▲ 형상 재구성 가능한(shape-reconfigurable) 알루미늄공기전지.

국내 연구진이 카본블랙을 코팅한 종이와 알루미늄 호일 이용해 안전성을 극대화한 알루미늄-공기 전지를 개발했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 심우영 교수, 문주호 교수(연세대) 연구팀이 카본블랙-폴리머 복합체 용액을 코팅한 종이를 기반으로 폭발 위험성이 없고 신축성이 뛰어난 알루미늄-공기 전지를 개발했다고 지난 5일 밝혔다.

최근 웨어러블 디바이스와 같이 유연성이 필요한 IT 전자기기들이 늘어남에 따라 플렉서블 배터리에 대한 수요 또한 급증하고 있다.

그러나 휘어짐, 늘어남, 접힘 등 여러 가지 변형을 동시에 견딜 수 있는 배터리는 거의 없으며, 기존 플렉서블 배터리 또한 심한 변형 시 성능 저하 및 폭발 위험 문제를 안고 있다.

이에 연구팀은 종이에 카본블랙-폴리머 탄소복합체 용액을 코팅해 접힘이 가능한 양극을 제작했다.

입자사이의 결합력을 강화시키는 역할을 하는 바인더 역할을 하는 폴리머로 인해 카본블랙 입자가 종이의 셀룰로오스와 강하게 결합해 변형 시에도 거의 떨어져나가지 않음을 확인했다.

음극에는 리튬 대비 40배 가량 저렴하고 폭발 위험이 없는 알루미늄을 적용했다.

전해질을 적신 분리막을 사이에 두고 제작한 양극과 알루미늄 호일(음극)을 겹쳐놓으면 알루미늄공기전지가 완성된다. 완성된 배터리 셀은 0.6 V의 방전 전압과 128 mAh/g의 비용량을 나타냈다.

특히 전극, 전해질, 분리막, 기판 등 전지의 모든 구성요소가 뛰어난 유연성을 지니고 있어 휘어짐, 늘어남, 접힘, 구겨짐 등 각종 변형을 동시에 가해도 성능 저하가 거의 없다.

연구팀은 전기전도성이 높은 힌지로 배터리 여러 개를 직렬/병렬로 연결함으로써 전지의 출력을 추가적으로 향상시켰다. 이 때, 원래 길이에서 40%나 늘어나는 변형 상태에서도 전지의 성능을 유지할 수 있음을 확인했다.

알루미늄 전지는 기존 리튬이 가지고 있던 높은 가격, 희소성, 위험성 등의 단점을 극복할 수 있다. 지금까지 알루미늄 전지에 대한 연구가 아직 미흡한 상황에서 이번 연구는 포스트 리튬 전지로서 알루미늄 전지가 부상할 수 있는 초석이 될 것으로 기대되고 있다.

심우영 교수는 “이 연구는 접을 수 있는 전극을 개발해 기존보다 훨씬 큰 변형을 견딜 수 있는 형상 재구성 가능(shape-reconfigurable) 배터리를 개발한 것”이라며 “웨어러블 디바이스 등 유연성이 필요한 각종 전자기기에 적용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업과 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)의 9월호 표지논문으로 게재됐다.