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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국전지연구조합 |
---|---|
연구책임자 | 구회진 |
참여연구자 | 이상익 , 이동렬 , 김익준 , 유지상 , 이영석 , 박수진 , 김학모 , 김성민 , 강석기 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2014-03 |
과제시작연도 | 2013 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
연구관리전문기관 | 한국산업기술평가관리원 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology |
등록번호 | TRKO201600017382 |
과제고유번호 | 1415131576 |
사업명 | 전자정보디바이스산업원천기술개발 |
DB 구축일자 | 2017-09-20 |
키워드 | 고용량 활성탄.고출력 음극소재.리튬이온 커패시터.Li-pre doping. |
□ 최종목표
□ 양극활 물질
ㅇ 방전 비용량 : 65 mAh/g @ 0.2C, 방전 율특성 : 70% @ 30C , 메조기공율 : 90nm, 활성탄 비표면적 : 1,500㎡/g
□ 음극탄소 소재
ㅇ 방전 비용량 : 170mAh/g @ 0.2C, 방전 율특성 : 75% @ 30C, 평균입도 : 7um, 층간거리 : 0.365nm,
□ Li pre-doping
ㅇ Li pre-doping량 : 450mAh/g
ㅇ Li-doped 음극 전위 : <0.01V vs. Li/Li+(3전
□ 최종목표
□ 양극활 물질
ㅇ 방전 비용량 : 65 mAh/g @ 0.2C, 방전 율특성 : 70% @ 30C , 메조기공율 : 90nm, 활성탄 비표면적 : 1,500㎡/g
□ 음극탄소 소재
ㅇ 방전 비용량 : 170mAh/g @ 0.2C, 방전 율특성 : 75% @ 30C, 평균입도 : 7um, 층간거리 : 0.365nm,
□ Li pre-doping
ㅇ Li pre-doping량 : 450mAh/g
ㅇ Li-doped 음극 전위 : <0.01V vs. Li/Li+(3전극 기준)
□ Pouch형 리튬이온 커패시터
□ Radial형 리튬이온 커패시터
□ 리튬이온 커패시터 적용(상용화) 기술개발
ㅇ 리튬이온 커패시터를 차량용영상기록장치(일명 블랙박스)에 적용여부 검토
ㅇ LIC를 적용한 회로설계 및 시험용 시료 제작(3회)
ㅇ 연구장비를 활용한 시험 수행 및 결과 분석
- 진동시험 : 내외관검사/8시간, 온도시험 : -20~70도/24시간,전원단속시험 : 100회반복(100%)
ㅇ LIC를 적용한 충전식 하이패스 개발
□ 개발내용 및 결과
< 1 단 계 >
□ 고용량 양극 활물질 개발
ㅇ 방전 비용량: 55mAh/g, 메조 기공율: 80nm,활성탄 비표면적: 2,000㎡/g, 율특성: 60%
ㅇ 고용량 활성탄 제조기술 개발
ㅇ LIC 양극용 나노 금속산화물 소재 합성
□ 고출력 음극 탄소소재 개발
ㅇ 평균입도 : 20um, 층간거리 : 0.345nm,방전비용량 : 120mAh/g, 방전율특성 : 65%
ㅇ 탄소전구체 스크리닝을 통해 석유계 탄소전구체 최종 선정,불순물 제어기술 개발, 고출력 음극재 평가 및 분석기술 개발
ㅇ 나노 공간 제어 기술 통해 출력과 나노공간과의 상관관계 규명, 탄소재의 결정화도 제어와 열처리 온도 최적화를 통해 전기전도도 제어 기술 개발
□ Li pre-doping 기술
ㅇ Li pre-doping 조건 기술 확보
- Li-doping 용량 : 455 mAh/g
- Li-doped 탄소전극 전위: <0.01V vs. Li/Li+ (3전극 기준)
ㅇ Li pre-doping 평가기술 확보
- 각 음극의 Li pre-doping 분석을 위한 스콜피온 LIC 제조 및 평가기술 확보
ㅇ Pouch type Li pre-doping 기술
- 양/음극의 적층 셀의 양쪽 최외곽면에 Li foil을 배치하여 formation 과정에서 Li 이온을 도핑시키는 기술
ㅇ Radial type Li pre-doping 기술
- 양/음극의 권취 셀의 최내외곽 원주에 Li foil을 배치하여 formation 과정에서 Li 이온을 도핑시키는 기술
□ Pouch형 리튬이온커패시터 개발
ㅇ 전압 : 3.8V, 에너지밀도 : 20Wh/kg(30Wh/L), 출력밀도 : 1,200W/L(@25℃), 충방전 cycle : 200,000회, 사용온도 : -20℃~70℃
□ LIC용 전해액 최적화 연구(전품연)
ㅇ 전해액 조성별 산화/환원 전위 분석을 통하여 EC:DMC (3:7),EC:DMC:DEC(3:5:2) 조성을 최적 조성으로 선정
< 2 단 계 >
□ 고용량 양극 활물질 개발
ㅇ 방전 비용량: 65mAh/g, 메조 기공율: 90nm,활성탄 비표면적: 1,500㎡/g, 율특성: 70%
□ 고출력 음극 탄소소재 개발
ㅇ 평균입도 : 7um, 층간거리 : 0.365nm,방전비용량 : 160mAh/g, 방전율특성 : 73%, 제조수율 : 70%
ㅇ 탄소층간구조 제어기술 개발을 통해 출력과 층간구조 간의 상관관계 도출 및 최적화
ㅇ 준양산 공정 기술 개발(분쇄, 열처리, scale-up 제조 기술)
□ Li pre-doping 기술 개발
ㅇ Pouch cell용 Li pre-doping 시스템 기술 연구
ㅇ Li-doped 전극의 전기화학적 특성
ㅇ Li doping 용량 : 400 mAh/g
ㅇ Li-doped 탄소 전극 전위 : <0.03V vs. Li/Li+ (3전극 기준)
□ 양극/음극/전해액 등 구성요소 최적화 기술 개발
ㅇ 분리막 종류(셀룰로즈 및 PE)에 따른 LIC 성능평가
: PE분리막 적용시 수명 향상
ㅇ 저온 성능 향상을 위한 LIC 저항 모델 수립 및 전해액 용매적용 : EA 적용시 저온 개선 확인
ㅇ 고에너지 밀도화를 위한 전극조성 확립 : 300C에서 47% 효율 확보
ㅇ 전도성 고분자의 음극 적용을 통한 수명 및 고율 특성 개선
: 음극의 급속 충전 특성 개선을 통한 장기 수명 특성 개선
□ Pouch형 리튬이온커패시터 개발
ㅇ 전압 : 4.0V, 에너지밀도 : 30Wh/kg(42Wh/L), 출력밀도 : 1,400W/L(@25℃), 충방전 cycle : 300,000회, 사용온도 : -30℃~70℃, 고온부하특성 : 70%(@70℃, 1,000hr)
□ Radial형 리튬이온 커패시터 개발
ㅇ 전압 : 4.0V, 에너지밀도 : 28Wh/kg(34Wh/L), 출력밀도 : 1,100W/L(@25℃), 충방전 cycle : 300,000회, 사용온도 : -30℃~70℃, 고온부하특성 : 80%(@70℃, 1,000hr)
< 3 단 계 >
□ 고출력 음극 탄소소재 개발
ㅇ 평균입도 : 7um, 층간거리 : 0.365nm,방전비용량 : 170mAh/g, 방전율특성 : 75%, 제조수율 : 85%
ㅇ 단위공정 최적화를 통해 mass effect에 의한 특성 변화 제어 및 신뢰성 확보
□ Li pre-doping 기술 개발
ㅇ 대면적 Li-doped 탄소 전극 제조공정 연구
ㅇ Li doping 용량 : 450 mAh/g
ㅇ Li-doped 탄소 전극 전위 : <0.01V vs. Li/Li+ (3전극 기준)
□ 저온 성능 향상을 위한 EP계 용매 적용 및 개선 (전품연)
ㅇ –30oC에서 80% 효율의 전해질 조성 확보 (EC/EP=3:7)
□ Pouch형 리튬이온 커패시터 개발
ㅇ 전압 : 4.0V, 에너지밀도 : 35Wh/kg(50Wh/L), 출력밀도 : 1,500W/L(@25℃), 충방전 cycle : 400,000회, 사용온도 : -30℃~70℃, 고온부하특성 : 80%(@70℃, 1,000hr)
□ Radial형 리튬이온 커패시터 개발
ㅇ 전압 : 4.0V, 에너지밀도 : 32Wh/kg(40Wh/L), 출력밀도 : 1,300W/L(@25℃), 충방전 cycle : 350,000회, 사용온도 : -30℃~70℃, 고온부하특성 : 80%(@70℃, 1,000hr)
□ 리튬이온 커패시터 적용(상용화) 기술개발
ㅇ LIC를 적용한 회로설계 및 시험용 시료 제작(3회) 완료
ㅇ 연구장비를 활용한 시험 수행 및 결과 분석 완료(진동, 온도,전원 단속시험 모두 적합, 외부기관 시험성적서 포함)
ㅇ LIC 충전회로 개발 (하이패스)
ㅇ 시제품 제작, 성능 시험 및 내환경 시험 (하이패스)
□ 기술개발 배경
□ 최근 활발한 연구가 진행되고 있는 능동형 전파식별기 (RFID) 및 유비쿼터스 센서네트워크 (USN) 기술은 가까운 미래 유비쿼터스의 시대의 핵심 산업으로 성장이 예상됨. 이러한 RFID 태그 및 USN용 센서 노드의 구동을 위해서는 태그나 센서 노드의 속성에 적합한 소형, 경량의 새로운 전기에너지 저장장치의 확보가 필수적임
□ 유비쿼터스용 전자제품군 (Bluetooth, Wireless LAN, GPS,ZigBee, UWB 등)의 구동에는 높은 펄스 파워, 높은 에너지밀도 및 10년 이상 장수명 특성의 소형 전기에너지 저장 기기가 요구됨. 현 기술 수준의 리튬이온전지와 초고용량 커패시터는 각각 상기 특성을 충족시키지 못하는 것으로 평가됨(*GPS : Global Positioning System, UWB : Ultra Wide Band,ZigBee : High level communication protocols )
□ IT 분야의 유비쿼터스용 전자제품군의 구동용 전기에너지원으로 초고용량 커패시터의 고출력 및 장수명 특성과 리튬이온 전지의 고에너지밀도 특성의 장점을 결합한 새로운 개념의 전기에너지 저장 장치인 리튬이온 커패시터의 개발이 필요하며, 동시에 이의 핵심 전극 소재 및 전극 관련 핵심 기술 개발이 요구됨
□ 핵심개발 기술의 의의
□ 일본에서 리튬이온커패시터가 개발된 이후 한국은 2009년부터 개발을 시작한 이후 2014년 현재 에너지밀도, 출력 밀도, 사이클 수명 특성 등 모든 성능 특성이 업그레이드 되었음
□ 따라서, 본 사업을 통해 개발된 리튬이온커패시터의 성능 수준은 세계 최고 수준임
□ 또한, 리튬이온커패시터 셀을 구성하고 있는 양극 소재, 음극소재, 전해액은 모두 국산화가 완료되었으며 산학연 컨소시엄으로 구성된 본 사업의 국내기술을 융합, 100% 국산형 리튬이온커패시터 개발함
□ 세계 최고 수준의 국산 리튬이온커패시터 제조 기술은 향후 기술수출 가능성이 매우 높음
□ 기존에 소형 IT 및 가전 기기에 적용되어 오던 커패시터를 LIC로 대체함에 따라 더 높아진 에너지 밀도, 고온/저온 부하, 사용수명의 증가 등으로 인해 사용편의 및 효율 증가 가능하며 적용분야가 확대됨
□ Li pre-doping 기술
ㅇ Pouch type LIC용 Li pre-doping 기술은 국내에서 처음 개발되었으며, Li pre-doping을 위한 최적의 전극기술과 Li 이온들의 연속적인 penetration을 위한 집전체와의 상관관계 규명
ㅇ Radial type LIC용 Li pre-doping 기술은 국내에서 처음이자 해외 선진사와 차별화되는 방식을 채택, 독자특허 확보f를 통한 기술경쟁력 확보
□ 상용화 기술개발
ㅇ 하이패스 모델 중 태양열 충전 타입 제품에 선적용
ㅇ 향후 충전식 모델 전체로 확대하여 제품 수출 추진
ㅇ 모바일기기의 보조 전원 등 새로운 제품 적용, 매출증대
□ 적용 분야
□ 고속 충전용 소형 이차전지에 활용 가능
□ xEV용 중대형 이차전지에 활용 가능
□ UPS 및 전압저하 보조장치
□ 유비쿼터스용 리튬이온커패시터의 고출력 음극 탄소소재로 활용
(군사용/통신용/모바일 IT용 등)
( 출처 : 초록 )
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