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□ 스마트워치, 헬스케어 밴드, 이어 웨어(Ear-worn) 등 웨어러블 디바이스용 에너지 저장장치 수요가 늘면서, 아연공기전지가 주목받고 있다.

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

 ㅇ 반면 공기 중 산소를 양극 연료로 활용하기 위해 열린 전극 구조를 갖는 특성상 물이 쉽게 증발하고, 물이 증발하면 전지 성능이 급속히 감소해 상용화에 어려움이 따랐다.  

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)과 한양대학교(총장 이기정, 이하 한양대) 공동 연구팀이 ‘아연공기전지용 복합 겔전해질’기술 개발에 성공, 웨어러블 디바이스용 이차전지 상용화의 실마리를 풀었다. 

 ㅇ 생기원 섬유솔루션부문 윤기로 박사 연구팀과 한양대 최선진·최준명 교수 연구팀은 겔전해질 내부에 고분자 나노섬유를 도입하는 방식으로 낮은 수명 문제를 해결했다. 

□ 아연공기전지는 전해액과 분리막을 대체하기 위해 반고체형 ‘겔전해질’을 사용하는데, 겔전해질 내부에 오랫동안 수분을 유지하는 것이 장시간 구동의 필수 조건이 된다. 

 ㅇ 이를 위해 일반적으로 친수성 고분자인 폴리비닐 알코올(PVA)을 이온 전달 매개체로 사용하는데, PVA는 물 흡수율이 낮고 수분이 금방 빠져나가는 단점이 있다.

 ㅇ 이 때문에 물을 함유한 겔 형태의 다공성 하이드로겔 기술이 개발돼 왔지만, 내부 기공 구조가 불균일해 이온 전달 통로가 효율적으로 형성되지 못 하고, 표면 기공으로 수분이 빠르게 빠져나가는 기술적 한계가 있었다. 

□ 공동 연구팀은 겔전해질 내부에 자체 중량의 수백 배 물을 흡수할 수 있는 고흡수성 수지 폴리아크릴산(PAA)으로 구성된 나노섬유를 도입해 오랜 난제를 풀었다.

 ㅇ 생기원 윤기로 박사 연구팀은 독자적인 전기방사 기술로 PAA 나노섬유를 교차 정렬 형태로 제조했다. 

 ㅇ 그 결과 전기방사 과정에서 늘어난 나노섬유의 길이 방향을 따라 내부의 고분자 사슬이 배열돼 친수성 작용기의 밀도가 높아지는 것으로 나타났다.

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

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

□ 특히 나노섬유를 따라 형성된 수분 층은 이온이 방향성을 가지고 빠르게 이동할 수 있는 연결 통로를 제공하며, 이온의 이동 거리를 효과적으로 단축시켜 235.7 밀리지멘스 퍼 센티미터(mS ㎝-1)의 매우 우수한 이온전도도 값을 보였다.

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

□ 생기원 윤기로 박사는 “아연공기전지 상용화에 필수적인 겔전해질 성능 향상을 위한 새로운 방향성을 제시한 연구 결과”라고 설명하며, “향후 안정적인 겔전해질 기술 및 유연소자 개발을 통해 웨어러블 아연공기전지 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 밝혔다. 

 ㅇ 한편 이번 연구 성과는 한국연구재단 이공분야 기초연구사업과 해외우수기관 협력허브구축사업 지원을 통해 도출되어 지난 7월 에너지 저장 분야의 세계적 학술지‘Energy Storage Materials (IF=18.9, JCR 상위 4.2%)’온라인판에 게재*됐다.

* 논문 제목 : Internally connected porous PVA/PAA membrane with cross-aligned nanofiber network for facile and long-lasting ion transport in zinc-air batteries