배터리가 아코디언처럼 늘어나네

KIST 손정곤 박사 연구팀 주도…벌집 모양 그래핀·전극 소재를 아코디언처럼 구부린 구조로 제작

(a) 신축성 배터리 전극, 신축성 젤 전해질 및 부틸 고무 패키징에 기초한 모든 구성 요소가 늘어나는 신축성 배터리의 조립 된 셀의 개략도. (b) 0%에서 50%까지 다양하게 변형을 가하는 환경과 오랜 충방전 실험 하에서도 큰 특성 변화가 없는 신축성 배터리의 에너지 저장 용량 (c) 0%와 50 % 변형을 반복적으로 500번 수행하였을 때 측정된 저장 용량 변화. (d) 신축성 배터리에 의해 연신 및 신축 된 (50 % 변형률) 상태로 작동되는 발광 다이오드 전구의 사진/사진=KIST

국내 연구진이 부피를 늘릴 수 있는 리튬 이온 배터리를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사 연구팀은 기존 배터리 전극이 늘어날 수 있도록 전극 소재로 신축성 구조체를 개발했다고 31일 밝혔다.

스마트 밴드와 같은 고성능 웨어러블(착용형) 기기 시장이 빠르게 성장하고 있다. 이에 따라 에너지를 저장하는 부품도 늘어나는 형태로 만들어질 필요성이 커졌다.

하지만 기존 배터리는 단단한 무기물 형태의 전극 소재가 부피의 대부분을 차지하고 있어 늘어나게 만드는데 한계가 있다. 전하를 뽑아 전달하는 집전체와 분리막 등 다른 구성 요소들도 늘어나야 하고, 액체 형태의 전해질이 새는 문제도 해결해야 한다.

연구팀은 신축성이 없는 소재에서 구조적으로 신축성을 가지는 아코디언의 구조에 주목, 안쪽으로 구부러진 마이크로 크기의 벌집 모양 전극 구조체를 제작했다.

연구진은 “입자 형태의 단단한 배터리 양극·음극 활성 소재 각각을 잘 잡아 주면서도 전도성이 매우 높고 보자기 역할을 하는 원자 두께의 그래핀과 나노 크기의 노끈인 탄소 나노튜브를 복합화해 벌집 구조의 뼈대를 제작했다”고 설명했다.

이렇게 만든 벌집 모양의 활성 소재, 그래핀, 탄소나노튜브 복합 구조체를 김밥을 말 듯 압축하는 공정을 거쳐 아코디언처럼 굽어지게 해 늘어날 수 있게 했다.

연구진은 제작한 구조체에 공기와 수분을 차단하며 전해질이 새지 않게 하는 늘어나는 패키징 소재를 같이 조립했다. 이를 통해 배터리를 구성하는 모든 부분에서 50% 이상의 높은 신축성 및 500번 이상의 반복적인 잡아당김에서도 성능을 유지하는 기계적 안정성을 확보했다.

이 배터리는 기존의 늘어나지 않는 배터리 수준의 우수한 에너지 저장 용량(5.05 mAh/cm2)을 보였다. 이번 연구성과는 나노기술 분야 국제학술지 ‘ACS 나노(Nano)’ 최신호에 게재됐다.