○ 배터리 열폭주 억제와 안전성 강화를 위한 난연성 액체전해질 유래 나노 계면막 구축 기술 확보 ○ 난연성 액체전해질 포뮬레이션과 안정한 나노 계면막 구축을 통한 고에너지 리튬이온배터리 안전성 강화 검증

1. 배터리 열폭주 억제용 고용량 하이니켈 NCM 양극 및 실리콘-흑연 음극의 안정한 나노 계면막(SEI) 생성을 위한 불소화 유기 용매 소재 기반 난연성 액체전해질 조성 범위 설계 2. 음/양극 나노 계면막 분석 프로토콜 수립 3. 난연성 액체전해질이 주액된 리튬이온 파우치셀 제작 및 기존 액체전해질 대비 10% 이상 향상된 성능 검증 4. 난연성 액체전해질 기반 리튬이온 파우치셀 안전성 강화 검증 5. 난연성 액체전해질 기반 배터리 안전성 향상을 위한 원천기술 확보를 위한 특허 포트폴리오 기반 구축

본 과제는 리튬이온 2차전지의 성능과 안전성을 향상시키기 위해 고용량 양극에 사용될 폴리이미드(PI) 수지 바인더를 개발하고 상용화하는 연구임. 연구 목표는 고형분 15~18wt%, 점도 500~1500 cps, 인장 강도 60MPa 이상, 연신율 8±3%, 열팽창 계수 50ppm/℃ 이하, 극판 접착성 250N/m 이상, 가연성(LOI) 40 이상을 만족하는 폴리이미드 수지 바인더를 개발하여 4.3V 충전 전압에서 상용 PVDF 바인더와 동등한 수준의 충방전 싸이클 성능을 확보하는 것임. 핵심 연구 내용은 금속 성분과 계면 결합을 갖는 PI 분자구조 설계 및 중합 공정 변수 도출, 가용성 PI 제조 공정 수립과 1차 시제품 제조임. 또한, 개발 바인더를 Ni-rich NCM 양극에 적용하여 고전압 충방전 성능을 평가하고, 바인더 소재 설계 피드백 및 양극-전해액 계면안정성 평가 기반을 구축하는 것임. 기대 효과는 기존 PVDF 바인더를 대체하여 내열성 및 안전성을 강화하고, 양극의 고전압화 및 고용량화를 통한 전기화학적 특성 개선임. 이를 통해 국산화 및 대일 의존성 탈피가 가능하며, 반도체용 chemical 정제 분야와 Si계 음극 바인더로의 응용 분야 확장도 기대됨.

1) 발화점 상승과 전기화학적 산화안정성이 향상을 위한 HOMO 에너지레벨이 강하된 유기 용매 설계 ▸ 카보네이트계, 설폰계, 에스터계 등 유기 용매의 구조, 조성, 기능기 설계를 통해 발화점 상승 전략 ▸ 난연/불연 특성을 가지는 유기 용매로 구성된 난연/불연성 전해액 시스템 설계 2) 혼합 용매 시스템 구축을 통한 발화점 상승 전략 ▸ 상승된 발화점을 가지는 유기 용매들 혼합에 의한 끓는점 오름 현상을 통한 발화점 추가 상승 ▸ 신규 불연성 전해액 시스템의 물성 및 전기화학적 특성 분석 ▸ 고온-고전압 가혹조건에서도 상호적합성이 우수하며 안정성을 가지는 불연성 유기계 전해액 시스템 완성 3) 고용량 양극의 고전압향을 통한 용량 추가 증가와 리튬이차전지의 고에너지밀도화 ▸ 고용량 층상계 산화물 양극활물질인 고니켈 (LiNi1-x-yCoxMnyO2, Ni≥0.6), 과리튬 (aLi2MnO3·1-a(LiNi1-x-yCoxMnyO2, Li1+xA1-yMnyO2 (A=Ti,Nb,etc.) 등의 소재와 본 연구의 불연성 고전압 전해액과 컴비네이션하여 4.2V 초과 충전전압으로의 고전압향을 통한 양극 용량 추가 증가 및 현존 가연성 전해액 대비 리튬이차전지의 성능 및 에너지밀도 향상 ▸ 성능과 안전성이 향상된 불연성 유기계 전해액 기반 차세대형 안전한 리튬이차전지시스템 제안 4) 표면 및 벌크 소재분석기술을 활용한 난연/불연 유기계 전해액 시스템의 계면반응기작 규명 ▸ 신규 전해액-양극/음극간 전자전달 반응 kinetics 제어요소, 전해액의 전기화학적 산화/환원 분해 프로세스 등 계면반응의 기초 연구 정립 ▸ 고온, 고전압 가혹조건하에서의 양극 및 음극 SEI 형성 반응기작 규명을 통해 표면-구조-성능-안전성간 상관관계 정립 ▸ 새로운 불연성 고전압 배터리화학 제안 ◦ 1년차: 신규 카보네이트계 유기 용매로 이루어진 전해액 시스템 조성 설계, 기초물성 테스트, 리튬 코인 하프셀 평가 ◦ 2년차: 신규 설폰계, 에스터계 유기 용매로 이루어진 난연/불연 전해액 시스템 조성 설계, 기초물성 테스트, NCM811 양극 기반 고전압 리튬 코인 하프셀 충방전 성능 및 계면저항 평가 ◦ 3년차: 1차 선정된 신규 용매군 기반 난연/불연성 전해액 시스템 조성이 적용된 리튬 코인 풀셀 제조, 성능 평가를 통한 전해액 조성 2차 선정, 계면반응거동-성능간 상관관계 연구 ◦ 4년차:최종 선정된 불연성 전해액 시스템 기반 파우치 풀셀 제조, 성능과 전지안정성 평가, 불연성 전해액 시스템 기반 고전압 배터리화학 정립