DGIST, 전지 내부 단입자 입체적으로 구현한 입자 모델 개발

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 마이크로미터 크기의 전지 내 입자의 입체적 관찰이 가능하도록 한 모델을 개발했다. 향후 전지 내 마이크로미터 크기의 단입자 분석·연구를 통해 전지의 에너지효율을 높이는 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

개발 모델을 활용해 예측한 단입자 내부의 전기화학적 현상. a) 충전 상태, b) 전기적 전위, c) 리튬 농도, d) 과전압. 그림=DGIST.

DGIST는 에너지공학전공 이용민 교수팀이 전극 활물질 입자를 입체적으로 구현할 수 있는 ‘마이크론 단입자 전기화학 모델’을 개발했다고 1일 밝혔다. 실험상 확인이 어렵던 전극활물질 단입자를 입체적으로 관찰할 수 있게 돼 관련 전기화학적 현상 연구와 입자 설계 등 전지의 효율을 높이는 연구에 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.

최근 전기자동차의 동력원으로 이차전지가 많이 쓰이지만 여전히 내연기관만큼 효율적이지 못하다. 전지의 에너지 밀도를 높인다면 효율성을 개선할 수 있지만 현재까진 정밀 분석 기술의 한계로 관련 연구와 개발이 활발하지 못하다.

이용민 교수팀은 전지 내 전극 활물질의 설계 최적화를 통해 전지의 에너지 밀도 향상이 가능할 것이라 생각했다. 이에 따라 마이크로미터 크기의 전극 활물질 단입자를 살펴볼 수 있는 방법을 모색했고 이를 입체적으로 분석할 수 있는 전기화학모델을 개발하게 됐다.

전지의 전극에 초점을 둔 기존의 모델들과는 달리 이 교수팀이 개발한 모델은 전극을 이루는 수많은 전극활물질 단입자에 초점을 뒀다. 이로써 모델로 구현된 입체적인 단입자의 성질과 특성을 정밀 분석해 좀 더 근본적으로 전지의 효율을 높이는 방안을 모색할 수 있게 됐다. 특히 입자를 입체적으로 분석할 수 있어 향후 전지 내 전극 활물질 단입자 설계를 위한 연구에도 많이 활용될 것으로 전망된다.

이번 연구와 관련해 에너지공학전공 이용민 교수는 “전지를 구성하는 마이크로 단위의 전극 활물질 단입자를 개별적으로 구현하고 분석할 수 있는 모델을 개발한 점이 기존 연구와의 차별점”이라며 “개발한 전기화학모델을 활용해 전기자동차의 전지 효율을 개선하는 연구에 접목하는 것이 향후 계획”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 DGIST 에너지공학전공 송지훈 석·박 통합과정생과 박주남 박사과정생이 공동1저자로 참여했다. 도쿄 메트로폴리탄 대학(카나무나, 무나카다 교수), 충남대(김성수 교수), 한밭대(유명현 교수)와 공동 연구를 진행했다. 에너지 소재 분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 6월 4일 온라인으로 게재됐다.