▲ 공간개방형 전기화학 셀의 구동 원리 및 활용/공간개방형 전기화학 셀은 기상에 부유하는 물질을 활물질로 사용함. 기상의 반응물이 염다리 네트워크가 적용된 양/음극 위에 동시에 분사되면, 전극 표면에 흡착한 기상의 반응물은 양/음극에서 전기화학적으로 환원/산화됨. 이때, 반응한 전해액 방울에 전하가 축적되며, 축적된 전하는 염다리 네트워크를 통해서 간접적으로 반대 극으로 이동하여 전하 스트레스가 해소됨.(그림 및 설명=숙명여자대학교 류원희 교수)  © 특허뉴스

국내 연구진이 액체전해질(물처럼 극성을 띤 용매에 녹아서 이온을 형성, 전기를 통하게 하는 물질) 기반의 고전적인 전지 구조를 탈피해 대기전해질을 기반으로 하는 신개념의 공간개방형 전기화학 전지 시스템을 개발했다. 

한국연구재단은 숙명여자대학교 류원희 교수 연구팀이 전극 주변 공간이 개방되어 빠른 기체 확산과 이동이 가능한 전지 시스템을 개발하여 차세대 에너지·환경 전지 기술을 위한 새로운 전기화학 구조를 제시했다고 밝혔다. 

기존의 전기화학 전지 시스템은 이온 전도와 반응계면 형성을 위해 액체전해질을 사용하고, 전해질 안에 전극이 완전히 잠기도록 해 외부 공기와의 접촉을 차단하는 형태로 구성된다. 하지만, 기체와의 반응 시 액체전해질의 기체 용해도가 낮아   기체반응물이 전극으로 확산하는데 어려움이 있다. 그 결과 기체 기반 전기화학 반응 시 삼상계면(고체전극, 액체전해질, 기체반응물이 동시에 접하는 계면으로 전기화학 반응이 일어나는 자리) 생성에 한계가 있고 반응 속도가 매우 느리다는 단점이 있다. 

또한, 금속공기전지나 연료전지의 경우 전해액 내 기체반응물을 확산시키거나 쉽게 전극으로 전달하기 위해서는 외부 압력을 통한 공기 주입이 필요하고, 기체 생성물이 기포 형태로 맺혀 전극 표면이 비활성화되는 문제가 있다.   

연구팀은 고전적인 다니엘 전지(아연과 구리 전극을 사용한 전기화학 전지로, 아연이 산화되고 구리가 환원되는 과정에서 전류가 흐르는 원리로 작동)를 변형하여 액체전해질이 담긴 욕조 없이 전극 주변을 개방한 뒤 에어로졸 형태의 전해질을 직접 분사하는 새로운 개념의 대기전해질 기반 전기화학 전지 시스템을 구현하는 데 성공했다. 

이 과정에서 연구팀은 전극 사이의 공간 개방으로 인한 이온전도 단락 문제를 해결하기 위해 전극 간 이온전도를 가능하게 하는 1차원 다공성 염다리(Salt Bridge/전기화학에서 두 반쪽 전지를 연결할 때 쓰이는 장치) 네트워크를 도입하여 지속적인 전기화학 반응이 가능하다는 점을 확인했다. 

류원희 교수는 “대기전해질 기반의 공간개방형 전기화학 전기 시스템은 다양한 전기화학 기반 에너지·환경 시스템에 적용이 가능하다”라며 “앞으로 대기 환경 오염물 포집이나 생체 비말 오염물질 감지 등 더 다양한 분야로의 확장 가능성에 대한 연구를 지속할 예정”이라고 밝혔다. 

이 연구 성과는 에너지·환경 분야 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 5월 17일 게재되었다. 논문명은 Aeroelectrolyte for atmospheric open electrochemical cells 이다.