특허 개요
본 특허는 실리콘 음극의 팽창과 균열을 줄이기 위한 피브린 수용성 바인더 기반 이차전지 음극입니다. 피브린의 3차원 네트워크가 실리콘 음극활물질과 도전재를 수소결합으로 입체 결속하고, 알긴산 및 Ca2+ 등 다가 양이온을 조합한 상호 침투 네트워크(IPN)가 강성과 응력완화 특성을 함께 조절합니다. 트롬빈과 피브리노겐으로 바인더를 형성한 뒤 실리콘 나노입자 및 도전재와 수계 슬러리로 혼합·도포·건조하는 방식입니다.
- 핵심 기능
피브린 네트워크의 반응 사이트가 실리콘 음극활물질 및 도전재와 수소결합해 충방전 중에도 전극 구성요소의 결속을 유지합니다. 알긴산과 다가 양이온은 이온 가교망을 형성해 팽창 응력을 완화하며, 혼합비와 양이온 농도로 바인더의 유변학 특성을 조절합니다.
- 차별 강점
기존 실리콘 음극은 반복 충방전의 큰 부피변화로 전극 균열과 결속 손실이 발생하고, 비극성 바인더는 실리콘 표면과의 상호작용이 약한 한계가 있습니다. 본 특허는 피브린의 3차원 결속과 피브린-알긴산 가교 구조를 결합해 접착력과 응력완화의 균형을 설계하고, 유기용매 대신 수계 공정 적용 가능성을 제시합니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 고용량 실리콘 음극, 리튬이온전지 전극 바인더, 수계 전극 슬러리 및 전극 계면 안정화 분야에 활용 가능하며, 전극 조성 및 가교 조건 최적화 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 전기차용 이차전지, 에너지저장장치(ESS), 고성능 리튬이온전지 소재 및 친환경 전극 제조 공정으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
피브린, 알긴산 및 Ca2+를 조합한 수용성 바인더를 실리콘 나노입자 음극에 적용하고, 사이클 성능·접착력·유변학 특성·전극 두께 변화·균열 및 계면층 특성을 비교 평가했습니다. CR2032 반쪽전지 조건의 검증은 수행됐으나, 상용 풀셀과 대면적·고면적 로딩 전극에서의 성능은 아직 확인되지 않았습니다.
- 전지 구성: CR2032 반쪽전지, Li 금속 상대전극
- 평가 시료: Si 나노입자 음극의 피브린·알긴산·피브린-알긴산·F4A1-10Ca 수용성 바인더
- 시험 조건: 1M LiPF6·EC:DEC:DMC=1:1:1 전해질 및 FEC 10wt%, 0.01～1.0V vs. Li/Li+, 0.5C 500사이클, 70kPa 크리프 응력
현재 성과
Si-F4A1-10Ca 바인더를 적용한 실리콘 음극은 0.5C에서 500사이클 후 740mAh/g과 53%의 용량을 유지했습니다. 피브린-알긴산-양이온 가교 구조가 충방전 중 전극 팽창을 완화하고 전극 결속을 유지하도록 설계된 결과입니다.
CR2032 반쪽전지에서 피브린, 알긴산, 피브린-알긴산 및 Ca2+ 첨가 바인더를 비교하고 사이클 성능, 접착력, 크리프 특성 및 전극 표면·계면 변화를 평가했습니다. Si-F4A1-10Ca 조건은 100사이클 후 전극 두께 변화와 균열 밀도가 비교 조건보다 낮게 확인됐습니다.
기존 비극성 바인더의 약한 실리콘 표면 결합과 과도하게 강성인 가교 바인더의 낮은 응력완화 문제를 대상으로 합니다. 피브린의 수소결합 기반 3차원 결속과 알긴산-다가 양이온의 이온 가교를 결합해 강성 및 응력완화의 균형을 조절하는 점이 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
상용 풀셀 조건에서의 전기화학 성능 및 장기 수명 검증
대면적 전극과 고면적 로딩 조건에서의 전극 제조·성능 재현성 확보
수계 슬러리 공정의 스케일업, 건조 조건 최적화 및 양산 공정 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
수용성 바인더를 포함하는 이차전지용 음극 및 그 제조방법
10-2021-0187011 (2021.12.24)
1020230098403 (2023.07.04)
1027275220000 (2024.11.04)
김동완, 김웅주
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단