수계 아연 이온 전지(AZIB)는 수계 전해질의 사용, 부피당 높은 에너지 밀도 및 경제적 효율성으로 인해 Li 이온 전지의 유망한 대안으로 큰 주목을 받았다. 그러나 Zn 음극에서 부식 및 dendrite 성장과 관련된 다양한 부반응은 AZIB의 전기화학적 성능 저하를 초래할 수 있다. 따라서 이러한 다양한 현상의 기반이 되는 메커니즘과 AZIB의 전기화학적 성능에 대한 역할을 이해하는 것은 양극 및 음극 재료 개발에 귀중한 통찰력을 제공한다.
본 연구에서는 MnO₂ 양극 및 Al₂O₃ layer가 코팅된 Zn 음극이 AZIB의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 조사한다. 실험 결과는 Al₂O₃ layer가 코팅된 Zn 음극이 Zn 표면의 dendrite 성장을 효율적으로 억제하고 내부 저항을 감소시킨다는 것을 보여준다. 그러나 Al₂O₃ layer가 코팅된 Zn 음극과 MnO₂ 양극으로 구성된 전체 셀의 수명 특성 저하가 지속적인 충방전 사이클 동안 관찰되었다. 열악한 사이클 성능은 주로 MnO₂에서 Mn₂O₃로의 상변환과 다양한 부산물 형성에 기인할 수 있으며, 이는 사이클 성능을 향상시키기 위해 AZIB에서 음극 재료의 전기화학적 안정성의 중요성을 강조한다.
앞 연구를 기반으로 반복적인 충방전 사이클 동안 수명 특성의 저하가 없는 양극의 개발을 위해 V2O5의 층간에 NH+ ion과 H₂O를 삽입하여 층간 간격을 확장시킴으로써 구조 붕괴 없는 안정적인 양극을 만들고자 하였다. 최종적으로 5000 cycle, 10 A/g이라는 가혹한 조건에서 초기 용량 대비 94 %의 용량 유지율을 갖는 우수한 수명 특성을 가진 셀을 개발했다. 이를 통해 음극뿐만 아니라 양극 역시 셀의 수명 특성에 영향을 미치는 요인임을 알 수 있다. 본 연구 결과를 통해 AZIB에서의 우수한 전기화학적 성능을 위한 양극과 음극의 동시 개발의 중요성을 시사한다.