KAIST, 배터리 이온 이동 측정 오류 원인 규명

울퉁불퉁한 표면이 실제 이온 이동처럼 측정

표면 평탄화로 ‘가짜 신호’ 줄여 분석 정확도 높여

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 육종민·최남순 교수 연구팀과 공동으로 배터리 나노 분석 과정에서 발생하는 측정 오류의 원인을 규명하고 이를 줄이는 방법을 제시했다고 7일 밝혔다. ⓒ카이스트

배터리 소재의 울퉁불퉁한 표면이 실제 이온 이동과 비슷한 신호를 만들어 측정 결과를 왜곡할 수 있다는 사실이 확인됐다.

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 육종민·최남순 교수 연구팀과 공동으로 배터리 나노 분석 과정에서 발생하는 측정 오류의 원인을 규명하고 이를 줄이는 방법을 제시했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 원자힘현미경(AFM) 기반 전기화학 변형 현미경(ESM)을 이용해 표면 높낮이가 측정 결과에 미치는 영향을 분석했다. ESM은 이온이 움직일 때 소재에 생기는 미세한 변화를 측정해 이온 이동을 간접적으로 파악하는 기술이다.

이온이 이동하지 않는 단결정 실리콘 표면에 미세한 홈을 만들어 실험한 결과 표면 높낮이 변화만으로도 실제 이온 이동과 유사한 신호가 발생했다. 현미경 탐침과 시료가 맞닿는 정도가 달라지면서 신호가 왜곡된 것이다.

흑연 음극과 나트륨 고체전해질(Na₂Zn₂TeO₆)에서도 표면 모양에 따라 ESM 신호가 달라졌다.

연구팀은 아르곤(Ar) 이온 빔을 이용해 배터리 소재 표면을 평평하게 다듬자 측정 오류가 줄어드는 것을 확인했다.

특히 소재 결정들이 맞닿는 ‘입계(grain boundary)’에서는 표면을 연마하기 전 강한 ESM 신호가 나타났지만 연마 후에는 신호 증가가 사라졌다.

이는 이온이 잘 이동하는 통로로 해석될 수 있었던 일부 입계 신호가 실제 이온 이동이 아닌 표면 높낮이에서 비롯됐을 가능성을 보여준다.

연구팀은 이번 방법이 리튬이온전지뿐 아니라 전고체전지와 나트륨이온전지 등 차세대 배터리 소재 분석에도 활용될 것으로 보고 있다.

이번 연구는 신소재공학과 진동연 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했으며 국제학술지 ‘스몰 메서즈(Small Methods)’에 지난 6월 11일 게재됐다.

홍승범 KAIST 신소재공학과 교수는 “배터리 소재를 나노 수준에서 분석할 때 표면의 높낮이가 측정 결과에 미치는 영향을 명확하게 밝혀냈다”며 “배터리 속 이온의 움직임을 보다 정확하게 파악해 차세대 배터리 소재의 작동 원리를 이해하고 설계하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.