경북대학교는 이지훈 신소재공학과 교수팀이 이현정 울산과학기술원(UNIST) 교수팀과 함께 차세대 이차전지 소재로 주목받고 있는 '프러시안 화이트'의 결정 구조 변화 메커니즘을 규명했다고 24일 밝혔다. 대량 생산 가능한 저비용·고성능 알칼리 이온전지 설계의 단초를 제시했다는 평가다.
프러시안 화이트는 기존 리튬이온전지 양극재 합성에 필수적인 1000도 이상 고온 소결과정이 필요없고, 값이 저렴한 철(Fe)로 구성돼 가격 경쟁력이 우수하다. 또 공침법을 활용한 대량 생산이 가능해 중국 이차전지 기업인 'CATL'를 필두로 소듐이온전지 양극재로서 프러시안 화이트 연구에 주력하고 있다.
프러시안 화이트는 이중페로브스카이트 결정구조를 갖는 시안화물 소재다. 넓은 이온 확산채널을 통해 두 개의 알칼리 이온를 반복적으로 탈·삽입할 수 있다. 또 두 개의 철 이온이 각각 탄소 및 질소와 결합해 철과 탄소로 이뤄진 육면체와 철과 질소로 이뤄진 육면체가 교대로 반복되는 특징이 있다.
고성능·고신뢰성 이차전지 설계에 있어, 충·방전 과정에서 알칼리 이온의 탈·삽입으로 인해 발생하는 전극 소재의 결정 구조 변화를 이해하는 것은 매우 중요하다. 하지만 프러시안 화이트 양극재는 두 개의 철 이온이 서로 다른 전자 스핀 상태를 가지고 있어 정확한 구조 변화 이해는 매우 어려운 과제로 남아있다.
연구팀은 포항방사광가속기연구소에서 실시한 '실시간 X선 회절분석' 및 'X선 흡수미세구조 분석'을 통해 충·방전과정에서 발생하는 프러시안 화이트의 결정 구조 변화 메커니즘을 규명했다.
충전 과정에서 프러시안 화이트에 있는 두 개의 알칼리 이온 중 하나를 제거하면 결정 부피가 크게 감소하지만, 여기서 알칼리 이온을 하나 더 제거하면 결정 부피가 오히려 다시 증가하는 거동을 확인했다.
이지훈 교수는 “값 비싼 코발트·니켈이 없이 값 싼 철로 구성된 프러시안 화이트는 상대적으로 에너지 밀도가 높고 신뢰성있는 양극 소재로 평가받고 있어 우리나라도 해당 소재에 대한 경쟁력을 키울 필요가 있다”면서 “이번 연구는 난제였던 프러시안 화이트와 그 유사체들의 상변화 메커니즘을 명확히 하고, 전극의 디자인 원리를 제시한다는 점에서 선도적 성과라고 볼수 있다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 우수신진연구사업으로 진행됐다. 경북대학교 신소재공학부 이주현 박사과정생이 제1저자로서 연구를 수행했으며, 경북대학교 신소재공학부 이지훈 교수와 울산과학기술원 신소재공학과 이현정 교수가 교신저자로 연구를 주도했다. 연구 결과는 미국 화학회(ACS)가 출간하는 나노·재료과학 분야 국제 최고 수준 저명 권위지인 'ACS 나노'에 실렸다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
