반으로 접고 망치질에도 작동하는 '폴더블 배터리' 개발

송현곤 UNIST 교수팀, 초음파 분무로 유연한 리튬이온배터리 전극 제작
고용량·고신축성 배터리 구현···'어드밴스드 머티리얼스'에 게재
폴더블 배터리 전극 제조 과정과 전자현미경 이미지. <자료=UNIST 제공>폴더블 배터리 전극 제조 과정과 전자현미경 이미지. <자료=UNIST 제공>

국내 연구진이 반으로 접거나 구겨도, 망치로 두드려도 성능이 유지되는 리튬이온 배터리를 개발했다. 

UNIST(총장 정무영)는 송현곤·박수진 에너지 및 화학공학부 교수팀이 접어도 가능한 리튬이온배터리를 제작하는 전극 물질과 구조를 개발, 재료분야 국제 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 최신호에 실렸다고 27일 밝혔다. 

디스플레이를 접어서 쓰는 '폴더블 폰(Foldable phone)' 출시가 다가오면서 접을 수 있는 배터리 기술에도 관심이 높다. 연구팀이 개발한 플러블 리튬이온배터리는 1000번을 접고 펴도 물리적·전기적 특성을 유지할 수 있다. 

어떤 각도로 접어도 배터리 용량이 달라지지 않으며 절반으로 접어도 안정적으로 작동한다는 것이 연구팀의 설명이다. 또 망치로 두드리거나 구겨도 LED 전구를 켜는 데 문제가 없다. 

리튬이온배터리는 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 충전과 방전을 반복하는 이차전지다. 이들 전극은 리튬이온이 포함된 '활물질(active material)'과 활물질에 전자를 전해주는 '집전체(current collector)', 둘을 이어주는 '도전제(conducting agent)'와 '바인더(binder)' 등 4가지로 이뤄진다.

활물질과 도전제, 바인더는 가루 형태라서 이들을 알루미늄이나 구리로 된 판(foil)에 발라서 전극을 만든다.

하지만 집전체인 알루미늄이나 구리는 딱딱하기 때문에 구부리거나 접으면 전기전도성이 낮아진다. 더욱이 변형이 반복되면 집전체와 활물질이 분리돼 배터리 성능이 떨어지게 된다. 

이에 연구팀은 고분자 나노 물질을 지지체로 도입했다. 콜라병을 만드는 페트(PET)를 나노섬유로 만들어 지지체로 쓴 것이다. 페트 메트(PET mats)는 유연한데다 구멍을 많이 가지고 있어서 표면적이 넓다. 이에 같은 넓이에도 더 많은 활물질을 붙일 수 있고 배터리 용량도 크게 늘일 수 있다. 

집전체에 활물질을 단단하게 붙이는 기술로는 '초음파 분무법'을 이용했다. 양극의 경우 초음파 에너지를 쏘아서 화학반응을 일으키는 초음파 분무 장치에 막대기 모양인 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)와 활물질을 함께 넣고 뿌렸다. 

탄소나노튜브가 활물질을 집전체 위에 단단하게 고정, 음극에는 탄소나노튜브 대신 은나노와이어와 활물질을 함께 뿌려 집전체에 고정했다. 

송현곤 교수는 "이번 연구는 향후 기계적·전기화학적 특성이 우수한 고유연성 집전체를 설계하는 기반이 될 것"이라며 "유연성을 가지면서 에너지 밀도를 높이는 폴더블 배터리의 가능성을 제시했다"고 말했다. 
폴더블 배터리의 모습과 이 배터리를 접고 구부리고 두드리는 장면. <자료=UNIST 제공>폴더블 배터리의 모습과 이 배터리를 접고 구부리고 두드리는 장면. <자료=UNIST 제공>
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