UNIST "나트륨 이온 전지 수명 조절하는 방법 발견"

'프러시안 블루 계열' 소재 물 분자량 분석…적을수록 효율 높아

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 '프러시안 블루 계열' 소재를 통해 나트륨 이온 전지 수명에 영향을 미치는 주요 원인을 발견했다고 5일 밝혔다.

연구팀에 따르면 프러시안 블루 계열 소재는 18세기부터 사용된 프러시안 블루라는 청색 염료 물질 중 하나로 청바지 염료로 사용된다.

또 이온을 자발적으로 흡착하는 기능이 있어 방사성 세슘 중독 해독제로 사용되기도 한다.

연구팀은 배터리 양극 소재를 합성하는 대표적인 방식인 '수용액 기반 공침법'을 이용해 서로 다른 특성을 지닌 프러시안 블루 계열 양극 소재를 합성했다.

합성 후엔 프러시안 블루 계열 양극 물질의 물 분자량에 따라 배터리가 어떤 특성을 보이는지 분석했다.

프러시안 블루 계열 소재는 유기 용매를 기반으로 한 상용화된 전해질 시스템인 '유기전해질 시스템'과 물을 기반으로 한 차세대 전해질 시스템인 '수계전해질 시스템'에 모두 응용할 수 있다.

연구팀은 이 같은 특성을 고려해 두 전해질 시스템에서 물 분자가 어떤 방식으로 배터리 특성에 영향을 미치는지 실험을 진행했다.

실험 결과 물 분자 수가 적은 양극 소재가 더 높은 에너지 효율을 보이고 수명도 긴 것으로 나타났다.

연구팀은 물 분자 수가 약 24% 감소하면 배터리 용량이 9.7% 향상되는 것을 확인했다.

2천500번 충·방전 실험에서는 배터리 수명이 67.5%까지 유지됐다고 설명했다.

물 분자 수가 많은 양극 소재는 동일 실험에서 수명이 59.6%로 나타나 차이를 보였다.

또 연구팀은 같은 양의 물 분자 수(약 24%)를 감소시켰을 때, 수계전해질 시스템에서 나트륨 이온이 4배 이상 활성화돼 배터리 속도가 약 2배 이상 향상된다는 결과도 도출했다.

제1저자인 에너지화학공학과 최아름 연구원은 "프러시안 블루 계열 소재는 나트륨 이차전지 양극으로 주목받고 있어 어떤 인자가 양극 특성에 영향을 미치는지 여부에 대한 관심이 높다"며 "물 분자량의 차이로 본 소재의 배터리 특성을 확인했는데, 이런 특성을 다른 응용처에서도 시도할 수 있을 것"이라고 말했다.

이현욱 교수는 "아직 용량 기인 요인에 대한 연구가 많이 부족하다"며 "고성능 나트륨 이차전지 개발을 위해서 이 소재에 숨겨진 인자를 밝혀낼 필요가 있다"고 덧붙였다.

연구 결과는 에너지·재료 분야 국제 학술지 '재료화학 저널 A'(Journal of Materials Chemistry A) 5월 29일 자에 온라인으로 게재됐다.

연구는 UNIST 미래선도형 특성화 사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

/연합뉴스