경상국립대학교 화학과의 최재원 교수는 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소 조세연 선임연구원과 공동 연구를 통해 단순한 구조의 유기-금속 화합물을 활용해 비용량과 율특성이 뛰어난 차세대 리튬 이온 배터리(LIB)용 음극 신소재를 개발했다.

리튬 이온 배터리는 널리 사용되는 고효율 에너지 저장 장치이며 이의 성능 개선은 세계적으로 매우 관심이 높은 연구 주제다. 최재원 교수 연구팀은 이번 연구에서 기존 음극 소재의 한계를 극복하기 위해 코발트(II) 및 아연 기반의 핀서 복합체를 활용한 독특한 리튬 저장 메커니즘을 규명했다.

특히 아연 기반 복합체 음극은 2.0 A/g의 전류 밀도에서 200회 이상의 충·방전 사이클 동안 1720mAh/g의 높은 방전 용량을 유지해 획기적인 충·방전 성능을 드러냈다.

이 소재는 우수한 안정성과 더불어 높은 전류 밀도에서도 뛰어난 사이클 성능을 발휘해 고율 특성을 확보한 차세대 배터리 음극 소재로서 가능성을 입증했다.

이번 연구는 전극 소재의 전기화학적 특성을 이해하기 위해 방전 상태의 전극 표면 분석과 밀도범함수이론(DFT) 기반 컴퓨터 연산을 병행, 소재의 염소 기반 전환 반응을 제시하고 리튬 이온과 전자 이동에 대한 반응 경로를 모사했다.

이를 통해 코발트 및 아연 중심 금속 이온이 충·방전 과정 중 가역적으로 산화-환원되는 메커니즘이 실험적 데이터와 일치함을 확인했으며 이는 소재의 뛰어난 리튬 저장 성능을 설명하는 데 중요한 단서를 제공한다.

연구팀은 앞으로도 지속 가능한 다양한 유기-금속 화합물을 발굴해 새로운 전극 소재 개발을 통해 배터리 기술의 한계를 뛰어넘는 연구를 지속할 계획이다.

제1저자인 성홍규 학생은 "이 연구가 산화-환원 활성이 가능한 다양한 유기 금속 복합체 기반 소재의 새로운 연구 방향성을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 ▲한국연구재단 신진연구 ▲박사과정생연구장려금지원사업 ▲기초연구실 ▲경남우주항공·방산과학기술원(GADIST) 개척연구팀 ▲G-LAMP 사업 ▲4단계 두뇌한국21(BK21) 지원사업을 통해 수행했다.

연구 성과는 다학제간 재료 과학 분야 저명 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다. 논문의 제목은 리튬 이온 배터리용 고용량 음극 소재로서 산화환원 활성 코발트 및 아연 핀서 복합체(Redox-active Co and Zn Pincer Complexes as High-Capacity Anode Materials for Lithium-Ion Batteries)다.