이현욱 교수, 싱가포르 연구진과 공동 관찰 결과 미국화학회지 게재
(울산=연합뉴스) 장영은 기자 = 국내 연구진이 싱가포르와 공동연구를 통해 투과전자현미경(In Situ TEM)으로 리튬황전지의 충·방전을 실시간으로 관찰한 연구 결과를 내놨다.
울산과학기술원(UNIST)은 이현욱 에너지 및 화학공학부 교수가 27일자 미국화학회지(JACS)에 이 연구 결과를 싣는다고 밝혔다.
이 교수는 다른 전지의 충·방전 실시간 관찰과 연구는 있었지만, 리튬황전지는 처음이다.
투과전자현미경은 강한 전자의 가속력을 이용해 물질의 원자단위까지 관찰할 수 있는 현미경이다.
리튬황전지는 리튬이온전지의 양극 물질로 황(sulfur)을 이용하는 배터리다.
상용화된 리튬이온전지보다 용량이 10배 높아 최근 연구가 활발하지만, 충·방전 시 황이 심하게 부풀어 오르거나 전해액에 녹아버리는 문제가 있었다.
이렇게 되면 배터리 수명이 줄어 상용화가 어렵다. 이를 극복하기 위해 연구자들은 황을 다양한 화합물 형태로 만드는 시도를 하고 있다.
이 교수와 공동연구한 싱가포르 연구진은 황을 몰리브덴황(MoS₂)으로 코팅한 새로운 물질을 만들었다.
이 물질이 황을 감싸기 때문에 황의 부피 팽창이나 녹는 문제도 어느 정도 해결할 수 있었다.
이 교수는 26일 "이번 연구에서 새로운 물질을 실시간 투과전자현미경으로 관찰해 충·방전 시 부피 팽창 정도와 리튬이온의 확산 속도에 따라 달라진 부피 팽창을 파악해냈다"고 설명했다.
기존 연구는 실시간이 아닌 대부분 반응이 일어난 전과 후를 간접적으로 분석하는 방식이었다.
이번 연구는 차세대 리튬이차전지로 불리는 리튬황전지의 상용화에 이바지할 수 있는 발판이 될 것으로 기대된다.
이번 연구에 사용된 TEM은 물질에 전자빔을 통과시켜 내부를 관찰하는 장비로, 원자 수준에서 일어나는 현상을 관찰할 수 있어 그래핀을 비롯한 다양한 소재 연구에 꼭 필요하다.
이 장비로 배터리 내부를 보려는 시도는 2010년부터 시작됐다. 당시 KAIST 박사과정 연구원이던 이 교수는 우연히 TEM과 인연을 맺었다가 이 분야 전문가가 됐다.
이 교수는 "TEM은 10억원이 넘는 비싼 장비라 미국에서도 국가연구소와 일부 대학에만 있다"며 "KAIST에서 TEM를 다뤄봤던 경험이 스탠퍼드대에서 박사후연구원을 할 때까지 자연스레 이어졌고, 지금은 실시간 TEM이 특기가 됐다"고 말했다.
실시간 TEM으로 배터리 충·방전을 보는 건 쉽지 않다. 장비가 갖춰져도 원하는 장면과 각도를 맞추기 위해서는 수많은 노하우가 필요하다.
이 교수는 "엑스레이(X-ray)로 환자 몸을 진단하면 처방이 명확해지는 것처럼 실시간 TEM으로 배터리 내부에서 일어나는 현상을 보면 수명이나 출력, 용량 등의 연구를 더 효과적으로 할 수 있다"며 "이차전지 연구에 특화된 UNIST는 최첨단 TEM 장비를 7대나 확보해 이 분야 연구를 적극적으로 지원하고 있다"고 했다.
이 교수는 앞으로 배터리 물질 개발과 더불어 배터리 이미징 시스템(배터리 내부를 관찰하는 장치 전반) 연구도 이어갈 계획이다.
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