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1000번 접었다 펴도 작동하는 ‘폴더블’ 리튬이온배터리 개발

2017년 12월 28일 09:40

국내 연구진이 1000번 이상 접었다 펴길 반복하고 망치로 두들겨도 작동하는 ‘폴더블(folderble)’ 리튬이온배터리를 개발했다. 각종 웨어러블 기기를 안정적으로 구동시켜 주는 배터리는 물론이고 디스플레이를 접었다 펴는 방식의 ‘폴더블 폰’에도 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

 

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 송현곤·박수진 교수팀은 접어도 성능이 유지되는 리튬이온배터리를 제작하는 전극 물질과 구조를 개발했다고 27일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 2월호 표지논문으로 게재됐다.
 
이번에 개발한 폴더블 리튬이온배터리는 반으로 180도 접었다 펴도 물리적·전기적 특성을 그대로 유지했다. 어떤 각도로 접어도 배터리 용량이 달라지지 않고 안정적으로 LED 전구를 밝힐 수 있었다. 기존의 딱딱한 전극 물질을 유연한 재료로 바꾸면서 배터리의 구조까지 개선한 결과다.
 
리튬이온배터리는 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 충전과 방전을 반복하는 이차전지다. 이들 전극은 리튬이온이 포함된 ‘활물질’과 활물질에 전자를 전달해 주는 ‘집전체’, 둘을 연결시켜 주는 ‘도전제’와 ‘바인더’ 등 4가지 물질로 이뤄져 있다. 활물질과 도전제, 바인더는 가루 형태로 보통은 알루미늄이나 구리로 된 단단한 판에 발라 전극을 만들기 때문에 구부리거나 접을 경우 배터리가 망가져 제 기능을 하지 못한다.

연구진은 이런 한계를 극복하기 위해 고분자 나노 물질을 지지체로 활용했다. 페트병을 만드는 고분자 페트(PET)로 나노섬유를 만든 뒤 매트 형태로 제작한 것이다. 페트 매트는 유연한데다 구멍을 많이 가지고 있어서 표면적이 넓다. 덕분에 부피 대비 더 많은 활물질을 입힐 수 있고 배터리 용량도 크게 늘일 수 있다.
 
논문의 제1저자인 황치현 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 “활물질은 전기 에너지를 화학적으로 저장하는 역할을 하는데, 그 양이 많다는 건 에너지를 더 많이 담는다는 의미”라며 “다공성 나노물질을 집전체로 쓴 덕분에 고용량 배터리 구현이 가능했다”고 설명했다.

집전체에 활물질을 단단하게 붙이는 기술로는 ‘초음파 분무법’이 사용됐다. 양극의 경우, 초음파 에너지를 쏘아서 화학반응을 일으키는 초음파 분무 장치에 막대기 모양의 탄소나노튜브와 활물질을 함께 넣고 뿌렸다. 이렇게 하면 탄소나노튜브가 활물질을 집전체 위에 단단하게 고정시키게 된다. 음극에는 탄소나노튜브 대신 은나노와이어와 활물질을 함께 뿌려 집전체에 고정했다.
 
송 교수는 “탄소나노튜브와 은나노와이어는 기존 리튬이온배터리에서 도전제와 바인더(연결체) 역할을 함께 수행한다”며 “기존 리튬이온배터리 시스템에 사용하던 다양한 활물질을 그대로 쓰면서 간단한 방식으로 집전체에 활물질을 고정시킬 수 있다는 게 큰 장점”이라고 설명했다.
 
이어 그는 “이번 연구는 향후 기계적·전기화학적 특성이 우수한 고유연성 집전체를 설계하는 기반이 될 것”이라며 “유연성을 가지면서 에너지 밀도를 높이는 폴더블 배터리의 가능성을 제시했다”고 덧붙였다.

 

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