리튬이온전지 모든 소재를 3D 프린팅으로 만들었다

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사팀이 3D 프린팅을 활용해 가벼우면서 다양한 형태의 초소형 리튬이온전지 제작 기술을 개발했다. 실제 이 기술로 동전보다 얇은 두께에 가로세로 1㎝ 크기의 전지를 만들었다. 연구진은 집전체부터 패키징까지 전지에 들어가는 모든 소재를 3D 프린팅해 제작했다.

정승준 박사는 "이번에 개발한 리튬이온전지는 기존의 배터리가 적용되기 어려운 3D 형상의 자유형상 기기, 의료 삽입형 기기, 소형 로봇 분야 부분에 에너지 공급원으로 사용될 것"이라고 전망했다.

기술이 급속도로 발전됨에 따라 개인화된 작은 기기에도 전원 공급이 가능한 자유형상 초소형 리튬이온전지가 주목받고 있다.

현재 휴대기기, 전기차 등에는 원형 또는 사각형 등 매우 정형화된 디자인의 리튬이온전지가 사용되고 있다. 기존의 리튬이온전지는 금속 집전체를 사용하여 매우 무겁고, 가연성이 있는 액체 전해질을 사용하는 등의 한계가 있다. 이를 넘어 사용자 맞춤형 초소형 기기 설계할때 공간을 효율적으로 사용하기 위해서는 전지의 모양을 자유롭게 제작할 수 있는 기술이 필요하다.

3D 프린팅으로 전지를 만들기 위해서는 고해상도로 안정적인 패턴 형성이 가능한 배터리 소재 잉크 개발이 필수다. 하지만 기존 액체 전해질이나 반고체 겔 전해질로는 잉크의 변형과 움직임 제어가 어려워 고해상도 패턴을 만들어내지 못했다.

연구진은 이를 극복하기 위해 두 개의 고분자 비율을 조절해 밀리미터(mm) 이하의 고해상도 패턴 형성과 높은 이온전도도를 동시에 만족하는 반고체 겔 전해질을 개발했다. 또 무거운 금속 집전체를 가볍고, 전기 전도성이 높은 금속 나노 입자 잉크와 고분자 잉크를 활용해 새로운 집전체로 만들었다.

이를 통해 전지에 들어가는 모든 소재를 3D 프린팅으로 만들었다.

기존 전지로는 적용할 수 없었던 공간에도 형태의 제약 없이 기기에 넣어 전원을 공급할 수 있게 된 것이다. 실제로 연구진이 만든 가로세로 1㎝ 크기의 얇은 리튬이온전지는 용량이 수 mAh에 달해 사물인터넷(IoT)이나 센서, 의료삽입형 기기 등에 사용할 수 있다.

한편, 정승준 박사팀은 서울대 화학부 임종우 교수와 함께 개발한 '자유형상 초소형 리튬이온전지 3D 프린팅 기술'을 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자