미래 모빌리티를 주도할 차세대 배터리: 구조 배터리 복합재
구조 배터리 복합재(Structural Battery Composite, SBC)는 단순히 에너지 저장 역할을 넘어, 모빌리티 시스템의 차체 프레임이나 패널처럼 외부 하중을 지지하는 구조체 역할까지 수행 가능한 다기능성 차세대 소재입니다. 탄소섬유 강화 복합재에 리튬이온 배터리의 기능을 통합함으로써, 기존 배터리 팩이 차지하던 무게와 공간을 획기적으로 줄여 미래 모빌리티 시스템의 성능을 극대화할 수 있습니다.
구조 배터리 복합재는 다중물리 (전기화학적-기계적) 물성이 모두 우수한 탄소섬유 음극, 유리섬유 분리막, 탄소섬유 기반 양극, 그리고 열경화성 고분자 기반 구조 (고체) 전해질을 이용하여 제작됩니다. 제작된 구조 배터리 복합재가 본래 용도에 부합하게 활용되기 위해, 랩 스케일의 시편 수준 또는 산업 스케일의 시스템 수준으로 제작되어야 합니다. 이러한 구조 배터리 복합재의 다기능성 성능에 대한 반복적인 실험적 평가는 비용 및 시간 측면에서 엄청난 손실이 발생시킵니다. 따라서, 실질적 도입을 가속화하기 위한 실험적 연구와 더불어 복잡한 다중물리 거동에 대한 이해 및 통찰력을 확보할 수 있는 시뮬레이션 연구 또한 병행되어야 합니다. 시뮬레이션을 통한 구조 배터리 복합재 설계 및 이에 따른 다중물리 성능 예측을 위해, 단순하면서 효과적인 모델 구축이 필수적입니다.
본 연구팀은 시편 수준 이상의 구조 배터리 복합재에 대한 다중물리 거동을 효율적으로 예측하기 위해, 필라멘트-실-복합재 스케일에 걸친 멀티스케일 시뮬레이션 모델을 개발했습니다. 육방 조밀 구조 형태의 탄소섬유 필라멘트와 구조 전해질을 시각적으로 모델링하여 필라멘트 스케일을 구축했습니다. 동시에 전기화학적-기계적 균질화 방법을 이용하여 탄소섬유와 구조 전해질이 연속적으로 혼재되어 있는 실 스케일 및 이를 확장한 복합재 스케일을 수립하였습니다. 시뮬레이션 모델들에 대한 스케일별 분석을 통해 각 스케일 모델의 다중물리 거동에 대한 특징을 확인했으며, 스케일 간 비교를 통해 실 스케일 모델이 비교적 적은 시간으로 다중물리 거동을 일관되게 예측하였습니다. 이 연구는 구조 배터리 복합재의 다중물리-멀티스케일 모델링 기반 제작 시 고려사항에 대한 실질적인 통찰력을 제공합니다.
다음으로, 실제 작동 환경에서 구조 배터리 복합재의 성능을 효과적으로 예측하기 위해 외부 하중에 따른 손상 공학 기반 전기화학 저하 모델을 개발했습니다. 외부 하중이 가해짐에 따라 기계적 파손 전 탄소섬유와 구조 전해질 사이의 계면에서 점진적인 분리가 발생합니다. 전기화학 저하의 주요 원인인 계면 분리를 단계적으로 전파되는 현상으로 구성하고, 이를 거시적 모델 내 전기화학 반응 속도론에 반영했습니다. 다중물리 통합 시뮬레이션 모델은 외부 하중 하 전기화학적 저하 거동을 효과적으로 모사할 수 있을 뿐만 아니라, 적용되는 외부 하중의 크기에 따른 전기화학적 저하 거동 또한 예측할 수 있습니다. 아울러 단축 응력 상태가 아닌 실제 복합적인 응력 상태에서도 전기화학적 저하 거동을 모사할 수 있을 것으로 기대됩니다.
