아조 레독스 코어를 가지는 벤조싸이아졸 링크의 다공성 유기골격체구조 및 리튬-하이브리드 전지 성능(KAIST 제공)© 뉴스1

KAIST 화학과 변혜령·김우연 교수 연구팀이 유기 분자로 이루어진 다공성 골격구조체를 이용, 높은 사이클 성능을 가지는 리튬-유기 하이브리드 전지를 개발했다.현재 무기 산화물 기반의 전극을 대체할 유연하고 가볍고 휘어지는 전지의 개발이 기대된다.

20일 KAIST에 따르면 리튬-이온 전지의 전극으로 활용할 유기 골격구조체는 리튬 이온과 전기화학 반응을 할 수 있는 레독스 코어와 다공성 골격체를 형성하는 링커로 구성돼 있다.

공동연구팀은 레독스 코어로 낮은 전위에서 2개의 전자전달(2e-)이 가능한 아조(azo)그룹을 사용했다.

즉, 기존의 리튬-이온 전지는 일반적으로 전자전달 수보다 1보다 작다. 요즘 개발되는 차세대 전지의 경우 에너지 밀도를 높이기 위해 다중 전자전달이 가능한 물질을 찾고 있으며, 아조 그룹이 그중 하나다.벤조싸이아졸 링커를 포함하는 유기 골격구조는 다른 물질과는 달리 2전자 전달이 동시에 빠르게 발생해 우수한 충·방전 율속 특성 및 긴 사이클 성능이 평가됐다.

이는 벤조싸이아졸이 가지는 비 편재화 전자의 결합구조가 유기 전극의 안정성을 높이기 때문이다.

연구팀은 실시간 라만 분광 관찰을 통해 전극에서 아조 그룹의 가역적인 전기화학 반응을 직접적으로 증명할 수 있었다.

밀도범함수 계산 및 실시간 라만분광관찰(KAIST 제공)© 뉴스1

공동연구팀은 밀도범 함수 계산을 통해 두 개의 리튬(Li) 이온이 아조 그룹과 빠르게 회합(association)함을 증명했다.

아울러 벤조싸이아졸 기반의 아조 유기 골격구조체가 가지는 약 3nm 이하의 다공성 채널로 리튬(Li)이온이 골격체 내부까지 쉽게 통과할 수 있어 이온 전도성 또한 확보함을 실험적으로 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 제시한다”고 설명했다.

그러면서 “개발한 벤조싸이아졸 기반의 유기 골격체 구조의 디자인은 향후 다양한 유기 전극 개발 시 유연한 디자인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’ 5월 11권 17호에 6일자로 출판됐다.


km5030@news1.kr