초록 ▼

□ 연구개요
금속 음극 안정화 기술을 통한 고효율 고안정성 금속 이차전지 개발을 최종목표로 다양한 방식으로 접근하여 금속 음극을 안정화시키는 시도를 하였음. 전도성 물질을 도입하여 나트륨 음극의 안정화를, 결함이 있는 카본을 도입하여 아연도금 전극의 안정화를, 물리적 지지체의 도입으로 아연도금전극의 효율성 증대를 도모하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. 나트륨 금속 내부 전도성 물질 도입을 통한 나트륨 금속 음극 안정화
bulk 나트륨 내부에 전도성 물질을 도입하여 네트워크를 만들어 줌으로써, 비전도

□ 연구개요
금속 음극 안정화 기술을 통한 고효율 고안정성 금속 이차전지 개발을 최종목표로 다양한 방식으로 접근하여 금속 음극을 안정화시키는 시도를 하였음. 전도성 물질을 도입하여 나트륨 음극의 안정화를, 결함이 있는 카본을 도입하여 아연도금 전극의 안정화를, 물리적 지지체의 도입으로 아연도금전극의 효율성 증대를 도모하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. 나트륨 금속 내부 전도성 물질 도입을 통한 나트륨 금속 음극 안정화
bulk 나트륨 내부에 전도성 물질을 도입하여 네트워크를 만들어 줌으로써, 비전도성인 resistive layer의 생성에도 나트륨이 전기적 활성을 잃는 것을 억제하고, 그 활용률을 높여주고자 함. SEM, XPS 분석을 통해 나트륨의 도금 및 용출이 더욱 고르게되는 것을 입증하였음. 또한 CA 분석을 통해 나트륨이 초기 전착 과정에서 전도성 물질 위에 먼저 핵을 형성하고 전도성 물질 표면을 다 덮은 이후 나트륨 금속 표면에 전착되는 것을 증명하였음. 전도성 물질 도입은 전자 및 이온전달 저항을 효과적으로 줄여, 나트륨의 도금/용출 가역성 증가를 도모할 수 있었으며, bare 나트륨을 사용했을 때에 비해 셀의 수명이 약 5배 증가하였음.
2. 전극 위 결함이 있는 카본 코팅으로 아연도금전극 안정화
아연브롬흐름전지 구동 시 아연 도금이 모든 전극 면적에서 고르게 일어나지 않는 것을 해결하고자 결함이 있는 카본을 펠트전극에 코팅함으로써, 아연 핵형성후 표면으로의 이동을 억제하여 덴드라이트의 형성을 억제하고 전극 내부의 활용을 증대시키고자 하였음. 기존 카본 대비하여 결함이 있는 카본에서 아연의 핵이 더 잘 흡착되려고 하는 성질이 있음을 DFT 계산을 통해 증명하였으며 SEM, TEM, STEM 등의 분석으로 안정한 아연도금 현상을 확인하였음. 또한 아연브롬 흐름전지의 수명을 약 10배 증가하였으며 이는 앞서 보고된 성능 중 가장 우수한 장기성능임.
3. 물리적 지지체 도입을 통해 아연도금거동 변화
아연브롬흐름전지 구동 시 펠트전극 위 극성의 표면을 가진 물리적 지지체 도입으로 아연의 도금 가역성을 증대시키고자 함. 아연이 전착 시 물리적 지지체 표면을 따라 아연성장이 유도되도록 하여 아연도금거동에 영향을 주는 것을 보여줌. CA 분석을 통해 초기 아연성장거동은 변화시키지 않으면서 핵 형성수가 증가함을 확인하였으며, in situ XRD, XRM, photo 등을 통해 물리적 지지체가 3차원의 아연도금과정에서 영향을 미칠 수 있음을 보여줌. 성능적으로도 bare에 비해 고전류 밀도 고용량에서 구동이 가능함을 확인하였음.

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구에서는 불균일한 전착으로 덴드라이트가 형성되는 금속 음극에 대한 문제를 다양한 접근 방식으로 전극안정화를 도모하였음. 특히 기술적 성숙도와 이해도가 높은 리튬 금속이 아니라 나트륨과 아연에 적용하여 각 전지의 성능을 크게 증대시켰다는 점에 의의가 있음. 또한 각 연구 과정에서 다양한 소재를 활용한 전지 기술들을 익히고 적용해봄으로써 배터리 인력 양성에 도움이 되었음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 1-1. 전도성 물질 도입을 통한 나트륨 금속 음극 안정화 (1, 2차년도) ... 3
• 1-2. 전극 및 전지 내부 공간의 효율적 활용을 통한 아연 도금 전극 안정화 (3차년도) ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 2-1. 1차년도 연구 수행내용 및 연구결과 ... 5
• 2-2. 2차년도 연구 수행내용 및 연구결과 ... 7
• 2-3. 3차년도 연구 수행내용 및 연구결과 ... 9
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 18
• 4. 연구성과 ... 20
• 끝페이지 ... 20