전기차 배터리 화재 막는 초정밀 검사기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 국내 연구진이 전지차 배터리 열폭주의 원인이 될 수 있는 배터리 전극의 미세한 두께 불균일을 배터리를 뜯거나 손상하지 않고도 머리카락 굵기의 약 1만분의 1 수준까지 구분하는 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김영진 교수 연구팀이 리튬이온배터리 전극의 두께를 비접촉·비파괴 방식으로 미세한 차이까지 측정할 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

전기차에 많이 쓰이는 리튬이온배터리의 전극은 전기가 흐르는 핵심 부품이다. 전극의 두께가 아주 조금만 달라도 충·방전 과정에서 전류가 특정 부분에 집중돼 열이 발생할 수 있다.

이 열이 계속 쌓이면 열폭주가 일어날 수 있어, 배터리 제조 과정에서는 전극의 두께를 균일하게 관리하는 것이 매우 중요하다.

하지만 기존 검사 기술은 생산현장에서 활용하는 데 한계가 있었다. X선 컴퓨터단층촬영(CT)은 내부를 자세히 확인할 수 있지만 검사 시간이 오래 걸려 빠른 생산라인에 적용하기 어렵다. 초음파 기반 음향현미경은 시료에 액체를 접촉시켜야 하고, 레이저 변위센서는 빠르게 측정할 수 있지만 전극 내부까지 정밀하게 분석하기 어려웠다.

연구팀은 빛과 전파의 중간 영역에 있는 전자기파인 테라헤르츠파(THz)로 배터리 전극 내부 정보를 얻고 광주파수빗으로 정밀하게 읽어내는 기술을 결합해 문제를 해결했다. 별도의 보정 없이도 전극의 두께는 물론 복소 굴절률까지 한 번에 측정할 수 있다.

연구팀은 사람 머리카락 한 올과 비슷한 두께인 50~150마이크로미터(㎛)의 배터리 전극을 대상으로 기술을 검증했다. 그 결과 단 0.2초의 짧은 측정만으로도 머리카락 굵기의 약 1400분의 1에 해당하는 미세한 두께 차이까지 측정했다. 이는 빠르게 움직이는 배터리 생산라인에서도 활용할 수 있는 수준이다.

측정 시간을 늘리면 기존 시간영역 분석 방식보다 정밀도를 최대 100배 높일 수 있고, 전극 전체 두께를 3차원으로 확인하거나 생산 과정에서 두께 변화를 실시간으로 추적할 수도 있다. 전극이 약 45도 기울어진 상태에서도 정확한 측정이 가능하다.

이번 연구는 차세대 배터리인 전고체 배터리 생산공정에서도 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.

연구팀은 실제 생산 환경에서의 강건성, 다양한 전극 조성과 전고체 배터리 소재로의 측정 대상 확장 등 검증을 거쳐 장비 소형화가 이뤄지면 현장 도입이 가능할 것으로 보고 있다.

김 교수는 "이번 기술은 전극의 두께와 소재 특성을 별도의 보정 없이 동시에 측정할 수 있는 통합형 계측 플랫폼"이라며 "차세대 리튬이온배터리뿐 아니라 전고체 배터리 생산라인의 실시간 품질관리를 위한 핵심 기술로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

KAIST 기계공학과 강구선 박사가 제1저자로, 김 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr