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국립금오공대 연구팀, 유기 양극재 용량 1.5배·60℃ 고온 안정성 동시 확보
비활성 질량 줄인 분자 설계로 리튬이온배터리 성능 한계 극복
국제 저명학술지 안게반테 케미 인터내셔널 에디션 게재
[더팩트 | 구미=정창구 기자] 국립금오공과대학교 재료공학부(고분자공학전공) 이원호 교수 연구팀이 유기 양극재의 용량을 1.5배 향상시키고, 60℃ 고온에서도 안정적으로 작동하는 차세대 리튬이온배터리 양극 소재를 개발하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.
이번 연구 성과는 화학·재료 분야 최고 권위 학술지 중 하나인 Angewandte Chemie International Edition(안게반테 케미 인터내셔널 에디션)에 게재됐다.
연구팀은 대표적인 n-형 공액고분자인 P(NDI2OD-T2)를 분자 공학적으로 재설계해 에너지 저장에 직접 기여하지 않는 알킬 측쇄와 전자 주개(linker) 구조를 단순화했다.
이를 통해 이른바 '비활성 질량(inactive mass)'을 줄이고, 고분자 양극재의 실질적인 에너지 저장 효율을 높였다.
그 결과 새롭게 개발한 고분자 양극재 P(NDI2BO-V)는 기존 소재 대비 용량이 56.9mAh g⁻¹에서 86.0mAh g⁻¹로 약 1.5배 증가했으며, 장기 충·방전 사이클에서도 안정적인 성능을 유지했다.
이번 연구의 또 다른 성과는 유기 양극재의 고질적인 한계로 지적돼 온 고온 불안정성을 극복했다는 점이다.
연구팀은 상온(25℃)뿐 아니라 60℃ 고온 조건에서도 장기 사이클 실험을 수행한 결과, 공액고분자 기반 양극재가 단분자 유기 양극재보다 월등한 내구성을 보인다는 사실을 입증했다. 이는 기존 상용 무기 양극재 수준을 상회하는 성능으로 평가된다.
아울러 전기화학 분석과 함께 밀도범함수이론(DFT), 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 병행해 분자 구조 변화가 전하 저장 메커니즘과 전자·이온 수송, 미세구조에 미치는 영향을 체계적으로 규명했다.
이를 통해 용량 향상과 장기 안정성을 동시에 고려한 분자 설계 지침도 제시했다.
이번 논문의 제1저자인 고분자공학과 육찬호(석사 졸업) 씨와 김소영(박사과정) 씨는 "유기 양극재의 성능을 높이는 성과를 넘어 분자 구조 변화가 성능으로 이어지는 과정을 다양한 분석으로 확인하면서 연구에 대한 흥미와 확신이 더 커졌다"며 "후속 연구를 통해 고성능 유기 양극재 설계 전략을 확장해 나가겠다"고 말했다.
이원호 교수는 "공액고분자 양극에서 비활성 질량을 줄이는 단순한 분자 설계만으로도 용량 향상과 고온 내구성을 동시에 달성할 수 있음을 보여준 연구"라며 "유기 기반 에너지 저장 소재의 실용화를 앞당기는 계기가 될 것이다"고 말했다.
한편 이번 연구는 국립금오공대 이원호 교수 연구팀과 경상국립대 이태경 교수 연구팀의 공동연구로 수행됐으며, 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 경상북도 RISE 사업 등의 지원을 받아 진행됐다.
tk@tf.co.kr
