특허 개요
본 특허는 배터리 충전·방전 중 부피 변화에 취약한 합금 입자를 탄소 안에 작은 점 형태로 분산한 탄소-합금계 나노복합체 음극입니다. PVP와 PDA를 순차 적용한 이중-고분자 보호-하소(Dual-polymer protect-calcination) 공정으로 합금계 입자를 0.5～30㎚ 범위의 나노점으로 형성하고 탄소 매트릭스와 복합화합니다. 이 구조는 상분리를 지연시켜 다상 반응을 억제하고, 알칼리 이온이 단상 반응 구간에서 확산으로 저장되는 확산제어 반응을 유도하도록 설계됩니다.
- 핵심 기능
합금계 전구체를 PVP로 보호한 뒤 PDA를 추가 코팅하고 하소해, 탄소 매트릭스 내부에 합금계 금속 나노점을 분산·함입합니다. 충방전 시에는 상분리를 지연시켜 단상 반응 구간을 확대하고, 이온 확산이 지배하는 합금화 반응으로 알칼리 이온을 저장합니다.
- 차별 강점
기존 합금계 음극의 입도 감소는 충방전 중 입자 파편화 완화에 주로 초점이 맞춰졌지만, 불균일 확산과 두상 반응에 따른 상경계 이동·응력 문제는 남아 있었습니다. 본 특허는 나노점화와 탄소 복합화를 통해 상분리 자체를 지연시키고 확산제어 단상 반응을 유도해, 이방성 변형과 낮은 가역성 문제를 함께 완화하는 접근입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 칼륨 이온전지, 리튬 이온전지, 나트륨 이온전지, 아연 이온전지, 알루미늄 이온전지용 합금계 음극 소재 개발에 활용 가능하며, 고용량 전극의 반응·구조 안정성 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 전기차 및 대규모 에너지저장장치용 고출력·고수명 이차전지, 음극재와 전극 제조 공정, 차세대 금속 이온전지 제품군으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
Bi 나노점-환원 그래핀 탄소-합금계 나노복합체를 적용한 CR 2032 칼륨 이온 반쪽전지에서 정전류 충방전, 수명, 율속 특성과 실시간 합금화 거동을 확인했습니다. Bi 나노점과 벌크 합금계 음극을 비교했으며, 대면적 전극과 풀셀 조건에서의 성능은 추가 검증이 필요합니다.
- 전지 구성: Bi 나노점-환원 그래핀 나노복합체를 적용한 CR 2032 칼륨 이온 반쪽전지
- 비교 전극: PVP·PDA 없이 제조한 벌크 합금계 음극 및 비교 전지
- 전해질·분리막: EC:DEC=1:1 전해액, 유리섬유 분리막
- 평가 조건: 정전류 충방전 0.01～2.5V·50 mAg⁻¹, 수명평가 0.05Ag⁻¹·100주기 및 0.5Ag⁻¹ 장주기
현재 성과
Bi 나노점-환원 그래핀 나노복합체 음극을 적용한 실시예는 0.05Ag⁻¹ 조건에서 100주기 후 가역용량을 유지했습니다. 초기 30주기 내 쿨롱 효율은 99% 이상으로 제시됐습니다. 0.5Ag⁻¹ 조건에서는 550주기 후에도 74 mAhg⁻¹의 가역용량을 보였습니다.
CR 2032 칼륨 이온 반쪽전지에서 정전류 충방전과 수명·율속 평가를 수행하고, 미세조직 및 실시간 방사광 X선 회절 분석으로 반응 거동을 확인했습니다. 실시예는 초기 칼륨화 과정에서 상분리가 지연된 고용체 상전이와 긴 단상 반응 구간을 보였습니다. 100회 충방전 후에도 본래 입자 구조를 유지하는 것으로 제시됐습니다.
기존 방식은 주로 입도 감소로 충방전 파편화를 억제했으나, 두상 반응의 느린 상경계 이동과 이방성 확산에 따른 한계가 있었습니다. 본 특허는 이중-고분자 보호-하소 공정으로 나노점과 탄소 매트릭스를 복합화하고, 불혼합 구간 축소와 상분리 지연을 통해 비평형 확산제어 반응을 유도합니다. 다상 반응을 억제하면서 연속적인 단상 반응 구간을 확대하는 점이 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 전극 제조와 전지급 전극 로딩 조건에서의 공정성 및 성능 검증
반쪽전지 외 풀셀 구성에서의 장기 수명, 재현성 및 전지 성능 검증
리튬·나트륨·아연·알루미늄 이온전지 등 다양한 금속 이온전지 적용 시 소재 조성·전극 조건별 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
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