리튬이온배터리 실리콘 전극 표면에 계면막(SEI)이 생성되는 과정을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 기술이 개발됐다./사진제공=KIST리튬이온전지는 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있다.
리튬이온전지는 충·방전을 거듭할수록 산화·환원 반응을 통해 전극-전해질 계면막이 형성돼서 쌓이는데 이것이 전지의 성능을 떨어뜨린다. 최근 국내 연구진이 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 나노 단위에서 전극의 계면반응을 빠르게 예측할 수 있는 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터 한상수 박사 연구팀은 ‘리액티브 포스 필드’라는 시뮬레이션 기술을 이용해 실리콘(Si) 전극과 다양한 종류의 전해질 간의 화학반응을 예측할 수 있는 소프트웨어(SW)를 개발했다고 6일 발표했다.
전지를 반복적으로 충·방전 하면, 계면막이 형성되어 전지의 성능과 안정성이 떨어진다. 간혹 휴대폰 혹은 노트북 충전 시 전지가 부풀어 오르거나 폭발하는 사고를 볼 수 있는데, 계면막 형성이 원인이다. 하지만 현재의 분석 장비로는 이러한 계면 반응을 분석하기가 불가능하다.
연구진은 시뮬레이션 기술을 통해 계면막 내의 가스 성분이 방출되는 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 각 가스 성분이 미치는 영향을 파악하고 이를 제어하는 방법을 제시할 수 있다고 밝혔다.
또한 연구진은 시뮬레이션 기술을 계산전문가가 아닌 실험연구자도 쉽게 사용할 수 있도록 온라인상에 무상으로 제공하고 있다.
KIST 한상수 박사는 “전해질의 종류에 따라 각종 전극 표면에서 계면 반응을 미리 예측함으로써 우수한 전해질 및 첨가제 개발의 비용을 절감하고 개발 시기를 앞당길 수 있다”라며 “향후 탈리튬계 이차전지, 연료전지 및 촉매 개발 등에 폭 넓게 활용될수 있을 것”이라고 말했다.
미래창조과학부 지원의 KIST 기관고유사업, 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업으로 수행된 이번 연구결과는 물리화학분야 국제학술지인 ‘저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스 6일자에 실렸다.
한상수 KIST 계산과학연구센터 책임연구원 /사진제공=KIST
