화재 걱정 없고 에너지 밀도 높은 아연공기전지 개발

생기원-한양대, 아연공기전지용 겔전해질 개발
출력 밀도 3배 높고, 충·방전 60시간 길어

왼쪽 뒷줄부터 윤기로 한국생산기술연구원 수석연구원, 최준명 한양대 기계공학과 교수, 최선진 한양대 신소재공학부 교수, 김광원 생기원 학생연구원, 김홍덕 한양대 학생연구원./생기원

국내 연구진이 스마트워치나 이어폰 같은 웨어러블(Wearable·착용형) 기기에 사용할 아연공기 이차전지 기술을 개발했다. 이 이차전지는 발화 위험은 낮고 에너지 밀도는 높아 웨어러블 기기의 성능 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.

윤기로 한국생산기술연구원 섬유솔루션부문 수석연구원 연구팀은 아연공지 이차전지용 복합 겔전해질 기술을 개발했다고 31일 밝혔다. 이번 연구는 최준명 한양대 기계공학과 교수, 최선진 한양대 신소재공학부 교수 연구팀과 함께 진행했다.

아연공기전지는 아연 음극과 물 기반 전해질, 산소 양극을 사용해 발화 위험이 없고 에너지 밀도가 높아 차세대 웨어러블 기기용 배터리로 꼽힌다. 다만 공기 중 산소를 양극 물질로 활용해 열린 전극 구조로 이뤄져 물이 쉽게 증발해 성능이 빨리 낮아진다는 문제가 있다. 증발을 막기 위해 친수성 고분자인 폴리비닐 알코올(PVA) 기반 ‘겔전해질’을 사용하지만, 수분이 금방 빠지거나 이온 전달이 제대로 되지 않는 한계가 있다.

연구팀은 겔전해질 안에 고흡수성 수지 폴리아크릴산(PAA) 나노섬유를 넣어 성능을 높였다. 특히 자체 개발한 전기방사 기술로 나노섬유를 교차 정렬 형태로 만들었는데, 이는 친수성 작용기 밀도를 높이는 역할을 한다. 연구팀은 시뮬레이션(가상 실험)해 겔전해질 내 나노섬유에 수분이 모이는 현상을 확인하고, PVA와 PAA가 안정적으로 유지되는 구조를 찾았다.

나노섬유에 따라 만들어진 수분층은 이온의 연결 통로가 된다. 이온 이동 거리를 효과적으로 줄이는 만큼 매우 우수한 이온전도도 값을 보였다. 연구팀이 개발한 겔전해질로 만든 아연공기전지는 PVA로만 만든 겔전해질보다 출력 밀도가 3배 더 높았고, 충·방전 수명이 60시간 더 길었다.

윤기로 수석연구원은 “아연공기전지 상용화에 필수적인 겔전해질의 성능을 높였다”며 “앞으로 안정적인 겔전해질 기술 개발을 통해 웨어러블 아연공기전지 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받았다. 연구 성과는 에너지 저장 분야 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’ 8월호에 게재된다.

참고 자료

Energy Storage Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103594

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