포스텍 연구팀, 유기전극 후보물질 한꺼번에 찾는 기술 개발…배터리 설계공식도 제시

유기 소재 잠재력 확인…차세대 배터리 기술 개발에 기여

포스텍 이동화 교수

포스텍 신소재공학과 통합과정 구준형

포스텍(포항공대) 연구팀이 기존보다 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 유기 전극 후보 물질 202종을 한꺼번에 찾아내는 기술 개발에 성공했다. 또 더 높은 전압과 넓은 용량을 동시에 만족하는 '배터리 설계 공식'도 제시했다.

포스텍 신소재공학과 이동화 교수 연구팀이 개발한 '오토볼티지(AutoVoltage)'는 자동화 시뮬레이션 기술로 배터리가 충·방전되는 전 과정에서 전압이 어떻게 변하는지 자동으로 추적 가능하다.

특히 각 단계에서 가장 안정적인 구조를 스스로 찾아내고, 그에 따른 전압 변화를 정밀하게 계산할 수 있기에 컴퓨터 안에서 배터리 전 생애를 재현할 수 있다.

연구성과는 에너지 재료 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈' 온라인판에 게재됐다.

현대인들에게 있어 스마트폰이나 전기차 등에 쓰이는 배터리는 중요한 일상 필수품이지만 핵심 재료인 코발트·니켈 금속의 매장량이 한정돼 있다는 한계가 있다.

이 때문에 탄소나 산소처럼 자연에 풍부한 원소로 만든 '유기 전극'이 대안으로 각광 받고 있다. 유기 소재는 한 분자 안에서 여러 번 산화·환원 반응을 일으키는 '멀티 레독스' 특성 덕분에 같은 무게로도 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.

하지만 소재가 너무 다양하고 복잡해 수백만 종에 달하는 후보 물질 중에서 쓸 만한 소재를 골라내는 일이 쉽지 않았다.

연구팀이 개발한 오토볼리지는 대규모 화합물 데이터베이스를 분석해 에너지 밀도 1천Wh/kg이상 유망 물질 202종을 빠르게 찾아냈다. 현재 전기차 배터리 에너지 밀도는 200~300Wh/kg 수준이다.

연구팀은 이렇게 찾아낸 물질들을 고성능 유기 전극으로 만들기 위해 우선 전자를 강하게 끌어당기는 구조를 분자에 넣어 리튬과의 결합을 단단하게 구축했다. 또 에너지를 더 많이 저장하기 위해 반응이 일어날 수 있는 자리를 최대한 많이 확보했다.

이어 반응 부위들을 적당히 떨어뜨려 오래 사용해도 전압이 뚝 떨어지는 현상을 막아 안정적인 흐름을 유지했다.

연구팀은 리튬 이온 에너지 배터리를 넘어 나트륨, 칼륨 등 차세대 친환경 배터리 개발에도 중요한 기준점이 됐다는 점에서 이번 기술이 갖는 의미가 크다고 설명했다.

포스택 이동화 교수는 "기존 방식으로 놓치고 있던 유기 소재의 잠재력을 이번 기술을 통해 정확하게 확인할 수 있게 됐다"며 "앞으로 해당기술이 차세대 배터리 개발에 속도감을 더해줄 것으로 기대된다"고 했다.