덴드라이트 억제한 1m 길이 섬유형 음극 개발
실처럼 가늘고 유연하게 뽑아낼 수 있는 섬유형 배터리를 1m 이상의 길이로 연속 생산할 수 있는 원천 소재 기술이 확보됐다. 한국과학기술연구원(KIST) 초물성전도소재연구센터의 김남동·정현수 책임연구원 팀은 전북대학교 김정길 교수, 한국과학기술원(KAIST) 이진우 교수, 강원대학교 임형규 교수팀과 협력하여 덴드라이트 성장을 제어하는 섬유형 아연 음극을 개발하고 이를 미터 단위로 연속 제조하는 데 성공했다고 29일 발표했다.
차세대 전원 후보로 주목받는 섬유형 배터리는 형태가 자유로워 다양한 공간에 활용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 기존 기술은 길이가 10cm 수준에 불과해 활용에 제약이 있었고, 반복적인 변형을 견디는 내구성 문제도 안고 있었다. 특히 수계 아연전지의 경우 충전과 방전을 반복할 때 음극 표면에 나뭇가지 형태의 결정인 덴드라이트가 자라나면서 전지의 효율과 수명을 저하시키는 고질적인 결함이 존재했다.
산소 결합 탄소나노튜브로 구현한 고성능 전지
연구팀은 이러한 한계를 돌파하기 위해 산소를 결합한 탄소나노튜브를 정렬하고 집적시킨 방식의 복합 섬유 음극을 설계했다. 산소 성분은 아연 이온이 안정적으로 부착되도록 조절하는 역할을 하며, 탄소나노튜브가 형성한 미세한 골짜기 구조는 아연이 여러 지점에 고르게 분포하도록 유도한다. 이러한 메커니즘을 통해 수소 발생과 부식 반응을 효과적으로 차단할 수 있었다. 실제로 이 음극을 섬유형 양극과 결합하여 제작한 전지는 800회의 충·방전 사이클을 거친 후에도 초기 용량의 85%를 유지하는 성능을 입증했다.
연속 생산 공정으로 내구성 한계 극복
또한 연구진은 섬유의 공급부터 아연 도금 및 세척에 이르는 전 과정을 끊김 없이 수행할 수 있는 전기도금 시스템을 구축하여 복합 음극의 연속 생산을 가능케 했다. 이 공정을 통해 제작된 1m 길이의 섬유형 아연전지는 무려 1만 번을 반복해서 굽히는 가혹한 테스트를 거쳤음에도 초기 용량의 89.8%를 보존하는 놀라운 내구성을 보였다. 김남동 책임연구원은 이번 연구가 소재와 공정 기술의 결합을 통해 섬유형 아연전지의 최대 난제인 덴드라이트 문제와 제조 길이 제한을 동시에 해결했다는 점에 의의를 두었다. 김정길 교수는 향후 생산 공정을 더욱 고도화하여 웨어러블 기기는 물론 피지컬 인공지능(PAI) 기기의 다양한 형태에 최적화된 전원 기술로 발전시키겠다는 포부를 밝혔다. 이번 연구 성과는 지난 7월 2일 국제 학술지인 '어드밴스트 에너지 머터리얼스'에 게재되었다.