EEWS 대학원 최장욱 교수팀이 얇고 잘 휘어지는 리튬 이온 전지를 만들 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구는 지난 3월 6일 나노 과학 분야 학술지 <나노 레터스(Nano Letters)>에 게재되었다.

플렉서블 전지에 부적합한 기존 전지
리튬 이온 전지는 방전 시 리튬 이온이 (-)극에서 (+)극으로 이동해 전류가 흐르는 전지로, 저장할 수 있는 에너지가 커 항공 산업, 전기 자동차 등 다양한 분야에서 전원으로 활용한다. 이번에 최 교수팀이 연구한 것은 스마트카드, 모바일 전자 기기, 의료용 패치 등에 사용하기 위한 소형 리튬 이온 전지를 개발하는 방법이다.
기존의 리튬 이온 전지는 (+)극과 (-)극을 쌓아 만들었다. 즉, (+)극과 (-)극이 붙지 않도록 분리막을 사이에 두고 마주 보는 형태로 전지를 제작했다. 이 방법으로 전지를 만들면 전지를 병렬로 연결하기 쉬워 전류를 오래 공급해야 하는 기기에 활용할 수 있다. 하지만 이 방법은 (+)극 또는 (-)극의 두께보다 두 배 이상 두꺼운 전지밖에 만들지 못했으며, 제작한 전지를 구부리면 각 극에 충격이 그대로 전해지므로 플렉서블 기기*를 만드는 데에는 적합하지 않았다.

전극을 번갈아 놓으면 닿을 수 있어
최 교수팀은 (+)극과 (-)극을 여러 조각으로 나누어 두 극을 번갈아 놓은 형태의 전지를 만들려 했다. 그렇게 하면 (+)극과 (-)극이 한 평면에 놓여 있는 전지를 제작할 수 있다. 또한, 전지를 구부려도 각 극 사이에 공간이 있어 충격을 완화할 수 있다. 하지만 이러한 형태의 전지는 구현하기 힘들었다. 그 이유에는 크게 두 가지가 있다.
첫 번째 이유는 전지를 구부리면 (+)극과 (-)극이 닿을 수 있다는 점이다. (+)극과 (-)극이 맞닿으면 전압이 유지되지 않아, 되도록 두 극이 닿지 않게 해야 한다. 기존 전지의 (+)극과 (-)극 사이에 분리막을 설치하는 이유도 이 때문이다. 하지만 두 극을 번갈아 놓은 형태의 전지는 구조상 구부렸을 때 두 극이 접촉할 확률이 높다.
두 번째 이유는 전지에 덴드라이트(Dendrite)**가 생길 수 있다는 점이다. 리튬 이온은 양이온이므로 리튬 이온 전지를 충전할 때는 (+)극에서 (-)극으로 이동해 환원된 후 (-)극에 붙는다. 이때 (-)극의 표면은 튀어나온 부분이 있으며, 이 부분은 다른 곳보다 전자가 많이 존재한다. 따라서 리튬 이온은 주로 이 부분에서 전자와 반응하며, 이 때문에 리튬 이온은 (-)극 표면의 특정 장소에 계속해 쌓여 뾰족한 침처럼 자란다. 이렇게 만들어진 침 형태의 구조를 덴드라이트라고 부른다. 덴드라이트는 (+)극과 (-)극을 연결할 수 있어 전지의 기능에 악영향을 끼친다.

외장재로 만든 부도체 벽
최 교수팀은 (+)극과 (-)극을 번갈아 놓은 뒤 두 극 사이마다 부도체 벽을 만들어 문제를 해결했다. 전지는 수분에 취약하므로 반드시 다른 물질로 감싸 보호해야 한다. 이 물질을 외장재라고 부른다. 최 교수팀은 외장재로 벽을 만들었다. 외장재의 일부분이 진공 상태에서 특정한 모양의 틀로 처리하면 해당 부분이 볼록하게 솟는데, 이를 이용해 두 극을 분리하는 벽을 만든 것이다. 이렇게 하면 (+)극과 (-)극은 만날 수 없어 문제를 해결할 수 있다. 또한, 외장재는 전지를 만들 때 필수적인 요소이므로, 격벽을 만들기 위해 다른 물질을 추가할 필요가 없어 두께에도 변화가 없다.

최 교수팀의 연구는 앞으로 크기가 작고 유연한 전원을 생산할 수 있다는 점에서 의의를 가진다. 최 교수는 “이번 연구는 우리가 원하는 모양으로 형태를 자유롭게 바꿀 수 있는 전지를 만들 방법을 제시했으며, 앞으로 제작 공정을 개선해 대량 생산하는 것을 목표로 하고 있다”라며 계획을 밝혔다.

플렉서블 기기*
잘 휘어지는 소재를 이용해 제작해 형태를 자유롭게 바꿀 수 있는 기기. 기존 전지는 잘 휘어지지 않아 플렉서블 기기에 적합하지 않았다

덴드라이트(Dendrite)**
(+)극과 (-)극 사이에 생기는 뾰족한 침 모양의 구조물. 덴드라이트는 두 극을 연결할 수 있어 전지에 악영향을 미친다