덴드라이트 억제한 1m 길이 섬유형 음극 탄생
실처럼 길게 뽑아낼 수 있는 섬유 형태의 배터리를 1m 이상 연속으로 제조할 수 있는 원천 소재 기술이 확보됐다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 초물성전도소재연구센터의 김남동·정현수 책임연구원팀은 전북대 김정길 교수, KAIST 이진우 교수, 강원대 임형규 교수팀과 협업하여, 아연 음극의 덴드라이트 성장을 막으면서도 미터 단위의 연속 생산이 가능한 기술을 구현했다고 29일 발표했다.
차세대 전원으로 주목받는 섬유형 배터리는 유연한 특성 덕분에 다양한 공간에 적용할 수 있다는 강점이 있다. 그러나 기존 기술은 제작 길이가 10cm 안팎에 그치는 한계가 있었고, 반복적인 형태 변화를 견디는 내구성 문제도 존재했다. 특히 주요 후보군인 수계 아연전지는 충전과 방전을 반복할 때 음극 표면에 나뭇가지 형태의 결정인 덴드라이트가 자라나면서 수명과 효율을 급격히 떨어뜨리는 고질적인 결함이 있었다.
탄소나노튜브 활용한 고내구성 전지 구현
연구팀은 이러한 난제를 풀기 위해 산소를 결합시킨 탄소나노튜브를 정렬하고 집적한 방식의 복합 섬유 음극을 설계했다. 산소 성분은 아연 이온이 안정적으로 부착되도록 유도하며, 나노튜브 특유의 미세한 골짜기 구조는 아연이 여러 곳에 균일하게 달라붙게 함으로써 수소 발생과 부식 반응을 효과적으로 차단한다. 이렇게 제작된 음극을 양극과 결합한 전지는 800회의 충·방전 사이클을 거친 후에도 초기 용량의 85%를 유지하는 성능을 보였다.
연속 생산 공정으로 웨어러블 기기 혁신 기대
이와 함께 연구진은 섬유의 공급부터 아연 도금과 세척에 이르는 전 과정을 중단 없이 수행할 수 있는 전기도금 시스템을 구축했다. 이 연속 공정을 통해 만들어진 1m 길이의 섬유형 아연전지는 1만 번을 반복해서 구부리는 가혹한 조건에서도 초기 용량의 89.8%를 보존하는 놀라운 내구성을 입증했다. 김남동 책임연구원은 소재와 공정 기술의 융합을 통해 섬유형 전지의 최대 약점인 덴드라이트 문제와 제조 길이의 제약을 동시에 극복했다고 강조했다.
김정길 교수는 향후 연속 생산 공정을 더욱 고도화하여, 웨어러블 전자기기는 물론 피지컬 인공지능(AI) 기기의 다양한 형태와 공간에 최적화된 전원 기술로 발전시키겠다는 포부를 밝혔다. 이번 연구 성과는 지난 7월 2일 국제 학술지인 '어드밴스트 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)'에 게재되었다.