[대전타임뉴스=홍대인 기자] 충남대학교 유기재료공학과 진형민 교수팀과 고려대-KIST 윤영수 교수팀이 공동연구를 통해 중성자/X선 소각산란을 이용해 이차전지 전극소재에 존재하는 나노크기의 기공을 정량 분석할 수 있는 기술개발에 성공했다.

충남대 진형민 교수는 해당 나노기공 정량 분석법을 활용해 리튬이차전지용 단결정 Ni-rich NCM 양극재 내 나노기공결함을 분석해 낸 데 이어, 차세대 나트륨전지용 하드카본(Hard Carbon) 음극재에서 나트륨이 저장되는 나노기공의 크기 및 비부피를 성공적으로 분석해 냈다.

이번 연구는 에너지 분야 세계적 학술지 ‘Energy & Environmental Science’(IF: 32.5, JCR 상위 0.4%) 3월 온라인판에 게재됐다.

※ 논문 제목: Design guidelines for a high-performance hard carbon anode in sodium ion batteries

소재 내에 존재하는 기공은 형태에 따라 크게 외부에 노출된 열린기공(Open pore)과 소재 내부에 고립돼 존재하는 닫힌기공(Closed pore)으로 구분할 수 있으며 소재 응용 분야에 따라 중요하게 고려해야 할 기공의 종류가 달라진다.

예를 들어 소재의 표면반응이 중요한 촉매나 슈퍼캐퍼시터 등의 경우 표면에 노출돼 있는 열린기공이 주요한 역할을 하므로 열린기공만 분석해도 충분할 수 있다. 하지만 대표적인 이차전지 양극재 소재인 단결정 Ni-rich NCM의 경우 내부에 존재하는 닫힌기공 형태의 나노기공결함이 충·방전 과정에서 균열의 시작점이 될 수 있으므로 이를 분석하고 억제할 수 있는 기술을 개발하는 것이 중요하다.

문제는 소재에 존재하는 나노기공을 분석하기 위해 일반적으로 사용하는 기술인 기체흡탈착법(Gas absorption-desorption method)은 흡·탈착하는 기체가 드나들 수 있는 열린기공만 탐지할 수 있어서 근본적으로 닫힌기공을 포함 총 기공 분석이 불가능하다.

연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 X-선/중성자 소각산란기술을 활용했다. 소각산란기술은 소재에 X선 혹은 중성자선을 투과시켜 발생하는 소각영역(low-angle)의 산란패턴을 관찰해 1-300nm 크기의 나노구조를 분석하는 기술이다. 소재를 투과하며 데이터를 획득하기 때문에 열린기공은 물론 닫힌기공까지 포함한 소재 내 총 기공의 크기분포 및 기공률을 정량분석 할 수 있는 고도분석 기술이다.

고려대-KIST 윤영수 교수연구팀과 공동으로 진행된 이번 연구에서 진형민 교수는 나트륨이차전지에서 음극재로 쓰이는 하드카본의 특이적으로 높은 저장용량을 규명하기 위해 나노기공분석법을 바탕으로 나트륨이온의 저장위치로 예상되는 나노기공의 크기분포 및 총 기공도를 성공적으로 분석했으며, 실제 나노기공의 비부피와 나트륨이온의 저장용량이 상관관계를 가짐을 확인했다.

이번 연구에서 미세결함(기공)의 정량 분석을 주도한 진형민 교수는 “소각산란을 활용한 정량기공 분석은 1-300nm 범위의 기공을 갖는 모든 소재의 분석이 가능하며, 닫힌기공을 포함한 모든 기공의 정량분석이 가능한 강력한 분석법으로, 이차전지 소재 외에 low-k 반도체 소재, 열 절연재, 세라믹 및 금속 소결체 등 기공이 주요한 역할을 하는 여러 산업군에서 난제해결을 위해 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다"라고 밝혔다.