'황' 붙잡는 전기장 문지기… '꿈의 배터리' 수명 늘려

포스텍·한국전기연구원, 음극 보호막 개발

이상민 포스텍 교수 (사진=포스텍 제공)

전기차가 더 멀리 달리려면 배터리는 가벼우면서도 힘이 세야 한다. 그 해답으로 꼽히는 '리튬-황 전지' 고질병을 잡을 실마리가 나왔다. 배터리 속을 떠도는 황 성분은 막고, 리튬 이온만 골라 들여보내는 '전기장 문지기' 보호막이다.

포스텍 배터리공학과·신소재공학과 이상민 교수, 신소재공학과 한대훈 석사, 배터리공학과 석사과정 장혜림 씨 연구팀은 최근 한국전기연구원 박준우 책임연구원과 함께 리튬-황 전지의 수명을 깎아 먹는 두 가지 문제를 한꺼번에 줄이는 음극 보호막을 개발했다.

연구는 에너지 소재 분야 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다.

'리튬-황 전지'는 양극에 황(S)을, 음극에 리튬(Li) 금속을 쓴다. 황은 값싸고 가벼워서 지금의 리튬이온전지보다 더 많은 에너지를 담을 수 있다.

문제는 충전과 방전을 하는 동안 생기는 황 화합물 '폴리설파이드'다. 이 물질은 전해액에 녹아 양극과 음극 사이를 오가는데, 이를 '셔틀 효과'라 부른다. 제자리를 지켜야 할 황이 배터리 안을 떠도는 셈이다. 그사이 배터리 재료와 전해액은 조금씩 닳는다. 리튬 음극 표면은 스펀지처럼 구멍이 숭숭 뚫리고 배터리 수명은 급격히 줄어든다. 에너지를 더 담으려고 전해액을 줄이면 버틸 여유마저 사라져 피해는 더 커진다.

연구팀은 스스로 전기장을 만드는 물질인 강유전체에 주목했다. 먼저 강유전체 고분자인 β-PVDF2)로 리튬 음극 위에 보호막을 씌웠다.

이어 높은 전압을 거는 '코로나 폴링' 공정으로 막 속의 작은 전기 극(쌍극자)들을 빗질하듯 한 방향으로 가지런히 세웠다. 여기에 불소를 입힌 질화붕소를 더해 이 정렬이 쉽게 흐트러지지 않도록 했다.

그 결과, 완전셀은 500번 넘게 충전과 방전을 반복한 뒤에도 처음 용량의 80.4%를 유지했다. 실제 제품과 비슷한 형태인 파우치셀에서도 시험했다. 황 1mg당 전해액을 2.5μL만 넣은 극한 조건에서도 문제없이 작동했고 무게 1kg당 465Wh의 에너지를 담아냈다. 이 보호막이 실험실을 넘어 실제 제품에 가까운 조건에서도 통한다는 뜻이다.

리튬-황 전지가 상용화되면 전기차 주행거리를 늘릴 수 있다. 무게가 곧 비행시간인 드론과 도심항공교통(UAM)에도 쓰일 수 있다.

연구를 이끈 이상민 교수는 "보호막이 폴리설파이드와 불필요하게 반응하지 않으면서 스스로 만든 내부 전기장으로 이온이 움직이는 방향을 골라 조절하도록 설계한 것이 핵심"이라고 말했다.

이어 "적은 전해액과 높은 황 함량의 파우치셀 조건에서도 효과를 확인해 리튬-황 전지 실용화에 의미 있는 방향을 제시했다"라고 덧붙였다.


포항=김규동 기자