KAIST, 탄소나노튜브 첨가해 고용량 배터리 수명 증대…영상화 성공

SiO 활물질의 표면전위를 측정하고 있는 켈빈 프루브 현미경(KPFM) 탐침의 도식화된 그림(a). 초기 상태의 SiO/흑연 복합 음극의 형상 및 표면전위 영상(b~d).(카이스트 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 전기차 배터리 소재인 실리콘 활물질에 탄소나노튜브를 소량 첨가해 수명을 향상하는 기술을 개발했다.

또 이런 현상이 어떻게 가능한지 나노스케일에서 영상화하는 데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업해 배터리의 수명 특성 향상 메커니즘 규명 및 영상화에 성공했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 앞서 실리콘 활물질이 충·방전을 거치면서 전자 전도 네트워크가 열화되는 과정을 영상화했는데, 이번 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브의 존재로 인해서 그 형태를 유지하고 있는 전자전도 네트워크가 활물질 내에 균일한 충·방전이 가능하도록 기능하고 있음을 보여 수명 증대 메커니즘을 검증했다.

연구팀은 원자간력 현미경 기반의 켈빈 프루브 현미경을 이용해 1회 및 90회 충·방전 싸이클 후의 전극 내 천연흑연과 실리콘 산화물 입자에서의 표면 전위를 측정 및 영상화했다.

이를 통해 단일벽 탄소나노튜브(SW-CNT)가 첨가된 전극에서는 활물질 내 표면 전위가 균일하게 분포하고 있는 반면, 첨가되지 않은 기존 전극의 경우에는 90회 충·방전 후에 불균일한 표면전위를 보여 전자 전도 네트워크가 제대로 기능을 발휘하지 않으면서 불균일한 충·방전이 됨을 확인했다.

이처럼 활물질 내부의 표면 전하를 영상화할 수 있는 기술은 실리콘 활물질뿐만 아니라 다양한 전극 시스템에 적용될 수 있으며, 향후 배터리 충전 및 방전 상태 균일성을 확인하고 수명향상 연구로 발전할 수 있다.

박건 KAIST 신소재공학과 연구원(제1저자)은 “충·방전 시 수반되는 실리콘 계열 활물질의 급격한 부피 변화에도 불구하고 가느다란 탄소나노튜브가 전자 전도 채널을 유지하고 이로 인해 전극 내에 균일한 충·방전을 가능하게 하는 것이 매우 신기한 일이었는데 이를 나노스케일에서 직접 영상화해 그 역할을 미시세계에서 이해할 수 있었던 것이 큰 의미가 있다”고 말했다.

홍승범 KAIST 신소재공학과 교수

홍승범 교수는 “원자간력 현미경을 활용해서 나노스케일에서 일어나는 전기화학적인 현상을 영상화하고 이를 통해서 배터리 성능 및 수명을 향상할 수 있는 혁신적인 아이디어를 창출할 수 있게 돼 매우 기쁘다"고 했다.

이번 연구는 LG에너지솔루션, LG에너지솔루션-KAIST Frontier Research Lab.과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 성과는 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 게재됐다.

memory4444444@news1.kr