초록 ▼

□ 연구개요
탈화석연료 사용을 목표로 친환경 연료의 생산 및 저장에 관한 개발이 전례없이 요구되고 있음. 특히 친환경적 자동차 주행을 위해 높은 에너지 밀도를 가지는 차세대 전지의 관심이 비상하게 높아짐. 리튬-산소 전지는 이론상 가장 높은 에너지 밀도를 가지고 있는 유망한 에너지 저장체임. 그러나, 충/방전시 비가역적인 전기화학 및 화학 반응으로 인해 높은 과전위와 낮은 사이클 성능을 보이는 문제가 있음.
본 연구과제에서는 전극, 촉매 및 전해질에서 유도되는 리튬과 산소 간의 계면반응에 관한 기본적인 이해를 통해 원천적

□ 연구개요
탈화석연료 사용을 목표로 친환경 연료의 생산 및 저장에 관한 개발이 전례없이 요구되고 있음. 특히 친환경적 자동차 주행을 위해 높은 에너지 밀도를 가지는 차세대 전지의 관심이 비상하게 높아짐. 리튬-산소 전지는 이론상 가장 높은 에너지 밀도를 가지고 있는 유망한 에너지 저장체임. 그러나, 충/방전시 비가역적인 전기화학 및 화학 반응으로 인해 높은 과전위와 낮은 사이클 성능을 보이는 문제가 있음.
본 연구과제에서는 전극, 촉매 및 전해질에서 유도되는 리튬과 산소 간의 계면반응에 관한 기본적인 이해를 통해 원천적인 문제의 해결책을 제시하고자 하였음. 그 결과 다양한 실시간 전기화학적 분석법을 사용하여 셀 안에서 발생하는 리튬-산소의 반응기작을 이해하였고, 가역성을 증가시킬 수 있는 리튬-산소 전지를 개발할 수 있었음.

□ 연구 목표대비 연구결과
◯ 연구목표: 리튬-산소 전지의 주요 구성 성분인 촉매/전극/전해액 간에서 일어나는 전기화학 계면반응의 이해 및 이를 기반으로 한 리튬-산소 전지의 개발
◯ 연구 결과: 리튬-산소 전지의 불균일/균일 전기화학 촉매 및 탄소 양극재의 작동 기작에 대한 심도 깊은 연구를 수행함. 또한 이를 기반으로 낮은 충전 과전위 및 높은 사이클 특성을 가지고 있는 리튬-산소 전지를 개발할 수 있는 획기적인 연구 방향을 제시하였음.
• 실시간 전기화학 반응의 이해: 전극, 전해액 그리고 촉매의 계면 반응을 실시간 차동 전기화학 질량 분석기 (DEMS), 전기화학-원자력 현미경 (EC-AFM)과 같은 실시간 분석법을 적용하여 Li₂O₂의 생성 및 분해 과정을 이해함.
• 탄소 전극의 표면 기능화 및 메조 기공을 가진 탄소 도입을 통해 Li₂O₂의 구조 제어 및 충전 과전위의 감소를 가능케 하였으며 이를 통해 Li₂O₂의 물리적 특성과 전기화학적 분해 과정의 관계를 규명함.
• Au, Pt, Pd, Ru, Co₃O₄과 같은 나노 촉매들이 담지된 탄소 나노 튜브 전극에서 의 충방전시 발행하는 기체를 정량적으로 분석하여 리튬-산소 전지 내에서 불균일 전기 촉매의 역할을 명확히 규명함.
• 연구결과 발표: 상위 10% 국제 학술지인 Chem. Mater. (2016), Nature Commun. (2018), J. Am. Chem. Soc. (2018) 등에 결과를 기재.

□ 연구개발결과의 중요성
리튬-산소 전지의 충전 과전위를 낮추고 사이클 안정성을 높이려는 노력이 국내외 연구진들에 의해 꾸준히 시도되었으나, 비수용액 상에서 발생하는 리튬-산소 전지의 기저반응 및 촉매 반응 기작에 대한 기초적인 지식은 여전히 부족한 수준이었음. 본 연구진은 자체 구축한 실시간 전기화학 분석방법을 통하여 Li₂O₂의 구조와 충전 과전위 간의 관계 고찰, 불균일 촉매의 체계적 성능평가 등 근본적인 반응 기작에 초점을 맞춘 연구를 진행하였음. 이를 통해 다양한 환경에서 리튬-산소 전지의 핵심반응인 Li₂O₂의 생성 및 분해에 대한 근본적인 물음들에 답할 수 있었으며, 전극 개질을 통한 리튬-산소 전지의 효율 향상에도 기여하는 연구 결과를 얻을 수 있었음. 이러한 결과들은 향후 차세대 전지의 개발의 방향을 제시할 수 있으며 학문적으로도 리튬 및 산소의 전기화학에 대한 기초 지식을 제공할 것으로 예상함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• (1) 리튬-산소 전지에서 불균일 및 균일 전기촉매의 역할 규명 ... 5
• (2) 탄소 전극의 구조화 및 기능화를 통한 방전 생성물(Li2O2)의 구조 및 형태 제어 ... 8
• (3) 용융염 전해질의 개발 ... 10
• (4) 소듐-산소 전지에서 산소 환원/발생반응의 이해 ... 10
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 11
• 4. 참고문헌 ... 12
• 5. 연구성과 ... 13
• 대표적 연구실적 ... 17
• 끝페이지 ... 33