- 반 고체형 겔 전해질 개발로 집전체부터 패키징까지 배터리 소재를 자유롭게 인쇄한 리튬이온전지 개발

- 사물화 인터넷, 센서, 의료 삽입형 기기의 초소형 에너지원으로 사용 기대

IoT 디바이스, 생체로봇, 삽입형 의료기기 기술이 급속도로 발전됨에 따라 개인화된 작은 기기에도 전원 공급이 가능한 자유형상 초소형 리튬이온전지가 주목받고 있다. 

현재 휴대기기, 전기차 등에는 원형 또는 사각형 등 매우 정형화된 디자인의 리튬이온배터리가 사용되고 있었으며, 기존의 리튬이온배터리는 금속 집전체를 사용하여 매우 무겁고, 가연성이 있는 액체 전해질¹⁾을 사용하는 등의 한계가 있었다. 이를 넘어 사용자 맞춤형 초소형 기기 설계 시 공간을 효율적으로 사용하기 위해서는 배터리의 모양을 자유롭게 제작할 수 있는 기술이 필요하다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준 박사팀이 서울대 화학부 임종우 교수와의 공동연구를 통해 가벼우면서 디자인 자유도가 높고, 개인화된 작은 기기에도 도입할 수 있는 자유형상 리튬이온전지를 개발했다고 밝혔다.

본 연구에서는 집전체2)부터 패키징까지 모든 배터리 소재를 3D 프린팅 공법을 이용하여 자유롭게 인쇄한 리튬이온전지를 제작했다. 

이를 위해서는 고해상도로 안정적인 패턴 형성이 가능한 배터리 소재 잉크 개발이 필수적인데, 기존의 액체 전해질 혹은 반고체 겔 전해질 연구에서는 잉크의 유변학적 특성 제어가 어려워 고해상도 패턴을 형성하지 못했다.

액체 전해질: 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하도록 하는 매개체

집전체: 배터리를 충·방전할 때 전기화학적 반응이 일어날 수 있도록 전자를 외부에서 활물질로 전달하거나 활물질에서 내보내는 역할을 함.

연구진은 두 개의 고분자 비율을 조절함으로써 밀리미터(㎜) 이하의 고해상도 패턴 형성과 높은 이온전도도를 동시에 만족하는 반고체 겔 전해질 개발에 성공했다. 또한 무거운 금속 집전체를 가벼우며 전기 전도성이 높은 금속 나노 입자 잉크와 고분자 잉크로 대체하여 집전체를 구현하였다.

본 연구에 사용된 높은 이온전도도를 가지며 모양 형성이 우수한 반고체형 겔 전해질(왼쪽), 기존의 상용 액체 전해질 (오른쪽)

그 결과 배터리에 필요한 모든 소재를 3D 프린팅으로 인쇄할 수 있었고, 기존 배터리가 적용될 수 없었던 공간에 형태의 제약 없이 기기에 집적화되어 전원을 공급할 수 있음을 입증했다. 개발한 프린팅 배터리는 사물화 인터넷, 센서, 의료삽입형 기기 등에서 필요한 수 mAh의 용량을 달성하였다.

1센트보다 작은 크기의 플라스틱 기판 위에 올라간 12개의 마이크로 프린팅 배터리 (빨간색 사각형 안)

연구를 주도한 KIST 정승준 박사는 “본 연구에서 개발한 리튬이온전지는 기존의 배터리가 적용되기 어려운 3D 형상의 자유형상 기기, 의료 삽입형 기기, 소형 로봇 분야 부분에 에너지 공급원으로 사용될 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 국가핵심소재연구단(특화형)으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 Energy Storage Materials (IF 20.831, JCR 상위 4.203%)에 게재되었다.

* 논문명: High-performance, Printable Quasi Solid-state Electrolytes Toward All 3D Direct Ink Writing of Shape-versatile Li-ion Batteries

- 제1저자: 한국과학기술연구원 배준호 학생연구원

- 교신저자: 한국과학기술연구원 정승준 책임연구원 / 서울대학교 화학부 임종우 교수

논문 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.016

< 연구진 소개 >

배준호 학생연구원 (제 저자)	○ 소속: 첨단소재기술연구본부 소프트융합소재연구센터 ○ 전화: 010-3058-1545 ○ e-mail: junho917@kist.re.kr
임종우 교수 (공동교신저자)	○ 소속: 서울대학교 화학부 부교수 ○ 전화: 02-880-2236 ○ e-mail: jwlim@snu.ac.kr
정승준 책임연구원 (교신저자)	○ 소속: 첨단소재기술연구본부 소프트융합소재연구센터 ○ 전화: 010-9046-3557 ○ e-mail: seungjun@kist.re.kr