요약
전 세계적으로 휴대용 전자제품과 전기차의 수요가 급증하면서, 리튬 이온 배터리(LIB)의 에너지 밀도와 사이클 수명을 향상시키기 위한 새로운 기술의 필요성이 대두되었습니다. 기존 흑연 음극재의 한계를 극복하고, 실리콘을 활용하여 고에너지 밀도를 제공하면서도 구조적인 안정성을 유지하는 것이 관건입니다. 연구팀은 실리콘 나노 입자에 탄소 코팅과 리튬-친화성 표면 개질을 적용하여, 가역 용량이 향상된 배터리를 개발하였습니다. 이 기술은 전기차 및 에너지 저장 장치의 성능을 크게 개선할 것으로 예상됩니다.
기본 정보
•
특허명: 실리콘-탄소 나노 복합체 제조방법, 이의 제조방법에 의해 제조된 실리콘-탄소 나노 복합체를 포함하는 이차전지 음극 및 상기 이차전지 음극을 포함하는 이차전지
•
발명자: 김태현 교수
•
출원번호: 10-2021-0122690
상세 정보
발명의 배경과 필요성
기술의 배경과 문제점
•
휴대용 전자제품과 전기차의 수요 증가로 고에너지, 고 전력 밀도, 긴 사이클 라이프를 갖춘 리튬 이온 배터리(LIB)의 필요성이 대두됨.
•
흑연은 리튬 이온 배터리의 음극재로 쓰이지만, 에너지 밀도가 낮아 개선이 필요함.
•
실리콘은 흑연에 비해 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있지만, 부피 변화에 따른 구조 응력과 입자 분쇄로 인해 사이클 안정성에 문제가 있음.
•
나노 입자에서 부피 팽창 및 입자 분쇄가 발생하며, 전기적 활동을 하지 않는 고립된 섬을 형성함.
기술의 필요성
•
탄소 코팅은 부피 팽창을 억제하고 전도성을 제공하여 실리콘 나노입자의 기계적 안정성에 기여함.
•
리튬-친화성(lithiophilic) 표면을 개발하여, 리튬 이온의 이동을 촉진하는 것이 필요함.
•
탄소층 외표면의 개질을 통해 실리콘 입자로의 리튬 전이를 개선하고자 함.
구현방법
기술의 원리
•
실리콘 나노 입자 표면에 폴리도파민을 코팅하고 탄화 처리 후, 산화 공정을 통해 탄소 표면을 개질하여 리튬-친화성 사이트를 생성함.
•
과망간산칼륨과 황산의 산화 혼합물로 산화 처리하여 카복실기와 히드록시기를 형성함.
구체적인 구현 방법
•
폴리도파민 코팅을 통해 실리콘 나노 입자를 탄소 코팅하고, 고온에서 탄화 처리를 수행함.
•
산화 혼합물에 담가 산화 처리 함으로써 탄소 표면에 기능기를 생성함.
•
리튬-친화성 사이트가 포함된 산화 처리된 탄소 코팅 실리콘 나노 입자를 만들어 냄.
기술의 장점
•
가역 용량이 향상되어 기존 대비 더욱 안정적이고 높은 성능을 제공함.
•
간단하고 효율적인 표면 개질 전략으로 용량 증대와 사이클 수명 개선이 가능함.
실험 및 결과
실험의 목적
•
리튬 친화 표면을 통해 가역 용량과 사이클 성능을 개선할 수 있는지를 검증하기 위해 실험을 수행함.
실험 방법 및 과정
•
폴리도파민 코팅된 실리콘 나노 입자를 고온에서 탄화 처리하고 산화 혼합물로 산화 처리함.
•
제조된 입자의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 전류-전압 특성 및 사이클 성능을 측정함.
실험 결과
•
표면 개질 처리된 입자는 200 사이클 후, 기존 입자 대비 훨씬 높은 1575mAh/g의 가역 용량을 보여줌.
•
안정된 전기화학적 특성을 통해 사이클 수명이 대폭 향상됨.
발명의 활용 방안
활용 방안
•
이 발명은 리튬 이차전지의 음극 소재로 활용될 수 있으며, 특히 고출력 및 장수명을 요구하는 전기차 및 저장 장치에 적합함.
•
산업현장에서 에너지 밀도를 향상시키고, 사이클 수명이 긴 배터리를 필요로 하는 다양한 전자기기에 응용 가능함.
기대효과
•
리튬 이차전지의 성능 향상을 통해 전기차의 주행 거리 증가와 에너지 효율성을 높일 수 있음.
•
기존의 음극 소재와 비교하여, 이 발명은 시장 경쟁력을 높여줄 가능성이 있음.
•
에너지 저장 장치의 수명을 늘려 경제성과 효율성을 동시에 개선할 것으로 기대됨.
시장 동향
리튬 이온 배터리 시장 동향
실리콘 음극재 응용 분야
리튬 친화성 표면 기술 전망
대표도면
인천대학교 산학협력단
(21999) 인천광역시 연수구 갯벌로 27(송도동) INU이노베이션센터 202호
본 메일은 마케팅 활용 동의서에 동의하신 회원님께 전송된 것입니다.
COPYRIGHT (c) 2023 Incheon National University. ALL RIGHT RESERVED.