불 속에서도 안전하게 작동하며 용량이 크고 제조까지 쉬운 배터리가 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 이상영 교수팀이 프린팅 공정을 이용해 안전성 높은 '다형상 전고체 리튬-황 전지'를 개발했다고 11일 밝혔다.
리튬-황 전지는 리튬을 음극재로, 황을 양극재로 사용하는 전지다. 이 전지는 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 약 5배 이상 높지만, 충전과 방전 과정에서 생성되는 황화합물이 전지의 성능을 저하시키는 단점이 있다.
연구팀은 리튬-황 전지의 성능 저하 문제를 '두 개의 층으로 이뤄진 젤 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.
이처럼 이중층 고체 전해질을 갖는 리튬-황 전지는 일반적인 액체 전해질을 갖는 리튬-황 전지에 비해 수명 주기가 2배 이상 늘어났다.
고체 전해질이지만 부드럽게 구부러지는 젤 형태를 썼기 때문에 전지의 기계적·화학적 안정성도 높아졌다. 실제 이 전지는 다양한 방식으로 접고 펴기를 반복해도 정상적으로 작동했으며, LED 램프와 연결된 전지를 가위로 잘라도 램프에 불이 유지될 정도로 안전성도 높았다. 또 불을 붙이는 실험에서도 끄떡 없이 작동하는 모습을 보였다. 인화성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 쓴 덕분이다.
특히 이 전지는 글자나 그림을 사물에 인쇄하는 '프린팅 공정'을 통해 쉽게 제조할 수 있다. 사각형 배터리가 아닌, 다양한 모양의 전지도 제조 가능하다.
이상영 교수는 "프린팅 공정을 이용해 다양한 모양을 갖는 전고체전지를 쉽게 제조할 수 있어, 리튬-황 전지의 실용성을 높이는 크게 높일 것"이라고 전망했다.
이번 연구는 에너지 분야의 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스' 표지 논문 선정돼 10월 24일자로 출판됐다. 하주화기자 usjh@