연구는 DNA가 단순한 생물학적 유전물질을 넘어 차세대 배터리 소재를 만드는 뛰어난 공학 도구가 될 수 있음을 입증한 것”이라며 “버려지는 친환경 소재로 기존 배터리의 기술적 한계를 극복함과 동시에 미래 에너지 저장을 위한 새로운 소재 설계 기준을 제시했다”고 의의를 밝혔다.

과학기술정보통신부 한-EU 및 한-프랑스 국가간 협력기반조성사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 나노 및 재료과학 분야의 세계적 권위지인 ‘스몰(Small)’에 7월 24일 온라인으로 게재되었다.