고려대-미국 애리조나주립대, 차세대 리튬-황 전지 대량생산 해법 찾았다…상용화 ‘성큼’

△열-보조 건식 롤 프레싱을 통한 바인더-프리 황-탄소 복합 양극 제작 모식도

차세대 경량·고효율 배터리인 ‘리튬-황 전지’ 대량생산 시대가 성큼 다가왔다. 고려대학교(총장 김동원) 유승호 교수와 미국 애리조나주립대학교 화윤(Yoon Hwa) 교수가 별도의 용매와 고분자 바인더 없이 황-탄소 복합 양극을 형성하는 건식 제조법을 개발했다. 

 *용매: 어떤 액체에 물질을 녹여서 용액을 만들 때 그 액체를 가리키는 말

 *바인더: 전극 재료들이 서로 붙어 있도록 잡아 주는 접착 성분

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. 

 *슬러리 기반 습식 코팅: 가루 형태의 전극 재료를 액체 용매와 섞어 걸쭉한 반죽(슬러리)으로 만든 뒤, 이를 금속 박막 위에 고르게 펴 발라 말리는 공정

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. 

 *집전체: 전자가 흐르는 통로 역할을 하는 금속 포일

 *활물질: 전기화학 반응에 참여하는 물질

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. 

실제 산업 적용에 중요한 친환경성·경제성·대량생산 적합성을 모두 겨냥했다는 점에서 의미가 크다. 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. 

 *논문명: Binding properties of sulfur to enable solvent-free fabrication of high-performance polymer-free sulfur-carbon positive electrodes

 *DOI: 10.1038/s41467-026-69097-6

 *URL: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69097-6

본 연구는 LG Energy Solution Battery Innovation Contest 지원을 받아 수행되었으며, 한국연구재단(NRF) 및 과학기술정보통신부(MSIT) 과제를 통해 일부 지원을 받았다. 

[연구진 사진]

△(왼쪽부터) 애리조나 주립대 화윤(Yoon Hwa) 교수(교신저자), 고려대 유승호 교수(공동교신저자)