[인더스트리뉴스 이건오 기자] 리튬이온배터리는 스마트폰과 전기차, 그리고 드론을 비롯한 각종 이동 수단에 필수적인 에너지저장 매체로 사용되고 있다. 더불어 기후변화와 코로나 팬데믹이 키워드가 되는 시대가 도래하면서 급증하는 수요에 대응하기 위해 리튬이온배터리의 에너지 용량, 충전 속도 등의 전기화학적 특성을 향상하려는 연구들이 이뤄지고 있다.

그러나 기존의 전기화학 특성 평가 방법으로는 나노미터 수준의 미시세계에서 벌어지고 있는 현상들을 이해하기 어렵다. 이에 따라 전기화학 특성에 대한 통합적인 이해를 위해 나노스케일 수준에서 리튬이온의 농도 및 전기전도도 분석 기술의 개발은 필수적이다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 독일의 아헨공과대학교 플로리안 하우센(Florian Hausen) 교수와 독일 뮌스터 대학교 카린 클라이너(Karin Kleiner) 교수와 협업해 고용량 리튬이온배터리를 충·방전할 때 리튬이온이 움직이는 모습과 그로 인해 전자들이 움직이는 전도 경로, 그리고 격자들의 움직임을 원자간력 현미경과 엑스레이 회절 및 흡수 패턴을 분석해 영상화하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

a) NCM622 양극재의 충방전 상태(SOC)에 따른 나노스케일 전기화학적변형 현미경의 진폭변화. b) 양극재 입자의 모양, c) 리튬이온 분포. d) 기계적 특성을 한 눈에 볼 수 있도록 영상화 [자료=KAIST]

홍 교수 연구팀은 원자간력 현미경의 모드 중에서 전기화학적 변형 현미경(Electrochemical Strain Microscopy, 이하 ESM)과 전도성 원자간력 현미경(Conductive Atomic Force Microscopy, 이하 C-AFM)을 활용했다.

친환경차 배터리에 적용되는 고용량 양극재인 NCM622 시료의 충방전상태(SOC)에 따른 리튬이온의 나노스케일 분포도를 영상화했으며, 이를 근단엑스선형광분광계(NEXAFS)와 엑스선회절패턴(XRD pattern)과 비교 분석했다. 리튬이온이 양극재에 확산해 들어갈 때 산소팔면체에 들어가면서 니켈과 산소의 결합이 이온 결합에서 공유결합으로 바뀌면서 전기전도도가 낮아지는 현상을 검증했다. 연구팀은 이를 ESM, C-AFM 영상과 비교하면서 상당한 상관관계가 있음을 밝혀냈다.

충방전된 상태에 따른 NEXAFS 스펙트럼. 방전된 상태에서는 표면에 Ni2+가 많은 반면에, 충전이 일어나면서 Ni3+가 많아지면서 공유결합성이 강해지고 전기전도도가 떨어지는 것을 설명할 수 있다. [자료=KAIST]

교신 저자인 홍승범 교수는 “배터리 소재 내에서 리튬이온의 확산을 영상화하고 이를 통해서 일어나는 현상들을 다중스케일에서 이해하는 것은 향후 신뢰성이 높고 수명이 긴 고속 충·방전 배터리 소재를 디자인하는 데 있어 매우 중요하다”며, “향후 신소재 영상화 기술과 머신러닝 기술을 융합하는 것이 20년 걸리던 배터리 소재 개발기간을 5년 이내로 단축할 수 있을 것”이라고 말했다.

신소재공학과 알비나 제티바예바(Albina Jetybayeva) 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스 (ACS Applied Energy Materials)’에 게재됐다.

한편, 이번 연구는 KAIST 글로벌 특이점 사업과 한국연구재단의 거대과학연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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