폭발 없는 배터리
폭발 없는 배터리
  • 함예솔
  • 승인 2020.05.19 14:20
  • 조회수 1049
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요약

 

극저온 전자현미경 분석법으로 화재나 폭발 위험이 없는, 전고체전지를 만드는 물질을 관찰한 연구가 나왔습니다. 물질의 물리적 특성을 이애하는 연구는 소재 개발 핵심 기술 중 하나입니다. 이번 연구는 향후 이차전지 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 

코로나19 바이러스의 모습을 포착해낸 전자현미경 분석법인 '극저온 전자현미경(Cryo-EM) 분석법'으로 화재나 폭발 위험이 없는 전고체전지(All-Solid-State Battery)를 만드는 물질을 관찰한 연구가 나왔습니다.

일반 투과전자현미경(TEM)과 극저온 투과전자현미경으로 관찰한 황화물 고체 전해질(Li6.5P0.5Ge0.5S5I)의 결정 구조. 출처: UNIST
일반 투과전자현미경(TEM)과 극저온 투과전자현미경으로 관찰한 황화물 고체 전해질(Li6.5P0.5Ge0.5S5I)의 결정 구조. 출처: UNIST

생체분자를 손상하지 않도록 '얼려서' 고해상도 이미지를 얻는 '극저온 투과전자현미경(Cryo-EM, 2017 노벨화학상 수상)'기술을 '안전한 배터리' 개발에 적용한 겁니다. 

  • 전고체전지(All solid-state battery)

배터리 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체해 배터리 구성요소가 모두 고체로 이뤄지는 차세대 배터리입니다. 폭발이나 화재 위험이 없고 고용량 배터리를 구현할 수 있습니다.

  • 극저온 투과전자현미경(Cryo-EM)

수용액에 담긴 생화학 분자를 영하 200℃ 이하의 극저온 상태로 급냉각시켜 정밀 관찰하는 방식의 전자현미경입니다. 세포 환경에서 자연스럽게 움직이는 단백질, 바이러스 등 생체분자를 관찰할 수 있습니다. 전자현미경은 빛을 이용하는 광학현미경(일반 현미경)과 달리 ‘전자빔’을 매개체로 합니다. 세부적으로 주사전자현미경과 투과전자현미경으로 나뉘는데, 이번 기술은 투과전자현미경을 사용했습니다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 이현욱 교수팀은 한양대학교 에너지공학과정윤석 교수팀과 공동으로 '황(S)화합물 고체 전해질'의 구조를 원자 단위에서 분석하는 데 성공했습니다. 이 물질은 매우 민감해 전자빔(beam)을 쏘면 쉽게 손상되므로 일반 투과전자현미경으로 관찰하기 어려웠습니다. 이에 연구팀은 이 물질을 영하 170℃로 순식간에 얼리면서 공기와 접촉을 차단하는 새로운 방법을 써서 '손상 없이' 관찰하는 방법을 개발했습니다. 이번 연구는 <Nano Letters>에 게재됐습니다. 

 

리튬이온배터리, 폭발 위험성 커

 

리튬 이온 배터리에서 이온이 지나는 통로인 전해질은 주로 액체 상태입니다. 하지만 액체전해질은 폭발 위험성이 크다는 단점이 있어서 더 안전한 고체전해질을 개발하려는 시도가 많습니다. 문제는 고체 전해질에는 원자들이 미로처럼 빼곡히 쌓여 이온이 잘 다니지 못한다는 점입니다. 이렇게 '이온 전도도'가 낮으면 배터리 용량과 수명이 떨어지므로 좋은 배터리가 되지 못합니다.

 

이 문제를 해결하려면 고체 전해질의 복잡한 내부 구조를 분석해 이온이 지나는 길을 정확히 알아야 합니다. 그런데 다른 물질보다 이온 전도도가 높아 고체 전해질로 가능성이 큰 '황화합물'은 전자현미경으로 분석하기 어려웠습니다. 황(S)이 전자현미경이 내뿜는 전자빔에 취약해 간접적 방법으로만 내부 구조를 봐야 했던 겁니다.

 

극저온 투과 전자현미경으로 '황화합물 고체 전해질' 직접 관찰

대기 비개방 극저온 투과전자현미경 분석법 시편 준비 과정. 출처: UNIST
대기 비개방 극저온 투과전자현미경 분석법 시편 준비 과정. 출처: UNIST

이현욱 교수팀은 '황화합물 고체 전해질'을 직접 관찰하기 위해 '극저온 투과전자현미경 분석법(Cryo-EM)'을 도입했습니다. 극저온 투과전자현미경 분석은 원래 살아있는 세포나 미생물을 관찰하는 방법인데 이를 배터리 물질 분석에 최초로 적용한 겁니다. 액체질소를 이용해 시편을 영하 170℃로 순간 냉각하면 높은 에너지를 갖는 전자빔을 쏘아도 시편이 손상되지 않습니다. 이때 시료는 대기와 닿지 않게 보호하는 ‘대기 비개방 분석법’을 활용했습니다.

황화물 고체 전해질의 열처리 온도에 따른 결정구조 생성 모식도. 출처: UNIST
황화물 고체 전해질의 열처리 온도에 따른 결정구조 생성 모식도. 출처: UNIST

연구팀은 다양한 성분을 조합한 황화합물을 합성하고 열처리 온도를 다르게 한 뒤 이온 전도도를 측정했습니다. 이 중 이온 전도도가 가장 높은 물질을 극저온 투과전자현미경 분석법으로 관찰하자 '육각형 모양의 원자 배열'이 확인됐습니다. ‘대기 비개방 극저온 전자현미경 분석법’이라는 새로운 기법을 이용해 기존에는 분석할 수 없던 물질을 이해하게 된 것입니다.

이현욱 교수. 출처: UNIST
이현욱 교수. 출처: UNIST

 

이현욱 교수는 "'대기 비개방 극저온 투과전자현미경 분석법'은 공기와 접촉을 차단하고 물질의 손상을 막는 기법이라 반응성이 높은 리튬 이온 배터리의 다른 구성요소를 관찰하는 데도 적극 응용될 것"이라며 "이는 가까이 이차전지 산업에 교두보 역할을 하고, 멀리 바이오 및 재료과학 산업의 발전에 기여할 것"이라고 기대했습니다.

 


##참고자료##

 

 


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