연구개발
Global Leading Company
홈 > 연구개발 > 차세대배터리소재
차세대배터리소재
배터리 소재
차세대 배터리 소재
리튬공기전지의 이론 용량밀도는 1만KWh/kg을 초과할 것으로 예상하고 있으며, 실제 실험에서도 약. 600KWh/kg을 달성하였다.
다만, 금속리튬을 음극재로 사용하며 그것이 쉽게 석출되므로 공기 중의 수분과 반응할 경우에는 안전성 및 성능저하가 발생하는 것이 과제이다.
전고체 배터리는 고체형태의 전해질을 사용하므로 형상의 자유도가 높고 누액의 우려가 없다는 점이 이점이다.
전고체 배터리의 이론용량밀도는 2000KWh/kg으로 현 단계에서는 500KWh/kg을 목표로 실용화를 위한 연구개발이 진행되고 있다.
현재 주목받고 있는 고체전해질에는 유황계와 산화물계가 있으며, 전자기기 등 소형가전제품에 적용할 수 있는 제품부터 생산이 이루어지고 있다.
차세대 리튬이온 이차전지용 음극재로서 실리콘을 사용하기 위한 노력이 이루어지고 있으며, 전해액의 변경에 따른 충방전의 고속화도 주목되는 연구분야 이다.
리튬-황 이차전지는 이론용량밀도가 2500KWh/kg이며, 코발트 등의 금속을 사용하지 않으므로 저가일 뿐만 아니라, 경량이므로 경량 항공기를 비롯한 UAM등 항공우주산업에의 적용이 기대된다.
다만, 금속리튬을 음극재로 사용하며 그것이 쉽게 석출되므로 공기 중의 수분과 반응할 경우에는 안전성 및 성능저하가 발생하는 것이 과제이다.
전고체 배터리는 고체형태의 전해질을 사용하므로 형상의 자유도가 높고 누액의 우려가 없다는 점이 이점이다.
전고체 배터리의 이론용량밀도는 2000KWh/kg으로 현 단계에서는 500KWh/kg을 목표로 실용화를 위한 연구개발이 진행되고 있다.
현재 주목받고 있는 고체전해질에는 유황계와 산화물계가 있으며, 전자기기 등 소형가전제품에 적용할 수 있는 제품부터 생산이 이루어지고 있다.
차세대 리튬이온 이차전지용 음극재로서 실리콘을 사용하기 위한 노력이 이루어지고 있으며, 전해액의 변경에 따른 충방전의 고속화도 주목되는 연구분야 이다.
리튬-황 이차전지는 이론용량밀도가 2500KWh/kg이며, 코발트 등의 금속을 사용하지 않으므로 저가일 뿐만 아니라, 경량이므로 경량 항공기를 비롯한 UAM등 항공우주산업에의 적용이 기대된다.
01 리튬 황 배터리용 탄소섬유-황 복합재
- 탄소섬유는 필라멘트 수가 12000 가닥인 12K가 주로 사용되고 있으며, 최근에는 48K, 62K 등의 탄소섬유 토(Taw)가 복합재료용 섬유로 사용되고 있다. 이러한 탄소섬유다발은 액상의 고분자 수지를 함침하여 복합재료를 제조하고 있으며, 항공우주산업은 물론, 자동차 산업에서도 핵심적으로 사용되는 첨단소재이다.
- 탄소섬유-유황 복합재는 당사가 개발한 특수복합화 기술을 적용함으로써 탄소섬유 필라멘트 사이에 유황입자가 50%이상 복합된 통합사(Incorporated strand)를 생산할 수 있는 기술을 확보하고 있다.
- 통합사는 직조를 통해 직물을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 원하는 형태로 가공을 하기 위한 스탬핑(Stamping) 기술 적용이 가능하므로 매우 용이하게 부품을 생산할 수 있으며, 별도의 Collector를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.
02 리튬 공기 배터리용 고밀도 흑연 음극재
- 리튬-공기 배터리에 사용되는 다공성 고강도 흑연소재는 리튬-공기 배터리의 성능과 수명을 결정짓는 중요한 소재이며, 이러한 요구조건을 충족시키기 위해서는 기계적으로도 등방성이며, 열적으로도 등방성인 고밀도의 흑연 성형체 사용이 필수이다.
- 보유기술은 바인더 물질을 사용하지 않고 등방성 흑연 성형체를 제조함으로써, 소성 및 흑연화 과정에서 발생하는 바인더 성분의 이질화에 따른 등방화 부족문제 없이 등방성 흑연 성형체를 빠른 시간에 제조할 수 있는 효과가 있다. 또한, 탄소 분말로만 제조되어 균질성이 뛰어나기 때문에, 1,95g/㎤ 이상의 고밀도를 가지며 쇼어경도가 80이상으로 리튬 공기 배터리용 소재로서 매우 적합하다.
- 리튬유황(Li-S)배터리는 리튬이온배터리를 대체할 가장 유력한 배터리로 인식되고 있으며, 2022-2027年까지 시장규모는 약 $1.76BD를 나타낼 것으로 예측하고 있다.
- 리튬-유황배터리의 뒤를 이어 리튬-공기 배터리에 대한 관심이 증대되고 있으며, 2030년에는 양산화가 이루어질 것으로 전망.
03 탄소섬유-양극재 복합 판넬 제조기술
- LFP양극재는 저가이며, 화학적으로 안정한 화합물로서 리튬 이차전지용 양극재로서 널리 사용되고 있다. 스웨덴 샬머스 공과대학 연구팀은 탄소섬유가 배터리의 음극재 기능을 갖는 것에 착안하여 구조형 배터리를 실현하기 위해 전기에너지 저장이 가능한 구조전지 개발 중.
탄소섬유-LFP복합 Strand 개발
- 전기자동차는 장착된 배터리가 일반적으로 가솔린 엔진보다 무거워, 동급의 가솔린 차량보다 차체가 무거우므로 배터리의 무게가 전기자동차에 있어 연비 개선의 열쇠이며, 이와 관련해 레이프 에스피(Leif Asp) 교수가 배터리의 강도를 높여 차체의 일부로 돌리는 아이디어에 착안하여 배터리의 하중을 거의 제로로 하는 ‘구조 전지(Structural Battery)를 개발해 주목을 받고 있다.
- 배터리를 차체의 일부로 적용하려는 아이디어는 이전부터 제기돼 왔으며, 이탈리아의 자동차 제조업체 람보르기니와 매사추세츠 공과대학은 2017년에 호일에 배터리를 내장해 경량화와 공간 절약 효과를 동시에 구현하는 전기자동차 개념인 ‘테르조 밀레니오 컨셉트(Terzo Millennio concept)’를 발표했다.
- 이 같은 ‘구조 배터리’를 실용화하기 위해서는 강도와 배터리로서의 성능을 양립시키는 과제를 해결해야 하며, 하나의 방안으로서 탄소섬유강화복합재료 등에 사용되는 탄소 섬유가 배터리의 음극 기능을 가지는 것에 주목해, 높은 강도와 강성을 유지하면서 전기에너지 저장이 가능한 탄소섬유 재료의 구조 전지 개발을 추진했다.
- 보유기술은 탄소섬유와 분말입자를 복합화 시키는 기술을 접목함으로써 매우 간단하게 고함량의 복합재료를 제조하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 양극 활물질 을 임의로 선택하여 복합화 하는 것이 가능하며, NCM이나 NCMA계 양극 활물질과의 복합화도 가능하다.
04 탄소섬유-음극재 복합판넬 제조기술
- 천연 흑연 및 인조 흑연은 물론 실리콘 복합재는 리튬이차전지의 음극재로서는 그 성능이 확인되었을 뿐만 아니라,널리 사용되고 있다. 특히 실리콘 복합 음극재는 차세대 음극재로서 주목받고 있는 음극 활물질이다. 따라서 이러한 실리콘 복합 음극재를 탄소섬유와 복합화 시킬 경우, 치수 안정성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한. 조성의 복합재를 제조할 수 있다.
탄소섬유-흑연-실리콘 복합 음극재 개발
- 천연흑연 및 인조흑연 분말은 이미 리튬이차전지용 음극활물질로써 널리 사용되고 있으며, 앞으로도 지속적인 사용이 이루어질 것으로 전망된다. 한편, 실리콘 복합 음극 활물질의 경우는 현재 실리콘의 팽창문제 해결을 위한 다양한 연구개발이 진행되고 있으며, 이를 해결하기 위한 방법의 하나로 탄소를 이용한 표면 코팅방법이 대두되고 있다.
- 보유기술은 흑연분말의 표면 코팅을 통해 음극재의 성능을 크게 개선시킬 수 있는 표면성능 개선재 제조기술을 확보하였을 뿐만 아니라, 양산화 설비를 구축하여 제품을 생산판매한 경험을 가지고 있다. 또한 실리콘입자 표면을 탄소로 코팅한 후 이를 흑연 입자 표면에 재코팅하는 이중코팅기술도 이미 확보하고 있으며 현재 성능평가를 진행 중에 있다.
- 따라서 탄소섬유와 음극재 분말입자를 복합화 시키는 기술을 접목함으로써 매우 간단하게 고함량의 복합재료를 제조하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 음극 활물질을 임의로 선택하여 복합화 하는 것이 가능하다.
- 탄소섬유 황화합물 복합화 기술 확보 및 탄소섬유 LFP복합화 기술 확보로 전기자동차의 샤시용 전지판넬 제조 기술 보유.
- 수요가의 요구에 따라 다양한 금속 복합물 제조기술 개발 및 양산화 지원이 가능
