이상헌 교수 연구팀, 양자화학공학 모델링으로 찾아낸 1회 충전 2000km 운행 전기자동차 리튬이온전지 소재 혁신 전략 공개
- 등록일2024.01.03
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공과대학(학장 김정태) 화공신소재공학과 석사과정 채소민(지도교수 이상헌) 학생이 리튬이온전지 차세대 음극재 실리콘산화물의 전기화학적 성능을 극대화하는데 필요한 소재 합성 전략을 저명 국제학술지 《ACS Applied Materials & Interfaces》에 발표했다. (https://doi.org/10.1021/acsami.3c12846)
이상헌 교수(좌)와 채소민 학생(우)
최근 LG에너지솔루션을 비롯한 대한민국 리튬이온전지 제조 기업들은 실리콘산화물을 기존 음극재 흑연에 소량 섞어 넣음으로써 고용량·고속충전 리튬이온전지를 만들어 고급 전기자동차 모델에 공급하고 있다. 하지만 기업들은 이론적으로 알려진 실리콘산화물 음극재의 최대 용량을 지금까지 뽑아내지 못하고 있으며, 실리콘산화물 첨가량을 늘리는데도 어려움을 겪고 있다.
채소민 학생을 포함한 본교 연구팀은 양자화학공학 모델링을 통하여 실리콘산화물의 상분리 현상이 충방전 과정에서 리튬이온전지의 성능에 크게 영향을 미친다는 것을 보이고, 그 원리를 정확하게 설명하였다. 이러한 이해를 바탕으로 연구팀은 전기자동차의 1회 충전 운행거리를 2000km까지 늘릴 수 있는 실리콘산화물 음극재 합성 전략을 제시하였다.
실리콘산화물 음극 리튬이온 양자화학공학 모델링 결과 모식도
채소민 학생은 “이번 연구에서 실리콘산화물 음극 소재의 실제 효율을 제한하는 그동안 알려지지 않은 그 무엇인가를 찾아내는데 초점을 맞추었다. 이를 위해 실리콘과 실리카로 상분리가 일어난 실리콘산화물 구조 모델을 제시하고, 독창적인 샘플링 계산 기법을 통해 실리콘 및 실리카 영역에서의 리튬 이온의 열역학적 및 동역학적 특성을 체계적으로 분석했다. 그 결과 실리콘/실리카 계면 영역이 리튬 이온 전달의 주요 경로가 된다는 사실을 발견함으로써, 실리콘산화물 음극 소재 혁신에 적용 가능한 새로운 아이디어를 제시할 수 있었다”라고 연구의 의의를 밝혔다.
이상헌 교수는 “이화여자대학교에 교수로 부임해 우수한 연구 인프라를 적극 활용하고, 일류 인재 채소민을 지도하며 핵심 연구 성과를 내어 대단히 기쁘다. 앞으로도 우수 학생들과 함께 우수 연구 성과를 계속 창출하기 위해 최선을 다하겠다”라며 소감을 밝혔다.
본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(과제번호: 2023R1A2C1006648)의 지원을 받아 수행되었다.
논문명: 「Energy Landscapes for Lithium Incorporation and Diffusion in Multidomain Silicon Suboxide Anode Materials」
저널명: 《ACS Applied Materials and Interfaces 15, 49, 57059–57069 》