인쇄하듯 만드는 프린팅 공정 적용해 활용도 제고
널리 쓰이는 리튬이온전지보다 용량은 크지만 방전과 충전 과정에서 성능이 급격히 떨어지는 ‘리튬-황 전지’의 수명과 안전성을 대폭 향상시킨 기술이 개발됐다.
11일 울산과학기술원(UNIST)은 이상영 에너지및화학공학부 교수팀이 안전성을 높인 ‘다형상 전고체 리튬-황 전지’를 개발했다고 밝혔다. 연구진은 ‘이중층 고분자 전해질’로 고질적인 전지의 수명 감소 문제를 해결했고, 사물에 인쇄하듯 전지를 만드는 ‘프린팅 공정’을 적용했다.
리튬-황 전지는 황을 양극재로, 리튬을 음극재로 사용하는 전지다. 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 5배 높은 대용량 이차전지로 주목받고 있지만 충‧방전 과정에서 성능이 떨어진다. 황화합물이 음극으로 이동해 음극 표면에 얇은 막을 만들어 전기흐름을 담당하는 리튬이온의 움직임을 방해해서다.
연구팀은 두 개의 층으로 이뤄진 젤(Gel) 상태 전해질인 ‘이중층 고분자 전해질’ 성능 저하 문제를 해결했다. 음극에는 황화합물 이동을 억제하는 전해질을, 양극에는 황의 산화와 환원 반응이 잘 일어나는 전해질을 배치했다. 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. 부드러운 젤 형태이기 때문에 기계‧화학적 안전성도 높다.
실제 여러 번 접고 펴기를 반복해도 정상적으로 작동했다. LED 램프와 연결된 전지를 가위로 잘라도 램프 불이 유지될 정도로 안전성도 높았다. 또 전지에 불을 붙이는 실험에서도 폭발하거나 불이 붙지 않고 문제없이 작동했다. 인화성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용했기 때문이다.
연구진이 개발한 리튬-황 전지는 또 단계적 프린팅 공정이 적용됐기 때문에 다양한 모양의 전지를 원하는 부분에 직접 제조할 수 있다. 이번 연구에서는 굴곡진 비행기 날개 위에 알파벳 형상의 리튬-황 전지를 제조해 선보였다.
이상영 교수는 “현재 이차전지 분야 가장 큰 관심사 중 하나인 고용량·고안전성 전고체 전지를 만드는 새로운 개념을 제시했다”며 “프린팅 공정을 이용한 기술은 리튬-황 전지의 실용성을 크게 높일 것”이라고 전망했다.
이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 표지 논문으로 선정돼 지난달 24일 자로 출판됐다.
