한양대 안희준 교수, 극한 환경용 아연 이온 전지 개발

전극 활물질 자체적인 유연성을 부여
웨어러블 디바이스 시장서 리튬 이온 전지 대체 목표

[서울=뉴시스] 한양대 안희준 교수(왼쪽), 이세훈 박사(차세대융합기술연구원 재직), 황정욱 박사(포스코퓨처엠 양극재연구센터 재직). (사진=한양대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]이주영 인턴 기자 = 한양대 유기나노공학과 안희준 교수팀이 웨어러블 디바이스 시장에서 리튬 이온 전지를 대체할 극한 환경용 신축형 수계 아연 이온 마이크로 전지 기술을 종합적으로 개발했다.

최근 웨어러블 디바이스 시장은 시·공간적 문제를 해결할 수 있는 유연하고 신축가능한 이차전지에 관심이 높다. 하지만 현재 상용화된 리튬 이온 전지의 경우 원자재의 가격 인상, 비 유연성, 안전성 등의 문제를 갖고 있어 안전성과 가격 문제를 해결할 차세대 이차전지로 수계 전해질 기반 아연 이온 전지가 주목받고 있다.

아연 이온 전지는 리튬 이온 전지보다 폭발 위험이 적고 물을 전해질로 사용해 이온 전도도가 높아 빠른 충전이 가능하고 아연이 리튬보다 저렴해 경제적 이점을 갖는다.

현재 아연 이온 전지 기반 신축형 전지 연구는 신축성 폴리머 및 디바이스 조립, 제조 기술과 같은 디바이스 제작 측면에만 중점을 두고 있다.

신축성 전지의 전기화학적 성능을 결정하는 데 필수 요소인 양극과 음극 활물질 소재의 전기화학적 성능을 유지하면서 소재 자체적인 유연성이나 탄성을 부여하기 위한 연구는 부족한 실정이다.

한양대 안 교수, 이세훈 박사(차세대융합기술연구원 재직), 황정욱 박사(포스코퓨처엠 양극재연구센터 재직)로 구성된 연구팀은 앞서 언급된 문제점을 해결할 '극한 환경용 신축형 수계 아연 이온 마이크로 전지 기술'을 종합적으로 개발하고 접목했다.

간단한 초음파 화학법을 통해 바나듐 산화물 나노 섬유의 결정 층 내부에 전도성 고분자인 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜)를 삽입해 바나듐 산화물 나노 섬유의 전기화학적 성능은 물론 기계적 유연성을 향상시킨 것이다.

[서울=뉴시스] (a)나노 섬유형 복합체의 합성 과정 모식도, (b)사전 아연화 기술을 소개하는 모식도, (c)제작된 신축형 아연 이온 마이크로 전지의 신축과정, (d)신축형 아연 이온 전지의 물속과 얼음속에서LED를 켜는 이미지. (사진=한양대 제공) *재판매 및 DB 금지

이 연구를 통해 전기적 단락에 의한 사전 아연화(Short-induced pre-zincation) 기술도 개발됐다. 아연 이온 전지의 음극재로 사용되는 아연 금속 파우더를 바나듐 산화물 양극재와 혼합하면 두 물질의 전위차에 의해 아연 이온이 바나듐 산화물의 결정 구조 사이에 삽입돼 사전 아연화가 일어날 수 있게 된다.

이차전지에서 양극재와 음극재를 혼합하는 것은 일반적이지 않지만, 이 전기적 단락에 의한 사전 아연화 방법은 신축형 전지의 제작에 있어 양극재와 음극재의 무게비(mass balance)를 맞추는 과정에서 음극의 두께가 두꺼워지는 부담을 줄여 전지의 유연성 및 신축성이 더욱 향상된다.

연구팀은 양극에서 아연 금속이 위치했던 자리는 전지의 충·방전 과정에서 전해질의 아연 이온이 전극 내부까지 더 쉽게 접근할 수 있는 경로가 돼, 전지의 출력향상에도 영향을 미친다는 것을 입증했다.

이러한 주요 기술들이 종합적으로 접목돼 제작된 '신축형 아연 이온 전지'는 역동적인(dynamic) 실환경(operando) 신축·이완 조건에서 전기화학적 성능이 측정됐다. 7000번의 100% 변형률 신축·이완 테스트에서 초기 용량의 78.9%를 유지하는 안정성을 보였다. 200% 변형률 테스트 중 –20°C와 60°C에서 각각 80%와 90%의 용량을 유지했다.

안 교수는 "미래에 인체 삽입형 센서나 표피 전자 장치와 같은 웨어러블 디바이스에 접목될 신축형 이차전지 개발 과정에서는 본 연구에서 제시한 신축·이완을 진행하면서 동시에 전기화학적 성능을 측정하는 방식이 도입될 필요성이 있다"고 강조했다.

과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 세종과학펠로우십의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 'Zinc-Ion Microbatteries with High Operando Dynamic Stretchability Designed to Operate in Extreme Environments'라는 논문 제목으로 재료과학 분야 학술지 'Advanced Functional Materials' 4월호에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.

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