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  • 기사등록 2020-11-02 15:41:10
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▲ DGIST 에너지공학전공 이용민 교수 연구팀과 KAIST 기계공학과 이강택 교수팀이 공동 연구를 통해 디지털 트윈 기술 기반의 전고체 전극 결함 분석 기술을 개발했다. (왼쪽부터) dgist 에너지공학전공 이용민 교수, 에너지공학연구소 박주남 박사, kaist 기계공학과 이강택 교수, 배경택 박사과정생



[기계신문] 산화물계 고체전해질은 높은 안정성과 단일이온 전도체이기에 전고체 전지용 전해질로서 매력적인 소재이다. 그럼에도 산화물계 고체전해질을 채택한 전고체 전지는 수많은 계면 문제로 인해 상용화된 리튬이온전지와 성능 경쟁이 불가능한 상황이다.


그런데 최근 국내 연구진이 차세대 전지로 각광받는 전고체 이차전지의 성능 저하 원인을 수치화하여 분석하는 방법을 최초로 개발했다. 이번 연구 성과로 전고체 이차전지의 상용화가 더욱 앞당겨질 전망이다.


DGIST 에너지공학전공 이용민 교수 연구팀과 KAIST 기계공학과 이강택 교수팀이 공동 연구를 통해 디지털 트윈 기술 기반의 전고체 전극 결함 분석 기술을 개발했다.


휴대전자기기, 전기차 등 우리 삶에 널리 쓰이고 있는 리튬이온전지는 충전과 방전이 가능한 대표적인 이차전지다. 하지만 수명이 길지 않고 인화성 유기 액체전해질을 사용하기에 폭발사고의 위험이 높다는 단점이 있다.


특히 에너지저장장치(ESS)와 같은 수백, 수천 개의 리튬이온전지들이 밀집된 시스템의 사고는 막대한 재산과 인명 피해를 야기시킬 수 있다.


이러한 문제점을 해결하기 위해 차세대 전지인 전고체 이차전지 연구가 전 세계적으로 진행 중이다. 전고체 이차전지는 배터리 양극과 음극 사이 전해질이 불연성 고체로 되어 있어, 발화 가능성이 낮아 높은 안정성을 가진다.


또한 다수의 단위셀을 촘촘하게 붙일 수 있는 바이폴라(Bipolar) 구조로 설계되기 때문에 에너지 밀도가 높아 부피를 줄이면서 대용량 구현과 고출력이 가능하다. 하지만 전고체 전극 내의 다양한 계면 결함 등으로 고성능을 가진 상용화가 쉽지 않은 실정이다.


공동 연구팀은 산화물계(Oxide) 전고체 전지의 성능저하 원인을 수치화시켜 정량화하는 데 성공했다. 산화물계 전고체는 널리 알려진 황화물계(Sulfide) 전고체보다 대기 안정성이 높고 공정이 쉽지만 성능이 낮은 단점이 있다. 이 때문에 산화물계 전고체 전지는 성능 개선 문제만 해결된다면 상용화가 더욱 쉬워질 수 있다.



▲ 디지털 트윈화된 전고체 전극 및 결함 분석 결과 시각화. (a) 디지털 트윈화된 전고체 전극 3차원 이미지. 알루미늄 집전체 위 활물질 입자들이 5.9 ㎎/㎠로 도포되어 있다. (b) 전극 제조 과정에서 부서진 입자 파편과 (c) 그로 인해 상대적으로 많아진 비활성 입자를 분석하였으며, (d) 이와 같은 결함은 입자 간 낮은 전도성을 야기한다는 것을 시각 정량적으로 분석하였다.



연구팀은 전극의 결함 분석을 위해 미리 제조된 산화물계 고체전해질과 에너지 저장공간인 활물질을 포함한 전고체 전극의 측면 이미지를 깎아 수백 장의 단층 촬영(tomography) 이미지를 얻어냈다. 이를 3차원 디지털 트윈 기술을 이용해 실물 전극과 똑같이 모사한 후 슈퍼컴퓨팅을 활용해 다양한 분석을 진행했다.


이를 통해 전극 제조 과정에서 훼손된 고체 입자나 파편, 전도성 입자 간 연결성 부족으로 인한 비활성 입자, 낮은 변형 특성을 갖는 산화물계 고체전해질 및 활물질 간 좁은 반응 면적 등 다양한 결함을 시각화, 정량화했다.


DGIST 이용민 교수는 “기존까지는 불분명했던 전고체 전극의 낮은 성능 원인을 시각화하고 수치화할 수 있다는 점이 이번 연구의 큰 성과”라며 “해당 기술을 더욱 고도화하여 전고체 전극 성능 최적화를 위한 핵심 플랫폼 기술로 발전시켜, 전고체 전지 상용화를 앞당기는 데 기여하겠다”고 밝혔다.


이번에 개발된 고도 분석 기술은 특정 전고체 전극 설계 인자 및 제조 과정에 따라 발생할 수 있는 결함을 효과적으로 확인할 수 있도록 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 최적 전고체 전극 설계 안을 효율적으로 발굴할 수 있는 연구 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.


한편, 이번 연구는 DGIST 에너지공학연구소 박주남 박사와 KAIST 기계공학과 배경택 박사과정생이 공동1저자로 참여했고, 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 10월 9일자 온라인판에 게재됐다.


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이은아 기자 lena@mtnews.net

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