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새로운 배터리 소재 연구는 성능과 수명을 최적화하고 비용을 절감하는 것만을 목표로 하는 것이 아니다. 오히려 리튬, 코발트 등 희소원소와 독성성분을 줄이는 것이기도 하다

배터리: 내일의 재료를 오늘 모델링한다.

배터리 충전 속도를 결정하는 요소는 무엇일까? KIT(Karlsruhe Institute of Technology)의 연구원들은 컴퓨터 지원 시뮬레이션을 사용해 이러한 질문들을 조사하고 있다. 미세구조 모델은 새로운 전극 재료를 발견하고 조사하는 데 도움이 된다. 나트륨 이온 배터리의 양극 재료인 나트륨-니켈-망간 산화물의 경우, 시뮬레이션은 충전 과정 중 결정구조의 변화를 보여준다. 이는 탄성변형으로 이어져 용량이 줄어든다.

새로운 배터리 소재 연구는 성능과 수명을 최적화하고 비용을 절감하는 것만을 목표로 하는 것이 아니다. 오히려 리튬, 코발트 등 희소원소와 독성성분을 줄이는 것이기도 하다. 리튬이온 배터리와 유사한 원리를 기반으로 하지만 유럽에서 충분히 구할 수 있는 원자재로 생산할 수 있는 나트륨이온 배터리는 유망한 것으로 평가된다. 고정식과 이동식 응용 분야에 적합하다. “나트륨-니켈-망간 산화물과 같은 층상 산화물은 음극 재료로서 유망하다”고 시몬 다우브너(Simon Daubner)박사가 보고했다. 그는 KIT의 응용 재료 연구소의 그룹 리더이자 미세 구조 모델링 및 시뮬레이션(IAM-MMS) 해당 연구의 교신 저자다. 또한 Cluster of Excellence POLiS(“Post Lithium Storage”의 약자)에서 나트륨 이온 기술을 연구하고 있다. 

▲ Crystall structure of Na0.69Ni0.34Mn0.66O2. a. 순수 P2형 물질의 정제된 분말 XRD 패턴; (b) 낮은 배율 및 (c) 높은 배율의 SEM 이미지.

급속 충전 시 기계적 스트레스 발생

그러나 이러한 양극재에는 문제가 있다. 나트륨-니켈-망간 산화물은 현재 저장된 나트륨의 양에 따라 결정구조가 변경된다. 재료를 천천히 넣으면 모든 것이 순조롭게 진행된다. Daubner는 "나트륨은 층별로 재료에서 배출된다. 마치 주차장에서 층별로 비워지는 것과 같다"며 "그러나 일이 빨리 일어나야 한다면 나트륨이 모든 면에서 빠져나가게 되다. 이로 인해 재료가 영구적으로 손상될 수 있는 기계적 응력이 발생한다"고 설명했다.

나노기술 연구소(INT)와 KIT의 IAM-MMS 연구원들은 울름 대학교와 바덴뷔르템베르크 태양 에너지 및 수소 연구 센터(ZSW)의 과학자들과 함께 시뮬레이션을 사용해 이러한 연관성을 밝혀냈다. Nature 포트폴리오의 저널인 npj Computational Materials에 이에 대해 보고했다.

▲ 마이크로 배터리 모델의 개략도. a. 전해질에서의 빠른 이동과 양극 측에서의 빠른 반응 동역학을 가정하여 Na 금속 양극에 대해 순환되는 단일 NaXTMO2 음극 입자. b 인터칼레이션 플럭스는 상 변환과 표면의 사이트 충전 비율 xsurf에 따라 매우 불균일할 수 있다. (출처:관련논문 : Published: 18 April 2024 Combined study of phase transitions in the P2-type NaXNi1/3Mn2/3O2 cathode material: experimental, ab-initio and multiphase-field results / computational materials)

실험을 통해 시뮬레이션 결과 확인

Daubner는 “컴퓨터 모델은 전극 재료의 원자 배열부터 미세 구조, 모든 배터리의 기능 단위인 셀에 이르기까지 다양한 길이 척도를 설명할 수 있다”고 말했다. 이는 미세 구조 모델과 느린 충전 및 방전 실험을 결합해 층상 산화물 NaXNi1/3Mn2/3O2를 조사한다. 재료에는 용량 손실을 초래하는 여러 가지 성능 저하 메커니즘이 있다. 따라서 현재 상업용 애플리케이션에는 적합하지 않다. 결정구조가 변하면 탄성변형이 일어난다. 크리스탈이 수축해 균열이 발생하고 사용 가능한 용량이 줄어들 수 있다. INT 및 IAM-MMS에서 수행된 시뮬레이션에서 알 수 있듯이 이러한 기계적 영향은 너무 강해서 재료를 로드할 수 있는 속도에 큰 영향을 미칩니다. ZSW의 실험 연구를 통해 결과가 확인되었다.

연구에서 얻은 결과는 부분적으로 다른 층상 산화물로 이전될 수 있다. Daubner는 “이제 기본 프로세스를 이해했으므로 오래 지속되고 가능한 한 빨리 충전할 수 있는 배터리 소재를 개발하는 데 더 많은 노력을 기울일 수 있다”고 요약했다. 이를 통해 5~10년 안에 나트륨 이온 배터리의 대규모 사용이 현실화될 수 있다.
(Computational Materials, 2024; doi: 10.1038/s41524-024-01258-x)
출처: KIT(Karlsruher Institut für Technologie)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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