포스텍, 커피 등 카페인으로 고속충전 가능한 리튬전지 개발

포스텍 박문정 교수

포스텍 화학과 김보람씨

커피, 초콜릿 등 우리가 흔히 접하는 식품에 포함된 카페인으로 고속충전이 가능한 리튬전지를 만들 수 있다는 흥미로운 연구결과가 나왔다.

포스텍 화학과 박문정 교수, 김보람씨 연구팀은 카페인산을 원료로 합성한 양극재로 자연 친화적인 '리튬유기전지'를 개발했다. 특히 리튬이온만 선택적으로 움직이게 하는 고분자 나노입자를 전해질로 사용하면서 고속 충전을 가능케 했다는 점에서 의미있다는 평가다. 이 연구성과는 에너지·화학 분야의 권위있는 학술지인 '켐서스켐' 최신판 표지논문에 게재됐다.

리튬유기전지는 전해질에 음극과 양극이 담긴 구조로, 리튬 이온이 전해질을 이동해 양극에서 음극으로 충전되고 음극에서 양극으로 방전되는 과정을 반복한다.

전해질은 전이금속 양극재와 액체유기 화합물로 구성돼 있는데, 전이금속의 경우 원가가 매우 비싸고 독성이 많다. 또 액체 전해질의 경우 가연성이어서 배터리 온도상승으로 인한 화재나 폭발 위험을 안고 있다.

여기에다 리튬유기전지는 '용량이 작다', '수명이 짧다', '충전속도가 느리다' 등 여러 단점이 지적돼 왔다.

이 때문에 전이금속 양극재를 대체할 수 있는 유기양극재에 대한 연구가 활발하게 진행됐지만 친환경적이면서 향상된 에너지 밀도, 긴 수명, 빠른 충전, 안전한 구동 등을 갖춘 전지개발은 쉽지 않았다.

이에 연구팀은 커피에서 쉽게 추출할 수 있는 카페인산을 원료로 합성한 고분자를 리튬 이온 전지의 양극으로 활용했다. 액체 전해질을 대신해 고체인 단일 이온 전도성 고분자 나노입자를 전해질로 사용한 것이다.

이 양극재는 3볼트 이상의 높은 환원전압을 보였으며, 현재 상용화된 전이금속 기반 양극재의 용량보다 2배 이상 높은 방전 용량을 나타냈다.

또 90℃의 고온이나 우주같은 진공상태에서도 사용가능할뿐만 아니라 10분가량의 빠른충전과 500번 이상의 연속충방전에도 용량이 감소하지 않는 것으로 확인됐다.

박문정 교수는 "매일 마시는 커피를 통해 모든 물질이 고체로 이루어진 리튬유기전지를 만들고 동시에 높은 용량과 고속 충전 특성을 이끌어낸 것은 이번 연구가 처음"이라며 "리튬전지는 용량이 작고, 수명이 짧다는 통념을 뒤엎었다는 점에서 의미있다"고 했다.