전자부품연구원, 기계적 변형 최소화한 신개념 섬유 전극 구조체 개발

[기계신문] 전자부품연구원(KETI)이 전극 물질과 섬유 소재를 일체화하여 기계적 변형에 대한 내구성이 강하고, 성능 저하를 최소화할 수 있는 신개념 전극 구조체를 개발했다.

최근 사물인터넷 및 웨어러블 디바이스 시장이 확대됨에 따라 기계적 변형이 발생하는 조건에서도 안정적인 성능 구현이 가능한 플렉서블 배터리에 대한 요구가 크게 증가하고 있다.

시장조사업체 Market Research에 따르면, 세계 유연 전지 시장은 2014년부터 매년 50% 성장세를 지속하면서 2020년 이후에는 6억 1,786만 달러 시장을 형성할 것으로 전망된다.

기존 플렉서블 이차전지의 전극은 휘고 구부리는 기계적 변형에 취약한 금속박을 탄소 기반 기판이나 전도성 물질이 코팅된 고분자 직물로 변경하는 기술들을 중심으로 연구되어 왔다.

이 중 탄소 기반 기판의 경우 복잡한 제조 공정과 높은 비용이 상용화에 걸림돌로 작용하고 있으며, 고분자 직물의 경우 기계적 변형 시 균열 등이 발생하여 전극 구성 요소가 쉽게 분리되고 용량이 매우 작다는 한계점이 있다.

이번에 KETI 차세대전지연구센터 유지상 센터장과 우상길 박사 팀이 국민대 김재헌 교수, UNIST 이상영 교수 팀과 함께 개발한 전극은 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트, polyethylene terephthalate) 고분자 직물과 전도성 금속인 니켈(Ni) 층을 일체화시킨 것이다.

이에 따라 기계적 변형에 대한 구조적 안정성을 확보하였으며, 갈바닉 치환법을 적용해 니켈의 일부를 리튬 저장이 가능한 주석(Sn)으로 치환하여 기존 대비 높은 에너지 밀도를 갖는다. 이때 갈바닉 치환법은 두 개의 이종금속의 환원전위 차이에 의한 산화환원 반응의 전기 화학적 작용을 말한다.

즉, PET 직물과 니켈·주석 합금이 일체화된 신개념 전극 구조체(Sn@Ni 섬유전극)를 개발함으로써 화학적·구조적 고유한 형태를 갖게 되어 기계적 내구성이 뛰어나며, 기존 전극보다 이온과 전자의 이동성을 크게 향상시킬 수 있었다.

구체적으로는 전지 크기의 절반까지 2,000회 벤딩을 반복한 후에도 96% 이상의 용량을 유지하였으며, 기존 전극 대비 전기 전도도가 600배 향상되었다.

KETI는 Sn@Ni 섬유 전극이 적용된 고분자 전해질 기반의 플렉서블 이차전지를 후속 연구로 진행하고 있으며, 이번 기술개발을 주도한 우상길 박사는 “향후 이러한 요소기술들이 융합된 이차전지 시스템이 플렉서블 이차전지의 조기 상용화와 차세대 웨어러블 시장의 도래에 크게 이바지할 수 있을 것”이라고 전했다.

한편, 이번 기술은 기후변화대응기술개발사업의 전기자동차용 차세대 리튬금속 이차전지 개발 연구단의 지원으로 개발되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술 저널 ‘Advanced Functional Materials’ 4월호 표지 논문으로 선정됐다.

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