이상영 에너지 및 화학공학부 교수팀
성능·안전성 확보 ‘다형상 전고체 리튬-황 전지’ 제조
불 속에서도 안전하게 작동하며 용량이 커서 오랫동안 사용할 수 있는 배터리가 울산과학기술원(UNIST) 연구진에 의해 개발됐다.
UNIST는 이상영 에너지 및 화학공학부 교수팀이 프린팅 공정을 이용해 안전성 높은 ‘다형상 전고체 리튬-황 전지’를 개발했다고 11일 밝혔다.
글자나 그림을 사물에 인쇄하는 것처럼 전지를 만들어내는 ‘프린팅 공정’과 리튬-황 전지의 고질적 문제인 전지 수명 감소를 해결한 ‘이중층 고분자 전해질’이 핵심 기술이다.
리튬-황 전지는 리튬을 음극재로, 황을 양극재로 사용하는 전지다. 리튬 이온 전지보다 에너지 밀도가 5배 가량 높지만, 충전과 방전 과정에서 생성되는 황화합물이 전지 성능을 저하하는 단점이 있다. 황화합물이 음극 표면에 얇은 막을 만들어, 전기 흐름을 담당하는 리튬 이온의 움직임을 가로막기 때문이다.
연구진은 ‘두 개의 층으로 이뤄진 젤(Gel) 상태 전해질’로 이를 해결했다. 음극에는 황화합물 이동을 억제하는 전해질을, 양극에는 황의 산화와 환원 반응이 잘 일어나는 전해질을 배치한 것이다. 두 전해질은 열역학적으로 안정해 서로 섞이지 않는다.
이중층 고체 전해질을 갖는 리튬-황 전지는 일반적인 액체 전해질의 리튬-황 전지보다 수명 주기가 2배 이상 길었다. 비록 고체 전해질이지만 부드럽게 구부러지는 젤 형태를 썼기 때문에 기계적·화학적 안정성이 높으며, 전지 여럿을 직렬로 연결할 수 있어 작동 전압을 높이기도 쉽다.
실제로 이 전지는 다양한 방식으로 접고 펴기를 반복해도 정상적으로 작동했다. LED 램프와 연결된 전지를 가위로 잘라도 램프 불이 유지될 정도로 안전성이 높았고, 전지에 불을 붙이는 실험에서도 끄떡없이 작동했다. 인화성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 불이 붙거나 폭발하지 않은 것이다.
‘단계적 프린팅 공정’이 가진 장점도 많다. 원하는 자리에 다양한 모양의 전지를 직접 제조할 수 있어 틀에 박힌 사각형 배터리에서 벗어날 수 있다. 연구진은 굴곡진 평면 구조인 비행기 날개 위에 알파벳 형상의 리튬-황 전지를 제조해 선보이기도 했다.
이상영 교수는 “현재 이차전지 분야 가장 큰 관심사 중 하나인 ‘고용량·고안전성 전고체 전지’를 만드는 새로운 개념을 제시했다”면서 “프린팅 공정을 이용한 기술은 리튬-황 전지의 실용성을 크게 높일 것”이라고 전망했다.
이번 연구는 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 표지 논문으로 선정돼 지난달 23일자로 출판됐다. 차형석기자 stevecha@ksilbo.co.kr