KAIST·하버드 공동 연구팀…수계 아연 이차 전지 시스템 도입

[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 신소재 공학과 김일두 교수 연구팀이 미국 하버드 공과 대학 제니퍼 루이스(Jennifer A. Lewis) 교수와 공동 연구로 배터리 디자인의 자유도를 획기적으로 높일 수 있는 기술 개발에 성공했다.

KAIST-하버드 공동 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용해 배터리의 형상을 반지 모양, 대문자 알파벳 H·U 등의 글자 모양을 포함해 원하는 구조로 자유롭게 제조하는 데 성공했다.

또 한국 화학 연구원 최영민 박사 연구팀과의 공동 연구로 소형 인체 착용형 광센서 반지에 3D 프린팅 배터리를 적용하기도 했다.

KAIST 연구팀은 자유로운 형태로 재단이 간편하고 고속 충·방전이 가능하도록 양극을 설계하기 위해서 전기 방사 기술을 이용해 탄소 섬유(Carbon fiber) 전류 집전체를 제조했다.

이후 전기 화학적 활성이 높은 폴리아닐린 전도성 고분자를 탄소 섬유 표면에 매우 균일하게 코팅해 전류 집전체 일체형 양극을 제조했다.

3D 구조를 갖는 얇은 섬유로 이루어진 폴리아닐린 기반 양극은 2분 동안 50%를 충전하는 매우 빠른 충전 속도를 보였고, 활물질의 손실 없이 쉽게 재단할 수 있다. 이를 기반으로 다양한 형태의 배터리 제작이 가능할 전망이다.

현재 사용되는 배터리 형상은 코인셀 또는 파우치셀 제작에 최적화된 원형 또는 사각형 구조로 제한돼 있다.

연구팀은 자유로운 디자인을 갖는 배터리를 만들기 위해 친환경 물 기반 아연 이차 전지(Zn-Ion battery) 시스템을 도입했다.

리튬 이온 대신 아연 이온(Zn2+)을 전하 운반체로 사용하는 이 시스템은 물을 전해질의 일부로 사용하기 때문에 높은 인화성의 유기 용매를 전해질로 사용하는 기존 리튬 이차 전지보다 안전하다.

연구팀이 도입한 수계 아연 이차 전지는 대기 중의 수분과 산소에 안정적이기 때문에 보다 간편한 대기 공정 조건에서 제조할 수 있다.

특히 3D 프린터를 이용한 플라스틱 패키징 적용에도 물은 플라스틱 패키징을 녹이지 않아 보다 간편하게 패키징이 가능하다.

KAIST 신소재 공학과 김찬훈 박사, 하버드 공과 대학 안복엽 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야의 국제 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 12월호에 게재됐다.

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