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KIST, 새 전극소재로 고성능 전기에너지 저장시스템 실현 에너지 저장 150% 향상가능한 신규 금속유기구조체 전극소재 개발 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 정경윤 박사팀은 금속유기구조체 소재군의 하나인 프러시안 블루 아날로그(Prussian Blue Analogue)구조를 기반으로, 전기화학적으로 높은 활성도를 보이고 저가소재로 합성이 가능한 철과 바나듐의 전이금속을 도입하여 에너지 저장특성이 우수하면서 저비용을 충족하고, 우수한 가공성을 지닌 신규 전극소재를 개발했다고 밝혔다.
기존 소재 한계점 극복 일환
새로운 프러시안 블루 아날로그 소재 개발 전력난의 해결을 위한 수단으로 각광받고 있는 에너지저장시스템(ESS : Energy Storage System)은 풍력·조력·태양열·수력·화력발전과 같은 수단을 이용해 발생한 에너지의 잉여에너지를 저장하기 위한 시스템이다. 그러나 기존 리튬 이차전지의 경우, 높은 생산단가와 안정성 문제로 대용량 전력수요 대비를 위한 에너지저장시스템으로의 적용에는 한계가 있다. 저비용으로 고효율과 고안정성을 확보할 수 있는 물 기반 수계이차전지를 위한 새로운 금속유기구조체(MOF, Metal-Orgnic Framework) 전극소재 개발성공은 이러한 문제해결에 도움이 될 전망이다. 이번 연구에서는 기존 소재들의 한계점을 돌파하기 위해 전기화학적으로 높은 활성도를 보이며, 동시에 저가의 소재합성이 가능한 철/바나듐 전이금속 이온을 기반으로 새로운 프러시안 블루 아날로그 소재를 개발했다. 또한, 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재는 저비용과 높은 수율을 확보할 수 있는 공침법(Co-precipitation)을 사용해 개발됐다. 이 소재는 합성과정 중 금속이온간의 상대농도비와 용매의 수소이온농도(pH) 최적화를 통해 소재의 결정성 향상과 소재 내부에 공공(Vacancy) 형성을 유도하여 소재의 결정구조가 유지되는 동시에 높은 이온전도도를 확보할 수 있다. 따라서 에너지 저장측면에 있어 매우 유리한 특성을 가진다.([그림 1]참조)
[그림 1] 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그의 결정구조 및 원소 분포철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재내부의 시안화 그룹(Cyanide group)과 공공(vacncy)에 의해 높은 밀도의 침입형 자리와 낮은 전하 전달저항 및 높은 이온 전도도가 가능하다.
연구진은 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재가 기존 동일군 소재(60 mAhg-1) 대비 150% 이상의 높은 에너지 저장용량(~100 mAhg-1)을 발현하며 100%에 이르는 높은 충·방전 효율을 나타낼 뿐만 아니라, 높은 출력 특성을 보이는 것을 실험을 통해 확인했다.([그림 2]참조)
[그림 2] 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그의 에너지 저장 및 출력 특성철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재는 기존 동일 군 소재대비 150% 이상의 높은 에너지 저장용량(~ 100 mAhg-1)을 발현할 뿐만 아니라 높은 출력특성을 보인다.
이는 구조 내의 철과 바나듐 전이금속이온이 모두 전기화학적 반응에 기여하는 다중 산화환원 반응(Multiple redox reaction)과 구조 내의 공공(Vacancy)을 통한 높은 이온 전도특성에 따른 것이다.([그림 3]참조)
[그림 3] X선 흡수 분광법을 활용한 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그의 에너지 저장기구 규명철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재의 우수한 전기화학적 특성을 X선 흡수 분광법(X-ray absorption spectroscopy)을 통하여 충전과정 중 철과 바나듐 이온의 산화수변화 측정을 바탕으로 규명했다. 이는 구조 내의 철과 바나듐 전이 금속 이온이 모두 전기화학적 반응에 기여하는 다중 산화환원반응(multiple redox reaction)과 구조 내의 공공을 통한 높은 게스트 이온의 전도 특성에 따른 것이다.
차세대 전기화학적 에너지저장 소자분야에 폭 넓은 활용 기대 KIST 정경윤 박사는 “이번 연구에서 개발된 철/바나듐 프러시안 블루 금속유기구조체 기반의 전극소재는 우수한 에너지저장 용량을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 소재의 우수한 가격경쟁력, 가공성, 소재구조 다변화가능 등의 특성을 보유하고 있다”고 설명하며, “수계 이차전지 외에도 다양한 차세대 전기화학적 에너지 저장소자 분야에서 폭넓은 활용이 기대되는 신규 소재”라고 강조했다. 연구진은 이번에 개발된 금속유기구조체를 기반으로 소재의 합성과정 중 도핑 및 복합체 형성을 통해 전기 및 이온전도도의 제어와 새로운 기능성을 부여하는 연구를 진행중이다. 연구진은 진행 중인 연구가 향후 수계 전해질 기반의 이차전지 상용화 연구에도 매우 유리한 장점이 있을 것으로 전망했다. 이번 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유 연구사업과 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행됐으며, 연구결과는 에너지 분야 세계적인 과학저널 ‘Advanced Energy Materials’ 온라인 판에 게재됐다. (논문명)Metal-organic Framework Cathodes Based on a Vanadium Hexacyanoferrate Prussian Blue Analogue for High-Performance Aqueous Rechargeable Batteries - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이지훈 박사 (박사 후 연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정경윤 박사
용어설명
1. 금속유기구조체 : 유기결합 분자에 금속이온이 결합된 3차원 결정구조체로써 내부에 다수의 나노 기공을 포함하고 있는 구조체. 2. 프러시안 블루 아날로그 : 금속유기구조체의 한 종류로 철과 시안화(Cyanide) 분자의 화학적 결합을 통해 형성된 구조(프러시안 블루)를 모체로 하여 철 이온이 다른 금속 이온으로 대체되어 있는 파생 소재군. 3. 공침법 : 서로 다른 이온들을 용매 내에서 혼합하여 동시에 침전시켜 고체상태의 석출물을 합성하는 방법. 4. 다중 산화환원 반응 : 화합물의 산화환원반응에 있어 한 단위 화합물 당 2개 이상의 전자가 관여하는 반응
<Energy News>
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