KAIST 화학과 변혜령, 김우연 교수 공동연구팀이 유기 분자로 이루어진 다공성 골격구조체를 이용해 높은 사이클 성능을 가지는 리튬-유기 하이브리드 전지를 개발했다.

20일 KAIST에 따르면 변 교수 연구팀은 두 개의 질소 원소가 이중 결합을 가지는 아조(azo, N=N) 그룹을 레독스(산화·환원) 코어로 가지면서 벤조싸이아졸 링커로 분자들을 엮어 거대한 다공성 구조체를 설계했고, 거대 유기체 전극은 현재 무기 산화물 기반의 전극을 대체해 유연하고 가벼우면서 잘 휘어지는 전지 개발에 활용될 것으로 전망된다.

연구팀은 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. 또 6분에 한 번씩 충전 및 방전하는 빠른 속도에서도 약 1000 사이클 이상 구동이 가능한 유기계 전극을 개발해냈다.

리튬-이온 전지의 전극으로 활용할 유기 골격구조체는 리튬 이온과 전기화학 반응을 할 수 있는 레독스 코어와 다공성 골격체를 형성하는 링커로 구성돼 있다.

연구팀은 실시간 라만 분광 관찰을 통해 전극에서 아조 그룹의 가역적인 전기화학 반응을 직접적으로 증명했고, 밀도범 함수 계산을 통해 두 개의 리튬(Li) 이온이 아조 그룹과 빠르게 회합(association)하는 것을 밝혀냈다.

또 벤조싸이아졸 기반의 아조 유기 골격구조체가 가지는 약 3나노미터(nm) 이하의 다공성 채널로 리튬(Li)이온이 골격체 내부까지 쉽게 통과해 이온 전도성까지 확보하는 것을 실험으로 규명했다.

공동연구를 주도한 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 제시한다ˮ며 "개발한 벤조싸이아졸 기반의 유기 골격체 구조의 디자인은 향후 다양한 유기 전극 개발 시 유연한 디자인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 KAIST 화학과 비크람 싱아(Vikram Singh) 박사와 김재욱 박사가 공동 제1 저자로 참여했으며 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)' 5월 11권 17호에 지난 6일자로 출판됐다.