보고서 정보
주관연구기관 |
한국화학연구원 Korea Research Institute of Chemical Technology |
연구책임자 |
강영구
|
참여연구자 |
정하균
,
최성호
,
김도엽
,
한미정
,
석정돈
,
김동욱
,
우미혜
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2017-12 |
과제시작연도 |
2017 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO201800022390 |
과제고유번호 |
1711063701 |
사업명 |
한국화학연구원연구운영비지원 |
DB 구축일자 |
2018-10-13
|
DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201800022390 |
초록
▼
1. 연구목표
1) 고용량 리튬-공기 전지 소재의 물성 고도화 기술
- 리튬공기전지 적용에 의한 전극 및 전해액 소재의 물성 향상 기술 개발
- 사이클 수명: 100회 (@ 1,000 mAh/g, 20% DOD), 50회 (@50% DOD) 코인셀 기준
2) 고용량 리튬-황 전지 핵심 소재 기술 개발
- 고용량, 고밀도 리튬-황 전지용 전극 개발: 800 mAh/g_s, 2 mg/cm2
- 폴리설파이드 투과율 억제용 격리막 개발
2. 주요 연구내용
○ 리튬
1. 연구목표
1) 고용량 리튬-공기 전지 소재의 물성 고도화 기술
- 리튬공기전지 적용에 의한 전극 및 전해액 소재의 물성 향상 기술 개발
- 사이클 수명: 100회 (@ 1,000 mAh/g, 20% DOD), 50회 (@50% DOD) 코인셀 기준
2) 고용량 리튬-황 전지 핵심 소재 기술 개발
- 고용량, 고밀도 리튬-황 전지용 전극 개발: 800 mAh/g_s, 2 mg/cm2
- 폴리설파이드 투과율 억제용 격리막 개발
2. 주요 연구내용
○ 리튬-공기 전지용 전극 및 전해액 소재의 특성 고도화 기술 개발
• 다공성 나노 구조체 기반의 고용량 탄소계 전극 소재의 특성 제어 기술:용량 > 6000 mAh/g
• 형상 및 표면특성 제어된 양성촉매 기술: 과전압 ≤ 0.6 V (@50% DOD)
• 통기성이 제어된 촉매 담지 공기극 소재: 사이클 수명 > 50회 (@50% DOD)
• 분해안정성이 우수한 용매, 충전전위 제어 기능성 첨가제, 리튬금속 보호막 형성 기능성 첨가제 등을 조합한 전해액 소재의 특성 고도화 기술: 산소 효율>80%, 에너지효율>75%
• in-situ DEMS, Raman, AFM 등에 의한 금속/금속산화물 촉매, 레독스 매개체에 의한 Li2O2 분해 메커니즘 분석
• 고효율 촉매 담지 공기극과 고안정성 전해액의 조합에 의한 사이클 수명 및 율속 특성 향상 기술 개발
• 사이클 수명 (코인 셀 기준):
- 100사이클 @ 1,000 mAh/g, 20% DOD
- 50사이클 @ 50% DOD
• 율속 특성
- 산소효율 유지율: 70% @ 전류밀도 1000 mAg-1 vs 200 mAg-1
○ 고용량 리튬-황 전지용 고품위 황전극 및 격리막 개발
• 양극
- 형상(크기, 기공도, 두께 등)이 제어되고 전도성이 우수한 탄소 구조체 개발
- 독립된 기공을 가진 탄소 나노 구조체와 황의 복합화 기술 개발
- 황 로딩량/활용률 최적화 황 함침 및 황-나노 탄소 구조체 합성 기술 개발
• 격리막 개발
- 폴리설파이드 셔틀 반응을 억제하는 기능기 (질소 또는 다른 원소) 도핑된 탄소 나노구조체를 이용한 기능성 층간막 개발
- 폴리설파이드와의 친화성이 우수하면서 전기 전도성이 높은 폴리설파이드 trap용 기능성 물질의 복합화
- 산화/환원 반응시의 칼코겐 원소 반응 기구 해석
• 양극 및 전해질 종류에 따른 칼코겐 부산물 변화 양상 실시간 측정
3. 주요 연구개발 결과 및 성과
○ 리튬-공기전지용 산화물기반 양성촉매 개발 및 탄소재와 복합화
- 사이클 수명 > 50회 (@50% DOD), 용량 > 8,500 mA h g-1
○ 산화물계 고체 전해질 합성 및 성능 평가
- Li이온 전도도: 2.86 x 10-4 S/cm (@92% 소결밀도)
○ 리튬-공기전지용 다공성 나노 구조체 탄소계 전극 소재 개발
- 용량 > 9000 mAh g-1, 사이클 수명 > 60회(@50% DOD)
○ 분해안정성이 우수한 슬폰계 용매와 레독스 셔틀반응을 통하여 충전과전압 제어가 가능한 니트로계 리튬염을 조합한 고성능 전해액 개발
- 에너지효율 > 75%, 산소효율 > 80%, 부생가스 발생률 < 1%
- 사이클 수명 > 100 회 @ 1000 mAh g-1
○ 충전과전압 제어 기능성 전해액을 적용하여 높은 율속에서도 우수한 산소효율을 유지
- 산소효율 유지율 > 70% @ 전류밀도 1000 mAg-1 vs 200 mAg-1
○ 리튬-황전지용 메조포러스 탄소 구조-황 복합체 개발 및 성능 평가
- 초기 용량 1200mAh/g 이상 확보, S 무게 기준
○ 다공성 CoOx 포함한 황전극 제조 및 사이클 안정성
- 기존 황 전극 대비 65% 초기 용량 증가(920 mA h g-1@ 1.15 mg cm-2, S 무게 기준)
○ 종이형태형 황-나노 카본 복합체 양극 개발
- 황 함유량 1~6 mg/cm2 확보된 황 전극 개발, 용량 800mAh/g 이상 확보
4. 활용분야 및 계획
○ 화학연구원이 보유하고 있는 Thomson Innovation, WipsOn, Scifinder, DB파일 활용 하여 4P 동향 분석 (patent, paper, project, product)을 통하여 특허 포트폴리오를 작성하여 리튬공기전지 기술별로 우선확보 기술을 선정하고 기존 4P 회피 방안 및 원천 기술 확보 방안 도출함
○ 과기정통부, 산업통상자원부 및 연구회에서 추진 중인 Bridge Project, 창의융합사업, 에너지 미래기술, BIG Issue 사업 등과 연계하여 대형 과제 수주 추진
○ 기술 개발 사업 예시
- 소형무인기용 리튬황 전지의 사이클 수명 및 안전성 확보 기술
- 리튬-공기전지용 핵심 소재 개발 및 셀 기술
5. 기대효과
○ Beyond 리튬이온 전지 및 차세대 비리튬계 이차 전지용 원천 소재 선점
- 고안정성 고용량 전극소재 및 전해질 확보로 고출력 및 고용량 차세대 전지개발
- 이차전지 시장 규모 확대 일로: 2015년 대비 2020년엔 용량기준 5.8배, 금액 기준 3.9배 이상 성장치 전망 (SNE리서치 (2016.2))
- 제로에너지 기반 사회 구현을 위한 에너지 저장 소자 원천 기술 확보
○ 차세대 리튬이차전지용 전극소재, 전해질 설계기술, 합성기술 등의 소재 원천기술 확보
- 용량 및 출력 특성이 향상된 나노 구조체 양극 소재 및 음극소재, 겔 고분자 전해질의 설계 기술 및 합성 원천 기술 확보
- 신규 전극 소재에 따는 전극 제조 기술, 전극/전해질 계면특성 제어 기술 및 전극/전해질 안정성 향상 기술 등의 기술 확보
6. 차년도 연구계획
○ 파우치 셀 리튬-공기 전지 설계 및 소재 물성 안정화
• 공기 유로 및 셀 특성 평가를 고려한 파우치 셀 리튬공기전지 설계
• 다공성 공기극 소재 선정: 탄소계/비탄소계 전극, 금속/금속산화물 촉매, 용량 > 7000 mAh/g
• 형상 및 표면특성 제어된 양성촉매 제조: 과전압 ≤ 0.6 V (@50% DOD)
• 혼합 용매 및 혼합 리튬염의 적용, 충전 전위 첨가제 및 리튬금속 보호막 형성 기능성 첨가제 등의 조합에 의한 전해액 소재의 안정화 기술 개발
• 사이클 수명 (코인 셀 기준):
- 150사이클 @ 1,000 mAh/g (20% DOD)
- 70사이클 @ 50% DOD
• 율속 특성
- 산소효율 유지율: 80% @ 전류밀도 1000 mAg-1 vs 200 mAg-1
○파우치 셀 리튬-황 전지 제작을 위한 소재 선정 및 셀 구조 설계
• 파우치 셀 제작을 위한 소재 선정 및 평가
- 각 소재별 최적화 조성 선정
- 파우치 셀 제조 공정 확보 및 전기화학적 성능 (용량 및 수명) 특성 평가
• 개별 소재, 단위 셀 ex-situ 분석 및 특성 평가
- 1차년도에서 개발된 소재와 최적화 및 공정을 이용해 소재 성능 분석
• 물리적 격리막 또는 화학적 분리막을 이용한 LiSx 용출 반응 억제
7. 출구전략
○ 정부주도 연구사업과제 연계 및 연구원 기업 매칭 과제로 연계 추진
- 과기정통부 Bridge Project (이차전지분야)에 ‘18년 상반기 신청 추진 (사업비 규모, 20억/년, 충 연구개발 기간: 5년) 등
- 1단계 종료후 관련 기업(현대자동차, LG화학 등)과 리튬-공기 전지용 핵심 소재 기술 임무형(기업 매칭)과제로 2020년 추진 예정
( 출처 : 2017년 주요사업 연구결과 요약서 2p )
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 2017년 주요사업 연구결과 요약서 ... 2
- 1. 연구과제 개요 ... 5
- 2. 연구목표 ... 7
- 가. 최종 연구목표 ... 7
- 나. 당해 연도 연구목표 ... 7
- 3. 주요 연구내용 ... 9
- 가. 과년도 추진경과 ... 9
- 나. 당해 연도 주요 연구내용 ... 9
- 4. 주요 연구개발 결과(연구개발목표의 달성도) ... 85
- 5. 연구개발의 성과 ... 86
- 가. 과제별 기술성취수준 ... 86
- 나. 정성적 성과 ... 86
- 다. 정량적 성과(건수/금액) ... 87
- 6. 연구성과 활용계획 ... 88
- 7. 기대효과 ... 89
- 가. 과학기술적 관점 ... 89
- 나. 경제적 관점 ... 90
- 다. 사회적 관점 ... 90
- 첨부 1) 차년도(2단계) 주요사업 연구계획 요약서 ... 91
- 첨부 2) 중장기 연구개발로드맵 ... 96
- 끝페이지 ... 96
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