KR102631134B1 - Method for predicting lithium-ion battery performance, system using the same, and device comprising thereof - Google Patents

Method for predicting lithium-ion battery performance, system using the same, and device comprising thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102631134B1
KR102631134B1 KR1020200149720A KR20200149720A KR102631134B1 KR 102631134 B1 KR102631134 B1 KR 102631134B1 KR 1020200149720 A KR1020200149720 A KR 1020200149720A KR 20200149720 A KR20200149720 A KR 20200149720A KR 102631134 B1 KR102631134 B1 KR 102631134B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dimensional
cation
equation
delete delete
battery performance
Prior art date
Application number
KR1020200149720A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220063643A (en
Inventor
임강훈
타마라니 리즈키
정원지
김향선
윤하나
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020200149720A priority Critical patent/KR102631134B1/en
Publication of KR20220063643A publication Critical patent/KR20220063643A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102631134B1 publication Critical patent/KR102631134B1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644Constructional arrangements
    • G01R31/3648Constructional arrangements comprising digital calculation means, e.g. for performing an algorithm
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30Circuit design
    • G06F30/39Circuit design at the physical level
    • G06F30/398Design verification or optimisation, e.g. using design rule check [DRC], layout versus schematics [LVS] or finite element methods [FEM]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/364Composites as mixtures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • H01M4/5815Sulfides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 리튬-이온 전지의 전기화학적 성능 예측 방법, 구체적으로는 2차원 이종적층구조의 전극 활물질에 따른 전지 성능을 예측하는 방법 및 이를 이용하는 시스템 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting the electrochemical performance of a lithium-ion battery, specifically, a method for predicting battery performance according to an electrode active material with a two-dimensional heterogeneous stacked structure, and a system and device using the same.

Description

리튬-이온 전지 성능 예측 방법 및 이를 이용하는 시스템 및 장치{METHOD FOR PREDICTING LITHIUM-ION BATTERY PERFORMANCE, SYSTEM USING THE SAME, AND DEVICE COMPRISING THEREOF}Lithium-ion battery performance prediction method and system and device using the same {METHOD FOR PREDICTING LITHIUM-ION BATTERY PERFORMANCE, SYSTEM USING THE SAME, AND DEVICE COMPRISING THEREOF}

본 발명은 리튬-이온 전지의 전기화학적 성능 예측 방법, 구체적으로는 2차원 이종적층구조의 전극 활물질에 따른 전지 성능을 예측하는 방법 및 이를 이용하는 시스템 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting the electrochemical performance of a lithium-ion battery, specifically, a method for predicting battery performance according to an electrode active material with a two-dimensional heterogeneous stacked structure, and a system and device using the same.

본 연구는 한국에너지기술연구원 연구개발사업 (C0-2417)과 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업(2020229B10-2022-AC01)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.This study was supported by the Korea Institute of Energy Research Research and Development Project (C0-2417) and the Korea Forest Service (Korea Forestry Promotion Agency) Forest Science and Technology Research and Development Project (2020229B10-2022-AC01).

최근, 미래 반도체 소재로 MoS2, WS2, WSe2 등 다양한 2차원 소재가 주목받고 있다. 위 2차원 구조 소재들을 나노미터의 얇은 두께로 잘 휘면서 튼튼하며, 금속성, 반도체, 부도체적 특성 등으로 전자소자, 센서, 에너지 등 다양한 분야에 활용 가능하다. 특히, 2차원 이종 다층소재의 경우에, 단일 층의 적층 조합에 따른 물성의 변조가 가능하고, 2차원 소재 물성간 상승적 커플링 구현이 가능한 장점이 있다. 예를 들어, 그래핀/MoS2 이종 적층 소재의 경우, MoS2/MoS2 동종 적층 소재에 비하여 인터컬레이션 반응으로 전하 축적이 약 10배 이상 증가됨이 보고된 바 있다 (참고문헌, P. Kim et al., Nature 558, 425 (2018)). 또한, 1.3nm 두께의 초박막 그래핀/MoS2 이종 적층(그래핀/MoS2/그래핀) 소재가 MoS2 단일 적층 소재보다 7배 높은 광전류를 보이는 것이 관찰된 바 있다 (참고문헌, Nat. Commun. 7, 13278 (2016)). Recently, various two-dimensional materials such as MoS 2 , WS 2 , and WSe 2 are attracting attention as future semiconductor materials. The above two-dimensional structural materials are flexible and strong with a nanometer-thin thickness, and can be used in various fields such as electronic devices, sensors, and energy due to their metallic, semiconductor, and non-conducting properties. In particular, in the case of two-dimensional heterogeneous multilayer materials, there is an advantage in that it is possible to modulate physical properties according to the stacking combination of single layers and realize synergistic coupling between the physical properties of two-dimensional materials. For example, in the case of graphene/MoS 2 heterogeneous stacked materials, it has been reported that charge accumulation increases by about 10 times due to intercalation reaction compared to MoS 2 /MoS 2 homogeneous stacked materials (Reference, P. Kim et al., Nature 558, 425 (2018)). In addition, it has been observed that a 1.3 nm thick ultra-thin graphene/MoS 2 heterogeneous stacked (graphene/MoS 2 /graphene) material exhibits a photocurrent that is 7 times higher than that of a MoS 2 single stacked material (Reference, Nat. Commun 7, 13278 (2016)).

2차원 전이금속 디칼코게나이드 (Transition Metal Dichalcogenide, TMD) 물질과 이종 다층 2차원 물질은 향후 전자, 광전자, 에너지, 센서, 생체의학 등 다양한 고부가가치 응용 분야에 채택될 잠재력이 매우 높을 것으로 예상되며, 2020년 5.5백만 달러규모에서 2030년 2차원 물질의 세계 총 시장규모는 약 1억 3천만 달러로 23배 이상 급증할 것으로 전망된다. 또한, 2030년 국내 총 시장 규모는 1,780만 달러로 예상되며, 2020년부터 2030년 사이 연평균성장률 (CAGR)은 36.72% 전망된다 (참고문헌, “非-그래핀 2차원물질분야 기술시장 동향 분석”, 한국전자통신연구원 내부보고서, 2016년 6월).Two-dimensional transition metal dichalcogenide (TMD) materials and heterogeneous multilayer two-dimensional materials are expected to have great potential to be adopted in various high value-added application fields such as electronics, optoelectronics, energy, sensors, and biomedicine in the future. From $5.5 million in 2020, the total global market size for two-dimensional materials is expected to increase more than 23 times to about $130 million in 2030. In addition, the total domestic market size in 2030 is expected to be $17.8 million, and the compound annual growth rate (CAGR) between 2020 and 2030 is expected to be 36.72% (Reference, “Analysis of technology market trends in the field of non-graphene two-dimensional materials” , Electronics and Telecommunications Research Institute internal report, June 2016).

이에 더하여, 2차원 칼코게나이드 물질과 이종 다층 2차원 물질은 소재 자체만의 시장뿐만 아니라 그 응용 분야에 있어서 매우 무궁무진한 가능성이 있으며, 특히나 이차전지, 열전소자 등과 같은 에너지 분야의 고효율 저전력 소자 및 소재 개발로의 응용 가능성이 매우 높다. In addition, two-dimensional chalcogenide materials and heterogeneous multilayer two-dimensional materials have endless possibilities not only in the market for the materials themselves but also in their application fields, especially in high-efficiency, low-power devices and energy fields such as secondary batteries and thermoelectric devices. The potential for application in material development is very high.

다양한 응용 분야 중에서, 이차전지 그 중 리튬 이온 배터리 시장은 매년 그 규모가 커지고 있다. 일상 생활과 관련한 많은 것들이 전자기기를 통해 이루어지고 일상생활에 있어 전자기기는 반드시 필요한 존재로 자리 잡고 있다. 이와 더불어 전자기기를 구성하는 필수 요소인 배터리에 대한 수요는 높아지고 더 나은 배터리의 개발에 관한 중요성은 확대되고 있다. 앞으로 산업에서 배터리는 지금보다 더 많은 곳에서 사용될 것이며 지금보다 고용량, 고효율의 배터리를 요구하게 될 것이다.Among various application fields, the lithium-ion battery market among secondary batteries is growing in size every year. Many things related to daily life are accomplished through electronic devices, and electronic devices have become an essential part of daily life. In addition, the demand for batteries, an essential element of electronic devices, is increasing, and the importance of developing better batteries is increasing. In the future, batteries will be used in more industries than now, and batteries with higher capacity and higher efficiency will be required than now.

경험적이고 실험적인 노력으로 새로운 재료를 찾는 것은 시간과 비용이 많이 들게 된다. 배터리 산업을 위한 새롭고 더 나은 전극 재료에 대한 검색을 가속화하기 위해 고성능 컴퓨터에서 양자 시뮬레이션(QS)을 사용하기 위해 주로 학계와 실험실에서 현재 상당한 노력이 진행되고 있다. 제1 원리 범밀도 함수 이론(DFT) 또는 이와 동등한 것에 기반한 양자 시뮬레이션은 현재 알려진 음극, 양극 및 전해질에 대해 알려진 배터리 재료의 특성을 원자 규모로 예측할 수 있는 신뢰할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 제공한다. 전극 재료 특성에 대한 QS 기반 예측의 정확성은 광범위한 응용 분야(예: 반도체 및 제약)에서 입증되었다.Finding new materials through empirical and experimental efforts takes a lot of time and money. Significant efforts are currently underway, primarily in academia and laboratories, to use quantum simulation (QS) on high-performance computers to accelerate the search for new and better electrode materials for the battery industry. Quantum simulations based on first-principles full-density functional theory (DFT) or equivalent provide reliable computer simulations that can predict the properties of battery materials at the atomic scale for currently known cathodes, anodes, and electrolytes. The accuracy of QS-based predictions of electrode material properties has been demonstrated in a wide range of applications (e.g. semiconductor and pharmaceuticals).

따라서 본 발명자들은, 양자 시뮬레이션을 이용하여 전이금속 디칼코게나이드 등 2차원 이종적층구조의 전극 활물질에 따른 전지 성능을 예측하는 방법에 대한 시장의 요구에 대응하여, 본 발명에 이르게 되었다. Accordingly, the present inventors arrived at the present invention in response to market demands for a method of predicting battery performance according to electrode active materials with a two-dimensional heterogeneous layered structure, such as transition metal dichalcogenide, using quantum simulation.

본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 측면은 전지 성능 예측 방법을 제공한다.The present invention was developed to solve the above-described problem, and one aspect of the present invention provides a method for predicting battery performance.

본 발명의 다른 일 실시예는, 상기 예측 방법에 따른 전지 성능 예측 시스템을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a battery performance prediction system according to the above prediction method.

본 발명의 다른 일 실시예는, 상기 예측 시스템을 포함하는 전지 성능 예측 장치를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a battery performance prediction device including the prediction system.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. It could be.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은, As a technical means for achieving the above-described technical problem, one aspect of the present invention is,

이종적층구조의 전극 활물질에 따른 전지 성능을 예측하는 방법으로서, 2차원 구조에 대한 데이터베이스를 제공하는 단계; 사용자의 입력에 의해 선택된 2 이상의 상기 2차원 구조에 기초하여 2차원 이종적층구조를 생성하는 단계; 복수의 상기 2차원 이종적층구조 중 사용자의 입력에 의해 선택된 최적 2차원 이종적층구조를 구조적으로 최적화하는 단계; 상기 구조적으로 최적화된 2차원 이종적층구조의 양이온 삽입 위치를 탐색하는 단계; 상기 양이온이 순차적으로 삽입되는 구조를 계산하는 단계; 및 상기 계산 결과로부터 방전 전압 및 용량을 도출하는 단계;를 포함하는 전지 성능 예측 방법을 제공한다.A method of predicting battery performance according to electrode active materials of heterogeneous stacked structure, comprising: providing a database on two-dimensional structures; generating a two-dimensional heterogeneous layered structure based on two or more of the two-dimensional structures selected by user input; Structurally optimizing an optimal two-dimensional heterogeneous stacked structure selected by a user's input among the plurality of two-dimensional heterogeneous stacked structures; Searching for a cation insertion site in the structurally optimized two-dimensional heterogeneous stacked structure; Calculating a structure into which the cations are sequentially inserted; and deriving discharge voltage and capacity from the calculation results.

상기 양이온은 리튬 이온(Li+)인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The cation may be a lithium ion (Li + ).

상기 전지는 리튬-이온 전지이고, 상기 전극은 애노드인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The battery may be a lithium-ion battery, and the electrode may be an anode.

상기 데이터베이스의 2차원 구조는 CIF 또는 POSCAR 지원양식으로 제공되는 것일 수 있다.The two-dimensional structure of the database may be provided in the CIF or POSCAR support format.

상기 2차원 이종적층구조를 생성하는 단계는, 2차원 구조로부터 주어진 조건 내에서 격자상수(lattice parameter)의 불일치(mismatch)가 가장 작은 슈퍼셀(super-cell) 조합을 자동으로 탐색하여 이종적층 구조를 생성하는 것일 수 있다.The step of generating the two-dimensional heterogeneous stacked structure is to automatically search for a super-cell combination with the smallest lattice parameter mismatch within given conditions from the two-dimensional structure to create a heterogeneous stacked structure. It may be creating a .

상기 2차원 이종적층구조를 생성하는 단계는, 사용자가 사전에 설정한 최대 격자상수, 최소 격자상수, 최대 불일치(mismatch) 범위 또는 층간 거리(interlayer distance) 설정 값을 기준으로 탐색하는 것일 수 있다.The step of generating the two-dimensional heterogeneous layered structure may be a search based on the maximum lattice constant, minimum lattice constant, maximum mismatch range, or interlayer distance set in advance by the user.

상기 2차원 이종적층구조를 생성하는 단계는, 입력 구조의 방향에 상관없이 진공(vacuum) 영역을 감지하여 평면 외(out of plane) 방향을 z축으로 자동 설정하고, 슈퍼셀(super-cell) 탐색 시 육각형(hexagonal) 구조를 직사각형(rectangular) 구조로 변환하는 것을 포함하며, 아래 식 1과 같이 적층시 각 층의 평면 내(in-plane) 방향 시프트를 통해 층간의 원자간 최소거리를 최대화하는 구조 생성하는 것일 수 있다:In the step of generating the two-dimensional heterogeneous layered structure, the vacuum area is detected regardless of the direction of the input structure, the out-of-plane direction is automatically set to the z-axis, and the super-cell The search involves converting a hexagonal structure into a rectangular structure, and maximizes the minimum distance between atoms between layers through an in-plane direction shift of each layer during stacking, as shown in Equation 1 below. Creating a structure could be:

[식 1][Equation 1]

상기 2차원 이종적층구조를 구조적으로 최적화하는 단계는, 범밀도함수(density functional theory, DFT) 기반의 양자화학계산을 통해 구조 최적화를 수행하는 것일 수 있다.The step of structurally optimizing the two-dimensional heterogeneous stacked structure may involve performing structural optimization through quantum chemical calculations based on density functional theory (DFT).

상기 2차원 이종적층구조의 양이온 삽입 위치를 탐색하는 단계는, 구조의 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram) 분석을 통해 양이온 삽입 위치 후보 선별하는 것, 아래 식 2의 DFT 계산을 통해 각 위치 별 1차 양이온 삽입 에너지를 계산하는 것 및 가장 낮은 양이온 삽입 에너지 구조로부터 양이온 삽입 위치를 결정하는 것을 포함하는 것일 수 있다:The step of searching for the cation insertion position of the two-dimensional heterogeneous stacked structure is to select candidate cation insertion sites through analysis of the Voronoi diagram of the structure, and to determine the primary cation at each position through DFT calculation in Equation 2 below. It may include calculating the insertion energy and determining the cation insertion location from the lowest cation insertion energy structure:

[식 2][Equation 2]

상기 양이온이 순차적으로 삽입되는 구조를 계산하는 단계는, 가장 안정한 양이온 삽입 위치를 결정하는 층의 슈퍼셀 사이즈(super-cell size)를 토대로 총 삽입 위치를 도출하는 것을 포함하는 것일 수 있다.The step of calculating the structure into which the cation is sequentially inserted may include deriving the total insertion position based on the super-cell size of the layer that determines the most stable cation insertion position.

상기 양이온이 순차적으로 삽입되는 구조를 계산하는 단계는, 각 단계마다 기 삽입된 양이온 원자들로부터 가장 멀리 떨어진 삽입 위치에 삽입하는 구조를 계산하는 것일 수 있다.The step of calculating the structure in which the cation is sequentially inserted may be to calculate the structure in which the cation is inserted at the insertion position furthest from the previously inserted cation atoms at each step.

상기 각 단계마다 기 삽입된 양이온 원자들로부터 가장 멀리 떨어진 삽입 위치에 삽입하는 구조를 계산하는 것은, i번째 양이온 삽입 위치를 결정할 때, 아래 식 3이 최대가 되는 양이온 삽입 구조를 DFT 계산하는 것일 수 있다:Calculating the insertion structure at the insertion position furthest from the previously inserted cation atoms in each step above may be DFT calculation of the cation insertion structure in which Equation 3 below is maximum when determining the i-th cation insertion position. there is:

[식 3][Equation 3]

상기 식 3에서, Lii는 i번째 양이온 삽입 위치이고, Lij는 j번째 양이온 삽입 위치이며, 는 i번째 양이온 삽입 위치와 j번째 양이온 삽입 위치 간의 거리일 수 있다.In Equation 3, Li i is the i-th cation insertion site, Li j is the j-th cation insertion site, May be the distance between the ith cation insertion site and the jth cation insertion site.

상기 계산 결과로부터 방전 전압 및 용량을 도출하는 단계;는, 하프셀(half-cell) 전압 및 최대 양이온 삽입 용량을 도출하는 것일 수 있다.The step of deriving the discharge voltage and capacity from the calculation results may be deriving the half-cell voltage and maximum cation insertion capacity.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은,In addition, another aspect of the present invention is,

상기 예측 방법에 따른 전지 성능 예측 시스템을 제공한다.A battery performance prediction system according to the above prediction method is provided.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은, In addition, another aspect of the present invention is,

상기 예측 시스템을 포함하는 전지 성능 예측 장치를 제공한다.A battery performance prediction device including the prediction system is provided.

본 발명의 일 측면에 의하면, 다양한 2차원 구조의 재료의 조합에 따른 최적화된 2차원 이종적층구조를 예측하고, 해당 구조에 따른 전지의 전압 및 용량 특성을 계산할 수 있는 바, 전극 활물질에 소재 조합 및 구조에 따른 전지 성능을 과도한 실험 없이도 예측할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.According to one aspect of the present invention, it is possible to predict an optimized two-dimensional heterogeneous stacked structure according to a combination of materials of various two-dimensional structures and calculate the voltage and capacity characteristics of the battery according to the structure, by combining the materials in the electrode active material. and battery performance according to structure can be predicted without excessive experimentation.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 성능 예측 방법의 순서도를 표현한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 성능 예측 방법 중 최적의 이종적층구조를 생성하고 선택하는 단계에 대해서 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 성능 예측 방법에서, 실험값 대비 층간 거리 오차(error)를 나타낸 표이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 성능 예측 방법에서, 최적의 양이온 삽입 위치를 탐색하는 단계에 대한 예시이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 성능 예측 방법에서, 전압 및 용량 특성을 계산하는 단계에 대한 예시이다.
Figure 1 represents a flowchart of a method for predicting battery performance according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 illustrates the steps of creating and selecting the optimal heterogeneous stack structure in the battery performance prediction method according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a table showing the interlayer distance error compared to the experimental value in the battery performance prediction method according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an example of the step of searching for the optimal cation insertion position in the battery performance prediction method according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is an example of calculating voltage and capacity characteristics in the battery performance prediction method according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, combined)" with another part, this means not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "Includes cases where it is. Additionally, when a part is said to “include” a certain component, this does not mean that other components are excluded, but that other components can be added, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 명세서에서, "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구성된 유닛을 포함하며, 예컨대 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예컨대 모듈은ASIC(application-specific integrated circuit)으로 구성될 수 있다.In this specification, “module” includes a unit comprised of hardware, software, or firmware, and may be used interchangeably with terms such as logic, logic block, component, or circuit, for example. A module may be an integrated part, a minimum unit that performs one or more functions, or a part thereof. For example, the module may be composed of an application-specific integrated circuit (ASIC).

삭제delete

본원의 제 1 측면은,The first aspect of the present application is,

이종적층구조의 전극 활물질에 따른 전지 성능을 예측하는 방법으로서, 2차원 구조에 대한 데이터베이스를 제공하는 단계; 사용자의 입력에 의해 선택된 2 이상의 상기 2차원 구조에 기초하여 2차원 이종적층구조를 생성하는 단계; 복수의 상기 2차원 이종적층구조 중 사용자의 입력에 의해 선택된 최적 2차원 이종적층구조를 구조적으로 최적화하는 단계; 상기 구조적으로 최적화된 2차원 이종적층구조의 양이온 삽입 위치를 탐색하는 단계; 상기 양이온이 순차적으로 삽입되는 구조를 계산하는 단계; 및 상기 계산 결과로부터 방전 전압 및 용량을 도출하는 단계;를 포함하는 전지 성능 예측 방법을 제공한다.A method of predicting battery performance according to electrode active materials of heterogeneous stacked structure, comprising: providing a database on two-dimensional structures; generating a two-dimensional heterogeneous layered structure based on two or more of the two-dimensional structures selected by user input; Structurally optimizing an optimal two-dimensional heterogeneous stacked structure selected by a user's input among the plurality of two-dimensional heterogeneous stacked structures; Searching for a cation insertion site in the structurally optimized two-dimensional heterogeneous stacked structure; Calculating a structure into which the cations are sequentially inserted; and deriving discharge voltage and capacity from the calculation results.

삭제delete

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본원의 제 1 측면에 따른 전지 성능 예측 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for predicting battery performance according to the first aspect of the present application will be described in detail with reference to the attached drawings.

삭제delete

우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 2차원 구조에 대한 데이터베이스를 제공하는 단계;(100)를 포함한다.First, in one implementation of the present application, a step of providing a database for two-dimensional structures is included (100).

본원의 일 구현예에 있어서, 전지 성능 예측 방법은 그래핀, 전이금속 디칼코게나이드 등 2차원 이종적층구조의 전극 재료의 모든 가능한 구조뿐만 아니라 이들의 복합 재료와 같은 혼합 변형체를 생성할 수 있다. 또한 본원의 일 구현예에서, 플랫폼으로서 리튬-이온 전지에 대해 더 높은 공칭 전압, 더 높은 용량을 제공하기 위해 상대적 성능에 따라 생성된 모든 전극 재료 구조의 스크리닝을 제공할 수 있다. 이러한 플랫폼 기술은 데이터베이스의 양자 시뮬레이션을 통해 생성된 모든 구조의 전압, 및 용량에 대한 빠른 스크리닝을 제공할 수 있다.In one embodiment of the present application, the battery performance prediction method can generate all possible structures of two-dimensional heterogeneous stacked electrode materials such as graphene and transition metal dichalcogenide, as well as mixed variants such as composite materials thereof. Additionally, in one embodiment of the present application, the platform may provide screening of all electrode material structures produced according to their relative performance to provide higher nominal voltage, higher capacity for lithium-ion batteries. This platform technology can provide rapid screening of the voltage and capacity of any structure generated through quantum simulation of the database.

본원의 일 구현예에 있어서, 사용자가 입력을 통해 데이터베이스에 보관된 2차원 구조 중 2차원 구조들을 선택하고, 계산을 요청하고, 용량 정보를 생성하고, 스크리닝 기준을 지정할 수 있도록 여기에서 개발 엔진이라고하는 전지 전극 재료 대 셀 시스템 수준의 설계 및 개발 엔진이 제공될 수 있다. 이러한 개발 엔진에는 이러한 작업을 수행하기 위해 사용하기 쉬운 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)가 포함되어 있을 수도 있다.In one embodiment of the present application, a development engine, herein referred to as a development engine, allows a user to select two-dimensional structures among two-dimensional structures stored in a database through input, request calculations, generate capacity information, and specify screening criteria. A design and development engine at the battery electrode material to cell system level can be provided. These development engines may also include an easy-to-use graphical user interface (GUI) to perform these tasks.

도 1을 참조하면, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 데이터베이스의 2차원 구조는 CIF 또는 POSCAR 지원양식으로 제공되는 것일 수 있다. 지원 양식에 대해서는 비제한적인 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 1, in one implementation of the present application, the two-dimensional structure of the database may be provided in a CIF or POSCAR support format. The application form is only a non-limiting example and is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 구조는 그래핀, 전이금속 칼코게나이드 또는 이외의 2차원 구조의 물질이라면 비제한적으로 포함될 수 있다. 상기 2차원 구조가 전이금속 디칼코게나이드인 경우, MX2로 표현될 수 있고, 여기서, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이며, 상기 M은 Mo, W, Nb, 및 Ti 등 전이금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고, 상기 X는 S, Se 및 Te으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있으며, 바람직하게는 MoSe2, MoS2, WS2, WSe2, TiS2, TiSe2, ReS2, ZrTe2, NbSe2 중 선택되는 적어도 1종일 수 있고, 더 바람직하게는 MoS2, MoSe2, 또는 WS2일 수 있다.In one embodiment of the present application, the two-dimensional structure may include, but is not limited to, graphene, transition metal chalcogenide, or other two-dimensional structured material. When the two-dimensional structure is a transition metal dichalcogenide, it can be expressed as MX 2 , where M is a transition metal, X is a chalcogen element, and M is a transition metal such as Mo, W, Nb, and Ti. One selected from the group consisting of , and the 2 , ZrTe 2 , and NbSe 2 , and more preferably MoS 2 , MoSe 2 , or WS 2 .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전지는 리튬-이온 전지이고, 상기 전극은 애노드인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 또한 상기 양이온은 리튬 이온(Li+)인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 그러나 이는 비제한적인 예시로서, 2차원 이종적층구조의 전극 활물질을 사용하는 에너지 저장 소자의 경우라면 본원의 예측 방법을 활용할 수 있다.In one embodiment of the present application, the battery may be a lithium-ion battery, and the electrode may be an anode. Additionally, the cation may be a lithium ion (Li + ). However, this is a non-limiting example, and the prediction method of the present application can be used in the case of an energy storage device using an electrode active material with a two-dimensional heterogeneous laminated structure.

다음으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 본원의 일 구현예에 있어서, 사용자의 입력에 의해 선택된 2 이상의 상기 2차원 구조에 기초하여 2차원 이종적층구조를 생성하는 단계;(200)를 포함한다.Next, as shown in FIG. 1, in one implementation of the present application, a step of generating a two-dimensional heterogeneous layered structure based on two or more of the two-dimensional structures selected by user input is included (200). .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 이종적층구조를 생성하는 단계는, 2차원 구조로부터 주어진 조건 내에서 격자상수(lattice parameter)의 불일치(mismatch)가 가장 작은 super-cell 조합을 자동으로 탐색하여 이종적층 구조를 생성하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the step of generating the two-dimensional heterogeneous stacked structure automatically searches for a super-cell combination with the smallest mismatch in lattice parameters within given conditions from the two-dimensional structure. This may create a heterogeneous layered structure.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 사용자의 입력값은 진공(Vacuum)을 포함하는 복수의 박리된 2차원 구조일 수 있고, 바람직하게는 2개의 박리된 2차원 구조가 입력값이 될 수 있다.In one implementation of the present application, the user's input value may be a plurality of exfoliated two-dimensional structures including a vacuum, and preferably, two exfoliated two-dimensional structures may be the input value.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 이종적층구조를 생성하는 단계는, 사용자가 사전에 설정한 최대 격자상수, 최소 격자상수, 최대 불일치(mismatch) 범위 또는 층간 거리(interlayer distance) 설정값을 기준으로 탐색하는 것일 수 있다. 바람직하게는 디폴트(default) 값으로서, 최대 격자상수 20 , 최소 격자상수 5 , 최대 불일치 범위 ±5%, 층간 거리 3.5 로 설정될 수 있으나, 이는 비제한적인 예시로서, 적절한 범위에서 변경하여 설정될 수 있다.In one implementation of the present application, the step of generating the two-dimensional heterogeneous layered structure includes setting the maximum lattice constant, minimum lattice constant, maximum mismatch range, or interlayer distance set in advance by the user. It may be a search based on criteria. Preferably, as a default value, the maximum lattice constant is 20. , minimum lattice constant 5 , maximum mismatch range ±5%, interlayer distance 3.5 However, this is a non-limiting example and can be set by changing within an appropriate range.

본원의 일 구현예에 있어서, 입력 구조의 방향에 상관없이 진공(vacuum) 영역을 감지하여 평면 외(out of plane) 방향을 z축으로 자동 설정하고, 슈퍼셀(super-cell) 탐색 시 육각형(hexagonal) 구조를 직사각형(rectangular) 구조로 변환하는 것을 포함하며, 아래 식 1과 같이 적층시 각 층의 평면 내(in-plane) 방향 시프트를 통해 층간의 원자간 최소거리를 최대화하는 구조 생성하는 것일 수 있다:In one implementation of the present application, the vacuum area is detected regardless of the direction of the input structure and the out-of-plane direction is automatically set to the z-axis, and when searching for a super-cell, a hexagon ( It involves converting a hexagonal structure into a rectangular structure, and creates a structure that maximizes the minimum distance between atoms between layers through an in-plane direction shift of each layer when stacked, as shown in Equation 1 below. You can:

[식 1][Equation 1]

즉, 상기 식 1을 최소화할 수 있는 최적의 층 시프트를 찾는 것을 의미할 수 있다.In other words, it may mean finding the optimal layer shift that can minimize Equation 1 above.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 복수의 상기 2차원 이종적층구조 중 사용자의 입력에 의해 선택된 최적 2차원 이종적층구조를 구조적으로 최적화하는 단계(300);를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, a step 300 of structurally optimizing an optimal two-dimensional heterogeneous stacked structure selected by a user's input among the plurality of two-dimensional heterogeneous stacked structures is included.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 이종적층구조를 구조적으로 최적화하는 단계에서, 2차원 이종적층구조 생성을 위한 자동화된 코드를 포함하여 이용할 수 있다. 상기 코드는 2개의 개별 계층 구조에서 이종적층구조를 자동으로 생성한다. 사용자는 가장 긴 격자(lattice) 길이에 대한 제한을 설정할 수 있고, 가능한 모든 방향을 자동으로 검색하고, 원자 배열(시프트)을 자동으로 최적화하여 인접한 원자 사이의 반발을 최소화할 수 있게 된다. 상술한 자동화 코드의 예시는 도 2에 도시되어 있다.In one embodiment of the present application, in the step of structurally optimizing the two-dimensional heterogeneous stacked structure, automated code for generating the two-dimensional heterogeneous stacked structure may be included and used. The code automatically creates a heterogeneous stacked structure from two separate hierarchical structures. Users can set limits on the longest lattice length, automatically search for all possible directions, and automatically optimize atomic arrangements (shifts) to minimize repulsion between adjacent atoms. An example of the automation code described above is shown in Figure 2.

본원의 일 구현예에 있어서, 사용자는 생성된 다양한 2차원 이종적층 구조들로부터 불일치(mismatch) 및 양자화학 시뮬레이션 소요시간 등을 고려하여 적절한 구조를 선택할 수 있다.In one embodiment of the present application, a user can select an appropriate structure from various generated two-dimensional heterogeneous stacked structures by considering mismatch and quantum chemical simulation time.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 이종적층구조를 구조적으로 최적화하는 단계는, 범밀도함수(density functional theory, DFT) 기반의 양자화학계산을 통해 구조 최적화를 수행하는 것일 수 있다. 다양한 2차원 구조에 최적화 결과로부터 얻은 최적의 van der Waals correction 알고리즘을 적용할 수 있다.In one embodiment of the present application, the step of structurally optimizing the two-dimensional heterogeneous stacked structure may be performing structural optimization through quantum chemical calculations based on density functional theory (DFT). The optimal van der Waals correction algorithm obtained from optimization results can be applied to various two-dimensional structures.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 성능 예측 방법에서, 실험값 대비 층간 거리 오차(error)를 나타낸 표이다. 도 3을 참조하면, DFT 계산방법에서는 직접적으로 모사하지 못하는 van der Waals 상호작용을 보정하기 위해 대표적인 이차원 구조들의 층간 거리를 전반적으로 잘 보정할 수 있는 알고리즘을 선별하는 과정을 수행하는 것을 알 수 있다.Figure 3 is a table showing the interlayer distance error compared to the experimental value in the battery performance prediction method according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 3, it can be seen that the DFT calculation method performs a process of selecting an algorithm that can generally well correct the interlayer distance of representative two-dimensional structures in order to correct the van der Waals interaction, which cannot be directly simulated. .

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 구조적으로 최적화된 2차원 이종적층구조의 양이온 삽입 위치를 탐색하는 단계;(400)를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, a step of searching for a cation insertion position in the structurally optimized two-dimensional heterogeneous stacked structure is included (400).

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 이종적층구조의 양이온 삽입 위치를 탐색하는 단계는, 구조의 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram) 분석을 통해 양이온 삽입 위치 후보 선별하는 것, 아래 식 2의 DFT 계산을 통해 각 위치 별 1차 양이온 삽입 에너지를 계산하는 것 및 가장 낮은 양이온 삽입 에너지 구조로부터 양이온 삽입 위치를 결정하는 것을 포함할 수 있다:In one embodiment of the present application, the step of searching for the cation insertion site of the two-dimensional heterogeneous stacked structure includes selecting cation insertion site candidates through Voronoi diagram analysis of the structure, and DFT calculation in Equation 2 below. It may include calculating the primary cation insertion energy for each position and determining the cation insertion position from the lowest cation insertion energy structure:

[식 2][Equation 2]

본원의 일 구현예에 있어서, 양이온 삽입 위치의 경우, 전이금속 디칼코게나이드 소재인 경우에는 음이온 중공(anion hollow) 또는 금속 부위(metal site)로 대체 가능할 수 있다.In one embodiment of the present application, the cation insertion site may be replaced with an anion hollow or metal site in the case of a transition metal dichalcogenide material.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 성능 예측 방법에서, 최적의 양이온 삽입 위치를 탐색하는 단계에 대한 예시이다. MoS2/Graphene 소재에서 각 층의 hollow 위치 및 음이온 결합위치들로부터 리튬 이온이 삽입될 수 있는 위치(1 내지 5번)의 후보를 선정하고, 각 후보 위치의 삽입 에너지를 계산한 것을 확인할 수 있고, 계산된 삽입 에너지가 가장 낮은 위치들을 기준으로 계면을 이루는 두 소재 중 특정 소재의 hollow 위치에 따른 주요 의존성을 확인함으로써 리튬이온의 전반적인 삽입 위치가 결정되는 것을 확인할 수 있다.Figure 4 is an example of the step of searching for the optimal cation insertion position in the battery performance prediction method according to an embodiment of the present invention. It can be seen that in the MoS 2 /Graphene material, candidates for positions (numbers 1 to 5) where lithium ions can be inserted were selected from the hollow positions and anion binding positions of each layer, and the insertion energy of each candidate position was calculated. , it can be confirmed that the overall insertion position of lithium ions is determined by confirming the main dependence on the hollow position of a specific material among the two materials forming the interface based on the positions with the lowest calculated insertion energy.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양이온이 순차적으로 삽입되는 구조를 계산하는 단계;(500)를 포함한다. 상기 양이온이 순차적으로 삽입되는 구조를 계산하는 단계는, 가장 안정한 양이온 삽입 위치를 결정하는 층의 슈퍼셀 사이즈(super-cell size)를 토대로 총 삽입 위치를 도출하는 것을 포함하는 것일 수 있다.Next, in one embodiment of the present application, a step of calculating a structure into which the cations are sequentially inserted is included (500). The step of calculating the structure into which the cation is sequentially inserted may include deriving the total insertion position based on the super-cell size of the layer that determines the most stable cation insertion position.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양이온이 순차적으로 삽입되는 구조를 계산하는 단계는, 각 단계마다 기 삽입된 양이온 원자들로부터 가장 멀리 떨어진 삽입 위치에 삽입하는 구조를 계산하는 것일 수 있다. 상기 각 단계마다 기 삽입된 양이온 원자들로부터 가장 멀리 떨어진 삽입 위치에 삽입하는 구조를 계산하는 것은, i번째 양이온 삽입 위치를 결정할 때, 아래 식 3이 최대가 되는 양이온 삽입 구조를 DFT 계산하는 것일 수 있다:In one embodiment of the present application, the step of calculating the structure into which the cation is sequentially inserted may be calculating the structure of insertion at the insertion position furthest from the previously inserted cation atoms at each step. Calculating the insertion structure at the insertion position furthest from the previously inserted cation atoms in each step above may be DFT calculation of the cation insertion structure in which Equation 3 below is maximum when determining the i-th cation insertion position. there is:

[식 3][Equation 3]

상기 식 3에서, Lii는 i번째 양이온 삽입 위치이고, Lij는 j번째 양이온 삽입 위치이며, 는 i번째 양이온 삽입 위치와 j번째 양이온 삽입 위치 간의 거리일 수 있다.In Equation 3, Li i is the i-th cation insertion site, Li j is the j-th cation insertion site, May be the distance between the ith cation insertion site and the jth cation insertion site.

마지막으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 계산 결과로부터 방전 전압 및 용량을 도출하는 단계;(600)를 포함한다.Lastly, in one implementation of the present application, a step of deriving the discharge voltage and capacity from the calculation results is included (600).

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 계산 결과로부터 방전 전압 및 용량을 도출하는 단계;는, 하프셀(half-cell) 전압 및 최대 양이온 삽입 용량을 도출하는 것일 수 있다. 상기 단계는 아래 식 4에 의해 계산될 수 있다.In one embodiment of the present application, the step of deriving the discharge voltage and capacity from the calculation results may be deriving a half-cell voltage and a maximum cation insertion capacity. This step can be calculated by Equation 4 below.

[식 4][Equation 4]

상기 식 4에서, 방전 과정 중 전극 소재 M 내의 리튬 이온의 인접한 두 조성()을 나타내며, 는 리튬이온의 조성이 일 때의 깁스 자유에너지, 는 리튬 금속의 깁스 자유에너지이고, 는 리튬이온의 조성이 일 때의 개회로전압(open circuit voltage, OCV)이다. OCV 값이 양의 값을 가지는 범위로부터 최대 양이온 삽임 용량을 도출할 수 있다.In equation 4 above, class During the discharge process, two adjacent compositions of lithium ions in the electrode material M ( ), The composition of lithium ions is The Gibbs free energy when is the Gibbs free energy of lithium metal, The composition of lithium ions is This is the open circuit voltage (OCV). The maximum cation insertion capacity can be derived from the range where the OCV value is positive.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 성능 예측 방법에서, 전압 및 용량 특성을 계산하는 단계에 대한 예시이다. 도 5를 참조하면, Graphene-NbSe2 이종적층구조의 소재를 전극 활물질로 사용한 경우의 하프셀 전압 및 최대 양이온 삽입 용량을 도출한 것을 볼 수 있으며, 리튬이온의 삽입 순서를 상기 식 3을 통해 삽입된 양이온들로부터 가장 멀리 떨어진 삽입 위치로 결정하는 방법으로 얻은 하프셀 전압 곡선이 실험에서 얻어지는 전압 곡성과 유사한 개형을 나타내는 것을 볼 수 있다.Figure 5 is an example of calculating voltage and capacity characteristics in the battery performance prediction method according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 5, it can be seen that the half-cell voltage and maximum cation insertion capacity were derived when the Graphene-NbSe2 heterogeneous stacked structure material was used as the electrode active material, and the insertion order of lithium ions was calculated using Equation 3 above. It can be seen that the half-cell voltage curve obtained by determining the insertion position furthest from the positive ions shows a similar shape to the voltage curve obtained in the experiment.

본원의 제 2 측면은,The second aspect of the present application is,

상기 예측 방법에 따른 전지 성능 예측 시스템을 제공한다.A battery performance prediction system according to the above prediction method is provided.

삭제delete

본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed description of parts overlapping with the first aspect of the present application has been omitted, but the content described in the first aspect of the present application can be applied equally even if the description is omitted in the second aspect.

삭제delete

본원의 제 3 측면은,The third aspect of the present application is,

상기 예측 시스템을 포함하는 전지 성능 예측 장치를 제공한다.A battery performance prediction device including the prediction system is provided.

삭제delete

본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 대해 설명한 내용은 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed description of parts overlapping with the first and second aspects of the present application has been omitted, but the content described in the first and second aspects of the present application can be applied equally even if the description is omitted in the third aspect. .

삭제delete

전술한 본 발명의 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명의 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나, 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는, 하드디스크, 플로피디스크, 자기테이프 등의 자기기록 매체, CD-ROM, DVD 등의 광기록 매체, 플롭티컬디스크 등의 자기-광 매체, ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같이, 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어를 포함한다. 프로그램 명령은, 컴파일러에 의해 만들어지는 기계어 코드, 인터프리터를 사용하여 컴퓨터에서 실행될 수 있는 고급언어 코드를 포함한다. 하드웨어는 본 발명에 따른 방법을 처리하기 위하여 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있고, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the above-described embodiment of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. Program instructions recorded on a computer-readable recording medium may be specially designed and configured for embodiments of the present invention, or may be known and usable by those skilled in the computer software field. Computer-readable recording media include magnetic recording media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, ROM, RAM, and flash memory. , includes hardware configured to store and execute program instructions. Program instructions include machine language code created by a compiler and high-level language code that can be executed on a computer using an interpreter. The hardware may be configured to operate as one or more software modules for processing the method according to the invention and vice versa.

본 발명의 실시예에 따른 방법은 프로그램 명령 형태로 전자장치에서 실행될 수 있다. 전자장치는 스마트폰이나 스마트패드 등의 휴대용 통신 장치, 컴퓨터 장치, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 의료 기기, 카메라, 웨어러블 장치, 가전 장치를 포함한다.The method according to an embodiment of the present invention may be executed in an electronic device in the form of program instructions. Electronic devices include portable communication devices such as smartphones and smart pads, computer devices, portable multimedia devices, portable medical devices, cameras, wearable devices, and home appliances.

본 발명의 실시예에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 기록매체의 형태로, 또는 어플리케이션 스토어를 통해 온라인으로 배포될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.A method according to an embodiment of the present invention may be included and provided in a computer program product. Computer program products are commodities and can be traded between sellers and buyers. Computer program products may be distributed in the form of machine-readable recording media or online through an application store. In the case of online distribution, at least a portion of the computer program product may be at least temporarily stored or created temporarily in a storage medium such as the memory of a manufacturer's server, an application store's server, or a relay server.

본 발명의 실시예에 따른 구성요소, 예컨대 모듈 또는 프로그램 각각은 단수 또는 복수의 서브 구성요소로 구성될 수 있으며, 이러한 서브 구성요소들 중 일부 서브 구성요소가 생략되거나, 또는 다른 서브 구성요소가 더 포함될 수 있다. 일부 구성요소들(모듈 또는 프로그램)은 하나의 개체로 통합되어, 통합되기 이전의 각각의 해당 구성요소에 의해 수행되는 기능을 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.Each component, such as a module or program, according to an embodiment of the present invention may be composed of a single or a plurality of sub-components, and some of these sub-components may be omitted or other sub-components may be added. may be included. Some components (modules or programs) may be integrated into one entity and perform the same or similar functions performed by each corresponding component before integration. Operations performed by modules, programs, or other components according to embodiments of the present invention are executed sequentially, in parallel, repeatedly, or heuristically, or at least some operations are executed in a different order, omitted, or other operations are added. It can be.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as single may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims described below, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (15)

이종적층구조의 전극 활물질에 따른 전지 성능을 예측하는 방법으로서,
그래핀 또는 MX2로 표현되는 전이금속 디칼코게나이드인 2차원 구조(상기 M은 Mo, W, Nb, 및 Ti 등 전이금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고, 상기 X는 S, Se, 및 Te으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이다)에 대한 데이터베이스를 제공하는 단계;
사용자의 입력에 의해 선택된 2 이상의 상기 2차원 구조에 기초하여, 진공(vacuum) 영역을 감지하여 평면 외(out of plane) 방향을 z축으로 설정하고, 슈퍼셀(super-cell) 탐색 시 육각형(hexagonal) 구조를 직사각형(rectangular) 구조로 변환하는 것을 포함하며, 아래 식 1과 같이 적층시 각 층의 평면 내(in-plane) 방향 시프트를 통해 층간의 원자간 최소거리를 최대화하는 구조를 생성하여 2차원 이종적층구조를 생성하는 단계;
복수의 상기 2차원 이종적층구조 중 사용자의 입력에 의해 선택된 최적 2차원 이종적층구조를, 원자 배열을 최적화하여 인접한 복수의 이종적층구조 간 원자 사이의 반발을 최소화하는 방식으로 구조적으로 최적화하는 단계;
구조의 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram) 분석을 통해 양이온 삽입 위치 후보 선별하는 것, 아래 식 2의 DFT 계산을 통해 각 위치 별 1차 양이온 삽입 에너지를 계산하는 것 및 가장 낮은 양이온 삽입 에너지 구조로부터 양이온 삽입 위치를 결정하는 것을 포함하여, 상기 구조적으로 최적화된 2차원 이종적층구조의 양이온 삽입 위치를 탐색하는 단계;
하기 식 3이 최대가 되는 구조를 계산하여 상기 양이온이 순차적으로 삽입되는 구조를 계산하는 단계; 및
상기 계산 결과로부터 하프셀(half-cell) 전압 및 최대 양이온 삽입 용량을 도출하는 단계;를 포함하고,
상기 복수의 상기 2차원 이종적층구조 중 사용자의 입력에 의해 선택된 최적 2차원 이종적층구조를, 원자 배열을 최적화하여 인접한 복수의 이종적층구조 간 원자 사이의 반발을 최소화하는 방식으로 구조적으로 최적화하는 단계;는
사용자가 설정한 가장 긴 격자(lattice) 길이에 대한 제한 및 검색된 가능한 모든 방향을 기초로, 인접한 원자 사이의 반발을 최소화되도록 원자 배열을 최적화하여, 2개의 개별 계층구조에서 2차원 이종적층구조를 생성하는 것인, 전지 성능 예측 방법.
[식 1]

[식 2]

[식 3]

(상기 식 3에서, Lii는 i번째 양이온 삽입 위치이고, Lij는 j번째 양이온 삽입 위치이며, 는 i번째 양이온 삽입 위치와 j번째 양이온 삽입 위치 간의 거리이다)
As a method for predicting battery performance according to electrode active materials of heterogeneous stacked structure,
A two-dimensional structure that is a transition metal dichalcogenide expressed as graphene or MX2 (where M is selected from the group consisting of transition metals such as Mo, W, Nb, and Ti, and X is S, Se, and Te) providing a database for (one selected from the group consisting of);
Based on the two or more two-dimensional structures selected by the user's input, the vacuum area is detected and the out-of-plane direction is set to the z-axis, and when searching for a super-cell, a hexagon ( It involves converting a hexagonal structure into a rectangular structure, and creates a structure that maximizes the minimum distance between atoms between layers by shifting the in-plane direction of each layer when stacked, as shown in Equation 1 below. Creating a two-dimensional heterogeneous layered structure;
Structurally optimizing the optimal two-dimensional heterogeneous stacked structure selected by user input among the plurality of two-dimensional heterogeneous stacked structures by optimizing the atomic arrangement to minimize repulsion between atoms between the plurality of adjacent heterogeneous stacked structures;
Selecting cation insertion site candidates by analyzing the Voronoi diagram of the structure, calculating the primary cation insertion energy for each position through DFT calculation in Equation 2 below, and cation insertion from the lowest cation insertion energy structure. Searching for a cation insertion site in the structurally optimized two-dimensional heterogeneous stacked structure, including determining the location;
calculating a structure in which the cations are sequentially inserted by calculating a structure in which Equation 3 below is maximum; and
A step of deriving the half-cell voltage and maximum cation insertion capacity from the calculation results,
Structurally optimizing the optimal two-dimensional heterogeneous stacked structure selected by user input among the plurality of two-dimensional heterogeneous stacked structures by optimizing the atomic arrangement to minimize repulsion between atoms between the plurality of adjacent heterogeneous stacked structures. ;Is
Based on constraints on the longest lattice length set by the user and all possible directions searched, atomic arrangement is optimized to minimize repulsion between adjacent atoms, creating a two-dimensional heterogeneous stacked structure from two separate hierarchies. A method for predicting battery performance.
[Equation 1]

[Equation 2]

[Equation 3]

(In Equation 3 above, Lii is the i-th cation insertion site, Lij is the j-th cation insertion site, is the distance between the ith cation insertion site and the jth cation insertion site)
제1항에 있어서, 상기 양이온은 리튬 이온(Li+)인 것을 특징으로 하는, 방법.
The method of claim 1, wherein the cation is lithium ion (Li + ).
제1항에 있어서, 상기 전지는 리튬-이온 전지이고,
상기 전극은 애노드인 것을 특징으로 하는, 방법.
The method of claim 1, wherein the battery is a lithium-ion battery,
A method, characterized in that the electrode is an anode.
제1항에 있어서, 상기 데이터베이스의 2차원 구조는 CIF 또는 POSCAR 지원양식으로 제공되는, 방법.
The method of claim 1, wherein the two-dimensional structure of the database is provided in CIF or POSCAR support format.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항의 예측 방법에 따른 전지 성능 예측 시스템.
A battery performance prediction system according to the prediction method of claim 1.
제14항의 예측 시스템을 포함하는 전지 성능 예측 장치.A battery performance prediction device comprising the prediction system of claim 14.
KR1020200149720A 2020-11-10 2020-11-10 Method for predicting lithium-ion battery performance, system using the same, and device comprising thereof KR102631134B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200149720A KR102631134B1 (en) 2020-11-10 2020-11-10 Method for predicting lithium-ion battery performance, system using the same, and device comprising thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200149720A KR102631134B1 (en) 2020-11-10 2020-11-10 Method for predicting lithium-ion battery performance, system using the same, and device comprising thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220063643A KR20220063643A (en) 2022-05-17
KR102631134B1 true KR102631134B1 (en) 2024-01-30

Family

ID=81803434

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200149720A KR102631134B1 (en) 2020-11-10 2020-11-10 Method for predicting lithium-ion battery performance, system using the same, and device comprising thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102631134B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11442111B2 (en) * 2020-03-10 2022-09-13 Dassault Systemes Americas Corp. System and method for determining degradation dependent open cell voltage for cathode materials

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090157369A1 (en) 2007-12-14 2009-06-18 Nanoexa,Inc. Fast and High-Throughput Search Engine for Materials for Lithium-Ion Batteries Using Quantum Simulations
US20160115035A1 (en) 2011-06-21 2016-04-28 Drexel University Compositions comprising free-standing two-dimensional nanocrystals
US20190088976A1 (en) 2010-11-23 2019-03-21 Eocell Ltd Li-ion battery capacity and voltage prediction using quantum simulations
CN110850301A (en) 2019-11-20 2020-02-28 仰恩大学 MoS2/graphene/MoS2Sandwich structure and Na-ion battery capacity prediction method
US20200075949A1 (en) 2017-04-14 2020-03-05 Northwestern University Metal-substituted metal oxide materials for lithium ion batteries

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090157369A1 (en) 2007-12-14 2009-06-18 Nanoexa,Inc. Fast and High-Throughput Search Engine for Materials for Lithium-Ion Batteries Using Quantum Simulations
US20190088976A1 (en) 2010-11-23 2019-03-21 Eocell Ltd Li-ion battery capacity and voltage prediction using quantum simulations
US20160115035A1 (en) 2011-06-21 2016-04-28 Drexel University Compositions comprising free-standing two-dimensional nanocrystals
US20200075949A1 (en) 2017-04-14 2020-03-05 Northwestern University Metal-substituted metal oxide materials for lithium ion batteries
CN110850301A (en) 2019-11-20 2020-02-28 仰恩大学 MoS2/graphene/MoS2Sandwich structure and Na-ion battery capacity prediction method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문(2015.11.24)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220063643A (en) 2022-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Aaldering et al. Tracing the technological development trajectory in post-lithium-ion battery technologies: A patent-based approach
Bassman Oftelie et al. Active learning for accelerated design of layered materials
Wang et al. Applications of machine learning in perovskite materials
Choudhary et al. Data-driven discovery of 3D and 2D thermoelectric materials
Aaldering et al. Analysis of technological knowledge stock and prediction of its future development potential: The case of lithium-ion batteries
Jalem et al. Bayesian-driven first-principles calculations for accelerating exploration of fast ion conductors for rechargeable battery application
Hautier et al. Finding nature’s missing ternary oxide compounds using machine learning and density functional theory
Guo et al. Accelerated atomistic modeling of solid-state battery materials with machine learning
Wang et al. Deep learning for ultra-fast and high precision screening of energy materials
Li et al. Inverse design of MXenes for high-capacity energy storage materials using multi-target machine learning
Miatto et al. Uncertain future of American lithium: a perspective until 2050
Apribowo et al. Optimal planning of battery energy storage systems by considering battery degradation due to ambient temperature: a review, challenges, and new perspective
Gong et al. Calibrating dft formation enthalpy calculations by multifidelity machine learning
KR102631134B1 (en) Method for predicting lithium-ion battery performance, system using the same, and device comprising thereof
Jo et al. Machine learning-aided materials design platform for predicting the mechanical properties of Na-ion solid-state electrolytes
Ghosh et al. 2D Homogeneous Holey Carbon Nitride: An Efficient Anode Material for Li‐ion Batteries With Ultrahigh Capacity
Gamboa-Rosales et al. Determining Technologies Trends and Evolution of Smart Building Technologies by Bibliometric Analysis from 1984 to 2020: Trends, research opportunities and future perspectives
Mann et al. Semiconductor: Supply Chain Deep Dive Assessment
Ghosh et al. Engineering design of battery module for electric vehicles: comprehensive framework development based on density functional theory, topology optimization, machine learning, multidisciplinary design optimization, and digital twins
Kotaka et al. First‐Principles Study of Na‐Ion Battery Performance and Reaction Mechanism of Tin Sulfide as Negative Electrode
Adam et al. Navigating materials chemical space to discover new battery electrodes using machine learning
Xu et al. Machine learning in energy chemistry: introduction, challenges and perspectives
Jung et al. Automatic Prediction of Band Gaps of Inorganic Materials Using a Gradient Boosted and Statistical Feature Selection Workflow
Kumar et al. Advanced Intelligent approach for state of charge estimation of lithium-ion battery
Zhou et al. The application of nature-inspired optimization algorithms on the modern management: A systematic literature review and bibliometric analysis

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant