건국대학교 화학공학과 김기출 교수 연구팀이 차세대 유기 이차전지용 양극 소재의 작동 원리와 설계 전략을 규명한 연구 성과를 국제 저명 학술지 '앙게반테 케미 국제판' (Angewandte Chemie International Edition) 1월 28일자에 게재했다. 해당 논문은 같은 달 발행된 저널의 Outside Front Cover Article로도 선정됐다.

이번 연구는 기존 유기 양극 소재가 낮은 작동 전압으로 인해 에너지 밀도에 한계를 보인다는 점에 주목해 하나의 소재에서 두 가지 메커니즘으로 전하를 저장할 수 있는 ‘바이폴라 레독스(Bipolar redox)’ 구조를 중심으로 진행됐다. 

이는 배터리 내부에서 리튬 이온뿐 아니라 음이온까지 함께 활용해 전기를 저장하는 방식으로 이론적으로 더 높은 에너지 저장이 가능한 구조로 평가된다.

연구팀은 방전 성능을 단순한 실험 결과나 구조적 특성에 국한해 설명하지 않고, 전자 구조 계산을 통해 성능을 좌우하는 근본 원인을 규명했다. 

분석 결과, 분자가 전자를 받아들이고 분산시키는 방식이 핵심 요인으로 작용했으며, 특히 전자를 받아들이는 궤도인 LUMO의 반결합적 성격, 전자 친화도, 배터리 내부 용매 환경에서의 안정성이 방전 성능을 결정하는 주요 인자로 확인됐다. 이는 실제로 잘 작동하는 유기 양극 소재를 전자 구조 수준에서 설계할 수 있는 기준을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

또한 이번 연구는 그동안 상대적으로 주목받지 못했던 음이온 저장을 담당하는 ‘p-type’ 작용기가 배터리 성능 향상에 기여하는 역할을 분자 단위에서 체계적으로 설명한 첫 사례로 평가된다. 소재 구조 설계에 따라 에너지 저장량과 출력 성능이 크게 달라질 수 있음을 명확히 제시했다는 점에서 주목된다.

아울러 반복적인 방전 과정에서 성능 저하를 유발하는 ‘cathodic deactivation’ 현상의 발생 메커니즘을 정량적으로 규명했다. 환원 과정에서 전자가 가역적으로 작동하지 못하고 전기화학 반응에서 이탈하는 원인을 전자 구조와 안정성 붕괴 관점에서 설명함으로써, 기존 유기 양극 소재의 성능 한계가 소재 자체가 아닌 설계 방식에 있음을 이론적으로 제시했다.

김기출 교수는 “이번 연구는 유기 양극 소재에서 규명이 부족했던 p-type 기능기의 역할을 전자 구조 수준에서 명확히 밝혀낸 성과”라며 “제시된 설계 원리는 차세대 고에너지·고용량 유기 이차전지 소재 개발을 위한 중요한 기준점이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구에는 건국대학교 화학공학과 고채영 박사과정생이 제1저자, 이교현 석사과정생이 제2저자로 참여했으며, 김기출 교수가 교신저자를 맡았다. 연구는 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업과 한국과학기술정보연구원 국가슈퍼컴퓨팅센터의 계산 자원 지원을 받아 수행됐다.