국립금오공과대학교 재료공학부(고분자공학전공) 이원호 교수 연구팀이 최근 발표한 연구 결과가 화학 재료 분야의 국제 저명학술지인 ‘Angewandte Chemie International Edition(안게반테 케미 인터내셔널 에디션)’에 게재됐다. Angewandte Chemie International Edition(상위 6.1%, IF 16.9)은 화학의 전 분야를 다루는 최고 권위 저널 중 하나다.
이원호 교수의 ‘차세대 고분자 전자재료 연구실(Advanced Polymers for Electronics Lab.)’팀은 대표적인 n-형 공액고분자 P(NDI2OD-T2)를 분자 공학적으로 재설계해, 리튬이온배터리 유기 양극재의 용량과 고온 안정성을 동시에 향상시키는 데 성공했다. ‘n-형 공액고분자 P(NDI2OD-T2)’는 전자를 움직여 전류를 전달하는 플라스틱 반도체로, 플렉서블(휘어지는) 전자소자나 태양전지, 트랜지스터, 배터리 등에 활용되는 고분자다.
연구팀은 리튬 이차 전지의 에너지 밀도 향상을 위해, 에너지 저장에 직접 기여하지 않는 알킬 측쇄와 전자 주개(linker) 구조를 단순화해 ‘비활성 질량(inactive mass)’을 줄이는 간단하면서도 효과적인 분자 설계를 제안했다. 이러한 구조 단순화는 고분자 양극재를 보다 경량화하면서도 에너지 저장 능력을 강화하는 데 기여했다. 그 결과 새로 개발한‘P(NDI2BO-V)’는 ‘기존 P(NDI2OD-T2)’ 대비 용량이 56.9에서 86.0mAh g-1로 1.5배 증가했으며, 장기 사이클 안정성도 유지하는 성과를 나타냈다.
특히 이번 성과는 유기 양극재가 고온에서 용해·열화되기 쉽다는 한계를 넘어, 60oC에서도 장기간 안정적으로 구동될 수 있음을 보여준 점에서 의미가 크다. 연구팀은 상온(25oC)뿐 아니라 고온 60oC 조건에서도 장기 사이클을 평가했으며, 고온에서 취약한 단분자 유기 양극재와 달리 공액고분자 기반 양극재가 우수한 내구성을 나타낸다는 점을 입증했다. 이러한 결과는 기존 상용 무기 양극재 수준을 상회하는 성능으로 평가된다.
또한 연구팀은 전기화학 분석과 더불어 밀도범함수이론(DFT), 분자동역학(MD) 시뮬레이션 등을 활용해 도너(linker) 구조 변화가 전하 저장 메커니즘, 전자/이온 수송, 미세구조(결정성·비정질성)에 미치는 영향을 체계적으로 규명했다. 이를 통해 “용량을 높이기 위한 구조 단순화”와 “장기 안정성을 위한 구조적 보강”을 함께 고려해야 한다는 분자 설계 지침을 제시했다.
관련 연구의 논문 제목은 ‘Molecular Engineering of the Prototypical n-Type Polymer P(NDI2OD-T2) Enables Capacity Enhancement and High-Temperature Stability in Lithium-Ion Battery Cathodes[n-type 고분자 P(NDI2OD-T2)의 분자 제어를 통한 리튬이온전지 양극 용량 향상과 고온 안정성 구현]’으로, 1월 7일자에 게재됐다.
☞ 논문 바로 가기: Angewandte Chemie International Edition
이번 논문의 제1저자인 고분자공학과 육찬호 석사(졸업)와 김소영 박사과정은 “유기 양극재의 성능을 높이는 성과를 넘어, 분자 구조 변화가 성능으로 이어지는 과정을 다양한 분석으로 확인하면서 연구에 대한 흥미와 확신이 더 커졌다.”며 “후속 연구를 통해 고성능 유기 양극재 설계 전략을 확장해 나가겠다.”고 밝혔다.
이원호 지도교수는 “이번 연구는 공액고분자 양극의 ‘비활성 질량’을 줄이는 단순한 분자 설계만으로도 용량 향상과 고온 내구성을 동시에 달성할 수 있음을 보여준다.”며 “유기 기반 에너지 저장 소재의 실용화를 앞당길 수 있는 설계 방향을 제시한 것으로 볼 수 있다.”고 말했다.
이번 연구는 국립금오공대 이원호 교수 연구팀과 경상국립대 이태경 교수 연구팀의 공동연구로 수행됐으며, 한국연구재단(NRF)과 과기부(MSIT)의 중견창의형 연구과제(과제번호 RS-2025-24534074), 2024년도 경상국립대 연구과제, 경상북도RISE사업의 지원으로 진행됐다.
