[경남도민뉴스=구인애 기자] 경상국립대학교 자연과학대학 화학과 최재원 교수와 광주과학기술원 자연과학대학 화학과 서준혁 교수는 공동연구를 통해 리튬 이온 전지에서 산화-환원 특성을 나타내는 텅스텐 착화합물을 개발하고, 이 소재의 에너지 저장 원리를 규명했다.

연구 결과는 3월 25일 재료과학 분야 국제학술지 《어드밴스드 사이언스(Advanced Science)》에 ‘고용량 리튬이온전지용 고속 충·방전 음극재로서의 산화-환원 활성 텅스텐 모노옥소 비스(디티올렌) 착물(Redox-Active Tungsten Mono-Oxo Bis(dithiolene) Complex: A Fast-Rechargeable Anode for High-Capacity Lithium-Ion Batteries)’이라는 제목으로 발표했다.

전기차 수요가 전 세계적으로 증가하면서, 더 많은 에너지 저장이 가능하면서 동시에 고속 충전이 가능한 이차전지 개발의 중요성이 커지고 있다.

그러나 현재 널리 사용되는 상용 전극 소재는 용량과 충전 속도에 한계가 있어, 이를 뛰어넘는 새로운 소재 개발이 필요하다.

특히, 이차전지는 작동 과정에서 전기화학 반응이 수반되므로, 전극 소재는 산화-환원 활성을 갖추는 것이 필수적이다.

최재원 교수 연구진은 리튬이온전지 시스템에서 산화-환원 활성을 갖는 테트라에틸암모늄 텅스텐 모노옥소 비스(디티올렌) 착물[(Et4N)2[WO(S2C2(C6H5)2)2]]을 발굴하고, 이를 리튬이온전지용 음극 활물질로 활용할 수 있는 가능성을 제시했다.

개발된 음극 소재는 1A/g의 전류밀도에서 963mAh/g의 높은 가역 용량을 나타냈을 뿐만 아니라, 10A/g의 고속 충·방전 조건에서 1000회 충·방전 시험 후에도 698mAh/g의 우수한 사이클 성능을 보였다.

이번 연구는 고용량/고속 충·방전이 가능한 소재를 개발한 데 그치지 않고, 산화-환원 활성을 지닌 유기 금속 착화합물이 이차전지용 전극 소재로 활용될 수 있음을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

경상국립대학교 최재원 교수는 “이번 연구를 계기로 유기금속 착화합물의 이차전지 전극 소재로서의 가능성을 더욱 폭넓게 탐색할 수 있을 것으로 기대한다.”라면서 “앞으로 관련 연구를 유기 금속 소재군으로 확장해 차세대 고성능 에너지 저장 소재 개발의 새로운 패러다임을 제시하고자 한다.”라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 박사과정생연구장려금지원사업, 기초연구실, 경남우주항공·방산과학기술원(GADIST) 개척연구팀, G-LAMP 사업 및 4단계 두뇌한국21(BK21) 사업을 통해 수행했다.

연구 성과는 다학제적 재료과학 분야 국제 학술지인 《어드밴스드 사이언스(Advanced Science)》(영향력 지수(Impact Factor) 14.1점, JCR 랭킹 상위 7.0%)에 게재됐다.

ㅇ 주요 키워드

- 전류밀도: 전지가 충·방전되는 속도를 나타냄

- 용량: 전지가 저장할 수 있는 전기 에너지의 양

- 전기화학 반응: 전기 에너지에 의해 화학 반응이 일어나는 과정

- 산화-환원: 전기화학 반응에서 전자를 주고받는 과정

ㅇ 연구자 정보

- 제1저자: 경상국립대학교 기초과학연구소 선임연구원 성홍규 박사, 광주과학기술원 자연과학대학 화학과 이재헌 박사과정

- 교신저자: 광주과학기술원 자연과학대학 화학과 서준혁 교수, 경상국립대학교 자연과학대학 화학과 최재원 교수