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[R&D PLUS] 이상영 UNIST 교수, 불 속에서도 안전한 ‘리튬-황 고체전지’ 개발…추후 ESS 적용도 기대

입력 : 2019.11.18 17:51

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[첨단 헬로티]

 

불속에서도 안전하게 작동하며 용량이 커 오랫동안 사용할 수 있는 배터리가 개발됐다. 이 배터리는 현재 상용화된 리튬 이온 전지보다 용량이 크고 프린팅 공정으로 쉽게 제조할 수 있어 주목된다.

 

 

▲ 이번 연구를 진행한 김세희 박사(좌측)와 이상영 교수(우측) <사진 : UNIST>

 

리튬 이온 전지보다 용량 큰 리튬-황 전지 개발


이상영 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수팀이 프린팅 공정을 이용해 안전성이 높은 ‘다형상 전고체 리튤-황 전지(all-Solid-state battery)’를 개발했다.


이 배터리는 리튬-황 전지의 고질적 문제인 전지 수명 감소를 ‘이중층 고분자 전해질’로 해결해 현재 상용 중인 리튬 이온 전지보다 용량이 크다. 또, 글자나 그림을 사물에 인쇄하듯 전지를 만들어내는 ‘프린팅 공정’을 이용해 제조할 수 있는 특징을 갖고 있다.


리튬-황 전지는 리튬을 음극재로, 황을 양극재로 사용하는 전지다. 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 약 5배 이상 높지만, 충전과 방전 과정에서 생성되는 황화합물(Polysulfide)이 전지의 성능을 저하시키는 단점이 존재했다. 황화합물이 음극으로 이동해 음극 표면에 얇은 막을 만들면서 전기 흐름을 담당하는 리튬 이온의 움직임을 가로막기 때문이다.

 

불 속에서도 안전성 확보, ESS 적용에는 공동 연구개발이 필요


이상영 교수 연구팀은 리튬-황 전지의 성능 저하를 ‘두 개의 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-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.


화재에 대한 안전성이 확보된 덕분에 이 전지 기술은 작년에 화재로 문제가 됐던 ESS 등에 사용이 될 수 있을지에 대한 관심이 몰

리고 있다.

 

이에 이 교수는 “이 전지는 연구에서 안전성을 크게 향상시킨 점은 확인했지만, 현재 ESS에서 사용되는 전지는 리튬이온전지이고 이번 연구에서 개발된 전지 시스템은 리튬-황 전지라 다르다”면서 “이번에 개발된 전지를 상용화 및 실제 ESS 적용을 위해서는, 아직 해결해야 할 사항들이 많다고 생각된다. 이 부분은 전지 회사와의 공동 연구개발이 매우 필요한 부분이다”라고 설명했다.

 

 

▲ 이번 연구는 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials)’ 표지 논문으로 선정됐다. <사진 : UNIST>

 

용매 건조와 전해액 주액 없는 프린팅 공정으로 작업


이번에 개발된 리튬-황 전지는 ‘단계적 프링팅 공정’으로 이뤄진다. 이 공정은 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 제조하기도 했다.


이상영 교수는 “프린팅 공정의 가장 큰 장점은, 용매 건조 및 전해액 주액 공정이 없다는 부분”이라며 “일반 공정과 정확하게 비교하기는 어려우나, 일반 전지 공정 시간 및 비용의 가장 큰 부분들 중의 하나가 용매 건조 및 전해액 주액 공정이라는 점을 감안할 때, 매우 큰 개선 효과가 있을 것으로 예상된다”고 밝혔다.


또한, 그는 “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 강조했다.


한편, 이번 연구는 에너지 분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials)’ 표지 논문 선정돼 10월 24일자로 출판됐다. 연구 진행은 과학기술정보통신부의 중견연구자(도약)지원사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.

/김동원 기자(eltred@hellot.net)

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