3D 자유형상 구현 가능… 유연 배터리 한계 넘다

국내 연구진이 두꺼우면서도 잘 휘어지는 전극을 개발해 3D 자유형상 배터리 제작이 가능해졌다. 이를 통해 복잡한 제품 형태에 적합한 차세대 유연 배터리 상용화 가능성이 높아졌다.

한국연구재단, 새로운 유연 전극 개발 성과 발표
한국연구재단(이사장 이광복)은 한국기계연구원 현승민 박사와 소혜미 박사 연구팀이 스테인리스 스틸 섬유를 3D 집전체로 활용해 이차전지의 두꺼운 유연 전극을 개발했다고 밝혔다. 이 전극은 기존 유연 배터리보다 높은 에너지 밀도를 달성했다.

유연 배터리의 한계를 넘는 기술적 돌파구
유연 배터리는 성능 저하 없이 구부리거나 늘릴 수 있는 에너지 저장 장치다. 웨어러블 장치와 스마트 기기의 시장 확대에 따라 그 수요가 급증하고 있지만, 기존 기술은 높은 에너지 밀도와 기계적 유연성을 동시에 구현하는 데 한계를 겪고 있었다. 특히 두꺼운 전극을 사용할 경우, 전자와 이온의 이동이 어려워지며 성능 저하 및 유연성 문제가 발생했다.

스테인리스 스틸 섬유로 성능·내구성 강화
연구팀은 이를 해결하기 위해 배터리 전극에 가벼운 섬유형 집전체와 다공성 전극 구조를 결합해 고성능 유연 배터리를 개발했다. 열유도 상분리 공정을 통해 형성된 다공성 이중 연속 구조는 두꺼우면서도 매우 유연한 전극을 구현했다. 또한, 스테인리스 스틸 섬유 보강을 통해 계면 접착력, 굽힘 내구성, 전기 전도성을 강화했다.

이 전극은 3mm 최소 굽힘 반경에서도 성능 저하 없이 작동하며, 약 500 Wh/ℓ의 에너지 밀도를 기록해 기존 유연 배터리보다 우수한 성능을 보였다. 또한, 섬유 집전체가 네트워크 형태를 이뤄 자유로운 곡면에도 적용 가능해, 기존 전극 구조로는 제조가 어려운 3D 자유형상 배터리 제작이 가능하다.


차세대 유연 배터리의 상용화 기대
소혜미 박사와 현승민 박사는 "높은 에너지 밀도와 유연성을 동시에 실현함으로써 차세대 유연 배터리 상용화 가능성을 높였다"고 밝혔다. 특히 "3D 자유형상 배터리 제작 능력은 산업계에서 복잡한 제품 형태에 맞춘 배터리 개발에 기여할 것"이라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 Advanced Fiber Materials에 9월 2일 게재됐다.