▲ 조재필 UNIST 교수와 플렉서블 이차전지의 양극, 음극, 집전체 모습.

국내 연구진이 얇고 가벼우면서도 충전이 빠른 고성능 플렉서블 이차전지의 상용화 시기를 크게 앞당겼다.

울산과학기술대학교(UNIST)의 에너지 및 화학공학부 조재필 교수팀은 1시간 걸리던 기존 플랙서블 전지 충전을 10분 이내로 단축하고 전지 두께도 1㎜ 이내로 얇게 만드는 원천기술을 개발했다.

플렉서블 전지가 상용화 되기 위해서는 기존 전지 성능과 자유롭게 구부러지고 펴지는 유연성도 함께 보장돼야 해서 수백번의 구부림 테스트를 거친다.

조재필 교수팀은 리튬 이차전지의 핵심 요소인 전극 소재와 집전체에 나노 기술을 적용해 각각의 성능을 최적화함으로써 이와 같은 플렉서블 전지의 기술적 요구사항을 해결했다.

양극소재로 현재 쓰이고 있는 리튬코발트산화물(LiCoO2) 대신 니켈산화물계(NiO)를 사용해 충전용량을 20% 향상하고, 바나듐(V)이 함유된 복합 산화물 층을 양극소재 표면에 입혀 양극표면의 전자전도도를 2배 이상, 소재내부에서의 리튬이온의 이동도를 3배 이상 개선했다.

음극소재는 대부분 천연 흑연을 사용하지만 높은 에너지 밀도를 구현하기는 불가능하다. 이를 해결하기 위해 전자전도도가 13배 이상 높은 팽창흑연 표면에 10나노미터(㎚) 이하의 비정질 실리콘 나노입자들을 균일하게 코팅한 결과 기존 흑연 대비 용량이 약 60% 향상됐다.

오랜 시간 전지를 사용해도 집전체가 단락되지 않도록하기 위해 집전체 표면을 나노구조 벌집 모양의 형태로 식각한 결과, 접착력이 약 1.7배 향상됐다.

이와 같이 성능이 향상된 양극, 음극 소재 및 집전체를 이용해 두께 1㎜이하의 최적화된 전지를 구성한 결과, 기존 플랙서블 전지가 1시간 걸리는 것에 비해 10분 만에 100% 충전이 가능함을 확인했다.

구부림 테스트에서 200사이클이 진행되는 동안에도 안정적인 수명 특성이 유지됨을 확인했다.

이는 플렉서블 디스플레이, 스마트 시계, 웨어러블 PC와 같은 신개념 플랙서블 전자 기기에 대한 급증하는 관심과 수요에 반해 뒤쳐져 있던 플렉서블 전지의 개발에 박차를 가할 것으로 전망된다.

실용화를 위해서 2년여 동안 준양산생산을 통한 검증과 생산설비 구축에 시간이 소요될 것이다.

조재필 교수는 “본 연구에서 개발된 플렉서블 이차전지는 고속 충전이 가능하고, 극심한 구부림 테스트에서도 우수한 충·방전 특성을 구현했기 때문에 향후 플렉서블 디바이스 시대를 앞당기는데 크게 기여할 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

박재문 미래부 연구개발정책실장은 “새로운 산업을 견인할 수 있는 우수한 연구성과가 사장되지 않고 상용화로 이어질 수 있도록 정책적 노력을 다할 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 미래창조과학부 신기술융합형성장동력사업의 지원을 받아 수행했으며, 해당 연구결과는 나노 레터스(Nano Letters) 7월호에 게재됐다.