▲ 조해성과 형태 변형성을 지닌 반죽 형태의 고상 전해질의 대기 중에서의 상태 변화 및 제조 기술 / 수산화칼륨의 특수한 특성인 대기 중의 수분을 흡습할 수 있는 조해성과 알긴산 나트륨의 함량에 따른 전해질의 상태 변화를 이용하여 형태 변형이 가능한 반죽 형태의 고상 전해질을 개발하였다.(그림설명 및 그림제공=경기대학교 박상윤 교수)

국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목받는 아연-공기 전지의 핵심 소재인 수계 고상 전해질을 반죽처럼 변형 가능한 형태로 개발, 악조건에서도 구동할 수 있는 원천기술을 확보했다.

한국연구재단은 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 삼상계면을 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.

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.

이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’의 5월호 표지 논문으로 선정되었다. 

논문명은 Hygroscopic and malleable dough-type Zn-air battery in a dry condition utilizing deliquescence 이다.