▲ 충남대-전남대_공동연구팀=충남대 제공  © 김정환 기자

1차원 나노 구조로 액체 전해질 100% 가둬… 고온·충격에도 화재 위험 ‘제로’ 

AI 시뮬레이션 통해 서브나노 공간 속 리튬 이동 세계 최초 규명 

나노·에너지 분야 세계적 권위지 ‘Nano-Micro Letters’ 게재

국내 연구진이 전기차 화재 사고의 원인으로 지목되는 액체 전해질의 폭발 위험을 원천 차단할 수 있는 차세대 전지 기술을 개발했다. 

특히 인공지능(AI)을 활용해 눈에 보이지 않는 미세 공간 속 리튬 이온의 움직임을 과학적으로 입증하며 전지 설계의 새로운 패러다임을 제시했다.

충남대학교 신소재공학과 박상백 교수와 전남대학교 기계공학부 차진혁 교수 공동 연구팀은 100℃의 고온에서도 폭발 위험 없이 안정적으로 작동하는 ‘차세대 리튬 반고체전지’ 개발에 성공했다고 밝혔다.

기존 리튬 이온 전지는 액체 상태의 전해질을 사용해 열이나 외부 충격에 취약하고, 화재 시 폭발로 이어지는 치명적인 단점이 있었다. 

연구팀은 이를 해결하기 위해 1차원(1-D) 나노 구조의 금속유기골격체(MOF)를 도입했다. 머리카락 굵기보다 수만 배 작은 초미세 통로 속에 액체 전해질을 구조적으로 가두는 방식을 통해, 전해질이 고체처럼 흐르지 않으면서도 이온 전도성은 유지되는 ‘100% 반고체 전해질’을 구현해 낸 것이다.

이번 연구의 또 다른 성과는 AI 분자동역학 시뮬레이션을 통해 실험적으로 확인하기 어려웠던 초미세 기공 내부 현상을 규명했다는 점이다. 전남대 차진혁 교수팀은 신경망 포텐셜 기반 AI를 도입해 서브나노미터(10억 분의 1m 이하) 수준의 기공 안에서 리튬 이온이 어떻게 이동하는지를 세계 최초로 밝혀냈다.

그동안 차세대 전지 설계가 주로 경험에 의존했다면, 이번 연구는 데이터와 과학적 근거를 바탕으로 최적의 기공 크기와 작동 조건을 찾아냈다는 점에서 학계의 높은 평가를 받고 있다. 실제로 이번 전지는 100℃ 고온에서도 전압 변동 없이 안정적인 충·방전 성능을 유지하며 뛰어난 신뢰성을 입증했다.

연구 결과는 나노·에너지 소재 분야 최고 권위지인 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters, IF: 36.3)’ 1월 5일 자에 게재되며 기술력을 인정받았다.

충남대 박상백 교수는 “전해질을 구조적으로 완벽히 제어해 안전성을 극대화한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “향후 전기차는 물론 고온 환경의 산업 현장이나 항공우주 분야 등 안전이 필수적인 에너지 저장 장치에 널리 활용될 것”이라고 밝혔다. 

*아래는 위 기사를 '구글 번역'으로 번역한 영문 기사의 [전문]입니다. '구글번역'은 이해도를 높이기를 위해 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.<*The following is [the full text] of the English article translated by 'Google Translate'. 'Google Translate' is working hard to improve understanding. It is assumed that there may be errors in the English translation.>

A battery that doesn't explode even at 100°C has been developed...

Chungnam National University and Chonnam National University develop an 'AI-designed' semi-solid-state battery

A one-dimensional nanostructure encloses 100% of the liquid electrolyte... Zero risk of fire even under high temperatures and impacts. AI simulations reveal lithium movement in sub-nano spaces for the first time in the world.

Published in 'Nano-Micro Letters,' a world-renowned journal in the nano-energy field.

A Korean research team has developed next-generation battery technology that can fundamentally eliminate the risk of explosion from liquid electrolytes, a cause of electric vehicle fires.

In particular, they utilized artificial intelligence (AI) to scientifically demonstrate the movement of lithium ions in invisible microscopic spaces, suggesting a new paradigm in battery design.

A joint research team led by Professor Sang-Baek Park of the Department of Materials Science and Engineering at Chungnam National University and Professor Jin-Hyeok Cha of the Department of Mechanical Engineering at Chonnam National University announced the successful development of a 'next-generation lithium semi-solid-state battery' that operates stably without risk of explosion even at temperatures as high as 100°C.

Existing lithium-ion batteries, which utilize liquid electrolytes, are vulnerable to heat and external shock, and have the fatal drawback of potentially exploding in the event of a fire.

To address this issue, the research team introduced a one-dimensional (1-D) nanostructured metal-organic framework (MOF). By structurally confining the liquid electrolyte within ultra-fine channels tens of thousands of times smaller than the width of a human hair, they achieved a "100% semi-solid electrolyte" that maintains ionic conductivity while preventing the electrolyte from flowing like a solid.

Another achievement of this research is that it elucidated phenomena within ultra-fine pores, previously difficult to observe experimentally, through AI molecular dynamics simulations. Professor Cha Jin-hyeok's team at Chonnam National University used neural network potential-based AI to become the first in the world to elucidate how lithium ions move within sub-nanometer (one billionth of a meter) pores.

While next-generation battery design has previously relied primarily on experience, this research has been highly praised by the academic community for identifying optimal pore sizes and operating conditions based on data and scientific evidence. In fact, this battery demonstrated outstanding reliability, maintaining stable charge and discharge performance without voltage fluctuations even at high temperatures of 100°C.

The research results were published in the January 5th issue of Nano-Micro Letters (IF: 36.3), a leading journal in the field of nano and energy materials, recognizing its technological prowess.

Professor Park Sang-baek of Chungnam National University stated, "The core of this research lies in maximizing safety through structurally perfect control of the electrolyte." He added, "It will be widely used in energy storage devices where safety is essential, not only in electric vehicles but also in high-temperature industrial settings and aerospace applications."