초록 ▼

연구의 목적 및 내용
■ 나노 전극소재 기술과 이온성 액체 전해질 기술의 융합을 통하여 불에 잘 타지 않고 고온에서도 안전한 에너지 저장용 리튬이온전지의 핵심소재 설계, 개발
■ 리튬이온-전극간 전기화학 프로세스 기구와 전극-전해질간 계면반응기구를 체계적으로 분석할 수 있는 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 차세대 에너지저장 디바이스 기술에 적용

연구결과
(1) 나노전극-이온성 액체 전해질 융합기술의 개발
■ Si-Cu, $SiO_{x}$, $TiO_{2}$ 나노

연구의 목적 및 내용
■ 나노 전극소재 기술과 이온성 액체 전해질 기술의 융합을 통하여 불에 잘 타지 않고 고온에서도 안전한 에너지 저장용 리튬이온전지의 핵심소재 설계, 개발
■ 리튬이온-전극간 전기화학 프로세스 기구와 전극-전해질간 계면반응기구를 체계적으로 분석할 수 있는 분석 플랫폼을 구축하고, 이를 차세대 에너지저장 디바이스 기술에 적용

연구결과
(1) 나노전극-이온성 액체 전해질 융합기술의 개발
■ Si-Cu, $SiO_{x}$, $TiO_{2}$ 나노음극과 계면호환성을 가지는 이온성 액체 전해질을 선정하고, 전기화학 특성 및 전극-전해질 계면반응 거동 분석
■ 기존의 액체전해질보다 이온성 액체 전해질에서 더 안정한 SEI 층 생성시키므로써 싸이클 성능 향상
■ 이온성 액체의 점도 및 계면제어 기술을 활용하여 우수한 싸이클 성능 획득
(2) 나노전극-이온성 액체 전해질 계면반응 및 특성 분석기술 개발을 통한 계면반응-성능간 상관관계 정립
■ ex-situ ATR FTIR, XPS, Raman 분광분석법을 바탕으로 한 계면반응 분석 플래트폼확보를 통하여 SEI 층 성분 및 생성기구 규명
■ 나노전극-이온성 액체 전해질간 계면반응 메카니즘을 규명하고 계면반응-성능간 상관관계 정립.
(3) 난연성 이온성 액체 전해질을 이용한 고체 박막화 연구
■ 이온성 액체의 환원 분해를 억제할 수 있는 새로운 첨가제를 도입하여 박막(~30 μm)고분자 전해질을 제조하고 이차전지에 적용
■ 난연특성 평가 결과 사용된 모든 이온성 액체 전해질은 불연성(non-flammable)을 보여 우수한 난연 특성을 가지는 것으로 확인
(4) 나노전극과 이온성 액체를 포함하는 고분자 전해질을 적용한 셀의 충방전 특성 평가
■ $Li_{4}Ti_{5}O_{12}$ 음극, $FeSi_{2.7}$ 음극, $LiFePO_{4}$ 양극, $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_{2}$ 양극 및 이온성 액체기반 고분자 전해질을 적용한 셀의 충방전 특성을 평가하고 전극-전해질 계면 특성 분석
■ 첨가제가 도입된 이온성 액체를 포함하는 고분자 전해질을 적용한 경우 액체 전해질을 적용한 셀과 거의 동등한 싸이클 특성 보임

연구결과의 활용계획
■ 본 연구에서 개발한 전극-전해액 계면 설계, 계면 호환성 평가 및 계면반응 (SEI 층) 분석 기술은 새로이 관심대상이 되는 음극, 양극, 전해질 소재에 언제든지 적용 가능함
■ 차세대 에너지 신소재 스크리닝 기초연구 및 추후 산업체의 차세대형/미래형 이차전지 소재 성능확보에 필수적이며 지속적으로 추가 연구 필요함
■ 전고상 이차전지용 무기 및 고분자 (또는 하이브리드) 고체전해질과 음극, 양극재간 계면호환성 및 계면반응 거동 평가를 통한 성능개선에도 본 연구의 기반 기술 활용이 기대됨
■ 본 연구의 전극소재의 분석 기술, 계면구조 및 표면 특성 설계 및 제어 기술은 기반기술 성격이 강하여 태양전지 등 타 에너지관련 디바이스 기술 및 촉매소재의 개발 등에도 응용이 기대됨

Abstract ▼

Purpose&contents
■ Development of new materials for next-generation lithium secondary batteries, based on non-flammable ionic liquid electrolytes coupled with nano-electroactive materials
■ Establishment of a mechanistic analysis platform for understanding their electrochemical processes and i

Purpose&contents
■ Development of new materials for next-generation lithium secondary batteries, based on non-flammable ionic liquid electrolytes coupled with nano-electroactive materials
■ Establishment of a mechanistic analysis platform for understanding their electrochemical processes and interfacial phenomena for safer energy storage systems

Result
(1) Development of new interfaces of nanoelectrode-ionic liquid electrolyte
■ Appropriate ionic liquid electrolytes that has the favored interfacial compatibility with the Si-Cu, $SiO_{x}$, $TiO_{2}$ nanoanodes were selected and studied for its interfacial reaction behavior
■ Electrochemical cycling performance in ionic liquid electrolyte was enhanced via the formation of a stable SEI layer
■ Interfacial structure and viscosity were controlled for enhanced cycling performance
(2) Establishment of interfacial reaction-performance relationship for the high capacity electrode with ionic liquid electrolyte
■ ex-situ interface analysis platforms including ATR FTIR, XPS, Raman spectroscopy were established for the SEI investigation
■ Interfacial reaction mechanism in ionic liquid electrolyte and its relation to cycling performance were clarified
(3) Studies of polymer solid electrolyte using non-flammable ionic liquid electrolyte
■ Thin film (~30 μm) polymer electrolyte including new additive was fabricated and enabled to suppress the reductive decomposition of ionic liquid
■ Non-flammability of all ionic liquid electrolytes used in this work was confirmed
(4) Evaluation of electrochemical cycling performance of the lithium cells with nanoelectrodes and polymer electrolytes containing ionic liquid
■ Cycling performance of the $Li_{4}Ti_{5}O_{12}$ and $FeSi_{2.7}$ anodes, and the $LiFePO_{4}$ and $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_{2}$ cathodes with polymer electrolyte containing ionic liquid and their interfacial reaction behavior were evaluated
■ Excellent cycling performance of the cells with polymer electrolyte containing ionic liquid and additive was obtained, which was comparable to that with liquid electrolyte

Expected Contribution
■ Evaluation techniques for interfacial compatibility and the SEI layer established in this work would be fully utilized and further developed as a material screening tool for finding new electrode and electrolyte materials for next-generation and/or future lithium secondary batteries
■ Interfacial control method in this work is expected to be applied for the new interface between electrode and inorganic/polymer electrolyte (or their hybrid) for next-generation all-solid-state- batteries
■ Expertise of material design and analysis, and interface design and control are applicable to other energy-related devices including solar cells, fuel cells and catalysts

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 53
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 54
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 54
• 7. 주관연구책임자(공동연구원) 대표적 연구실적 ... 55
• 8. 참고문헌 ... 55
• 9. 연구성과 ... 58
• 10. 기타사항 ... 66
• [별첨1] 대표연구성과 ... 67