우리 학교 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 배터리의 수명 특성 향상 메커니즘을 영상화하였다. 이 연구는 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 개재되었다. 

전기 자동차에도 활용되고 있는 실리콘 활물질*은 기존 음극 활물질인 흑연에 비해 높은 용량 값(4200 mAh/g)을 갖고 있어 Si원자가 최고 4.4개의 리튬과 반응할 수 있다. 하지만, 전기가 저장될 때 부피 팽창이 400%로 매우 심해 전극이 깨지는 문제가 있어 전극 용량을 늘리기 위해 흑연과 실리콘을 섞은, 각각의 장점을 활용한 복합 전극이 활용되고 있다. 그럼에도 실리콘 활물질의 부피 팽창으로 인해 국부적으로 전자 전도 네트워크가 깨지게 되고, 궁극적으로 수명이 줄어들었다. 이에 소량의 단일벽 탄소나노튜브의 첨가로 수명이 향상된다는 결과가 보고되었는데, 이 이유를 직접적으로 나노 스케일에서 영상화하지 못하고 있었다. 이에 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업해 원자간력 현미경을 활용해 영상화에 성공하였다.
 

원자간력 현미경을 통한 영상화

연구팀은 이전에 실리콘 활물질이 충전과 방전을 거치며 전자 전도 네트워크가 열화되는 과정을 영상화했었는데, 이번 연구에서는 원자간력 현미경을 이용해 전극 표면의 형상과 표면 내에 존재하는 리튬 이온으로 인해 발생하는 표면 전위를 영상화했다. 원자간력 현미경 기반의 켈빈 프루브 현미경(Kelvin Probe Force Microscopy)을 이용해 전자 전도 네트워크가 유지되는 상황에서 실제로 리튬 이온이 실리콘 활물질 내에 균일하게 충전되는지, 그리고 충·방전 시 가역적으로 리튬이 들어가고 나올 수 있는지를 영상화했다. 1회 및 90회 충·방전 후의 표면 전위를 측정 및 영상화한 결과, 단일벽 탄소나노튜브가 첨가된 전극이 첨가되지 않은 기존 전극에 비해 더 균일한 표면 전위를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구는 차세대 이차전지의 수명을 향상시키고, 수명 저하가 생기거나 불량이 생겼을 때 그 원인을 파악할 때 응용할 수 있을 것이다. 

홍 교수는 원자간력 현미경은 나노 스케일의 미시 세계에서 일어나는 현상을 볼 수 있는 장점을 갖고 있지만, 이런 스케일에서 생기는 상황과 거시적인 스케일에서 생기는 상황 사이에는 늘 간극이 있어 연구자들이 나노 스케일에서 관측한 영상들의 대표성에 대해서 늘 의구심을 갖는 것도 사실이라 말했다. 연구팀은 이런 간극을 해소하기 위해서 인공지능을 활용해서 원자 혹은 격자 단위에서 측정하거나 영상화하는 영상들을 짧은 시간 내에 증폭시켜서 거시 스케일을 모두 포함할 수 있으면서도 물리나 화학 법칙에 위배되지 않은 모델을 수립하는 연구를 진행 중이라고 밝혔다. 이를 통해서 대표성 문제를 해소하고 다중 스케일에서 수집되는 데이터 간의 상관관계를 파악하는 연구를 진행하고자 한다고 전했다. 

나아가, 홍 교수는 “소재는 역사를 가를 정도로 임팩트가 크다”며 “다만, 역사를 가를 만한 소재는 여러 세대에 걸쳐 연구와 개발이 축적되어 꽃을 피웠기에 평소에는 그 임팩트를 느끼기 어려운 것도 사실”이라고 말했다. 그러나 “이제는 역사를 가를 수 있는 소재의 출현 주기가 짧아지고 있고, 소재 영상화와 인공지능을 활용해서 그 주기가 극단적으로 짧아질 것으로 생각”한다며  공백채우기용글 

“우리가 중요하게 다루는 우주/극한 소재, 양자소재, 바이러스 관련 헬스케어 소재 그리고 에너지 및 친환경 소재는 KAIST에서 주도했으면 하는 마음이고 이를 주도하는 카이스트 학생들이 점점 더 많아졌으면 한다”고 전했다.
 

활물질(Active material)*
배터리의 양극재나 음극재에서 화학적으로 반응하여 전기 에너지를 만드는 활성 물질로, 양극재 속 활물질은 '양극 활물질', 음극재 속 활물질은 '음극 활물질'이라 한다.