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.

한국연구재단은 4일없고 신축성이 뛰어난 알루미늄-공기 전지(알루미늄을 공기 중 산소와 결합시켜 전기를 발생시킴)를 개발했다고 밝혔다.

다양한 방법을 통해 뛰어난 변형성을 가지는 배터리를 구현하기 위한 연구들이 진행되어왔지만, 대부분은 한정된 수준의 변형만이 가능하며 그 이상의 변형이 가해질 시 성능 저하를 보였다.

최근 웨어러블 디바이스와 같이 유연성이 필요한 IT전자기기들이 늘어남에 따라 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.

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.

다양한 방법을 통해 뛰어난 변형성을 가지는 배터리를 구현하기 위한 연구들이 진행되어왔지만, 대부분은 한정된 수준의 변형만이 가능하며 그 이상의 변형이 가해질 시 성능 저하를 보였다.

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 개발했다.

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.

▲ 문주호 교수

연구팀은 전기전도성이 높은 힌지(hinge : 두 물체를 연결하는 지지점으로, 이동은 불가능하지만 회전은 가능

)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.

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 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업과 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)의 9월호 표지논문으로 게재되었다. (논문명 : Shape-Reconfigurable Aluminum–Air Batteries)