기계연구원, "3D 자유형상 배터리 제작 가능해졌다" ...유연 배터리 한계 넘어서
자유자재 3D형상까지… 유연 배터리 한계 넘었다
스테인리스 스틸 섬유로 보강한 다공성 구조 유연 전극 개발
두꺼운데 잘 휘어지는 전극을 개발, 3D 자유형상 배터리 제작이 가능해지면서 복잡한 제품 형태에 맞춘 차세대 유연 배터리 상용화가 기대된다.
과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노융합연구본부 나노디스플레이연구실 현승민 책임연구원과 소혜미 선임연구원 연구팀이 스테인리스 스틸 섬유를 3D 집전체*로 활용해 이차전지의 두꺼운 유연 전극을 개발, 기존 유연 배터리보다 높은 에너지밀도를 달성했다고 밝혔다.
*집전체: 배터리 내부 전극(양극, 음극)과 맞닿은 머리카락보다 얇은 약 10μm 두께의 막으로 전극을 물리적으로 고정해 주고 충·방전할 때 전자가 이동할 수 있도록 돕는 역할을 한다.
유연 배터리는 성능 저하 없이 구부리거나 늘릴 수 있게 설계된 에너지 저장 장치다. 최근 웨어러블 장치와 스마트 기기 시장 확대에 따라 그 수요가 급증하고 있으나 기존 기술은 높은 에너지 밀도와 기계적 유연성을 동시에 구현하는 데 어려움을 겪고 있다. 특히 유연 배터리에 두꺼운 전극을 사용하면 전자와 이온의 이동이 어려워 성능이 떨어지고 유연성을 잃는 문제를 해결하는 것이 상용화를 위한 중요한 과제 중 하나다.
연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 배터리의 전극에 가벼운 섬유형 집전체와 다공성 전극 구조를 결합해 고성능 유연 배터리 개발에 성공했다. 열유도 상분리 공정*으로 형성된 다공성 이중 연속 구조는 두껍고 매우 유연한 전극을 구현할 수 있었다. 또한 스테인리스 스틸 섬유 보강을 통해 계면 접착력, 굽힘 내구성, 전기 전도성을 한층 강화했다. 이렇게 개발한 이차전지 전극은 거의 직각으로 굽히는 수준(최소 굽힘 반경 3mm)에서도 성능 저하 없이 작동하며, 삼원계 배터리(NCM**) 반쪽 셀의 경우 약 500 Wh/L의 에너지 밀도로, 기존의 유연한 배터리보다 우수한 성능을 보였다. 섬유 집전체가 전극 물질과 네트워크 형태를 이뤄 어떠한 자유곡면에도 적용 가능, 기존의 전극 구조로는 제조하기 어려운 3D 자유형상 배터리로 제작할 수 있다.
*열유도상분리(TIPS) 공정: 고분자의 용융점을 상회하는 온도에서 균일하게 혼합된 용융액을 막의 형태로 성형한 후 가해진 열을 냉각시킴으로써 고분자와 활물질의 상분리(Binder rich/Binder lean phase)를 일으키는 공정
**삼원계 배터리(NCM): 가장 많이 쓰이는 대표적인 삼원계 배터리 중 하나로 니켈, 코발트, 망간이 다양한 비율로 구성되어 있고 주로 전기차의 양극재로 쓰인다.
현승민 책임연구원, 소혜미 선임연구원은 “이번에 개발한 전극은 높은 에너지 밀도와 유연성을 동시에 실현함으로써 차세대 유연 배터리의 상용화 가능성을 높일 수 있다”며 “특히 3D 자유형상 배터리를 제작할 수 있는 능력은 산업계에서 복잡한 제품 형태에 맞춘 배터리 개발을 가능하게 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼즈 (Advanced Fiber Materials)’에 9월 2일 게재됐다.
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