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포스텍 연구팀, 3차원 구조 일체형 유기배터리 전극 개발

등록 2019.12.05 11:05:43

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‘접히는 대용량 배터리’ 실현 가능성 열어
유기 배터리 유연화와 경량화 실현

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[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 화학과·첨단재료과학부 박수진(사진) 교수와 화학과 박사후연구원 류재건씨, 첨단재료과학부 통합과정 강지은씨 팀이 재료연구소(KIMS)와의 공동연구를 통해 3차원 구조의 유기 박막 전극으로 플렉서블 배터리 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.(사진=포스텍 제공) 2019.12.05.  photo@newsis.com

[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 화학과·첨단재료과학부 박수진 교수와 화학과 박사후 연구원 류재건씨, 첨단재료과학부 통합과정 강지은씨 팀이 재료연구소(KIMS)와 공동연구를 통해 3차원 구조의 유기박막 전극으로 플렉서블 배터리 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

또한 3차원 탄소 전극을 활용해 기존 구리 집전체와 비교해 배터리 무게를 10배 이상 낮추고, 흑연 대신 유기 소재를 사용해 단위 무게당 배터리 용량도 4배 이상 늘리는 결과를 도출했다.

이 연구는 학계로부터 무거운 구리 집전체를 대신할 일체형 전극을 개발함으로써 ‘접히는 대용량 배터리’의 실현 가능성을 열었다는 평가를 받고 있다.

 유기 소재의 경우 전기 전도도가 낮고, 집전체와 유기 소재를 일체화하는 방법이 없어 현재까지 유기물질을 사용하는 일체형 전극의 구현이 불가능했다.

이에 연구팀은 배터리를 무겁게 하는 요소인 집전체를 대신하고, 낮은 에너지 밀도를 가지는 흑연 음극을 대체해 전지의 무게를 획기적으로 낮출 수 있는 방안에 대해 연구했다.

연구팀은 단일벽 탄소 나노큐브를 이용해 전기 전도도가 높은 3차원 구조체를 만들었다. 여기에 수 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 두께의 이미드-기반 네트워크 유기 소재(전기화학적으로 활성을 띄는 유기 물질 중 하나로, 일반 적인 선형 구조의 고분자가 아닌 3차원으로 연결된 고분자 물질)를 코팅해 얇은 일체형 배터리 전극을 개발했다.

8nm의 얇고 조절이 가능한 두께의 유기층이 코팅된 3차원 일체형 전극은 1g당 최대 1550mAh의 가역 용량을 제공하며 800회 이상 충전이 가능했다.

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[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 화학과·첨단재료과학부 박수진 교수와 화학과 박사후연구원 류재건씨, 첨단재료과학부 통합과정 강지은씨 팀이 재료연구소(KIMS)와의 공동연구를 통해 3차원 구조의 유기 박막 전극으로 플렉서블 배터리 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.사진은 연구 관련 사진.(사진=포스텍 제공) 2019.12.05.  photo@newsis.com

해당 전극은 유기 소재가 코팅되었음에도 높은 전기 전도성을 가질 뿐 아니라, 다량의 기공들을 통한 리튬 이온을 빠른 확산을 도와 이차 전지의 성능을 크게 높일 수 있는 것으로 확인됐다.유기 소재의 코팅 두께도 손쉽게 조절할 수 있어 유기 전극의 전류 밀도를 크게 향상할 수 있는 것으로 연구됐다.

연구팀이 개발한 소재는 금속 기반의 집전체를 대신해 가볍고 유연한 이차 전지를 개발할 수 있어 차세대 웨어러블 전자기기나 플렉서블 디바이스, 통신장비, 전기차 등에 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이 연구성과는 재료 분야 국제학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 최신호에 게재됐다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구지원사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.

포스텍 박수진 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 일체형 탄소 나노튜브-유기 소재 전극을 활용하면 이차 전지의 무게를 획기적으로 낮출 수 있다”며 “기존 2차원 기반의 소자가 갖는 한계를 극복하고, 유기 배터리의 유연화와 경량화를 실현할 수 있다”고 연구의의를 설명했다.


◎공감언론 뉴시스 dr.kang@newsis.com

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