초록 ▼

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
○ 본 연구의 궁극적인 목표는 생체재료 템플레이트를 이용하여 용량 800 mAh/g 이상, 1000회 이상의 충방전 특성 수명, 충방전 속도 5C 조건 하에서도 출력특성 90% 이상을 유지할 수 있는 고용량, 고출력, 장수명의 특징을 가지는 친환경적이면서도 대량생산이 용이한 차세대 리튬이온전지용 전극재료 및 제작공정을 개발하는 것임.
○ 구조안정성이 확보된 고성능, 장수명의 전극을 제작하기 위해, 친환경적인 고분자 및 생체재료를 기반으로 대면적 및 대용량 고집적이 가능한 공정을 개발하고,

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
○ 본 연구의 궁극적인 목표는 생체재료 템플레이트를 이용하여 용량 800 mAh/g 이상, 1000회 이상의 충방전 특성 수명, 충방전 속도 5C 조건 하에서도 출력특성 90% 이상을 유지할 수 있는 고용량, 고출력, 장수명의 특징을 가지는 친환경적이면서도 대량생산이 용이한 차세대 리튬이온전지용 전극재료 및 제작공정을 개발하는 것임.
○ 구조안정성이 확보된 고성능, 장수명의 전극을 제작하기 위해, 친환경적인 고분자 및 생체재료를 기반으로 대면적 및 대용량 고집적이 가능한 공정을 개발하고, 이를 통해 형성된 구조체를 템플레이트로 이용하여 특정 무기소재 산화물의 구조체로 전환시킴으로써 고용량, 고출력의 특성을 실현하고자 함.
○ 고용량 고출력 전극재료의 개발을 위해 압타머, 디자이너 LacI, 디자이너 바이러스 등의 생물분자을 이용한 biomineralization 과정을 통해 다양한 종류의 전이금속 산화물 및 산화물 나노복합체를 제조하고, 복합금속산화물 나노입자를 생체재료의 3차원 자기조립 구조체에 균일하게 도포시켜, 최적화된 표면 반응속도의 제어특성을 확보하고자 함.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
○ 휴대용 기기에서 전기 자동차에 이르기까지 광범위한 영역에서 활용되는 리튬이온전지는 지속적으로 고용량화, 고출력화, 장수명화 특성이 요구됨. 이를 위한 핵심 물질 및 공정의 개발을 위하여 많은 노력이 이루어지고 있으나, 최소 마이크로 크기의 벌크 상태 물질들은 성능 측면에서 이미 내재되어 있는 한계점에 도달한 상태임.
○ 이러한 문제점의 극복을 위하여, 높은 반응성의 나노물질들을 계층적으로 구조화시킨 고차원 구조체를 활용하는 방법을 고안할 수 있음. 이 경우 활성물질의 사용량을 획기적으로 줄이면서도 높은 반응면적과 확산거리의 감소, 부피 팽창에 대한 자기완화 특성의 확보를 통해 고용량, 고출력의 전지특성을 확보할 수 있음.
○ 자기구조 제어가 가능한 나노구조체 제작을 위해서는 대전성 고분자의 다층막 적층기술을 이용한 구조체 형성기술 및 템플레이팅 기술을 활용할 수 있음. 본 기술은 분자간 정전기적 상호인력 및 2차 상호력의 제어를 통한 구조의 설계가 자유로우며, 이를 바탕으로 CoO, NiO, MnO와 같은 금속산화물 나노입자의 고차원 구조체를 형성할 수 있음.
○ 금속 및 산화물 나노복합체의 효과적인 대량생산을 위해, biomineralization 특성을 가지는 압타머, 디자이너 LacI, 디자이너 바이러스 등의 생체재료에 대한 엔지니어링 기술을 확보하고, 이를 통해 고출력의 특성을 발현할 수 있는 다양한 크기와 구조, 조성의 나노복합체 구조물을 제작하여 고성능의 전극재료를 개발하고자 함.

Ⅳ. 연구개발성과
○ 본 기술은 에너지 저장소재에 활용되는 고가의 전이금속 소재를 최소량만 사용하면서도 상온, 상압, 저농도의 환경 친화적 조건하에서 고활성의 전극재료를 개발할 수 있는 기술로써, 현재 급격히 대두되고 있는 탄소배출량이나 자원소모량이 현저히 낮은 그린재료/공정의 특성을 갖추고 있음. 따라서 원천기술 확보 이후 기업화 및 기술이전이 효과적으로 이루어질 수 있을 것으로 기대함.
○ 디자이너 생체소재 템플레이트를 이용한 복합 산화물 나노입자 형성 및 고차원 나노구조체 제작기술은 제작과정이 간단하면서도 대면적화가 용이하며 기술공정의 요구단가가 낮아서, 2차전지용 전극 소재에의 적용 뿐 아니라 태양전지, 연료전지의 전극 및 각종 나노촉매의 재료로도 활용이 가능함.

Ⅴ. 연구개발성과의 활용계획
○ 본 연구에서 개발한 자기완화형/자기제어형 구조를 가진 전극 소재는 높은 초기 효율 및 고용량/장수명/고율 특성을 확보할 수 있어 중대형급 이차전지로의 응용에 따라 세계 이차전지 시장에서 주도적인 역할이 가능함.
○ 특히 실리콘과 같은 고용량 전극 소재의 특성 제어가 가능한 합금계나 특이적 전이금속을 이용하여 간단한 기계적 혼성법 및 열환원 공정을 기반으로 우수한 전기화학적 안전성을 가진 자기구조제어형 전극을 제작할 수 있음.
○ 이러한 합금계 및 전이금속을 활용한 복합 시스템은 실리콘보다 안정적인 반응성을 가진 SiOx계 소재에도 적용이 가능하여, 높은 초기 용량 및 가역 특성을 가진 전극 소재의 개발이 가능함. 더불어 탄소계 소재를 도입하여 SiOx계 기반 전극 소재의 특성 향상 기술을 확보하여 산업적으로 확장 적용이 가능한 핵심 원천 기술을 제공하고자 함.
○ 따라서 본 과제의 후속연구 추진 방향으로 SiOx계 소재의 ‘자기완화형 구조화 기술’의 확보를 통해 차세대 리튬이차전지의 핵심 전극 시스템을 개발하고자 함.

( 출처 : 요약문 4p )

Abstract ▼

○ The purpose of this study is to develop biomaterials-templated noble electrode materials for next-generation lithium-ion battery with environmental benignity and mass productivity, as well as required properties of high capacity, high power, and long life time. (reversible capacity > 800 mAh/g, ch

○ The purpose of this study is to develop biomaterials-templated noble electrode materials for next-generation lithium-ion battery with environmental benignity and mass productivity, as well as required properties of high capacity, high power, and long life time. (reversible capacity > 800 mAh/g, charging/recharging cycles > 1000 times, at least 90% power output @ 5C)
○ To construct electrodes with self-structuring capability, environmentally friendly polymeric and biomolecular self-assembling materials are used to develop the templates for further synthesizing the targeted metal oxides for electrodes.
○ For a fabrication of high capacity electrode materials, engineered biomolecules of aptamer, Lacl, virus can be adopted for biomineralization, leading to a formation of size, shape and composition controllable hybrid nanoparticles of metal oxides.
○ With increasing needs in mobile devices and electrical vehicles, the properties of high capacity and high power are required in the development of lithium-ion batteries. In spite of numerous studies on new materials synthesis, however, the intrinsic properties of bulk phase materials, such as aggregation or vigorous surface reaction, have limited their use for practical applications.
○ To challenge these drawbacks, the idea of utilizing the hierarchical structures of nanomaterials can be employed, which possibly enables the reduction in the quantity of active materials as well as the enhancement in electrode characteristics through increasing the surface area, decreasing the inoic diffusion distance and obtaining the self-relaxation properties.
○ Layer-by-layer self-assembly of polyelectrolytes or charged nanoparticles can be utilized for the fabrication of hierarchical structures of transition metal oxides, such as CoO, NiO, MnO, through a scheme of templated synthesis.
○ For a mass production of highly functionalized hybrid nanoparticles of metals or oxides, biomineralizing properties of engineered biomolecules of aptamers, Lacl, M13 viruses can be exploited, from which the controlability over the particle size, shape and composition can be freely manipulated.
○ For a fabrication of high performance electrode materials, three-dimensionally interlinked structures of biomolecules is firstly generated based, on which the nanoparticles of metal oxides or hybrids of TiO2/WO3 can be dispersed for high capacity or high power purposes.
○ It is anticipated that the proposed means in this study can facilitate the significantly enhanced properties for lithium-ion battery electrodes while maintaining a minimum use of precious metals or raw materials. Furthermore, due to the environmentally benign characteristics of process at ambient temperature, pressure and low concentration conditions, it can provide a relevant toolkit for preparing 'Green materials and processing', which will be beneficial for further industrialization.
○ Due to their robustness for large-scale demonstration and production, hierarchically generated nanostructures and synthetic route for transition metal oxides based on the templates of engineered biomolecules will be potentially applicable to other electrode materials for solar cells or fuel cells, and catalytic materials for various applications.

( 출처 : SUMMARY 6p )

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 요약서 ... 3요 약 문 ... 4SUMMARY ... 6CONTENTS ... 7목차 ... 8제1장 연구개발과제의 개요 ... 9 제1절 연구개발의 목표 ... 9 제2절 연구개발대상 기술의 경제적·산업적 중요성 및 연구개발의 필요성 ... 9 제3절 최종 연구개발 목표 ... 12제2장 국내외 기술개발 현황 ... 13 제1절 연구개발대상 기술의 국외 현황 ... 13 1. 신규 전극재료 개발 부분 ... 13 2. 나노구조체 기반 전극재료 개발 부분 ... 13 제2절 연구개발대상 기술의 국내 현황 ... 14 1. 신규 전극재료 개발 부분 ... 14 2. 나노구조체 기반 전극재료 개발 부분 ... 14제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 15 제1절 디자이너 생체재료 기반 전극 소재 개발 ... 15 1. 바이러스 생체재료 기반 다공성 채널 구조의 전극 제조 기술 ... 15 2. 생물무기질화 기반 전이금속 산화물 나노입자의 제조 기술 ... 16 3. 바이러스 및 그래핀 기반 무기소재 산화물 나노메쉬 구조체 제작 기술 ... 17 4. 생물무기질화 기반 복합 전이금속 산화물 나노입자의 제조 기술 ... 18 5. 변성단백질을 이용한 전계효과 그래핀 전자소자 제작 기술 ... 21 제2절 그래핀 기반 하이브리드 전극 소재 개발 ... 24 1. 산화 그래핀의 기능화 및 직접 구조화 제어를 통한 박막 플랫폼 개발 ... 24 2. 계면 제어형 나노구조체 중간층 제작 및 유기전자소자로의 응용 기술 ... 25 3. 다차원 나노소재의 혼성화 기술 기반 에너지 소자용 전극 제조 기술 ... 26 4. 산화 그래핀 기반 계면 특성 제어형 전기화학 소자용 전도성 플랫폼 개발 ... 28 5. 단일 용매열 합성 공정을 이용한 다공성 삼성분계 나노합성물 제작 ... 29 6. 실리콘-망간/그래핀 나노혼성체 기반 이차전지 전극제조기술 ... 31 7. 표면 개질화 공정을 이용한 그래핀 기반의 다성분계 금속 나노복합체 제작 ... 34 8. 전도성 고분자 기반 산화주석/그래핀 소재를 통한 고성능 에너지 소자 전극제조기술 ... 36 9. 그래핀 기반 실리콘/산화티탄 나노복합체 기반 이차전지 전극제조기술 ... 37 10. 열변성 생체 분자 감지용 그래핀 기반 전도성 전극 박막 제작 기술 ... 41 제3절 기타 전극 소재 개발 ... 43 1. 나노입자 분산형 전극 소재의 제작 ... 43 2. 은 나노입자/고분자 기반의 전극 부피 완화용 전도성 네트워크 대면적화 기술 개발 ... 43제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 47 제1절 연도별 연구목표 및 내용 ... 47 제2절 연구개발 목표 및 달성도 ... 48 제3절 연구 관련 분야의 기술발전 기여도 ... 49 제4절 연구개발 결과의 기대효과 ... 49 1. 기술적 측면 ... 49 2. 경제적·산업적 측면 ... 49제5장 연구개발성과의 활용계획 ... 51제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 51제7장 참고문헌 ... 53끝페이지 ... 55