커피나 코코아, 초콜릿 등으로 리튬전지를 만들 수 있다는 흥미로운 연구성과가 나왔다.
포항공대(포스텍)는 화학과 박문정 교수, 김보람씨 연구팀이 커피 등에 함유된 카페인산을 원료로 합성한 폴리비닐 카테콜(P4VC) 고분자를 양극재로 사용한 리튬전지를 개발했다.
리튬이온만 선택적으로 움직이게 하는 고분자 나노입자를 전해질로 사용해 고속 충전이 가능하도록 했다.
현재 대부분 리튬이온전지는 전이금속 양극재와 액체 유기 화합물을 전해질로 사용했다.
전이금속은 원가가 비싸고 독성이 있으며 액체 전해질은 가연성이라 온도가 오르면 화재나 폭발 위험이 있다.
연구팀은 카페인산을 원료로 합성한 P4VC 고분자를 리튬이온전지 양극으로 사용하고 액체 전해질 대신 고체인 단일 이온 전도성 고분자 나노입자를 사용했다.
P4VC 고분자 양극재는 3볼트(V) 이상 높은 환원전압을 보였다.
현재 상용화한 전이금속 기반 양극재의 가역용량보다 2배 이상 큰 용량을 보였다. 환원전압이 높으면 더 빨리 충전된다.
양극재 원료인 카페인산은 커피 등에서 쉽게 추출할 수 있어 친환경적이란 장점도 있다.
액체 전해질을 고체 상태의 단일 이온 고분자 나노입자 전해질로 대체함으로써 내열성이 높다.
90도에서도 동작하고 우주와 같은 진공상태에서도 사용할 수 있다. 500회 이상 연속적으로 충·방전 동안 용량이 전혀 감소하지 않아 안정성도 입증했다.
포항공대는 전체가 고체상태이고 친환경적이며 고속 충·방전이 가능하며 수명도 길어진 리튬유기전지 개발의 첫 성공사례라고 설명했다.
이 연구성과는 에너지·화학분야 학술지인 '켐서스켐' 최신판 표지논문으로 실렸다.
교신저자로 연구를 주도한 박문정 교수는 "매일 마시는 커피를 원재료로 해 모든 물질이 고체로 이뤄진 리튬유기전지를 만들고 동시에 높은 용량과 고속 충전 특성을 끌어낸 것은 이번 연구가 처음"이라며 "리튬전지는 용량이 적고 수명이 짧다는 통념을 뒤엎었다는 점에서 고무적"이라고 말했다.
조재근 기자 jack333@cctoday.co.kr