신소재: 신형 유연섬유 에너지 저장 설비를 몸에 입을 수 있다

플렉시블 섬유 배터리는 매우 흥미로운 배터리입니다. 푸단대학 펑후이성 팀은 2013년에 처음으로 섬유 리튬이온 배터리를 제안하고 세계 최초로 구현했습니다.이 전지는 유연한 1차원 섬유로 각종 유연한 방직품으로 짜일 수 있다.섬유는 일상생활에서 흔히 볼수 있다. (예를 들면 우리가 입은 옷과 걸어다니는 카펫은 모두 섬유로 엮여있다.) 만약 에너지저장능력을 섬유에 결합한후 사용가능한 방직품으로 엮는다면 이는 우리의 생활에 천지개벽의 변화를 가져다줄것이다. 그때 전지는 옷처럼 착용할수 있고 무수한 전자설비에 전력을 공급할수 있다. 이런 옷을 입기만 하면움직이는 보조배터리가 만들어졌다.

섬유 리튬이온전지를 먼저 실현한 팽혜승은 누구인가. 공개된 자료에 따르면 그는 국가의 걸출한 청년기금 수상자, 국가의 두드러진 공헌이 있는 청년전문가, 국가중점연구개발계획 수석과학자로서 2006년 10월에 미국에너지부 로스알라모스국가실험실 (Los Alamos National Laboratory) 에 가입하여 독립적으로 연구사업에 종사하기 시작했다.2008년 10월에 복단대학으로 돌아와 사업하였는데 현재 고분자과학학부와 선진재료실험실의 교수, 박사생지도교수로 있다.

이미 2021년 9월 그의 팀은 높은 안전성과 고성능을 겸비한 신형 섬유 폴리머 리튬이온 배터리로 최고 학술지'네이처'(Nature)에 논문을 발표했다.그러나 섬유 폴리머 에너지 저장 배터리를 어떻게 신속하고 규모화하여 제조할 것인가는 스마트 섬유 분야에서 오랫동안 직면해 온 병목 현상이다.그러나 팽혜승 선생님의 팀은 완전하게 다른 부품 구조로 인해 덩어리 모양의 리튬이온전지를 위한 전극 제조와 부품 구축 방법이 섬유 리튬이온전지에 적용되기 어렵고 국제적으로 섬유 리튬이온전지의 연속화 제조 연구는 거의 공백 상태이기 때문에"강골"을 원하는 팀이다.그러나 끈질긴 연구 끝에 이 팀은 섬유 전지의 규모화 생산의 새로운 노선을 찾았다.

지난해만 해도 관련 연구 성과는'용액 압출법 산업화 제조 섬유전지'('Industrial scale production of fibre batteries by a solution-extrusion method')라는 제목으로'자연-나노기술'(Nature Nanotechnology)에 온라인으로 발표됐다.이전에 섬유전지의 제조는 대부분 평면전지의 제조방법에 기초하였는데 층층이 코팅공정을 통해 생산된 섬유전지는 성능이 좋지 못하고 생산효률이 낮아 실제응용의 요구를 만족시킬수 없었다.이 중 가장 큰 어려움은 이렇게 정교하고 부드러운 섬유 구조에서 어떻게 배터리의 각 기능 성분 간의 인터페이스 안정성을 유지하고 전기화학 활성을 실현할 것인가에 있다.

이 작업에서 이 팀은 섬유 폴리머 에너지 저장 배터리의 제조와 고전적인 습법 방사 방법을 성공적으로 융합하여 폴리머 습법"방적"의 대규모, 한 단계의 법제를 통해 준비된 섬유 배터리는 더욱 가늘고 부드러우며 일상적으로 방직에 사용되는 고분자 화학 섬유에 더욱 가깝다. 이는 일련의 킬로미터급 섬유 배터리의 빠른 연속 구축을 실현했다.그리고 후속 실험 결과도 높은 생산 속도에서 연속적으로 제조하더라도 얻은 섬유전지 내부의 각 기능 성분은 양호한 인터페이스 안정성을 가지고 있어 양호한 전기화학 성능을 나타낸다는 것을 보여주었다.

이 새로운 제조 방법은 생산성이 250m/h를 초과했으며 이전에는 생산성이 60m/h에 불과했습니다.마지막으로 이 팀은 얻은 섬유전지를 10평방메터에 달하는 텐트로 엮었는데 테스트를 거쳐 이 텐트의 에네르기밀도는 550mWh/m였다.

섬유 리튬이온 배터리는 방직 섬유가 에너지 저장 기능을 갖추도록 하기 위해 이전의 발광 섬유 제품을 기반으로 개발되었다.전통적인 전지에 비해 이런 종류의 새로운 전지 체계 재료는 결국 최근 몇 년 동안 막 나타난 것이며, 충전과 방전 과정 중의 부피 팽창, 구조 안정성, 전지 용량, 순환 성능 등 방면은 여전히 진일보한 연구와 고증이 필요하다.

현재 국내에서 섬유전지를 연구하는 과제팀은 아직 비교적 적은바 앞으로 더욱 많은 학자들이 이 분야에 뛰여들수 있기를 바라며"전지를 몸에 입고"하루빨리 실현하기를 바란다.