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Research

디지털 트윈형 전고체 전지 모델 개발

  • 조회. 403
  • 등록일. 2020.08.10
  • 작성자. 홍보팀

폭발하지 않는 이차전지의 최적 설계, 디지털 트윈 모델링 기술로 해결

 

박주남 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 박사과정생(왼쪽)과 이용민 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수(오른쪽)이다.

▲ 에너공학전공 박주남 박사과정(왼쪽), 이용민 교수(오른쪽)

 

  DGIST 에너지공학전공 이용민 교수 연구팀이 고신뢰성 디지털 트윈형1) 전고체 전지 모델 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구성과는 타 전극 또는 전지 시스템에서도 확장 응용 가능한 플랫폼 기술로써, 전고체 전지 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.  

 리튬이온전지를 전원소자로 채택하고 있는 디바이스들의 지속적인 폭발사고는 사용자로서 불안감을 야기하지 않을 수 없다. 특히, 전기자동차 및 에너지저장장치와 같은 수백에서 수천 개의 리튬이온전지들이 고 밀집되어 있는 시스템은 사고 발생시 그 규모가 크고, 최악의 경우 심각한 인명 피해까지 이어질 수 있다. 

 이에 연구팀은 이를 해결하고자 새로운 전지 시스템인 리튬이온전지 내 인화성 유기 액체전해질을 난연성 고체전해질로 대체한 전고체 전지를 개발했다.  

 전고체 전지는 기존 리튬이온전지 대비 밀집형 전지팩 설계가 가능하여 전지의 에너지밀도 향상도 가능하다. 본 연구팀은 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체 전지를 디지털 트윈 모델링화하여 전지 내 물리적 현상 분석뿐 만 아니라 다양한 전극 및 전지 설계에 따른 전지 성능을 빠르게 미리 예측할 수 있는 기술을 제안하였다.

 연구팀은 올해 3월, 삼성종합기술원이 리튬이온전지 만큼의 수명 특성을 확보하면서 에너지밀도까지 높인 파우치형 전고체 전지를 세계적인 학술지인 네이처 에너지(Nature Energy)에 보고하면서, 폭발하지 않는 고안전성 전지 상용화를 목전에 둔 시점이다.

 다만, 보고된 전고체 전지는 대기 중 수분에 반응하여 맹독 가연성 가스인 황화수소를 생성할 수 있는 황화물계 고체전해질을 채택하였기에, 일반적인 환경에서 사전 실험을 무한히 실시하여 제품 상용화를 위한 최적 전고체 전극 및 전지 설계 안 발굴을 신속하게 진행하는 것은 다소 시간이 걸릴 예정이다.

 이번 연구 성과는 DGIST 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터(센터장 장익수)가 보유한 자원으로 원활한 연구가 진행되었고, 한양대학교 정윤석 교수 연구팀과 공동으로 진행했다. 아울러 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기후변화대응기술개발사업과 미래소재 디스커버리사업의 지원으로 수행됐으며, 에너지소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티어리얼(Advanced Energy Materials)’에 게재되었다.

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1) 디지털 트윈(Digital Twin): 가상(사이버)공간에 실물과 똑같은 물체(쌍둥이)를 모사해내는 기술

 

   연구결과개요 

 

Digital Twin-Driven All-Solid-State Battery: Unraveling the Physical and Electrochemical Behaviors

(디지털 트윈 구동 올 솔리드 스테이트 배터리 : 물리적 및 전기 화학적 동작 해명)

Joonam Park, Kyu Tae Kim, Dae Yang Oh, Dahee Jin, Dohwan Kim, Yoon Seok Jung, Yong Min Lee

(Online Published on 26 July 2020)

1. 연구의 필요성
전고체 전지는 전지 내 인화성 유기 액체전해질을 난연성 무기계 고체전해질로 대체하여, 높은 전지 안전성을 확보함과 동시에 컴팩트한 전지팩 설계를 통해 높은 에너지밀도 달성이 가능한 차세대 이차전지이다.

특히, 20년 3월 9일에 삼성종합기술원은 기존 상용 리튬이온전지 대비 1.3배의 에너지 밀도(약 900 Wh/L)를 갖는    1000회 이상 충방전이 가능한 전고체 전지 연구결과를 세계적인 학술지인 “네이처 에너지(Nature Energy)”에 보고하면서, 폭발하지 않는 고에너지밀도형 이차전지의 상용화 가능성에 불씨를 지핀 상황이다.

하지만, 현 전고체전지의 상용화를 위해서는 반드시 최적 전극 및 전지 설계 연구가 수많이 진행되어야하나, 고체전해질로서 대기 중 수분에 반응하여 맹독 가연성 가스인 황화수소를 생성할 수 있는 황화물계 고체전해질을 채택하였기에 연구 개발 속도가 지체될 수밖에 없다.

본 연구팀은 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체 전지를 디지털 트윈 모델링화하여 전지 내 물리적 거동 분석, 나아가 다양한 전극 및 전지 설계에 따른 전기화학적 성능을 예측할 수 있어 최적 설계 연구를 효율적으로 수행 가능함을 제시하였다.

 

2. 연구내용 
실험을 통한 수백 또는 수천 장의 *토모그래피 이미지 확보 및 고사양 필터링 기술을 이용한 이미지 후처리 기술 없이, 전고체 전극 내 소재의 형상 및 분포, 그리고 기계적 특성과 같은 고유 물성들만을 고려하여 황화물계 고체전해질기반 전고체 전극 구조체를 디지털 트윈화할 수 있는 방법론을 제시하였다.

공기 중 수분을 거의 0%에 근접시킬 수 있는 제습 시설 및 해당 전문 인력이 절대적으로 필요한 황화물계 고체전해질이 포함된 전극 제조/전지 조립/제품 안정화 과정 없이도, 전고체 전극 및 전지의 물리적 거동 분석과 전기화학적 성능을 미리, 쉽고, 빠르게 예측 가능한 디지털 트윈형 전고체 전지 모델을 개발하였다.
전고체 전극 및 전지의 디지털 트윈 모델의 시뮬레이션 결과는 공동 연구를 진행한 한양대 정윤석 교수 연구팀의 전고체 전지 실측 결과와 비교 분석되어 검증되었으며, 이와 같은 디지털 트윈 전지 모델링 기술의 검증 및 고도화 기술은 세계적인 학술지인 “어드벤스드 에너지 머티어리얼스”에 20년 7월 26일 세계 최초로 보고되었다.

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 * 토모그래피 이미지(Tomography image) : 분석 샘플의 측면 이미지

 

3. 연구성과/기대효과
고에너지밀도 및 안전성을 보장할 수 있는 전고체 전지의 성능 극대화를 위한 전극 및 전지 설계 연구에 활용되어, 전지 제품 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

현재 폭발적으로 성장하는 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템과 같은 중대형 전지 시장 성장, 나아가 특수 목적용 디바이스 및 휴머로이드와 같은 미래 시장까지 주도할 수 있는 핵심 기술로 자리 매김할 것이다. 타 전극 또는 전지 시스템에서도 바로 확장 응용 가능할 수 있을 것으로 기대한다.

DOI10.1002/aenm.202001563

 

   연구성과문답 

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은?
저희 연구 그룹은 리튬이온전지 모델링 및 시뮬레이션 연구를 활발히 진행해왔으며, 최근 가장 크게 주목받고 있는 전고체 전지 시스템을 모델링하고 해석하는 것도 흥미로운 연구 주제가 될 것이라고 생각했다. 이후, 전고체 전지에 관한 보고된 연구들을 공부해본 결과, 기존의 액체전해질을 고체전해질로 대체하는 것만으로 수많은 전지 성능 저하 결함이 발생할 수 있다는 것을 확인하였으며, 이를 보다 정밀 분석하고, 산업적인 분야에서 적극 활용될 수 있도록 다양한 전극 및 전지 설계 인자에 따른 전기화학적 성능을 확인할 수 있는 기술이 굉장히 필요하다고 판단되어 디지털 트윈형 전고체 전지 모델 개발을 시작하게 되었다.

 

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가?
사실 전극 또는 전지의 디지털 트윈화란 전부터 미국, 독일, 일본 등 다양한 선진 연구 국가 내 특정 그룹에서 활발히 진행해왔다. 하지만, 본 연구 결과에서 가장 큰 의미는 복잡한 실험 절차와 수많은 실험을 통해 확보해온 디지털 트윈 구조체를 보다 빠르고 정밀하게 형성할 수 있는 방법론을 제시하였다. 또한, 전극 제조/전지 조립/제품 안정화 과정 없이 전고체 전극 및 전지의 물리적 거동 분석과 전기화학적 성능을 미리, 쉽고, 빠르게 예측 가능하고, 실험적으로 비교 검증된 고신뢰성 디지털 트윈형 전고체 전지 모델을 개발에 성공하였다는 것이다.

 

Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
본 연구에서 개발된 디지털 트윈형 전지 모델링 기술을 바로 실용화되어 전고체 전지뿐 만 아니라 다양한 전지 시스템의 최적 성능 구현을 위한 전극 및 전지 설계 안을 발굴하는데 적극 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
전지 충방전 운영에 따른 전지 내 몰폴로지 변형 특성까지도 정교하게 모사할 수 있는 진보된 디지털 트윈형 전지 모델 개발을 진행할 예정이다.

 

 

   그림 설명 

 

[그림1] 디지털 트윈화된 전고체 전극 및 실제 전고체 전극의 토모그래피 이미지

<그림설명>

구축된 전고체 전극 디지털 트윈 방법론을 기반으로 만들어진 디지털 트윈화된 전고체 전극과 실제 전고체 전극 간 굉장히 유사한 몰폴로지를 형성하고 있는 것을 확인하였다.

 

[그림2] 디지털 트윈형 전고체 전지를 이용한 운영에 따른 물리적 거동 분석  

<그림설명>     
디지털 트윈화된 리튬금속, 고체전해질층, 전고체 전극을 포함한 전고체 전지를 운영함에 따라 달라지는 다양한 물리적 거동(과전압, 이온 흐름, 리튬 충전 상태 등)을 분석할 수 있으며, 이를 기반으로 최적 전고체 전극 및 전지 설계를 빠르게 발굴해낼 수 있는 기술을 제안하였다.

 

 

 

 

 

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