초록 ▼

1. 연구개요
이차 전지는 화석연료에 대한 의존도를 낮추고 이산화탄소 배출량을 크게 감소시킬 수 있는 친환경 녹색 기술이다. 최근에는 전기자동차 (Electric vehicle, EV)와 대용량 에너지 저장장치 (Energy Storage System, ESS)에 적용될 고 에너지 밀도의 리튬 이차 전지에 대한 요구가 높아지는 추세이며 이에 따라 기존의 리튬이온전지의 에너지 밀도를 넘어서는 새로운 전지시스템의 개발이 반드시 필요하다. 본 과제의 목표는 이러한 차세대 전지 중 리튬-황 전지의 양극 재료 설계 및 이를 이용한 셀을

1. 연구개요
이차 전지는 화석연료에 대한 의존도를 낮추고 이산화탄소 배출량을 크게 감소시킬 수 있는 친환경 녹색 기술이다. 최근에는 전기자동차 (Electric vehicle, EV)와 대용량 에너지 저장장치 (Energy Storage System, ESS)에 적용될 고 에너지 밀도의 리튬 이차 전지에 대한 요구가 높아지는 추세이며 이에 따라 기존의 리튬이온전지의 에너지 밀도를 넘어서는 새로운 전지시스템의 개발이 반드시 필요하다. 본 과제의 목표는 이러한 차세대 전지 중 리튬-황 전지의 양극 재료 설계 및 이를 이용한 셀을 제작하여 고 에너지 전지의 원천기술을 확보함에 있다. 특히 상용화를 위해서는 배터리의 양극 물질 내에 황의 함량이 높고 안정적인 수명 특성을 유지해야 하므로, 높은 황 로딩량을 갖는 양극 설계와 함께 기능성 바인더의 개발, 충방전시 발생하는 폴리설파이드의 용출로 인한 shuttle redox mechanism를 감소시킬 양극 설계 등을 통해 전지의 성능 향상 및 pouch cell 형태의 prototype cell을 개발하고자 한다.

2. 연구방법
(1) 기능성 바인더를 통한 고로딩 황 전극
리튬-황 전지의 낮은 황 로딩량을 개선하기 위해 기존의 고분자 바인더를 새로운 기능성 바인더로 대체하였다. Polyacrylamide 바인더를 기능화 함으로써, 우수한 기계적 특성과 폴리설파이드와 친화력이 강한 특성을 바탕으로 높은 로딩량을 갖는 황 전극을 안정적으로 구동하고자 하였다.
(2) 전기방사를 통해 얻은 탄소 나노섬유 집전체와 고로딩 황 전극
높은 황 로딩량으로 인해 두꺼워진 양극 물질을 수용하고 기계적으로 안정한 특성을 유지하기 위해 free-standing한 탄소 나노섬유 집전체를 전기방사를 통해 얻었다. 복합체의 전도성 기질이면서 동시에 집전체의 역할을 하는 탄소 나노섬유 sheet와 황의 복합체를 제조하여 황 이외의 첨가물들을 줄여 셀의 전체적인 질량을 감소시키고, 높은 로딩량에서도 안정적인 수명 특성을 내도록 하였다.
(3) 폴리도파민이 도핑된 그래핀 옥사이드-황 (GO-S) 전극
폴리설파이드와 친화력이 높은 아미노 작용기와 수산화 작용기를 갖는 고분자인 폴리도파민을 그래핀에 도핑하여 양극 물질의 복합체로 사용함으로써, 폴리설파이드의 용출로 인한 shuttle redox mechanism을 방지하여 안정적인 수명 특성을 얻고자 하였다.

3. 연구 결과
(1) 기능성 바인더를 통한 고로딩 황 전극
부피 대비 높은 비표면적을 갖는 탄소 나노튜브와 황을 복합체로 합성하였고, 이를 기능성 바인더인 GxPAAm과 혼합하여 4.65, 5.96 mg cm^-2에 이르는 높은 황 로딩량을 갖는 양극을 제조하였다. 이 고 로딩의 복합체는 0.1 C의 충방전 속도에서 각각 690, 650 mAh g^-1이상의 방전 용량을 유지하였다.
(2) 전기방사를 통해 얻은 탄소 나노섬유 집전체와 고로딩 황 전극
전기방사된 폴리머 sheet를 고온에서 탄화시켜 free-standing한 탄소 나노섬유 집전체를 얻었고 여기에 황을 녹여 넣어 탄소 나노섬유-황 복합체를 제조하였다. 4.4, 6.0, 10.5 mg cm^-2의 매우 높은 황 로딩량을 갖는 복합체를 얻었으며 0.1C에서 80사이클 이후에도 각각 850, 818, 680 mAh g^-1 이상의 용량을 유지하였다.
(3) 폴리도파민이 도핑된 그래핀 옥사이드-황 (GO-S) 전극
GO와 열처리로 환원된 GO에 비해, 폴리도파민에 의해 화학적으로 환원된 GO에 폴리설파이드와 친화력이 강한 작용기들이 도핑됨으로써 폴리설파이드의 용출이 억제되어 더 안정적인 수명특성을 나타내었다.

(출처 : 국문 요약문 9p)

Abstract ▼

1.Research Introduction
In order to diminish usage of fossil fuel and reduce emission of greenhouse gas, rechargeable batteries have received attention to alternate the conventional combustion engine. Recently, there is a growing demand for high energy density lithium rechargeable batteries to be

1.Research Introduction
In order to diminish usage of fossil fuel and reduce emission of greenhouse gas, rechargeable batteries have received attention to alternate the conventional combustion engine. Recently, there is a growing demand for high energy density lithium rechargeable batteries to be applied to electric vehicles (EV) and grid energy storage systems (ESS), and thus development of a new battery system beyond the energy density of existing lithium ion battery is essential. The lithium-sulfur (Li-S) battery has been pursued as next generation battery system that satisfies the requirement for high energy density. The goal of this project is to design the cathode material of lithium-sulfur battery and to fabricate the cell using that cathode material, thereby securing the source technology of the high energy Li-S battery. In particular, for commercialization, it is necessary to contain the high sulfur loading in the cathode material and retain stable cycle characteristics. Accordingly, we developed a pouch-cell prototype cellby designing high sulfur-loading-cathode with development of a functional binder and cathode suppressing dissolution of polysulfide.

2.Research Method
(1) High sulfur loading electrode through functional binder
To improve the low sulfur loading of lithium-sulfur batteries, the existing polymer binders were replaced with new functional binders. By functionalizing the polyacrylamide binder, we tried to operate the sulfur electrode with a high loading amount stably based on the excellent mechanical properties and strong affinity with polysulfide.

(2) Electro-spun carbon nanofiber current collector and high sulfur loading electrode
A free-standing carbon nanofiber (CNF) collector was obtained by electrospinning to accommodate the thickened cathode material due to the high sulfur loading and to maintain the mechanically stable properties. The carbon nanofiber sheet is a conductive substrate of the composite as well as a current collector. The composite of carbon nanofiber sheet and sulfur (CNF-S) was manufactured to reduce the total mass of the cell by reducing additives such as binder and carbon black, and to provide stable cycle performance even with high sulfur loading.

(3) Polydopamine-doped graphene oxide-sulfur (GO-S) electrode
In order to maintain a stable cycle performance by preventing the shuttle redox mechanism due to the dissolution of polysulfide, we doped polydopamine on the surface of graphene oxide. The polydopamine is a polymer having an amino functional group and a hydroxyl functional group which have high affinity with polysulfide, and thus we expected the cyclability of Li-S cell can be improved.

3.Research Results
(1) High sulfur loading electrode through functional binder
A composite of carbon nanotubes and sulfur (CNT-S) having a high specific surface area than the volume was synthesized and mixed with the functional binder GxPAAm to prepare a cathode having a high sulfur loading of 4.65 and 5.96 mg cm^-2. The high sulfur loading cathode maintained a discharge capacity of 690 and 650 mAh g^-1 after 50 cycles at a rate of 0.1 C.

(2) Electro-spun carbon nanofiber current collector and high sulfur loading electrode
The electro-spun polymer sheet was carbonized at high temperature to obtain a free-standing carbon nanofiber collector, and sulfur was dissolved therein to prepare a carbon nanofiber-sulfur (CNF-S) composite. We obtained a complex with high sulfur loading of 4.4, 6.0 and 10.5 mg cm^-2 and maintained a discharge capacity of 850, 818, 680 mAh g^-1after 80 cycles at 0.1C, respectively.

(3) Polydopamine-doped graphene oxide-sulfur (GO-S) electrode
Compared with GO and thermally reduced GO, the chemically reduced GO by polypodamine was doped with functional groups having strong affinity with polysulfide, so that the migration of polysulfide was suppressed and retained stable cycle performance.

(출처 : SUMMARY 4p)

목차 Contents

• COVER ... 1
• Summary ... 4
• 국문 요약문 ... 9
• 1. Research Purpose ... 14
• 2. Research Target and Achievement ... 15
• 3. Research Method ... 15
• 3.1 Preparation of cathode composite and cell assembly ... 15
• 3.2 Characterization of cathode composite ... 17
• 4. Research Results ... 18
• 5. Research Outcomes ... 25
• 6. Reference ... 32
• 7. Total Research Output ... 32
• 붙임 : 국문보고서 ... 33
• 1. 연구목적 ... 33
• 2. 연구목표와 성과 ... 34
• 3. 연구방법 ... 34
• 4. 연구결과 및 고찰 ... 37
• 5. 연구결과물 발표실적 ... 45
• 6. 참고문헌 ... 52
• 7. 연구실적 종합표 ... 53
• End of Page ... 53