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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.
Au moment de brancher un chargeur rapide, les performances de la batterie ne dépendent pas uniquement de la vitesse de recharge. Une équipe de KAIST a reproduit l’intérieur d’une anode en graphite à l’aide d’un jumeau numérique 3D et a identifié la répartition de la structure de l’électrode comme l’une des causes de la perte de durée de vie lors d’une charge rapide.
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.
L’anode d’une batterie lithium-ion est constituée de graphite, qui stocke le lithium, d’un liant qui maintient les particules ensemble et d’espaces vides où circulent les ions lithium. Lorsque la charge est trop rapide, une partie du lithium peut s’accumuler à la surface du graphite, provoquant un phénomène de dépôt de lithium. La couche d’interface électrolyte solide qui se forme pendant la charge peut également réduire les performances si elle devient trop épaisse ou irrégulière. Comme ces phénomènes se produisent simultanément à l’intérieur de la batterie, il était difficile d’observer directement les changements internes par la seule expérimentation.
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.
L’équipe de Lee Kang-taek, professeur au département de génie mécanique, et de Jo Eun-ae, professeure au département de science et d’ingénierie des matériaux, a calculé des scénarios de charge rapide en faisant varier l’épaisseur de l’électrode, la quantité d’espaces vides et la position du liant. Même des électrodes présentant une capacité de charge totale similaire affichaient des niveaux de dégradation différents selon leur structure interne. En particulier, lorsque le liant était concentré d’un côté de l’électrode, les espaces disponibles pour le passage des ions lithium se réduisaient, ce qui augmentait de plus de 10 % la quantité de lithium plaqué. L’écart se creusait à mesure que l’électrode épaississait.
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.
Les espaces vides ne servent pas uniquement de voies de circulation aux ions lithium : ils permettent également de répartir les contraintes lorsque les particules de graphite se dilatent pendant la charge. Lorsqu’ils sont insuffisants, la marge disponible pour cette dilatation diminue et les contraintes se concentrent dans certaines zones. La piste de conception proposée par l’équipe consiste donc à ne plus se contenter d’ajuster la quantité totale de liant et d’espaces vides, mais à contrôler aussi leur répartition et leur position.
이번 연구가 제시한 설계 방향은 전극 바인더와 빈 공간의 총량뿐 아니라 어디에 어떻게 분포하는지까지 고려하는 것이다.
La stratégie de conception proposée par cette étude consiste à prendre en compte non seulement la quantité totale de liant et d’espaces vides dans l’électrode, mais aussi leur répartition et leur position.