[신기술 소개] 스프레이 표면이 가능한 Li-ion 배터리의 개발 - Flexible Printed Circuits -

KIC News, Volume 15, No. 4, 2012

KIC News, Volume 15, No. 4, 2012 35 해석이 용이하지 않고 농도 분포의 가시화는 곤란했다.

시료가 얇은 경우, EELS 스펙트럼의 2층 미분값이 이론적으로 농도에 비례하는 사실을 발견, 2층 미분 값을 이용한 신호 강도 해석 방법을 독자적으로 개발하는 것으로, 리튬에 의한 신호 강도를 계량 농도 분포 로 가시화하는 것에 성공했다. Figure 3과 같이 실제 충전, 방전의 각 과정에서 꺼낸 시료 입자에 대한 전 이 금속 원소 농도 분포와 리튬 원소 농도 분포를 모두 관측할 수 있게 되어 각 과정에서 리튬 이온 거동을 가시화하여 확인할 수 있었다.

Figure 3. 리튬 이온 전지의 양극 재료 (Li2MnO3-LiFeO2) 리튬 원소 농도 분포(왼쪽)와 전이 금속 원소 농도 분포 (오 른쪽). 리튬 원소 농도는 청색 → 녹색 → 적색 → 황색 차례로 오른다. 전이 금속 농도 분포는 노란색이 철을 포함 LiFeO2 도메인(오른쪽 그림 B' ), 녹색 파랑이 망간을 포함 Li2MnO3 도메인(오른쪽 그림 A' ). 50% 충전(충전 정극 재 료에서 리튬을 뽑아 과정)의 것으로, LiFeO2 도메인(왼쪽 그림 B)에서 리튬이 빠져 있지만, Li2MnO3 도메인(왼쪽 그림 A)에는 리튬이 남아 있다.

출 처 : 일본산업기술종합연구소(2012. 7. 30) 작 성 : 김 선 회(상지대학교)

스프레이 표면이 가능한 Li-ion 배터리의 개발

- Flexible Printed Circuits -

라이스 대학 연구팀은 배터리 설계에 새로운 접근 방식을 도입하였다. 다양한 표면에 스프레이가 가능한 재료를 사용하여 배터리 제조에 대한 새로운 접근법을 제시하였다. 이 기술은 flexible printed circuits과 spray-on 태양전지의 기술을 결합하여 휴대폰이나 카메라와 같은 스마트 디바이스 등에 혁신적인 에너지 저장장치로서 적용이 가능할 것이다.

기존 리튬 이온 전지는 양극, 세퍼레이터, 음극과 금속 포일의 전류집전체를 포함한 다양한 구성 요소의 여러 층으로 만들어진다. 이 ‘jelly-role’ 구조는 리튬 이온 배터리의 구조를 원통형 혹은 사각형, 또는 프 리즘 모양의 구조로 제한한다.

라이스대학 연구팀은 스프레이가 가능한 액체 구성 요소를 이용했다. 다섯 개의 기존의 전지를 이용하여

http://www.ksiec.or.kr

36 공업화학 전망, 제15권 제4호, 2012

Figure 1.라이스대학 연구팀이 개발한 태양전지로 충전하는 LED 전원공급 목욕탕 바닥타일.

아홉 개의 목욕실 타일과 맥주잔과 같은 물건으 로 적용되었다. 이 기술은 세라믹, 스테인리스 스틸 및 flexible polymer에 사용될 수 있음을 발견되었다.

욕실 타일 배터리는 병렬로 연결되고 태양전 지와 연결되어 6시간 동안 LED 조명을 점등하 였고 배터리는 2.4 V의 전압을 안정적으로 공 급하였다.

이 기술의 핵심 과학은 다양한 배터리 구성 요소에 적합한 액체 성분의 발견이다. 리튬 이 온 배터리는 주로 양극의 전류집전체로서 알루 미늄 호일을 사용하지만 전도성 알루미늄의 미 세입자는 스프레이되는 경우 건강문제를 야기 하기 때문에 연구진은 전류집전체로서 single- walled 나노튜브를 사용하였다.

연구진은 여러 가지의 층이 분사 후 박리되는 문제점을 발견하였다. 수지, 플렉시 글라스, 그 리고 이산화규소의 혼합물로 이루어진 고분자

도료에 정착한 200 µm 두께의 세퍼레이터를 사용하여 기계적 안정성을 확보하여 기판과 배터리 모양의 선택에 높은 자유도를 가지고 거의 모든 소재에 인쇄할 수 있고, 성능의 손실없이 배터리의 제작이 가능해 졌다. 그러나 리튬 코발트 산화물의 스프레이가 일반적이지 못하고 또한 리튬 이온 전지의 구성 요소는 공 기와 습기에 민감하다는 문제점이 있다. 그럼에도 불구하고 스프레이 방식은 공업용 스프레이건을 이용할 수 있기 때문에 양산에 맞는 유용한 응용분야를 찾을 수 있다면 상용화가 가능할 것이다.

Figure 2. Jelly-roll형의 구조를 가지는 기존방식의 리튬이온전지(왼쪽)에 비하여 라이스대학 연구팀의 방식은 배터리 의 active component에 물감을 사용하여 표면에 스프레이 코팅이 가능하다(오른쪽).

출 처 : MIT Technology Review (2012. 7. 2) 작 성 : 김 선 회(상지대학교)