생기원·한양대, '아연공기전지' 수명 문제 해결…상용화 길 열었다

나노섬유 복합 겔전해질 제조 공정 및 이온 전달 모식도. 정렬된 고흡수성 나노섬유를 도입해 이온 전달·보수 특성이 향상됐다.

웨어러블 디바이스용 에너지 저장장치로 '아연공기전지'가 주목받는 가운데, 한국생산기술연구원(원장 이상목)이 한양대와 함께 관련 결점을 해소하고 성능을 개선했다.

생기원은 공동 연구팀이 '아연공기전지용 복합 겔전해질' 기술 개발에 성공, 웨어러블 디바이스용 이차전지 상용화 실마리를 풀었다고 31일 밝혔다.

아연공기전지는 물 기반 전해질, 산소 양극을 사용해 발화 위험이 없는데다 에너지 밀도도 높아 웨어러블 디바이스용 이차전지 대안으로 꼽힌다.

다만 산소를 양극 연료로 활용한 탓에 열린 전극 구조를 택해 물이 쉽게 증발한다. 전지 성능이 급속히 감소해 상용화에 어려움이 따랐다.

생기원의 윤기로 섬유솔루션부문 박사팀, 최선진·최준명 한양대 교수팀이 겔전해질 내부에 고분자 나노섬유를 도입, 수명 문제를 해결했다.

전해액·분리막 대체에 반고체형 '겔전해질'을 사용하는데, 이 내부 수분 유지가 관건이다. 보통 친수성 고분자 '폴리비닐 알코올(PVA)'을 이온 전달 매개체로 사용하는데, PVA는 물 흡수율이 낮고 수분이 금방 빠져나간다.

이에 물을 담은 겔 형태 다공성 하이드로겔 기술이 개발됐지만, 내부 기공 구조가 불균일해 이온 전달 통로가 효율적으로 형성되지 못 하고, 기공으로 수분도 빠져나갔다.

왼쪽 뒷줄부터 생기원 윤기로 수석연구원, 한양대 최준명 교수, 최선진 교수, 생기원 김광원 학생연구원, 한양대 김홍덕 학생연구원.

연구팀은 겔전해질 내부에 자체 중량 수백 배 물을 흡수하는 고흡수성 수지 폴리아크릴산(PAA)으로 나노섬유를 구성해 도입했다.

윤기로 박사팀이 독자적인 전기방사 기술로 PAA 나노섬유를 교차 정렬 형태로 제조했다. 그 결과 전기방사 과정에서 고분자 사슬이 배열돼 친수성 작용기 밀도가 높아졌다.

최준명 교수팀은 시뮬레이션으로 겔전해질 내부 나노섬유 도입 시, 고흡수성 나노섬유를 따라 수분이 모여드는 현상을 확인했다. 최선진 교수팀은 열처리 과정에서 PAA·PVA가 연결돼 나노섬유가 물에 녹지 않고 안정적인 구조를 유지함을 밝혀냈다.

나노섬유를 따라 형성된 수분 층은 이온 연결 통로를 제공하며, 이온 이동 거리를 단축시켜 235.7밀리지멘스 퍼 센티미터(mS ㎝-1)의 매우 우수한 이온전도도 값을 보였다.

고흡수성 나노섬유를 도입한 복합 겔전해질을 아연공기전지에 적용한 성능평가 결과 순수 겔전해질 대비 3배 향상된 출력 밀도와 60시간 이상 긴 충·방전 수명을 기록했다.

윤기로 박사는 “아연공기전지 상용화에 필수적인 겔전해질 성능 향상의 새로운 방향성을 제시한 연구 결과”라며 “향후 겔전해질 기술 및 유연소자 개발로 웨어러블 아연공기전지 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 성과는 7월 '에너지 스토리지 머터리얼즈' 온라인판에 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com