사업분야
03
배터리용 음극재
- LCG
- LSN
LCG - 조립구상 음극재
조립구상 음극재는 2~3㎛ 크기의 천연흑연 미분을 구형화한 후 피치 코팅 및 2,000℃ 이상의 고온 열처리를 통해 인조흑연과동등 수준의 성능을 구현한 소재임
단면 SEM 사진
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검토 항목기대효과
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고출력많은 Li-ion의 반응 Site 제공
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저전극팽창인조흑연 수준의 전극 팽창 특성
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장수명천연흑연 코어를 인조흑연 피복
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고가격경쟁력저가 인편상 천연흑연이 주원료
기본물성 비교 조립구상 vs. 천연흑연/인조흑연
| 항목 | 조립구상 | 천연흑연(P) | 인조흑연(Z) | 비고 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 입도 분포 (㎛) | D10 | 6.8 | 8.3 | 9.5 | 인조흑연 동등 수준 |
| D50 | 14.9 | 12.5 | 18.7 | ||
| D90 | 39.3 | 19.9 | 36.9 | ||
| 비표면적 (m2/g) | 1.21 | 2.39 | 0.94 | - | |
| 탭밀도 (g/cm3) | 1.29 | 1.05 | 0.93 | 인조흑연 대비 우수 | |
| 결정성 (XRD) | d002 (nm) | 0.3355 | 0.3356 | 0.3353 | 흑연화도 |
| La (nm) | 90.83 | 124.45 | 99.88 | ||
| Lc (nm) | 33.03 | 44.09 | 99.86 | ||
전기특성 비교 조립구상 vs. 천연흑연/인조흑연
초기 특성 비교
| 항목 | 조립구상 | 천연흑연(P) | 인조흑연(Z) |
|---|---|---|---|
| 방전용량 (mAh/g) | 348 | 360 | 337 |
| 초기효율 (%) | 94.3 | 93.5 | 92.7 |
출력 특성 비교
| 구분 | 0.1C | 1.0C/0.1C | 3.0C/0.1C | 5.0C/0.1C |
|---|---|---|---|---|
| 조립구상 | 100.0% | 99.0% | 95.6% | 92.5% |
| 인조흑연 | 100.0% | 98.6% | 93.8% | 84.7% |
| 천연흑연 | 100.0% | 99.1% | 80.8% | 37.0% |
* 0.2C 충전 적용
제조 공정
원료 현황
LSN SiNx-C 음극재
당사는 EV의 품질 니즈에 부합하는 높은 용량 및 효율을 갖는 SiNx-C 복합체를 개발하여 특허를 확보하고 다양한 고객사의 품질 평가를 추진중이며 가격 경쟁력을 위한 제조기술을 기반으로 대량 생산 설계를 검토하고 있음.
| Items | Si계 음극재 | |
|---|---|---|
| SiNx-C 복합체 | SiOx | |
| 용량 | 800~1,500mAh/g | 1,300~1,600mAh/g |
| 효율 | 85~90% | 80~85% |
| 수명 | Normal | Normal |
| 출력 | Good | Good |
| 가격 | Low | High |
| 이미지 | ||
LSN ( LPN SiNx-C Composite Anode Materials )
Si계 음극재 이슈
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1Si 부피팽창LSN는 부피팽창을 억제하기 위해 nano size-Si을 제조하고 Si의 부분 질화 공정을 통해 신조성 SiNx를 제조, 구상흑연에 코팅한 복합체임.
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2Si의 비가역용량 증가
이차전지가 충방전 동안에 Si이 Li과 반응하여 다양한 화합물을 생성함에 있어서 비가역용량이 증가하고 Li 이온이 소모되는 현상을 유발하게 됨.
LSN은 N이 Li 이온과 반응시 안정한 matrix 형태로 SEI층을 형성하여 Si 가역용량과 전도성 향상을 통해 높은 Cycle 수명을 구현함.
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음극재 충방전 반응메카니즘SiNx + nLi+ne- →Conversion Matrix + Li3.75Si ⇄Cycling Matrix + Si + 3.75Li+ + 3.75e-
SiNx-C 음극재-개발방향
당사는 Si계 음극재의 이슈 해소를 위해 Nano-SiNx 및 탄소 코팅 기술을 개발하여 차별화된 소재를 구현함.
Si계 음극재 기술 이슈
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Si 부피팽창충방전 시 Si 입자의 Pulverization 발생
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전해질부반응초기 및 충방전 시 비가역 SEI 층이 생성
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전극 탈리충방전 시 Si 입자간, Si와 흑연 입자 간 도전 Paste가 끊어짐
㈜엘피엔 개발 방향
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Nano Si 적용기계적 밀링 : 50~100nm
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Si 부분 질화 (SiNx)안정적이고 이온전도성이 우수한 Li3N SEI 층 생성
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Si-흑연 복합체 제조구형흑연 표면에 Si와 비정질 탄소 코팅된 복합체 제조기술 보유
SiNx-C 음극재 제조 공정
SiNx-C 복합체를 제조하기 위한 Pilot 공정설비 구축 및 공정 최적화를 통해 제품화 공정기술을 확보하고 기본 물성분석 및 Cell 평가환경을 구축하여 음극재에 대한 이차전지의 요구품질을 평가하고 있음.
음극재 기본개념도
제조공정
SiNx-C 음극재 기본 물성
SEM Images
LSN 기본 물성
| 제품 | 입도분포(μm) | 비표면적 (㎡/g) |
O2 함량 (%) |
ICP 분석 Fe(ppm) |
Si XRD 결정립크기 |
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|---|---|---|---|---|---|---|---|
| D10 | D50 | D90 | |||||
| LSN-1400 | 6.5 | 14.2 | 24.2 | ≤ 5.0 | ≤ 4 | < 3 | 18nm |
SiNx-C 음극재 전기적 특성
SiNx-C 복합체는 고객의 요구에 부합하기 위해 용량 800~1,400mAh/g, 효율 88% 수준의 제품을 구현하며 고객사로부터 Full Cell 조건의 다양한 평가를 진행 중에 있음.
| 항목 | 방전용량 (mAh/g) |
초기효율 (%) |
|---|---|---|
| SiNx-C composite | 1,430 | 87.6 |
| SiNx-C composite + AG mixed | 503 | 90.9 |
Coin Cell Test Condition
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FormulationSiNx-C composite +AG:Binder: conductive material = 94 : 3 : 3
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FormationCharge 0.1C CC/CV to 0.01V, Cut-off 0.01C
Discharge 0.1C CC to 1.5V
충방전 그래프
LSN-1,400 SiNx-C 복합체
LSN-1,400 SiNx-C 복합체
충방전 그래프
SiNx-C 복합체+인조흑연 혼합
SiNx-C 복합체+인조흑연 혼합
