리튬이온전지의 새로운 캐소드 전류 집진기 구현 방법과 기대효과

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가지고 있으며, 메모리 효과가 없어 휴대용 장치에 중요한 전력 제공 장치로 사용되어 왔음.
• 지구온난화 등 친환경적 특성에 따라 전기자동차 및 중대형 전지의 개발이 가속되고 있음.
• 하지만 현재 상업용 전지 산업은 높은 중량당 에너지 밀도, 긴 수명, 안정성을 요구하는 자동차, 이동 장치, 고정식 에너지 저장 장치 산업의 요구를 만족시키지 못함.
• 기존에 널리 사용되던 LiCoO2 및 그래파이트 외에도 새로운 활성 전극 물질들이 개발될 필요가 있음.
• 차세대 전지를 위한 새로운 활성 캐소드 및 캐소드 물질이 연구되고 있음에도 불구하고, 신물질을 사용하기 위해서는 장기간의 연구와 많은 개발 비용이 필요함.

기술의 필요성

• 리튬이온전지의 새로운 활성 캐소드 및 캐소드 물질은 더 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 높은 안정성을 제공할 수 있음.
• 기존 전류 집진기의 한계를 극복하고 더 우수한 전기화학적 특성을 제공하는 전류 집진기가 필요함.
• 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 갖는 리튬이온전지는 전기자동차 및 중대형 전지의 성능을 대폭 향상시킬 수 있음.

구현방법

기술의 원리

• 리튬이온전지의 캐소드 전류 집진기는 금속 박판을 식각용액에서 식각하여 형성됨.
• 이 과정에서 알루미늄 박판은 그물 형상으로 연결된 분화구형 구덩이들을 가짐.
• 이러한 표면 모폴로지는 전기 화학적 특성을 향상시켜 우수한 전기적 접촉을 제공함.

구체적인 구현 방법

• 먼저, 알루미늄 박판을 준비하고 이를 염기성 용액에 침지하여 식각함.
• 식각된 알루미늄 박판은 110MPa~230MPa 범위의 인장강도, 5㎛~10.5㎛ 두께, 40°~66° 물 접촉각, 4nm~10nm의 평균 표면 거칠기를 가질 수 있음.
• 이후, 식각된 알루미늄 박판을 사용하여 리튬이온전지의 캐소드를 구성함.
• 활성 물질과 바인더를 혼합하여 알루미늄 박판에 코팅하고 건조하여 전류 집진기로 사용함.

실험 및 결과

실험의 목적

• 리튬이온전지의 캐소드 전류 집진기의 전기 화학적 성능을 검증하기 위해 실험 수행.

실험 방법 및 과정

• 알루미늄 박판을 염기성 용액에 침지하여 식각한 후, 이를 리튬이온전지의 캐소드로 제작.
• 제작된 전지를 사용하여 충전-방전 테스트를 수행하고, 전기화학적 임피던스를 측정.

실험 결과

• 식각된 알루미늄 박판을 사용한 전지는 우수한 충전-방전 사이클 안정성을 보여줌.
• 50 충전-방전 싸이클 후에도 초기 충전 용량 대비 85%~99%의 충전 용량을 유지함.

발명의 활용 방안

활용 방안

• 리튬이온전지의 캐소드 전류 집진기는 전기자동차, 휴대용 전자 기기, 에너지 저장 장치 등 다양한 분야에서 활용 가능함.
• 기존의 전류 집진기를 대체하여 더 높은 에너지 밀도와 안정성을 제공할 수 있음.

기대효과

• 리튬이온전지의 성능 향상을 통해 전기자동차의 주행 거리 증가, 휴대용 전자 기기의 사용 시간 연장 등을 기대할 수 있음.
• 더 높은 에너지 밀도와 안정성을 제공하여 에너지 저장 장치의 효율성 증가에 기여할 것임.

시장 동향

리튬이온전지 시장 동향

• 리튬이온배터리(LIB) 수요가 2035년까지 연평균 15.4% 증가할 것으로 예상됨. 2035년 수요는 5570GWh에 이를 것으로 추산됨.
• 2023년 리튬이온배터리의 수요는 994GWh로 집계됨. 전기차용 리튬이온배터리가 4760GWh(85%), 에너지저장장치(ESS)용 리튬이온배터리가 618GWh(11%), 소형 리튬이온배터리가 193GWh(3%)의 비중을 차지할 것으로 전망됨.
• 리튬이온배터리 ESS 시장은 2023년 185GWh부터 2035년 618GWh까지 연평균 10.6%의 성장률을 기록할 것으로 보임.
• 세계 리튬이온전지 수요는 2023년 대비 5.6배 성장하여 2035년 5570GWh에 이를 것으로 전망됨.
• 한국의 리튬이온배터리 3사(LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온)의 경우 2035년까지 1159GWh의 생산능력을 갖출 것으로 보임.

전기자동차 배터리 시장 동향

• 2024년 전기차 배터리 수요가 1테라와트시(TWh)를 처음 돌파할 전망이며, 2035년까지 연평균 17% 성장 예상됨
• 2023년 1~8월 세계 각국 전기차에 탑재된 배터리 사용량은 약 429.0GWh로 전년 동기 대비 48.9% 성장함
• 2023년 전기차용 이차전지 시장 규모는 1210억 달러(한화 약 160조 원)에 이를 것으로 예상됨
• 이차전지 수요는 2024년 941GWh에서 2025년 1244GWh, 2030년 3TWh, 2035년 5.5TWh로 증가할 것으로 예상됨
• 2023년 전 세계 전기차 판매량은 약 1407만대로 전년 대비 33.5% 증가함
• 2030년까지 지역별 이차전지 수요는 북미 806GWh, 유럽 762GWh, 중국 1096GWh 수준으로 예상됨
• 전 세계 전기차(BEV+PHEV)의 약 60%가량은 중국에서 판매됨

중대형 에너지 저장 장치 시장 동향

• 글로벌 리튬이온배터리 에너지저장장치(LIB ESS) 시장 규모가 2024년 235GWh로 전년 대비 27% 성장할 것으로 전망됨. 금액 기준으로는 약 400억 달러(한화 약 53조 원)로 14%의 성장률임. 2035년에는 618GWh, 800억 달러 규모까지 성장할 것으로 예측됨.
• ESS 시장은 전력을 보관할 수 있다는 특징을 바탕으로 신재생에너지를 저장했다가 필요할 때 사용하는 스마트그리드 분야에서 크게 주목받고 있음. 특히 에너지밀도가 높은 리튬이온배터리를 사용한 ESS 시장이 크게 성장하는 중임.
• 국내의 경우 2018년 ESS 화재 사건 이후 시장이 위축되었으나, 산업자원부 주도의 ESS 산업 발전 전략이 발표되며 시장 회복이 기대되고 있음. LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 기업들은 안전성이 높은 LFP 배터리를 ESS용으로 계획하며 시장 확대를 꾀하고 있음.
• 2021년부터 글로벌 ESS 시장은 급성장하였으며, 2030년에는 시장규모가 2620억 달러로 확대될 것으로 예상됨. 연평균 20% 이상의 높은 성장률을 보일 것으로 전망됨.
• 2024년 리튬이온 배터리 평균 가격이 전년 대비 4% 하락한 133 달러/kWh로 전망됨. 리튬 가격 하락이 주요 원인으로 분석됨.

리튬이온전지 캐소드 물질 연구

• 양극재는 크게 고용량(High Capacity Energy)에 사용되는 산화 물질과, 고출력에 사용되는 인산염계 물질 등 두 가지 갈래로 나뉨. 초기 리튬이온 배터리에 사용되는 LCO(Lithium Cobalt Oxide) 양극재에서 발전이 이루어짐. 망간과 리튬을 다량으로 넣는 방식과 코발트를 니켈로 대체하는 방식이 시도됨. 니켈과 코발트를 사용하지 않는 차세대 소재로 '리튬-리치 DRX'가 연구 중임.
• 리튬-리치 DRX는 기존 리튬과 전이금속이 배열된 층 구조와 달리 양이온 사이트에 무작위 배열됨. 충방전이 이루어져도 구조와 성능이 안정화됨. 수명은 270mAh/g, 평균 전압은 2.85V, 에너지는 800Wh/kg로 기존 소재보다 월등히 높음. 상용화를 위한 제조공정 향상 연구가 진행 중임.
• 니켈 리치 소재를 대체할 새로운 물질로 DRX 양극재가 연구되고 있음. 니켈과 코발트 없이도 높은 성능과 안정성을 유지함. 망간, 비활성 금속, 티타늄, 지르코늄 등이 사용됨. 가격 또한 저렴하여 경제성이 높음.