차세대 '아연공기전지' 수명문제 해결…10년 내 상용화

생기원-한양대 공동 연구팀, 고분자 나노섬유 도입

(지디넷코리아=박희범 기자)국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목하는 아연공기전지의 수명문제를 해결했다.

한국생산기술연구원은 섬유솔루션부문 윤기로 박사와 한양대 최선진·최준명 교수 연구팀이 공동으로 ‘아연공기전지용 복합 겔전해질’ 기술 개발에 성공, 웨어러블 디바이스용 이차전지 상용화의 실마리를 풀었다고 31일 밝혔다.

아연공기전지는 값싼 아연 음극과 물 기반의 전해질, 가벼운 산소를 양극으로 사용해 발화 위험이 없다. 리튬이온전지 대비 에너지 밀도가 높아 웨어러블 디바이스용 이차전지 대안으로 꼽혀 왔다.

아연공기전지를 개발한 한국생산기술연구원 연구팀. 뒷줄 왼쪽부터 시계방향으로 생기원 윤기로 수석연구원, 한양대 최준명 교수, 최선진 교수(이상 교신저자),생기원 김광원 학생연구원, 한양대 김홍덕 학생연구원.(이상 제1저자)

그러나 공기 중 산소를 양극 연료로 활용하기 위해 열린 전극 구조를 갖고 있어 물이 쉽게 증발한다. 물이 증발하면 전지 성능이 급속히 감소한다.

이 문제를 공동 연구팀이 해결했다.

아연공기전지는 전해액과 분리막을 대체하기 위해 반고체형 ‘겔전해질’을 사용한다. 또 친수성 고분자인 폴리비닐 알코올(PVA)을 이온 전달 매개체로 쓴다. 이때 표면 기공으로 수분이 빠르게 빠져 나가 성능에 문제가 발생한다.

연구팀은 겔전해질 내부에 자체 중량 대비 수백 배에 이르는 물 흡수가 가능한 고흡수성 수지 폴리아크릴산(PAA)으로 구성된 나노섬유로 오랜 난제를 풀었다.

윤기로 박사 연구팀은 독자적인 전기방사 기술로 PAA 나노섬유를 교차 정렬 형태로 제조했다. 그 결과 전기방사 과정에서 늘어난 나노섬유의 길이 방향을 따라 내부 고분자 사슬이 배열돼 친수성 작용기의 밀도가 높아지는 것으로 나타났다.

한양대 최준명 교수 연구팀은 또 분자동역학 시뮬레이션을 통해 겔전해질 내부에 나노섬유를 도입했을 때 고흡수성 나노섬유를 따라 빠르게 수분이 모여드는 현상을 확인했다.

최선진 교수 연구팀은 열처리 과정에서 PAA와 PVA가 서로 엵혀 나노섬유가 물에 녹지 않고 구조를 안정적으로 유지한다는 사실을 밝혀냈다.

나노섬유 복합 겔전해질 제조 공정 및 이온 전달 모식도.(그래픽=생기원)

나노섬유를 따라 형성된 수분 층은 이온 이동 거리를 효과적으로 단축시켰다. 이온 전도도 값이 235.7 밀리지멘스퍼센티미터(mS/㎝-1)로 매우 우수하다.

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

윤기로 박사는 “향후 안정적인 겔전해질 기술 및 유연소자 개발을 통해 웨어러블 아연공기전지 조기 상용화에 주력할 계획”이라며 "5~10년 내 상용화될 것"으로 내다봤다.

연구는 한국연구재단 이공분야 기초연구사업과 해외우수기관 협력허브구축사업 지원을 받았다.

연구성과는 에너지 저장 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼즈' (IF=18.9, JCR 상위 4.2%)’온라인판에 게재됐다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)