수용성 전해질의 이온 조성에 따른 양극재-물 상호작용 분석 : 분자동역학 시뮬레이션 연구 = Specific Ion Effects on Cathode-Water Interaction in Aqueous Electrolytes:A Molecular Dynamics Stud

국문 초록 (Abstract)

NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)는 리튬이온전지의 양극 제조 공정에서 가장 널리 사용되는 바인더 용매이지만, 높은 독성으로 인한 환경 문제가 우려된다. NMP의 대안으로써 물이 주목받고 있지만, NCM811 등의 리튬이온전지 양극재와 접촉시 분해 반응을 일으켜 성능 및 안정성을 저해하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위한 전략 중 하나로, 물에 염을 첨가하여 특정 이온 효과를 유도함으로써, 물-양극재 반응성을 줄이는 방안이 제안되었다. 본 연구에서는 분자동역학(molecular dynamics, MD) 시뮬레이션을 이용하여, 서로 다른 이온 조합이 물-양극재 상호작용에 미치는 영향을 분석하였다. 시뮬레이션 모델을 단순화하기 위해, NCM811과 유사한 반응 메커니즘을 가진 LCO를 사용하였으며, 용매로는 SPC/E 물 분자 모델을 적용하였다. GROMACS 2020.6과 OPLS-AA/M 역장을 적용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, RDF와 개수 밀도 분석을 통해 서로 다른 시스템에서의 상호작용의 크기를 확인하였다. 이 때, 음이온에서 명확한 특정 이온 효과를 확인하였고, SO42-, CH3COO-, TFSI- 순으로 물-양극재 상호작용 감소 효과가 크게 나타났다. 반면에 양이온(Li+, Na+, K+, NH4+)의 경우, Li+의 물-양극재 상호작용 감소 효과가 가장 높은 것은 확인하였지만, 다른 이온에서는 뚜렷한 차이를 확인하지 못했다. 본 연구는 선행 연구로부터 확장하여, 양이온과 음이온에 의한 특정 이온 효과를 종합적으로 분석하였으며, 물-양극재 반응성 감소 효과의 측면에서 최적의 이온 조합을 제시하였다는 의의를 가진다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) is the most commonly used binder solvent in lithium-ion battery cathode manufacturing, but its high toxicity raises environmental concerns. Although water has emerged as a promising alternative, it can react when in contact with cathode materials such as NCM811, thereby hinders its performance and stability. One proposed strategy to mitigate this issue is to exploit the specific ion effect by adding salts to the aqueous solvent. In this study, we employed molecular dynamics(MD) simulations to investigate how various ion combinations influence the interactions between water and cathode materials. To simplify the simulation model, LiCoO2 (LCO), which exhibits reaction mechanisms similar to NCM811, was used as the model cathode, and the SPC/E model was used to represent the solvent water. Simulations were performed with GROMACS 2020.6 software, using the OPLS‑AA/M force field. We analyzed the interactions in different systems by calculating radial distribution functions(RDFs) and number density profiles. Our results revealed distinct anion-specific effects: interaction strength between water and the cathode decreased in the order SO42- > CH3COO- > TFSI-. In contrast, cation-specific effects were less pronounced: Li+ showed the greatest reduction in interaction, while Na+, K+, and NH4+ exhibited no clear differences. This comprehensive study, extending previous research, simultaneously examined both cationic and anionic ion effects, identifying the optimal ion pairs for minimizing water-cathode reactivity.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 개요 1
• 제 1 절 연구 목적 1
• 제 2 절 배경 이론 2
• 1. 분자동역학 시뮬레이션 2
• 2. 힘장 2
• 3. 앙상블 이론 3
• 4. 방사형 분포 함수 4
• 5. 호프마이스터 서열과 특정 이온 효과 4
• 제 2 장 연구 방법 5
• 제 1 절 분자동역학 시뮬레이션 단계 5
• 1. 수용액 시스템에 대한 분자동역학 시뮬레이션 6
• 2. LCO-수용액 시스템에 대한 분자동역학 시뮬레이션 7
• 제 2 절 시뮬레이션 데이터에 대한 구조적 분석 8
• 제 3 장 연구 결과 9
• 제 1 절 해석 방법 10
• 제 2 절 수용액 시스템에서의 RDF 해석 10
• 제 3 절 LCO 결정 표면 영역의 밀도 분포 해석 11
• 1. 물 분자의 개수 밀도 분포 11
• 2. 양이온의 종류에 따른 개수 밀도 분포 변화 12
• 3. 음이온의 종류에 따른 개수 밀도 분포 변화 13
• 제 4 장 결론 14
• 참고문헌 16
• Abstract 21