대전=정일웅기자
“두껍지만 잘 휘어지는 전극을 개발해 3D 자유 형상 배터리 제작을 가능케 했다. 복잡한 제품 형태에 맞춘 차세대 유연 배터리의 상용화가 기대되는 대목이다.”
현승민(왼쪽)·소혜미(오른쪽) 박사. 한국연구재단 제공
한국연구재단은 한국기계연구원 현승민 박사와 소혜미 박사 연구팀이 스테인리스 스틸 섬유를 3D 집전체로 활용해 이차전지의 두꺼운 유연 전극을 개발, 기존 유연 배터리보다 높은 에너지밀도를 구현하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.
집전체는 배터리 내부 전극(음·양극)과 맞닿은 10μm 두께의 막이다. 전극을 물리적으로 고정하고, 충·방전 때는 전자가 이동하는 것을 돕는 역할을 한다. 유연 배터리는 성능 저하 없이 구부리거나 늘릴 수 있게 설계된 에너지 저장 장치를 말한다.
최근 유연 배터리는 웨어러블 장치와 스마트기기의 시장 확대로 수요가 급증하고 있다. 하지만 기존 기술은 높은 에너지 밀도와 기계적 유연성을 동시에 구현하는 데 한계를 보인다.
특히 유연 배터리에 두꺼운 전극을 사용하면 전자와 이온의 이동이 어려워져 성능이 저하되고, 유연성을 잃는 문제를 떠안게 된다. 유연 배터리의 상용화를 위한 중요 과제로 두꺼운 전극에서도 높은 에너지 밀도와 기계적 유연성 확보가 중요하게 여겨졌던 배경이다.
연구팀은 이 같은 과제를 해결하기 위해 배터리 전극에 가벼운 섬유형 집전체와 다공성 전극 구조를 결합하는 방식으로 고성능 유연 배터리를 개발했다.
열유도 상분리 공정으로 다공성 이중 연속 구조를 형성해 두껍고 유연한 전극을 구현할 수 있었다. 열유도 상분리는 고분자의 용융점보다 높은 온도에서 균일하게 혼합된 용융액을 막의 형태로 성형한 후 가해진 열을 냉각시켜 고분자와 활물질의 상분리를 일으킨다.
연구팀은 스테인리스 스틸 섬유 보강으로 계면 접착력과 굽힘 내구성 그리고 전기 전도성도 강화했다.
이러한 과정을 거쳐 개발한 이차전지 전극은 직각 수준으로 굽혀도(최소 굽힘 반경 3㎜) 성능 저하 없이 작동하면서도 기존의 유연한 배터리보다 우수한 성능을 보였다.
무엇보다 섬유 집전체가 전극 물질과 네트워크 형태를 이뤄 어떠한 자유 곡면에도 적용 가능해 기존의 전극 구조로는 제조하기 어려운 3D 자유 형상 배터리를 제작할 수 있게 됐다는 것이 연구팀의 설명이다.
현승민·소혜미 박사는 “연구팀이 개발한 전극은 높은 에너지 밀도와 유연성을 동시에 실현함으로써 차세대 유연 배터리의 상용화 가능성을 높이는 발판이 될 것”이라며 “특히 3D 자유 형상 배터리를 제작할 수 있는 능력은 산업계에서 요구하는 복잡한 제품 형태의 배터리 개발을 가능하게 할 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 지난달 2일 국제학술지 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼즈’에 게재됐다.