울산과기대 이상영 교수팀 성과
일련의 연구자들이 종이와 탄소 나노튜브(carbon nanotube)를 결합시켜 일반적인 배터리에 비해 보다 빠르게 에너지를 충전시킬 수 있는 플랙서블한 장치를 만드는데 성공했다(Nano Lett. 2014, DOI: 10.1021/nl5024029).
이 새로운 디자인은 미래의 접고 구부릴 수 있는 개인용 전자기기의 꿈을 실현시키는데 큰 역할을 할 수 있을 것으로 보인다. 재료과학자들은 지난 수년 동안 새로운 배터리 물질을 개발하기 위해 연구를 수행해 왔다. 예를 들어, 일련의 연구자들은 보다 많은 에너지를 저장하기 위한 나노물질로 구성된 전극을 개발하기도 했으며 다른 연구자들은 플렉서블한 배터리를 개발하기도 했다.
그러다 울산과기대(Ulsan National Institute of Science &Technology (UNIST))의 화학공학자인 이상영 교수와 동료 연구자들이 마침내 새로운 배터리 구조를 개발하는데 성공했다.
이에 대해 이 교수는 “지금까지는 많은 연구자들이 고분자 멤브레인(polymer membrane)에 의해 분리되는 두 개의 에너지 저장 전극을 기반으로 한 배터리 디자인에 큰 변화를 주지 않았다”고 말했다.
새로운 플랙서블 배터리를 만들기 위해 이 교수와 국립산림과학원(Korea Forest Research Institute)의 이선영 박사는 나무를 가지고 연구를 시작했다. 고압에서 연구자들은 나노미터의 지름과 마이크로미터의 길이를 지닌 섬유를 만들기 위해 섬유 셀룰로오스를 균질화(homogenize)했다.
그들은 이 나노 셀룰로오스를 물에 담근 다음 진공 필터를 이용해 종이로 변화시켰다. 다음으로 연구자들은 두 장의 종이를 이용해 한 쪽 면에는 물을 베이스로 하는 탄소 나노튜브를 코팅했으며 다른 쪽에는 리튬 철 인산염(lithium iron phosphate)을 코팅시켰다. 이를 통해 이 나노 셀룰로오스 층은 배터리에서의 분리된 막처럼 기능을 수행할 수 있었다.
이들이 만들어낸 배터리는 두께가 약 110 µm 정도이며 플랙서블하며 구부릴 수 있다. 또한 전류의 양에 의존해 일반적인 리튬이온 배터리에 비해 2~4배까지 빠른 충전이 가능하며 동일한 시간에 2~4배 많은 전력을 공급할 수 있다.
다른 플랙서블 배터리들이 구부려진 후 성능에 큰 저하가 생겼던 것에 비해, 연구진이 개발한 것은 이러한 현상이 발생하지 않았으며 50여 번의 충전을 반복해도 성능저하가 일어나지 않았다.
이에 대해 메릴랜드대(University of Maryland)의 셀룰로오스 전문가인 Liangbing Hu는 이번 연구 결과는 완전히 새로운 구조에서 나노물질을 결합함으로써 성능의 향상을 얻을 수 있었다고 말했다.
이 새로운 배터리는 빠른 충전이 가능한데 그 이유는 연구자들이 에너지 저장 물질들을 함께 묶어 두는데 고분자 결합제(polymer binder glue)를 이용하지 않고 나노튜브 물질을 이용했기 때문이다.
리튬이온들은 다른 접착제가 방해물로 작용하는 것과 달리 나노 기공을 통해 보다 빨리 움직일 수 있다. 탄소 나노튜브는 또한 매우 전동성이 뛰어나기 때문에 일반적인 배터리에 이용하는 부피가 큰 금속을 필요로 하지 않는다. 이처럼 나노튜브와 나노 셀룰로오스 모두 배터리의 강도와 플랙서블한 특성을 유지하는데 큰 역할을 수행하고 있다.
► 출처: KISTI 미리안 "글로벌동향브리핑"