한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 홍승범 신소재공학과 교수팀이 '원자간력 현미경(AFM)'을 이용해 배터리 전극 구성성분 분포를 파악하는 영상화 기법을 개발했다고 19일 밝혔다.
이 기술은 차세대 배터리로 주목받는 전고체전지 설계를 용이하게 할 수 있고 다른 전기화학 소재에도 제조 공정을 크게 혁신하는 토대가 될 것으로 기대된다.
전고체전지는 양극과 음극 사이 전해질을 액체에서 고체로 대체한 전지다. 절반 부피로 대용량 구현이 가능해 완전 충전 시 최대 주행거리가 800㎞에 달한다. 글로벌완성차 업체와 배터리 업체를 중심으로 연구개발(R&D) 움직임이 활발하다.
다만 낮은 이온전도도와 전극-전해질 계면 접합성 문제를 해결해야 한다. 또 전극의 재료적 특성을 이해하기 위해 구성성분 형상과 분포를 파악할 수 있는 기술도 필요하다.
연구팀은 전기화학 변위 현미경과 횡력 현미경 등 원자간력 현미경이 가진 다양한 기능을 활용했다. 위치에 따른 검출 신호의 감도 차이로 구성성분 영역을 구별했다. 또 같은 구성성분 영역 안에서도 미세한 이온 반응성, 마찰력 세기 분포 상관관계를 파악했다. 이 결과로 바인더 구성 비율이 이온 반응성에 미치는 영향을 파악했다.
이번 연구로 제시한 관찰 방법은 특별한 사전처리 절차가 필요없다. 이와 함께 다른 영상화 장비보다 관찰 준비 과정이 쉽고, 공간 분해 능력과 검출 신호의 세기 분해 능력이 월등하다. 성분 관찰 시 3차원 표면 형상 정보가 제공된다는 장점도 있다.
홍승범 교수는 “원자간력 현미경을 이용해 복합 소재 내 각 구성성분이 물질 성질에 기여하는 역할을 정량적으로 이해할 수 있다”며 “차세대 전고체전지 설계 방향을 다중 스케일에서 제시할 뿐만 아니라, 다른 전기화학 소재의 제조 공정에도 혁신의 기틀을 마련할 수 있을 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
