특허 개요
본 특허는 리튬이온전지 양극재의 입자 표면을 원하는 방향으로 설계하는 노출 결정면 제어 단입자 양극 제조기술입니다. Ni·Co·Mn 옥살산계 전구체를 마이크로 초음파 침전으로 제조한 뒤 리튬 염과 선택적 혼합 염을 첨가·소결하여, Li(NixMnyCoz)O2 단입자의 {003}·{104}·{012} 결정면 비율과 플레이트·다면체·팔면체 형상을 제어합니다. 리튬·산소 화학 포텐셜을 조절해 구조 안정성에 기여하는 {003}면 및 리튬이온 확산에 유리한 {104}면을 확보하고, 열화 가능성이 있는 {012}면은 낮추는 방식입니다.
- 핵심 기능
Ni·Co·Mn 전구체를 침전·건조한 뒤 리튬 염 또는 NaCl·KCl 혼합 염과 함께 열처리해 층상 산화물 단입자를 형성합니다. 염의 종류·첨가량과 소결 조건을 조절해 결정면의 표면에너지와 형상을 변화시키고, 리튬이온 이동 및 계면 안정성에 맞는 양극 입자 구조를 구현합니다.
- 차별 강점
기존 층상 양극은 고전압 조건에서 표면 리튬·산소 손실과 구조 불안정으로 용량 감소가 발생할 수 있으며, 다입자 구조는 압연과 충방전 중 입자간 균열에 취약합니다. 본 기술은 조성 제어뿐 아니라 단입자 표면의 결정면 비율까지 공정 변수로 제어해 확산성·구조 안정성·입자 균열 완화를 함께 목표로 한다는 점에서 차별성이 있습니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 고에너지밀도 리튬이온전지, NCM 계열 양극재, 고전압 양극의 계면 안정화 및 단입자 소재 설계 분야에 활용 가능하며, 전극 제조 조건 최적화로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 전기차용 배터리, 에너지저장장치, 양극 활물질 및 배터리 셀 제조 분야의 고용량·장수명 제품 개발로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 및 LiCo1/5Ni3/5Mn1/5O2 단입자 양극을 포함한 리튬금속 전지에서 형상별·혼합 염 조성별 충방전 특성을 비교하고, TEM·EELS로 100사이클 전후 미세구조 및 표면 화학 변화를 평가했습니다. 상용 전지 조건의 장수명, 고로딩 전극, 대면적 제조 및 전지 수준 안전성은 추가 검증이 필요합니다.
- 전지 구성: LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 및 LiCo1/5Ni3/5Mn1/5O2 단입자 양극을 포함한 리튬금속 전지
- 비교 시료: 플레이트·다면체·팔면체 형상 및 혼합 염 조성별 단입자 시료
- 시험 조건: 2.5～4.5V, 100 mAh/g, 0.1C·0.2C·0.5C·1C·2C에서 각 5사이클 및 100사이클 전후 구조분석
현재 성과
플레이트 양극을 포함한 전지는 0.1C 조건에서 가장 높은 용량을 나타냈습니다. {003}면의 높은 노출 비율은 방전용량 및 사이클 유지율 개선에 기여하는 것으로 제시되었습니다.
단입자 양극을 적용한 리튬금속 전지에서 형상별·혼합 염 조성별 정전류 충방전 특성을 비교했습니다. 100사이클 전후 TEM·EELS 평가를 통해 결정면별 구조 변화와 표면 화학 변화를 확인했습니다.
기존 층상 양극의 조성·입자형태 제어와 달리, 옥살산계 전구체와 리튬 염·혼합 염 및 소결 조건으로 노출 결정면 비율을 조절합니다. {003}·{104}면 확보과 {012}면 최소화를 통해 리튬이온 확산성과 고전압 계면 안정성을 함께 설계하는 점이 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
상용 전지 조건에서의 장수명 및 반복 충방전 성능 검증
대면적 전극과 고로딩 조건에서의 전극 성능 및 공정 재현성 검증
양산 규모 합성·소결 공정의 스케일업 재현성 확보
전지 수준의 안전성 및 실제 셀 구성에서의 성능 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
노출면 제어 가능한 리튬이온 이차전지용 단입자 양극의 제조방법
10-2024-0097251 (2024.07.23)
1020260014276 (2026.01.30)
10-2981070
강용묵, 김재범, 저우펑
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단