새로운 영상화 기법 개발···'800km 가는 전기차' 성큼

홍승범 KAIST 교수, 배터리 전극 구성성분 분포 파악 기법 개발
향후 전고체전지 설계·전기화학 소재 제조 공정 기틀 마련 기대
(왼쪽부터)김홍준 박사, 홍승범 교수. <사진=KAIST 제공>(왼쪽부터)김홍준 박사, 홍승범 교수. <사진=KAIST 제공>

국내 연구진이 전고체전지의 상용화를 앞당길 새로운 영상화 기법을 개발했다. 

KAIST(총장 신성철)는 홍승범 신소재공학과 교수 연구팀이 원자간력 현미경(AFM, Atomic Force Microscope)을 이용해 배터리 전극의 구성성분 분포를 파악하는 영상화 기법 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.

관련 기술은 차세대 배터리로 주목받는 전고체전지 설계를 쉽게 할 수 있고 다른 전기화학 소재에도 제조 공정을 크게 혁신하는 토대가 될 것으로 기대된다.

리튬이온전지는 휴대용 장비, 전기자동차 등 여러 분야에서 강력한 전기 에너지저장장치(ESS)로 사용되고 있다. 그러나 액체나 젤 형태의 전해질을 사용하는 리튬이온전지는 충격이나 압력으로 인한 발화 가능성이 크고 충전소요 시간이 길다는 단점이 있다. 

전고체전지는 양극·음극 사이 전해질을 액체가 아닌 고체로 대체한 전지다. 이는 부피를 절반으로 줄여, 완전 충전 시 최대 주행거리가 800Km에 달하기 때문에 기술 상용화를 위한 움직임이 활발하다.

다만 전고체전지의 상용화를 위해선 낮은 이온전도도와 전극-전해질 계면의 접합성 문제를 해결해야 한다. 복합 전극의 재료적 특성을 이해하기 위해선 미시적 규모로 혼합된 활물질, 이온전도체, 바인더 등과 같은 구성성분들의 형상과 분포를 파악할 수 있는 기술이 필요하다.

연구진이 개발한 영상화 기법은 원자간력 현미경의 다양한 기능을 활용해 위치에 따른 검출 신호의 감도 차이로 구성성분들의 영역을 구별, 이러한 문제점들을 해결했다. 또한 영역들의 구별뿐만 아닌 단일 영역 내에서 나노 스케일의 이온 반응성 세기 분포와 마찰력 세기 분포의 상관관계 파악을 통해 바인더 구성 비율이 이온 반응성에 미치는 영향을 파악했다.

기존 전자 현미경을 이용해 관찰할 경우, 필수적인 진공 환경과 분석을 위한 시편 제작 시 매우 얇은 막 형태로 제작하는 등 사전처리 절차가 필요했다. 반면 연구진이 제시한 관찰법은 특별한 사전처리 절차 없이 일반적인 환경에서 수행할 수 있다. 이와 함께 다른 영상화 장비보다 관찰 준비 과정이 편리하며 공간 분해 능력과 검출 신호의 세기 분해 능력이 월등, 성분 관찰 시엔 3차원 표면 형상 정보가 제공된다는 장점이 있다.

홍승범 교수는 "원자간력 현미경을 이용해 개발된 분석 기법은 복합 소재 내 각 구성성분이 물질의 최종적인 성질에 기여하는 역할을 정량적으로 이해하는 데 유리하다" 면서 "이 기술은 차세 전고체전지 설계 방향을 다중 스케일에서 제시할 뿐만 아니라, 다른 전기화학 소재의 제조 공정에도 혁신의 기틀을 마련할 수 있을 것으로 기대된다" 고 강조했다.

김홍준 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 'ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스(ACS Applied Energy Materials)'지에 지난달 27일 자로 게재됐다. (논문명:  Visualization of Functional Components in a Lithium Silicon Titanium Phosphate-Natural Graphite Composite Anode)

다양한 기능을 활용한 원자간력 현미경 분석 기술의 모식도. <사진=KAIST 제공>다양한 기능을 활용한 원자간력 현미경 분석 기술의 모식도. <사진=KAIST 제공>

 
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