[서울=뉴스핌] 소가윤 기자 = 성균관대학교는 윤원섭 에너지과학과 교수와 이원태 연구교수가 리튬이온 이차전지의 핵심 요소 중 하나인 양극소재에 카페인 분자를 활용함으로써 배터리의 높은 에너지와 빠른 충전 속도를 확보할 수 있다는 사실을 규명했다고 21일 밝혔다.

성균관대에 따르면 현재 리튬이온 배터리는 전이 금속 기반 무기 화합물이 주를 이루고 전기차 시장이 확대되면서 사용량이 많아져 유한적·국부적 금속 매장량으로 인해 비용 문제와 지속 가능성에 대한 우려가 커지고 있다.

윤원섭 성균관대 에너지과학과 교수. [사진=성균관대] 소가윤 기자 = 2023.02.21 sona1@newspim.com

대안으로 H(수소), C(탄소), N(질소), O(산소), S(황)과 같이 자연계에 풍부하게 존재하는 원소로 구성된 유기계 에너지 저장 소재가 떠오르고 있다.

카페인은 현대 사회에서 가장 많이 소비하는 향정신성 약물로서 잔틴 알칼로이드 유도체다. 주로 커피에 들어있으며 각성효과를 낸다.

성균관대 연구팀은 이러한 카페인을 최적화된 전극 설계를 통해 에너지 저장소재로서의 가능성을 검토하고 반응 메커니즘을 조사했다. 그 결과 카페인이 총 2mole의 리튬 이온을 저장하고 방출할 수 있으며, 100회 충·방전 이후에도 200mAh/g 이상의 고용량을 나타냈다고 밝혔다. 아울러 고속 충전 시 6분만에 50% 정도의 용량을 충전할 수 있는 특성을 보여줬다.

해당 연구는 리튬이온전지 전극소재로서 카페인의 에너지 저장 반응메커니즘을 최초로 규명한 것에 의의가 있다는 설명이다.

이 연구교수는 "반응 메커니즘 분석의 목적으로 설계된 프로토타입의 전극 설계로 실제 상용화 수준의 전극 설계를 위해서는 해결해야 할 과제들이 많이 남아 있다"고 말했다.

윤 교수는 "이차전지 시장에서 주를 이루고 있는 소재들은 고함량 니켈 기반 층상구조 소재와 같이 전이금속 기반 무기화합물인데 한정된 매장량으로 인해 머지않아 높은 비용 및 지속 가능성에 대한 우려와 같은 문제를 야기할 것"이라며 "이에 대한 대안으로 자연계에 무한히 존재하는 원소들로 이루어진 유기계 전극재료의 개발은 지속가능한 개발 측면에서 매우 매력적인 전략이 될 것"이라고 설명했다.

한편 해당 연구는 이달 소재과학 분야의 세계적인 학술지인 에너지 스토리지 메테리얼스(Energy Storage Materials)에 단독 전면표지로 선정됐다.

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