복합소재로 유기전극 수명 한계 극복···이차전지‧수전해‧센서 등 활용국내 연구진이 가격이 싸고 유연한 배터리 유기전극의 수명을 늘이는 기술을 개발했다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 소재융합측정연구소 신호선 박사 연구팀과 포항공과대학교(POSTECH, 총장 김무환) 반도체공학과 송재용 교수 연구팀이 차세대 이차전지의 실용화를 앞당길 장수명 유기전극을 개발했다고 31일 밝혔다.
 

KRISS 스마트소자팀 연구진이 고수명 유기전극 소재 제조 및 충‧방전 성능 실험을 진행하고 있다. (사진=표준연)
리튬 이차전지의 전극 소재로는 니켈이나 코발트, 망간 등 무기물이 주로 쓰이는데, 이런 광물 자원은 매장량이 제한적이고 국제 정세에 따라 수급이 불안정해질 수 있다.

반면 유기물 소재는 합성을 통해 대량생산할 수 있어 가격 경쟁력이 좋고 용량에 비해 가벼우면서 유연하다. 하지만 유기 소재 전극은 충‧방전 중 이온화 과정에서 전지 안의 전해질 용액에 쉽게 녹아 전지의 수명이 급격히 저하된다는 문제가 있다.

표준연과 포스텍 공동연구팀이 개발한 유기전극은 나노복합소재를 사용해 수명을 늘였다. 물리적 혼합방식으로 제조할 수 있어 기존 화학적 방식보다 실용화에도 유리하다.

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

고수명 유기전극 소재 제작에 사용된 동결분쇄장치 및 제작된 전극의 미세구조 사진 (자료=표준연)
또 연구팀은 개발한 유기 전극으로 파우치형 배터리를 제작, 이번 성과가 실제로 유연한 리튬이차전지 실용화에 기여할 수 있음을 보였다.

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"라며 "이번 성과로 차세대 이차전지 실용화를 한층 앞당기고, 다양한 분야에서 유기물 기반 전극의 연구개발 활성화에 기여할 것"이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 미래소재디스커버리지원사업의 지원을 받았으며, 관련 성과는 국내외 특허 출원됐다. 학술지 ''에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)'에 최근 게재됐다.