특허 개요
본 특허는 탄소 재료 안에 매우 작은 합금 입자를 분산시킨 나노구조 합금계 음극으로, 배터리 충전·방전 중 이온 저장 반응을 안정화하는 기술입니다. 이중-고분자 보호-하소(Dual-polymer protect-calcination) 공정으로 합금계 입자를 나노점화하고 탄소 매트릭스에 복합화해, 상분리를 늦추고 비평형 단상 확산제어 반응을 유도합니다. 이 과정에서 알칼리 이온이 고용체 합금 형태로 저장되도록 하여 다상 반응, 이방성 확산 및 입자 파편화에 따른 기계적 퇴화를 완화합니다.
- 핵심 기능
PVP와 PDA를 순차 적용한 뒤 수소·아르곤 혼합가스 분위기에서 하소해 합금계 입자를 0.5～30㎚ 크기의 나노점으로 형성하고 탄소 매트릭스에 분산시킵니다. 충전·방전 시 불혼합 구간 축소와 상분리 지연을 통해 단상 확산제어 반응 구간을 확대하여, 알칼리 이온의 가역적 저장과 전극 구조 유지를 유도합니다.
- 차별 강점
기존 합금계 음극은 계면제어 다상 반응에 따른 느린 상경계 이동, 불균일 확산, 큰 부피팽창 및 입자 파편화로 수명 저하가 발생할 수 있습니다. 본 기술은 단순 입도 감소를 넘어 이중-고분자 보호-하소 기반 나노복합화와 상분리 지연형 반응 설계를 결합해, 단상 확산제어 반응을 유도하는 점에 차별성이 있습니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 칼륨 이온전지, 리튬 이온전지, 나트륨 이온전지, 아연 이온전지 및 알루미늄 이온전지용 합금계 음극 소재와 전극 설계 분야에 활용 가능하며, 고용량 이온 저장과 반응 안정화 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 전기차용 전지, 에너지저장시스템, 고출력·고수명 전지 셀 및 음극재 제품군으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
PVP·PDA 이중-고분자 보호-하소로 제조한 Bi 나노점/환원 그래핀 음극 기반 CR2032 칼륨 이온 반쪽전지를 대상으로 정전류 충방전, 수명, 율특성, 미세조직 및 실시간 합금화 거동을 평가했습니다. 벌크 Bi-탄소 복합체 음극과 비교해 단상 반응 유도, 장주기 가역용량 및 구조 유지 특성을 확인했으며, 대면적 전극·고로딩·풀셀 조건의 검증은 제시되지 않았습니다.
- 전지 구성: Bi 나노점/환원 그래핀 음극 기반 CR2032 칼륨 이온 반쪽전지
- 비교 전극: PVP·PDA를 제외해 제조한 벌크 Bi-탄소 복합체 음극
- 전해질·구동 조건: EC:DEC=1:1 전해액, 유리섬유 분리막, 0.01～2.5V 정전류 충방전
- 수명 평가 조건: 0.05 A g⁻¹에서 100주기, 0.5 A g⁻¹에서 550주기
현재 성과
0.05 A g⁻¹ 조건에서 실시예 전극은 100주기 후 260 mAh g⁻¹의 용량을 유지했으며, 초기 30주기 내 99% 이상의 쿨롱 효율을 보였습니다. 이는 반복 충방전 과정에서 이온 저장 반응의 가역성을 확보하려는 구조 설계의 성능 근거입니다.
Bi 나노점/환원 그래핀 음극 기반 칼륨 이온 반쪽전지에서 정전류 충방전, 수명 및 율특성을 평가하고, 미세조직과 실시간 방사광 X선 회절 분석으로 합금화 거동을 확인했습니다. 100주기 후에도 실시예는 본래 입자 구조를 유지한 것으로 제시됐으며, 비교 전극은 입자 파편화와 다상 공존이 관찰됐습니다.
실시예의 Bi 나노점 평균 크기는 10～11㎚로 제시되며, 비교예의 Bi 입자 평균 크기 240～260㎚와 구별됩니다. 이중-고분자 보호-하소로 형성한 탄소-합금계 나노복합체가 상분리를 지연시키고 다상 반응을 억제하는 단상 확산제어 반응을 유도하는 것이 핵심 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 전극 제조 및 전극 고로딩 조건에서의 전기화학 성능 검증
반쪽전지를 넘어 실제 셀 구성을 반영한 풀셀 성능 및 장기 수명 검증
안전성, 제조 스케일업, 공정 재현성 및 양산 적용성 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
확산제어 반응을 유도하는 나노구조 합금계 음극
10-2023-0083120 (2023.06.28)
1020250001049 (2025.01.06)
1028919670000 (2025.11.24)
강용묵, 김길섭, 장징
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단