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GIST, 2배 이상 작아진 새로운 배터리 개발 성공 "휴대폰, 노트북 등 배터리 공간 줄어들 것"
[저장용량은 그대로 유지하면서 크기를 2배 이상 줄일 수 있는 새로운 리튬이온 기반 고용량 배터리가 광주과학기술원(GIST) 연구팀에 의해 개발됐다고 12일 GIST가 밝혔다. 고전도성 보호막을 형성하는 과정의 모식도(사진 위)와 전기화학적 고분자 표면처리 후 배터리와 처리하지 않은 배터리의 충·방전 횟수당 실제 측정되는 무게당 및 부피당 저장용량을 보여주는 그래프. (사진-GIST 제공)]

전기 저장용량은 그대로 유지하면서 크기를 2배 이상 줄일 수 있는 새로운 리튬이온 기반 고용량 배터리가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

차세대 핸드폰이나 노트북 등 휴대용 전자기기에 적용할 경우 배터리가 차지하는 공간이 크게 줄어들고 휴대성도 훨씬 용이해질 것으로 기대된다.

12일 광주과학기술원(GIST)에 따르면 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 홍익대 정재한 교수, 경희대 이정태 교수 공동연구팀이 기존 리튬이온 배터리를 전기 저장용량은 유지하면서 2배 이상 소형화가 가능한 새로운 리튬이온 기반 고용량 배터리(리튬-셀레늄 배터리)를 개발했다.

현재 상용화된 리튬이온 배터리의 경우 전극재료로 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮고 현재 배터리 셀 제조기술로는 이론용량에 거의 도달해 다양한 전자기기에서 활용 시 추가적인 전기 저장용량이 필요한 한계에 도달했다.

이에 연구팀은 셀레늄을 리튬 배터리의 양극재료로, 리튬 금속을 음극 재료로 사용하는 리튬-셀레늄 배터리를 이용, 현재의 리튬이온 배터리에 비해 부피당 저장용량을 2배 향상시켰다.

리튬-셀레늄 배터리는 셀레늄의 안정성이 낮아 급격하게 배터리 수명이 감소하는 현상이 있는데, 이러한 원인이 리튬-셀레늄 배터리의 상용화의 큰 걸림돌이었다. 이를 감안해 연구팀은 배터리용량을 유지하면서 안정성, 즉 배터리 수명을 향상시키는 방법에 집중했다.

특히 연구팀은 배터리셀을 조립하는 단계에서 전해질에 전도성고분자(폴리아닐린)의 단량체인 아닐린(aniline)을 소량 첨가해 전기화학적으로 전류를 가해 전극 활성 물질 표면에 중합시키는 방법인 '전기화학적 고분자 표면처리법'을 핵심기술로 적용했다.

이 기술은 연구팀이 전 세계적으로 유일하게 자체개발한 기술로 복잡한 추가 공정이 필요하지 않아 상용화가 매우 용이하며, 현재 특허출원 중이다.

나아가 전기화학적 고분자 표면처리법을 통해 셀레늄 양극을 전도성 고분자인 폴리아닐린으로 보호막을 형성해 고용량·고안정성 리튬-셀레늄 배터리를 안정화시키는데 성공했다. 이는 높은 부피용량을 가질 뿐만 아니라 처리 이전의 전극 물질과 비교해 보았을 때 3배 이상의 용량 유지율을 보인 것으로 확인됐다.

엄광섭 교수는 "기존 리튬-셀레늄 배터리에 비해 매우 용이한 전기화학적 고분자표면처리법을 통해 새로운 고용량·고안전성 배터리를 도입시켰다는데 가장 큰 의의가 있으며, 앞으로 추가 연구 개발을 통해 다른 차세대 고용량 이차전지(리튬-황전지 등)에도 적용 가능할 것을 기대한다"고 말했다.

[저장용량은 그대로 유지하면서 크기를 2배 이상 줄일 수 있는 새로운 리튬이온 기반 고용량 배터리가 광주과학기술원(GIST) 연구팀에 의해 개발됐다고 12일 GIST가 밝혔다. 왼쪽부터 연구를 주도한 GIST 신소재공학부 엄광섭 교수, 석박사통합과정생인 이승민, 이하은 연구원. (사진-GIST 제공) ]

GIST 신소재공학부 엄 교수와 석박사통합과정생 이승민, 이하은 연구원이 주도하고, 홍익대 정재한 교수와 경희대 이정태 교수가 공동 수행한 이번 연구는 한국연구재단과 LG화학의 지원을 받아 진행됐으며, 첨단 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 올해 3월5일자로 온라인 게재됐다.   

 

박경선 기자  dokdosisa@naver.com

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