이현욱 유니스트 교수 <사진=최홍석 PD>
“배터리는 안정성, 효율성 연구가 핵심
소재 최적화, 원자 수준에서 관찰해야 ”
차세대 배터리 연구개발(R&D)의 가장 큰 줄기는 두 가지다. 하나는 안정성 확보이고, 또 하나는 에너지 효율 향상이다.
특히 안정성은 배터리 폭발 위험에 대한 사회 관심이 높아지고, 수명 연장에 대한 욕구도 크게 증가하면서 가장 중요한 연구과제로 부상했다.
이현욱 유니스트 교수는 전자현미경을 사용해 원자 수준까지의 고해상도 이미지로 배터리 재료의 미세구조 변화를 정밀하게 연구해왔다. 그는 “배터리의 충전과 방전과정에서 발생하는 미세한 변화를 관찰함으로써 배터리 성능을 향상시키고, 수명을 연장하는 필수적인 정보를 확보할 수 있다”고 말했다.
이 교수는 배터리 고장과 수명 감소의 원인으로 “재료의 균열과 같은 물리적 손상, 화학적 반응의 불안정성 등 다양한 요인이 작용한다”고 설명했다. 특히 실리콘 음극재의 문제점은 배터리 충방전 과정에서 부피 팽창으로 인한 균열이 발생한다며 실리콘 음극재 입자크기를 200나노미터 이하로 제어함으로써 팽창을 최소화할 수 있다고 강조했다.
이 교수는 리튬황 배터리 연구에서 출발하여 현재는 배터리가 충전과 방전되는 과정에서 겪는 미시적 변화를 실시간으로 관찰하는 연구를 진행하고 있다.
2009년 대학원 시절부터 관련 연구를 시작한 이 교수는 특히 2013년부터 미국 스탠포드 대학에서 실시간 변화 관찰 연구를 본격화했다. 이 연구는 전자현미경을 이용해 배터리 소재의 원자 단위 변화를 관찰하며, 이는 국내에서는 거의 최초의 시도로 알려져 있다.
이 교수는 “배터리 소자가 고장 나는 부분을 정확히 이해하면, 보다 내구성이 강하고 효율적인 배터리를 개발할 수 있다”고 말했다. 이를 위해 그는 투과전자현미경과 같은 고배율 현미경을 사용해, 충전과 방전 과정에서 배터리 소재가 겪는 미세한 변화를 집중적으로 분석하고 있다.
이 교수는 실리콘 음극재의 경우 특정 크기 이하에서는 부피 팽창이 적어 깨지지 않는다는 중요한 발견을 했으며, 이러한 발견은 배터리 제조업체들에게 큰 영향을 미치고 있다고 전했다.
그는 “높은 에너지 밀도를 제공하는 리튬 메탈 배터리의 경우 수지상 성장과 같은 불안정성으로 상용화에 어려움을 겪고 있다”면서도 상용화 가능성에 대해서도 낙관적인 견해를 보였다.
이 교수는 배터리 연구에서 가장 큰 도전과제는 “안전하고 효율적인 배터리 소재의 개발과 최적화”라고 강조했다.
Q: 배터리의 실시간 분석 연구의 중요성은 무엇인가요?
A: 실시간 분석을 통해 배터리의 충전과 방전 과정에서 발생하는 미세한 변화를 관찰함으로써 배터리의 성능을 향상시키고 수명을 연장하는 데 필수적인 정보를 제공할 수 있습니다.
Q: 전자현미경을 이용하여 배터리를 분석하는 이유는 무엇인가요?
A: 전자현미경을 사용하여 원자 수준까지의 고해상도 이미징을 통해 배터리 재료의 미세 구조 변화를 정밀하게 관찰할 수 있기 때문입니다.
Q: 배터리 연구에서 실리콘 음극의 문제점은 무엇이며, 이를 어떻게 해결할 수 있나요?
A: 실리콘 음극의 주요 문제점은 부피 팽창으로 인한 균열 발생입니다. 이는 입자 크기를 200나노미터 이하로 제어함으로써 부피 팽창을 최소화할 수 있습니다.
Q: 배터리 충전과 방전 과정은 어떻게 일어나나요?
A: 충전 시, 양극에 있는 리튬이 음극으로 이동하며, 방전 시에는 음극에 있던 리튬이 양극으로 이동합니다.
Q: 배터리의 고장과 수명 감소의 원인은 무엇인가요?
A: 배터리의 고장과 수명 감소는 재료의 균열과 같은 물리적 손상, 화학적 반응의 불안정성 등 다양한 요인에 의해 발생합니다.
Q: 리튬 메탈 배터리의 장점과 현재 기술적 어려움은 무엇인가요?
A: 리튬 메탈 배터리는 높은 에너지 밀도를 제공하는 장점이 있으나, 수지상 성장과 같은 불안정성으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있습니다.
Q: 배터리 연구에서 전고체 배터리의 현황과 전망은 어떠한가요?
A: 전고체 배터리는 더 높은 안전성과 성능을 제공할 잠재력이 있지만, 상용화에 필요한 일부 기술적 문제들을 해결해야 합니다.
Q: 대학에서의 배터리 연구와 산업계에서의 배터리 연구의 차이점은 무엇인가요?
A: 대학 연구는 기본 원리와 새로운 현상에 초점을 맞추는 반면, 산업계 연구는 제품 개발과 기술적 문제 해결에 더 집중합니다.
Q: 배터리 연구에서 가장 기억에 남는 실험은 무엇이었나요?
A: 리튬 메탈 합금화 연구에서 예상치 못한 결과를 얻었던 실험이 가장 기억에 남습니다.
Q: 배터리 연구의 궁극적인 목표는 무엇인가요?
A: 배터리 연구의 궁극적인 목표는 더 높은 성능과 안전성을 갖춘 배터리를 개발하여 에너지 저장 기술을 향상시키는 것입니다.
Q: 배터리 연구에 있어서 가장 큰 기술적 도전은 무엇인가요?
A: 가장 큰 도전 중 하나는 안전하고 효율적인 배터리 소재의 개발 및 최적화입니다.
Q: 배터리 연구의 사회적 중요성은 무엇인가요?
A: 배터리 기술은 재생 가능 에너지의 효율적인 저장을 가능하게 하여 환경 지속 가능성에 중요한 역할을 합니다.
Q: 배터리 연구에서 현재 집중되고 있는 새로운 기술이나 재료는 무엇인가요?
A: 실리콘 음극재, 전고체 전해질, 리튬 메탈 음극 등이 현재 연구의 주요 대상입니다.
Q: 배터리 연구에 있어서 기업과 대학의 협력의 중요성은 어떻게 평가하나요?
A: 기업과 대학의 협력은 기술 혁신을 가속화하고 실용적인 해결책을 개발하는 데 있어 핵심적인 역할을 합니다.
정리_장현민 PD gnzhyunmin@thelec.kr