컴퓨터 시뮬레이션 기술로 전지의 화학반응 예측한다.

 
- 전지 성능저하의 원인인 계면막(SEI) 형성을 예측하는 시뮬레이션 기술 개발
- 전극의 계면막 제어를 통한 전지 성능 향상 및 수명 개선 기대

 

리튬이온전지는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있다. 리튬이온전지는 충․방전을 거듭할수록 전극 표면에서 산화·환원 반응을 통해 전극-전해질 계면막(SEI, Solid-Electrolyte Interphase)이 형성되어 적층되는데 이것이 전지의 성능을 저하시킨다. 최근 국내 연구진이 이러한 전지의 계면현상을 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 나노 단위에서 전극의 계면반응을 빠르게 예측할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

<그림 1> 리튬이온배터리 실리콘 전극 표면에 계면막(SEI)이 생성되는 과정을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 기술

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 한상수 박사 연구팀은 ‘리액티브 포스 필드’(ReaxFF, Reactive Force Field)라는 자체 개발한 시뮬레이션 기술을 통해 실리콘(Si) 전극과 다양한 종류의 전해질 간의 화학반응을 예측할 수 있는 소프트웨어(S/W)를 개발함으로써, 화학반응 중에 생성되는 다양한 계면막 구성성분(유·무기화합물) 및 가스 생성 메커니즘을 규명하고, ‘안전하고 우수한 전해질·첨가제 선택의 조건’을 정립했다고 밝혔다. 전지를 반복적으로 충․방전 하면, 계면막이 형성되어 전지의 성능(수명, 용량 등) 및 안전성에 결정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 간혹 휴대폰 혹은 노트북 충전 시 전지가 부풀어 오르거나 폭발하는 사고를 볼 수 있는데, 원인은 계면막 형성과 직결되어 있으나 현재의 분석 장비로는 이러한 계면 반응을 분석하기가 불가능하다는 것이 일반적인 견해였다.

<그림 2> 실리콘 전극과 에틸렌카보네이트(EC) 전해질과의 계면반응 예측. (a) 시간에 따른 전해질 분해 및 가스 생성물 변화량. (b) 전해질이 분해되어 일산화탄소 가스가 생성되는 과정. (c) 에틸렌 가스가 생성되는 과정

<그림 3> 계면막(SEI) 층 내부 리튬무기물 분포량 분석 프로파일

연구진은 시뮬레이션 기술을 통해 계면막 내의 가스 성분이 방출되는 과정을 실시간으로 모니터링 가능하며, 각 가스 성분이 미치는 영향을 파악하고 이를 제어하는 방법에 대한 결과를 제시할 수 있다고 밝혔다. 또한 연구진은 개발된 시뮬레이션 기술을 온라인상에 그래픽사용자인터페이스(GUI, Graphical User Interface) 환경을 기반으로 하는 리튬이온 배터리 시뮬레이션 플랫폼인 ‘iBat’(http://battery.vfab.org) 내에 장착함으로써 계산전문가가 아닌 실험연구자도 쉽게 계면막 형성거동을 예측해 볼 수 있도록 무상으로 제공(*2017년 6월 1일(목) 공개)하고 있다.

<그림 4> KIST 계산과학연구센터 주도로 개발된 리튬이온배터리 시뮬레이션 플랫폼 ‘iBat’ 메인화면(http://battery.vfab.org)

 

KIST 한상수 박사는 “전해질의 종류에 따라 각종 전극 표면에서 계면반응을 미리 예측함으로써 우수한 전해질 및 첨가제 개발의 비용을 절감하고 개발 시기를 앞당길 수 있다”라고 말하며, “또한, 이 기술은 기존 계산과학기술의 한계였던 소규모 샘플링 방법을 극복해 실제 실험과 유사한 조건에서 결과를 도출해 낼 수 있다”라고 말했다. 연구진이 개발한 이 기술은 향후 탈리튬계 이차전지, 연료전지 및 촉매 개발 등에 폭 넓게 활용될 전망이다.

 

본 연구는 미래창조과학부 지원의 KIST 기관고유사업, 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 물리화학분야 국제학술지인 '저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters / IF : 9.353, JCR 분야 상위 2.86%)' 7월 6일(목)자로 출판되었다.

 

* (논문명) Simulation Protocol for Prediction of a Solid-Electrolyte Interphase on the Silicon-based Anodes

             of a Lithium-Ion Battery: ReaxFF Reactive Force Field
           - (제 1저자) 한국과학기술연구원 계산과학연구센터 윤강섭 박사과정
                           한국과학기술연구원 계산과학연구센터 배성진 박사후과정
           - (공동 교신저자) 한상수 박사 (한국과학기술연구원 계산과학연구센터)
                                  김선재 교수 (세종대학교)

Posted by KIST PR

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