[Y인사이트] 청바지 염료로 배터리 소재 만든다

UNIST 이현욱 교수팀, 프러시안 블루 활용 배터리 소재 개발

청바지 염료로 잘 알려진 프러시안 블루(Prussian Blue)가 차세대 배터리 소재로 떠오르고 있다. 최근 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 프러시안 블루를 양극재로 활용해 배터리 성능을 크게 높이면서도 값싼 리튬 이차전지를 개발했다.

리튬이온전지의 주요 양극재인 리튬전이금속 산화물에는 코발트와 니켈이 포함돼 있다. 이들 자원의 가격이 상승하면서 배터리 가격도 급등했다.

저렴하면서도 효율적인 양극재인 프러시안 블루는 리튬이온전지의 가격을 크게 낮출 잠재력을 가졌다. 전해질 개선을 통해 성능을 최적화하면 프러시안 블루의 한계를 극복하고 다양한 배터리 분야에 적용할 수 있을 것으로 전망된다.

이 교수팀은 지난해에도 프러시안 블루를 활용한 나트륨 이온전지와 레독스 흐름전지를 개발해 발표한 바 있다.

UNIST 이현욱 교수는 “배터리 활용도가 점점 늘어나면서 가격, 친환경 소재 등에 대한 요구가 많아진다”면서 “프러시안 블루 같은 소재가 좋은 대안이 될 수 있다.”고 밝혔다.

- 청바지 염료를 배터리 소재로 사용한다. 어떤 내용입니까?

“배터리에 들어가는 물질들은 우리 일상생활에 매우 친숙한 물질이 많습니다. 예를 들어 흑연은 연필로 친숙한 물질이고, 양극활물질 같은 경우에도 산화물이라 하면 낯설지만, 모래나 돌덩이와 결국 같은 물질입니다. 어떤 제품이든 대량으로 저렴하게 만드는 것이 매우 중요한데요, 굉장히 구하기 어려운 물질로 만들면 상용화하기도 어렵고 비싸질 수밖에 없죠. 그래서 일상생활에서 흔히 쓰이는 물질로 잘 만드는 것이 핵심 기술일 것 같습니다.”

- 가격이라는 요소를 빼놓고 이야기할 수가 없지만, 제품을 만드는 기업 입장에서는 고려할 사항이 많을 것 같습니다. 예를 들어, 퀀텀닷 디스플레이에 카드뮴이라는 소재를 쓰면 성능도 좋고 가격도 좋은데 인체에 유해한 물질이라 사용할 수 없습니다. 연구자 입장에서 그런 물질들을 배제하면서 연구해야 하니 고민이 많을 것 같습니다.

“배터리 물질도 마찬가지입니다. 일단 성능이 좋은 소재 위주로 개발을 했다면 점점 활용도가 높아지면서 사람들이 가격도 생각하게 되고 친환경도 생각하게 되고 여러 가지를 고려하게 됩니다. 그래서 연구진들은 보통 그런 다양한 니즈를 만족할 수 있는 배터리를 만들기 위해 소재도 한두 가지가 아니고 여러 가지를 만들려고 하죠. 늘 새롭고 늘 더 좋은 물질을 개발하기 위해 힘쓰고 있습니다.”

- 연구하시는 소재가 청바지 염료로 쓰이는 프러시안 블루. 어떤 소재인가요?

“설명하기가 좀 난해합니다. 저도 이 소재를 공부할 때는 화학식 구조도 복잡하고 이해하기 어려워서 어떻게 설명해야 하나 고민했는데 막상 찾아보니까 우리가 일상적으로 접하는 청바지 염료로 쓰인다고 합니다. 그래서 이 물질이 그렇게 싸구나 하는 생각도 했습니다.

그래도 제대로 설명하자면 어렵습니다. 연구자들은 보통 화학식으로 이해를 하는 편이라 괜찮지만 일반인으로서는 난해합니다. 비교를 통해 설명하자면, 전고체 전지에 쓰이는 황화물은 전이 금속에 황이 붙은 상태고, 산화물은 전이 금속에 산소가 붙은 상태를 얘기하는데, 프러시안 블루는 전이 금속에 카본, 그러니까 탄소와 질소가 동시에 붙은 구조입니다.”

양쪽에 탄소와 질소가 붙어 있는 구조군요?-

“네, 같이 붙어 있습니다. 그래서 보통 합쳐서 CN 또는 사이나이드라고 부릅니다. 그러니까 전이 금속에 어떤 음이온이 붙어 있느냐에 따라서 황화물 계열, 산화물 계열, 사이나이드 계열 물질로 구분합니다. 그런데 사이나이드 계열이라는 표현보다는 통상 프러시안 블루 계열이라고 많이 표현합니다.”

- 작년에도 프러시안 블루로 배터리 연구 결과를 발표하신 것이 있어요. 어떤 것이었죠?

“작년에 발표한 내용은 프러시안 블루를 나트륨 배터리의 양극재 소재로 사용한 연구였고 이번에 발표한 것은 리튬 배터리의 양극재 소재로 사용한 연구 결과입니다.”

- 둘 다 양극재 소재지만 작년에는 나트륨 배터리였고 올해는 요즘 우리가 일상적으로 쓰는 리튬 기반의 배터리인데 결과는 어떻게 나왔나요?

“쉽게 사용하기 어려운 환경에 있는 물질을 사용할 수 있게 만들었다는 것이 어떻게 보면 핵심 포인트입니다. 일반적으로는 쓸 수 없는 것인데 어떤 점을 해결했더니 사용이 가능해졌다는 것을 찾아가는 것이 연구의 목적이라고 할 수 있습니다.”

- 그전에는 리튬이온 배터리에 프러시안 블루라는 소재를 적용하는 것에 대한 연구가 없었습니까?

“많이 작었던 편입니다. 리튬 배터리 같은 경우에 인산철처럼 특성 좋은 양극재 소재가 많다 보니 프러시안 블루에 대한 관심이 적었습니다. 인산철이나 리튬-코발트 산화물이라든지, 하이니켈이라든지 그런 양극제에 비해서 용량이 작고 전압도 작으니까 관심이 없었던 것이죠.

그런데 나트륨 2차 전지로 갔을 때는 양극재 소재로 쓸 만한 것이 많지 않다 보니 프러시안 블루가 떠오른 것입니다. 일부에서는 상용화도 시도하고 있습니다.”

- 배터리는 일종의 화학물질들이 조합된 것으로 볼 수 있는데 화공학자들이 그동안 이론적으로 많이 정립한 것 같습니다. 아연 공기 전지라든지, 레독스 흐름전지 같은 분야에도 연구를 많이 해왔는데 아직 요원한 것이 많습니다. 나트륨 배터리도 그 중의 하나고 일부에서는 상용화가 됐다는데 프러시안 블루와 관련이 있는 것인가요?

“중국에서 나트륨 전지 상용화를 시도한다는 얘기가 있습니다. 몇 년 전에 상용화를 하려고 했다가 다시 잠잠해지고 이런 분위기인데요, 그래도 상용화를 꺼내게 된 것은 프러시안 블루 계열의 물질을 가지고 나트륨 2차전지 양극 소재로 활용했기 때문입니다.”

- 프러시안 블루가 갑자기 나온 것은 아닐 텐데 어디서부터 시작된 것인가요?

“프러시안 블루라는 이름은 파란색을 띠는 물질이어서인데, 이 물질은 양이온을 가졌을 때와 뱉었을 때 색깔이 변합니다. 그러다 보니 파란색을 갖기도 하고 이온을 뱉거나 먹었을 때 투명해지기도 합니다. 그래서 사람들이 많이 생각했던 응용 분야가 스마트 윈도우였습니다. 전기를 가하면 선글라스처럼 약간 파란색으로 바뀌는 성질을 이용하는 것이죠.”

- 미국에서 개발된 소재인가요?

“정확히는 모르겠습니다만 프러시안 블루라는 물질 자체는 매우 오래된 물질입니다. 대략 한 2010년도쯤에 스탠포드 대학에서 프러시안 블루라는 물질을 배터리 소재로도 쓸 수 있겠다 하고 연구를 한 것입니다. 색깔이 변하는 것이 이온이 들어가고 나가고 하는 것이니까요. 리튬이온 혹은 나트륨이온, 칼륨이온 같은 것들이 다 같은 기능을 하는 것입니다.”

- 그것이 배터리의 기본 원리 아닙니까? 이온이 왔다 갔다 하는 걸 보니 배터리 소재로 쓸 수 있겠다는 생각을 한 것이군요?

“그래서 프러시안 블루를 가지고 나트륨 이온, 칼륨 이온 등에 배터리 테스트를 해 본 것입니다. 그때의 목적은 수계 전지라고 해서 전해질을 일반 유기용매가 아니라 물 기반의 전해액을 써서 ESS처럼 저렴한 배터리를 만들 때 써보자 해서 개발을 했던 것입니다. 대략 2011년도에 관련 논문들이 발표됐습니다.

그렇게 시작되었는데 텍사스에 있는 오스틴대학교 굿이너프 교수 그룹에서 흥미를 느끼고 연구를 했죠. 굿이너프 교수는 지금은 타계하셨지만 노벨상도 받으셨고 배터리 분야에서는 아주 유명한 분입니다. 스탠포드 대학에서는 프러시안 블루를 수계 기반으로 테스트를 했지만 굿이너프 교수 그룹에서는 유기용매로 써보자, 나트륨 이온 전지용으로 해보면 좋겠다라고 해서 연구를 진행하고 2012년도부터 논문을 내기 시작했습니다. 그렇게 스탠포드대학과 오스틴대학 두 곳에서 프러시안 블루 연구를 활발히 진행했고 서로 왕래도 하고 의견도 교환하고 했던 것 같습니다.

그러면서 나온 것이 흔히 프러시안 화이트라고 부르는 물질입니다. 프러시안 블루 계열의 물질인데요, 전이 금속에 CN이 붙어 있다고 말씀 드렸는데 전이 금속을 바꾸면 색깔이 바뀌고 이름도 바뀝니다. 망간 계열을 쓰느냐, 혹은 철 계열을 쓰느냐에 따라 프러시안 블루가 되든지, 프루시안 화이트가 되든지, 이렇게 되는 겁니다. 그래서 프러시안 화이트를 가지고 상용화 시도를 조금 하다가 핵심 인물들이 중국 기업으로 넘어가서 본격적으로 상용화를 시도한 것 같습니다.”

- 중국에서 나트륨 배터리 상용화를 가장 적극적으로 하는 기업이 CATL이죠?

“맞습니다.”

- 인산철도 그렇고, 프러시안 블루로 나트륨 배터리를 한 것도 그렇고 따지고 보면 미국에서 공부한 중국인들이 중국에서 여러 가지 새로운 것을 하고 있는 것이네요?

“어떻게 보면 그렇습니다.”

- 우리나라 입장에서 봤을 때에도 뭔가 차세대 배터리를 잘 키워야 하는데, 중국에서는 나트륨 배터리를 상용화했단 말입니다. 우리는 어느 정도 수준이라고 보십니까?

“나트륨 배터리를 바로 시작하기는 쉽지는 않을 것 같습니다. 국가적 마인드의 차이도 조금 있는 것 같습니다. 우리나라는 신산업을 투자하는 데 그렇게 공격적이지는 못한 것 같습니다.”

- 공격적이지 못하는 것을 선택과 집중으로 봐야 할까요?

“어떤 신산업이 있다면 얼마나 단기간에 될 것인지 대한 시간적인 부분도 있고, 그에 맞는 시장도 필요할 것이고, 다양한 사항을 고려해 봐야 하는데 중국은 뭐든 한 번 해보자 하는 동력만 있으면 인력과 자금이 집중적으로 투입됩니다. 그런데 우리나라는 조금 더 보수적으로 생각하는 것 같습니다. 새로운 것을 하더라도 과연 기존에 하던 것보다 얼마나 더 싸냐, 얼마나 더 좋냐를 항상 따지면서 접근하죠.”

- 현재 많은 배터리 후보들이 있지 않습니까? 차세대 전고체 배터리는 차치하고서라도 레독스 흐름전지라든지, 아연 공기전지 같은 것들이 있는데 교수님이 보시기에 하나만 뽑는다면 어떤 것이 될까요?

“제일 어려운 일인 것 같습니다. 사실 정답은 없는 것이고요. 응용처에 따라서 달라질 겁니다. 전기차라는 응용처만 생각하면 리튬 전지만한 것이 없는 것 같습니다.”

- 그러면 우리가 다음 먹거리로 얘기하는 것이 ESS입니다. ESS는 삼원계보다는 인산철이나 레독스 흐름전지 같은 것들이 매우 유력한 후보로 부각되고 있는데 그쪽은 어떨까요?

“ESS도 경우에 따라서 다를 것 같습니다. ESS가 단순히 UPS 정도의 역할이라면 현재 사용하고 있는 리튬 전지 형태로 나올 수가 있습니다. 그런데 태양전지 같은 신재생에너지가 불규칙적으로 생산돼서 레귤레이션하는 역할을 배터리가 한다면 현재 배터리로서 불충분할 수도 있겠다는 생각이 듭니다. 그럴 때에는 레독스 흐름 전지가 좋은 후보가 될 수 있을 겁니다. 저도 프러시안 블루 물질을 가지고 레독스 흐름 전지를 연구하고 있습니다.”

- 레독스 흐름전지는 세계적인 화학 기업인 바스프에서 매우 적극적으로 추진하고 있는 같습니다. 어떻습니까?

“보통 바나듐 계열의 레독스 흐름 전지를 많이 연구하고 있습니다. 바나듐 계열이 레독스 흐름 전지를 거의 제패하고 있는데 성능면에서는 괜찮습니다만, 단점은 원료 가격의 등락이 매우 심하다는 것입니다. 수요에 따라 가격의 변동이 아주 큽니다. 그래서 바나듐 전지는 한계가 있다는 의견도 많습니다.”

- 리튬 이온 전지에도 여러 종류가 있듯이 레독스 흐름전지도 바나듐 계열이 있고 프러시안 블루 계열이 있고, 또 다른 것도 있습니까?

“유기용매 쪽도 있고 종류는 많겠지만 ESS용으로 쓰려면 레독스 흐름 전지를 아주 크게 만들어야 하니 유기용매 쪽으로는 어려울 것 같습니다. 결국은 물에 어떤 용매를 녹여서 물 기반으로 해야 그나마 가격이나 친환경 등 여러 가지 조건을 충족시킬 수 있을 것이라 생각합니다.”

- 바나듐은 어떤 것입니까?

“바나듐의 장점은 양극과 음극 모두 바나듐 계열을 쓴다는 점입니다. 물론 화학적인 상태가 다르긴 합니다. 둘 다 액체 상태라 양극 전해질, 음극 전해질이라고 부릅니다. 그래서 가운데에서 양쪽이 이온 반응을 할 수 있도록 하는 멤브레인 같은 분리막이 있어야 하는데 이것이 완벽하지 않으니까 삼투압에 의해 양극과 음극이 섞일 수가 있습니다. 양극 음극이 섞이니까 위험해지고 성능도 안 좋아집니다.”

- 아주 좋은 분리막을 만들든가, 잘 섞이지 않도록 하는 첨가제를 넣든가 해야겠군요? 바나듐보다 프로시안 블루가 가격면에서 더 유리하죠?

“원자재 값으로만 비교해 보면 약 10분의 1, 5분의 1 정도입니다.”

- 레독스 흐름전지용 프러시안 블루 연구 논문도 있습니까?

“작년에 발표했습니다.”

- 나트륨, 리튬이온, 레독스 흐름전지 중에 프러시안 블루가 가장 먼저 상용화될 수 있는 분야는 어디라고 보십니까?

“기업 쪽에서 현재 가장 많이 관심을 보이는 분야는 나트륨 2차전지입니다. 아무래도 중국이 먼저 상용화했기 때문인 것 같습니다. 우리나라는 연구한 결과들을 가지고 상용화를 할 때 아주 냉철하고 보수적이기 때문에 확실하지 않으면 쉽게 들어가지 않습니다. 그런 완벽성의 측면에서 보면 나트륨 2차 전지, 리튬이온 전지, 레독스 흐름 전지 중 레독스 흐름 전지가 제일 좋습니다. 시장의 관점이나 상용화 관점에서 봤을 때는 나트륨 2차 전지, 리튬이온 전지에 기업들의 관심이 더 많은 것 같습니다.”

- 명분이 중요한 것 같습니다. 중국이 먼저 상용화해서 일부 자동차에 탑재했다고 하는데 그 자동차를 볼 수도, 살 수도 없으니 실제 성능이 어떤지는 알 수가 없습니다. 그래도 세계 최초로 나트륨 배터리를 상용화한 국가는 중국이 된 것이죠. 우리도 따라가야 하는 분야라고 보십니까?

“따라가야 할지는 잘 모르겠습니다. 리튬 전지의 수요가 워낙 크다 보니 리튬 전지 하나만으로 버티기는 쉽지 않을 것 같습니다. 리튬 원자재 가격이 널뛴다는 것은 경쟁자가 없기 때문입니다. 그래서 비슷한 역할을 하면서 조금 저렴한 전지가 나오면 경쟁이 되기 때문에 리튬의 원자재 가격을 낮출 수도 있을 것입니다. 그런 것 때문에라도 연구개발은 필요하다고 봅니다.”

- 우리나라의 나트륨 배터리 관련 원천 기술 수준은 어느 정도 된다고 보십니까?

“기업들이 얼마나 많은 기술을 축적하고 있는지 모르기 때문에 알기가 쉽지 않습니다. 다만 최근에 많은 기업들이 나트륨 2차 전지에 대한 관심을 가지고 소재 개발을 하고 있습니다. 상용화에 필요한 기술이 얼마나 필요한지는 모르겠습니다만, 우리 기업들도 어느 정도 원천 기술들을 확보하고 있지 않을까 생각합니다.”

- 중국의 나트륨 배터리로 리버스 엔지니어링은 아직 못 해본 거죠?

“제가 알기로는 못한 것으로 알고 있습니다.”

- 이론적으로는 프러시안 블루 계열의 양극 소재가 쓰일 가능성이 매우 높다고 보시는 것이죠?

“현재까지는 그렇습니다. 에너지 밀도라든지, 단기간 성능은 어느 정도 성공한 것 같습니다만, 장수명이나 장기적인 안정성과 같은 부분에서는 아직 검증이 충분하지 않습니다. 그리고 큰 그림에서 프러시안 블루 관련 원천 기술이라고 생각할 수 있지만, 잘 구동될 수 있게 하는 세부적인 기술들도 필요합니다. 그런 기술 하나하나가 원천기술이 될 수 있습니다.”

- 예를 들면 어떤 기술이 있을까요?

“양극 소재가 이론 용량을 충분히 구현할 수 있게 해주는 기술, 그리고 첨가제가 됐든 도핑이 됐든 이와 관련된 기술들이 있겠습니다. 리튬 전지는 오랜 시간 연구가 이루어져서 바인더, 도전재, 전해질 조성 같은 것들이 어느 정도 규정이 잘 돼 있습니다. 하지만 나트륨 이온전지는 이제 하나하나 알아가는 단계라고 볼 수 있습니다.”