경북대·성균관대 공동연구팀이 친환경 유기 전극 소재의 리튬 저장량을 기존보다 두 배 가까이 높일 수 있는 분자 설계 원리를 규명했다. 이번 연구는 희귀 금속 의존도를 낮춘 고용량·친환경 배터리 개발의 새로운 가능성을 열었다.
이원태 경북대 화학교육과 교수는 윤원섭·양정운 성균관대 교수팀과 공동연구를 통해 유기 전극 소재 내부에 존재하지만 실제로는 활용되지 못하던 '숨겨진 산화-환원 반응 자리(에너지 저장 공간)'를 활성화할 수 있는 분자 설계 원리를 제시했다.
리튬이온배터리에 사용되는 기존 양극 소재는 니켈, 코발트 등 희귀 금속 기반의 무기 소재가 대부분이다. 하지만 이러한 소재는 자원 고갈, 가격 상승, 환경 오염 등의 문제로 인해 지속가능성 측면에서 한계를 지닌다. 이에 따라 최근에는 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N) 등 친환경 원소로 구성된 유기 전극 소재가 차세대 배터리 후보로 주목받고 있다.
연구팀은 기존 대표적인 유기 전극 소재인 'PTCDA'에 벤젠 고리 구조인 '페닐기'를 도입한 새로운 분자 구조인 'P-PTCDI'를 설계했다. 연구 결과, 기존 PTCDA는 배터리 안에서 리튬 이온 약 2개만 저장할 수 있었던 반면, 새롭게 설계된 P-PTCDI는 거의 4개의 리튬 이온을 저장할 수 있는 것으로 확인됐다. 이는 기존에 활용되지 못하던 산화·환원 반응 자리를 활성화해 리튬 저장량을 두 배 가까이 높인 결과로, 고용량 유기 전극 소재 설계를 위한 분자 설계 원리를 제시했다.
특히 연구팀은 페닐기가 분자 내부의 전자 분포를 조절해 리튬 이온들이 서로 밀어내는 현상을 줄이고, 더 많은 리튬 이온을 안정적으로 저장할 수 있도록 만든다는 점을 규명했다.
이원태 교수는 “이번 연구는 단순히 새로운 유기 전극 소재를 개발한 것이 아니라, 분자 수준에서 추가적인 산화·환원 반응을 활성화할 수 있는 근본적인 설계 원리를 제시한 것이다. 이번 설계 전략은 다양한 유기 전극 소재에 적용될 수 있어 희귀 금속 의존도를 낮춘 고용량-친환경 배터리 개발을 앞당길 것으로 기대된다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구 결과는 최근 에너지 분야 국제학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 표지 논문(Cover)으로 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
