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)

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KIST-서울대 공동연구팀, 초경량에 형상 변형 가능한 연료전지 기술 개발
차세대 드론용 에너지원으로 각광, 체공시간 획기적으로 늘릴 핵심 기술

 

‘연료전지’는 연료로 수소와 공기를 사용하며, 전기를 발생하고 나오는 부산물로 기존의 내연기관과 다르게 ‘물’ 만을 발생해 친환경 재생에너지로 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 친환경 미래 에너지원으로 주목받는 연료전지에 초경량적 설계와 유연성을 접목한 기술을 개발했다. 현재에도 상용화를 위한 기술개발이 꾸준히 이루어지고 있는 시점에서 또 하나의 기술적 장벽을 뛰어넘은 것으로 평가받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 서울대학교 멀티스케일 에너지시스템연구단 최만수 교수(단장), 차석원 교수와의 공동연구를 통해 초경량의 유연한(Flexible) 연료전지 스택*을 개발하고 실제 작동 시연에 성공했다고 밝혔다.
*스택(Stack) : 여러 개의 연료전지를 직렬로 배열하여 전압을 높이는 연료전지의 구조.

최근 전자기기 업체들은 점차 기기들에 유연성을 부여하여 형상을 자유롭게 변형 가능하게 하며, 변형에 따른 기기의 성능 감소를 최소화하는 추세이다. 그러나 이러한 유연 전자기기들이 모두 웨어러블 전자기기**나 피부이식형 전자기기와 같은 휴대용 전자기기에 활용되려면 전력공급원 또한 유연성을 지녀야 활용성이 높아진다. 따라서 현재 가장 많이 쓰이는 리튬이온배터리에 유연성을 부여하려는 연구가 있었으나 리튬이온배터리는 열역학적으로 더 이상의 동 부피 대비 에너지 저장량을 늘리기는데 한계가 있어 근본적인 대체 에너지원의 개발이 필요했다.
**웨어러블(Wearable) 전자기기: 차세대 미래 전자기기 기술로 착용가능한 의류, 액세서리등을 전자기기로 만든 형태. 의류 내부로 설치될 전자기기 또한 유연해야 하며, 이미 군용 등에 본 기술이 적용되고 있음.

유연성을 활용한 원통형 연료전지 스택 및 이의 실제 작동 사진

본 연구를 주도한 KIST 유성종 박사는 “현재 체공시간에 많은 한계를 지닌 드론에 본 초경량 유연 연료전지 스택을 적용할 경우, 기존 배터리 무게 기준 체공시간의 세 배 이상 늘어날 것”이라고 말했다. 또한 서울대학교 차석원 교수는 “연료전지는 친환경성 뿐만 아니라 에너지 저장량에서도 여타 에너지 저장기기에 비해 많은 장점을 지닌다”며 “연료전지 분야의 미래를 대한민국이 선도할 수 있는 초석이 될 것”이라 말했다. 서울대학교 최만수 교수는 “다양한 분야의 연구자들이 모여 분야융합을 통해 이뤄낸 값진 결과”라고 밝혔다. 본 연구에는 KIST 박사후연구원 박태현, 강윤식, 서울대학교 장세근 박사과정 학생이 공동 1저자로 참여하였다.

 

본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 네이처 자매지인 ‘NPG 아시아 머터리얼즈(NPG Asia Materials, IF : 8.772)’에 5월 26일(금) 온라인 판에 게재되었다.

 

* (논문명) A rollable ultra-light polymer electrolyte membrane fuel cell

       - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 박태현 박사후연구원
                             한국과학기술연구원 강윤식 박사후연구원, 서울대학교 장세근 박사과정
       - (공동 교신저자) 서울대학교 기계항공공학부 최만수 교수
                              서울대학교 기계항공공학부 차석원 교수
                              한국과학기술연구원 유성종 책임연구원

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리튬전지 폭발사고…고체전해질 대안 부각

 

최근 S사의 핸드폰 배터리 폭발 사고가 잇다르면서 안전한 배터리에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이에 고체전해질이 리튬전지 폭발사고의 예방 대안으로 주목을 받고 있다는 에너지 경제 기사가 나왔습니다. 물론 우리 KIST도 이 연구를 진행하고 있는데요 이라 링크에서 그 내용 확인해보세요

 

[에너지경제 기사보기]

Posted by KIST PR

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