포스텍, 커피 속 카페인 이용 리튬전지 개발

커피에서 추출한 카페인을 통해 리튬이온전지를 구현한 개념도(자료제공: 포스텍)

포스텍(총장 김무환)은 박문정 화학과 교수와 통합과정 김보람 씨 연구팀이 카페인산을 합성한 양극재로 전고체상 리튬전지를 개발했다고 지난달 6일 밝혔다.
연구팀은 카페인산(caffeic acid)을 원료로 합성한 ´P4VC(polyvinyl catechol)´ 고분자를 양극재로 사용해 자연 친화적 리튬유기전지를 개발했다. 또 리튬이온만 선택적으로 움직이게 하는 고분자 나노입자를 전해질로 사용해 고속 충전이 가능하도록 했다.
지금까지 대부분의 리튬 이온 전지는 전이금속 양극재와 액체 유기 화합물을 전해질로 사용하고 있다. 전이금속은 원가가 비쌀 뿐만 아니라 독성이 있고, 액체 전해질은 가연성이므로 배터리 온도가 상승하면 화재나 폭발의 위험이 있다는 고질적인 문제가 있다.
연구팀은 카페인산을 원료로 합성한 P4VC 고분자를 리튬 이온 전지의 양극으로 사용하고, 액체 전해질을 대신해 고체인 단일 이온 전도성 고분자 나노입자를 전해질로 사용했다.
P4VC 고분자 양극재는 3볼트(V) 이상의 높은 환원전압을 보였으며, 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 친환경적이라는 강점이 있다. 또 고체 상태의 단일 이온 고분자 나노입자 전해질로 대체해 90도의 고온에서도 동작 가능하며, 우주와 같은 진공상태에서도 사용할 수 있다.
뿐만 아니라 10분 충전을 통해 100mAh g-1 이상의 높은 용량을 얻었고, 500사이클 이상의 연속적인 충·방전 동안에도 그 용량이 전혀 감소하지 않는 안정성을 입증했다.
포스텍 박문정 교수는 “커피를 원재료로 모든 물질이 고체로 이루어진 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.
이 연구성과는 에너지·화학 분야의 학술지인 ‘켐서스켐(ChemSusChem)’ 최신판 표지논문으로 게재됐다.