본 기술은 차세대 이차전지로 주목받고 있는 전고체 이차전지의 양극 및 고체전해질 막 설계 및 제조 공정에 관한 것이다. 전고체 전지의 양극 설계에서 리튬이온과 전자의 원활한 이동이 중요하며, 이를 위해 최적의 리튬이온/전자 전달 경로를 확보하는 전극 설계가 필요하다. 이러한 설계를 통해 전극 내 내부 저항을 최소화하고, 높은 로딩량의 전극에서도 우수한 용량 구현률을 달성할 수 있다. 고체전해질 막 설계에서는 이종 바인더 설계를 통해 고체전해질 막의 물성을 개선한다. 기계적 및 전기화학적 특성이 우수한 고체전해질 막을 제조하기 위해서는 바인더의 공간적 분포와 고분자의 기능기를 적극적으로 활용할 필요가 있다. 공용매를 사용하되 물성이 다른 두 가지 이상의 고분자를 혼합하여 고체전해질 막을 설계함으로써, 기계적 물성뿐만 아니라 전기화학적으로도 우수한 고체전해질 막 설계 및 제조 기술을 제공하고자 한다.
- 본 기술은 전고체 전지 구성에 있어 핵심적인 양극 전극 설계 및 고체전해질 막 제조 기술을 제시함
- 이에 따라서 고성능의 전고체 전지 구현을 가능하게 하며, 관련 사업 생태계를 조기 연착륙하는데 기여할 수 있을 것으로 판단됨
일반적인 전고체 이차전지용 전극은 활물질, 도전재, 바인더, 고체전해질의 혼합하여 제작합니다. 해당 전극은 공간적 제어되지 않은 형태로 다양한 고체상이 임의 혼합된 형태입니다. 그 중 작은 입도를 가지는 도전재의 경우, 전극 전체에 걸쳐 분포하기 때문에 고체전해질 입자 사이에도 다수의 도전재가 분포하게 됩니다. 해당 구조에서 도전재는 고체전해질 상을 통해 전달되는 리튬이온의 전도를 방해할 뿐만 아니라 지나치게 높은 분산성으로 인해 도전재의 연결성을 부족하여 전극 내 전자전도 특성도 낮아지는 단점을 가집니다. 하지만 본 기술에서는 도전재를 1차원 형태의 선형 도전재를 활용함과 동시에 활물질 표면에 선제적으로 분포시킵니다. 이를 통해 고체전해질 상에 도전재 분포를 배제시켜 전극 내 전자 전도 특성 뿐만 아니라 리튬 이온 전도 특성을 동시에 향상시킵니다. 따라서 최적화된 전자/이온 전도 경로로 인해 전극 내 저항을 최소화할 수 있으며 이로 인해 100mg/cm2 이상의 높은 로딩량에서도 이론용량 대비 80%이상의 높은 용량 구현율을 달성할 수 있습니다. 또한, 기존 시스템 대비 활용하는 도전재의 양을 획기적으로 줄일 수 있어, 전극 설계의 자유도가 증가할 수 있으며, 고밀도의 전극 제조에도 용이하여, 고에너지밀도의 전고체 전지 개발에 기여할 수 있습니다.
고체전해질 막은 일반적으로 단일 고분자 설계를 통해서 진행됩니다. 하지만 고체전해질의 낮은 화학적 안정성으로 인해 고체전해질 막 제조에는 통상적으로 극성이 낮은 용매가 주로 사용되며, 이로 인해 활용되는 단일 고분자의 물성은 특정화되는 경향이 있습니다. 따라서 고체전해질 막으로 요구되는 다양한 물성을 동시에 만족시키기는 어렵습니다. 본 기술에서는 동일하게 극성이 낮은 용매를 사용하지만 서로 물성이 상이한 고분자를 동시에 활용하는 전략을 통해 다기능성 고체전해질 막을 제조함으로써, 고체전해질 막의 기계적 물성 뿐만 아니라 전기화학적 특성을 모두 개선할 수 있는 방법을 제안합니다. 해당 기술을 통해서 제조된 고체전해질 막은 100um 이하로 용이하게 제조가 가능하여, 안정적으로 전지의 충방전이 가능하게 하며, 고에너지밀도의 전고체 전지 개발에 기여할 수 있습니다.
- 우수한 이온/전자전도 특성의 양극 설계 및 제조 기술
- 고이온전도성 고체전해질 막 설계 및 제조 기술
- 1차원 선형 도전재의 활물질 표면 코팅 기술
- 도전재 코팅된 활물질/고체전해질/바인더 혼합 슬러리 제조 기술
- 도전재 코팅된 활물질 기반 양극 제조 기술
- 도전재 코팅된 활물질 기반 양극 성능 평가 기술
- 이종 바인더 기반 고체전해질 막 설계 기술
- 이종 바인더 기반 고체전해질 막용 슬러리 제조 기술
- 이종 바인더 기반 고체전해질 막 제조 기술
- 이종 바인더 기반 고체전해질 막 성능 평가 기술
- 이종 바인더 기반 고체전해질 막을 포함하는 전지 제조 및 평가 기술
- 기존 리튬이차전지 제조공정에 호환이 가능한 고체전해질 막 및 고성능 양극 제조 기술을 개발하여, 전고체 전지 제조기술 향상에 기여하고자 함.
- 극박형의 고체전해질막/고성능 양극 개발을 통해, 초고에너지 밀도의 저장기술을 구현하여 전기자동차(EV) 및 에너지저장 시스템(ESS) 등의 다양한 서비스에 활용하고자 함
- 본 기술에 의한 고체전해질 막/고성능 양극은 전기자동차 및 ESS 등 고에너지밀도와 고안전성이 요구되는 기존 액체전해질 기반의 중대형 리튬이차전지 및 분리막 시장을 급속히 대체할 것으로 예상됨
- 기존 핵심 기술개발에 있어서 모방 전략 (catch-up) 수준에 머물러 있는 국내 이차전지 산업을 본 과제로 도출된 전고체전지의 소재·부품 기술을 통해 세계적 선도 수준으로 견인 가능, 전고체전지용 소재 설계·합성 및 원천기술 및 특허 확보가 가능함