차세대 나트륨 이온전지 상용화에 기여할 것으로 기대
포스텍 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수, 배터리공학과 박사과정 장승혜 씨 연구팀이 차세대 나트륨 이온전지 핵심 소재인 '프러시안 블루'의 성능 저하 원인을 규명하고 이를 해결할 수 있는 탈수 공정을 개발했다.
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| ▲ 포스텍 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수(왼쪽), 포스텍 배터리공학과 박사과정 장승혜 씨. [포스텍 제공] |
이번 연구 성과는 재료 분야 세계적 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈'에 게재됐다.
전기차와 에너지저장장치(ESS) 분야 시장이 빠르게 성장하면서 배터리 원료 확보 경쟁도 치열해지고 있다. 나트륨 이온전지는 리튬보다 원료가 풍부하고 가격이 저렴해 차세대 배터리 후보로 주목받고 있다.
특히, 철을 기반으로 한 '프러시안 블루'는 제조 비용이 저렴하고 저장할 수 있는 에너지 양도 많아 상용화 가능성이 높은 소재로 평가받고 있다.
그러나 '프러시안 블루'가 만들어지는 과정에서 내부에 '결정수'를 상당량 품게 된다는 문제점이 있다. 이 물은 전해액 분해, 가스 발생, 철 용출 같은 부반응을 일으켜 배터리 성능과 수명을 떨어뜨린다.
이를 해결하기 위해 고온 열처리를 통해 물을 제거하는 방법이 널리 사용되어 왔지만 오히려 배터리 성능이 더 나빠지는 현상이 나타났고 그 원인은 지금까지 명확하게 밝혀지지 않았다.
연구팀은 고온 열처리를 통해 결정수를 제거한 이후에도 배터리 성능이 기대만큼 개선되지 않는 현상에 주목했다. 이에 열처리 전후의 표면 화학 상태를 정밀 분석한 결과 성능 저하의 원인이 결정수 자체가 아니라 열처리 과정에서 프러시안 블루 표면에 형성되는 철-산소(Fe–O) 결합이라는 사실을 처음으로 밝혀냈다.
이 결합은 표면 산화를 유도해 전해액 분해와 가스 발생을 촉진하고 결국 배터리 성능과 안정성을 저하시키는 핵심 요인으로 작용했다.
연구팀은 이를 바탕으로 비수계 용매 안에서 질소 기체를 지속적으로 주입하는 '액상 버블링 탈수 공정'이란 새로운 해결책을 제시했다.
질소 기포가 용액 속을 통과하면서 결정수를 효과적으로 제거하는 동시에 산소와 접촉을 최소화해 표면 산화를 억제한다. 이 공정을 적용한 프러시안 블루는 결정수 함량을 약 12wt.%(웨이트 퍼센트, 전체 무게 대비 비율)에서 1wt.% 수준까지 낮추면서도 표면 산화를 크게 줄였다.
또한 충·방전 과정에서 발생하는 가스가 감소했고 100회 충·방전 이후에도 기존 열처리 방식보다 높은 용량 유지율을 기록했다.
특히 이번 공정은 전극 제조에 사용되는 용매를 그대로 활용할 수 있어 탈수와 전극 제조를 하나의 과정으로 통합할 수 있다는 장점도 있다. 기존에는 어렵게 제거한 수분이 전극 제조 과정에서 다시 흡수되는 문제가 있었지만 연구팀의 통합 공정은 이러한 재흡착을 원천적으로 줄여 장기 안정성을 더 높였다.
조창신 교수는 "이번 연구는 프러시안 블루 성능을 떨어뜨리는 근본 원인을 규명했을 뿐만 아니라 산업 현장에 쉽게 적용할 수 있는 해결책까지 제시했다는 점에서 의미가 있다"고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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