대기전해질 기반 공간개방형 전지 시스템 개발

국내 연구진이 액체전해질 기반의 고전적인 전지 구조를 탈피해 대기전해질을 기반으로 하는 신개념의 공간개방형 전기화학 전지 시스템을 개발했다.

기체 소모/발생 반응을 이용한 전기화학적 에너지 및 환경시스템의 수요가 급격하게 증가하고 있다. 예를 들어 온실가스 포집 및 전환 반응, 수전해, 연료전지, 금속-공기전지등은 다양한 기체상의 물질을 전기화학 반응을 통해 변환시키는 대표적인 응용 분야다.

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전기화학 전지는 이온 전도 및 반응 계면 형성을 위한 액체전해질을 포함하며 비커 등과 같은 전해액 용기에 전극을 완전 담지하는 형태로 구성하고 있다. 그러나 기상 반응 시 액체전해액의 낮은 기체용해도로 인해 기체반응물이 전극으로의 확산 및 물질 전달이 어려운 근본적인 한계가 있다. 그로 인해 고체전극, 액체전해질, 기체반응물로 이루어지는 삼상계면(Three Phase Boundary)의 생성이 어려우며 반응 속도가 매우 낮다.

기체소모 반응의 경우 전해액 내 기체반응물의 확산 및 전극으로의 전달을 용이하기 위해 외부압력을 통한 퍼징이 요구되며, 기체발생반응의 경우 생성된 기체생성물이 기포 형태로 전극 표면에 맺혀 반응이 비활성화되는 한계점들이 보고되고 있다.

이상적인 기상물질기반 전기화학 전지 반응을 구현하기 위해서는 전극간 공간을 차지해 기체반응/생성물의 이동을 저해하는 액체전해액을 배제해 기상 물질들이 자유롭게 전극으로 이동 가능한 공간 개방형 맞춤형 전기화학 전지 시스템 설계가 필요하다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 숙명여자대학교 류원희 교수 연구팀이 전극 주변 공간이 개방돼 빠른 기체 확산과 이동이 가능한 전지 시스템을 개발해 차세대 에너지·환경 전지 기술을 위한 새로운 전기화학 구조를 제시했다고 밝혔다.

기존의 전기화학 전지 시스템은 이온 전도와 반응계면 형성을 위해 액체전해질을 사용하고, 전해질 안에 전극이 완전히 잠기도록 해 외부 공기와의 접촉을 차단하는 형태로 구성된다.

하지만, 기체와의 반응 시 액체전해질의 기체 용해도가 낮아 기체반응물이 전극으로 확산하는데 어려움이 있다. 그 결과 기체 기반 전기화학 반응 시 삼상계면 생성에 한계가 있고 반응 속도가 매우 느리다는 단점이 있다.

금속공기전지나 연료전지의 경우 전해액 내 기체반응물을 확산시키거나 쉽게 전극으로 전달하기 위해서는 외부 압력을 통한 공기 주입이 필요하고, 기체 생성물이 기포 형태로 맺혀 전극 표면이 비활성화되는 문제가 있다.

연구팀은 고전적인 다니엘 전지를 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(Salt Bridge) 네트워크를 도입해 지속적인 전기화학 반응이 가능하다는 점을 확인했다.

류원희 교수는 “대기전해질 기반의 공간개방형 전기화학 전기 시스템은 다양한 전기화학 기반 에너지·환경 시스템에 적용이 가능하다”라며 “앞으로 대기 환경 오염물 포집이나 생체 비말 오염물질 감지 등 더 다양한 분야로의 확장 가능성에 대한 연구를 지속할 예정”이라고 밝혔다.