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아주대학교 전경. |
국내 연구진이 인공지능(AI)과 컴퓨터 시뮬레이션을 결합해 차세대 친환경 배터리 제조 기술로 주목받는 '건식 전극 공정'의 핵심 난제를 해결했다. 전기차와 에너지저장장치(ESS)에 필요한 고에너지 밀도 배터리 상용화 시점을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
아주대학교는 조성범 첨단신소재공학과 교수 연구팀이 가천대학교 최정현 화공생명공학과 교수 연구팀과 공동으로 건식 전극 공정에서 바인더의 섬유화 메커니즘을 규명하고, 이를 토대로 최적의 공정 설계 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 연구팀은 수치해석 기반 멀티 스케일 시뮬레이션과 AI를 결합해 기존 경험적 접근의 한계를 극복했다.
배터리 제조 공정 가운데 전극 공정은 성능을 좌우하는 핵심 단계다. 현재 산업계에서는 유기 용매를 사용하는 습식 전극 공정이 주류지만, 유해 용매 사용과 건조 공정으로 인한 비용·시간 부담이 한계로 지적된다. 이에 용매를 사용하지 않고 건조 공정도 생략할 수 있는 건식 전극 공정이 차세대 대안으로 주목받고 있다.
다만 건식 전극 공정의 핵심 요소인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더의 섬유화 과정은 그동안 명확히 규명되지 않아 공정 설계가 경험에 의존해 왔다. 연구팀은 미시적 입자 거동부터 거시적 장비 조건까지를 아우르는 멀티 스케일 유한요소해석(FEM)에 AI를 접목해, 가상 공간에서 수백 가지 입자 크기와 공정 조건을 분석했다.
그 결과, 10마이크로미터(μm)와 5μm 입자를 혼합한 이중 입자 조합에서 바인더 섬유화가 가장 효과적으로 이뤄진다는 사실을 입증하고, 이에 맞는 최적의 공정 조건을 도출했다. 해당 설계를 리튬인산철(LFP) 양극 소재에 적용한 결과, 두께 280μm, 면적당 용량 10암페어시 퍼 제곱센티미터(mAh/㎠)의 고용량 건식 전극을 균열 없이 구현하는 데 성공했다. 이 전극은 50회 이상의 충·방전 시험에서도 99% 이상의 효율을 유지했다.
이번 연구에는 강준혁 아주대 에너지시스템학과 석사과정생과 정우진 한양대 에너지공학과 석·박사통합과정생이 제1저자로 참여했다.
조성범 교수는 “AI와 시뮬레이션을 활용해 건식 전극 공정을 합리적으로 설계할 수 있는 방법론을 제시했다”며 “고에너지 밀도 배터리 상용화를 앞당기는 데 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 'Communications Materials' 12월호에 게재됐다.
수원=김동성 기자 estar@etnews.com
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