POSTECH, 신축성·고에너지밀도 동시 구현한 리튬 전지 개발

POSTECH(포항공과대학교) 화학과·배터리공학과 박수진 교수 연구팀이 한국에너지기술연구원, 충남대 연구진과의 연구를 통해 신축성과 높은 에너지 밀도를 모두 충족하는 배터리 기술을 개발했다. 

이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘에너지 저장 재료(Energy Storage Materials)’ 온라인판에 게재됐다.

스마트워치나 건강 모니터링 센서 등 웨어러블(wearable) 기기는 이미 우리의 일상 속에서 중요한 역할을 하고 있다. 점점 기기의 성능과 편의성이 향상되면서, 다양한 기계적 변형(접기, 늘리기 등)을 견딜 수 있는 차세대 웨어러블 기기에 대한 수요가 급증하고 있다. 

하지만, 기존의 신축성 배터리는 에너지 밀도가 낮고 공정이 복잡해 실용화에 한계가 있었다. 또한, 이러한 배터리에 사용되는 리튬(Li) 금속 음극은 높은 에너지 밀도를 자랑하지만 사용 중 불안정성 문제로 실제 적용에 어려움이 있었다.

국내 공동 연구팀은 리튬 금속 배터리의 신축성(늘어나는 성질)과 높은 에너지 밀도(저장 능력)를 동시에 구현하기 위해 은 나노입자(AgNPs)를 활용해 ‘리튬 친화적이면서도 신축성이 있는 은 나노입자 매트릭스(SLiM1))‘이라는 전극 구조를 개발했다. 

이 구조는 탄력이 있는 섬유 형태로 은 나노입자들이 전극의 표면과 내부에 고르게 퍼져 있어 리튬 음극의 안정성을 높여준다.

특히, 은 나노입자들은 배터리가 늘어나거나 접히는 상황 등 전극이 변형되는 상황에서도 전기가 통하는 연결망(전도성 네트워크)가 끊어지지 않게 유지해 우수한 성능이 유지됐다. 

실험 결과, 연구진의 리튬 금속 전지는 다양한 형태로 변형되더라도 성능 저하없이 장기간 안정적인 충방전이 가능했다. 이번 연구는 웨어러블 기기 같은 차세대 전자기기에 적합한 배터리 설계의 새로운 가능성을 열었다는 점에서 큰 의미가 있다.

박수진 교수는 “다양한 형태로 변형이 가능한 리튬 금속 배터리의 가능성을 입증했으며 미래의 첨단 기술 발전에 중요한 역하을 할 것”이라는 기대를 전했다. 

이어 ”이 기술은 이차전지 상용화를 앞당기고, 신체 부착형 기기 발전에도 기여할 것“이라는 말을 덧붙였다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.