특허 개요
본 특허는 금속음극 이차전지에서 덴드라이트 생성을 줄이기 위한 고유전율 쌍성이온 전해질입니다. 유기 용매와 금속염으로 이루어진 전해질에 쌍성이온 화합물을 첨가하면, 금속음극 표면에서 양이온은 금속음극 방향으로, 음이온은 전해질 방향으로 배열된 편극장(polarized field)이 형성됩니다. 이 계면 전기장은 금속이온의 이동 선속을 균일화해 편향 퇴적을 억제하고, 전해질 유전율과 금속음극 계면 안정성을 높이는 방식입니다.
- 핵심 기능
유기 전해질에 유기 용매보다 높은 유전상수를 갖는 쌍성이온 단량체 또는 중합체를 혼합해 전해질을 제조합니다. 금속음극 계면에서 형성된 편극장이 금속이온의 균일한 이동과 퇴적을 유도해 덴드라이트 성장 및 전해질 부반응을 억제합니다.
- 차별 강점
기존 금속음극은 충방전 중 국부적인 금속이온 퇴적으로 덴드라이트, 데드 리튬, 전압 분극 및 단락 위험이 발생할 수 있었습니다. 본 기술은 별도 전극 구조 변경보다 전해질 첨가제의 방향성 전하 배열을 이용해 계면 전기장을 제어하고 금속이온 퇴적 균일성을 높이는 접근입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 리튬메탈, 나트륨, 칼륨, 아연, 알루미늄 및 마그네슘 금속음극 이차전지와 고출력·장수명 전지용 계면 안정화 연구에 활용 가능하며, 전해질 조성 및 금속음극 반응 제어 분야로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 이차전지 셀 제조, 전해질 소재, 금속음극 기반 차세대전지 및 ESS용 전지 개발로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
MPC 첨가 고유전율 전해질을 적용한 리튬메탈 대칭셀과 코인셀에서 유전율, 금속 표면 형상, 정전류 충방전 거동 및 표면 조성을 평가했습니다. 대칭셀과 코인셀 수준의 결과는 제시됐으나, 대면적 셀, 장기 수명, 반복 제조 재현성 및 제품 환경 안전성은 제시되지 않았습니다.
- 평가 셀: MPC 첨가 고유전율 전해질을 적용한 리튬메탈 대칭셀 및 리튬 이차전지 코인셀
- 비교 전해질: MPC 무첨가 유기 전해질
- 시험 조건: 유전율 6개 주파수 측정, 대칭셀 충방전 5회 및 150회, 코인셀 189회와 0.1C·0.2C·0.5C·1C·2C·5C 충방전 후 1C 수명시험
현재 성과
MPC 첨가 전해질을 적용한 코인셀은 5C 조건에서 방전용량 약 135 mAh/g을 나타냈습니다. 비교예 코인셀의 약 55 mAh/g 대비 높은 방전용량이 제시됐으며, 고율 조건에서의 전지 구동 특성을 확인한 결과입니다.
리튬메탈 대칭셀 정전류 충방전에서 실시예는 300시간 동안 전압 분극의 급격한 상승과 하락이 나타나지 않았습니다. 충방전 후 표면 관찰과 표면 조성 분석도 수행해 균일한 리튬 퇴적 및 MPC의 충방전 안정성을 함께 평가했습니다.
기존 금속음극 계면 문제는 국부적인 금속이온 퇴적에 따른 덴드라이트 성장입니다. 본 기술은 고유전율 쌍성이온 화합물이 금속음극과 전해질 사이에 방향성 편극장을 형성하도록 해, 전해질 조성만으로 금속이온 선속과 계면 안정성을 제어하는 점에 차별성이 있습니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 셀에서의 전해질 성능 및 금속음극 계면 안정성 검증
장기 충방전 수명과 반복 제조 시 전해질 조성·성능 재현성 검증
전해질 제조 스케일업과 제품 환경에서의 안전성 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