특허 개요
본 특허는 리튬이온전지 양극 입자의 표면 구조를 설계하는 노출 결정면 제어 단입자 양극 제조기술입니다. 니켈·코발트·망간 옥살산계 전구체에 리튬 염과 NaCl·KCl 혼합 염을 적용하고 열처리 조건을 조절해 리튬·산소의 화학 포텐셜을 변화시키며, Li(NixMnyCoz)O2 단입자에 {003}·{012}·{104} 결정면이 드러나는 비율과 입자 형상을 제어합니다. 구조 안정성에 기여하는 {003}면 및 리튬이온 이동에 유리한 {104}면을 활용하고, 열화가 빠를 수 있는 {012}면을 줄이는 결정면-성능 최적화 방식입니다.
- 핵심 기능
Ni·Co·Mn 전구체 수용액과 옥살레이트 수용액을 반응시켜 옥살산계 전구체를 제조한 뒤, 리튬 염 및 NaCl·KCl 혼합 염을 혼합해 열처리·분쇄·소결합니다. 염의 종류·첨가량과 소결 조건이 결정 성장 환경을 바꾸어 플레이트·다면체·팔면체 형상 및 노출 결정면 비율을 조절하고, 이에 따라 리튬이온 확산과 표면 안정성의 균형을 설계합니다.
- 차별 강점
기존 층상 산화물 양극은 고전압 작동 시 표면 반응과 리튬·산소 손실로 구조 불안정 및 용량 감소가 발생할 수 있으며, 특히 {012}면은 양이온 혼합과 암염층 형성에 따른 열화 가능성이 있습니다. 본 기술은 금속 염 조성과 소결온도로 화학 포텐셜을 제어해 결정면별 역할을 설계하고, 리튬 확산에 필요한 면은 확보하면서 열화 취약 면의 비중을 줄이는 점에서 차별성이 있습니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 층상 산화물 양극재, 단입자 NCM 양극, 고전압 충방전 안정화, 리튬이온 확산 제어 분야에 활용 가능하며, 전극 조성 및 소결공정 최적화 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 전기차용 리튬이온전지 양극재, 고에너지밀도 배터리, 고출력·장수명 전지, ESS용 양극재 제품군으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
플레이트·다면체·팔면체 형상의 NCM111 단입자 양극과 NCM622 단입자 구조체를 대상으로 정전류 충방전, XRD, TEM 및 EELS 분석을 수행해 노출 결정면과 용량·열화의 상관성을 확인했습니다. 대면적 전극 및 실제 전지 셀에서의 장기 수명, 고온 안전성, 제조 스케일업과 공정 재현성은 추가 검증이 필요합니다.
- 전지 셀: 리튬 금속 전극을 사용한 단입자 양극 셀
- 평가 시료: 플레이트·다면체·팔면체 형상의 NCM111 단입자 양극 및 NCM622 단입자 구조체
- 구동 조건: 2.5～4.5V, 100mAh/g, 0.1C·0.2C·0.5C·1C·2C에서 각 5사이클
- 분석 방법: 정전류 충방전, TEM·EELS 및 XRD 분석
현재 성과
플레이트 양극 전지는 0.1C에서 192.3mAh/g의 가장 높은 용량을 보였고, 다면체 양극 전지는 2C에서 137.5mAh/g의 가장 높은 용량을 보였습니다. {003}면 비율이 높은 형상은 장기 용량유지율에, {104}면을 확보한 다면체 형상은 고율 성능에 유리한 경향이 제시됐습니다.
리튬 금속 전극 셀에서 정전류 충방전을 수행하고 TEM·EELS 및 XRD 분석으로 형상별 구조와 표면 변화를 평가했습니다. 100사이클 후 {104}면은 격자무늬가 유지된 반면, {012}면에서는 스피넬상과 암염상으로 이어지는 비가역 표면 재구성이 관찰됐습니다.
금속 염의 종류와 첨가량, 소결온도로 리튬·산소 화학 포텐셜을 조절해 Li(NixMnyCoz)O2 단입자의 노출 결정면과 형상을 제어하는 제조방식입니다. 단입자 구조의 균열 저감 가능성과 함께 {003}면의 안정성 및 {104}면의 확산 특성을 활용하고, 열화가 빠른 {012}면을 최소화하도록 설계한 점이 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 전극과 실제 전지 셀 조건에서 장기 수명 및 용량유지 특성 검증
고온 작동 및 안전성 조건에서의 구조·계면 안정성 검증
양극재 제조 스케일업 시 염 조성·열처리 조건의 공정 재현성 및 품질 균일성 확보
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