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2022년 12월 15일 (목) 23:42 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

• 연구 목표

◇ 이온젤 전해질인 IGs를 활용하여 기존 Li-ion Battery의 안정성 및 성능 문제를 개선하는 것을 해당 연구의 목표로 한다.

• 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

◇ 겔 폴리머 전해질 조성물, 이에 의해 제조된 겔 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 (COMPOSITION FOR GEL POLYMER ELECTROLYTE, GEL POLYMER ELECTROLYTE PREPARED THEREFROM AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME),

본 발명은 겔 폴리머 전해질 조성물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 구체적으로 리튬염, 중합 개시제 및 특정 구조의 올리고머와 함께 비수성 유기용매 대신 이온성 액체를 포함함으로써, 난연성이 향상된 겔 폴리머 전해질 조성물과 이를 포함함으로써 고온 안정성이 향상된 리튬 이차전지에 관한 것이다.

출원인 : 주식회사 엘지에너지솔루션

◇ 겔 폴리머 전해질 및 이를 구비한 이차전지(GEL POLYMER ELECTROLYTE AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME)

본 발명은 이온성염을 함유하는 유기 전해액 및 가교 고분자로 이루어진 겔 폴리머 전해질과, 기계적 물성의 지지체로 이용되는 다공성 지지체를 포함하는 겔 폴리머 전해질 복합체, 및 이를 구비한 전기화학소자에 관한 것이다.

출원인 : 주식회사 엘지화학

◇ 겔 폴리머 전해질 및 이를 구비한 이차전지(GEL POLYMER ELECTROLYTE AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME)

제1 도메인 및 상기 제1 도메인에 인접하는 제2 도메인을 포함하는 블록 공중합체, 이온성 액체, 올리고머, 무기입자, 및 리튬염을 포함하고, 상기 제1 도메인은 이온 전도성 중합체(ion conductive polymer) 블록을 포함하고, 상기 제2 도메인은 비전도성 중합체(non-conducting polymer) 블록을 포함하는 전해질, 상기 전해질을 포함하는 리튬전지 및 리튬금속전지, 및 상기 전해질의 제조 방법을 개시한다.

출원인 : 삼성전자주식회사

◇ 이온성 액체를 포함하는 고체 전해질(Solid electrolyte containing ionic liquid)

본 발명은 이온성 액체를 다공성 금속 산화물에 효과적으로 내재화하여 이온성 액체의 장점을 유지하면서 유연성(flexibility)을 갖는 겔형의 고체 전해질을 제공하고자 한다. 이를 위해 본 발명은 하기 화학식 1로 표현되는 실란 화합물로부터 제조되는 다공성 금속산화물 내에 이온성 액체를 포함시킨 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질을 제공한다.

출원인 : 삼성에스디아이 주식회사

◇ 신규한 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지(Novel Polymer Electrolyte and Lithium Secondary Battery Comprising the Same)

본 발명은 외력에 대해 기계적 강성을 제공하는 제 1 고분자층과, 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 제 2 고분자층의 다층 구조로 이루어져 있고, 상기 제 1 고분자층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 1 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 0~60 wt%로 함유하고 있고, 상기 제 2 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 2 고분자층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 60~400 wt%로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

출원인 : 주식회사 엘지화학

• 특허전략

◇ 개발 목표 해당 연구는 리튬 이온 배터리에 적합한 전도도와 열적/화학적/전기화학적 안정성을 가지는 이온젤 전해질 개발을 목표로 한다. ◇ 해당 기술의 이점 고분자 전해질에 이온성 액체를 첨가한 이온젤 전해질(IGs)은 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 기존 액체 전해질의 누출 및 안정성 문제를 해결할 수 있다는 점에서 리튬 이온 배터리에 가장 적합한 전해질 중 하나로 평가되고 있다. 또한, 이온젤 전해질은 주로 덴드라이트 성장 억제에 탁월하고, 높은 열 안정성과 높은 구동 온도 범위를 가진다. 이온젤 전해질의 산화 환원 전위는 넓은 전기화학적 창을 가지게 하며, 이는 전기화학적 안정성을 부여한다.

◇ 연구 개발 진행 방향 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. PEO, PVDF-HFP 등 어떠한 고분자 구조를 선택하느냐, 또는 이온성 액체의 양이온 및 음이온을 어떠한 것으로 설정하냐에 따라서 최종적인 이온 젤의 물성과 전도도가 달라지게 된다. 그러므로 본 연구에서는 IGs 전해질에 대한 전반적인 탐구를 통해 리튬 이온 배터리에 적합한 고분자(polymer)와 이온성 액체 소재를 찾고, 이온전도도, 구동 온도 범위, 전기화학적 및 열 안정성이 개선된 IGs 전해질을 제시하고자 한다.

◇ 연구 기대효과 상용화된 LIB 규격에 적합한 이온전도성과, 안정성, 가역성 등을 가진 IGs 전해질은 기존 ESS, EV의 성능 개선 및 보편화를 이끌 것으로 기대된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 고분자-이온성 액체(IL) 고체 전해질의 경우, 이온성 액체 내의 자가 해리된 이온이 폴리머 매트릭스와 혼합된 후 이온 전도에 이용이 가능하기 때문에 이온전도도를 향상시키는 것이 가능하다.

◇ 고분자 기반 고체 전해질은 높은 열적 안정성과 난연성으로 인해, 액체 전해질의 고유 문제인 누출과 폭발 문제등을 해결할 수 있다. 또한 TFSI계 등의 이온성 액체를 첨가하면 우수한 산화-환원 전위로 인해 넓은 전기화학적 창 범위와, 계면 화학 안정성을 가지게 된다.

[Fig. 3] EV industry analysis, Global Market Insights

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 전 세계 EV 판매 대수가 2025년 기준 1,690만대로 예상됨에 따라 리튬이온배터리용 이온젤 전해질 개발은 기존 액체 전해질 대비 전기화학적 안정성, 열 안정성을 개선함으로써 EV용 배터리 시장의 경제적 파급효과를 이끌 것으로 전망된다. 전기 자동차 한 대당 이산화탄소는 매년 1.1톤, 일산화탄소는 9.6kg, 탄화수소는 1.3kg, 또 질소산화물은 4.1kg를 매년 감소시킨 것으로 추정됐습니다. 더불어 오염물질 감소에 따른 환경 개선 효과를 비용으로 환산하면 대당 연간 약 21만원으로 전기자동차 1만대를 보급하면 연간 약 21억 원의 환경적 편익이 기대된다.

◇ 더불어 기존 액체 전해질을 고체 전해질로 대체함으로써 안정성을 개선함으로써 분리막 같은 안정성 관련 부품 수의 감소를 이끌 수 있다. 이를 통해 기존 LIB에 활물질을 더 넣을 수 있게 되어 에너지 밀도 향상을 이끌 수 있다. 구체적으로 기존 주행거리가 400km에 그쳤던 EV에서 1회 완충으로 1,000km까지 주행 가능한 EV를 구현해 EV 보편화를 이끌 수 있을 것으로 기대된다.

[Fig. 4] EV market size, Grand View Research

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

◇ 기존 LIB 선행연구 논문 분석 : LIB 선행 연구 논문을 통해 Li-sulfur batteries, Li-metal batteries 같은 여러 배터리의 종류를 알아본다. 더불어 기존 액체 기반 전해질의 한계를 파악하고 최근 연구 동향을 알아본다. – 김준혁, 송재성

◇ 폴리머 계열 고체 전해질 논문 분석 : 기존 액체 전해질의 단점을 개선한 폴리머 기반 고체 전해질을 알아본다. SPES, GPES, IGS 각각의 장단점 및 성능을 분석하며 IGs 연구의 필요성을 알아본다. 그리고 이를 토대로 화재 안정성 및 성능 개선을 이끄는 최적의 폴리머 계열 고체 전해질이 IGs라는 것을 뒷받침하는 연구 결과를 찾아본다. - 김준혁, 송재성

◇ IGs를 구성하는 IL 및 polymer 소재 관련 연구 논문 분석 : IGs를 구성하는 ionic liquid와 polymer matrix를 평가 방법의 개발 목표치를 고려하며 찾아본다. – 김준혁, 송재성

◇ 최적의 IL & polymer matrix 조합 제시 : 선정한 ionic liquid([Pyr13][TFSI], [EMIM][TFSI], etc.)와 polymer matrix (PEO, PVDF, PVA, etc.)를 조합하며 예상 성능을 비교 및 분석하여 최종적으로 개발 목표치를 만족하는 LIB용 IGs 기반 전해질을 제시한다. – 김준혁, 송재성

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