알루미늄 직물 기반 고성능 이차전지 전극개발-웨어러블 소자에 적용가능한 이차전지 개발기술 실마리

알루미늄 직물 기반 고성능 이차전지 전극개발-웨어러블 소자에 적용가능한 이차전지 개발기술 실마리

 

등록일 2021.03.17.

 

 

알루미늄 직물 기반 고성능 이차전지 전극개발
웨어러블 소자에 적용가능한 이차전지 개발기술 실마리

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 조진한 교수(고려대학교)와 이승우 교수(미국 조지아텍) 연구팀이 공동으로 쉽게 구할 수 있는 직물 소재에 금속 나노입자 코팅과 알루미늄 전기도금을 통해 고전도성 알루미늄 전극을 제조했다고 밝혔다. 고전도성 알루미늄 전극은 배터리 양극재로 쓰일 수 있다.

□ 리튬이온 이차전지 배터리의 음극재와 양극재는 주로 구리와 알루미늄 박막 필름 위에 코팅하지만, 최근에는 많은 기공을 가진 전도성 직물 위에 코팅하여 단위면적당 더 많은 에너지 물질을 도입, 배터리 성능을 향상시키려고 노력해왔다.
○ 그러나 직물 내부까지 전도성 물질을 균일하게 코팅하기 어렵고 특히 알루미늄 직물은 그 기술적 어려움으로 인해 보고되지 않은 상황이다.

□ 넓은 표면적을 갖는 금속 직물은 배터리 전극 외에 다양한 에너지 및 센서 전극으로 사용될 수 있어 중요하다.

□ 이에 연구팀은 배터리 전극용 고전도성 금속직물 제조를 위해, 폴리에스터 섬유 위에 금속 나노입자를 균일하게 도포하였다.
○ 그리고 널리 사용되는 전기도금 방식을 통해, 금속 직물을 손쉽게 구현했다. 무전해 도금 또는 탄소나노튜브 등을 이용하여 전도성 직물을 제조한 기존 방법에 비해 직물의 전기전도도 및 코팅의 균일도 및 기계적 유연성 등이 향상되었다.

□ 더 나아가 금속 산화물 나노입자와 금속 나노입자의 교대 코팅을 통해 높은 단위면적당 에너지 밀도와 빠른 충·방전 속도를 얻었다.

□ 또한 배터리 양극재로 쓰이는 리튬인산철을 30nm 크기로 매우 균일하게 유기용매에 손쉽게 분산되도록 합성하였으며, 이를 통해 금속 직물 내부 깊숙이 스며들도록 유도함으로써 단위면적당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있었다.
○ 더 나아가 전도성을 갖는 인듐주석산화물(ITO) 나노입자와 교대 적층을 통해 빠른 충방전 속도를 구현시킬 수 있었다.

□ 한편 향후 실용화를 위해서는 경제적인 금속직물 제조공정과 금속 나노입자 적층시간 단축방안, 그리고 고성능 직물전극 제조방안 등에 대한 추가 연구가 필요하다는 설명이다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 응용물리 분야 국제학술지‘어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Review)에 2월 18일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 고려대 조진한 교수>

논문명
Aluminum Textile-Based Binder-Free Nanostructured Battery Cathodes Using a Ligand Exchange Layer-by-Layer Assembly of Metal/Metal Oxide Nanoparticles
저널명
Applied Physics Reviews
키워드
알루미늄 직물(Aluminum textile), 이차전지 (Battery), 층상자기조립법 (Layer-by-layer assembly)
DOI
doi.org/10.1063/5.0039990
저 자
조진한 교수(교신저자/고려대학교), 이승우 교수 (공동교신저자/Georgia Institute of Technology), 남동현 석박사통합과정 (제1저자/고려대학교), 권민성 석박사통합과정 (공동제1저자/고려대학교)

1. 연구의 필요성
○ 고성능 웨어러블 전자기기들에 대한 수요가 증가함에 따라 이러한 기기들에 적용할 수 있는 웨어러블 에너지 저장 소자에 대한 기술 수요도 함께 증대되고 있다.
○ 특히 리튬이온 배터리의 양극재에서 가장 필수적인 알루미늄 집전체는 표면적이 크면 클수록 에너지 활물질의 첨가량이 증가될 수 있는 장점이 있으나, 기술적인 문제 때문에 일반적으로 평평한 알루미늄 포일(Al foil) 위에 에너지 활물질을 두껍게 쌓는 방식을 사용해왔다.
○ 이러한 문제를 해결하기 위해 표면적이 매우 넓은 텍스타일 위에 금속 나노입자를 매우 균일하게 코팅함으로써 전기도금에 필요한 최소한의 전도성을 부여한 후, 추가적인 전기도금을 통해 고전도성 알루미늄 집전체를 제조하였다.
○ 또한 제조된 알루미늄 집전체는 높은 에너지 활물질의 저장능력 및 기계적 유연성을 동시에 확보함으로써, 고성능 웨어러블 에너지 저장소자에 충분히 적용 가능함을 규명하였다.

2. 연구내용
○ 표면적이 매우 넓은 알루미늄 텍스타일 집전체를 제조하기 위해, 폴리에스터 텍스타일 위에 층상자기조립된 금속 나노입자를 내부까지 균일하게 코팅하였다.
○ 이를 통해 제조된 텍스타일은 낮은 전기전도성을 가지고 있으나, 추가적인 전기도금을 통해 벌크 금속과 같은 전도성을 갖는 고전도성 알루미늄 텍스타일 집전체를 구현하는 데 성공하였다. 기존에 사용된 무전해 도금법을 통한 금속 직물 및 탄소나노튜브 도입을 통한 전도성 직물과는 전기전도성 및 표면적에 있어서 비교할 수 없을 정도의 높은 성능을 보였다.
○ 또 제조된 알루미늄 텍스타일 집전체위에 용액분산도가 매우 높고 균일하게 합성된 30nm 크기의 리튬인산철(LiFePO4) 나노입자를 10 nm 크기의 전도성 ITO 나노입자와 교대 적층을 통해 높은 에너지 밀도와 빠른 충방전을 허용하는 고성능 리튬이온 배터리 양극재를 제조할 수 있음을 보고하였다.
○ 더 나아가 제조된 알루미늄 텍스타일 집전체는 기존 에너지 활물질의 상업적인 코팅방식을 그대로 적용할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 배터리 뿐 아니라, 다양한 에너지 전극 집전체 및 바이오센서의 전도성 집전체로 폭넓게 사용할 수 있을 것으로 예상된다.

3. 연구성과/기대효과
○ 금속나노입자 코팅 및 전기도금을 통한 텍스타일 기반의 에너지 전극 집전체는 알루미늄 뿐만 아니라 다양한 금속의 도입을 통해 다양한 금속 텍스타일 집전체를 만들 수 있음을 규명하였다.
○ 특히 개발한 금속 텍스타일 집전체는 표면에서부터 내부까지 매우 균일한 금속 두께로(수십 나노미터에서 마이크론 미터 두께)로 코팅이 가능, 다양한 에너지 전극 (배터리, 슈퍼커패시터, 바이오연료전지 및 물분해 전극)등에 사용될 수 있으며, 높은 표면적과 전기전도성을 요구하는 바이오센서 전극 등에도 폭넓게 응용될 것으로 기대된다.

그림 설명

 

(그림) 직물기반 이차전지 전극의 제작방법
(위) 금 나노입자 (Au NP)를 단분자 유기물 분자 (DETA)와 교대 반복 적층시킴으로 폴리에스터 섬유위에 균일하게 코팅한다. 이를 통해 전기도금에 필요한 최소한의 전기전도성을 섬유에 부여한다.
(가운데) 추가적인 알루미늄 (Al) 전기도금을 수행함으로써, 고전도성을 갖는 알루미늄 직물 전극 (Al-electroplated textile, Al-ET)을 제조한다.
(아래) 제조된 알루미늄 전극 (Al-ET) 위에 30 nm 크기의 리튬인산철 나노입자와 유기물 분자와 교대 반복 적층시키고, 추가적으로 인듐주석산화물 나노입자와 유기물 분자와의 추가적인 삽입을 통해 최종적인 직물 기반 배터리 양극을 완성한다.
본 연구에서 개발된 알루미늄 직물 기반 이차전지 전극은 리간드 교환 층상자기조립법을 이용한 금속 나노입자와 단분자 링커 (diethylenetriamine, DETA)와의 교대 적층 (층상자기조립 기반 적층)을 통해 직물에 전도성을 부여한 후 니켈과 알루미늄 도금을 순차적으로 진행하여, 알루미늄 텍스타일 집전체를 제조한다. 더 나아가 에너지 저장 능력이 우수한 리륨인산철 나노입자 (LFP 나노입자)와 전도성 금속산화물 나노입자(ITO NP)를 교대 적층시킴으로써 높은 에너지 저장능력을 가지면서 빠른 충방전이 가능한 알루미늄 텍스타일 기반 양극재를 제조하였다.
용어설명: Au NP (Au Nanoparticle: 금 나노입자), DETA (diethylenetriamine, 유기물 단분자 링커), Al-ET (Al-electroplated textile, 알루미늄 전기도금된 직물), LFP NP (LiFePO4, 리튬인산철), ITO NP (indium tin oxide nanoparticle, 인듐주석산화물 나노입자), ITO-LFP-ET (ITO와 LFP 나노입자가 코팅된 금속직물)

그림 및 그림설명 제공 : 고려대학교 조진한 교수

 

연구 이야기

<작성 : 고려대 조진한 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

일상생활에서 광범위하게 사용되고 있는 텍스타일(면, 폴리에스테르 및 나일론 섬유 등)은 사용되는 섬유의 굵기와 밀도에 따라서 높은 표면적을 더 크게 증가시킬 수 있으며 기계적으로 매우 유연하기 때문에, 이것들이 에너지 전극을 위한 집전체로 사용된다면, 다양한 산업분야에서 매우 큰 파급효과가 있을 것으로 생각되어 왔다. 비록 다양한 전도성 텍스타일 집전체가 보고되어 왔으나, 기존에 보고된 텍스타일 집전체들은 벌크 금속과 같은 높은 전기전도성을 가지지 못하며, 균일한 금속 코팅이 텍스타일 안쪽까지 형성되지 못하였다. 특히, 배터리의 양극재로 광범위하게 사용되는 알루미늄 집전체는 기술적인 어려움 때문에 텍스타일 형태로 보고된 적이 없었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

기존에 보고된 금속 텍스타일은 무전해 도금법(chemical reduction)을 사용하거나, 탄소나노튜브의 삽입을 통해 만들어져왔기 때문에, 텍스타일 전체적으로 균일한 금속 코팅 및 벌크 금속과 같은 높은 전기전도성을 구현하는데 많은 어려움을 겪어왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 텍스타일의 표면개질을 통해 금속 나노입자의 균일한 코팅을 유도하고, 전기도금이 가능한 최소한의 전기전도성을 갖도록 나노미터 두께로 코팅하였다. 이를 통해 형성된 전도성 텍스타일의 전기전도성을 더욱 높이기 위해 상업적으로 광범위하게 사용되고 있는 전기도금법을 통해 알루미늄 텍스타일 전극을 제조하였다. 더 나아가서, 배터리의 양극재로 사용되고 있는 LFP 물질을 30 nm 크기의 나노입자로 새롭게 합성하고, 추가적인 전도성 ITO 물질을 10 nm 크기의 나노입자로 제조 및 교대 적층시킴으로써 에너지 저장 밀도 및 충방전 속도를 획기적으로 향상시켰다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

직물위에 다양한 금속을 전기도금을 하기 위해 먼저, 직물위에 최소한의 전도성을 부여하는데 있어서 필요한 전기전도도의 확보 및 균일한 코팅의 문제가 매우 어려운 문제로 작용하였다. 이를 해결하기 위해, 금속 나노입자의 층상자기조립이라는 적층방법을 통해 해결하였으며, 알루미늄의 전기도금을 위해 수용액 대신 이온성 액체의 도입을 통해 성공하였다.

 

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

알루미늄 전극은 배터리 양극재의 집전체로서, 주로 알루미늄 포일 형태로 사용되고 있다. 따라서 포일 표면 위에 에너지 활물질을 두껍게 코팅하여 에너지 저장밀도를 높일 경우, 활물질 사이의 낮은 전하이동의 문제로 인해, 충방전 속도에 영향을 미치며, 더 나아가서, 알루미늄 포일과 활물질 사이에 높은 잔류응력의 발생에 따라 박리현상이 발생될 수 있다.
반면에, 본 연구개발은 텍스타일 바깥 표면 뿐 아니라 내부안쪽까지 에너지 활물질의 손쉬운 침투로 인한 균일한 코팅이 가능하여, 에너지 활물질의 적층량을 비약적으로 높일 수 있으며 (에너지 저장용량의 향상), 텍스타일 내부의 얽혀있는 수많은 금속 섬유를 통해 충방전 속도를 향상시킬 수 있다.
본 연구결과는 고성능의 금속 텍스타일을 층상자기조립과 전기도금이 융합된 새로운 기술로 손쉽게 만들 수 있음을 규명하였고, 특히, 알루미늄 텍스타일을 처음으로 제조하여 배터리 양극재를 위한 3D 기공성 집전체로서의 사용 가능성을 보였다. 더 나아가서, 부피가 큰 기존의 탄소나노튜브의 사용을 배제하고, 나노크기의 에너지 활물질과 전도성 나노입자의 교대적층을 통해 높은 에너지 저장능력과 충방전을 획기적으로 증대시킬 수 있음을 처음으로 규명하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

1) 배터리, 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장용 전극에 금속 텍스타일 전극을 적용시킴으로써 단위면적당 에너지 밀도와 파워 밀도를 크게 향상시킬 수 있다.
2) 물분해 전극용 집전체 역시 단위면적당 높은 활성 표면적을 갖는 전극제조가 필수적이며 이를 통해 단위면적당 많은 양의 수소를 발생시킬 수 있다. 본 연구에서 개발한 방법은 텍스타일 전극위에 물분해용 촉매물질을 코팅시킴으로써 고성능 물분해 전극 집전체에도 활용 가능하다.
3) 바이오연료전지용 전극 역시, 금속 텍스타일 집전체를 적용시킴으로써 단위면적당 높은 파워밀도를 구현시킬 수 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

금속 직물의 상업화를 위해 기존 배터리 전극뿐만 아니라, 다양한 웨어러블 기기의 전극체로 확대 발전시키고 싶으며, 생산 단가를 낮추기 위한 노력을 진행하고 있다.