기술 개요
“양극·음극·전해질의 성능 제약을 함께 다뤄 에너지 밀도와 작동 안정성을 높이는 이차전지 기술입니다.”
산업 별 활용 방안
이차전지 셀 제조 기업
전기차·에너지저장용 셀을 개발하는 기업은 높은 에너지 밀도, 빠른 충방전, 장기 수명과 안전성을 한 셀 설계 안에서 함께 확보해야 합니다. 본 기술을 양극 결정면 제어, 합금계 음극 구조 설계, 금속음극 계면 안정화 전해질 후보로 적용해 셀 구조와 목표 성능에 맞는 소재 조합을 검토할 수 있습니다. 기존 셀 플랫폼을 즉시 교체하기보다 소재 샘플 평가와 파일럿 셀 제작 단계부터 성능 검증 모듈로 결합할 수 있습니다.
양극재·음극재 소재 제조 기업
전극 소재 기업은 고객 셀의 충전 전압, 충방전 속도, 수명 조건에 맞춰 소재의 이온 이동성과 구조 안정성을 동시에 설계해야 하는 과제를 안고 있습니다. 노출 결정면을 조절한 단입자 양극, 격자 왜곡을 줄인 층상 양극, 탄소-합금계 나노복합체 음극을 활용해 소재 미세구조와 전기화학 반응을 연계한 설계를 검토할 수 있습니다. 원료·소결·코팅 공정을 전면 변경하지 않고, 후보 소재의 제조 조건과 셀 성능을 비교하는 공동 PoC 단계로 도입할 수 있습니다.
ESS용 전지·시스템 개발 기업
ESS용 전지를 개발하는 기업은 장시간 반복 운전에서의 전극 열화와 안전성 문제로 인해 셀의 사용 조건을 보수적으로 설정하는 경우가 많습니다. 수계 하이드로겔 전해질의 물 분해 억제 기술과 금속-공기 전극의 반응면적 확장 기술을 활용해 안전성 중심 전해질과 장주기 전극 구조의 적용 가능성을 검토할 수 있습니다. 실제 ESS 환경에서의 장기 수명과 대면적 제조 성능은 추가 확인이 필요하므로, 기존 시스템을 교체하지 않고 파일럿 셀과 성능 검증 단계에서 협업할 수 있습니다.
기술 설명
어떤 기술인가요?
이차전지는 양극과 음극이 이온을 저장·방출하고, 전해질이 그 사이의 이온 이동을 돕는 에너지저장 장치입니다. 본 기술 포트폴리오는 전극 내부의 이온 이동과 구조 안정성, 전해질과 금속음극 계면의 안전성을 함께 설계하는 기술입니다. 공기전극의 반응 면적을 넓혀 금속-공기 전지의 산소 반응을 촉진하고(특허 1), 단입자 양극의 노출 결정면을 제어해 리튬이온 이동과 구조 안정성을 조절하며(특허 2·9), 수계 전해질의 물 분해를 억제해 전압 작동 범위를 넓히고(특허 3·8), 쌍성이온 첨가제로 금속음극 표면의 이온 퇴적을 균일화하며(특허 4·7), 탄소 매트릭스 안의 합금계 나노점으로 부피 변화와 상분리를 완화하고(특허 5·10), 층상 양극재의 격자 왜곡을 줄이는(특허 6) 기법으로 구성됩니다. 이를 통해 고에너지 전지와 안전성 중심 전지에서 필요한 전극 수명·출력·계면 안정성을 함께 검토할 수 있습니다.
어떤 문제를 해결하나요?
1. 충방전 중 전극 구조 손상과 용량 저하
양극과 합금계 음극은 반복 충방전 중 입자 균열, 결정 격자의 비대칭 왜곡, 상전이와 부피팽창으로 이온 이동 경로가 손상될 수 있습니다. 단입자 양극의 노출 결정면과 층상 산화물의 격자 결합을 제어하고, 탄소 매트릭스에 합금계 나노점을 분산시켜 구조 변형과 상분리를 완화합니다.
2. 금속음극의 불균일 퇴적과 덴드라이트
리튬메탈 등 금속음극에서는 금속이온이 일부 표면에 집중 퇴적되면 수지상 덴드라이트가 자라 전압 분극, 전해질 부반응, 내부 단락 위험으로 이어질 수 있습니다. 쌍성이온 소재가 음극 표면에 전하 배열 기반의 편극장을 형성하도록 해 금속이온 이동과 퇴적을 균일하게 유도합니다.
3. 수계 전해질의 좁은 전압 작동 범위
물 기반 전해질은 누액 시 발화 위험이 낮지만, 자유수가 분해되면 기체가 발생하고 전하 전달이 저하돼 높은 전압에서 사용하기 어렵습니다. 쌍성이온 고분자 하이드로겔 안에서 물의 결합·이동 상태를 제어해 자유수의 분율과 이동을 낮추고 물 분해를 억제합니다.
연구자 및 특허 소개
강용묵
고려대학교 신소재공학부
한국과학기술원 Teaching Assistant
호주 University of Wollongong ISEM(Institute for Superconducting and Electronic Materials) Visiting Fellow — 에너지 소재 개발
삼성SDI(주) Senior Researcher — 중앙연구소 에너지랩
동국대학교 교수 · 고려대학교 교수
The Electrochemical Society 정회원 · 한국공업화학회 정회원 · 한국왕립화학회(Royal Society of Chemistry) 한국대표
“저는 양극·음극·전해질 각 영역의 성능 제약을 함께 다루어 에너지 밀도와 전지 안정성을 개선하는 이차전지 소재·전해질 기술을 연구하고 있습니다. 이차전지 제조 기업, 양극재·음극재·전해질 소재 기업, ESS 기업은 전극 구조와 전해질 계면을 개선하는 후보 기술로 활용하고, 목적에 맞는 셀 설계를 검토할 수 있습니다. 관심 있는 기업·기관과는 파일럿 셀 제작과 성능 검증을 통해 실제 적용 가능성을 함께 확인하고자 합니다.”
기술과 관련된 특허 10건