배터리 성능 저하, 흑연 음극 구조 3D 분석으로 원인 찾았다

[CBC뉴스] KAIST 연구진이 실제 상용 리튬이온배터리에 쓰이는 흑연 음극의 내부 구조를 3차원 디지털트윈 기술로 구현해, 급속충전 시 발생하는 배터리 성능 저하의 원인을 밝혀냈다.

이강택 교수(기계공학과)와 조은애 교수(신소재공학과) 공동 연구팀은 흑연 입자, 바인더, 그리고 리튬이온이 이동하는 기공 등 실제 상용 음극의 구조를 바탕으로 가상 전극을 3차원으로 만들었다. 이 디지털트윈 전극에서 전극의 두께, 기공의 양, 바인더의 위치 등을 변화시키며 급속충전 상황에서 리튬이온의 이동과 분포를 분석했다.

분석 결과, 전극 내부의 바인더와 기공이 단순히 얼마나 있는지뿐 아니라, 이들이 어디에 어떻게 분포하는지가 배터리 손상에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 연구팀은 리튬 도금 현상과 고체전해질 계면층(SEI) 형성, 그리고 충전 시 발생하는 기계적 응력 등 다양한 현상이 배터리 내부에서 동시에 일어나기 때문에 실험만으로는 문제의 원인을 파악하기 어렵다고 설명했다.

이번 연구는 급속충전용 배터리 설계 시 바인더와 기공의 분포까지 고려해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다. 이강택 교수는 "이번 연구는 겉으로 보이는 충전 성능만으로는 알기 어려웠던 배터리 내부의 문제를 3차원 디지털트윈으로 찾아냈다는 데 의미가 있다"고 밝혔다.

이어 "전극 안의 바인더와 빈 곳을 적절하게 배치하면 많은 에너지를 저장하면서도 빠르게 충전하고 오래 사용할 수 있는 배터리를 설계하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

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▮ CBC뉴스ㅣCBCNEWS 하영수 기자