고려대학교 조진한 교수와 미국 조지아텍 이승우 교수 연구팀이 공동으로 쉽게 구할 수 있는 직물 소재에 금속 나노입자 코팅과 알루미늄 전기도금을 통해 고전도성 알루미늄 전극을 제조했다고 밝혔습니다. 고전도성 알루미늄 전극은 배터리 양극재로 쓰일 수 있습니다. 이번 연구는 'Applied Physics Review'에 게재됐습니다.
웨어러블 소재 적용가능한 이차전지 개발기술 실마리 찾다
리튬이온 이차전지 배터리의 음극재와 양극재는 주로 구리와 알루미늄 박막 필름 위에 코팅하지만, 최근에는 많은 기공을 가진 전도성 직물 위에 코팅해 단위면적당 더 많은 에너지 물질을 도입, 배터리 성능을 향상시키려고 노력해왔습니다. 그러나 직물 내부까지 전도성 물질을 균일하게 코팅하기 어렵고 특히 알루미늄 직물은 그 기술적 어려움으로 인해 보고되지 않은 상황입니다.
넓은 표면적을 갖는 금속 직물은 배터리 전극 외에 다양한 에너지 및 센서 전극으로 사용될 수 있어 중요합니다. 이에 연구팀은 배터리 전극용 고전도성 금속직물 제조를 위해, 폴리에스터 섬유 위에 금속 나노입자를 균일하게 도포했습니다. 그리고 널리 사용되는 전기도금 방식을 통해, 금속 직물을 손쉽게 구현했습니다. 무전해 도금 또는 탄소나노튜브 등을 이용해 전도성 직물을 제조한 기존 방법에 비해 직물의 전기전도도 및 코팅의 균일도 및 기계적 유연성 등이 향상됐습니다.
더 나아가 금속 산화물 나노입자와 금속 나노입자의 교대 코팅을 통해 높은 단위면적당 에너지 밀도와 빠른 충·방전 속도를 얻었습니다. 또한 배터리 양극재로 쓰이는 리튬인산철을 30nm 크기로 매우 균일하게 유기용매에 손쉽게 분산되도록 합성했으며, 이를 통해 금속 직물 내부 깊숙이 스며들도록 유도함으로써 단위면적당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있었습니다. 더 나아가 전도성을 갖는 인듐주석산화물(ITO) 나노입자와 교대 적층을 통해 빠른 충방전 속도를 구현시킬 수 있었습니다.
금속나노입자 코팅 및 전기도금을 통한 텍스타일 기반의 에너지 전극 집전체는 알루미늄 뿐만 아니라 다양한 금속의 도입을 통해 다양한 금속 텍스타일 집전체를 만들 수 있음을 규명했습니다. 특히 개발한 금속 텍스타일 집전체는 표면에서부터 내부까지 매우 균일한 금속 두께로(수십 나노미터에서 마이크론 미터 두께)로 코팅이 가능합니다. 이에 다양한 에너지 전극 (배터리, 슈퍼커패시터, 바이오연료전지 및 물분해 전극)등에 사용될 수 있으며, 높은 표면적과 전기전도성을 요구하는 바이오센서 전극 등에도 폭넓게 응용될 것으로 기대됩니다.
한편 향후 실용화를 위해서는 경제적인 금속직물 제조공정과 금속 나노입자 적층시간 단축방안, 그리고 고성능 직물전극 제조방안 등에 대한 추가 연구가 필요하다는 설명입니다.
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