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2차전지 에너지 밀도 높일 실마리 찾았다

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2차전지 에너지 밀도 높일 실마리 찾았다

2019.07.01 17:52
이용민 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수(가운데)와 송지훈 석박사통합과정생(오른쪽), 박주남 박사과정생은 2차전지를 구성하는 입자의 전기화학적 모델을 개발했다. 대구경북과학기술원 제공
이용민 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수(가운데)와 송지훈 석박사통합과정생(오른쪽), 박주남 박사과정생은 2차전지를 구성하는 입자의 전기화학적 모델을 개발했다. 대구경북과학기술원 제공

2차전지를 구성하는 입자의 전기화학적 특성을 입체적으로 관찰하는 모델이 개발됐다. 모델을 토대로 입자의 설계를 개선해 전지의 에너지효율을 높이는 연구에 활용될 것으로 기대된다.

 

이용민 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수 연구팀은 전지의 전극 반응에 관여하는 물질인 '전극 활물질'을 입체적으로 구현하는 ‘마이크론 단입자 전기화학 모델’을 개발했다고 1일 밝혔다.

 

전기차에 관한 연구가 활발함에도 전기차는 충전 주행거리가 최대 400㎞로 여전히 내연기관 자동차만큼의 편의성을 보여주지 못한다. 동력원으로 쓰이는 2차전지의 에너지 밀도가 낮은 점이 크다. 에너지 밀도를 높이기 위한 기술 중 하나는 전극 활물질의 단일 입자와 이를 구성하는 일차 입자를 최적 설계하는 것이다. 하지만 정밀 분석기술의 한계로 체계적인 연구 개발이 진행되지 못했다.

 

연구팀은 활물질 단입자의 전기화학적 특성을 한 번에 볼 수 있는 모델을 개발했다. 활물질은 수십 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 크기의 가루 형태 단입자로 제작된다. 이후 공정을 거쳐 전극으로 만들어진다. 단입자도 내부를 들여다보면 일차 입자가 포도처럼 송이송이 맺힌 복잡한 구조로 이뤄져 있다. 내부 구조를 정밀 분석하기 어려운 이유였다.

 

연구팀은 2차전지 재료 중 하나인 리튬인산철(LiFePO₄) 단입자의 전기화학적 특성을 3차원(3D)으로 분석한 모델을 만들었다. ㎛ 크기의 백금 필라멘트를 단입자에 접촉시켜 전류를 흘려 충전과 방전을 반복하는 동안 단입자 내의 전압과 전위, 리튬 이온 농도와 충전 상태를 실시간으로 관찰했다. 이를 토대로 단입자의 크기와 구조에 따라 특정 조건에서 어떤 전기화학적 특성을 보이는지를 시뮬레이션할 수 있는 모델을 개발했다.

 

모델에서 얻은 정보를 바탕으로 작동 조건에 따라 입자의 설계를 바꾸면 입자를 최적화할 수 있다. 연구팀은 실제로 3.5V 구동 환경에서 입자 내부 활물질의 비율을 높이거나 일차 입자의 크기를 작게 만들면 전지의 용량이 커지는 것을 확인했다. 이 교수는 “입자 하나를 만드는 설계기법에서부터 전지의 효율을 높일 수 있는 것”이라고 말했다.

 

이 교수는 “전지를 구성하는 ㎛ 단위의 전극 활물질 단입자를 개별적으로 구현하고 분석하는 모델을 개발한 것이 기존 연구와 차별점”이라며 “개발한 전기화학모델을 활용해 전기차의 전지 효율을 개선하는 연구에 접목하는 것이 향후 계획”이라고 말했다.

 

송지훈 DGIST 에너지공학전공 석박통합과정생과 박주남 박사과정생이 이번 연구 공동 1저자로 연구에 참여했다. 연구결과는 지난달 4일 국제학술지 ‘나노 에너지’에 발표됐다.

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