요약
본 발명은 리튬 이온 배터리의 실리콘 음극 재료를 위한 새로운 고분자 바인더 기술로, 자가 치유 능력과 높은 기계적 안정성을 제공합니다. 크로스링크된 고분자를 활용하여 실리콘 입자의 부피 변화에 대응하고, 카테콜아민과 아미노 페닐 보로닉산 결합체를 통해 에너지 저장 용량과 충전 속도를 개선합니다. 이 기술은 전기차의 주행 거리 증가, 스마트폰 사용 시간 연장, 에너지 저장 시스템의 효율성 개선에 기여하며, 친환경적인 수성 용매를 사용한 제조 과정으로 경제적 가치와 환경 보호를 동시에 실현합니다. 본 발명은 리튬 이온 배터리 시장의 혁신을 주도하고, 전기차 및 고성능 전자 기기의 발전에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
기본 정보
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특허명: 우수한 자가 치유 능력을 갖는 가교 공중합체 및 이를 포함하는 실리콘 음극용 바인더
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대표 발명자: 김태현 교수
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출원번호: 10-2023-0098542
발명의 배경 및 필요성
리튬 이온 배터리의 현황과 과제
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1991년 소니가 상업화한 이후, 리튬 이온 배터리는 전자기기와 전기차에 필수적으로 사용되고 있음
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높은 에너지 밀도와 긴 수명, 낮은 자가방전률 덕분에 선호되며, 기술 발전을 위한 연구가 지속됨
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전기차 시장의 확대로 인해 배터리의 에너지 저장 용량과 충전 속도, 안전성, 수명, 비용 효율성을 높이기 위한 연구가 활발함
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흑연 기반 음극의 한계를 넘어서기 위해 실리콘과 같은 대체 재료에 대한 연구가 진행되고 있으나, 실리콘은 부피 변화 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있음
기술 개발의 중요성
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바인더 기술의 개선은 실리콘 기반 음극 재료의 상용화를 가능하게 하여 리튬 이온 배터리의 성능을 향상시킬 수 있음
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이는 전기차의 주행 거리를 늘리고, 스마트폰 사용 시간을 연장하며, 에너지 저장 시스템의 효율성을 개선하는 데 기여할 것임
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증가하는 환경 친화적 에너지 솔루션에 대한 수요에 부응하여 지속 가능한 에너지 시스템으로의 전환을 촉진할 것으로 예상됨
구현방법
기술의 원리 및 구현
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크로스링크된 고분자를 바인더로 사용하여 실리콘 음극의 팽창과 수축을 견디고 자가 치유 능력을 부여함
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카르복실레이트 그룹, 카테콜아민, 아미노 페닐 보로닉산 결합체를 화학적으로 연결하여 크로스링크 구조를 형성하고, 이를 실리콘 음극의 바인더로 활용함
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보로닉 에스터 결합을 통해 카테콜아민과 아미노 페닐 보로닉산을 결합시키고, 이를 혼합하여 리튬이온 배터리의 성능을 강화함
기술의 장점
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자가 치유 능력을 통해 배터리 손상을 방지하고 수명을 연장함
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도파민의 카테콜 기능 그룹으로 인한 고기계성이 배터리의 안정성과 수명을 향상시킴
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이온 전도성을 향상시키고 크로스링크 에이전트를 도입하여 배터리 성능을 전반적으로 개선함
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친환경적이며 비용 효율적인 수성 용매를 사용한 제조 과정
활용 방안 및 기대효과
리튬 이온 배터리의 성능 개선
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휴대폰, 노트북, 전기차 등에 사용되는 리튬 이온 배터리의 음극 소재로 실리콘을 활용하면 성능이 개선됨
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수용성 고분자 바인더 사용으로 실리콘 입자의 기계적 안정성을 높이고 부피 변화로 인한 손상을 예방함
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제조 비용을 줄이고 환경 부담을 감소시키며, 배터리의 화재 위험도를 낮춤
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자가 치유 능력으로 배터리 수명을 연장하고 에너지 저장 장치의 안정성을 향상시킴
경제적 및 환경적 기대효과
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충전과 방전 성능의 향상과 수명 연장으로 기술 혁신을 이룸
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환경 친화적인 제조 과정과 낮은 비용으로 경제적 가치를 증진시킴
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전기차와 고성능 전자 기기의 발전에 기여하여 시장 점유율 확대와 산업 경쟁력을 강화할 것으로 예상됨
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자가 치유 기능으로 장기적인 배터리 교체 비용을 절감하고 사용자의 편의성을 향상시킬 것으로 보임
시장 동향
리튬 이온 배터리 시장 동향
기술 SWOT 분석
Strengths
고성능 리튬 이온 배터리 기술
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크로스링크된 고분자 바인더 사용으로 실리콘 음극의 팽창과 수축을 견디는 자가 치유 능력을 부여합니다.
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도파민의 카테콜 기능 그룹을 활용하여 이온 전도성을 향상시키고 배터리의 안정성과 수명을 개선합니다.
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친환경적이고 비용 효율적인 수성 용매를 사용한 제조 과정으로 환경 부담을 감소시킵니다.
Weaknesses
기술적 한계
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실리콘 음극 재료의 부피 변화 문제가 완전히 해결되지 않았을 수 있습니다.
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상용화를 위한 대량 생산 과정에서의 기술적 어려움이 존재할 수 있습니다.
Opportunities
시장 확대 및 적용 가능성
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전기차 시장의 확대와 전자기기의 고성능화로 인해 고성능 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 증가하고 있습니다.
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환경 친화적 에너지 솔루션에 대한 수요 증가로 지속 가능한 에너지 시스템으로의 전환을 촉진할 수 있습니다.
Threats
시장 및 기술 경쟁
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기존의 흑연 기반 음극 재료와의 경쟁에서 기술적 우위를 확보해야 합니다.
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다른 신소재 개발과의 기술 경쟁에서 밀릴 위험이 있습니다.
Summary
종합 평가
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크로스링크된 고분자 바인더를 활용한 실리콘 음극 기술은 리튬 이온 배터리의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
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기술적 한계와 대량 생산 과정에서의 어려움이 존재하지만, 전기차 시장의 확대와 환경 친화적 에너지 솔루션에 대한 수요 증가는 큰 기회가 될 수 있습니다.
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기존 음극 재료와의 경쟁 및 신소재 개발과의 기술 경쟁은 주요 위협 요소입니다.
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