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[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 수도권센터 한옥희 박사팀이 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김희탁 교수팀과 공동으로 고체 핵자기공명(NMR) 장비를 활용해 리튬금속배터리의 충방전에 따른 리튬 금속 전극의 가역성을 분석하고 리튬 이온의 거동을 관찰, 향후 리튬금속배터리 연구 수행에 유용한 지침을 수립했다고 밝혔다.

리튬금속배터리는 높은 에너지 밀도 등의 장점이 있는 반면, 덴드라이트 형성 및 전해질 분해 등으로 인한 배터리 수명 단축 및 화재 발생 등의 문제가 발생, 이에 대한 구체적 원인 규명을 통해 문제를 해결하고자 다양한 분석기술이 연구되고 있다. 이러한 분석기술 중 하나가 고체 핵자기 공명(NMR)) 원리를 이용하여 리튬 금속 전극의 물리·화학적 상태를 관찰하는 것인데, 기존 고체 NMR 분석의 경우 시료 준비 및 데이터 해석에 불분명한 부분이 있었다.

이번 연구를 수행한 연구진. 김희탁(왼쪽) KAIST 교수와 한옥희 KBSI 박사.[KBSI 제공]

KBSI 연구진은 이를 개선하기 위해 배터리 시료의 형태 및 크기, 시료를 자르는 방법, 외부 자기장에 대한 방향성, 시료 세척 및 건조 유무 등의 기초 실험과정을 점검하고 최적화했다. 이를 기반으로 전극 소재 및 충방전 조건이 다른 다양한 배터리를 연구함으로써, 금속 전극의 가역성을 원자 수준에서 관찰할 수 있음을 입증했다. 또한 보편적으로 많이 사용하는 마술각도회전 탐침을 사용함으로써 좀 더 많은 실험실에서 고체 NMR 장비를 이용하여 판형 금속 시료를 관찰할 가능성을 높였다.

400MHz_고체 핵자기 공명 분광기.[KBSI 제공]

이번 연구에서 KBSI 한옥희 박사팀은 고체 NMR 실험 및 분석 역할을, KAIST 김희탁 교수팀은 리튬금속배터리 시료 제작, 전기화학적 분석 및 주사전자현미경 분석을 진행했다.

한옥희 박사는 “고체 핵자기공명 실험을 통해 얻어진 데이터의 종합적 해석을 바탕으로 배터리 안에서 일어나는 현상들을 전극 표면의 구조와 리튬 이온 운동성 면에서 분석할 수 있음을 보여 주었다는 것에 의미가 있다”면서 “앞으로 분석 방법을 개선해서 더 편리하게 실험하고 더 많은 정보를 알아 낼 수 있도록 후속 연구를 이어 나갈 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 화학 저널’ 3월 12일 온라인 게재됐다.