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[IT뉴스]나트륨 이온전지 양극재 '프러시안 블루' 성능 저하 원인 규명

온카뱅크관리자

2026-06-25 11:57:28

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 포스텍 
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 <img alt="프러시안 블루는 나트륨 이온전지의 양극재로 사용된다. 프러시안 블루 결정 구조 사이에 있는 물을 제거하면서도 배터리 성능을 유지하는 새로운 탈수 공정이 개발됐다. ChatGPT 생성이미지" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/dongascience/20260625115203895fuyg.png" data-org-width="680" dmcf-mid="8hwlyxaeJk" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/dongascience/20260625115203895fuyg.png" width="658">
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 프러시안 블루는 나트륨 이온전지의 양극재로 사용된다. 프러시안 블루 결정 구조 사이에 있는 물을 제거하면서도 배터리 성능을 유지하는 새로운 탈수 공정이 개발됐다. ChatGPT 생성이미지
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 짙은 파란색 그림 물감으로 알려진 '프러시안 블루'는 차세대 배터리로 꼽히는 '나트륨 이온전지'의 양극 소재 후보로 주목받지만 결정 구조 안에 물을 품는 특성 때문에 배터리 수명이 저하되는 문제가 있다. 국내 연구팀이 배터리 수명 저하의 원인을 찾아내고 이를 보완할 새로운 기술을 개발했다.
 포스텍은 조창신 배터리공학과·화학공학과 교수·장승혜 배터리공학과 박사과정생 연구팀이 프러시안 블루 양극재 성능 저하 원인이 탈수 과정 중 발생하는 표면 산화임을 확인하고 새로운 탈수 공정을 개발했다고 25일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 지난달 27일 게재됐다.
 나트륨 이온전지는 값비싼 리튬을 쓰는 리튬이온전지에 비해 원료가 풍부하고 저렴해 차세대 배터리 후보로 주목받는다. 철을 기반으로 한 '프러시안 블루'는 값이 싸고 에너지 저장량이 커 나트륨 이온전지 양극재로 상용화 가능성이 높은 소재로 평가된다. 양극재는 배터리 '+극'을 이루는 핵심 소재로 이온을 저장·방출하며 배터리 용량과 출력 등을 결정한다.
 프러시안 블루는 결정 형성 과정에서 결정 내부에 물 분자인 '결정수'가 생긴다. 결정수는 배터리 안에서 이온 이동을 돕는 전해액을 분해하고 가스 발생·철 용출 등의 반응을 일으켜 배터리 성능과 수명을 떨어뜨린다. 고온 열처리로 결정수를 제거하는 방식을 주로 사용하지만 결정수를 없애도 성능이 기대만큼 좋아지지 않거나 오히려 더 낮아진다.
 연구팀은 열처리 전후 프러시안 블루 표면의 화학 상태를 정밀 분석했다. 그 결과 성능 저하의 핵심 원인이 결정수 자체가 아닌 고온 열처리 과정에서 표면에 형성되는 철-산소 결합이라는 사실을 확인했다. 철-산소 결합은 표면 산화를 유도하고 전해액 분해·가스 발생을 촉진해 배터리 성능과 안정성을 떨어뜨렸다.
 연구팀은 분석 결과를 바탕으로 '액상 버블링 탈수 공정'을 개발했다. 물을 쓰지 않는 액체 용매 안에 질소 기체를 지속적으로 주입해 기포가 용액 속을 지나가도록 설계했다. 질소 기포가 결정수를 제거하면서 철과 산소와의 접촉을 줄여 표면 산화를 억제하는 방식이다. 젖은 옷을 뜨거운 열로 말리는 대신 바람으로 천천히 말려 손상을 줄이는 것과 비슷한 원리다.
 새로운 공정을 적용한 프러시안 블루는 결정수 함량이 전체 무게 대비 12%에서 1% 수준으로 낮아졌다. 동시에 표면 산화가 줄고 충·방전 과정에서 발생하는 가스도 감소했다. 100회 충·방전 후에도 기존 고온 열처리 방식보다 높은 용량 유지율을 기록했다.
 기존에는 고온 열처리 방식으로 물을 제거해도 전극 제조 과정에서 공기 중 수분이 다시 흡수된다. 액상 버블링 탈수 공정은 전극 제조에 쓰이는 용매 안에서 그대로 수행할 수 있어 탈수와 전극 제조를 하나의 과정으로 통합 가능하다. 연구팀은 두 과정을 통합하면 장기 안정성을 높일 수 있다고 설명했다.
 조창신 교수는 "프러시안 블루 성능을 떨어뜨리는 근본 원인을 규명했을 뿐만 아니라 산업 현장에 쉽게 적용할 수 있는 해결책까지 제시했다"며 "탈수와 전극 제조를 하나로 통합해 수분 재흡착 문제까지 해결할 수 있어 차세대 나트륨 이온전지 상용화에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; doi.org/10.1002/adma.73507
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 <img alt="왼쪽부터 조창신 교수, 장승혜 박사과정생. 포스텍 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/dongascience/20260625115205192pcpg.png" data-org-width="680" dmcf-mid="69vgAUfzRc" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/dongascience/20260625115205192pcpg.png" width="658">
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 왼쪽부터 조창신 교수, 장승혜 박사과정생. 포스텍 제공
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 [문혜원 기자 moony@donga.com]
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