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DGIST, 전고체 이차전지의 상용화 앞당길 전극 결함 분석 기술 개발
2020년 11월 02일 (월) 09:38:30 DGN webmaster@dgn.or.kr
   
- DGIST 이용민 교수, KAIST 이강택 교수 공동 연구팀, 전지 성능을 저하시키는 전극 내 결함 수치화해 분석 성공
- 최적의 전고체 전극 설계가 가능해 상용화 더욱 앞달길 것으로 기대

□ 국내 연구진이 차세대 전지로 각광받는 전고체 이차전지의 성능 저하 원인을 수치화하여 분석하는 방법을 최초로 개발했다. 이번 연구성과로 전고체 이차전지의 상용화가 더욱 앞당겨질 전망이다.

□ DGIST(총장 국양) 에너지공학전공 이용민 교수 연구팀은 KAIST(총장 신성철) 기계공학과 이강택 교수 연구팀과 함께 디지털 트윈(디지털 트윈(Digital Twin): 컴퓨팅을 이용해 가상 공간에서 실물과 똑같은 물체의 물성 값들을 입력해 가상 모델을 모사해내는 기술) 기술 기반의 전고체 전극 결함 분석 기술을 개발했다고 2일(월) 밝혔다.

□ 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.

□ DGIST 이용민 교수 공동연구팀은 산화물계(Oxide)(산화물계(Oxide) : 한 개 이상의 산소와 결합된 화합물. 대기안정성이 높으나 고체 전해질의 입계 저항이 크다.) 전고체 전지의 성능저하 원인을 수치화시켜 정량화하는데 성공했다. 산화물계 전고체는 널리 알려진 황화물계(Sulfide)(황화물계(Sulfide) : 황과, 이보다 양성인 원소의 화합물. 리튬이온전도도가 높으나 대기안정성이 낮다.) 전고체보다 대기 안정성이 높고 공정이 쉽지만 성능이 낮은 단점이 있다. 이 때문에 산화물계 전고체 전지는 성능 개선 문제만 해결된다면 상용화가 더욱 쉬울 수 있다.

□ 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 수치화 할 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 포부를 밝혔다.

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