미국, 접을 수 있는 리튬이온 배터리 개발

애리조나대학(The university of Arizona) Qian Cheng 박사가 이끄는 연구진은 종이를 기반으로 하는 리튬이온 배터리에 관한 연구를 저널 Nano Letters 최근호를 통해 발표했다.

그림(위). 리튬이온배터리를 미우라 패턴으로 접고 있는 모습, 에너지 밀도와 커패시턴스는 14배 이상 증가하였다. 
그림(아래). 접힌 배터리와 접히지 않는 배터리의 커패시턴스 비교

이번 연구에 참여한 Candace Chan 교수는 “접을 수 있는 배터리는 특정 기판에 한정되어 있던 기존 소자의 출력을 높이는 데 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다. 또한 “종이를 기반으로 하는 접을 수 있는 소자는 단일 소자로서의 기능 외에도 집적소자의 일부분으로 전원을 공급하는 역할을 수행한다. 이를 통해서 플렉시블 소자 개발에 중요한 부분을 차지할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

연구진은 탄소 나노튜브(CNT) 잉크로 리튬이온 배터리를 만들었는데, CNT 잉크는 전류 컬렉터의 역할을 한다. 종이 기판 위에 CNT 잉크의 부착성을 높이기 위해서 PVDF(polyvinylidene difluoride) 코팅을 했다. 최종적으로 만들어진 리튬이온 배터리는 전도성이 매우 뛰어나고 여러 번의 충·방전 사이클링을 진행해도 안정적인 커패시턴스(Capacitance)를 가지는 것으로 확인되었다. 

연구진은 리튬이온 배터리를 단순히 접는 것 외에도 다소 복잡한 미우라-오리(Miura-ori) 접기 방식을 적용했다. 배터리를 반으로 접는 동안에 면적당 에너지 밀도와 커패시턴스가 1.9배, 4.7배, 10.6배로 증가하는 것을 확인하였다. 연구진은 면적이 6cm×7cm를 접어서 최종 면적을 1.68㎠로 줄일 수 있었다. 이 때, 커패시턴스는 14배 이상 늘어나고, 배터리는 25층을 이루었다. 연구진은 면적밀도 개념을 사용했으며, 접는 과정에서 배터리 무게는 변하지 않는다. 

이 연구는 저널 Nano Letters에 "Folding Paper-Based Lithium-Ion Batteries for Higher Areal Energy Densities"라는 제목으로 게재되었다. (DOI: 10.1021/nl4030374) 

출처 : http://phys.org/news/2013-10-batteries-areal-energy-density.html