우리 학교 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 충전 및 방전에 따라 전지의 색깔을 시각화하고, 전지가 유연하게 휘어질 수 있는 스마트 유연 전기변색 이차전지를 개발했다고 지난 21일 밝혔다. 윤태광 교수, 이지영 박사, 김한슬 교수가 공동 제1 저자로 참여한 이 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)'에 지난달 3일 표지논문으로 게재되었다. 

스마트 전자 기기 및 웨어러블 기기가 많은 관심을 받으면서, 안정적이고 지속적인 전력 공급은 매우 중요한 연구 분야로 떠오르고 있다. 그러나 기존의 이차전지는 형태의 변형이 불가능하고, 에너지 저장 기능만을 수행하고 있어 기기에 함께 접목하여 사용하기 어려웠다. 연구팀은 전기변색이라는 새로운 기능을 부여하고 형태의 변형이 가능한 전극재를 활용해 스마트 이차전지를 개발하였다. 스마트 이차전지는 기존의 이차전지에 능동적으로 반응하는 새로운 기능을 접목한 전지를 통칭한다. 
전기변색과 파이 결합 간격재를 사용한 스마트 이차전지

전기변색은 전기화학적 산화·환원 반응을 통해 물질의 색이 변화하는 현상으로, 기존의 전기변색 소자들은 색은 변하나 에너지 저장과 방출이 불가능해 전지로 활용하기 힘들었다. 전지의 충전을 위해서는 이온의 이동과 저장이 가능해야 하는데, 기존의 전기변색 소자의 경우 이온을 저장할 수 있는 공간이 충분하지 않아 이온의 이동 효율이 낮고, 이온 저장 용량이 제한적이었다. 본 연구에서는 간격재가 포함된 고분자를 활용해 전극재 내부의 이온이 접근할 수 있는 공간을 충분하게 마련하여 이온의 이동 효율과 저장 성능을 극대화했다. 

파이 결합 간격재는 분자 내부의 결합이 파이 결합으로 이루어져 있고, 분자들 간 간격을 유지할 수 있는 기능기가 내장된 구조체를 의미한다. 본 연구에서는 전하 이동을 향상시키고 높은 색 대비를 제공하며 이온이 저장될 수 있는 큰 내부 공간을 마련하는 플루오레닐 기반의 분자구조를 활용했다. 이를 통해 남색에서 투명으로의 극명한 색 변화와 많은 양의 이온 이동과 저장이 가능하게 되었다. 나아가, 밀도범함수 이론(Density Functional Theory) 기반의 전자 및 원자 구조 계산을 통해 파이 결합 간격재의 전하 이동 촉진 효과 및 이온 저장 장소 증대 효과를 함께 입증하였다.

일반적인 이차전지 양극재에 필수적으로 포함된 바인더 및 도전재가 없이도 전기화학증착법(Electrodepsition)을 통해 투명전극 위에 파이 결합 간격재가 포함된 전기변색 양극재를 박막 형태로 제조했다. 활성 물질만으로 구성되어 있어 에너지 효율이 높고 물질 고유의 발현 색을 조절하기에 매우 용이하다. 기존에 보고된 아연이온전지 및 전기변색 기기 대비 큰 에너지 용량 및 변색 효율을 제공할 수 있었다. 
 

스마트 창문 및 선글라스로 응용 가능해

본 연구에서 개발한 전기변색 전지는 스마트 창문 및 선글라스로 응용할 수 있다. 충전 시 짙은 색으로 변하기 때문에 낮에는 태양에너지를 흡수하며 충전함과 동시에 자외선과 태양 빛을 차단할 수 있다. 밤에는 전지의 색상이 투명하게 변하며 충전한 에너지를 사용할 수 있다. 버려지는 태양열을 저장원으로 사용할 수 있고, 짙은 색으로 자외선과 태양 빛을 차단하여 실내 냉방 소비량을 절감하는 소자로 활용할 수 있다. 스마트 창문을 비행기 창문으로 활용할 경우, 비행기 전력을 공급하면서도 실내 에너지 소비량 절감 및 태양 빛 차감이 가능할 것으로 기대된다.

김 교수는 “본 기술과 실제 태양광을 접목하여 스마트 유연 전기변색 전지 프로토타입을 개발 중에 있으며, 파이 결합 간격재의 파이 결합력과 간격재 분자 크기를 조절하여 기능기를 더욱 최적화하는 연구도 진행하고 있다”고 전했다. 이 외에도, “전지의 유연성을 위해서는 겔 전해질의 사용이 필수 불가결한 상황인데, 일반적인 겔 전해질은 기존 이차전지의 액체 전해질보다 이온 전도도가 낮다는 문제점을 가진다”며 “전해질 연구도 크게 관심을 갖고 연구해야 할 것으로 보인다”고 말했다.