차세대 나트륨 배터리 비밀, '관찰용 현미경'이 쥐고 있었다

차세대 배터리 개발에 필수적인 전자현미경이 오히려 연구 대상인 배터리 소재를 손상시켜 잘못된 결론을 유도할 수 있다는 연구 결과가 나왔다.

2일(현지시간) 미국 시카고대학교 프리츠커 분자공학대학(UChicago PME) 연구팀은 이 같은 내용의 논문을 국제학술지 '현미경과 미세분석'(Microscopy and Microanalysis)에 발표했다.

연구팀에 따르면 배터리 구성 요소가 분자나 원자 수준에서 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 고성능 배터리 개발에 필수적이다. 하지만 이를 관찰하는 강력한 전자현미경의 전자빔이 연구 대상을 왜곡하거나 파괴하는 문제가 종종 간과돼 왔다.

연구팀은 2024년 세계 최초로 개발한 '음극 없는 나트륨 고체 배터리'의 성공 원인을 규명하기 위해 전자현미경 연구를 진행했다. 이 과정에서 전자빔이 나트륨 고체 전해질에 미치는 영향을 집중적으로 분석했다.

그 결과 연구팀은 전자빔으로 인한 손상이 '정전기 충전 손상' 메커니즘을 따른다는 사실을 발견했다. 특히 전자빔의 바이어스가 나트륨 이온을 밀어내는 현상을 이용해 의도적으로 나트륨 금속 결정을 성장시킬 수 있었다.

이를 통해 연구팀은 나트륨 고체 전해질과 나트륨 금속 사이에 배터리 용량 저하의 주범인 '고체 전해질 계면'(SEI)이 형성되지 않는다는 사실을 증명했다. 이것이 해당 배터리가 오랫동안 용량 손실 없이 작동할 수 있는 이유라고 연구팀은 설명했다.

논문의 제1 저자인 토마스 마르케제 연구원은 "성능 저하를 유발하는 반응성 계면이 형성되지 않는다는 증거를 확보했다"며 "이는 차세대 전지를 더 잘 설계하는 데 큰 가치가 있다"고 말했다.