불 속에서도 안전하게 작동하며, 용량이 커서 오랫동안 사용할 수 있는 배터리가 개발됐다. 상용화된 리튬 이온 전지보다 용량이 큰 ‘리튬-황 전지’의 성능과 안전성을 개선한 데다 프린팅 공정으로 쉽게 제조할 수 있어 눈길을 끈다.
UNIST(총장 직무대행 이재성) 에너지 및 화학공학부의 이상영 교수팀은 프린팅 공정을 이용해 안전성 높은 ‘다형상 전고체 리튬–황 전지(all-solid-state battery)’를 개발했다. 글자나 그림을 사물에 인쇄하듯 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 전지에 비해 에너지 밀도가 약 5배 이상 높지만, 충전과 방전 과정에서 생성되는 황화합물(Polysulfide)이 전지의 성능을 저하시키는 단점이 있다. 황화합물이 음극으로 이동해 음극 표면에 얇은 막을 만들면서 전기 흐름을 담당하는 리튬 이온의 움직임을 가로막기 때문이다.
그림 1. 이중층 구조의 고체 상태 전해질이 도입된 전고체 리튬-황 전지의 모식도 및 전지 특성: 이중층 구조의 고체 상태 전해질(연분홍색/연하늘색)을 도입해 리튬폴리설파이드의 이동을 억제해 기존 액체 전해질 대비 우수한 충‧방전 주기 특성을 확보했다. 충방전 주기 값이 2배 이상 좋아졌다.
이번 연구의 제1저자인 김세희 박사는 “이중층 고체 전해질을 갖는 리튬–황 전지는 일반적인 액체 전해질을 갖는 리튬–황 전지에 비해 수명 주기가 2배 이상 늘어났다”며 “고체 전해질이지만 부드럽게 구부러지는 젤 형태를 썼기 때문에 전지의 기계적‧화학적 안정성이 높으며, 전지 여럿을 직렬로 연결할 수 있어 작동 전압을 높이기도 쉽다”고 설명했다.
그림 2. 바이폴라 구조의 전고체 리튬-황 전지의 유연성과 열적 안정성: 프린팅을 통해 모형 글라이더 날개와 같은 제한적인 표면 위에 바이폴라 전고체 리튬-황 전지를 구현했다. 제조된 전고체 전지는 접힘 평가, 절단 평가 후에도 LED 램프를 작동시키며, 우수한 기계적 물성과 유연성을 보여준다.
전고체 리튬-황 전지를 만드는 ‘단계적 프링팅 공정’이 가진 장점도 많다. 원하는 자리에 다양한 모양의 전지를 직접 제조할 수 있어 사각형 배터리에서 벗어날 수 있다. 이번 연구에서는 굴곡진 평면 구조인 비행기 날개 위에 알파벳 형상의 리튬-황 전지를 제조해 선보였다.
이상영 교수는 “ 이 연구는 현재 이차전지 분야의 가장 큰 관심사 중 하나인 ‘고용량‧고안전성 전고체전지’를 만드는 새로운 개념을 제시했다”며, “가위로 자르거나 불을 붙인 상황에서도 정상 작동하는 매우 안전한 바이폴라(Biopolar) 구조를 구현해 고전압 특성을 확보했다”고 강조했다.
그는 이어 “프린팅 공정을 이용해 다양한 모양을 갖는 전고체전지를 쉽게 제조할 수 있어, 리튬-황 전지의 실용성을 높이는 크게 높일 것”이라고 전망했다.
그림3. 바이폴라 전고체 리튬-황 전지의 제조 공정 모식도: 유변학적 물성이 조절된 전극과 전해질을, 원하는 사물 위에 단계적으로 프린팅하는 공정을 써서 전지를 제조하는 방식이다. 사물 위에 직접 전지를 제조할 수 있다는 큰 장점이 있다.
이번 연구는 에너지 분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials)’ 표지 논문 선정돼 10월 24일자로 출판됐다. 연구 진행은 과학기술정보통신부의 중견연구자(도약)지원사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.
