건국대학교 화학공학과 김기출 교수 연구팀이 식품첨가물로 널리 알려진 사카린 분자의 화학 구조를 활용해 차세대 리튬 및 나트륨 이온 배터리용 유기 양극 소재 개발에 성공했다. 이번 연구 결과는 에너지 저장 및 배터리 분야의 국제적 권위지인 Small(IF=12.1, JCR 상위 7%의 Q1 저널)에 2025년 7월 온라인 게재되며 학계의 주목을 받고 있다.

사카린은 주로 감미료로 사용되는 물질이지만, 김 교수 연구팀은 그 방향족 고리와 다중 전자 활성 부위(O, S, N 등)에 주목했다. 기존 유기 양극 소재는 환경친화적이고 희소금속 자원에 대한 의존이 낮아 차세대 에너지 저장 장치의 대안으로 주목받고 있음에도 불구하고, 낮은 레독스 활성도와 구조적 불안정성으로 상용화에 어려움을 겪어왔다.

이에 김 교수팀은 사카린 유도체의 레독스 활성 코어 구조를 대칭화하고 방향족 백본을 연장하는 동시에, 다양한 기능기(functional group)를 도입해 전극 구조를 통합적으로 설계했다. 이를 통해 기존 유기 전극 소재에서는 관찰되기 어려운 독특한 ‘V자형’ 레독스 활성 변화 패턴을 구현해냈다.

이러한 현상은 사카린 기반 구조 내 방향족 골격에서 유도되는 국소 유도 효과(local inductive effect)에 의해 전자 전달이 촉진되며, 결과적으로 레독스 반응이 안정적으로 조절되는 것으로 분석됐다. 이는 기존 퀴논계 전극에서 보기 어려운 결과로, 확장된 고리형 구조가 전극의 사이클 안정성과 전기화학 성능을 동시에 향상시킬 수 있음을 보여주는 획기적인 발견이다.

연구팀은 “사카린 고유의 전자 구조와 다중 리튬 활성 부위를 활용해 유기 전극의 한계를 뛰어넘는 새로운 설계 전략을 제시했다”며 “이번 연구는 유기 전극 기술의 상용화를 앞당기는 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 산업통상자원부의 에너지 인력 양성사업의 지원을 받아 수행됐다.