성균관대 안성필 교수팀, 성능 2배 향상한 유연한 리튬이온 배터리 개발

성균관대학교는 성균나노과학기술원(SAINT) 안성필 교수 연구팀이 고에너지 밀도(208Wh/㎏)와 고출력 밀도(1048W/㎏)를 가진 유연한 리튬이온 배터리를 개발했다고 11일 발표했다.

이번 연구는 3차원 금속 구조를 사용해 기존 배터리 성능을 크게 향상했다.

기존 리튬이온 배터리는 외부 충격이나 변형에 취약해 폭발 위험이 따랐다. 또한 전통적인 배터리 제조 방식(슬롯 다이 공정)은 평평한 전극 구조에 전극 소재를 코팅하는 방식으로, 유연성이 떨어지고 배터리 성능이 제한되는 문제가 있었다. 특히 전극이 두껍게 코팅되면서 전기화학적 성능이 떨어질 수 있고, 물리적 변형 시 배터리 성능이 떨어지거나 단락(쇼트)이 발생할 위험이 있었다.

안 교수 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 전기방사와 전기도금 기술을 활용해 3차원 퍼콜레이티브 금속 마이크로 웹 기반의 초경량 배터리 전극을 개발했다. 또한 새로운 코팅 방식인 정전기 스프레이 기술을 도입해 3차원 구조에서도 전극이 잘 코팅되도록 했다.

이렇게 만들어진 3차원 전극은 기존 2차원 전극보다 무게가 4배 이상 가볍고, 반복적인 변형에도 전기적 특성이 거의 변하지 않는 높은 내구성을 보였다. 3차원 구조 덕분에 전극과 전해질의 접촉 면적이 크게 증가해 리튬이온의 이동성과 전자 이동 속도가 각각 6배, 4배 이상 향상했다.

이번 연구로 개발된 배터리는 기존 상용 배터리보다 2배 이상 뛰어난 성능을 자랑한다. 향상된 안전성은 물론 굽히거나 잘라도 안정적인 성능을 유지해 웨어러블 전자기기와 같은 차세대 기기에 적합한 에너지 솔루션으로 주목받고 있다.

안 교수는 "이번 연구 성과는 차세대 유연한 전자기기에 필수적인 배터리 기술을 크게 발전시킨 것"이라며 "기존 배터리 기술의 한계를 극복하는 중요한 계기가 될 것"이라고 말했다.

연구 논문(Percolative Metal Microweb-Based Flexible Lithium-Ion Battery with Fast Charging and High Energy Density)은 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈에 실렸다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 연구 지원을 받아 수행됐다.