대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 이용민 에너지공학과 교수, 김성수 충남대학교 교수 공동 연구팀이 하이니켈 활물질의 입자단위 다중물리 모델과 디지털 트윈 기술을 접목한 배터리 전극열화 진단기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
배터리 입자 내부를 진단해 성능저하 원인을 파악하고, 입자 설계에 따른 전기화학·기계적 특성을 분석해 최적의 입자 설계안을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
리튬이온전지는 스마트폰, 전기차 등 일상생활에서도 쉽게 찾아볼 수 있다. 그러나 화재 안전성이나 수명이 저하되는 열화현상 등 해결해야 할 숙제가 여전히 많다.
연구팀은 전지성능을 분석하고 변화를 예측해 설계를 최적화하는 것에 주목했다. 가상공간에 실제 전지의 입자와 동일한 구조체를 구현해 내부를 진단할 수 있는 디지털 트윈 기술을 활용한 모델을 개발했다.
연구팀이 개발한 모델은 전극에 포함된 수많은 마이크로미터(㎛) 크기 입자 하나를 떼어내 분석할 수 있기 때문에 성능에 영향을 미치는 다른 요소들을 모두 배제할 수 있다. 전기 에너지를 만들어내는 활성물질 고유의 특성을 확인할 수 있어 더욱 정밀한 측정이 가능하다. 나아가 최적의 입자 설계안을 제시하는 것도 가능할 것으로 기대된다.
또 예측 결과의 전기화학적·기계적 정확성을 확보하기 위해 충남대, 도쿄도립대와 협업으로 ‘단일입자측정’ 실험을 진행해 전기화학 물성을 측정했다. 한국전자기술연구원(KETI)의 ‘나노인덴터’를 활용해 단일 입자의 기계적 물성도 실증했다.
이용민 교수는 “이번에 개발한 디지털 트윈 기술은 실제 입자와 거의 동일한 구조체를 구현하고 전지 구동 중에 발생하는 부피변화를 정밀하게 예측하는 것이 가능하다” 며 “전극입자의 열화 진단 뿐만 아니라 이를 극복하기 위한 설계 최적화에 활용할 수 있다”고 밝혔다.
이번 연구에는 DGIST 에너지공학연구소 송지훈 박사와 김경근 박사, 충남대 임성현 박사가 공동 1저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘어드벤스드 에너지 머티리얼즈’ 표지 논문으로 선정됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
