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왼쪽부터 애리조나 주립대 화윤 교수, 고려대 유승호 교수. |
리튬-황 전지는 드론·항공 등 미래형 모빌리티 산업을 이끌 차세대 배터리로 주목받고 있다. 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도(무게 대비 성능)가 3~5배 높고, 원료인 황이 지구상에 풍부해 제조단가도 낮출 수 있어서다. 하지만 제조공정에서 리튬이온전지에서 사용하는 ‘슬러리 기반 습식 코팅’을 그대로 차용해 공정이 복잡하고 비용이 증가하는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 열을 받으면 부드러워지고 잘 달라붙는 황의 성질에 주목했다.
알루미늄 포일 집전체 위에 황-탄소 복합 분말층을 만들고, 열을 가한 뒤 강한 압력으로 누르는 ‘열-보조 건식 프레싱’ 공정을 적용했더니 별도의 바인더 없이도 전극이 형성됐다. 즉, 황을 활물질과 바인더로 이중 활용하는 방식이다.
X-ray 기반 3차원 구조 분석, 현미경 관찰, 전기화학 평가 등을 수행한 결과, 특히 약 80℃ 조건에서 제조된 전극이 뛰어난 성능을 자랑했다. 기존 습식 제조 전지와 비교해 내부 구조가 더 균일하고 전해액도 잘 스며들었는데, 그 결과 배터리 수명이 길어지고 안정적인 성능을 보였다.
별도의 용매나 특수 제작 집전체가 필요 없으며, 배터리 제조공정에 널리 쓰이는 알루미늄 포일 집전체를 그대로 사용 가능해 고속 대량생산 방식인 ‘롤-투-롤 공정’과의 높은 호환성도 기대된다.
이번 연구 성과는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) (IF=15.7)’ 온라인에 2월 4일 게재됐다.
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