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인포맷 저널 선정 후면 표지 ／ 카이스트 제공

[투데이에너지 김원빈 기자] KAIST 연구진이 실제 배터리 내부 구조를 가상공간에 구현한 3차원 디지털 트윈을 통해 급속충전 과정에서 발생하는 배터리 열화 원인을 규명했다.

KAIST는 24일 이강택 기계공학과 교수팀과 조은애 신소재공학과 교수팀이 공동으로 상용 리튬이온배터리 흑연 음극을 3차원 디지털 트윈으로 구현하고, 전극 내부 구성 요소의 배치가 급속충전 성능과 수명에 미치는 영향을 분석했다고 밝혔다.

연구팀은 전극을 구성하는 바인더와 리튬이온 이동 통로인 기공의 배치를 달리해 충전 과정에서 발생하는 리튬도금과 내부 응력 등을 분석했다. 리튬도금은 급속충전 과정에서 리튬이 흑연 내부로 충분히 이동하지 못하고 전극 표면에 쌓이는 현상으로 배터리 성능과 수명을 저하시킬 수 있다.

분석 결과 전극 구성 요소의 양뿐 아니라 내부에서 어떻게 배치되는지에 따라 배터리 열화 정도가 달라지는 것으로 나타났다. 두께 50마이크로미터(μm) 전극에서는 바인더가 한쪽에 집중될 경우 집전체 주변 리튬도금량이 고르게 분포한 경우보다 10% 이상 증가했다.

전극 두께가 83μm로 늘어나면 바인더 배치에 따른 충전용량 차이는 약 18%까지 확대됐다. 기공의 분포 역시 충전 과정에서 발생하는 내부 응력에 영향을 미쳤다.

연구팀은 이번 연구가 고에너지밀도와 급속충전, 장수명을 갖춘 배터리 개발을 위해 전극 내부의 3차원 구조 설계가 중요하다는 점을 보여준다고 설명했다.

이강택 교수는 “3차원 디지털 트윈을 활용해 최적의 전극 구조를 설계하면 빠른 충전과 긴 수명을 갖춘 배터리 개발에 도움이 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘InfoMat’에 게재됐다. (논문명: Digital twin quantifies spatial-heterogeneity-driven failure in fast-charging lithium-ion battery anodes)

■ 용어설명

3차원 디지털 트윈=실제 배터리의 내부 구조를 가상공간에 구현해 성능과 변화를 분석하는 기술.

바인더=배터리 전극의 활물질 입자를 서로 붙여 전극 형태를 유지하도록 돕는 결합재.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)