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韓美연구팀, 휘어지고 늘어나도 성능 안 떨어지는 배터리 개발

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韓美연구팀, 휘어지고 늘어나도 성능 안 떨어지는 배터리 개발

2019.07.28 12:00
김병수(가운데) 연세대 화학과 교수, 박수진(오른쪽) 포항공대 화학과 교수, 니콜라스 코토브(왼쪽) 미국 미시간대 화학공학과 교수 공동연구팀이 폴리우레탄과 금 나노입자를 이용해 유연성과 신축성을 지닌 전극과 배터리를 개발했다. 한국연구재단∙미시간대 제공
김병수(가운데) 연세대 화학과 교수, 박수진(오른쪽) 포항공대 화학과 교수, 니콜라스 코토브(왼쪽) 미국 미시간대 화학공학과 교수 공동연구팀이 폴리우레탄과 금 나노입자를 이용해 유연성과 신축성을 지닌 전극과 배터리를 개발했다. 한국연구재단∙미시간대 제공

한국 과학자들이 포함된 국제 공동 연구팀이 성능이 한층 개선된 신축성이 있는 배터리를 개발했다. 


김병수 연세대 화학과 교수와 박수진 포스텍 화학과 교수, 니콜라스 코토브 미국 미시간대 화학공학과 교수 공동 연구팀은 폴리우레탄과 금 나노입자를 이용해 유연성과 신축성이 있는 전극과 배터리를 개발했다고 28일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴스’에 이달 26일 발표됐다.


늘어나는 배터리는 신축성을 확보하기 위해 탄성이 있는 신축성 소재를 기판으로 사용한다. 그런 다음 기판 위에 전도성 물질을 덮어씌우는 방식이다. 하지만 전극이 늘어나며 전도층이 파괴되고 전도성이 떨어져 배터리 용량 저하로 이어지는 문제점이 나타난다. 과학자들은 기판 위에 전도층을 패턴화하거나 기판을 주름지게 하는 방법을 사용했다. 하지만 이 방법도 제조 공정이 복잡하고 기판 위에만 전도성이 유지되는 한계가 있다.


연구팀은 이런 한계점을 해결하기 위해 고무탄성을 갖는 폴리우레탄과 전도성이 우수한 금 나노입자에 주목했다. 연구팀은 머리카락이 풍선에 달라붙는 현상과 같은 전기적 인력을 이용해 폴리우레탄과 금 나노입자를 혼합했다. 이를 통해 금속처럼 전기가 통하면서 고무줄처럼 늘어나는 전극 개발에 성공했다.


또 개발한 전극을 번갈아 쌓아 올려 전극의 표면뿐 아니라 위에서부터 아래까지 수직방향으로 전기가 흐르도록 했다. 연구팀은 “개발한 전극을 리튬 이차전지에 적용한 결과, 배터리 길이가 30%이상 늘어나도 안정성을 유지했다”고 설명했다. 


김 교수는 “기존 신축성 전극과 달리 신축성과 전기적 전도 방향성에 제약받지 않기 때문에 다양한 용도에 맞게 정교한 조절이 가능하다”고 말했다. 박 교수는 “배터리 집전체 뿐 아니라 미래의 신축성 디스플레이 및 전자기기에 응용될 것”이라고 말했다.

 

폴리우레탄과 금나노입자를 다양한 조성비로 복합체를 형성시킨 뒤, 전도성 층과 신축성 층을 번갈아가면서 진공 탈수 방식으로 계층 수 조절을 하며 적층시킨 뒤 밀도 구배된 탄성전극을 제조했다. 한국연구재단 제공
폴리우레탄과 금나노입자를 다양한 조성비로 복합체를 형성시킨 뒤, 전도성 층과 신축성 층을 번갈아가면서 진공 탈수 방식으로 계층 수 조절을 하며 적층시킨 뒤 밀도 구배된 탄성전극을 제조했다. 한국연구재단 제공


 

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