지스트 엄광섭 교수, 고용량 소형 배터리 개발에 성공

지스트, 고용량 소형 배터리 개발에 성공
엄광섭 교수 참여연구팀, 2배 이상 소형화 가능한 고안정성 향상 기법

                                                                                         지스트 엄광섭 교수

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 개발하였다.
이 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 용량*에 거의 도달해 다양한 전자기기에서 활용 시 추가적인 전기 저장 용량이 필요한 한계에 도달하였다.
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 집중하였다.
이 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 성공하였다. 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.