에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀, 리튬 이온 배터리 양극소재로서 카페인의 가능성에 대한 연구 최초 보고

- "하루를 충전하는 카페인, 이제는 에너지 저장소재로"

- 카페인의 리튬 이온 배터리 양극소재로서 가능성에 대한 연구 최초 보고

- 소재과학분야 세계적 학술지 Energy Storage Materials 표지 논문 선정

▲ 이원태 연구교수(왼쪽)와 윤원섭 교수(오른쪽)

에너지과학과 윤원섭 교수와 이원태 연구교수가 리튬이온 이차전지의 핵심 요소 중 하나인 양극소재에 카페인 분자를 활용함으로써 배터리의 높은 에너지와 빠른 충전 속도를 확보할 수 있다는 사실을 규명하였다.

최근 기후변화에 대한 경각심과 환경에 대한 관심이 날로 높아지며 친환경 에너지 생산 및 저장 시스템의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 현재 리튬이온 배터리는 전이 금속 기반 무기 화합물이 주를 이루며, 전기차 시장의 성장에 따라 그 사용량이 더욱 확대되고 있어 유한적·국부적 금속 매장량으로 인해 비용 문제와 지속 가능성에 대한 우려가 커지고 있다. 이에 대한 대안으로 H(수소), C(탄소), N(질소), O(산소), S(황)과 같이 자연계에 풍부하게 존재하는 원소로 구성되어 있는 유기계 에너지 저장 소재가 떠오르고 있다.

카페인(1,3,7-trimethylpurine-2,6-dione)은 현대 사회에서 가장 많이 소비하는 향정신성 약물로서 xanthine alkaloid 유도체다. 주로 우리가 마시는 커피에 들어있으며 각성효과를 낸다. 연구원들은 이러한 카페인을 최적화된 전극 설계를 통해 에너지 저장소재로서의 가능성을 검토하고 반응 메커니즘을 조사하였다. 연구팀은 카페인이 총 2mole의 리튬 이온을 저장하고 방출할 수 있으며, 100회 충·방전 이후에도 200mAh/g 이상의 고(高)용량을 나타냈다고 밝혔다. 또한 고속 충전 시 6분만에 50% 정도의 용량을 충전할 수 있는 특성을 보여주었다.

▲카페인 분자의 에너지 저장 메커니즘 및 halogenation을 통한 새로운 반응 site 활성화 전략

본 연구는 리튬이온전지 전극소재로서 카페인의 에너지 저장 반응메커니즘을 최초로 규명한 것에 의의가 있다. 이원태 연구교수는 "반응 메커니즘 분석의 목적으로 설계된 프로토타입의 전극 설계로 실제 상용화 수준의 전극 설계를 위해서는 해결해야 할 과제들이 많이 남아 있다"고 덧붙였다.

윤원섭 교수는 "이차전지 시장에서 주를 이루고 있는 소재들은 고(高)함량 니켈 기반 층상구조 소재와 같이 전이금속 기반 무기화합물인데 이는 한정된 매장량으로 인해 높은 비용 및 낮은 지속 가능성과 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 전했다.

윤원섭 교수와 이원태 연구교수가 수행한 본 연구는 2023년 2월 소재과학 분야의 세계적인 학술지인 Energy Storage Materials(IF=20.831, Materials Science 분야 상위 2.54%, Q1)에 게재되었으며 단독 전면표지로 선정되었다.