자유자재로 모양 바꿀 수 있는 3D 프린팅 리튬이온전지 나왔다

고해상도로 패턴 만드는 ‘반고체 겔 전해질’ 개발
금속 나노 입자로 집전체 구현 가능
로봇·의료기기 등 폭넓게 활용

정승준 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 책임연구원과 임종우 서울대 화학부 교수 공동연구팀이 개발한 3D 프린팅 초소형 리튬이온전지. 미국 1센트 동전과 비슷한 크기다. /KIST

3D 프린팅 기술을 이용해 무게는 줄이고 모양은 자유롭게 바꿀 수 있는 리튬이온전지가 개발됐다. 개발된 리튬이온전지는 소형 로봇이나 의료기기 분야에서 폭넓게 사용될 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST)은 정승준 소프트융합소재연구센터 책임연구원과 임종우 서울대 화학부 교수 공동연구팀이 디자인 자유도가 높은 ‘자유 형상 리튬이온전지’를 개발했다고 14일 밝혔다.

자유 형상 초소형 리튬이온전지는 사물인터넷(IoT) 기기와 생체로봇, 삽입형 의료기기 등 소형기기에 전원을 공급하는 기술이다. 현재 휴대기기나 전기차에 적용되는 리튬이온전지는 대부분 정형화된 디자인으로, 초소형 기기 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 없다는 문제가 있다. 또 금속 집전체(전지 충·방전 시 전기화학 반응을 발생시키는 막)를 사용해 무게를 줄이는 것도 어려웠다.

연구팀은 집전체부터 패키징까지 전 과정에 3D 프린팅 공법을 적용해 리튬이온전지를 제작했다. 3D 프린팅으로 리튬이온전지를 만들기 위해선 고해상도로 안정적인 패턴을 그리는 3D 프린팅 소재 개발이 필수적이다. 이에 연구팀은 3D 프린팅 소재의 고분자 비율을 조절해 ㎜ 단위 이하의 패턴을 형성할 수 있는 반고체 겔 전해질을 개발했다.

정승준 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 책임연구원과 임종우 서울대 화학부 교수 공동연구팀이 개발한 반고체 겔 전해질(왼쪽). 기존 반고체 겔 전해질(오른쪽)에 비해 형상이 선명한 것을 볼 수 있다. /KIST

새로 개발한 반고체 겔 전해질은 높은 이온전도도를 가지며, 전기 전도성이 높은 금속 나노 입자와 고분자를 포함하고 있어 집전체를 구현할 수 있다. 이에 3D 프린팅 기술로 공간의 제약 없이 리튬이온전지를 제작할 수 있고, 금속 집전체가 필요 없어 무게를 줄일 수 있다. IoT 기기와 센서, 의료기기에 필요한 배터리 용량을 달성했다는 게 연구팀의 설명이다.

정승준 책임연구원은 “새로 개발한 리튬이온전지는 기존 배터리가 적용되기 어려운 3D 형상의 자유 형상 기기, 의료 삽입형 기기, 소형 로봇 분야에 에너지 공급원으로 사용될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 국가핵심소재연구단 사업으로 진행됐다. 연구성과는 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’ 3월호에 게재됐다.

[참고 자료]

Energy Storage Materials, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.016

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