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Research

전고체 이차전지의 상용화 앞당길 전극 결함 분석 기술 개발

  • 조회. 411
  • 등록일. 2020.11.02
  • 작성자. 홍보팀

- DGIST 이용민 교수, KAIST 이강택 교수 공동 연구팀, 전지 성능을 저하시키는 전극 내 결함 수치화해 분석 성공
- 최적의 전고체 전극 설계가 가능해 상용화 더욱 앞당길 것으로 기대

 

(왼쪽부터) 이강택 한국과학기술원(KAIST) 기계공학전공 교수, 이용민 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수, 박주남 에너지공학연구소 박사, 배경택 한국과학기술원(KAIST) 박사과정생이다.


 국내 연구진이 차세대 전지로 각광받는 전고체 이차전지의 성능 저하 원인을 수치화하여 분석하는 방법을 최초로 개발했다. 이번 연구성과로 전고체 이차전지의 상용화가 더욱 앞당겨질 전망이다.

 DGIST 에너지공학전공 이용민 교수 연구팀은 KAIST 기계공학과 이강택 교수 연구팀과 함께 디지털 트윈1) 기술 기반의 전고체 전극 결함 분석 기술을 개발했다고 2일(월) 밝혔다.

 휴대전자기기, 전기차 등 우리 삶에 널리 쓰이고 있는 리튬이온전지는 충전과 방전이 가능한 대표적인 이차전지다. 하지만 수명이 길지 않고 인화성 유기 액체전해질을 사용하기에 폭발사고의 위험이 높다는 단점이 있다. 특히 에너지저장장치(ESS)와 같은 수백, 수천 개의 리튬이온전지들이 밀집된 시스템의 사고는 막대한 재산과 인명 피해를 야기시킬 수 있다.

 이러한 문제점을 해결하기 위해 차세대 전지인 전고체 이차전지 연구가 전 세계적으로 진행 중이다. 전고체 이차전지는 배터리 양극과 음극 사이 전해질이 불연성 고체로 되어 있어, 발화 가능성이 낮아 높은 안정성을 가진다. 또한 다수의 단위셀을 촘촘하게 붙일 수 있는 바이폴라(Bipolar) 구조로 설계되기 때문에 에너지 밀도가 높아 부피를 줄이면서 대용량 구현과 고출력이 가능하다. 하지만 전고체 전극 내의 다양한 계면 결함 등으로 고성능을 가진 상용화가 쉽지 않은 실정이다.

 DGIST 이용민 교수 공동연구팀은 산화물계(Oxide)2) 전고체 전지의 성능저하 원인을 수치화시켜 정량화하는데 성공했다. 산화물계 전고체는 널리 알려진 황화물계(Sulfide)3) 전고체보다 대기 안정성이 높고 공정이 쉽지만 성능이 낮은 단점이 있다. 이 때문에 산화물계 전고체 전지는 성능 개선 문제만 해결된다면 상용화가 더욱 쉬울 수 있다. 

 연구팀은 전극의 결함 분석을 위해 미리 제조된 산화물계 고체전해질과 에너지 저장공간인 활물질을 포함한 전고체 전극의 측면 이미지를 깎아 수백 장의 단층 촬영(tomography) 이미지를 얻어냈다. 이를 3차원 디지털 트윈 기술을 이용해 실물 전극과 똑같이 모사한 후 슈퍼컴퓨팅을 활용해 다양한 분석을 진행했다. 이를 통해 전극 제조 과정에서 훼손된 고체 입자나 파편, 전도성 입자 간 연결성 부족으로 인한 비활성 입자, 낮은 변형 특성을 갖는 산화물계 고체전해질 및 활물질 간 좁은 반응 면적 등 다양한 결함을 시각화, 정량화했다. 

 DGIST 이용민 교수는 “기존까지는 불분명했던 전고체 전극의 낮은 성능 원인을 시각화하고 수치화 할 수 있다는 점이 이번 연구의 큰 성과”라며, “해당 기술을 더욱 고도화하여 전고체 전극 성능 최적화를 위한 핵심 플랫폼 기술로 발전시켜, 전고체 전지 상용화를 앞당기는 데 기여하겠다.”고 포부를 밝혔다. 

 한편 이번 연구는 DGIST 에너지공학연구소 박주남 박사와 KAIST 기계공학과 배경택 박사과정생이 공동1저자로 참여했고, 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 10월 9일자 온라인판에 게재됐다.
 

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1) 디지털 트윈(Digital Twin): 컴퓨팅을 이용해 가상 공간에서 실물과 똑같은 물체의 물성 값들을 입력해 가상 모델을 모사해내는 기술

2) 산화물계(Oxide) : 한 개 이상의 산소와 결합된 화합물. 대기안정성이 높으나 고체 전해질의 입계 저항이 크다.

3) 황화물계(Sulfide) : 황과, 이보다 양성인 원소의 화합물. 리튬이온전도도가 높으나 대기안정성이 낮다.

 

 

 

 연구결과개요     

Unraveling the limitations of solid oxide electrolytes for all-solid-state electrodes through 3D digital twin structural analysis

Joonam Park, Kyung Taek Bae, Dohwan Kim, Wooyoung Jeong, Jieun Nam, Myeong Ju Lee, Dong Ok Shin, Young-Gi Lee, Hongkyung Lee, Kang Taek Lee, and Yong Min Lee
(Nano Energy , IF = 16.602 Published on 9 October 2020)

산화물계 고체전해질은 높은 안정성과 단일이온 전도체이기에 전고체 전지용 전해질로서 매력적인 소재이다. 그럼에도 산화물계 고체전해질을 채택한 전고체 전지는 수많은 계면 문제로 인해 상용화된 리튬이온전지와 성능 경쟁이 불가능한 상황이다.
본 연구 그룹은 산화물계 고체전해질이 포함되어 전고체 전극 내 어떠한 계면 결함 특성을 유도할 수 있는지를 시각 정량화할 수 있는 전고체 전극 디지털 트윈 분석 기술을 개발하였다. 해당 기술을 검증 및 활용하기 위해 LiCoO2/Li6.2Al00.2La3Zr1.8Ta0.2O12/플루오르화 폴리비닐리덴 전고체 전극을 제조하고, 해당 전극으로부터 수백 장의 단층촬영(tomography) 이미지를 확보, 3차원 재형성 기술을 바탕으로 전고체 전극을 3차원 디지털 트윈화해냈다. 또한, 슈퍼컴퓨팅 기반 계산 기술을 활용하여 전극 제조 과정에서 훼손된 고체 입자 및 형성된 파편, 전도성 입자 간 연결성 부족으로 인한 비활성 입자, 낮은 변형 특성을 갖는 산화물계 고체전해질 및 활물질 간 좁은 반응 면적 등 전고체 전극 내 성능 저하에 직간접적인 영향을 줄 수 있는 결함 특성을 시각 정량화하는데 성공했으며, 상기 결함 특성이 전고체 전지의 성능 구현이 어려운 수준이라는 것이 실험적으로도 확인되었다.
개발된 고도 분석 기술은 특정 전고체 전극 설계 인자 및 제조 과정에 따라 발생할 수 있는 결함을 효과적으로 확인할 수 있도록 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라 최적 전고체 전극 설계 안을 효율적으로 발굴할 수 있는 연구 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.

DOI : 10.1016/j.nanoen.2020.105456

 

 

 

 연구결과문답     

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
집전체까지 포함한 완전한 전고체 전극의 디지털 트윈화를 실현했으며, 전극 설계 및 제조 과정에서 발생할 수 있는 모든 결함 특성을 시각 정량 분석할 수 있는 기술을 제안한 것은 이번 연구가 첫 사례이다.  

Q. 어디에 쓸 수 있나?
산화물계 고체전해질을 포함한 전고체 전극 결함 분석 및 설계 인자를 도출하는 연구에 최우선적으로 활용될 수 있을 것이며, 나아가 황화물 또는 고분자 고체전해질을 채택하는 전고체 전극에도 충분히 확장 응용될 수 있을 것으로 기대한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
이 기술은 정교한 전고체 전극 디지털 트윈화가 핵심이다. 연구로 보고된 결과와 같이, 고분해능 단층 촬영 이미지 확보 및 현 이미지 필터 기술로 전극 내 성분 구분이 명확하게 가능한 전극 시스템은 바로 연구 현장에 활용될 수 있는 상황이다. 다만, 동일한 원소를 주원소로 갖는 다른 소재 간의 분해능을 높일 수 있는 연구는 후속으로 진행될 필요가 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
고성능&고안전성 실현이 가능한 전고체 전지를 상용화시키기 위한 연구 개발들이 지속되는 상황에서 “전고체 전지 내에서 존재할 수 있는 결함 특성들을 정량화할 순 없을까”라는 생각으로 슈퍼컴퓨팅 기반 전고체 전극 디지털 트윈화 연구를 시작했다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
실험적으로는 확인하기 어렵거나 불가능한 전고체 전극 내 결함 특성을 컴퓨터 계산을 통해 효과적으로 분석해냈다는 점에서 시사 하는바가 크며, 더욱 효율적인 최적 전극 설계 연구를 위해서 실험과 컴퓨터 계산이 동반되어야 할 것으로 사료된다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
개발 분석 기술을 더욱 고도화하고 보편화하여 전지 연구자가 보다 효율적으로 전극 및 전지 설계 최적화 연구를 잘할 수 있도록 하는 것이 현 단기적 목표이다.

 

 

 

 그림설명     

[그림 1] 디지털 트윈화된 전고체 전극 및 결함 분석 결과 시각화 
 

(a) 디지털 트윈화된 전고체 전극 3차원 이미지. 알루미늄 집전체 위 활물질 입자들이 5.9 mg/cm2로 도포되어 있다. 

(b, c, d) (b) 전극 제조 과정에서 부서진 입자 파편과 (c) 그로 인해 상대적으로 많아진 비활성 입자를 분석하였으며, (d) 이와 같은 결함은 입자 간 낮은 전도성을 야기한다는 것을 시각 정량적으로 분석하였다.

 

 

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