홍승범 교수팀, 원자간력 현미경 이용해 배터리 전극 구성성분 분포 파악 성공
국제학술지 'ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스'에 연구성과 게재
![[대전=뉴시스] 다양한 기능을 활용한 원자간력 현미경 분석 기술의 모식도.](https://img1.newsis.com/2020/05/19/NISI20200519_0000529714_web.jpg?rnd=20200519140043)
[대전=뉴시스] 다양한 기능을 활용한 원자간력 현미경 분석 기술의 모식도.
[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 원자간력 현미경(AFM·Atomic Force Microscope)을 이용해 배터리 전극의 구성성분 분포를 파악할 수 있는 영상화기법을 개발했다고 19일 밝혔다.
차세대 전고체전지 설계와 전기화학 소재 제조 공정을 혁신할 기반을 마련했다는 평을 받는 이번 연구는 김홍준 연구원이 제1저자로 참여했다. 국제학술지 'ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스(ACS Applied Energy Materials)'에 지난 4월27일 게재됐다. 논문명: Visualization of Functional Components in a Lithium Silicon Titanium Phosphate-Natural Graphite Composite Anode.
리튬이온전지는 휴대용 장비와 전기자동차 등 여러분야서 전기 에너지저장장치(ESS)로 사용되고 있으나 충격이나 압력으로 인한 발화 가능성이 크고, 충전소요 시간이 길어지는 취약점을 안고 있다.
이에 따라 고체 전해질을 이용한 전고체전지가 유망한 차세대 배터리로 주목을 받고 있다.
양극과 음극 사이의 전해질을 액체가 아닌 고체로 대체된 전고체전지는 부피를 절반으로 줄이면서 대용량 구현이 가능하다.
다만 전고체전지의 전지 구동성능에 큰 영향을 미치는 복합 전극의 재료적 특성을 이해하기 위해서는 구성성분들의 형상과 분포를 파악할 수 있는 기술이 필요한 상황이다.
홍승범 교수 연구팀은 거시·미시적 다중 스케일에서 전기화학 변위 현미경과 횡력 현미경 등 원자간력 현미경의 다양한 기능을 활용해 위치에 따른 검출신호의 감도차이로 구성성분들의 영역을 구별해 내는 영상화기법을 개발했다.
홍 교수팀은 기존 전극과 복합 전극을 비교해 결과를 제시했으며, 영역들의 구별뿐 아니라 단일영역 내에서 나노 스케일의 이온 반응성 세기 분포와 마찰력 세기 분포의 상관관계 파악을 통해 바인더 구성 비율이 이온 반응성에 미치는 영향을 파악했다.
기존 전자 현미경을 이용해 관찰할 경우 진공환경이 필수적으로 필요하고 분석을 위한 시편제작 시 매우 얇은 막 형태로 제작 및 백금 입자를 코팅해야 하는 등 특별한 사전처리 절차가 필요했다.
하지만 홍 교수팀이 이번 연구를 통해 제시한 관찰 방법은 일반적인 환경에서 수행할 수 있고 특별한 사전처리 절차가 필요하지 않다.
이와 함께 다른 영상화 장비보다 관찰의 준비 과정이 편리하며 공간분해 능력과 검출신호의 세기 분해 능력이 월등하고, 성분 관찰 때는 3차원 표면 형상정보가 제공된다는 장점도 있다.
홍승범 교수는 "원자간력 현미경을 이용해 개발된 분석기법은 복합소재 내의 각 구성성분이 물질의 최종적인 성질에 기여하는 역할을 정량적으로 이해하는 데 유리하다"며 "이 기술은 차세대 전고체전지의 설계방향을 다중 스케일에서 제시할 뿐만 아니라 다른 전기화학 소재의 제조공정에도 혁신의 기틀을 마련할 수 있을 것"이라고 말했다.
◎공감언론 뉴시스 [email protected]
차세대 전고체전지 설계와 전기화학 소재 제조 공정을 혁신할 기반을 마련했다는 평을 받는 이번 연구는 김홍준 연구원이 제1저자로 참여했다. 국제학술지 'ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스(ACS Applied Energy Materials)'에 지난 4월27일 게재됐다. 논문명: Visualization of Functional Components in a Lithium Silicon Titanium Phosphate-Natural Graphite Composite Anode.
리튬이온전지는 휴대용 장비와 전기자동차 등 여러분야서 전기 에너지저장장치(ESS)로 사용되고 있으나 충격이나 압력으로 인한 발화 가능성이 크고, 충전소요 시간이 길어지는 취약점을 안고 있다.
이에 따라 고체 전해질을 이용한 전고체전지가 유망한 차세대 배터리로 주목을 받고 있다.
양극과 음극 사이의 전해질을 액체가 아닌 고체로 대체된 전고체전지는 부피를 절반으로 줄이면서 대용량 구현이 가능하다.
다만 전고체전지의 전지 구동성능에 큰 영향을 미치는 복합 전극의 재료적 특성을 이해하기 위해서는 구성성분들의 형상과 분포를 파악할 수 있는 기술이 필요한 상황이다.
홍승범 교수 연구팀은 거시·미시적 다중 스케일에서 전기화학 변위 현미경과 횡력 현미경 등 원자간력 현미경의 다양한 기능을 활용해 위치에 따른 검출신호의 감도차이로 구성성분들의 영역을 구별해 내는 영상화기법을 개발했다.
홍 교수팀은 기존 전극과 복합 전극을 비교해 결과를 제시했으며, 영역들의 구별뿐 아니라 단일영역 내에서 나노 스케일의 이온 반응성 세기 분포와 마찰력 세기 분포의 상관관계 파악을 통해 바인더 구성 비율이 이온 반응성에 미치는 영향을 파악했다.
기존 전자 현미경을 이용해 관찰할 경우 진공환경이 필수적으로 필요하고 분석을 위한 시편제작 시 매우 얇은 막 형태로 제작 및 백금 입자를 코팅해야 하는 등 특별한 사전처리 절차가 필요했다.
하지만 홍 교수팀이 이번 연구를 통해 제시한 관찰 방법은 일반적인 환경에서 수행할 수 있고 특별한 사전처리 절차가 필요하지 않다.
이와 함께 다른 영상화 장비보다 관찰의 준비 과정이 편리하며 공간분해 능력과 검출신호의 세기 분해 능력이 월등하고, 성분 관찰 때는 3차원 표면 형상정보가 제공된다는 장점도 있다.
홍승범 교수는 "원자간력 현미경을 이용해 개발된 분석기법은 복합소재 내의 각 구성성분이 물질의 최종적인 성질에 기여하는 역할을 정량적으로 이해하는 데 유리하다"며 "이 기술은 차세대 전고체전지의 설계방향을 다중 스케일에서 제시할 뿐만 아니라 다른 전기화학 소재의 제조공정에도 혁신의 기틀을 마련할 수 있을 것"이라고 말했다.
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