구겨져도 OK…플렉시블 리튬2차전지 개발

손목용 스마트폰 등 휘는 기기 시대 앞당겨질 듯

심하게 구겨져도 정상적으로 작동하는 리튬이차전지 원천기술을 국내 연구진이 개발했다. 이로 인해 손목에 차는 스마트폰, 두루마리 디스플레이, 입는 컴퓨터 등 차세대 플렉서블 전자기기의 전원 개발이 앞당겨질 것으로 기대된다.

미래창조과학부(장관 최문기)는 20일 울산과학기술대학교(UNIST)와 LG화학 공동 연구로 플렉서블 리튬이차전지 개발에 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 미래부 '신기술융합형성장동력사업'의 지원으로 UNIST 이상영 교수팀(제1저자 최근호 석박사통합과정)이 주도하고 LG화학 배터리연구소 김제영 박사팀이 공동 참여했다.

얇고 자유자재로 변형이 가능하면서도, 안전성은 강화된 플라스틱 크리스탈 고분자 전해질을 개발해 플렉서블 리튬이차전지에 적용한 것이다. 플라스틱 크리스탈은 결정-용융 상태가 아닌 중간 물리적 특성을 보이는 물질로 전해질로 사용 시 우수한 이온전도도 및 내열성을 보인다.

연구 결과는 재료분야의 세계적인 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스' 최신호 후면 표지논문으로 선정됐다.

■ 변형된 리튬이차전지의 폭발 위험성 극복

액체전해질과 분리막으로 이루어진 기존 리튬이차전지는 심하게 변형시킬 경우 열이 발생한다. 이 열 때문에 분리막이 녹아 양극과 음극이 접촉하게 되면 폭발할 위험이 있어 플렉서블 전지로 사용되기에는 어려움이 있었다.

이를 대체하기 위해 고분자 전해질을 개발하고 있지만, 플렉서블 전지로 쓰이기에는 전기화학적 성능, 두께 및 유연성 확보에 한계가 있었다.

연구팀은 플라스틱 크리스탈 기반 유기 전해질을 가교반응이 가능한 단량체와 혼합해 다공성 고분자 지지체에 채워 넣은 후, 자외선에 30초 이내로 노출시키는 간단한 공정으로 내열성과 유연성이 획기적으로 향상된 플라스틱 크리스탈 고분자 전해질을 개발했다.

'가교반응'이란 고분자 사슬이 서로 직접 또는 수개의 결합으로 연결되는 것으로, 가교 전에 비해 고분자의 기계적 강도가 증가한다. '단량체'는 고분자 중합의 출발물질로 고분자를 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질을 뜻한다.

연구팀이 개발한 전해질은 액체전해질 수준의 성능을 유지하면서도 고온(섭씨 80도)에서 이온전도도가 전혀 저하되지 않는 우수한 내열성을 보였다.

또한 기존의 고분자전해질 대비 두께가 약 10배 정도 얇아졌으며, 기계적 유연성이 30배 이상 향상됐다.

리튬이차전지에 실제 적용한 결과, 전지가 심하게 구겨지거나 전화선처럼 말린 상태에서도 발열 및 폭발 없이 안전하게 정상적으로 작동하는 것을 확인했다.

특히 이번에 개발된 전해질은 전지 내에서 전해질 역할뿐 아니라 분리막 기능도 가능하여 기존의 리튬이차전지와 달리 분리막 없이 전지를 만들 수 있다.

이상영 교수는 이번 연구를 통해 플렉서블 전지의 상업화를 앞당길 수 있는 기술적 토대를 마련했으며, 리튬이차전지 이외에도 다양한 차세대 전지에 확대 적용될 수 있는 고분자전해질 원천 소재 기술을 확보했다고 연구 의의를 밝혔다.