본문 바로 가기

로고

국내 최대 정보 기계·건설 공학연구정보센터
통합검색 화살표
  • 비디오카메라를 이용한 변위계측 시스템
  • M-Terview

    (연구자인터뷰)

    연구자인터뷰는 기계.건설공학 분야의 종사자의 추천 및 자체 선정을 통해 선발된 우수 연구진을
    직접 방문하여 연구 정보를 취합하여 제작하고 있습니다. 주변에 알리고자 하시는 분이 계시면
    연구자료 인터뷰 신청을 통해 신청해 주세요.

    • 임종우 박사
      휴대전화 배터리 충전 방전 원리 규명
      임종우 박사(Materials Science and Engineering, Stanford University)
      이메일:jwlim6 at stanford.edu
      장소:서면인터뷰
      2745 0 20

    스마트폰, 노트북, 전기차 까지 최신 전자기기엔 모두 리튬이온 배터리가 들어있습니다. 가령 스마트 폰을 사서 몇 달 쓰다 보면 처음보다 배터리가 더 빨리 닳게 되는 일 겪어 보셨을 텐데요. 리튬이온 배터리의 충전, 방전과정에서 수명이 줄어드는 정확한 이유는 그동안 파악되지 않았습니다. 이번 미국 스탠퍼드대 임종우 박사가 주도한 공동 연구에서는 입자가속기를 써서 배터리 입자 하나하나를 직접 관찰해 그 이유를 밝히는데 성공했다고 합니다. 로렌스 버클리 국립연구소 유영상 박사와 스탠퍼드대 소홍윤박사, 이상철 박사 등 한국 과학자들이 주도적으로 참여했다고 하는데요. 박사님의 인터뷰를 통해 연구에 대한 자세한 이야기 알아보도록 하겠습니다.


    1. 지금 박사님께서 하시고 계시는 연구에 대한 소개 부탁드립니다.

    저는 현재 입자가속기 (Synchrotron)을 이용하여 Li-ion Battery물질의 특성을 분석하는 일을 하고 있습니다. 주로 X-Ray Microscopy를 이용하는데요. 이를 통해서 Li-ion이 Battery물질내에 어떻게 위치해있는지, 실시간 Imaging을 통해서 관련 정보 연구하고있습니다.



    2. 과학지 사이언스에 실린 본문 내용과, 대표 논문 링크 부탁드립니다.

    Origin and hysteresis of lithium compositional spatiodynamics within battery primary particles, Jongwoo Lim*, Yiyang Li,*, Daan Hein Alsem, Hongyun So, Sang Chul Lee, Peng Bai5, Daniel A. Cogswell5, Xuzhao Liu,Norman Jin, Young-sang Yu6, Norman J. Salmon, David A. Shapiro, Martin Z. Bazant, Tolek Tyliszczak, William C. Chueh†
    Science  05 Aug 2016:Vol. 353, Issue 6299, pp. 566-571 DOI: 10.1126/science.aaf4914
    (http://science.sciencemag.org/content/353/6299/566)

    리튬이온 배터리 내부를 들여다보며 관찰한 결과가 논문에 실렸는데요.  충방전시, Li ion이 배터리 양극 물질에 들어가고 나오는 것이 공간적으로 매우 불균일하게 일어난다는 것을 밝혀냈습니다. 이 불균일함의 정도가 방전보다 충전시에 더 크다는 것과 그 원인을 찾아 냈습니다.



    3. 리튬이온 배터리 내부를 들여다보는데 성공하셨다고 들었습니다. 자세한 원리에 대한 설명 부탁드립니다.

    우선 X-ray Microscope에 대해서 설명을 해드려야할 것 같네요.  배터리물질은 충방전이 됨에 따라 Li과의 결합이 형성되거나 끊기게 됩니다. 이때 배터리 내부 전이금속 (Transition Metal)이 산화 환원반응을 일으키게 됩니다. LiFePO4를 예로 들면아래와 같습니다.  



    위 반응에서 Fe의 Oxidation State가 2+ 에서 3+로 바뀌는 것을 아실 수 있습니다. 이 Oxidation State이 변함에 따라 Fe원소의 X-ray 흡광도가 바뀌게 되며, 역으로 그 흡광도를 측정함으로서 Li의 양을 계산할 수 가 있습니다.

    하지만 배터리의 전극은 나노사이즈의 작은 파티클이 수억개가 모여서 이루어져 있는데요. 이럴 경우 배터리 전극이 너무 두껍고, 입자가 엉켜 있기 때문에 X-ray Miscroscope으로 입자 하나하나의 정보를 알아 내는 것이 매우 어렵습니다. 따라서 저희 팀은 작은 파티클 몇개 만을 전극내에서 겹치지 않고 흩뿌려 아주 작은용량의 배터리를 만들었습니다. 이때 사용한 배터리 케이스는 SiN(실리콘 나이트라이드) 윈도우이기 때문에 X-ray또한 잘 투과할 수 있었구요. 이렇게 특별히 제작한  배터리를 X-ray Microscope에 집어넣고, 배터리 작동을 하며 Li의 이동을 관찰 할 수 있었습니다.


    4. 기존 리튬이온 배터리의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있다고 하는데 어떤 방법으로 늘릴 수 있는 건가요?

     그부분은 현재 저희팀에서 계속 진행중입니다. 언론보도는 조금 과장된 것 같구요. 리튬이온이 배터리 입자에 들어갈때 입자는 팽창을 하게 됩니다. 만일 리튬 이온이 배터리 입자내부에 고르게 들어가지 않는다면, 리튬이 들어온 부분은 팽창을 하고, 아직 들어오지 않은 부분은 수축된 상태로 배터리 입자에 큰 Stress가 가해집니다. 그 Stress가 반복되거나 더욱 심해지면 부서지고,  결국은 수명이 단축됩니다. 저희는 배터리입자내 리튬이 빨리 들어가는 Fast Domain(지역)이 있다는 사실을 밝혀내고, 따라서 배터리 입자가 큰 Stress를 받는 다는 것을 밝혀냈습니다.  이런 Fast Domain과 Slow Domain의 원인을 찾아서 배터리 입자내에 그 차이를 줄여준다면, 배터리의 수명은 훨씬 더 늘어 날 것으로 기대됩니다.


    5. 입자가속기를 써서 배터리 입자 하나하나를 관찰하셨다고 하는데, 그동안 파악되지 않은 이유와 이 장비를 통해서 어디까지 확인이 가능한지?

    현재까지 다양한 X-ray Microscopy기술을 이용하여 배터리 내부를 관찰한 논문이 있습니다. 이번 논문에 같이 참석한 유영상 박사님의 논문도 한 예이구요. (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201402040/full) 기존에는 hard x-ray, 즉 매우 강한 에너지의 x-ray를 사용하였습니다. Hard X-ray의 장점은 투과율이 좋아 배터리 제작이 용이하다는 것입니다. 일반적으로 두꺼운 배터리케이스를 이용하여도 배터리 내부 전극물질까지 볼 수 있어서 많이 이용해왔지만 반대로 배터리 입자 하나에 x-ray가 흡수되는 정도가 적다는 단점이 있습니다. (흡광도가 낮음). 따라서 배터리 입자 하나 하나를 보는데에는 그만큼 어려움이 있었습니다.

    이번 연구에서는 약한 에너지의 soft x-ray를 이용하였습니다. Soft X-ray는 Hard X-ray에 비해 몇십배 높은 흡광도를 보입니다. 따라서 매우 미세한 변화까지도 잡아낼 수 있지요.  반대로 Soft X-ray는 투과율이 낮기 때문에 일반 배터리 케이스를 쓸 수 없어, 아주 얇은 SiN박막으로 새로운 배터리 케이스를 만들어야만 했습니다.  이런 Technical Difficulty때문에 기존에 실험하는데 어려움이 있었습니다.


    6. 연료 전지나 촉매 등 여러 가지로 활용이 가능한 부분이 많을 거 같습니다. 주로 어떻게 활용이 가능할까요?

    이번에 개발한 플래폼은, Ion Insertion을 통해서 Host Material의 성질이 변하는 모든 Electrochemical System에 적용이 가능합니다. Solid State Oxide Fuel Cell (SOFC)는 Oxygen Vacancy의 Insertion연구에 적용이 가능하다고 생각합니다.


    7. 이번 연구에 여러분이 공동으로 참여한 걸로 알고 있습니다. 어떤 분이 참여하셨으며, 연구에 어떤 역할을 하셨는지 소개해 주세요.


    스탠포드 항공학과의 소홍윤 박사는, 저와 UC Berkeley에서 비슷한 시기에 박사학위를 하며 친분이 있는데요. 이번연구에서 SiN박막 제작에 큰 도움을 주었습니다.

    스탠포드 재료공학과의 이상철박사는 전자현미경 전문가로서, 이번연구에 사용한 배터리 물질의 전자현미경 분석을 담당해주셨습니다.

    로렌스버클리국립연구소의 유영상박사는 이번에 사용한 X-ray Microscope 담당자중 한분으로서, X-ray Microscope Imaging 에 많은 공헌을 해주셨습니다.


    8. 매사추세츠공과대학(MIT), 로렌스버클리국립연구소 연구팀과 함께 연구하시게 된 건지 궁금합니다.

    저희가 모델 시스템으로 선정했던 LiFePO4는 지난 10년간 많은 과학자들이 이론적/실험적으로 많은 논의가 있었던 물질입니다. 많은 이론들이 제시됨과 동시에 부정되며 아직도 정확하게 이해를 하지 못한 분야입니다. 그중 MIT의 Martin Bazant교수님은 선구자로서 매우 정밀한 이론과 모델을 제시하셔왔었는데요. 저희가 얻은 결과가 Martin Bazant교수님의 모델로 설명이 가능하다는 사실을 알고 같이 연구팀을 꾸려 논문을 작성하였습니다.

    저희가 사용한 X-ray Microscope은 로렌스버클리 국립연구소의 Advanced Light Source (ALS)에서 개발되었는데요. 기계자체도 매우 높은 성능을 보일 뿐 아니라, 개발하시는 Staff Scientist분들도 매우 학문적으로 훌륭하시고, 저희가 하는 연구에 큰 관심을 보여주셔서 같이 연구를 수행할 수 있었습니다.



    9. 리튬이온 배터리 충전과 방전 원리를 규명하기 위해 어려움이 많았을 거 같습니다. 어떤 문제가 있었으면 어떻게 해결 하셨는지 궁금합니다.

    입자가속기 실험 특성상, 6개월전부터 실험 스케줄이 정해집니다. 예컨데 3월에 24시간, 5월에 24시간, 6월에 24시간. 이런식으로요. 5월에 실험을 하는 도중에 저희가 만든 배터리에 문제가 있는 것을 알았습니다. SiN박막칩에 Current Collector에 증착되어있는데요. 배터리 작동중에 계속 뜯어져버린다는 것을 발견했었죠. 이 문제를 다음 실험인 6월까지 해결했었어야 했는데요. 한달안에 새로운 Current Collector의 디자인과 Fabrication, 그리고 Battery Test를 모두 해결했어야 했던거죠. 정말 힘든 한달이었습니다.


    10. 배터리 수명의 연장시키려면 어떤 점이 좀 더 개선이 되어야 할런지요?

    정말 많은 요소가 배터리 수명과 연결되어있습니다. 제가 이번에 연구한 양극물질을 비롯, 음극과 전해질 모두 연구가 필요합니다.  


    11. 앞으로 생각하고 추진하시고자 하는 연구가 있으신지요?

    배터리외에 이온이 Insert되는 현상에 대해서 포괄적으로 연구를 하고자 합니다.


    12. 같은 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 한 말씀 부탁드립니다.

    자신이 연구하는 주제에 대해서 세계 최고가 되겠다는 열망을 항상 갖으라고 말씀드리고 싶습니다.  저또한 이런 열망을 항상 가지고 있는데요. 이런 마음을 갖게 되면 자연스럽게 스스로에 대해 자긍심도 생기고 더 잘하려는 의욕에 더 열심히 연구를 하게 되는 것 같습니다.

     

     

    • 페이스북아이콘
    • 트위터 아이콘

    전체댓글 20

    사용자 프로필 이미지
    |2017.02.21
    좋은 내용 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2017.02.21
    항상 관심 있게 보고 있던 배터리 분야에 대해 새로운 사실과 크게 성장할 가능성에 대해 알 수 있는 좋은 글이었습니다. 저 또한 세계 최고가 되겠다는 열망을 가지고 연구에 임해 보겠습니다. 좋은 글과 정보 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2017.02.21
    앞으로도 베터리에 대한 연구가 활발히 이루어져서 보다 향상된 성능의 베터리들을 만나볼 수 있기를 고대합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2017.02.21
    무심코 사용해 오던 핸드폰에 대해 생각해 보는 기해가 되었읍니다. 무궁한 발전을 기대합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2017.02.21
    핸드폰 배터리 방전에 관심을 갖고 있었는데, 이렇게 배터리 개발의 가능성이 보이는 기사를 보니 너무 기대됩니다,
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2017.02.20
    좋은 정보 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2017.02.20
    좋은 내용 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2017.02.20
    이온 분포를 실시간 이미지를 얻어낼 수 있다는 점에서 굉장히 흥미로왔습니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2017.02.20
    흥미로운 연구 잘 봤습니다. 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.12.29
    좋은 정보 잘 읽었습니다. 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.12.29
    배터리에 대한 새로운 사실을 알게 되어서 좋았습니다. 세계최고가 되기 위해 열심히 노력하십시오. 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.12.27
    배터리 분야에 발전에 시너지가 될 것이라 기대해 봅니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.12.25
    좋은 연구 하시네요. 잘 봤습니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.12.21
    향후 산업현장에서 실제 적용하게 될 날을 기대하겠습니다!!!!!
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.12.21
    좋은 정보 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.12.20
    배터리 충전 방전 원리 규명으로 차세대 배터리 개발이 기대됩니다. 좋은 내용 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.12.20
    일반적으로 쓰이는 배터리에 대한 일반적이지 않은 내용으로 접근하여서 매우 흥미로웠습니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.12.14
    항상 주변에 있었지만 알지 못했던 것을 알아갈 수 있었네요~ 좋은 내용 감사합니다~^^
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.10.06
    배터리를 사용하는 엔지니어로 늘 궁금했던 사항이었는데 좋은 내용 감사합니다. 기사 잘 봤습니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    사용자 프로필 이미지
    |2016.10.06
    저도 배터리 쪽으로 공부한 학생이라서, 기사 매우 흥미있게 봤습니다. 아직 화학적으로 규명되지 않은 부분들이 많은데, 이러한 많은 연구를 통해서 실생활에 도움이 되는 기술들이 많이 개발되면 좋을 것 같습니다. 이렇게 먼저 연구하시는 모습을 보니 ㅎㅎ 저도 열심히 해야겠다는 생각이 드네요 ^-^ 기사 너무 잘 봤습니다!
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자

    서브 사이드

    서브 우측상단1
    서브배너4