[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 리튬금속배터리 성능 향상을 위한 나노 분석법을 제시했다.
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 수도권센터 한옥희 박사 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀과 고체 핵자기공명(NMR) 장비를 활용해 리튬금속배터리의 충방전에 따른 리튬 금속 전극의 가역성을 분석하고 동시에 리튬 이온의 거동을 관찰하여 향후 리튬금속배터리 연구 수행에 유용한 지침을 수립했다고 밝혔다.
리튬금속배터리는 높은 에너지 밀도 등의 장점이 있는 반면 덴드라이트 형성 및 전해질 분해 등으로 인한 배터리 수명 단축 및 화재 발생 등의 문제가 발생해 이에 대한 구체적 원인 규명을 통해 문제를 해결하고자 다양한 분석기술이 연구되고 있다.
이러한 분석기술 중 하나가 고체 핵자기 공명 원리를 이용해 리튬 금속 전극의 물리·화학적 상태를 관찰하는 것인데 기존 고체 NMR 분석의 경우 시료 준비 및 데이터 해석에 불분명한 부분이 있었다.
KBSI 연구진은 이를 개선하기 위해 배터리 시료의 형태 및 크기, 시료를 자르는 방법, 외부 자기장에 대한 방향성, 시료 세척 및 건조 유무 등의 기초 실험과정을 점검하고 최적화했으며 이를 기반으로 전극 소재 및 충방전 조건이 다른 다양한 배터리를 연구함으로써, 금속 전극의 가역성을 원자 수준에서 관찰할 수 있음을 보였다.
또 보편적으로 많이 사용하는 마술각도회전 탐침을 사용함으로써 좀 더 많은 실험실에서 고체 NMR 장비를 이용해 판형 금속 시료를 관찰할 가능성을 높였다.
실험 수행을 위해 배터리로부터 전극과 전해질의 조합체를 추출해 PET소재로 잘 알려진 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 두 개 사이에 시료를 끼운 후 400MHz 고체 NMR 장비를 사용하여 데이터를 구했고 데이터의 신뢰도를 높이기 위해 평면형 시료를 외부 자기장에 대하여 평행 방향 뿐 아니라 수직 방향으로도 배향시켜 사용했다.
그 결과 전기화학적 데이터 및 주사전자현미경으로 측정한 결과와 일치함을 확인했으며 '덴드라이트'와 '고체 전극과 전해질 사이의 계면'이 형성되는 것을 관찰하고, 리튬 이온의 운동성을 비교했다.
이번 연구에서 KBSI 한옥희 박사 연구팀은 고체 NMR 실험 및 분석 역할을, KAIST 김희탁 교수 연구팀은 리튬금속배터리 시료 제작, 전기화학적 분석 및 주사전자현미경 분석을 진행했다.
한옥희 박사는 “고체 핵자기공명 실험을 통해 얻어진 데이터의 종합적 해석을 바탕으로 배터리 안에서 일어나는 현상들을 전극 표면의 구조와 리튬 이온 운동성 면에서 분석할 수 있음을 보여 주었다는 것에 의미가 있다”며 “앞으로 분석 방법을 개선해서 더 편리하게 실험하고 더 많은 정보를 알아 낼 수 있도록 후속 연구를 이어 나갈 것”이라고 말했다.
