건국대학교 공과대학 김기출 교수(화학공학과) 연구팀이 유기물 양극재의 단점을 보완하는 ‘Switchable design’ 전략으로 배터리 성능을 혁신적으로 향상시켰다.

이차전지 양극재는 배터리 성능의 핵심 요소 중 하나로, 전체 배터리의 에너지 밀도, 수명, 안정성 등을 결정짓는 중요한 역할을 한다. 특히 유기물 양극재는 환경적, 경제적 장점으로 인해 차세대 배터리 양극재로 주목받고 있다.

하지만 작동전압이 낮아 에너지 저장 용량도 낮게 제한되는 단점이 있어 작동전압을 높이기 위한 연구가 필요한 실정이다.

이번 연구에서는 유기 양극재로 잘 알려진 나프토퀴논, 안트라퀴논 유도체의 활성점 이동으로 전자 구조를 조절해 분자 백본의 공액성을 복원하는 전략인 ‘Switchable design’을 제시했다.

연구팀은 ‘Switchable design’을 활용하면 기존 퀴논 유도체의 방향족 고리를 제거하고 백본의 공액성을 확장해 전자 전달 특성을 개선하고 내재된 환원 전위를 높은 수준으로 향상시킬 수 있음을 입증했다.

이는 기존 유기 양극재의 성능 향상을 위한 대표적인 전략이다. 도핑 및 기능기의 도입과 비교해 질량 증가 없이 공액성의 복원만으로 환원 전위 및 에너지 저장용량을 높은 수준으로 향상시켜 유기 양극재 개발에 새로운 방향을 제시했다.

‘Switchable design’을 통해 설계된 퀴논 유도체는 기존 퀴논 유도체와 비교해 계산화학적 방법으로 백본의 전자적 상호작용과 배열을 정량적으로 분석함으로써 그 우수성을 확인했다. 복원된 공액성에 대한 평가는 방향족성(aromaticity) 분석과 전자구조적 공액성 복원 평가를 위한 오비탈 분석을 포함한다.

특히 스위치된 나프토퀴논(s-NQ)은 기존의 유기 및 무기 양극 재료와 비교해 우수한 성능 지표(338.9mAh/g 및 912.9 mWh/g)를 보이며, 유기 양극재 개발에 새로운 방향을 제시하고 차세대 이차전지 기술 발전에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐으며, 한양대학교(정인환 교수, 유기나노공학과) 연구팀이 함께 참여했다. 해당 연구 논문은 이달 재료과학분야 최상위 국제 학술지 ‘Advanced Materials(IF=29.4, JCR 상위 3%)’ 최신호 뒷 표지 논문으로 출판됐다.

건국대 화학공학과 고채영 석박사 통합과정생이 제1저자며, 최민규 석박사 통합과정이 제3저자, 교신저자는 건국대 김기출 교수다.

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