▲ 스테인리스 스틸 (SS) 섬유 강화 유연 전극 / 왼쪽 아래: SS 섬유 강화 유연 전극 사진, 중앙: SS 섬유 강화 유연 전극 모식도 (SS 섬유가 다공성 이중 연속 구조에 얽혀 있음), 오른쪽 위: 전극 단면 SEM 사진 (집전체 역할을 하는 SS 섬유가 전극 두께에 걸쳐 분포되어 있음)(그림 및 설명=한국기계연구원 소혜미 선임연구원)  © 특허뉴스

국내 연구진이 두꺼운 전극에도 불구하고 뛰어난 유연성을 유지할 수 있는 새로운 배터리 전극을 개발, 차세대 3D 자유형상 배터리 상용화 가능성을 크게 높였다.

한국연구재단은 한국기계연구원 현승민 박사와 소혜미 박사 연구팀이 스테인리스 스틸 섬유를 3D 집전체로 활용해 높은 에너지 밀도와 유연성을 동시에 구현한 유연 전극을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 복잡한 제품 디자인에 맞춘 맞춤형 배터리 제작에 돌파구를 제공할 것으로 기대된다.

기존 유연 배터리 기술은 두꺼운 전극을 사용할 경우 전자 및 이온의 이동이 원활하지 않아 성능이 저하되며, 유연성도 잃는 한계를 보였다. 하지만 이번 연구에서는 다공성 구조와 스테인리스 스틸 섬유 보강 기술을 적용, 이러한 문제를 해결했다. 연구팀은 열유도 상분리 공정을 활용해 두꺼우면서도 매우 유연한 전극을 구현하는 데 성공했다.

이 새로운 전극은 최소 굽힘 반경 3mm 수준에서도 성능 저하 없이 작동하며, 500 Wh/L의 에너지 밀도를 자랑해 기존 유연 배터리보다 더 우수한 성능을 제공한다. 특히 섬유형 집전체가 전극 물질과 네트워크를 이루어 어떠한 자유곡면에도 적용 가능해, 3D 자유형상 배터리 제작이 가능해졌다.

소혜미, 현승민 박사는 “이번 연구를 통해 차세대 유연 배터리의 상용화 가능성을 높일 수 있게 되었으며, 특히 복잡한 제품 디자인에도 배터리를 맞출 수 있어 다양한 산업에 적용될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼즈(Advanced Fiber Materials)’에 9월 2일 자로 게재됐다.

논문명은 High performance stainless-steel fiber-reinforced ultra-flexible thick electrode applicable to 3D free-form batteries 이다.