충전과 방전에 따라 색이 변하는 스마트 유연전지가 개발됐다.
한국과학기술원(KAIST)은 전자와 이온의 이동효율을 높여주는 '파이(π) 결합 간격재(Spacer)'가 내장된 전기변색 고분자 양극재를 통해 충전·방전 과정을 시각화하는 스마트 전기변색-아연 이온 전지를 개발했다고 21일 밝혔다.
스마트 전자기기와 웨어러블 시장이 급속히 발전하면서 단순 에너지저장 기능을 가진 이차전지를 넘어 색이 변하는 스마트 이차전지 시스템이 주목받고 있다. 하지만 기존 전기변색소자는 전기전도성이 낮아 인해 전자와 이온의 이동효율 및 에너지 저장 용량이 낮고 플랙서블·웨어러블 에너지 기술에 적용하기 어려운 한계가 있었다.
이에 KAIST 신소재공학과 김일두 교수와 명지대학교 신소재공학과 윤태광 교수로 구성된 공동연구팀은 장시간 공기 노출 및 기계적 변형에도 전기변색 성능과 우수한 전기화학 특성이 유지되는 유연 전기변색-스마트 아연 이온전지를 구현하는데 성공했다. 연구팀은 전지에 전기변색 기능을 접목해 충전과 방전 상태를 색 변화로 시각화했으며 태양광 흡수량을 조절해 실내 냉방 에너지 소비량도 절감할 수 있다고 설명했다.
연구팀은 전자와 이온의 이동효율을 극대화하기 위해 '파이 결합 간격재'가 내장된 고분자 양극재를 이론적인 모델링을 바탕으로 설계하고 최초로 합성했다. 파이(π) 결합은 구조 내 전자이동을 향상시켜 이온 이동 속도를 크게 높이고, 이온 흡착효율을 극대화해 에너지 저장 용량을 높이는 효과가 있다.
파이 결합 간격재가 내장된 고분자 양극재 기반 전지는 간격재가 없는 경우 대비 이온 이동 속도를 높여 고속충전을 가능하게 하며, 아연 이온 성능 덕분에 저장용량도 110 mAh/g로 기존보다 40% 이상 확대된다.
변색 성능도 충·방전시 남색에서 투명색으로 빠르게 바뀌며 30% 향상된 결과를 나타냈다. 또한 투명 유연전지 기술을 스마트 윈도우에 적용하면 낮시간 태양에너지를 흡수하는 미래형 에너지 저장 기술이 되는 동시에, 태양에너지를 충전하는 동안 짙은 색을 띄어 자외선 및 태양빛을 차단하는 커튼으로써도 기능한다.
신소재공학과 김일두 교수는 "파이 결합 간격재가 내장된 고분자를 개발해 우수한 변색효율과 높은 에너지 용량의 스마트 아연이온전지 개발에 성공했다"며 "에너지 저장의 역할만을 수행하는 기존 전지의 개념을 넘어서, 스마트 전지 및 웨어러블 기술의 혁신을 가속화하는 미래형 에너지 저장 시스템으로 활용될 것을 기대한다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials)에 게재됐다.
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