200번 늘였다가 줄여도 끄떡 않는 배터리 개발

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 화학과 박수진 교수가 송우진 충남대학교 유기재료공학과 교수, 박사과정 이상엽씨 연구팀, 송현곤 UNIS 교수, 황치현 박사 연구팀과 공동연구를 통해 하나의 전극에 양극과 음극이 동시에 존재하는 ‘야누스 페이스 전극(Janus-faced electrode)’을 이용해 늘여도 성능이 유지되는 배터리를 제작하는 데 성공했다고 지난달 10일 밝혔다.
다양한 신체 움직임 아래에서도 화재나 폭발의 위험이 없고, 착용감이 뛰어난 웨어러블 전자기기를 구현하기 위해 변형된 형태에서 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 배터리를 개발하는 것은 연구자들의 오랜 도전 과제이다.
수계 전해질을 기반으로 한 아연-은 전지(zinc-silver battery)는 우수한 출력과 에너지 밀도, 안전성을 보여 웨어러블 기기의 전원 소자로 사용되기에 적합한 것으로 알려져 있다. 그러나 아연-은 배터리를 웨어러블 기기에 적용하기 위해서는 우수한 신축성과 전지의 안정적인 수명을 동시에 보장할 수 있는 새로운 전극의 도입이 필요한 상황이다.
이에 연구팀은 마치 두 개의 얼굴을 가진 로마신화의 신 ‘야누스’처럼 양극과 음극이 한 전극에 구성된 ‘야누스 페이스 전극’을 사용하여 연신성(延伸性, 늘어나는 성질) 아연-은 이차 전지를 개발했다.
야누스 페이스 전극은 우수한 물성(200% 연신 조건에서 200번의 반복적인 연신, 수축 과정) 및 연신 상황에서도 뛰어난 전기 전도도(100% 연신 조건에서 2.1 Ω)를 보였다. 또한, 야누스 페이스 전극의 독특한 구조적 특성으로 인해 아연의 수지상 성장 및 내부 단락을 예방할 수 있었으며, 그 결과 야누스 페이스 전극을 기반으로 제작한 연신성 이차 전지는 우수한 수명 특성(200번의 충·방전 사이클 후 초기 용량의 90% 유지)을 보였다. 더욱이, 이번 연구를 통해 개발한 연신성 전지는 200%의 연신 조건 아래에서도 신축성 전원 소자로서의 역할을 안정적으로 수행했다.
그간 다양한 접근으로 늘어나는 배터리를 연구해온 박수진 교수는 “이번에 개발된 연신성 아연-은 배터리는 높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능을 보인다”며 “배터리 분야뿐만 아니라 다양한 웨어러블(wearable) 기기에 적용된다면 ‘입는 컴퓨터 시대’가 올 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 소개됐다.