KAIST 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 미국 하버드 공과대학 제니퍼 루이스(Jennifer A. Lewis) 교수와의 공동 연구를 통해 배터리 디자인의 자유도를 획기적으로 높일 수 있는 기술 개발에 성공했습니다.
KAIST-하버드 공동 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용해 배터리의 형상을 반지, 대문자 알파벳 H, U 등의 글자 모양을 포함해 원하는 구조로 자유롭게 제조하는 데 성공했습니다. 또한 한국화학연구원 최영민 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 소형 인체 착용형 광센서 반지에 3D 프린팅 배터리를 적용했습니다.
현재 사용되는 배터리 형상은 고인셀 또는 파우치셀 제작에 최적화된 원형 또는 사각형 구조로 제한돼 있습니다. 각기 다른 디자인을 갖는 소형 전자 소자의 경우 배터리 저장 장치가 부피 대부분을 차지하기 때문에 효율적인 공간 활용을 위해서는 배터리의 형상을 자유자재로 바꾸는 기술이 필요합니다.
연구팀은 자유로운 디자인을 갖는 배터리를 만들기 위해 친환경 물 기반의 아연 이차전지(Zn-Ion battery) 시스템을 도입했습니다. 리튬이온 대신 아연이온(Zn2+ )을 전하 운반체로 사용하는 이 시스템은 물을 전해질의 일부로 사용하기 때문에 높은 인화성의 유기용매를 전해질로 사용하는 기존 리튬 이차전지보다 안전합니다.
유기용매는 수분 및 산소에 노출될 경우 배터리 열화의 원인이 돼 리튬 이차전지의 제조 공정을 어렵게 하는 요인 중 하나입니다. 연구팀이 도입한 수계 아연 이차전지는 대기 중의 수분 및 산소에 안정적이기 때문에 보다 간편한 대기 공정 조건에서 제조할 수 있습니다. 특히 3D 프린터를 이용한 플라스틱 패키징 적용에도 물은 플라스틱 패키징을 녹이지 않아 보다 간편하게 패키징이 가능하다는 장점이 있습니다.
KAIST 연구팀은 자유로운 형태로 재단이 간편하고 고속 충전과 방전이 가능하도록 양극을 설계하기 위해서 전기방사 기술을 이용해 탄소섬유(Carbon fiber) 전류집전체를 제조했습니다. 이후 전기화학적 활성이 높은 폴리아닐린 전도성 고분자를 탄소섬유 표면에 매우 균일하게 코팅해 전류집전체 일체형 양극을 제조했습니다.
3D 구조를 갖는 얇은 섬유로 이뤄진 폴리아닐린 기반 양극은 2분 동안 50%를 충전했습니다. 쉽게 재단할 수 있기 때문에 이를 기반으로 다양한 형태의 배터리 제작이 가능할 것으로 기대됩니다.
김 교수는 "수용성 전해질을 이용하는 아연 이차전지는 일반 대기환경에서 배터리 패키징 조립을 할 수 있어 3D 프린팅을 활용하면 고객 요구에 맞는 맞춤형 배터리 팩을 손쉽게 제작할 수 있다"며 "초소형 마이크로 로봇의 외형에 잘 맞는 전력 장치나 특이한 디자인의 소형 전자 소자의 저장 장치로 응용 가능서성이 높다"고 전했습니다. KAIST 신소재공하고가 김찬훈 박사, 하버드 공과대학 안복엽 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야의 국제 학술지 <ACS Nano>에 게재됐습니다.
