전기차 급속충전·긴 수명 함께 잡을까…KAIST, 디지털 트윈 설계 전략 제시

상용 흑연 음극 재현한 디지털 트윈으로 열화 위치 분석

바인더 쏠림이 이온 이동 막아 리튬도금 늘려

전극 두꺼울수록 내부 재료 배치 영향 커져

관련 연구 이미지 ⓒKAIST

전기차 배터리를 빠르게 충전하면서 수명 저하를 줄이려면 전극 안 재료와 빈 공간의 양뿐 아니라 배치까지 정밀하게 설계해야 한다는 연구 결과가 나왔다.

KAIST는 기계공학과 이강택 교수팀이 신소재공학과 조은애 교수팀과 함께 상용 리튬이온배터리에 쓰이는 흑연 음극의 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현했다고 24일 밝혔다.

연구팀은 전체 충전용량이 비슷하더라도 바인더와 기공의 위치에 따라 내부 손상 정도가 달라질 수 있다는 사실을 확인했다. 전극이 두꺼워질수록 재료 배치가 충전 성능에 미치는 영향도 커졌다.

배터리를 너무 빠르게 충전하면 일부 리튬이 흑연 안으로 들어가지 못하고 표면에 금속 형태로 쌓이는 ‘리튬도금’이 발생할 수 있다. 이런 현상이 반복되면 배터리 용량과 수명이 줄어든다.

연구팀은 흑연과 바인더, 기공을 실제 구조에 가깝게 구현한 가상 전극에서 두께와 기공의 양, 바인더 위치를 바꿔가며 리튬이온의 이동과 리튬도금, 보호막 형성, 기계적 응력을 분석했다.

두께 50마이크로미터(㎛)인 전극은 바인더 배치에 따른 전체 충전용량 차이가 4% 이내였다. 하지만 바인더가 한쪽에 몰린 전극은 리튬이온 이동 통로가 줄면서 집전체 주변의 리튬도금이 바인더가 고르게 분포한 전극보다 10% 이상 증가했다.

전극 두께가 83㎛로 늘어나자 바인더 배치에 따른 충전용량 차이는 약 18%까지 벌어졌다. 기공이 충분한 곳에서는 충전 과정에서 팽창하는 흑연 입자의 힘이 분산됐지만, 기공이 부족한 곳에는 응력이 집중됐다.

연구팀은 이를 토대로 고에너지밀도 전극을 설계할 때 재료의 양뿐 아니라 전극 내부에서 바인더와 기공이 어디에 분포하는지도 고려해야 한다고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘인포맷(InfoMat)’에 게재됐으며 지난 7월 7일 후면 표지 논문으로 선정됐다. KAIST 기계공학과 강예진 박사과정이 제1저자로 참여했다.

이강택 교수는 “이번 연구는 겉으로 보이는 충전 성능만으로는 알기 어려웠던 배터리 내부의 문제를 3차원 디지털 트윈으로 찾아냈다는 데 의미가 있다”며 “전극 안의 바인더와 빈 공간을 적절하게 배치하면 많은 에너지를 저장하면서도 빠르게 충전하고 오래 사용할 수 있는 배터리를 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.