3D프린팅으로 배터리 만든다…니켈 잉크 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 사물인터넷, 센서, 웨어러블 기기 등 크기가 작고 자유로운 형태의 배터리가 필요한 곳에 사용할 수 있는 3D프린팅용 집전체 소재가 개발됐다.

26일 한국화학연구원 최영민·김태호 박사팀과 경희대학교 정선호 교수팀은 니켈 금속과 고분자 재료를 혼합한 3D 프린팅용 금속 잉크를 개발했다고 발표했다.

개발된 잉크 소재는 전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지에 들어가는 집전체를 3D프린팅 방식으로 제작할 수 있게 한 것이다. 전기전도성과 고전압 안정성 등 집전체 소재로 쓰기에 충분한 성능을 확보했으며, 주 재료로 니켈을 활용해 금을 증착하는 방식에 비해 가격이 매우 저렴하다.

웨어러블 기기, 센서, 소형 로봇, 인체삽입형 소자 등은 크기가 작고 다양한 형태를 지니고 있어 여기에 들어가는 전지도 3D프린팅 기술로 정교하게 제작할 필요가 있다.

전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC)는 구조가 단순하고 수명이 길어 이러한 용도의 3D 프린팅용 전지 후보로 꼽히고 있지만, 전극이나 전해질에 비해 집전체 소재의 경우 3D프린팅이 가능한 소재 개발이 더디다.

연구팀에 따르면 탄소나노튜브나 은나노섬유로 이루어진 소재가 개발된 적은 있었지만 성능에 한계가 있었다. 이번에 개발한 소재는 집전체의 성능을 평가하는 중요한 기준인 전기전도성과 고전압에서의 안정성을 모두 높은 수준으로 충족시켰다.

연구팀이 개발한 소재는 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 크기의 니켈 입자와 소량의 고분자 소재(PVP)등을 혼합해 만들었다. 잉크 소재는 프린팅된 후, 극히 짧은 순간(1/1000초) 빛을 쬐어주면 잉크 속 니켈 입자 들이 서로 연결되며 전기전도성이 극대화된다. 동시에, 고분자 소재의 순간적인 광분해 현상과 함께 니켈 입자가 다른 입자로부터 전자를 받는 환원반응이 일어나 표면에 전도성 보호층이 생긴다. 이 보호층 덕분에 전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지의 최고전압(3V) 조건에서도 안정성을 오래 유지하는 것으로 나타났다. 에너지밀도도 3D 프린팅 공정이 아닌 기존 증착 공정이나 리소그래피 공정으로 만든 소자와 비슷한 수준을 나타냈다.

연구팀은 “인쇄 공정을 이용한 맞춤형 전지를 제작할 수 있는 공백 기술을 개발했다는 점에 큰 의의가 있다”며 "슈퍼커패시터를 넘어 고전압, 고전도성이 요구되는 다양한 이차전지에도 폭넓게 적용될 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술”이라고 자평했다.

이번 연구 관련 논문은 ‘Advanced Functional Materials’ 6월호에 실렸다. (논문명 : A Printable Metallic Current Collector for All-Printed High-Voltage Micro-Supercapacitors: Instantaneous Surface Passivation by Flash-Light-Sintering Reaction)