청바지 원료로 값싸고 성능 좋은 리튬이온전지 만든다

청바지를 염료로 염색하는 모습. 게티이미지뱅크 제공

청바지 염료로 리튬이온전지를 개발하는 기술이 나왔다. 

울산과학기술원(UNIST)은 이현욱 에너지화학공학과 교수팀이 청바지 염료인 '프러시안 블루'를 양극재로 활용해 배터리 성능을 크게 높이면서도 값싼 리튬 이차전지를 만드는 시스템을 개발했다고 24일 밝혔다. 

배터리는 양(+)극과 음(-)극으로 구성된다. 리튬이온전지는 양극을 구성하는 재료인 양극재에서 나온 리튬이온이 전지 내부에서 이동해 음극재에 저장되거나 방출되면서 전기를 충전하고 생산한다. 리튬이온전지는 양극재에 쓰이는 니켈, 망간, 코발트의 매장량에 한계가 있어 언젠가는 이들을 대체해야 한다는 한계점을 갖고 있다. 

최근 양극재로 주목받는 물질 중 하나가 프러시안블루다. 프러시안블루는 짙은 푸른색 염료로 사이안화철과 사이안화망간을 포함한 화합물이다. 생산 비용이 낮고 이온전도도가 높아 다양한 이온을 수용할 수 있다. 

문제는 프러시안블루를 활용해 리튬이온전지를 만들면 유기용매 전해질에서 반응 속도가 느리거나 구조적 불안정성으로 에너지 밀도와 수명 성능에 한계를 가지는 점이었다. 유기용매 전해질이란 고체, 기체, 액체를 녹일 수 있는 액체 유기 화합물을 용매로 사용하는 전해질이다.

수계 전해질 환경에서는 리튬이 전지에 삽입되는 과정에서 전해질의 물분자가 함께 이동해 프러시안블루 구조의 뒤틀림을 일으켰다. 수계 전해질은 물을 용매로 사용하는 전해질을 말한다. 

연구팀은 유기용매 전해질과 수계 전해질을 섞어 새로운 '하이브리드 전해질'을 개발해 문제를 해결했다. 이 전해질을 이용하면 전지가 작동될 때 전해질이 프러시안 블루 표면에 안정적인 보호층을 형성했다.

이를 통해 500사이클 이상에서도 안정된 용량인 125밀리암페어시(mAh/g)를 유지할 수 있다. 하이브리드 전해질이 배터리의 내구성을 크게 향상해 고출력에서 안정적으로 구동하게 만든 것이다. 

이 교수는 “프러시안 블루를 매력적인 저가 양극 소재로 탈바꿈해 싼 양극 소재 개발의 패러다임을 바꿀 수 있는 결과”라고 말했다. 

논문 1저자인 위태웅 미국 라이스대 박사후연구원은 “이번 연구는 기존 프러시안블루의 한계를 극복할 뿐만 아니라 향후에 다 효율적이고 안정적인 배터리를 개발하는 데 기여할 수 있을 것”이라고 강조했다. 또 다른 1저자인 박창현 UNIST 박사과정생은 “전해질에 물 분자가 포함된 수계 전해질에서 프러시안블루를 안정적으로 구동한 최초의 연구”라며 그 의의를 밝혔다.
 

[이채린 기자 rini113@donga.com]