박막배터리

GS나노텍 리튬 박막전지

박막배터리(Thin Flim battery)는 반도체 공정기술인 진공증착 방식으로 얇은 기판 위에 양극재, 고체 전해질, 음극재를 차례대로 쌓아 만든 2차전지를 말한다. 두께가 종이보다 얇은 0.15㎜에 불과한 데다 액체 전해질을 세라믹 소재의 필름 형태로 고체화해 폭발 위험성이 없고 종이처럼 휘어지는 특성을 갖는다. 충전은 반영구적으로 가능하며, 소용량 전지여서 손톱만한 크기의 태양전지를 부착해 충전할 수도 있다. 종이처럼 얇은 데다 자유롭게 모양을 제작할 수 있어 스마트카드, e-페이퍼, 인공장기 등에 쓰일 수 있다.

기존 전지 대비 고온에서 안정성이 높고 수명도 반영구적이란 장점이 있다. 미국 IPS사는 이런 박막전지와 태양전지를 앞뒷면으로 결합한 건물보안 관제용 센서로 공급하고 있다. 태양전지가 흡수한 미세한 전력을 얇은 전지에 모았다가 유리창이 파손되거나 충격을 받으면 센서를 작동시켜 경보를 울리는 원리다. 박막전지는 총탄이나 로켓 탄두에도 장착돼 발사체가 표적 인근에 도달한 이후에 폭발되도록 전원을 공급하는 용도로도 활용되고 있다. 직사각형이나 원통형의 기존 전지가 접근하지 못했던 영역이다.

GS나노텍은 2010년 6월부터 기존의 리튬 2차전지와는 달리 전해액을 사용하지 않는 고체 형태로서, 친환경적이고 고온에 강하며 폭발 및 발화의 위험이 없는 박막배터리를 아시아 최초로 생산하였다. 박막배터리는 단위 부피당 충전 능력이 리튬이온 배터리보다 떨어지고 제조원가는 3배나 높아 그동안 대량 생산에 들어가지 못했다.

미국의 배터리 벤처기업 인피니트도 박막 배터리를 주력 상품으로 생산하고 있다. 지난 1992년 미국에서 개발한 박막배터리는 배터리의 구성요소인 양극, 전해질, 음극 등을 얇은 필름에 집적시킨 전지를 지칭한다.

특성

박막배터리는 공간적 제약이 적고, 원하는 패턴대로 다층 박막을 증착하여 제작할 수 있으며, 고체전해질을 사용하므로 과충전 또는 과방전시의 안정성이 높다. 기존 휴대용 전자기기에 널리 쓰이는 리튬이온 배터리는 전해질이 휘발성 물질로 구성되었으며, 과열되기 쉽고, 수명(약 500회)도 짧은 편이다. 반면 박막배터리는 액체 대신에 고체 리튬이온 전해질을 사용하기 때문에 과열 위험 경감과 자가방전이 거의 없어서 시간이 지나도 거의 전력을 소모하지 않으며, 수천 번 다시 충전해 사용할 수가 있다. 또한 리튬이온 배터리의 1/10, 리튬폴리머전지의 1/5 이하의 무게를 갖으며, 모양을 자유롭게 성형할 수 있어 디지털기기의 슬림화 추세에 적합하다. 또한 태양전지와 화학전지가 결합된 반영구적인 연속 전원 공급 시스템인 integrated power supply에 대한 요구가 증대되고 있기 때문에 고효율의 전 고상 박막전지는 이러한 분야의 응용에 있어서 매력적인 선택이 될 수 있다.

박막배터리와 상용화된 기존 벌크형 전지의 성능을 비교하여 보면 박막배터리는 안정한 고체상으로 제작될 수 있다는 점 때문에 많은 장점을 가진다. 박막배터리는 내구성, 에너지밀도, 온도 특성 및 자가방전율 등 대부분의 성능이 우수한 반면, 부피가 작기 때문에 총용량이 작다는 단점을 가지며, 이에 대한 개선이 가장 큰 과제라 할 수 있다. 이외에도 박막배터리의 성능은 개방회로 전압, 최대 전류, 방전용량 등에 의해 평가된다. 개방회로 전압은 전극 물질의 열역학적 특성으로서 양극과 음극 재료의 조합에 의해 결정된다. 최대전류는 전극과 전해질 간의 계면 상태 및 전지 각 요소의 박막 내에서 전자와 이온의 확산에 크게 의존한다. 그러나 디자인에 따라서 계면 면적의 제한으로 인해 계면 저항이 커지므로 이 점은 박막전지가 극복해야할 단점 중 하나이다. 하지만 저전류 응용시 충방전 싸이클에 대한 내구성은 10,000회 이상으로 매우 우수하며 단위부피당 용량은 에너지밀도와 관련되는데, 박막전지의 경우 순수하게 전극 활물질로만 구성되기 때문에 매우 높은 에너지밀도를 갖는다. 그 밖에 온도, 충격 등과 같은 환경 특성도 중요한 항목이며, 박막배터리는 상온에서 연간 1% 이하의 자가방전율을 가지기 때문에 20년 이상의 저장수명을 갖는다고 보고되어 있다. 한편 -40℃~+60℃의 온도에서 전지의 운용이 가능하다고 보고된 바 있다.

세라믹 전해질을 사용하는 박막배터리를 제외한 다른 형태의 전지들은 엄밀한 의미의 전고상 박막배터리는 아니며, 후막으로 코팅된 전극 활물질 및 폴리머 또는 액상 전해질을 이용한 전지이며 대개 자가방전율이 약 5%(/월)로 크고, 저온 사용 시 -10℃ 정도로 사용 온도가 제한되며, 45℃ 이상의 고온에서는 전지가 열화되기 쉽다는 단점을 갖는다.

참고자료

• 박막전지와 박형리튬전지와의 향후 기술 및 시장경쟁 방향은?- http://gift.kisti.re.kr/data/MISO/files/future4_1208235299716.pdf
• 김혜원 기자, 〈GS칼텍스, 종이보다 얇은 박막전지 생산〉, 《아시아경제》, 2010-03-10
• 〈박막 2차전지 (thin film battery)〉, 《인텔리》
• 이상복 기자, 〈카드처럼 얇고 구부러지는 배터리 나온다〉, 《이투뉴스》, 2013-02-20

같이 보기

• 박막
• 플렉서블 배터리

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