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이강택 교수 연구팀, 차세대 배터리 ‘전고체 전지’ : 디지털 트윈 가상화 분석 기술 개발 성공

관리자 2020.11.10


<디지털 트윈화된 전고체 전지 전극 및 결함 분석 결과의 시각화>


<(좌측부터) 이강택 교수, 배경택 박사과정 학생>
 
우리 학과 이강택 교수 연구팀은 대구경북과학기술원 이용민 교수 연구팀과 공동 연구를 진행하여, 전고체 이차전지의 전극에 대한 디지털 트윈1) 화 기술을 통한 3차원 이미징 분석 및 정량화에 성공했습니다.
 
산화물계 고체전해질은 높은 안정성과 순수 리튬이온 전도성을 갖기 때문에 전고체 이차전지용 전해질로서 매력적인 소재입니다. 그럼에도 산화물계 고체전해질은 전극과의 계면에서 구조적, 화학적 접합성 문제로 인해 상용화된 리튬이온전지와 성능 경쟁이 불가능한 상황입니다.
 
이와 같이 전고체 전지 전극의 설계 및 제조 과정에서 발생할 수 있는 모든 구조적 결함 특성을 시각화 및 정량화 할 수 있는 기술을 제안하기 위해, 본 연구 그룹은 산화물계 고체전해질이 포함되어 있는 전고체전극 내 계면 결함 특성을 시각화 할 수 있는 디지털 트윈 분석 기술을 개발 하였습니다. 해당 기술 검증 및 활용을 위해 LiCoO2/Li6.2Al0.2La3Zr1.8Ta0.2O12/플루오르화 폴리비닐리덴 전고체 전극을 제조하고, 해당 전극으로부터 수백 장의 토모그래피 이미지를 확보, 3차원 재형성 기술을 바탕으로 전고체 전극을 3차원 디지털 트윈화에 성공했습니다. 또한, 슈퍼컴퓨팅 기반 계산 기술을 활용하여 전극 제조 과정에서 훼손된 고체 입자 및 형성된 파편, 전도성 입자 간 연결성 부족으로 인한 비활성 입자, 낮은 변형 특성을 갖는 산화물계 고체전해질 및 활물질 간 좁은 반응 면적 등 전고체 전극 내 성능 저하에 직간접적인 영향을 줄 수 있는 결함 특성을 정량화하는데 성공했으며, 이러한 결함 특성이 전고체 전지의 성능 구현을 어렵게 하는 주요 인자라는 것을 실험적으로도 확인하였습니다.
 
개발된 고도 분석 기술은 특정 전고체 전극 설계 인자 및 제조 과정에 따라 발생할 수 있는 결함을 효과적으로 확인할 수 있도록 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 전고체 전극과 전해질에 대한 설계를 효율적으로 최적화 할 수 있는 연구 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대됩니다.
 
우리 학과 배경택 박사과정 학생과 DGIST 에너지공학연구소 박주남 박사가 공동 제1 저자로 참여한 공동연구팀의 이번 논문은 국제학술지 ‘니노 에너지(Nano Energy)’에 10월 9일자 온라인판에 게제되었습니다. (논문명: Unraveling the limitations of solid oxide electrolytes for all-solid-state electrodes through 3D digital twin structural analysis)
 
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업과 나노미래소재원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었습니다.
 
1): 디지털 트윈(Digital Twin): 가상(사이버)공간에 실물과 똑같은 물체(쌍둥이)를 모사해내는 기술

►논문링크 : https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105456