▲ 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그의 에너지 저장 및 출력 특성 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재는 기존 동일 군 소재 대비 150 % 이상의 높은 에너지 저장 용량(~ 100 mAhg-1)을 발현할 뿐만 아니라 높은 출력 특성을 보인다..

기존보다 150% 이상 에너지 저장이 가능한 새로운 전극소재로 차세대 전기화학적 에너지 저장 소자 분야에 폭 넓은 활용이 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 지난 24일 정경윤 에너지융합연구단 박사팀이 금속유기구조체 소재군의 하나인 프러시안 블루 아날로그(Prussian Blue Analogue)구조를 기반으로 에너지 저장 특성이 우수하며 저비용과 뛰어난 가공성을 가진 신규 전극소재를 개발했다고 밝혔다.

에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)은 전력난 해결을 위해 각광받고 있지만 기존 리튬 이차전지의 경우, 높은 생산 단가와 안정성 문제에 의해 대용량 전력 수요 대비를 위한 에너지저장 시스템으로의 적용에는 한계가 있었다.

이에 국내 연구진은 저비용으로 고효율과 고 안정성을 확보하는 물을 기반으로 하는 수계 이차전지를 위해서 내부에 나노기공을 포함하는 새로운 금속유기구조체(MOF, Metal-Orgnic Framework) 전극 소재 개발에 성공했다.

새로운 전극소재의 바탕이 된것은 금속유기구조체의 한 종류인 프러시안 블루 아날로그 다.연구진은 이를 기반으로 전기화학적 높은 활성도를 보이고 저가의 소재합성이 가능한 철과 바나듐의 전이금속을 도입하여 에너지 저장 특성이 우수하면서, 저비용, 우수한 가공성을 지닌 신규 전극 소재를 개발했다.

연구진은 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재가 기존 동일 군 소재(60 mAhg-1) 대비 150% 이상의 높은 에너지 저장 용량(~100 mAhg-1)을 발현하며 100%에 이르는 높은 충·방전 효율을 나타낼 뿐만 아니라 높은 출력 특성을 보이는 것을 실험을 통해 확인했다.

이는 구조 내의 철과 바나듐 전이 금속 이온이 모두 전기화학적 반응에 기여하는 다중 산화환원 반응(Multiple redox reaction)과 구조 내의 공공(Vacancy)을 통한 높은 이온 전도 특성에 따른 것이다.

KIST 정경윤 박사는 “본 연구에서 개발된 철/바나듐 프러시안 블루 금속유기구조체 기반의 전극 소재는 우수한 에너지 저장 용량을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 소재의 우수한 가격 경쟁력, 가공성, 소재 구조 다변화 가능 등의 특성을 보유하고 있어 수계 이차전지 외에도 다양한 차세대 전기화학적 에너지 저장 소자 분야에 있어 폭넓은 활용이 기대되는 신규 소재이다.” 라고 밝혔다.

연구진은 이번에 개발된 금속유기구조체를 기반으로 소재의 합성 과정 중 도핑 및 복합체 형성을 통하여 전기 및 이온전도도의 제어와 새로운 기능성을 부여하는 연구를 진행 중에 있으며 이는 향후 수계 전해질 기반의 이차전지 상용화 연구에도 매우 유리한 장점이 있을 것으로 전망했다.

한편, 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유 연구사업과 국가과학기술연구회(이사장 이상천) 창의형 융합연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 과학 저널인 ‘Advanced Energy Materials’에 10월 12일자 온라인 판에 게재되었다.