중성자와 X-선 단층 촬영으로 리튬 배터리 노화 원인 규명

문광주 기자 / 기사승인 : 2020-02-12 11:33:47
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중성자 단층 촬영을 통해 리튬 이온의 이동을 직접 관찰하고 시간이 지남에 따라 배터리 셀의 전해질 분포가 어떻게 변하는 지 확인. 롤배터리의 디자인 설계 개선에 획기적 도움 줄 것.

리튬 배터리 속, 눈에 띄지 않는 균열

리튬 배터리는 몇 번의 충전주기를 거치면 변형과 결함이 발생해 성능에 문제가 생긴다.
연구원들이 이제 미세 구조에서 배터리가 손상된 곳을 볼 수 있게 되었다.
그들은 실제로 두루마리 파피루스를 가상으로 풀기 위해 고안된 과정을 사용한다.

이 결과가 롤배터리 디자인을 개선하는 데 도움이 될 수 있을 것으로 보인다.

▲ 중성자는 전해질 부족 (노란색 화살표)으로 인해“건조한”영역과 리튬이 상당히 감소된 영역 (파란색 화살표)을

   보여준다. © T.Arlt, I. Manke/HZB, R. Ziesche/UCL 

 

2019년 노벨 화학상이 리튬이온-배터리의 아버지에게 갔을 때, 이러한 전력 저장 장치가 스마트 폰, 노트북 배터리 또는 전기 스쿠터 형태로 일상 전기장치에 얼마나 많이 들어 있는지 알게 됐다.

리튬 이온 배터리는 저장 밀도가 높지만 과열되거나 폭발 할 수 있다. 또한 시간이 지남에 따라 충전 용량이 손실된다. 버튼 셀로 사용되는 비 충전식 리튬 배터리에도 동일하게 적용된다. 

런던 칼리지 대학교(University College London)의 랄프 지세(Ralf Ziesche)가 이끄는 국제 연구팀은 중성자 및 X-선 단층 촬영을 사용해 소형 리튬 배터리의 성능을 개선시키는 데 어떤 프로세스가 도움이되는지 조사했다.

 

높은 저장 용량과 빠른 배터리 충전을 위해서는 넓은 전극 영역이 필요하다.

이것은 일반적으로 배터리 내부의 얇은 층으로 서로 전극을 감싸서 달성된다.

 

중성자를 통해 리튬 엿보기

 

연구팀은 X-선 단층 촬영을 이용해 먼저 전극의 미세구조를 분석하고 충전 및 방전 중에 어떤 기계적 변형과 균열이 발생하는지 관찰했다. 연구원들의 표현에 따르면, 리튬과 같은 가벼운 원소들의 대비(contrast)는 X-선 단층 촬영에서 특히 두드러지지 않기 때문에 이러한 과정에서 리튬의 정확한 분포를 관찰하기 위해 다른 기술이 필요했다.

베를린 헬름홀츠 센터(Helmholtz Center Berlin)의 지세(Ziesches) 동료인 인고 만케(Ingo Manke)는 “반대로, 중성자 단층 촬영을 통해 리튬 이온의 이동을 직접 관찰하고 시간이 지남에 따라 배터리 셀의 전해질 분포가 어떻게 변하는 지 확인할 수 있었다."고 설명한다.

 이 팀은 베를린 헬름홀츠 센터와 그르노블의 중성자 소스에서 이러한 분석에 필요한 데이터를 얻었다.

파피루스 및 배터리에 대한 동일한 알고리즘

 

그러나, 단층 촬영 데이터로부터 명확한 그림을 얻기 위해, 팀은 서로 감싸인 배터리의 전극을 사실상 "풀리게"해야했다. 이를 위해 원래 완전히 다른 목적으로 개발된 알고리즘을 사용한다. “이 알고리즘은 원래 파피루스 롤의 가상 풀기를 위해 고안됐다. 그것은 소형 배터리에서 무슨 일이 일어나고 있는지 정확히 알아내는 데 사용될 수 있다"고 Manke는 설명했다. Manke의 동료 인 코비아스 아를트(Tobias Arlt)는 “우리는 이 알고리즘을 상용 리튬 배터리에 처음으로 적용하고 몇 가지 피드백 단계에서 이를 최적화했다.”고 말했다.

▲ 컴퓨터에서 가상으로 보는 절단된 배터리의 3D 모습. © T.Arlt, I. Manke/HZB, R. Ziesche/UCL


3D 이미지로 보는 수많은 균열

이러한 방법의 조합으로 연구원들은 처음으로 배터리 노화의 전형적인 징후를 3차원 단면 이미지로 시각화 할 수 있었다. 그 중에서도 내층은 바깥쪽 굽은면과 완전히 다른 전기 화학적 활성을 가지고 있음을 보여주었다. 배터리의 상단과 하단 층도 다르게 동작한다.

중성자 단층 촬영을 사용한 분석에서도 전해질이 훨씬 적은 섹션이 나타났다.
이것은 관련 섹션의 성능을 심각하게 제한했다. 양극은 모든 곳에서 리튬으로 완전히 충전 및 방전되지 않았다. 리튬은 망간산화물(MnO2)로 만들어진 캐소드 물질의 층에 부분적으로 증착됐으며, 이는 배터리의 충전 용량을 크게 손상시켰다.

그들의 결과와 개발한 방법은 장차 저장 디자인을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다.
“개발된 프로세스를 통해 배터리가 부족한 곳을 조사하고 성능 손실이 있는 위치와 이유를 분석 할 수 있는 고유한 도구가 있다. 롤 배터리의 설계를 개선하기 위해 특정 정보를 얻을 수 있다”고 만케(Manke)는 말했다.
(Nature Communications, 2020, doi : 10.1038 / s41467-019-13943-3)
출처 : Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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