▲ <표면개질 기술 모식도>.

■기술 개요

○ 최근 이차전지 산업 분야 중에서 가장 크게 성장하고 있는 리튬이차전지에 사용되는 양극소재 표면에 산화물계를 적용 개질하여 성능 및 열안정성 향상하는 기술

○ 양극소재는 리튬이차전지의 재료 비중 30% 이상을 차지하는 핵심소재로 향후 전지시장 성장과 더불어 소재 부분에서 가정 큰 수혜를 얻을 분야임

○ 리튬이차전지에 사용되는 양극 활물지로는 리튬 전이금속산화물이 주로 사용되고 있으며, 코발트계 (LiCoO2), 니켈계 (LiNiO2) 및 코발트, 니켈, 망간이 공존하는 삼성분계 (LiNixCoyMnzO2, x+y+z=1) 등의 층상 구조를 가지는 층상계 리튬 전이금속산화물이 90% 이상 사용되고 있음

○ 최근 리튬이차전지의 적용 분야가 모바일용 소형 기기에서 전기자동차 (EV, HEV, PHEV)와 전력저장용등에 적용하고자 하는 수요가 크게 증가하고 있는 추세임. 특히 전기자동차의 동력 전원으로 리튬이차전지를 적용시키기 위해서는 높은 에너지 밀도가 요구되며, 이러한 요구를 맞추기 위해서 삼성분계의 양극소재의 전이금속 비율 중 Ni 함량을 50% 이상으로 높인 Ni-rich 양극소재가 주목받고 있음

○ 삼성분계 양극소재의 Ni의 비율이 증가하게 되면 양극과 전해액 반응으로 인한 니켈 용출에 의한 전지 특성 열화, 구조적 안정성 및 화학적 안정성이 떨어져 양극의 열안정성 저하가 심각한 문제점으로 지적되고 있음

○ 따라서, 니켈의 함량이 높은 Ni-rich 양극소재의 경우에는 양극 활물질과 전해액의 직접적인 접촉으로 인한 부반응에 기인하는 전지 특성의 열화와 열안정성의 문제를 해결함으로써, 고용량화에 적합하며 고온 안정성 문제를 해결할 수 있는 양극소재의 개발이 절실히 요구됨

○ 양극소재 표면개질 기술은 양극재의 표면에 이종의 물질을 코팅시켜 양극과 전해액의 직접적인 접촉을 막아주며, 양극/전해액 계면반응을 제어함으로서, 양극의 전기화학특성을 코팅전과 비교하여 동일 수준 이상으로 확보함과 동시에 효과적인 열안정성의 개선을 달성할 수 있는 기술임

○ 이러한 양극소재 표면개질 기술의 핵심은 표면 개질물질의 설계와 표면개질물질을 대상체 표면에 고르게 분산시켜 코팅시키는 기술임

○ 층상계 Ni-rich 양극소재 (Ni함량 50%)의 열안정성 향상을 위한 표면개질 물질로 산화물중 하나를 선정하였으며, 개발품이 적용된 양극소재의 전기화학특성 확보와 동시에 열안정성 개선을 확인함

○ 개발품을 양극소재 표면에 고르게 분산시키는 표면개질 공정 확보함

○ 양산 공정에 적용 가능한 개질공정을 Lab scale에서 확보하였으며, Pilot scacle 에 적용 가능 예상함

○ 해당 기술에 대하여 국내 특허 출원 완료 및 PCT 진행 중 (2월중 출원예정)

○ 소형 모바일 IT용 뿐 아니라 전기자동차 (xEV) 및 전력저장용 시설 등과 같은 중대형 리튬이차전지용 양극소재로서도 우수한 성능을 발현하여, 국내 양극소재 산업기반을 더욱 든든히 하는데 기여할 것으로 기대 됨

■ 기술 구현 수준
Lab

■ 기술의 장점 (경쟁기술과의 차별성)

○ Ni-rich 양극재의 표면개질 물질로서, 산화물A 를 적용하였으며, 개질 전 소재와 비교하여 산화물A 코팅이 열안정성 개선에 효과적임을 증명함

○ 양산공정에도 적용이 용이한 공정을 적용 함

○ 본 기술 적용 시 산화물을 코팅함에도 Ni-rich 양극소재가 가지고 있는 동일 수준 이상의 전기화학특성 구현이 가능하며, 전지 제조시 전해액에 포함될 수 있는 미량의 수분에도 선택적, 우선적으로 반응함으로서 충방전에 따른 양극소재의 열화를 방지할 수 있음. 특히 열안정성 측면에서 양극소재의 발열 온도를 고온영역으로 이동, 발열량을 감소시켜 열 안정성을 향상시키는 있는 효과가 있음

▲ (左부터) 열안정성 평가, 전해액 수분 안정성.

■ 활용범위 및 응용분야

○ Ni-rich 양극소재의 열안정성 및 전지특성 열화를 효과적으로 개선할 수 있는 기술로서 고에너지 양극소재 개발에 효과적인 기술임

○ 본 개발에서 제시한 표면개질 공정 기술은 표면개질 물질을 바꿔줌으로서 다른 리튬이차전지의 양극소재의 특성 개선에도 적용할 수 있는 기술임

▲ <표면개질 적용 전/후 입자형상 비교>.

■ 시장동향 및 전망

○ 급속히 성장하고 있는 리튬이차전지 산업의 핵심 부품인 양극소재는 향후 동 산업 영역이 모바일 IT 분야에서 전기자동차, 전력저장시설 등으로 확장되어짐에 따르 시장이 동반하여 성장할 것으로 예상됨

○ 현재 보편적으로 사용되고 있는 양극소재 중 삼성분계 양극소재가 차지하는 비중이 25% 이상으며, 2015년 경에는 가장 대표적인 양극소재인 LCO 생산량을 추월할 것으로 전망

○ 이러한 삼성분계 양극재 시장이 성장하고, 고에너지밀도를 요구하는 분야가 증가함에 따라 Ni-rich 양극소재의 수요도 비례하여 늘어날 것으로 예상됨. 따라서 열안정성 확보를 위한 표면개질이 핵심 기술로 요구될 것으로 판단됨

▲ <양극재 시장 전망> *출처 : 2010년 IIT 보고서.

■ 지식재산권 현황 및 기술이전 내용

○ 지식재산권 현황

○ 기술이전 내용 및 방법

○ 용어설명

•LCO (리튬코발트산화물) : 화학식 LiCoO2, 층상구조를 가지고 있는 전이금속 산화물로서, 충전과 방전에 따라 Li이 탈리/삽입이 가능하며 이 원리를 이용하여 전기에너지를 화학에너지로 저장 및 사용을 반복적으로 사용할 수 있는 대표적인 양극소재 임. 1992년부터 상용화가 되어 사용되고 있으며 현재 배터리 시장 대부분을 차지하고 있는 물질임

•Ni-rich 양극소재 : 화학식 LiMO2로 표현되며, M은 니켈을 포함하는 다수의 금속/전이금속 원소가 될 수 있음. Ni-rich란 M에 해당하는 원소 중 니켈의 함량의 50% 이상인 물질로서 대표적으로 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 등이 있으며, 니켈이 함량이 높아짐에 따라 가역용량이 증가하나 열안정성이 감소하는 것이 문제점으로 알려져 있음