최근 국내 연구진이 기존 섬유제품과 동일한 기계적 특성을 지니면서 전기에너지를 저장할 수 있는 전지기술을 개발하는데 성공했다.

KIST(원장 이병권)는 에너지저장연구단의 이중기, 유계성 박사팀이 상온에서 액체 상태로 존재하는 갈륨(Ga)과 인듐(In) 공융화합물을 사용해 기존 이차전지를 대체할 금속-공기전지의 새로운 음극재를 개발했다고 26일 밝혔다.

유계성(중국명 리우구쳉) 박사는 해외우수신진연구자 사업으로 유치되어 지난 2015년부터 이중기 KIST 박사 연구진에 합류했다.

이차전지는 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 바꿔 저장하고 필요시 전기를 만들어내는 장치이다. 금속·공기전지는 양극에 공기 중의 산소를 사용한 차세대 이차전지로 가볍고 에너지 밀도가 높다.

기존에 유연한 특성을 지닌 대부분의 금속공기전극은 얇은 와이어·시트 형태이거나 스프링모양의 구조를 갖거나, 신축성이 있는 기재 사이에 단위 전지셀을 배치한 형태이다.

또한, 기재표면에 전극층을 코팅해서 여러 개의 기재들을 옷감의 직물구조처럼 엮거나 꼬아서 유연성과 신축성을 확보할 수 있도록 고안했으나 일반적으로 사용되는 섬유만큼의 유연성과 신축성을 확보하기에는 재료 특성상 한계가 있었다.

이에 이중기 KIST 박사팀은 웨어러블용 전기저장장치로 기존 알루미늄, 아연에 기반한 공기전지에 비해 에너지밀도가 높고, 수축 복원력과 구부림 특성에서 기존 고체재료와 차원이 다르면서도 안전한 공융액체 금속공기전지 기술을 개발했다.

이번 연구를 통해 개발된 갈륨·인듐 공융액체금속공기전지는 섬유실 형태의 몸체 내부에 전극물질의 단순주입만으로 100% 이상의 신축성과 1mm 이하의 반경 구부림이 가능한 유연한 특성을 지닌 전지 구성이 가능하고, 전극활물질의 몸체 자체가 부드럽고 형상을 자유롭게 할 수 있는 특성을 유지했다.

이는 고용량, 고출력이 동시에 가능하면서도 섬유제품과 같이 유연하고 수축성이 있는 소재로 전지에 적용된다.    

연구진은 안정성이 높고, 오랜 수명의 전극특성을 확보해 고효율 성능 발현이나 자유로운 형상변형 전지제조가 가능하다고 분석했다.

또 나노공정기술에 비해 공정이 단순한 혼합공정을 통해 복합금속 전극제조가 가능해 낮은 비용으로 고신축성이나 가변성이 있는 전극제조 공정 확보, 양산 등이 보다 쉬워질 것으로 기대했다.

이중기 KIST 박사는 "이번 연구를 통해 개발한 전지기술로 4차 산업용 웨어러블용 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage Systems)에 새로운 해법을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구사업과 해외우수신진연구자 사업 지원을 받았다.  

연구 결과는 화학, 물리 분야 국제 학술지인 'Advanced Energy Materials'에 지난 14일자 온라인판에 게재됐다.