한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 소재융합측정연구소 신호선 박사팀과 포항공과대학교(POSTECH, 총장 김무환) 반도체공학과 송재용 교수팀이 차세대 이차전지의 실용화를 앞당길 수 있는 고수명 유기전극을 개발했다.

전기차 등에 대표적으로 사용되는 리튬 이차전지의 전극은 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 무기물이 주된 소재다. 이러한 광물자원은 매장량이 제한적이고 국제 정세에 따라 수급이 불안정해질 수 있다.

유기물 기반 전극은 이 같은 단점을 해결할 차세대 이차전지의 핵심기술로 꼽힌다. 유기물 소재는 매장된 자원을 채굴해야 하는 무기물과 달리 합성을 통해 대량생산 할 수 있어 가격경쟁력이 우수하고, 용량 대비 가벼우면서 유연하다는 장점이 있다.

문제는 유기 소재 전극이 충‧방전 중 이온화*되는 과정에서 전지 안의 전해질 용액에 쉽게 녹아 전지의 수명이 급격히 저하된다는 점이다. 이를 해결하기 위해 화학적으로 유기물 분자구조를 최적화하는 방식이 제시됐지만 공정이 복잡하고 수율이 떨어진다는 단점이 있어 실질적 대안이 되기 어려웠다.

* 이온화(ionization): 중성의 분자 또는 원자에서 전자를 잃거나 얻는 전자 이동이 일어나 전하를 띠게 되는 반응

KRISS-POSTECH 공동연구팀이 개발한 고수명 유기전극은 나노복합소재를 사용해 수명을 획기적으로 향상시킨 것이 특징이다. 물리적 혼합방식으로 제조할 수 있어 기존에 제시된 화학적 방식보다 실용화에 훨씬 유리하다.

기술의 핵심은 유기전극 후보물질 가운데 초기 용량이 높은 물질(DMPZ)과 수명이 긴 물질(PTCDA)을 동결분쇄해 혼합하는 복합소재 제조법이다. 이 소재로 전극을 제작해 실험한 결과, 충방전 과정에서 두 물질의 상호전하보상 작용으로 전기적 중성 상태가 지속돼 650회 이상 충‧방전 시에도 초기 용량이 90% 이상 유지됐으며 고속 충·방전 역시 우수한 특성을 보였다. 반면 DMPZ 단일 소재로 제작한 전극은 충‧방전 5회 이내에 수명이 20% 이하로 저하됐다.

또한 연구팀은 개발한 고수명 유기전극으로 파우치형 배터리를 제작해, 이번 성과가 실제로 유연한 리튬이차전지 실용화에 기여할 수 있음을 입증했다.

이번 성과는 이차전지 외에도 물 분해, 가스 센서 등 다양한 분야에서 유기물 기반 전극의 전기화학적 안정성과 수명 향상에 쓰일 수 있다.

신호선 KRISS 스마트소자팀장은 “그린에너지 전환을 위해서는 기존 이차전지의 한계를 뛰어넘을 소재의 혁신이 필요하다”며 “이번 성과로 차세대 이차전지 실용화를 한층 앞당기고, 다양한 분야에서 유기물 기반 전극의 연구개발 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부 한국연구재단 미래소재디스커버리지원사업의 지원을 받은 이번 연구의 성과는 국내외에 특허 출원됐으며 국제 저명학술지 에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials, IF: 20.4) 8월호에 게재됐다.