초록 ▼

• 상부 도금 현상 억제 가능한 3차원 기공 구배 디자인 설계
- 기공 구배형 구조체가 리튬 저장시 높은 내부 공간 활용도를 가짐을 증명
- 우수한 리튬 전착/탈리 특성과 저장 성능 확보
- 싸이올 코팅막 기술을 통한 수지상 억제 및 장수명 실현
• 금속-폴리머 3D 구조체 및 리튬금속 보호막 기술 개발
- 3D 폴리머 나노 섬유 구조체 기반 리튬 금속 수용 구조체 개발
- 금속 산화물 및 탄소전도체 기반 고이온전도성 보호막 기술 개발
- 리튬 친화성 금속 도포 기술 통한

• 상부 도금 현상 억제 가능한 3차원 기공 구배 디자인 설계
- 기공 구배형 구조체가 리튬 저장시 높은 내부 공간 활용도를 가짐을 증명
- 우수한 리튬 전착/탈리 특성과 저장 성능 확보
- 싸이올 코팅막 기술을 통한 수지상 억제 및 장수명 실현
• 금속-폴리머 3D 구조체 및 리튬금속 보호막 기술 개발
- 3D 폴리머 나노 섬유 구조체 기반 리튬 금속 수용 구조체 개발
- 금속 산화물 및 탄소전도체 기반 고이온전도성 보호막 기술 개발
- 리튬 친화성 금속 도포 기술 통한 유연한 리튬 안정화 구조체 개발
- 10cm x 10cm 이상 대면적 구조체 제조 공정 기술 개발
- 리튬 친화성 물질이 포함된 다공성 탄소 튜브 제작
- 3D 프린팅 기반의 구조체 골격의 폭과 간격을 제어한 구조체 제작
• 구조체의 전도성이 제어된 전도도 제어 3차원 리튬 구조체 개발
- 유리섬유와 산화 그래핀 기반의 전도도가 제어된 3차원 구조체 개발 및 리튬전탈착 메커니즘 이해
• 슬러리 기반 3차원 탄소 구조체 설계/제작 기술 개발
- 구조체 내부로의 리튬의 가역적 반응 증명
- 설계 parameter 제어를 통한 대면적 3D 구조체 제조 공정 기술 확보
- 용량밀도 1,000 mAh/cc, 대칭셀 >400 cycle, DSC 181.7J/g 달성

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

Ⅱ. Purpose
Development of spatially structured Li metal anode with reversible Li plating /stripping reaction to get higher energy density/high rate power/long cycle life, simultaneously
• Li utilization efficiency ≥60%
• Li symmetric cell durability ≥80% @300th cycle
• Electrode expansio

Ⅱ. Purpose
Development of spatially structured Li metal anode with reversible Li plating /stripping reaction to get higher energy density/high rate power/long cycle life, simultaneously
• Li utilization efficiency ≥60%
• Li symmetric cell durability ≥80% @300th cycle
• Electrode expansion ratio ≤50% @ fully charged state
• Energy density (Li anode) ≥ 1000 mAh/cc
• Exothermic heat ≤ 700 J/g (@ fully charged state)
• Energy density (Li-Battery) ≥ 430 Wh/Kg, ≥1000 Wh/L
• Cycle life (Li-Battery) ≥ 80% @300th cycle

Ⅲ. Contents
• Currently, amorphous carbon and graphite have been mostly used as anode material in Li-ion battery for HEV/PHEV/EV. However, to improve short driving distance per charge, which may one of most serious hurdles against its popularization, first of all, the development of new anode is seriously needed to breakthrough the limited performance of existed one
• In this work, we plan to develop new Li metal electrode by getting to core-technologies for Li reversibility, while elucidating the reaction mechanism of Li metal based anode, which will be a crucial evidence for new development
• Electrolyte / interfacial modeling that can predict the lithium dendrite formation and electrolyte side reactions which are the existing problems of lithium metal anode, and the structure design based on the first principle simulation of the lithium plating/stripping according to the physical / electrochemical parameters of the lithium structure. The development of new spatially structured lithium metal anodes and related original technologies based on the results of this study will be carried out to examine the possibility of practical application as a material for secondary batteries in the future.
• We plan to develop Li structure with a potentially gradient driving force and a multi-functional protective film to achieve a lithium metal structure anode capable of reversible lithium plating /stripping.
- Investigation on a correlation between electrode stability and performance
- Design of stability enhancement base on strengthening adhesion

Ⅳ. Development results
• 18 SCI papers
• 9 patents

Ⅴ. Expected Contribution
• Technical aspect.
- Suppression of Li dendrite formation by a new concept of lithium metal structure cathode design
- High energy density / long life lithium metal electrode can be realized by reversible lithium electrodeposition / stripping reaction
- Development of next-generation medium and large-sized secondary battery capable of securing high capacity and high power simultaneously
- A technological bridgehead to overcome the development difficulty of next-generation lithium secondary battery
• Economical & industrial aspects
- Securing global technology competitiveness of next-generation lithium secondary
- battery by developing new lithium metal anode core-technology that can replace graphite material, which is a conventional anode material for medium and large lithium secondary batteries
- Activation of electric vehicle and electric power storage market through practical use of next-generation lithium based secondary battery

(출처 : SUMMARY 8p)

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 요약서 ... 3요 약 문 ... 5SUMMARY ... 8CONTENTS ... 10목차 ... 12제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 14 제 1 절 연구 개발의 개요 ... 14 제 2 절 연구개발의 중요성 ... 15제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 19 제 1 절 국내 기술 수준 및 시장 현황 ... 19 1. 기술현황 ... 19 2. 시장현황 ... 19 3. 경쟁기관 현황 ... 20 4. 지식재산권 현황 ... 21 5. 표준화 현황 ... 22 제 2 절 국외 기술 수준 및 시장 현황 ... 23 1. 기술현황 ... 23 2. 시장현황 ... 27 3. 경쟁기관 현황 ... 27 4. 지식재산권 현황 ... 29 5. 표준화 현황 ... 29제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 31 제 1 절 : 고에너지밀도 / 고출력 저반응성 리튬 구조체 요소기술개발 ... 31 1. 전도성 3차원 구조체 제작을 위한 3D 프린팅과 전해도금 방식을 융합한 제작 공정 개발 ... 31 2. 리튬 전착전위 구배 3차원 구조체 ... 32 3. 리튬친화성 물질이 포함된 1차원 나노튜브 기반 고성능 3차원 리튬 저장체 개발 ... 34 4. 전도성 3차원 구조체 제작을 위한 3D 프린팅용 잉크제작과 전해도금 방식을 융합한 구조체 제작 공정 개발 ... 37 5. 리튬 친화성 물질이 포함된 다공성 나노튜브 기반 고출력 리튬 저장체 ... 39 6. 리튬 상부전착 방지를 위한 전기전도도가 제어된 3차원 구조체 개발 ... 47 7. 리튬 수지상 억제용 정전기적 반발력을 가진 편극 분리막 제작 ... 52 8. 질소가 도핑된 3차원 리튬 저장체 ... 56 9. 전착코팅에 의한 보호막 형성기술 개발 ... 60 10. 3차원 구조체 설계 및 제작 ... 67 제 2 절(위탁1):삼차원 구조체를 이용한 리튬 금속 안정화 기술 개발 ... 85 1. 이론적 접근방법 ... 85 2. 연구내용 및 결과 ... 86 제 3 절(위탁1):화학적 코팅을 이용한 삼차원 구조체 표면 보호막 형성 ... 95 1. 이론적 접근방법 ... 95 2. 연구내용 및 결과 ... 95 제 4 절(위탁2):금속-폴리머 리튬 비활성 3D 구조체 기반 리튬금속 제조기술 개발 및 메커니즘 연구 ... 99 1. 리튬이온 전도성 보호층 디자인을 통한 리튬 덴드라이트 억제 이온 전도성 금속 산화물의 보호막 ... 99 제 5 절. 고분자 보호층을 통한 리튬 덴드라이트 성장 억제 ... 101 1. 강유전성 고분자 구조체 ... 101 2. 블록 공중합체 고분자 기반의 리튬 금속 보호막 ... 104 제 6 절 탄소 소재를 활용한 리튬 금속 성장 제어 ... 107 1. 카본 나노닷 첨가제 ... 107 2. 리튬친화성 고분자/탄소 복합 3차원 구조체 ... 112제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 114 제 1 절 연구 개발 목표 달성도 ... 114 1. 1차년도 연구개발 목표 및 달성 내용 ... 114 2. 2차년도 연구개발 목표 및 달성 내용 ... 114 3. 3차년도 연구개발 목표 및 달성 내용 ... 115 제 2절 연구성과 ... 117 1. 학술지 논문게재 성과 ... 117 2. 지식재산권 성과 ... 119제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 120 제 1 절. 추가연구 필요성 ... 120 제 2 절. 연구개발결과의 기대 효과 ... 120 1. 기술적 측면 ... 120 2. 경제적 산업적 측면 ... 120 3. 사회적 측면 ... 120제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 121 제 1절 제조 공정 ... 121 1. 전기방사 ... 121 2. 비용매 유도 상전이법 ... 122 제 2절 고분자-금속 구조체의 리튬 금속 음극 ... 123 1. 다공성 고분자 구조체 리튬 금속 음극 ... 123 2. 탄소-금속 구조체 리튬 금속 음극 ... 124 제 3절 In-situ 분석을 통한 리튬 금속 성장 거동 ... 124 1. In-situ TEM 분석 ... 124 2. In-situ OM 분석 ... 125 3. In-situ NDP 분석 ... 125제 7 장 참고문헌 ... 127끝페이지 ... 129