고에너지 밀도 이차전지 에너지 솔루션

목표 및 제작 동기

로봇 배터리의 최대 작동 시간과 평균 운용 시간을 높이기 위해 높은 에너지 밀도와 안정성을 갖춘 NCM622/Graphite 전지를 제작하여 안정적이며 자시간 구동이 가능한 이차전지 솔루션을 제공한다. [기대효과] 이차전지에서 소재의 설계와 전극의 설계는 배터리의 성능과 용량 그리고 전체적으로 배터리 구동 시간에 많은 영향을 미칩니다. 고에너지 밀도를 설계하여 배터리의 용량을 증가시켰고, 단순히 고에너지 밀도만을 목표로 설계하지 않고 충방전을 반복하였을 때 안정적으로 구동할 수 있는 소재를 설계 하였으며, 그로 인해 발생한 용량 감소 문제를 스태킹 방식에서 해결하여 고에너지밀도와 안정성을 동시에 만족시킬 수 있는 배터리를 기대할 수 있을 것입니다.

프로젝트 컨셉

NCM 811은 높은 Ni 함량으로 고용량 특성을 보이지만 Mn의 감소로 구조적 안정성 및 열 안정성이 떨어지는 특성을 가지고 있으며 양이온 혼합문제가 심화되는 문제점이 있습니다. 이로 인해 전기화학 반응이 없는 Ni-O의 암염구조가 형성되어 Li+의 이동을 방해하여 율 특성 및 용량 저하를 유발합니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 Mn, Co 비율을 높여 구조 안정성을 확보하여 높은 Ni 함량을 유지하는 NCM 622을 선택하였습니다. 또한 높은 이론적 용량을 가지고 있는 음극인 Si/graphite 음극이 가지고 있는 cycle 시 발생하는 부피 팽창문제가 최대 작동 시간과 평균 운용 시간에 좋지 않은 영향을 끼치기 때문에 안정적인 구동을 진행할 수 있는 graphite 음극을 선택하여서 안정적인 최대 작동 시간과 평균 운용 시간을 동시에 만족할 수 있는 전지를 설계하였습니다. [개발 역량] 파우치 셀은 양극 음극 두 전극을 쌓은 형태로 만들 수 있는 스태킹 방식이 존재합니다. 이는 얇은 전극이 가지고 있는 문제점인 낮은 용량을 해결할 수 있는 방식이며 스태킹 수를 증가시킬 수록 배터리가 가지고 있는 용량이 커짐을 의미하며 즉 로봇의 구동 시간을 증가시킬 수 있는 방법입니다. 안정적인 스태킹을 위하여 파우치셀 제조 방법 중 하나인 Z-folding 방법을 공부하였고 이를 적용하여 안정적으로 배터리의 이론 용량을 증가시켜 작동 시간을 증가시킬 수 있게 설계 하였습니다. [지원 동기] 현재 이차전지의 활용이 로봇 및 다양한 물품에서 급증하며, 단순 방전 일회용 배터리를 넘어 충·방전이 가능한 반복 사용 배터리의 중요성이 더욱 커지고 있습니다. 이러한 배터리 시장에서 가장 핵심이 되는 요소는 같은 크기나 무게 내에서 얼마나 많은 용량을 구현할 수 있는지, 그리고 장기간 사용 시에도 초기 성능을 유지할 수 있는 안정성 여부입니다. 또한, 배터리 구동 중 발생할 수 있는 안전 문제 역시 매우 중요한 과제입니다. 기존 기술에서는 에너지 밀도를 높일수록 안정성이 저하되는 한계가 있었습니다. 저는 이 문제를 해결하기 위해 안정성과 높은 에너지 밀도를 동시에 충족할 수 있는 소재들을 면밀히 분석하고 적용하였으며, 소재 설계에 머무르지 않고 전극 두께, 밀도, 점도 등 다양한 설계 인자를 총체적으로 고려하여 초기에 목표했던 안정적이면서도 고에너지 밀도를 갖춘 배터리 설계에 성공하였습니다. 이러한 경험과 연구를 바탕으로, 앞으로 이차전지 분야에서 혁신적인 소재 및 전극 설계 기술을 개발하여 배터리의 성능과 안전성을 균형 있게 높임으로써 차세대 에너지 저장 시스템 발전에 기여하고자 합니다. 더 나아가, 반복 사용이 가능한 고성능 배터리가 로봇 및 다양한 첨단 기기의 발전을 촉진하는 데 일조하는 전문가로 성장하는 것이 제 목표입니다. 이 대회를 통해 제 연구 역량을 체계적으로 검증하고, 실제 배터리 산업 현장의 동향과 요구를 깊이 이해하며, 이를 토대로 미래 기술 개발에 한 단계 도약하는 계기로 삼겠습니다. 이와 같은 포부를 가지고 대회에 지원합니다.

팀원 기여도

• 최진혁e4ds 회원
• 윤지인e4ds 회원
• 김다린e4ds 회원
• 김주영e4ds 회원
• 정수은e4ds 회원