불 붙여도 끄떡없는 플렉시블 리튬이온배터리!

불 속에서도 폭발하지 않고 정상적으로 작동하는 배터리가 개발됐다. 반복적으로 구부리거나, 심지어 가위로 잘라도 끄떡없이 성능을 유지한다. 프린팅 공정으로 쉽고 빠르게 만들며, 고전압전지로도 구현할 수 있어 전기자동차나 사물인터넷(IoT) 등으로 주목받고 있다.

이상영 에너지 및 화학공학부 교수팀은 불 속에서도 터지지 않는 ‘안전성’과 마음대로 휘어지는 ‘유연성’을 동시에 확보한 신개념 ‘플렉시블(flexible) 전고체 리튬이온전지’를 개발했다. 전지 재료를 잉크 형태로 만들어 프린팅(printing)하는 기술을 도입해 원하는 사물 디자인에 맞춘 배터리를 쉽게 제작할 수 있다.

바이폴라 구조의 전고체 리튬이온전지 제조과정

리튬이온전지는 크게 음극, 전해질, 양극으로 나뉜다. 현재 액체 전해질을 이용하는 리튬이온전지가 널리 쓰이는데 폭발에 취약하다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 전해질까지 모두 고체를 사용하는 ‘전고체전지’ 연구가 활발하다. 기존 연구에서는 주로 무기전해질(고체)을 이용하는 방법이 제시됐는데, 이 경우 유연성이 떨어지는 등의 한계가 있었다.

이상영 교수팀은 전고체전지의 전해질로 유연성이 우수하면서 불에 잘 붙지 않는 고체 상태의 ‘유기전해질’을 도입했다. 전해질의 상태를 액체에서 고체로 바꾸면서 안전성을 확보하고, 무기전해질 대신 유기전해질을 쓰면서 유연성까지 얻은 것이다.

연구진은 또 전지의 음극, 전해질, 양극 재료의 유변학((rheology) 성질을 조절해 잉크 형태로 만들었다. 이 재료들을 단계적으로 프린팅하는 공정을 수행함으로써, 고온·고압 공정을 거치치 않고도 단위 전지가 직렬로 연결된 바이폴라(bipolar) 구조의 리튬이온전지를 구현했다. 이 전지의 충전전압은 7.2V의 고전압을 나타냈다.

프린팅 공정 덕분에 장난감 자동차의 지붕 같은 곡면에도 전고체전지를 쉽게 제조할 수 있었다. 연구진은 장난감 자동차 위에 LED 램프를 켜고 전지에 불을 붙이는 화재 모사 실험도 진행했다. 그 결과 이번에 개발한 전고체전지는 불이 붙지 않으며, 이와 동시에 LED 램프가 계속 켜짐으로써 전지가 정상적으로 작동되는 모습을 보였다. 반면 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온전지는 불을 붙이는 순간 발화됐다.

또한, 전지의 일부를 가위로 잘라낸 뒤에도 LED 램프가 켜진 상태를 유지해 우수한 안전성을 보였다. 이러한 안전성 향상 외에, 개발된 전지는 100회 이상 반복적으로 굽히는 시 후에도 정상적으로 작동해, 유연성 측면에서도 우수한 향상을 보였다.

이상영 교수는 “현재 이차전지 분야에서 가장 큰 관심사 중 하나가 폭발에서 안전한 전고체전지 개발인데, 이번 연구로 기존과는 다른 새로운 개념을 제시했다”며 “가위로 자르는 것은 물론 불 속에서도 정상적으로 작동하는 높은 수준의 안전성을 구현함과 동시에 우수한 유연성을 확보한 점이 주목할 부분”이라고 강조했다.

그는 이어 “전지 제조 측면에서도 프린팅 공정을 이용하므로 쉽게 전지를 만들 수 있다”며 “이 기술은 고전압 전지 개발에도 이용될 수 있기 때문에, 소형 전자기기는 물론 전기자동차의 전원으로도 널리 활용할 수 있을 것”이라고 전망했다.

장난감 자동차 위에 프린팅 공정으로 배터리를 제작한 모습.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 ‘중견연구자(도약)지원사업’ 및 웨어러블 플랫폼소재 선도연구센터의 지원으로 진행됐다. 연구성과는 ‘에너지 및 환경과학(Energy&Environmental Science, EES) 저널 2월호 표지논문으로 출판됐다. EES는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에 의해 발행되는 세계적인 권위지이다.