스마트워치 등에 들어가는 휘어지고 가벼운 배터리를 대용량으로 만들 수 있는 기술이 새로 개발됐다.

박수진<사진> 포스텍 화학과·첨단재료과학부 교수팀은 최근 재료연구소(KIMS)와의 공동연구를 통해 3차원 구조의 유기 박막 전극으로 플렉서블 배터리 개발에 성공, 무거운 구리 집전체를 대신할 일체형 전극을 개발함으로써 ‘접히는 대용량 배터리’의 실현 가능성을 열었다.

유기소재의 경우 전기 전도도가 낮고 집전체와 유기 소재를 일체화 하는 방법이 없어 지금까지 유기물질을 사용하는 일체형 전극의 구현이 불가능했다.

연구팀은 배터리를 무겁게 하는 요소인 집전체를 대신하고 낮은 에너지 밀도를 가지는 흑연 음극을 대체해 전지의 무게를 획기적으로 낮출 수 있는 방안에 대해 고민했다.

연구팀은 단일벽 탄소 나노큐브를 이용해 전도도가 높은 3차원 구조체를 만들었다.

여기에 수 나노미터(㎜, 10억분의 1미터) 두께의 이미드-기반 네트워크 유기 소재를 코팅해 얇은 일체형 배터리 전극을 개발했다.

8㎜의 얇고 조절이 가능한 두께의 유기층이 코팅된 3차원 일체형 전극은 최대 1550 mAh/g의 가역 용량을 제공하며 800회 이상 충전이 가능했다.

해당 전극은 유기 소재가 코팅됐음에도 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 대신해 가볍고 유연한 이차 전지를 개발할 수 있어 차세대 웨어러블 전자기기, 플렉서블 디바이스, 통신장비 및 전기차 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구지원사업과 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행됐으며 연구성과는 재료분야 국제학술지인 ‘ACS 나노’ 최신호에 게재됐다.