Press release

2018. 01. 04. (목)부터 보도해 주시기 바랍니다.

‘브라질포도’ 닮은 ‘늘어나는 배터리’ 재료!

UNIST 박수진 교수팀, '웨어러블 배터리'용 전극 소재 개발
잘 늘어나고 안전해… '어드밴스드 에너지 머티리얼스' 게재

“줄기에서 열매가 자라는 열대 과일, ‘자보티카바(Jabuticaba)’에서 늘어나는 배터리 재료의 실마리를 얻었습니다. 이 재료로 만든 배터리는 잘 늘어나고 안전해서 ‘웨어러블(wearable) 기기’에 활용하기 안성맞춤입니다.”

UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부 박수진·서관용·김소연 교수팀은 늘어나는 배터리에 쓰일 새로운 고분자 복합체를 개발했다. 이 물질을 배터리 전극의 집전체(集電體)로 쓰고, 물 기반의 전해질을 적용해 잘 늘어나고 안전한 리튬이온 배터리도 만들었다. 물 기반의 전해질로 늘어나는 배터리를 만든 건 이번이 처음이다.

늘어나는 배터리(신축 비교)

몸에 착용하는 웨어러블 기기에는 유연하고 신축성 있는 배터리가 필요하다. 이런 배터리가 제대로 작동하려면 전극에서 전자를 모아 양극재와 음극재로 전달하는 집전체의 역할이 중요하다. 기존 웨어러블 배터리용 집전체는 잘 늘어나는 고분자에 전기 전도성이 높은 물질을 섞는 방식으로 만들었다. 그러나 이런 물질을 잡아당기면 전도성 물질 간의 연결이 끊어져 전기 전도성이 낮아지는 문제가 있다.

박수진 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 브라질포도라 불리는 ‘자보티카바의 구조를 모사한 고분자 복합체(이하 자보티카바 고분자 복합체)’를 만들었다. 이 물질은 원기둥 모양의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)’와 열매 모양의 카본블랙(Carbon Black)’을 고분자와 함께 섞어 만든다. 완성된 모습은 탄소나노튜브(줄기)에 카본블랙(열매)이 달라붙은 형태로 자보티카바와 비슷하다.

자보티카바 고분자 복합체를 잡아당기면 열매처럼 생긴 카본블랙이 탄소나노튜브의 연결이 끊어진 부분을 연결한다. 그 덕분에 전기 전도성이 유지돼 웨어러블 기기에 적합한 배터리를 만들 수 있다.

이번 연구에서 집전체 제작을 담당한 서관용 교수는 “향후 최적화된 전기화학적·기계적 특성을 지닌 신축성 집전체 설계를 위한 근본적인 연구가 될 것”이라며 “배터리 집전체뿐 아니라 센서 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것”라고 기대했다.

연구진은 자보티카바 고분자 복합체를 집전체로 쓰면서 물 기반 전해질(수계 전해질)로 리튬이온 배터리를 만들었다. 이 전해질은 흔히 쓰이는 유기물 기반 전해질(유기계 전해질)보다 안전성이 높아 배터리를 길게 늘여도 폭발 위험이 적다.

이번 연구의 제1저자인 송우진 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 “수계 전해질로 늘어나는 배터리를 만든 건 이번이 처음”이라며 “전해질의 안전성이 높고, 자보티카바 고분자 복합체로 만든 집전체 덕분에 늘어나도 전기 전도성이 유지돼 웨어러블 배터리로서 가능성이 높다”고 설명했다.

이번 연구는 특히 엑스선 소각 산란(small angle X-ray scattering, SAXS)’ 실험으로 자보티카바 고분자 복합체의 나노구조를 실시간으로 관찰해 주목 받았다. 엑스선 소각 산란 실험은 김소연 교수가 주도했다. 김 교수는 “자보티카바 고분자 복합체가 늘어나고 줄어드는 과정에서 전도성 물질들의 거동 메커니즘을 파악한 덕분에 웨어러블 배터리로서 가능성을 증명할 수 있었다”고 강조했다.

연구 전반을 주도한 박수진 교수는 “이번 연구는 기존 유연/신축성 이차 전지의 큰 흐름을 바꾼 것” 이라며 “수계 전해질 기반으로 고신축성·고안정성·고출력 특성을 갖는 이차전지 개발의 가능성을 보인 만큼 향후 웨어러블 에너지 저장장치의 핵심 기술로 자리 잡을 것” 이라고 전망했다.

이번 연구는 에너지 분야의 권위 있는 저널 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials) 12일자 온라인판에 발표됐다. 연구 지원은 한국연구재단의 기초연구사업, 과학기술정보통신부의 글로벌프런티어사업(나노기반소프트일렉트로닉스연구단)을 통해 이뤄졌다. (끝)

  • 논문명: Jabuticaba-inspired Hybrid Carbon Filler/Polymer Electrode for Use in Highly Stretchable Aqueous Li-ion Batteries
자료문의

홍보팀: 장준용 팀장, 박태진 담당 (052)217-1232

에너지 및 화학공학부: 박수진 교수 (052)217-2515

  • [연구진 사진] 왼쪽 뒷줄부터 시계방향으로 서관용 교수 김소연 교수 박수진 교수 송우진 연구원 김동협 연구원 박정환 연구원
  • [연구진 사진] 왼쪽 앞줄부터 시계방향으로 박정환 연구원 박수진 교수 서관용 교수 김동협 연구원 김소연 교수 송우진 연구원
  • 연구그림1_자보티카바 모사한 집전체와 수계전해질로 만든 늘어나는 배터리
  • 연구그림2_자보티카바 모사한 배터리 재료와 성능
  • 늘어나는 배터리(신축 비교)
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[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

최근 스마트폰과 노트북 PC로 대표되는 모바일 기기 시장이 폭발적으로 성장하면서 ‘웨어러블(wearable) 모바일 기기’ 기술도 빠르게 발전하고 있다. 웨어러블 스마트 전자기기에 전력을 원활하게 공급하려면 연신(延伸) 가능한, 다시 말해 늘어나는 이차전지가 필요하다. 이런 이차전지가 성공적으로 구동하려면 핵심 구성요소인 집전체(集電體)가 늘어나고(연신) 줄어드는(수축) 과정에서 전기적 특성을 유지해야 한다. 또 반복적인 연신/수축 과정에서 이차전지의 안전성이 확보돼야 한다.

기존 연신성 집전체 연구는 주름 탄성체에 활물질(活物質)을 코팅하는 방법, 즉 시스템 측면을 중심으로 진행돼 왔다. 이런 방식은 공정 과정이 복잡하고, 고신축성 집전체를 제작하는 데도 한계가 있었다. 또 유기계 전해질 기반 리튬 이차전지의 경우에는 폭발 위험이 있는 등 안정성 문제도 존재한다.

최근에는 저가(低價)의 공정 방법으로 양산이 가능한 ‘연신성 고분자/전도성 나노물질 복합체’ 기반의 연신성 집전체 제작 기술이 개발되고 있다. 하지만 고분자 복합체의 경우도 연신 과정에서 전기 전도도가 급격하게 상승해 고신축성 집전체를 구현하기는 어려웠다.

2. 연구내용

본 연구진은 서로 다른 차원(dimension)의 전도성 물질을 이용해 고신축성 고분자 복합재료 기반 집전체를 제작했다. 이 물질을 실시간으로 ‘엑스선 소각 산란(in situ small angle X-ray scattering, SAXS)’ 실험으로 분석해 연신 과정에서 고분자 행렬(matrix) 안의 전도성 물질의 거동을 이해했다. 또 제작된 집전체를 이용해 세계 최초로 우수한 안정성을 가진 수계 전해질 기반 연신성 이차전지를 개발했다.

본 연구진이 개발한 ‘자보티카바(Jabuticaba) 자연모사 연신성 집전체’는 반복적인 연신/수축 과정에서 물리적으로 안정적이다. 또 연신 과정에서도 우수한 전기 전도도 유지율(R/Ro=1.4, R=200% 연신에서의 저항, Ro=0% 연신에서의 저항)을 보였다. 이 소재를 이용해 만든 수계 전해질 기반 리튬 이차전지는 출력 특성과 안정성이 우수했다.

연신성 전지의 집전체 개발은 보통 탄성 주름체 위에 금속이나 탄소(carbon)을 올리는 방식으로 제작된다. 이 방식은 연신성의 한계가 명확하며 공정이 복잡해 산업화가 하기 어려운 단점이 있다. 이 문제점을 해결하기 위해 대면적화가 가능한 용액 공정 기반 고분자 복합재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 작은 연신에서도 전기 저항이 급격하게 상승해 연신성 전지의 집전체로는 적용하기 어렵다.

이번 연구에서는 자보티카바라는 열대지방의 열매를 모사해 집전체를 만들었다. 하이브리드 전도성 탄소 필러(0차원 카본블랙과 1차원 카본나노튜브)와 연신성 고분자(poly-dimethylsiloxane, PDMS)를 용액 공정으로 합성해 ‘고분자 복합재료 기반 연신성 집전체’를 만든 것이다. 집전체를 건조시키는 과정에서 자연모사 응축현상(Breath figure)을 이용해 집전체 표면적을 500% 증가시켜 담을 수 있는 전극 활물질의 양을 증가시켰다. 결과적으로 이차전지의 에너지 밀도를 높이게 된 것이다.

제작된 집전체는 2배 정도 늘어나는 상황에서도 초기에 비해 전기저항의 변화율이 40%로, 전기 전도도를 유지하는 능력이 우수했다. 이런 현상의 원리를 규명하기 위해 본 연구진은 실시간 엑스선 소각 산란(in situ SAXS) 실험을 진행했다. 그 결과 연신 과정에서 고분자 행렬 안의 하이브리드 카본 필러들이 전기적 네트워크를 형성하고 유지하는 과정을 실시간으로 증명했다.

연신성 이차전지는 앞서 제작한 집전체 위에 전극 활물질을 스프레이 공정으로 분사해 제작한 연신성 전극으로 제작한다. 전해질은 ‘수계 전해질’을 이용한다. 이 전해질은 유기계 전해질에 비해 안정성이 우수하며 이온 전도도가 높아 출력 특성이 높다. 연신성 전극과 수계 전해질을 조합한 연신성 이차전지 개발한 사례는 이번 연구가 세계 최초다. ‘연신 가능 수계 전해질 기반 리튬이온 이차전지는’ 100% 연신에서 초기 용량 대비 80%를 구현했으며, 100% 연신에서도 안정적으로 전력을 공급하는 것으로 확인됐다.

2. 연구내용

본 연구진은 서로 다른 차원(dimension)의 전도성 물질을 이용해 고신축성 고분자 복합재료 기반 집전체를 제작했다. 이 물질을 실시간으로 ‘엑스선 소각 산란(in situ small angle X-ray scattering, SAXS)’ 실험으로 분석해 연신 과정에서 고분자 행렬(matrix) 안의 전도성 물질의 거동을 이해했다. 또 제작된 집전체를 이용해 세계 최초로 우수한 안정성을 가진 수계 전해질 기반 연신성 이차전지를 개발했다.

본 연구진이 개발한 ‘자보티카바(Jabuticaba) 자연모사 연신성 집전체’는 반복적인 연신/수축 과정에서 물리적으로 안정적이다. 또 연신 과정에서도 우수한 전기 전도도 유지율(R/Ro=1.4, R=200% 연신에서의 저항, Ro=0% 연신에서의 저항)을 보였다. 이 소재를 이용해 만든 수계 전해질 기반 리튬 이차전지는 출력 특성과 안정성이 우수했다.

연신성 전지의 집전체 개발은 보통 탄성 주름체 위에 금속이나 탄소(carbon)을 올리는 방식으로 제작된다. 이 방식은 연신성의 한계가 명확하며 공정이 복잡해 산업화가 하기 어려운 단점이 있다. 이 문제점을 해결하기 위해 대면적화가 가능한 용액 공정 기반 고분자 복합재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 작은 연신에서도 전기 저항이 급격하게 상승해 연신성 전지의 집전체로는 적용하기 어렵다.

이번 연구에서는 자보티카바라는 열대지방의 열매를 모사해 집전체를 만들었다. 하이브리드 전도성 탄소 필러(0차원 카본블랙과 1차원 카본나노튜브)와 연신성 고분자(poly-dimethylsiloxane, PDMS)를 용액 공정으로 합성해 ‘고분자 복합재료 기반 연신성 집전체’를 만든 것이다. 집전체를 건조시키는 과정에서 자연모사 응축현상(Breath figure)을 이용해 집전체 표면적을 500% 증가시켜 담을 수 있는 전극 활물질의 양을 증가시켰다. 결과적으로 이차전지의 에너지 밀도를 높이게 된 것이다.

제작된 집전체는 2배 정도 늘어나는 상황에서도 초기에 비해 전기저항의 변화율이 40%로, 전기 전도도를 유지하는 능력이 우수했다. 이런 현상의 원리를 규명하기 위해 본 연구진은 실시간 엑스선 소각 산란(in situ SAXS) 실험을 진행했다. 그 결과 연신 과정에서 고분자 행렬 안의 하이브리드 카본 필러들이 전기적 네트워크를 형성하고 유지하는 과정을 실시간으로 증명했다.

연신성 이차전지는 앞서 제작한 집전체 위에 전극 활물질을 스프레이 공정으로 분사해 제작한 연신성 전극으로 제작한다. 전해질은 ‘수계 전해질’을 이용한다. 이 전해질은 유기계 전해질에 비해 안정성이 우수하며 이온 전도도가 높아 출력 특성이 높다. 연신성 전극과 수계 전해질을 조합한 연신성 이차전지 개발한 사례는 이번 연구가 세계 최초다. ‘연신 가능 수계 전해질 기반 리튬이온 이차전지는’ 100% 연신에서 초기 용량 대비 80%를 구현했으며, 100% 연신에서도 안정적으로 전력을 공급하는 것으로 확인됐다.

3. 기대효과

본 연구팀에서 개발한 ‘자보티카바 구조 모방의 탄소 물질/고분자 복합체 기반 고신축성 집전체’는 연신/수축 시 탄소 물질들 사이에서 물리적인 거동을 본질적으로 분석했다. 이는 향후 최적화된 전기화학적·기계적 특성을 지닌 신축성 집전체 설계를 위한 근본적인 연구가 될 것으로 예상된다.

또 이 집전체를 수계 전해질 기반 이차전지에 적용함으로써 고신축성·고안정성·고출력 특성을 갖는 이차전지 개발이 가능하다. 이는 웨어러블 에너지 저장장치 시장에 핵심적인 기술로 자리 잡을 것으로 사료된다.

 

[붙임] 그림 설명

그림1. 자보티카바(Jabuticaba) 모사 고분자 복합체 제조와 연신성 수계 리튬이온전지: (위) 대규모 생산 가능한 간단한 용액공정을 통한 자보티카바(Jabuticaba) 모사 하이브리드 고분자 복합체 제조 과정. (아래) 자보티카바(Jabuticaba) 모사 하이브리드 고분자 복합체를 연신성 수계 리튬이온전지로 응용할 경우 성능을 보여주는 그래프.

그림2. 자보티카바(Jabuticaba) 복합체 전극의 변형에 대한 저항 변화율과 메커니즘: (왼쪽) 자보티카바(Jabuticaba) 모사 하이브리드 고분자 복합체 전극의 사진과 변형에 대한 저항변화율. (오른쪽) 실시간 엑스선 소각 산란(in-situ Small Angle X-ray Scattering) 분석을 통해 밝혀낸 메커니즘.

그림3. 자보티카바(Jabuticaba) 복합체 전극과 기존 신축성 전극 시스템 성능 비교: 자보티카바(Jabuticaba) 모사 하이브리드 고분자 복합체 전극은 기존에 발표된 연구와 비교해 가장 적은 변형 대비 저항변화율을 보임으로써 실제 산업에서의 응용 가능성을 실험적으로 입증했다.

 

[붙임] 용어설명

1. 어드밴스트 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)

전지, 슈퍼커패시터, 연료전지, 수소 기술, 열전기, 광촉매, 태양광 발전 기술, 자기 냉각 및 압전 재료를 포함한 에너지 관련 연구를 다루는 최고 수준의 과학 저널 (2017년 기준 Impact Factor: 16.721)

2. 자보티카바(Jabuticaba)

브라질 남동부 열대우림에서 자라는 열매. 대체로 브라질 포도라고 불린다. 나무 줄기에 열매가 맺어 있는 구조를 지닌다.

3. 집전체(集電體)

외부 도선에서 제공되는 전자를 전극 활물질로 공급하기 위한 중간 매개체. 전자를 모으는 물질로 생각하면 된다.

4. 활물질(活物質)

전지의 전극 반응에 직접적으로 관여하는 물질. 이차전지에서 크게 양극활물질과 음극활물질로 나뉜다.

5. 수계 전해질

이차전지의 전해질 일종으로 물을 이용한 전해질. 기존의 유기용매 기반의 전해질에 비해 높은 이온전도도와 안정성, 저렴한 비용등의 장점을 가지고 있음.

6. 응축현상(Breath Figure)

다습한 조건 하에서 고분자 용액을 노출시킴으로써 용액 위에 응축된 수 μm 크기의 액체방울 자국을 다공성 구조의 기공으로 활용한 방법이자 자발적 정렬 매커니즘을 이용하여 대면적에서 결함 없이 다공성 고분자 필름을 만드는 기술

7. 엑스선 소각 산란(Small Angle X-ray Scattering, SAXS)

고휘도의 X선(X-ray)을 시료에 투과해 일어나는 산란을 이용해 수 나노미터(㎚)의 고분자 구조나 나노 입자 분석하는 방법