초록 ▼

연구개요
본 연구는 기존 연구에서 얻어진 수명 열화 메커니즘에 대한 이해를 기반으로 지난 3년간 전극 활물질 구조 최적화를 진행하고 고분자 바인더 디자인을 도출하였다. 해당 내용은 과제 최초 시작부터 진행하였던 실리콘 음극뿐만 아니라, 고용량 전극 소재를 도입하여 고에너지 밀도 완전셀을 구현하고자 하는 큰 그림 아래, 리튬-황 전지의 황 양극 및 최근 각광을 받고 있는 리튬 금속 음극으로 연구의 범위를 확대하였다. 리튬 금속 음극으로의 확대 연구는 전 단계에서 진행하였던 리튬-황 전지의 황 양극 기술을 바탕으로 전지 수준에서의

연구개요
본 연구는 기존 연구에서 얻어진 수명 열화 메커니즘에 대한 이해를 기반으로 지난 3년간 전극 활물질 구조 최적화를 진행하고 고분자 바인더 디자인을 도출하였다. 해당 내용은 과제 최초 시작부터 진행하였던 실리콘 음극뿐만 아니라, 고용량 전극 소재를 도입하여 고에너지 밀도 완전셀을 구현하고자 하는 큰 그림 아래, 리튬-황 전지의 황 양극 및 최근 각광을 받고 있는 리튬 금속 음극으로 연구의 범위를 확대하였다. 리튬 금속 음극으로의 확대 연구는 전 단계에서 진행하였던 리튬-황 전지의 황 양극 기술을 바탕으로 전지 수준에서의 완성도를 높이고자 하는 전체적인 연구 방향을 반영한다. 기초 연구를 바탕으로 세부적인 전기화학/재료과학적인 연구 내용들은 실제 전지 기술로 적용될 수 있도록 기초적인 면과 응용적인면을 동시에 고려하였고, 이를 통해 도출된 고용량 전극 기술은 전기 자동차, 차세대 모바일 IT 기기, 전력 저장 등의 미래 이차전지 기술에 핵심적 역할을 할 것으로 기대 된다.

연구 목표대비 연구결과
-실리콘기반 바인더소재 연구
소수성 상호작용을 하는 흑연과 수소결합 기반의 분자도르래 사이에 파이렌 유도체를 도입하여 바인더를 합성하였다. 파이렌과 흑연은 파이-파이 (Π-Π) 상호작용을 통해 결착되며 파이렌 유도체의 하이드록실기 (-OH)와 분자도르래 간 수소결합이 초분자화학의 개념으로 도입되어 전극 안정화에 기여하였다. 또한, 인체 장기 내벽에 붙어 있는 뮤신 단백질에 착안하여 수계 양친매성 접착 바인더 설계하였다. 양친매적 접착을 모방하기 위해 DNA를 뼈대부분으로 사용하였고 Alginate를 가지부분으로 사용하였다. DNA의 소수성 접착을 강화하기 위해 가열을 통해 renatured DNA (reDNA)를 사용했으며, Alginate 첨가를 통하여 reDNA/ALG 복합 바인더를 적용하였다. 상기 특성의 고분자 바인더를 실리콘 음극에 도입해 친수성인 실리콘, 소수성인 도전재 등과의 상호작용이 향상되었으며, 그 결과 전극의 결착 특성이 개선되었다.
-리튬금속 음극소재 연구
이종금속(마그네슘) 도핑을 통한 계면에너지 제어 방법을 사용하여 용량 유지와 출력 특성에 대한 연구 목표를 달성하였다. 또한, CNT를 이용한 3차원 네트워크 집전체를 제조함에 있어, 폴리로텍세인 (Polyrotaxane) 포함 바인더 사용을 통한 탄성을 부여 전략을 통해 쿨롱 효율을 250회 충방전에서도 평균 98.1%를 유지하며 목표를 달성하였다.
-리튬-황 전지 소재 연구
친핵성 방향족 치환 반응 (SNAr)을 통해 고분자 구조 내에 황을 공유결합시켜 폴리설파이드 용출을 최소화하는 고분자-황 복합체를 개발하였다. 이와 동시에 고분자-황 복합체의 기공 크기를 효과적으로 제어함으로써 황의 분산을 최대화하여 활물질의 전기전도성을 크게 향상시켰다. 또한, 폴리설파이드 용출 제어가 우수한 이차원의 고분자에 전자 및 이온전도성이 우수한 charged polypyrrole(cPpy)를 삼차원 구조로 상호 연결시켜 충방전 안정성 및 전도성을 동시에 향상시킨 고분자-황 복합체를 개발하였다.
폴리설파이드 용출 방지 및 활물질 내 황 함량을 80%이상을 달성하였다. 결과적으로 전극 내 황 로딩 4.0 mg/cm²에서 성공적인 구동을 확인하였다.
리튬-황전지의 전반적인 에너지 밀도 향상을 위해 기존 전해액 대비 1.5배 가량의 도너 넘버를 갖는 전해액을 탐색하였다. 이를 통해 전해액의 양을 절반 이하로 줄임과 동시에 용량을 구현하여 획기적으로 에너지 밀도를 향상시켰으며, 전반적인 리튬-황 전지 연구 시스템의 발전에 기여하였다.

연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
배터리 연구는 기초연구와 상용화가 밀접하게 연계되어 있는 특이성이 있다. 그러나 국내 배터리 연구는 시간이 오래 걸리는 소재의 개발 대신 생산/공정 기술 향상을 중심으로 국내외 경쟁력을 키워서 단기적으로는 시장에서 우위에 있으나, 향후 일본의 소재 기술력과 중국의 가격 경쟁력에 크게 위축될 가능성이 있다. 따라서 본 연구 수행을 통한 활물질, 바인더, 분리막의 새로운 개념 도출은 전 세계적으로 치열한 원천 기술 경쟁에서의 우위 확보에 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한 최근에 세계적으로 이슈가 되고 있는 메이저 모바일 기기 업체들의 배터리 파동과 폭발적으로 확대가 예상되는 전기차 시장을 통해 배터리의 경제, 산업적 중요도는 사회적으로 공감대가 형성되고 있다. 이와 같은 배터리 시장에서의 경쟁력의 핵심은 에너지 밀도를 증가하되 안정적으로 장수명을 구현하는 것이다. 이와 같은 맥락에서, 본 제안서에서 제안하는 고용량·장수명 이차전지 기술은 경제, 산업적인 파급효과가 명확하고, 성공 시에 시장 점유 및 이윤 창출과 직결될 것으로 예상된다. 마지막으로, 본 연구를 통해 얻게 되는 배터리 원천 기술은 정부가 지정한 미래 유망 기술의 핵심인 미래 운송 수단 및 환경 보호 분야의 중심 역할을 할 에너지 저장 기술의 핵심 요소 기술로서 정책적인 측면에서도 앞으로 나아가야 할 정책 방향에 부합한다고 할 수 있다.

(출처 : 요약문 2p)