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(왼쪽부터) 최남순 KAIST 교수, Dongyan Chen 박사과정, 홍승범 교수, 육종민 교수

[투데이에너지 김원빈 기자] KAIST 연구진이 배터리 내부의 이온 이동을 분석하는 과정에서 실제 움직임으로 오인할 수 있는 ‘가짜 신호’의 발생 원인을 규명하고 이를 줄이는 방법을 제시했다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 육종민 교수 연구팀, 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀과 공동연구를 통해 배터리 나노 분석 과정에서 발생하는 측정 오류의 원인을 확인했다고 7일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘스몰 메서즈(Small Methods)’에 게재됐다.

연구팀은 원자힘현미경(AFM) 기반 전기화학 변형 현미경(ESM) 분석에서 배터리 소재의 표면 굴곡이 실제 이온 이동과 유사한 신호를 만들 수 있다는 사실을 확인했다.

이온이 움직이지 않는 단결정 실리콘 표면에 인위적으로 미세한 홈을 만든 실험에서 표면 높낮이에 따라 탐침과 시료의 접촉 정도가 달라지면서 이온 이동과 유사한 신호가 발생했다. 흑연 음극과 나트륨 고체전해질에서도 같은 현상이 나타나 특정 소재에 국한된 문제가 아님을 확인했다.

연구팀은 해결책으로 아르곤 이온 빔을 이용한 냉각식 단면 연마기(CCP)를 통해 소재 표면을 평탄하게 만드는 방법을 제시했다. 표면 거칠기를 낮춘 결과 측정 과정에서 발생하던 신호 오류가 크게 줄었다.

특히 표면을 평탄화하기 전 강하게 나타났던 입계(grain boundary)의 ESM 신호가 처리 후 사라졌다. 이에 따라 기존에 이온 이동이 활발한 영역으로 해석됐던 일부 신호가 표면 굴곡에 따른 측정 오류였을 가능성도 확인됐다.

홍승범 교수는 “배터리 소재를 나노 수준에서 분석할 때 표면의 높낮이가 측정 결과에 미치는 영향을 명확하게 확인했다”며 “이온의 실제 움직임을 정확히 파악해 차세대 배터리 소재 설계와 작동 원리 규명에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구팀은 이번 분석법이 리튬이온전지뿐 아니라 전고체전지와 나트륨이온전지 등 차세대 배터리 소재 연구에도 활용될 것으로 기대하고 있다. 또한 정확한 분석 데이터는 AI·머신러닝 기반 배터리 소재 설계와 성능 예측에도 활용될 수 있을 것으로 전망했다.

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출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)