나트륨, 칼륨 등 차세대 친환경 배터리 개발에 중요한 기준 될 것 기대
포스텍 연구팀이 차세대 배터리 성능 향상을 위한 유기 전극 소재 발굴 및 설계 원리 규명을 위한 연구를 수행하며 기존보다 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 유기 전극 후보 물질 202종을 한꺼번에 찾는 데 성공했다.
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| ▲ 포스텍 신소재공학과 이동화 교수. [포스텍 제공] |
연구팀은 또한 어떻게 분자를 설계해야 더 높은 전압과 넓은 용량을 동시에 잡는지 '배터리 설계 공식'도 제시했다.
포스텍 연구팀의 연구성과는 에너지 재료 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈' 온라인판에 게재됐다.
스마트폰, 전기차, 전동 킥보드까지, 현대인의 하루는 배터리와 함께 시작해 배터리와 함께 끝난다. 그런데, 배터리 핵심 재료인 코발트·니켈 금속은 매장량이 한정돼 있고 채굴 과정에서 환경오염과 인권 문제까지 불러일으킨다.
전기차가 친환경 교통수단이라 불리지만 배터리 재료를 캐내는 과정은 결코 친환경적이지 않다. 때문에 대안으로 주목받는 것이 탄소나 산소처럼 자연에 풍부한 원소로 만든 '유기 전극'이다.
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| ▲ 포스텍 신소재공학과 통합과정 구준형씨. [포스텍 제공] |
유기 소재는 한 분자 안에서 여러 번 산화·환원 반응을 일으키는 '멀티 레독스' 특성 덕분에 같은 무게로도 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 잠재력이 크다. 하지만 소재가 너무 다양하고 복잡해 수백만 종에 달하는 후보 물질 중에서 쓸 만한 소재를 골라내는 일이 문제였다.
포스텍 신소재공학과 이동화 교수·신소재공학과 통합과정 구준형씨 연구팀이 개발한 'AutoVoltage'는 자동화 시뮬레이션 기술로 배터리가 충·방전되는 전 과정에서 전압이 어떻게 변하는지 자동으로 추적한다.
각 단계에서 가장 안정적인 구조를 스스로 찾아내고 그에 따른 전압 변화를 정밀하게 계산하는 것이 특징이다.
연구팀은 이를 활용해 대규모 화합물 데이터베이스를 분석했고 에너지 밀도 1000Wh/kg(와트시퍼킬로그램) 이상 유망 물질 202종을 발굴했다. 현재 전기차 배터리 에너지 밀도가 보통 200~300Wh/kg 수준임을 감안하면 그 잠재력이 얼마나 큰지 짐작할 수 있다.
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| ▲ AutoVoltage workflow를 활용한 screening 과정 및 발견한 3가지 핵심 구조. [포스텍 제공] |
이 물질들을 구조적으로 분석해 고성능 유기 전극을 만들기 위한 세 가지 설계 원칙도 도출했다. 전압을 높이려면 전자를 강하게 끌어당기는 구조를 분자에 넣어 리튬과 결합을 단단하게 만들어야 한다.
또, 에너지를 더 많이 저장하려면 반응이 일어날 수 있는 자리를 최대한 많이 확보하는 구조를 써야 한다. 오래 사용해도 전압이 뚝 떨어지지 않게 하려면 반응 부위들을 적당히 떨어뜨려 안정적인 흐름을 유지해야 한다.
이동화 교수는 "기존 방식으로 놓치고 있던 유기 소재의 잠재력을 이번 기술을 통해 정확하게 확인할 수 있게 됐다"며 "연구진이 제시한 설계 원칙은 리튬 이온 배터리를 넘어 나트륨, 칼륨 등 차세대 친환경 배터리 개발에도 중요한 기준이 될 것"이라고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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