[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전기자동차와 같은 대용량 저장장치의 수요가 증가하면서 안정성이 높고 높은 에너지 밀도를 기대할 수 있는 고체 전해질을 사용한 전고체 전지가 세계적인 관심을 받고 있다. 더불어, 리튬의 제한된 저장량과 급격한 가격 상승으로 인해 나트륨을 사용한 전고체 나트륨 이차전지가 차세대 배터리로 주목받고 있다. 현재 대두되는 고체 전해질 물질군으로 황화물, 산화물, 할라이드계가 있다. 하지만, 각 물질마다 치명적인 단점이 보유하고 있다. 예를 들면, 황화물 고체전해질은 전극에 대한 전기화학적 안정성이 낮고, 대기 중 황화수소 가스를 발생시키며, 산화물의 경우, 높은 온도의 소결 공정이 필요하며, 할라이드계의 경우 비싼 물질을 사용하는 문제점들이 있다. 따라서, 이를 해결할 물질을 개발하는 것이 중요하다.

2. 연구내용

본 연구는 앞서 설명한 문제점들을 해결하고자, 새로운 물질군인 프러시안 블루계(Prussian Blue analogues)를 고체 전해질로 적용했다. 프러시안 블루계 물질은 값싼 공정 비용, 넓은 이온 채널, 구조적 안정성을 갖고 있는 물질이다. 이는 고체 전해질로 적용될 때, 빠른 이온 전도를 기대할 수 있으며 구조적 안정성을 둘다 기대할 수 있기 때문이다. 또한, 프러시안 블루 물질계에 적용되는 전이 금속을 변경하며 이온 전도의 경향을 분석하여 높은 이온 전도를 가진 물질을 개발하였다. 또한, 각 양극활물질과 음극활물질의 안정성을 분석하여 전고체 나트륨 이차전지를 성공적으로 구동했다.

3. 기대효과

본 연구는 기존에 고체 전해질로 보고된 적 없는 새로운 물질인 프러시안 블루계 물질을 적용시켜 고체 전해질의 선택 폭을 넓히는데 기여했다. 또한, 기존 고체 전해질들이 가지고 있던 높은 공정 비용과 환경 문제들을 해결할 수 있는 새로운 방향성을 제시해, 전고체 전지 상용화에 큰 도움이 될 것이라 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 프러시안계 물질 (Prussian Blue analogues, PBAs)

프러시안 블루(Prussian Blue) 물질은 철의 수화물로 짙은 파란색을 띄어 프러시안 블루로 불렸음. 이 수화물은 철이라는 전이금속 이온에 사이나이드 리간드(CN-)가 여섯 개 붙어있는 팔면체 모양의 금속 착화합물임. 철 전이금속 대신 망간이나 코발트와 같은 전이금속이 대신 자리하게 되는 경우 프러시안 블루와 유사하다고 하여 프러시안 블루 계열 물질이라고 부름. 본 연구에서는 망간과 철의 전이금속 이온을 이용한 조성으로 개발되었음.

2. 이온 전도 채널 (Ionic conductive channels)

고체물질 내에 리튬이나 나트륨과 같은 이온이 이동할 수 있는 채널을 얘기함. 고체전해질의 경우 고체내의 특정 채널에 의해서 리튬 혹은 나트륨 이온이 이동할 수 있음.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. 프러시안 블루계 물질의 구조 모식도와 전이 금속 크기에 따른 이온 채널 크기 모식도

왼쪽 그림과 같이 구조 내의 나트륨 이온이 빠르게 이동하게 되며, 오른쪽 그림처럼 전이 금속의 크기에 따라 나트륨 채널 크기가 변하는 것을 알 수 있다.

그림2. 프러시안 블루계 물질을 고체 전해질로 사용한 전고체 전지 모식도와 이차 전지 구동 성능

본 연구에서 개발한 프러시안 블루계 물질을 고체 전해질로 사용하여 전고체 나트륨 이차전지를 디자인하였으며 이를 이용하여 상온에서도 안정한 모습을 확인할 수 있었다.