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종이 기반 휘어지고 늘어나는 알루미늄 전지 개발
폭발 위험 없는 알루미늄 전지의 웨어러블 전자기기 적용 기대
특허뉴스 이민우기자 기사입력  2017/09/05 [17:40]


한국연구재단은 “심우영 교수, 문주호 교수(연세대) 연구팀이 종이를 기반으로 폭발 위험성이 없고 신축성이 뛰어난 알루미늄-공기 전지*를 개발했다”고 밝혔다.
* 알루미늄-공기 전지(aluminum-air battery) : 알루미늄을 공기 중 산소와 결합시켜 전기를 발생시키는 배터리
 
최근 웨어러블 디바이스*와 같이 유연성이 필요한 IT전자기기들이 늘어남에 따라 플렉서블 배터리*에 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.
* 웨어러블 디바이스(wearable devices) : 옷이나 시계처럼 몸에 착용할 수 있는 형태의 전자장치
* 플렉서블 배터리(flexible battery) : 구부리거나 접는 등 모양을 변형할 수 있는 배터리
 
이에 연구팀은 종이에 탄소 복합체 용액을 코팅하여 접을 수 있는 양극을 제작했다. 음극에는 리튬 대비 40배 가량 저렴하고 폭발 위험이 없는 알루미늄을 적용해 안전성을 극대화한 알루미늄-공기 전지를 개발하였다.

완성된 배터리는 0.6볼트(V)의 전압과 그램(g)당 128밀리암페어아워(mAh)의 용량을 보여주었다. 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 힌지*로 배터리 여러 개를 직렬/병렬로 연결함으로써 전지의 출력을 추가적으로 향상시켰다. 이 때, 원래 길이에서 40%나 늘어나는 변형 상태에서도 전지의 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다.
* 힌지(hinge) : 두 물체를 연결하는 지지점으로, 이동은 불가능하지만 회전은 가능
 
심우영 교수는 “이 연구는 접을 수 있는 전극을 개발하여 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 연구의 의의를 설명했다.
 
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업과 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)의 9월호 표지논문으로 게재되었다.
 
논문명, 저자정보 
- 논문명 : Shape-Reconfigurable Aluminum-Air Batteries
- 저자 정보 : 심우영 교수 (공동 교신저자, 연세대학교), 문주호 교수 (공동 교신저자, 연세대학교), 최상진 통합과정 (공동 제 1저자, 연세대학교), 이대희 박사 (공동 제 1저자, 연세대학교), 김광묵 통합과정, 이윤연 박사, 김보경 석사과정
 
논문의 주요 내용 
1. 연구의 필요성
최근 배터리 시장은 기존의 딱딱한 형태의 배터리에서 유연성을 지닌 배터리 위주로 재편되고 있다. 연구동향 또한 정형화된 배터리가 아닌 고체 전해질, 구불구불한 전극 구조, 케이블 모양 배터리 등 다양한 형태의 유연성 배터리로 이동해가는 추세이다.

하지만 휘어짐, 늘어남, 접힘 등 여러 가지 변형을 동시에 견딜 수 있는 배터리는 보고된 바가 거의 없으며, 유연성 전자기기의 가파른 성장세를 볼 때 여러 변형 상태에서도 안정한(multistable) 배터리에 대한 연구는 필수적이라고 할 수 있다.
 
2. 연구내용
연구팀은 카본블랙-폴리머 복합체 용액을 종이에 코팅하여 접힘 가능한 전극(양극)을 제작했다. 바인더* 역할을 하는 폴리머로 인해 카본블랙* 입자가 종이의 셀룰로오스*와 강하게 결합하여 변형 시에도 거의 떨어져나가지 않음을 확인하였다.
* 바인더 : 전극을 구성하는 물질 중 하나로, 입자 사이의 결합력을 강화시킴.
* 카본블랙 : 흑색의 미세한 탄소분말로, 배터리에서는 주로 전기전도도를 띠게 하는 용도로 사용됨.
* 셀룰로오스 : 종이 등 식물 섬유를 구성하는 물질로, 서로 그물처럼 얽혀있는 구조임.

전해질을 적신 분리막을 사이에 두고 앞서 제작한 양극과 알루미늄 호일(음극)을 겹쳐놓으면 알루미늄공기전지가 완성된다. 완성된 배터리 셀은 0.6 V의 방전 전압*과 128 mAh/g의 비용량*을 나타냈으며, 휘거나 접었을 시에도 성능 저하가 없음을 확인하였다.
* 방전 전압 : 전지에 전류가 흐르고 있을 때 양극과 음극 간의 평균적인 전압 차이
* 비용량 : 단위 무게 혹은 단위 부피당 전지의 용량

추가적인 성능 향상을 위해 배터리 팩킹* 실험을 진행했다. 셀의 유연성을 활용하여 작은 면적 내에 팩킹 구조를 구현하고, 출력 전류·전압의 향상을 측정하였다. 제작된 배터리로 LED를 켜고 휘어진 상태에서도 밝기의 변화가 없음을 확인하였다.
* 배터리 팩킹 : 배터리 여러 개를 직렬·병렬로 연결하는 기술로, 출력이나 용량을 증가시킬 수 있음

배터리가 신축성을 가지도록 하기 위해 각각의 셀을 전도성 힌지(hinge)*로 직·병렬 연결하되, 한 축 방향으로 늘어날 수 있는 구조가 되도록 연결하였다.

늘어난 상태, 적층된 상태, 구겨진 상태에서 모두 안정적으로 LED를 켜는 것을 확인하였다. 또한, 직·병렬연결된 배터리를 패턴 형태로 잘라 3차원적으로 늘어난 상태에서도 출력을 유지함을 보였다.
* 힌지 : 두 물체를 연결하는 지지점의 일종으로, 이동은 불가능하지만 회전은 가능
 
3. 연구 성과
접힘 가능한 전극과 구조적 설계를 통해 여러 가지 변형을 가한 뒤에도 성능 저하가 없는 형상 재구성 가능한(shape-reconfigurable) 배터리를 발표하였다.

리튬 전지 위주로 편성된 배터리 분야에서 알루미늄 전지는 기존 리튬이 가지고 있던 높은 가격, 희소성, 위험성 등의 단점을 극복할 수 있는 가능성을 제시한다.

알루미늄 전지에 대한 연구가 아직 미흡한 상황에서 이번 연구는 포스트 리튬 전지로서 알루미늄 전지가 부상할 수 있는 초석이 될 것으로 기대된다.

뛰어난 변형성을 가지고 있기 때문에 유연성 전자기기에 무궁무진한 적용성을 보일 수 있으며, 팩킹이 용이하므로 고출력, 고에너지가 필요한 용도에도 사용될 수 있다.
      
용어설명
1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) : 재료 분야 최상위 학술지중 하나로 2001년부터 온라인 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 2017년 현재 영향지수 (impact factor) 12.12를 보유함.
2. 알루미늄-공기 전지(aluminum-air battery) : 알루미늄을 공기 중 산소와 결합시켜 전기를 발생시키는 배터리
3. 웨어러블 디바이스(wearable devices) : 옷이나 시계처럼 몸에 착용할 수 있는 형태의 전자장치
4. 플렉서블 배터리(flexible battery) : 구부리거나 접는 등 모양을 변형할 수 있는 배터리
5. 힌지(hinge) : 두 물체를 연결하는 지지점으로, 이동은 불가능하지만 회전은 가능
6. 바인더 : 전극을 구성하는 물질 중 하나로, 입자 사이의 결합력을 강화시킴.
7. 카본블랙 : 흑색의 미세한 탄소분말로, 배터리에서는 주로 전기전도도를 띠게 하는 용도로 사용됨.
8. 셀룰로오스 : 종이 등 식물 섬유를 구성하는 물질로, 서로 그물처럼 얽혀있는 구조
9. 방전 전압 : 전지에 전류가 흐르고 있을 때 양극과 음극 간의 평균적인 전압 차이
10. 비용량 : 단위 무게 혹은 단위 부피당 전지의 용량
11. 배터리 팩킹 : 배터리 여러 개를 직렬·병렬로 연결하는 기술로, 출력이나 용량을 증가시킬 수 있음.
12. 집전체 : 전지에서 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 전달하는 통로 역할을 하는데, 주로 전극 용액이 도포되는 구리·알루미늄 호일이 집전체로 사용
13. 활물질 : 전지에서 전기화학반응에 참여하는 물질
14. 글로브박스 : 물과 산소가 거의 없는 상태로 유지되는 실험 장비로, 리튬의 산화를 막기 위해 사용
15. 코인셀 : 동전 모양으로 제작된 배터리
16. 파우치셀 : 파우치 형태로 제작된 배터리
17. 스트레인 : 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 변형된 길이의 비율
     
     
▲ 형상 재구성 가능한(shape-reconfigurable) 알루미늄공기전지  © 특허뉴스
 
그림설명 : 형상 재구성 가능한(shape-reconfigurable) 알루미늄공기전지
이번 연구의 배터리는 양극에 카본블랙-폴리머 복합체, 음극에 알루미늄을 사용한 알루미늄공기전지의 일종이다. 양극 복합체와 종이 기판 사이의 강한 결합력으로 셀 자체가 뛰어난 변형성을 가지고 있으며, 각 셀을 늘일 수 있는(expandable) 구조로 직·병렬 연결해 출력 향상과 동시에 신축성까지 지닌 배터리를 구현했다.

기사입력: 2017/09/05 [17:40]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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