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새로운 마이크로 벌집 구조를 기반으로 한 신축성 있는 리튬 이온 배터리

2021-08-03


신축성 배터리 제조 공정 모식도 제공: 한국과학기술연구원(KIST)


국내 연구진이 신축성이 좋은 리튬이온 배터리를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 광전자복합체 연구센터 손정곤 박사 연구팀은 신축성이 있는 고용량 리튬이온 배터리를 구축했다고 밝혔다. 전지는 전극 재료만으로 구성된 구조적으로 신축성 있는 전극을 제작한 후 신축성 있는 겔 전해질과 신축성 있는 패키징으로 조립하는 방식으로 개발됐다.

전자 산업의 급속한 기술 발전으로 인해 스마트 밴드와 같은 고성능 웨어러블 장치 및 심장 박동기와 같은 신체 이식형 전자 장치에 대한 시장이 빠르게 성장했습니다. 이러한 발전으로 인해 인간의 피부와 장기를 모방한 유연하고 신축성 있는 형태로 설계되어야 하는 에너지 저장 장치의 필요성이 상당히 높아졌습니다.

그러나, 고체 무기 전극 재료가 부피의 대부분을 차지하고, 집전체 및 분리막과 같은 다른 구성 요소도 신축성을 가져야 하기 때문에 전지에 신축성을 부여하는 것은 매우 어렵다. 또한 변형 시 액체 전해질 누출 문제와 함께 액체 전해질 누출 문제도 해결해야 합니다.



(A) 스트레처블 배터리의 조전지의 개략도. (B) 스트레처블 배터리의 에너지 저장 용량 : (a) 0%에서 50%까지 변화가 적용되는 환경, (b) 장기간의 충방전 실험에서도 큰 변화가 없다.(C) 0%와 50% 변형을 500회 반복했을 때 측정한 저장용량의 변화.(D) LED 램프를 신장과 팽창 상태에서 동작시킨 사진( 신축성 배터리로 50% 변형률). 출처: 한국과학기술연구원(KIST)


이러한 문제를 해결하기 위해 KIST 손정곤 박사 연구팀은 신축성이 없는 소재에 구조적 신축성을 부여하는 아코디언과 같은 미세구조를 만드는 데 집중하여 벌집모양의 미세하게 안쪽으로 만곡된 전극 프레임워크를 구축했다. 모양. 안쪽으로 돌출된 허니컴 프레임워크는 커튼 역할을 하는 원자 두께의 그래핀과 나노 크기의 로프를 형성하는 탄소 나노튜브로 구성되었습니다. 활물질과 그래핀, 탄소나노튜브로 이루어진 벌집 모양의 복합 골조를 방사형 압축 공법으로 아코디언처럼 안쪽으로 돌출시켜 마치 한국의 김밥을 말리는 것과 유사한 신축성을 만들어 냈습니다.

연구팀이 개발한 전극에는 일반적으로 신축성을 위해 사용되는 고무와 같이 에너지 저장을 용이하게 하지 않는 재료가 포함되어 있지 않다. 연구팀이 새로 개발한 배터리에 사용된 모든 재료는 에너지 저장 및 전하 수송에 완전히 활용됩니다. 실제로 연구팀이 만든 스트레처블 배터리는 기존의 스트레처블 배터리보다 높은 에너지 저장용량(5.05mAh/cm2)을 보였다.

새로 도입된 신축성 젤 전해질과 신축성 있는 포장재는 공기와 수분을 차단하고 전해질이 새지 않도록 한다. 생성된 신축성 배터리는 5.05mAh/cm2의 높은 면적 용량, 반복된(최대 500) 신축-방출 주기에서 최대 50% 변형률까지 우수한 전기화학적 성능 및 공기 조건에서 100회 주기 후 95.7%의 장기 안정성을 보여주었습니다.

KIST 손정곤 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 스트레처블 리튬이온 배터리는 웨어러블 및 체내 이식형 전자소자 발전을 위한 스트레처블 에너지 저장 시스템의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.