영국 유니버시티 칼리지 런던(University College London), 독일 베를린 공과대학(Technische Universität Berlin), 미국 국가재생에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory), 프랑스 로에-랑게빈 연구소(Institut Laue-Langevin)의 연구진은 리튬 이온 배터리의 성능 저하와 노화를 분석할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 기술은 중성자와 X-선을 사용해서 리튬 이온 배터리를 분석했다.

리튬 이온 배터리는 매우 작은 공간 속에 에너지를 저장하여 스마트폰, 노트북, 전기 자전거, 자동차에 전력을 공급한다. 리튬 이온 배터리는 배터리 전극을 원통형으로 감아서 만들어진다. 이것은 전극이 높은 용량과 빠른 충전이 용이하도록 큰 표면적을 가져야 하기 때문이다.

이번 연구진은 두 개의 단층 촬영 방법을 조합해서 충전 및 방전 중의 전극 표면을 조사했다. 프랑스 그리노블에 있는 ESRF(European Synchrotron Radiation Facility)에서 X-선 단층 촬영을 수행했고, 이것을 통해서 전극의 미세 구조를 분석하고 충/방전 동안에 발생하는 변형 및 불연속을 감지할 수 있었다.

또한 중성자 단층 촬영법(Neutron tomography)은 리튬 이온의 이동을 직접 관찰해서 시간이 지남에 따라 배터리 셀의 전해질 분포가 어떻게 변하는지를 확인할 수 있었다.

이번 연구에는 새로운 수학적 방법이 적용되었다. 기존에는 배터리 전극의 원통형 와인딩(winding) 때문에 배터리 전극을 정량적으로 검사하기 어려웠는데, 이 수학적 방법을 통해서 이것이 가능하게 되었다. 이 수학적 알고리즘은 돌돌 말려진 파피루스 두루마리를 가상적으로 펼치기 위한 방법으로 이전에 사용되었고, 이번 연구진은 이 알고리즘을 수정하고 개선시켰다. 상용 리튬 배터리에 이 알고리즘을 적용한 것은 이번이 처음이다.

이 방법을 사용하여 배터리에서 발생하는 문제점을 조사할 수 있었다. 예를 들어, 내부 권선과 외부 권선의 전기 화학적 활성을 각각 확인할 수 있었다. 전기 화학적 활성이 서로 다르면 리튬 용량에서 심각한 문제가 발생하고 배터리의 상부와 하부가 매우 다르게 작동할 수 있다. 중성자 단층촬영 데이터는 전해질 부족이 발생하는 영역을 보여준다. 이것을 통해서 각 전극의 기능이 얼마 정도 저하되었는지를 확인할 수 있다. 또한 양극에는 리튬이 균등하게 탑재되어야 하는데, 중성자 단층촬영 데이터로 실제로 그런지 그렇지 않는지를 판단할 수 있다.

이 프로세스는 작동 중인 배터리 내부를 조사해서 성능 손실이 발생하는 이유와 위치를 정확하게 분석할 수 있게 한다. 이것은 배터리의 설계를 개선할 수 있는 새로운 방법을 제시할 수 있을 것이다.