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울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이현욱 교수팀과 한양대 에너지공학과 정윤석 교수팀은 '황(S)화합물 고체 전해질' 구조를 원자 단위에서 관찰하는 데 성공함.

리튬 이온 배터리에서 이온이 지나는 통로인 전해질은 주로 액체 상태임. 액체 전해질은 폭발 위험성이 크다는 단점이 있어 더 안전한 고체 전해질 개발하려는 시도가 많았음.

전고체전지는 배터리 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체, 배터리 구성요소가 모두 고체로 이뤄지는 차세대 배터리임. 폭발이나 화재 위험이 없고, 고용량 배터리를 구현할 수 있다는 장점이 있음.

그러나 고체 전해질에는 원자들이 미로처럼 빼곡히 쌓여 이온이 잘 다니지 못한다는 단점이 있음. 이렇게 이온 전도도가 낮으면 배터리 용량과 수명이 떨어져 좋은 배터리가 되지 못함.

이를 해결하려면 고체 전해질의 복잡한 내부 구조를 분석해 이온이 지나는 길을 정확히 알아야 함. 그런데 다른 물질보다 이온 전도도가 높아 고체 전해질로 적합한 황화합물은 전자현미경으로 분석하기가 어려웠음. 황이 전자현미경이 내뿜는 전자빔에 취약해 간접적 방법으로만 내부 구조를 봐야 했음.

연구진은 황화합물 고체 전해질을 직접 관찰하고자 '극저온 투과전자현미경 분석법'을 도입했음. 이 분석법은 살아있는 세포나 미생물을 관찰하는 방법인데, 이를 배터리 물질 분석에 최초로 적용한 것임.

액체질소를 이용해 시편(분석에 쓰인 조각)을 영하 170도로 순간 냉각하면, 높은 에너지를 갖는 전자빔을 쏘아도 시편이 손상되지 않게 됨. 이때 시료는 대기와 닿지 않게 보호하는 '대기 비개방 분석법'을 활용했음.

연구진은 다양한 성분을 조합한 황화합물을 합성하고, 열처리 온도를 다르게 한 뒤 이온 전도도를 측정했음. 이 중 이온 전도도가 가장 높은 물질을 극저온 투과전자현미경 분석법으로 관찰하자 '육각형 모양의 원자 배열'이 확인됐음. '대기 비개방 극저온 전자현미경 분석법'이라는 새로운 기법으로 기존에 분석할 수 없었던 물질을 이해하게 된 것임.

이 교수는 "공기와 접촉을 차단하고 물질 손상을 막는 기법이어서 반응성이 높은 리튬 이온 배터리의 다른 구성요소를 관찰하는 데도 적극적으로 응용될 것"이라며 "이는 가까이 이차전지 산업에 교두보 역할을 하고, 나아가 바이오와 재료과학 산업의 발전에 이바지할 것"이라고 함.

본 연구 성과는 ‘Nano Letters’ 지에 게재됨