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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국전지연구조합 |
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연구책임자 | 김우성 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2015-04 |
과제시작연도 | 2014 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO201600017260 |
과제고유번호 | 1711017547 |
사업명 | 전자정보디바이스산업원천기술개발 |
DB 구축일자 | 2017-09-20 |
키워드 | 리튬이차전지.양극활물질.고전압.스피넬.장수명.고안전성.이온전도도.전기화학적 안정창.고전압 전해액.난연성.열적 안정성.안전성.신뢰성. |
최종목표
□ 고전압 양극소재 개발
ㅇ 초기 가역 용량 : 125mAh/g 이상(half-cell)
ㅇ 초기효율 : 90% 이상 (0.5C/0.5C)(full-cell)
ㅇ 작동 전압 4.5V 방전용량 비율 : 80% 이상(full-cell)
(1.0C, 3.5~5V 방전 용량)
ㅇ 고온 수명 : 80% 이상@50cycle
(1.0C/1.0C, 50℃)(full-cell)
ㅇ 고율 특성 : 80% 이상 (5C/0.5C)(full-cell)
ㅇ 고전압 양극소재 상용화 기술 확립
ㅇ
최종목표
□ 고전압 양극소재 개발
ㅇ 초기 가역 용량 : 125mAh/g 이상(half-cell)
ㅇ 초기효율 : 90% 이상 (0.5C/0.5C)(full-cell)
ㅇ 작동 전압 4.5V 방전용량 비율 : 80% 이상(full-cell)
(1.0C, 3.5~5V 방전 용량)
ㅇ 고온 수명 : 80% 이상@50cycle
(1.0C/1.0C, 50℃)(full-cell)
ㅇ 고율 특성 : 80% 이상 (5C/0.5C)(full-cell)
ㅇ 고전압 양극소재 상용화 기술 확립
ㅇ 양산조건 및 공정기술 확립
□ 고전압 전해액 소재 개발
ㅇ 분해전압이 5V급 고전압 전해액 기술 개발
ㅇ 전위창 5.2V, 이온전도도 5.0×10-3S/cm, 수분함량 30ppm이하,색상 300APHA이하
□ 5V급 스피넬계 적용 전지 설계 및 평가
ㅇ 슬러리 공정성 및 전극 공정성 확보
ㅇ 1.6Ah급 원통형 전지 구현
ㅇ Ful Cell 2회 이상 평가
□ Proto-type 전지 제작 및 평가
ㅇ 샘플 평가 및 개선 사항 도출
ㅇ Full Cell 2회 이상 평가
ㅇ HEV용 전지 설계 검토
ㅇ 10Ah급 파우치 prototype 전지 제작
개발내용 및 결과
□ 고전압 양극소재 개발
ㅇ 탭밀도 향상을 위한 반응 공정 규격 확립 및 소성공정 최적화를 통한 1차입자 제어
- 분체밀도 2.20g/cc 목표달성
ㅇ 초기가역용량, 충 방전효율 향상을 위한 소성공정 규격확립
- 소성 공정 중 산화수(Mn3+/ Mn4+) 조절을 통한 저항감소로 용량
(132mAh/g) 및 효율(96%)을 향상.
ㅇ 소성공정 후 재 열처리 공정을 통한 산화수 조절
- 망간 산화수를 조절하여 4.5V방전비율(90%)을 개선하였음.
ㅇ 수명특성을 향상시키기 위해 산화수 조절 및 표면코팅을 통해 저항감소와 비표면 제어하였음.
- 상온 99%, 고온 95% 수명특성을 보임.
□ 고전압 전해액 소재 개발
ㅇ 분해전압이 5V급 고전압 전해액 기술 개발
- 고전압 전해액 조성기술을 통해 5.2V 이상의 우수한 전기화학적 안정창을 확보함
- 고전압 안정성이 우수하면서 5.0×10-3S/cm 이상의 높은 상온이온전도도를 가지는 신규 전해액 조성을 개발함.
- 신규 고전압 양극용 전해액 첨가제 개발을 통해 양극의 상온, 고온수명 및 고출력 특성이 크게 향상됨.
□ 5V급 스피넬계 적용 1.5Ah 전지 설계 및 평가
ㅇ 슬러리 공정성 및 전극 공정성 확보
ㅇ 1.6Ah급 원통형 전지 구현 완료
- 수명 및 율별 특성 개선위해 전류 밀도 설계 수정 반영
ㅇ Ful Cell 2회 이상 평가 완료
□ 소재 및 전지 제작 평가
ㅇ 10Ah급 파우치 전지를 위한 실험으로 GS이엠의 5V스피넬계활물질을 적용한 HEV용 전지 설계를 검토함. 고전압 구동을 위해 양극 극판의 조성 및 합제밀도를 최적화하고 가스발생을 억제시킬 수 있는 전해액을 적용하여 10Ah급 파우치 전지를 성공적으로 제조함.
기술개발 배경
□ 양극소재
ㅇ 고전압용 스피넬형 망간계 산화물은 평균 방전 전압이 4.7V로 매우 높고, 카본 이외의 고용량, 고안전성 음극 소재를 사용할 수 있기 때문에 높은 에너지 밀도, 고안전성 및 저가격화가 가능함. 따라서 차세대 자동차용 전원의 중대용량 리튬 이온 전지 개발을 위한 핵심 소재임.
ㅇ 소형용 리튬 이차전지에 사용되고 있는 리튬 코발트 산화물은 높은 전극 밀도와 전압, 충․방전 효율 때문에 이상적인 양극 재료 중 하나이지만, 코발트 원료가 희박하고 빈번하게 원재료 가격의 변동이 심하기 때문에 차세대 자동차용 전원의 대용량 리튬이차전지용으로는 다른 양극재료가 검토 되고 있는 상황임.
ㅇ 양극재료의 저가격화를 위해서 코발트가 없는 양극재료 개발과철, 망간, 티탄 등 자원적으로 풍부한 저가 원소를 최대한 활용한 양극재료도 연구개발 중에 있음.
□ 전해액
ㅇ 전기자동차의 핵심에너지원으로 5V급 고전압 양극소재를 적용한 고출력/고에너지 밀도의 리튬이차전지는 개발이 요구되어지고 있는 상황임.
- 전기자동차의 성능향상과 전지팩 부피 감소를 위해 고전압 전해액 기술 확보 요구
- 5V급 고전압 리튬이차전지를 실현하기 위해서는 고전압, 고안전성 신규 전해액 첨가제 기술 확보가 필요
□ 리튬이차전지
ㅇ 중대형 전기자동차용 전지로서 본 과제에서 개발한 양극 소재 및 전해액의 활용가능성을 검토하였음. 차세대 HEV용 자동차 전지는 고출력 특성과 더불어 향상된 에너지 밀도를 요구하며, 이에 출력특성이 우수한 스피넬 결정구조에 높은 전위창을 가지는 LiNi0.5Mn1.5O4의 도입을 통해 HEV용 전지 설계를 검토함. 고전압 구동에 따른 가스 발생 등의 문제는 전해액의 개선과 전지 설계 최적화를 통해 해결하고자 함.
핵심개발 기술의 의의
□ 양극소재
ㅇ 고전압 스피넬 양극재료는 아직까지 상업화된 실적이 없기 때문에 기술 개발을 통해 중대형 전지분야의 기술 선점이 가능함. 고전압화에 의한 전지의 에너지밀도 향상에 의해 제품이 더욱 경박 단소화 되고, 고출력화가 가능하여 전기자동차의 전지 공간 축소 및 기능 향상으로 제품의 구매력이 크게 향상 됨
ㅇ 핵심소재 및 제조 기술 등의 핵심기술 확보로 선진국 기술의존 탈피가 가능 할 것으로 판단되며 현재 주로 일본 및 중국에 의존성이 강한 전지 소재 부품의 대외 의존도를 크게 감소시키고, 제품의 국제 경쟁력이 크게 증가될 것으로 추정.
ㅇ 차세대 자동차의 핵심 소재인 대용량 리튬 이차전지의 고에너지 밀도, 고안전성, 저가격화를 통한 제품 경쟁력 향상 및 관련 시장의 선도가 예상됨
ㅇ 제품 경쟁력 향상을 통해 일본 주도의 고부부가치 중, 대용량 리튬 이차전지 제품의 수입 대체 효과
ㅇ 핵심 소재 및 제조 기술 확보, 국산화를 통한 무역 수지 개선
ㅇ 양극소재 개발을 통해서 중대형 리튬이차전지 시장은 전기 자동차 및 ESS등으로 시장규모가 크게 확대될 것임.
□ 전해액
ㅇ 5V급 고전압 전지의 개발은 고전압 전해액 소재의 기술 개발이 필수적이고 전기자동차 등 중대형전지의 고전압화에도 기여 가능
- 고전압 전해액 기술은 전기자동차향 전지팩 부피의 감소를 가능하게 하지만 전지의 성능 및 안전성 확보를 위한 개발 난이도가 높음.
- 본 과제 고전압 전해액 기술은 국내외 초기 개발 단계로서 해외수출 및 전해액 국산화를 통해 소재 원천 기술 확보 가능
- 본 과제 개발 기술은 5V급 고전압 양극 맞춤형 전해액 기술로서, 고전압전지의 고온성능 향상 등을 통해 국내 리튬이차전지 산업의 입지 강화 및 전기자동차 시장의 선점 가능
□ 리튬이차전지
ㅇ 10Ah급 파우치 전지는 LG화학에서 자체 개발, 국산화 한 전지 설계 및 조립 공정을 통해 제조함. 5V급 양극소재의 적용을 위해 고전압 구동이 가능한 전지 설계를 새로이 검토하였으며, 이에 기존의 파우치 전지와는 다른 양극 극판 조성 및 합제밀도가 적용됨. 고온 충방전 시 발생되는 가스는 솔브레인에서 제조한 전해액 및 파우치 전지 설계 최적화를 통해 개선, 상용화 가능성을 확인할 수 있었음. 전지자동차용 전지의 고에너지&고출력화에 따른 신규 모델 개발 시 핵심 소재가 될 수 있을 것으로 판단됨.
적용 분야
ㅇ 중대형 전지중에서 전기자동차(xEV)에 탑재되는 이차전지, 소형 모바일 IT 기기
* 전기자동차 : HEV, PHEV, EV 전원
ㅇ ESS 및 IT 고전압 전지 확대 적용
ㅇ 중/고출력 전지 응용 가능성
(단, Power tool 및 E-bike용 및 고온 저장 특성 개선이 전제조건임.)
(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
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