아코디언 움직임 모사한 리튬 이온 배터리
아코디언 움직임 모사한 리튬 이온 배터리
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.02 18:10
  • 조회수 673
  • 댓글 0
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요약

 

늘어나는 리튬 이온 배터리가 개발됐습니다. 연구팀은 신축성이 없는 소재에서 구조적으로 신축성을 가지는 아코디언의 구조에 주목했습니다. 안쪽으로 구부러진 마이크로 크기의 벌집 모양 전극 구조체를 제작하고자 했습니다. 개발한 신축성 리튬 이온 배터리는 최근 웨어러블이나 신체 부착형 소자 개발에서 신축성을 가지는 에너지 저장 시스템으로서 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대됩니다.

국내 연구진이 단단하지 않고 유연하여 늘릴 수 있는 리튬 이온 배터리를 개발했습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사 연구팀은 신축성이 없는 기존의 배터리 전극이 늘어날 수 있도록 전극 소재만으로 신축성 구조체를 제작했습니다. 신축성 젤 전해질과 패키징을 결합시켜 신축성을 가지면서도 높은 용량을 가지는 리튬 이온 배터리를 제작했습니다. 해당 연구는 <ACS Nano>에 게재됐습니다. 

그래핀 용액을 얼음 기둥을 통해 그래핀 벌집 구조체를 제작한 후에, 이를 김밥을 마는 듯한 전방향 압축 공정을 통해 안쪽으로 굽어진 늘어나는 배터리 전극 구조체를 제작하고 신축성 젤 전해질과 신축성 패키징을 통해 신축성 배터리를 제작하는 공정에 대한 모식도. 출처:KIST
그래핀 용액을 얼음 기둥을 통해 그래핀 벌집 구조체를 제작한 후에, 이를 김밥을 마는 듯한 전방향 압축 공정을 통해 안쪽으로 굽어진 늘어나는 배터리 전극 구조체를 제작하고 신축성 젤 전해질과 신축성 패키징을 통해 신축성 배터리를 제작하는 공정에 대한 모식도. 출처:KIST

수요 크지만 구현하기 어려운 늘어나는 배터리

 

전자 산업의 급속한 발전으로 스마트 밴드와 같은 고성능 웨어러블 기기나 몸속에 삽입하는 페이스메이커와 같은 이식형 전자기기의 시장이 빠르게 커지고 있습니다. 이에 따라 에너지를 저장하는 부분도 몸의 피부나 장기와 비슷하게 말랑말랑하고 늘어나는 형태로 만들어질 필요성이 크게 높아지고 있습니다.

배터리도 말랑말랑 늘어나라~ 출처: AdobeStock
배터리도 말랑말랑 늘어나라~ 출처: AdobeStock

하지만 기존의 배터리는 단단한 무기물 형태의 전극 소재가 부피 대부분을 차지하고 있어 늘어나게 만드는 것이 매우 어렵습니다. 또한 전하를 뽑아 전달하는 집전체와 분리막 등 다른 구성 요소들도 늘어나야 하며 액체 형태의 전해질이 새는 문제도 해결해야 하므로, 늘어나는 배터리를 구현하는 기술은 매우 어려운 것으로 알려져 있습니다. 

 

아코디언 구조에 주목

 

KIST 손정곤 박사 연구팀은 신축성이 없는 소재에서 구조적으로 신축성을 가지는 아코디언의 구조에 주목했습니다. 안쪽으로 구부러진 마이크로 크기의 벌집 모양 전극 구조체를 제작하고자 했습니다. 입자 형태의 단단한 배터리 양극·음극 활성 소재 각각을 잘 잡아 주면서도 전도성이 매우 높은, 보자기 역할을 하는 원자 두께의 그래핀과 나노 크기의 노끈인 탄소 나노튜브를 복합화하여 벌집 구조의 뼈대를 제작했습니다. 이렇게 만든 벌집 모양의 활성 소재·그래핀·탄소나노튜브 복합 구조체를 김밥을 말 듯 압축하는 공정을 통해 아코디언처럼 굽어지게 만들어 늘어날 수 있게 했습니다.

 

연구진이 개발한 전극은 신축성을 위해 별도의 고무와 같은 에너지 저장에 의미 없는 소재를 첨가한 것이 아닌, 모든 소재가 에너지 저장과 전하 전달에 참여합니다. 이 배터리는 기존의 늘어나지 않는 배터리 수준의 우수한 에너지 저장 용량(5.05 mAh/cm2)을 나타냈습니다.

(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. 출처: KIST(d) 신축성 배터리에 의해 연신 및 신축 된 (50 % 변형률) 상태로 작동되는 발광 다이오드 전구의 사진
(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. 출처: KIST(d) 신축성 배터리에 의해 연신 및 신축 된 (50 % 변형률) 상태로 작동되는 발광 다이오드 전구의 사진

KIST 연구진은 제작한 구조체에 신축성 젤 전해질과 공기와 수분을 차단하며 전해질이 새지 않게 하는 늘어나는 패키징 소재를 같이 조립했습니다. 이를 통해 배터리를 구성하는 모든 부분에서 50% 이상의 높은 신축성 및 500번 이상의 반복적인 잡아당김에서도 성능을 유지하는 기계적 안정성을 확보하면서도, 공기 중에서의 장기 안정성까지 확보한 신축성 리튬 이온 배터리 개발에 성공했습니다.

손정곤 책임연구원. 출처: KIST
손정곤 책임연구원. 출처: KIST

 

 

 

KIST 손정곤 박사는 "본 연구를 통해 개발한 신축성 리튬 이온 배터리는 최근 웨어러블이나 신체 부착형 소자 개발에서 신축성을 가지는 에너지 저장 시스템으로서 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다"고 연구의의를 밝혔습니다.  

 

 

 

 


##참고자료##

 


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