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불 안 붙고 오래 가는 ‘리튬-황 고체전지’ 개발

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  • 류준영 기자
  • 2019.11.11 12:00
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UNIST 이상영 교수팀 주도, 성능·안전성 확보…프린팅 공정으로 모형 글라이더 날개에 직접 제조

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바이폴라 전고체 리튬-황 전지의 제조 공정 모식도<br><br>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/사진=UNIST
국내연구진이 불 속에서도 안전하게 작동하며, 용량이 커서 오랫동안 사용할 수 있는 배터리를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 이상영 교수팀은 프린팅 공정을 이용해 안전성 높은 ‘다형상 전고체 리튬-황 전지’를 개발했다고 10일 밝혔다.

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 사용한다. 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 약 5배 이상 높다.

하지만 충방전 과정에서 생성되는 황화합물이 전지 성능을 저하시킨다. 황화합물이 음극으로 이동해 음극 표면에 얇은 막을 만들면서 전기 흐름을 담당하는 리튬 이온의 움직임을 가로막기 때문이다.
바이폴라 구조의 전고체 리튬-황 전지의 유연성과 열적 안정성&lt;br&gt;&lt;br&gt;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/자료=UNIST
바이폴라 구조의 전고체 리튬-황 전지의 유연성과 열적 안정성<br><br>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/자료=UNIST

연구팀은 리튬-황 전지의 성능 저하를 ‘두 개의 층으로 이뤄진 젤 상태 전해질’로 해결했다.

음극에는 황화합물이 음극으로 이동하는 걸 억제하는 전해질, 양극에는 황의 산화와 환원 반응이 잘 일어나는 전해질을 배치했다. 두 전해질은 열역학적으로 안정해 서로 섞이지 않는다.

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.

실제로 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 끄떡 없이 작동하는 모습을 보였다. 인화성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 쓴 덕분에 불이 붙거나 폭발하지 않은 것이다.

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 연구에선 굴곡진 평면 구조인 비행기 날개 위에 알파벳 형상의 리튬-황 전지를 제조해 선보였다.

이 교수는 “이번 연구는 이차전지 분야의 가장 큰 관심사 중 하나인 ‘고용량‧고안전성 전고체전지’를 만드는 새로운 개념을 제시한 것”이라며 “가위로 자르거나 불을 붙인 상황에서도 정상 작동하는 매우 안전한 바이폴라 구조를 구현해 고전압 특성을 확보했다”고 강조했다.

이어 “프린팅 공정을 이용해 다양한 모양을 갖는 전고체전지를 쉽게 제조할 수 있어, 리튬-황 전지의 실용성을 높이는 크게 높일 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’ 표지 논문으로 게재됐다.



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