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수명 늘고 안전성 확보한 ‘리튬 황 전지’ 제조 기술 개발

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수명 늘고 안전성 확보한 ‘리튬 황 전지’ 제조 기술 개발

2019.11.11 12:00
연구논문 제1저자인 김세희 박사(왼쪽)과 이상영 교수. UNIST 제공.
연구논문 제1저자인 김세희 박사(왼쪽)와 이상영 교수. UNIST 제공.

널리 쓰이고 있는 리튬이온전지보다 용량이 큰 ‘리튬-황 전지’의 성능을 개선하고 불 속에서도 안전하게 작동될 수 있는 프린팅 공정 기술이 개발됐다. 

 

울산과학기술원(UNIST)은 이상영 에너지및화학공학부 교수 연구팀이 안전성이 높은 ‘다형성 전고체 리튬-황 전지’를 개발했다고 11일 밝혔다. 글자나 그림을 인쇄하듯 전지를 만드는 ‘프린팅 공정’을 적용해 리튬-황 전지의 고질적 문제인 전지 수명 감소를 해결한 ‘이중층 고분자 전해질’이 핵심 기술이다. 

 

리튬-황 전지는 리튬을 음극재로, 황을 양극재로 사용하는 전지다. 상용화된 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 약 5배 이상 높지만 충방전 과정에서 생성되는 황화합물이 전지의 성능을 떨어뜨리는 게 단점이다. 황화합물이 음극으로 이동해 음극 표면에 얇은 막을 만들면서 전기 흐름에 필요한 리튬이온의 움직임을 방해하기 때문이다. 

 

연구팀은 리튬-황 전지의 성능 저하를 ‘2개의 층으로 이뤄진 젤(Gel) 상태 전해질’로 해결했다. 음극에는 황화합물이 음극으로 이동하는 현상을 억제하는 전해질을, 양극에는 황의 산화환원 반응이 잘 일어나는 전해질을 적용한 것이다. 2개의 전해질은 열역학적으로 안정해 서로 섞이지 않는다. 

 

연구논문의 제1저자인 김세희 박사는 “개발한 기술을 적용해 만든 리튬-황 전지는 수명이 2배 이상 늘어났다”며 “2개의 전해질은 고체 전해질이지만 부드럽게 구부러지는 젤 형태를 활용했기 때문에 전지의 기계적·화학적 안정성을 높였다”고 밝혔다. 

 

연구팀이 개발한 전지는 다양한 방식으로 접고 펴기를 반복해도 정상 작동했다. LED램프와 연결된 전지를 가위로 잘라도 램프에 들어온 빛이 유지됐으며 전지에 불을 붙이는 실험에서도 정상적으로 작동했다. 

 

연구팀은 또 성능을 개선한 리튬-황 전지를 만드는 데 ‘단계적 프린팅 공정’을 적용했다. 원하는 위치에 다양한 모양의 전지를 직접 제조할 수 있다. 이번 연구에서는 굴곡이 있는 평면 구조인 비행기 날개 위에 알파벳 형상의 리튬-황 전지를 제조해 성능을 테스트했다. 

 

이상영 교수는 “이번 연구는 고용량, 고안전성 전고체전지를 만드는 새로운 개념을 제시했다”며 “가위로 자르거나 불을 붙여도 정상 작동하는 안전한 구조를 구현한 것으로 리튬-황 전지의 실용성을 높이는 데 기여할 것”이라고 말했다. 연구결과는 에너지 분야 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 10월 24일자 표지논문으로 게재됐다. 
 

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