울산과학기술원(UNIST)이 프러시안 블루 염료로 장수명‧대용량 배터리 제조기술을 개발했다.
UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀은 싱가폴 난양공과대(NTU) 이석우 교수 등과 함께 청바지 염료인 프러시안 블루 염료를 배터리 분리막에 코팅해 배터리 수명과 안전성을 확보하는 기술을 개발했다.
대용량 배터리 소재인 하이니켈 양극재는 니켈을 비롯한 전이금속이 양극 밖으로 녹아 나오는 용출 현상이 잘 일어나며 용출된 이온이 음극으로 넘어가면 다양한 배터리 부반응이 발생할 수 있다.
금속 이온이 음극에 달라붙어 전기저항이 큰 얇은 막을 만들고 전해액을 고갈시키는 부반응이 대표적이며 배터리 용량 축소로 이어지고 있다.
또 얇은 막이 배터리 단락과 화재 원인으로 지적되고 있는 리튬 덴드라이트(수지상 결정) 생성을 촉진하는 것으로 알려졌다.
연구팀은 프러시안 블루 염료의 다양한 이온을 수용할 수 있는 특성에 착안해 염료를 코팅한 분리막으로 전이금속 이온을 포집하는 새로운 접근법을 시도했다.
실험 결과 프러시안 블루 염료로 코팅된 분리막을 사용하면 일반 분리막을 사용했을 때부터 배터리 용량이 최종적으로 30.2% 더 높았다.
또 코팅 분리막을 사용한 배터리 흑연 음극 표면에서는 니켈이 거의 관찰되지 않았으나 일반 분리막을 사용한 배터리 흑연 음극에서는 다량의 니켈이 검출됐다.
이밖에 코팅 분리막은 기존 분리막보다 3배 이상 더 많은 전해액을 유지할 수 있어 전해액 소모에 따른 수명 저하도 완화되는 것으로 나타났다.
코팅은 복잡하고 비싼 공정이 필요한 세라믹 코팅과 달리 용액에 담그고 꺼내는 방법을 사용했고 나노미터 수준의 얇은 프러시안 블루 염료 막을 코팅할 수 있다.
UNIST 사업화유망원천기술개발사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진연구사업, 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원을 받아 수행된 연구이며 국제 학술지인 나노 레터스(Nano Letters) 12월13일자에 연구 성과가 소개됐다. (K)