한국과학기술연구원(KIST)는 연구자원·데이터지원본부 안재평 본부장과 특성분석·데이터센터 김홍규 박사 연구팀이 충전 중 리튬 이온 배터리 내부 음극 소재가 팽창되는 과정을 실시간으로 관찰했다고 1일 밝혔다.
연구 결과는 배터리 분야 국제학술지 'ACS Energy Letters' 최신 호에 게재됐다.
KIST의 설명에 따르면 리튬 이온 배터리는 충전할 때 리튬 이온이 음극으로 이동하고 방전될 때 양극으로 이동한다.
배터리의 성능과 수명은 충·방전 과정에서 발생하는 내부 전극 물질의 다양한 변화에 영향을 받는 것으로 알려져 있는데, 실제 어떻게 작용하는 것인지는 그간 직접 관찰하기 어려웠다.
이에 KIST 연구팀은 자체적으로 구축한 배터리 분석 플랫폼을 활용해 충전 중인 리튬 이온 배터리에서 리튬 이온이 실리콘-흑연 음극 복합체로 이동하는 과정을 관찰했다. 또 관찰 과정에서 흑연과 실리콘 사이에 있는 나노 기공의 역할 규명을 시도했다.
그간 기공은 배터리를 충전할 때 실리콘의 부피팽창을 완화해 주는 것으로 알려져 있었는데, 실제 관찰을 통해 증명된 적은 없었다는 것이 연구팀의 설명이다.
연구팀에 따르면 기공이 마이크로 단위일 때는 실리콘의 부피팽창을 완화하는 것이 맞지만, 나노 단위 크기일 때는 실리콘 입자보다 먼저 리튬 이온을 저장하는 역할을 했다. 연구팀은 따라서 음극 소재를 설계할 때 마이크로, 나노 크기의 기공들을 적절히 분배하는 방법을 도입할 필요가 있음을 밝혀냈다.
KIST 안재평 본부장은 "KIST의 배터리 분석플랫폼은 전기 배터리의 구조변화 관찰을 가능케 함으로써 소재 연구에 새로운 지평을 열었다"며 "향후 대기 노출에 영향을 받지 않는 배터리 소재의 구조변화 관찰을 통해 배터리 소재 설계 혁신에 필요한 추가연구를 이어 나갈 계획"이라고 밝혔다.
이 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받았으며, 한국연구재단 나노소재원천기술개발사업과 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행됐다.