고려대학교 교학연구진이 차세대 배터리로 꼽히는 리튬-황 전지의 양극을 별도 용매와 고분자 바인더 없이 만드는 건식 제조법을 개발해 대량생산 가능성을 높였다.

고려대(총장 김동원)는 유승호 교수 연구팀이 미국 애리조나주립대학교 화윤 교수와 함께 황-탄소 복합 양극을 별도의 용매나 고분자 바인더 없이 형성하는 건식 제조법을 개발했다고 밝혔다.

리튬-황 전지는 드론과 항공 등 미래형 모빌리티 분야에서 주목받는 차세대 배터리다. 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 3~5배 높고, 원료인 황이 풍부해 제조단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다. 다만 기존에는 리튬이온전지에 쓰이는 슬러리 기반 습식 코팅 공정을 그대로 적용해 공정이 복잡하고 비용이 늘어나는 한계가 있었다.

연구팀은 열을 받으면 부드러워지고 접착성이 높아지는 황의 특성에 주목했다. 알루미늄 포일 집전체 위에 황-탄소 복합 분말층을 만든 뒤 열을 가하고 강한 압력으로 누르는 '열-보조 건식 프레싱' 공정을 적용한 결과, 별도 바인더 없이도 전극이 형성됐다. 황을 활물질이면서 접착 기능을 하는 재료로 함께 활용한 것이다.

연구팀이 X선 기반 3차원 구조 분석과 현미경 관찰, 전기화학 평가를 진행한 결과 약 80도 조건에서 제조한 전극이 가장 높은 성능을 보였다. 기존 습식 제조 전지와 비교해 내부 구조가 더 균일했고 전해액 침투도도 높아 배터리 수명과 성능 안정성이 개선됐다고 고려대는 설명했다.

이번 제조법은 친환경성과 경제성, 대량생산 적합성을 동시에 겨냥했다는 점에서도 의미가 있다. 별도 용매나 특수 집전체가 필요 없고, 배터리 제조공정에 널리 쓰이는 알루미늄 포일 집전체를 그대로 사용할 수 있어 고속 대량생산 방식인 롤-투-롤 공정과의 호환성도 기대된다.

이번 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스에 2월 4일 온라인 게재됐다. 논문명은 'Binding properties of sulfur to enable solvent-free fabrication of high-performance polymer-free sulfur-carbon positive electrodes'다.

이번 연구는 LG에너지솔루션 배터리 이노베이션 콘테스트 지원을 받아 수행됐으며, 한국연구재단과 과학기술정보통신부 과제를 통해 일부 지원을 받았다.