서울--(뉴스와이어)--건국대학교 김기출 교수(화학공학과) 연구팀이 차세대 유기 이차전지용 양극 소재의 작동 원리와 설계 전략을 규명한 연구 성과를 국제 저명 학술지 ‘앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)(IF=17.0, JCR 상위 6.1%)’에 1월 28일자로 게재했다. 논문은 해당 저널 1월호 표지 논문(Outside Front Cover Article)으로도 선정됐다.

연구팀은 기존 유기 양극 소재가 낮은 작동 전압으로 인해 에너지 밀도에 한계를 가지는 문제에 주목했다. 이에 하나의 소재에서 두 가지 메커니즘으로 전하를 저장할 수 있는 ‘바이폴라 레독스(Bipolar redox)’ 구조에 주목해 연구를 진행했다. 이는 배터리 안에서 리튬 이온뿐 아니라 음이온까지 함께 활용해 전기를 저장하는 방식으로, 이론적으로는 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 구조다.

이 연구의 차별성은 방전 성능을 단순한 실험 결과나 구조적 특징으로 설명하는 데서 그치지 않고 그 원인을 전자 구조 수준에서 직접 규명했다는 점에 있다. 전자 구조 계산을 통해 방전 거동을 좌우하는 요인을 분석한 결과 분자가 전자를 어떻게 받아들이고 분산시키는지가 핵심임을 확인했다. 특히 전자를 받아들이는 궤도인 LUMO의 반결합적 성격, 전자 친화도 그리고 배터리 내부 용매 환경에서의 안정성이 방전 성능을 결정하는 주요 인자로 작용함을 밝혔다. 이는 새로운 소재 제시에 그치지 않고 실제로 잘 작동하는 유기 양극을 전자 수준에서 설계할 수 있는 기준을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

이번 연구는 그동안 상대적으로 주목받지 못했던 음이온 저장을 담당하는 ‘p-type’ 작용기가 실제 배터리 성능 향상에 어떤 역할을 하는지를 분자 단위에서 처음으로 체계적으로 설명했다는 점에서 의미가 크다. 이를 통해 소재의 구조를 어떻게 설계하느냐에 따라 배터리의 에너지 저장량과 출력 성능이 크게 달라질 수 있음을 명확히 제시했다.

또한 안정성 붕괴에 따라 환원 과정에서 전자가 가역적으로 작동하지 못하고 전기화학 반응에서 이탈하는 현상, 즉 ‘cathodic deactivation’의 발생 메커니즘을 정량적으로 규명함으로써 기존 유기 양극 소재가 반복 방전 과정에서 성능 한계를 보이는 근본 원인을 설명했다. 해당 연구는 계산화학 기반의 정밀 분석을 통해 유기 배터리 성능이 소재 자체의 한계가 아니라 전자 구조와 안정성 설계에 따라 개선될 수 있음을 이론적으로 제시하며 지속가능한 에너지 저장 기술의 새로운 설계 방향을 제안한다.

김기출 교수는 “이번 연구는 유기 양극 소재에서 상대적으로 규명이 부족했던 p-type 기능기의 역할을 전자 구조 수준에서 명확히 밝혀낸 성과”라며 “제시된 설계 원리는 차세대 고에너지·고용량 유기 이차전지 소재 개발을 위한 중요한 기준점이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 건국대 화학공학과 고채영 박사과정생이 제1저자, 이교현 석사과정생이 제2저자, 김기출 교수가 교신저자로 참여했으며, 본 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지기술개발사업과 한국과학기술정보연구원(KISTI) 국가슈퍼컴퓨팅센터의 계산 자원 지원을 받아 수행됐다.