[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 변혜령 교수, 김우연 교수 등 공동연구팀이 유기 분자로 이루어진 다공성 골격구조체를 이용해 높은 사이클 성능을 가지는 리튬-유기 하이브리드 전지를 개발했다고 21일 밝혔다.
유기물질은 가볍고 휘어질 수 있어 휴대폰, 가전, 생체접촉소자 등 플렉서블 소자의 전지 전극 소재로 유망한 것으로 알려져 있다.
그러나 대다수의 단분자 유기물 및 고분자는 전기화학반응에서 야기되는 불안정성, 높은 용해도, 그리고 낮은 전기 전도성의 문제가 있어 그 사용이 제한적이다.
특히 이러한 단점을 극복하고 유연한 유기물 전지의 성능을 현재의 리튬-이온 전지와 대등할 정도로 향상시키기 위해서는 새로운 유기물을 디자인할 필요성이 대두됐다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 유기 분자들을 디자인해 거대 골격체로 만들 때 조절되는 분자 간의 상호작용 및 전자구조를 이용해 화학적 안정성, 불용성, 그리고 전기/이온 전도성을 향상할 수 있음을 증명했다.
연구과정을 보면 연구팀은 유기골격구조의 특성에 대해 주목했다.
유기골격구조는 유기 단분자들의 공유 결합을 통해 2차원 필름을 형성하고 이들이 파이-파이 결합으로 3차원으로 성장할 수 있는 다공성 결정체이다.
이 골격구조의 디자인은 분자간의 상호작용 및 안정성을 극대화하고 수 나노미터 크기의 기공 채널을 규칙적으로 형성하여 이온들의 이동을 원활하게 할 수 있다.
이후 공동연구팀은 레독스 코어로 낮은 전위에서 2개의 전자전달(2e-)이 가능한 아조(azo)그룹을 사용했다.
이로 인해 벤조싸이아졸 링커를 포함하는 유기 골격구조는 다른 물질과는 달리 2전자 전달이 동시에 빠르게 발생해 우수한 충방전 율속 특성 및 긴 사이클 성능이 평가됐다.
이어 밀도범 함수 계산을 통해 두 개의 리튬(Li) 이온이 아조 그룹과 빠르게 회합(association)함을 증명했다.
이 과정에서 벤조싸이아졸 기반의 아조 유기 골격구조체가 가지는 약 3나노미터(nm) 이하의 다공성 채널로 리튬(Li)이온이 골격체 내부까지 쉽게 통과할 수 있어 이온 전도성 또한 확보함을 실험적으로 규명했다.
이 연구결과에 의하면 유기골격체구조의 디자인을 통해 유기 전극의 화학적 안정성, 불용출성, 그리고 전기 및 이온 전도성을 향상시켰다.
또 6분에 한 번씩 충방전하는 빠른 속도에서도 약 1,000 사이클 이상 구동이 가능한 유기계 전극을 개발할 수 있었다.
변혜령 교수는 “아조 화합물 기반의 유기 골격구조체는 리튬-하이브리드 전지의 높은 율속 특성 및 긴 사이클 성능을 증명해 향후 유기 기반 가볍고 휘어지는 전극의 실용화 가능성을 제시한다”며 “개발한 벤조싸이아졸 기반의 유기 골격체 구조의 디자인은 향후 다양한 유기 전극 개발 시 유연한 디자인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
KAIST 화학과 비크람 싱아(Vikram Singh) 박사와 김재욱 박사가 공동 제1저자로 참여한 연구는 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials) 5월 11권 17호에 게재됐다.
이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단, KISTI 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.