포항공과대학교(POSTECH)는 화학과 박문정 교수와 김보람씨 연구팀이 카페인산을 합성한 P4VC 고분자를 양극재로 사용해 자연 친화적 리튬유기전지를 개발했다고 밝혔다. 또 리튬이온만 선택적으로 움직이게 하는 고분자 나노입자를 전해질로 사용해 고속 충전이 가능하도록 했다.
고온, 고압과 함께 수분이 존재하면 폭발하는 액체 전해질 대신 고체로 된 단일 이온 전도성 고분자 나노입자를 전해질로 사용해 더 안전해졌다.
박문정 교수는 "우리가 매일 마시는 커피를 원재료로 모든 물질이 고체로 이뤄진 리튬유기전지를 만들고 동시에 높은 용량과 고속 충전 특성을 이끌어낸 것은 이번 연구가 처음"이라고 설명했다.
연구진은 실험을 통해 P4VC 고분자 양극재가 3V 이상의 높은 환원전압을 보였다. 현재 상용화된 전이금속 기반 양극재의 가역용량보다 2배 이상 높은, 단위 질량당 352mAh의 높은 방전 용량을 보였다. 특히 커피에서 쉽게 추출할 수 있는 카페인산을 양극재의 원료로 사용해 친환경적이다.
또, 액체 전해질을 고체 상태의 단일 이온 고분자 나노입자 전해질로 대체함으로써 내열성을 높였다. 90℃의 고온에서도 동작 가능하며, 우주와 같은 진공상태에서도 사용할 수 있다.
뿐만 아니라 10분 충전을 통해 100mAh 이상의 높은 용량을 얻었다. 500회 이상 연속적인 충방전에도 용량이 전혀 감소하지 않는 안정성을 보였다. 1년 이상 사용해도 성능이 감소하지 않는 휴대폰 배터리의 시대를 맞이할 수 있는 가능성을 열었다.
박 교수는 "리튬전지는 용량이 작고, 수명이 짧다는 통념을 뒤엎었다는 점에서 고무적"이라고 말했다.
이 연구성과는 에너지·화학 분야의 권위있는 학술지인 '켐서스켐' 최신판 표지논문으로 게재됐다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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