초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구과제의 목표는 고용량, 고효율의 전기 에너지 저장 시스템의 개발에 있어 가장 중요한 전극을 구성할 새로운 나노구조 물질을 찾는 것이다. 이를 위해 전기 에너지 저장 시스템의 두 가지 종류인 전기화학적 축전기와 이차전지의 근본적인 동작 메커니즘을 연구하여 두 종류의 장점을 결합한 새로운 하이브리드 리튬 이온 이차 전지용 전극을 고안하는 것이다. 새로운 전극 소재로 이용할 수 있을 것으로 기대되는 다공성 탄소 나노구조인 schwarzites나 층간 구조를 이루는 이황화 전이금속의 표면과 Si, MnO2

연구의 목적 및 내용
본 연구과제의 목표는 고용량, 고효율의 전기 에너지 저장 시스템의 개발에 있어 가장 중요한 전극을 구성할 새로운 나노구조 물질을 찾는 것이다. 이를 위해 전기 에너지 저장 시스템의 두 가지 종류인 전기화학적 축전기와 이차전지의 근본적인 동작 메커니즘을 연구하여 두 종류의 장점을 결합한 새로운 하이브리드 리튬 이온 이차 전지용 전극을 고안하는 것이다. 새로운 전극 소재로 이용할 수 있을 것으로 기대되는 다공성 탄소 나노구조인 schwarzites나 층간 구조를 이루는 이황화 전이금속의 표면과 Si, MnO2, Sn 등으로 코팅된 이들 물질의 표면에서 리튬의 흡착 특성을 연구하고 이 전극 물질 내부와 전해질과의 계면에서 일어나는 리튬 원자 및 이온의 확산과 그로 인해 일어나는 기작의 근본적인 이해에 관한 연구를 수행할 것이다. 이로부터 안정성, 고속 충·방전, 높은 에너지 밀도 등을 가지는 새로운 음극소재를 디자인하고 개발하는데 도움을 주려는 기초적인 이론 연구이다.
연구결과
화석 연료들을 기반으로 한 에너지원이 점차 고갈되고, 무분별하게 사용함으로 인한 환경오염과 기후변화에 대처한 청정에너지 기술 분야에서 친환경 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 이차전지와 초축전기에 대한 기초연구는 매우 중요하다. 이를 위해 밀도 범함수 이론에 기초한 제일원리 계산을 이용하고 유사포텐셜과 국소적인 오비탈 기저들을 결합하여, 전극 물질 재료와 리튬 원자 및 이온 간의 물리·화학적 상호작용을 조사하여 리튬 원자 및 이온, 나아가 여러 개의 리튬 원자들 어떻게 흡착하는지 흡착 기작을 연구하였다.
탄소 다공성 구조체인 nanofoam에 리튬 원자의 흡착 위치 및 흡착 에너지를 계산하고, 이로 인하여 이 탄소 나노물질에 구조적, 전기적 특성에 변화가 생기는지 분석하고 이를 토대로 하여 리튬 저장 능력과 확산 속도를 파악하기 위한 확산 에너지 장벽 등 확산 특성을 알아본 결과 새로운 탄소 nanofoam은 기존의 전극물질보다 큰 최대용량, 전극물질로서의 적당한 확산속도와 전지의 수명과 관련된 부피팽창 또한 아주 작음을 확인하였다.
또한, 탄소 nanofoam 구조 외에도 WS2, CrS2등과 같은 층간 구조인 이황화 전이금속(TS2)에 대해서도 동일한 방법으로 연구를 수행하였고 새로운 탄소 nanofoam과 마찬가지로 기존의 전극보다 좋은 특성을 가지는 것을 확인하였다. 이러한 새로운 전극 물질들은 구조적 안정성과 긴 충·방전 사이클 수명이라는 장점과 함께 기존의 전극물질보다 큰 최대용량을 가지므로 훌륭한 전극 재료 물질로서의 가능성을 보이는지 확인하였다.
연구결과의 활용계획
리튬 이온 이차전지 연구는 에너지 연구 분야에서 매우 중요한 연구 대상이 되었으며, 기초과학적인 측면으로부터 차세대 전지 개발에 이르는 응용 분야에까지 이르는 광범위한 분야에 파급 효과가 있을 것이다. 현재 우리나라 뿐 아니라 전 세계의 여러 기업들이 석유나 석탄, 천연 가스 들과 같은 화학 에너지를 대체할 청정 에너지 개발을 위하여 박차를 가하고 있는 점을 고려해 볼 때, 전력 생산 후에 전기 에너지를 저장하고 이를 이용할 수 있는 충 ․ 방전을 모두 할 수 있는 리튬 이온 전지에 대한 기초과학적인 메커니즘 연구는 더욱 발전된 전지 개발과 신재생 에너지 관련 원천 특허 획득을 이룩할 수 있으므로 경제, 산업적인 측면에서도 크게 기여할 것이라고 확신한다.

Abstract ▼

Purpose&contents
The objective of this project is to search for new electrode materials for an electrical energy storage (EES) with high capacity and efficiency. For this, we will explore the fundamental mechanism of electrochemical capacitors and rechargeable batteries, which are two types of EE

Purpose&contents
The objective of this project is to search for new electrode materials for an electrical energy storage (EES) with high capacity and efficiency. For this, we will explore the fundamental mechanism of electrochemical capacitors and rechargeable batteries, which are two types of EES, to devise a battery-capacitor hybrid system based on Li-ion battery. For new electrode materials, we consider porous carbon nanofoams called schwarzites and various layered transition metal di-sulfides, and investigate the adsorption properties of Li on their surfaces and on their sufaces coated with Si, MnO2, Sn and so on. We also study the diffusion mechanism of Li atoms and ions within the electrode and at their interface with electrolytes. Various phenomena that may occur when the Li is inserted inside an electrode material should be understood. This theoretical investigation may contribute to designing and developing excellent electrode materials that are required to have the stability, high speed charge-discharge, and high energy density.
Result
Energy resources based on fossil fuels such as oil and coal have been gradually depleted, and their usage in uncontroable ways have brought concerns on the environmental pollution and climate changes. To develop eco-friendly electrical vehicles, it is very important to perform fundamental researches on rechargeable lithium-ion batteries and supercapacitors. Using first-principles density function theory based on pseudopotential method with localized orbital basis, we investigated the diffusion behaviors and adsorption properties of Li atoms on various electrode materials by calculating physical/chemical interactions between them. Porous carbon nanofoam structures, called schwarzites, are considered to study the adsorption of Li atoms and the electronic structure modification due to the adsorption, through which we calculated the life time and Li storage capacity as well as diffusion rate on such nanofoam structures.
From these calculations, we found that carbon nanofoam structures have a proper diffusion rate, small volume expansion and lager Li storage capacity than the present electrode such as graphite. For further enhancement, we also investigated transition metal dichalcogenides, such as CrS2 and WS2. These materials are also good electrode in Li ion battery. Due to the structural stability and long life time of these new materials with the large Li storage capacity, we evaluated that these materials may be a good candidate for Li storage electrodes.
Expected Contribution
In the field of energy research, the researches on lithium-ion secondary battery are very important, and will have a great ripple effect on the broad range from the basic sciences to the applications for the next-generation battery. Considering the fact that many companies in the world try to develop the clean energy to replace chemical energies such as oil or coal, the basic researches on rechargeable lithium-ion secondary battery that can store generated electrical power will accomplish developing the more improved batteries and patents on renewable energies.

목차 Contents

• 핵심연구사업 최종보고서(평가용) ... 1
• 목 차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 15
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 34
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 49
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 49
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 50
• 8. 참고문헌 ... 51
• 9. 연구성과 ... 52
• 10. 기타사항 ... 64
• 끝페이지 ... 79