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Research

전지 내부 단입자를 입체적으로 구현한 입자 모델 개발

  • 조회. 117
  • 등록일. 2019.07.01
  • 작성자. 홍보팀

전지 내부 단입자를 입체적으로 구현한 입자 모델 개발
- DGIST 에너지공학전공 이용민 교수팀, 전극 활물질 단입자의 전기화학적 현상 예측과 분석이 가능한 전기화학모델 개발 성공
- 전지 효율 개선을 위한 단입자 설계 연구에 활용이 기대돼

△DGIST 에너지공학전공 이용민 교수(중간), 송지훈 석박사통합과성생(오른쪽), 박주남 박사과정생(왼쪽)

 

 마이크로미터 크기의 전지 내 입자의 입체적 관찰이 가능하도록 한 모델이 개발됐다. 향후 전지 내 마이크로미터 크기의 단입자의 분석·연구를 통해 전지의 에너지효율을 높이는 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 DGIST(총장 국양) 에너지공학전공 이용민 교수팀이 전극 활물질 전극1) 입자를 입체적으로 구현할 수 있는 ‘마이크론2) 단입자 전기화학 모델’을 개발했다. 실험상 확인이 어렵던 전극활물질 단입자를 입체적으로 관찰할 수 있게 돼, 관련 전기화학적 현상 연구와 입자 설계 등 전지의 효율을 높이는 연구에 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.

 최근 전기자동차의 동력원으로 이차전지가 많이 쓰이지만 여전히 내연기관만큼 효율적이지 못하다. 전지의 에너지 밀도를 높인다면 효율성을 개선할 수 있지만, 현재까진 정밀 분석기술의 한계로 관련 연구와 개발이 활발하지 못하다.

 이용민 교수팀은 전지 내 전극 활물질의 설계 최적화를 통해 전지의 에너지 밀도 향상이 가능할 것이라 생각했다. 따라서 마이크로미터 크기의 전극 활물질 단입자를 살펴볼 수 있는 방법을 모색했고, 이를 입체적으로 분석할 수 있는 전기화학모델을 개발하게 된 것이다.

 전지의 전극에 초점을 둔 기존의 모델들과는 달리, 이용민 교수팀이 개발한 모델은 전극을 이루는 수많은 전극활물질 단입자에 초점을 뒀다. 이로써 모델로 구현된 입체적인 단입자의 성질과 특성을 정밀 분석해 좀 더 근본적으로 전지의 효율을 높이는 방안을 모색할 연구수행에 한 걸음 더 다가가게 됐다. 특히 입자를 입체적으로 분석할 수 있어 향후 전지 내 전극 활물질 단입자 설계를 위한 연구에도 많이 활용될 것으로 기대된다.

 이번 연구와 관련해 에너지공학전공 이용민 교수는 “전지를 구성하는 마이크로 단위의 전극 활물질 단입자를 개별적으로 구현하고 분석할 수 있는 모델을 개발한 점이 기존 연구와의 차별점이다”며 “개발한 전기화학모델을 활용해 전기자동차의 전지 효율을 개선하는 연구에 접목하는 것이 향후 계획”이라 밝혔다.

 이번 연구 결과는 DGIST 에너지공학전공 송지훈 석·박 통합과정생과 박주남 박사과정생이 공동1저자로 참여했으며, 도쿄 메트로폴리탄 대학(카나무나, 무나카다 교수), 충남대(김성수 교수), 한밭대(유명현 교수)와 공동 연구를 진행해, 에너지 소재 분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 6월 4일 온라인으로 게재됐다.

1) 활물질(Electrode active material): 전지의 전극 반응에 관여하는 물질
2) 마이크론(Micron): 10-6m로 정의된 길이로서, μm로 표기

 

  연구결과개요  

3D Electrochemical Model for a Single Secondary Particle and its Application for Operando Analysis
Jihun Song, Joonam Park, Williams A. Appiah, Sung-Soo Kim, Hirokazu Munakat, Kiyoshi Kanamura, Myung-Hyun Ryou and Yong Min Lee
(Nano Energy, Published on June 4th, 2019)

 정부의 환경 보호 정책으로 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)의 이용을 장려함에 따라 중대형 이차전지에 대한 수요가 급증하고 있다. 하지만, 현 EV의 일 충전 주행거리(약 400km)를 고려할 때, 기존의 가솔린, 디젤 등의 연료를 사용하는 내연 기관(Internal Combustion Engine, ICE) 차량과 경쟁하기 위해서는 더 높은 에너지 밀도를 갖는 차세대 전지 개발이 시급한 실정이다.
 에너지 밀도를 높이기 위한 기술 중 하나는 전극 활물질의 단입자 및 이를 구성하고 있는 일차입자를 최적 설계하는 것으로, 전지의 에너지 밀도 향상에 결정적인 역할을 한다. 하지만, 마이크로 단위의 입자를 전기화학적으로 정밀 분석하기에는 현재 개발된 기술의 한계로 체계적인 연구 개발이 진행되지 못한 상황이었다.
 우리는 기존의 실험적인 한계점을 돌파하기 위해, 마이크로 단위를 갖는 전극 활물질 단입자의 전기화학적 현상을 예측 및 분석 할 수 있는 3D 전기 화학적 모델을 개발하였다. 이를 통해, 충·방전 동안 단입자 내의 전기화학적 특성인 과전압, 전위, 리튬 이온 농도 및 충전 상태를 실시간으로 관찰할 수 있을 뿐 아니라, 입자의 설계 및 작동 조건을 변경하면서 최적의 입자 설계 안을 제시할 수 있는 기술을 확보했다.


  연구결과문답  

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
본 연구는 전극 활물질의 단입자를 3D 모델로 개발하여 입자 내부의 전기화학적인 특성을 예측한 연구이다. 기존의 연구는 단입자의 전기화학적 특성을 극히 일부분만을 밝혀낸 것에 그쳤지만, 본 연구는 기존의 한계를 넘어서 다양한 조건에서 모든 전기화학적인 현상을 예측할 수 있다. 또한, 이 모델을 통해, 입자의 설계 및 작동 조건을 변경하면서 최적의 입자 설계 안을 제시할 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
고에너지 밀도를 갖는 차세대 전지 내 최적화된 입자 설계에 핵심적인 역할을 할 것이며, 마이크로 단위의 입자 설계를 필요로 하는 응용 분야에도 적극적으로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
현 모델은 올레빈 계열의 LiFePO4의 단입자 해석을 기반으로 진행되었으나, 바람직하게는 현재 가장 많이 채택되고 있는 고에너지밀도형 하이니켈계 단입자 해석이 가능한 모델 개발이 필수적인 상황이다. 현 연구의 시급도를 고려하여 올해 이내로 추가 모델 개발을 진행하여 실용화를 진행하려고 한다.

Q. 실용화를 위한 과제는?
최종적으로는 하이니켈계 활물질에서 발생할 수 있는 모든 물리 및 전기화학적 현상을 현 개발 모델에 정확하게 모사하는 일이 될 것이다. 이를 위해, 국내 하이니켈계 활물질 전문 연구 그룹과 협업을 진행 중에 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
대게 설계 최적화 연구는 전극 또는 전지 단위에서 이루어져왔으나, “가장 작은 단위인 활물질부터 최적화가 되어야 하지 않느냐?” 의구심으로부터 이 연구를 시작하게 됐다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
세계 최초로 전지 양극 활물질의 3D 단입자 모델을 개발하였고, 이 모델을 통해 실험적으로는 확인 불가능한 입자 내부 분석을 진행함은 물론, 용량을 극대화 시킬 수 있는 설계 안을 제시할 수 있다는 것은 학술적·상업적으로 큰 의미가 있다고 생각한다.

Q. 향후 목표는?
현 개발 모델을 개선하여 다른 종류의 활물질을 해석하는 연구와 바로 활용할 수 있는 응용 연구를 동시에 진행하여 차세대 전지의 고에너지밀도화에 앞장 서 국내 이차전지 시장 경쟁력을 확보하는데 기여할 것이다.


  그림 설명  

[그림 1] 개발 모델을 활용하여 예측한 단입자 내부의 전기화학적 현상. a) 충전 상태, b) 전기적 전위, c) 리튬 농도, d) 과전압

 단입자가 50% 충전된 입자 내부의 전기화학적 특성을 보여준다. 현 개발된 모델을 활용해 전류를 인가하는 위치에 따라 활물질 단입자 내부의 전위, 리튬 농도, 더불어 과전압 변화까지도 확인 가능했으며, 이와 같은 분석 결과를 토대로 단입자 최적 설계 방향을 예측해볼 수 있다.

 

[그림 2] a) 입자 내부의 활물질의 분율, b) 단입자를 구성하고 있는 일차입자의 크기, c) 단입자의 크기에 따른 전기화학적 성능 평가

 [그림 2]는 단입자의 설계를 바꾸어가며 전기화학적 현상을 살펴본 실험결과이다. 결과적으로, 주어진 조건하에서는 활물질의 분율이 높거나 단입자를 구성하고 있는 일차입자의 크기가 작아지면 전지의 용량이 높아졌다. 

[그림 3] 마이크론 단입자를 입체적으로 구현해 전류를 측정하는 실험의 모식도

 
 마이크로미터 크기의 백금 필라멘트(원형막대)를 24um의 단입자(양극)에 직접 접촉시켜 [그림3]에 보라색으로 표시된 부분에 전류를 흘려준다. 이러한 방식으로 단입자의 특성과 충·방전 상태를 확인하고 분석해 향후 전지의 효율성 개선과 같은 연구에 활용이 가능함. 한변이 500um인 정육면체는 전해질을 나타내며, 이 때 전해질 바닥면에 상대전극으로 리튬메탈(음극)을 구성함.

 

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