Ultrafast Chargeable Lithium Metal Battery
| Ultrafast Chargeable Lithium Metal Battery | |
|---|---|
| 제안자 | 이용민 |
| 자문교원 | 이용민, 이홍경 |
| 연도 | 2020 |
| 분류 | |
| 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
- Joonam Park, Yong Min Lee et al. Advanced Materials Interfaces, 3(11) (2016)
- Jianming Zheng, Wu Xu. et al. Nature Energy 2, 17012 (2017)
- Hongkyung Lee, Jun Liu et al. Nature Energy 4, 551-559 (2019)
희망학생
강준희, 김범수, 서채림, 이상지
