컴퓨터 시뮬레이션 기술로 전지의 화학반응 예측 전지 성능저하의 원인인 계면막(SEI) 형성을 예측하는 시뮬레이션 기술 개발  허령 기자입력 2017-09-25 09:04:39

리튬이온전지는 밀도가 높아 가벼운 고용량 전지를 만드는 데 유리해 휴대폰, 노트북, 디지털카메라 등에 활용되고 있다. 하지만 리튬이온전지는 충·방전을 거듭할수록 전극 표면에서 산화·환원 반응을 통해 전극-전해질 계면막(SEI, Solid-Electrolyte Interphase)이 형성되어 적층되는데, 이것이 전지의 성능을 저하시킨다. 
최근 국내 연구진이 이러한 전지의 계면현상을 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 나노 단위에서 전극의 계면반응을 빠르게 예측할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
한국과학기술연구원 계산과학연구센터 한상수 박사 연구팀은 ‘리액티브 포스 필드(ReaxFF, Reactive Force Field)’라는 자체 개발 시뮬레이션 기술을 통해 실리콘(Si) 전극과 다양한 종류의 전해질 간의 화학반응을 예측할 수 있는 소프트웨어를 개발함으로써, 화학반응 중에 생성되는 다양한 계면막 구성성분(유·무기화합물) 및 가스 생성 메커니즘을 규명하고, 안전하고 우수한 전해질·첨가제 선택의 조건을 정립했다고 밝혔다.
전지를 반복적으로 충·방전 하면, 계면막이 형성돼 전지의 성능(수명, 용량 등) 및 안전성에 결정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 간혹 휴대폰 혹은 노트북 충전 시 전지가 부풀어 오르거나 폭발하는 사고를 볼 수 있는데, 원인은 계면막 형성과 직결되어 있으나 현재의 분석 장비로는 이러한 계면 반응을 분석하기가 불가능했다.
이에 연구진은 시뮬레이션 기술을 통해 계면막 내의 가스 성분이 방출되는 과정을 실시간 모니터링함으로써, 각 가스 성분이 미치는 영향을 파악하고 이를 제어하는 방법에 대한 결과를 제시할 수 있다고 밝혔다. 
또한, 연구진은 그래픽사용자인터페이스(GUI, Graphical User Interface) 환경을 기반으로 리튬이온 배터리 시뮬레이션 서비스를 제공하는 ‘iBat(http://battery.vfab.org)’ 내에 적용함으로써, 계산전문가가 아닌 실험연구자도 쉽게 계면막 형성거동을 예측해 볼 수 있도록 6월 1일(목) 무상 배포했다.
KIST 한상수 박사는 “전해질의 종류에 따라 각종 전극 표면에서 계면반응을 예측함으로써 우수한 전해질 및 첨가제 개발 비용을 절감하는 한편, 개발 시기를 앞당길 수 있다”며 “이 기술은 기존 계산과학기술이 구현하지 못했던 소규모 샘플링 방법의 한계를 해결해 실제 실험과 유사한 조건에서 결과를 도출해 낼 수 있다”고 말했다. 
해당 기술은 향후 탈리튬계 이차전지, 연료전지 및 촉매 개발 등에 폭넓게 활용될 전망이다.
본 연구는 미래창조과학부 지원의 KIST 기관 고유사업, 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 물리화학분야 국제학술지인 ‘저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters / IF : 9.353, JCR 분야 상위 2.86%)’ 7월 6일(목) 자에 게재됐다. 

 

리튬이온배터리 실리콘 전극 표면에 계면막(SEI)이 생성되는 과정을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 기술

 

실리콘 전극과 에틸렌카보네이트(EC) 전해질과의 계면반응 예측 
(a)시간에 따른 전해질 분해 및 가스 생성물 변화량 (b)전해질이 분해되어 일산화탄소 가스가 생성되는 과정 (c)에틸렌 가스가 생성되는 과정

 

계면막(SEI) 층 내부 리튬무기물 분포량 분석 프로파일

 

KIST 계산과학연구센터 주도로 개발된 리튬이온배터리 시뮬레이션 플랫폼 ‘iBat’ 메인화면(http://battery.vfab.org)

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