신축성과 유연성을 더한 배터리의 진화
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신축성과 유연성을 더한 배터리의 진화
  • 전승진 기자
  • 승인 2019.09.29 07:51
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(AI타임스=전승진 기자) 최근 전자 기기들은 접거나 둥글게 말 수 있는 화면을 가진 컴퓨터와 스마트폰으로 개발되고 있다. 예를 들어, 스마트 의류 제품은 신체 기능을 모니터링하기 위해 착용 가능한 초소형 장치나 센서를 사용한다. 이 모든 장치들은 보통 리튬이온배터리로 작동한다. 일반 배터리는 무겁고 단단해서, 유연한 전자제품이나 섬유에 적용하기에 적합하지 않다.

ETH Zurich의 Markus Niederberger 교수와 그의 연구진들은 이러한 문제들을 해결책을 찾기 위해 연구하고 있다. 연구진은 전력 공급을 방해하지 않으면서 구부리고, 늘이고, 심지어 꼬일 수 있는 유연한 박막 배터리의 시제품을 개발했다. 배터리가 충전되거나 방전될 때 리튬 이온이 이동하는 전해질이 새로운 배터리의 특별한 부분이다. 이 전해질은 ETH 박사과정 학생인 쉬첸(Xi Chen)에 의해 발견되었는데, 이 연구는 최근 과학 저널인 Advanced Materials에 실렸다.

이 새로운 유형의 배터리는 샌드위치처럼 겹겹이 만들어진다. 연구자들이 전체 배터리를 구부리고 늘일 수 있도록 하기 위해 유연한 부품을 사용한 첫 번째 사례가 되었다. Niederberger는 "현재까지 리튬이온배터리를 만드는 데 있어 우리가 개발한 것처럼 유연한 부품을 적용한 사례는 없다."라고 밝혔다.

양극/음극의 두 개의 전류 수집기(Current Collectors)는 구부려질 수 있는 전기 전도성 탄소 (Electrically Conductive Carbon)를 함유하고 있는 폴리머 복합체로 구성되며 쉘(Shell) 외부로 전류를 공급한다. 그리고 복합체 표면 내부의 초 입자 분말(Microsized Silver Flake)을 초 박막 층(Layer)에 도포 시켰다. 기왓장처럼 분말들이 겹치는 방식이기 때문에 구부리거나 늘어나도 전류가 끊기지 않으며, 광범위한 스트레칭에도 전도성을 보장한다. 그리고 은 분말(Silver Flake) 간의 접촉이 떨어지는 경우에도, 전류가 다소 약해지기는 하지만 탄소 복합 함유체를 통하여 계속 흐를 수 있다.

 

©AI타임스
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마지막 단계로, 연구원들은 두 개의 전류 수집기(Currect Collectors)를 위의 이미지와 같이 비슷한 장벽층(Barrier Layer)으로 분리하고, 두 바깥 외부 층 사이의 내부는 하이드로겔 전해질(Hydrogel Electrolyte)로 채웠다.

Niederberger는 이 젤이 일반적으로 쓰이는 인화성과 독성이 있는 전해질에 비해 환경친화적이라고 전했다. 그의 박사과정 학생인 쉬첸(Xi Chen)이 개발한 젤 전해액에는 리튬 염분 농도가 높은 물이 들어 있어 배터리가 충전 또는 방전되는 동안 음극과 양극 사이의 리튬 이온의 흐름을 촉진할 뿐만 아니라 전기화학적 분해로부터 물을 보호해준다. 또한 연구원들은 프로토타입 제품의 여러 파트를 접착제로 결합시키는 부분에 중점을 두고 있다. 배터리를 상용화시키기 위해 배터리 장기간 사용 및 극한 환경에도 내부 전해질들이 완전히 밀봉될 수 있는 새로운 방법을 지속해서 찾아보고 있다고 밝혔다.

신축되고 휘어지는 배터리가 필요한 분야들이 지속해서 늘어나고 있다. 스마트폰 제조업체들은 접이식 스크린을 생산하기 위해 서로 경쟁하고 있으며, 롤링 가능한 컴퓨터용 디스플레이, 스마트워치, 태블릿, 그리고 구부려지는 전자 장치를 포함하는 기능성 직물 등이 있으며, 이 모든 것들은 유연한 전원 공급을 필요로 한다. "유연성과 신축성을 가진 배터리를 옷에 바로 꿰매서 부착해버릴 수도 있다"라고 Niederberger는 전했다.

그러나 Niederberger는 상용화를 고려하기 전에 유연한 배터리를 최적화하기 위해 더 많은 연구가 필요하다고 강조한다. 가장 필요적으로 진행되어야 할 부분이 배터리가 보유할 수 있는 전극 재질의 양을 늘려야 하는데, 초기 프로토타입 발명가인 쉬첸(Xi Chen) 이 박사 과정 후 고국인 중국으로 귀국하여 배터리 산업분야 컨설턴트로 근무하고 있는 연유로, 새로운 박사 과정 학생으로 대처하여 진행하고 있다고 전했다.

 

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