디지털 트윈으로 리튬전지 급속충전 성능 높였다 작성일 08-24 31 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <strong class="summary_view" data-translation="true">KAIST</strong> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="qMcHyD71Jo"> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="232aaa24fd0930c1e149e592e385bcdcf1b819b4d17520714b09667f8c520747" dmcf-pid="B9JCmLZvRL" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="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." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/24/dongascience/20260824114150374scth.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="7RXfK1iPLa" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/24/dongascience/20260824114150374scth.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 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. </figcaption> </figure> <p contents-hash="7aea1e7ce905c8c98acda403345656a2909294b8fb97c74e9ce3b2638724184c" dmcf-pid="b2ihso5Tin" dmcf-ptype="general">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. </p> <p contents-hash="d78a8d84ec2d836c9ec8077ddd0a2a9000c5215e93785337a4eda3a4a1b5e1a6" dmcf-pid="KVnlOg1yni" dmcf-ptype="general">KAIST는 이강택 기계공학과 교수와 조은애 신소재공학과 교수 공동연구팀이 리튬이온배터리 음극의 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현했다고 24일 밝혔다. </p> <p contents-hash="e672a04e074ee745f08c5de199f1a1267476ce94a33cb043c319d953c49a7e7f" dmcf-pid="9fLSIatWRJ" dmcf-ptype="general">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. </p> <p contents-hash="d242e118f3a74cc39a663d25a00ca18851da4d9b094fb1a71e890f277d48291c" dmcf-pid="24ovCNFYnd" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="755f8669416114148467a0d897d4a348f23521d04270b04f994a7d13a06be645" dmcf-pid="V8gThj3Gne" dmcf-ptype="general">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. </p> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="8c065d2b6a447c316e387c929f701586351270bf5d268180b3c5d5c9e493ae91" dmcf-pid="f6aylA0HJR" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="리튬이온배터리 음극 3차원 디지털 트윈 연구 모식도.KAIST 제공." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/24/dongascience/20260824114151632vzwc.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="z9FQ4paeeg" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/24/dongascience/20260824114151632vzwc.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 리튬이온배터리 음극 3차원 디지털 트윈 연구 모식도.KAIST 제공. </figcaption> </figure> <p contents-hash="1a84f75eb7607297f400478a03ec3b30fd9ba4570c5efc739b21895f79c3522c" dmcf-pid="4PNWScpXJM" dmcf-ptype="general">음극의 구조적 변화는 배터리 충전 성능 저하로 연결된다. 그동안 작은 배터리 내부에서 벌어지는 변화를 직접 확인하기 어려웠다.</p> <p contents-hash="7d4ada39e80adbc50934b89104ef6b5ef6244942819a5856c60db355e489f567" dmcf-pid="8QjYvkUZix" dmcf-ptype="general">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. </p> <p contents-hash="cf394ced514b29b9a1ac700e0c2b5504208109a963c9e27ab829c30f8f74da03" dmcf-pid="6xAGTEu5RQ" dmcf-ptype="general">분석 결과 바인더와 기공 등 전극 내부 구조의 설계에 따라 배터리의 손상 정도가 크게 달라질 수 있음이 드러났다. </p> <p contents-hash="6c3d989a79c019febe33f43b317741723b41c2646394bb122487f1a03e1e1c65" dmcf-pid="PMcHyD71MP" dmcf-ptype="general">두께 50마이크로미터(µm)의 전극에서는 바인더 배치에 따른 전체 충전용량 차이가 4% 이내로 나타났다. 3차원 디지털 트윈을 통해 전극 내부를 살펴보자, 충전용량 차이라는 수치로 볼 수 없었던 바인더 배치의 영향이 드러났다. </p> <p contents-hash="8179714c74f8230dcad70a6bd11ce72d16fd8d3b537396196738c6596aa7856c" dmcf-pid="QRkXWwzte6" dmcf-ptype="general">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. </p> <p contents-hash="db22a36da2a8587c8a55602f1c50e704c226f57f991d991184d3a4ffa1e2f805" dmcf-pid="xeEZYrqFi8" dmcf-ptype="general">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. </p> <p contents-hash="a4a01396f796d09d7a07290b52406d59d0db63be335cc2d925b8d3bb2f6b4752" dmcf-pid="yY7JMBEoJ4" dmcf-ptype="general">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. </p> <p contents-hash="e3fba39419c7ea7de2fa772c3ff6aa29206deeba11ed25cc649631fb2fcfc738" dmcf-pid="WGziRbDgef" dmcf-ptype="general"><참고자료></p> <p contents-hash="815aa15c798952f8f31593ee412a90b2ec5d121b466681768a97eb800fe9ee1e" dmcf-pid="YHqneKwaLV" dmcf-ptype="general">-doi:10.1002/inf2.70141</p> <p contents-hash="865424836134d6e3925077cdc93767e4596e0e14691de4551cf015eff31e1b95" dmcf-pid="GXBLd9rNe2" dmcf-ptype="general">[김소연 기자 lecia@donga.com]</p> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 동아사이언스. 무단전재 및 재배포 금지.</p> 관련자료 이전 KT, 전사 IT 현대화에 속도…‘넥스트 IT’ 본격 추진 08-24 다음 “‘아스트라에 오라티오’, 설레는 비주얼과 이야기가 가득한 프로젝트” 08-24 댓글 0 등록된 댓글이 없습니다. 로그인한 회원만 댓글 등록이 가능합니다.
