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민감한 차세대 고체 배터리, 얼려서 관찰 성공

극저온 분석법, 이차전지와 바이오 산업 발전 기여
박응서 선임기자

극저온 투과전자현미경 분석법으로 분석할 물질(시편)을 준비하는 과정. 사진제공=UNIST

국내 연구진이 코로나 바이러스 모습을 알아낸 투과전자현미경 기술을 이용해 차세대 배터리 연구를 한 단계 발전시켰다.

차세대 배터리 후보 중 하나인 황화합물 고체 전해질을 이용한 고체 배터리는 매우 민감해 일반 투과전자현미경으로 관찰하면 전자빔에 손상돼 관찰할 수가 없다. 이에 UNIST와 한양대 공동연구진은 극저온 투과전자현미경 기술을 이용해 이 난제를 풀어냈다.

UNIST 이현욱 에너지 및 화학공학부 교수진이 한양대 정윤석 에너지공학과 교수진과 공동으로 황화합물 고체전해질로 구성된 고체 배터리를 영하 170도 이하에서 얼려, 구조를 원자 단위에서 분석하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

현재 사용하는 리튬이온 배터리는 액체로 폭발위험성 높다. 이에 과학자들은 안전한 고체 배터리를 차세대 배터리로 연구하고 있다. 하지만 고체 전해질의 민감한 특성으로 인해 고체 내부 구조를 파악할 수 없어서 그동안 연구에 어려움이 컸다.

연구진은 황화합물 고체전해질을 순식간에 얼려, 공기와 접촉할 수 없도록 막는 새로운 방법으로 손상 없이 내부 구조를 관찰하는 방법을 찾아냈다.

이번에 사용한 극저온 투과전자현미경 분석법은 온도를 순식간에 섭씨 영하 170도 이하로 낮춰 분석하는 방법이다. 투과전자현미경을 이용해 분석할 때 전자빔에 의해 영향을 받아 분석하기 어려운 세포나 단백질 같은 미세 바이오 물질을 연구하는 데 주로 사용했다.

이 같은 방법으로 연구진은 고체 배터리로 효과가 가장 좋은 황화합물이 육각형 모양으로 원자가 배열되는 것을 확인했다.

고체 배터리에 연구에 새로운 방법을 제시한 이현욱 교수. 사진제공=UNIST


이현욱 교수는 “공기와 접촉을 차단해 물질 손상을 막는 기법으로 반응성이 높은 리튬이온 배터리의 다른 요소를 관찰하는 데도 응용될 수 있다”며 “이 방법이 이차전지 산업 발전과 바이오와 재료과학 산업 발전에 기여할 것”이라고 기대를 밝혔다.

이 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 5월 5일 게재됐다.

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