초록 ▼

연구개요
본 연구책임자는 본 연구 과제를 통해 기존의 무기물 양극재료들의 문제점들을 근본적으로 해결하기 위해 새로운 개념의 양극재료용 유기 분자 복합체의 설계를 제안하고자 하였음. 이를 통해 설계된 많은 유기 분자 복합체들에 대한 신속한 물성 평가 기반 스크리닝 프로세스를 통해 우수한 유기 분자 복합체 후보군을 선별하는 데에 궁극적인 목표를 두었음. 선별된 유기 분자 복합체 후보군의 다양한 물성 및 성능 인자들에 대한 신뢰도 높은 조사를 통해 체계적으로 습득한 정보를 토대로 리튬이온배터리의 양극재료로서의 가능성을 평가하고자 하

연구개요
본 연구책임자는 본 연구 과제를 통해 기존의 무기물 양극재료들의 문제점들을 근본적으로 해결하기 위해 새로운 개념의 양극재료용 유기 분자 복합체의 설계를 제안하고자 하였음. 이를 통해 설계된 많은 유기 분자 복합체들에 대한 신속한 물성 평가 기반 스크리닝 프로세스를 통해 우수한 유기 분자 복합체 후보군을 선별하는 데에 궁극적인 목표를 두었음. 선별된 유기 분자 복합체 후보군의 다양한 물성 및 성능 인자들에 대한 신뢰도 높은 조사를 통해 체계적으로 습득한 정보를 토대로 리튬이온배터리의 양극재료로서의 가능성을 평가하고자 하였음. 본 목적을 달성하기 위해서, 본 연구책임자는 다중스케일의 전산모사에 기반한 포괄적인 접근법을 제안하고자 하였음. 본 연구책임자는 지난 10년 동안 density functional theory (DFT) 방법과 Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) 및 molecular dynamics (MD) 시뮬레이션 기법으로 구성된 다중스케일의 접근법에 대한 풍부한 연구 경험을 지니고 있으며, 수소 저장 물질 및 리튬이온배터리의 에너지 저장 분야 연구에서 특히 의미있는 기여를 보여 왔음. 본 연구책임자는 이러한 경험을 토대로 우수한 성능의 유기물 양극재료 개발을 위한 체계적 설계원리를 규명하는데 궁극적인 목적을 두었음.

연구 목표대비 연구결과
1) 1차년도: (목표) 기존의 양극재료가 지니는 문제점을 해결하기 위해 새로운 개념의 유기물 양극재료를 설계하고자 함. (연구결과) 본 연구를 통해서 다양한 유기화합물 양극재료에 대한 체계적인 설계를 바탕으로 이들의 물성 예측을 성공적으로 수행함으로써, 물질설계-물성예측의 프로토콜을 완성하였음.
2) 2차년도: (목표) 선택된 양극재료 후보군의 전반적인 특성 및 성능에 대한 포괄적 분석을 통해 양극재료로서의 실제 응용가능성을 파악하고자 함. (연구결과) 선별된 퀴논 유도체와 그래핀 (카본나노튜브)뿐만 아니라, 다양한 redox-active moiety를 보유하는 유기화합물 후보군들의 산화환원특성 예측을 통해서 후보군에 대한 충분한 정보 축적을 이루었음. 후보군의 산화환원 전위뿐만 아니라, 이들의 전기화학적 특성(frontier orbitals, electron affinity, solvation energy)를 예측함으로써 서로의 상관관계를 규명하고자 하였음.
3) 3차년도: (목표) 선택된 양극재료 후보군의 전해질과의 적합성 평가를 통해 최종적으로 전체 배터리 시스템 내에서의 후보군의 안정성을 파악하고자 함. (연구결과) 2차년도의 과제수행을 통해서 완성된 유기화합물들의 산화환원특성을 전해질의 solvation effect 및 유기화합물의 electron affinity와 연관지어 설명하였고, 유기화합물들의 구조적 상대적 안정성 조사를 통해서 궁극적으로 유기화합물 후보군의 최종 잠재성을 파악하였음.

연구개발결과의 중요성
본 연구과제로부터 확보된 결과물들은 전산모사, 원리화학, 응용화학의 측면에서 의미있는 효과가 기대됨. 첫째, 전산모사 측면에서, ‘설계-스크리닝-특성 분석’의 체계적인 구성을 통해 확립된 다중스케일 전산모사는 어느 연구그룹에서도 시도해보지 않은 방법들로서 창조성과 범용적인 응용성을 동시에 갖추고 있기 때문에 유기성 분자 기반 소자 개발 연구로의 확장이 가능할 것으로 예상됨. 둘째, 원리화학적 측면에서, 유기성 분자 복합체의 구조적, 전자적, 화학적, 전기화학적 특성의 근본적인 분자기반 규명을 통해서 실험적인 방법으로 불가능했던 부분들에 대한 근본적인 이해가 가능할 것으로 기대됨. 셋째, 응용화학적 측면에서, 바람직한 전기화학적 특성 및 배터리 성능을 지니는 유기성 분자 복합체 양극재료의 개발을 위한 유기성 분자 구조 및 복합체 골격 구조의 명확한 설계 기준이본 연구를 통해 확립될 수 있을 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구목표 ... 4
• 1.2 연구 진행 계획 ... 4
• 1.3 기대 효과 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 2.1 1차년도 ... 4
• 2.2 2차년도 ... 7
• 2.3 3차년도 ... 10
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
• 3.1 원천 기술 확보 ... 13
• 3.2 유기 화합물 기반 이차전지 양극재 개발 ... 13
• 3.3 실험 연구 수행의 한계 극복 ... 13
• 4. 참고문헌 ... 15
• 5. 연구성과 ... 16
• 대표적 연구실적 ... 18
• 끝페이지 ... 28