광주과학기술원, 2배 소형화된 리튬이온 배터리 개발

[테크월드=배유미 기자] 광주과학기술원(이하 지스트)가 기존 전기 저장 용량은 유지하면서 크기는 2배 이상 소형화한 새로운 리튬이온 기반 고용량 배터리를 개발했다.

이번 연구는 지스트 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 홍익대정재한 교수, 경희대 이정태 교수 공동 연구팀이 진행했다.

현재 상용화돼 있는 리튬이온 배터리 전극에서는 음극에 그라파이트, 양극에 리튬금속산화물이 사용된다. 하지만 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮으며, 용량 면에서도 한계에 도달했다는 평가를 받고 있다.

연구팀은 이와 같은 한계를 극복하고자 음극 재료로 리튬 금속을, 양극 재료로 셀레늄을 사용했다. 새롭게 개발된 리튬-셀레늄 배터리의 이론용량은 기존보다 2배 향상됐다. 이론용량은 리튬이온 전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량으로, 전하 저장량과 같은 개념이다.

특히, 연구팀은 셀레늄의 안정화와 배터리 수명의 향상 방법에 집중했다. 셀레늄은 안정성이 낮아 배터리에 이용 시 수명이 감소하는 현상이 있다. 이를 위해 연구진은 배터리 셀 조립 시 전해질에 전도성고분자 폴리아닐린(Polyaniline)의 단량체 아닐린(aniline)을 소량 첨가하는, ‘전기화학적 고분자 표면처리법’을 사용했다. 이는 전기화학적으로 전류를 가해 전극 활성 물질 표면에 중합시키는 방법이다.

이 방법을 사용해 셀레늄 양극을 폴리아닐린으로 보호막을 형성했으며, 고용량∙고안정성 리튬-셀레늄 배터리를 개발하는 데 성공했다. 이 배터리는 기존 배터리에 비해 3배 이상의 용량 유지율을 보였다.

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 있다”며 “향후 추가적인 연구 개발을 통해 리튬-황전지를 비롯한 다른 차세대 고용량 이차전지에서도 적용 가능할 것”이라고 말했다

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 LG화학의 지원을 받아 진행됐으며, 연구성과는 지난 5일 첨단 에너지 소재 분야의 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’(Advanced Functional Materials) 온라인판에 게재됐다.