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2023년 12월 14일 (목) 23:24 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 점탄성을 가진 리튬이온전지용 젤 폴리머 전해질 개발 : 고농도 아크릴레이트계 단량체 합성을 통한 젤 폴리머 전해질의 성능 개선

영문 : Gel Polymer Electrolyte for Lithium ion battery with viscoelasticity : Improving the Performance of High-Concentration Acrylate-Based Gel Polymer Electrolytes

과제 팀명

SUNPEO

지도교수

정철수 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 김*건(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 신*일

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 이*민

서울시립대학교 화학공학과 20193400** 김*진

서울시립대학교 화학공학과 20193400** 최*린

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ ICEMA(2-isocyanatoethyl Methacrylate)를 사용한 점탄성 특성을 갖는 Gel Polymer Electrolyte(GPE)
◇ 상용 액체 전해질에 ICEMA를 첨가제로써 활용했을 때, 발생한 불안정한 SEI 형성 문제 해결 
◇ In-situ curing 공정 도입을 통한 공정 시간 및 비용 절감
◇ GPE에서 주된 Lithium salt로 사용하는 LiTFSI의 Aluminum 집전체 부식 문제 해결

개발 과제의 배경

◇ 현재 상용 중인 리튬이온전지는 액체 전해질을 사용해 누액으로 인한 화재 위험이 있어 안정성 문제가 있음
◇ 이를 보완하기 위해 고안되고 있는 고체 전해질은 낮은 이온전도도와 높은 계면 저항을 가짐
◇ 액체 전해질의 낮은 안정성과 고체 전해질의 높은 계면 저항을 개선할 수 있는 겔 폴리머 전해질 방식을 도입  
◇ 겔 폴리머 전해질은 높은 기계적 안정성, 액체 전해질에 준하는 높은 이온전도도뿐만 아니라 크기 조절 및 유연한 모양 제작에 용이하다는 장점이 있음

개발 과제의 목표 및 내용

◇ Acylate 계 Monomer를 활용한 GPE 제작 및 향후 GPE 연구에 사용할 점탄성 특성 정의
◇ ICEMA의 문제를 해결하기 위해 LUMO가 더 낮은 LiDFOB salt 혹은 Electrolyte 첨가제 추가  
◇ GPE에 주로 쓰이는 LiTFSI 단독 salt의 알루미늄 집전체 부식 문제를 해결
◇ 개발 GPE의 이온전도도는 1 mS/cm 이상, transference number는 0.5 이상을 목표로 함

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석

State of art

◇ 현재 한국에서 전자이동통신 기기와 전기자동차 등에 주로 사용되는 배터리는 NCM계의 양극재를 사용한 삼원계 배터리이며, 전해질로는 액체 형태의 전해액, 분리막으로는 Polyethylene을 주로 사용한다. 
◇ 삼원계 배터리에 사용하는 액상 전해질의 경우, 폭발 위험 및 고온 구동 시 전해액 증발 및 열화 등의 단점을 갖고 있어 최근 전고체 전해질 및 반고체 전해질과 같은 대체 전해질을 개발 중이다. 
◇ 반고체 전해질이라고도 불리는 GPE는 LG에너지솔루션의 경우 2026~2027년 상용화 예정이며, 현대자동차의 경우에도 반고체 전해질 및 전고체 전해질의 상용화를 위해 핵심 기반 시설을 투자하고 있다. 
◇ 반고체 전해질 및 전고체 전해질이 전해액을 대체하기 위해서는 현재 상용화된 리튬 이온 배터리의 액체 전해질 이온전도도인 6 mS/cm 및 ‘0.4’ 수준의 Lithium cation transference number를 갖고 있어야 한다.

특허조사

◇ 주식회사 엘지화학. 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지. 10-2013-0089001, July 26, 2013 and issued September 20, 2016
◇ 서울시립대학교 산학협력단. 겔 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전기화학 소자. 10-2019-0179928, December 31, 2019 and issued December 1, 2021
◇ 울산과학기술원. 리튬 이차전지용 전해질 조성물 및 그를 이용한 리튬 이차 전지. 10-2016-0182754, December 29, 2016 and issued August 28, 2019
◇ ㈜그리너지. 겔형 고분자 전해질을 적용한 리튬 이차 전지 및 그 제조방법. 10-2018-0072349, June 22, 2018 and issued June 23, 2020
◇ 현대자동차주식회사, 기아 주식회사, 서울대학교 산학협력단. In-situ 가교된 겔 고분자 전해질 및 이의 제조방법. 10-2022-0035074, March 22, 2022 and issued October 5, 2023

특허 전략

◇ ICEMA 몰 농도별 충·방전 실험 및 탄성 비교를 통해 GPE에 적용할 비율 최적화
◇ 높은 Transference number와 이온전도도를 갖는 LiTFSI를 GPE의 주된 salt로 사용하고, LiTFSI를 사용할 때 발생하는 AI 전극의 부식은 LiDFOB를 첨가하여 해결한다. 
◇ 또한 LiDFOB의 낮은 LUMO가 ICEMA 분해로 생성되는 불안정한 SEI 층의 생성을 막고 안정적인 충방전 사이클을 유도한다. 
◇ 액체 전해질과 비교하여 낮은 Rct를 도출하고 상온에서 비슷한 수준의 이온전도도 및 0.6 정도의 뛰어난 Transference number를 목표로 하여 출원을 계획한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

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

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용