송현곤·박수진 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀(이하 송 교수팀)이 접거나 구겨도 작동하는 폴더블 리튬이온배터리 전극 물질과 구조를 개발했다.
이 연구성과는 기술 혁신성을 인정받아 '어드밴스드 머티리얼스' 최신호 게재에 이어 내년 2월호 표지 논문으로 실린다.
송 교수팀이 제작한 '폴더블 리튬이온배터리'는 1000번을 접었다 펴도 물리·전기 특성을 유지했다. 어떤 각도로 접어도 배터리 용량이 달라지지 않았고, 180도 접거나 구겨도, 망치로 두드려도 작동했다.
이러한 특성을 갖는 이유는 기존 딱딱한 전극 물질을 바꿔 새로운 구조로 만들었기 때문이다.
리튬이온배터리 전극은 리튬이온을 포함한 '활물질', 활물질에 전자를 전하는 '집전체', 둘을 이어주는 '도전제'와 '바인더' 4가지로 구성된다. 활물질과 도전제, 바인더는 가루 형태로 이를 알루미늄이나 구리로 된 판에 발라 전극을 만든다.
집전체인 알루미늄이나 구리는 딱딱하기 때문에 구부리거나 접으면 전기전도성이 낮아진다. 변형이 반복되면 집전체와 활물질이 분리돼 배터리 성능이 떨어진다.
송 교수팀은 페트(PET)를 나노섬유로 만든 고분자 나노물질 '페트 메트'를 새로운 지지체로 도입했다. 페트 메트는 유연하고 구멍을 많이 갖고 있어서 표면적이 넓다. 같은 넓이에서 더 많은 활물질을 붙일 수 있고, 배터리 용량도 늘릴 수 있다.
활물질은 전기 에너지를 화학적으로 저장하는 역할로, 활물질이 많으면 에너지를 더 많이 담을 수 있다. 다공성 나노물질을 집전체로 활용해 고용량 배터리를 구현한 것이다.
또 집전체에 활물질을 단단하게 붙이는 기술로 '초음파 분무법'을 이용했다. 양극에는 초음파 에너지로 화학반응을 일으키는 초음파 분무 장치에 막대기 모양의 탄소나노튜브와 활물질을 함께 넣어 뿌렸다. 탄소나노튜브는 활물질을 집전체 위에 단단하게 고정했다.
음극에는 탄소나노튜브 대신 은나노와이어와 활물질을 함께 뿌려 집전체에 고정했다.
송 교수는 “탄소나노튜브와 은나노와이어는 기존 배터리에서 도전제와 바인더 역할을 함께 담당한다. 기존 리튬이온배터리의 활물질을 그대로 쓰면서 이 활물질을 보다 간단한 방법으로 집전체에 고정시킬 수 있다는 게 장점”이라며 “향후 기계·전기·화학적 특성이 우수한 고유연성 집전체 설계과 고유연성에 에너지 밀도도 높은 폴더블 배터리 상용에 기여할 것”이라 말했다.
부산=임동식기자 dslim@etnews.com
