July 23,2019

반지 모양 배터리 개발…KAIST·하버드 연구팀 합작

3D 프린팅 기반…아연 기반 친환경 이차전지 구현

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한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 미국 하버드 공대 제니퍼 루이스 교수와 공동 연구를 통해 배터리 디자인 자유도를 획기적으로 높일 기술을 구현했다고 19일 밝혔다.

현재 사용되는 배터리 모양은 대부분 원형이거나 사각형이다.

‘코인 셀’ 또는 ‘파우치 셀’로 불리는 제작 방식에 최적화하다 보니 형태가 제한적이다.

자유로운 형상의 3D 프린팅 배터리 ⓒ KAIST 제공

자유로운 형상의 3D 프린팅 배터리 ⓒ KAIST 제공

KAIST·하버드 공동 연구팀은 자유로운 디자인을 갖는 배터리를 만들기 위해 친환경 물 기반 ‘아연 이차전지’ 시스템을 도입했다.

리튬이온 대신 아연이온을 전하 운반체로 사용하는 게 특징이다.

물을 전해질의 일부로 쓰기 때문에 높은 인화성의 유기용매를 전해질로 사용하는 기존 리튬 이차전지보다 안전하다.

KAIST 연구팀은 자유로운 형태로 재단할 수 있고 고속 충·방전이 가능한 양극 설계를 위해서 전기방사 기술을 이용해 탄소섬유 전류 집전체를 제조했다.

전기화학적 활성이 높은 폴리아닐린 전도성 고분자를 탄소섬유 표면에 매우 균일하게 코팅해 전류 집전체 일체형 양극을 만들었다.

폴리아닐린 기반 양극은 3차원(3D) 구조를 갖는 얇은 섬유로 이뤄져 있다.

실험 결과 2분 동안 절반가량 충전될 정도로 성능이 좋았다.

연구팀은 내친김에 반지 모양과 대문자 알파벳 ‘H·U’ 형태의 배터리를 만들었다.

배터리 디자인에는 3D 프린팅 기술이 쓰였다.

한국화학연구원 최영민 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 소형 인체 착용형 광센서 반지에 3D 프린팅 배터리도 적용했다.

3D 프린팅 기술을 이용한 자유형상 배터리 제조 구상도 ⓒ KAIST 제공

3D 프린팅 기술을 이용한 자유형상 배터리 제조 구상도 ⓒ KAIST 제공

김 교수는 “수용성 전해질을 이용하는 아연 이차전지는 일반 대기환경에서 배터리 패키징 조립을 할 수 있다”며 “3D 프린팅을 활용하면 고객 요구에 맞는 맞춤형 배터리 팩을 손쉽게 제작할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 글로벌연구실·웨어러블 플랫폼센터 지원을 받아 수행했다.

KAIST 신소재공학과 김찬훈 박사·하버드 공대 안복엽 박사가 공동 1 저자인 논문은 ‘ACS 나노’(ACS Nano) 12월호에 실렸다.

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