리튬-황 고체전지 불사신 되다
리튬-황 고체전지 불사신 되다
  • 강지희
  • 승인 2019.11.12 09:50
  • 조회수 3162
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불 속에서도 죽지 않는다. 리튬-황 전지! 출처: AbobeStock
불 속에서도 죽지 않는다. 리튬-황 전지! 출처: AbobeStock

불 속에서도 안전하게 작동하며 용량이 커서 오랫동안 사용할 수 있는 배터리가 개발됐습니다. 이 배터리는 상용화된 리튬 이온 전지보다 용량이 큰 '리튬-황 전지'의 성능과 안전성을 개선한 건데요. 뿐만 아니라 프린팅 공정으로 쉽게 제조할 수 있어 눈길을 끕니다. 

AEM(IF-24.9) 저널 표지 논문 선정. 출처: UNIST
AEM(IF-24.9) 저널 표지 논문 선정. 출처: UNIST

UNIST 에너지 및 화학공학부의 이상영 교수팀은 프린팅 공정을 이용해 안전성 높은 '다형상 전고체 리튬-황 전지(all-solid-state battery)'를 개발했습니다. 글자나 그림을 사물에 인쇄하듯 전지를 만들어내는 '프린팅 공정'과 리튬-황 전지의 고질적 문제인 전지 수명 감소를 해결한 '이중층 고분자 전해질'이 연구팀의 핵심 기술인데요. 해당 연구 논문은 <Advanced Energy Materials>에 게재됐습니다.

 

젤 상태 전해질, 성능 UP, 다양성도 UP

 

리튬-황 전지는 리튬을 음극재로 황을 양극재로 사용하는 전지입니다. 리튬-황 전지는 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 약 5배 이상 높습니다. 하지만 리튬-황 전지는 충전과 방전 과정에서 황화합물(Polysulfide)이 생성돼 성능이 저하되는 단점을 갖습니다. 황화합물이 음극으로 이동해 음극 표면에 얇은 막을 만들면서 전기 흐름을 담당하는 리튬 이온의 움직임을 가로막기 때문이죠.

바이폴라 전고체 리튬-황 전지의 제조 공정 모식도. 출처: UNIST

연구팀은 리튬-황 전지의 성능 저하를 '두 개의 층으로 이뤄진 젤(Gel) 상태 전해질'로 해결했습니다. 연구팀은 음극에는 황화합물이 음극으로 이동하는 걸 억제하는 전해질을 배치했습니다. 양극에는 황의 산화와 환원 반응이 잘 일어나는 전해질을 배치했죠. 두 전해질은 열역학적으로 안정해 서로 섞이지 않습니다. 

 

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 높다. 또한 전지 여럿을 직렬로 연결할 수 있어 작동 전압을 높이기도 쉽다"고 설명했습니다. 

바이폴라 구조의 전고체 리튬-황 전지의 유연성과 열적 안정성. 출처: UNIST

실제로 연구팀이 개발한 전지는 다양한 방식으로 접고 펴기를 반복해도 정상적으로 작동했습니다. LED 램프와 연결된 전지를 가위로 잘라도 램프에 불이 유지될 정도로 안전성도 높았습니다. 또한 불을 붙이는 실험에서도 전지는 끄떡 없이 작동하는 모습을 보였습니다. 인화성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 쓴 덕분에 불이 붙거나 폭발하지 않은 셈이죠.

 

전고체 리튬-황 전지를 만드는 '단계적 프링팅 공정'도 많은 장점을 갖습니다. 단계적 프린팅 공정은 원하는 자리에 다양한 모양의 전지를 직접 제조할 수 있습니다. 덕분에 사각형 배터리에서 벗어날 수 있죠. 이번 연구에서는 굴곡진 평면 구조인 비행기 날개 위에 알파벳 형상의 리튬-황 전지를 제조해 선보였다고 합니다.

김세희 박사(좌측)과 이상영 교수(우측). 출처:
김세희 박사(좌측)과 이상영 교수(우측). 출처: UNIST

이번 연구를 주도한 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 강조했습니다.

 

이상영 교수는 이어 "프린팅 공정을 이용해 다양한 모양을 갖는 전고체전지를 쉽게 제조할 수 있어, 리튬-황 전지의 실용성을 높이는 크게 높일 것"이라고 밝혔습니다.

 

##참고자료##

 


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