포스텍은 이상민 배터리공학과 교수팀이 한국전기연구원과 공동으로 리튬-황 전지의 수명을 깎아 먹는 두 가지 문제를 한꺼번에 줄이는 음극 보호막을 개발했다. 이번 연구는 에너지 소재 분야 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 게재됐다.
리튬-황 전지는 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 강유전체 고분자 'β-PVDF'로 리튬 음극 위에 보호막을 씌웠다. 이어 높은 전압을 거는 '코로나 폴링(corona poling)' 공정으로 막 속의 작은 전기 극(쌍극자)들을 빗질하듯 한 방향으로 가지런히 세웠다.
여기에 불소를 입힌 질화붕소(FBN)를 더해 이 정렬이 쉽게 흐트러지지 않도록 했다. 이렇게 생긴 전기장은 리튬 이온에게는 등을 밀어주는 순풍이 되고, 폴리설파이드에게는 앞을 막아서는 맞바람이 된다. 게다가 β-PVDF는 폴리설파이드와 잘 달라붙지 않아서 오래 써도 보호막 성능이 떨어지지 않는다.
그 결과, 완전셀은 500번 넘게 충전과 방전을 반복한 뒤에도 처음 용량의 80.4%를 유지했다. 실제 제품과 비슷한 형태인 파우치셀에서도 시험했다. 황 1㎎당 전해액을 무게 1㎏당 465Wh의 에너지를 담아냈다. 이 보호막이 실험실을 넘어 실제 제품에 가까운 조건에서도 통한다는 뜻이다.
이상민 교수는 “보호막이 폴리설파이드와 불필요하게 반응하지 않으면서, 스스로 만든 내부 전기장으로 이온이 움직이는 방향을 골라 조절하도록 설계한 것이 핵심”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 글로벌TOP 전략연구단 지원사업, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업, 그리고 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
