Exploiting organic materials participating in the energy transduction processes in biological system can inspire the discovery of new electrode chemistry for rechargeable batteries, considering the analogy in their electrochemical reactions involving the redox activity. Nicotinamide adenine dinucleotide ($NAD^+$) is one of the most well-known redox cofactors carrying electrons in photosynthesis and the cellular respiration process by virtue of redox active $NAD^+$ motif. Herein, we firstly report that intrinsically charged NAD+ motif can serve as an active electrode in electrochemical lithium cells. Through anchoring $NAD^+$ motif by the anion-incorporation, redox activity of the $NAD^+$ is successfully implemented in conventional lithium batteries, exhibiting the average voltage of 2.3 V vs. $Li^+$/Li. We also show that the operating voltage and capacity are tunable by altering the anchoring anion species without modifying the redox center itself. This work not only demonstrates the redox capability of $NAD^+$, the most well-known redox cofactor, as electrodes, but also suggests that anchoring the charged biological cofactors with anion-incorporation is a viable new approach to exploit various charged biological cofactors in conventional rechargeable battery systems.
생체 에너지 트랜스덕션 반응과 2차 전지 내의 에너지 저장 반응은 활물질의 리독스 반응을 통해 이루어진다는 공통점을 가진다. 따라서, 자연계에 존재하는 리독스 활성 물질들은 리튬 전지 내의 에너지 저장 반응에 사용될 수 있다. 니코틴 아마이드 조효소는 내부에 위치한 $NAD^+$ 모티프의 리독스 반응을 통해 광합성 및 세포 호흡과 같은 생체 내 에너지 트랜스덕션 과정을 매개한다. 본 학위논문에서는 $NAD^+$ 모티프를 전기화학적 리튬 전지 내에서 전극 물질로 활용한 가역적인 에너지 저장이 가능함을 최초로 보고한다. 자체적인 양전하를 가지는 $NAD^+$ 모티프를 고체 전극의 형태로 만들기 위해 음이온 첨부(anion-anchoring)가 활용되었다. 중성 상태로 안정화된 $NAD^+$ 모티프는 리튬 전지의 양극물질로서 리독스 활성을 통해 리튬 대비 2.3 V에 해당하는 가역적인 전기화학적 방전/충전 반응을 보였다. 더 나아가, $NAD^+$ 모티프의 중성 상태 안정화에 사용하는 음이온 종류를 변경하여 리독스 활성 부위의 변화없이 리튬 전지의 구동 전압과 용량을 조절할 수 있다는 것을 확인하였다. 본 연구는 $NAD^+$ 모티프의 리독스 활성이 전기화학적 리튬 전지 내에서 에너지 저장에 이용될 수 있다는 사실 뿐만 아니라 음이온 첨부가 전하를 가진 리독스 모티프를 리튬 전지의 전극으로 활용하는데 효과적으로 사용될 수 있다는 것을 제시한다.
