한동욱 교수 연구실
프로젝트
산학 과제
9
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2021년 5월-2024년 1월
리튬이온이차전지용 망간(Mn)/타이타늄(Ti) 이원계 층상구조 양극산화물의 구조 안정화 및 비가역적 상전이 제어 기술 개발
서울과학기술대학교, 한림대학교
본 연구는 차세대 전기자동차용 리튬이온이차전지(LIB)에서 요구되는 고에너지밀도와 고안정성을 동시에 만족하기 위해, 망간(Mn)/타이타늄(Ti) 이원계 층상구조 양극산화물을 개발하는 것을 목표로 한다. 기존 상용 NCM811, NCM622 양극소재는 높은 용량을 제공하나, 입자 표면의 불안정성과 고온에서의 수명 저하로 인해 안전성 문제가 지적되어 왔다.
이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 Ti 치환 기반 LiMnO₂ 구조를 핵심으로 한 새로운 양극소재 조성을 설계하고, 알칼리 이온 함량 조절 및 고상합성 공정 최적화를 통해 구조적 안정성과 가역 용량을 향상시킨다. 2차년도에는 기능성 나노소재(예: 탄소나노튜브, Al₂O₃)를 적용한 균일 표면 코팅 기술을 개발하여 입자-전해질 계면의 안정성을 확보하고, 3차년도에는 이를 기반으로 한 고온 충·방전 신뢰성 평가(25℃ vs. 50℃) 및 Ex-situ/in-depth 전기화학 분석을 수행하여 열적 안정성과 수명 특성 향상 원리를 규명한다.
최종적으로 개발되는 Ti 치환 LiMnO₂ 양극소재는 단독으로 사용하거나 기존 NCM 계열 소재와 혼합 적용할 수 있어, 전기자동차용 LIB의 고용량·고안전성 양극재로 활용 가능성이 높다. 또한, 본 연구는 LiMnO₂ 관련 원천 기술 확보 및 국내 기업과의 기술이전·사업화를 통해 국내 이차전지 산업의 경쟁력 강화와 글로벌 시장 진출에 기여할 것으로 기대된다.
이원계 망간 타이타늄
층상구조 산화물
비가역적 상전이
알칼리 이온 함량 설계
기능성 소재 코팅
리튬이온이차전
2
2019년 5월-2022년 1월
고성능/고니켈(≥80%) 층상구조 양극산화물 결정구조 및 입자기공 제어용 열반응성 금속-유기 구조체 개발
한림대학교
본 연구는 전기자동차용 리튬이온이차전지(LIB)에서 활용되는 고니켈(≥80%) 층상구조 양극소재(NCM811 계열 등)의 구조적 불안정성과 수명 저하 문제를 해결하기 위해, 열반응성 금속-유기 구조체(MOF: Metal-Organic Framework) 기반의 새로운 제어 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 기존 고니켈 양극산화물은 높은 용량과 에너지밀도를 제공하지만, 표면 불안정성 및 열적 안정성 부족으로 인해 전지의 안전성과 신뢰성 확보가 어렵다는 한계가 존재한다.
이를 극복하기 위해, 1차년도에는 열반응성 금속-유기 구조체의 핵심 조성 설계 및 제조 공정을 확립하고, 2차년도에는 이를 고니켈 층상구조 양극산화물 입자 표면에 균일하게 코팅하거나 복합화하는 기술을 개발하였다. 이를 통해 결정구조 안정화와 입자기공 제어를 달성하고, SEM, STEM, HR-TEM, BET 분석 및 충·방전 시험을 통해 성능 향상 원리를 규명하였다. 3차년도에는 개발된 소재를 기반으로 Full cell(흑연 음극 조합) 제작 및 신뢰성 평가를 수행하여, 300회 충·방전 후 80% 이상의 용량 유지율을 목표로 한 장기 수명 및 열적 안전성을 검증하였다.
본 연구를 통해 도출된 기술은 고니켈 층상구조 양극산화물의 국산화 및 경쟁력 강화에 기여할 뿐만 아니라, LiNi₀.₈Co₀.₁₅Al₀.₀₅O₂(NCA), OLO(xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂) 등 다양한 고성능 층상구조 양극소재에도 확대 적용이 가능하다. 따라서, 본 연구성과는 국내 배터리 소재 산업의 글로벌 경쟁력 제고와 더불어, 전기자동차용 고에너지밀도 리튬이온전지의 안전성·신뢰성 확보를 위한 핵심 기반 기술로 활용될 것으로 기대된다.
고니켈 층상구조 산화물
금속 유기 구조체
열반응성
갈바닉 교환반응
고분해능 투과전자현미경
리튬이온이차전지
3
2014년 9월-2021년 4월
Na-ion 전지용 200℃에서 열수축률 5% 이하의 고내열성 분리막과 이온전도도 9 mS/cm 이상의 고성능·고안전성 전해액 기술 개발
전자부품연구원
본 연구는 차세대 나트륨 이온전지(Na-ion battery)의 상용화를 위해, 기존 리튬이온전지 분리막 대비 고내열성(200℃에서 열수축률 ≤5%)과 고이온전도도(≥9 mS/cm)를 동시에 확보할 수 있는 분리막 및 전해액 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. Na-ion 전지는 리튬자원의 희소성과 가격 문제를 대체할 수 있는 차세대 전지 기술로 주목받지만, 전극–전해질 계면 반응, 전해액 안정성 부족, 분리막 내열성 한계 등이 해결 과제로 지적되어 왔다.
이를 위해 연구는 두 가지 축으로 진행되었다.
첫째, 나노섬유 기반 shut-down 기능성 분리막 개발이다. 전기방사 기반 double layer 제조 공정을 확립하고, 저온 용융특성을 갖는 고분자 후보소재를 도입하여 열안정성과 shut-down 기능을 강화하였다. 제조된 분리막의 SEM, FT-IR, 통기도, LSV 등 물성·전기화학 특성을 평가하고 DB를 구축하였다.
둘째, 고안전성 전해액 시스템 개발이다. NaPF6, NaTFSI, NaFSI 혼합염과 첨가제를 조합해 전해액의 안정성을 개선하고, 알루미늄 집전체 부식 억제 성능을 검증하였다. 또한, 하드카본 음극과 전해액 간 계면 안정화를 위해 다양한 첨가제(FEC, VC 등)를 평가하고, 부반응 억제 및 SEI 형성 원리를 규명하였다. 이를 기반으로 준고체형 신규 전해질 시스템을 개발하고, Full cell 설계·제조 공정 최적화를 통해 실증 수준의 성능을 확보하였다.
본 연구는 Na-ion 전지의 안전성·내열성·고성능 특성을 동시에 확보할 수 있는 핵심 기반 기술을 제시하였으며, 향후 ESS 및 대용량 저장장치 분야에서 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 전지 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
나트륨이온 배터리
전지 공정 기술
분리막
안전성
전해액
4
2016년 2월-2020년 11월
350Wh/Kg급 장수명 (500회) 특성을 갖는 리튬 금속 이차전지용 고안전성 인버스 전해질 시스템 기술 개발
솔브레인 주식회사
본 연구는 고에너지밀도(350 Wh/kg) 및 장수명(500회 이상) 특성을 갖는 리튬 금속 이차전지(Li-metal battery)를 구현하기 위해, 고안전성 인버스 전해질 시스템(Inverse Electrolyte System)을 개발하는 것을 목표로 한다. 리튬 금속 전극은 높은 이론 용량과 낮은 전위 특성으로 차세대 전지의 핵심 음극소재로 주목받으나, Li dendrite 형성, 전해질 분해, 계면 불안정성 등의 문제로 상용화에 제약이 있어왔다.
이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 불소화 첨가제와 에테르계 용매 기반 전해질을 활용하여 SEI(고체 전해질 계면) 안정화 및 Li dendrite 억제 기술을 개발하였다. 구체적으로, 불소화 첨가제 설계 및 구조 최적화를 통해 전해액의 내산화성 및 전극 계면 안정성을 향상시키고, Polymeric SEI 형성 첨가제를 적용하여 리튬 금속 전극 표면 보호막을 구축하며, Solvent-in-salt 전해질 시스템을 도입하여 고전압 조건에서의 전해질 산화·분해 거동을 제어하였다.
또한, 음극 반쪽셀 및 풀셀 단위에서 초기 효율, 가용 용량, 수명 특성을 평가하고, Ex-situ/in-situ 분석을 통해 전해질-전극 계면 반응 메커니즘을 규명하였다. 이를 통해 리튬 금속 전극의 고온·고전압 환경에서의 가역성을 확보하고, 장수명 특성을 갖는 고에너지밀도 전지 개발 기반을 마련하였다.
본 연구 성과는 리튬 금속전지의 상용화에 필수적인 안전성·신뢰성 확보 기술로, 전기차 및 차세대 ESS(Energy Storage System) 적용을 가속화하고, 국내 배터리 산업의 글로벌 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.
리튬금속
리튬수지상
역조성 전해질
리튬 보호막
미세 상분리 분리막
5
2017년 3월-2019년 11월
폐니켈수소전지를 활용한 3N급 희토류/유가금속 회수 및 리튬이온전지용 양극활물질 소재화 기술개발
(주)지엠텍
본 연구는 폐니켈수소전지(NiMH)에서 다량 함유된 유가금속(니켈, 코발트)과 희토류 원소를 효율적으로 회수하고, 이를 리튬이온이차전지(LIB)용 고성능 양극활물질로 재활용하는 기술 개발을 목표로 한다. 기존 폐배터리는 단순 폐기 또는 저부가가치 활용에 그쳤으나, 니켈(약 25%), 코발트(약 2%), 희토류(약 4%)를 포함한 고부가금속 자원을 효과적으로 추출·정제함으로써 국가 전략 금속 자급률 향상과 자원 순환경제 구축에 기여할 수 있다.
연구는 크게 세 단계로 진행되었다.
㈜지엠텍은 폐전지의 방전·해체·파분쇄를 포함한 **전처리 시스템(30톤/년급)**을 구축하고, 금속 회수 공정을 최적화하였다.
고등기술연구원은 유가금속 및 희토류의 고효율 침출·분리·농축 기술을 개발하고, 니켈/코발트 ≥80% 회수율 및 ≥95% 순도의 황산염 화합물을 확보하였다.
㈜엔코는 희토류 금속의 불순물 제거 및 고순도 산화물 회수 기술을 개발하여, ≥80% 회수율 및 ≥85% 순도의 희토류산화물을 확보하였다.
자동차부품연구원은 회수된 전구체 원료를 활용해 High-Ni NCM계 양극활물질을 제조하고, 충·방전 특성 및 수명을 평가하였다.
㈜모노리스는 회수 원료 기반 전구체 제조 공정을 설계하고, 기존 원료 대비 성능 비교·검증을 수행하였다.
본 과제를 통해 개발된 기술은 단순 금속 회수를 넘어, 폐전지 → 유가금속/희토류 회수 → 리튬이온전지용 고성능 양극소재 제조로 이어지는 전주기적 자원 재활용 체계를 구축하였다. 이는 원료 수급 안정화, 원가 절감, 고부가가치 소재의 국산화, 관련 산업 일자리 창출에 크게 기여할 것으로 기대된다.
페니켈수소전지
재활용 시스템
리튬이차전지
회토류 원소
분리정제기술
6
2015년 12월-2019년 11월
Li 도포된 Cu foil의 전기화학적 특성 평가 및 이를 이용한 Full cell 제조 및 신뢰성 평가 기술 개발
자동차부품연구원
본 연구는 기존 리튬이온전지가 가진 에너지 밀도의 한계를 극복하기 위해, 차세대 리튬금속이차전지용 리튬 도포 구리 집전체(Cu foil) 기술을 개발하고 이를 기반으로 한 Full cell 제조 및 신뢰성 평가 기술을 확립하는 것을 목표로 한다. 리튬금속은 높은 이론 용량과 낮은 전위로 이상적인 음극소재이지만, Li dendrite 성장과 계면 불안정성으로 상용화에 어려움이 있다.
연구에서는 먼저 Li 도포된 Cu foil의 전기화학적 특성을 평가하였다. Li/양극 Full cell 충·방전 전압 조건별 특성을 분석하고, 기존 Li-metal foil과 비교하여 성능 차이를 규명하였다. 또한 Li 도포 Cu foil에서 발생하는 dendrite 성장 거동을 관찰하여 안전성 저해 요인을 분석하였다.
계면 안정화를 위해, LiPF6 전해액 염의 함량 변화에 따른 특성 평가와 더불어, LiPF6를 대체할 신규 전해액 염 후보를 검토하여 Cu foil–Li 계면 반응 제어 기술을 개발하였다.
최종적으로, Li 도포 Cu foil을 활용한 파우치형 Full cell 설계 및 제조를 수행하였다. Full cell 제작을 위한 설계 인자와 공정 변수(전극 밀도, 코팅 조건, 적층 구조 등)를 도출하고, 신뢰성 평가를 통해 대형 셀 적용 가능성을 검증하였다.
본 연구를 통해 확보된 기술은 향후 중대형 리튬금속 이차전지 상용화에 핵심 기반을 제공할 것으로 기대되며, 전기차·에너지저장장치(ESS) 분야에서의 고용량·고안전성 전지 구현에 크게 기여할 것으로 전망된다.
구리포일
리튬 금속 배터리
리튬 전극
극박
리튬금속 이차전지
7
2015년 11월-2019년 10월
강성변화율이 낮은 탄성패드 및 교량용 특수레일 체결장치 개발
대원강업
본 연구는 철도 교량 구간에서 발생하는 레일과 교량 구조 간의 진동·충격·온도 변화에 안정적으로 대응할 수 있는 저강성변화율 탄성패드 및 특수 레일 체결장치를 개발하는 것을 목표로 한다. 기존 체결장치는 장기 사용 시 강성변화율이 커지고 내구성이 저하되어, 열차 주행 안전성과 승차감 저하 문제가 지적되어 왔다.
연구는 주관기관과 참여기관의 협력으로 수행되었다.
대원강업은 교량 단부 및 구간용 체결스프링 설계와 시작품 제작을 담당하고, 기초성능·내구시험(KRS TR 0014 기준)을 수행하여 반복적인 설계 보완을 진행하였다.
철도기술연구원은 탄성패드 관리시험항목을 도출하기 위해 실내 성능시험 및 기부설 패드 강성변화량 데이터 확보를 수행하였다. 또한 레일체결장치의 실내성능시험 및 해외 제품과의 물성 비교를 통해 설계 보완을 반복하였다.
SKC는 탄성패드용 Prepolymer 및 Polyol 기반 분자구조 설계를 수행하여 소재 특성을 최적화하였다.
자동차부품연구원은 소재별 물성 DB 구축, 저온(-30℃)~고온(80℃) 범위의 정적/동적 강성 평가, 300만 회 압축피로시험, 발포 셀 크기·구조 변화 분석 등을 통해 강성변화율과 수명 특성 간 상관관계를 규명하였다.
본 연구를 통해 개발된 탄성패드와 특수 레일 체결장치는 온도·하중 변화에도 안정적인 강성 유지와 교량 구간 맞춤형 체결 성능을 제공하여, 장기 사용 시에도 내구성과 안전성을 확보할 수 있다. 이는 국내 철도 교량 구간용 체결장치의 국산화 및 기술 자립, 나아가 해외 제품 의존도를 줄이고 철도 인프라 산업 경쟁력을 강화하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.
탄성패드
강성변화율
교량단부용레일체결장치
교량구간용레일체결장치
종방향저항력
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2014년 9월-2018년 8월
원통형 이차전지의 전극조립체 보호를 위한 간극 충진용 폴리머 소재 개발
(주)테이팩스화성공장
본 연구는 전기자동차 및 소형 전자기기 등에 널리 활용되는 원통형 리튬이온이차전지(Li-ion battery)의 전극조립체(Jelly-roll) 보호 및 안정성 향상을 위해, 간극 충진용 폴리머 기반 다층 구조 Sealing Tape 소재를 개발하는 것을 목표로 한다. 기존 원통형 전지는 조립 과정에서 발생하는 전극 간 간극 및 진동에 의해 수명 저하와 안전성 문제가 발생하는 한계가 있었다.
연구는 주관기관과 다수의 참여기관 협력으로 진행되었다.
㈜테이팩스는 Gel화 층과 열가소성 폴리머층으로 구성된 다층 구조 Sealing Tape 제조 공정 기술을 확보하였다. 점착력, 계면 강도(Key Strength), 전해액 함침 특성을 최적화하여 전극 보호 성능을 강화하였다.
㈜덕성은 특수 기능을 갖는 TPU 합성 및 Film 제조 양산 조건을 확립하고, 단층/복층 구조 테이프용 TPU 소재 개발 및 시제품 제작을 수행하였다.
삼성SDI는 수요기업으로서 개발된 소재를 적용한 원통형 전지의 조립 공정 최적화 및 전기화학 성능 평가(상온/고온 수명, 진동 안정성)를 수행하였다.
자동차부품연구원은 Base Film 및 Sealing Tape의 기계적 물성·전해액 반응성 분석을 진행하고, 3Ah급 원통형 전지 제작 및 피드백을 통해 소재 성능 개선을 지원하였다.
전자부품연구원은 개발 소재의 장기 내구성 및 열적 반응성 검증을 수행하였다.
UNIST는 첨가제 도입을 통한 점착조성층 기능화 및 계면 제어 기술을 개발하여, 테이프의 안정성과 기능성을 향상시켰다.
본 과제의 성과로, 복층 구조 마감테이프(Sealing Tape)의 설계·제조 기술이 확보되어 원통형 전지의 내구성·안전성·신뢰성을 향상시킬 수 있었다. 또한, 단순 전극 보호 소재를 넘어, 전극조립체 안정화 및 장수명화 기술로서 전지 제조 산업 전반의 품질 향상과 원가 절감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
리튬이온이차전지
젤리롤
씰링테이프
복층 구조 마감테이프
열가소성 폴리우레탄
9
2010년 8월-2018년 2월
폴리케톤 EP 복합소재 개발
(주)데스코
본 연구는 석유화학 산업 부산물인 일산화탄소(CO) 가스를 중합 원료로 활용하여, 차세대 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics, ENPLA)인 폴리케톤(Polyketone, PK) 기반 복합소재를 개발하는 것을 목표로 한다. 폴리케톤은 기존 소재 대비 우수한 내화학성, 가스 차단성, 균형 잡힌 기계적 물성을 갖추고 있어, 자동차·전기전자 산업 분야에서 새로운 고성능 소재로 주목받고 있다.
과제는 산업계·연구기관·학계가 참여하는 다기관 협력 체계로 수행되었다.
㈜데스코는 폴리케톤 EP 소재의 기본 Grade 물성을 구축하고, 난연·도전·Alloy 복합소재의 양산성 시험평가 및 시제품 인증을 수행하였다. 또한, 시장 조사·경제성 분석을 통해 사업화 전략을 수립하였다.
한국엔지니어링플라스틱㈜은 외관특성 개선, Alloy 기술 개발, 신규 애플리케이션 발굴 및 Customer Grade 개발을 추진하였다.
현대자동차 남양연구소는 자동차용 시제품 제작, 실차 평가 및 표준화 규격 정립을 담당하였다.
㈜브이엠테크는 사출성형 해석용 DB 구축 및 성형성 검토, 사출성형-구조해석 연동 시스템을 개발하였다.
㈜신기인터모빌은 급속가열·급속냉각 공법을 활용한 자동차용 부품화 기술을 개발하고, 오일어댑터 시작품 제작 및 평가를 수행하였다.
자동차부품연구원은 소재 및 부품 기반의 신뢰성 평가를 수행하였다.
KIST는 폴리케톤 복합체의 최적 formulation 확립, 내열성 향상 연구, 나노필러 기반 복합소재 양산 및 시제품 적용을 진행하였다.
연구 성과를 통해, 자동차 및 전기전자 산업 분야의 연비 향상, CO₂ 저감, 녹색성장 실현이 가능하며, 새로운 ENPLA 제품의 품질·가격 경쟁력 강화로 화학산업 전반의 발전에 기여할 것으로 기대된다. 또한, 폴리케톤 소재는 자동차 내외장재, 연료계통, 기계·가전·산업용 전자부품 등 다양한 분야로의 확대 적용이 가능하다.
폴리케톤
엔지니어링 플라스틱
복합소재
얼로이
난연성
프로젝트
- 2026년도 4월 기준으로 최신 업데이트된 정보입니다.
- 출처: NTIS를 기반으로 제공되었습니다.