두꺼우면서도 잘 휘어지는 유연 전극 개발로 복잡한 제품 형태에 맞춘 배터리 개발이 가능해질 전망이다. 높은 에너지 밀도와 기계적 유연성을 동시에 구현한 차세대 유연 배터리 상용화가 기대된다.
한국연구재단은 현승민·소혜미 한국기계연구원 박사 연구팀이 스테인리스 스틸 섬유를 3D 집전체로 활용해 이차전지의 두꺼운 유연 전극을 개발했다고 24일 밝혔다.
유연 배터리는 성능 저하 없이 구부리거나 늘릴 수 있게 설계된 에너지 저장 장치로, 최근 웨어러블 장치와 스마트기기 시장 확대에 따라 수요가 급증하고 있다.
그러나 유연 배터리의 높은 에너지 밀도 확보를 위해 두꺼운 전극을 사용하면 전자와 이온의 이동이 어려워 성능이 떨어지고 유연성을 잃는다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 배터리 전극에 가벼운 섬유형 집전체와 다공성 전극 구조를 결합해 고성능 유연 배터리를 개발했다.
열 유도 상분리 공정으로 형성된 다공성 이중 연속 구조는 두껍고 매우 유연한 전극을 구현할 수 있다.
또 스테인리스 스틸 섬유 보강을 통해 계면 접착력, 굽힘 내구성, 전기 전도성을 한층 강화했다.
이렇게 개발한 이차전지 전극은 거의 직각으로 굽히는 수준(최소 굽힘 반경 3㎜)에서도 성능 저하 없이 작동하며, 삼원계 배터리(NCM) 반쪽 셀의 경우 약 500Wh/ℓ의 에너지 밀도로, 기존 유연한 배터리보다 우수한 성능을 보였다.
섬유 집전체가 전극 물질과 네트워크 형태를 이뤄 어떠한 자유곡면에도 적용 가능, 기존 전극 구조로는 제조하기 어려운 3D 자유 형상 배터리로 제작할 수 있다.
소혜미, 현승민 박사는 “이번에 개발한 전극은 높은 에너지 밀도와 유연성을 동시에 실현함으로써 차세대 유연 배터리의 상용화 가능성을 높일 수 있다”며 “특히 3D 자유 형상 배터리를 제작할 수 있는 능력은 산업계에서 복잡한 제품 형태에 맞춘 배터리 개발을 가능하게 할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구성과는 국제학술지 '어드밴스드 파이버 머티리얼즈 (Advanced Fiber Materials)'에 지난달 2일 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
