▲ Supplementary cover(출처=KAIST)  © 특허뉴스

KAIST는 기계공학과 김성수 교수 연구팀이 에너지 저장과 하중 지지 기능을 동시에 수행할 수 있는 고밀도 다기능 탄소섬유 복합재료 구조 배터리를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 구조배터리 기술의 고질적인 문제였던 기계적 성능과 전기화학적 성능 간의 상충 문제를 해결하며, 친환경 모빌리티와 항공우주 산업의 핵심 기술로 주목받고 있다.

구조배터리는 전통적인 리튬이온전지와 달리, 배터리 자체가 차량·항공기 등 기기의 구조적 요소로 기능한다. 이는 높은 에너지 밀도를 기반으로 에너지 저장 기능을 제공하면서 동시에 하중을 지지해야 하는 첨단 기술이다. 그러나 기존 기술은 기계적 강도와 에너지 저장 효율 간의 균형을 이루기 어려워 상용화에 한계가 있었다.

김성수 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 고체 폴리머 전해질과 탄소섬유 복합재료를 최적화한 구조배터리를 개발했다. 연구팀은 특히 에폭시 수지와 이온성 액체 기반 전해질의 경화 메커니즘을 분석, 이를 기반으로 적절한 온도와 압력 조건을 제어하여 복합재료의 물성과 성능을 극대화했다.

또한, 진공 상태에서 복합재료를 압축 성형함으로써 탄소섬유의 부피 비율을 기존 대비 약 160% 이상 증가시켰다. 이로 인해 배터리 전극과 전해질의 접촉 면적이 획기적으로 개선되었고, 내부 기포를 제어하여 기계적 강도도 대폭 향상시켰다.

이번 연구로 개발된 구조배터리는 초박형이면서도 높은 강성을 지닌 점이 특징이다. 이를 자동차, 드론, 항공기 및 로봇 등 다양한 산업군의 구조체 내부에 삽입할 경우, 기존보다 훨씬 긴 작동 시간을 제공할 수 있다. 이는 차세대 다기능 에너지 저장 어플리케이션의 기반 기술로 자리잡을 전망이다.

연구 책임자인 김성수 교수는 “이번 연구는 구조적 관점에서 배터리 소재를 설계하는 새로운 프레임워크를 제시했다”며, “친환경 에너지 기반 모빌리티와 항공우주 분야에서의 혁신적 기술 발전에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 KAIST 기계공학과 석사과정 모하마드 라자(Mohamad Raja)가 제1 저자로 참여했으며, 국제 저명 학술지 ACS Applied Materials & Interfaces에 2024년 9월 10일 자로 게재됐다. 또한, 해당 연구는 저널의 보조 표지 논문(Supplementary Cover)으로 선정되며 연구의 우수성을 인정받았다.

KAIST의 혁신적인 연구는 차세대 에너지 저장 기술의 지평을 넓히며, 미래형 친환경 산업의 새로운 가능성을 열어가고 있다.

논문명은 Thin, Uniform, and Highly Packed Multifunctional Structural Carbon Fiber Composite Battery Lamina Informed by Solid Polymer Electrolyte Cure Kinetics 이다.