보도자료

2024. 6. 24.(월)부터 보도해 주시기 바랍니다.

값싸고 오래가는 리튬이온전지, 청바지 염료로 만든다

값싼 프러시안 블루, 전해질 장점 결합해 500사이클 이상 배터리 성능 유지
UNIST 이현욱 교수팀, 고출력에서도 안정적인 차세대 배터리 소재 개발

청바지 염료로 잘 알려진 프러시안 블루(Prussian Blue)가 차세대 배터리 소재로 떠오르고 있다. UNIST 연구팀은 프러시안 블루를 활용한 저비용 고성능 리튬이온전지를 개발해 전지 가격을 낮출 수 있는 방법을 찾아냈다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 프러시안 블루를 양극재로 활용해 배터리 성능을 크게 높이면서도 값싼 리튬 이차전지 시스템을 개발했다. 기존의 배터리에서 사용되는 유기계와 수계 전해질의 장점을 결합해 성능을 극대화했다.

개선된 전해질은 배터리 작동 중에 물 분자를 제거하고 프러시안 블루 표면에 안정적인 보호층을 형성한다. 이를 통해 500사이클 이상에서도 안정된 용량(125mAh/g)을 유지할 수 있다. 새로운 전해질이 배터리의 내구성을 크게 향상해 고출력에서 안정적으로 구동하게 만드는 것이다.

기존 프러시안 블루 양극재는 유기 전해질에서 반응 속도가 느리거나 구조적 불안정성으로 에너지 밀도와 수명 성능에 한계가 있었다. 하지만 이러한 문제를 해결함으로써 프러시안 블루의 활용도를 높여 저렴하면서도 효율적인 배터리 소재를 만들 수 있다.

리튬이온전지의 주요 양극재인 리튬전이금속 산화물에는 코발트와 니켈이 포함되어 있다. 이들 자원 가격이 상승하면서 배터리 가격도 급등했다. 이에 따라 값싼 철이 포함된 리튬인산철이 주목받고 있는 이유다.

프러시안 블루는 철, 탄소, 질소로 이루어진 값싼 물질로, 생산 비용이 낮고 이온전도도가 높아 다양한 이온을 수용할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 차세대 배터리 소재로 각광받고 있다. 그러나 리튬을 활용하는 데 한계가 있어 많은 연구가 이루어지지 않았다.

저렴하면서도 효율적인 양극재인 프러시안 블루는 리튬이온전지의 가격을 크게 낮출 수 있는 잠재력을 보였다. 전해질 개선을 통해 성능을 최적화해 프러시안 블루의 한계를 극복하고 다양한 배터리 분야에 적용될 것으로 전망된다.

이현욱 교수는 “기존 리튬이온전지 시스템에서 괄시받던 프러시안 블루를 매력적인 저가 양극 소재로 탈바꿈해 값싼 양극 소재 개발의 패러다임이 바뀔 수도 있을 것”이라 전망했다.

제1저자 위태웅 연구원은 “이번 연구를 통해 기존 프러시안 블루의 한계를 극복할 뿐만 아니라, 향후 보다 효율적이고 안정적인 배터리 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 강조했다.

제1저자 박창현 연구원은 “전해질에 물 분자가 포함된 리튬수계기반전해질에서 프러시안 블루를 안정적으로 구동한 최초의 연구”라며 그 의의를 밝혔다.

이 연구 성과는 한국연구재단 중견연계 신진후속사업의 지원으로 수행됐으며, 나노과학 분야 국제학술지 Nano Letters에 6월 13일자로 게재됐다.

(논문명: Cathode Electrolyte Interphase Engineering for Prussian Blue Analogues in Lithium-Ion Batteries)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 권익만 담당 (052)217-1222

에너지화학공학과: 이현욱 교수 (052)217-2593

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[붙임. 연구결과 개요]

1. 연구배경

최근 전기자동차 (EV)나 에너지저장시스템 (ESS) 시장이 성장함에 따라서 높은 에너지 밀도로 에너지를 저장할 수 있는 리튬이온배터리에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 리튬전이금속 산화물은 높인 에너지 밀도를 가지고 있어 많이 연구되고 있으며 상용화되어 이용되고 있다. 하지만 비싼 전이금속이 포함된 리튬전이금속산화물은 가파르게 상승하는 리튬이온전지 가격의 높은 비율을 담당하고 있다. 이에 높은 전지의 가격을 낮추기 위해 값 싼 양극재인 리튬인산철이 각광받고 있다. 프러시안 블루는 Fe[Fe(CN)6]의 구조를 가지고 있어 코발트 니켈과 같이 높은 가격의 전이금속이 포함되지 않고 값싼 철, 탄소, 질소로 이루어진 물질이다. 프러시안 블루는 공침법으로 쉽게 합성되고 추가적인 공정을 거치지 않아도 되어 값 싸게 물질을 제조할 수 있다는 장점이 있어 현재의 비싼 양극재 시장에서 경쟁력이 있는 물질이다. 또한 프러시안 블루는 전지 구동 시 이온을 수용하는 채널이 약 0.32nm로 커서 높은 이온전도도를 가져 고출력 특성이 뛰어난 장점이 있어 나트륨, 포타슘 등의 차세대 이차전지 소재 양극재로 연구되고 있다.

2. 연구내용

본 연구팀은 기존의 유기계 및 수계 전해질의 한계점을 해결하기 위해서 유기계와 수계를 블랜딩한 하이브리드 전해질을 개발하였다. 하이브리드 전해질에 포함되어 있는 에틸렌 카보네이트 물질은 전지 구동 중에 프러시안 블루 구조의 물 분자와 반응하여 물 분자를 제거하고 고분자 층을 프러시안 블루 표면에 형성한다. 이렇게 형성된 고분자층은 프러시안 블루가 충방전할 때, 발생하는 구조 뒤틀림을 완화해주어, 100 사이클 이후에 투과전자현미경 분석을 통해 수나노 두께의 고분자 층이 구조를 보강해주어 수계 전해질과 다르게 구조 붕괴 없이 안정적인 것을 확인 하였다. 또한 수계 전해질의 경우, 초기에 90 mAh g-1의 용량을 보이고 구조 붕괴로 용량이 가파르게 감소하는 것과 다르게 하이브리드 전해질의 경우 물에 의해 방해받던 철 이온이 용량 발현에 참여하여 20%정도의 용량 증가를 보였다. 또한 고분자 층이 안정적으로 형성된 이후에는 125 mAh g-1의 높은 용량을 보이며 500 이상의 사이클에서도 안정적으로 구동하는 것을 확인하였다. 또한 하이브리드 전해질에 포함된 물 분자는 기존의 유기계 전해질의 단점이었던 낮은 이온 전도도를 향상 시키고, 리튬이 삽입하는 과정에 필요한 에너지를 효과적으로 줄여준다. 그 결과, 고출력 환경에서 저항이 줄어들어 보다 높은 용량을 보존하였다.

3. 기대효과

이번 연구는 리튬이온전지 가격의 많은 비율을 차지하고 있는 양극재를 쉽고 값싸게 생산할 수 있는 프러시안 블루 물질로 대체하여 리튬이온배터리 가격 인하에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 전해질 디자인을 통해서 기존 프러시안 블루의 한계점을 해결함으로서 프러시안 블루 뿐만 아니라 다양한 이차전지 분야에 적용 가능할 것으로 예상한다.

[붙임. 용어설명]

Prussian Blue Analogues: 프러시안 블루 계열 물질
Aqueous (electrolyte) : 수계 전해질
organic (electrolyte) : 유기계 전해질
hybrid (electrolyte) : 하이브리드 전해질
EC：ethylene carbonate, 에틸렌 카보네이트

[붙임. 그림설명]

전해질 디자인을 통해 안정적인 코팅층 형성으로 프러시안 블루의 구조 안정성 확보 및 고출력 특성 향상

프러시안 블루 물질을 3가지 타입의 전해질로 테스트 하였음. 수계 전해질의 경우, 프러시안 블루의 이온 수용 채널에 리튬이온과 함께 물 분자가 들어가게 되어, 구조가 뒤틀리고 붕괴되는 현상이 있으며, 구조 내 물분자가 반응 활성도를 낮추어 낮은 용량을 보이는 문제가 있음. 유기계 전해질은 이온 전도도가 낮으며, 양극 표면에 두꺼운 코팅층을 형성하여 저항이 커서 고출력에 제한이 있음. 하이브리드 전해질은 얇은 고분자 코팅층을 프러시안 블루 표면에 형성함으로서 구조 안정성 확보 및 반응 활성도를 향상 시키고, 전해질의 이온 전도도를 향상시켜 고출력의 환경에서도 안정적으로 구동

UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr

TEL : 052)217-1230FAX : 052)217-1229