상온에서 작동하는 액체 금속-공기전지

기술 개발


- 섬유실 내 갈륨/인듐 공융 금속전극물질 주입, 고신축·탄성의 웨어러블 전지개발
- 기존 금속-공기전지보다 2배 이상 출력, 다양한 형상 구현 가능

 

4차 산업혁명시대 진입과 더불어 빠르게 성장하고 있는 웨어러블 전자제품에 결합될 전지기술에 대한 관심이 모아지고 있다. 이러한 웨어러블 전지에 요구되는 특성은 기본적으로 상당히 높은 수준의 에너지밀도와 출력특성을 가지고 있어야한다. 또한 의복 기능과 동일하게 신축성, 유연성도 높아야하고 심지어는 세탁까지도 가능한 특성을 지니면서도, 발화 가능성이 없어야하는 조건이 필요하다. 최근 국내연구진이 섬유실 내부에 액상의 전극물질을 주입하여 기존 섬유제품과 동일한 기계적 특성을 지니고 있으면서도 전기에너지의 저장 특성을 지니고 있는 새로운 개념의 전지기술을 발표해 주목받고 있다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 이중기, 유계성 박사 연구팀이 세계 최초로 상온에서 액체 상태로 존재하는 갈륨(Ga)/인듐(In) 공융화합물을 사용하여 기존의 이차전지*를 대체할 금속-공기전지**(air-cell)의 새로운 음극재 개발에 성공했다. 유계성(劉 桂成, 중국명 리우구쳉)박사는 해외우수신진연구자 사업으로 유치되어 2015년부터 KIST 이중기 박사 연구진에 합류하였다.


* 이차전지 : 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 바꾸어 저장하고 필요시 전기를 만들어내는 장치, 축전지라고도 함
** 금속-공기전지 : 양극에 공기 중의 산소를 사용한 차세대 이차전지로 가볍고 에너지 밀도가 높음

 

기존의 유연특성을 지닌 대부분의 금속공기전극은 얇은 와이어/시트 형태이거나 스프링모양의 구조를 갖거나, 신축성이 있는 기재 사이에 단위 전지셀을 배치한 형태이다. 또한 기재표면에 전극층을 코팅하여 여러 개의 기재들을 옷감의 직물구조처럼 엮거나 꼬아서 유연성과 신축성을 확보할 수 있도록 고안하였으나 일반적으로 사용되는 섬유만큼의 유연성과 신축성을 확보하기에는 재료의 한계를 가지고 있었다.  
 

그림 1. 케이블 형상의 갈륨-인듐 액체금속-공기배터리의 모식도. a) 간단한 제작 공정, b) 케이블 형상 전지의 내부 구조, 고유연성 및 고탄성


KIST 이중기 박사팀은 웨어러블용 전기저장장치로 기존의 알루미늄, 아연에 기반한 공기전지에 비해 에너지밀도가 높고, 수축복원력과 구부림 특성에서 기존 고체재료와 차원이 다르면서도 안전한 공융액체 금속공기전지 기술을 개발하였다. 

그림 2. 기존의 금속공기배터리와 본 연구의 액체금속공기배터리 간의 유연성, 신축성 및 성능유지율 비교

 

본 연구를 통해 개발된 갈륨(Ga)/인듐(In) 공융액체금속공기전지는 섬유실 형태의 몸체 내부에 전극물질의 단순주입만으로 100%이상의 신축성(stretching)과 1mm 이하의 반경 구부림이 가능한 유연한(Flexible) 특성을 지닌 전지 구성이 가능하고 전극활물질의 몸체 자체가 부드럽고 형상을 자유롭게 할 수 있는 우수한 특성을 유지하였다. 이는 고용량 및 고출력이 동시에 가능하면서도 섬유제품과 같이 유연하고 수축성이 있는 소재로 전지에 적용된다.   

그림 3. 탄성력을 갖는 물체의 변형 (a)전, (b)후의 형상. (c)구형상의 변형 가능한 액체금속-공기 배터리 모식도

 

연구진은 고안정성 및 장수명의 전극특성을 확보하여 고효율 성능 발현 및 공간설계가 자유로운 형상변형 전지제조가 가능하고, 추가적으로 공정이 복잡한 나노공정기술에 비해 단순한 혼합공정으로 복합금속 전극제조가 가능하여 저렴한 비용으로 고신축성 및 가변성이 있는 전극제조 공정 확보가 가능하다고 밝혔다. 향후 대량생산 공정에 용이한 단순공정을 통하여 양산성도 용이하여 상용화에 근접한 기술로 평가하고 있다.

 

KIST 이중기 박사는 “이번 연구를 통해 개발한 전지기술로 4차 산업용 웨어러블용 에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage Systems)에 새로운 해법을 제시할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 한국연구재단 중견연구사업 및 해외우수신진연구자 지원(KRF)사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 화학, 물리 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’(IF: 16.721, JCR 분야 상위 2.055%)에 최신호(온라인 3월 14일(수)자)에 게재되었다.

 

* (논문명) Soft, Highly Elastic, and Discharge-Current-Controllable Eutectic Gallium–Indium

             Liquid Metal–Air Battery Operated at Room Temperature
             - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Guicheng Liu 박사
             - (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 박사

Posted by KIST PR

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4차 산업혁명을 견인할 전지 기술

 

“우편 마차를 여러 대 연결한다고 기차가 될 수는 없다.” 혁신의 본질을 이야기할 때 빼놓지 않고 등장하는 경제학자 조지프 슘페터의 이야기다. 4차 산업혁명의 새로운 패러다임과도 맞닿아 있다. 4차 산업혁명의 핵심은 바로 '초연결'이다. 초연결사회란 사람과 사물 및 공간이 인터넷을 매개로 연결돼 정보의 생성과 수집, 공유와 활용이 이뤄지는 사회다. 우리나라는 일찍이 초고속 통신, 지식 전달 시스템을 구축해 세계 최고 정보통신 인프라를 갖췄다. 그러나 문제는 바로 '초'연결로 나아가지 못하고 있다는 데 있다.

 

초연결 사회는 단순히 새로운 차원의 연결만을 의미하지 않는다. 기존의 연결 사회를 뛰어넘게 하는 모든 것을 의미한다. 시간이나 장소와 관계없이 초연결을 가능케 하는 사물인터넷(IoT), 빅데이터와 연결되는 통신 시스템, 로봇 등 스마트 기기를 구동하는데 적합한 에너지원의 개발이 요구된다. 차세대 이차전지는 4차 산업혁명 시기에 수요가 폭증할 것으로 보인다. 새 시대에 적합한 에너지원의 중요성 때문이다. 산업혁명의 역사를 보더라도 인류는 그전까지 사용하지 않은 새로운 에너지원을 사용하는 방향으로 발전했다. 수렵 채집에서 농업혁명이 발생하면서 가축, 바람, 물과 더 많은 사람들의 집약된 노동력을 필요로 했다. 증기기관이 발명되면서 인류는 기존에 활용하던 자원 대신 어마어마한 양의 석탄 에너지를 사용하기 시작했다. 이후 3차 산업혁명에 이르러 인류는 또다시 전기 에너지의 수요를 폭증시켜 왔다. 초연결 사회에서는 어떠한 새로운 에너지원을 주로 사용할 것인지는 아직도 미지수다. 에너지 소비와 생산은 동전의 양면과 같다. 기존에는 더 많은 에너지원을 발굴함으로써 수요에 대응했다. 이제는 잉여 전기의 저장, 태양·화학·자연 에너지 등 새로운 에너지원의 발굴로 기존 패러다임에서 벗어나는 추세다. 폐열을 통해 전기를 발생시키는 에너지 재활용 분야도 활성화되고 있다. 에너지 생산량을 떠나 얼마나 친환경 에너지를 생산하고 소비할 것인가 하는 관점도 중요하다.

 

4차 산업혁명에서의 에너지 수요는 생산과 저장에서 과거와는 전혀 다른 패러다임을 요구한다. 현재의 발전 체계는 발전소 중심의 대규모 전력 생산과 플러그인 방식의 대량 소비로 요약할 수 있다. 그러나 4차 산업혁명은 이러한 플러그인 방식의 소비로부터 탈피하고 있다. 예를 들면 스마트폰이나 태블릿 PC, 전기자동차와 인공지능(AI) 로봇 모두 시간과 공간의 제약 없이 에너지를 소비할 수 없다. 즉 플러그에 연결된 상태에서는 초연결된 사회로 나아갈 수 없다. 이에 따라서 이러한 기기들은 대부분 고효율의 에너지저장장치(ESS), 즉 배터리에 의존하거나 자가발전을 통해 에너지를 공급받게 된다. 배터리가 시간이나 공간과 관계없이 환경 친화형으로 생산된 전기 에너지를 무한정 공급받아 필요한 만큼 저장하고 효율 높게 활용할 수 있는 신기술을 개발할 수 있을지가 관건이다. 기존의 리튬이온계 이차전지 개념을 넘어서는 혁신 사고의 전환이 요구된다. 전력 생산 및 저장 기술을 과감하게 융합한 신개념의 융합전지 개발이 필요하다. 기존의 이차전지는 소재 개발 시 부닥치는 몇 가지 문제점이 있다. 이론상 가능한 용량의 한계로 인해 전지의 부피를 키우거나 단위 중량당 용량을 증설해야 하는 한계, 주기 충전의 필요성, 대용량화에 따른 안전성 문제 등이다.

 

춘계전지학회와 한국과학기술연구원(KIST)도 19일까지 '4차 산업혁명에서 전지의 역할'을 주제로 토론회를 개최한다. 정보 산업, 의료 산업, 서비스 산업에서의 전지 관련 연구 발표와 전문가 토론이 있을 예정이다. 차세대 에너지 저장 기술과 경쟁력을 확보하는 계기가 되기를 기대한다.

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Posted by KIST PR

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