초록 ▼

[제 1 세부과제]
◎ 리튬 금속/전해질 계면 안정화 첨가제 개발
․ Succinic Anhydride (SA) 첨가제 개발 (100 사이클 68% 유지, 전류조건 0.75 mA/cm² (일반 리튬이차전지 기준, 비교기준 셀 대비 4배 사이클 안정성 향상)
․ Cesium Iodide (CsI) 첨가제 개발 (리튬/공기 이차전지 기준, 210 사이클, 전류조건 0.2 (방전) 및 0.1 (충전) mA/cm2)
◎ 유무기 복합 보호막의 도입을 통한 리튬 전극의 안정성 및 가역성 향상
․ 400 사이클 91%

[제 1 세부과제]
◎ 리튬 금속/전해질 계면 안정화 첨가제 개발
․ Succinic Anhydride (SA) 첨가제 개발 (100 사이클 68% 유지, 전류조건 0.75 mA/cm² (일반 리튬이차전지 기준, 비교기준 셀 대비 4배 사이클 안정성 향상)
․ Cesium Iodide (CsI) 첨가제 개발 (리튬/공기 이차전지 기준, 210 사이클, 전류조건 0.2 (방전) 및 0.1 (충전) mA/cm2)
◎ 유무기 복합 보호막의 도입을 통한 리튬 전극의 안정성 및 가역성 향상
․ 400 사이클 91% 유지, 전류조건 1 mA/cm² (일반 리튬이차전지 기준)
․ 초기용량 1,000 mAh/g 구현 및 149 사이클 100% 용량 유지, 3,000시간 구동 (0.01 mA/cm²,리튬/공기 이차전지 기준)
․ 사이클 구동 후 유무기 복합 보호막 도입 유무에 따른 리튬 전극의 계면 분석 (EIS, SEM, XPS)
◎ 타 세부그룹과 협력을 통한 요소 기술 통합화 및 리튬/공기 전지 사이클 안정성 향상
․ 4세부에서 개발한 금속/금속산화물 촉매 기반 전극과 융합을 통한 전지 성능 극대화.
․ 코인형 리튬/공기 전지 설계를 통한 전지성능 신뢰성 확보 및 규격화.
․ 첨가제 SA를 포함한 유무기 복합보호막의 성능 고도화 (리튬/공기 전지기준, 초기용량 500 mAh/g 구현 및 ²00 사이클 100% 용량 유지 (전류 밀도:0.2 mA/cm²)
․ SA첨가제로 개질된 유무기 복합보호막과 CsI를 포함하는 전해액을 융합한 리튬/공기 전지 성능 극대화.
☞ 최종 성능: 210 사이클 달성 (초기 방전 용량: 1000 mAh/g극판, 용량 유지율 100% 기준), 전류 밀도 0.2 mA/cm² (0.4 C-rate) 구동, 최고 에너지 효율 75% 달성
☞ SCI 급 논문 29 편 게재, 특허 출원 5 건, 특허 등록 4 건
[제 2 세부과제]
◎ 리튬/공기 전지 내 촉매 설계 및 구동 메커니즘 규명을 위한 제일 원리 계산법 도입
․ 금속촉매, 금속 산화물 촉매의 활성화 에너지 경감효과 분석
․ 리튬/공기 전지 충전 과전압의 원인 분석 (생성물의 분해반응 활성화에너지, 이온 및 전기전도도,전해질에 대한 용해도 등 분해 메커니즘에 대한 소듐/공기 전지와의 비교 분석)
․ 고체 전해질 열적/전기화학적 안정성 평가 및 선정 (Li_1.5Al_0.5Ti_1.5(PO₄)₃(LATP)의 선정)
◎ 고체 전해질을 이용한 유/수계 복합 리튬/공기 시스템 구축
◎ 촉매 적용을 통한 유/수계 복합 리튬/공기 전지 시스템의 성능 개선
◎ 유/수계 복합 리튬/공기 전지 시스템에서의 촉매 작용 메커니즘 분석 (SEM, DEMS 기체분석, 사이클 특성 분석 등을 통한 촉매 분석)
☞ 25000 mAh/g탄소 이상의 초기 방전 용량, 40사이클 이상의 수명특성 발현
☞ OER, ORR 촉매 동시 적용으로 과전압을 1.4V에서 0.4V까지 감소
☞ SCI 급 논문 28 편 게재, 국외 학회 초청강연 13건
[제 3 세부과제]
◎ 유계·수계 전해질 에서의 전해질 / 공기전극 계면 반응 특성 및 최적화
◎ Type 2 셀의 공기전극 물질 선택 및 수계 전해질 조성의 최적화
◎ 수계 전해질 내에서 전극/전해질 계면 특성 분석 및 성능 향상을 위한 새로운 첨가제 개발
․ 수계 전해질 조성 변화에 따른 공기 전극의 표면변화 분석 및 전지 특성에 미치는 영향 조사
․ 계면 특성을 고려한 수계전해질용 첨가제 개발 (KF, LiF) 및 전기화학적 특성 분석
[제 4 세부과제]
◎ Bifunctional catalyst 선정을 위한 다양한 금속/탄소 촉매 합성 및 전기화학적 활성 평가
․ 금속/금속 산화물 bifunctional 촉매 설계 및 공기전극으로의 적용 (PtRu/Mn₃O₄)
․ 고안정성 산화물기반 bifunctional 촉매 설계 및 공기전극으로의 적용 (RuO_x/MnO₂)
☞ 과전압 ~0.75 V 감소, 초기용량 700 mAh/g, 100 사이클 유지 달성, 1세부와 협업 연구
◎ 사이클 향상을 위한 carbon nanofiber (CNF) 지지체의 도입
☞ 방전 과전압 0.3 V, 충전 과전압 0.9 V 감소, 및 round-trip efficiency 75% 이상
[제 5 세부과제]
◎ 반응 생성물 분해 유도를 통한 리튬/공기 이차전지의 가역성 향상 및 과전압 감소 연구
☞ LiI를 도입하여 과전압 ~0.7 V 감소
◎ 촉매 복합체 제조공정의 최적화를 통해 공기극의 고용량 달성
․ polydopamine을 binding agent로 도입해 Co3O4 촉매를 CNT위에 균일하게 성장시키는 복합화 제조 기술 개발 및 극판설계시 KB를 배제해 최적의 극판 설계
․ 비산화 그래핀/Co₃O₄ 복합화를 통한 고성능 리튬/공기 이차전지 구현
◎ 고분자 코팅을 통한 공기전극/전해액 제어
․ 비산화 그래핀/Co₃O₄ 복합화를 통한 고성능 리튬/공기 이차전지 구현
☞ SCI급 논문 13편, 특허출원 4건, 특허등록 2건
(출처:요약서 4~5p)

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.

Previously, metal/air 'primary' batteries have been partially commercialized but lithium/air 'secondary' battery systems are not still optimized due to severe technical bottlenecks to solve. For the successful commercialization, well-balanced developments of elementary technologies for lithium/air systems including 1) lithium metal anode, 2) solid electrolytes, 3) electrochemical stability of electrode/electrolyte interface, 4) oxide-based catalysts, and 5) air cathode is strongly needed.

In this project, Part 1 group exploited the technologies to stabilize lithium metal anode and designed the electrolyte for lithium/air battery system. Metallic lithium has been considered as an ideal anode material due to its ultimately high theoretical capacity (3860 mAh g^-1) and the lowest reduction potential (-3.04 versus Standard Hydrogen Electrode (SHE)). However, big challenges were still remained prior to practical application; highly reactive nature and dendrite formation during electrodeposition. Likewise, its propensity would be accelerated in the lithium/air cell system. Therefore, the stabilization of lithium metal anode should be preferentially required toward successful commercialization of lithium/air battery.

Ⅲ. Contents and Scope of Current R&D Project
1. Purpose of R&D Project
Development of high-performance rechargeable Li/Air battery by integration of core technology
- Development of organic/inorganic hybrid protection layer and new non-aqueous electrolyte for stabilization of lithium electrode
- Development of high stable and improved cyclability of aqueous/non-aqueous hybrid Li/Air batteries with thin-film solid electrolyte
- Development of advanced electrochemical analysis and stabilization of air cathode/electrolyte interphase in Li/Air battery
- Development of metal/metal oxide/carbon composite as bi-functional catalyst for Li/Air battery
- Development of carbon/catalyst nanostructured composite air cathode materials for Li/Air batteries

2. Contents
[Part 1] Identification and stabilization of interfacial chemistry b/w protective layer and Li electrode
◦ Development of functional plasticizer and inorganic filler for physicochemically and electrochemically stable organic/inorganic hybrid protectivel layer on Li electrode
◦ Development of stable non-aqueous electrolyte for high performance Li/Air battery
◦ Integration of protected Li electrode with other groups’ core technologies and maximization of the electrochemical performance of Li/Air battery (150 cycles for 1000 mAh/g discharge capacity and 200 cycles for 500 mAh/g discharge capacity)
[Part 2]
◦ First-principles calculation of catalytic activity, activation energy & polarization
◦ Advance & analysis of electrochemical properties of hybrid electrolyte cells
◦ Development of air cathode catalyst (Pure metal, metal oxide, metal nitride, perovskite) in hybrid electrolyte system
◦ Development of Type 2 (hybrid electrolyte system) air battery system/thin film solid electrolyte (10,000 mAh/g of initial capacity, 50 cycles with 1000mAh/g of discharge capacity, and 400 Wh/kg of energy density)
[Part 3]
◦ Evaluation of oxygen reduction/emission reactions kinetics by controlling composition and pH of aqueous electrolyte and mechanism study
◦ Development of advanced electrochemical analysis for characterization of air cathode/electrolyte interphase
[Part 4]
◦ Development of synthesis method of carbon supported catalyst
◦ Evaluation of catalyst stability
◦ Control of catalytic structure and properties
◦ Development of highly efficient catalyst for Li/Air secondary battery
[Part 5]
◦ Controlling morphologies and dispersion of electrode materials
◦ Enhancement of surface stability by polymer coating
◦ Reducing overpotential by integration of catalyst using soluble redox mediator
◦ Evalutation of electrochemical performances of various carbon/catalyst composites as variation of carbon morphologies (1000 mAh/g (based on electrode weight) of initial capacity and 100 cycles with 80% retention)

Ⅳ. Key Achievements
1. Development of High performance, High stability of Li/Air Battery System
Key achievements

“Development of Core Technologies for Lithium Metal Stabilization”
➊ Physical suppression of Li dendrites by Inorganic/organic hybrid composite protection layer
➋ Development of single-ion conducting thin polymer layer for Li metal protection
➌ Functional plasticizer for stabilizing the CPL/Li interface (adding Succinic Anhydride 3wt.%)
➍ Integrating the core technology of each component and Long-term operation of Li-Air cell
☞ Final system I> PtRuMn₃O₄/KB//(1M LiClO₄/TEGDME/0.05M TEMPO)//CPL-SA3/Li Curtailing capacity: 500 mAh/g_-electrode 336 cycles (Current density: 0.2mA/cm²)
(168% exceeding compared to initial target value)
☞ Final system II> RuO_x/MnO₂/KB//(1M LiTFSI/TEGDME/0.05M CsI)//CPL-SA3/Li Curtailing capacity: 1000 mAh/g_-electrode 210 cycles (Current density: 0.2mA/cm²)
(140% exceeding compared to initial target value)

“Porous, interconnected carbon network; CNT fibril electrode”
➊ Improving the reversibility through compositing with Pt catalyst
➋ Robust reversibility of Li/O₂ cell enabled by soluble catalyst, LiI
☞ Experimental system> CNT fibril (10 sheet)//(1M LiTFSI/TEGDME/0.05M LiI)//Li 900 cycles with 1000 mAh/g-CNT (Capacity curtailing mode, current: 3000mA/g(=0.05mA/cm²))

“Development of Functional Electrolytes for Li-Air battery”
➊ Develpment of redox mediator (LiI and TEMPO) and suppression of redox shuttle phenomena
➋ Multi-functioned electrolyte additive, Cesium Iodide (CsI)

“Surface Modification of Carbon-based Air Cathode”
➊ Mussel-inspired polymer (Polydopamine) coating technology: maximizing the electrochemical active surface area and protecting the carbon corrosion
☞ >166% improvement on cycleability (current: 0.18mA/cm²)
➋ Electro-conducting (PEDOT:PSS) coating technology
☞ >220% improvement on cycleability (current: 0.2mA/cm²)

“Design of highly active catalyst and its synthetic technology”
➊ Noble metal alloys/metal oxides(PtRu/Mn₃O₄)/carbon support (Ketjen black) composite catalyst
➋ Bi-metallic oxide catalyst (RuO_x/MnO₂)/carbon support (Ketjen black) composite catalyst
➌ Building a methodology for catalyst material design through First principle calc. and experimental evidences.

“Elucidation of Failure Mechanism of Li-Air Battery by Factor Analysis”
➊ Effect of CO₂ gas on oxygen reduction/evolution reactions and the importance of dielectric constants of electrolyte solvents
➋ Effect of gaseous O₂ dissolved in non-carbonate-based electrolyte on Li metal surface(O₂ crossover)

“Development of Aqueous/Non-aqueous hybrid type Li-Air cell”
➊ Screening of solid electrolyte by first principle calc. and adopting its optimum structure
(Li_1.5Al_0.5Ti_1.5(PO₄)₃)
➋ Development of bi-functional catalyst under aqueous electrolyte
➌ Development of soluble, mobile catalyst for aqueous electrolyte (LiI)
➍ Development of Halide-based electrolyte addtive for aqueous electrolyte system
☞ Final performance> >25000 mAh/gcarbon of initial discharge capacity and >40 cycle suppression of cell polariztion (1 V) by spontaneous ORR, OER catalyst introduction

2. Outcomes (Publications, Patents, Conference Presentations)
- 76 publications (SCI papers) with 3 papers on domestic SCI journal
(including 30 papers published in high-impact journals (IF>7.0))
(5 papers were highlighted as cover image or hot paper of journals.)
- 27 patents (Korean application: 17, Korean registrations: 9, US registration: 1)
- 163 presentations (Invited talks: 16, International conferences: 71, Domestic conferences: 46)

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 9~11p)

목차 Contents

• 표지 ... 1제출문 ... 2보고서 요약서 ... 4요약문 ... 6SUMMARY ... 9CONTENTS ... 12목차 ... 14제 1 장 연구 배경 및 목표 ... 16 제 1 절 연구개발대상 기술의 경제적 ․ 산업적 중요성 및 연구개발의 필요성 ... 16 1. 석유자원의 고갈 및 그린 에너지 기술 시대 요구 ... 16 2. 에너지 저장의 필요성 증대 및 중대형 전지 시장의 확장 ... 16 3. 리튬이차전지의 한계와 차세대 시스템의 개발 ... 18 제 2 절 연구개발대상 개요 ... 19 1. 리튬/공기 전지 개요 ... 19 2. 연구 동향 분석과 연구 개발의 필요성 ... 20제 2 장 국내외 관련 동향 ... 24 제 1 절 국내 수준 ... 24 1. 세계적 수준 ... 24 2. 국내수준 ... 24 제 2 절 해외 연구 동향 ... 25 1. 주요 연구기관별 리튬/공기 전지 관련 연구 현황 ... 25 2. 전지 구성 요소별 리튬/공기 전지 연구 현황 ... 28제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 38 제 1 절 연구개발 수행 개요 ... 38 1. 연구개발의 성격 (기술 준비도, Technology Readiness Level (TRL)) ... 38 2. 연구개발의 최종 목표 ... 38 3. 연구개발 추진전략 및 방법 ... 39 제 2 절 연구개발수행 내용 ... 46 1. 리튬 금속 음극 (1세부) ... 46 2. 공기 (산소) 투과 양극 ... 88 3. 리튬/공기 이차전지용 전해액 기술 (1, 2, 3, 5세부) ... 133 4. 유/수계 전해질 복합형 리튬/공기 전지 기술 (2세부 및 3세부) ... 145 5. 결론 및 제언 ... 169제 4 장 연구결과 및 목표달성도 ... 174 제 1 절 정량적 성과 ... 174 제 2 절 정성적 성과 ... 195제 5 장 연구 개발 대표 성과 ... 200제 6 장 연구결과의 파급효과 및 활용 가능성 ... 206제 7 장 기타 (연구개발과정에서 수집한 해외 과학기술정보) ... 208제 8 장 참고문헌 ... 216끝페이지 ... 217