KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 안석훈 기능성복합소재연구센터 박사팀과 강석주·곽상규 UNIST(울산과학기술원) 에너지·화학공학부 교수팀이 공동 연구를 통해 전기 전도도가 높은 유기물 반도체를 합성해 리튬전지의 음극으로 사용될 수 있는 물질을 개발했다고 9일 밝혔다. 

최근 차세대 에너지저장장치 수요가 급증함에 따라 고성능·고효율 이차전지 개발이 가속화되고 있다. 리튬 이온 이차전지는 양극(+)과 음극(-)의 층 구조를 갖고 이 층 사이를 리튬 이온이 이동하며 에너지를 저장하는 기능을 한다. 일반적으로 음극에는 흑연을 사용하는데 흑연은 이온 확산 거리가 길어 전지 성능을 저하시키고 수명을 단축시킨다. 

흑연을 대체하기 위해 금속산화물이나 유기물 기반 음극 물질이 연구되고 있지만 해당 소재는 낮은 전기 전도도, 짧은 수명 등 여러 한계를 지닌다. 이를 보완하기 위해 첨가재를 넣는데 이 과정에서 전극의 성능이 떨어지는 문제점들이 있어 새로운 대체재 개발이 필요한 실정이다. 

연구진은 두 개 이상의 성분을 특정한 화학 양론적 비율로 결합해 하나의 새로운 결정상을 형성시켰다. 유기물 반도체인 공 모양의 '플러렌'(fullerene) 분자와 이를 잘 접을 수 있는 글러브 모양을 가지는 '헥사벤조코로넨'(hexabenzocoronene)이라는 물질을 공(共)결정체로 형성시켰다.

연구 결과 기존 유기물 음극 소재 단점이었던 낮은 전기전도도를 크게 높일 수 있었다. 해당 소재는 전기전도도가 높기 때문에 별도로 전도체를 혼합할 필요가 없어 제조 단가를 크게 낮출 수 있을 뿐 아니라 기존 유기물 기반 음극 전지의 수명을 크게 향상할 수 있다는 장점이 있다. 

안석훈 KIST 박사는 "개발된 공(共)결정성 물질은 기존 유기물 전극의 문제점인 낮은 전도성을 해결할 수 있는 새로운 방법을 제시할 뿐 아니라 차세대 이차전지인 소듐전지에도 활용될 수 있어 후속 연구개발에 매우 중요한 연구 결과"라고 평가했다. 

연구 결과는 'Advanced Functional Materials' 학술지 최신 호에 게재됐다. 교신저자는 안석훈 KIST 박사, 강석주·곽상규 UNIST 교수이며 공동1저자는 김윤정 KIST연구원, 박재현·주세훈 UNIST 박사과정생이다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST·UNIST 기관 고유 사업과 한국연구재단 중견연구자사업으로 수행됐다.