[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 원자간력 현미경(AFM)을 이용해 배터리 전극의 구성 성분 분포를 파악하는 영상화 기법 개발에 성공했다.

연구팀에 따르면 전고체 전지는 양극과 음극 사이 전해질을 액체가 아닌 고체로 대체한 전지다.

전고체 전지는 부피를 절반으로 줄이면서 대용량 구현이 가능해 완전 충전 때 최대 주행 거리가 800Km에 달하기 때문에 글로벌 완성차 업체와 배터리 업체를 중심으로 기술 상용화를 위한 연구 개발(R&D) 움직임이 활발하다.

단 전고체 전지가 차세대 배터리로 확고하게 자리를 잡기 위해서는 낮은 이온 전도도와 전극-전해질 계면의 접합성 문제를 해결해야 한다.

이를 위해 리튬 이온 전도체가 분산된 복합 전극에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

또 전지 구동 성능에 큰 영향을 미치는 복합 전극의 재료적 특성을 이해하기 위해서는 미시적 규모로 혼합된 활물질, 이온 전도체, 바인더, 도전재와 같은 구성 성분의 형상과 분포를 파악할 수 있는 기술이 필요하다.

홍 교수 연구팀이 개발한 영상화 기법은 이런 문제점을 거시·미시적 다중 스케일에서 전기 화학 변위 현미경과 횡력 현미경 등 원자간력 현미경의 다양한 기능을 활용해 위치에 따른 검출 신호의 감도 차이로 구성 성분의 영역을 구별해 해결했다.

기존 전극과 복합 전극을 비교해서 결과를 제시했고, 영역 구별뿐만 아니라 단일 영역 내에서 나노 스케일의 이온 반응성 세기 분포와 마찰력 세기 분포의 상관 관계를 파악해 바인더 구성 비율이 이온 반응성에 미치는 영향을 파악했다.

더불어 기존 전자 현미경을 이용해 관찰할 경우 진공 환경이 필수적으로 필요하고, 분석을 위한 시편 제작 때 매우 얇은 막 형태로 제작·백금 입자를 코팅해야 하는 등 특별한 사전 처리 절차가 필요했다.

반면 홍 교수 연구팀이 이번 연구를 통해 제시한 관찰 방법은 일반적인 환경에서 수행할 수 있고, 특별한 사전처리 절차가 필요하지 않다.

이와 함께 다른 영상화 장비 보다 관찰 준비 과정이 편리하며, 공간 분해 능력과 검출 신호의 세기 분해 능력이 월등하고, 성분 관찰 때는 3차원 표면 형상 정보를 제공한다는 장점이 있다.

이 기술은 차세대 배터리로 주목받는 전고체 전지 설계를 쉽게 할 수 있고, 다른 전기 화학 소재에도 제조 공정을 크게 혁신하는 토대가 될 전망이다.

김홍준 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스(ACS Applied Energy Materials) 4월 27일 자에 게재됐다.