[지디넷코리아]
차세대 경량·고효율 배터리 ‘리튬-황 전지’를 대량생산할 수 있는 핵심기술이 개발됐다. 제조비용을 기존대비 2.1배 줄일 수 있다.
고려대학교는 유승호 화공생명공학과 교수와 화윤 미국 애리조나주립대학교 교수 연구팀이 별도 용매나 고분자 바인더 없이 황-탄소 복합 양극을 형성하는 건식 제조법을 개발했다고 25일 밝혔다.
용매는 물질을 녹이는 액체고, 바인더는 전극 재료들이 서로 붙어 있도록 잡아 주는 접착 물질이다.
리튬-황 전지는 드론·항공 등 미래형 모빌리티 산업을 이끌 차세대 배터리로 주목받고 있다. 리튬이온전지 대비 에너지 밀도(무게 대비 성능)가 3~5배 높고, 원료인 황이 지구상에 풍부해 제조단가도 낮출 수 있다.
그러나 리튬이온전지 공정인 ‘슬러리 기반 습식 코팅’을 그대로 차용해 쓰기 때문에 공정이 복잡하고 비용이 커진다.
연구팀은 열 받으면 부드러워지고 잘 달라붙는 황에 주목했다. 알루미늄 포일 집전체 위에 황-탄소 복합 분말층을 만들고, 열을 가한 뒤 강한 압력으로 누르는 ‘열-보조 건식 프레싱’ 공정으로 별도 바인더 없이도 전극이 형성되는 것을 확인했다. 황을 활물질과 바인더로 이중 활용하는 방식이다.
엑스레이 기반 3차원 구조 분석, 현미경 관찰, 전기화학 평가 등을 수행한 결과, 약 80℃ 조건에서 제조된 전극이 뛰어난 성능을 나타낸 다는 것도 확인했다.
연구팀은 “기존 습식 제조 전지와 비교해 내부 구조가 더 균일하고 전해액도 잘 스며들었다”며 “배터리 수명이 길어지고 안정적인 성능을 보였다”고 설명했다.
연구팀은 이 방식이 배터리 제조공정에 널리 쓰이는 알루미늄 포일 집전체를 그대로 사용 가능해 고속 대량생산 방식인 ‘롤-투-롤 공정’과의 높은 호환성도 기대했다.
제조비용은 양극 내 황 1kg당 38.4달러밖에 들지 않는다는 것. 반면 기존 슬러리 주조 황 양극 방식은 1kg당 80.91달러가 든다는 것이 연구진 설명이다.
연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(IF=15.7)’에 온라인으로 게재됐다.