보고서 정보
주관연구기관 |
포항공과대학교 Pohang University of Science and Technology |
연구책임자 |
이정인
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2022-02 |
과제시작연도 |
2020 |
주관부처 |
교육부 Ministry of Education |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO202200014302 |
과제고유번호 |
1345343894 |
사업명 |
이공학학술연구기반구축(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-10-26
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키워드 |
소듐 기반 전지.에너지 저장.음극.금속.소듐.Sodium-based batteries.Energy storage.Anode.Metal.Sodium.
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초록
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□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
중·대형 에너지 저장 시스템을 위한 Na 전지 개발
1. 음극으로 금속 기반 물질을 이용한 Na 이온 전지 개발
2. Na 공기극 전지 개발
■ 전체 내용
1. 금속/금속 산화물계 음극을 이용한 Na 이온 전지: 금속/금속 산화물계 기반 고용량 음극 물질 합성하여 이를 이용함. Na 이온 전지 개발은 음극 물질뿐만 아니라, 전지를 구성하고 있는 양극, 전해액, 바인더, 분리막 등을 고려하여 전체 전지를 설계함, 사용되는 물질의 기본 특성 분석뿐만 아니라
□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
중·대형 에너지 저장 시스템을 위한 Na 전지 개발
1. 음극으로 금속 기반 물질을 이용한 Na 이온 전지 개발
2. Na 공기극 전지 개발
■ 전체 내용
1. 금속/금속 산화물계 음극을 이용한 Na 이온 전지: 금속/금속 산화물계 기반 고용량 음극 물질 합성하여 이를 이용함. Na 이온 전지 개발은 음극 물질뿐만 아니라, 전지를 구성하고 있는 양극, 전해액, 바인더, 분리막 등을 고려하여 전체 전지를 설계함, 사용되는 물질의 기본 특성 분석뿐만 아니라 다양한 전지 반응을 고차원 분석으로 규명함
2. Na 공기극 전지 개발: Na 금속 음극 및 전해액을 연구함, 사용되는 물질의 기본 특성 분석뿐만 아니라 다양한 전지 내 화학적 반응을 고차원 분석을 통해 규명함
■ 1단계
ₒ 목표
1. Na 이온 전지: 다양한 음극 물질 표면 개질 및 탄소계 물질과 복합화: 금속계 물질 표면 개질 후, Na 사이의 전기화학적 특성 평가(전지 성능 평가, 초기 용량 300mAh g-1 이상, 200회 이상 충·방전 시 용량 70% 이상 유지), 다양한 금속 산화물/3D구조 탄소 물질 복합화 실시-Na 사이의 전기화학적 특성 평가(SnO2, GeO2, SIO 등 이용, 3D Graphene, Activated carbon, CNT 등과 복합화 실시. 초기 용량 500mAh g-1 이상, 100회 이상 충·방전 시 용량 80% 이상 유지), 탄소계 물질 도입 시 발생하는 다양한 전기 화학적 반응/전해액 반응 확인, 금속/금속 산화물 복합화 추진(Ge/GeO2, Sn/SnO2 합성)
2. Na 공기극 전지 개발: 전해액 첨가제 도입, 전해액 최적화 실시(전해액에 다양한 전해액 도입), Na-Air 전지의 안정적인 전기화학적 특성 확보(과전압 감소(4V 이하), 수명 특성 증가(50회 이상 충·방전)), 용량 증가 (제한 용량 500mAh g-1 이상) 확인·기본 탄소 물질/전해액 (1M NaSO3CF3 in TEGDME)이용한 전기화학 평가 및 특성 연구(충·방전 50회 이상 용량 유지), Na 염 최적화 전해액 연구. 촉매로 사용되는 탄소 물질 구조에 따른 전기화학 특성 평가.
ₒ 내용
1. 금속/금속 산화물계 음극을 이용한 Na 이온 전지: 금속계 물질, 금속 산화물계 물질 음극 물질 합성: Sn/SnO2, GeO2/C, 하드, Sb-Al/C 복합물질, 다양한 음극 물질과 Na 사이의 전기화학적 특성 평가 시행(안정적인 사이클 특성과 용량 확보 (300mAhg-1 이상, 200회 이상 충·방전 사이클 특성 확인)), 전해액 조성 및 다양한 첨가제 도입 후 성능 확인, 합성한 음극 물질이 Na과 반응 시 가능한 화학적 반응 및 전해액과의 반응을 ex-situ XRD, ex-situ XPS, SEM, TEM을 이용해 확인/해석함.
2. Na 공기극 전지 개발: 전해액에 첨가제 (LiNO2) 도입. Na 금속 표면 SEI 층 형성해 안정적인 Na-Air 전지 개발함. 전해액의 NCQD 첨가제 개발. Na 금속 전지의 전기화학 특성 향상에 이바지함. 다양한 Na 금속 표면 코팅층 개발 Na 금속 표면 안정성 확보(Wurtz 반응법 표면 처리 기술 개발).
■ 2단계
ₒ 목표
1. 금속 기반 음극 물질을 이용한 Na 이온 전지 개발: 금속/금속 산화물(Metal oxide/Metal)계 음극 물질과 Na의 충·방전 반응 연구(500회 이상 충·방전, 초기 용량 대비 80% 이상 용량이 유지), Na 이온 전지를 ex/in-situ 전극, 전지 분석법을 전지 메커니즘 분석.
2. Na 공기극 전지 개발: Na 공기극 전지 충·방전 반응 메커니즘 연구, 촉매/전해액/Na 사이의 메커니즘 규명, 다양한 전해액 도입, redox mediator를 포함한 첨가제 도입, 특성 규명(용량 제한(500mAh g-1) 시 200회 이상 용량 유지), Na 금속의 공기 중 안전성 향상을 위한 방법 연구
ₒ 내용
1. 금속 기반 음극 물질 이용한 Na 이온 전지 개발: 고차원 전기화학적 특성 평가(1단계 연구 결과 기반, 안정적인 수명의 Na 이온 전지 시스템 개발), Na 양극 기반-금속계 음극 복합체 기반 풀 셀 사이클 특성 평가, 용량/효율 확인, 수명 특성, 율별 특성, 고밀도 전극의 전지 내 안전성 평가 시행.
2. 최적화된 물질 이용 Na 공기극 전지 개발: ORR 향상 탄소계/OER 향상된 비 탄소계 촉매 복합체 합성, 분석 및 성능 확인, Na-metal 표면 처리(h-BN, MoS2, Graphene), 유기/무기 복합물질 (고분자/이온 전도성 물질 복합물) 이용
3. ex/in-situ 분석법 정립: 전지 내 유기물(전해액, 바인더, 전극과 전해액 사이의 반응 등)을 분석하기 위한 시스템 구축: ex/in-situ Raman, FT-IR, NMR 분석법을 전지 연구에 도입, 전지 구동 중 전해액의 변화 거동 관찰, 전극 표면에 만들어지는 SEI 분석 및 생성 메커니즘 연구(전극 물질의 변화(결정성, 모형, 형태 변화 관찰).
□ 연구개발성과
Na 기반 전지의 기술 및 연구성과 확보
(1) Na 이온 전지 음극 물질 개발: MoS2, Sb-Al/C, Ge, 하드 카본 제조
(2) Na 공기극 개발: 전해액/첨가제(NaNO2) 개발, Na 금속 표면 제어 기술 개발
(3) 전지/전극의 ex/in-situ 분석법 정립
SCI 논문 3편 발표/다수의 학회 발표
해외 연구기관 (University of Cambridge, 재료과) 과 공동 연구 진행
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
1. 연구 결과의 기대 효과
(1) 대한민국의 새로운 전지(Na 전지)에 대한 원천기술 확보: 대한민국의 Li 이온, Li공기극 전지 기술은 세계적인 수준으로 모든 분야에서 연구를 주도하는 중이나, Na 전지 연구는 후발주자로 원천기술 확보가 미흡함. 따라서 이 과제를 통해 Na 전지 연구를 공격적으로 진행하면서, 다양한 원천기술을 확보할 수 있을 것. 그뿐만 아니라 대한민국 차세대 에너지 저장 기술 연구의 혁신적인 발전을 도모할 수 있음. 또한 다양한 차세대 에너지 저장 기술로 확대하며, 대한민국 연구의 다양성을 향상할 수 있음.
(2) 실질적인 대형 ESS 도입에 활용할 수 있는 기술 확보: 석탄, 석유, 천연가스 등 지구에 제한적으로 매장되어 있는 에너지 공급원에서 발생하는 나머지 에너지(사용하고 남은 저장해야 하는 에너지) 저장뿐만 아니라, 천연 에너지 공급원에서 발생하는에너지를 안정한 전력 공급원으로 사용하기 위해 대형 ESS 기술의 중요성이 대두됨. 따라서 대형 ESS 개발이 활발히 진행되어야 하고, 비경제적인 Li 전지를 대체하기 위해 저렴하고, 안정적이며, 성능이 뛰어난 Na 전지 기술을 대형 ESS의 핵심 기술로 활용할 수 있음. 현재 Na 전지를 실생활에 직접 적용할 수 없으나, 머지않은 미래에 에너지 공급 시설로 사용될 대형 ESS 개발에 매우 중심적인 기술을 확보할 기회임.
2. 연구 결과의 활용방안
(1) Na 전지 원천기술을 이용한, 다양한 에너지 연구/사용 분야 확장: Na뿐만 아니라, Al 전지, K 전지도 미래형 전지로 Li 전지를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있음. Na전지 개발하기 위한 연구 경험을 바탕으로, 미래형 전지 시스템 개발을 도모할 수 있음. 성능이 우수하고, 가격경쟁력이 매우 우수하며, 유지/보수가 쉬운 Na 전지 기술을 대형 ESS 시스템에 도입하여, 발전 설비, 대형 건물, 공장, 가정집, 농어촌 등에 공급하여 안정적인 전력 공급원으로 활용될 수 있음.
(출처 : 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 요 약 문 ... 2
- 목차 ... 4
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
- 가. 연구의 목표 및 목적 ... 5
- 나. 연구 내용, 범위 및 방법 ... 6
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
- (1) 1단계 1차 연도 (2017.06~2018.02) ... 7
- (2) 1단계 2 차년도 (2018.03~2019.02) ... 8
- (3) 1단계 3 차년도 (2019.03~2020.02) ... 10
- (4) 2단계 1 차년도 (2020.03~2021.02) ... 13
- (5) 2단계 2 차년도 (2021.03~2022.02): University of Cambridge, 영국 파견 연구 ... 16
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 17
- 1) 정성적 연구개발성과(연구개발 결과) ... 17
- 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
- 3) 목표 달성 수준 ... 18
- 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 18
- 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발 결과의 중요성) ... 19
- (1) 연구개발의 학술/기술적 측면 ... 19
- (2) 연구개발의 경제/사회적 측면 ... 19
- 5. 연구개발성과의 관리나 활용 계획 ... 19
- 6. 참고문헌 ... 20
- [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 21
- [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 27
- 끝페이지 ... 36
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