손정곤 교수팀,

옷 위에 바를수도 있는 자유로운 형태의 늘어나는 리튬이온 배터리 개발

- 신축성과 접착성, 이온 전달까지 잘 되는 고유하게 늘어나고 변형되는 배터리 전극 구현

• - 모든 부품을 늘어나게 만들어 인쇄하여 옷에 바를수도, 향후 신축 웨어러블 기기에 응용

  국내 연구진이 말랑말랑하게 변형되고 늘릴 수도 있는 리튬 이온 배터리를 개발, 옷 위에까지 인쇄하여 그 가능성을 시험했다. 손정곤 교수팀(한국과학기술연구원 소프트융합소재연구센터 및 고려대 KU-KIST융합대학원)은 신축성이 없는 기존의 배터리가 늘어날 수 있도록 양극과 음극, 집전체, 전해질, 패키징까지 모두 소재 자체가 신축성을 가지면서도 인쇄가 가능하도록 디자인하여 높은 용량과 함께 자유로운 형태와 자유로운 변형이 가능한 리튬 이온 배터리를 제작했다고 밝혔다.

  최근 전자 산업의 급속한 발전으로 스마트 밴드와 같은 고성능 웨어러블 기기나 몸속에 삽입하는 페이스메이커와 같은 이식형 전자기기, 그리고 실감 메타버스를 위한 말랑말랑한 착용형 디바이스로의 관심이 폭발적으로 커짐에 따라 에너지를 저장하는 부분도 몸의 피부나 장기와 비슷하게 말랑말랑하고 늘어나는 형태로 만들어질 필요성이 크게 높아지고 있다

  하지만 기존의 배터리는 단단한 무기물 형태의 전극 소재가 부피 대부분을 차지하고 있어 늘어나게 만드는 것이 매우 힘들고, 전하를 뽑아 전달하는 집전체와 분리막 등 다른 구성 요소들도 늘어나야 하며 액체 형태의 전해질이 새는 문제도 해결해야 하므로, 늘어나는 배터리를 구현하는 기술은 매우 어려운 것으로 알려져 있다.

  손정곤 교수 연구팀은 에너지를 저장하는 양/음극 소재와 고체 전해질이 각각 신축성을 가질 수 있도록, 결정성을 조절하여 스프링 네트워크 구조를 형성하고, 화학 반응을 통해 전극 활물질을 강하게 잡아주며, 이온 전달이 용이한 고분자를 바탕으로 유기젤 소재를 새롭게 개발하였다. 또한, 신축성과 기체차단성이 모두 훌륭한 소재를 패키징 소재와 전자를 전달하는 집전체 소재로 사용하여, 특히 집전체는 3가지 크기의 금속 입자, 탄소나노튜브 및 신축성 고분자의 나노복합 구조를 최적화하고 이를 잉크 형태로 제작하여, 전해질에 팽윤되지 않으며 고전압과 다양한 변형 상태에서도 안정한 신축성 전하집전체를 인쇄하여 도입하는 기술을 개발하였다.

  특히, 연구진이 개발한 전극은 신축성을 위해 별도의 고무와 같은 에너지 저장에 의미 없는 소재를 첨가한 것이 아닌, 기존에 사용되던 바인더 소재의 결정성 구조를 제어하고 접착력을 극대화한 소재로 신축성을 만들어 낸 것이라, 모든 소재가 에너지 저장과 전하 전달에 참여한다. 또한, 이 배터리는 기존의 리튬이온 배터리 소재를 그대로 쓸 수 있어 3.3 V 이상의 구동 전압하에서 신축성 배터리로서 최고 수준의 우수한 에너지 저장 밀도(~2.8 mWh/cm2)을 보였다. 또한 배터리를 구성하는 모든 부분이 50% 이상의 높은 신축성 및 1000번 이상의 반복적인 잡아당김에서도 성능을 유지하는 기계적 안정성을 확보하면서도, 세계 최장 수준의 공기 중에서의 장기 안정성까지 확보한 신축성 리튬 이온 배터리를 개발하였다.

  마지막으로, 연구진은 제작한 전극 소재와 집전체 소재를 스판덱스 재질의 팔토시의 양면에 직접 인쇄하고 그 위에 신축 패키징을 진행하여, 최초로 신축성 고전압 유기계 배터리를 옷 위에 직접 인쇄하고 스마트 워치의 구동을 입고 벗고 잡아당기더라도 가능함을 보여주었다. 이를 통해 높은 에너지 밀도 및 기계적 변형에 대한 신축 안정성 이외에도, 자유형상의 구조적 자유도와 기존의 리튬이온 배터리의 소재를 사용할 수 있는 재료적 자유도를 동시에 확보한 신축성 리튬 이온 배터리 기술을 개발하였다고 자평했다.

손정곤 교수는 “본 연구를 통해 개발한 자유형상의 신축성 리튬 이온 배터리는 최근 웨어러블이나 신체 부착형 소자 개발에서 신축성을 가지는 에너지 저장 시스템으로서 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

  본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)지원으로 KIST 주요사업과 K-lab 프로그램, 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구내용은 나노기술 분야 국제적 과학 전문지인 ‘ACS Nano’ (IF:15.881)에 1월 21일(금)자로 온라인 게재되었다.

* (논문명) "Intrinsically Stretchable and Printable Lithium-Ion Battery for Free-Form Configuration“

- (제1저자) 한국과학기술연구원 홍수영 박사 (Postdoc, 현, 삼성디스플레이)

• (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 책임연구원

• * 용어설명

• 1. 리튬이온전지
    리튬이온전지 (Lithium-ion battery)는 이차전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬이온전지는 에너지밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때도 자가 방전이 일어나는 정도가 작아서 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 전기자동차 및 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)뿐만 아니라 방위산업이나 우주‧항공 산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다. 하지만, 딱딱한 무기(세라믹) 소재를 기반으로 전하집전체라는 금속판 위에 코팅하는 방법으로 전극이 제작되며, 리튬이 물에 닿으면 폭발하는 특성 때문에 유기계의 전해질을 대부분 사용한다. 이러한 점 때문에 유연하거나 신축성을 부여하는 에너지 저장 시스템으로는 적합하지 않다고 알려져 있다.

  2. 고분자 바인더
    바인더는 전극 소재를 복합체 형태로 제작할 때 같이 넣어주는 고분자 소재로, 전극을 코팅하여 제작하였을 때 전극을 기계적으로 안정화하는 역할을 한다. 집전체에 슬러리를 균일하고 안정적으로 코팅되도록 하며, 충방전이 반복적으로 진행될 때 활물질의 주기적인 부피 변화에 대응하여 활물질/도전재 사이의 결합이 느슨해지는 것을 방지한다. 바인더는 용제계 바인더, 수계 바인더로 나뉜다. 양극에는 주로 용제계 바인더인 PVDF, 용매로 NMP를 사용하고, 음극에는 수계 바인더인 CMC/SBR, 용매로는 물을 사용하는 경우가 많다. 이 바인더가 전해질에 젖어 있는 상황에서 늘어나는 특성을 가지고 있으면서도 활물질과의 결합력이 아주 강하고, 이온 전달을 원활히 하는 소재라면 신축성 전극을 구현할 수 있는 이상적인 바인더가 될 수 있다.

  3. 집전체
    집전체는 전극을 제조하는데 기판으로서 중요한 구성요소이며, 활물질에서 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 또는 활물질에서 전자를 받아 외부로 흘려 보내는 통로 역할을 한다. 리튬이차전지에서는 양극에는 Al, 음극에는 Cu 호일 형태의 집전체를 사용한다. 하지만, 신축성 배터리를 구현하기 위해서는 기존의 호일 형태의 집전체를 사용할 수 없으므로, 집전체도 신축성을 가질 수 있는 형태로 제작되어야만 진정한 자유형상형 신축성 배터리를 제작할 수 있다.

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• * 그림설명
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[그림 1] 신축성 유기젤(PCOG)/활물질 양/음극, 신축성 집전체(SCC), 신축성 유기젤 분리막 및 신축성 직물에 인쇄된 완전히 신축성 있는 리튬이온배터리의 조립된 셀의 개략도. 유기젤/활물질 복합 전극은 물리적으로 가교된 결정 영역, 팽창된 비정질 연질 영역 및 활물질을 잘 잡아주는 기능화된 부분을 포함하여 안정적인 신축성과 높은 접착력, 높은 이온전도도를 제공함. 1D 탄소나노튜브와 다중 크기 금속 미세입자 나노복합 집전체는 구조적으로 늘어난 상태에서도 전자 전달 경로를 유지함.

[그림 2] (a) 제작된 신축성 배터리의 개략도. (b) 늘이기 전(검은색), 50% 늘인(빨간색), 다시 돌아온 (파란색) 상태에서의 스트레처블 배터리 충방전 곡선. (c) 0% ~ 50% 범위의 변형률에서 스트레처블 배터리 방전 용량 변화. (d) 0%에서 50% 변형률의 반복적인 스트레칭/해제에서 용량 변화. (e) 발광 다이오드 전구를 켜는 다양한 변형 상태의 신축성 배터리 사진.

[그림 3] (a) 인쇄 가능한 신축성 전극, 신축성 집전체(SCC), 신축성 패키징, 신축성 직물를 신축성 분리막으로 사용한, 신축성 직물에 인쇄된 신축성 배터리의 개략도. (b) 신축성 옷에 인쇄된 스트레처블 배터리의 주사형 전자현미경 단면 이미지. (c) 변형률에 따른 용량 변화. (d) 팔꿈치의 다양한 각도 변형에 따른 스트레치 팔토시에 인쇄된 신축성 배터리의 전압 및 전류 변화. (e) 신축성 팔토시 위에 인쇄된 신축성 리튬 이온 배터리와, 이와 연결되어 팔토시의 착용 및 스트레칭 전후에도 지속적으로 작동하는 스마트 시계의 사진 이미지.