“배터리 속 이온 움직임인 줄 알았는데”…KAIST ‘가짜 신호’ 잡았다

[헤럴드경제=구본혁 기자] 배터리 속 이온이 잘 움직인다고 믿었던 신호가 실제로는 울퉁불퉁한 소재 표면 때문에 생긴 ‘착시’일 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범·육종민 교수, 생명화학공학과 최남순 교수 공동연구팀이 배터리 나노 분석에서 실제 이온 이동으로 오인될 수 있는 ‘가짜 신호’의 발생 원인을 규명하고 이를 줄이는 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.

배터리는 충·방전 과정에서 리튬이나 나트륨 이온이 내부를 오간다. 이온이 얼마나 빠르고 원활하게 이동하는지는 배터리 성능과 수명을 좌우하는 핵심 요소다.

이를 나노미터 수준에서 관찰하는 대표적인 기술이 ‘전기화학 변형 현미경(ESM)’이다. 원자힘현미경(AFM)의 미세 탐침으로 소재 표면을 훑으며 이온이 움직일 때 발생하는 미세한 변형을 측정해 이온 이동을 간접적으로 파악한다.

하지만 연구팀은 배터리 소재 표면이 울퉁불퉁할 경우 실제 이온이 움직이지 않아도 마치 이온이 이동한 것처럼 신호가 나타날 수 있다는 사실을 확인했다.

연구팀은 원인을 규명하기 위해 이온이 이동하지 않는 단결정 실리콘 표면에 의도적으로 미세한 홈을 만들었다. 실험 결과 표면 높낮이가 달라지면 현미경 탐침과 시료가 접촉하는 정도가 변하고, 이 변화만으로도 실제 이온 이동과 유사한 신호가 발생했다.

실제 배터리 소재인 흑연 음극과 나트륨 고체전해질(Na₂Zn₂TeO₆)에서도 같은 현상이 확인됐다.

주목할 점은 배터리 소재의 작은 결정들이 맞닿는 ‘입계(grain boundary)’다. 기존 분석에서는 입계에서 ESM 신호가 강하게 나타나 이온이 빠르게 움직이는 통로로 해석될 가능성이 있었다.

하지만 연구팀이 아르곤 이온 빔을 이용한 냉각식 단면 연마기로 소재 표면을 평평하게 다듬자 입계에서 나타났던 강한 신호가 사라졌다. 그동안 이온 이동으로 해석됐던 일부 신호가 실제로는 표면 굴곡이 만들어낸 측정 오류였을 가능성을 보여준 것이다.

이번 연구는 리튬이온전지는 물론 전고체전지와 나트륨이온전지 등 차세대 배터리의 작동 원리를 정확하게 규명하는 데 활용될 전망이다. 정확한 나노 분석 데이터가 축적되면 인공지능(AI)·머신러닝을 활용한 신소재 설계와 성능 예측의 신뢰도도 높일 수 있다.

홍승범 교수는 “배터리 소재를 나노 수준에서 분석할 때 표면 높낮이가 측정 결과에 미치는 영향을 명확하게 밝혀냈다”며 “배터리 속 이온의 움직임을 보다 정확하게 파악해 차세대 배터리 소재의 작동 원리를 이해하고 설계하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘스몰 메서즈(Small Methods)’에 게재됐다.