초록 ▼

연구개요
리튬 이온 배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도, 안정적 수명, 편의성 등을 강점으로 소형전자기기에서부터 하이브리드 자동차, 전기자동차 등의 이동 수단의 영역으로까지 널리 활용되고 있다. 하지만, 리튬의 낮은 매장량과 높은 가격은 LIB을 대용량 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 적용하는 데 있어서 걸림돌이 되고 있다. 그러므로 리튬에 비하여 매장량과 경제성이 높은 소듐(Na)을 활용한 소듐 이온 배터리에 대한 관심도가 높아지고 있다. 하지만, 기존의 양극활 물질들은 주로 삽입방식으로만 소듐이온을 저장하여 180 mA

연구개요
리튬 이온 배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도, 안정적 수명, 편의성 등을 강점으로 소형전자기기에서부터 하이브리드 자동차, 전기자동차 등의 이동 수단의 영역으로까지 널리 활용되고 있다. 하지만, 리튬의 낮은 매장량과 높은 가격은 LIB을 대용량 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 적용하는 데 있어서 걸림돌이 되고 있다. 그러므로 리튬에 비하여 매장량과 경제성이 높은 소듐(Na)을 활용한 소듐 이온 배터리에 대한 관심도가 높아지고 있다. 하지만, 기존의 양극활 물질들은 주로 삽입방식으로만 소듐이온을 저장하여 180 mA h g^-1 이상의 가용 용량을 확보하는 데에 한계점을 가진다. 그러므로, 본 연구과제에서 변환 반응을 통하여 높은 이론용량을 가지는 FeOF를 기반으로한 소듐 이온 배터리용(SIB) 고성능 양극 소재를 다음과 같이 단계별 연구를 통하여 개발하고자 하였다. (1) Fe 전구체와 탄소 매트릭스의 간의 분자수준에서의 혼성화를 통해 전기전도도와 활성물질의 함량이 개선된 FeOF/흑연화 탄소(GC) 복합체의 합성, (2) FeOF의 결정구조에 이종 금속(Mⁿ⁺)을 치환하여 소듐 이온의 확산 경로 다차원화를 통한 이온 전도도 향상 연구, (3) 고체 NMR을 활용하여 충·방전 사이클 과정 중 비정질 구조로 변화되는 FeOF의 지역적 구조와 소듐 이온 저장 메커니즘의 연계를 주요 목표로 연구를 수행하였다.

연구 목표대비 연구결과
본 연구과제에서는 다음과 같은 연차별 계획에 따라 연구 개발을 수행하였다.
1차년도에는 주로 FeOF/GC 나노 복합체의 합성을 통하여 전기화학적 물성이 우수한 FeOF 기반 SIB용 양극활 물질을 개발하고자 하였다. 본 연구에서 다양한 작용기를 가지는 유기고분자를 합성하여 Fe₃+ 이온을 흡착시킨 후 탄화 반응을 이용하여 in-situ로 Fe(0)와 Fe₃C carbide를 합성하여 탄소의 흑연화를 위한 촉매임과 동시에 FeOF의 전구체로 사용하고자 하였다. 이를 통하여 흑연화 탄소 매트릭스(GC)와 분자 단위에서 균일하게 혼성화된 전도도가 우수한 FeOF/GC 나노 복합체 전극 소재를 합성하였다.
2차년도에는 이종 금속(Mⁿ⁺)이 치환된 M_xFe_1-xOF/GC의 합성을 통한 소듐 이온의 확산 속도 향상을 시도하였다. 이를 통하여 rutile 구조의 FeOF가 결정구조에 의한 일차원적인 이온 확산 채널을 다차원화 하여 전극 내 이온 확산 속도를 향상시키고자 하였다. 합성된 M_xFe_1-xOF/GC 시료들의 소듐 이온의 확산 속도 연구는 다양한 CV, 임피던스, 고체 NMR 실험 등을 통하여 진행하였다.
3차년도에는 FeOF의 화학적 구조와 전기화학적 성능 간의 연계 메커니즘 연구를 진행하였다. 1, 2차년도의 연구를 통하여 개발된 FeOF 전극의 거시적, 지역적 구조를 XRD와 고체 NMR을 기반으로 한 분석실험들을 통하여 개선된 전기화학적 성능과 화학적 미세 구조 간의 연계 메커니즘을 규명하고자 하였다. 또한 충·방전 구간 별 샘플의 화학적 분석을 시도하여 소듐 이온이 FeOF와 redox 반응을 통하여 저장될 때 일어나는 화학적 구조 변화를 관찰하는 연구를 수행하였다.

연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
본 연구에서 얻어진 삽입·변환 방식의 소듐 이온 배터리용 FeOF 양극활 물질의 고성능화에 관한 실험 결과들은 다양한 Fe 기반의 전극 소재들의 개발연구에 활용 할 계획이다. 특히, 본 연구과제에서 시도한 in-situ 방식으로 합성한 Fe(0)와 Fe₃C carbide를 활용하는 방법론은 흑연 구조화 된 탄소(GC)와 복합화된 FeS, FeF₃, Fe₂O₃ 등의 다양한 Fe 기반 전극 소재들을 개발하는 데 적극 응용 될 수 있을 것으로 판단된다. 합성 과정 중 형성되는 Fe(0) 혹은 Fe₃C/GC 복합체는 간단한 에칭(etching) 과정을 통하여 전기전도도가 우수한 흑연 구조화된 탄소 소재의 효율적인 합성법으로도 활용될 수 있다. 또한, 소듐이온 외의 K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ 등의 금속 이온을 매개체로 한 차세대 전지의 양극활 물질로 FeOF의 활용 가능성을 연구해볼 수 있는 기회를 제공해 줄 것으로 기대된다. 이와 더불어 본 연구과제에서 얻어진 FeOF와 같은 무기화합물의 전기전도도와 이온 확산에 관련된 물성을 개선하는 실험 결과들은 경제성이 높은 Fe 기반의 완전지(full cell), 화학 반응 촉매, 이온 흡착제 개발 등의 다양한 연구 분야에 활용될 수 있는 가능성이 높을 기대된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 참고문헌 ... 17
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 19
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 23
• 끝페이지 ... 37