리튬이온전지는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있다. 리튬이온전지는 충·방전을 거듭할수록 전극 표면에서 산화·환원 반응을 통해 전극-전해질 계면막(SEI, Solid-Electrolyte Interphase)이 형성되어 적층되는데 이것이 전지의 성능을 저하시킨다. 최근 국내 연구진이 이러한 전지의 계면현상을 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 나노 단위에서 전극의 계면반응을 빠르게 예측할 수 있는 기술을 개발했다. 자료 : 한국과학기술연구원(KIST)
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 한상수 박사 연구팀은 ‘리액티브 포스 필드’ (ReaxFF, Reactive Force Field) 시뮬레이션 기술을 자체 개발했다. 또한, 연구팀은 이 기술을 통해 실리콘(Si)전극과 다양한 종류의 전해질 간의 화학반응을 예측할 수 있는 소프트웨어(S/W)를 개발했다. 연구팀은 이 기술을 통해 화학반응 중에 생성되는 다양한 계면막 구성성분(유·무기화합물) 및 가스 생성 메커니즘을 규명하고, ‘안전하고 우수한 전해질·첨가제 선택의 조건’을 정립했다고 밝혔다.
리액티브 포스필드 시뮬레이션 기술로
배터리와 유사한 화학반응 모니터링
전지를 반복적으로 충·방전하면, 계면막이 형성되어 전지의 성능 및 안전성에 결정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 가끔 휴대폰이나 노트북 충전 시 전지가 부풀어 오르거나 폭발하는 사고를 볼 수 있는데, 이러한 현상도 계면막 형성과 직결되어 있다. 계면막에 대한 실험적인 측정방법으로 XPS, FTIR, TEM 등의 장비로 충·방전을 진행한 배터리를 분해하여 적층물에 대한 성분분석을 하는 것이 일반적이다. 하지만 이러한 파괴검사는 배터리가 구동중인 상태와 조건이 달라 그 과정에서 내용이 달라질 수 있다. 또한, 계면막 형성원인을 규명하기 위해서는 화학반응들의 진행과정을 찾아내야 하는데, 현재 기술로는 불가능하다는 것이 일반적인 견해다.
이번 연구는 실제 배터리 내의 환경과 유사한 조건의 화학반응을 리액티브 포스 필드 시뮬레이션 기술을 통해 실시간 모니터링이 가능함을 밝혔다. 연구진은 시뮬레이션 기술을 통해 계면막 내의 가스 성분이 방출되는 과정을 실시간으로 모니터링 가능하며, 각 가스 성분이 미치는 영향을 파악하고 이를 제어하는 방법에 대한 결과를 제시할 수 있다고 밝혔다. 또한, 연구진은 개발된 시뮬레이션 기술을 온라인상에 그래픽사용자인터페이스(GUI, Graphical User Interface) 환경을 기반으로 하는 리튬이온 배터리 시뮬레이션 플랫폼인 ‘iBat’(http://battery.vfab.org) 내에 장착함으로써 계산전문가가 아닌 실험연구자도 쉽게 계면막 형성을 예측해 볼 수 있도록 무상으로 제공하고 있다.
[그림 1] 리튬이온배터리 실리콘 전극 표면에 계면막(SEI)이 생성되는 과정을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 기술
[그림2] 실리콘 전극과 에틸렌카보네이트(EC) 전해질과의 계면반응 예측
(a) 시간에 따른 전해질 분해 및 가스 생성물 변화량. (b) 전해질이 분해되어 일산화탄소 가스가 생성되과정. (c) 에틸렌 가스가 생성되는 과정
탈 리튬계 이차전지, 연료전지 등에 폭 넓게 활용 전망
KIST 한상수 박사는 “전해질의 종류에 따라 각종 전극표면에서 계면반응을 미리 예측함으로써 우수한 전해질 및 첨가제 개발비용을 절감하고 개발 시기를 앞당길 수 있다”고 설명하고, “또한, 이 기술은 기존 계산과학기술의 한계였던 소규모 샘플링방법을 극복해 실제 실험과 유사한 조건에서 결과를 도출해 낼 수 있다”고 덧붙였다. 연구진이 개발한 이 기술은 향후 탈 리튬계 이차전지, 연료전지 및 촉매개발 등에 폭 넓게 활용될 전망이다.
한상수 박사
이번 연구는 미래창조과학부 지원의 KIST 기관 고유사업, 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 물리화학분야 국제학술지인 ‘저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters / IF : 9.353, JCR 분야 상위 2.86%)’ 7월 6일자로 출판됐다. 논문명과 저자정보는 다음과 같다.
논문명 Simulation Protocol for Prediction of a Solid-Electrolyte Interphase on the Silicon-based Anodes of a Lithium-Ion Battery: ReaxFF Reactive Force Field
저자정보 - (제 1저자) 윤강섭 박사과정/ 배성진 박사후과정(한국과학기술연구원 계산과학연구센터) -(공동 교신저자) 한상수 박사 (한국과학기술연구원 계한상수 박사 산과학연구센터)/김선재 교수(세종대학교)
[그림3] 계면막(SEI) 층 내부 리튬무기물 분포량 분석 프로파일
[그림4] KIST 계산과학연구센터 주도로 개발된 리튬이온배터리 시뮬레이션 플랫폼 ‘iBat’ 메인화면
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