KAIST 연구진이 배터리 내부에서 관측된 이온 이동 신호가 실제 이온의 움직임이 아닌 표면의 미세한 굴곡에 의한 착시임을 밝혀내면서, 배터리 분석 기술에 중요한 전환점을 제시하고 있습니다. 이번 연구는 차세대 배터리 소재 개발과 분석 기준에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.
배터리의 충전·방전 과정에서 리튬이나 나트륨 이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 에너지를 저장하고 방출하는 원리는 잘 알려져 있지만, 이온의 이동 속도와 경로를 정확히 파악하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 특히, 원자힘현미경(AFM)을 기반으로 한 전기화학 변형 현미경(ESM)을 활용한 나노3,015원 ▼-1.47% 분석에서는 표면의 미세한 형상 변화가 이온 이동 신호로 오인될 가능성이 존재했습니다.
연구진은 이 문제를 해결하기 위해 표면에 인위적으로 미세 홈을 만든 단결정 실리콘을 대상으로 실험을 수행했습니다. 이 실험은 이온 이동이 없는 환경에서 표면 높낮이 변화가 ESM 신호에 미치는 영향을 분석하는 것으로, 표면 굴곡만으로도 이온 이동 신호와 유사한 신호가 발생한다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 배터리 내부에서도 표면의 미세한 높낮이 차이로 인해 잘못된 해석이 이뤄질 수 있다는 점을 시사합니다.
실제 배터리 소재 분석에서도 유사한 결과가 관측되었으며, 흑연 음극과 나트륨 고체전해질인 Na₂Zn₂TeO₆를 대상으로 한 실험에서는 표면 형상에 따라 ESM 신호가 달라지는 현상이 확인됐습니다. 이는 측정 오류가 특정 소재에 국한된 것이 아니라, 다양한 배터리 소재에서 공통적으로 발생할 수 있는 문제임을 의미합니다.
연구팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 아르곤 이온 빔을 활용한 냉각식 단면 연마기(CCP)를 이용, 배터리 소재 표면을 최대한 평평하게 가공하는 방법을 제시했습니다. 이 공정을 통해 표면의 거칠기를 크게 줄이고, 측정 오류를 효과적으로 낮출 수 있음을 입증하였으며, 이는 향후 배터리 내부 이온 이동 경로를 보다 정확히 파악하는 데 중요한 기술적 진전이 될 것입니다.
특히, 배터리 성능을 결정하는 핵심 부위인 입계(결정 간 경계)의 신호 분석에서도 표면 평탄화 작업의 효과가 드러났습니다. 기존에는 입계에서 강하게 나타나는 신호를 이온이 빠르게 이동하는 통로로 해석했으나, 표면을 평평하게 만든 후에는 이러한 신호 강도가 사라졌습니다. 이는 표면의 높낮이 차이로 인한 측정 오류였던 셈이며, 기존 분석 결과를 재검증할 필요성을 제기하고 있습니다.
이번 연구는 배터리 소재의 나노 분석에서 표면 지형이 신호에 미치는 영향을 정확히 구분하는 것이 얼마나 중요한지 보여준 사례입니다. 또한, 표면 평탄화 기술을 활용하면 측정 신뢰도를 높일 수 있으며, 이온의 실제 이동 영역과 정체 구간을 명확히 구분할 수 있게 됩니다. 이러한 정밀 분석은 차세대 배터리 개발에 필수적인 데이터와 인사이트를 제공할 것으로 기대됩니다.
연구팀은 이번 연구 성과를 바탕으로, 리튬이온전지뿐만 아니라 전고체전지, 나트륨이온전지 등 다양한 배터리 기술의 내부 작동 원리 규명에 활용할 계획입니다. 더불어, 정확한 나노 수준 분석 데이터를 인공지능과 머신러닝에 접목하면, 신소재 개발 과정에서의 예측 정확도가 크게 높아질 것으로 예상됩니다.
홍승범 교수는 “이번 연구는 배터리 소재를 나노 수준에서 분석할 때 표면 높낮이가 측정 결과에 미치는 영향을 명확히 밝혀낸 것”이라며, “이온의 움직임을 보다 정밀하게 파악해 차세대 배터리 소재 설계와 성능 향상에 기여할 것”이라고 밝혔습니다. 이번 연구 결과는 2026년 6월 11일, 국제학술지 ‘Small Methods’에 게재되었으며, 배터리 연구와 나노기술 분야에 중요한 기준점이 될 전망입니다.
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