보도자료

2023. 7. 5 (월) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

차세대 전지 나트륨 이차전지의 수명 조절 방법 찾았다!

UNIST 이현욱 교수팀, 프러시안 블루 계열 소재의 물 분자량 분석
분자 수가 적을수록 높은 에너지 효율 보여… J. Mater. Chem. A 게재

최근 나트륨 이온 전지는 리튬이온전지 대비 생산 단가가 저렴하고 전지 시스템이 비슷해 저가형 리튬이온전지 시장을 대체할 차세대 전지로 주목받고 있다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 ‘프러시안 블루 계열’ 소재를 통해 나트륨 이온 전지의 수명에 영향을 미치는 주요 원인을 발견했다.

‘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, 2,500번의 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.

이번 연구는 울산과학기술원 미래 선도형 특성화 사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업의 지원으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 ‘재료 화학 저널 A’(Journal of Materials Chemistry A)에 5월 29일 자로 온라인 게재됐다.

(논문명: Investigating the role of interstitial water molecules in copper hexacyanoferrate for sodium-ion battery cathodes)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

에너지화학공학과: 이현욱 교수 (052)217-2593

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

이차전지는 이제 노트북, 휴대폰과 같은 전자기기를 넘어서 전기자동차를 비롯하여 에너지 저장창고에도 응용 가능할 정도로 다양한 산업에 이용되고 있다. 리튬이온 이차전지는 이러한 수요에 대해 성공적인 성과를 거둔 전지 중 하나이다. 하지만 리튬의 자원 효율성 및 접근성에 대한 이슈가 등장하게 된다. 현재 리튬 자원은 볼리비아, 호주, 중국 등 일부 지역에서 생산 가능하며 리튬 이차전지의 수요가 증가함에 따라 리튬 자원은 새로운 자원 무기가 될 가능성을 가지고 있다. 이에 대체할 이차전지 연구가 관심을 두고 있으며, 원소주기율표 상 리튬 아래에 있는 나트륨, 즉 나트륨 이차전지에 관한 관심이 커지고 있다. 나트륨 원소는 지구상에 존재하는 흔한 원소 중의 하나로 리튬보다 지구상에 1,000배 혹은 그 이상 많은 원소이다. 그래서 나트륨 이차전지가 리튬 이차전지와 상응할 정도의 특성을 갖는다면, 전지의 가격 경쟁력은 향상할 것이다. 나트륨 이차전지가 가격 면에서 이러한 장점을 갖는대도 불구하고 현재 상용화하기 어려운 이유는 리튬 이차전지와 비교해서 전지의 용량 및 특성이 현저하게 낮기 때문이다. 그래서 우수한 특성을 갖는 양극 물질, 음극 물질에 관한 연구가 필요하게 된다. 또한, 이러한 양극 물질 및 음극 물질 역시 대량생산이 가능하고 자원이 풍부한 물질로 구성되어야 할 것이다.

2. 연구내용

프러시안 블루 계열 물질은 탄소와 질소로 이어진 연결고리를 기준으로 비교적 넓은 개방형 구조를 가진다. 일반적으로 양극 물질에 이용되는 산화물의 경우 전이금속 이온과 산소 이온이 직접 결합하고 있어 이온이 이동할 수 있는 통로가 좁다. 이온의 크기가 작은 리튬이온의 경우에는 이러한 산화물 양극 물질이 적합하였으나, 이온의 크기가 큰 나트륨의 경우에는 적합하지 않았다. 이에 나트륨 같은 상대적으로 큰 이온에는 프러시안 블루 계열의 물질이 적합할 것이라는 관심을 끌게 되었고 최근 관련 연구가 시작되었다. 본 연구에서는 프러시안 블루 계열 물질을 다른 양의 물 분자가 구성하게 합성하고 세 가지 조건의 물 분자가 있는 소재의 특성을 분석했다. 그 결과, 물 분자의 양이 적은 샘플이 수계전해질 시스템 내에서 높은 용량과 수명을 보임을 확인했다.

3. 기대효과

본 연구는 나트륨 이차전지의 상용화에 영향을 미칠 것으로 판단되며, 학문적으로는 물 분자가 소재에 미치는 특성을 발견한 의의가 있어, 다양한 물리적, 화학적 분석 연구가 보일 것으로 판단되며, 산업적으로는 나트륨 이차전지의 상용화 가능성에 더 많은 투자와 연구가 이뤄질 것으로 기대된다. 용량의 향상뿐만 아니라 높은 출력파워를 나타내어 나트륨 이차전지 기술 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다. 또한 물질의 제조기법이 매우 간단하고 공정비용이 저렴하다는 장점이 있어, 산업적 응용 면에서도 기대할 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 유기전해질 시스템 (Organic Electrolyte System)

유기용매를 기반으로 한 배터리의 전해질 시스템으로 현재 상용화된 배터리에서 가장 흔하게 쓰이는 전해질 시스템이다. 하지만 유기용매의 폭발성 등에 의해 배터리 안전 문제의 주요 원인으로 알려져 있다.

2. 수계전해질 시스템 (Aqueous Electrolyte System)

물을 기반으로 한 배터리 전해질 시스템으로 이온전도도가 빠르고 화재 위험성이 낮기 때문에 차세대 배터리 전해질 시스템 중 하나로 연구되고 있다.

3. 공침법 (coprecipitation)

용매에 녹아있는 서로 다른 이온이 만나 침전되는 물질로 변화하는 현상으로 배터리의 양극 물질을 대량으로 합성하는 방법 중 하나이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 물 분자의 양에 따른 프러시안 블루 계열 물질의 특성 변화.

수계전해질 환경에서는 수화된 나트륨 이온이 반응하기 때문에 프러시안 블루 계열 물질의 구조 내 물 분자가 많을수록 수화된 나트륨 이온의 저장 능력이 감소하게 됨. 유기 전해질 환경에서는 유기 용매가 탈리된 상태로 나트륨 이온이 반응하기 때문에, 구조 내 물 분자의 영향을 받지 않음.

그림2. 수계전해질에서의 물 분자의 양에 따른 프러시안 블루 계열 물질의 전기화학 특성 (구조 내 물 분자: CuHCFe-1.4H2O < CuHCFe-1.6H2O < CuHCFe-1.8H2O).

(a) 구조 내 물 분자량에 따른 프러시안 블루 계열 물질의 용량. 구조 내 물 분자가 적을수록 더 큰 용량을 보여줌

(b) 구조 내 물 분자량에 따른 키네틱 성능. 구조 내 물 분자가 적을수록 키네틱 특성이 향상됨

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