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표제지 1

목차 6

1. 리튬이온전지용 층상계 양극재 7

01. 리튬이온전지용 층상계 양극재 개요 9

1) 리튬이온전지 연구의 필요성 9

2) 리튬이온전지 기술의 역사 및 원리 12

3) 리튬이온전지 양극재 기술 개발 현황 15

02. 리튬이온전지용 층상계 양극재 열화 메커니즘 및 이를 해결하기 위한 연구 19

1) 고니켈계 양극재의 열화 메커니즘 19

2) 단입자 양극재 개발을 통한 미세균열 억제 연구 24

3) 일차입자 형상 제어 전략을 통한 미세균열 억제 연구 33

4) 농도구배형 양극재 연구 52

5) 코팅 및 수세 전략을 통한 부반응 억제 연구 63

6) 실제 산업에서 응용되는 나노 막대형 양극재 68

2. 소듐이온전지용 층상계 양극재 72

01. 소듐이온전지용 층상계 양극재 개요 74

1) 소듐이온전지의 개요 74

2) 소듐이온전지의 역사 75

3) 소듐이온전지용 양극재 개발 현황 75

02. 소듐이온전지용 층상계 양극재 열화 메커니즘 및 이를 해결하기 위한 연구 78

1) 소듐이온전지용 O3 층상계 산화물 양극재의 문제점 78

2) 전이 금속 층 금속 치환을 통한 상전이 억제 연구 80

3) 소듐이온 층 금속 도핑을 통한 상전이 억제 연구 82

4) 미세구조 제어를 통한 안정성 향상 연구 84

03. 소듐이온전지 미래 기술 개발 방향 및 전망 86

3. 리튬메탈전지용 층상계 양극재 87

01 리튬메탈전지용 층상계 양극재 개요 89

1) 리튬메탈전지 개발 필요성 89

2) 리튬메탈전지용 양극재 개발 필요성 90

02. 리튬메탈전지용 층상계 양극재 열화 메커니즘 및 이를 해결하기 위한 연구 91

1) 리튬메탈의 수지상 성장 문제 91

2) 양극에서 기인하는 리튬메탈전지 성능 열화 메커니즘 93

3) 고에너지 리튬메탈전지용 양극재 개발 아이디어 도출 과정 96

4) 양극재 표면 코팅을 통한 전이 금속 용출 억제 연구 96

5) 양극재 미세구조 조절을 통한 전이 금속 용출 억제 연구 97

6) 안정한 양극-전해질 계면 형성을 통한 전이 금속 용출 억제 연구 99

03. 리튬메탈전지 미래 기술 개발 방향 및 전망 101

4. 전고체전지용 층상계 양극재 개발 방향 103

01. 전고체전지용 층상계 양극재 개요 105

1) 전고체전지 기술의 역사 및 개발 필요성 105

02. 전고체전지용 층상계 양극재 열화 메커니즘 및 이를 해결하기 위한 연구 107

1) 양극에서 기인하는 전고체전지 성능 열화 메커니즘 107

2) 양극재 표면 코팅을 통한 양극재/전해질 계면 불안정성 극복 연구 110

3) 농도구배형 양극재를 통한 양극재/전해질 계면 불안정성 극복 연구 111

4) 미세구조 개선을 통한 Electrochemo-mechanical 안정성 향상 연구 112

03. 전고체전지 미래 기술 개발 방향 및 전망 116

5. 요약 117

01. 리튬이온전지 119

02. 소듐이온전지 121

03. 리튬메탈전지 121

04. 전고체전지 122

6. 정책 제언 및 남기는 말 123

판권기 2

그림목차 9

그림 1. 2050년 탄소중립으로 가는 주요 마일스톤 9

그림 2. 2023년부터 2033년까지의 전기차 시장 규모 예측 10

그림 3. 전기차 구매 시, 가장 큰 고려 사항은? 11

그림 4. 전기차 원가 비중 분석 12

그림 5. 리튬이온전지의 내부 구조 13

그림 6. 리튬이온전지 양극활물질 및 음극활물질의 작동 전위와 용량 14

그림 7. 양극재의 종류 및 특성 15

그림 8. 리튬이온전지의 에너지에 따른 전기 자동차 모델의 분류 18

그림 9. Ni 함량에 따른 용량, 수명 특성, 열적 안정성 변화 19

그림 10. Ni 함량에 따른 사이클 시 결정구조 부피 변화 및 이로 인한 양극재 내부 미세균열 발생 20

그림 11. 양극재 표면부의 높은 Ni 조성으로 인한 열화 메커니즘 21

그림 12. Ni 함량에 따른 사이클 후 양극재 내ㆍ외부 결정구조 열화 정도 비교 22

그림 13. Ni 함량별 양극재의 사이클에 따른 저항 변화 23

그림 14. 장기 사이클 동안 다입자와 단입자 양극의 구조적 열화 24

그림 15. 1C 충ㆍ방전 과정에서 다양한 사이클 횟수에 따른 다입자 양극과 단입자 양극의 단면 SEM 이미지 24

그림 16. 다입자와 단입자 양극의 전극 밀도 및 압연 시 양극재 형상 변화 25

그림 17. 다입자와 단입자 양극의 고온 풀셀 전기화학 평가 결과 26

그림 18. 다입자와 단입자 양극의 비용량 및 율특성과 이온전도도 비교 27

그림 19. In-situ XRD 분석을 통한 다입자와 단입자 양극의 H2-H3 상전이 28

그림 20. 단입자 양극의 리튬이온 확산 경로 및 c축 격자 상수 29

그림 21. 단입자 양극재의 결정구조 연구 30

그림 22. 사이클 후 단입자 양극재의 TEM 분석 결과 31

그림 23. 단입자 양극의 슬립밴드(slip band) 및 미세구조 분석 32

그림 24. 일차입자 형상 제어를 통한 미세균열 발생 억제 33

그림 25. 도펀트에 따른 일차입자 형상 비교 34

그림 26. 양극재 일차입자 형상에 따른 공극 및 일차입자 균일성 비교 35

그림 27. 일차입자 형상에 따른 장기 사이클 성능 비교 36

그림 28. 전구체 형상의 중요성 37

그림 29. surface energy 감소를 통한 나노 막대형 일차입자 형성 38

그림 30. 도펀트 산화가수에 따른 도핑 메커니즘 도식화 39

그림 31. 도펀트에 따른 양극재의 TEM-EDS mapping 및 line scan 결과 40

그림 32. 일차입자 형상에 따른 결정구조 격자 상수 및 부피 변화와 미세균열 발생 양상 41

그림 33. 저산화가수 도펀트를 이용한 나노 막대형 일차입자 형성 42

그림 34. 일차입자의 형상에 따른 공극 및 일차입자 균일성 비교 42

그림 35. 일차입자 형상에 따른 응력 분산 시뮬레이션 결과 비교 43

그림 36. 일차입자 형상에 따른 기계적 특성 비교 44

그림 37. 사이클 시 일차입자 형상에 따른 미세균열 발생 및 상전이 양상 45

그림 38. 일차입자 형상에 따른 충전 시 전해질 침투량 비교 46

그림 39. 일차입자 형상에 따른 입자 내ㆍ외부 결정구조 열화 정도 비교 47

그림 40. 일차입자 형상에 따른 양극재의 리튬이온 이동도, 전기전도도 및 입자 내부의 리튬이온 분포 비교 48

그림 41. 일차입자의 배향성에 따른 이온 전도도 및 율특성 비교 49

그림 42. 일차입자 형상에 따른 고니켈계 양극재의 열적 안정성 비교 50

그림 43. 일차입자 형상에 따른 충전 과정에서의 파우치형 셀 온도 변화 비교 51

그림 44. 농도구배형 양극재 개발 역사 52

그림 45. 농도구배형 양극재의 특징 55

그림 46. 농도구배형 3세대 양극재의 특징 55

그림 47. 농도구배형 양극재에서 확인되는 나노 막대형 일차입자의 결정구조 분석 56

그림 48. 충전 상태의 일반 양극재 및 농도구배형 양극재의 tensile stress 분포 비교 57

그림 49. 일반 양극재와 농도구배형 양극재의 수명 특성 비교 58

그림 50. 일반 양극재와 농도구배형 양극재의 미세균열 형성 및 부반응 발생 정도 비교 58

그림 51. 농도구배형 양극재의 열적 안정성 개선 59

그림 52. 일반 양극재와 농도구배형 양극재의 사이클 전후 저장 일수에 따른 전이 금속 용출 정도 비교 60

그림 53. 5세대 농도구배형 양극재의 특징 61

그림 54. 도핑 유무 및 소성 온도에 따른 5세대 농도구배형 양극재의 성능 비교 62

그림 55. Ni 함량에 따른 잔류리튬 수치와 이로 인한 가스 발생 및 장기 수명 특성 비교 63

그림 56. TEM-EDS를 통한 일차입자 경계부 F 코팅층 분석 및 F 코팅층으로 인한 수명 특성 향상 64

그림 57. 코팅 소재 최적화 실험 및 Co를 활용한 수세 방법 65

그림 58. TEM 및 TEM-EDS를 통한 Co-F 이중 코팅층 분석 66

그림 59. 각 소재별 잔류리튬 수치 및 장기 사이클 평가에 따른 성능 비교 67

그림 60. 상용화 관점에서 나노 막대형 양극재의 우수성 69

그림 61. 작동하는 DOD(Depth of Discharge) 범위에 따른 양극재 수명 특성 비교 70

그림 62. 나노 막대형 양극재가 산업계에서 실제로 적용된 사례 71

그림 63. 소듐이온전지와 리튬이온전지 주요 원자재 매장량 비중 및 생산 원가 비교 74

그림 64. 소듐이온전지용 양극재의 결정구조 및 주요 특성 76

그림 65. 소듐이온전지용 양극재의 전기화학적 특성 77

그림 66. 리튬과 소듐이온의 이온 반지름 차이 및 결정구조에 관한 모식도 78

그림 67. 동일 전구체로 Li, Na 소성을 통한 양극재 합성 시 양극재의 상전이 차이 및 소듐 양극재의 충전 과정 동안 미세구조 및 부피 변화 79

그림 68. Fe 치환에 의한 상전이 억제 모식도 및 성능 개선효과 80

그림 69. Mg 함량에 따른 충ㆍ방전 과정 동안 양극재의 상전이 차이 81

그림 70. Mg 15% 치환 시 XRD 상의 불순물 등장과 저하된 셀 성능 82

그림 71. Na층에 Ca 도핑을 통한 충전 과정 중 부피 변화 억제 82

그림 72. Ca 도핑 함량에 따른 전기화학적 성능 변화 83

그림 73. 일반 양극재와 RAHC 일차입자 양극재의 모식도 및 전기화학적 성능 84

그림 74. 일반 양극재와 SNA 양극재의 전기화학적 성능, 입자강도, 열적 안정성 차이 85

그림 75. 음극재에 따른 질량 및 부피당 에너지밀도 차이 89

그림 76. 농도구배형 양극재 모식도 및 특성 90

그림 77. 일반 양극재와 농도구배형 양극재 성능 및 양극 미세균열 비교 90

그림 78. 리튬메탈의 수지상 성장 모식도 91

그림 79. Sand's time equation 92

그림 80. 고니켈계 양극재의 전이 금속 용출에 따른 crossover effect 93

그림 81. Cryo-EM을 통해 확인한 Ni 유/무에 따른 리튬메탈음극의 SEI layer 94

그림 82. Mn 이온 유무에 따른 Li plating morphology와 Mn 이온 농도에 따른 쿨롱 효율 95

그림 83. 양극재 표면 코팅 종류 모식도와 표면 코팅에 따른 사이클 이후 변화 96

그림 84. 일반 양극재와 농도구배형 나노 막대 양극재의 미세균열 및 부반응 정도 비교 98

그림 85. 전해질 첨가제에 따른 CEI layer의 효과 99

그림 86. 전해질 첨가제 활용에 따른 양/음극 계면에서 미치는 영향과 사이클 성능 100

그림 87. Adiponitrile 첨가제 함량에 따른 리튬메탈전지 수명 특성 101

그림 88. 액체와 고체 함량에 따라 분류되는 세 가지 종류의 리튬이온전지 105

그림 89. 고체 전해질 시스템에서 양극재가 겪는 문제들 107

그림 90. 고체 전해질에 따른 HOMO와 LUMO의 band diagrams과 fermi level 108

그림 91. 니켈 함량과 사이클에 따른 입자의 미세균열 생성의 정도 109

그림 92. 전하 차단층에 의한 문제점과 코팅에 따른 전하 차단층 완화 효과 110

그림 93. 농도구배 유무에 따른 표면 열화의 정도 차이와 입자의 위치에 따른 열화 발생 유무 111

그림 94. 미세구조에 따른 양극재의 격자 변화 및 부피 변화와 미세균열 생성의 차이 112

그림 95. 상용 양극재, 도핑을 통해 미세구조 제어를 한 양극재, 그리고 코팅 유무에 따른 사이클 뒤의 미세구조 변화 차이와 사이클 뒤의 리튬 분포도 113

그림 96. 코팅과 도핑의 유무에 따른 입자의 특성과 문제점, 이에 따른 율특성 차이 115

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