KAIST, 배터리 속 ‘가짜 이온 신호’ 규명

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 배터리 내부의 이온 이동을 분석하는 과정에서 표면 높낮이로 인해 실제 이온의 움직임처럼 오인되던 ‘가짜 신호’의 원인을 체계적으로 밝혀내고 시료 표면 연마를 통해 측정 오류를 획기적으로 줄이는 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범·육종민 교수 및 생명화학공학과 최남순 교수 공동 연구팀이 배터리 나노 분석 시 이온 이동으로 잘못 해석될 수 있는 측정 오류(아티팩트)의 발생 원인을 정량 입증하고, 해결책을 제시했다고 7일 밝혔다.

배터리 성능과 수명을 좌우하는 국소 이온 전도 특성을 파악하기 위해 원자힘현미경(AFM) 기반의 전기화학 변형 현미경(ESM) 분석법이 널리 쓰인다.

그러나 시료 표면이 울퉁불퉁할 경우 현미경 탐침과 시료의 접촉 상태가 변하면서 이온 이동이 없음에도 유사한 응답 신호가 나타나는 한계가 있었다.

연구팀은 이온 이동이 없는 단결정 실리콘 표면에 인위적인 미세 홈을 만들어 분석한 결과, 표면 형상 변화만으로도 ESM 신호가 증가함을 확인했다.

이 같은 현상은 흑연 음극과 나트륨 고체전해질(Na₂Zn₂TeO₆) 등 실제 배터리 소재에서도 동일하게 관찰돼 범용적인 측정 오류임이 검증됐다.

연구진은 단순 조화 진동(SHO) 모델과 DART 모드의 주파수 추적 지연 현상을 적용해 표면 높낮이가 탐침과 시료 간 접촉 강성(contact stiffness)을 변화시켜 신호 왜곡을 일으키는 원리를 규명했다.

특히 기존에 이온 통로로 오인되기 쉬웠던 입계(grain boundary) 영역의 강한 신호 역시 상당 부분 표면 높낮이에 의한 오류일 가능성을 정량적으로 도출했다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 아르곤 이온 빔을 활용한 냉각식 단면 연마기(CCP)로 시료 단면을 평탄하게 다듬는 실용적 전처리 공정을 도입했다.

시료 표면의 거칠기를 정밀하게 제거한 결과 울퉁불퉁한 표면으로 인해 발생하던 ESM 측정 오류가 대폭 감소하고 정밀한 신호 확보가 가능해졌다.

이번 연구는 별도의 새로운 장비 도입 없이 기존 ESM 측정 과정에 CCP 전처리를 적용함으로써 분석 신뢰도를 즉시 높일 수 있다는 점에서 실용적 가치가 매우 높다.

개선된 분석 기법은 현재 활용되는 리튬이온전지는 물론 전고체전지, 나트륨이온전지 등 차세대 배터리 소재 내 이온의 실질적 이동 경로를 정밀하게 파악하는 데 기여할 전망이다.

나아가 고품질 나노 분석 데이터가 축적됨에 따라 인공지능(AI)과 머신러닝을 활용한 배터리 신소재 설계 및 성능 예측 알고리즘의 신뢰성 향상으로도 이어질 것으로 기대된다.

홍승범 교수는 “이번 연구는 배터리 소재를 나노 수준에서 분석할 때 표면 높낮이가 측정 결과에 미치는 영향을 명확히 밝혀낸 것”이라며 “차세대 배터리 소재의 작동 원리를 정확히 이해하고 설계하는 데 크게 기여할 것”이라고 설명했다.