Aqueous zinc ion batteries (AZIB) have gained attention as next-generation batteries. However, the cathode material for AZIB still has critical problems with its low capacity and lifespan characteristics, which are lower than those of existing cathode materials for lithium-ion batteries. Herein, we developed the Prussian blue analogue (PBA) as a cathode material with high capacity and electrochemical stability by utilizing a multi-ion co-precipitation method with Zn and Mn ions. The designed Zn-Mn-based PBA (ZnMnHCF111) was uniformly synthesized with a higher crystalline structure than that of Mn-based PBAs (MnHCF). ZnMnHCF111 accomplished a high capacity of 425 mAh/g, which is 50% higher than that of MnHCF at 1 A/g. In addition, the full cell with the ZnMnHCF111 cathode achieved 73% of capacity retention at 5 A/g during 1000 cycles. This study expects that PBA-based materials using a multi-ion co-precipitation method will play an important role in the research of next-generation AZIB.

수계 아연 이온 이차전지는 물을 기반으로 사용한 전해질에 의한 안정성, 아연 음극의 높은 이론용량(820 mAh/g), 높은 가격 경쟁력으로 인해 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 하지만, 음극에 대한 연구는 많이 진행되었지만, 양극의 경우 몇 가지의 후보군이 존재하지만 기존 리튬 이온 이차전지에 비해 용량 및 수명 특성이 현저하게 떨어진다. 다양한 양극 후보군 중에서 가격이 저렴하고 낮은 공정 비용을 갖는 프러시안 블루 아날로그 기반의 양극의 경우 충전 방전 중에 이온 용출로 인한 낮은 수명 특성 및 낮은 용량의 문제점이 있다. 본 연구는 프러시안 화합물에 아연과 망간을 활용한 다중 이온 공침법으로 높은 용량을 갖는 프러시안 블루 계열의 물질을 제작하였다. 본 연구에서 설계된 아연과 망간 기반의 프러시안 블루 아날로그 양극제는 기존 망간을 활용한 공침법으로 제조한 프러시안 블루 아날로그 물질보다 구조적으로 결정성이 높고 균일하게 합성된 것을 확인하였다. 또한, 이 물질로 완전 셀을 제작하였을 때 높은 전기화학 안정성을 보였으며, 1 A/g의 전류밀도에서 같은 방법으로 합성된 망간 기반의 양극제보다 30% 향상된 425 mAh/g의 높은 용량을 보였으며, 5 A/g의 높은 전류밀도로 1000번의 충전-방전 특성에서 73% 높은 용량 보존율을 달성하였다. 본 연구는 다중 이온 공침법을 활용한 프러시안 블루 아날로그 계열의 물질이 차세대 수계 아연 이온 이차전지 양극 연구에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

Keywords: prussian blue analogue, co-precipitation method, cathode materials,electrochemical stability, aqueous Zn ion battery.