Research

[프러시안 블루 성능 저하 원인 규명… 결정수 아닌 표면 산화가 핵심 요인]

젖은 옷을 말리려다 옷감이 상하는 것처럼, 차세대 배터리 소재도 배터리 성능 저하의 주범인 ‘물’을 제거하는 과정에서 오히려 배터리 수명이 줄어드는 문제가 있었다. 그런데 국내 연구진이 물을 제거하는 과정에서 발생하는 ‘표면 산화’가 진짜 범인임을 밝히고, 이를 해결할 새로운 탈수 공정을 개발하는 데 성공했다.

 POSTECH 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수, 배터리공학과 박사과정 장승혜 씨 연구팀이 수행한 이번 연구는 재료 분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 최근 게재됐다.

 전기차와 에너지저장장치(ESS) 분야 시장이 빠르게 성장하면서 배터리 원료 확보 경쟁도 치열해지고 있다. 나트륨 이온전지는 리튬보다 원료가 풍부하고 가격이 저렴해 차세대 배터리 후보로 주목받고 있다. 특히, 철을 기반으로 한 ‘프러시안 블루(Prussian Blue)’는 제조 비용이 저렴하고, 저장할 수 있는 에너지 양도 많아 상용화 가능성이 높은 소재로 평가받고 있다.

 문제는 ‘프러시안 블루’가 만들어지는 과정에서 내부에 ‘결정수¹⁾’를 상당량 품게 된다는 점이다. 이 물은 전해액 분해, 가스 발생, 철 용출 같은 부반응을 일으켜 배터리 성능과 수명을 떨어뜨린다. 이를 해결하기 위해 고온 열처리를 통해 물을 제거하는 방법이 널리 사용되어 왔지만, 오히려 배터리 성능이 더 나빠지는 현상이 나타났고, 그 원인은 지금까지 명확하게 밝혀지지 않았다.

 연구팀은 고온 열처리를 통해 결정수를 제거한 이후에도 배터리 성능이 기대만큼 개선되지 않는 현상에 주목했다. 이에 열처리 전후의 표면 화학 상태를 정밀 분석한 결과, 성능 저하의 원인이 결정수 자체가 아니라 열처리 과정에서 프러시안 블루 표면에 형성되는 철-산소(Fe–O) 결합이라는 사실을 최초로 밝혀냈다. 이 결합은 표면 산화를 유도해 전해액 분해와 가스 발생을 촉진하고, 결국 배터리 성능과 안정성을 저하시키는 핵심 요인으로 작용했다.

 연구팀은 이를 바탕으로 새로운 해결책을 제시했다. 비수계 용매 안에서 질소 기체를 지속적으로 주입하는 ‘액상 버블링 탈수 공정’이다. 질소 기포가 용액 속을 통과하면서 결정수를 효과적으로 제거하는 동시에 산소와 접촉을 최소화해 표면 산화를 억제한다. 젖은 옷을 뜨거운 열로 말리는 대신 부드러운 바람으로 건조해 손상을 줄이는 것과 비슷한 원리다. 

 이 공정을 적용한 프러시안 블루는 결정수 함량을 약 12wt.%(웨이트 퍼센트, 전체 무게 대비 비율)에서 1wt.% 수준까지 낮추면서도 표면 산화를 크게 줄였다. 또한 충·방전 과정에서 발생하는 가스가 감소했고, 100회 충·방전 이후에도 기존 열처리 방식보다 높은 용량 유지율을 기록했다. 

 특히 이번 공정은 전극 제조에 사용되는 용매를 그대로 활용할 수 있어 탈수와 전극 제조를 하나의 과정으로 통합할 수 있다는 장점도 있다. 기존에는 어렵게 제거한 수분이 전극 제조 과정에서 다시 흡수되는 문제가 있었지만, 연구팀의 통합 공정은 이러한 재흡착을 원천적으로 줄여 장기 안정성을 더 높였다.

 이번 연구는 프러시안 블루 성능을 떨어뜨리는 근본 원인을 규명했을 뿐만 아니라, 산업 현장에 쉽게 적용할 수 있는 해결책까지 제시했다는 점에서 의미가 있다. POSTECH 조창신 교수는 “액상 버블링 탈수 공정은 탈수와 전극 제조를 하나로 통합해 수분 재흡착 문제까지 해결할 수 있어 차세대 나트륨 이온전지 상용화에 기여할 것으로 기대한다”라고 전했다. 

 한편, 이 연구는 산업통상자원부 첨단특성화대학원 지원사업(배터리), 산업통상자원부 에너지기술개발사업, 산업통상자원부 기술혁신사업의 지원으로 수행됐다.

▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.73507

1) 결정수(crystal water): 물 분자가 물질의 결정 구조 내부에 포함되어 있는 형태로, 화학 반응 없이 구조 내에 존재하는 수분을 의미한다.