Ultrafast Chargeable Lithium Metal Battery

Ultrafast Chargeable Lithium Metal Battery
제안자	이용민
자문교원	이용민, 이홍경
연도	2020
타입	A형 과제
코스	장영실
매칭여부	Yes
참여학생수	4
소개동영상

제안 배경

전기자동차(EV)는 21세기의 눈부시게 향상된 배터리 기술에 힘입어 100년에 걸쳐 쌓아 올린 내연기관 자동차의 영역을 쫓아오는 데 성공했다. 이에 따라 세계 전기자동차 시장이 급격히 성장하고 있고 전기자동차를 위한 연구 인프라가 활발하게 구축되고 진행 중에 있다. 하지만, 짧은 주행가능거리와 긴 충전시간은 전기자동차 저변 확대의 가장 큰 걸림돌이다. 이러한 기존 전기자동차의 단점을 해결하기 위해서는, 초고속충전이 가능한 대용량의 전지 개발이 필수적이다. 이를 위해 본 연구 그룹은 초고속충전이 가능한 고 에너지밀도 리튬 금속 전지의 개발을 제안한다.

과제 목표

리튬 이온 전지의 충전 속도에 관여하는 핵심 결정인자(리튬염 농도, 양극 활물질 표면 속도상수, 내부 확산계수 등)의 변화에 따른 초고속충전(Ultra-fast Charge)시의 성능 및 전기화학적 특성을 시뮬레이션을 통한 전산 모사 및 실제 실험으로 확인하고, 고 에너지밀도의 전지를 구성하기 위해 필수적인 리튬 금속 음극의 성능 향상을 위한 다양한 전략을 구성하고 진행하여, 이를 기반으로 차세대 고속충전/고에너지밀도 리튬 금속 전지를 제안함.

과제 내용

3-1. 초고속충전(Ultra-fast Charge) 리튬 이온 전지 개발 전략 도출 및 성능 분석

 1) 충전 속도에 관여하는 핵심 결정인자 확보
=> COMSOL Multiphysics를 이용한 전산 모사를 기반으로 다양한 조성 및 구성의 리튬 이온 전지 모델을 구축하여, 리튬 이온 전지의 충전 속도를 결정하는 핵심 인자 도출 및 이에 대한 유효성 확인.

  
  그림 1. COMSOL Multiphysics를 사용한 리튬금속/NCM 기반 전지의 전산모사 결과

2) 초고속충전이 가능한 리튬 이온 전지 개발 및 제작 => 도출한 충전 속도 결정 핵심 인자를 바탕으로 리튬 이온 전지 시스템 구성 요소별(양극 활물질, 전해질, 첨가제 등) 최적화 진행 및 전지 제작 후 전기화학적 평가를 진행하여 고속충전에 따른 열화 거동을 확인.

  
  그림 2. 전해질의 최적화를 통한 리튬 이온 전지의 성능 향상 결과(Nat. Energy 2 ,17012, 2017)

3-2. 리튬 금속 음극의 성능 향상 및 초고속충전/고에너지밀도 리튬 금속 전지 제작

 1) 리튬 금속 기반 이차전지의 성능 향상 전략 도출
=> 전산 모사를 기반으로 리튬 금속 기반 이차전지의 기술적 이슈(리튬 덴드라이트 형성으로 인한 수명 저하 및 안전성 문제, 낮은 전착 밀도 및 쿨롱 효울 등)를 해결하기 위한 방안 도출 및 고속충전시 달라지는 전지의 거동 및 성능 평가.
  
  그림 3. 고속 충전시 흑연 음극 기반 이차전지와 리튬 금속 기반 이차전지 내부 반응 모식도
  
  
  그림 4. 리튬 금속 모델의 모식도 및 이를 기반으로 한 리튬 금속 이차전지의 전산모사 결과

 2) 고속충전이 가능한 리튬 금속 이차전지 제작 및 성능 평가
=> 도출한 리튬 금속 기반 이차전지의 성능 향상 전략을 기반으로 고속충전이 가능한 리튬 금속 이차전지를 제작하고 이에 대한 전기화학적 평가를 진행.

참고자료

1. Joonam Park, Yong Min Lee et al. Advanced Materials Interfaces, 3(11) (2016)
2. Jianming Zheng, Wu Xu. et al. Nature Energy 2, 17012 (2017)
3. Hongkyung Lee, Jun Liu et al. Nature Energy 4, 551-559 (2019)

희망학생

강준희, 김범수, 서채림, 이상지