- 기존 방법보다 훨씬 간편하게 안전성 향상 기법 개발을 통해 고안정성/고용량의 소형 배터리 개발에 성공
- 연구성과 세계적인 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 게재
우리가 매일 편리하게 사용하는 스마트폰, 노트북 등 가지고 다니거나 움직일 수 있는 모든 전자제품에는 배터리가 장착되어 있다.
특히 휴대가 용이하도록 전자기기의 크기가 점차 작아짐에 따라 소형 배터리에 대한 수요는 증가하고 있으며, 최근에는 전기자동차와 자전거 등 모빌리티로 확대되고 있다.
광주과학기술원(총장 김기선, 이하 지스트) 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 홍익대 정재한 교수, 경희대 이정태 교수 공동 연구팀이 기존 리튬이온 배터리를 전기 저장 용량을 유지하면서 2배 이상 소형화 가능한 새로운 리튬이온 기반 고용량 배터리를 개발했다.
본 연구를 통해 개발된 리튬-셀레늄 배터리는 안정성 확보를 기반으로 같은 전기 저장 용량 대비 2배 이상 소형화가 가능하므로 차세대 핸드폰, 노트북 등의 휴대용 전자기기에 이용되면 전자제품에서 배터리가 차지하는 공간이 2배 작아질 것으로 기대된다.
현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료로써 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 도달했다.
* 이론 용량: 리튬이온전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량(=전하 저장량)으로 실험적으로 이보다 높을 수는 없다. 예를 들어 그라파이트의 경우에는 탄소 원자 6개당 하나의 리튬 이온이 저장되는데, 이를 계산하면 837 mAh/cm3 (부피당)이 된다.
본 연구팀은 셀레늄을 리튬 배터리의 양극 재료로, 리튬 금속을 음극 재료로 사용하는 리튬-셀레늄 배터리를 이용하여 현재의 리튬이온 배터리에 비해 부피당 저장 용량을 약 2배 향상시켰다.
* Li-Se 배터리의 양 전극의 이론용량: (Li 음극) 2,060 mAh/cm3, (Se 양극) 3,253 mAh/cm3
특히, 리튬-셀레늄 배터리는 셀레늄의 안정성이 낮아 급격하게 배터리 수명이 감소하는 현상이 있는데, 이러한 원인이 리튬-셀레늄 배터리의 상용화의 큰 걸림돌이다. 따라서 연구팀은 본 배터리의 용량을 유지하고 안정성, 즉 수명을 향상시키는 방법에 집중했다.
특히, 본 연구의 핵심적인 방법은 배터리 셀 조립 시 전해질에 전도성고분자(폴리아닐린, Polyaniline)의 단량체인 아닐린(aniline)을 소량 첨가하여 전기화학적으로 전류를 가해 전극 활성 물질 표면에 중합시키는 방법인 “전기화학적 고분자 표면처리법(in batteria electrochemical polymerization)*”이다.
* 이 기술은 본 연구팀이 전 세계적으로 유일하게 자체 개발한 기술로 복잡한 추가 공정이 필요하지 않아 상용화가 매우 용이하며, 현재 특허 출원 중이다.
나아가 전기화학적 고분자 표면처리법을 통해서 셀레늄 양극을 전도성고분자인 폴리아닐린(polyaniline)으로 보호막(protective conducting layer)을 형성하여 고용량·고안정성 리튬-셀레늄 배터리를 안정화시키는데 성공했다.
특히, 이는 높은 부피용량을 가질 뿐만 아니라 처리 이전의 전극 물질과 비교해 보았을 때 약 3배 이상의 용량 유지율을 보였다(200회 충/방전 기준).
엄광섭 교수는 “이번 연구성과는 기존의 리튬-셀레늄 배터리에 비해 매우 용이한 전기화학적 고분자 표면처리법을 통해 새로운 고용량·고안전성의 리튬-셀레늄 배터리를 도입시켰다는데 가장 큰 의의가 있으며, 향후 추가적인 연구 개발을 통해 다른 차세대 고용량 이차전지(리튬-황전지 등)에서도 적용 가능할 것을 기대한다”고 말했다.
지스트 신소재공학부 엄광섭 교수와 이승민 석박사통합과정생과 이하은 석박사통합과정생이 주도하고, 공동으로 정재한 교수(홍익대학교), 이정태 교수(경희대학교)가 수행한 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.