초록 ▼

□ 연구개요
전기자동차와 신재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 리튬이차전지의 수요와 요구 성능이 증대되고 있다. 이에 따라서 배터리 열화현상을 예측하고 평가할 수 있는 이론적 모델의 필요성이 높아지고 있다. 본 연구에서는 배터리 열화 현상의 근본적인 발생 원인과 메타니즘을 연구하고 배터리 성능을 평가할 수 있는 이론적 해석 모델 개발을 목표로 한다. 특히 본 연구에서는 전극에서의 응력발생과 이로 인한 균열 현상에 대하여 중점적으로 연구한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
배터리의 수명을 단축시키는 열화 요인들은

□ 연구개요
전기자동차와 신재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 리튬이차전지의 수요와 요구 성능이 증대되고 있다. 이에 따라서 배터리 열화현상을 예측하고 평가할 수 있는 이론적 모델의 필요성이 높아지고 있다. 본 연구에서는 배터리 열화 현상의 근본적인 발생 원인과 메타니즘을 연구하고 배터리 성능을 평가할 수 있는 이론적 해석 모델 개발을 목표로 한다. 특히 본 연구에서는 전극에서의 응력발생과 이로 인한 균열 현상에 대하여 중점적으로 연구한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
배터리의 수명을 단축시키는 열화 요인들은 실험적으로 관찰되었지만 이들의 발생 원인과 생성 과정은 잘 알려져 있지 않으며, 이들 요인들로 인한 배터리 성능 변화에 대한 이론 연구들이 진행 중이다. 현재 배터리의 이론적 연구는 각 스케일 별로 분리되어 독립적으로 수행되고 있는데, 보다 정확한 성능 및 수명 예측을 위해서는 스케일 별로 분리된 모델들이 통합된 해석 시스템이 필요하다. 이러한 수명 예측 모델이 개발된다면 실제 테스트에 걸리는 많은 시간과 자원을 획기적으로 줄일 수 있으며, 단시간에 다양한 조건의 시뮬레이션이 가능하여 성능 저하를 최소화하고 수명을 최대화 할 수 있는 배터리 설계에 큰 도움을 줄 수 있다. 본 과제는 배터리의 다단계 구조를 해석하기 위하여 멀티스케일 기법을 사용하여 열화 요인의 메커니즘을 연구할 수 있는 나노/마이크로 모델과 셀 단위의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 스케일 별 모델들은 상위 모델에서 필요한 입력 데이터를 하위 모델에서 함수나 파라미터 값들로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 각각의 모델을 이용하여 스케별로 일어나는 물리 현상에 대하여 보다 근본적인 메카니즘을 파악 할 수 있다. 예를들어, 바인더를 고려한 입자 단위 모델을 통해, 입자 크기가 작을수록 바인더와의 경계에서 균열이 발생할 확률이 높아지는 것으로 나타났고, 이는 기존에 알려진 균열과 반대의 경향으로, 입자 분리와 입자 내 균열 현상은 서로 상호 경쟁 관계에 있음을 알 수 있다. 본 연구에서 수행한 일련의 시뮬레이션을 통하여 입자의 크기와 충방전 속도에 따라 발생 가능한 균열의 위치를 예측할 수 있는 맵을 제시하였다. 또한 바인더의 크기가 크고 바인더가 입자가 이루는 각의 변화가 작을수록 바인더와의 분리가 잘 일어나지 않음을 알 수 있었다. 이러한 미세단위에서 일어나는 현상은 실험으로 관찰하기 어려운 현상으로 개발된 이론 모델이 근본적인 원리 연구에 유용하게 사용될 수 있음을 나타낸다.

□ 연구개발결과의 중요성
배터리 연구는 이차전지가 에너지 분야의 필수적인 요소인 만큼 전 세계적으로 많은 관심을 갖고 있는 분야이고 우리나라의 유수 기업들이 세계적인 자동차, 전자기기의 이차전지 협력업체로 선정됨으로서 배터리 산업이 차세대 성장 동력으로 주목받고 있다. 현재 실험적 연구나 실용화 개발에 비해 전기화학적인 복잡한 메커니즘과 나노부터 미터 단위에 이르는 다단계 구조로 인하여 이론적 연구가 쉽지 않으나 본 연구를 통하여 분자 단위 시뮬레이션으로부터 상위 모델에서 필요한 입력 데이터를 계산하여 보다 정확한 예측이 가능케 하였다. 또한 실제 테스트에 드는 막대한 비용을 절감할 수 있고 열화 현상에 대한 보다 근본적인 이해가 가능함으로써 열화 현상을 최소화 할 수 있는 배터리 운용이나 소재의 선택, 입자의 크기나 모양의 최적화 등의 배터리 설계 및 생산에 대한 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• (1) 입자 단위의 해석을 위한 이론적 접근 방법 ... 4
• (2) 셀 단위의 해석을 위한 이론적 접근 방법 ... 4
• (3) 주요 연구 결과 ... 5
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 4. 참고문헌 ... 8
• 5. 연구성과 ... 10
• 끝페이지 ... 11