초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
다가이온 기반 에너지 저장물질의 근본적인 물성이해와 원자수준의 물질설계

○ 전체 내용
제일원리계산을 이용하여 다가이온 (Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Al³⁺) 저장에 적합한 전극물질을 탐색하고 반응과정을 규명. 전극의 열역학 특성, 이온/전자 수송특성, 기계적 특성을 결정하고 용량, 출력, 수명 측면에서 성능향상을 위한 물질설계의 방향을 제시

○ 1단계
● 목표

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
다가이온 기반 에너지 저장물질의 근본적인 물성이해와 원자수준의 물질설계

○ 전체 내용
제일원리계산을 이용하여 다가이온 (Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Al³⁺) 저장에 적합한 전극물질을 탐색하고 반응과정을 규명. 전극의 열역학 특성, 이온/전자 수송특성, 기계적 특성을 결정하고 용량, 출력, 수명 측면에서 성능향상을 위한 물질설계의 방향을 제시

○ 1단계
● 목표
합금반응물질인 비정질 실리콘과 인의 다가이온저장특성 규명
● 내용
1. 실리콘과 인의 다가이온 (Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Al³⁺) 저장 연구
2. 형성에너지 계산을 통한 이론용량, 평균전압, 부피팽창 결정
3. 다가이온이 삽입된 전극물질의 국소원자구조, 전하상태, 전자 전도도 계산 연구
4. 제일원리 분자동역학계산을 통한 이온확산속도 결정

○ 2단계
● 목표
삽입반응물질인 흑연의 다가이온저장특성 규명
● 내용
1. 다가이온 (Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Al³⁺) 단독삽입과 다가이온-용매분자 공동삽입 연구
2. 형성에너지 계산을 통한 단독삽입과 공동삽입의 열역학적 안정성 비교
3. 공동삽입에 적합한 용매분자 및 삽입된 이온-용매의 평형구조 결정
4. Nudged elastic band (NEB) 계산을 통한 이온의 확산장벽 및 확산속도 결정

○ 3단계
● 목표
MXene 전극물질의 다가이온저장특성 규명
● 내용
1. Al³⁺ 다가이온 삽입을 위한 MXene (M_n+1X_nT_x) 전극의 설계전략 제시
2. 전이금속 M과 표면물질 T의 조합을 통해 최적의 용량과 율성능을 보이는 물질 탐색
3. Al³⁺와 T 간의 상호작용에 M이 미치는 역할 규명
4. Nudged elastic band (NEB) 계산을 통한 Al³⁺ 이온의 확산 장벽 및 확산속도 결정

□ 연구개발성과
1년차: Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Al³⁺ 다가이온중 Mg²⁺와 Ca²⁺가 비정질 Si 음극과 합금반응이 가능하며, Mg²⁺는 수명 및 율성능 측면에서 Ca²⁺보다 우수함을 규명
2년차: 흑연에 B, Al, P 도핑이 Mg²⁺, Ca²⁺, Al³⁺의 삽입반응을 보다 향상시킴을 규명
3년차: Late TM과 S가 포함된 MXene이 매우 우수한 Al³⁺의 용량과 확산도를 보임을 제시

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
실험연구자들이 다가이온 저장물질을 설계할 때 물성을 올바로 이해하고 용량, 율특성, 기계적 안정성 면에서 보다 우수한 물질을 원자수준의 관점에서 설계하는데 가이드가 될 수 있음.
산업적으로도 실리콘 및 흑연은 리튬이온전지나 나트륨이온전지 같은 일가이온전지에서 집중적으로 연구되는 중요한 음극물질이므로, 다가이온에서 이들 전극물질을 활용할 수 있다면 실용성 면에서 의미가 있음.

(출처 : 요약문 2p)