4초내 초고속 충전 필름형 전지 개발

4초내 초고속 충전 필름형 전지 개발

 

한국 과학 기술원(KAIST)은 양민양 기계 공학과 교수 연구팀이 4초 안에 초고속 충전할 수 있는 필름형 고성능 차세대 전지를 개발했다고 2018년 01월 11일 밝혔다. 기존의 복잡한 제작 과정과 달리 간단하고 저렴한 제작 기술로 높은 성능의 전지를 만들어낸 것이 핵심이다.

 

차세대 전지는 기존 리튬 이온 배터리와 비교해 월등히 빠른 충전 속도와 반영구적 수명을 지녀 각광받는 차세대 에너지 저장 소자이며, 슈퍼커패시터(Super Capacitor)라고 부르기도 한다. 유연한 기판으로 만들어지기 때문에 웨어러블 및 유연 전자 소자의 회로에 직접 연결돼 전원 역할을 할 수 있다.

 

연구팀은 새로운 고성능 소자 구조를 단일 공정으로 제작할 수 있는 핵심 재료 및 소자 제조 원천 기술을 개발했다. 이 기술로 기존 필름형 슈퍼커패시터의 단점인 복잡한 제작 과정과 낮은 성능 등을 개선할 수 있었다.

 

연구팀은 나노 미터 단위의 기공을 갖는 초다공성 은(銀) 전극을 제조, 슈퍼커패시터의 전극으로 적용하는 데 성공했다. 연구팀은 레이저를 이용해 은 미세 패턴을 형성했으며, 내부에 다공성 나노 구조를 만들었다. 이런 레이저 성장 소결 공정 기술로 기존에 10단계 이상이었던 제조 과정을 1단계로 간소화했다.

 

또한 기존 금속 나노 용액과 비교해 저렴한 무입자 유기 금속 이온 화합물 용액을 이용해 핵생성, 열성장, 다결정 금속 막 형성으로 이어지는 특수한 성장 소결 원리를 규명했다. 연구팀은 일반적으로 단일 물질로 된 슈퍼커패시터 전극과 달리 이산화망간과 산화철을 각각 양극과 음극으로 적용해 구동 전압을 크게 향상시켰다. 이를 통해 전력 보유량을 극대화한 고용량 에너지 저장 소자를 개발할 수 있었다.

 

개발된 슈퍼커패시터는 4초 내 초고속 충전이 가능하고, 5000 번 이상의 내구성 테스트에서도 안정적으로 작동했다. 양민양 교수는 “이번 연구 결과는 향후 웨어러블 및 유연 전자 기기 기판에 포함돼 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장 소자로 사용 가능하다”며 “전원까지 포함하는 진정한 의미의 완전한 유연 전자 기기의 현실화에 더 가까워졌다”고 말했다. 이번 연구 결과는 재료, 화학 분야의 국제 학술지인 영국 왕립 화학 회의 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 2017년 12월 21일자 표지 논문에 선정됐다.