UNIST 이현욱 교수팀, 청바지 염료(프러시안 블루)로 고출력에서도 안정적인 값싸고 오래가는 리튬이온전지 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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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

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

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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.

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

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

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

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