[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

최근 웨어러블(wearable) 기기의 등장과 발전으로 딱딱한 기계장치들을 연신(延伸)가능한 차세대 기기로 만들려는 다양한 연구들이 진행되고 있다. 이에 따라 연신 가능한 배터리의 발전도 진행되고 있으며, 배터리를 이루는 다양한 요소 역시 연신 가능한 물질로 대체되고 있다. 최근 연구에서는 배터리 집전체(集電體)를 연신 가능한 형태로 개발하는 연구가 중점적으로 추진돼왔다.

배터리의 주요 구성요소 중 ‘분리막(分厘膜)’은 음극(陰極)과 양극(陽極)의 접촉을 물리적으로 방지하고, 배터리 에너지의 원천인 이온의 이동통로를 제공한다. 하지만 연신 가능한 분리막 연구는 활발하지 않은 편이다. 기존에는 겔(gel) 고분자 전해질과 고무 재료를 이용해 전기방사(electrospining) 방법으로 제작한 부직포 형태의 분리막을 사용해왔다. 하지만 이런 방식은 제조 과정이 복잡하고 비싸며 외부 응력(應力)에 의해 그 구조가 쉽게 붕괴된다. 심지어는 음극과 양극이 서로 접촉해 단락(短絡)현상을 일으킬 수 있다는 단점을 지니고 있다.

2. 연구내용

본 연구진은 ‘스티렌-부타디엔-스티렌 고무(Styrene-Butadiene-Styrene rubber)’를 기반으로 ‘비용매 유도 상분리법(Nonsolvent Induced Phase Separation, NIPS)’을 이용해 고연신성 분리막을 개발했다.

비용매 유도 상분리법은 다공성 막을 제조하는 한 방법이다. 고분자와 용매가 녹아있는 용액을 비용매에 담가 고분자의 상전이를 유도하는데, 상전이 된 고분자를 건조하는 과정에서 다양한 구조의 다공성 막이 만들어진다. 이 과정은 쉽고 간단하지만, 민감한 제조 조건들과 다양한 매개변수를 요구한다는 단점이 있다. 이 때문에 균일한 기공구조와 배터리에 적합한 물리적 성질을 갖는 분리막을 만드는 조건을 찾는 게 매우 까다로웠다.

이번 연구에서는 배터리에 적합한 다공성 구조를 얻기 위해, 스티렌-부타디엔-스티렌 고무의 고분자가 가지는 고유한 특성을 바탕으로 다양한 용매와 고분자 농도를 조절했다. 이렇게 제조한 막은 서로 다른 기공 구조를 갖는데, 이 물질의 물리적 성질도 분석했다. 또 제작된 분리막을 연신 가능한 배터리에 적용하고, 액체 전해질을 사용해 ‘완전히 늘어나는 배터리’를 실현했다.

본 연구진은 ‘연신성 분리막’ 제조 과정에서 다양한 인자를 조절해 원하는 다공성 구조를 만들어냈다. 분리막의 구조는 스티렌-부타디엔-스티렌 고무와 용매의 고유한 용해도계수(溶解度係數, solubility parameter)에 의해 결정된다. 이번 연구에서는 서로 다른 용매 간의 친화도(affinity)를 조절하면서 고분자가 상전이 과정에서 발현되는 구조를 이해하고, 이를 적절한 다공성을 지닌 막으로 제조하는 데 이용했다.

제작된 분리막은 연신 특성과 기공을 조절하는 게 가능하다. 간단한 용매 및 비용매 간 친화도를 조절해 다양한 기공 크기(수백 나노미터~수 마이크론미터)를 만들 수 있으며, 고분자 농도를 조절해 다양한 연신 특성(270~470%)을 유도할 수 있다. 또한 반복적인 연신/수축 과정에서도 물리적으로 안정한 특성을 지니고 있다.

연구진은 이 분리막을 유기 전해질 기반의 리튬이온배터리에 적용했다. 이 배터리는 연신되지 않은 상태에서 안정적인 성능을 보였으며, 100% 연신된 상태에서도 안정적으로 구동했다. 이를 통해 기존 리튬이온배터리의 분리막뿐 아니라, 연신성 배터리에서도 분리막 역할을 잘 수행하는 걸 증명했다.

수계 전해질 기반의 리튬이온배터리 구조에도 이 분리막을 적용했다. 이 배터리는 분리막이 없는 구조로, 음극과 양극이 평면상에 존재하는 형태다. 이 구조에서 연신성 분리막을 음극과 양극 사이에 두어 기존보다 45% 높은 부피당 에너지를 내도록 만들었다. 제작된 연신성 배터리는 100% 연신에서도 안정적으로 전력을 공급했으며, 이는 분리막이 연신되는 과정에서 음극과 양극의 접촉을 막고, 리튬이온의 이동통로를 안정적으로 제공한다는 걸 증명한다.

3. 기대효과

본 연구팀에서 개발한 ‘늘어나는 분리막’은 간단한 상전이 방법으로 연신성 고분자를 다공성 막으로 제조할 수 있는 가능성을 제시했다. 이는 향후 다양한 연신성 고분자를 이용한 다공성 막 설계를 위한 근본적인 연구가 될 것으로 예상된다.

또 다양한 연신성 다공성 막은 배터리 분야뿐만 아니라 다양한 웨어러블 기기 분야에도 적용 가능한 소재로 자리 잡을 것으로 사료된다.

[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. 스티렌-부타디엔-스티렌 고무(styrene-butadiene-styrene rubber)

스티렌과 부타디엔의 공중합체로서 신발 밑창이나 타이어 등 내구성이 요구되는 분야에 사용되는 고무다.

3. 용해도계수(溶解度係數, solubility parameter)

열역학적 계산을 통해 구해지는 고분자 및 용매의 응집 에너지. 용해도 계수가 가까운 물질끼리는 용해하기 쉬우므로 고분자를 녹일 때 용매 선택의 예측이 가능하다.

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 비용 등의 장점을 가지고 있음.

6. 비용매 유도 상분리법(Nonsolvent induced phase separation, NIPS)

고분자를 균일하게 용매에 용해시킨 후 이를 일정하게 성형 후 비용매에 넣는다. 이 때 용매와 비용매 확산에 의해 고분자 용액의 조성이 변하고, 고분자의 침전이 일어나면서 용매가 차지하는 부분을 기공으로 만드는 방법이다.

[붙임] 그림 설명