나노기술 및 정책 정보

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웨어러블 스마트 장치가 운동 및 의료 건강 분야에서 폭넓게 응용됨에 따라 유연하고 휘어질 수 있는 전기화학적 에너지 저장 장치를 개발하는 것이 중요한 요구사항이 되었음.

그러나 플렉시블 에너지 저장기기는 일반적으로 화학/물리적 증착, 조립, 마이크로 나트륨 가공 등 특수 공법으로 제조되며, 소재의 선택과 사용이 제한되어 있기 때문에 플렉시블 디바이스의 고비에너지와 기계적 유연성을 얻기 어려움.

그 외, 이런 특수 공정은 현재 상용화된 배터리/슈퍼 커패시터 생산 공정과 호환되지 않을 수 있으며 양산 공정에 적용하기 어려움.

중국과학원 전공(電工) 연구소 마옌워이(馬衍偉, 마연위) 연구원 연구팀은 고성능 플렉시블 에너지 저장 디바이스 제조 기술을 개발하고, 소재에서 디바이스에 이르기까지 혁신 디자인을 통해 고비에너지를 가지면서 플렉시블 고체전해질 리튬이온 커패시터 양산 기술을 개발하였음.

연구팀은 자체 확산 고온 합성 방법을 사용하여 빠르고(초 급(second grade)), 에너지 소모가 적고, 형상이 큰 질소 도핑 다단 탄소를 제조하였음. 고질소 함량(12%)과 1차원 및 2차원의 복합 다단계 구조의 탄소 소재를 리튬의 음극으로 사용함으로써 800mAh/g의 가역적 비율 용량을 제공함.

한 단계 더 활성화되는 과정을 통해 질소 다단 탄소는 풍부한 메조포러스(Mesoporous)의 질소 및 탄소 양극으로 변환될 수 있음. 이런 풍부한 메조포러스의 질소 및 탄소 양극은 높은 비표면적과 전도도를 가지는 데 각각 2,356m2/g 과 15,000s/m 수준을 보임.

연구팀은 합성한 양극 소재, 음극 소재와 폴리머 겔 전해질을 기반으로 알루미늄 플라스틱 케이스 패키징(Pouch-cell) 리튬 이온 커패시터를 제조하였는데 에너지 밀도는 170Wh/kg 수준에 달하며 사이클 안정성이 우수함.

알루미늄 플라스틱 패키징의 리튬이온 커패시터는 강성 디바이스(rigid device)로서 휠 수 없음. 플렉시블 특성을 구현하기 위해 연구팀은 롤 프레스 프린팅 기술을 개발하여 알루미늄 플라스틱 패키징 리튬 커패시터로 하여금 파도 모양의 구조를 가지도록 하였으며, 유한 원소(finite element) 시뮬레이션을 통해 파도 구조는 디바이스의 구부러짐/신축(伸縮) 공간을 제공하여 디바이스가 휘어질 때의 응력을 효과적으로 낮출 수 있음을 입증하였음.

연구팀이 현장 전기화학 측정 테스트는 수천 번의 굽힘 후에도 파도 모양의 리튬이온 커패시터 용량은 거의 감소하지 않고 이상적인 플렉시블 성능을 보여주었음.

연구팀이 개발한 기술은 알루미늄 플라스틱 배터리/슈퍼커패시터의 플렉시블 특성을 실현할 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 일상적인 제조 공법과 호환할 수 있는 동시에 플렉시블 에너지 저장 디바이스 양산을 실현할 수 있는 기술과 방법을 제공하여 그 의미가 주목됨.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ ("Scalable Production of Wearable Solid‐State Li‐Ion Capacitors from N‐Doped Hierarchical Carbon") 지에 게재됨.