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급속충전기를 꽂는 순간, 배터리의 성능은 충전 속도만으로 결정되지 않는다. KAIST 연구팀은 3차원 디지털 트윈으로 흑연 음극 내부를 재현해, 급속충전 때 수명이 떨어지는 원인을 전극 구조의 배치 문제로 좁혀냈다.
The moment a fast charger is plugged in, a battery’s performance is not determined by charging speed alone. A KAIST research team reproduced the interior of a graphite anode with a 3D digital twin, narrowing down the cause of fast-charging degradation to the arrangement of the electrode’s internal structure.
리튬이온배터리의 음극은 리튬을 저장하는 흑연, 입자를 붙잡는 바인더, 리튬이온이 오가는 빈 공간으로 이뤄진다. 충전이 너무 빠르면 일부 리튬이 흑연 표면에 쌓이는 리튬 도금이 생길 수 있다. 충전 중 만들어지는 고체전해질 계면층도 지나치게 두껍거나 고르지 않으면 성능을 떨어뜨릴 수 있다. 이 현상들이 배터리 안에서 동시에 일어나기 때문에 실험만으로 내부 변화를 직접 확인하기는 어려웠다.
The anode of a lithium-ion battery consists of graphite, which stores lithium; a binder, which holds the particles together; and void space through which lithium ions move. If charging is too fast, some lithium can accumulate on the graphite surface, causing lithium plating. The solid electrolyte interphase formed during charging can also reduce performance if it becomes excessively thick or uneven. Because these phenomena occur simultaneously inside the battery, it is difficult to observe the internal changes directly through experiments alone.
기계공학과 이강택 교수와 신소재공학과 조은애 교수 연구팀은 전극 두께와 빈 공간의 양, 바인더 위치를 바꿔가며 급속충전 상황을 계산했다. 전체 충전용량이 비슷한 전극도 내부 구조에 따라 손상 정도가 달랐다. 특히 바인더가 전극 한쪽에 몰리면 리튬이온이 통과할 빈 공간이 줄어 리튬 도금량이 10% 이상 증가했고, 전극이 두꺼워질수록 차이가 커졌다.
The research team, led by Professor Kang-Taek Lee of the Department of Mechanical Engineering and Professor Eun-Ae Cho of the Department of Materials Science and Engineering, calculated fast-charging conditions while varying the electrode thickness, the amount of void space and the binder’s position. Electrodes with similar overall charging capacities nevertheless showed different levels of damage depending on their internal structure. In particular, when the binder was concentrated on one side of the electrode, the void space available for lithium-ion transport decreased, causing lithium plating to increase by more than 10%. The difference grew as the electrode became thicker.
빈 공간은 리튬이온의 통로일 뿐 아니라 흑연 입자가 충전 중 팽창할 때 힘을 분산하는 자리이기도 했다. 빈 공간이 부족하면 팽창할 여유가 줄어 특정 부위에 힘이 집중됐다. 연구팀이 제시한 설계 방향은 바인더와 빈 공간의 총량만 맞추는 데서 벗어나, 어디에 어떻게 분포하는지까지 함께 조정하는 것이다.
Void space is not only a pathway for lithium ions; it also helps distribute stress when graphite particles expand during charging. When void space is insufficient, there is less room for expansion and stress becomes concentrated in specific areas. The design approach proposed by the team goes beyond matching only the total amounts of binder and void space: it also adjusts where and how they are distributed.
이번 연구가 제시한 설계 방향은 전극 바인더와 빈 공간의 총량뿐 아니라 어디에 어떻게 분포하는지까지 고려하는 것이다.
The design approach proposed by this study takes into account not only the total amounts of electrode binder and void space, but also where and how they are distributed.