나노섬유 정렬로 겔전해질 내부에 이온 전달통로 형성해 전지성능 향상
차세대 이차전지 상용화 해법 제시 … ‘Energy Storage Materials’ 게재
최근 스마트워치, 헬스케어 밴드, 이어 웨어(Ear-worn) 등 웨어러블 디바이스의 인기가 급증하면서 이들 디바이스에 사용되는 에너지 저장장치에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 상황에서 아연공기전지가 주목받고 있다.
아연공기전지는 저렴한 아연 음극과 물 기반의 전해질, 그리고 가벼운 산소를 양극으로 사용해 발화 위험이 없고, 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 높아 웨어러블 디바이스용 이차전지의 대안으로 꼽혀 왔다.
그러나 아연공기전지는 공기 중 산소를 양극 연료로 활용하기 위해 열린 전극 구조를 가져야 하므로 물이 쉽게 증발하고, 물이 증발하면 전지 성능이 급속히 감소하는 문제가 있어 상용화에 어려움을 겪고 있었다.
이에 한국생산기술연구원(이상목 원장, 이하 생기원)과 한양대학교(이기정 총장, 이하 한양대) 공동 연구팀이 ‘아연공기전지용 복합 겔전해질’ 기술 개발에 성공하며, 웨어러블 디바이스용 이차전지 상용화의 실마리를 풀었다.
생기원 섬유솔루션부문의 윤기로 박사 연구팀과 한양대 최선진·최준명 교수 연구팀은 겔전해질 내부에 고분자 나노섬유를 도입해 낮은 수명 문제를 해결했다. 아연공기전지는 전해액과 분리막을 대체하기 위해 반고체형 ‘겔전해질’을 사용하는데, 겔전해질 내부에 오랫동안 수분을 유지하는 것이 장시간 구동의 필수 조건이 된다.
일반적으로 친수성 고분자인 폴리비닐 알코올(PVA)을 이온 전달 매개체로 사용하는데, PVA는 물 흡수율이 낮고 수분이 금방 빠져나가는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 겔전해질 내부에 고흡수성 수지 폴리아크릴산(PAA)으로 구성된 나노섬유를 도입했다.
윤기로 박사 연구팀은 독자적인 전기방사 기술로 PAA 나노섬유를 교차 정렬 형태로 제조했다. 그 결과, 전기방사 과정에서 늘어난 나노섬유의 길이 방향을 따라 내부의 고분자 사슬이 배열돼 친수성 작용기의 밀도가 높아졌다. 한양대 최준명 교수 연구팀은 분자동역학 시뮬레이션을 통해 겔전해질 내부에 나노섬유를 도입했을 때 고흡수성 나노섬유를 따라 빠르게 수분이 모여드는 현상을 확인했다.
또한 최선진 교수 연구팀은 열처리 과정에서 PAA와 PVA가 가교되어 나노섬유가 물에 녹지 않고 구조를 안정적으로 유지한다는 사실을 밝혀냈다. 특히 나노섬유를 따라 형성된 수분 층은 이온이 방향성을 가지고 빠르게 이동할 수 있는 연결 통로를 제공하며, 이온의 이동 거리를 효과적으로 단축시켜 235.7 밀리지멘스 퍼 센티미터(mS ㎝-1)의 매우 우수한 이온전도도 값을 보였다.
고흡수성 나노섬유를 도입한 복합 겔전해질을 아연공기전지에 적용한 성능평가 결과, 순수 겔전해질 대비 3배가량 향상된 출력 밀도와 60시간 이상의 긴 충·방전 수명을 기록했다.
윤기로 박사는 “아연공기전지 상용화에 필수적인 겔전해질 성능 향상을 위한 새로운 방향성을 제시한 연구 결과”라며, “향후 안정적인 겔전해질 기술 및 유연소자 개발을 통해 웨어러블 아연공기전지 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구 성과는 한국연구재단 이공분야 기초연구사업과 해외우수기관 협력허브구축사업 지원을 통해 도출되어 지난 7월 에너지 저장 분야의 세계적 학술지 ‘Energy Storage Materials (IF=18.9, JCR 상위 4.2%)’ 온라인판에 게재됐다.
헬로티 임근난 기자 |
