값싼 친환경 소재인 프러시안계 물질을 고체 전해질로 사용한 전고체 나트륨 이차전지가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 26일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 에너지화학공학과 이현욱, 정성균 교수팀은 한국과학기술원(KAIST) 서동화 교수팀과 함께 상온에서도 구동하는 전고체 나트륨 이차전지를 개발했다.
연구팀은 18세기부터 청색 염료로 사용된 친환경 물질인 프러시안계 물질(PBAs·Prussian Blue analogues)을 고체 전해질로 활용했다.
프러시안계 물질은 나트륨 이차전지의 핵심 소재인 양극활물질(양극재)로 흔히 쓰인다. 이온이 이동할 수 있는 넓은 이온 전도 채널을 가지며, 쉽게 합성할 수 있다.
또 구조적으로 안정하고 값이 싼 장점과 더불어 전이금속에 따라 특성이 달라지는 점으로 인해 주목받고 있다.
연구팀은 프러시안계 물질의 고유 특성이 이온 전도도를 높일 수 있다고 판단하고, 전이금속 종류를 변경하면서 이온 전도의 변화 추이를 관찰했다. 연구팀은 이를 통해 전이금속의 크기에 따라 이온 채널의 크기가 달라지는 것을 확인했다.
큰 이온 채널을 가진 물질은 높은 이온 전도성을 보이는 것이다.
연구팀은 양극·음극활물질 계면 안정성 분석으로 적절한 물질 군을 선별했다. 이어 결과를 토대로 망간계 프러시안 블루 계열 물질로 전고체 나트륨 이차전지를 개발, 성공적으로 구동했다.
특히 개발된 고체 전해질은 대기 안정성이 우수하고, 상온 제작 공정이 가능해 기존 황화물전해질, 산화물전해질의 단점을 극복했다고 연구팀은 설명했다.
이현욱 교수는 "기존 황화물, 산화물, 할라이드계 고체 전해질에 제한된 연구 분야가 새로운 소재 발견으로 가능성이 확대되길 바란다"며 "이번 연구는 이런 부분을 지적하면서 동시에 새로운 해결 방안을 성공적으로 제시했다"고 말했다.
연구 결과는 에너지·재료 분야 국제 학술지 '앙게반테 케미'(Angewandte Chemie international edition)에 8월 28일 온라인으로 게재됐다. 연구는 UNIST 미래 선도형 특성화 사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.