▲ 기존의 분리막을 쓴 경우와 프러시안 블루 코팅 분리막을 쓴 경우 배터리 내부 반응 비교. 기존의 분리막의 경우 전이금속 이온이 흑연 전극쪽으로 넘어가면서 두꺼운 SEI 층을 형성하고, 리튬 수지상 형성을 촉진한다. 리튬 수지상이 분리막을 뚫게 되면 단락이 발생한다. 그에 반해 프러시안 블루 코팅 분리막은 전이금속 이온의 이동을 차단하여 고르고 얇은 SEI 층을 형성한다. SEI(solid electrolyte interphase)층이 얇고 고르게 생길 때는 전해액이 전극과 직접 반응하는 것을 막는 보호막을 역할을 한다.(그림제공=UNIST)   © 특허뉴스

청바지 염료로 더 오래가고 안전한 대용량 배터리를 만드는 기술이 개발됐다.

UNIST는 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 프러시안 블루 염료를 배터리 분리막에 코팅해 배터리 수명과 안전성을 확보하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

분리막에 코팅된 염료가 양극에서 녹아 나온 전이금속 이온을 포집해 이 이온이 음극 쪽으로 흘러들어 가는 것을 막는 기술이다. 전이금속 이온이 분리막을 그대로 통과하게 되면 배터리 전해액이 고갈되고, 음극 표면에 원치 않는 물질이 끼는 것과 같은 부반응이 잘 일어나 배터리 용량이 줄고 화재 위험이 커진다.

싱가포르 난양공과대학교 이석우 교수, UNIST 에너지화학공학과 이동욱 교수가 함께한 이번 연구결과는 나노소재 전문 학술지인 나노레터스(Nano Letters)에 12월 13일자로 게재됐다.

대용량 배터리 소재인 하이니켈 양극소재(니켈 고함량 소재, NCM)는 니켈을 비롯한 전이금속이 양극 밖으로 녹아나오는 용출 현상이 잘 일어난다. 용출된 이온이 음극으로 넘어가게 되면 다양한 배터리 부반응의 기폭제가 된다. 금속 이온이 음극에 달라붙어 전기 저항이 큰 얇은 막을 만들고, 전해액을 고갈시키는 부반응이 대표적이다. 전해액이 고갈되면 배터리 용량이 줄어드는 문제가 있다. 또 음극 표면에 생긴 이 얇은 막은 전지 단락과 화재의 원인인 리튬 수지상(전극 표면에 뾰족뾰족한 형태로 자라난 리튬결정) 형성을 촉진한다.

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

프러시안 블루를 코팅한 분리막을 쓴 고용량 배터리와 일반 고용량 배터리를 비교 실험해 이 같은 효과를 입증했다. 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.

한편, 프러시안 블루를 코팅하면 분리막의 전해액 친화성이 크게 향상돼 전지 저항이 줄어드는 효과도 있다. 또 코팅된 분리막은 기존 분리막 대비 3배 이상 더 많은 전해액을 머금을 수 있어 전해액 소모에 따른 수명 저하를 추가적으로 완화할 수 있다.

코팅법도 간단하다. 복잡하고 비싼 공정이 필요한 세라믹 코팅과 달리 용액에 담그고 꺼내는 방법으로 나노미터(10억분의 1미터) 수준의 얇은 프러시안 블루 막을 코팅할 수 있다.

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

논문명은 Prussian Blue Nanolayer-Embedded Separator for Selective Segregation of Nickel Dissolution in High Nickel Cathodes 이다.