리튬 2차 전지의 핵심소재 개발을 통한 차세대 전지 개발, 전기자동차 및 전력저장장치에의 적용, 나아가서는 에너지 산업에의 기여가 본 연구의 목적이다.

최근 지구 환경보전과 에너지 산업 측면에서 리튬 2차 전지를 동력원으로 사용하는 전기자동차와 전력저장장치(ESS)가 각광을 받고 있다. 전기자동차에서는 엔진과 변속기가 전기배터리와 모터로 대체되면서 에너지 효율 면에서 획기적인 개선이 이루어지고 있다. 또한 환경과 에너지 관점에서 태양전지, 풍력발전의 적극적인 도입에 따라, 이에 상응하는 고성능 전력저장용 대형전지를 필요로 하게 되었다. 리튬 2차 전지는 가벼운 무게와 뛰어난 사이클 수명 등의 장점으로 인하여 사용 영역이 넓어지고 있으며, 시장 확대에 따른 가격경쟁력 강화로 점유율이 증대되고 있다.

리튬 2차 전지의 보다 적극적인 용도 확대를 위해서는 성능 향상이 요구되고 있으며, 아래와 같은 솔루션이 제시될 수 있다.

첫째는 소재의 고성능화이다. 전기자동차에는 무게당 용량 증가와 전극 설계의 고효율화가 필수적이다. 전력저장장치에는 고용량과 더불어 사이클 수명이 우수한 재료가 요구된다. 예를 들어 코발트 계 산화물(LiCoO₂) 외에 니켈-코발트-망간 계 복합 소재(NMC)를 양극재로 사용하여 용량을 높이고, 티타늄 산화물(LTO)을 음극에 사용하여 사이클 수명을 늘릴 수 있다.

둘째는 전극 재료들의 물리적, 화학적 표면처리를 통해 성능을 더욱 개선할 수 있다. 리튬 인산철(LFP) 계 화합물의 전극 내 전기 전도성 향상을 위한 카본 코팅 혹은 이종 금속의 첨가로 성능이 개선될 수 있다.

셋째는 리튬 2차 전지 내에서 물질의 전달을 쉽게 할 수 있는 재료의 개발이다. 전극 내와 전해질 내에서의 리튬 이온 전달은 전지 kinetics의 핵심이다. 전해질의 경우에는 리튬 이온의 전도성을 최적화하기 위한 조성과 새로운 구조의 리튬 염 개발 등이 필요하다. 또한 전해질의 유기물 첨가제는 양극재, 음극재의 계면 안정화로 리튬 2차 전지의 안전성과 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

넷째로 분리막의 표면 처리 기술은 전기자동차와 같은 높은 신뢰도가 요구되는 분야에서 사용되고 있다. 이러한 표면 처리 기술은 리튬 2차 전지 이후의 차세대 전지로 기대되고 있는 연료전지 분야에도 적용될 수 있다.

첫째, 리튬 2차 전지의 전극을 고밀도화할 수 있는 새로운 소재의 개발이다. 물리적으로 고밀도화하면서 전기화학적으로 더 우수한 성능을 가지는 복합 소재(composite material)의 개발을 위해, 분자 설계를 통하여 유기-무기계의 기능을 동시에 가지고 있는 binder 물질을 디자인하여 합성한다.

둘째, 고분자 분리막의 표면 특성을 개선하여 분리막의 계면을 제어한다. 알려진 표면 특성 개선을 위한 다양한 물리, 화학적 방법들을 응용하여, 전극표면과의 물리적 화학적 친화성(affinity)을 향상시킬 수 있으며, 이를 통한 전지 성능의 향상이 기대된다.

셋째, 다양한 유기계 및 무기계 첨가제(Organic, Inorganic additive)의 개발과 전기화학적 방법에 의한 전극 표면 안정화이다. 이를 위해서 다양한 functional group의 유기 첨가제 설계가 가능하며, 새로운 유기-무기계 복합 기능을 가진 화합물로 리튬 2차 전지의 안전성과 사이클 효율을 향상시킬 수 있다.

넷째, 전지의 충방전 효율을 높일 수 있는 고전도성 물질의 개발이다. 전극 내 전기전도도의 향상은 충방전 시 리튬 이온의 탈삽입 프로세스를 용이하게 하여 전극 내 전기 저항을 줄일 수 있다. 기존의 카본 계 외에 실리콘 계 물질이 타겟 화합물이다.

이러한 전지 내 성능 향상을 위한 핵심 소재 개발을 위해서는 다양한 물리, 화학적 접근 방법과 새로운 복합 재료의 분자 설계가 필요하다. 특히 전극 구조와 계면의 이해를 통한 정밀 분석으로 차세대 전지 소재 개발을 이루고자 한다.

최종적으로 개발된 소재의 리튬 전지 제조를 통한 성능 검증이 필수적이다. 실제 전지 셀 레벨에서 용량, 사이클 수명, 안전성 등의 특성이 개선되었는지 효능 검증을 실시한다.