초록 ▼

최종목표
○ Co-free 층상계양극소재 제조기술 개발
-. 조성 : LiNi_1-x-yM_xMn_yO₂ (M=Al, Mg, Fe, Ni등, 단 Li는 제외)
-. 초기용량 : 음극을 Li-metal을 적용하여 4.3V cut-off, 0.2C 방전시, 160mAh/g 이상의 양극재 개발
-. $20/kg 이하의 Ni-Mn계 및 이종원소 치환형 양극재 개발
○ 출력특성이 개선된 Co-free 층상계 양극소재 제조기술 개발 <

최종목표
○ Co-free 층상계양극소재 제조기술 개발
-. 조성 : LiNi_1-x-yM_xMn_yO₂ (M=Al, Mg, Fe, Ni등, 단 Li는 제외)
-. 초기용량 : 음극을 Li-metal을 적용하여 4.3V cut-off, 0.2C 방전시, 160mAh/g 이상의 양극재 개발
-. $20/kg 이하의 Ni-Mn계 및 이종원소 치환형 양극재 개발
○ 출력특성이 개선된 Co-free 층상계 양극소재 제조기술 개발
-. 니켈/망간 비율, 이종원소 치환종 및 치환량 제어를 통한 0.2C출력 대비 7C출력 값이 80%이상인 양극재 개발(half cell)
-. 출력특성 개선을 위한 양극소재 후처리 기술 개발
○ 고안전성 Co-free 층상계 양극소재 제조기술 개발
-. 방열량 300J/g 이하의 양극재 개발
[방열량 측정]
4.3V 충전 후 전해액이 함침된 flooded극판 형태로 DSC를 통한 방열량 측정하며 순수한 양극물질로만 계산
○ 장수명화를 위한 Co-free 층상계 양극소재 제조기술 개발
-. 수명특성: 음극을 Li-metal을 적용하여 4.3V cut-off, 0.5C충전 1C방전 50회 후 용량 140mAh/g 이상의 양극재 개발
○ Full cell(7Ah급)을 이용한 비교 실험 (50도 수명, 60도 보존특성)
-. 50도 수명, 60도 보존특성 상용화된 LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ 소재와 동등 이상의 성능의 양극재 개발
-. 흑연을 이용한 파우치타입의 full cell 성능 검증
-. 평균입도 10±1㎛ 적용
-. 극판제조 조성에서 활물질이 최소 90이상의 중량비 기준

개발내용 및 결과
○ Co-free 층상계 양극소재 제조기술 개발 습식 공정 및 공침 공정을 통한 조성 설계기술 확보하여 과제 목표 에 부합하는 조성인 LiNi_0.7Mn_0.3O₂ 설계
CSG(core shell gradient) type 의 공침 전구체 제조 기술 개발 및 양산 공정 개발하여 양산 라인 설치
0.2C 방전 기준 초기용량 169mAh/g 발현 하였으며, 0.2C 대비 7C 방전 용량 80.6%, 0.5C 충전 1.0C 방전 기준 50cycle 방전 용량 152.2mAh/g 발현
방열량 : DSC 측정 기준 249J/g 의 방열량 발생
○ 친환경적 공법으로 저단가 고순도 액상 황산니켈 제조기술 개발 저가의 Ni 폐기물을 황산에 용해 한 후, 재활용 탄산니켈을 이용하여 pH 5이상에서 탈철, 선택적 pH를 이용한 이온교환수지를 통해 추가 불순물들을 제거 한 후, 농축하여 최종 황산니켈 액상(Ni>10%) 제조

기술개발 배경
전기 자동차 (Electric Vehicle; EV) 및 에너지 저장장치 (Energy Storage System; ESS)에 적용되는 중대형 리튬이차전지의 시장 주도권을 확보하기 위한 리튬이차전지의 필수요소는 높은 안전성과 급속 충전 성능이 요구되고 있으며 핵심 소재 기술 확보가 필요함
반면에, 전이금속층에 존재하는 Ni²⁺의 경우, 그 이온반경(0.69 Å, 6배위)이 리튬층에 존재하는 Li+(0.76 Å, 6배위)와 유사하여 두 이온들 사이에 자리바꿈 현상 (cation mixing)이 일어나는데, 이 자리바꿈 현상은 리튬이온이 리튬층에 존재하는 Ni²⁺에 의해서 탈 리가 어렵게 되어 충방전중 저항으로 작용하게 되어 낮은 율특성 및 가역 용량을 나타내게 되나, 구조의 절반을 차지하는 Mn⁴⁺로 인해 우수한 사이클링특성을 나타내며 또한 Co성분의 부재로 인하여 우수한 열적 안정성을 특성을 나타냄
양극재료는 전체 리튬이온 전지 가격의 40% 이상을 차지할 정도로 가격이 비싸므로 전제 전지의 가격을 결정하는 주요한 재료이며, 현재 주로 이용되고 있는 코발트(Cobalt; Co)계 양극재의 경우 에너지 밀도(energy density)는 높으나 Co의 높은 가격으로 경제성 있는 가격의 전지 공급에 어려움이 있음

핵심개발 기술의 의의
소형 이차전지를 비롯한 xEV 및 에너지저장시스템(Energy Storage System; ESS)에 사용가능한 Co가 포함되지 않은 저가의 층상계 양극재를 폐기물 재처리하여 획득된 전이금속원료를 사용하여 공침법 에 의한 전구체 제조기술을 확보, Li/Metal의 이상적인 조합비를 도출, cation mixing을 최소화 시키는 소성조건 확립, 표면 잔류리튬화 합물을 제거, 전기전도도를 향상시키기 위하여 양극재 표면 개질 또는 코팅기술 개발하여 양극재의 성능을 향상시킴으로써, 궁극적으로 최적화된 양산 공정을 설계하여 수입의존도가 높은 양극재를 국산화 할 수 있음

적용 분야
IT mobile, Power tool 등과 같은 소형 이차전지에서 부터 xEV (EV, HEV, PHEV 등), 에너지 저장시스템(ESS)과 같은 중.대형 이차전지에 이르기까지 적용 가능 (출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 8
• 목차 ... 16
• 제 1 장 서론 ... 17
• 제 1 절 과제의 개요 ... 17
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 22
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 22
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 26
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 29
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 50
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 51
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 53
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 53
• 1. 연구개발 추진 일정 및 실적 ... 53
• 2. 연차별 수행 결과 ... 57
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 523
• 1. 참여기관별 업무분담 ... 523
• 2. 기술개발팀 편성도 ... 524
• 3. 기술개발 추진 체계 ... 525
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 527
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 529
• 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 530
• 부록 ... 531
• 끝페이지 ... 534