국내 연구진이 리튬이온 배터리의 핵심 소재인 흑연 입자의 형상을 정밀하게 분석하는 기술을 개발했다.
아주대학교는 김주민·황종국 화학공학과 교수 연구팀은 십자 형태의 미세유체 채널을 활용해 비 구형 흑연 활물질의 형상을 정량적으로 측정하는 기술을 구현했다고 10일 밝혔다.
이번 연구는 복잡한 화학 처리를 거치지 않고도 흑연 입자의 형상 제어만으로 배터리의 수율 및 성능 향상을 기대할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.
리튬이온 배터리는 음극, 양극, 분리막, 전해질로 구성되며, 이 중 음극 활물질로 주로 사용되는 흑연은 경제성과 안정성을 겸비한 소재다.
특히 흑연의 측면(edge plane) 형상이 충·방전 성능에 중요한 영향을 미치기 때문에 이를 정량적으로 분석하는 기술은 필수다.
하지만 기존 주사전자현미경(SEM) 등으로는 비 구형 입자의 측면을 관찰하기 어려웠다. 이에 연구팀은 바이오 및 제약 분야에서 주로 사용되던 미세유체소자 기술을 비 구형 흑연 입자의 형상 분석에 적용했다.
점탄성 고분자 수용액과 십자 형태의 유체 채널을 활용해 흑연 입자를 회전·정렬시키고, 이를 통해 측면 형상을 정밀하게 관찰할 수 있었다.
실험에서는 구상화된 천연 흑연과 평판형 볼밀 흑연을 비교해 비 구형 입자의 크기와 형상이 음극 슬러리의 유변학적 물성에 미치는 영향을 확인했다.
연구 결과 판상형에 가까운 흑연일수록 음극 슬러리에서 강한 항복 응력을 보여 슬러리의 안정성을 높이는 데 유리한 것으로 나타났다. 이는 전극 코팅 공정에서 발생하는 결함을 줄이고 배터리의 수율을 높이는 데 기여할 수 있다.
또 슬롯-다이 코팅 공정을 통해 흑연의 형상이 전극 미세구조와 에너지 밀도, 충·방전 성능에도 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다.
김주민 교수는 “미세유체소자 기술을 활용해 흑연 입자의 측면 형상을 성공적으로 측정한 것은 기존 연구와 차별화된 성과”라며 “흑연 품질 관리와 생산 공정 최적화를 통해 배터리 대량 생산 과정에서 결함 발생 빈도를 줄이고 성능을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 기본연구 및 우수신진연구 사업 등 지원을 받아 수행했으며, 관련 논문은 국제 학술지 '스몰(Small)' 11월호 권두삽화로 게재됐다.
수원=김동성 기자 estar@etnews.com
