전지의 화학 반응을 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 기술

전극의 계면 반응을 예측하는 기술

리튬이온전지는 밀도가 높아 무게가 가볍고, 고용량 전지를 만드는 데도 유리해 △ 휴대폰 △ 노트북 △ 디지털 카메라 등에 많이 적용된다. 그런데 이 같은 리튬이온전지는 충·방전이 거듭될수록 전극 표면에서 일어나는 산화·환원 반응으로 인해 형성되는 전극-전해질 계면막이 적층되는 현상을 겪게 되는데, 이 현상은 결국 전지 성능 저하로 이어지게 된다.

이와 관련해 국내 연구진이 전지의 계면 현상을 이해하는 데 도움을 줄 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 나노 단위에서 전극의 계면 반응을 빠르게 예측할 수 있는 기술을 개발했다.

KIST의 한상수 박사 연구팀은 자체 개발한 시뮬레이션 기술인 ReaxFF를 통해 실리콘 전극과 다양한 전해질 간의 화학 반응을 예측할 수 있는 소프트웨어를 개발했다. 이 소프트웨어는 화학 반응 중 생성되는 다양한 계면막 구성 성분(유·무기 화합물)과 가스 생성 메커니즘을 규명할 수 있다.

전지를 지속적으로 충·방전하면, 계면막이 형성되어 전지의 성능(수명·용량 등) 및 안전성에 부정적인 영향이 가해져 전지가 부풀어 오르거나 심지어는 폭발하는 사고가 발생할 수도 있다. 주요 원인은 계면막 형성과 직결되어 있지만, 현재의 분석 장비로는 계면 반응을 분석하는 것이 불가능하다는 견해가 지배적이다.

이와 관련해 KIST의 연구진은 시뮬레이션 기술을 통해 계면막 내의 가스 성분이 방출되는 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 각 가스 성분이 미치는 영향을 파악한 후 이를 제어하는 방법에 관한 결과도 제시할 수 있다고 밝혔다.

실험 연구자도 쉽게 활용 가능

연구진은 개발한 시뮬레이션 기술을 GUI 환경에 기반을 두고 있는 리튬이온전지 시뮬레이션 플랫폼인 ‘iBat’(http://battery.vfab.org) 내에 장착했다.

이 서비스는 계산 전문가를 포함해 실험 연구자들도 쉽게 계면막 형성 거동을 예측할 수 있도록 무상으로 제공되고 있다. 한편, KIST의 한상수 박사는 “전해질의 종류에 따라 각종 전극 표면에서 계면 반응을 미리 예측함으로써 우수한 전해질 및 첨가제 개발에 필요한 비용을 절감하고, 개발 시기를 앞당길 수 있다”라고 말한 후, “또한, 이 기술은 기존 계산과학기술의 한계였던 소규모 샘플링 방법을 극복해 실제 실험과 유사한 조건에서 결과를 도출해낼 수 있다”고 밝혔다.

연구진이 개발한 이 기술은 향후 △ 탈리튬계 이차전지 △ 연료전지 및 촉매 개발 등에서 폭 넓게 활용될 것으로 보인다.

자료 제공 : KIST