국립금오공대 이원호 교수연구팀, 리튬 이온 배터리 용량 1.5배 향상 기술 개발

비활성 질량 줄임으로 용량 향상은 물론, 60℃ 고온 내구성 달성

이원호 국립금오공과대학교 교수. 국립금오공대 제공

국립금오공과대학교 이원호 교수 연구팀이 리튬 이온 배터리 양극재의 용량을 1.5배 향상시키고 60°C 고온에서도 안정성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다.

이 연구 결과는 화학 재료 분야의 국제 저명 학술지 'Angewandte Chemie International Edition'에 게재됐다.

이원호 교수의 차세대 고분자 전자재료 연구실팀은 대표적인 n-형 공액고분자 P(NDI2OD-T2)를 분자 공학적으로 재설계해 리튬 이온 배터리 유기 양극재의 용량과 고온 안정성을 동시에 향상시키는데 성공했다.

연구팀은 에너지 저장에 직접 기여하지 않는 알킬 측쇄와 전자 주개 구조를 단순화해 비활성 질량을 줄이는 간단하면서도 효과적인 분자 설계를 제안했다.

새로 개발한 P(NDI2BO-V)는 기존 P(NDI2OD-T2) 대비 용량이 56.9mAh/g에서 86.0mAh/g로 1.5배 증가했으며 장기 사이클 안정성도 유지했다.특히 유기 양극재가 고온에서 용해·열화되기 쉬운 문제를 해결해 60℃에서도 장기간 안정적으로 구동될 수 있음을 입증했다.

연구팀은 전기화학 분석과 더불어 밀도 함수이론(DFT), 분자동역학(MD) 시뮬레이션 등을 활용해 도너 구조 변화가 전하 저장 메커니즘, 전자/이온 수송, 미세구조에 미치는 영향을 체계적으로 규명했다. 이를 통해 용량을 높이기 위한 구조 단순화와 장기 안정성을 위한 구조적 보강을 함께 고려해야 함을 분자 설계 지침으로 제시했다.

이번 연구는 이원호 교수 연구팀과 경상국립대 이태경 교수 연구팀이 한국연구재단과 과기부의 지원을 받아 공동 진행했다.

이원호 교수는 "이번 연구는 공액고분자 양극의 비활성 질량을 줄이는 단순한 분자 설계만으로도 용량 향상과 고온 내구성을 동시에 달성할 수 있음을 보여준다"며 "유기 기반 에너지 저장 소재의 실용화를 앞당길 수 있는 설계 방향을 제시한 것으로 볼 수 있다"고 의미를 부여했다.

신승남 기자