특허 개요
본 특허는 나트륨·망간 산화물 기반 이차전지 양극재에서 유사 얀-텔러 효과를 줄여 구조 안정성을 높이는 층상구조 양극물질 및 제조 방법입니다. 제1 산화물의 HOMO-LUMO 에너지 밴드 갭을 확대하거나 전이금속층 중심원소를 치환·도핑하여 제2 산화물(P-NLMO)을 형성하고, d오비탈 전자가 LUMO 궤도에 순차 배치되도록 설계합니다. 이를 통해 전자-격자 진동결합을 줄이고 중심원소 이탈, 결합길이 비대칭, 인접 격자 회전에 따른 격자 불안정을 저감하는 방식입니다.
- 핵심 기능
나트륨·망간·리튬 전구체를 혼합하고 산촉매 첨가, 증발 및 단계 열처리를 거쳐 제1 산화물을 제조한 뒤, 추가 열처리 또는 중심원소 도핑으로 제2 산화물을 형성합니다. 밴드 갭 확대와 d오비탈 전자 배치를 통해 진동결합을 낮추고 전이금속층의 대칭적 원자결합구조를 유지하도록 작동합니다.
- 차별 강점
기존 층상계 산화물은 충방전 중 얀-텔러 왜곡과 유사 얀-텔러 효과로 구조 붕괴, 반복 응력 및 비정질화가 발생해 수명이 저하될 수 있습니다. 본 기술은 HOMO-LUMO 밴드 갭과 d오비탈 전자 배치를 소재 설계 인자로 활용해 유사 얀-텔러 효과를 직접 저감하고, 치환·도핑 또는 열처리 공정으로 구조 안정화를 구현하는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 나트륨 이차전지용 층상구조 양극재, 나트륨-망간 산화물 소재, 고수명 전극 소재 설계 분야에 활용 가능하며, 조성·도핑·열처리 조건 최적화 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 양극재 제조, 이차전지 셀 개발, 전력저장장치용 전지 및 장수명 전지 소재 제품군으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
제1 산화물(S-NLMO)과 제2 산화물(P-NLMO)로 구성한 이차전지의 충방전 용량을 정해진 전압 조건에서 비교하고, 유사 얀-텔러 효과 저감에 따른 구조 안정성을 확인했습니다. 다만 대면적 전극, 실셀, 장기 수명 및 스케일업 생산성은 명세서에 검증 내용이 기재되지 않았습니다.
- 평가 시료: S-NLMO 및 P-NLMO 양극물질로 구성된 이차전지
- 비교 구성: 제1 산화물 S-NLMO와 제2 산화물 P-NLMO
- 충방전 조건: 1.5～4.4V 및 1.5～4.5V, 40mA g−1
현재 성과
P-NLMO는 중심원자 이탈, 결합길이 차이 및 인접 격자 회전으로 나타나는 유사 얀-텔러 효과가 감소한 것으로 제시됩니다. 이에 따라 원자결합구조가 안정화되고, 사이클 경과 시 충방전 용량이 비교적 일정하게 유지될 수 있습니다.
S-NLMO와 P-NLMO를 적용한 이차전지를 대상으로 1.5～4.4V 및 1.5～4.5V 조건에서 충방전 용량을 비교했습니다. 높은 전원전압 조건에서 사이클이 경과할 때 S-NLMO의 충방전 용량이 P-NLMO보다 급격하게 감소하는 경향이 제시됐습니다.
기존 층상계 산화물의 구조 열화 원인인 얀-텔러 왜곡에 더해 유사 얀-텔러 효과를 제어 대상으로 설정했습니다. HOMO-LUMO 에너지 밴드 갭 확대와 중심원소 치환·도핑을 통해 d오비탈 전자의 진동결합을 낮추고 팔면체 격자구조 유지를 도모하는 점이 핵심 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 전극과 실셀 환경에서의 전기화학 성능 검증
장기 충방전 수명 및 고전압 조건에서의 구조 안정성·용량 유지 성능 검증
양산 규모 제조공정의 재현성, 생산성 및 원가 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
이차전지용 양극물질 및 그 제조 방법
10-2021-0150165 (2021.11.04)
1020230064717 (2023.05.11)
1027041250000 (2024.09.03)
강용묵, 장지량, 이창기, 이기혁, 김재범
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단