요약
리튬이온전지는 높은 에너지 밀도로 전기차와 대형 에너지 저장 시스템에서 널리 사용되지만, 실리콘 음극의 부피 팽창으로 인해 성능이 저하되는 문제가 있습니다. 이를 해결하기 위해 자가 치유 능력과 높은 접착성을 가진 새로운 고분자 바인더가 개발되었습니다. 이 바인더는 실리콘 나노입자의 부피 팽창을 효과적으로 억제하며, 전지의 충방전 성능과 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 기술은 특히 전기차와 대형 에너지 저장 시스템에서 유용하게 적용될 수 있습니다.
기본 정보
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특허명: 우수한 이온 전도성 및 자가 치유 능력을 갖는 가교 공중합체, 이를 포함하는 실리콘 음극용 바인더, 상기 실리콘 음극용 바인더를 포함하는 실리콘 음극 및 상기 실리콘 음극을 포함하는 리튬이온전지
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발명자: 김태현 교수
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출원번호: 10-2021-0026045
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등록번호: 10-2575121
상세 정보
발명의 배경과 필요성
기술의 배경과 문제점
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리튬이온전지(LIBs)는 높은 에너지 밀도로 인해 소형 기기는 물론 전기 자동차와 대형 에너지 저장 시스템에서도 사용됨. 그러나 실리콘 음극의 경우 빠른 용량 저하와 부피 팽창 문제로 인해 한계를 가짐.
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현재 널리 사용되는 그라파이트 음극은 사이클 수명은 우수하나 낮은 이론 용량(372mAh/g)으로 인해 대형 에너지 장치에는 부적합함. 반면 실리콘 음극은 높은 이론 용량(3579 mAh/g)과 낮은 반응전압을 가지지만, 심각한 부피 팽창과 전극 붕괴 문제가 있음.
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기존 고분자 바인더(PVDF, PAA, PVA 등)는 실리콘 음극의 부피 팽창과 전해액 부반응 문제를 효과적으로 해결하지 못함. 이를 개선하기 위해 우수한 이온 전도성과 자가 치유 능력을 가지는 새로운 고분자 바인더가 필요함.
기술의 필요성
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실리콘 음극의 문제점을 해결하기 위해서는 전극의 구조적 안정성이 필수적으로 요구됨. 고분자 바인더의 특성이 배터리 성능에 큰 영향을 미치므로, 실리콘 나노입자의 부피 팽창을 효과적으로 제어할 수 있는 고성능 바인더 개발이 중요함.
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고분자 네트워크 형성을 통해 이온 전도성 및 자가 치유 능력이 우수한 바인더는 전지의 충방전 성능 및 수명 특성을 크게 향상시키는 데 기여할 수 있음.
구현방법
기술의 원리
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본 발명의 가교 공중합체는 글리콜 키토산을 포함하는 주쇄와 디벤즈알데히드기로 말단화된 폴리에틸렌글리콜을 포함하는 측쇄가 이민 결합에 의해 가교된 구조임. 글리콜 키토산과 폴리에틸렌글리콜의 결합을 통해 자가 치유 능력, 접착성 및 기계적 강도를 가진 고분자 바인더를 제조함.
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가교 구조의 고분자 네트워크는 실리콘 나노입자의 부피 팽창을 방지하여 전극의 탈리 및 구조적 붕괴를 막음. 또한 이온 전도성을 높여 전지의 충방전 성능을 향상시킴.
구체적인 구현 방법
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디벤즈알데히드기로 말단화된 폴리에틸렌글리콜(DA-PEG)과 글리콜 키토산(GCS)을 이용하여 가교 공중합체를 제조함. 이를 실리콘 음극용 고분자 바인더로 적용함.
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DA-PEG와 GCS의 비율에 따라 다양한 형태의 하이드로겔을 제조하여 자가 치유 능력 및 기계적 특성을 평가함. 하이드로겔은 실리콘 음극에 적용되어 전극의 구조적 안정성을 유지함.
기술의 장점
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자기 치유 능력과 높은 접착력으로 실리콘 음극의 부피 팽창을 효과적으로 방지함. 이를 통해 전극의 탈리 및 구조적 붕괴를 예방함.
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고분자 네트워크 형성을 통해 우수한 이온 전도성과 자가 치유 능력을 가진 바인더는 전지의 충방전 성능 및 수명 특성을 현저하게 향상시킬 수 있음.
활용 방안
활용 방안
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본 발명의 가교 공중합체 기반 실리콘 음극용 바인더는 전기차, 대형 에너지 저장 시스템(ESS) 등 다양한 리튬이온전지 응용 분야에 활용될 수 있음.
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특히 전기차 배터리의 경우 높은 에너지 밀도와 긴 수명이 요구되므로, 본 기술을 통해 전기차의 주행거리와 배터리 수명을 크게 향상시킬 수 있음.
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대형 에너지 저장 시스템에서도 본 기술을 적용하여 에너지 저장 효율을 높이고 수명을 연장할 수 있음.
기대효과
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실리콘 음극의 부피 팽창 문제를 해결함으로써 리튬이온전지의 충방전 성능과 수명을 크게 향상시킬 수 있음.
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전기차, ESS 등의 에너지 저장 장치에서 본 기술의 적용을 통해 에너지 효율을 높이고, 지속가능한 에너지 솔루션을 제공함.
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고성능과 수명을 가진 리튬이온전지는 전기차의 상용화 및 에너지 저장 시스템의 대규모 구축에 기여할 수 있음.
시장 동향
리튬이온전지 시장 동향
실리콘 음극 시장 동향
고분자 바인더 시장 동향
전기차 배터리 시장 동향
에너지 저장 시스템(ESS) 시장 동향
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