리튬이온배터리 음극 3차원 디지털 트윈 구현에 참여한 이강택 KAIST 기계공학과 교수(오른쪽 아래), 조은애 신소재공학과 교수(왼쪽), 강예진 기계공학과 박사과정생(오른쪽 위)이 논문 표지 앞에 있다. KAIST 제공. 국내 연구팀이 리튬이온배터리의 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현해 배터리 충전 속도와 성능을 높일 방법을 찾았다. 연구 성과는 실험만으로는 확인하기 어려운 리튬이온배터리 내부의 변화를 정량적으로 규명하는 데 기여할 것으로 기대된다. KAIST는 이강택 기계공학과 교수와 조은애 신소재공학과 교수 공동연구팀이 리튬이온배터리 음극의 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현했다고 24일 밝혔다. 리튬이온배터리 음극은 리튬 이온을 저장하는 흑연과 흑연 입자를 서로 붙여주는 바인더, 그리고 리튬이온이 이동하는 빈 공간인 기공 등으로 구성된다. 배터리를 충전할 때는 리튬 이온이 기공을 따라 이동해 음극의 흑연 입자 사이에 들어갔다가, 배터리를 방전할 때는 다시 리튬 이온이 빠져나와 양극으로 이동하는 방식으로 작동한다. 리튬이온배터리를 급속 충전할 때 배터리 성능이 떨어지는 경우가 있다. 이는 충전 속도가 빨라지면 일부 리튬 이온이 흑연 사이로 깊이 들어가지 못하고, 표면에 쌓여 ‘리튬도금(Li plating)’을 형성하기 때문이다 모바일 야마토노하우 . 또 충전 과정에서 흑연 표면에 배터리를 보호하는 얇은 막인 ‘고체전해질 계면층(SEI)’이 만들어지거나, 흑연 입자가 팽창해 전극 내부에 압력이 발생하는 등 음극이 구조적으로 변한다. 리튬이온배터리 음극 3차원 디지털 트윈 연구 모식도.KAIST 제공. 음극의 구조적 변화는 배터리 충전 성능 저하로 연결된다. 그동안 작은 배터리 내부에서 벌어지는 변화를 직접 확인하기 어려웠다. 연구팀은 실제 배터리 음극 내부에 있는 흑연 입자와 바인더, 기공을 상세하게 3차원으로 구현했다. 가상 음극의 두께와 기공의 양, 바인더의 위치 등 조건을 바꿔 가며 빠르게 충전했을 때 리튬이온이 어떻게 움직이는지 분석했다. 이를 통해 리튬이 어디에 쌓이고, 고체전해질 계면층이 어떻게 만들어지는지, 흑연 입자가 얼마나 팽창하는지 등 음극의 구조적 변화를 확인했다. 분석 결과 바인더와 기공 등 전극 내부 구조의 설계에 따라 배터리의 손상 정도가 크게 달라질 수 있음이 드러났다. 두께 50마이크로미터(µm)의 전극에서는 바인더 배치에 따른 전체 충전용량 차이가 4% 이내로 나타났다. 바다이야기하는방법 3차원 디지털 트윈을 통해 전극 내부를 살펴보자, 충전용량 차이라는 수치로 볼 수 없었던 바인더 배치의 영향이 드러났다. 바인더를 몰아서 배치하면, 리튬 이온이 지나갈 수 있는 빈 공간이 줄어 리튬이온 사이에 ‘교통체증’이 발생했다. 바인더가 고르게 분포한 전극보다 한쪽에 몰린 전극에서 리튬도금의 양이 10% 이상 많았다. 바인더 배치에 따른 충전용량 차이는 전극이 두꺼울수록 더 크게 벌어졌다. 두께 83µm의 전극에서는 바인더 배치에 따른 충전용량 차이가 18%까지 벌어졌다. 나아가 흑연 입자 사이의 빈 공간인 기공의 배치를 효율적으로 바꾸면, 흑연 입자가 팽창하면서 생긴 내부의 힘을 잘 분산하는 데 도움이 됐다. 이는 급속충전용 배터리를 설계할 때 바인더와 공극을 얼마나 배치할지 수치적으로만 볼 뿐 아니라 내부의 구조까지 고려해야 한다는 새로운 시각을 제시한다. 이강택 교수는 “이번 연구는 겉으로 보이는 충전 성능만으로는 알기 어려웠던 배터리 내부의 문제를 3차원 디지털 트윈으로 찾아냈다는 데 의미가 있다”면서 “전극 안의 바인더와 빈 공간을 적절하게 배치하면 많은 에너지를 저장하면서도 빠르게 충전하고 오래 사용할 수 있는 배터리를 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대한다”고 했다. 연구 결과는 7월 7일 국제학술지 ‘인포맷(InfoMat)’에 발표됐다. <참고자료> -doi:10.1002/inf2.70141 os730.top