[2019년 하반기 특허기술상 해부①] “세계 최초 실리콘계 음극재를 전기차용 파우치셀에 적용”
[2019년 하반기 특허기술상 해부①] “세계 최초 실리콘계 음극재를 전기차용 파우치셀에 적용”
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세종대왕상 수상 특허, 대주전자재료의 ‘리튬 이차전지 음극재용 실리콘 복합산화물 및 이의 제조방법’
올해 특허기술상의 최고의 영예인 세종대왕상을 받은 대주전자재료㈜ 의 ‘리튬 이차전지 음극재용 실리콘 복합산화물 및 이의 제조방법’ 특허 대표도면. 그림=키프리스 캡처
올해 특허청의 특허기술상 최고의 영예인 세종대왕상을 받은 대주전자재료㈜ 의 ‘리튬 이차전지 음극재용 실리콘 복합산화물 및 이의 제조방법’ 특허 대표도면. 그림=키프리스 캡처

[비즈월드] 특허청은 19일 서울 SC컨벤션에서 ‘특허기술상 시상식’을 열었습니다. 특허기술상 시상식은 발명자와 창작자의 사기 진작과 범국민적 발명분위기 확산을 위해 매년 추진하고 있습니다.

이번 시상식에서는 7개 부문의 수상작 중에서 4개 부문의 수상작이 소재·부품·장비 관련 발명이었으며, 2개 부문의 수상작이 4차 산업혁명 관련 발명이어서 눈길을 끌었습니다.

특허기술상은 상급별로 세종대왕상, 충무공상, 지석영상(2점), 홍대용상(2점), 정약용상(디자인)으로 구성되어 있습니다. 

수상 특허에는 우선구매추천, 특허기술평가지원, IP금융 등 발명장려사업 및 중소벤처기업부가 주관하는 창업도약패키지, 창업성공패키지, 창업선도대학 등 창업맞춤형 사업화 지원사업 선정 때 우대 혜택이 주어집니다.

비즈월드는 올해 특허기술상 수상 특허 7건에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. [편집자주]

"본 발명은 리튬 이차전지 음극재용 실리콘 복합산화물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Si/SiO2 원료 분말 혼합체와 금속 마그네슘을 기상 반응시킴으로써, 실리콘 산화물(SiOX, 0003c#x003c#2) 내에 실리콘 입자, MgSiO3(enstatite) 및 Mg2SiO4(foresterite) 결정을 포함하는 표면이 탄소로 피복된 이차전지 음극재용 실리콘 복합산화물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다."

올해 특허기술상의 최고의 영예인 세종대왕상은 대주전자재료㈜ 오성민 전무이사 등이 발명한 ‘리튬 이차전지 음극재용 실리콘 복합산화물 및 이의 제조방법’이 선정됐습니다.

산업자원통상자원부의 국가연구개발사업 ‘에너지저장용 고효율 125Wh/US$급 리튬이차전지 음극소재 개발’의 일환으로 진행된 이 특허는 2019년 3월 15일 출원(출원번호 제1020190029604호)됐으며 2019년 7월 5일 등록(등록번호 제101999191호)을 받았습니다.

해당 특허는 리튬이차전지 실리콘 음극재에 관한 것으로 실리콘 소재는 현재 주로 사용되는 흑연 소재보다 용량이 커서 차세대 리튬이차전지 음극재로 유망합니다.

휴대 기기의 소형화 및 고성능화, 전기자동차 및 대용량 에너지 저장 산업에서도 이차 전지의 필요성이 부각되면서 리튬 이차전지 성능 향상에 대한 요구가 증대되고 있다. 에너지밀도를 높이기 위해 양극 및 음극 활물질의 고용량화, 극판의 고밀도화, 분리막의 박막화와 충·방전 전압을 높이는 등의 연구개발이 진행되고 있습니다. 에너지밀도를 높이기 위해 양극과 음극 활물질의 고용량화, 극판의 고밀도화, 분리막의 박막화와 충·방전 전압을 높이는 등의 연구개발이 진행되고 있습니다.

그러나 분리막의 박막화, 극판의 고밀도화와 충·방전 전압을 높이는 것은 이차전지의 안정성에 치명적인 문제를 발생시킬 수 있으므로 현재 기술적인 한계에 도달해 있으며, 양극 및 음극 활물질의 용량을 높이는 방향으로 연구개발이 집중되고 있습니다.

특히 음극 활물질은 기존의 흑연계가 갖고 있는 이론용량(372mAh/g)보다 수배 이상의 용량을 발현할 수 있는 소재들이 보고되고 있습니다.

실리콘 소재를 이차전지 음극재로 사용할 경우, 큰 부피 변화 특성으로 인해 전지의 용량 유지율이 현저하게 감소되는 문제가 있었지만 해당 특허를 통해 이를 극복했습니다. 초기 충전·방전 효율을 높이는 등 고용량 리튬이차전지 확보가 가능해졌습니다.
 
대주전자재료는 해당 특허를 통해 2018년 세계 최초로 실리콘계 음극재를 전기차용 파우치셀에 적용했습니다. 전기차 시장이 계속 성장하고 있는 점을 감안하면 해당 특허의 활용과 시장점유율이 커질 것으로 예상되고 있습니다.

이 회사는 앞서 2017년 3월 20일 같은 명칭의 특허를 먼저 출원하고 올해 3월 15일 등록까지 받았었습니다.

이 특허를 활용하게 되면 실리콘복합산화물 음극 활물질로는 충·방전 용량을 향상시키고, 초기 충·방전 효율을 높이며 용량 유지율도 향상된 비수전해질 리튬이차전지를 제조할 수 있다고 회사 측은 설명했습니다.

이 발명에서는 Si/SiO2 원료 분말 혼합체와 Mg를 함께 가열시켜 증발된 입자들의 균일한 기상반응으로 실리콘 복합산화물이 합성되며, 고상반응에서와 같이 Mg가 국부적으로 과잉 혼합되면서 발열반응에 의해 실리콘이 급격히 성장하는 것을 방지해 용량 유지율을 향상시키는 것이 가능하다고 합니다.

또 이 발명에 의한 실리콘복합산화물의 제조방법은 Mg2SiO4(Foresterite)의 생성보다는 MgSiO3(enstatite)가 주로 생성되게 해 적은 양의 Mg로 실리콘산화물의 비가역 물질인 Mg2SiO4(Foresterite), MgSiO3(enstatite)을 효율적으로 제거해 단위 무게당 용량을 향상시키는 것이 가능하다고 합니다.


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