전기차나 휴대용 전자기기 등에 상용화 기대

[서울투데이=이경재 기자] KAIST 신소재공학과 전석우 교수 연구팀이 차세대 친환경 유기 이차전지의 핵심기술을 개발했다.

▲ 3차원 고분자 나노 네트워크 기반 리튬유기전지 모식도 및 율특성의 획기적인 향상 [KAIST 제공]

고속 충전이 가능한 정렬 나노 네트워크 구조의 유기 음극으로, 매우 높은 수준의 충방전 특성을 달성해 전기차나 휴대용 전자기기 등에 상용화가 기대된다.

24일 KAIST에 따르면 유기 이차전지는 전극의 경량화가 가능하고 우수한 가변성은 물론 재활용이 용이하다는 장점이 있어 지속 가능한 친환경 전지 시스템으로 각광 받고 있다.

하지만, 유기물의 낮은 전기전도도를 극복하기 위해 높은 함량의 탄소계 도전재가 첨가돼 고에너지밀도 달성에는 한계가 있었다.

또, 실제 전기차 및 휴대용 전자기기 등에 적용되기 어려운 느린 충전 속도와 수명 저하가 결정적인 걸림돌로 지적돼왔다.

이에 연구팀은 전기화학적 활성과 안정성을 제한하는 기존의 비정렬적 전극 구조 대신 정렬된 서브 마이크론(100만분의 1미터 이하) 크기의 기공 채널을 갖는 3차원 이중 연속 구조의 유기 고분자-니켈 복합전극을 도입했다.

그 결과, 탄소계 도전재 없이도 속도 특성을 비약적으로 향상시키는 데 성공했다.

15 A g-1의 높은 전류밀도에서도 250회의 충·방전 사이클 동안 전극의 용량이 83% 이상 유지되는 높은 내구성과 안정성을 확인했다.

연구팀은 더 나아가 3차원 나노 네트워크 구조를 기반으로 유기물 내 다중 탄소 고리의 불포화 결합에서의 촉진된 ‘슈퍼리튬화’ 현상을 규명했다.

이들 통해 1260 mAh g-1의 높은 가역 용량 달성을 확증함과 동시에 우수한 전하 이동에 대한 동역학 분석을 통해 초고속 성능의 메커니즘을 검증했다.

전석우 교수는 “이번 연구의 3차원 정렬 나노 네트워크 구조는 다양한 유기 화합물과 호환 가능해 유기 전극의 플랫폼으로써 일반적 활용이 가능하다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구성과는 에너지·환경 분야 최고 권위지 ‘에너지와 환경 과학’에 이달 게재됐다.

이경재 기자  press@sultoday.co.kr

<저작권자 © 서울투데이, 무단 전재 및 재배포 금지>