초록 ▼

○ 리튬 금속 전지용 고성능 전해질 시스템 개발
1) 리튬 금속음극의 계면 열화기구 계산화학-실험-실시간 고도분석을 기반으로 하는 기초 심화연구를 통해 개발 전해질 시스템의 작동기구 규명 및 유효한 계면 안정화 기술 개발을 단기간에 확보
2) 불소화 인터페이스형성용 불소화 공용매와 리튬 금속표면 보호막 형성용 이온성 첨가제 조합연구를 통해 리튬 금속전지의 장기 수명성능 확보
3) 리튬 금속음극의 균일한 리튬전착과 높은 가역성을 구현하는 고이온전달성(Li-N)-고강도(LiF) 이중층 인터페이스 형성용 첨가제

○ 리튬 금속 전지용 고성능 전해질 시스템 개발
1) 리튬 금속음극의 계면 열화기구 계산화학-실험-실시간 고도분석을 기반으로 하는 기초 심화연구를 통해 개발 전해질 시스템의 작동기구 규명 및 유효한 계면 안정화 기술 개발을 단기간에 확보
2) 불소화 인터페이스형성용 불소화 공용매와 리튬 금속표면 보호막 형성용 이온성 첨가제 조합연구를 통해 리튬 금속전지의 장기 수명성능 확보
3) 리튬 금속음극의 균일한 리튬전착과 높은 가역성을 구현하는 고이온전달성(Li-N)-고강도(LiF) 이중층 인터페이스 형성용 첨가제 조합 기술 개발
4) 친 리튬층(Ag포함)-고이온전달성(Li-N)-고강도(LiF)로 구성된 다중층 인터페이스 기술 개발을 통해 리튬 금속 음극의 성능 극대화
○ 개발된 고농축 이온성 전해질 시스템은 세계 최고수준의 데이터(미국, PNNL)를 능가하는 리튬 금속전지 수명을 확보하는 우수한 성과를 이룸.

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

Ⅱ. Purpose and Necessity
The secondary batteries, which is the most promising energy storage devices which convert the change in free energy originated from the electrochemical oxidation/reduction reaction into electrical energy, have become a viable alternative energy source as fossil fuels show

Ⅱ. Purpose and Necessity
The secondary batteries, which is the most promising energy storage devices which convert the change in free energy originated from the electrochemical oxidation/reduction reaction into electrical energy, have become a viable alternative energy source as fossil fuels showed their limitations of limited deposits, ubiquity and environmental pollution problems. As a global need for sustainable development increases, demands on advanced secondary batteries are vigorously increasing for development of next-generation energy source systems. Existing lithium secondary batteries use commercially available graphite anodes and oxide-based cathodes, but due to the development of other fields and the expansion of the application range of secondary batteries, development of secondary batteries with higher energy density and capacity is required. Among them, attention is focused on lithium metal batteries using lithium metal.
Lithium metal has been regarded as an ideal anode owing to its high theoretical capacity (3,860mAh/g) and low standard redox potential (-3.04V). However, most of organic electrolytes decompose severely at highly reactive lithium metal and non-uniform and thick SEI is formed on the Li metal. Non-uniform SEI causes dendritic lithium formation/growth and prevents continuous electrolyte decomposition, resulting into low Coulombic efficiency and poor cycle life of Li metal anodes. In order to solve these critical issues, various strategies for stabilizing the lithium metal-electrolyte interface have been proposed. Our research team focuses on the development of concentrated electrolytes with ionic additives that can construct a stable and robust SEI on the lithium metal surface.

Ⅲ. Content and Scope of Current R&D Project
< Stabilization of lithium-electrolyte interface by using perfluorinated solvents >
○ Research on the development of electrolyte for 4V class lithium metal battery through application of perfluorinated ether solvent
○ Study on a partially high concentration system by introducing an excessive amount of low viscosity perfluorinated solvent

< Stabilization of lithium-electrolyte interface by a stable SEI formation >
○ Study on the formation of multi-layer interfaces through combination technology of multiple ionic additives with different reduction tendency

< Li-alloy based interface formation through lithiophilic metal ionic additives >
○ Interfacial stabilization of lithium metal anodes through introduction of lithium friendly Ag-containing ionic additives

< Analysis on SEI structure and mechanism of Li plating using Computation chemistry >
○ Analysis on mechanism of electrolyte decomposition with simulation

Ⅳ. R&D achievements
< Improvement of cycle life stability of Li/Li symmetric cell by concentrated electrolytes with ionic additives for the formation of multi-layer SEI >
- Driving conditions
current density : 5mA cm^-2 / capacity : 2.8mAh cm^-2 (utilization of lithium 35%, using 40㎛ thick lithium anode with 8mAh cm^-2 capacity)
- 362 cycles

< Realization of high-performance Li/NCM811 full cell by developed electrolyte system >
- Driving conditions
current density : 0.9C-rate / capacity : 2.65 mAh cm^-2 (using 40㎛ thick lithium anode with 8mAh cm^-2 capacity))/ Cut-off : 3V - 4.2V
- 361 cycles

Ⅴ. R&D results utilization plan
- Through the stabilization of the interface and reversibility of the lithium metal anode and the improvement of the bulk characteristics of the electrolyte for the development of high-performance metal batteries using the electrolytic solution developed by this research team, it is expected to visualize the possibility of applying full-cell lithium metal anodes that can achieve high energy density(400~500 Wh/kg) that commercially available lithium-ion battery electrodes cannot reach.
- The interfacial stabilization strategy of lithium metal developed through this project can be applied not only to electrolyte development, but also to surface treatment research for surface modification of lithium metal. And it is also applicable to metal anodes other than lithium (Potassium, Sodium, Zinc, Indium, or alloy electrodes of related metals).

(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 6
• CONTENTS ... 9
• 목차 ... 10
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 11
• 1. 연구개발의 필요성 ... 11
• 2. 기존 연구의 한계점 ... 13
• 3. 연구 개발의 추진 전략 및 방법 ... 14
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 22
• 1. 국내 기술개발 수준 및 시장 동향 ... 22
• 2. 해외 기술개발 수준 및 시장 동향 ... 23
• 3. 본 연구팀의 해당기간 연구결과의 입지 ... 24
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 25
• 1. 과불소화 용매의 적용을 통한 리튬 계면 제어 ... 25
• 2. 다중층 SEI 구조화를 통한 리튬 금속 계면 안정화 ... 35
• 3. Lithiophilic 금속 이온성 첨가제를 통한 다중층 SEI 구조화 ... 46
• 4. 시뮬레이션을 통한 리튬 거동 메커니즘의 이론적 연구 ... 58
• 5. 설포닐 아미드와 바이닐 카보네이트 기반 화합물 구조의 다양화 및 라이브러리 구축 ... 62
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 66
• 1. 연도별 연구 목표 달성도 ... 66
• 2. 관련 분야 기여도 ... 66
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 68
• 1. 추가 연구의 필요성 ... 68
• 2. 타 연구 분야에 대한 응용 가능성 ... 68
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 69
• 제 7 장 참고문헌 ... 70
• 끝페이지 ... 81