섬유에 흘려 넣어 만드는 액체 금속-공기전지 개발

키스트 이중기 박사팀 최초 구현
실에 갈륨·인듐 금속전극 주입해
고신축·탄성 웨어러블 전지 작동
기존 금속-공기전지보다 출력 2배
반경 1㎜ 이하로 구부려도 성능 유지

국내 연구진이 섬유 실 속에 특정의 액체금속을 흘려 넣어 전지를 만드는 새로운 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(키스트) 에너지저장연구단 이중기 책임연구원 연구팀은 26일 “상온에서 액체 상태로 존재하는 갈륨(Ga)-인듐(In) 공융화합물을 사용해 기존의 이차전지를 대체할 금속-공기전지의 새로운 음극소재를 개발했다”고 밝혔다. 공융화합물은 두 물질을 가열하면 일정 온도에서 동시에 용융하는 물질들의 화합물을 가리킨다. 금속-공기 전지는 양극(+극)에 공기 중의 산소를 사용한 차세대 이차전지로 가볍고 에너지 밀도가 높은 특징이 있다.

웨어러블 전자제품에 결합될 전지는 높은 에너지 밀도와 출력, 신축성 및 유연성이 요구되고 세탁을 할 수 있어야 하며 발화 위험이 없어야 한다. 하지만 기존의 금속-공기전극은 얇은 선이나 시트형태이거나 스프링 모양으로 신축성 있는 섬유 사이에 전지셀을 배치하는 형태여서 섬유 만틈의 유연성과 신축성을 확보하기 어려웠다.

연구팀이 개발한 갈륨-인듐 공융액체금속공기전지는 섬유실 형태의 몸체 내부에 전극물질을 단순히 흘려 넣음으로써 100% 이상의 신축성과 1㎜ 이하의 반지름으로 구부릴 수 있는 유연성을 지녔다. 기존의 ‘표면 위에 코팅된 전극형태’가 가진 한계를 ‘섬유실 내부에 삽입된 전극형태’로 극복한 것이다.

또 이 전지는 기존 전지에 비해 고용량과 고출력이 동시에 가능하다. 갈륨-인듐 공융액체금속공기전지는 개방회로전압(OVC) 1.8V의 높은 출력을 보여 알루미늄·아연전지 성능보다 2~3배 높았다. 또 액상 전극물질은 전지에서 쉽게 공급과 배출이 가능해 연료전지보다 단순한 형상을 지니면서도 원료의 지속적인 공급으로 연속 운용이 가능하다. 리튬공기전지보다 용량이 낮은 편이지만 리튬은 수분과 만나면 폭발 위험이 있어 안전성 측면에서 더 유리하다.

이중기 책임연구원은 “연구팀이 개발한 전지 기술은 공정이 복잡한 나노공정기술 없이 단순한 혼합공정만으로 제조가 가능해 저비용으로 대량생산이 가능하다. 이번 기술 개발은 4차 산업용 웨어러블용 에너지저장시스템(ESS)에 새로운 해법을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

해외우수신진연구자사업으로 키스트 연구단에 합류한 중국의 리우구쳉(유계성) 박사가 제1저자로 참여한 연구팀 논문은 화학·물리분야 국제학술지 <어드밴스트 에너지 머티리얼스> 14일(현지시각)치 온라인판에 게재됐다.

이근영 선임기자 [e-mail]