차세대 배터리 소재 개발 신뢰도 높일 '가짜 신호' 원인 규명

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 배터리 속 이온이 움직였다는 신호는 실제로 울퉁불퉁한 표면 때문에 생긴 착시일 수 있다. 국내 연구진이 이처럼 배터리 내부를 잘못 해석하게 만드는 '가짜 신호'의 원인을 밝히고 이를 줄이는 방법을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범·육종민 교수 연구팀, 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 공동연구를 통해 배터리 나노 분석 과정에서 실제 이온 이동으로 오인될 수 있는 측정 오류의 발생 원인을 규명하고 이를 효과적으로 줄이는 방법을 제시했다고 7일 밝혔다.

배터리가 충전과 방전을 반복할 때 리튬이나 나트륨 이온이 내부를 오간다. 이온이 얼마나 빠르고 원활하게 이동하는지는 배터리의 성능과 수명에 영향을 미친다. 더 좋은 배터리를 개발하려면 이온이 내부에서 어디로 이동하고 어디에서 막히는지를 정확하게 파악하는 것이 중요하다.

이를 분석하는 기술 중 하나가 원자힘현미경(AFM)을 기반으로 한 전기화학 변형 현미경(ESM)이다. 매우 작은 탐침으로 배터리 소재 표면을 훑으면서 이온이 움직일 때 소재에 생기는 미세한 변화를 측정해 이온의 이동을 간접적으로 파악한다.

문제는 배터리 소재의 표면이 울퉁불퉁할 경우 실제 이온이 이동하지 않아도 비슷한 신호가 나타날 수 있다는 점이다. 이를 실제 이온 이동으로 판단하면 이온이 어디로 움직이는지 잘못 해석할 가능성이 있다.

연구팀은 이 '가짜 신호'가 왜 발생하는지를 확인하기 위해 이온이 이동하지 않는 단결정 실리콘 표면에 일부러 미세한 홈을 만들었다.

그 결과 표면의 높낮이가 변하면 현미경 탐침과 시료가 맞닿는 정도가 달라지고, 이것만으로도 실제 이온 이동과 비슷한 신호가 발생한다는 사실을 정량적으로 확인했다.

같은 현상은 실제 배터리 소재에서도 나타났다. 연구팀이 흑연 음극과 나트륨 고체전해질을 분석한 결과에서도 표면의 모양에 따라 ESM 신호가 달라졌다.

연구팀은 해결책으로 배터리 소재의 표면을 최대한 평평하게 만드는 방법을 제시했다. 아르곤(Ar) 이온 빔을 이용해 시료 단면을 정밀하게 다듬는 냉각식 단면 연마기(CCP)를 사용하자 측정 오류가 효과적으로 줄었다.

표면을 다듬었을 때 ESM 신호가 강하게 나타난 입계에서도 신호 증가가 사라졌다. 입계는 배터리 소재를 이루는 작은 결정들이 서로 맞닿는 경계다.

이는 기존에 '이온이 잘 이동하는 통로'로 해석될 수 있었던 일부 신호가 실제 이온 이동 때문이 아니라 표면의 높낮이 때문에 나타났을 가능성을 보여준다.

이번 연구는 충전 속도를 높이고 수명을 늘리기 위해 이온이 원활하게 이동할 수 있는 배터리 소재를 설계하는 데 중요한 기초 정보가 될 것으로 기대된다.

정확한 나노 분석 데이터가 축적되면 인공지능(AI)과 머신러닝을 이용해 새로운 배터리 소재를 설계하고 성능을 예측하는 연구에서도 보다 신뢰도 높은 학습 데이터로 활용될 수 있다.

특히 별도의 새로운 장비나 복잡한 분석 과정 없이 기존 ESM 측정 과정에 CCP 전처리를 적용하는 방식이어서 실제 연구 현장에 쉽게 적용 가능하다고 연구팀은 설명했다.

홍 교수는 "배터리 속 이온의 움직임을 보다 정확하게 파악해 차세대 배터리 소재의 작동 원리를 이해하고 설계하는 데 기여할 것"이라고 말했다.

신소재공학과 진동연 박사과정 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 및 나노기술 분야 국제 학술지 '스몰 메서즈(Small Methods)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr