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표제지 1

목차 5

국문요약 9

Ⅰ. 서론 11

1. 연구배경 11

(1) 전고체 배터리 11

(2) 배터리 내부 미세구조의 중요성 11

(3) 본 연구의 필요성 12

Ⅱ. 미세구조의 기하학적 요소에 따른 입자간의 접촉 면적 분석 13

1. 미세구조 내부 입자 크기 및 부피분율 13

2. 도메인 두께에 따른 입자간의 접촉 면적 14

Ⅲ. 시뮬레이션을 통한 입자간의 접촉 면적에 따른 배터리의 성능 분석 21

1. 전고체 배터리 모델 21

2. 전기화학 모델 지배 방정식 22

3. 기계적 모델 지배 방정식 27

Ⅳ. 입자간의 접촉 면적에 따른 배터리 성능 30

1. 미세구조에 따른 배터리의 전기화학적 성능 30

2. 미세구조에 따른 배터리의 기계적 성능 38

Ⅴ. 결론 40

참고문헌 41

ABSTRACT 44

표목차 7

표1. 전기화학 모델에서 사용한 매개변수 26

표2. 고체역학 모델에서 사용한 매개변수 28

표3. AM 입자의 크기와 부피분율이 다른 시뮬레이션 case 29

그림목차 8

그림 1. 입자간의 접촉 면적 측정을 위해 생성한 미세구조 예시 13

그림 2. 도메인의 두께가 20μm인 미세구조 예시 14

그림 3. 도메인의 두께가 40μm인 미세구조 예시 14

그림 4. 도메인의 두께가 80μm인 미세구조 예시 15

그림 5. 도메인 두께와 입자의 크기에 따른 내부 입자의 개수 16

그림 6. 도메인의 두께와 입자의 크기에 따른 입자간의 접촉 면적 17

그림 7. 도메인 두께가 80 μm 미세구조에서 다양한 부피분율에 따른... 18

그림 8. 동일한 두께의 미세구조에서 전해질의 종류에 따른 접촉 면적 19

그림 9. AM입자의 크기와 부피분율에 따른 입자간의 접촉 면적 20

그림 10. 본 연구에 사용된 배터리 모델의 개요 21

그림 11. AM입자의 부피분율이 50 vol%일 경우 입자 크기에 따른 voltage 31

그림 12. AM입자의 부피분율이 55 vol%일 경우 입자 크기에 따른 voltage 31

그림 13. AM입자의 부피분율이 60 vol%일 경우 입자 크기에 따른 voltage 32

그림 14. AM입자의 크기가 5 μm일 경우 부피분율에 따른 voltage 33

그림 15. AM입자의 크기가 12 μm일 경우 부피분율에 따른 voltage 34

그림 16. AM입자의 크기가 12 μm일 경우 부피분율에 따른 voltage 35

그림 17. z축 10 μm 위치의 xy 평면 Li ion concentration 36

그림 18. z축 40 μm 위치의 xy 평면 Li ion concentration 37

그림 19. z축 70 μm 위치의 xy 평면 Li ion concentration 37

그림 20. z축 10 μm 위치의 xy 평면 von Mises stress 38

그림 21. z축 40 μm 위치의 xy 평면 von Mises stress 39

그림 22. z축 70 μm 위치의 xy 평면 von Mises stress 39

초록보기

 전고체 배터리는 높은 에너지 밀도와 향상된 안전성으로 인해 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 기존 리튬이온 배터리에서 문제가 되었던 액체 전해질 기반 시스템의 화재 및 폭발 위험성을 해결하기 위해, 고체 전해질(Solid Electrolyte, SE)을 사용하는 전고체 배터리가 차세대 에너지 저장 장치로 제시되었다. 고체 전해질을 사용할 경우 배터리의 구조를 단순화하고, 에너지 밀도를 높이며, 전기화학적 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만 전고체 배터리가 상용화되기 위해서는 고체 전해질의 낮은 이온 전도도와 전극-전해질 계면에서 발생하는 접촉 불량과 같은 문제가 해결되어야 한다. 전고체 배터리에서 리튬 이온은 입자 간의 접촉 면적을 통해 이동하기 때문에, 배터리 내부의 미세구조가 전기화학적 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 입자 크기, 부피 분율, 그리고 입자 간의 접촉 면적은 이온 전도와 전극 활용도에 영향을 미치는 핵심 요소로 작용한다. 특히, 입자가 작아질수록 리튬 이온의 이동 경로가 짧아져 성능이 향상될 수 있지만, 지나치게 작을 경우 계면 불안정성이 증가할 수 있다는 한계도 존재한다. 따라서 배터리의 내부 미세구조와 성능 간의 관계를 명확히 이해하고, 이를 기반으로 최적의 설계 지침을 제공하는 연구가 중요하다. 본 연구에서는 다양한 입자 크기와 부피 분율 조건에서 미세구조를 생성하고, 이를 기반으로 입자 간접촉 면적이 배터리 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 생성된 미세구조를 통해 입자 크기와 부피 분율이 접촉 면적에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고, 이를 반영한 배터리 모델을 개발하여 접촉 면적이 전기화학적 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구는 전고체 배터리 설계 시 적절한 입자 크기와 부피 분율을 선택하기 위한 가이드라인을 제공함으로써, 향후 배터리 개발 및 최적화를 위한 중요한 기초 데이터를 제시한다.

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