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차세대 리튬이온이차전지 연구에서의 원자력 현미경 활용
Atomic Force Microscopy Applications to the Next Generation Lithium-ion Batteries 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.22 no.4, 2019년, pp.381 - 392  

이지현 (한국과학기술연구원) ,  공상혁 (한국과학기술연구원) ,  김형우 (한국과학기술연구원) ,  김형석 (한국과학기술연구원)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, demands for lithium-ion batteries (LIB) in various fields are increasing. In particular, understanding of the reaction mechanism occurring at the electrode-electrolyte surface/interface is significant for the development of advanced LIBs. Meanwhile, research and development of LIBs highly ...

주제어

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문제 정의

  • 7) 예를 들어서, AFM의 다양한 측정 모드를 통해 충전 방전 과정 동안 전극의 지형 변화를 실시간으로 볼수 있고 동시에 전기화학반응, 전류 분포, 표면 전위, 리튬 이온 전달 등 표면 특성을 고해상도로 조사 할 수 있다.8) 본 지면에서는 다양한 측정 모드의AFM의 작동원리에 대해 간단히 설명하고 AFM의 다양한 측정기술들을 이용한 LIB연구의 최신 동향과 앞으로의 연구 방향에 대해 논하려고 한다
  • 그림 14(c), (d)는 LiCoO2 양극을 위의 방법을 통하여 분석한 결과이다. 이 결과를 통해 시료의 화학적 조성을 알수 있다. 그리고 리튬 이온이 탈리된 영역은 녹색, 리튬이온이 삽입된 영역은 빨간색으로 표시된 것을 바탕으로 새 배터리와 오래된 배터리의 양극을 구별할 수 있다.
  • 따라서, Hg/Pt UME를 활용하는 모드가 도입되었다. 이 모드는 리튬 및 다른 알칼리 이온에 대한 신뢰성 있는 데이터를 신속하게 얻을 수 있고 재료 결함이 반응 균일성에 미치는 영향을 높은 공간적 및 시간적 분해능으로 규명할 수 있는 새로운 방법이다.41) 
  • 2017년 옥스포드 대학교에서는 양극 물질에 3개의 상이한 높은 작동전압에서 형성된 SEI 층의 형성 공정 및 전자 특성을 SECM in-situ모드를 통해 측정하였다. 이 연구는 고 에너지 밀도 LIB를 개발하는 길을 열었다.36) 또한, 2016년 칼덴오시츠키 대학에서는 HOPG 및 흑연 복합체 표면에 형성된 다양한 SEI 층의 특성을 측정하는데 SECM을 사용하여 HOPG에서 형성된 SEI 층이 흑연에서 형성된 SEI 층 보다 더 안정적임을 밝혀냈다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
LIB는 어디에 적용되어지고 있는가? 리튬 이온 배터리(LIB)는 1980년 John Bannister Goodenough에 의해 발명되고 1991년 Sony에 의해 상용화 된 이후 지금까지 계속해서 전세계의 주목을 받고 연구되고 있다.1) LIB는 현재 휴대용 전기 장치에 쓰이는 소형에너지 저장장치에서부터 전기 자동차 및 중대형에너지저장시스템(ESS)에 적용되는 중대형 에너지 저장 장치에 이르기까지 널리 적용되고 있다. 특히, 블룸버그 신에너지 파이낸스(BNEF)는 전기 자동차 생산에 투입되는 LIB의 연간 수요가 2025년과 2030년 각각 408 GWh 1293 GWh에 도달 할 것으로 예측했다.
고에너지밀도, 장수명, 가격 및 안전성 등의 특성을 만족시키기 위해 어떤 소재를 개발해왔는가? LIB의 구성은 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 등의 핵심소재로 이루어져 있으며, 고에너지밀도, 장수명, 가격 및 안전성 등은 차세대 LIB개발에 있어 핵심 요구사항이다. 이러한 특성들을 만족시키기 위해 지난 30년동안 LiCoO2, LiMnO4 및 LiFeO4를 포함한 여러 유형의 양극 소재가 개발되어 상용화되었다.3) 음극 소재의 경우 탄소계 물질인 흑연이 개발되어 상용화 되어있고 실리콘과 리튬 금속 등 다양한 유형의 물질이 새로운 음극으로 제안되었지만 이러한 새로운 음극은 아직 까지 상용화에 이르기에는 안전성, 성능 및 신뢰성이 크게 못 미치는 실정이다.
LIB의 구성은 어떻게 이루어져 있는가? 이처럼 LIB 관련 시장은 빠르게 성장하고 있는 것에 비해 소재 개발은 다소 정체되어 있다. LIB의 구성은 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 등의 핵심소재로 이루어져 있으며, 고에너지밀도, 장수명, 가격 및 안전성 등은 차세대 LIB개발에 있어 핵심 요구사항이다. 이러한 특성들을 만족시키기 위해 지난 30년동안 LiCoO2, LiMnO4 및 LiFeO4를 포함한 여러 유형의 양극 소재가 개발되어 상용화되었다.
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참고문헌 (48)

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  3. Y.J. Yang, X.Z. Liu, Z.H. Dai, F.L. Yuan, Y. Bando, D. Golberg, X. Wang, "In Situ electrochemistry of rechargeable battery materials: status report and perspectives," Adv. Mater 29 22 (2017). 

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