금속유기구조체는 유기 결합 분자에 금속 이온이 결합된 3차원 결정구조체로써 내부에 다수의 나노 기공을 포함하고 있는 구조체다.
25일 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)에 따르면 정경윤 박사팀(KIST 에너지융합연구단)은 금속유기구조체 소재군의 하나인 프러시안 블루 아날로그(Prussian Blue Analogue)구조를 기반으로 전기화학적 높은 활성도를 보이고 저가의 소재합성이 가능한 철과 바나듐의 전이금속을 도입해 에너지저장 특성이 우수하면서 저비용, 우수한 가공성을 지닌 신규 전극 소재를 개발했다.
철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재는 저비용과 높은 수율을 확보할 수 있는 공침법(Co-precipitation)을 사용해 개발됐다.
더욱이 합성 과정 중 금속이온 간의 상대농도비와 용매의 수소이온농도(pH) 최적화를 통해 소재의 결정성 향상과 소재 내부에 공공(Vacancy) 형성을 유도, 소재의 결정 구조가 유지되면서도 동시에 높은 이온전도도를 확보할 수 있어 에너지저장 측면에 있어 매우 유리한 특성을 가진다.
연구진은 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재가 기존 동일 군 소재(60 mAhg-1)대비 150% 이상의 높은 에너지저장 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.
이에 연구진은 이번에 개발된 금속유기구조체를 기반으로 소재의 합성 과정 중 도핑 및 복합체 형성을 통해 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.
정경윤 박사는 “이번 연구에서 개발된 철/바나듐 프러시안 블루 금속유기구조체 기반의 전극 소재는 우수한 에너지저장 용량을 확보할 수 있다”고 설명했다.
이어 그는 “뿐만 아니라 소재의 우수한 가격 경쟁력, 가공성, 소재 구조 다변화 가능 등의 특성을 보유하고 있어 수계 이차전지 외에도 다양한 차세대 전기화학적 에너지저장 소자분야에 있어 폭넓은 활용이 기대되는 신규 소재”라고 덧붙였다.
한편 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유 연구사업과 국가과학기술연구회(이사장 이상천) 창의형 융합연구사업으로 수행됐으며 연구 결과는 에너지분야의 세계적인 과학 저널인 ‘Advanced Energy Materials’에 10월12일자 온라인 판에 게재됐다.
