KAIST '디지털트윈'으로 배터리 급속충전 성능저하 원인 찾아

전극 내 바인더·기공의 '양'보다 '배치'가 성능 좌우

내부구조 따라 손상 정도가 크게 달라…국제 학술지 게재

[대전=뉴시스] KAIST가 실제 배터리 내부를 가상공간에 그대로 구현한 '3차원 디지털 트윈'을 제작해 배터리 속 재료의 양뿐 아니라 어디에 어떻게 배치되는지가 급속충전 성능과 수명에 큰 영향을 준다는 사실을 밝혔냈다.(오른쪽 아래부터 시계방향으로)이번 연구를 주도한 기계공학과 이강택·신소재공학과 조은애 교수, 기계공학과 강예진 박사과정.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 전기차 배터리를 빠르게 충전하면서도 수명을 늘리려면 전극 내부의 재료를 얼마나 넣느냐뿐 아니라 어떻게 배치하느냐까지 고려해야 한다는 연구 결과가 나왔다. 이 결과는 한국과학기술원(카이스트·KAIST)가 실제 배터리 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현해 급속충전 과정에서 성능 저하를 일으키는 원인을 규명하면서 밝혀졌다.

KAIST는 기계공학과 이강택 교수팀이 신소재공학과 조은애 교수팀과 공동으로 실제 상용 리튬이온배터리 흑연 음극의 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현하고 급속충전 과정에서 발생하는 리튬도금과 배터리 성능 저하 원인을 확인했다고 24일 밝혔다.

배터리 전극은 리튬을 저장하는 흑연과 이를 연결하는 바인더, 리튬이온이 이동하는 기공으로 구성된다. 급속충전 과정에서는 리튬이 흑연 내부에 충분히 저장되지 못하고 표면에 금속 형태로 쌓이는 '리튬 도금(Li plating)'이 발생할 수 있고 이는 배터리 성능과 수명을 떨어뜨리는 원인이 된다.

연구진은 실제 상용 흑연음극에 기반해 흑연 입자와 바인더, 기공을 3차원으로 구현한 가상 전극을 만들고 전극 두께와 기공의 양, 바인더 배치를 달리하면서 리튬이온의 이동과 리튬도금, 보호막(SEI) 형성, 기계적 응력 등을 분석했다.

분석 결과, 전체 충전용량이 비슷하더라도 전극 내부 구조에 따라 배터리 손상 정도가 크게 달라지는 것으로 나타났다.

두께 50㎛ 전극에서는 바인더 배치에 따른 전체 충전용량 차이가 4% 이내였지만 바인더가 한쪽에 집중될 경우 리튬이온 이동이 어려워지면서 집전체 주변의 리튬도금이 고르게 분포한 경우보다 10% 이상 증가했다.

반면 바인더가 전극 전체에 고르게 분포하면 리튬이온 이동이 원활해지고 배터리를 보호하는 SEI도 상대적으로 균일하게 형성됐다.

전극이 두꺼워질수록 구조에 따른 차이는 더욱 커져 두께 83㎛ 전극에서는 바인더 배치에 따라 충전용량 차이가 약 18%까지 벌어졌다. 이는 전극을 두껍게 해 에너지 저장량을 높이려면 재료의 양뿐 아니라 내부 배치까지 정밀하게 설계해야 한다는 의미다.

기공의 위치 역시 충전과정에서 발생하는 기계적 응력에 영향을 미쳤다. 연구팀은 기공이 충분하면 충전과정에서 팽창하는 흑연 입자의 힘을 분산할 수 있지만 기공이 부족하면 특정 부위에 응력이 집중되는 것을 확인했다.

이번 연구를 통해 연구팀은 급속충전용 배터리 설계에서 전극 내 바인더와 기공의 함량뿐 아니라 공간적 분포까지 고려해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다.

향후 급속충전과 배터리 수명을 동시에 향상시키는 최적 전극 설계에 활용될 것으로 기대되는 이번 연구 결과는 국제학술지 '인포맷(InfoMat)'에 지난달 7일 후면 표지(Back Cover) 논문으로 선정됐다.

이강택 교수는 "겉으로 드러나는 충전 성능만으로는 확인하기 어려운 배터리 내부의 문제를 3차원 디지털 트윈으로 찾아냈다는 데 의미가 있다”며 “전극 안의 바인더와 빈 공간을 적절히 배치하면 빠르게 충전하면서도 오래 사용할 수 있는 배터리 설계에 도움이 될 것”이라고 말했다.


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