▲ 완전히 신축성 있는 자유형상형 리튬이온배터리의 전극 구조 개략도와 신축성 직물에 인쇄된 팔토시 개략도

국내 연구진이 말랑말랑하게 변형되고 늘어나는 리튬 배터리를 개발해 옷 표면에 배터리를 인쇄할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 손정곤 박사 연구팀이 양극과 음극, 집전체, 전해질, 패키징까지 모두 소재 자체가 신축성을 가지면서도 인쇄가 가능한 리튬 배터리를 개발했다고 10일 밝혔다.

기존 배터리는 단단한 무기물 형태의 전극 소재가 부피 대부분을 차지하고 있어 늘어나기 어려운데다 집전체와 분리막 등 다른 구성 요소들도 늘어나야 했고, 액체 형태의 전해질이 새는 문제도 해결해야 했다. 개발한 배터리는 고용량과 함께 자유로운 형태 변형이 가능하다.

연구진은 신축성을 부여하기 위해 고무와 같은 에너지 저장에 불필요한 소재를 첨가하지 않는 대신 기존 바인더 기반으로 말랑말랑하고 늘어날 수 있는 유기젤 소재를 새롭게 개발하여 적용했다. 이 소재는 전극 활물질을 강하게 잡아주고 이온 전달이 용이하다.

신축성과 기체 차단성이 모두 뛰어난 소재를 패키징 소재와 전자를 전달하는 집전체 소재로 사용하여 전도성 잉크 형태로 제작, 전해질을 흡수하여 부푸는 일 없이 고전압과 다양한 변형 상태에서도 안정적으로 작동하도록 했다.

개발된 배터리는 기존의 리튬이온 배터리 소재를 그대로 쓸 수 있어 3.3 V 이상의 구동 전압하에서 판매중인 단단한 리튬이온 배터리와 유사한 수준의 우수한 에너지 저장 밀도 (~2.8 mWh/cm2)을 보였다.

또 배터리를 구성하는 모든 부분이 50% 이상의 높은 신축성 및 1,000번 이상의 반복적인 잡아당김에서도 성능을 유지하는 기계적 안정성과 공기 중에서의 장기 안정성까지 확보했다.

연구진은 제작한 전극 소재와 집전체 소재를 스판덱스 재질의 팔토시의 양면에 직접 인쇄하고 그 위에 신축 패키징을 진행하여, 신축성 고전압 유기계 배터리를 옷 위에 직접 인쇄했다. 해당 배터리를 사용하여 입고 벗고 잡아당길 때에도 스마트 워치를 계속 구동할 수 있었다.

KIST 손정곤 박사는 “신축성을 가지는 에너지 저장 시스템은 웨어러블이나 신체 부착형 소자 개발에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)지원으로 KIST 주요사업과 K-lab 프로그램, 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐으며, 연구내용은 나노기술 분야 국제적 과학 전문지인 ‘ACS Nano’ 에 1월 21일 자로 온라인 게재됐다.