특허 개요
본 특허는 금속 음극 이차전지의 전해질에 고유전율 쌍성이온 화합물을 첨가해 금속이 고르게 석출되도록 하는 덴드라이트 억제 전해질입니다. 유기 용매와 금속염으로 이루어진 전해질에 쌍성이온 단량체 또는 중합체를 혼합하며, 금속음극재 표면에서 양이온은 음극 쪽으로, 음이온은 전해질 쪽으로 배열되는 편극장(polarized field)을 형성합니다. 이 계면 전기장이 금속이온 선속을 균일화해 편향 퇴적과 수지상 덴드라이트 성장을 억제하는 방식입니다.
- 핵심 기능
유기 전해질에 쌍성이온 화합물을 혼합하면 소재의 높은 유전 특성과 이온 배열에 의해 금속음극재 계면에 편극장이 형성됩니다. 이 편극장이 리튬이온 등 금속이온의 이동과 퇴적을 균일하게 유도해 덴드라이트 형성, 데드 리튬 및 전해질 부반응을 줄입니다.
- 차별 강점
기존 금속음극 전지는 충방전 중 특정 부위에 금속이온이 집중되면서 덴드라이트와 전압 분극 변화가 발생해 계면 안정성과 수명이 저하될 수 있었습니다. 본 기술은 전해질 첨가제 자체가 계면 이온 배열 기반의 편극장을 형성하도록 설계해, 금속음극재의 균일 석출을 유도하는 조성과 제조방법을 함께 제시한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 리튬메탈 전지, 고에너지밀도 이차전지, 금속 석출 제어 및 전해질-전극 계면 안정화 분야에 활용 가능하며, 나트륨·칼륨·아연·알루미늄·마그네슘 금속음극 전지로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 전기자동차용 이차전지, ESS용 고안전성 전지, 금속음극 전지용 전해질 및 첨가제 소재 제품으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
MPC 첨가 전해질과 무첨가 유기 전해질을 비교하여 유전율, 충방전 후 리튬메탈 표면 형상, 정전류 충방전 안정성 및 코인셀 율속·수명 특성을 평가했습니다. 대면적 셀의 장기 수명, 고용량 양극과의 조합, 제조 재현성 및 스케일업 성능은 제시되지 않았습니다.
- 평가 셀: MPC 첨가 전해질 기반 리튬메탈 대칭셀 및 리튬 이차전지 코인셀
- 비교 전해질: MPC 무첨가 유기 전해질
- 전해질 조성·시험 조건: EC:DEC=1:1 부피비, LiPF6 1M, MPC 1.25wt%, 0.1C·0.2C·0.5C·1C·2C·5C 충방전
현재 성과
MPC 첨가 전해질을 적용한 코인셀은 5C에서 약 135 mAh/g의 방전용량을 보였습니다. 이는 MPC 기반 편극장이 리튬이온 선속을 균일하게 유도하는 효과와 함께 제시된 결과입니다.
MPC 첨가 전해질을 적용한 리튬메탈 대칭셀에서 정전류 충방전을 수행했으며, 300시간 동안 전압 분극의 급격한 상승과 하락이 나타나지 않았습니다. 충방전 후 표면 관찰에서는 균일한 리튬 생성과 편향 퇴적 억제도 확인했습니다.
기존 유기 전해질은 금속음극재 표면의 불균일한 이온 퇴적으로 덴드라이트가 형성될 수 있습니다. 본 기술은 고유전율 쌍성이온 화합물이 계면에서 이온 배열 기반 편극장을 형성하도록 해 금속이온 선속을 균일화하는 조성 설계를 제시합니다.
상용화까지 남은 부분
실제 전지용 대면적 셀에서의 장기 충방전 수명 및 안전성 검증
고용량 양극과 조합한 셀 성능 및 전극·전해질 계면 호환성 검증
전해질 제조 재현성, 공정 조건 및 스케일업 가능성 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
고유전율 쌍성이온 소재를 이용한 전해질 및 그 제조방법
10-2024-0074115 (2024.06.07)
1020240174999 (2024.12.18)
10-2959407
강용묵, 서지훈, 이수원, 김빛가람, 박상현
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단