KAIST(한국과학기술원) 연구진이 친환경 유기 2차전지 핵심기술을 개발했다.
KAIST 신소재공학과 전석우 교수와 김일두 교수, 미국 일리노이대학 어바나-샴페인 캠퍼스 폴 브라운 교수 공동 연구팀은 재현성 있는 광학 패터닝 기술을 통해 고도로 정렬된 나노 네트워크 구조의 유기 음극을 설계함으로써 리튬유기전지의 성능을 획기적으로 향상시켰다.
연구진이 확보한 충·방전 특성은 현재까지 보고된 유기 음극소재 가운데 가장 높은 수준이며 무기물 기반의 전극 소재를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 장기적으로는 전기자동차(EV)나 휴대용 전자기기 상용화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
유기 2차전지는 원료 수급에 제한이 적고 저렴한 유기 전극 소재를 기반으로 제조하며 전극 경량화가 가능하고 우수한 가변성은 물론 재활용이 용이하다는 장점이 있어 지속가능한 친환경 배터리 시스템으로 각광받고 있다.
하지만, 유기물의 낮은 전기전도도를 극복하기 위해 높은 함량의 탄소계 도전재가 첨가돼 고에너지밀도 달성에는 한계가 있고 실제 전기자동차 및 휴대용 전자기기에 적용하기 어려운 느린 충전 속도와 수명 저하 이슈가 결정적인 걸림돌로 지적되고 있다.
연구진은 전기화학적 활성과 안정성을 제한하는 기존의 비정렬적 전극 구조 대신 정렬된 서브 마이크론(100만분의 1미터 이하) 크기의 기공 채널을 갖는 3차원 이중 연속구조의 유기 고분자-니켈 복합전극을 도입했다.
이를 통해 탄소계 도전재 없이도 속도 특성을 비약적으로 향상하는데 성공했으며 높은 전류밀도에서도 250회의 충·방전 사이클 동안 전극 용량이 83% 이상 유지되는 높은 내구성과 안정성을 확인했다.
나아가 3차원 나노 네트워크 구조를 기반으로 유기물 내 다중 탄소고리의 불포화 결합에서의 촉진된 슈퍼리튬화 현상을 규명해 1260mAh의 높은 가역용량을 달성함과 동시에 우수한 전하 이동에 대한 동역학 분석을 통해 초고속 성능의 메커니즘을 검증했다.
연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐으며 에너지·환경 분야 최고 권위지 에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science) 11월호에 게재됐다. (K)