반죽처럼 촉촉한 전해질로 차세대 이차전지 성능 높였다
극한 환경에서 구동 가능한 고성능 아연-공기 전지 개발
□ 국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목받는 아연-공기 전지*의 핵심 소재인 수계 고상 전해질**을 반죽처럼 변형 가능한 형태로 개발, 악조건에서도 구동할 수 있는 원천기술을 확보했다.
*아연-공기 전지 : 대기의 산소와 아연을 전극재로 사용하는 차세대 이차전지 기술로 주목받고 있다.
**수계 고상(solid-state) 전해질 : 물을 전해질로 하는 고체 상태의 이온 전도성을 띠는 물질.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 경기대학교 박상윤 교수와 차세대융합기술연구원 전옥성, 유영준 박사 공동연구팀이 아연-공기 전지의 성능을 높이고, 극한 환경에서 수명 절감의 다양한 원인을 해결할 수 있는 반죽 형태의 고상 전해질을 개발했다고 밝혔다.
□ 수계 고상 전해질을 사용하는 아연-공기 전지는 대기 중 산소를 연료로 활용하는 방식으로, 이론적으로 안정성‧경제성‧친환경성을 갖춘 차세대 에너지 저장장치로 큰 주목을 받고 있다.
○ 아연-공기 전지에 고상 전해질이 아닌 액상 전해질을 사용하는 경우 고질적인 전해질 건조 문제와 누액 문제 등이 한계로 지적된다.
○ 하지만 고상 전해질은 액상 전해질에 비해 이온전도도가 현저히 떨어지고, 아연-공기 전지 특성상 개방형 공기극 구조에 의해 전해질 내 수분이 증발해 전지 수명이 감소하는 등의 문제에 봉착해 있다.
○ 이를 개선하기 위해 보습 효과가 큰 소재 개발연구가 활발하지만, 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 수분 유지뿐 아니라 대기 중의 수분을 흡수하는 전해질 개발이 필수이다.
□ 연구팀은 정형화된 형태의 전해질이 아닌 변형이 가능한 반죽 형태의 고상 전해질을 단순한 혼합을 통해 제조하는 데 성공했다.
○ 물의 함량에 따라 겔화* 정도가 달라지는 알긴산 나트륨 소재와 전도성 소재인 수산화칼륨을 혼합시킴으로써 형태 변형이 가능하고 부착성이 좋은 반죽 형태의 전해질을 제조하여 아연-공기 전지의 삼상계면**을 높였다.
○ 이 고상 전해질은 저습 환경에서 대기 중 수분을 흡수할 수 있으며, 이온전도도가 높고 계면 저항이 낮아 저온에서도 구동이 가능하다.
○ 연구팀의 실험 결과 해당 고상 전해질은 상대습도가 20% 이하인 극한 환경에서도 안정적인 수명 특성을 나타냈다.
* 겔화: 액체에서의 고상 농도가 진해짐에 따라 고형 성분끼리 서로 엉겨 유동성을 잃고, 고형 물질이 형성한 망상 구조 내에 물이 분산되어 있는 상태를 나타냄.
** 삼상계면: 전해질, 전극 및 산소의 세 가지 다른 상이 상호 접촉하는 영역으로 공기극 촉매의 전기화학 반응 면적을 나타냄.
□ 박상윤 교수는 “이 연구는 고상 전해질 기반 아연-공기 전지의 고질적인 건조 문제와 전극-계면 저항 문제를 동시에 해결하는 반죽 형태의 고상 전해질을 개발한 것”이라며, “웨어러블 전자 장치와 같은 다양한 연구 분야로 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’의 5월호 표지 논문으로 선정되었다.