값싸고 친환경적인 나트륨 이차전지를 만들었다

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이현욱·정성균 교수팀과 한국과학기술원(KAIST) 서동화 교수팀은 망간이나 코발트로 나트륨 이차전지의 고체전해질을 개발했다.

26일 연구진에 따르면, 망간이 들어간 고체전해질을 전고체 나트륨 전지에 적용해 30도에서 80번 이상 충방전을 해도 95.1%의 성능을 유지했다. 또한 이온전도도가 910mS/㎝를 기록해 전기를 잘 전달할 수 있다는 것을 밝혀냈다.

이는 지금까지 연구개발에 쓰였던 황화물이나 산화물, 할라이드계 금속을 쓰지 않고도 프러시안 계열의 친환경적 금속 사용이 가능하다는 것을 보여주고 있다.

제 1저자인 UNIST 안상혁 연구원은 "기존 고체 전해질의 비싼 가격과 환경 문제에 대한 고질적 문제를 해결할 수 있었다"며 "앞으로 전고체 전지 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.

황화물과 산화물, 할라이드계 금속을 사용하면 유해가스나 나오거나 고온으로 제작해야 하는 문제점이 있다. 또한 대부분의 재료값이 비싸다.

반면 18세기부터 청색 염료 물질 쓰이는 친환경 물질 '프러시안계 물질(PBAs)'은 이온이 이동할 수 있는 넓은 이온 전도 채널을 가지며 쉽게 합성 가능하다. 구조적으로 안정하고 값 또한 싸다. 이런 장점과 더불어 전이 금속에 따라 그 특성까지 달라져 많은 주목을 받고 있다.

연구진은 프러시안계 물질(PBAs)을 주목했다. 프러시안계 물질의 고유 특성이 이온 전도도를 높일 수 있다고 판단했다.

전이 금속의 종류를 변경하면서 이온 전도의 변화 추이를 관찰한 결과, 전이 금속의 크기에 따라 이온 채널의 크기가 달라지는 것을 알아냈다. 큰 이온 채널을 가진 물질은 높은 이온 전도성을 보이는 것이다.

이를 통해 연구진은 프러시안계 물질 중 망간으로 전고체 나트륨 이차전지에 들어갈 고체전해질을 만들었다. 이 이차전지는 상온에서도 0.1mS/㎝ 급의 나트륨 이온전도도를 보였다. 즉 가능성을 입증한 것이다.

제 1저자 김태원 연구원은 "친환경 물질인 프러시안 블루계 물질을 고체 전해질로 적용했다"며 "앞으로 고체 전해질의 새로운 시각을 제시한 연구"라고 말했다. 또한 이현욱 교수는 "기존 황화물, 산화물, 할라이드계 고체전해질에 제한된 연구분야가 새로운 소재 발견으로 가능성이 확대되기 바란다"고 말했다.

한편, 연구진은 이번 연구 결과를 에너지·재료 분야 국제학술지 '앙게반떼 케미(Angewandte Chemie international edition)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자