EC-AFM은 나노스케일 해상도 제공하는 분석적 특성화 기법

배터리 성능과 안정성을 수명 전반에 걸쳐 유지하기 위해서는 테스트가 필수적이다. 이를 위해 물리적 시험부터 물리 기반 모델과 같은 이론적 모델링까지 다양한 진단 방법이 활용된다. 배터리가 고도화되고 충전 수준이 높아질수록 안전성과 성능을 뒷받침하는 근본적인 메커니즘을 이해하는 것이 그 어느 때보다 중요하다.

이러한 메커니즘을 이해하려면 원자 또는 나노스케일 수준에서 배터리 소재를 관찰해야 한다. 미세한 변화가 전체 배터리에 누적되면 거시적 차원에서 성능과 수명에 큰 영향을 주기 때문이다. 배터리의 특성을 나노스케일에서 직접 탐구할 수 있는 방법은 한정되어 있으며, 그중 하나가 전기화학 원자간력현미경(EC-AFM)이다.



AFM이란 무엇인가?

원자간력현미경(AFM, Atomic Force Microscopy)은 주사 탐침 현미경(SPM) 기법에 속하는 분석적 특성화 기술이다. AFM에서는 나노스케일 피라미드 형태의 탐침(프로브)이 장착된 캐니틸레버를 시료 위로 주사하여 표면의 형상을 나노미터 해상도로 측정한다.

AFM 장비는 프로브와 표면 사이의 힘을 감지해 표면의 지형(topology)뿐만 아니라 전기적, 기계적, 열적 특성에 관한 데이터를 얻는다. 프로브는 측정 과정에서 시료 표면을 실제로 두드리며 스캔한다. 팁이 시료 표면에 가까워지면 분자 간 인력이 작용해 캐니틸레버가 표면 쪽으로 끌려가며 접촉이 일어난다. 이때 캐니틸레버가 움직이면 레이저 빔이 반사되어 위치 민감 포토다이오드(PSPD)에 도달하고, PSPD는 이러한 위치 변화를 감지한다. 피드백 루프는 전체 시료의 가로·세로 데이터를 조합해 지형도와, 필요하다면 특정 물성에 대한 맵을 생성한다.

EC-AFM이란 무엇인가?

EC-AFM은 AFM의 특수한 형태로, 배터리 소재의 형태학적 특성을 보다 정밀하게 분석하고, 운전 중 배터리의 기계적·화학적·물리적 특성이 어떻게 변화하는지에 대한 통찰을 제공한다.

EC-AFM 측정은 기준 전극과 보조 전극을 포함한 액체 전해질 환경에서 수행되며, 이는 전기화학 셀을 모사해 실제 운전 조건을 반영한 소재 분석을 가능하게 한다. 또한 측정 중에는 수분이나 산소가 결과에 영향을 주지 않도록 장비를 아르곤 가스로 채운 챔버 안에 배치한다.

EC-AFM은 독립적인 AFM 기법이지만, 기존 AFM과 달리 세 가지 모드에서 운용할 수 있다.

- Ex situ: 전기화학 셀 외부에서 배터리 소재의 물리적·전기화학적 특성을 특성화한다.
- In situ: 배터리 셀 내부에서 소재를 분석하지만, 실제 구동 중에는 측정하지 않고 충·방전 전후의 전극 특성을 파악한다.
- Operando: 배터리가 실제 동작하는 동안 소재를 이미징하고 전기화학적 측정을 수행해 성능에 대한 직접적이고 실시간의 통찰을 제공한다.

배터리 테스트에서 EC-AFM의 활용

EC-AFM은 일반적인 소재 특성(예: 균열 가능성)이나 전기적 특성 정보를 얻는 것에 더해, 배터리 운전 과정과 분자 수준 메커니즘이 어떻게 작동하는지를 규명할 수 있다. 이를 통해 다양한 기계적 특성을 분석할 수 있으며, 여기에는 고체 전해질 계면(SEI)과 양극-전해질 계면(CEI) 층의 형성, 일부 음극 소재의 부피 팽창과 열화, 그리고 수지상 형성과 같은 현상이 포함된다. 

운전(operando) 모드의 EC-AFM은 셀 자체의 특성을 분석하고, 음극·양극·전해질의 성질과 메커니즘에 관한 핵심 정보를 제공한다.

- 음극(Anode): SEI 층 특성화, 부피 변화 감지, 수지상 형성 분석, 전도상 분석, 금속 이온의 저장 및 삽입 능력 평가
- 양극(Cathode): 표면 열화, 이온 확산, CEI 메커니즘 이해, 중간 분자의 나노스케일 해상도 감지
- 전해질(Electrolyte): 이온성 액체 전해질의 전기 이중층(EDL) 특성화, 고체 전해질 배터리에서 고체-고체 계면 분석


SEI와 CEI 특성화

배터리 수명의 첫 번째 사이클 동안 음극 표면에는 SEI(고체 전해질 계면) 피막층이 형성된다. 이 층의 형성은 배터리 내부의 다양한 분자 종(유기물과 무기물 모두)의 분해에 의해 유도된다.

SEI 층은 배터리에서 긍정적이면서도 부정적인 역할을 한다. 층이 형성되면 셀에서 비가역적인 용량 손실이 발생한다. 그러나 동시에 이 층은 장기 사이클 수명, 충·방전 속도 성능, 셀 내부 안전성을 보장하는 데 필수적이다. 따라서 SEI 층을 이해하고 음극-전해질 경계에서 그 특성을 제어하는 것은 배터리의 성능과 장기 안정성을 극대화하는 핵심 요소다. EC-AFM은 나노스케일과 분자 수준에서 SEI 층의 특성을 탐구할 수 있는 해상도를 갖추고 있어, SEI의 특성을 조정하고 배터리 성능을 향상시키는 데 중요한 도구로 활용된다.

양극에서는 EC-AFM을 활용해 CEI(양극 전해질 계면) 층과 양극 자체의 특성을 함께 분석할 수 있다. 이는 많은 배터리에서 양극이 성능을 제한하는 전극이 되는 경우가 많기 때문에 중요하다. 많은 양극 소재는 높은 전위에서 전해질 성분이 분해되어 양극 표면에 침전되면서 CEI 층을 형성할 수 있다. CEI의 구조와 특성을 이해하는 것은 양극 소재의 고전압 성능을 보장하는 데 핵심적이다. 또한 EC-AFM은 CEI 층의 형태학적·동적 진화 과정을 관찰해 층 형성 메커니즘에 대한 심층적인 통찰을 제공한다.

음극의 부피 변화와 변형 계산

금속 합금, 실리콘, 흑연과 같은 일부 음극 소재는 높은 비용량을 가진다. 이 가운데 흑연이 흔히 사용되는 이유는 다른 소재들이 더 높은 용량을 제공하더라도 흑연이 상대적으로 안정적이기 때문이다. 실리콘과 금속 합금 음극은 사용 중 부피 팽창을 일으켜 균열과 분말화를 초래하고, 이는 비가역적 용량 손실과 낮은 쿨롱 효율로 이어져 배터리 성능에 큰 영향을 미친다.

EC-AFM은 작동 중인 음극의 구조와 물성 변화를 시각화해 실제 배터리 시스템 내 전기화학적 환경을 보다 현실적으로 보여준다. 또한 이러한 부피 변화 동안 전해질–전극 계면에서의 상호작용을 연구할 수 있다. 이를 통해 음극의 구조적 진화와 SEI 층의 거동을 관찰해 충·방전 사이클 과정에서 전극 팽창과 용량 저하 현상을 명확하게 이해할 수 있다.

수지상 형상 연구

수지상 형성은 배터리의 안전성, 성능, 장기 내구성에 큰 영향을 미친다. 수지상은 충·방전 과정에서 불균일한 금속 박리와 석출로 인해 발생하며, 이는 불연속적인 SEI 층에서 비롯된다. 그 결과 쿨롱 효율과 사용 가능한 금속 이온의 수가 줄어들 뿐만 아니라 내부 단락, 열 폭주, 셀 화재까지 유발할 수 있다.

음극–전해질 계면에서 도금과 박리 과정 중 나타나는 계면 반응을 연구하는 것은 수지상이 어떻게 형성되는지를 이해하는 데 핵심적이다. 이러한 통찰은 향후 수지상 형성을 방지하고 궁극적으로 배터리 성능을 향상시키는 데 기여할 수 있다. 그러나 수지상은 빠르고 크게 성장하기 때문에 분석이 쉽지 않다.

전류 밀도를 제어하면 EC-AFM의 나노스케일 해상도를 활용해 수지상 형성 과정의 미세 변화를 밝혀낼 수 있다. EC-AFM은 특히 음극–전해질 계면에서 형태학적·기계적 특성을 규명하는 데 유용하며, 금속 이온의 핵생성과 같은 수지상 초기 성장 단계나 SEI 및 수지상의 미세 구조를 연구할 수 있다. 이러한 나노 수준의 통찰은 계면 소재를 최적화하고 수지상 형성을 방지하는 데 도움을 준다.

결론

EC-AFM은 나노스케일 해상도를 제공하는 분석적 특성화 기법이다. 표면을 직접 탐침함으로써 배터리 소재와 전기화학 셀 내 성능에 대한 물질적·표면적·전기화학적 통찰을 제공한다. 주요 특성 정보를 제공하는 것뿐만 아니라, 배터리의 성능과 장기적인 안정성을 좌우하는 근본적 메커니즘에 대한 이해도 가능하게 한다. 이처럼 미세한 수준에서 이미징과 특성 분석을 수행함으로써, EC-AFM은 기존 방법으로는 얻기 어려운 새로운 분석 결과를 제공하며 차세대 고급 배터리의 성능 향상에 기여한다.

(출처: TechArtTrends/stock.adobe.com; generated with AI)


 저자 소개 


리암 크리츨리(Liam Critchley)는 화학과 나노기술을 전문으로 다루는 작가이자 저널리스트이며 커뮤니케이터다. 그는 분자 수준의 기본 원리가 어떻게 다양한 응용 분야에 적용될 수 있는지를 탐구하며, 복잡한 과학적 주제를 과학자와 비전문가 모두가 이해할 수 있도록 알기 쉽게 설명하는 방식으로 잘 알려져 있다. 지금까지 화학과 나노기술이 교차하는 다양한 과학 분야와 산업 전반에서 350편이 넘는 기사를 발표했다.

그는 현재 유럽 나노기술산업협회(NIA)의 선임 과학 커뮤니케이션 책임자로 활동하고 있으며, 지난 몇 년간 전 세계 기업, 협회, 미디어 웹사이트를 대상으로 집필 활동을 이어왔다. 작가가 되기 전에는 나노기술을 접목한 화학과 화학공학에서 석사 학위를 취득했다.

글쓰기 외에도 미국 내셔널 그래핀 협회(NGA) 자문위원, 글로벌 조직인 나노테크놀로지 월드 네트워크(NWN) 자문위원, 영국 과학 자선단체 글램사이(GlamSci) 이사회 위원을 맡고 있다. 또한 영국 나노의학학회(BSNM)와 국제 첨단소재협회(IAAM) 회원이며, 다수의 학술 저널에서 논문 심사자로 활동하고 있다.