[대학저널 임지연 기자] 광주과학기술원(총장 김기선, 이하 지스트) 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 홍익대 정재한 교수, 경희대 이정태 교수 공동 연구팀이 기존 리튬이온 배터리 전기 저장 용량을 유지하면서 2배 이상 소형화 가능한 새로운 리튬이온 기반 고용량 배터리를 개발했다.
이 연구를 통해 개발된 리튬-셀레늄 배터리는 안정성 확보를 기반으로 같은 전기 저장 용량 대비 2배 이상 소형화가 가능하다. 차세대 핸드폰, 노트북 등 휴대용 전자기기에 이용되면 전자제품에서 배터리가 차지하는 공간이 2배 작아질 것으로 기대된다.
현재 상용 리튬이온 배터리 전극 재료로는 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮으며, 현재 배터리 셀 제조 기술로는 이론 용량에 거의 도달해 다양한 전자기기에서 활용 시 추가적인 전기 저장 용량이 필요한 한계에 도달한 상태다.
연구팀은 셀레늄을 리튬 배터리의 양극 재료로, 리튬 금속을 음극 재료로 사용하는 리튬-셀레늄 배터리를 이용해 기존 리튬이온 배터리에 비해 부피당 저장 용량을 약 2배 향상시켰다.
특히 리튬-셀레늄 배터리는 셀레늄의 안정성이 낮아 급격하게 배터리 수명이 감소하는 현상이 있다. 이 원인은 리튬-셀레늄 배터리 상용화의 큰 걸림돌로 작용해, 연구팀은 배터리의 용량을 유지하면서 안정성, 즉 수명을 향상시키는 방법에 집중했다.
이 연구의 핵심은 배터리 셀 조립 시 전해질에 전도성고분자(폴리아닐린, Polyaniline)의 단량체인 아닐린(aniline)을 소량 첨가해 전기화학적으로 전류를 가해 전극 활성 물질 표면에 중합시키는 방법인 ‘전기화학적 고분자 표면처리법(in batteria electrochemical polymerization)’이다. 전기화학적 고분자 표면처리법을 통해 셀레늄 양극을 전도성고분자인 폴리아닐린(polyaniline)으로 보호막(protective conducting layer)을 형성, 고용량·고안정성 리튬-셀레늄 배터리를 안정화시키는데 성공한 것이다.
이는 높은 부피용량을 가질 뿐만 아니라 처리 이전의 전극 물질과 비교해 봤을 때 약 3배 이상의 용량 유지율을 보였다(200회 충/방전 기준).
엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 용이한 전기화학적 고분자 표면처리법을 통해 새로운 고용량·고안전성의 리튬-셀레늄 배터리를 도입시켰다는데 가장 큰 의의가 있다”며 “향후 추가적인 연구 개발을 통해 다른 차세대 고용량 이차전지에서도 적용 가능할 것을 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 및 LG화학의 지원을 받아 진행됐으며, 연구성과는 첨단 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’(Advanced Functional Materials)에 2020년 3월 5일자로 온라인 게재됐다.
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