국내 연구진이 나무에서 추출한 종이 분리막을 이용해 휘어지는 종이 배터리의 원천 기술을 개발했다.
산림청 국립산림과학원은 울산과학기술대학교(UNIST)와 공동으로 나무로부터 추출한 나노셀룰로오스로 제조한 나노 종이 분리막에 전극을 물리적으로 결합한 플렉시블 종이 리튬이온전지를 세계 최초로 개발했다고 30일 밝혔다.
이번 연구는 나노 분야 세계적 학술지인 ‘나노 레터스’ 인터넷판에 지난 16일 게재됐다.
연구진이 자체 개발한 이 기술은 전극과 나무에서 추출한 종이 분리막을 하나로 일체화해 형태 변형이 자유로운 것이 특징이다.
종이 분리막이 기존 플라스틱 분리막을 대체해 전극간 계면이 안정적이고, 이온 전도도 및 전자 전도도가 높다. 기존 리튬이온전지와 달리 접착제(바인더)와 금속 집전체가 없어 유연성이 뛰어나 종이처럼 휠 수 있다. 특히 외부 압력으로 형태가 변형돼도 전지 성능을 구현할 수 있어 전기 화학 소자로 다양하게 활용될 수 있다.
기존 리튬이온전지는 음극, 분리막, 양극, 전해질 4대 핵심 요소로 구성돼 있다. 이러한 정형화된 구조는 물리적 유연성이 매우 부족할 뿐만 아니라 음극과 양극에 들어가는 바인더가 전극의 전자 전도도와 에너지 밀도를 감소시키고, 생산 비용도 많이 드는 단점이 있었다.
이 기술을 활용하면 기존 리튬이온전지보다 성능이 2~3배 높은 고용량 고출력 배터리를 만들 수 있다.
최근 첨단 분야로 각광받고 있는 둥글게 말 수 있는 롤업(Roll-up) 디스플레이와 옷처럼 입을 수 있는 전자소자, 손목시계형 스마트폰 전원 등 다양한 웨어러블 전자기기에 활용이 가능하다.
산림과학원과 UNIST는 앞으로 나노 셀룰로스로 만든 전극과 분리막을 일체화한 3차원 구조의 플렉시블 종이 배터리를 개발하고, 상용화할 계획이다.
리튬이온전지와 분리막의 세계 시장 규모는 2013년 기준으로 각각 22조원과 2조원에 달한다. 오는 2018년까지 160% 증가할 것으로 예상되고 있다.
이선영 산림과학원 박사는 “플렉시블 종이 리튬이온전지의 나노 종이 전극 일체형 분리막은 나무에서 얻은 천연 재료로 기존 이온전지의 분리막 소재인 다공성 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 전극을 완전히 대체할 수 있는 원천 기술”이라며 “이제 종이 배터리라는 꿈의 기술에 첫 발을 내디뎠다”고 말했다.
이상영 UNIST 교수는 “전지 형태 변형으로부터 유발될 수 있는 전지 발화 및 폭발 등 위험을 억제시켰다”며 “별도의 바인도가 필요 없기 때문에 이온 전도도 및 전자 전도도가 우수해 고용량 및 고출력을 구현할 수 있다”고 말했다.
대전=신선미기자 smshin@etnews.com