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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국전기연구원 Korea Electrotechnology Research Institute |
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연구책임자 | 이상민 |
참여연구자 | 이성만 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2019-12 |
과제시작연도 | 2017 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 | TRKO202200003566 |
과제고유번호 | 1711061186 |
사업명 | 기후변화대응기술개발 |
DB 구축일자 | 2022-06-25 |
키워드 | 리튬 인터컬레이션.제1원리 모사.층상구조.나노다공성구조.단위조립입자.Li-intercalation.1st principle Simulation.Layered structure.Nano-porous structure.Unit particle assembly. |
연구의 목적 및 내용
• 현 HEV/PEV/EV 용 중대형 이차 전지 음극소재로서는 비정질 탄소재와 흑연계 등이 중심이 되어 적용되어 왔다. 하지만 전기 자동차 대중화의 가장 큰 걸림돌인 짧은 일충전 운행 거리를 향상시키기 위해서는 무엇보다도 기존 탄소재 용량의 한계를 극복할 수 있는 음극 신소재 개발이 절실히 요구됨.
• 본 연구에서는 이론적으로 용량 한계가 뚜렷한 기존 탄소(흑연)재 대신에 Li과 가역적으로 반응할 수 있는 금속계 원소를 중심으로 한 반응 및 열화 메커니즘을 규명함으로써 이를 극복하기 위한 새로운 신규
연구의 목적 및 내용
• 현 HEV/PEV/EV 용 중대형 이차 전지 음극소재로서는 비정질 탄소재와 흑연계 등이 중심이 되어 적용되어 왔다. 하지만 전기 자동차 대중화의 가장 큰 걸림돌인 짧은 일충전 운행 거리를 향상시키기 위해서는 무엇보다도 기존 탄소재 용량의 한계를 극복할 수 있는 음극 신소재 개발이 절실히 요구됨.
• 본 연구에서는 이론적으로 용량 한계가 뚜렷한 기존 탄소(흑연)재 대신에 Li과 가역적으로 반응할 수 있는 금속계 원소를 중심으로 한 반응 및 열화 메커니즘을 규명함으로써 이를 극복하기 위한 새로운 신규 고용량 음극 소재를 개발하고자 함.
• 기존 금속계 음극 소재의 고질적 문제점인 Li 과의 반응에 따른 격자부피팽창/높은 작동전위(potential)/높은 비가역용량을 예측할 수 있는 원자레벨에서의 열역학적 반응성 및 결정학적 구조를 모사(1st principle simulation)한 새로운 신소재 탐색 및 설계를 수행함으로써 이를 바탕으로 한 신규 고용량 음극 관련 기초 및 원천 기술 개발을 진행하여 향후 이차 전지용 소재로서의 상용화 가능성을 타진하고자 함.
• Nano & Porous structure 기술 개발을 통하여 layered structure를 갖는 단위 입자 assembly 구현함. 이는 유효 반응 표면적 제어와 동시에 전극 레벨에서의 공정성 및 전기화학적 반응에 따른 기계적 strain에 대한 구조적 안정성의 확보를 가능하게 함.
연구개발성과
• 본 연구에서는 intercalation 반응 기구를 갖는 새로운 음극 소재를 개발하기 위하여 전기음성도가 유사한 금속인화합물(metal phosphide) 후보 소재중에서 MoPx 2원계 화합물이 intercalation 반응기구를 갖는 것으로 규명함.
• MoPx 음극은 높은 가역용량(756mAh/g) 및 매우 우수한 고입력 (62%@7C) 및 고출력 (79%@20C) 특성을 갖는 것으로 확인되어 기존 고출력 음극 소재인 Li4Ti5O12 의 단점인 낮은 에너지밀도를 극복 가능
• MoPx 음극은 0V(vs Li/Li+) 충전 시까지도 conversion reaction 이 일어나지 않는 재료이므로 기존 실리콘 소재 표면위에 후막 인공 피막재료로서 적용함. 다공성 p-Si/SiOx@MoPx 신규 음극 소재는 1000mAh/g 이상의 초기 가역용량 및 우수한 전극 수명 특성(86.2%@300th cycle)이 확보됨.
• CVD Phosphidation 공정 적용을 통하여 고출력/고용량 기능성 소재인 MoPx가 표면에 코팅된 surface-clamped p-Si/SiOx@MoPx,/C 복합조립체의 합성 성공
• 인위적 SEI 막이 형성된 다공성 p-Si/SiOx@MoPx(TiO2) 실리콘 음극의 장수명 확보 가능성 확인 : 장수명(400th cycle) 진행 시 상당한 유의수준 확인
• FEC 분해에 기인한 full cell 고온 수명 퇴화를 억제하기 위한 LiFSI 적용 LESS FEC 조성 설계안 마련 : 45도 고온수명 기존 FEC 조성 대비 35%→87.5% @120th cycle 대폭 개선
• SCI 논문게재 24편, 국내특허출원 15건, 국내특허등록 5건, 국내외 학술발표 26회, 초청강연 5회, 학위배출 14명, 수상 3회 등
연구개발성과의 활용계획(기대효과)
○ 기술적 측면
• 신개념 음극 신소재 설계에 의한 만충전 시 격자 부피 팽창의 획기적 개선
• 격자 부피 팽창 개선에 의한 장수명의 신음극 전극 구현 가능
• 고용량 & 고출력 동시에 확보 가능한 차세대 중대형 이차 전지 개발 가능
○ 경제적·산업적 측면
• 중대형 리튬이차전지용 기존 음극 소재인 탄소 및 흑연 재료를 대체하여 고용량, 고출력, 그리고 고안전성을 실현함으로써 국내 소재 업체의 글로벌 기술 경쟁력 확보
• 중대형 리튬 이차전지의 음극소재로 사용함으로써 해당 전지의 응용분야 확대를 가져옴으로써 기존 전지 관련 산업의 대중화
(출처 : 요약문 3p)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
기대효과(Effect) : | - |
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