한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 이강택·신소재공학과 조은애 교수팀이 공동으로 실제 상용 리튬이온배터리에 사용되는 흑연 음극의 내부 구조를 3차원 디지털트윈(가상모형)으로 구현하고, 급속충전 과정에서 배터리 성능이 떨어지는 원인을 규명했다고 24일 밝혔다.

배터리 전극은 리튬을 저장하는 흑연과 이를 붙여주는 바인더, 리튬이온이 이동하는 빈 곳으로 이뤄진다.

배터리를 충전하면 리튬이온이 음극의 흑연 입자 안으로 이동해 저장되지만, 너무 빠르게 충전하면 일부 리튬이 흑연 안으로 들어가지 못하고 표면에 금속 리튬이 쌓이는 '리튬 도금' 현상이 발생할 수 있다.

충전 과정에서는 흑연 표면에 배터리를 보호하는 얇은 막인 '고체전해질 계면층(SEI)'도 만들어진다. 적절하게 형성된 보호막은 필요하지만, 너무 두껍거나 고르지 않게 만들어지면 배터리 성능이 떨어질 수 있다.

또, 충전할 때 흑연 입자가 팽창하면서 전극 내부에 힘이 가해지는 '기계적 응력'도 발생한다.

문제는 이런 현상들이 매우 작은 배터리 내부에서 동시에 일어나기 때문에 실험만으로는 어디에서 어떤 문제가 발생하는지 직접 확인하기 어렵다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 실제 상용 흑연 음극의 구조를 바탕으로 배터리 전극의 '가상 쌍둥이'를 만들었다. 흑연 입자와 입자들을 서로 붙여주는 접착제 역할의 바인더, 리튬이온이 이동하는 빈 곳인 기공까지 3차원으로 구현했다.

이 가상 전극에서 전극의 두께와 빈 곳의 양, 바인더의 위치를 바꿔가며 빠르게 충전했을 때 리튬이온이 어떻게 움직이는지 분석했다.

또 리튬이 어디에 쌓이고 보호막이 어떻게 만들어지는지, 전극의 어느 부분에 힘이 집중되는지도 함께 살펴봤다.

그 결과, 전체 충전용량이 비슷해 보여도 전극 내부의 바인더와 빈 곳이 어떻게 배치돼 있느냐에 따라 배터리의 손상 정도가 크게 달라질 수 있음을 확인했다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 급속충전용 배터리를 설계할 때 전극의 바인더와 빈 곳이 '얼마나 있는지'만 보는 것이 아니라 '어디에 어떻게 분포하는지'까지 고려해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다.

이강택 교수는 "이번 연구는 겉으로 보이는 충전 성능만으로는 알기 어려웠던 배터리 내부의 문제를 3차원 디지털트윈으로 찾아냈다는 데 의미가 있다"며 "전극 안의 바인더와 빈 곳을 적절하게 배치하면 많은 에너지를 저장하면서도 빠르게 충전하고 오래 사용할 수 있는 배터리를 설계하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.