알루미늄 직물 기반 고성능 이차전지 전극개발

- 웨어러블 소자에 적용가능한 이차전지 개발기술 실마리

한국연구재단(이사장 노정혜)은 조진한 교수(고려대학교)와 이승우 교수(미국 조지아텍) 연구팀이 공동으로 쉽게 구할 수 있는 직물 소재에 금속 나노입자 코팅과 알루미늄 전기도금을 통해 고전도성 알루미늄 전극을 제조했다고 지난달 16일 밝혔다.
  리튬이온 이차전지 배터리의 음극재와 양극재는 주로 구리와 알루미늄 박막 필름 위에 코팅하지만, 최근에는 많은 기공을 가진 전도성 직물 위에 코팅하여 단위면적당 더 많은 에너지 물질을 도입, 배터리 성능을 향상시키려고 노력해왔다. 그러나 직물 내부까지 전도성 물질을 균일하게 코팅하기 어렵고 특히 알루미늄 직물은 그 기술적 어려움으로 인해 보고되지 않은 상황이다. 넓은 표면적을 갖는 금속 직물은 배터리 전극 외에 다양한 에너지 및 센서 전극으로 사용될 수 있어 중요하다.
  연구팀은 배터리 전극용 고전도성 금속직물 제조를 위해, 폴리에스터 섬유 위에 금속 나노입자를 균일하게 도포하였다. 그리고 널리 사용되는 전기도금 방식을 통해, 금속 직물을 손쉽게 구현했다. 무전해 도금 또는 탄소나노튜브 등을 이용하여 전도성 직물을 제조한 기존 방법에 비해 직물의 전기전도도 및 코팅의 균일도 및 기계적 유연성 등이 향상되었다. 더 나아가 금속 산화물 나노입자와 금속 나노입자의 교대 코팅을 통해 높은 단위면적당 에너지 밀도와 빠른 충·방전 속도를 얻었다.
  또한 배터리 양극재로 쓰이는 리튬인산철을 30nm 크기로 매우 균일하게 유기용매에 손쉽게 분산되도록 합성하였으며, 이를 통해 금속 직물 내부 깊숙이 스며들도록 유도함으로써 단위면적당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있었다. 더 나아가 전도성을 갖는 인듐주석산화물(ITO) 나노입자와 교대 적층을 통해 빠른 충방전 속도를 구현시킬 수 있었다. 
  한편 향후 실용화를 위해서는 경제적인 금속직물 제조공정과 금속 나노입자 적층시간 단축방안, 그리고 고성능 직물전극 제조방안 등에 대한 추가 연구가 필요하다는 설명이다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 응용물리 분야 국제학술지‘어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Review)에 2월 18일 게재됐다.

[ 연구의 주요 내용 ]

1. 연구의 필요성

고성능 웨어러블 전자기기들에 대한 수요가 증가함에 따라 이러한 기기들에 적용할 수 있는 웨어러블 에너지 저장 소자에 대한 기술 수요도 함께 증대되고 있다. 특히 리튬이온 배터리의 양극재에서 가장 필수적인 알루미늄 집전체는 표면적이 크면 클수록 에너지 활물질의 첨가량이 증가될 수 있는 장점이 있으나, 기술적인 문제 때문에 일반적으로 평평한 알루미늄 포일(Al foil) 위에 에너지 활물질을 두껍게 쌓는 방식을 사용해왔다.  
  이러한 문제를 해결하기 위해 표면적이 매우 넓은 텍스타일 위에 금속 나노입자를 매우 균일하게 코팅함으로써 전기도금에 필요한 최소한의 전도성을 부여한 후, 추가적인 전기도금을 통해 고전도성 알루미늄 집전체를 제조하였다. 또한 제조된 알루미늄 집전체는 높은 에너지 활물질의 저장능력 및 기계적 유연성을 동시에 확보함으로써, 고성능 웨어러블 에너지 저장소자에 충분히 적용 가능함을 규명하였다.

<그림> 직물기반 이차전지 전극의 제작방법
(위) 금 나노입자 (Au NP)를 단분자 유기물 분자 (DETA)와 교대 반복 적층시킴으로 폴리에스터 섬유위에 균일하게 코팅한다. 이를 통해 전기도금에 필요한 최소한의 전기전도성을 섬유에 부여한다. 
(가운데) 추가적인 알루미늄 (Al) 전기도금을 수행함으로써, 고전도성을 갖는 알루미늄 직물 전극 (Al-electroplated textile, Al-ET)을 제조한다.
(아래) 제조된 알루미늄 전극 (Al-ET) 위에 30 nm 크기의 리튬인산철 나노입자와 유기물 분자와 교대 반복 적층시키고, 추가적으로 인듐주석산화물 나노입자와 유기물 분자와의 추가적인 삽입을 통해 최종적인 직물 기반 배터리 양극을 완성한다.

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 4월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>