푸른 전해질 소재로 전고체 나트륨 배터리 만들었다

UNIST-KAIST 공동연구팀, 프러시안계 물질 활용해 개발

국내 연구진이 값싸고 친환경적인 프러시안계 물질로 고체 전해질을 개발하고 이를 활용해 전고체 배터리를 만들었다. 

26일 UNIST(총장 이용훈)에 따르면, 이 학교 에너지화학공학과 이현욱·정성균 교수와 KAIST 서동화 교수 연구팀은 프러시안계 물질(PBAs)을 활용, 상온에서도 구동하는 전고체 나트륨 이차전지를 개발했다.

프러시안계 물질은 철 전이금속의 수화물로 짙은 파란색인 프러시안 블루 빛을 띄어 이런 이름이 붙었다. 철 전이금속 이온에 사이나이드 리간드(CN-)가 여섯 개 붙어있는 팔면체 모양의 금속 착화합물이다.

PBAs는 나트륨 이차전지의 양극재로 흔히 쓰인다. 넓은 이온 전도 채널을 가지며 쉽게 합성 가능하다. 구조적으로 안정하고 값도 싸다. 전이 금속에 따라 특성이 달라져 다양한 활용이 가능하다.

프러시안 블루계 물질을 고체 전해질로 사용한 전고체 전지 모식도와 이차 전지 구동 성능 (자료=UNIST)

연구팀은 PBAs의 특성이 이온 전도도를 높일 수 있다고 판단했다. 전이 금속의 종류를 변경하면서 이온 전도의 변화 추이를 관찰했다. 이를 통해 전이 금속의 크기에 따라 이온 채널의 크기가 달라지는 것을 확인했다. 큰 이온 채널을 가진 물질은 높은 이온 전도성을 보이는 것이다.

연구팀은 각 양극 및 음극재와의 계면 안정성 분석을 통해 적절한 물질군을 선별했다. 전이금속 이온의 종류에 따라 이온전도도와 계면 안정성에 차이를 보였다. 이 결과를 바탕으로 망간계 프러시안 블루 계열 물질을 활용한 전고체 나트륨 이차전지를 개발했다. 전지는 상온에서도 0.1mS/Cm급의 나트륨 이온전도도를 보이며 고체 전해질로서의 가능성을 입증했다. 대기 안정성이 우수하고 상온에소 제작할 수 있어 기존 황화물이나 산화물 전해질의 단점을 극복할 수 있으리란 기대다.

이현욱 교수는 "기존 황화물, 산화물, 할라이드계 고체 전해질에 제한된 연구 분야가 새로운 소재 발견으로 가능성이 확대되기 바란다"라며 "이번 연구는 이런 부분을 지적하면서 동시에 새로운 해결 방안을 성공적으로 제시할 수 있는 연구였다"라고 밝혔다.

이번 연구는 UNIST 미래 선도형 특성화 사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 학술지 '앙게반떼 케미(Angewandte Chemie international edition)'에 최근 게재됐다. 논문 제목은 Prussian Blue-Type Sodium-ion Conducting Solid Electrolytes for All Solid-State Batteries 이다.