[📪정보] 스마트폰 지금보다 더 작아지나…'리튬-셀레늄 배터리' 개발

[특이점 만세!(121.177)]

[머니투데이 류준영 기자]셀레늄-카본 전극 활물질에 전기화학적 고분자 표면 처리법을 통해 고전도성 보호막을 형성하는 과정의 모식도. 모식도에서 검은색 파티클은 셀레늄-카본 전극 활물질이고 빨간색은 전자, 노란색은 리튬 이온을 나타낸다. 이 모식도는 전도성고분자(폴리아닐린, Polyaniline)의 단량체를 전해질에 첨가해서 제작한 배터리 셀의 조립을 마친 후 충·방전이 진행되기 이전에 4.0 V까지의 선충전 과정을 진행함에 따라 전극 활성 물질 표면의 변화를 보여준다.(i) 왼쪽 그림은 선충전 시 전극 활물질 표면에서 고전도성 보호막이 초기에 형성되는 모습을 나타내고 있다. 선충전 과정 시, 양극에서는 전자가 음극으로 이동하면서 산화반응을 일으킨다. 전해질 상에 존재하고 있는 전도성고분자 단량체는 셀레늄-카본 표면에 있는 작용기에 인력작용을 통해 결합되어있는 상태이기 때문에, 선충전 과정을 겪으면서 단량체 역시 산화반응을 일으킨다. 산화반응을 통해 활성화된 단량체는 다른 단량체들과 중합반응을 일으킨다. 초기 중합으로 형성된 고분자의 경우 아직 전도성을 띄고 있는 상태가 아닌 산화 상태이며 고전도성을 띄는 산화 상태의 전도성 고분자는 우측의 그림에서 보는 것과 같다.(ii) 우측 그림에서 셀레늄-카본 전극을 감싸고 있는 초록색 막은 선충전이 4.0 V까지 진행 되어서 전도성을 띄는 산화 상태의 고분자이다. 이렇게 형성된 전도성 고분자 막은 셀레늄-카본 전극에서 전도성을 높여 리튬 이온의 확산을 빠르게 일어날 수 있도록 하며 활성 물질이 녹아남을 방지하여 안정적인 구동이 가능하게 한다/자료=GIST국내 연구진이 리튬이온 배터리의 전기 저장 용량을 유지하면서 2배 이상 소형화가 가능한 ‘리튬-셀레늄 배터리’를 개발했다.

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 홍익대 정재한 교수, 경희대 이정태 교수로 이뤄진 공동 연구팀이 12일 발표한 리튬-셀레늄 배터리는 같은 전기 저장 용량 대비 2배 이상 소형화가 가능해 스마트폰, 노트북 등 전자제품에서 배터리가 차지하는 공간이 2배 작아질 것으로 기대된다.

현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료로 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮다. 현재 배터리 셀 제조 기술로는 이론 용량, 즉 리튬이온전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량에 거의 도달해 다양한 전자기기에서 활용 시 추가적인 전기 저장 용량이 필요한 한계에 도달해 있다.
전기화학적 고분자 표면 처리 후 배터리와 처리하지 않은 배터리의 충‧방전 횟수 당 실제 측정되는 무게당 및 부피당 저장 용량을 보여주는 그래프. 그래프의 빨간색(전기화학적 고분자 표면처리 후 양극), 검은색(전기화학적 고분자 표면처리를 하지 않은 상태의 양극) 데이터는 충․방전 1회당 기록된 무게당 저장 용량(mAh/g)과 부피당 저장 용량(mAh/cm3)을 나타낸다.전기화학적 고분자 표면 처리를 하지 않은 양극의 경우 200회의 충·방전 이후 30 % 이하의 성능 유지를 보인다. 하지만, 전기화학적 고분자 표면 처리를 진행한 셀레늄-카본 양극의 경우에는 200회의 충·방전 후에도 활물질 기준으로 초기 발현 용량에 비교해 78 %의 성능 유지를 보이며 기존의 셀레늄-리튬 배터리에 비해 고안정성을 보인다/자료=GIST
연구팀은 셀레늄을 리튬 배터리의 양극 재료로, 리튬 금속을 음극 재료로 사용하는 리튬-셀레늄 배터리를 개발, 현재의 리튬이온 배터리에 비해 부피당 저장 용량을 약 2배 향상시켰다.

리튬-셀레늄 배터리는 셀레늄의 안정성이 낮아 급격하게 배터리 수명이 감소하는 현상이 있는데, 이 원인이 리튬-셀레늄 배터리의 상용화의 큰 걸림돌이다. 연구팀은 전기화학적 고분자 표면처리법을 통해 셀레늄 양극을 전도성 고분자인 폴리아닐린으로 보호막을 형성, 리튬-셀레늄 배터리를 안정화 시키는 데 성공했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 게재됐다.

https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD∣=shm&sid1=105&oid=008&aid=0004374291