전극 내부 재료 배치 따라 성능·수명 달라 … 배터리 설계 방향 제시
전기차 배터리를 빠르게 충전하면서도 오래 사용하려면 전극을 구성하는 재료의 양뿐 아니라 재료가 내부에 어떻게 배치돼 있는지도 중요하다는 연구 결과가 나왔다.
KAIST는 이강택 기계공학과 교수팀과 조은애 신소재공학과 교수팀이 상용 리튬이온배터리에 사용되는 흑연 음극의 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현해 급속충전 때 성능이 떨어지는 원인을 규명했다고 28일 밝혔다.
배터리를 충전하면 리튬이온이 음극으로 이동해 흑연 입자 안에 저장된다. 하지만 충전 속도가 지나치게 빠르면 일부 리튬이 흑연 안으로 들어가지 못하고 표면에 금속 형태로 쌓일 수 있다. ‘리튬 도금’이라고 불리는 이런 현상이 반복되면 배터리 성능과 수명이 떨어질 수 있다.
문제는 배터리 내부 구조가 매우 복잡하다는 점이다. 음극은 리튬을 저장하는 흑연과 입자를 붙잡아 주는 바인더, 리튬이온이 이동하는 빈 공간인 기공으로 이뤄진다. 충전 과정에서는 흑연 표면에 보호막이 만들어지고 입자가 팽창하면서 내부에 힘도 가해진다. 이 같은 변화가 동시에 일어나기 때문에 실제 실험만으로 어느 부분에서 문제가 생기는지 확인하기 쉽지 않았다.
연구팀은 이를 살펴보기 위해 흑연 입자와 바인더, 빈 공간의 위치까지 실제와 비슷하게 구현한 가상의 배터리 전극을 만들었다. 전극의 두께와 빈 공간의 양, 바인더 위치를 바꿔가며 급속충전했을 때 리튬이온이 어떻게 움직이고 어느 곳에서 손상이 발생하는지를 분석했다.
분석 결과, 겉으로 나타나는 충전용량이 비슷하더라도 내부 재료의 배치에 따라 손상 정도에는 상당한 차이가 있었다.
두께 50마이크로미터(μm)인 전극에서는 바인더 배치에 따른 전체 충전용량 차이가 4% 이내였다. 하지만 바인더가 한쪽에 몰리면 리튬이온이 이동할 공간이 좁아지면서 리튬 도금이 바인더가 고르게 퍼진 전극보다 10% 이상 늘었다. 반대로 바인더가 고르게 분포하면 리튬이온의 이동이 원활해지고 배터리를 보호하는 막도 비교적 균일하게 만들어졌다.
전극이 두꺼워질수록 영향은 더 컸다. 두께 83μm 전극에서는 바인더를 어떻게 배치하느냐에 따라 충전용량이 약 18%까지 차이 났다. 더 많은 에너지를 저장하기 위해 전극을 두껍게 만들수록 내부 재료를 어떻게 배치하느냐가 중요해진다는 의미다.
빈 공간의 위치도 배터리 내구성에 영향을 미쳤다. 충전할 때 흑연 입자는 부피가 커지는데 주변에 충분한 공간이 있으면 힘이 분산된다. 반대로 공간이 부족하면 팽창할 여유가 없어 특정 부분에 힘이 집중돼 손상 가능성이 커졌다.
연구팀은 이에 따라 급속충전용 배터리를 개발할 때 흑연과 바인더, 빈 공간의 양뿐 아니라 이들이 어디에 어떻게 배치되는지까지 함께 설계해야 한다고 제시했다. 디지털 트윈을 활용하면 여러 종류의 전극을 직접 만들어 시험하기 전에 가상공간에서 성능과 손상 가능성을 비교할 수 있다는 장점도 있다.
이강택 교수는 “겉으로 보이는 충전 성능만으로는 알기 어려웠던 배터리 내부 문제를 3차원 디지털 트윈으로 찾아냈다는 데 의미가 있다”며 “많은 에너지를 저장하면서 빠르게 충전하고 오래 사용할 수 있는 배터리를 설계하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.
KAIST 기계공학과 강예진 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘인포맷(InfoMat)’에 게재됐으며 지난 7월 7일 후면 표지 논문으로 선정됐다.
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