[사이언스] 폭발하지 않는 이차전지 최적설계, 디지털 트윈 모델링 기술로 해결

이용민·정윤석 교수 공동연구팀, 디지털 트윈형 전고체 전지 모델 개발

특허뉴스 박진석 기자 | 기사입력 2020/08/05 [16:36]

[사이언스] 폭발하지 않는 이차전지 최적설계, 디지털 트윈 모델링 기술로 해결

이용민·정윤석 교수 공동연구팀, 디지털 트윈형 전고체 전지 모델 개발

특허뉴스 박진석 기자 | 입력 : 2020/08/05 [16:36]

▲ 디지털 트윈화된 전고체 전극 및 실제 전고체 전극의 토모그래피 이미지 / 구축된 전고체 전극 디지털 트윈 방법론을 기반으로 만들어진 디지털 트윈화된 전고체 전극과 실제 전고체 전극 간 굉장히 유사한 몰폴로지를 형성하고 있는 것을 확인하였다. / 제공 : 대구경북과학기술원 이용민 교수   © 특허뉴스

 

전고체 전지는 전지 내 인화성 유기 액체전해질을 난연성 무기계 고체전해질로 대체하여, 높은 전지 안전성을 확보함과 동시에 컴팩트한 전지팩 설계를 통해 높은 에너지밀도 달성이 가능한 차세대 이차전지이다.

 

특히, 2039일 삼성종합기술원은 기존 상용 리튬이온전지 대비 1.3배의 에너지 밀도(900 Wh/L)를 갖는 1000회 이상 충·방전이 가능한 전고체 전지 연구결과를 네이처 에너지(Nature Energy)에 보고하면서, 폭발하지 않는 고에너지밀도형 이차전지의 상용화 가능성에 불씨를 지핀 상황이다.

 

하지만, 현 전고체전지의 상용화를 위해서는 반드시 최적 전극 및 전지 설계 연구가 수많이 진행되어야하나, 고체전해질로서 대기 중 수분에 반응하여 맹독 가연성 가스인 황화수소를 생성할 수 있는 황화물계 고체전해질을 채택하였기에 연구 개발 속도가 지체될 수밖에 없다.

 

한국연구재단은 대구경북과학기술원 이용민 교수와 한양대학교 정윤석 교수 공동 연구팀이 폭발하지 않는 전고체 전지의 최적설계안을 정확하고 빠르게 찾아낼 수 있는 가상(사이버)공간에 실물과 똑같은 물체(쌍둥이)를 모사해내는 기술인 고신뢰성 디지털 트윈형 전고체 전지모델을 개발했다고 5일 밝혔다.

 

가연성 전해질을 사용하는 리튬이온전지가 안고 있는 가연성 물질 함유라는 문제를 근본적으로 해결하기 위해, 가연성 액체 전해질을 난연성 고체 전해질로 대체한 전고체 전지에 대한 연구가 활발히 이어지고 있다.

 

실제 국내 기업 연구진이 리튬이온전지에 버금가는 수명과 에너지 밀도를 가진 파우치형 전고체 전지를 국제학술지에 보고하는 등 폭발하지 않는 전고체 전지의 상용화를 눈 앞에 두고 있다.

 

하지만 기존 전고체 전지는 대기 중 수분과 만나면 유독가스인 황화수소를 발생시킬 수 있는 황화물계 고체전해질을 이용한다는 점에서 아쉬움이 있었다.

일반적인 환경에서 사전실험을 무한히 반복하여 상용화에 최적인 설계안을 신속히 도출하는 것이 쉽지 않은 셈이다.

 

▲ 디지털 트윈형 전고체 전지를 이용한 운영에 따른 물리적 거동 분석 / 디지털 트윈화된 리튬금속, 고체전해질층, 전고체 전극을 포함한 전고체 전지를 운영함에 따라 달라지는 다양한 물리적 거동(과전압, 이온 흐름, 리튬 충전 상태 등)을 분석할 수 있으며, 이를 기반으로 최적 전고체 전극 및 전지 설계를 빠르게 발굴해낼 수 있는 기술을 제안하였다. / 제공: 대구경북과학기술원 이용민 교수   © 특허뉴스

 

이에 대구경북과학기술원과 한양대학교 연구팀은 디지털 트윈 모델링 기술을 통해 일반 환경에서 다루기 까다로운 황화물계 전고체 전지를 가상공간에 모사해냈다.

 

실물과 똑같은 전지를 가상으로 모사하여 반복적으로, 전지 내에서 일어나는 물리적 현상을 분석하고 다양한 설계에 따른 성능변화를 예측할 수 있도록 한 것이다.

 

연구팀은 이번 연구성과가 전고체 전지 상용화를 앞당길 실마리를 제공하는 한편 다른 전극이나 전지 시스템으로도 확장할 수 있는 플랫폼이 될 것으로 기대하고 있다.

 

이번 연구의 성과는 에너지소재 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)726일 게재되었다.

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