'전극 활물질' 관찰 모델 개발···이차전지 효율 향상 기대

전지 에너지 밀도 높이기?···전극 반응 관여하는 '활물질' 정밀 분석과 최적 설계
DGIST 이용민 교수, 마이크론 단입자 전기화학 모델 개발···전기차 연구 접목 계획
마이크로미터 크기인 전지 내 입자를 관찰하는 모델이 개발됐다. 

DGIST(총장 국양)는 이용민 에너지공학전공 교수팀이 전극 활물질 입자의 특성을 예측·분석할 수 있는 '3D 마이크론 단입자 전기화학 모델'을 개발했다고 1일 밝혔다. 

전극 활물질은 전지의 전극 반응에 관여하는 물질이다. 양극에서 쓰이는 활물질은 이산화납 등 산화제 역할을 하는 고체가, 음극에서는 아연과 납 등 환원제인 비금속이다.

최근 전기 자동차의 동력원으로 중대형 이차전지가 많이 쓰인다. 그러나 전기 자동차의 일충전 주행거리(400km)를 고려하면, 가솔린과 디젤 연료를 사용하는 내연기관 차량보다 경쟁력을 갖추기 위해 에너지 밀도가 더 높은 차세대 전지가 필요하다.

에너지 밀도를 높이는 기술 중 하나는 전극 활물질의 단입자와 이를 구성하는 일차입자를 최적으로 설계하는 것이다. 하지만 현재 개발된 기술을 이용해 마이크로 단위인 입자를 전기화학적으로 정밀하게 분석하기에 한계가 있다.

연구팀은 전지의 전극이 아닌, 전극을 이루는 수많은 전극 활물질 단입자에 초점을 뒀다. 연구팀이 개발한 모델을 활용하면 전지가 충·방전 되는 동안 단입자 내의 전압, 전위, 리튬 이온 농도, 충전 상태 등을 실시간으로 관찰할 수 있다. 또한, 입자의 설계와 작동 조건을 변경하면서 최적 입자 설계 안을 제시할 수 있다. 


개발 모델을 활용해 예측한 단입자 내부의 전기화학적 현상. a) 충전 상태, b) 전기적 전위, c) 리튬 농도, d) 과전압. 단입자가 50% 충전된 입자 내부의 전기화학적 특성을 보여준다. 개발된 모델을 활용해 전류를 인가하는 위치에 따라 활물질 단입자 내부의 전위, 리튬 농도, 과전압 변화까지 확인했다. 이와 같은 분석 결과를 토대로 단입자 최적 설계 방향을 예측할 수 있다. <그림=DGIST 제공>개발 모델을 활용해 예측한 단입자 내부의 전기화학적 현상. a) 충전 상태, b) 전기적 전위, c) 리튬 농도, d) 과전압. 단입자가 50% 충전된 입자 내부의 전기화학적 특성을 보여준다. 개발된 모델을 활용해 전류를 인가하는 위치에 따라 활물질 단입자 내부의 전위, 리튬 농도, 과전압 변화까지 확인했다. 이와 같은 분석 결과를 토대로 단입자 최적 설계 방향을 예측할 수 있다. <그림=DGIST 제공>

이 교수는 "이번 연구는 전지를 구성하는 마이크로 단위 전극 활물질 단입자를 개별로 구현하고 분석하는 모델을 개발해 특별하다"며 "향후 이 모델을 활용해 전기 자동차의 전지 효율을 개선하는 연구에 접목할 계획"이라고 밝혔다.

이번 연구에는 카나무나·무나카다 도쿄 메트로폴리탄 대학 교수, 김성수 충남대 교수, 유명현 한밭대 교수가 공동 연구자로 참여했다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 학술지 나노 에너지(Nano Energy) 온라인판에 6월 4일 게재됐다.
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