3D 프린터 이용하여 다양한 형태로 전지 제작 가능한 기술 개발
상태바
3D 프린터 이용하여 다양한 형태로 전지 제작 가능한 기술 개발
  • 정지호 기자
  • 승인 2019.02.13 01:00
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

아연 이온 전지 구조로 전지 제작 안정도와 자유도 개선하고, 3차원 구조 갖는 탄소 섬유로 양극 제작하여 고속 충•방전 가능해

 신소재공학과 김일두 교수와 하버드 대학 공과대학 생명공학과 제니퍼 A. 루이스(Jennifer A. Lewis) 교수 공동연구팀이 디자인 자유도가 높은 배터리를 만들 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구 결과는 지난해 12월 26일 <에이씨에스 나노(ACS Nano)>에 게재됐다.


기존 전지 제작 방법, 최적화 요구돼

 현재 시판되는 이차 전지는 원통형과 사각형으로 구조가 단순하다. 따라서 전지로 움직이는 기계 장치는 대부분 전지의 크기와 형상을 고려하여 기계 장치에 들어가는 소자의 구조가 바뀌게 된다. 최근 소형 기계 장치가 개발되고 있는 추세이며 소자의 크기도 기계 장치의 크기에 맞춰 작아지고 있다. 소자의 크기가 작아질수록 전지를 넣을 수 있는 공간 또한 크게 줄어들어 소자의 모양에 최적화될 수 있는 전지 제작 방법을 개발해야 한다.


공간적 한계 있는 기존 전지 제작 기술

 전지의 형상을 다양화하기에 가장 이상적인 공정은 3D 프린팅이다. 루이스 교수 연구팀은 3D 프린팅을 이용한 리튬 이온 전지 연구 결과를 발표한 바가 있다. 그러나 리튬 이차 전지에 사용되는 리튬과 유기전해질은 일반 대기 환경에서 불안정하다. 그래서 3D 프린터를 아르곤 가스가 채워진 글로브 박스*(Glove Box) 안에 설치한 뒤 전지를 제작해야 한다는 공간적인 한계가 있다.


 

▲ 폴리아닐린으로 코팅한 양극으로 제작한 전지(a)폴리아닐린은 양성자산과 반응하여 전도성을 갖는다. (b)폴리아닐린으로 코팅한 탄 소섬유. (c)연구팀이 개발한 기술로 제작한 다양한 모양의 전지. (ⓒ김일두 교수 제공)

 

아연 전지 구조로 공정 제약 벗어나

 공동연구팀은 위의 문제를 해결하기 위해 전지 제작 시 리튬 이온 전지 구조를 대신해 아연 이온 전지 구조를 도입했다. 아연 이온 전지는 유기전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 다르게 수용성 전해질을 사용하므로 안정하다. 리튬 이온 전지는 전해질과 리튬 금속이 대기에 노출되면 전지가 열화될 가능성이 있어 위험하지만, 아연 이온 전지는 수분이나 대기 중의 공기와 닿아도 안정해 일반 대기 환경에서 3D 프린팅 공정을 진행할 수 있다. 또한, 3D 프린팅으로 전지 제작 시 글로브 박스 안에서 공정을 진행하지 않더라도 3D 프린팅으로 원하는 형상의 아연 이온 전지를 제조할 수 있다.


탄소섬유 기반으로 변형 쉬워진 양극

 아연 이온 전지의 양극은 폴리아닐린**(Polyaniline)으로 코팅된 탄소 섬유 전류 집전체를 사용했다. 이렇게 만들어진 전극은 3차원 구조로 넓은 표면적을 가져 고속 충·방전이 가능하다. 또한, 탄소 섬유를 기반으로 제작해 전극의 모양을 변형하기 쉽다.


안전성 증가했지만 전지 전압 낮아져

 아연 이온 전지에 사용되는 수용성 전해질은 유기용매보다 전도도가 높고 인화성이 매우 낮아 출력이 강하고 안전한 전지를 만들 수 있다. 또한, 아연 이온 전지 구조를 이용하면 리튬 이온 전지 구조로 전지를 제작하였을 때보다 생산 단가가 크게 감소한다. 하지만 아연 이온 전지와 리튬 이온 전지는 전압이 각각 2V와 4V로, 이번 연구에서 개발한 전지는 기존 3D 프린팅 방식으로 제작한 전지보다 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다. 따라서 아연 이온 전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 새로운 소재 개발이 필요하다.


 김 교수는 “향후 대용량 에너지 저장 용도뿐만 아니라 자동차나 비행기, 소형 로봇의 에너지 저장 장치로 최적의 형상을 갖는 안전한 아연 이온 전지를 사용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.


글로브 박스*

오염을 방지하거나 위험 물질 등을 다루기 위한 밀폐 투명 용기.

폴리아닐린**

반 유연 막대 중합체로 탄소 섬유에 코팅되어 양극활물질 역할을 한다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
0 / 400
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.
주요기사
이슈포토