나트륨 이온전지 ‘프러시안블루’ 성능 저하, 원인은 물 아닌 전해질

연구 이미지. /포항공과대학교 제공

나트륨 이온 전지 상용화를 가로막아 온 프러시안블루(Prussian Blue) 양극재의 성능 저하 원인이 ‘결정수’ 자체가 아니라 전해질 속 음이온과 물의 상호작용에 있다는 사실이 국제 공동연구를 통해 밝혀졌다.

포항공과대학교 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수 연구팀은 독일 Forschungszentrum Jülich 전기화학 공정공학(IET-4) 카르스텐 코르테 박사, KIST Europe 및 Saarland University 김상원 박사 연구팀과 함께 전해질 음이온 종류에 따라 프러시안블루 구조 내 결정수가 전극 열화를 유발할 수도, 반대로 안정화될 수도 있음을 규명했다.

나트륨은 자원이 풍부하고 가격이 저렴해 대형 저장 장치에 적합하며 철 기반 프러시안블루 계열 양극재는 제조단가가 낮고 이온 이동이 쉬워 상용화 가능성이 높은 소재로 평가돼 왔다.

그러나 프러시안블루 구조 안에 포함된 결정수는 고전압 충전 과정에서 전해질과 반응해 전극 산화와 용매 분해를 유발, 배터리 수명을 크게 떨어뜨리는 문제로 지적돼 왔다. 

연구팀은 결정수보다 전해질 속 음이온의 특성이 물의 반응성을 좌우한다는 점에 주목해 친수성 음이온을 가진 NaClO₄ 전해질과 소수성 음이온의 NaTFSI 전해질을 비교 분석했다. 

그 결과 ClO₄⁻ 음이온은 물을 강하게 결합시켜 부반응을 촉진한 반면, TFSI⁻ 음이온은 물을 느슨하게 감싸 반응성을 억제하는 것으로 나타났다.

실제 성능 평가에서도 NaTFSI 전해질을 적용한 프러시안블루 양극은 4.2V 고전압 조건에서 500회 충·방전 후에도 약 77%의 용량을 유지했다. 반면 NaClO₄ 전해질에서는 전극 표면에 불균일한 계면막이 형성되며 성능 저하가 빠르게 진행됐다.

조창신 교수는 “프러시안블루 양극의 최대 난제로 여겨졌던 결정수 문제를 전해질 선택만으로 해결할 수 있음을 입증했다”며 “나트륨 이온 전지의 장수명화와 상용화 가능성을 크게 넓힌 연구”라고 말했다.

/단정민기자 [e-mail]