[3차원 구조 일체형 유기 배터리 전극 개발]

폴더블폰, 5G폰 등 고용량 전력을 요구하는 스마트폰이나 웨어러블 기기들이 대거 등장하면서 배터리에 관한 관심도 높아지고 있다. 스마트워치 시곗줄에 휘어지는 배터리를 내장하거나 단순 무선 충전에서 발전한 무선 전력 공유 배터리도 나오고 있다. 하지만 온종일 사용할 수 있는 수천 밀리암페어아워(mAh, 전류 용량)의 대용량 배터리를 안정적으로 접었다 펼 수 있는 배터리 제조 기술은 아직 개발되지 않았다. 최근 국내 한 연구팀에서 무거운 구리 집전체를 대신할 일체형 전극을 개발함으로써 ‘접히는 대용량 배터리’의 실현 가능성을 열었다.

화학과·첨단재료과학부 박수진 교수, 화학과 박사후연구원 류재건씨, 첨단재료과학부 통합과정 강지은씨 팀은 재료연구소(KIMS)와의 공동연구를 통해 3차원 구조의 유기 박막 전극으로 플렉서블 배터리 개발에 성공했다.

또, 3차원 탄소 전극을 활용하여 기존 구리 집전체^*1와 비교하여 배터리 무게를 10배 이상 낮추고, 흑연 대신 유기 소재를 사용하여 단위 무게당 배터리 용량을 4배 이상 늘리는 결과를 내놓았다. 이 연구성과는 재료 분야 국제학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 최신호에 게재됐다.

유기 소재의 경우 전기 전도도가 낮고, 집전체와 유기 소재를 일체화하는 방법이 없어 지금까지 유기물질을 사용하는 일체형 전극의 구현이 불가능했다. 연구팀은 배터리를 무겁게 하는 요소인 집전체를 대신하고, 낮은 에너지 밀도를 가지는 흑연 음극을 대체하여 전지의 무게를 획기적으로 낮출 수 있는 방안에 대해서 고민했다.

연구팀은 단일벽 탄소 나노큐브를 이용해 전기 전도도가 높은 3차원 구조체를 만들었다. 여기에 수 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 두께의 이미드-기반 네트워크^*2 유기 소재를 코팅하여 얇은 일체형 배터리 전극을 개발했다.

8nm의 얇고, 조절이 가능한 두께의 유기층이 코팅된 3차원 일체형 전극은 최대 1550 mAh/g의 가역 용량을 제공하며, 800회 이상 충전이 가능했다. 해당 전극은 유기 소재가 코팅되었음에도 높은 전기 전도성을 가질 뿐 아니라, 다량의 기공들을 통한 리튬 이온을 빠른 확산을 도와 이차 전지의 성능을 크게 높였다. 또한, 유기 소재의 코팅 두께도 손쉽게 조절할 수 있어, 유기 전극의 전류 밀도를 크게 향상할 수 있었다.

연구팀이 개발한 소재는 금속 기반의 집전체를 대신하여 가볍고 유연한 이차 전지를 개발할 수 있어 차세대 웨어러블 전자기기, 플렉서블 디바이스, 통신장비 및 전기차 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 박수진 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 일체형 탄소 나노튜브-유기 소재 전극을 활용하면 이차 전지의 무게를 획기적으로 낮출 수 있다”며 “기존 2차원 기반의 소자가 갖는 한계를 극복하고, 유기 배터리의 유연화와 경량화를 실현할 수 있다”고 말했다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구지원사업, 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행됐다.
 

1. 집전체
두 극판의 화학물질이 만들어내는 전기에너지를 회로에 연결할 수 있게 전기에너지 전달을 하는 역할을 한다.

2. 이미드-기반 네트워크
전기화학적으로 활성을 띄는 유기 물질 중 하나로, 일반 적인 선형 구조의 고분자가 아닌, 3차원으로 연결된 고분자 물질.