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KIST, 늘어나는 리튬 이온배터리 개발

벌집 모양 그래핀·전극 소재 '아코디언 구조'로 신축성 확보
이식형 전자기기·웨어러블 기기 등 활용 기대
그래핀 용액을 얼음 기둥을 통해 그래핀 벌집 구조체를 제작한 후에, 이를 김밥을 마는 듯한 전방향 압축 공정을 통해 안쪽으로 굽어진 늘어나는 배터리 전극 구조체를 제작하고 신축성 젤 전해질과 신축성 패키징을 통해 신축성 배터리를 제작하는 공정에 대한 모식도.<사진= KIST>그래핀 용액을 얼음 기둥을 통해 그래핀 벌집 구조체를 제작한 후에, 이를 김밥을 마는 듯한 전방향 압축 공정을 통해 안쪽으로 굽어진 늘어나는 배터리 전극 구조체를 제작하고 신축성 젤 전해질과 신축성 패키징을 통해 신축성 배터리를 제작하는 공정에 대한 모식도.<사진= KIST>

KIST(한국과학기술연구원·원장 직무대행 윤석진)는 손정곤 광전하이브리드연구센터 박사팀이 아코디언 구조를 활용해 신축성과 높은 용량을 갖는 리튬이온 배터리를 개발하는데 성공했다고 31일 밝혔다. 웨어러블 기기나 몸속에 삽입하는 이식형 전자기기 등 활용이 기대된다.

기존의 배터리는 단단한 무기물 형태의 전극소재가 부피 대부분을 차지해 늘어나게 만드는 것이 어려웠다. 액체형태의 전해질이 새는 문제도 해결해야해서 늘어나는 배터리 구현은 매우 어려운 것으로 알려졌다.

연구팀은 구조직으로 신축성을 가지는 아코디언에 주목했다. 입자 형태의 단단한 배터리 양극·음극 활성 소재 각각을 잘 잡아 주면서도 전도성이 매우 높은, 보자기 역할을 하는 원자 두께의 그래핀과 나노 크기의 노끈인 탄소 나노튜브를 복합화해 벌집 구조의 뼈대를 제작했다. 이렇게 만든 벌집 모양의 활성 소재·그래핀·탄소나노튜브 복합 구조체를 김밥을 말 듯 압축하는 공정을 통해 아코디언처럼 굽어지게 하여 늘어날 수 있게 했다.

우수한 에너지 저장 용량(5.05 mAh/cm2)도 확보했다. 신축성을 위해 첨가한 모든 소재를 에너지 저장과 전하 전달에 참여케해 가능했다.

이와 함께 제작한 구조체에 신축성 젤 전해질과 공기와 수분을 차단하며 전해질이 새지 않게 하는 늘어나는 패키징 소재도 같이 조립했다. 배터리를 구성하는 모든 부분에서 50% 이상의 높은 신축성 및 500번 이상의 반복적인 잡아당김에서도 성능을 유지하는 기계적 안정성을 확보했다.

손정곤 박사는 "이번 연구를 통해 개발한 신축성 리튬 이온 배터리는 최근 웨어러블이나 신체 부착형 소자 개발에서 신축성을 가지는 에너지 저장 시스템으로서 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다.

연구내용은 나노기술 분야 국제적 과학 전문지 'ACS Nano'최신호에 게재됐다.

 
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