"청바지, 이젠 배터리에 양보하세요"…청바지 염료 코팅으로 배터리 내구성 향상

UNIST, 배터리 분리막에 청바지 염료 코팅
부반응 억제…배터리 수명 및 안정성 확보

기존의 분리막을 쓴 경우와 프러시안 블루 코팅 분리막을 쓴 경우 배터리 내부 반응 비교. UNIST 제공

청바지 염료로 더 오래가고 안전한 대용량 배터리를 만드는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수팀과 싱가포르 난양공과대학교 이석우 교수가 함께 프러시안 블루 염료를 배터리 분리막에 코팅해 배터리 수명과 안전성을 확보하는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

대용량 배터리 소재인 하이니켈 양극소재는 니켈을 비롯한 전이금속이 양극 밖으로 녹아나오는 용출 현상이 쉽게 일어난다. 용출된 이온이 음극으로 넘어가게 되면 다양한 배터리 부반응의 기폭제가 된다. 금속 이온이 음극에 달라붙어 전기 저항이 큰 얇은 막을 만들고, 전해액을 고갈시키는 것이 대표적이다. 전해액이 고갈되면 배터리 용량이 줄어들게 된다. 또 음극 표면에 생긴 얇은 막은 리튬 수지상 형성을 촉진해 전지 단락과 화재의 원인이 되기도 한다.

연구진은 이 문제 해결을 위해 분리막으로 전이금속 이온을 포집하는 새로운 접근법을 시도했다. 프러시안 블루가 다양한 이온을 수용 할 수 있는 구조적 특성이 있다는 점에 착안했다.

실험결과 프러시안 블루로 코팅된 분리막을 쓴 경우 일반 분리막을 쓴 배터리 보다 최종 용량이 30.2% 더 높았다. 배터리 용량 감소를 막은 것이다. 또 코팅 분리막을 쓴 경우 배터리 흑연 음극 표면에서 니켈이 거의 관찰되지 않은 반면 일반 분리막을 쓴 배터리의 흑연 음극에서는 다량의 니켈이 검출됐다. 특히 코팅된 분리막은 기존 분리막 대비 3배 이상 더 많은 전해액을 머금을 수 있어 전해액 소모에 따른 수명 저하를 추가적으로 완화할 수 있는 것으로 확인됐다. 복잡하고 비싼 공정이 필요한 세라믹 코팅과 달리 용액에 담그고 꺼내는 방법으로 나노미터 수준의 얇은 프러시안 블루 막을 코팅할 수 있어 시장성도 높다.

제 1 저자인 박창현 연구원(에너지공학과 박사과정)은 “간단한 분리막 코팅기술로 전이금속 용출에 의한 여러 부반응을 해결하고 배터리의 안정성을 크게 향상시켰다”며 “대용량 에너지저장장치에 대한 수요가 느는 만큼 다양한 형태의 배터리에 응용 가능할 것”라고 말했다.

연구결과는 나노소재 전문 학술지인 나노레터스(Nano Letters)에 12월 13일자로 게재됐다.

이 연구는 UNIST 사업화유망원천기술개발사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진연구사업, 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원으로 수행됐다.

울산= 박은경 기자 change@hankookilbo.com