[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

플렉시블(Flexible) 기기와 사물인터넷(Internet of Things, IoTs), 전기자동차 시대가 다가옴에 따라, 그 전원으로 널리 사용 중인 리튬 이온 전지의 낮은 에너지 밀도와 안전성을 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 에너지 밀도가 높은 ‘리튬-황 전지’1)가 대안으로 부상하고 있지만 실제로 사용하기에는 아직 몇 가지 문제가 남아 있다. 낮은 전자 전도도와 용량 감소의 원인인 중간 생성물의 형성(Lithium Polysulfide, 리튬폴리설파이드)2), 낮은 작동전압, 액체 전해질로 인한 낮은 안전성 등이 한계다. ‘리튬-황 전지’와 더불어 고에너지‧고안전성 전지 개발을 위한 유망한 기술로서 ‘바이폴라(Bipolar) 구조3)의 전고체 전지 시스템’이 제안되고 있다.

일반적인 리튬-황 전지에 사용되는 ‘액체 전해질’은 충‧방전이 반복됨에 따라 중간 생성물(리튬폴리설파이드)을 과량 생성한다. 이 물질들은 전지 용량을 줄일 뿐 아니라 전지의 안전성까지 위협한다. 이 때문에 최근에는 액체 전해질을 대체할 수 있는 무기 전해질이나 고분자 전해질 같은 ‘고체 전해질’ 연구가 활발히 진행되고 있다.

한편 ‘바이폴라 전지’는 전지 속 집전체 하나에 음극과 양극 활물질을 모두 바르는 구조로 공간 활용성이 높다. 전지 내의 비활성체인 집전체와 포장 물질을 최소화하다 보니, 단위 전지를 단순히 직렬로 연결해 사용하는 것보다 부피 당 에너지 밀도가 높다. 바이폴라 전지를 구현하는 데 필수적인 ‘고체 전해질’은 바이폴라 전지 구조 내에서 인접한 셀들 사이의 리튬 이온의 이동을 막는다. 현재 대부분의 바이폴라 전지 연구들은 무기 전해질을 이용하고 있다. 그러나 낮은 이온 전도도와 입자 간 저항, 유연성 저하, 복잡한 제조 공정 등의 고질적인 문제는 해결되지 않고 있는 상황이다. 이로 인해 바이폴라 전고체 전지를 실제로 응용하기는 거의 불가능한 실정이었다.

2. 연구내용  

본 연구에서는 기존 한계를 극복하기 위해 ‘유연성과 난연성이 동시에 확보된 고체 상태의 섞이지 않는 이중층 구조 전해질’을 개발하고, 단계적 프린팅과 광가교4) 공정을 도입해 ‘플렉시블 바이폴라 전고체 리튬-황 전지’를 구현했다. 특히, 이번 연구에 도입한 이중층 구조의 고체상 유기 전해질은 리튬-황 전지의 고질적인 문제인 전지 내에서의 리튬폴리설파이드 이동을 억제했다. 이는 전지의 용량 감소 문제를 해결하고, 전지의 안전성을 확보하는 데도 중요한 역할을 했다. 또한, 개발된 이중층 구조의 고체 상태의 전해질과 이를 포함한 전극의 유변학 물성5)을 조절해 단계적 프린팅을 수행함으로써, 고온‧고압 공정을 거치지 않고도, 쉽고 빠르게 전고체 바이폴라 리튬-황 전지를 제조할 수 있었다.

이중층 구조의 고체 상태 전해질은 술폰계 전해질/에터계6) 전해질과 광가교가 가능한 고분자로 구성된다. 황 전극 내부에 유전 상수가 높은 술폰계 전해질을 도입해 황의 효용성을 극대화하고, 리튬 전극 쪽에는 에터계 전해질을 도입해 리튬폴리설파이드의 이동을 억제했다. 따라서 리튬-황 전지의 용량 감소 문제를 해결해 우수한 충‧방전 주기 특성을 확보했다. 각 층의 전해질에 포함된 광가교가 가능한 고분자는 전해질과 전극의 유연성 및 기계적 물성에 중요한 역할을 한다. 제조된 프린팅 전극과 전해질은 다양한 형태의 접힘 평가에서도 물리적 변형 없이 구조가 유지됐다. 이러한 유연 특성은 전고체 바이폴라 리튬-황 전지에도 동일하게 적용돼 플렉시블 전고체 바이폴라 리튬-황 전지를 구현했다.

전극과 전해질의 유변학 물성을 조절해 일정 이상의 외부 응력을 받으면, 프린팅이 가능한 틱소트로픽(Thixotropic) 유체7)를 개발했다. 개발된 프린팅 전극과 전해질은 단계적 프린팅이 가능해 다양한 형태(수직, 평면 방향)의 전고체 바이폴라 리튬-황 전지를 만들 수 있다. 이를 통해 기존에 2.8V로 낮은 충전 전압을 갖는 리튬-황 전지를 8.4V의 고전압 전지로 제조했다. 또한 모형 글라이더 날개와 같은 제한적인 표면에 프린팅을 통해 전고체 바이폴라 리튬-황 전지를 구현하는 것도 가능했다.

3. 기대효과  

이번 연구에서 개발한 고에너지 전고체 리튬-황 전지는 기존에 보고되지 않은 높은 수준의 안전성을 확보했다. 유연성을 갖추면서도 고전압인 바이폴라 구조를 가진다는 것도 큰 특징이며, 쉽고 간편한 프린팅 공정을 통해 전지를 제조할 수 있다는 것도 장점으로 꼽힌다.

이를 통해 실질적인 사용에 한계가 있던 리튬-황 전지의 다양한 문제들을 해결하고, 전고체 리튬-황 전지의 상용화 기술에 새로운 패러다임을 제공할 것으로 기대된다.

[붙임]  용어설명

1. 리튬-황 전지

리튬을 음극재, 황을 양극재로 사용하는 차세대 리튬 이차전지. 기존 리튬 이온 전지 대비 약 6~7배 높은 이론 에너지 밀도를 가짐. 

2. 리튬폴리설파이드(Lithium Polysulfide)

리튬-황 전지의 전기화학 반응 중 생성되는 중간상 물질. 황 전극 및 리튬 전극을 영구적으로 손상시킴.

3. 바이폴라 전극 (Bipolar Electrode)

전지의 집전체의 양면에 서로 다른 극성을 갖는 활물질이 도포된 전극. 바이폴라 전지는 개별 전지 1개 내에서 전지 cell 여러 개를 직렬로 연결한 것이다. 전지 내의 비활성체인 집전체와 포장 물질을 최소화하다 보니, 단위 전지를 단순히 직렬로 연결해 사용하는 것보다 부피 당 에너지 밀도가 높다.

 4. 광가교 (Photocrosslink)

빛을 이용해 고분자를 서로 연결(cross-linking)시키는 반응. 이를 통해 말랑말랑한 고분자를 단단하게 만들 수 있다.

5. 유변학적(rheology) 물성

유변학(rheology)이란 물질의 변형과 흐름을 연구하는 물리과학이다. 주로 액체(유체), 고체 등의 의 탄성, 점도 등에 관한 학문이다. 이번연구에서는 광가교가 가능한 틱소트로픽 유체를 사용했다.

6. 술폰계(sulfone group)/ 에터계(ether group)

특정 반응기 갖는 유기고분자를 지칭하는 명칭

7. 틱소트로픽 유체(Thixotropic Fluid)

전단박화(sheer thinning) 특성을 나타내는 유체. 유체가 전단력을 지속적으로 받을 때 유체의 겉보기 점도가 시간이 지남에 따라 감소하는 특성을 가짐. 주로 페인트가 이러한 특성을 갖는데, 페인트를 휘저어 주면(전단힘을 주면) 유체의 끈적임(viscosity)이 덜해져(전단박화) 균일하게 도포가 가능하고, 전단힘이 없어지면 다시 원래의 끈적임이 회복돼 흘러내리지 않는다.

[붙임] 그림설명

그림1. 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.