기존 플랙서블 전지와 비교하여 10분 이내에 고속충전이 가능하면서도 전지 두께도 1mm 이내로 얇게 만들 수 있는 플랙서블 이차전지 원천기술을 국내 연구진이 개발하였다.
이번 성과로 인해, 향후 얇고 가벼우면서도 충전이 빠른 고성능 플렉서블 이차전지의 상용화 시기를 크게 앞당길 것으로 보인다.
울산과학기술대학교(UNIST)의 에너지 및 화학공학부 조재필 교수팀의 이번 연구는 미래창조과학부 신기술융합형성장동력사업의 지원을 받아 수행하였으며, 해당 연구결과는 나노 레터스(Nano Letters) 7월호에 게재됐다.
* 논문명 : Flexible High-Energy Li-ion Batteries with Fast-Charging Capability
최근, 플렉서블 디스플레이, 스마트 시계, 웨어러블 PC와 같은 신개념 플랙서블 전자 기기에 대한 관심과 수요가 크게 급증하고 있지만, 이러한 전자기기에 적용할 플렉서블 전지의 개발 수준은 뒤쳐져 있는 실정이다.
플렉서블 전지가 상용화 되기 위해서는 기존 전지 수준의 성능을 내야 하며, 동시에 자유롭게 구부러지고 펴지는 유연성도 함께 보장되어야 한다. 즉, 수백번의 구부림 테스트(휨강도 테스트)*를 반복하면서도 현재 사용되는 전지가 요구하는 특성을 만족하여야 한다.
* 구부림 테스트 : 구부림과 펼침의 반복을 통해 대상 장치에 가해지는 응력 및 피로의 결과를 측정하는 시험
조재필 교수팀은 리튬 이차전지의 핵심 요소인 전극 소재와 집전체에 나노 기술을 적용하여 각각의 성능을 최적화함으로써 이와 같은 플렉서블 전지의 기술적 요구사항을 해결하였다.
우선, 양극소재로 현재 쓰이고 있는 리튬코발트산화물 대신 니켈산화물계를 사용하여 충전용량을 20% 향상하고, 바나듐이 함유된 복합 산화물 층을 양극소재 표면에 입혀 양극표면의 전자전도도를 2배 이상, 소재내부에서의 리튬이온의 이동도를 3배 이상 개선하였다.
음극소재의 경우, 대부분 천연 흑연을 사용하지만 높은 에너지 밀도를 구현하기는 불가능하다. 이런 문제점을 해결하기 위해 전자전도도가 13배 이상 높은 팽창흑연 표면에 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 10나노미터(nm) 이하의 비정질(amorphous) 실리콘 나노입자들을 균일 코팅한 결과 기존 흑연 대비 용량이 약 60% 향상되어 고에너지 및 고속 충전이 가능하게 되었다.
* 에너지밀도: 단위 부피당 저장된 에너지로 에너지 밀도가 클수록 충전용량이 큼
오랜 시간 전지를 사용해도 집전체가 단락되지 않도록 하기 위해 집전체 표면을 나노구조 벌집 모양의 형태로 식각한 결과, 접착력이 약 1.7배 향상되었다
* 식각 : 화학적인 방법을 이용하여 평평한 금속표면을 특정한 형태로 파내는 공정
이와 같이 성능이 향상된 양극, 음극 소재 및 집전체를 이용해 두께 1mm이하의 최적화된 전지를 구성한 결과, 기존 플랙서블 전지가 1시간 걸리는 것에 비해 10분 만에 100% 충전이 가능함을 확인하였다. 또한, 구부림 테스트에서 200 사이클이 진행되는 동안에도 안정적인 수명 특성이 유지됨을 확인하였다.
조재필 교수는 “본 연구에서 개발된 플렉서블 이차전지는 고속 충전이 가능하고, 극심한 구부림 테스트에서도 우수한 충？방전 특성을 구현하였기 때문에 향후 플렉서블 디바이스 시대를 앞당기는데 크게 기여할 것’이라고 연구 의의를 밝혔다.
# 본 보도자료는 미래창조과학부에서 주관해 배포하였음을 알려드립니다
