X선 토모그래피로 전고체 배터리 충방전 내부 역학 실시간 관찰

모바일 전자기기부터 전기차까지 널리 쓰이는 리튬이온 배터리는 충방전 사이클 동안 전극 사이를 오가는 이온을 운반하기 위해 액체 전해질에 의존합니다. 액체는 전극을 균일하게 코팅해 이온의 자유로운 이동을 허용합니다.

전고체 배터리의 과제

급속히 진화하는 전고체 배터리 기술은 대신 고체 전해질을 사용해 향후 배터리의 에너지 밀도 향상과 안전성 개선을 기대합니다. 하지만 전극에서 리튬이 제거되면 계면에 보이드(void)가 생성돼 신뢰성 문제를 일으키며, 배터리 수명을 제한합니다.

운반도 싱크로트론 X선 마이크로토모그래피로 내부 관찰

연구진은 X선 토모그래피를 사용해 충방전 중 전고체 리튬 배터리 내 소재의 내부 진화를 관찰했습니다. 상세한 3차원 정보는 기존 리튬이온 배터리의 인화성 액체 전해질을 고체 소재로 대체하는 배터리의 신뢰성과 성능 개선에 도움이 될 수 있습니다.

운반도 싱크로트론 X선 컴퓨터 마이크로토모그래피 이미징은 리튬/고체전해질 계면에서 전극 소재의 동적 변화가 전고체 배터리 거동을 어떻게 결정하는지 밝혀냈습니다. 연구진은 배터리 작동으로 계면에 보이드가 형성돼 접촉 손실이 발생하며, 이것이 셀 실패의 주원인임을 발견했습니다.

실험 설계 및 향후 과제

팀은 폭 약 2mm 특수 테스트 셀을 제작해 5일간 배터리 구조 변화를 연구했습니다. 테스트 장비는 여러 방향에서 이미지를 촬영했고, 컴퓨터 알고리즘으로 재구성해 시간에 따른 배터리 3D 이미지를 얻었습니다.

리튬이 매우 가벼워 X선으로 이미징하기 어렵고 특수 테스트 배터리 셀 설계가 필요했습니다. 이 기술은 의료용 CT 스캔과 유사합니다. 테스트 제한으로 배터리 구조를 단일 사이클만 관찰할 수 있었습니다. 향후 추가 사이클에서 구조가 보이드 생성과 충전에 어떻게 적응하는지 확인하고 싶습니다. 결과는 다른 전해질 제형에도 적용 가능할 것이며, 특성화 기술은 다른 배터리 공정 정보 획득에도 활용될 수 있습니다.

전기차 배터리 팩은 예상 15만 마일 수명 동안 최소 1,000 사이클을 견뎌야 합니다. 리튬 금속 전극 전고체 배터리는 주어진 크기로 더 많은 에너지를 제공할 수 있지만, 기존 기술과 비교 가능한 수명을 제공하지 못하면 이 장점을 살릴 수 없습니다.