국내 연구진이 작고 자유로운 형태의 배터리를 제조할 수 있는 3D프린팅용 집전체 소재를 개발했다.
한국화학연구원 최영민·김태호 박사팀과 경희대학교 정선호 교수팀은 니켈 금속과 고분자 소재를 혼합한 3D프린팅용 금속 잉크를 개발했다고 발표했다.
전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지에 들어가는 집전체를 3D프린팅 방식으로 제작할 수 있도록 한 것으로, 전기전도성과 고전압 안정성 등 집전체 소재로 사용하기에 충분한 성능을 확보했으며 주요 소재로 니켈을 활용해 금을 증착하는 방식에 비해 가격을 낮추었다.
웨어러블(Wearable) 기기, 센서, 소형로봇, 인체삽입형 소자 등은 크기가 작고 형태도 다양해 배터리도 3D프린팅 기술로 정교하게 제작할 것이 요구되고 있다.
EDLC는 구조가 단순하고 수명이 길어 3D프린팅용 배터리 후보로 주목받았으나 전극, 전해질은 3D프린팅 소재 개발이 어느 정도 이루어진 반면 집전체 소재는 개발이 더디고 과거 CNT(Carbon Nano Tube)나 은나노섬유로 이루어진 소재가 개발된 적이 있으나 성능에 한계가 있던 것으로 알려졌다.
연구팀이 개발한 소재는 집전체의 성능을 평가하는 중요한 기준인 전기전도성과 고전압에서의 안정성을 모두 높은 수준으로 충족시켰다.
나노미터, 마이크로미터 크기의 니켈 입자와 소량의 고분자 소재(PVP) 등을 혼합해 합성했다.
잉크 소재는 프린팅된 후 극히 짧은 순간(1000분의 1초) 빛을 조사하면 잉크 속 니켈 입자끼리 서로 연결되며 전기전도성이 극대화되며 동시에 고분자 소재의 순간적인 광분해 현상과 함께 니켈 입자가 다른 입자로부터 전자를 받는 환원반응이 일어나 표면에 전도성 보호층이 생긴다.
보호층 덕분에 EDLC 전지의 최고전압(3V) 조건에서도 안정성을 오래 유지할 수 있으며 에너지밀도도 3D프린팅 공정이 아닌 기존 증착공정이나 리소그래피 공정으로 만든 소자와 비슷한 수준을 나타냈다.
연구팀은 “인쇄 공정을 이용한 맞춤형 전지를 제작할 수 있는 공백기술을 개발했다는데 의의가 있다”며 "슈퍼커패시터를 넘어 고전압, 고전도성이 요구되는 다양한 2차전지에도 폭넓게 적용할 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술”이라고 평가했다. (K)