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‘알루미늄-공기 전지’(Aluminum-air battery·AAB)는 알루미늄의 산화 반응과 공기 중 산소의 환원 반응을 이용해 전기를 생산하는 에너지 장치다. 풍부하고 저렴한 알루미늄 자원을 활용하는 만큼 차세대 고용량 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 이 전지는 공기 중 산소를 양극 활물질로 활용하기 때문에 무거운 양극 소재를 사용하지 않아도 되고 많은 에너지를 낼 수 있으며 안전성도 높다. 그러나 알루미늄-공기 전지의 구조적 한계로 인해 두께를 줄이기가 어렵다는 점이 한계로 꼽혀왔다.
이를 극복하기 위해 연구팀은 주변 공기에서 수분을 지속적으로 보충할 수 있는 ‘하이드로젤 전해질’을 개발했고 초박막 구조에서도 안정적인 이온전도 경로와 산소환원 반응을 유지할 수 있도록 했다. 연구팀은 전해질의 수분 유지와 금속 음극 보호 기능을 하나의 초박막 전해질에 통합하고 전체 두께 약 200um(마이크로미터) 이하에서도 높은 용량과 안정적인 구동 성능을 갖춘 피부 부착형 알루미늄-공기 전지를 구현하는 데 성공했다.
연구팀은 알루미늄 음극을 교체하는 기계적 재충전 방식도 제시했다. 전해질과 공기극은 그대로 유지하면서 소모된 알루미늄만 새것으로 교체하는 방식이다. 전지는 1000회의 반복 교체 이후에도 0.7볼트 이상의 안정적인 전압을 유지했다. 이를 기반으로 8000시간 이상 작동할 수 있는 가능성을 확인했다.
박성준 교수는 “이번 연구를 통해 별도의 수분 저장 장치 없이 공기 중 수분을 활용해 초박막 전지의 건조와 알루미늄 부식 문제를 동시에 해결했다”며 “피부와 함께 움직이면서도 높은 에너지 용량과 안정적인 생체신호 측정 성능을 가진 새로운 피부 부착형 전원 설계 방향을 제시했다”고 말했다.
