[투데이에너지 송명규 기자] 불 속에서도 안전하게 작동하며 용량이 커서 오랫동안 사용할 수 있는 배터리가 개발됐다. 상용화된 리튬이온전지보다 용량이 큰 ‘리튬-황전지’의 성능과 안전성을 개선한 데다 프린팅 공정으로 쉽게 제조할 수 있어 눈길을 끈다.
UNIST(울산과학기술원, 총장 정무영) 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-황전지의 고질적 문제인 전지 수명 감소를 해결한 ‘이중층 고분자 전해질’이 핵심 기술이다.
리튬-황전지는 리튬을 음극재로, 황을 양극재로 사용하는 전지다. 리튬이온전지에 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.
연구팀은 리튬-황 전지의 성능 저하를 ‘2개의 층으로 이뤄진 젤(Gel) 상태 전해질’로 해결했다. 음극에는 황화합물이 음극으로 이동하는 걸 억제하는 전해질을, 양극에는 황의 산화와 환원 반응이 잘 일어나는 전해질을 배치한 것이다. 두 전해질은 열역학적으로 안정해 서로 섞이지 않는다.
이번 연구의 제1저자인 김세희 박사는 “이중층 고체 전해질을 갖는 리튬-황전지는 일반적인 액체 전해질을 갖는 리튬-황전지에 비해 수명 주기가 2배 이상 늘어났다”라며 “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. LED램프와 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-황전지를 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 “이번 연구는 현재 이차전지분야의 가장 큰 관심사 중 하나인 ‘고용량‧고안전성 전고체전지’를 만드는 새로운 개념을 제시했다”라며 “가위로 자르거나 불을 붙인 상황에서도 정상 작동하는 매우 안전한 바이폴라(Biopolar) 구조를 구현해 고전압 특성을 확보했다”고 강조했다.
이상용 교수는 또한 “프린팅 공정을 이용해 다양한 모양을 갖는 전고체전지를 쉽게 제조할 수 있어 리튬-황전지의 실용성을 높이는 크게 높일 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구는 에너지분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials)’ 표지 논문 선정돼 지난달 24일자로 출판됐다. 연구 진행은 과학기술정보통신부의 중견연구자(도약)지원사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.