KAIST, 에너지 저장·하중지지 동시 가능 구조배터리 개발

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 에너지 저장과 하중 지지가 동시에 가능한 탄소섬유 복합재료구조 배터리를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김성수 교수 연구팀이 하중 지지가 가능하면서 화재 위험이 없고 얇고 균일한 고밀도 다기능 탄소섬유 복합재료구조 배터리를 개발했다고 19일 밝혔다.

초기의 구조 배터리는 상용 리튬이온전지를 적층형 복합재료에 삽입한 형태로, 기계적-전기화학적 성능 통합 정도가 낮으므로, 이는 소재 가공, 조립 및 설계 최적화에 어려움이 있어 상용화하기 어려운 실정이었다.

이에 연구팀은 ‘에너지 저장이 가능한 복합재료’의 관점에서 기존 복합재료 설계에서 중요한 계면 및 경화 특성을 중심으로 구조전지의 다기능성을 최대화할 수 있는 고밀도 다기능 탄소섬유 복합재료구조 배터리를 개발하기 위한 체계적인 방식을 연구했다.

연구팀은 기계적 물성이 높은 에폭시 수지와 이온성 액체/탄산염 전해질 기반 고체 폴리머 전해질이 단단해지는 경화 메커니즘을 분석하고 이를 통해 적절한 온도와 압력 조건을 제어해 경화 공정을 최적화했다.

개발된 구조 배터리는 진공 분위기에서 복합재료를 압축 성형해 전극과 집전체 역할을 담당하는 탄소섬유의 부피 비율을 기존 탄소섬유를 활용한 배터리 대비 약 160% 이상 향상했다.

연구팀은 이를 통해 전극과 전해질과의 접촉면이 획기적으로 증가함으로써 전기화학적 성능을 개선된 고밀도 구조 배터리를 제작할 수 있었다. 또 경화 공정 중 구조배터리 내부에 발생할 수 있는 기포를 효과적으로 제어해 구조 배터리의 기계적 물성을 동시에 향상시켰다.

김성수 교수는 “고강성 초박형 구조 배터리의 핵심 소재인 고체 폴리머 전해질을 소재 및 구조적 관점에서 설계하는 프레임워크를 제시했다"며 "이는 소재 기반의 구조배터리를 자동차, 드론, 항공기, 로봇 등의 구조체 내부에 삽입해 한번 충전으로 작동시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 차세대 다기능 에너지 저장 애플리케이션 개발에 도움을 주는 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.

KAIST 기계공학과 모하마드 라자 석사가 제1 저자로 참여한 이번 연구의 성과는 국제 저명 학술지 'ACS 응용 재료 및 인터페이스'에 지난 9월10일 게재되고, 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.

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