최근 나트륨 이온 전지는 리튬이온전지 대비 생산 단가가 저렴하고 전지 시스템이 비슷해 저가형 리튬이온전지 시장을 대체할 차세대 전지로 주목받고 있다.
유니스트(UNIST·울산과학기술원) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 ‘프러시안 블루 계열’ 소재를 통해 나트륨 이온 전지의 수명에 영향을 미치는 주요 원인을 발견했다고 5일 밝혔다.
프러시안 블루 계열 소재는 프러시안 블루라는 18세기부터 사용된 청색 염료 물질 중 하나로 청바지의 염료로 사용된다. 또한 이온을 자발적으로 흡착하는 기능이 있어 방사성 세슘 중독 해독제로 사용되기도 한다. 최근에는 중국 배터리 기업인 CATL에서 공개한 나트륨 이온전지 양극 소재인 ‘프러시안 화이트’가 이 계열 중 하나다.
연구팀은 배터리 양극 소재를 합성하는 대표적인 방식인 ‘수용액 기반의 공침법’을 이용해 서로 다른 특성을 가진 프러시안 블루 계열 양극 소재를 합성했다. 특히 합성 후 프러시안 블루 계열 양극 물질이 가지는 물 분자의 양에 따라 배터리가 어떠한 특성을 보이는지 분석했다.
특히, 프러시안 블루 계열 소재는 유기용매를 기반으로 한 상용화된 전해질 시스템인 ‘유기전해질 시스템’과 물을 기반으로 한 차세대 전해질 시스템인 ‘수계전해질 시스템’에 모두 응용이 가능하다. 연구팀은 그 특성을 고려해 두 전해질 시스템에서 물 분자가 어떤 방식으로 배터리의 특성에 영향을 미치는지 실험을 진행했다.
그 결과, 물 분자 수가 적은 양극 소재가 더 높은 에너지 효율을 보이고 수명이 긴 것으로 확인됐다. 연구팀은 물 분자 수가 약 24% 감소하면 배터리 용량이 9.7% 향상되며, 2500번의 충·방전 실험에도 배터리의 수명이 67.5%까지 유지되는 것을 확인했다. 반면 물 분자 수가 많은 양극 소재는 동일 실험 진행 시 59.6%의 수명을 나타내며 그 차이를 보였다.
또한 위 결과와 같은 양의 물 분자 수(24%)를 감소시켰을 때, 수계전해질 시스템에서 나트륨 이온이 4배 이상 활성화돼 배터리 속도가 약 2배 이상 향상된다는 결과 또한 도출해낼 수 있었다.
제 1저자 최아름 에너지화학공학과 연구원은 “프러시안 블루 계열 소재는 나트륨 이차전지 양극으로 각광 받고 있어 어떤 인자가 양극 특성에 영향을 미치는지 여부에 대한 관심이 많아졌다”며 “물 분자량의 차이로 본 소재의 배터리 특성을 확인했는데, 이런 특성을 다른 응용처에도 시도할 수 있을 것으로 보인다”고 설명했다.
또한 이현욱 에너지화학공학과 교수는 “아직 프러시안 블루, 프러시안 화이트 등 용량 기인 요인에 관한 연구가 많이 부족하다”며 “고성능 나트륨 이차전지 개발을 위해서 이 소재에 숨겨진 인자들을 밝혀낼 필요가 있다”고 전했다.
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