보고서 정보
주관연구기관 |
포항공과대학교 Pohang University of Science and Technology |
연구책임자 |
이진우
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-12 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201700014826 |
과제고유번호 |
1711030309 |
사업명 |
신진연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-11-13
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키워드 |
리튬 이온전지.에너지 나노 재료.고전압 양극 소재.플루오르화구리.금속 불화물.고용량 양극 소재.단순 합성법.이차전지.고체전해질.Lithium ion batteries.Energy nanomaterials.High voltage cathode materials.Copper fluoride.Metal fluoride.High capacity cathode materials.Simple synthesis.Secondary batteries.Solid electrolyte.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700014826 |
초록
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□ 연구의목적 및 내용
본 연구는 기존에 합성이 어려웠던 플루오르화구리(CuF₂)를 나노구조로 합성할 수 있는 새로운 공정을 개발하고, 이를 기반으로 안정적인 전지 성능 발현이 가능하도록 고체전해질이 도입된 셀을 활용함으로써, 고용량/고전압 특성이 구현된 차세대 리튬 이온전지 양극 소재 개발을 목표로 하였다. 본 연구는 (i) 불화암모늄을 이용한 새로운 합성법을 통해 나노구조의 CuF₂/전도성 담체 복합체를 간단하면서도 안전하게 합성하는 방법을 개발하고, (ii) 박막 고체전해질이 도입된 셀을 활용함으로써 전지 단락 문제 해결
□ 연구의목적 및 내용
본 연구는 기존에 합성이 어려웠던 플루오르화구리(CuF₂)를 나노구조로 합성할 수 있는 새로운 공정을 개발하고, 이를 기반으로 안정적인 전지 성능 발현이 가능하도록 고체전해질이 도입된 셀을 활용함으로써, 고용량/고전압 특성이 구현된 차세대 리튬 이온전지 양극 소재 개발을 목표로 하였다. 본 연구는 (i) 불화암모늄을 이용한 새로운 합성법을 통해 나노구조의 CuF₂/전도성 담체 복합체를 간단하면서도 안전하게 합성하는 방법을 개발하고, (ii) 박막 고체전해질이 도입된 셀을 활용함으로써 전지 단락 문제 해결 및 개발된 소재의 가역적인 전기화학 특성을 구현하며, (iii) 전지 구성 요소 최적화를 통해 보다 향상된 CuF₂ 나노복합체의 수명 특성을 달성하는 연구를 중심으로 이루어졌다.
□ 연구결과
본 연구를 통해, 연구계획에서 제안했던 새로운 공정 개발을 통한 CuF₂ 나노복합체 합성 및 고체전해질이 도입된 셀을 활용한 고용량/고안정성 양극 성능 구현을 성공적으로 진행하였으며, 대표적인 연구 결과를 아래에 요약하였다.
(i) 기존의 유독성 불소 기체 또는 불산 용액을 이용하는 방법이 아닌, 불화암모늄을 활용한 새로운 공정을 개발하여, 간단하고 효율적이며 보다 안전한 방법으로 CuF₂를 합성할 수 있었다. 그리고 이를 바탕으로 나노구조의 CuF₂/메조다공성 탄소(MSU-F-C) 복합체를 바텀-업(bottom-up) 방식으로 최초로 합성하였다.
(ii) 일반 코인셀에서 CuF₂ 나노복합체를 구동시켰을 때 나타나는 단락 현상을 방지하기 위해서, 박막 고체전해질(LTAP)이 도입된 셀을 제조하고 이를 CuF₂ 나노복합체의 배터리 테스트에 활용하였다. 그 결과 단락 없이 ~500 mAh/g의 초기 충/방전 용량이 구현됨을 확인하고, 충/방전 반응의 심층 분석을 진행할 수 있었다.
(iii) CuF₂ 구동에 적합한 전지 구성 요소를 최적화하는 연구를 진행하고, 이를 통해 최종적으로 0.2 C의 속도에서 40 사이클 후에도 약 280 mAh/g의 용량이 유지되는 성능을 얻을 수 있었다. 한편 추가 연구를 통해 신규 개발 합성법의 높은 활용성(FeF₃, CoF₂ 등의 합성에 활용 가능) 및 우수한 안전성 (부산물 분석을 통해 불산 기체 등의 유해물질 발생량을 확인)을 검증해내었다.
□ 연구결과의 활용계획
본 연구에서 개발한 나노구조 CuF₂ 합성법은 기존의 다양한 합성법에 손쉽게 접목이 가능하여, 이차전지를 포함한 다양한 분야의 금속 불화물 연구를 촉진시킬 것으로 예상된다. 또한 합성 공정이 단순하고 안전성이 우수하여 산업 분야에서의 실질적인 활용이 가능하기 때문에, 추후 기술 이전을 통해 수익 창출에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
한편 본 연구에서는 전환 반응을 기반으로 한 고용량 리튬 이온전지 양극 소재(CuF₂) 연구를 성공적으로 진행하고 새로운 접근법을 제시함으로써, 차세대 고용량 양극 소재 개발을 위한 연구 진행에 발판을 마련하였다. 이를 바탕으로 실제로 활용 가능한 수준의 금속 불화물 양극 소재를 개발하는 후속 연구를 진행함으로써, 소재 수입을 대체하고 독자적인 국내 원천기술을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.
(출처:요약문 5p)
Abstract
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□ Purpose& contents
The purpose of this project is to develop high capacity/voltage cathodes for advanced Li-ion batteries (LIBs) based on nanostructured copper fluoride (CuF₂), which has been difficult to be synthesized by traditional methods, and solid electrolyte incorporated cell for stable o
□ Purpose& contents
The purpose of this project is to develop high capacity/voltage cathodes for advanced Li-ion batteries (LIBs) based on nanostructured copper fluoride (CuF₂), which has been difficult to be synthesized by traditional methods, and solid electrolyte incorporated cell for stable operation of CuF₂. Specifically, we plan to (i) develop simple and safe synthetic method for nanostructured CuF₂/conducting support composite by using ammonium fluoride, (ii) realize reversible electrochemical properties of CuF₂ by using solid electrolyte incorporated cell, and (iii) achieve promising cycle performance through optimization of battery components.
□ Result
We have successfully synthesized CuF₂ nanocomposites based on new synthetic method developed in this project, and realized their high capacity/stable cathodic performance by adopting solid electrolyte incorporated cell. Representative results are as follows.
(i) Simple, efficient, and safe method for synthesizing CuF₂ was developed using ammonium fluoride. Based on this synthetic method, for the first time, nanostructured CuF₂/mesoporous carbon(MSU-F-C) composites were successfully synthesized through bottom-up approach.
(ii) When CuF₂ nanocomposites were tested in the normal coin type cells, short-circuit phenomenon was observed. To solve this problem, we prepared solid electrolyte incorporated cell and applied it for the test of CuF₂ nanocomposites. As a result, ~500 mAh/g of initial charge/discharge capacity could be confirmed, and further analyses could progress using various instruments.
(iii) Through optimization of cell components, we could observed that CuF₂ nanocomposites retained ~280 mAh/g of capacity after 40 cycles (at 0.2 C). Meanwhile, we also successfully demonstrated the versatility(synthesis of other metal fluorides) and safety(analyses of byproducts) of the new synthetic method developed in this project.
□ Expected Contribution
The synthetic method of CuF₂ developed in this project can be easily applied to various established methods, and thus, it will promote studies related to metal fluorides in various research fields including secondary batteries. Moreover, owing to simplicity and safety, the synthetic method can be practically applied in industrial fields; so, through technology transfer later, it will provide enormous profit creation.
Meanwhile, we have successfully developed high capacity cathode for LIBs (CuF₂) based on conversion reactions and proposed new approach. Based on this project, further studies will progress to develop practically available metal fluoride cathodes which have excellent electrochemical properties; these studies will lead to securement of advanced source technologies and substitution of materials imports.
(출처:SUMMARY 6p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 3
- 연구계획 요약문 ... 4
- 연구결과 요약문 ... 5
- 요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 15
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 16
- 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 17
- 7. 참고문헌 ... 18
- 8. 연구성과 ... 18
- 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 30
- 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 31
- 11. 기타사항 ... 31
- 끝페이지 ... 31
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