KAIST, 배터리 나노분석 속 '가짜 신호' 원인 밝혔다

배터리 내부에서 이온이 움직인 것처럼 보이던 신호가 실제로는 시료 표면의 울퉁불퉁함이 만들어낸 '가짜 신호'일 수 있다는 사실이 밝혀졌다. KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 같은 학과 육종민 교수팀, 생명화학공학과 최남순 교수팀과 공동으로 배터리 나노분석 과정의 측정 오류 원인을 규명하고 이를 줄이는 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 원자힘현미경(AFM·미세한 탐침으로 표면을 더듬어 나노 단위 형상을 재는 장비)을 기반으로 한 전기화학 변형 현미경(ESM) 분석에 주목했다. ESM은 탐침으로 소재 표면을 훑으면서 이온 이동에 따른 미세한 변형을 측정해 이온의 움직임을 간접적으로 파악하는 기술로, 배터리 소재 연구에 널리 쓰인다.

표면 높낮이가 이온 신호로 둔갑

연구팀은 이온이 오가지 않는 단결정 실리콘 표면에 일부러 미세한 홈을 파고 ESM으로 측정했다. 이온 이동은 없고 표면 굴곡만 있는 조건을 만든 것이다.

분석 결과 시료 표면의 높낮이가 변하면 탐침과 시료가 맞닿는 정도가 달라지고, 이것만으로도 실제 이온 이동과 비슷한 신호가 만들어지는 것으로 나타났다. 이온이 움직이지 않아도 표면 굴곡 때문에 이온 이동으로 오해할 수 있는 신호가 생긴다는 것이다.

같은 현상은 실제 배터리 소재에서도 나타났다. 흑연 음극과 나트륨 고체전해질(Na₂Zn₂TeO₆)을 분석한 결과에서도 표면 모양에 따라 ESM 신호가 달라졌다. 특정 소재에 국한된 문제가 아니라 여러 배터리 소재를 나노 수준에서 볼 때 공통으로 주의해야 하는 현상이라는 뜻이다.

아르곤 빔 연마로 가짜 신호 제거

연구팀은 아르곤 이온 빔으로 시료 표면을 정밀하게 깎아내는 냉각식 단면 연마기(CCP)로 표면을 평탄하게 만들어 측정 오류를 줄였다. 아르곤은 다른 물질과 화학반응을 거의 일으키지 않아 시료의 성질을 크게 바꾸지 않으면서 표면만 다듬을 수 있다. 처리 후에는 표면 거칠기가 크게 줄었고, 굴곡에서 비롯되던 측정 오류도 함께 줄었다.

나트륨이온전지용 고체전해질 시료를 사포로 연마했을 때는 입계(결정 알갱이 사이의 경계)에서 ESM 신호가 강하게 나타났지만, CCP 처리 후에는 이러한 신호 증가가 사라졌다. 입계는 그동안 '이온이 잘 이동하는 통로'로 해석돼 온 자리다. 그 신호 가운데 일부가 실제 이온 이동이 아니라 표면 높낮이 때문이었을 가능성을 보여준 것이다.

홍승범 교수는 "이번 연구는 배터리 소재를 나노 수준에서 분석할 때 표면의 높낮이가 측정 결과에 미치는 영향을 명확하게 밝혀낸 것"이라고 말했다. 표면 굴곡에서 생기는 오류를 걸러내면 전고체전지·나트륨이온전지 같은 차세대 배터리 소재의 이온 이동 분석 신뢰도를 높일 수 있다. 연구팀은 정확한 나노분석 자료가 쌓이면 인공지능과 머신러닝으로 새 배터리 소재를 설계하고 성능을 예측하는 연구의 학습 자료로도 쓸 수 있을 것으로 봤다.

KAIST 진동연 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 지난 6월 11일 국제 학술지 스몰 메서즈에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

자료: KAIST