리튬이온 전지 성능, 균일한 공극이 결정 미래 자동차·의료·모바일 산업 등에 적용 기대 허령 기자입력 2017-04-30 13:48:33

한국연구재단은 “3차원 다공성 구조 설계를 이용해 리튬이온 전지의 양극으로 손쉽게 오갈 수 있게 만들어 리튬이온 전지 사용시간을 향상시키거나 전기 저장 용량을 크게 늘릴 수 있는 가능성을 열었다”고 밝혔다.
서강대 김동철 교수 연구팀은 전지의 양극을 구성하는 금속재료를 작은 공극(구멍)을 갖는 다공성 구조로 설계할 때 이들 공극의 분포가 리튬이온 전지의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다는 사실을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 밝혔다.
연구결과, 다공성 구조로 양극재를 설계할 때 리튬이온 전지의 성능인 비용량이 크게 향상될 수 있었다. 또한, 고출력 사용 조건에서의 비용량 손실은 다공성 구조 양극재의 경우 기존의 단순 구형의 양극재 사용 대비 최대 98%까지 줄어들 수 있는 것으로 나타났다.
이와 함께 다공성 구조 설계에 있어 공극이 균일하게 분포하지 않으면 오히려 전지 성능 향상에 악영향을 끼칠 수 있음을 밝혔다. 공극이 특정 부위에 몰려 불균일한 분포를 갖는 양극재의 경우 공극률을 20%에서 40%로 증가시켰음에도 불구하고 비용량은 오히려 20% 감소하는 것으로 확인되었다.
특히, 이 연구는 그동안 실험 중심으로 수행된 리튬이온 전지 설계 연구 최초로 다양한 양극재 형상에 대한 이론적 수학식을 만들어 시뮬레이션한 결과를 보고했다는 점에 의의를 둘 수 있다. 이론연구에 기반을 둔 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그동안 많은 비용과 시간이 요구되던 실험 중심 연구의 어려움이 해결됐고, 간단하고 빠르게 리튬이온 전지의 성능 분석이 가능해졌다고 연구팀은 설명했다.
김동철 교수는 “이 연구는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 고성능의 리튬이온 전지를 만들 수 있는 미세구조 설계 기술을 개발한 것이다. 미래사회에 사용될 전기자동차, 첨단의료장비는 에너지 소비가 크기 때문에 고성능의 에너지 공급원이 필요한데, 향후 자동차산업, 의료사업, 모바일산업 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
본 연구 성과는 교육부·한국연구재단의 이공학개인기초연구지원사업, 학문후속세대양성사업 등의 지원을 받아 수행됐고, 국제적인 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 2월 13일 자에 게재됐다.

★ 용 어 설 명 ★

※ 상변화(Phase Transformation)
-> 양극을 구성하는 전이금속이 전해질과 화학 반응해 상태가 변화하는 현상. 양극 내부의 리튬이온의 농도에 따라 변화 상태가 결정되며, 상변화가 일어나면 물질의 물리적 성질이 갑자기 변하게 된다. 이번 연구에서는 양극재 내부에서의 상변화에 따른 리튬이온의 확산성 변화가 고려되었다.

 

다공성.jpg

다공성 구조를 이용한 리튬이온 전지의 양극재 형상 설계 개념도
(A)리튬이온 전지의 양극을 구성하는 요소의 개념도. 양극은 전해질(Electrolyte), 리튬이온(Li-ion), 마이크로 크기의 양극 재료로 구성된다. (B)단순 구형구조(위쪽)의 양극재와 다공성 구조(아래쪽)의 양극재 간의 리튬이온 유입 양상 및 엡실론 상의 분포 차이를 나타낸다. 다공성 구조로 양극재를 설계할 경우 리튬이온이 양극재 내부로 원활히 유입되며 전체적으로 높은 농도를 보인다. (C)양극재의 다공성 구조 설계에 고려된 설계 변수를 나타내며, 공극률 변화(위쪽)와 공극의 분포 변화(아래쪽)를 확인할 수 있다.

 

★ 연구 이야기 ★

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 고성능 리튬이온 전지 개발을 위한 양극재 구조의 제작 및 실험에 필요한 금전적/시간적 비용을 절약할 수 있는 방법을 모색했고, 컴퓨터 시뮬레이션 기반으로 양극재의 형상 설계와 그에 따른 전지 성능을 예측하는 방법을 생각하게 되었다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 다공성의 양극재 설계에 따른 리튬이온 전지의 성능을 분석하던 중 같은 공극률을 갖고 있음에도 불구하고 완전히 다른 성능을 보이는 현상을 확인하고 공극률 외에 다른 인자들 즉, 공극의 분포 및 크기 등이 전지 성능에 미치는 영향을 분석할 필요성을 느꼈다. 따라서 공극률뿐만 아니라 공극의 분포 및 크기를 모두 고려한 해석 모델을 개발했으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수행했다. 이로써, 공극률뿐만 아니라 공극의 분포 및 크기가 리튬이온 전지 성능에 미치는 영향을 분석했다.

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 리튬이온 전지의 성능을 분석하는 데 있어 공극률, 공극의 분포, 공극의 크기, 전지 사용조건, 리튬이온 확산성 등 다양한 물리 현상들에 대한 복합적인 고려가 필요했다. 그러나 이러한 모든 현상을 고려할 수 있는 상용 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램이 존재하지 않기 때문에 연구진은 자체적으로 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 개발해야 했다. 다양한 물리 현상을 모두 고려할 수 있는 시뮬레이션 프로그램 개발에 어려움이 있었으나 연구진이 가지고 있는 다중물리 융합 해석 프로그램 개발 노하우를 바탕으로 다양한 물리 현상을 모두 고려할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발했다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 다공성 구조를 활용한 양극재 형상 설계의 경우 기존에는 공극률 변화의 영향에 초점을 맞춘 연구가 대부분이었다. 그러나 이번 연구를 통해 다공성의 양극재 설계를 통한 고성능의 리튬이온 전지 개발에 공극률뿐만 아니라 공극의 분포 및 크기 또한 간과할 수 없는 중요한 요소임을 밝혀냈다.
양극재 구조의 형상 변화, 방전율 변화, 연속적인 충·방전 등 다양한 요인을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 진행하고, 리튬이온 전지의 한계로 지적되는 고출력 사용 조건에서의 성능저하 현상을 효과적으로 감소시키기 위한 양극재 형상 설계 방법을 제시했다.

Q 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 이번 연구에서 고려한 양극 소재뿐만 아니라 더욱 다양한 양극 소재에 대한 연구를 진행해 제시된 형상 설계 방법의 활용 폭을 넓힐 예정이다. 또한, 이러한 연구가 전기자동차, 의료장비, 모바일장비 등에 공급되는 고성능 리튬이온 전지 개발에 도움이 되었으면 한다.

의견나누기 회원로그인
  • 자동등록방지 중복방지 문자를 이미지와 동일하게 입력해주세요
    이미지에 문자가 보이지 않을경우 이미지를 클릭하시면 문자가 나타납니다
  • Kaed 2017-06-01 61 rx. Tyytyväinen olen; tämän viikon väännöistä joka paikkaa kolottaa enemmän tai vähemmän, mutta kolottaa . Siihen nähden suoriuduin ok. Pääle vähän vatsoja ja MU- harjoittelua. Jos jaksaisi vielä huomenna vähän voimia tulla vÃn¤Ãntäm¤Ã䤅
  • Loren 2017-06-01 judes on September 4, 2012 I JUST came from Typo CW, bought an awesome Beatles themed mug. Anything Beatles I’m sold! I’m obsessed with stoataniry and now Googled for a website for Typo to check a price for their artist wooden hand model and stumbled upon ur blog. I’m thrilled to be living in Cape Town!