슈퍼-철(VI) 전지용 양극 활물질 $K_2FeO_4$ 의 합성 및 침전시 KOH 농도에 따른 입자 크기의 영향

Abstract

최근 휴대기기의 전력 사용량이 증가하면서 좀더 작고 가벼우며 오랫동안 사용할 수 있는 전지의 필요성은 나날이 증가하고 있다. 한편 환경오염이 인류의 생존을 위한 문제로 부각되면서 기존에 사용하던 오염물질들을 환경 친화적인 물질들로 대체하기 위한 연구도 활발히 진행 중에 있다. 1999년 Stuart Licht 연구진의 발표에 따르면, 기존 이산화망간보다 더 가볍고 친환경적인 물질인 철(Fe)화합물을 사용하여 현재 상용화되어있는 알칼리 전지 보다 50%이상의 에너지를 더 가진 전지를 개발하였고, 이 전지를 슈퍼-철 전지로 명명하였다고 한다. 특이한 점이 있다면 이들이 사용한 철 화합물은 K2FeO4, BaFeO4와 같이 Fe(VI)를 포함한다는 것이다. 철은 대부분 +3의 원자가를 갖는데, +6의 원자가는 매우 드문 경우이다. 따라서 이 물질들이 18세기 초반에 발견되었지만 불안정한 물질일 것이라는 편견 때문에 많은 연구가 진행되지 않았다. Fe(VI)를 포함하는 철 화합물 중에서 가장 널리 알려져 있는 물질은 K2FeO4이다. 합성이 비교적 쉽고, 이온 교환법에 의해 다른 화합들을 만드는데 사용할 수 있기 때문이다. K2FeO4를 합성하는 방법은 건식법, 습식법, 전기화학법 이렇게 세 가지가 알려져 있다. 이들 중 고순도의 분말을 얻을 수 있는 습식법이 현재 가장 널리 쓰이고 있지만 이 방법은 여러 단계의 길고 복잡한 화학 공정을 거쳐야 하며, 합성에 필요한 원료물질 또한 다루기 위험한 물질들이기 때문에 결코 최적의 방법이라고는 할 수 없다. 본 논문에서는 저렴한 원료물질을 사용하여 비교적 간단한 방법으로 K2FeO4의 합성을 시도하였으며, 이렇게 얻은 불순물이 포함된 K2FeO4를 염기성 수용액에 녹여 거른 후 침전시키는 방법으로 고순도의 분말을 얻을 수 있었다. 또한 기존에 널리 쓰이고 있는 습식법으로도 K2FeO4를 제조하여 XRD, UV/VIS, SEM, 화학 적정, 반쪽전지 방전실험 등으로 각각의 특성을 비교, 분석하여 보았다. 그리고, 침전과정에서 첨가해주는 KOH의 양이 최종적으로 얻어지는 K2FeO4의 입자 크기에 미치는 영향을 알기 위해 KOH의 첨가량을 조절해가면서 입자 크기의 분포를 조사해 보았다. 또한 이들을 각각 같은 조건에서 방전 실험을 하여 방전 용량과 입자 크기와의 상관관계를 분석하였다.