초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구과제에서는 기 수행 과제에서 비휘발성 메모리 소자의 스위칭 원리를 규명하기 위해 개발한 실시간(in-situ) 전압-전류 투과전자현미경 측정 기술과 노하우를 확대 활용하여, 현 시대에 연구의 중요성이 매우 높은 리튬/나트륨이온 차세대 이차전지의 원자단위 동작 메커니즘을 연구하였다. 기존에 1차원 구조를 가진 나노재료의 길이 방향으로만 리튬의 확산을 강제하여 현실적 반응 메커니즘과 동떨어진다는 평가를 받던 이차전지의 실시간 투과전자현미경 측정 기술을 보완하여, 1차원 나노재료의 최우선 리튬이온 확

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구과제에서는 기 수행 과제에서 비휘발성 메모리 소자의 스위칭 원리를 규명하기 위해 개발한 실시간(in-situ) 전압-전류 투과전자현미경 측정 기술과 노하우를 확대 활용하여, 현 시대에 연구의 중요성이 매우 높은 리튬/나트륨이온 차세대 이차전지의 원자단위 동작 메커니즘을 연구하였다. 기존에 1차원 구조를 가진 나노재료의 길이 방향으로만 리튬의 확산을 강제하여 현실적 반응 메커니즘과 동떨어진다는 평가를 받던 이차전지의 실시간 투과전자현미경 측정 기술을 보완하여, 1차원 나노재료의 최우선 리튬이온 확산 경로를 파악할 수 있는 실시간 투과전자현미경 기술을 개발하였다. 개선된 실시간 투과전자현미경 측정 기술을 기반으로 다양한 리튬/나트륨이온 차세대 이차전지용 전이금속 기반의 산화물 양, 음극 재료의 전기화학 반응 메커니즘을 분석하여, 리튬이온의 전극 내 반응 과정을 원자 단위에서 해석하고 양이온 교착, 용출, 크랙 발생 등을 연구하였다. 뿐만 아니라 후처리 과정을 거친 나노재료의 표면 석출물, 산소 결함 등의 구조 변화를 해석하고 이에 따른 리튬/나트륨이온전지 성능을 측정함으로써, 이차전지 전극의 성능 향상을 위한 방향을 제시한다. 본 연구 결과는 실시간 원자단위 연구기술의 수준 향상과 함께 이차전지 연구/산업 발전에 기여할 것으로 기대한다.

□ 연구결과
○ 1차원 이상의 구조를 가진 나노재료의 최우선 리튬이온 확산 경로를 관찰할 수 있는 실시간 전압-전류 투과전자현미경 측정 기술을 개발하여 특허 출원.
○ 리튬/나트륨이온전지의 양극과 음극으로 모두 활용이 가능한 알파 망간 산화물 전극 내에서의 리튬이온의 삽입 반응 및 변환 반응 메커니즘을 원자 단위에서 해석하고, 초기 MnO2 구조와 생성된 MnO 및 Li2O 상에 구조적 선호 방향성 규명.
○ 터널 구조의 망간 산화물 내부에 존재하는 은 이온의 함량에 따른 나트륨 이온전지 성능을 비교하고 구조 변화의 차이 기술.
○ 망간 산화물 전극의 나트륨 이온 함유량에 따른 터널 구조의 손상과 변화를 해석하고, 재료의 H2O2 및 Ag 후처리에 따른 구조 변화와 성능에 미치는 영향 관계 확인.
○ RDF 분석을 통해 비정질 재료의 결합 거리에 따른 밀도 변화를 측정하고, 주석 기반 전극의 표면 비정질 탄소 밀도에 따른 나트륨이온전지 성능 변화 확인.
○ 원자 단위의 HAADF-STEM 이미지 분석을 통해 리튬이온전지용 니켈망간코발트 기반 산화물 양극에서 기존에 잘못 알려진 일차 입자의 구조 교정.
○ STEM/EELS 분석을 통해 니켈망간코발트 기반 산화물 양극의 심각한 열화 시 기존에 일차 입자라고 알려져 왔던 수백 나노미터 크기의 입자 내부 결정립계에서 크랙이 발생하여 입자의 붕괴를 초래 확인.
○ 사이클이 진행된 리튬과다 니켈코발트망간 기반 산화물 양극의 실시간/비실시간 투과전자현미경 가열 실험을 통해, 가열 과정을 통해 열화된 구조의 회복 가능성 확인.
○ 지르코늄이 도핑된 리튬이온전지용 니켈코발트망간 기반 산화물 양극의 양이온 교착 현상 차이를 원자 단위의 HAADF-STEM 이미지 및 EELS를 통해 비교 분석하고, 제일원리 계산을 통해 양이온 교착 현상 차이의 근원을 에너지 관점에서 해석.

□ 연구결과의 활용계획
○ 본 연구에서 가능성을 제시한 나트륨이차전지의 전극 재료를 바탕으로, 상용화 연구를 위한 산학 연계 및 기술 지원.
○ 리튬이온전지의 성능 저하 원인에 대해 규명한 것을 바탕으로, 전극 소재의 이론적 용량 증대를 이끌어내 전기자동차 산업으로 인한 대용량이차전지 수요 증가에 대비.
○ 본 연구에서 발표한 성과를 바탕으로 국내외 유수 연구 단체와 협력함으로써, 전자현미경 외의 다양한 분석 기술과 융합하여 차세대이차전지 소재 개발을 위한 추가 연구 진행.
○ 본 연구를 통해 확보한 방사분포함수 분석 기술을 개발·보완하여 구조를 효과적으로 기술함으로써 비정질 소재의 핵심 특성을 규명.
○ 다년간의 실시간 측정 연구 경험으로 축적한 원천 분석 기술을 다양한 소재 분석에 효과적으로 응용하여 에너지 산업 발전에 기여.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose& contents
We have studied atomic-unit reaction mechanisms of the lithium/sodium-ion secondary battery exploiting the in-situ transmission electron microscopy (TEM). By complementing the previous in-situ TEM measurement technology of a battery cell, we have developed a in-situ TEM techni

□ Purpose& contents
We have studied atomic-unit reaction mechanisms of the lithium/sodium-ion secondary battery exploiting the in-situ transmission electron microscopy (TEM). By complementing the previous in-situ TEM measurement technology of a battery cell, we have developed a in-situ TEM technique that can identify the most favorable lithium-ion diffusion path of one-dimensional nanomaterials. Based on the improved in-situ TEM technique, we analyzed the electrochemical reaction mechanisms of various transition metal oxide cathode materials for lithium/sodium-ion batteries. In addition, we propose directions for improving the performance of secondary battery electrodes, by investigating the structural changes of nanomaterials subjected to a post-treatment process and their performance. The results of this study are expected to contribute to the development of secondary battery researches and industry along with the improvement of the in-situ atomic-scale research technology.

□ Result
○ Applied for a patent by developing in-situ TEM measurement techniques that can observe the most favorable lithium-ion diffusion path of nanomaterials with 1-D structure.
○ Analyzed the intercalation and conversion mechanisms of lithium ions in an alpha manganese oxide electrode, which can be used as both an anode and cathode of lithium/sodium-ion batteries.
○ Comparison of the performances of sodium-ion batteries according to the content of silver ions in the tunnel structure of the manganese oxide and difference in structural changes.
○ Identification of the influence on the structural change and performance by H2O2 and Ag post-treatment of manganese oxide materials.
○ Investigated the change of density according to the bonding distance of amorphous materials by RDF analysis and the change of sodium ion cell performance according to the surface amorphous carbon density of tin-based electrodes.
○ Structural correction of misrecognized primary particles in NMC-based oxide anodes for lithium-ion batteries through atomic-scale HAADF-STEM image analysis.
○ Identification of cracks caused by serious deterioration of the NMC-based oxide cathode in the internal grain boundaries of particles of several hundred nanometers, which have been known as primary particles, resulting in particle collapse.
○ Performed the in-situ/ex-situ TEM heating experiments of a lithium-rich NMC oxide cathode having undergone a cyclic process, which shows the structure can be recovered by heating.
○ Analyzed the difference in cation mixing of Zr-doped NMC oxide cathodes for lithium-ion batteries by HAADF-STEM images and EELS at the atomic level.

□ Expected Contribution
○ industry-university linkage and technical support for commercialization research, based on the electrode material of sodium secondary battery.
○ Increasing the theoretical capacity of electrodes and preparing for the increasing demand of large–capacity-secondary batteries due to the electric automobile industry.
○ Collaborating with leading research groups in Korea and abroad to further research on the development of next generation secondary battery materials by combining with various analytical technologies besides the electron microscope.
○ Developing and complementing the RDF analysis technique and identifying the core characteristics of the amorphous material by effectively describing the structure.
○ Contributing to the development of the energy industry by applying fundamental analysis technologies accumulated through many years of in-situ measurement research experiences.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 14
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 18
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 67
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 70
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 71
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 74
• 8. 참고문헌 ... 74
• 9. 연구성과 ... 75
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 83
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 83
• 12. 최종보고서 평가의견 ... 83
• 13. 기타사항 ... 83
• 별첨1. 대 표 연 구 실 적 ... 84
• 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 99
• 끝페이지 ... 108