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Brief Introduction

일반정보

  • 사업명 : 산업핵심기술개발사업 (산업통상자원부)
  • 과제명 : 에너지용 나노소재의 효율적 설계를 위한 웹기반 멀티스케일 시뮬레이션 플랫폼 개발 (Development of Web-based Multiscale Simulation Platform for the Efficient Design of Energy Nano Materials)
  • 주관연구기관 : 한국과학기술연구원
  • 주관연구책임자 : 이광렬 (계산과학연구센터, 책임연구원)
  • 참여연구기관 : (주)인실리코, 서울대학교, 포항공과대학교, 서강대학교
  • 연구기간 : 2012.6.1 ~ 2017.5.30
  • 총연구비 : 약 50 억원
  • 연참여인력 : 연 50 여명

개발기술의 개요

Computational Issues for Design of Li Ion Battery Materials
Multiscale Modeling of Li Ion Battery
Example of the Work Flow
연구개발추진체계
  • 본 과제에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 나노소재의 최적 물성을 예측하고 연구개발의 방향을 제시할 수 있는 방법론으로서 전자-원자-연속체 기법의 멀티스케일 시뮬레이션 플랫폼을 구축 공개한다. 이를 통해 에너지용 나노소재의 연구개발 비용과 시간을 절감할 수 있는 연구개발 환경을 제공한다.
  • 본 과제에서는 국내 산업이 세계적 경쟁력을 갖추고 있는 대용량 Li 이차전지 분야에서 최적의 소재 설계와 전지 성능 및 신뢰성을 종합적으로 모사할 수 있는 멀티스케일 시뮬레이션 플랫폼을 개발함으로써 국내산업의 개발 경쟁력을 더욱 높일 수 있는 기반을 구축하고자 한다.
  • 대용량의 안전한 Li 이차전지의 개발을 위해서는 아래의 3 가지의 이슈가 연구되어야 한다. 이 이슈들은 각각 제일원리 계산과 분자동역학 그리고 연속체 시뮬레이션 기법이 유기적으로 작동하는 멀티스케일 시뮬레이션을 필요로 하고 있다.
    1. Novel Electrode Design and Implementation
      Cathode and Anode Design
      Electrode Materials Screening
      Morphology Effect : Particle Size, Pore Size, Packing Density....
    2. Understanding and Control of Interface
      Electrolyte Design
      Solid electrolyte interface (SEI) formation mechanism
      Composition and Properties of SEI : Impedence, Li Permeability...)
      Effect of SEI layer on the performance of Li ion battery
    3. Reliability of Battery System
      Lifetime prediction
      Stability of the system
  • 본 과제에서는 상기 이슈에 대해 멀티스케일 시뮬레이션을 수행할 수 있는 가상 실험실을 구축하고 웹기반의 시뮬레이션 환경을 연구자들에게 제공하는 Li 이차전지용 나노소재 설계 및 신뢰성 평가 플랫폼을 구축한다.

최종목표

  • Li 이온 이차전지용 나노 소재 및 전지의 최적화 설계에 활용될 수 있는 원자수준, 메소스케일 그리고 매크로 스케일의 멀티스케일 시뮬레이션 플랫폼을 구축하여 공개함으로써 국내 Li 이온 이차전지 산업의 개발경쟁력을 향상시킴.
  • 주관기관에 설치되어 국내외 연구자들에게 공개될 플랫폼은 Li 이온 배터리를 구성하는 소재 별로 멀티스케일 시뮬레이션이 가능한 가상 실험실들과 전체 배터리 셀을 모사하고 신뢰성을 평가하는 가상 실험실로 구성되며, 수퍼컴 기반의 대규모 계산환경과 병렬화된 물질 모사 기술 그리고 웹 기반의 사용자 인터페이스로 이루어 짐.
    ◦ Electrolyte Design Lab.
    ◦ Cathode Design Lab.
    ◦ Anode Design Lab.
    ◦ Full Cell Simulation Lab.
    ◦ Reliability Test Lab.
  • 이와 더불어 원자간 포텐셜 및 계산결과 DB를 구축하고 이를 계산 engine들과 연계시킬 수 있는 informatics 기술이 통합된 플랫폼이 구축됨.

연구개발 추진체계

  • 본 과제는 1단계 (1~3차년도)와 2단계 (4~5차년도)로 구분하여 진행하며, Li 이차 전지 설계 시스템의 구축을 바탕으로 좀 더 일반적인 나노소재의 멀티스케일 설계 플랫폼으로 확장하는 전략을 가지고 추진한다.
  • 1단계에서는 Li 이차전지 소재의 설계와 신뢰성 평가 시뮬레이션이 가능한 멀티스케일 시뮬레이션 플랫폼의 원형 (prototype) 을 완성하며, 2단계에서는 원형을 기반으로 시뮬레이션 적용 범위와 신뢰성을 증진시키기 위한 연구를 통해 full cell simulation 기능을 구현한다. 이와 함께 사용자 교육 및 workshop 개최를 통해 플랫폼의 활용도를 증진시켜 국내 관련 산업의 개발 경쟁력 강화를 도모한다.
  • 4차년도에는 개발 플랫폼의 알파테스트로서 본 연구진이 직접 플랫폼을 활용한 연구결과를 도출하는 과정을 통해 플랫폼의 기능을 강화한다.
  • 5차년도에는 배터리 소재 연구진(산/학/연)들을 베타테스터로 초빙하여 현장에서 일어나고 있는 문제점과 추가의 계산 수요를 파악한다. 이 과정에서 배터리 소재 분야에서 플랫폼의 인지도와 신뢰도를 끌어 올린다.

Workshops

"에너지소재 설계 기술 워크샵" 2012.2.14, KIST, 서울

Li 이차전지 분야에서 구체적인 시뮬레이션 수요를 파악하기 위해 KIST 에너지융합 연구단, LG 화학, 삼성 SDI 의 연구진과의 공동 워크샵 개최하여 플랫폼에서 구현해야 할 멀티스케일 시뮬레이션 모듈과 개념을 확정

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"제 1 회 에너지소재 설계 플랫폼 워크샵" 2013.2.26, 용평리조트, 평창

본 과제의 착수에 즈음하여 국내 유수의 실험 및 계산연구진을 초청하여 연구개발 방향 전반을 검토하고 논의하기 위한 워크샵 개최

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"제 2 회 에너지소재 설계 플랫폼 워크샵" 2015.2.13, KIST, 서울

본 과제의 1단계 성과물인 플랫폼의 원형 공개 및 실험연구진과의 협력방안 모색

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"제 3 회 에너지소재 설계 플랫폼 워크샵" 2016.1.15, KIST, 서울

본 과제에서 개발된 플랫폼 "iBat" showcase 및 베터테스트 소개

Workhop-handout1.jpg Workhop-handout2.jpg


"Workshop for Beta Version Release" 2016.6.30, KIST, Seoul

Beta-workshop.jpg

Pulbications

  • 2013
    1. D. Das, S. Kim, K.-R. Lee, A. K. Singh, "Li Diffusion through Doped and Defected Graphene", Phys. Chem. Chem. Phys., 15 (2013) 15128-15134.
    2. S. S. Han, D. H. Jung, S.-H. Choi, J. Heo, "Lithium-Functionalized Metal-Organic Frameworks that Show >10 wt% H2 Uptake at Ambient Temperature", ChemPhysChem, 14 (2013) 2698-2703.
    3. G. Kim, S. C. Jung, Y.-K. Han, "Selectively Strong Molecular Adsorption on Boron Nitride Monolayer Induced by Transition Metal Substrate", Curr. Appl. Phys. 13 (2013) 2059-2063.
    4. 한상수·이광렬, "Reactive Force Field 시뮬레이션 기술의 소개 및 응용", 재료마당, 26 (2013) 4-13.
    5. 이광렬 외, "나노물질 시뮬레이션 기술", 소재기술백서 2013 (2013) 507-546.
  • 2014
    1. T. Song, H. Han, H. Choi, J. W. Lee, H. Park, S. Lee, W. I. Park, S. Kim, L. Liu, U. Paik, "TiO2 Nanotubes Branched Tree on Carbon Nanofiber Nanostructure as an Anode for High Energy and Power Lithium Ion Batteries", Nano Res., 7 (2014) 491-501
    2. R. P. Hardikar, D. Das, S. S. Han, K.-R. Lee, and A. K. Singh, “Boron doped defective graphene as a potential anode material for Li-ion batteries”, Phys. Chem. Chem. Phys., 16 (2014) 16502-16508.
    3. D. Das, S. S. Han, K.-R. Lee, and A. K. Singh, “Pressure induced manifold enhancement of Li-kinetics in FCC fullerene”, Phys. Chem. Chem. Phys., 16 (2014) 21688-21693.
    4. M Joe, Y.-K. Han, K.-R. Lee, H. Mizuseki, and S. Kim, “An ideal polymeric C60 coating on a Si electrode for durable Li-ion batteries”, Carbon, 77 (2014) 1140-1147.
    5. D. Odkhuu, D. H. Jung, H. Lee, S. S. Han, S.-H. Choi, R. S. Ruoff, N. Park, "Negatively Curved Carbon as the Anode for Lithium Ion Batteries", Carbon, 66 (2014) 39-47.
    6. Y.-K. Han, Y. Moon, K. Lee, Y. S. Huh, "Computational Screening of Lactam Molecules as Solid Electrolyte Interface Forming Additives in Lithium-Ion Batteries", Curr. Appl. Phys., 1031 (2014) 64-68.
    7. Y.-K. Han, K. Lee, S. Kang, Y. S. Huh, H. Lee, "Desolvation and Decomposition of Metal (Mn, Co and Ni)-Ethylene Carbonate Complexes: Relevance to Battery Performance", Comput. Mater. Sci., 81 (2014) 548-550.
    8. Y.-K. Han, K. Lee, S. C. Jung Y. S. Huh, "Computational Screening of Solid Electrolyte Interface Forming Additives in Li-Ion Batteries", Comput. Theor. Chem., 1031 (2014) 64-68.
    9. S. C. Jung, D. S. Jung, J. W. Choi, Y.-K. Han, "Atom-Level Understanding of the Sodiation Process in Silicon Anode Material", J. Phys. Chem. Lett., 5 (2014) 1283-1288.
    10. W.-S. Ko, B.-J. Lee, "Origin of Unrealistic Blunting during Atomistic Fracture Simulations based on MEAM Potentials", Philosophical Magazine, 94 (2014) 1745-1753.
    11. H.-S. Lee, B.-J. Lee, "Structural Changes during Lithiation and Delithiation of Si Anodes in Li-Ion Batteries: A Large Scale Molecular Dynamics Study", Met. Mater. Int., 20 (2014) 1003-1009.
    12. K.C. Santosh, R.C. Longo, K. Xiong, K. Cho, "Point defects in garnet-type solid electrolyte (c-Li7La3Zr2O12) for Li-ion batteries", Solid State Ionics, 261 (2014) 100-105.
    13. J. Moon, B. Lee, M. Cho, and K. Cho, “Ab initio and kinetic Monte Carlo simulation study of lithiation in crystalline and amorphous silicon”, Journal of Power Sources, 272 (2014) 1010-1017.
    14. S.-Y. Chung, T.-S. Han, S.-Y. Kim, and T.-H. Lee, “Investigation of the permeability of porous concrete reconstructed using probabilistic description methods”, Construction and Building Materials, 66 (2014) 760-770.
    15. H. Lee, S.-D. Park, J. Moon, H. Lee, K. Cho, M. Cho, and S. Y. Kim, “Origin of Poor Cyclability in Li2MnSiO4 from First-Principles Calculations: Layer Exfoliation and Unstable Cycled Structure”, Chem. Mater., 26 (2014) 3896-3899.
  • 2015
    1. H. Jung, M. Lee, B. C. Yeo, K.-R. Lee, and S. S. Han, “Atomistic Observation of the Lithiation and Delithiation Behaviors of Silicon Nanowires Using Reactive Molecular Dynamics Simulation”, J. Phys. Chem. C, 119 (2015) 3447-3455.
    2. S. Chang, J. Moon, K. Cho, and M. Cho, “Multiscale analysis of prelithiated silicon nanowire for Li-ion battery”, Computational Materials Science, 98 (2015) 99-104.
    3. P. Srivastava, K. P. S. S. Hembram, H. Mizuseki, K.-R. Lee, S. S. Han, and S. Kim, “Tuning the Electronic and Magnetic Properties of Phosphorene by Vacancies and Adatoms”, J. Phys. Chem. C 119 (2015) 6530-6538.
    4. J.-M. Lim, D. Kim, Y.-G. Lim, M.-S. Park, Y.-J. Kim, M. Cho, and K. Cho, “The origins and mechanism of phase transformation in bulk Li2MnO3: first-principles calculations and experimental studies”, J. Mater. Chem. A, 3 (2015) 7066.
    5. T.-S. Han, S.-Y. Chung, Y.-W. Kim, and S. Y. Kim, “Effect of phase interactions on crystal stress evolution over crystal orientation space under elastoplastic deformation of two-phase polycrystalline solids”, J. Mech. Phys. Solids, 76 (2015) 1-19.
    6. S. –Y. Chung, T.-S. Han, S.-Y. Kim, “Reconstruction and evaluation of the air permeability of a cement paste specimen with a void distribution gradient using CT images and numerical methods”, J. Mech. Phys. Solids, 87 (2015) 45-53.
    7. D. T. Ho, H. Kim, S.-Y. Kwon, and S. Y. Kim, “Auxeticity of face-centered cubic metal (001) nanoplates”, Phys. Status Solidi B, 252, 1492-1501 (2015).
    8. Y. Zheng, K. Song, J. Jung, C. Li, Y.-U. Heo, M.-S. Park, M. Cho, Y.-M. Kang, and K. Cho, “A critical descriptor for the rational design of oxide–based catalysts in rechargeable Li-O2 batteries: Surface oxygen density”, Chem. Mater., 27, 3243-3249 (2015).
    9. H.-J. Kim, S. C. Jung, Y.-K. Han, and S. H. Oh, “An Atomic-level Strategy for the Design of a Low Overpotential Catalyst for Li-O2 Batteries”, Nano Energy 13, 679-686 (2015).
    10. Y.-K. Han, J. Yoo, and T. Yim, “Why is tris(trimethylsilyl) phophite effective as an additive for high-voltage lithium-ion batteries?”, J. Mater. Chem. A, 3, 10900-10909 (2015).
    11. Heechae Choi, Jin Dong Song, Kwang-Ryeol Lee and Seungchul Kim, "Correlated Visible-Light Absorption and Intrinsic Magentism of SrTiO3 due to Oxygen Deficiency: Bulk or Surface Effect?", Inorg. Chem., 54, 3759-3765 (2015).
    12. K. P. S. S. Hembram, H. Jung, B. C. Yeo, S. J. Pai, S. Kim, K.-R. Lee and S. S. Han, "Unraveling the Atomistic Sodiation Mechanism of Black Phosphorus for Sodium Ion Batteries by First-Principles Calculations", J. Phys. Chem. C, 119, 15041-15046 (2015).
    13. D. Kim, J.-M. Lim, Y.-G. Lim, J.-S. Yu, M.-S. Park, M. Cho and K. Cho, "Design of Nickel-rich Layered Oxides Using d Electronic Donor for Redox Reactions", Chem. Mater., 27, 6450-6456 (2015).
    14. J. Hwang, J. Ihm, K.-R. Lee and S. Kim, "Computational Evalulation of Amorphous Carbon Coating for Durable Silicon Anodes for Lithium-Ion Batteris", Nanomaterials, 5, 1654-1666 (2015).
    15. S. Chang, J. Moon and M. Cho, "Stress-Diffusion Coupled Multiscale Analysis of Si Anode for Li-ion Battery", J. Mech. Sci. Tech., 29, 4807-4826 (2015).
    16. M. Yang, W. Lee, H. Shin and D. Kim, "Computational Analsysis for Morphological Evolution in Pyrolysis for Micro/Nanofabrication", J. Nanomater., ID 931429 (2015).
  • 2016
    1. H. I. Guk, D. Kim, S. -H. Choi, D. H. Chung and S. S. Han, “Thermostable Artificial Solid-Electrolyte Interface Layer Covalently Linked to Graphite for Lithium Ion Battery: Molecular Dynamics Simulations”, J. Electrochem. Soc., 163 (2016) A917-A922.
    2. E. Lee, K. -R. Lee, M. I. Baskes, and B. -J. Lee, “A Modified Embedded-Atom Method Interatomic Potential for Ionic Systems: 2NNMEAM + Qeq”, Phys. Rev. B, 93 (2016) 144110.
    3. Y. Gwak, J. Moon, M. Cho, “Multi-scale analysis of an electrochemical model including coupled diffusion, stress, and nonideal solution in a silicon thin film anode”, Journal of Power Sources, 307 (2016) 856-865.
    4. J.-M. Lim, D. Kim, Y.-G. Lim, M.-S. Park, Y.-J. Kim, M. Cho, K. Cho, “Mechanism of oxygen vacancy on impeded phase transformation and electrochemical activation in inactive Li2MnO3”, ChemElectroChem, DOI:10.1002/celc.201600067 (2016)
    5. J.-M. Lim, D. Kim, M.-S. Park, M. Cho, K. Cho, “Underlying Mechanisms on Synergistic Role of Li2MnO3 and LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 in High-Mn, Li-rich Oxides”, Phys. Chem. Chem. Phys., 18 (2016) 11411-11421.

Patents

  • 리튬이온전지 설계용 다차원 시뮬레이션 플랫폼, 한국 특허 출원 10-2015-0161348 (2015.11.17) 한국 특허 10-1675348 (2016.11.7).
  • 가상 애노드 시뮬레이션 방법 및 이를 지원하는 전자 장치, 한국 특허 출원 10-2016-0004593 (2016.1.14).
  • 고체 전해질 인터페이스 시뮬레이션 방법 및 이를 지원하는 전자 장치, 한국 특허 출원 10-2016-0004597 (2016.1.14).
  • 가상 캐소드 시뮬레이션 방법 및 이를 지원하는 전자장치, 한국 특허 출원 10-2016-0004594 (2016.1.14).
  • 이차전지 특성 시뮬레이션 방법 및 이를 지원하는 전자장치, 한국 특허 출원 10-2016-0004596 (2016.1.14).

Contact

Dr. Kwang-Ryeol Lee, Korea Institute of Science and Technology (Tel: +82-2-958-5494)