한국기초과학지원연구원(KBSI·원장 양성광)은 수도권센터의 한옥희 박사팀이 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 생명화학공학과의 김희탁 교수팀과 고체 핵자기공명(NMR) 장비를 활용해 리튬금속배터리 충방전에 따른 리튬 금속 전극 가역성을 분석하는 동시에 리튬 이온 거동을 관찰, 향후 리튬금속배터리 연구 수행에 유용한 지침을 수립했다고 23일 밝혔다.
리튬금속배터리는 고에너지밀도 등 장점이 있는 반면, 덴드라이트(전극 표면에 형성된 나무가지 모양 리튬이온) 형성 및 전해질 분해 등으로 배터리 수명 단축 및 화재 발생 등 문제가 발생한다.
원인 규명을 위한 다양한 분석기술이 연구되고 있다. 이런 분석기술 중 하나가 NMR 원리를 이용한 리튬 금속 전극 관찰인데, 기존 고체 NMR 분석의 경우 시료 준비 및 데이터 해석에 불분명한 부분이 있었다.
KBSI 연구진은 배터리 시료 형태 및 크기, 시료를 자르는 방법, 외부 자기장에 대한 방향성, 시료 세척 및 건조 유무 등 기초 실험과정을 점검하고 최적화했으며, 이를 기반으로 전극 소재 및 충방전 조건이 다른 다양한 배터리를 연구했다.
금속 전극 가역성을 원자 수준에서 관찰할 수 있음을 보여줬다. 또 마술각도회전 탐침을 사용함으로써 좀 더 많은 실험실에서 고체 NMR 장비를 이용해 판형 금속 시료 관찰 가능성을 높였다.
실험 수행을 위해 배터리로부터 전극과 전해질 조합체를 추출해 PET소재로 잘 알려진 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 두 개 사이에 시료를 끼운 후 400메가헤르츠(㎒) 고체 NMR 장비를 사용해 데이터를 구했고, 데이터 신뢰도를 높이기 위해 평면형 시료를 외부 자기장에 대해 평행 방향 뿐 아니라 수직 방향으로도 배향시켜 사용했다.
그 결과, 전기화학적 데이터 및 주사전자현미경으로 측정한 결과와 일치함을 확인했으며, 덴드라이트와 “고체 전극과 전해질 사이 계면이 형성되는 것을 관찰, 리튬 이온 운동성을 비교하였다.
한옥희 박사팀은 고체 NMR 실험 및 분석 역할을 하였으며, 김희탁 교수팀은 리튬금속배터리 시료 제작, 전기화학적 분석 및 주사전자현미경 분석을 진행했다.
한옥희 박사는 “데이터 종합 해석으로 배터리 내 현상을 전극 표면 구조와 리튬 이온 운동성 면에서 분석할 수 있음을 보여 줬다”며 “분석 방법을 개선해 더 편리하게 실험하고 더 많은 정보를 알아 낼 수 있도록 후속 연구를 이어 나갈 것”이라고 밝혔다.
연구결과는 KBSI 전지소재 성능 한계돌파를 위한 통합분석시스템 과제 성과로, 에너지 분야 유수 학술지인 저널 오브 에너지 케미스트리 온라인판에 3월 12일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
