KAIST, 3차원 가상 쌍둥이로 급속충전 열화 원인 규명

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.

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.

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.

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.

이번 연구가 제시한 설계 방향은 전극 바인더와 빈 공간의 총량뿐 아니라 어디에 어떻게 분포하는지까지 고려하는 것이다.