초록
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세부과제 : 전기자동차 적용을 위한 고율속 특성 및 고용량을 갖는 비리튬계 에너지 소재 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 리튬이온전지는 상용화된 이차전지 중 에너지밀도 측면에서 가장 우수하여 모...
세부과제 : 전기자동차 적용을 위한 고율속 특성 및 고용량을 갖는 비리튬계 에너지 소재 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 리튬이온전지는 상용화된 이차전지 중 에너지밀도 측면에서 가장 우수하여 모바일 기기 등의 소형 분야 뿐만 아니라 전기자동차 및 ESS용의 중대형 분야로 사용영역을 확대 중이지만, cost 절감이 쉽지 않아 가격 측면에서 대용량화에 한계가 있으며, 수명,출력 및 안전성에 있어 개선이 필요함
ㅇ 최근 전기자동차 및 ESS 시장의 급속한 성장으로 리튬의 수요가 급격히 증가할 것으로 전망되나, 리튬 자원은 특정국가에 분포하여 수요-공급의 불균형과 제한된 공급자에 의한 과도한 가격 상승 예측 및 자원 전쟁 가능성 대두
ㅇ 따라서, 본 연구과제에서는 자원적 한계를 지니는 리튬 계열의 에너지변환소재를 벗어나,이들의 대안이 될 수 있는 초저가, 고안전성, 고율속 및 장수명 특성을 갖는 대안적 에너지변환소재 원천기술을 연구/개발하고자 하며, 이러한 요건에 부합하는 에너지변환소재로서 소듐 및 알루미늄 이온기반 소재를 선정함.
ㅇ 소듐이온전지는 리튬 대신 소듐을 전극 내 삽입/탈리시켜 에너지를 저장하는 차세대 이차전지로 소듐은 자원이 무한하고, 가격이 저렴하며, 친환경적이어서 소듐이온전지가 대용량 분야에서 기존의 리튬이온전지 등을 대체할 수 있는 Breakthrough 기술임
ㅇ 소듐 및 알루미늄은 리튬에 비해 자원수급이 원활하고 1/10 정도로 저가이며, 소듐 이온 저장소자는 수계전해질에서 높은 율속특성 및 안전성을 확보할 수 있으며, 알루미늄 이온 저장소자는 3가의 알루미늄 이온과 알루미늄 금속의 높은 반응속도를 기반으로 높은 율속특성 및 에너지를 확보할 수 있으며, 알루미늄의 안정성으로부터 높은 안전성을 확보할 수 있음.
ㅇ 이차전지 등의 에너지저장기술은 스마트 그리드, 전기차 및 신재생에너지 등의 차세대 성장산업의 핵심기술로 중요성이 부각되고 있으며, 이와 관련하여 ESS 실증 및 보급 정책, 전기자동차 보급 정책 등 다양한 국가 정책 등이 최근 시행되고 있는 실정
ㅇ 세계 리튬 이차전지 시장은 전기차 및 에너지저장용 중대형 이차전지시장이 성장을 견인할 전망
ㅇ 국내·외 시장 규모 및 점유율 전망
( 출처 : 본론 Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 8p )
세부과제 : 3D 적층공정 기반 수요자 맞춤형 고집적 전원 원천기술 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
- 기존의 전지 및 슈퍼커패시터는 필름형태의 음극/분리막/양극을 포갠 후, 최종적으로 액체전해질을 주입하는 샌드위치 구조를 하고 있으나, 이러한 샌드위치 구조의 성능은 이론적 한계점에 다다르고 있으며, 이를 뛰어 넘기 위한 다양한 기술적 접근법이 제시되고 있으나 뚜렷한 성능개선은 어려운 상황임.
- Interdigital 구조의 3차원 전극은 전극의 구조 특성상 이온의 입출입이 손쉬워 이온과 전자의 이동거리를 최소화할 수 있어 용량과 고출력 특성 모두를 구현할 수 있는 차세대 전극으로 각광받아 왔으나, 그동안 적절한 공정기술의 부재로 인한 상용화에 어려움이 있었음.
- 기존의 roll-to-roll 방식의 전극 제작공정으로 layer-type 전극만을 생산 가능하며, interdigital electrode는 리소그래피 또는 잉크젯 프린팅, 스프레이 공정 방식으로 생산될 수 있으나, 고용량의 3차원 전극을 생산하기엔 어려움이 있음.
- 3D 프린팅 기술은 다양한 구조의 전극형성이 가능하여 3D 구조 전극의 구현과 이를 통한 고성능 전원 소자 제조에 대한 니즈를 충족시킬 수 있음.
- 특히, 3D 프린팅 공정은 우리가 일반적으로 쓰는 2차원 잉크젯 프린팅 방식과 유사하나 두께를 보장할 수 있다는 면에서 그 차이가 존재함. 이렇게 되면, 많은 시간이 소요되지 않아 수율 및 생산속도 면에 큰 이점이 생김
- 3D 프린팅 기술 기반의 고집적 전원 소자 개발에 대한 국내외 동향을 살펴보면, 미국 하버드 대학의 Jennifer A. Lewis 교수 연구팀이 2013년 3D 프린팅 기법을 활용한 리튬이차전지 제조에 관한 연구를 발표한 이후, 많은 관련 연구기관에서 3D 프린팅 기술을 활용한 에너지저장소자의 제조에 관한 다양한 기술적 검토가 진행 중임.
- 또한, 미국 Palo Alto Research Center는 2013년 공압출법(Co-extrusion)을 활용한 3D 구조 전극 제조방법을 개발하는 등 3D 이차전지 제조를 위한 연구 진행중.
- 국내에서는 ETRI, GS나노텍, KIST, UNIST、연세대학교 등에서 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅방식 등을 통한 2차원 박막형 이차전지에 대한 연구는 활발히 진행되고 있으나, 3D 프린팅 기술을 적용한 에너지변환/저장 소자의 제조에 대한 국내 연구는 전무한 실정임.
- 현재까지는 3D 프린팅 기술을 이용한 이차전지의 소재 및 제조기술에 대한 국내외 연구 수준이 매우 초기 단계이나, 최근 전기차 수요증가 및 소형화 전자기기에 사용되는 고용량 이차전지에 대한 연구개발이 증가하는 추세로, 이차전지의 소재 및 제조기술에 대한 향후 관심은 더욱 증대될 것으로 예상됨.
- 특히, 이차전지 제조공정의 간소화, 비용 절감 및 용도 맞춤형 고성능 이차전지 제작 등의 장점을 위해 3D 프린팅을 이용한 이차전지 제조기술의 연구 개발이 더욱 확대될 것으로 전망됨.
- 이에 더하여, 3D 프린팅 기술은 현재 2D 구조 기반 에너지 저장 소자가 갖는 한계점을 뛰어넘을수 있는 3D 구조의 차세대 에너지 저장 소자의 등장을 앞당길 것으로 기대되며, 지금까지 에너지 저장 소자의 성능 향상 및 디자인 다각화를 위한 다양한 기술적 접근 및 노력들을 통하여 개발된 기술들이 3D 프린팅 기술과 접목되어 새로운 핵심 원천 기술들을 창출할 수 있을 것으로 예상됨.
( 출처 : 본론 Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 38p )
