화공생명공학부 류원희 교수팀, 대기전해질 기반 공간개방형 전지 시스템 개발
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- 작성자 커뮤니케이션팀
- 보도일자 2024-07-04
화공생명공학부 류원희 교수 연구팀이 액체전해질 기반의 고전적인 전지 구조를 탈피해 대기전해질을 기반으로 하는 신개념의 공간개방형 전기화학 전지 시스템을 개발했다.
전극 주변 공간이 개방돼 빠른 기체 확산과 이동이 가능한 이 전지 시스템을 통해 차세대 에너지·환경 전지 기술을 위한 새로운 전기화학 구조를 제시한 것이다.
연구팀에 따르면 기존 전기화학 전지 시스템은 이온 전도와 반응계면 형성을 위해 액체전해질을 사용하고, 전해질 안에 전극이 완전히 잠기도록 해 외부 공기와의 접촉을 차단하는 형태로 구성된다. 하지만 기체 반응 시 액체전해질의 기체 용해도가 낮아 기체반응물이 전극으로 확산하기 어렵고, 그 결과 기체 기반 전기화학 반응 시 삼상계면* 생성에 한계가 있고 반응 속도도 매우 느리다는 단점이 있다.
* 삼상계면(Three Phase Boundary): 고체전극, 액체전해질, 기체반응물이 동시에 접하는 계면으로 전기화학 반응이 일어나는 자리.
또한, 금속공기전지나 연료전지는 전해액 내 기체반응물을 확산시키거나 쉽게 전극으로 전달하기 위해 외부 압력을 통한 공기 주입이 필요하고, 기체 생성물이 기포 형태로 맺혀 전극 표면이 비활성화되는 문제가 있다.
연구팀은 고전적인 다니엘 전지*를 변형해 액체전해질이 담긴 욕조 없이 전극 주변을 개방한 뒤 에어로졸 형태의 전해질을 직접 분사하는 새로운 개념의 대기전해질 기반 전기화학 전지 시스템을 구현하는 데 성공했다. 이 과정에서 연구팀은 전극 사이의 공간 개방으로 인한 이온전도 단락 문제를 해결하기 위해 전극 간 이온전도를 가능하게 하는 1차원 다공성 염다리* 네트워크를 도입해 지속적인 전기화학 반응이 가능하다는 점을 확인했다.
* 다니엘 전지: 아연과 구리 전극을 사용한 전기화학 전지로, 아연이 산화되고 구리가 환원되는 과정에서 전류가 흐르는 원리로 작동.
* 염다리(Salt Bridge): 전기화학에서 두 반쪽 전지를 연결할 때 쓰이는 장치.
류원희 교수는 “대기전해질 기반의 공간개방형 전기화학 전기 시스템은 다양한 전기화학 기반 에너지·환경 시스템에 적용이 가능하다”며 “앞으로 대기 환경 오염물 포집이나 생체 비말 오염물질 감지 등 더 다양한 분야로의 확장 가능성에 대한 연구를 지속할 예정”이라고 밝혔다.
류 교수가 교신저자, 임예지 석사과정생이 제1저자로 참여한 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진후속·중견연계사업 및 집단연구센터사업의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 에너지·환경 분야 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science, IF: 32.4)’에 5월 17일 게재됐다. (논문명: Aeroelectrolyte for atmospheric open electrochemical cells)