KIC News, Volume 17, No. 6, 2014
KIC News, Volume 17, No. 6, 2014 53
JST, 전지 재료 표면의 충방전 특성을 나노 수준에서 시각화 - 고속 충방전, 장수명 리튬 이온 2차 전지 개발이 기대 -
일본 JST 첨단계측분석기술⋅기기개발 프로그램의 일환으로 토호쿠대학(東北大学) 원자분자재료과학고 등연구기구의 마츠에 토모카즈(末永智一) 교수, 타카하시 야스후미(高橋康史) 조교, 쿠마타니 아키치카(熊 谷明哉) 조교 등의 개발팀은 전지 재료 표면의 충방전 특성을 나노 수준에서 연속적으로 측정하여 영상으 로 가시화하는 ‘나노전기화학전지현미경(NanoSECCM)’의 개발에 성공했다.
리튬 이온 2차 전지의 양극은 혼합 재료로 되어 있어 전극 내부의 특성이나 전극 표면 구조가 불균일하 여 전지의 성능에도 영향을 준다. 이러한 불균일성을 나노 수준에서 시각화하고 그 형성 원인이 해명되면 고속으로 충방전이 가능한 장수명 전지의 개발로 이어질 것이라 생각되었다. 그러나 기존의 전기화학측정 법에서는 시료 전체를 전해액에 담가야 했기 때문에 높은 공간⋅시간 분해능으로 국소적인 충방전 특성을 평가하는 것이 곤란했다.
새로 개발한 나노전기화학전지현미경(NanoSECCM)에서는 굵기 수 10 nm의 피펫(pipette)에 전해액을 충전한 후 피펫 끝부분을 전지 재료 표면에 접근시킨다. 일정거리까지 접근시키면 그들 사이의 작은 틈이 전해액에 의해서 연결되어 국소적으로 전기 화학 반응이 일어나는 장을 형성한다. 연구진은 이 기술을 통 해 리튬의 삽입⋅분리에 따른 전류 등의 국소적인 전기 화학 계측을 가능케 했다(Figure).
한편, NanoSECCM을 이용해 시판 중인 리튬 이온 2차 전지의 전극 재료를 측정하여 나노 수준의 공간 분해능으로 10밀리 초 간격으로 연속적으로 영상화하는 데 성공했다. 이는 전극 표면의 충방전 특성을 나 노 수준에서 세계 최초 시각화한 것으로, 향후 고기능 리튬 이온 2차 전지 개발 지침을 제시할 것으로 기대 된다.
본 성과는 2014년 11월 17일 영국 과학지 Nature Communications 온라인 판에 게재되었다(※ 발표논 문 참조).
※ 발표논문 : Yasufumi Takahashi, Akichika Kumatani, Hirokazu Munakata, Hirotaka Inomata, Komachi Ito, Kosuke Ino, Hitoshi Shiku, Patrick R. Unwin, Yuri E. Korchev, Kiyoshi Kanamura, & Tomokazu Matsue, “Nanoscale visualisation of redox activity at Lithium ion battery cathodes”, Nature Communications, 17 November 2014.
DOI : 10.1038/ncomms6450
http://www.ksiec.or.kr
54 공업화학 전망, 제17권 제6호, 2014
Figure. 나노전기화학전지현미경의 계념도.
전해액을 충전한 나노 피펫과 전지 재료 표면 사이에서 전지 구조를 모방한 전기 화학 셀을 형성한다. 이것으로 국소적인 충방전 특성을 평가할 수 있다. 또 나노 피펫을 주사(走査)함으로써 전지의 충방전 특성을 가시화할 수도 있다.
출처 : 2014.11.17. JST(http://www.jst.go.jp/pr/announce/20141117/index.html#YOUGO1) 작성 : 허 훈(한국생산기술연구원)
