현대 과학기술의 발달에 힘입어 전기자동차가 확산됨에 따라 고성능·고효율의 이차전지 시장이 활발하게 전개되고 있는 가운데 최근에는 전지에 리튬 대신 나트륨을 사용해 생산 단가를 낮춘 나트륨 이온 전지가 주목을 받고 있다.

울산과학기술원(이하 UNIST) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 ‘프러시안 블루’ 계열 소재를 통해 나트륨 이온 전지의 수명에 영향을 미치는 주요 원인을 발견했다고 5일 밝혔다.

UNIST 이현욱 교수팀 [UNIST 제공]

‘프러시안 블루’는 18세기부터 사용된 청색 염료 물질 중 하나로 주로 청바지의 원료로 사용되며 이온을 흡착하는 특성이 있어 방사성 세슘에 중독되었을 때 중화제로 사용되기도 한다.

최근에는 중국 배터리 기업인 CATL에서 공개한 ‘프러시안 화이트’ 역시 같은 계통의 나트륨 이온 전지 양극재이다.

UNIST 연구팀은 이번 실험에서 대표적인 배터리 양극 소재를 합성법인 ‘수용액 공침법’을 이용해 서로 다른 특성을 가진 프러시안 블루 소재를 합성했다.

이후 프러시안 블루 계열 양극 물질이 가지는 물 분자의 양에 따라 배터리가 어떠한 특성을 보이는지 분석했다.

두 전해질 시스템 사이에서 물 분자가 배터리에 미치는 영향을 실험한 연구팀은 물 분자 수가 적은 양극 소재가 더 높은 에너지 효율을 보이고 수명이 긴 것을 확인할 수 있었다.

물 분자 수가 약 24% 감소하면 배터리 용량은 9.7% 향상되며, 2,500번의 충·방전 실험에도 배터리의 수명이 67.5%까지 유지되는 결과가 나타났다.

반면 물 분자 수가 많은 양극 소재는 동일 실험 진행 시 최대 수명이 59.6%에 그치며 그 차이를 보였다.

또 위와 같이 물 분자가 감소했을 때, 수계전해질 시스템에서 나트륨 이온이 4배 이상 활성화돼 배터리 속도가 약 2배 이상 향상된다는 결과 또한 도출해낼 수 있었다.

실험 결과가 실제 공정으로 현실화되면 고성능의 나트륨 이온 전지를 통해 기존의 리튬 배터리와 경쟁할 수 있는 수준까지 올라올 것으로 연구진들은 예측하고 있다.

UNIST 로고 [자료=UNIST]

UNIST 최아름 에너지화학공학과 연구원은 “프러시안 블루 계열 소재는 나트륨 이차전지 양극으로 각광 받고 있어 어떤 인자가 양극 특성에 영향을 미치는지 여부에 대한 관심이 많아졌다”라고 이번 실험의 배경을 전했다.

한편 “물 분자량의 차이로 본 소재의 배터리 특성을 확인했는데, 이런 특성을 다른 응용처에도 시도할 수 있을 것으로 보인다”고 설명했다.

또 이현욱 에너지화학공학과 교수는 “아직 프러시안 블루, 프러시안 화이트 등 용량 기인 요인에 관한 연구가 많이 부족해 고성능 나트륨 이차전지 개발을 위해서 이 소재에 숨겨진 인자들을 더 밝혀낼 필요가 있다”고 전했다.

이번 연구는 울산과학기술원 미래 선도형 특성화 사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업의 지원으로 수행됐다.