[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사 연구팀은 신축성이 없는 기존의 배터리 전극이 늘어날 수 있도록 전극 소재만으로 신축성 구조체를 제작하고, 신축성 젤 전해질과 패키징을 결합시켜 신축성을 가지면서도 높은 용량을 가지는 리튬 이온 배터리를 제작했다.
전자산업의 급속한 발전으로 웨어러블 및 스마트 밴드와 같은 고성능 모바일 전자기기의 사용이 급증하면서 신개념의 에너지 변환 및 저장 소재의 개발 필요성이 증대되고 있다.
특히 신체 움직임에 대응 가능한 신축성을 가지는 에너지 저장 소자는 기존 소자의 딱딱한 물리적 제한을 넘어, 향후 새로운 차원의 웨어러블 및 신체부착형 기기의 개발을 가능하게 할 것이다.
하지만 배터리 전극의 활성 소재는 딱딱한 무기물 기반의 입자 형태로 이루어져 있고, 이를 약간의 전도성 탄소 소재와 고분자 바인더와 혼합하여 전하집전체 금속 기판 위에 코팅하는 형태로 제작돼, 기계적인 변형이나 신축성을 가지기에 매우 어렵다.
따라서 기존의 신축성 에너지 저장 연구들은 매우 제한적으로만 이루어져 왔으며, 대부분 신축성 기판 소재에 전극 소재를 덧붙임으로써 신축성을 의존하는 형태로만 진행되어 왔다.
KIST 손정곤 박사 연구팀은 아코디언이나 종이접기에서 안쪽으로 굽어있는 구조가 신축성을 구조적으로 확보할 수 있음에 주목하여, 마이크로 크기의 벌집 모양의 전극 구조체를 제작한 후에 이를 김밥을 마는 형태로 전방향에 압축을 가해줌으로써, 전 방향으로 신축 가능한 안쪽으로 굽어있는 벌집 모양의 전극 구조체를 구현하고자 했다.
이를 위한 배터리 전극의 기계적 안정성을 확보하기 위해 보자기 형태의 나노소재인 그래핀과 노끈 형태의 나노소재인 탄소나노튜브를 입자 형태의 배터리 활성 소재와 함께 복합화하여, 활성 소재를 다량 함유하고 있으면서도 안정적으로 늘어나거나 구부러지는 기계적 변형에 대응할 수 있도록 했다.
또한 그래핀과 탄소나노튜브의 높은 전기전도도로 인해 전극의 전도성 경로로서 전극의 전달 특성을 극대화하는 역할을 수행하도록 했다. 또한, 압축 공정과 수직 방향으로 정렬된 기공 구조로 인한 높은 밀도와 높은 이온의 이동성 때문에, 늘어나지 않는 다른 유연 배터리 연구결과와도 비슷할만큼 높은 부피당·면적당 저장용량을 가진다는 걸 알 수 있었다.
이렇게 제조된 신축성 배터리 전극은 50% 이상 500회 이상 반복적으로 늘렸을 때에도 전기전도도의 변화가 거의 없음을 확인했다.
이와 함께 유기 용매 내에서 물리적으로 결정성을 가지는 부분과 팽윤된 부분이 서로 존재하여 구조적 신축성을 가질 수 있는 신축성 젤 전해질과, 공기와 수분을 차단하며 전해질이 새지 않게 하는 늘어나는 패키징 소재를 같이 조립하였다.
이를 통해 배터리를 구성하는 모든 부분에서 50% 이상의 높은 신축성 및 500번 이상의 반복적인 잡아당김에서도 성능을 유지하는 기계적 안정성을 확보하면서도, 기존의 늘어나지 않는 배터리 수준의 우수한 에너지 저장 용량(5.05 mAh‧㎠)을 가지며, 동시에 부틸 고무 기반의 우수한 패키징을 도입함으로써 공기 중에서의 장기 안정성까지 확보한 신축 리튬 이온 배터리 개발에 성공했다.
손정곤 박사는 “이번 연구를 통해 개발한 신축성 리튬 이온 배터리는 최근 웨어러블이나 신체 부착형 소자 개발에서 신축성을 가지는 에너지 저장 시스템으로서 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구에서 개발한 신축성 배터리는 전극뿐만 아니라 젤 전해질과 패키징까지 모두 신축성을 가지고 있어, 실제로 구동 가능한 신축성 에너지 저장 소자를 구현했다는 데 의의가 있다. 이를 바탕으로 최근 웨어러블이나 신체 부착형 소자 개발에 신축성 기기 구현에 다양한 폼팩터가 제안될 수 있을 것으로 예상된다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 아래 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구 내용은 나노기술 분야 국제적 과학 전문지 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재되었다.
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