10분내 고속충전 플렉서블 이차전지, 국내 기술로 개발

[아시아경제 김영식 기자]충전시간을 1시간에서 10분 이내로 단축하고 두께도 1mm 이내로 얇게 만들 수 있는 플렉서블 2차전지 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이를 통해 얇고 가벼우면서도 고속충전이 가능한 플렉서블 2차전지의 상용화 시기가 크게 앞당겨질 전망이다.

31일 미래창조과학부에 따르면, 이번 연구성과는 울산과학기술대학교(UNIST) 에너지 및 화학공학부 조재필 교수팀이 미래부 신기술융합형성장동력사업의 지원을 받아 수행했으며, 연구결과는 세계적 학술지 '나노 레터스' 7월호에 게재됐다.

최근 커브드 디스플레이 스마트폰과 스마트 시계 등 신개념 웨어러블 기기에 대한 관심과 수요가 급증하고 있지만, 이같은 전자기기에 적용할 플렉서블 전지의 개발 수준은 뒤쳐져 있는 실정이다. 플렉서블 전지가 상용화되려면 기존 전지 수준의 성능을 내야 하는 동시에 자유롭게 구부러지고 펴지는 유연성도 함께 보장돼야 한다. 수백번의 구부림 테스트(휨강도 테스트)를 반복하면서도 현재 사용되는 전지가 요구하는 특성을 만족해야 한다.

이에 조재필 교수팀은 리튬 이차전지의 핵심 요소인 전극 소재와 집전체에 나노 기술을 적용하여 각각의 성능을 최적화함으로써 이와 같은 플렉서블 전지의 기술적 요구사항을 해결했다.

우선 양극소재로 현재 쓰이고 있는 리튬코발트산화물 대신 니켈산화물계를 사용하여 충전용량을 20% 향상하고, 바나듐이 함유된 복합 산화물 층을 양극소재 표면에 입혀 양극표면의 전자전도도를 2배 이상, 소재내부에서의 리튬이온의 이동도를 3배 이상 개선했다. 음극소재는 대부분 천연 흑연을 사용하지만 높은 에너지 밀도를 구현하기는 불가능하다. 이를 해결하기 위해 전자전도도가 13배 이상 높은 팽창흑연 표면에 10나노미터(nm) 이하의 비정질 실리콘 나노입자들을 균일하게 코팅한 결과 기존 흑연 대비 용량이 약 60% 향상됐다.

또 오랜 시간 전지를 사용해도 집전체가 단락되지 않도록 하기 위해 집전체 표면을 나노구조 벌집 모양의 형태로 식각(화학적 방법으로 금속표면을 특정 형태로 파내는 공정)한 결과, 접착력이 약 1.7배 향상됐다. 이같이 성능이 향상된 양극, 음극 소재 및 집전체를 이용해 두께 1mm이하의 최적화된 전지를 구성한 결과, 기존 플랙서블 전지가 1시간 걸리는 것에 비해 10분 만에 100% 충전이 가능함을 확인했다. 구부림 테스트에서 200 사이클이 진행되는 동안에도 안정적인 수명 특성이 유지되는 것도 확인됐다.

조 교수는 “본 연구에서 개발된 플렉서블 이차전지는 고속 충전이 가능하고, 극심한 구부림 테스트에서도 우수한 충?방전 특성을 구현했기 때문에 향후 플렉서블 디바이스 시대를 앞당기는데 크게 기여할 것’이라고 연구 의의를 설명했다.

박재문 미래부연구개발정책실장은 “앞으로도 미래부는 새로운 산업을 견인할 수 있는 우수한 연구성과가 사장되지 않고 상용화로 이어질 수 있도록 정책적 노력을 다할 것’이라고 강조했다.

김영식 기자 grad@asiae.co.kr