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불 안 붙고 오래 사용···'리튬·황 전지' 프린팅으로 쉽게

이상영 UNIST 교수팀, 성능과 안전성 확보한 리튬-황 전지 개발
프린팅 공정으로 모형 글라이더 날개에 직접 제조
불 속에서도 안전하게 작동하고, 오랫동안 사용할 수 있는 배터리가 개발됐다. 상용화된 리튬 이온 전지보다 용량이 큰 '리튬·황 전지'의 성능과 안전성을 개선해 프린팅 공정으로 쉽게 제조할 수 있게 됐다. 
 
UNIST(총장 직무대행 이재성)는 이상영 에너지·화학공학부 교수팀이 '다형상 전고체 리튬-황 전지'를 개발했다고 11일 밝혔다.

글자나 그림을 사물에 인쇄하듯 전지를 만들어내는 '프린팅 공정'과 리튬·황 전지의 전지 수명 감소 문제를 해결한 '이중층 고분자 전해질'이 핵심 기술이다.

리튬-황 전지는 리튬을 음극재로, 황을 양극재로 사용한다. 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 약 5배 이상 높지만, 충·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.
 
연구팀은 이 문제를 '두 개의 층으로 이뤄진 젤(Gel) 상태 전해질'로 해결했다. 음극에는 황화합물의 음극 이동을 억제하는 전해질을, 양극에는 황의 산화와 환원 반응이 잘 일어나는 전해질을 배치했다. 두 전해질은 열역학적으로 안정해 서로 섞이지 않는다. 

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, 여러 전지를 직렬로 연결해 작동 전압을 높이기도 쉽다"고 설명했다. 

이 전지는 다양한 방식으로 접고 펴기를 반복해도 정상적으로 작동했다. LED 램프와 연결된 전지를 가위로 잘라도 램프에 불이 유지될 정도로 안전성도 높았다. 또 전지에 불을 붙이는 실험에서도 이상 없이 작동했다. 인화성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재가 발생하거나 폭발하지 않았다. 

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 "이차전지 분야의 관심사 중 하나인 '고용량‧고안전성 전고체전지'를 만들 새로운 개념을 제시했다"며 "가위로 자르거나 불을 붙인 상황에서도 정상 작동하는 안전한 바이폴라(Biopolar) 구조를 구현해 고전압 특성을 확보했다"고 말했다. 

연구는 에너지 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)' 표지 논문으로 선정돼 지난 달 24일자로 출판됐다. 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자(도약)지원사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.
바이폴라 전고체 리튬·황 전지의 제조 공정 모식도.<자료=UNIST 제공>바이폴라 전고체 리튬·황 전지의 제조 공정 모식도.<자료=UNIST 제공>
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