초록 ▼

○ 제일 원리 계산을 이용한 고체전해질 스크리닝 및 문헌 조사

○ 액체 전해질을 이용한 리튬/공기 전지 구동 및 평가 시스템 구축 (전지 시스템 디자인 및 타 세부에게 공유)

○ 제일 원리 계산을 이용한 고체전해질 평가 및 선정 (여러 상용 고체전해질에 대한 전기화학적, 열적 안정성 평가 후 LATP 선정)

○ 제일 원리 계산을 이용한 리튬/공기 전지 반응생성물의 분해 메커니즘 분석 (소듐/공기 전지와의 비교를 통한 과전압 인자 도출)

○ 고체 전해질의 합성 및 안정성 평가 (유/수

○ 제일 원리 계산을 이용한 고체전해질 스크리닝 및 문헌 조사

○ 액체 전해질을 이용한 리튬/공기 전지 구동 및 평가 시스템 구축 (전지 시스템 디자인 및 타 세부에게 공유)

○ 제일 원리 계산을 이용한 고체전해질 평가 및 선정 (여러 상용 고체전해질에 대한 전기화학적, 열적 안정성 평가 후 LATP 선정)

○ 제일 원리 계산을 이용한 리튬/공기 전지 반응생성물의 분해 메커니즘 분석 (소듐/공기 전지와의 비교를 통한 과전압 인자 도출)

○ 고체 전해질의 합성 및 안정성 평가 (유/수계 전해질과의 계면 분석, pH에 따른 안정성 평가 후 LATP 선정)

○ 고체 전해질을 이용한 유/수계 복합 리튬/공기 시스템 구축 (25000 mAh/g탄소 이상의 초기 방전용량, 40사이클 이상의 수명특성 발현)

○ 촉매 적용을 통한 유/수계 복합 리튬/공기 전지 시스템의 성능 개선 (OER, ORR 촉매 동시 적용으로 과전압을 1.4V에서 0.4V까지 감소시킴)

○ 유/수계 복합 리튬/공기 전지 시스템에서의 촉매 작용 메커니즘 분석 (SEM, DEMS 기체분석, 사이클 특성 분석 등을 통한 촉매 분석)

○ 제일 원리 계산을 이용한 리튬/공기 전지 촉매의 활성 평가 (금속촉매, 금속 산화물 촉매의 활성화 에너지 경감효과 분석)

○ 제일 원리 계산을 이용한 리튬/공기 전지 충전 과전압의 원인 분석 (생성물의 분해반응 활성화에너지, 이온 및 전기전도도, 전해질에 대한 용해도 등 분해 메커니즘에 대한 소듐/공기 전지와의 비교분석)

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

Ⅱ. The Purpose and Necessity
In an effort to overcome energy depletion problems, there have been many ongoing researches over the past few decades for advanced lithium battery technologies. Nonetheless, the progress of improving the LIB energy density has been slow, and indeed, recently, the actu

Ⅱ. The Purpose and Necessity
In an effort to overcome energy depletion problems, there have been many ongoing researches over the past few decades for advanced lithium battery technologies. Nonetheless, the progress of improving the LIB energy density has been slow, and indeed, recently, the actual value of the energy density has been saturated, primarily due to the limited capacities of electrode materials.

To overcome the limitations of present electrode materials, lithium metal or lithium-alloying materials are considered an anode part and air electrode which uses oxygen in atmosphere is considered as a new cathode part. Both electrodes have new mechanisms for lithium storage which is completely different from previous lithium intercalation mechanism. Currently, fundamental research has been reported for this new type of battery system (Lithium/air system) based on the new lithium storage chemistry.

Current Lithium/air battery based on organic electrolyte shows significant problems such as electrolyte decomposition and low efficiency. To achieve high capacities and stable operation, therefore, development of solid electrolyte with superior property is inevitable.

Hence we focused on the necessity of research for solid electrolyte system which can fundamentally solve the problem. By adopting organic/solid/aqueous hybrid electrolyte system, electrolyte decomposition can be avoided and demerit from solid discharge product also can be overcome because the discharge product dissolve in the aqueous electrolyte in this system.

However, there can be new problem such as interface contamination between solid electrolyte and other battery component, accordingly, extensive research for this issue is highly required. Moreover, the lack of fundamental knowledge for operating mechanism of Lithium/air batteries is limiting the improvement of cell performance. We also focused on the fundamental issue, to figure out exact operating mechanism.

Ⅲ. Contents and Scope of Current R&D Project
1. Literature research and system establishment
○ Literature research and screening of solid electrolyte candidate
○ Establishment of Lithium/Air cell operating system using an organic electrolyte

2. Estimation and choice of solid electrolyte and building hybrid electrolyte cell
○ Estimation and choice of solid electrolyte using First-principle calculation
○ Unveiling charging mechanism of Lithium/Air batteries using First-principle calculation
○ Synthesis and property estimation of solid electrolyte
○ Establishment of Lithium/Air cell operating system using organic/solid/aqueous hybrid electrolyte

3. Performance improvement of hybrid electrolyte system and unveiling operating mechanism
○ Performance improvement of hybrid electrolyte system using OER and ORR catalysts
○ Analysing the operating mechanism of catalyst in the hybrid electrolyte system
○ Analysing the activity of metal and metal oxide catalyst in Lithium/Air cell using first-principle calculation
○ Elucidating the origin of charging overpotential in Lithium/Air cell using first-principle calculation

Ⅳ. Key Achievements
1. Development of Lithium/Air batteries based on organic/solid/aqueous hybrid electrolyte and elucidating operating mechanism using first-principle calculation
- Estimation of solid electrolyte using first-principle calculation
→ Development of estimation method for candidates of solid electrolyte (for Lithium/Air battery)

- Elucidating the origin of charging overpotential in Lithium/Air cell and catalyst effect using first-principle calculation
→ Analysing the origin of charging overpotential in Lithium/Air cell
→ Analysing operation mechanism of reported catalysts

- Performance improvement of hybrid electrolyte system
→ Designing and constructing new type cell system for hybrid elecrolyte Lithium/Air cell (Air electrode: ketjen black:kynar = 8:2(wt%) on Ni mesh, aqueous electrolyte: 0.5 M LiOH, organic electrolyte: 1 M LiPF6 in EC/DMC(1:1 v/v), solid electrolyte: LiSICON(Ohara Inc.), current density: 0.2 mA/cm2))
→ Capacity of more than 25000 mAh/gcarbon, >40 cycles in 1000 mAh/gcarbon operating were achieved
→ Using OER LiI liquid catalyst, ORR Pt catalyst, overpotential was reduced from 1.4V to 0.4V

2. Outcomes (Publications, Patents, Conference Presentations)
- SCI papers: 28 Publication
- Invited presentation: 13
- 2 patents
- 7 presentations: (International conferences: 4, Domestic conferences: 3)

Ⅴ. Application Plan Through Utilization of R&D Project
- Purpose of research is the development of key elementary technologies for the demonstration of highly stable lithium/air battery.

- Key elementary technologies which are developed in current step will be verified its reproductibility and possibility for large scalable batteries.

- Lithium/air batteries are expected to lead next generation of secondary battery markets and it is receiving wide attention as an energy sources for military machines, electric vehicles, robots or submarines.

- It is expected that not only preoccupacy of the original technologies for lithium/air secondary batteries but also enhancement of competitiveness for next generation of energy storage industry is possible based on success of this research.

(출처 : SUMMARY 7p)

목차 Contents

• 표지 ... 1제출문 ... 2보고서 요약서 ... 3요약문 ... 4SUMMARY ... 7CONTENTS ... 10목차 ... 11제 1 장 연구 배경 및 목표 ... 12 제 1 절 연구개발대상 기술의 경제적 산업적 젓요성 및 연구개발의 필요성 ... 12 1. 리튬-공기 이차전지 (lithium-air rechargeable battery)와 박막 고체 전해질 ... 12 2. 경제적·산업적 젓요성 ... 13 3. 연구개발의 필요성 ... 14 제 2 절 연구개발 목표 ... 15 1. 연구개발의 목표 및 내용 ... 15 2. 연구개발의 최종 목표 ... 15제 2 장 국내외 관련 동향 ... 16 제 1 절 세계적 연구 동향 ... 16 1. 제일원리 계산을 통한 고체전해질 연구 ... 16 2. 제일원리 계산을 통한 리튬/공기 전지 메커니즘 분석 ... 17 3. 고체전해질을 적용한 유수계 복합전해질 시스템에 대한 연구 ... 20제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 24 제 1 절 연구개발수행 개요 ... 24 1. 최종 목표 ... 24 제 2 절 연구개발수행 내용 ... 24 1. 제일원리 계산을 통한 리튬/공기 이차전지용 고체전해질 평가 기술 개발 ... 24 2. 제일원리 계산을 통한 촉매/반응생성물 계면 연구 ... 32 3. 제일원리 계산을 통한 촉매 효과 원리 분석 ... 39 4. 실험 기반 조성 ... 48 5. 고체전해질 합성 및 조건 최적화 ... 49 6. 고체전해질이 적용된 유-수계 복합 시스템 ... 55 7. 연구 목표 외 성과 ... 67제 4 장 연구결과 및 목표 달성도 ... 78 제 1 절 정량적 성과 ... 78 제 2 절 정성적 성과 ... 89제 5 장 연구결과의 파급효과 및 활용 가능성 ... 92제 6 장 참고문헌 ... 93끝페이지 ... 93