KAIST(총장 이광형)는 홍승범 신소재공학과 교수팀이 LG에너지솔루션과 협업해 배터리 수명 특성 향상 메커니즘을 영상화한 결과를 국제학술지 'ACS 에너지 레터스'에 게재했다고 19일 밝혔다.
전기자동차 고용량 배터리에 사용되는 실리콘 활물질은 기존 흑연 대비 대용량이나, 큰 부피 팽창과 수축률이 수명에 악영향을 미친다.
단일벽 탄소나노튜브를 소량 첨가해 수명 향상이 이뤄졌는데, 이런 향상이 어떻게 가능했는지를 이번에나노스케일에서 영상화한 것이다.
단일벽 탄소나노튜브로 형태를 유지하는 전자전도 네트워크가 활물질 내에 균일한 충·방전이 가능하도록 기능함을 보였다.
원자간력 현미경 기반 '켈빈 프루브 현미경'를 이용해 1회 및 90회 충·방전 싸이클 후 전극 내 천연흑연과 실리콘 산화물 입자 표면 전위를 측정·영상화했다.
단일벽 탄소나노튜브 첨가 전극에서는 활물질 내 표면 전위가 균일하게 분포한 반면, 첨가되지 않은 기존 전극은 90회 충·방전 후 불균일한 표면전위를 보였다. 전자 전도 네트워크가 제대로 기능을 발휘하지 않아 불균일한 충·방전이 됨을 확인했다.
연구진은 활물질 내 표면 전하를 영상화할 수 있는 기술이 실리콘 활물질 뿐 아니라 다양한 전극 시스템에 적용될 수 있으며, 향후 배터리 충·방전 상태 균일성을 확인하고 수명을 향상시키는 연구로 발전할 수 있다고 설명했다.
연구 제1 저자인 박건 KAIST 신소재공학과 연구원은 “가느다란 탄소나노튜브가 전자 전도 채널을 유지하고 전극 내 균일한 충·방전을 가능케하는 것을 나노스케일에서 직접 영상화해 그 역할을 미시세계에서 이해할 수 있었던 것이 큰 의미가 있다”고 말했다.
교신 저자인 홍승범 교수는 “나노스케일 전기화학 현상을 영상화하고 이를 통해 배터리 성능 및 수명을 향상할 수 있는 혁신적인 아이디어를 창출할 수 있게 돼 매우 기쁘다”고 말했다.
이번 연구는 LG에너지솔루션, LG에너지솔루션-KAIST 프론티어 리서치 랩과 KAIST 글로벌 특이점 사업 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
