[Science & Tech] AI Simulation Unlocks Key to 'Explosion-Proof' Next-Gen Batteries: Chonnam National University Research Team

 

[과학·IT] 전남대 차진혁 교수·신정민 연구원, AI 시뮬레이션으로 ‘폭발 없는 차세대 배터리’ 핵심 기전 규명

- 전남대-충남대 공동 연구팀, 100도 고온에서도 안정적인 ‘반고체 전지’ 개발 - AI 기반 분자동역학 시뮬레이션 통해 초미세 공간 속 리튬 이온 거동 세계 최초 확인

전남대학교 기계공학부 차진혁 교수 연구팀이 충남대 박상백 교수팀과의 공동 연구를 통해, 고온 환경에서도 폭발 위험 없이 안전하게 작동하는 차세대 리튬 반고체 전지 기술을 확보하고 리튬 이온의 움직임을 세계 최초로 규명하는 쾌거를 이뤘다.

이번 연구 성과는 나노·에너지 소재 분야의 세계적 학술지인 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters, IF: 36.3)’ 온라인판에 게재되며 학계의 큰 주목을 받고 있다.

◇ 전남대 연구팀, AI 시뮬레이션으로 ‘초미세 공간’의 비밀 풀다 이번 연구의 핵심은 액체 전해질을 1차원 나노 구조의 금속유기골격체(MOF) 내부인 ‘서브나노미터(머리카락 굵기의 수만 분의 일)’ 수준의 초미세 공간에 완전히 가두어 반고체 상태로 만드는 것이다.

특히 전남대학교 차진혁 교수와 신정민 연구원 등 전남대측 연구진은 실험만으로는 직접 관찰하기 어려운 초미세 기공 내부의 물리적 현상을 이해하기 위해 ‘신경망 포텐셜(Neural Network Potential) 기반 AI 분자동역학 시뮬레이션’을 도입했다.

연구팀은 시뮬레이션을 통해 리튬 이온이 기공의 크기에 따라 어떻게 다르게 거동하는지, 그리고 어떤 조건에서 전극에 더 균일하고 안전하게 적층되는지를 과학적 데이터로 입증해냈다. 이는 기존의 경험에 의존하던 배터리 설계를 넘어, 정밀한 데이터 분석을 통해 최적의 전지 설계 경로를 제시했다는 점에서 높은 평가를 받는다.

◇ 100도 고온에서도 끄떡없는 안전성 확보 기존 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용해 고온이나 외부 충격 시 화재 및 폭발 위험이 컸다. 하지만 이번에 전남대와 충남대 연구팀이 개발한 반고체 전해질은 100도의 극한 환경에서도 성능 저하 없이 안정적인 충·방전 성능을 유지했다. 연구진이 설계한 1차원 MOF 구조가 전해질을 구조적으로 견고하게 붙잡아 고온에서도 분해되거나 흐르지 않도록 방어막 역할을 했기 때문이다.

◇ 신정민 연구원 "차세대 에너지 저장 기술의 새로운 지평 열 것" 차진혁 교수와 함께 연구를 수행한 신정민 연구원 등 전남대학교 연구진은 이번 성과가 향후 전기차(EV)는 물론 고온 작업이 필요한 산업 현장, 항공우주 분야 등 안전성이 최우선시되는 차세대 에너지 저장 장치(ESS) 시장에 혁신적인 변화를 몰고 올 것으로 기대하고 있다.

차진혁 교수는 “이번 연구는 AI 시뮬레이션을 활용해 나노 수준의 미세한 거동을 규명함으로써 차세대 전지의 안전성과 신뢰성을 동시에 확보했다는 데 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

[Science & Tech] CNU Research Team Led by Prof. Jin-Hyeok Cha Unlocks Key to ‘Explosion-Proof’ Next-Gen Batteries via AI Simulation

• Joint research team from Chonnam and Chungnam National Universities develops a ‘semi-solid battery’ stable even at 100°C.
• World’s first verification of lithium-ion behavior in sub-nanometer spaces using AI-based molecular dynamics simulation.

A research team led by Professor Jin-Hyeok Cha of the School of Mechanical Engineering at Chonnam National University (CNU), in collaboration with Professor Sang-baek Park’s team at Chungnam National University, has achieved a major breakthrough in securing next-generation lithium semi-solid battery technology. The team has successfully developed a battery that operates safely without the risk of explosion in high-temperature environments and has identified the movement of lithium ions for the first time in the world.

The findings were published online in Nano-Micro Letters (Impact Factor: 36.3), a world-renowned academic journal in the field of nano and energy materials, garnering significant attention from the global scientific community.

■ CNU Team Decodes the Secrets of ‘Ultra-Fine Spaces’ via AI Simulation

The core of this research lies in completely confining a liquid electrolyte within the sub-nanometer (tens of thousands of times thinner than a human hair) pores of a one-dimensional (1D) Metal-Organic Framework (MOF), transforming it into a semi-solid state.

In particular, the CNU research team, including Professor Jin-Hyeok Cha and Researcher Jeong-min Shin, introduced ‘Neural Network Potential (NNP)-based AI Molecular Dynamics Simulation’ to understand physical phenomena within ultra-fine pores that are difficult to observe directly through experiments alone.

Through these simulations, the team provided scientific data proving how lithium ions behave differently depending on pore size and the specific conditions under which they deposit more uniformly and safely on the electrode. This is highly regarded for moving beyond traditional experience-based battery design and suggesting an optimal design path through precise data analysis.

■ Unmatched Safety: Stability Even at 100°C

Conventional lithium-ion batteries use liquid electrolytes, which pose a high risk of fire and explosion when exposed to high temperatures or external shocks. However, the semi-solid electrolyte developed by the joint research team maintained stable charge-discharge performance without degradation even in extreme environments of 100°C. This is because the 1D MOF structure designed by the researchers firmly holds the electrolyte, acting as a structural shield that prevents it from decomposing or leaking at high temperatures.

■ "Opening a New Horizon for Next-Gen Energy Storage"

Researcher Jeong-min Shin, who conducted the study alongside Professor Cha, expects this achievement to bring innovative changes not only to the electric vehicle (EV) market but also to industrial sites requiring high-temperature operations, aerospace, and the Energy Storage System (ESS) market, where safety is the top priority.

Professor Jin-Hyeok Cha stated, “This study is significant in that it ensured both the safety and reliability of next-generation batteries by identifying microscopic behavior at the nano-level using AI simulations.”