불을 붙여도 터지지 않고 정상 작동하는 플렉시블 전고체 리튬이온전지의 모습.(사진 = UNIST 제공)
불 속에서 폭발하지 않고 반복적으로 구부리거나 잘라내도 성능을 그대로 유지하는 리튬이온배터리가 개발됐다.
UNIST(울산과학기술원, 총장 정무영) 에너지 및 화학공학부 이상영 교수팀은 안전성과 유연성을 갖춘 새로운 개념의 '플렉시블(flexible) 전고체 리튬이온전지'를 개발했다고 20일 밝혔다.
이는 전지 재료를 잉크 형태로 만든 뒤, 프린팅(printing) 기술을 활용해 제작한 거다.
특히 전기자동차나 사물 디자인에 맞춘 배터리를 쉽게 제작할 수 있다고 UNIST 연구팀은 설명했다.
이 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.
이 교수님은 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 고전압.
플렉시블 전고체 리튬이온배터리를 개발한 이상영 교수(오른쪽)와 김세희 연구원(왼쪽). (사진 = UNIST 제공)
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 작동하는 모습을 보였다.
이밖에도 100회 이상 반복적으로 굽히는 이후에도 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"고 말했다.
또 "이 기술은 고전압 전지 개발에도 이용될 수 있기 때문에 소형 전자기기는 물론 전기자동차의 전원으로도 널리 활용할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 '중견연구자(도약)지원사업'과 웨어러블 플랫폼소재 선도연구센터의 지원으로 진행됐다.
연구성과는 '에너지 및 환경과학(Energy&Environmental Science, EES) 저널' 2월호 표지논문으로 출판됐다.