기계/재료

다롄화학물리연구소, 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리 개발

발행일 : 2019 / 07 / 19

최근, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 2차원재료·에너지소자 우중솨이(吳忠帥) 연구팀은 저원가, 규모화 스크린 인쇄(Screen printing) 기술을 개발하여 양호한 상업 응용 전망, 고유연성, 고안정성 및 장수명 기능을 보유한 2차원 수계 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리를 제조했다. 해당 연구성과는 “National Science Review”에 게재됐다. 한국 울산과학기술원(UNIST) 마이크로형 에너지저장 전문가 이상융(LI Sang-yong) 교수는 해당 저널에 “규모화, 안전성, 인쇄 가능한 아연-망간 평면 마이크로형 배터리의 지능형 전자 소자 분야에서 광범위한 응용”이라는 평론 문장을 발표하여 해당 연구성과를 높게 평가했다.

차세대 마이크로화 웨어러블 전자 제품의 개발과 더불어 해당 제품에 필수적인 신개념, 고안전성, 장수명 마이크로형 에너지저장 소자인 평면화 마이크로형 배터리 수요가 절박하다. 전통적인 샌드위치구조 배터리는 부피가 크고 기계적 유연성이 차하며 굽힘 상태에서 아래쪽 계면이 쉽게 분리되는 등 단점이 존재한다. 높은 집적화 특성을 보유한 평면화 마이크로형 배터리는 해당 단점을 보완할 수 있기에 매우 유망한 새로운 웨어러블 전자 소자 전력원으로 거듭날 전망이다.

유기 전해액을 대체할 수 있는 고안전성 수계 전해액 개발은 고안정성 수계 평면화 마이크로형 배터리 제조의 핵심이다. 아연-망간 수계 배터리는 전극재료에 대량의 에너지저장이 가능하기에 관심사로 떠오르고 있다. 하지만 현재 집적 전자소자와 높은 호환성을 보유한 고안전성, 저원가 평면 아연-망간 배터리 핵심 제조 기술은 아주 결핍하다.

상기 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 원가가 낮고 간단하고도 고효율적이며 규모화한 스크린 인쇄 기술을 개발하여 양호한 기계적 유연성, 고안전성 및 장수명을 보유한 신개념 수계 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리를 개발했다. 연구팀은 먼저 이산화망간, 아연 분말, 그래핀을 기능성 재료로 하여 아연-망간 배터리의 양극과 음극 및 그래핀 컬렉터(Collector) 요변성 잉크(Thixotropic ink)를 배합했다. 다음으로 다단계 스크린 인쇄 방법을 이용해 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리의 간단한 저원가 규모화 제조를 달성했다.

아연-망간 배터리는 친환경적이고 안전성이 뛰어날 뿐만 아니라 작동 수명도 길다. 5C 전류밀도 조건에서 1,300 라운드 순환한 후에도 83.9%의 비용량(Specific capacity)을 유지할 수 있으며 동시에 뛰어난 기계적 유연성 및 성능 일치성을 보유한다. 이외 인쇄 기판의 다양성은 다양한 응용 상황 요구를 만족한다. 스크린 인쇄는 산업 분야에서 이미 성숙된 기술이다.

동 연구는 산업 응용 전망이 아주 높은 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리 규모화 제조 방법을 제안함으로써 기타 평면화 유연성 에너지정장 소자 개발에 새 아이디어를 제공했다.