에너지과학과(DOES) 이원태 연구교수와 윤원섭 교수가 리튬이온이차전지 핵심 요소 중 하나인 양극소재에서 카페인 분자를 통해 전극 및 분자 설계에 따라 높은 에너지와 빠른 충전 속도를 확보할 수 있다는 사실을 규명하였다고 밝혔다.

피부로 느껴지는 기후변화에 대한 현상은 환경 문제에 대한 미온적 관심을 넘어 위기의식을 심어주었으며, 친환경 에너지 저장 및 전환 시스템의 중요성을 더욱 강조하게 되었다. 현재 리튬이온배터리는 전이 금속 기반 무기 화합물이 주를 이루며, 전기차(electric vehicle) 시장의 개화에 따라 그 사용량이 더 욱 확대됨에 따라 유한적·국부적 금속 매장량으로 인해 비용 및 지속 가능성에 대한 우려가 커지고 있다. 이에 대한 대안으로 H, C, N, O, S와 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 소비되는 향정신성 약물로서 xanthine alkaloid 유도체다. 주로 우리가 마시는 커피나 차에 들어있으며 각성효과를 나타낸다. 연구원들은 이러한 카페인을 최적화된 전극 설계를 통해 에너지 저장소재로서 가능성과 반응 메커니즘을 조사하였다. 해당 연구에서 카페인의 경우 총 2 mole 의 리튬 이온을 저장하고 방출할 수 있으며, 100회 충·방전 이후에도 200 mAh/g 이상의 고(高)용량과 고속 충전 시 6 분만에 50% 정도의 용량을 충전할 수 있는 특성을 보여주었다. 더 나아가, 리튬이온전지 전극소재로서 카페인의 에너지 저장 반응메커니즘을 최초로 규명하였다. 다만, 이원태 연구교수는 반응 메커니즘 분석의 목적으로 설계된 prototype 의 전극 설계로 실제 상용화 수준의 전극 설계를 위해서는 해결해야할 과제들이 많이 남아 있다고 덧붙였다.

또한 연구원들은 카페인의 molecular tuning을 통해 추가적인 에너지 저장 부위를 활성화시킬 수 있다는 것을 보여줌으로써 기존 유기화합물 소재를 기반으로 고(高) 에너지 리튬이온이차전지를 디자인할 수 있는 새로운 가능성을 입증하고 전략적 방향을 제시하고 있다.

이원태 연구교수는 “대학원 시절, 우연히 보게 된 의학 논문에서 카페인 섭취 시 각성 효과 외에도 혈중 리튬이온 수치를 낮춘다는 보고를 보았었습니다. 당시 아무런 근거 없이 ‘만약 카페인이 산화 환원 반응을 통해 리튬을 받아들이는 거라면 에너지 저장소재로서 사용할 수 있지 않을까’라는 단순한 생각으로부터 연구를 시작하게 되었으나, 실질적인 결과가 나오지 않아 중단 했었습니다. 하지만 시간이 흘러 박사학위를 취득 후 세종과학펠로우십과 저의 지도교수님이셨던 윤원섭 교수님의 지원으로 적극적인 연구를 진행할 수 있었으며, 이 과정에서 함께하였던 우수한 연구원분들의 도움을 통해 막연한 상상을 현실로 실현할 수 있었습니다.”라고 연구 스토리를 설명했다.

이와 함께 윤원섭 교수는 “현재 이차전지 시장에서 주를 이루고 있는 소재들은 고(高)함량 니켈 기반 층상구조 소재와 같이 전이금속 기반 무기화합물입니다. 이러한 금속들은 한정된 매장량으로 인해 머지않아 높은 비용 및 지속 가능성에 대한 우려와 같은 문제를 야기할 것입니다. 이에 대한 대안으로 비록 현재로서는 상용화적인 측면에서 전이금속 기반 소재에 비해 개발이 더딘편이지만, 자연계에 무한히 존재하는 원소들로 이루어진 유기계 전극재료의 개발은 지속가능한 개발 측면에서 매우 매력적인 전략이 될 것입니다.”라고 전했다.

에너지과학과 (DOES) 이원태 연구교수와 윤원섭 교수가 수행한 본 연구는 소재과학(material sciences)분야의 세계적인 학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼스 (Energy Storage Materials, IF 20.831, Materials Science 분야 상위 2.54%, Q1)에 단독전면표지 (Front cover)로 선정되었다. (Volume 56 / 2023.02.17.)

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

성균관대학교 윤원섭 교수 연구실