오토메이션월드-대한민국 1등 산업매거진 '자동화기술'

기술자료 KAIST, '음극재 없는 리튬전지' 구현 위한 음극집전체 구조 개발

헬로티 조상록 기자 | KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 음극재가 없는 고에너지밀도 리튬 배터리 구동을 위한 음극 집전체 구조를 개발하고, 그 작동원리를 규명했다. 음극재가 없는 리튬 전지(Anode-free Li battery)는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지의 많은 부피와 무게를 차지하는 흑연 음극재를 없앤 차세대 구조의 전지다. 대신에 음극 활물질을 저장해두는 구리 집전체만이 음극 부품으로 들어가며, 집전체 위에 높은 에너지밀도를 가지는 리튬 금속 형태로 에너지가 저장된다. 음극재가 없는 리튬 전지는 기존 리튬이온전지와 비교해 60% 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다는 점 때문에 산업계와 학계에서 활발하게 연구가 진행되고 있다. 하지만 리튬 이온이 흑연에 저장되지 않고 리튬 금속 형태로 음극에 저장될 경우, 리튬 금속의 수지상 성장으로 인해 지속적으로 비가역적인 리튬의 손실이 발생하며 충·방전 효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 발생한다. 또한, 반응성에 차이가 있는 구리와 리튬 사이에 미세전류가 흐르면서 리튬의 부식과 동시에 구리 표면에서 전해액이 분해되는 '갈바닉 부식(Galvanic corrosion)'이 발생한다
- 조상록 기자
- 2021-10-07 18:15
일반뉴스 리튬금속전지용 고효율 리튬 저장 기술 개발돼...저장용량 10배↑

헬로티 이동재 기자 | 한국전기연구원(이하 KERI) 차세대전지연구센터 김병곤 박사가 리튬금속전지용 고효율 리튬 저장 기술을 개발했다. 관련 논문은 저명 국제학술지에 게재됐다. 기존 리튬이온전지는 흑연으로 이루어진 음극에 리튬 이온을 삽입해 에너지를 내는 구조로, 스마트폰과 노트북 등 전자기기의 전력원으로 널리 사용되어 왔지만, 흑연 자체의 무게와 부피로 인해 높은 저장 에너지를 확보하는 데에 한계를 가지고 있었다. ‘리튬금속전지’는 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 전지다. 리튬금속 음극은 기존 흑연(372mAh/g) 음극과 비교해 이론상 저장용량이 10배 이상(3860mAh/g) 높아 전기차 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 하지만 리튬금속 역시 충·방전을 거듭할수록 나뭇가지 모양의 수지상 결정이 형성되어 부피가 커지고, 전지의 수명 저하와 화재·폭발 등의 위험성으로 이어진다는 치명적인 문제를 가지고 있다. KERI 김병곤 박사는 리튬 친화성 물질인 ‘금’ 나노 입자가 내부에 소량(무게 비 1%) 포함된 ‘코어-쉘(Core-Shell)’ 구조의 ‘탄소 나노 파이버’를 제작했고, 코어 내부에 리튬을 선택적으로 저장함으로써 리튬 전·탈
- 이동재 기자
- 2021-09-13 14:08
일반뉴스 KETI, 황화물계 전고체전지 소재 기술 개발...“유해가스 발생 1/3 수준”

헬로티 이동재 기자 | 한국전자기술연구원(이하 KETI)은 전고체전지 핵심 소재인 황화물계 고체전해질의 황화수소 가스 발생량을 저감하는 소재 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 전고체전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이를 채우고 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지로서, 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지에 비해 에너지 밀도가 높아 차세대 전지로 주목받고 있다. 고체전해질을 구성하는 핵심 소재로는 폴리머·황화물·산화물 등이 있지만, 그중에서도 연성이 크고 이온 전도도가 높은 황화물계 고체전해질이 고용량 대형 전지 제조에 적합한 것으로 평가받는다. KETI 차세대전지연구센터에서 개발한 소재 기술은 고체전해질에 제올라이트 나노입자를 소량 첨가·합성함으로써 황화수소 발생을 감소시키는 것이 핵심으로, 대기 내 수분과 황화수소 가스를 동시에 흡착하는 제올라이트의 특성을 활용했다. 황화물계 고체전해질은 수분에 대한 반응성이 높아 유해가스인 황화수소가 발생한다는 단점이 있고, 결국 전지 성능 저하 및 전지 제조 공정에서 취급을 어렵게 하는 걸림돌로 작용해왔다. 본 기술을 적용하면 대기 노출 시에도 황화수소 발생량이 1/3 수준으로 감소되어 전해질 소재의 열화를
- 이동재 기자
- 2021-08-12 10:16
일반뉴스 ETRI, 고체 전해질 없는 새로운 이차전지용 양극 개발

헬로티 함수미 기자 | 국내 연구진이 지난해 새로운 전고체(All-Solid-State) 이차전지용 음극 구조를 개발한 데 이어 양극 구조까지 개발하는 데 성공했다. 본 기술은 안전하면서도 성능이 높은 전고체 이차전지를 구현하는 데 큰 도움이 될 전망이다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 고체 전해질 없이 활물질로 이황화티타늄(TiS2)만을 사용해 양극을 구성하는 새로운 전극 구조를 개발했다고 밝혔다. 본 성과는 지난달 '에너지 스토리지 머티리얼즈' 학술지에 온라인으로 등재되며 우수성을 입증받았다. 전고체 이차전지는 배터리에서 이온을 전달하는 전해질로 고체를 적용한 차세대 전지다. 고체 전해질은 가연성이 있는 액체 전해질보다 화재로부터 안전하다. 또한, 리튬이온전지에서는 구현이 불가한 바이폴라형 이차전지를 만들 수 있어 에너지 밀도 향상에도 유리하다. 전고체 이차전지의 양극은 주로 전자 전도를 담당하는 도전재, 이온 전도를 담당하는 고체 전해질, 에너지 저장을 담당하는 활물질, 그리고 이들을 물리적, 화학적으로 잡아주는 바인더로 구성된다. 전극 안에서 리튬이온이 원활하게 이동하도록 만들기 위해서는 고체 전해질이 꼭 필요했다. 하지만 고체 전해질 구성비가 늘어나
- 함수미 기자
- 2021-07-13 09:52
일반뉴스 화재 없는 이차전지 핵심소재 ‘바나듐 전해액’ 대량생산 촉매반응 시스템 개발돼

[헬로티] 생산 속도 높이고 생산 비용은 낮춰 전해액 가격 혁신적으로 낮출 수 있어 연구팀 “기존 리튬배터리 대체할 이차전지 핵심 소재기술” ▲에너지연 에너지소재연구실이 자체개발한 40LPH급 대용량/고순도 바나듐 전해액 제조용 촉매반응 시스템 (출처 : 한국에너지기술연구원) 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실의 이신근 박사 연구진이 차세대 에너지저장장치(ESS)로 주목받는 바나듐(Vanadium) 레독스 흐름전지의 핵심 소재인 바나듐 전해액 대량생산이 가능한 촉매반응 시스템 개발에 성공했다고 21일 밝혔다. 정부의 ‘재생에너지 3020’과, ‘그린뉴딜’ 정책에 따라 풍력, 태양광 등 신재생에너지가 발전시장에서 차지하는 비중이 커지고 있다. 이에 따라 출력의 안정화와 발전 효율 제고 측면에서 ESS의 중요성은 커지고 있으며, 신재생에너지로의 전환에 있어 중요한 연결고리 역할을 수행할 핵심 인프라로 주목받고 있다. 현재 가장 널리 이용되는 ESS기술은 리튬이온전지로, 리튬기반 대용량 에너지저장장치는 저장 용량이 높지만 발화사고가 빈번하게 발생한다. 이를 극복하기 위해 물 성분의 수계 전해질을 이용
- 이동재 기자
- 2021-01-22 15:25
일반뉴스 [Report T] 한전, 가격은 Down 안전은 Up 시킨 차세대 이차전지 개발

[첨단 헬로티 = 김동원 기자] 한국전력(대표이사 사장 김종갑)은 리튬이온전지보다 안전하면서도 가격은 절반 수준인 차세대 이차전지 개발에 성공했다고 밝혔다. 한전의 차세대 이차전지는 기존 리튬이온전지 대비 가격은 절반에 불과하면서 안전성이 높아 고가의 리튬이온전지로 어려움을 겪는 국내 업체에 도움이 될 것으로 기대된다. 한전 전력연구원 관계자는 “태양광, 풍력 등 날씨의 영향을 받는 신재생에너지의 확대를 위해서는 대용량 ESS 구축이 필수적이다”라며 “한전의 차세대 이차전지는 ESS 구축 비용을 절반 수준으로 낮출 수 있어 국내 ESS 활성화를 통한 신재생에너지 확대에 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. # 이차전지란? 전지는 한번 쓰고 버리는 건전지와 같은 일차전지와 충전해서 다시 쓸 수 있는 이차전지로 분류된다. 이차전지는 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어낸다. # 한전의 차세대 이차전지를 개발한 이유는? 현재 납축전지보다 유해물질 배출이 적고 충·전이 반복될수록 전지 용량이 감소하지 않으며 에너지밀도가 높은 리튬이온전지가 많이 사용되고 있다. 하지
- 김동원 기자
- 2020-05-07 10:59
일반뉴스 KCFT, 2차전지용 전지박 장기공급계약 체결

▲KCFT가 국내 글로벌 배터리 제조업체와 약 8천억 원 규모의 2차전지용 전지박 장기공급계약을 체결했다. 사진은 김영태 KCFT 대표이사 [첨단 헬로티] 총 8천억 원 규모로 2022년까지 2차전지용 전지박 공급 지난 10일, 케이씨에프테크놀로지스(이하 KCFT)가 국내 글로벌 배터리 제조업체와 약 8천억 원 규모의 2차전지용 전지박 장기공급계약을 체결했다고 밝혔다. 해당 계약은 지난 11월 체결돼 오는 2019년부터 2022년까지 총 4년간 지속되며, 정확한 계약 물량 및 계약 상대방 등 세부 계약내역은 공개되지 않았다. KCFT는 LS엠트론으로부터 이동박/박막사업부를 인수해 설립한 동박제조사로, 기술적 난이도가 높은 6㎛ 이하의 극박 전지박 양산 기술 및 광폭, 장척화 기술 등 분야에서 최고의 품질을 인정 받았다. KCFT는 한국, 일본, 중국 등 전세계 주요 배터리 제조업체에 전지박을 납품하며, 전지박 세계시장에서 점유율 1위를 유지하고 있다. ▲KCFT 동박 제품 라인업 KCFT의 최첨단 기술력을 통해 생산된 동박은 리튬이온전지의 음극집전체로 사용되며, 독자적인 도금 Recipe 기술을 활용해 배터리 제조업체의 필요에 부합하는 다양한 물성의 동박을
- 서재창 기자
- 2018-12-11 10:08
일반뉴스 KIST, 리튬이온전지의 2배 이상 효율을 갖는 리튬금속-이온전지 개발

[첨단 헬로티] 드론·자율주행차·무인잠수정 등 무인이동체 산업에 응용 기대 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 조원일 박사팀에서 현재 스마트폰이나 노트북에 쓰이는 리튬이온전지의 에너지밀도를 2배 이상 상회하고, 1,200회 이상 충·방전해도 초기 대비 80% 이상의 성능이 유지되는 리튬금속-이온전지를 개발하였다. ▲ LBS 코팅 기술을 이용한 Langmuir-Blodgett Artificial Solid-Electrolyte Interphase(LBASEI) 제조와 리튬이 LBASEI를 통해 안정하게 도금되는 개념도 이번 연구는 리튬금속 표면에 인조 보호막을 덧입혀 전지의 성능과 안정성을 높인 것으로, 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy), IF(46.859)’ 9월 25일자 온라인판에 게재되었다. 리튬금속-이온전지는 리튬이온전지의 흑연 음극을 리튬금속으로 대체한 전지로, 리튬이온전지보다 이론상 에너지용량이 10배 이상 커서 차세대 전지시스템으로 주목받고 있는 기술이지만, 리튬금속의 높은 반응성 때문에 금속표면에서 덴드라이트(dendrite)가 생성되면서 전지의 폭발을 유발하
- 김진희 기자
- 2018-11-06 23:46
일반뉴스 KIST, 리튬금속-이온전지 개발..."리튬이온전지의 2배 이상 효율을 갖는다"

[첨단 헬로티] 드론‧자율주행차‧무인잠수정 등 무인이동체 산업에 응용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 조원일 박사팀에서 현재 스마트폰이나 노트북에 쓰이는 리튬이온전지의 에너지밀도를 2배 이상 상회하고, 1,200회 이상 충‧방전해도 초기 대비 80% 이상의 성능이 유지되는 리튬금속-이온전지를 개발하였다. 이번 연구는 리튬금속 표면에 인조 보호막을 덧입혀 전지의 성능과 안정성을 높인 것으로, 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy), IF(46.859)’ 9월 25일자 온라인판에 게재되었다. 인조 보호막은 인공 고체-전해질 계면상((Artificial Solid-Electrolyte Interphase)으로 각 전극과 전해액 사이에 일어나는 반응을 제어하기 위하여 양극 혹은 음극 표면에 인위적으로 만들어준 수∼수천 나노미터 두께의 얇은 층을 말한다. 리튬금속-이온전지는 리튬이온전지의 흑연 음극을 리튬금속으로 대체한 전지로, 리튬이온전지보다 이론상 에너지용량이 10배 이상 커서 차세대 전지시스템으로 주목받고 있는 기술이지만, 리튬금속의 높은 반응성 때문에 금
- 김진희 기자
- 2018-09-30 16:12
일반뉴스 KERI, 리튬이온전지용 고용량 복합 음극재 상용 기술 개발

[첨단 헬로티] 친환경 전기차 등에 사용되는 리튬이온전지 주요 소재인 실리콘의 단점을 보완한 리튬이온전지용 고용량 복합 음극재 상용 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국전기연구원(KERI)은 최근 자체 정부출연금사업을 통해 ‘리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발했다고 밝혔다. ▲ 기술 개발을 이끈 정승열 책임(왼쪽)과 이건웅 본부장 현재 리튬이온전지의 차세대 음극재로 대두되고 있는 소재는 실리콘이다. 실리콘은 흑연보다 약 10배 이상의 이론 에너지 밀도를 가지고 있지만, 전기 전도도가 매우 낮고 충전과 방전을 반복하면 4배 정도 부피가 팽창한다. 심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨져 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제도 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이를 극복하기 위해 실리콘과 다양한 소재의 복합화에 관한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다. KERI 연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘그래핀’에 주목했다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 우수하며, 전기 화학적으로 안정하여 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지
- 임근난 기자
- 2018-08-31 16:41
일반뉴스 KERI, 실리콘 단점 보완한 리튬이온전지용 고용량 복합 음극재 상용 기술 개발

[첨단 헬로티] 친환경 전기차 등에 사용되는 리튬이온전지의 주요 소재인 ‘실리콘(Si)’의 단점을 보완하면서, 저렴한 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능한 획기적인 복합 음극재 제조기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 과학기술정보통신부 산하 전기전문 연구기관인 한국전기연구원(이하 KERI, 원장 최규하)은 최근 자체 정부출연금사업을 통해 ‘리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발했다고 밝혔다. KERI에서 재료·소재 연구를 맡는 창의원천연구본부의 나노융합기술연구센터(이건웅 책임, 정승열 책임, 박종환 선임)와 전지연구센터(김익준 책임, 양선혜 선임)가 공동으로 주관했다. 현재 리튬이온전지의 차세대 음극재로 대두되고 있는 소재는 실리콘이다. 실리콘은 흑연보다 약 10배 이상의 이론 에너지 밀도를 가지고 있지만, 전기 전도도가 매우 낮고 충전과 방전을 반복하면 4배 정도 부피가 팽창한다. 심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨져 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제도 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이를 극복하기 위해 실리콘과 다양한 소재의 복합화에 관한 연
- 김동원 기자
- 2018-08-30 13:38
일반뉴스 ‘전기자동차 주행거리’ 늘리는 신소재 기술 개발됐다

[첨단 헬로티] 4차 산업혁명이 대두되며 전기자동차나 각종 전자기기 가동을 위한 에너지저장원으로서 리튬이온전지 산업이 주목받고 있는 가운데, 신소재를 통한 에너지 용량 극대화로 전지의 제조가격을 낮추고 효율을 높이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국에너지기술연구원(원장 곽병성, 이하 ‘에너지연’) 장보윤 박사 연구진은 나노기술을 기반으로 하는 리튬이온전지 음극 소재인 산화규소(SiOx) 나노분말 제조기술과 노하우를 개발하는데 성공하고 2017년 말, 국내 중소기업에 기술이전 계약을 체결했다. 연구원에서 개발한 기술을 이용해 제조된 산화규소(SiOx) 나노분말에는 리튬과의 반응성이 높은 실리콘(Si)이 포함돼있다. 이를 리튬이온전지에 적용하면 현재 주로 사용되고 있는 흑연 음극재에 비해 에너지 용량을 4배가량 높일 수 있다. 규소는 상압 조건에서 산화 반응을 제어하기 어렵기 때문에 진공 상태에서 합성하는 것이 일반적이며 제조가격도 비싼 편이다. 이에 비해, 에너지연에서 개발한 제조 기술은 합성반응영역을 진공 상태와 흡사하게 만들어 상압 조건에서도 합성할 수 있게끔 설계됐다. 또한, 제조 시 킬로그램당 2~3달러 정도의 저가 규소원
- 김혜숙 기자
- 2018-03-08 16:55
일반뉴스 초고속 충방전 가능한 전기자동차용 배터리 신소재 개발

ⓒGetty images Bank [첨단 헬로티] 친환경 전기자동차가 주목을 받으면서 동력원인 리튬이온전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 것에 높은 관심이 모아졌다. 빠른 충전 속도가 가능하고 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력, 장수명의 전지를 개발하는 데 관심이 모아지고 있다. 최근 국내 연구진이 고용량 및 고출력 특성의 새로운 양극(+)재를 개발하여 전기자동차(EVs) 배터리 성능을 향상시킨 결과를 발표해 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 오시형 박사 연구팀이 서울대학교 최장욱 교수 연구진과의 공동연구를 통해 고용량 배터리의 양극재로 사용되는 과리튬망간 전이금속 산화물(LMR, Lithium- and Manganese-Rich nickel-cobalt-man ganese oxide) 소재에 나노미터 크기의 고이온전도성 표면층을 생성하여 표면 열화 현상을 극복한 새로운 양극재 개발에 성공했다. 차세대 양극재로 주목받고 있는 LMR 소재는 여타 상용화 양극재보다 에너지밀도가 높고 안전한 소재이다. 하지만 충·방전 간 결정구조가 불안정해지는 현상으로 인해 상용화 적용에는 한계를 가지고 있었다.
- 김혜숙 기자
- 2017-12-06 16:20
일반뉴스 삼성전자, 충전 속도 5배 빠른 배터리 원천 기술 확보

[첨단 헬로티] 삼성전자 종합기술원(손인혁․두석광 연구팀)이 기존 리튬이온전지보다 충전용량은 45% 향상시키면서 충전속도를 5배 이상 빠르게 만들 수 있는 배터리 소재 ‘그래핀 볼’ 개발에 성공했다. 기존 배터리는 고속충전 기술을 사용하더라도 완전충전에 1시간 가까이 걸렸지만, ‘그래핀 볼’ 소재를 사용한 배터리는 12분이면 완전히 충전할 수 있다. 또한 전기차용 배터리가 요구하는 온도 기준인 60℃까지 안정성을 유지할 수 있다. 이와 관련한 연구성과는 최근 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인에 ‘그래핀 볼을 이용한 고속충전 및 고용량 리튬이온전지 구현’이라는 제목으로 게재됐다. 삼성전자 종합기술원은 강도와 전도도가 높은 그래핀을 배터리에 적용하는 방법을 찾다가, 저렴한 실리카(SiO2)를 이용해 그래핀을 마치 팝콘 같은 3차원 입체 형태로 대량 합성하는 매커니즘을 규명했다. 이 ‘그래핀 볼’을 리튬이온전지의 양극 보호막과 음극 소재로 활용했더니 충전용량이 늘어나고, 충전시간을 단축하는 것은 물론 고온 안전성까지 모두 만족시키는 결과가
- 김정아 기자
- 2017-11-27 13:38
일반뉴스 컴퓨터 시뮬레이션 기술로 전지의 화학반응 예측한다

▲ 리튬이온배터리 실리콘 전극 표면에 계면막(SEI)이 생성되는 과정을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 기술 [첨단 헬로티] 리튬이온전지는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는 데 유리해 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있다. 리튬이온전지는 충방전을 거듭할수록 전극 표면에서 산화·환원 반응을 통해 전극-전해질 계면막(SEI, Solid-Electrolyte Interphase)이 형성되어 적층되는데 이것이 전지의 성능을 저하시킨다. 최근 국내 연구진이 이러한 전지의 계면현상을 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 나노 단위에서 전극의 계면반응을 빠르게 예측할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터 한상수 박사 연구팀은 ‘리액티브 포스 필드’(ReaxFF, Reactive Force Field)라는 자체 개발한 시뮬레이션 기술을 통해 실리콘(Si) 전극과 다양한 종류의 전해질 간의 화학반응을 예측할 수 있는 소프트웨어(S/W)를 개발함으로써, 화학반응 중에 생성되는 다양한 계면막 구성성분(유·무기화합물) 및 가스 생성 메커니즘을 규명하고
- 김혜숙 기자
- 2017-07-11 17:04

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# 리튬이온전지

기술자료 KAIST, '음극재 없는 리튬전지' 구현 위한 음극집전체 구조 개발

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일반뉴스 KIST, 리튬이온전지의 2배 이상 효율을 갖는 리튬금속-이온전지 개발

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