초록 ▼

□ 연구개요
리튬-설퍼 전지의 이론적 에너지 밀도는 약 2,600 Wh/kg 수준으로, 현재 널리 사용되고 있는 리튬이온전지에 비해 큰 값을 갖기에 개발 잠재력이 매우 크다. 또한 설퍼는 석유 정제의 부산물로 얻을 수 있어 전이금속 양극 재료 대비 가격이 매우 저렴하여 전지 가격의 절반 정도를 차지하는 양극 제조 단가를 크게 낮출 수 있는 이상적인 재료로 주목받고 있다. 하지만 리튬-설퍼 전지 연구는 주로 양극의 방전용량 가역성을 향상시키는 데에 집중되어 있고, 전해질과 음극 소재에 관한 연구는 상대적으로 많이 진행되지 않은

□ 연구개요
리튬-설퍼 전지의 이론적 에너지 밀도는 약 2,600 Wh/kg 수준으로, 현재 널리 사용되고 있는 리튬이온전지에 비해 큰 값을 갖기에 개발 잠재력이 매우 크다. 또한 설퍼는 석유 정제의 부산물로 얻을 수 있어 전이금속 양극 재료 대비 가격이 매우 저렴하여 전지 가격의 절반 정도를 차지하는 양극 제조 단가를 크게 낮출 수 있는 이상적인 재료로 주목받고 있다. 하지만 리튬-설퍼 전지 연구는 주로 양극의 방전용량 가역성을 향상시키는 데에 집중되어 있고, 전해질과 음극 소재에 관한 연구는 상대적으로 많이 진행되지 않은 편이다. 리튬-설퍼 전지가 시장의 요구에 맞게 상용화되기 위해서는 해당 소재들의 연구개발이 동시에 꼭 필요하며, 본 연구개발과제에서는 리튬-설퍼 전지 상용화에 기여할 수 있는 방향으로, 전지 구동 메커니즘에 대한 이해를 넓히고 전지에 쓰일 수 있는 다양한 고성능 양극, 음극 및 전해질 소재개발을 목표로 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
리튬-설퍼 전지용 고용량 양극, 분리막, 젤 고분자 전해질 및 음극 소재를 각각 합성하였고, 최종적으로는 이들을 조합하여 우수한 성능을 갖는 리튬-설퍼 전지를 제조하여 성능을 평가하였다. 각각의 소재개발 계획에 맞춰 1차년도에는 천연 소재와 MWCNT로부터 고용량 양극을 제조하였고, 이를 실제 셀에 적용하여 목표치였던 1,100 mAh/g 이상의 용량을 가지며 200회 이상 사이클이 가능한 리튬-설퍼 전지를 제작하였다. 2차년도에는 각종 폴리설파이드 흡착 첨가제를 탐색 및 합성하였고, 이를 분리막 위에 코팅하여 폴리설파이드 투과율이 10% 이내인 분리막을 제조하였다. 또한, 인시츄 가교 반응을 통해 설정 목표치인 이온 전도도(2.0 x 10^-3 S/cm 이상)와 산화 안정성(4.5 V vs. Li/Li⁺ 이상)을 만족하는 젤 고분자 전해질을 합성하였다. 3차년도에는 다른 금속들과 합금을 만드는 방법으로 고용량 실리콘 음극을 합성하였고, 기존 개발하였던 소재들을 모두 적용한 리튬-설퍼 전지를 제작하였다. 제작된 전지는 1182.4 mAh/g (목표: 1,100 mAh/g 이상)의 초기 방전 용량을 보였으며, 300회 사이클 이후에도 1006.2 mAh/g의 높은 용량을 유지하여 (용량 유지율: 85.1 %), 개발한 각 소재들을 함께 적용하였을 때 우수한 성능을 보임을 최종 입증하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
연구개발과정을 통해 리튬-설퍼 전지에 필수적인 각종 소재 합성과 이들을 조합, 적용하는 기술을 획득할 수 있었다. 이를 통해 국내 이차전지 산업의 기술적 우위를 지켜나갈 수 있으며, 리튬-설퍼 전지 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 리튬-설퍼 전지가 상용화되면, 양극 활물질을 생산을 위해 필요한 희토류 전이금속의 수입을 줄일 수 있어 소재 원료에 대한 외국 의존도를 큰 폭으로 낮출 수 있을 것이다. 또한, 주행 거리가 크게 향상되고 가격이 저렴한 전기 자동차를 실현 가능케 하여 자동차 제조업뿐만 관련 파생 산업 부흥과 구조 변화에 이바지하면서 대한민국의 신성장 동력이 될 수 있을 것으로 판단된다. 세계적 규모의 국내 정유회사들은 석유정제 부산물 설퍼 수요 증가로 인해 추가적인 이윤 창출이 가능할 것이며, 과제를 수행하며 배출된 석박사 고급인력들은 미래 이차전지 분야의 R&D 선두 주자로서 활동할 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• (1) 천연 소재로부터 기공도 및 표면적이 큰 다공성 탄소 물질을 합성하여 양극에 적용 ... 5
• (2) 높은 설퍼 로딩을 갖는 탄소-설퍼 복합 양극 제작 ... 6
• (3) 극성을 띠는 폴리설파이드 흡착 첨가제 물질 종류 탐색 및 적용 ... 7
• (4) 설퍼 양극과 분리막 사이에 폴리설파이드 확산을 억제할 수 있는 중간층 도입 ... 10
• (5) 높은 리튬 이온 전도성을 갖는 젤 고분자 전해질 합성 및 특성 분석 ... 11
• (6) 흡착 첨가제 물질의 특성을 변화시키며 흡착 성능에 주는 영향 분석 ... 12
• (7) 고용량 실리콘 음극 합성 및 평가 ... 13
• (8) 흡착 첨가제 물질을 양극과 중간층에 각각 적용한 셀 성능 비교 평가 ... 15
• (9) 최적화된 소재를 이용한 리튬-설퍼 전지 제작 및 성능 평가 ... 16
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 19
• 대표적 연구실적 ... 26
• 끝페이지 ... 41