KAIST 연구팀, 3차원 디지털 트윈으로 급속충전 배터리 성능 저하 원인 규명

바인더·기공 ‘배치’가 충전 성능과 수명 좌우… 두꺼운 전극일수록 용량 차이 최대 약 18%

전기차를 빠르게 충전하면서도 배터리를 오래 쓸 수 있을까. KAIST 연구진이 실제 배터리 내부를 가상공간에 그대로 구현한 3차원 디지털 트윈으로 그 해법을 찾았다. KAIST는 기계공학과 이강택 교수팀이 신소재공학과 조은애 교수팀과 공동으로 실제 상용 리튬이온배터리에 사용되는 흑연 음극의 내부 구조를 3차원 디지털 트윈으로 구현하고, 급속충전 과정에서 배터리 성능이 떨어지는 원인을 정량적으로 규명했다고 24일 밝혔다.

배터리 전극은 리튬을 저장하는 흑연과 이를 붙여주는 바인더, 리튬이온이 이동하는 빈 공간인 기공으로 이뤄진다. 충전하면 리튬이온이 음극의 흑연 입자 안으로 이동해 저장되는데, 너무 빠르게 충전하면 일부 리튬이 흑연 안으로 들어가지 못하고 표면에 금속 리튬으로 쌓이는 리튬 도금(Li plating) 현상이 발생할 수 있다. 주차장에 차가 한꺼번에 몰려 미처 들어가지 못한 차량이 입구에 쌓이는 것과 비슷하다. 이러한 현상이 반복되면 배터리의 성능과 수명이 나빠진다.

충전 과정에서는 흑연 표면에 배터리를 보호하는 얇은 막인 고체전해질 계면층(SEI)도 만들어진다. 적절하게 형성된 보호막은 필요하지만 너무 두껍거나 고르지 않게 만들어지면 성능이 떨어질 수 있고, 충전할 때 흑연 입자가 팽창하면서 전극 내부에 힘이 가해지는 기계적 응력도 발생한다. 문제는 이런 현상들이 매우 작은 배터리 내부에서 동시에 일어나기 때문에 실험만으로는 어디에서 어떤 문제가 발생하는지 직접 확인하기 어렵다는 점이다. 기존 컴퓨터 모델도 전극 전체의 평균적인 특성을 주로 이용해 실제 배터리 내부의 복잡한 구조와 위치에 따른 차이를 충분히 보여주기 어려웠다.

연구팀은 실제 상용 흑연 음극의 구조를 바탕으로 배터리 전극의 가상 쌍둥이를 만들었다. 흑연 입자와 입자들을 서로 붙여주는 바인더, 리튬이온이 이동하는 기공까지 3차원으로 구현했다. 연구팀은 이 가상 전극에서 전극의 두께와 빈 공간의 양, 바인더의 위치를 바꿔가며 빠르게 충전했을 때 리튬이온이 어떻게 움직이는지 분석했고, 리튬이 어디에 쌓이고 보호막이 어떻게 만들어지는지, 전극의 어느 부분에 힘이 집중되는지도 함께 살펴봤다. 모델은 실제 전극의 구조와 전기화학 실험 결과와 비교해 신뢰성을 검증했다.

분석 결과, 전체 충전용량이 비슷해 보여도 전극 내부의 바인더와 빈 공간이 어떻게 배치돼 있느냐에 따라 배터리의 손상 정도가 크게 달라질 수 있는 것으로 확인됐다. 두께 50마이크로미터(μm)의 전극에서는 바인더 배치에 따른 전체 충전용량 차이가 4% 이내로, 겉으로 드러나는 충전 성능에는 큰 차이가 없었다. 하지만 전극 내부에서는 리튬이 저장되는 위치와 배터리 성능을 떨어뜨리는 반응이 일어나는 위치가 뚜렷하게 달랐다.

특히 바인더가 전극의 한쪽에 몰리면 리튬이온이 지나갈 수 있는 빈 공간이 줄어 이동이 어려워졌다. 도로가 좁아지면 교통체증이 생기는 것과 같은 원리다. 이 경우 전류가 모이는 부분인 집전체 주변에 쌓이는 리튬 도금의 양이 바인더가 고르게 분포한 전극보다 10% 이상 증가했다. 반대로 바인더가 전극 전체에 비교적 고르게 퍼져 있으면 리튬이온이 보다 원활하게 이동했고, 배터리를 보호하는 막도 상대적으로 고르게 형성됐다.

이러한 차이는 전극이 두꺼워질수록 더욱 커졌다. 두께 83μm의 전극에서는 바인더 배치에 따른 충전용량 차이가 약 18%까지 벌어졌다. 전극을 두껍게 만들어 더 많은 에너지를 저장하려면 재료의 양뿐 아니라 내부에 어떻게 배치할 것인지까지 세밀하게 설계해야 한다는 의미다. 빈 공간의 위치는 전극이 받는 힘에도 영향을 미쳤다. 빈 공간이 충분하면 충전할 때 팽창하는 흑연 입자를 주변 공간이 받아줘 힘이 분산됐지만, 빈 공간이 부족하면 흑연 입자가 팽창할 여유가 없어 특정 부분에 힘이 집중됐다.

연구팀은 이번 연구를 통해 급속충전용 배터리를 설계할 때 전극의 바인더와 빈 공간이 얼마나 있는지만 보는 것이 아니라 어디에 어떻게 분포하는지까지 고려해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다. 3차원 디지털 트윈을 활용하면 여러 종류의 전극을 일일이 만들어 실험하기 전에 가상공간에서 배터리 내부의 문제를 미리 살펴볼 수 있어, 향후 최적의 전극 구조를 찾는 데 활용되면 전기차 충전시간은 줄이고 배터리 수명은 늘리는 기술 개발에 기여할 것으로 연구팀은 기대했다.

이강택 교수는 “이번 연구는 겉으로 보이는 충전 성능만으로는 알기 어려웠던 배터리 내부의 문제를 3차원 디지털 트윈으로 찾아냈다는 데 의미가 있다”며 “전극 안의 바인더와 빈 공간을 적절하게 배치하면 많은 에너지를 저장하면서도 빠르게 충전하고 오래 사용할 수 있는 배터리를 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

KAIST 기계공학과 강예진 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 인포맷(InfoMat, IF 19.6)에 게재됐으며, 지난 7월 7일 후면 표지 논문으로 선정됐다. 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 융합기술개발사업 및 InnoCORE 연구단의 지원을 받아 수행됐다.

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