【브레이크뉴스 구미】이성현 기자=국립금오공과대학교 재료공학부(고분자공학전공) 이원호 교수 연구팀의 연구 성과가 화학·재료 분야 세계 최고 권위 학술지인 Angewandte Chemie International Edition에 게재되며 학계의 주목을 받고 있다.

▲ .리튬이온배터리 유기캐소드 고분자 물질의 화학 구조 및 성능지표 그래프  © 금오공대

이번에 발표된 연구는 대표적인 n-형 공액고분자인 P(NDI2OD-T2)를 분자 공학적으로 재설계해 리튬이온배터리 유기 양극재의 용량과 고온 안정성을 동시에 향상시킨 것이 핵심이다. Angewandte Chemie International Edition은 화학 전 분야를 다루는 상위 6.1%(IF 16.9)의 국제 저명 학술지로, 해당 분야에서 가장 영향력 있는 저널 중 하나로 평가된다.

이원호 교수의 ‘차세대 고분자 전자재료 연구실(Advanced Polymers for Electronics Lab.)’ 연구팀은 에너지 저장에 직접 기여하지 않는 알킬 측쇄와 전자 주개(linker) 구조를 단순화해 고분자 양극재의 ‘비활성 질량(inactive mass)’을 줄이는 분자 설계를 제안했다. 이를 통해 고분자 소재를 경량화하면서도 에너지 저장 능력을 극대화하는 데 성공했다.

그 결과 새롭게 개발한 공액고분자 ‘P(NDI2BO-V)’는 기존 P(NDI2OD-T2) 대비 용량이 56.9mAh g⁻¹에서 86.0mAh g⁻¹로 약 1.5배 증가했으며, 장기 사이클 안정성도 우수하게 유지됐다.

특히 이번 연구는 유기 양극재가 고온에서 용해되거나 성능이 저하되는 기존 한계를 극복하고, 60℃ 고온 환경에서도 장기간 안정적으로 구동될 수 있음을 실증했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 상온(25℃)뿐 아니라 60℃ 조건에서도 장기 사이클 실험을 진행해, 공액고분자 기반 양극재가 단분자 유기 양극재 대비 뛰어난 내구성을 갖는다는 점을 입증했다. 이는 기존 상용 무기 양극재 수준을 상회하는 성능으로 평가된다.

아울러 연구팀은 전기화학 분석과 함께 밀도범함수이론(DFT), 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 활용해 분자 구조 변화가 전하 저장 메커니즘과 전자·이온 수송, 미세구조 형성에 미치는 영향을 체계적으로 규명했다. 이를 통해 용량 향상과 장기 안정성을 동시에 고려한 유기 양극재 분자 설계 지침을 제시했다.

이번 논문의 제목은 ‘Molecular Engineering of the Prototypical n-Type Polymer P(NDI2OD-T2) Enables Capacity Enhancement and High-Temperature Stability in Lithium-Ion Battery Cathodes’로, 1월 7일자에 게재됐다.

논문의 제1저자인 고분자공학과 육찬호 석사(졸업)와 김소영 박사과정은 “분자 구조 변화가 실제 성능 향상으로 이어지는 과정을 다양한 분석을 통해 확인하며 연구에 대한 확신을 얻었다”며 “후속 연구를 통해 고성능 유기 양극재 설계 전략을 더욱 확장해 나가겠다”고 밝혔다.

이원호 교수는 “공액고분자 양극의 비활성 질량을 줄이는 단순한 분자 설계만으로도 용량 향상과 고온 내구성을 동시에 달성할 수 있음을 보여준 연구”라며 “유기 기반 에너지 저장 소재의 실용화를 앞당길 수 있는 중요한 설계 방향을 제시했다”고 강조했다.

이번 연구는 국립금오공대 이원호 교수 연구팀과 경상국립대학교 이태경 교수 연구팀의 공동연구로 수행됐으며, 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견창의형 연구과제, 경상국립대 연구과제, 경상북도 RISE 사업의 지원을 받아 진행됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

Professor Lee Won-ho's research team at Kumoh National Institute of Technology (KIT) has achieved a breakthrough in organic cathode performance for lithium-ion batteries, published in a top international journal.

The research findings of Professor Lee Won-ho's research team in the Department of Materials Science and Engineering (Major in Polymer Science and Engineering) at Kumoh National Institute of Technology (KIT) have been published in Angewandte Chemie International Edition, a world-renowned journal in the fields of chemistry and materials, attracting significant academic attention.

The key point of this study is the molecular engineering redesign of P(NDI2OD-T2), a representative n-type conjugated polymer, to simultaneously improve the capacity and high-temperature stability of organic cathodes for lithium-ion batteries. Angewandte Chemie International Edition is a top 6.1% international journal (IF 16.9) covering all areas of chemistry, making it one of the most influential journals in its field.

Professor Lee Won-ho's research team at the Advanced Polymers for Electronics Lab proposed a molecular design that reduces the "inactive mass" of polymer cathode materials by simplifying alkyl side chains and linker structures that do not directly contribute to energy storage. This approach successfully maximized energy storage capacity while reducing the weight of the polymer material.

As a result, the newly developed conjugated polymer "P(NDI2BO-V)" exhibited a capacity increase of approximately 1.5 times compared to the existing P(NDI2OD-T2), from 56.9 mAh g⁻¹ to 86.0 mAh g⁻¹, while also maintaining excellent long-term cycling stability.

This research is particularly significant in that it overcomes the existing limitations of organic cathode materials, such as dissolution or performance degradation at high temperatures, and demonstrates that the material can operate stably for extended periods even in high-temperature environments up to 60°C. The research team conducted long-term cycling experiments at both room temperature (25°C) and 60°C, demonstrating that conjugated polymer-based cathodes exhibit superior durability compared to single-molecule organic cathodes. This performance is evaluated to surpass that of existing commercial inorganic cathodes.

Furthermore, using electrochemical analysis, density functional theory (DFT), and molecular dynamics (MD) simulations, the research team systematically elucidated the impact of molecular structural changes on charge storage mechanisms, electron and ion transport, and microstructure formation. Through this, they proposed molecular design guidelines for organic cathode materials that simultaneously consider capacity enhancement and long-term stability.

The title of this paper, "Molecular Engineering of the Prototypical n-Type Polymer P(NDI2OD-T2) Enables Capacity Enhancement and High-Temperature Stability in Lithium-Ion Battery Cathodes," was published on January 7th.

The first authors of the paper, Chan-ho Yuk (Master's degree) and So-young Kim (PhD candidate) of the Department of Polymer Engineering, stated, "We gained confidence in our research by confirming through various analyses how molecular structural changes lead to actual performance improvements." They added, "Through follow-up research, we will further expand our design strategy for high-performance organic cathode materials."

Professor Won-ho Lee emphasized, "This study demonstrates that simple molecular design, which reduces the inactive mass of conjugated polymer cathodes, can simultaneously achieve increased capacity and high-temperature durability. This research suggests important design directions that can accelerate the commercialization of organic-based energy storage materials."

This research was conducted jointly by the research teams of Professor Won-ho Lee of Kumoh National Institute of Technology and Professor Tae-kyung Lee of Gyeongsang National University. It was also supported by the National Research Foundation of Korea (NRF), the Ministry of Science and ICT's Mid-Career Creative Research Project, the Gyeongsang National University Research Project, and the Gyeongsangbuk-do RISE Project.