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SAINT 안성필 교수 연구팀, 기존 배터리의 2배 성능을 지닌 고에너지·고출력 리튬이온 배터리 개발

- 유연한 3차원 퍼콜레이티브 금속 구조를 통해 배터리 성능 획기적 향상

- 세계적 학술지 어드밴스드 머티리얼즈에 논문 게재

성균나노과학기술원(SAINT)의 안성필 교수 연구팀이 고에너지 밀도(208Wh/kg)와 고출력 밀도(1,048W/kg)를 가진 유연한 리튬이온 배터리를 개발했다고 11일 발표했다. 이번 연구는 3차원 금속 구조를 사용하여 기존 배터리의 성능을 크게 향상하였다.

기존의 리튬이온 배터리는 외부 충격이나 변형에 취약하여 폭발 위험이 따르고, 이러한 안전성 문제가 늘 해결 과제로 남아 있었다. 또한, 전통적인 배터리 제조 방식(슬롯 다이(Slot die) 공정)은 평평한 전극 구조에 전극 소재를 코팅하는 방식으로, 유연성이 떨어지고 배터리 성능이 제한되는 문제를 가지고 있었다. 특히, 전극이 두껍게 코팅되면서 전기화학적 성능이 떨어질 수 있으며, 물리적 변형 시 배터리 성능이 저하되거나 단락(쇼트)이 발생할 위험이 있다.

안 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전기방사(electrospinning)와 전기도금(electroplating) 기술을 활용하여 3차원 퍼콜레이티브 금속 마이크로 웹 기반의 초경량 배터리 전극을 개발했다. 또한, 새로운 코팅 방식인 정전기 스프레이 기술(electrostatic spraying)을 도입해 3차원 구조에서도 전극이 잘 코팅되도록 했다.

이렇게 만들어진 3차원 전극은 기존의 2차원 전극에 비해 무게가 4배 이상 가벼워졌으며, 반복적인 변형에도 전기적 특성이 거의 변하지 않는 높은 내구성을 보여주었다. 또한, 3차원 구조 덕분에 전극과 전해질의 접촉 면적이 크게 증가해 리튬이온의 이동성과 전자의 이동 속도가 각각 6배, 4배 이상 향상되었다.

▲ 3차원 퍼콜레이티브 금속 마이크로웹 기반 고에너지 및 고출력 밀도의 플렉서블 리튬이온 배터리의 제조 공정과 본 개발된 전극의 초경량성 및 기계적 특성

이번 연구를 통해 개발된 배터리는 기존 상용 배터리보다 2배 이상 뛰어난 성능을 자랑하며, 특히 웨어러블 전자기기와 같은 차세대 기기에 적합한 에너지 솔루션으로 주목받고 있다. 배터리는 굽히거나 잘라도 안정적인 성능을 유지하여, 안전성 또한 크게 향상되었다.

▲ 3차원 전극 구조의 Half-cell 성능 결과와 리튬이온확산 및 전자이동도 등의 전기화학적 및 시뮬레이션

안성필 교수의 이번 연구는 차세대 유연한 전자기기에 필수적인 배터리 기술을 크게 발전시킨 성과로, 기존 배터리 기술의 한계를 극복하는 중요한 계기가 될 것으로 기대된다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 연구 지원을 받아 수행되었으며, 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재되었다.

▲ 3차원 전극 구조의 full-cell 성능 및 고분자 젤 전해질 기반 전고체 플렉서블 리튬이온배터리 성능

※ 논문명: Percolative Metal Microweb-Based Flexible Lithium-Ion Battery with Fast Charging and High Energy Density

※ 저널: Advanced Materials

※ DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202407719

출처:성대뉴스 게시판읽기 ( SAINT 안성필 교수 연구팀 , 기존 배터리의 2배 성능을 지닌 고에너지 · 고출력 리튬이온 배터리 개발 ) | 성균관대학교 (skku.edu)