요약
본 기술은 리튬 이온 배터리(LIB)의 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈이 풍부한 층상 산화물을 통합하려는 시도를 기반으로 합니다. 니켈이 풍부한 층상 산화물 양극재는 니켈 함량이 높기 때문에 층상 구조에서 니켈의 양이 증가하여 전해질 분해가 상당히 빨라집니다. 이로 인해 Ni가 풍부한 층상 산화물 양극재로 구성된 셀에서 상당한 양의 전해질 분해가 발생하여 사이클 성능이 급격히 저하됩니다. 본 발명은 LNCM83 양극재의 계면 안정성을 개선하기 위한 전해질 첨가제로서 트리알릴보레이트(TAB)의 효과를 입증하는 것을 목표로 합니다. 이를 통해 전기차 배터리, 휴대폰 배터리 등의 제품 품질과 수명이 증가할 것으로 예상됩니다.
기본 정보
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특허명: 트리알릴보레이트를 포함하는 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
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대표 발명자: 임태은 교수
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출원번호: 10-2023-0052795
발명의 배경 및 필요성
기술의 배경
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친환경 에너지 기기에 대한 수요 증가로 다양한 에너지 변환/저장 시스템이 연구되고 있음
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리튬 이온 배터리(LIB)는 이 중에서 주목받고 있으며, 전기 자동차의 에너지원으로 간주됨
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질소가 풍부한 층상 산화물은 기존 양극 소재인 리튬 코발트 산화물에 비해 큰 비용량으로 주목받고 있음
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니켈이 풍부한 층상 산화물 양극은 적용 가능한 에너지 밀도로 인해 최근 첨단 양극 소재로 주목받고 있음
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그러나, 전기 화학적 사이클링 동안 불안정한 표면 특성으로 인해 이러한 물질을 LIB에 사용하는 데는 제한이 있음
기술의 필요성
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에너지 밀도를 높이는 효율적인 방법 중 하나는 기존의 전극 재료를 높은 작동 전위와 큰 비용량을 가진 첨단 전극 재료로 대체하는 것임
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많은 셀 제조업체들이 LIB의 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈이 풍부한 층상 산화물을 통합하려고 시도해 왔음
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그러나, 전기 화학적 사이클링 동안 불안정한 표면 특성으로 인해 이러한 물질을 LIB에 사용하는 데는 제한이 있음
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니켈이 풍부한 층상 산화물 양극재는 니켈 함량이 높기 때문에 층상 구조에서 니켈의 양이 증가하여 전해질 분해가 상당히 빨라짐
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이로 인해 Ni가 풍부한 층상 산화물 양극재로 구성된 셀에서 상당한 양의 전해질 분해가 발생하여 사이클 성능이 급격히 저하됨
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본 발명은 LNCM83 양극재의 계면 안정성을 개선하기 위한 전해질 첨가제로서 트리알릴보레이트(TAB)의 효과를 입증하는 것을 목표로 함
구현방법
기술의 원리
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TAB 첨가제는 LNCM83 양극에 양극-전해질 간상 층을 형성하고, 리튬 이차전지에 남은 불소 종을 줄이는 역할을 함.
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트리알릴보레이트는 전기화학적 분해를 통해 양극-전해질 간상 층을 형성하고, 양극 표면의 전해질 분해를 억제함.
구체적인 구현 방법
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리튬 이차전지용 전해액은 트리알릴보레이트를 0.1 wt% 내지 2.0 wt% 함유할 수 있음.
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용매는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등을 포함할 수 있으며, 리튬염은 LiPF6, LiBF4 등을 선택할 수 있음.
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LNCM83 양극을 준비하기 위해 N-메틸-2-피롤리돈, LNCM83 양극재, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 탄소를 교반하고 슬러리를 알루미늄 기판 위에 주조한 후 건조시킴.
기술의 장점
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TAB 첨가제는 전해질의 이온 전도도를 향상시키고, 전해질의 안정성을 높임.
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이 기술을 통해 양극-전해질 간의 상호작용을 통제하고, 전해질과 양극 사이의 화학적 안정성을 높일 수 있음.
실험 및 결과
실험의 목적
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TAB 첨가제의 효과를 확인하고, 이를 통해 전해질의 이온 전도도와 안정성을 향상시키는 것을 목표로 함.
실험 방법 및 과정
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전해질의 이온 전도도는 이온 전도도 측정기를 사용하여 측정함.
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TAB-미첨가 전해질에 다양한 농도로 TAB을 첨가한 후, 각 전해질의 선형 스윕 전압을 측정함.
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LNCM83 양극, 리튬 금속 음극, 분리막 및 전해질로 하프셀을 제작하고, 셀은 두 사이클 동안 0.1C로 충전/방전됨.
실험 결과
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TAB 첨가 전해질은 TAB-미첨가 전해질보다 더 높은 이온 전도도를 보여줌.
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전해질의 이온 전도도는 TAB 첨가량이 증가함에 따라 선형적으로 증가함.
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전해질의 이온 전도도 증가는 TAB 첨가제의 양이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보여줌.
발명의 활용 방안
제품과 서비스의 효율적 활용
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LNCM83 양극재에 TAB을 첨가하는 발명은 전기화학적 성능을 향상시키는 기술임
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이 기술은 LNCM83/흑연 풀셀에서 TAB의 역할을 통해 전기화학적 성능을 향상시키는 방법을 제공함
산업 및 사회적 가치의 창출
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이 기술의 적용으로 전기화학적 성능이 향상되어, 전기차 배터리, 휴대폰 배터리 등의 제품 품질과 수명이 증가할 것으로 예상됨
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이를 통해 전기차 및 휴대폰 제조 산업의 경쟁력을 강화하고, 사용자 경험을 향상시킬 수 있음
기대효과
기술적 혁신
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LNCM83 양극재에 TAB을 첨가하는 기술은 전기화학적 성능을 향상시키는 혁신적인 방법으로, 이를 통해 배터리의 성능과 수명이 향상될 것으로 예상됨
사회적 가치
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이 기술의 적용으로 배터리 수명이 증가하면, 사용자는 더 오래 사용할 수 있으므로 자원 소모를 줄이고, 전체적인 제품 품질을 향상시킬 수 있음
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또한, 배터리의 성능 향상은 전기차의 주행 거리를 늘리고, 휴대폰의 사용 시간을 연장하는 등 사용자의 생활 편의성을 증가시키는 사회적 가치를 제공함
장기적인 비전
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이 기술은 배터리의 성능을 향상시키는 데 중요한 발전으로, 장기적으로는 전기차 및 휴대폰 제조 산업의 성장에 기여하고, 환경 보호 및 에너지 효율성 증대에 더 큰 영향을 미칠 것으로 기대됨
기술 SWOT 분석
Strengths
첨단 전극 재료의 활용
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기존의 전극 재료를 높은 작동 전위와 큰 비용량을 가진 첨단 전극 재료로 대체함으로써 에너지 밀도를 향상시킵니다.
전해질의 이온 전도도 향상
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트리알릴보레이트(TAB) 첨가제를 활용하여 전해질의 이온 전도도를 향상시키고, 전해질의 안정성을 높입니다.
전기화학적 성능 향상
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LNCM83 양극재에 TAB을 첨가하는 기술을 통해 전기화학적 성능을 향상시킵니다.
Weaknesses
전기 화학적 사이클링 동안의 불안정성
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전기 화학적 사이클링 동안 불안정한 표면 특성으로 인해 니켈이 풍부한 층상 산화물을 LIB에 사용하는 데 제한이 있습니다.
니켈 함량의 문제
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니켈이 풍부한 층상 산화물 양극재는 니켈 함량이 높기 때문에 층상 구조에서 니켈의 양이 증가하여 전해질 분해가 상당히 빨라집니다.
Opportunities
전기차 및 휴대폰 제조 산업의 성장
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이 기술의 적용으로 전기차 및 휴대폰 제조 산업의 경쟁력을 강화하고, 사용자 경험을 향상시킬 수 있습니다.
환경 보호 및 에너지 효율성 증대
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장기적으로는 전기차 및 휴대폰 제조 산업의 성장에 기여하고, 환경 보호 및 에너지 효율성 증대에 더 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.
Threats
기존 전극 재료와의 경쟁
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기존의 전극 재료와 비교하여 첨단 전극 재료의 비용이 높을 수 있으며, 이로 인해 경쟁에서 밀릴 수 있습니다.
첨가제의 효과 불확실성
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트리알릴보레이트(TAB) 첨가제의 효과가 확실하지 않을 수 있으며, 이로 인해 기술의 효과성에 대한 불확실성이 있을 수 있습니다.
시장 동향
전기차 배터리 제조 시장 동향
대표도면
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