보고서 정보
주관연구기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
연구책임자 |
강병우
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-10 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700010461 |
과제고유번호 |
1711029518 |
사업명 |
신진연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-10-12
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키워드 |
리튬 이온 전지.리튬 서파이드.리튬 서파이드의 전기화학 반응.리튬 서파이드의 합성공정.리튬 서파이드의 표면 개질.전도성 집전체.Li-ion battery.Lithium sulfide (Li₂S).Electrochemical reaction of Li₂S.Li₂S synthesis.Surface modification.Current collector modification.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700010461 |
초록
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□ 연구의 목적 및 내용
본 연구의 최종목표는 일반적 리튬 이온 전지의 4~5 배에 달하는 리튬 서파이드 전지를 상용화가 가능하도록 개발하는 것이다. 그러나 현재까지의 리튬 서파이드는 전기화학 반응상에서 부도체적 특성으로 인해 빠른 충, 방전이 어렵고, 부피변화와 전해질로의 폴리서파이드의 용해 현상으로 인해 전지의 용량 유지가 되지 않는 문제점이 있다고 알려져있다. 따라서 이러한 3가지의 문제점을 새로운 아이디어로써 해결하고자 하였고, 리튬 서파이드를 직접 합성함으로써, 입자의 크기를 줄이고 표면적을 증가시켜 전기화학 활성도를
□ 연구의 목적 및 내용
본 연구의 최종목표는 일반적 리튬 이온 전지의 4~5 배에 달하는 리튬 서파이드 전지를 상용화가 가능하도록 개발하는 것이다. 그러나 현재까지의 리튬 서파이드는 전기화학 반응상에서 부도체적 특성으로 인해 빠른 충, 방전이 어렵고, 부피변화와 전해질로의 폴리서파이드의 용해 현상으로 인해 전지의 용량 유지가 되지 않는 문제점이 있다고 알려져있다. 따라서 이러한 3가지의 문제점을 새로운 아이디어로써 해결하고자 하였고, 리튬 서파이드를 직접 합성함으로써, 입자의 크기를 줄이고 표면적을 증가시켜 전기화학 활성도를 증가시키고 이에 대한 전기화학적 이해와 이를 통한 리튬 서파이드 전지의 성능을 증가시키고자 하였다.
□ 연구결과
1차 년도의 연구는 리튬 서파이드를 직접 합성함으로써, 입자의 크기와 모양을 조절할 수 있는 공정을 개발하고, 이를 기반으로 전도성 첨가제를 도입하여 전기화학 반응성이 큰 리튬 서파이드 복합체를 개발하는 것이었다. 리튬 서파이드는 수분에 민감하여 합성 도중 쉽게 오염되는 현상이 있었고, 이를 개선 시킴으로써 안정적인 합성공정을 개발할 수 있었다. 이를 활용하여 전도성 첨가제를 사용하였을 때, 안정적인 복합체가 형성되는 것을 확인하였다.
2차 년도는 합성한 리튬 서파이드 복합체의 전기 화학 거동에 대해 이해하는 것이었다. 리튬 서파이드는 첫 충전 시 3.6V의 높은 전위 장벽을 가진다고 알려져 있었는데, 합성한 리튬 서파이드 복합체는 3.0V 이하의 낮은 전위 장벽을 가짐으로써, 이에 대한 차이가 전지의 성능에 영향을 미치는 것을 확인 하였다. 이에 대한 원인은 리튬 서파이드의 표면에 존재하는 황산화물 때문인 것으로 확인 하였으며, 이를 제거 하였을 때 낮은 전위장벽을 가짐으로써, 전지의 성능이 개선됨을 확인하였다.
3차 년도는 이러한 리튬 서파이드 합성 기술 및 전기화학이해를 바탕으로 전지 성능을 개선시키고자 하였다. 입자의 크기, 모양 뿐만아니라 전지의 구조에서도 영향을 받는 것을 확인 하였으며, 전도성 집전체(current collector)를 사용하고, 개선시킴으로 이루어 낼 수 있었다. 리튬 서파이드는 중간상인 폴리서파이드로 전해질에 첫 충전시 대부분 용해되기 때문에, 전도성 집전체 내에 다수의 전기화학적 활성점을 만들어 주게 되었을 때, 10C(6분 충방전 실시)에서도 안정적 전기화학 반응을 함을 확인 하였다. 이러한 결과는 전해질에 용해된 폴리서파이드가 전도성 집전체에서 분자 단위의 반응을 하기 때문인것으로 생각한다.
□ 연구결과의 활용계획
본 연구진이 개발한 리튬 서파이드 전지는 많은 양의 양극재 비율에서도 전기화학적 구동이 가능하고, 빠른 충, 방전이 가능함으로 대용량 전지로써 상용화의 충분한 가능성이 있다고 판단한다. 특히 전기차에 필요한 배터리의 조건으로써, 무게 당 에너지 밀도가 높아야 하고, 빠른 충, 방전이 가능해야하는데 본 연구진이 개발한 전지는 이러한 조건을 충족시킨다고 평가한다. 따라서 대용량 전지의 전기차와 ESS 등 실제 상용화에 기여할 것으로 생각한다.
(출처:요약문 5p)
Abstract
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□ Purpose& contents
The final goal of this research is to develop Li₂S battery for commercialization which has 4 ~ 5 times higher energy density than that of traditional transition metal oxide batteries. However, the electrochemical performance of Li₂S is not satisfied because of poor electrical
□ Purpose& contents
The final goal of this research is to develop Li₂S battery for commercialization which has 4 ~ 5 times higher energy density than that of traditional transition metal oxide batteries. However, the electrochemical performance of Li₂S is not satisfied because of poor electrical conductivity, large volume change (~180%) and polysulfide dissolution into electrolyte.
Therefore, we tried to solve these problems with a bright idea and improve Li₂S performance by directly synthesizing Li₂S and modifying cell configurations
□ Result
The first year`s research was to develop a synthesis process that can control the particle size and morphology by directly synthesizing lithium suflide, and to develop lithium sulfide composite with a high electrochemical reactivity by introducing a variety of conductive additives. Lithium sulfide was sensitive to moisture and was easily contaminated during a synthesis process, and it was able to develop a stable synthetic process by improving it. Also, it was confirmed that lithium sulfide composite was synthesized when a conductive additives was used.
The second year`s research was to understand the electrochemical behavior of the synthesized lithium sulfide composite. It was known that lithium sulfide had a high potential barrier of 3.6V at the initial charge but synthesized lithium sulfide composite had a low potential barrier of 3.0V or less. It was confirmed that the cause of the abnormal high potential barrier was due to sulfide or oxides present on the surface of lithium sulfide. When it was removed, it showed improving performance by lowering a potential barrier.
In the last year, we tried to figure out the origin of limitation of Li₂S cell performance and solve the problems. Enhanced electrochemical performance of Li₂S is accomplished by modifying current collectors in a cell. Because polysulfides as intermediate phases are easily dissolved into electrolyte at 1st charge, it can be precipitated on to current collector. Therefore, polysulfide can be reacted at 10C if electrochemical active sites were served.
□ Expected Contribution
Li₂S cell which we are developed shows high rate performance (~10 C) and long cycle retention (~ 500 cycle) in spite of a large amount of active material (80 wt%). It has a plenty of potential for commercialization because electric vehicle requires high energy cell and fast charging and discharging capability. Therefore, our results will contribute to commercialize large energy storage system because the approach developed in this project will reduce barrier of commercialization for Li₂S.
(출처:Summary 6p)
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 3연구계획 요약문 ... 4연구결과 요약문 ... 5 한글요약문 ... 5 SUMMARY ... 6연구내용 및 결과 ... 7 1. 연구개발과제의 개요 ... 7 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 16 5. 연구결과의 활용계획 ... 17 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 18 7. 참고문헌 ... 18 8. 연구성과 ... 19 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 21 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 21 11. 기타사항 ... 21끝페이지 ... 21
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