일본산업뉴스요약

EV배터리용 성능향상 유기분자 개발
충전속도 100배로, 아이치공업대학

아이치(愛知)대학의 모리타(森田) 교수와 무라타(村田) 조교수 연구팀은 공기 중에서도 잘 분해되지 않아 리튬이온전지의 성능 향상으로 이어지는 유기 분자를 개발했다. 분해되기 쉬운 ‘중성 라디칼’이라고 하는 분자의 구조를 연구해 고온에도 견딜 수 있도록 했다. 리튬이온전지의 양극 재료에 이용한다면 충전 속도가 100배 빨라질 것이라고 한다. 화학 회사인 카네카 등과 공동으로 5년 후를 목표로 휴대 단말기와 전기자동차(EV) 등의 배터리로의 응용을 목표로 하고 있다.

-- 불안정한 분자, 잘 분해되지 않게 --
이번 연구 성과는 오는 28일, 일본화학회가 발행하는 영문 잡지(전자판)에서 발표된다. 통상적인 유기 분자에는 전자가 짝수로 존재하며 2개씩 짝지어 있기 때문에 구조적으로 안정되어 있다. 반면, 중성 라디칼 전자는 홀수로, 남은 전자가 자유롭게 움직여 일반적으로 유기 합성 촉매로 사용되고 있다. 설계에 따라 전기를 쉽게 전달할 수 있어 리튬이온전지 등으로의 응용이 기대되고 있다. 하지만 불안정한 구조로 공기 중에서 분해된다는 문제가 있어 재료로서의 응용 연구가 추진되지 못했다.

연구팀이 개발한 것은 중성 라디칼의 일종으로 ‘TOT(Trioxotriangulene)’이라고 하는 유기 분자이다. 6개의 벤젠 고리가 정삼각형 모양으로 결합되어 평면에 늘어선 구조로 만들었다.

삼각형 3변의 중앙에는 각각 산소 원자가 1개씩 붙어 있다. 각 꼭지점에 염소와 불소 등의 작은 원자가 붙는 경우도 있다. 자기 집합이 잘 이루어져 입체적인 구조를 형성할 수 있고, 공기 중 섭씨 350도의 고온에서도 분자가 분해되지 않는다고 한다. TOT를 상하로 쌓아 올리는 방법으로 남은 전자를 1개씩을 모아 짝을 이루도록 했다. 그 결과, 중성 라디칼의 불안정한 구조 문제를 해소할 수 있었다.

지금까지 중성 라디칼의 안정화에는 분자 안에 커다란 구조를 만들어 다른 분자와의 반응을 막을 필요가 있다고 알려져 왔다. 하지만 이 경우, 분자가 자기 집합을 하기 어려워 규칙적인 입체 구조가 꼭 필요한 배터리 재료로는 사용될 수 없었다.

체적 당 전기 전도율이 높아 리튬이온전지의 양극 재료로의 응용이 기대되고 있다. 현재는 양극에 코발트계 재료 등이 주로 사용되고 있어, 이것을 TOT로 대체한다면 성능이 크게 향상될 수 있을 것으로 전망된다. 충전을 약 3만 회 반복해도 문제 없었다고 한다.

 -- 끝 --