인하대, 하중 지지와 에너지 저장 결합한 ‘구조전지’ 복합재 개발, 전기차·드론 경량화 기술

인하대학교(총장 최기영)는 강태준 기계공학과 교수 연구팀이 최근 미국 스탠퍼드대학교, 한국전자통신연구원과 공동으로 하중을 견디면서 전기 에너지를 저장하는 ‘구조전지’ 복합재를 개발했다고 27일 밝혔다.

구조전지는 구조물을 지탱하는 기능과 에너지를 저장하는 기능을 하나의 소재에 결합한 기술이다. 연구팀은 물 기반 전해액을 사용하는 아연이온 하이브리드 슈퍼커패시터를 고강도 복합소재에 통합해 외부 하중을 지지하면서 전기를 저장할 수 있도록 했다.

전기차와 드론, 센서를 탑재한 스마트 물류기기에서는 배터리가 별도의 무게와 공간을 차지한다. 구조물 자체에 에너지 저장 기능을 부여하면 이러한 부담을 줄일 수 있다.

전기차 차체나 드론 날개의 경량화에 활용하거나, 스마트 유통상자가 내용물을 보호하면서 온도·습도 모니터링에 필요한 전력을 공급하는 방식으로 응용할 수 있다.

기존 구조전지 연구는 주로 리튬이온전지를 기반으로 진행돼 왔다. 그러나 가연성 유기 전해액에 따른 안전성 문제와 리튬 자원의 지역적 편중에 따른 가격·공급망 부담 등이 실용화를 위한 과제로 꼽힌다.

연구팀은 물 기반의 비가연성 전해액과 아연을 활용하는 방식에 주목했다. 유기 전해액의 가연성에 따른 위험을 줄이고, 상대적으로 풍부하고 저렴한 아연을 활용해 소재 비용 부담을 낮추고자 했다.

에너지 저장 용량을 높이기 위해서는 전극에 충분한 활물질을 담는 것이 중요하다. 연구팀은 탄소 전극막을 여러 겹 쌓은 뒤 열과 압력을 가해 접합하는 방식으로 두껍고 균일한 전극을 제작했다.

이를 통해 제한된 면적에 더 많은 활물질을 담아 에너지 저장 용량을 높였다.

또한 방탄복 등에 쓰이는 고강도 아라미드 소재를 나노섬유 형태로 전해질 층에 도입했다. 전극과 전해질의 접합력을 강화해 반복적으로 힘을 가할 때 층이 분리되는 현상을 억제했다.

개발한 복합재는 500회 충·방전 후에도 초기 에너지 저장 성능의 76%를 유지했다. 잡아당기는 힘에 견디는 인장강도는 114MPa, 변형에 저항하는 정도를 나타내는 탄성계수는 2.8GPa를 기록했다.

인장과 굽힘 하중을 각각 100회 반복하는 시험에서도 초기 전기용량의 80% 이상을 유지해 반복 하중 조건에서 에너지 저장 기능을 유지할 수 있음을 확인했다.

이번 연구에는 최유승 인하대 기계공학과 석·박사통합과정생과 신길용 박사후연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 게재됐으며, 표지논문(Front Cover)으로 선정됐다.

논문 제목은 ‘금속 망 집전체와 아라미드 나노섬유·유리섬유 복합 전해질을 적용한 고활물질 탑재량 아연이온 하이브리드 슈퍼커패시터 기반 구조·에너지 저장 복합재’(Structural Power Composites Based on High Mass Loading Zn-Ion Hybrid Supercapacitors with Metal Mesh Current Collectors and Aramid Nanofiber/Glass Fiber Composite Electrolytes)다.

강태준 인하대 기계공학과 교수는 “안전성과 경제성을 갖춘 소재로 하중 지지와 에너지 저장 기능을 통합해, 다양한 전동화 구조체에 적용할 수 있는 구조전지 원천기술을 개발했다”며 “전기차와 드론에서는 경량화를 통한 주행거리와 비행시간 향상에, 스마트 유통상자에서는 온도·습도 모니터링을 위한 전력 공급에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단, 한국산업기술진흥원, 농촌진흥청, 우주항공청, 한국전자통신연구원의 지원을 받아 수행됐다.

과학기술사업화진흥원의 ‘딥사이언스 창업 활성화 지원사업’을 통해 사업화 기반도 마련했으며, 향후 기술 고도화와 창업을 통해 산업 현장으로 활용 범위를 넓혀갈 계획이다.