기존 금속-공기전지보다 2배 이상 출력, 다양한 형상 구현 가능 

[인더스트리뉴스 박관희 기자] 4차 산업혁명시대 진입과 더불어 빠르게 성장하고 있는 웨어러블 전자제품에 결합될 전지기술에 대한 관심이 모아지고 있다. 이러한 웨어러블 전지에 요구되는 특성은 기본적으로 상당히 높은 수준의 에너지밀도와 출력특성을 가지고 있어야한다. 또한 의복 기능과 동일하게 신축성, 유연성도 높아야하고 심지어는 세탁까지도 가능한 특성을 지니면서도, 발화 가능성이 없어야하는 조건이 필요하다. 최근 국내연구진이 섬유실 내부에 액상의 전극물질을 주입해 기존 섬유제품과 동일한 기계적 특성을 지니고 있으면서도 전기에너지의 저장 특성을 지니고 있는 새로운 개념의 전지기술을 발표해 주목받고 있다. 

한국과학기술연구원(이하 KIST) 에너지저장연구단 이중기, 유계성 박사 연구팀이 세계 최초로 상온에서 액체 상태로 존재하는 갈륨(Ga), 인듐(In) 공융화합물을 사용해 기존의 이차전지를 대체할 금속, 공기전지의 새로운 음극재 개발에 성공했다. 유계성 박사는 해외우수신진연구자 사업으로 유치돼 2015년부터 KIST 이중기 박사 연구진에 합류했다.

기존의 유연특성을 지닌 대부분의 금속공기전극은 얇은 와이어, 시트 형태이거나 스프링모양의 구조를 갖거나, 신축성이 있는 기재 사이에 단위 전지셀을 배치한 형태이다. 또한 기재표면에 전극층을 코팅하여 여러 개의 기재들을 옷감의 직물구조처럼 엮거나 꼬아서 유연성과 신축성을 확보할 수 있도록 고안하였으나 일반적으로 사용되는 섬유만큼의 유연성과 신축성을 확보하기에는 재료의 한계를 가지고 있었다.  
 

KIST 이중기 박사팀은 웨어러블용 전기저장장치로 기존의 알루미늄, 아연에 기반한 공기전지에 비해 에너지밀도가 높고, 수축복원력과 구부림 특성에서 기존 고체재료와 차원이 다르면서도 안전한 공융액체 금속공기전지 기술을 개발했다.  

연구를 통해 개발된 갈륨, 인듐 공융액체금속공기전지는 섬유실 형태의 몸체 내부에 전극물질의 단순주입만으로 100%이상의 신축성(stretching)과 1mm 이하의 반경 구부림이 가능한 유연한(Flexible) 특성을 지닌 전지 구성이 가능하고 전극활물질의 몸체 자체가 부드럽고 형상을 자유롭게 할 수 있는 우수한 특성을 유지했다. 이는 고용량 및 고출력이 동시에 가능하면서도 섬유제품과 같이 유연하고 수축성이 있는 소재로 전지에 적용된다.    

연구진은 고안정성 및 장수명의 전극특성을 확보하여 고효율 성능 발현 및 공간설계가 자유로운 형상변형 전지제조가 가능하고, 추가적으로 공정이 복잡한 나노공정기술에 비해 단순한 혼합공정으로 복합금속 전극제조가 가능하여 저렴한 비용으로 고신축성 및 가변성이 있는 전극제조 공정 확보가 가능하다고 밝혔다. 향후 대량생산 공정에 용이한 단순공정을 통하여 양산성도 용이하여 상용화에 근접한 기술로 평가하고 있다.

KIST 이중기 박사는 “이번 연구를 통해 개발한 전지기술로 4차 산업용 웨어러블용 에너지저장시스템에 새로운 해법을 제시할 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 

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