KAIST, 에너지 저장 및 하중지지 동시 가능한 구조배터리 개발

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친환경 에너지 기반 자동차, 모빌리티, 항공우주 산업군 등에 활용되는 구조배터리는 높은 에너지 밀도로 에너지 저장 및 하중 지지 두 기능을 동시에 충족해야 한다. 기존에는 두 가지 기능을 동시에 향상시키기 어려웠는데, 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 이를 해결하는 기술 개발에 성공했다.

KAIST는 김성수 기계공학과 교수팀이 하중 지지가 가능하고 화재 위험이 없는데다 얇고 균일한 고밀도 '다기능 탄소섬유 복합재료 구조 배터리'를 개발했다고 19일 밝혔다.

초기 구조 배터리는 상용 리튬이온전지를 적층형 복합재료에 삽입한 형태로, 기계·전기화학적 성능 통합 정도가 낮다. 소재 가공, 조립 및 설계 최적화가 어려워 상용화도 어려웠다.

연구팀은 기존 복합재료 설계에 중요한 계면·경화 특성을 중심으로, 구조전지 다기능성을 최대화할 수 있는 고밀도 다기능 탄소섬유 복합재료 구조 배터리를 개발하기 위한 체계적인 방식을 연구했다.

연구팀은 이번 연구로 기계적 물성이 높은 에폭시 수지와 이온성 액체·탄산염 전해질 기반 고체 폴리머 전해질이 단단해지는 경화 메커니즘을 분석했다. 이를 통해 적절한 온도·압력 조건을 제어해 경화 공정을 최적화했다.

김성수 교수(왼쪽), 모하마드 라자 석사

또 개발된 구조 배터리는 진공 분위기에서 복합재료를 압축 성형해 구조배터리 내에서 전극·집전체 역할을 담당하는 탄소섬유 부피 비율을 기존 탄소섬유를 활용한 배터리 대비 약 160% 이상 향상시켰다.

전극과 전해질과의 접촉면이 획기적으로 증가함으로써 전기화학적 성능을 개선된 고밀도 구조 배터리를 제작할 수 있었다. 경화 공정 중 구조배터리 내부에 발생할 수 있는 기포를 효과적으로 제어해 구조 배터리 기계적 물성을 동시에 향상시킬 수 있었다.

김성수 교수는 “고강성 초박형 구조 배터리 핵심 소재인 고체 폴리머 전해질을 소재 및 구조적 관점에서 설계하는 프레임워크를 제시했다”며 “이런 소재 기반 구조배터리를 자동차, 드론, 항공기, 로봇 등의 구조체 내부에 삽입해 한번 충전으로 작동시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 차세대 다기능 에너지 저장 애플리케이션 개발에 일조하는 기반 기술이 될 것”이라고 설명했다.

모하마드 라자 석사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 'ACS 어플라이드 머터리얼즈&인터페이시스'에 10일자로 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업 및 국가반도체연구실개발사업 지원으로 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com