초록 ▼

□ 연구개요
현재까지 개발된 대표적인 하이브리드 커패시터인 리튬이온커패시터 및 고출력 스피넬 타입의 소재를 사용한 하이브리드 커패시터의 에너지밀도는 약 20 Wh/kg 정도로 제한되어 있음. 따라서 본 연구진은 고용량 유기황 화합물 활물질의 분자구조 및 복합체 조성 제어를 통한 양극 설계, 알칼리 금속(Li, Na)이온이 pre-doped된 나노카본을 이용한 음극 설계, 폴리설파이드 용출을 방지할 수 있는 이종계면 제어 기술을 통해 기존 하이브리드 커패시터의 에너지밀도 한계를 극복할 수 있는 신개념 유기황 기반 비대칭 하이브리

□ 연구개요
현재까지 개발된 대표적인 하이브리드 커패시터인 리튬이온커패시터 및 고출력 스피넬 타입의 소재를 사용한 하이브리드 커패시터의 에너지밀도는 약 20 Wh/kg 정도로 제한되어 있음. 따라서 본 연구진은 고용량 유기황 화합물 활물질의 분자구조 및 복합체 조성 제어를 통한 양극 설계, 알칼리 금속(Li, Na)이온이 pre-doped된 나노카본을 이용한 음극 설계, 폴리설파이드 용출을 방지할 수 있는 이종계면 제어 기술을 통해 기존 하이브리드 커패시터의 에너지밀도 한계를 극복할 수 있는 신개념 유기황 기반 비대칭 하이브리드 커패시터소자를 개발하고자함.
- 정량목표: 80 Wh/kg, 율속 >80% (10C vs. 1.0C), 장기안정성 >80% (@1만회 충방전)

□ 연구 목표대비 연구결과
1차년도 : 유기황 화합물 합성 및 구조와 관능기에 따른 전기화학적 물성 상관관계 유도
● SOS-OCNT와 그 대조군에 대한 분광학, 물성 분석 비교 및 해당 대조군들의 전기화학 특성 측정 및 상관관계 해석
● Macroporous한 CNT의 기능화 (OCNT 합성) 및 성공적인 황 담지 (host 물질로 응용). 모든 과정이 facile하며 비용이 저렴함.
● 수계 시스템에서는 metal 사용이 불가하여 Na가 포함된 활성탄을 사용하여 소재의 전기화학 성능 최적화
- 유기황 및 유기황/탄소 복합체의 쉽고 빠른 합성 및 조성 제어, 담지 기술 개발
- 분광학적 분석 및 물성 분석을 통한 합성 확인 및 탄소 및 유기 소재 해석 이해도 향상
- 개발된 유기황/탄소 복합체의 전극 제조 공정 최적화
- 전기화학 실험조건에 따른 성능 및 안정성 특성 평가

2차년도 : 금속이온(Na)이 pre-doped된 나노카본을 이용한 음극 설계 및 탄소나노소재 담지체 개질
● 높은 비표면적을 갖는 활성탄의 전기화학적 금속이온 (Na) 함침을 통한 음극 소재로의 활용.
- 전기화학적 금속이온 함침법 개발
- 합성된 음극을 이용한 full cell 테스트 및 하이브리드 커패시터의 제조 기술 개발

정량목표 : 79 Wh/kg, 율속 ~40% (100 mV s^-1 vs 2 mV s^-1), 장기안정성 >80% (@5만회 충방전)

□ 연구개발결과의 중요성
고용량 에너지저장소재의 개발로 기존 슈퍼커패시터의 에너지밀도 한계를 극복하면, 기존의 응용시장 뿐만아니라 ESS, EV 등 에너지 산업 분야를 선점하고 새로운 시장가치 형성 및 일자리 창출에 기여할 수 있음. 또한 유기황 화합물 합성과 담지 소재 개발을 통해 현재 리튬황전지 상용화의 가장 큰 걸림돌인 폴리설파이드 용출과 황 용량 활용률 향상을 위한 소재 디자인 원천 기술 확보가 가능함. 현재까지 미진하게 진행되었던 유기황 전극과 커패시터 분야의 in-situ 분석을 도입하여 반응메커니즘, 이온캐리어의 상호작용을 연구하면 관련 에너지 전극소재 개발 및 계면 현상 이해의 폭도 확장할 수 있음. 이와 같이 신개념 유기황 기반 하이브리드 커패시터는 현재 보고된 바 없는 신규분야로서, 연구개발을 통해 세계적으로 저명한 SCI Journal에 논문을 게재하는 등의 학문적 성과 달성과 함께 고용량, 고안정성을 가지는 에너지 시스템에 경제성을 더한 핵심 원천 특허 확보가 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 1차년도 연구내용 ... 4
• 1.2 2차년도 연구내용 ... 4
• 1.3 3차년도 연구내용 ... 5
• 1.4 연구의 필요성 ... 5
• 1.5 연구의 추진전략 및 방법 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 2.1 이론적 배경 ... 6
• 2.2 실험적 접근방법 ... 7
• 2.3 연구결과 ... 7
• 2.4 목표 달성도 ... 11
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 12
• 4. 참고문헌 ... 13
• 5. 연구성과 ... 14
• 대표적 연구실적 ... 14
• 끝페이지 ... 18