요약
본 발명은 리튬 이차전지의 성능과 안전성을 강화하기 위한 질화붕소(BN)를 포함하는 분리막과 그 제조방법, 그리고 이 분리막을 사용하는 리튬 이차전지에 관한 것입니다. 이 분리막은 나노 크기의 BN과 자유 라디칼 제거 물질인 TNP를 첨가하여 전기 절연성과 화학적 안정성을 향상시키며, 적절한 BN 함량 조절을 통해 배터리의 용량 유지율을 개선합니다. 실험 결과, BN 코팅은 분리막의 전기화학적 성능을 향상시켜 용량 유지율을 최대 91.7%까지 증가시켰으며, TNP의 자유 라디칼 제거 효과도 확인되었습니다. 이 기술은 리튬 이차전지의 수명과 효율을 증가시키고, 고온 환경에서도 성능을 유지하여 배터리 관련 제품의 신뢰성을 높이며, 장기적으로는 스마트폰, 전기자동차 등 다양한 배터리 사용 제품에 적용될 것으로 기대됩니다.
기본 정보
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특허명: 질화붕소를 포함하는 리튬 이차전지용 분리막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
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대표 발명자: 임태은 교수
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출원번호: 10-2023-0031410
발명의 배경 및 필요성
리튬이온배터리의 중요성
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리튬이온배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명, 뛰어난 전력 출력으로 다양한 분야에 필수적임
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전기차 보급 확대로 리튬이온배터리 산업이 성장하고 있으며, 에너지 밀도와 안전성 향상을 위한 연구가 지속되고 있음
분리막 기술의 개선 필요성
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분리막은 배터리의 안전성과 성능에 중요한 영향을 미치는 핵심 요소로, 열 안정성과 구조적 결함이 배터리 안전 문제의 원인이 될 수 있음
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기존 폴리에틸렌(PE) 분리막은 고온에서 안정성이 떨어지는 문제가 있어, 새로운 기술을 통해 열 안정성과 기계적 강도, 이온 전도성을 향상시키는 것이 필요함
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이러한 분리막 기술의 발전은 리튬이온배터리 성능을 향상시켜 전기차 주행 거리 증가, 재생 에너지의 효율적 저장 및 활용, 에너지 시스템의 최적화에 기여할 것임
구현방법
기술의 원리 및 구현
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양극과 음극의 직접 접촉을 방지하는 분리막에 나노 크기의 질화붕소(BN)와 자유 라디칼 제거 물질인 TNP를 첨가하여 전기 절연성, 화학적 안정성 및 안전성을 향상시킴
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폴리아크릴로니트릴(PAN) 기반 분리막을 BN이 포함된 용액에 담가 딥 코팅하고, BN 함량을 조절하여 배터리 용량 유지율을 향상시키며, PVdF-HFP 바인더 용액에 TNP와 BN을 혼합하여 분리막 표면을 추가 코팅함
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BN 함량이 과도할 경우 전기 저항 증가로 성능이 감소하므로, 이를 고려하여 최적량을 조절함
기술의 장점
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BN 코팅으로 분리막의 전기 절연성과 화학적 안정성을 강화하고, TNP 첨가로 자유 라디칼을 효과적으로 제거하여 배터리 안전성을 향상시킴
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적절한 BN 함량 조절을 통해 배터리 용량 유지율을 개선하고, 과도한 함량으로 인한 성능 저하를 방지함
실험 및 결과
실험 목적 및 방법
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BN 코팅과 TNP 첨가가 분리막의 표면, 화학적 조성, 전기화학적 성능에 미치는 영향을 분석하고, 리튬이온 배터리의 성능을 실험적으로 검증함
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SEM과 FT-IR 분석을 통해 분리막의 표면과 화학적 조성을 관찰하고, 분극 실험과 전압 변화 측정을 통해 전기화학적 안정성을 평가함
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DPPH와 ABTS 화합물을 사용하여 TNP의 자유 라디칼 제거 성능을 측정하고, EDS 매핑과 FT-IR 스펙트럼 분석으로 BN 코팅의 존재를 확인함
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이온 전도도 측정으로 BN 코팅이 PAN 기반 분리막보다 높은 이온 전도성을 가지는 것을 확인함
실험 결과
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BN 코팅은 분리막의 전기화학적 성능을 향상시켜 용량 유지율을 최대 91.7%까지 증가시킴
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TNP의 자유 라디칼 제거 효과는 DPPH와 ABTS와의 반응을 통해 색 변화로 확인할 수 있음
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BN 코팅 분리막을 사용한 반쪽 전지의 충방전 실험을 통해 실제 배터리 응용에서의 성능 개선을 검증함
발명의 활용 방안
리튬 이온 배터리의 성능 및 안전성 강화
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리튬 이온 배터리의 분리막에 폴리아크릴로니트릴(PAN)과 붕소 질화물(BN)을 적용해 전기적 성능과 안전성을 향상시킴
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기계적 강도가 강화되어 배터리의 내구성과 안정성이 증가하며, 고온에서도 안정적으로 작동함
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전해질과의 친화력이 향상되어 배터리 효율성이 개선됨
기대효과
기술적 진보
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분리막의 열적 및 화학적 안정성 향상으로 배터리 수명과 효율이 증가함
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고온 환경에서도 성능이 유지되어 배터리 관련 제품의 신뢰성을 높임
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전기적 안정성으로 인해 잦은 충전과 방전에도 성능이 유지됨
사회적 기여
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배터리의 안전성 향상으로 소비자 신뢰도가 증가하고 관련 사고를 줄일 수 있음
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효율적인 배터리 사용으로 에너지 소비 감소, 환경 친화적인 효과를 기대함
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다양한 배터리 사용 제품에 적용 가능하여 스마트폰, 전기자동차 등 배터리 산업 발전에 기여할 것으로 예상됨
시장 동향
이차전지 시장 동향
기술 SWOT 분석
Strengths
고성능 리튬이온배터리 기술
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높은 에너지 밀도와 긴 수명, 뛰어난 전력 출력으로 다양한 분야에서 필수적입니다.
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분리막 기술의 개선을 통해 전기차 주행 거리 증가 및 에너지 시스템 최적화에 기여합니다.
분리막 기술의 혁신
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질화붕소(BN)와 TNP 첨가로 전기 절연성, 화학적 안정성 및 안전성이 향상되었습니다.
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적절한 BN 함량 조절을 통해 배터리 용량 유지율을 개선하고 성능 저하를 방지합니다.
Weaknesses
BN 함량의 최적화 필요성
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BN 함량이 과도할 경우 전기 저항 증가로 성능이 감소할 수 있습니다.
기술적 복잡성
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분리막에 BN과 TNP를 첨가하는 과정이 기술적으로 복잡할 수 있습니다.
Opportunities
전기차 및 재생 에너지 시장의 성장
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전기차 보급 확대와 재생 에너지의 효율적 저장 및 활용으로 인한 시장 확대가 기대됩니다.
에너지 시스템의 최적화
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분리막 기술의 발전이 에너지 시스템의 효율성과 안전성을 높일 수 있습니다.
Threats
기술적 진보의 빠른 속도
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리튬이온배터리 기술의 빠른 발전으로 인해 지속적인 혁신이 요구됩니다.
경쟁 기술의 등장
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다른 고성능 배터리 기술의 개발로 인한 경쟁 압력이 존재합니다.
Summary
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리튬이온배터리의 성능과 안전성을 향상시키는 분리막 기술은 전기차와 재생 에너지 시장에서 중요한 역할을 합니다.
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기술적 복잡성과 최적화 문제는 개선이 필요한 부분입니다.
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시장 확대와 에너지 시스템 최적화는 중대한 기회를 제공합니다.
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빠른 기술 발전과 경쟁 기술의 등장은 주요 위협 요소입니다.
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