'브라질포도' 닮은 '늘어나는 배터리' 개발

박수진·서관용·김소연 UNIST 교수팀, 웨어러블 배터리용 전극 소재
"잘 늘어나고 안전해"···'어드밴스드 에너지 머티리얼스' 게재
 자보티카바 모사 고분자 복합체 제조와 연신성 수계 리튬이온전지. 대규모 생산 가능한 간단한 용액공정을 통한 자보티카바(Jabuticaba) 모사 하이브리드 고분자 복합체 제조 과정(위). 자보티카바 모사 하이브리드 고분자 복합체를 연신성 수계 리튬이온전지로 응용할 경우 성능을 보여주는 그래프.(아래). <자료=UNIST> 자보티카바 모사 고분자 복합체 제조와 연신성 수계 리튬이온전지. 대규모 생산 가능한 간단한 용액공정을 통한 자보티카바(Jabuticaba) 모사 하이브리드 고분자 복합체 제조 과정(위). 자보티카바 모사 하이브리드 고분자 복합체를 연신성 수계 리튬이온전지로 응용할 경우 성능을 보여주는 그래프.(아래). <자료=UNIST>

국내 연구진이 늘어나면서 안전한 '리튬이온 배터리'를 개발했다. 

UNIST(총장 정무영)는 박수진·서관용·김소연 에너지 및 화학공학부 교수팀이 '늘어나는 배터리'에 쓰일 고분자 복합체를 개발했으며, 이 물질을 배터리 전극의 집전체(集電體)로 한 리튬이온 배터리를 만들었다고 4일 밝혔다. 

몸에 착용하는 웨어러블 기기에는 유연하고 신축성 있는 배터리가 필요하다. 이런 배터리가 제대로 작동하려면 전극에서 전자를 모아 양극재와 음극재로 전달하는 집전체의 역할이 중요하다. 

기존 웨어러블 배터리용 집전체는 잘 늘어나는 고분자에 전기 전도성이 높은 물질을 섞는 방식으로 만들었다. 그러나 이런 물질을 잡아당기면 전도성 물질 간의 연결이 끊어져 전기 전도성이 낮아지는 문제가 있다. 

이에 연구팀은 줄기에서 열매가 자라 '브라질 포도'라 불리는 '자보티카바'의 구조를 모사한 고분자 복합체(이하 자보티카바 고분자 복합체)를 만들었다. 이 물질은 원기둥 모양의 '탄소나노튜브'와 열매 모양의 '카본블랙'을 고분자와 함께 섞어 구성, 탄소나노튜브(줄기)에 카본블랙(열매)이 달라붙는 형태로 자보티카바와 비슷한 모양이 됐다. 

자보티카바 고분자 복합체를 잡아당기면 열매처럼 생긴 카본블랙이 탄소나노튜브의 연결이 끊어진 부분을 연결한다. 이로 인해 전기 전도성이 유지돼 웨어러블 기기에 적합한 배터리를 만들 수 있는 것이다. 

연구팀은 자보티카바 고분자 복합체를 집전체로 쓰면서 물 기반 전해질(수계 전해질)로 리튬이온 배터리를 개발했다. 이 전해질은 흔히 쓰이는 유기물 기반 전해질(유기계 전해질)보다 안전성이 높아 배터리가 길게 늘어나도 폭발 위험이 적다. 

제1저자인 송우진 박사과정 연구원은 "수계 전해질로 늘어나는 배터리를 만든 건 이번이 처음"이라며 "전해질의 안전성이 높고, 자보티카바 고분자 복합체로 만든 집전체 덕분에 늘어나도 전기 전도성이 유지돼 웨어러블 배터리로서 가능성이 높다"고 설명했다. 

특히 이번 연구는 '엑스선 소각 산란(SAXS)' 실험으로 자보티카바 고분자 복합체의 나노구조를 실시간으로 관찰해 주목 받았다. 이는 자보티카바 고분자 복합체가 늘어나고 줄어드는 과정에서 전도성 물질의 거동 메커니즘을 파악, 웨어러블 배터리로 가능성을 증명해 줬다. 

박수진 교수는 "이번 연구는 기존 유연/신축성 이차 전지의 큰 흐름을 바꾼 것" 이라며 "수계 전해질 기반으로 고신축성·고안정성·고출력 특성을 갖는 이차전지 개발의 가능성을 보인 만큼 향후 웨어러블 에너지 저장장치의 핵심 기술로 자리 잡을 것" 이라고 기대했다. 

이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)' 2일자 온라인판에 실렸다. 
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