고려대학교(총장 김동원) 유승호 교수 연구팀이 애리조나주립대학교 화윤(Yoon Hwa) 교수와 공동으로 리튬-황 전지 양극을 용매와 고분자 바인더 없이 제조하는 건식 공정을 개발했다.

리튬-황 전지는 드론과 항공 등 차세대 모빌리티 분야에서 활용 가능성이 높은 배터리로, 기존 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 3~5배 높고 원료 비용이 낮은 장점이 있다. 다만 기존에는 슬러리 기반 습식 코팅 공정을 적용해 제조 과정이 복잡하고 비용이 증가하는 한계가 있었다.

연구팀은 열을 가하면 부드러워지고 접착성이 높아지는 황의 특성에 주목해 ‘열-보조 건식 프레싱’ 공정을 적용했다. 알루미늄 포일 집전체 위에 황-탄소 복합 분말을 형성한 뒤 열과 압력을 가해 전극을 만드는 방식이다.

이 공정은 황을 전기화학 반응에 참여하는 활물질과 결합 역할을 하는 바인더로 동시에 활용하는 것이 특징이다. 별도의 용매나 바인더 없이 전극을 형성할 수 있어 공정 단순화와 비용 절감이 가능하다.

X선 기반 3차원 구조 분석과 전기화학 평가 결과, 약 80℃ 조건에서 제조된 전극이 가장 우수한 성능을 보였다. 기존 습식 공정 대비 내부 구조가 균일하고 전해액 침투가 원활해 배터리 수명과 안정성이 개선된 것으로 나타났다.

또한 알루미늄 포일 집전체를 그대로 활용할 수 있어 롤투롤 공정과의 호환성이 높아 대량생산 적용 가능성도 제시됐다.

연구팀은 이번 공정이 친환경성과 경제성, 생산성을 동시에 고려한 제조 기술이라는 점에서 의미가 있다고 설명했다.

이번 연구 성과는 ‘Nature Communications’에 게재됐으며, 한국연구재단과 과학기술정보통신부 등의 지원을 받아 수행됐다.