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2022년 12월 15일 (목) 23:33 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 이온젤 전해질을 통한 리튬이온배터리 성능 및 안정성 개선
영문 : Improving Li-ion battery performance and stability through ion gel electrolyte
과제 팀명
문홍철 1팀
지도교수
문홍철 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 김*혁(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20193400** 송*성
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 전기자동차, 스마트폰 등 첨단 산업 분야에서 리튬 이온 배터리(LIB)는 주요 전원 공급 동력원으로 사용되고 있다. 기존의 리튬 이온 배터리에는 액체 전해질이 사용되는데, 액체 전해질의 불안정성과 누출 문제 등으로 인해 다수의 배터리 화재 및 폭발사고가 발생하고 있다.
◇ 액체 전해질을 대체하기 위해 최근 전고체 전해질에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 고체 전해질은 무기 고체 전해질, 고분자 고체 전해질, 박막 고체 전해질 등으로 이루어지는데, 이 중에서 고분자 고체 전해질(SPEs)이 호환성과 설계 유연성 측면에서 높은 관심을 받고 있다.
◇ 특히, 고분자 전해질에 이온성 액체를 첨가한 이온젤 전해질(IGs)은 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 기존 액체전해질의 누출 및 안정성 문제를 해결할 수 있다는 점에서 리튬 이온 배터리에 가장 적합한 전해질 중 하나로 평가되고 있다.
◇ 따라서, 본 연구에서는 이온젤 전해질(IGs)을 활용한 리튬 이온 배터리의 안정성 및 성능 개선을 목표로 한다. 이를 위해 기존 IGS(iongels) 관련 선행 연구 논문을 분석하고, IGs에 적합한 이온성 액체 및 고분자 소재를 연구할 것이다.
◇ 이후 찾아낸 이온성 액체와 고분자 구조를 바탕으로, 최적의 IGs 구조를 제시하고, 해당 IGs를 활용하여 리튬 이온 배터리 전기화학적 및 열 안정성, 전도도, 배터리 성능 등의 개선 여부를 확인할 것이다.
개발 과제의 배경
◇ 리튬 이온 배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도, 낮은 자가 방전 특성 및 넓은 화학 전위 등으로 인해 많은 응용 분야에서 전원으로 사용되고 있다. 특히, 전기자동차(EV), 에너지 저장장치(ESS) 등 첨단 산업 분야의 발전으로 인해 고용량, 고출력 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 더 늘어나고 있다.
◇ 그러나, 기존 리튬 이온 배터리에서 사용되는 액체 전해질의 불안정성 때문에 세계 각지에서 LIB를 사용한 여러 device의 화재 및 폭발 사고가 발생하고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 최근, 열 안정성이 낮은 기존 액체 전해질을 대체할 수 있는 전고체 배터리의 연구 필요성이 대두되고 있다.
◇ 고체 전해질 중에서, 고분자 고체 전해질(SPEs)은 높은 안정성과 설계에 대한 유연성, 리튬과의 좋은 호환성 등으로 인해 가장 유망한 유형의 전해질로 간주되고 있다. 그러나 SPEs는 이온전도도와 전기화학적/열 안정성이 상용화에 부적합한 한계를 가지고 있다.
◇ 이러한 고분자 고체 전해질에 이온성 액체(ILs)를 첨가한 이온 젤(IGs) 전해질은 고분자 구조로 인한 장점을 살림과 동시에, ILs 첨가로 인해 높은 이온전도도와 안정성을 확보할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 IGs 전해질에 대한 전반적인 탐구를 통해 리튬 이온 배터리에 적합한 고분자와 이온성 액체 소재를 찾고 이온전도도, 구동 온도 범위, 전기화학적 및 열 안정성이 개선된 IGs 전해질을 제시하고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
1. 연구 목표
◇ 이온젤 전해질인 IGs를 활용하여 기존 Li-ion Battery의 안정성 및 성능 문제를 개선하는 것을 해당 연구의 목표로 한다.
2. 연구 내용
◇ 고분자 고체 전해질에 관련된 선행 연구 논문을 먼저 분석한 후, 고분자 기반 전해질에 ionic liquid를 첨가한 경우의 안정성 및 성능 개선 가능성을 분석한다.
◇ 이온젤 전해질(IGs)에 적합한 이온성 액체(ILs) 및 고분자 소재(Polymer matrix)를 연구한다.
◇ 최종적으로, 고용량/고출력 리튬 이온 배터리에 적용이 가능하도록, 안정성, 전도도 및 성능이 개선된 IGs 구조를 제시한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Performance of EMIMFSI ionic liquid based gel polymer electrolyte in rechargeable lithium metal batteries PEO계 전해액에 [BMIM][TFSI]를 첨가하였을 때, 이온성 액체의 가소화 효과에 의해 PEO의 결정성이 저하되고 비정질상이 증가하여 30도에서 1.5*10^-4S/cm의 높은 이온전도도를 얻었다.
◇ Ionic liquid-immobilized polymer gel electrolyte with self-healing capability, high ionic conductivity and heat resistance for dendrite-free lithium metal batteries [EMIM][TFSI]가 첨가된 PVDF-HFP 겔 전해질에서 이온성 액체 양이온과 PVDF-HFP의 극성 -CFx 그룹 사이의 이온-쌍극자 상호 작용이 PVDF-HFP의 결정도를 감소시켰다. (Fig. 1) 또한, [TFSI]-음이온을 고정하는 역할도 하여 전해질에서 Li+ 이온 수송을 크게 촉진하고 실온에서 8.8*10-4 S/cm의 이온전도도를 얻었다.
[Fig. 1] Schematic illustration of LiTFSI-IL-P(VDF-HFP) gel electrolyte
◇ Self-healing and high stretchable polymer electrolytes based on ionic bonds with high conductivity for lithium batteries
Ion dipole 효과는 전해질에 자가 치유 능력을 부여할 수 있어 리튬 금속 음극의 부피 변화에 잘 적응할 수 있다. Poly(4-vinylpyridine)(propyl-trimethylammonium)에 [EMIM][TFSI] 및 리튬염을 통합하여 독특한 바다-섬 구조를 형성하였을 때 (FIg. 2), 이러한 구조는 각 섬이 이온결합에 의해 상호 연결된 시차 Li+ 이온 전달 채널을 형성하여, 복합 전극에서 Li+ 이온의 전도를 촉진시켰다.
[Fig. 2] Photographs of the PVT-40% EMITFSI electrolytes
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
전해질 물성 요구사항
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
