대기 전해질을 기반으로 하는 신개념의 공간개방형 전기화학 전지 시스템이 개발됐다. 액체 전해질 기반의 고전적 전지 구조 탈피를 통해 향후 다양한 대기 전기화학 반응기반 에너지·환경·바이오 분야에 응용이 가능할 전망이다.
한국연구재단은 류원희 숙명여대 교수 연구팀이 전극 주변 공간이 개방돼 빠른 기체 확산과 이동이 가능한 전지 시스템을 개발했다고 4일 밝혔다.
기존 전기화학 전지 시스템은 이온 전도와 반응계면 형성을 위해 액체 전해질을 사용하고, 전해질 안에 전극이 완전히 잠기도록 해 외부 공기와 접촉을 차단하는 형태로 구성된다.
이 구조는 기체와 반응 시 액체 전해질의 기체 용해도가 낮아 기체 반응물이 전극으로 확산하는 데 어려움이 있다. 그 결과 기체 기반 전기화학 반응 시 삼상계면(전기화학 반응이 일어나는 자리) 생성에 한계가 있고, 반응 속도가 매우 느리다는 단점이 있다.
또 금속 공기전지나 연료전지의 경우 전해액 내 기체 반응물을 확산시키거나 쉽게 전극으로 전달하기 위해선 외부 압력을 통한 공기 주입이 필요하고, 기체 생성물이 기포 형태로 맺혀 전극 표면이 비활성화되는 문제가 있다.
연구팀은 아연과 구리 전극을 사용한 다니엘 전지를 변형해 액체 전해질이 담긴 욕조 없이 전극 주변을 개방한 뒤 에어로졸 형태의 전해질을 직접 분사하는 전지 시스템을 구현했다.
이 과정에서 전극 사이의 공간개방으로 인한 이온 전도 단락 문제를 해결하기 위해 전극 간 이온 전도를 가능하게 하는 1차원 다공성 솔트브리지(두 반쪽 전지의 연결을 위한 장치) 네트워크를 도입, 지속적인 전기화학 반응이 가능하다는 점을 확인했다.
류 교수는 “대기 전해질 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 관한 연구를 지속할 예정”이라고 말했다.
이번 연구성과는 에너지·환경 분야 국제학술지 '에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 지난 5월 17일 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
