방탄 배터리: 더 얇고 안전한 리튬 이온 전지를 위한 케블라 멤브레인 활용

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-29

미시간대학(University of Michigan) 연구팀의 새로운 전지 기술을 사용했다면, 2013년 발생한 Boeing 787 Dreamliners에서와 같은 화재를 막을 수 있었을 것이다. 본 기술의 핵심은 리튬-이온 전지에서 전극 사이에 개선된 차단막을 사용하는 것이다. 방탄복에서 사용되는 질긴 물질인 케블라(Kevlar)에서 추출한 나노섬유를 이용한 이 차단막은, 원치 않는 경로로 전류가 흐르도록 유발하는 금속 덩굴(tendril)의 성장을 억제한다. 또한 미시간대학 연구팀은 Ann Arbor에 소재한 Elegus Technologies를 설립하여, 본 기술의 상품화를 준비하고 있다. 대량생산은 2016년 4분기에 시작될 것으로 예상된다. 탄소 나노튜브와 같은 초강력 물질과는 달린, 케블라는 절연체이다. 이 성질은 두 개의 전극 사이에서 단락(shorting)을 방지하는데 필요한 분리막의 역할을 완벽히 수행할 수 있다고 Nicholas Kotov 교수는 밝혔다. 리튬-이온 전지는 한 전극에서 리튬 이온을 다른 전극으로 이동시킴으로써 작동한다. 이로써 전하의 불균형을 유발하며, 전자들이 전극 사이의 막(멤브레인)을 통과할 수 없기 때문에 대신 회로를 통해 이동하게 된다. 만약 막의 구멍이 너무 크면, 리튬 원자는 덴드라이트(dendrite)라고 불리는 수지상 모양을 스스로 형성할 수 있게 되어 결국 막을 관통하게 된다. 만약 이 덴드라이트가 다른 전극에 도달하면, 전자는 전지 내에서 경로를 확보하게 되어 회로를 단락시킨다. 이것은 Boeing 787에서 전지의 화재가 시작된 상황이기도 하다. 나노크기의 팁으로 인해 수지상 모양의 성장을 억제하는 것은 어렵다. 섬유를 이용해 팁 크기보다 더 작은 구멍을 형성하는 것은 매우 어려웠다고 Elegus의 최고기술경영자(chief technology officer)이자 Kotov 실험실의 대학원생인 Siu on Tung은 밝혔다. 비록 다른 막의 구멍의 폭이 수 백 나노미터 정도이지만, 미시간대학의 연구팀이 개발한 막의 구멍의 크기는 15∼20나노미터에 불과하다. 이 정도 구멍의 크기는 개별 리튬 이온이 통과할 있을 정도로 크지만, 수지상 모양의 팁을 억제할 정도로 충분히 작은 크기에 해당한다. 연구팀은 얇은 시트의 각 상부에 섬유를 적층시킨 막을 제조하였다. 이 방법은 플라스틱의 체인과 유사한 모양의 분자가 신장된 상태를 유지하도록 도와주며, 이런 형태의 유지는 전극 사이의 리튬-이온 전도성의 유지에 중요한 역할을 한다. 이 물질의 특별한 특징은 매우 얇게 제조할 수 있다는 점으로, 동일한 전지 크기에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 의미이며 동시에 전지의 크기를 소형화할 수 있음을 의미한다. 업계에서는 더 얇은 제품에 관심을 보이고 있으며, 이미 30개 업체에서 이 제품의 샘플을 요청한 상태이다. 또한 케블라의 열 저항성은, 현재 사용되고 있는 대부분의 막에 비해 화재 발생 가능성이 적어서 더 안전한 전지로 만들어주게 된다. 비록 연구팀은 리튬 덴드라이트의 억제할 수 있는 능력에 만족하고 있지만, 현재 리튬 이온의 흐름을 더욱 개선하여 전지가 에너지를 더 빠르게 충전하고 방전할 수 있는 방법을 탐색하고 있다. 본 연구결과는 Nature Communications지 1월 27일자에 게재되었다. 그림 1> (PEO/ANF) 복합재료와 금속 덴드라이트. (a) Celgard ICM를 관통하고 있는 구리 덴드라이트의 주사전자현미경 사진. (b) 구리(우측) 및 리튬(좌측) 덴드라이트 팁의 주사전자현미경 사진. (c) ANF의 투과전자현미경 사진. PEO = poly(ethlylene glycol), ANF=aramid nanofiber 그림 2> PEO/ANF 나노섬유 네트워크의 원자힘현미경 사진 원문정보: Siu-On Tung, Szushen Ho, Ming Yang, Ruilin Zhang & Nicholas A. Kotov (2015) “A dendrite-suppressing composite ion conductor from aramid nanofibres” Nature Communications 6, Article number: 6152 doi: 10.1038/ncomms7152 1-SEM.jpg 2-ANF.jpg http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38845.php