보고서 정보
주관연구기관 |
동국대학교 DongGuk University |
연구책임자 |
유계성
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2022-03 |
과제시작연도 |
2021 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO202200014710 |
과제고유번호 |
1711132910 |
사업명 |
개인기초연구(과기정통부)(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-11-09
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키워드 |
액체금속.웨어러블.이차전지.형상변형.갈륨.liquid metal.wearable.secondary battery.shape variable.Gallium.
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초록
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□ 연구개요
본 연구는 유동성, 무독성의 특성을 갖는 Ga/n 공융화합물 액체금속 전극소재를 활용하여 금속수지상(dendrite) 형상이 없고, 재생 가능한 액체금속전극기반 고신축성, 변형 가능한 신개념의 형상변형 전지를 개발하고, 전기화학적 작동 메커니즘을 규명하는 것이다. 본 연구에서 개발된 유연성, 고신축성의 형상변형 전지는 다양한 형태로 변형 가능한 전지이며, 상온뿐 만아니라, 저온에서도 고 안정성과 우수한 전기화학적 성능을 구현함으로서 웨어러블 전지시스템에 적용 가능성을 제시하는 것이다.
□ 연구 목표대비
□ 연구개요
본 연구는 유동성, 무독성의 특성을 갖는 Ga/n 공융화합물 액체금속 전극소재를 활용하여 금속수지상(dendrite) 형상이 없고, 재생 가능한 액체금속전극기반 고신축성, 변형 가능한 신개념의 형상변형 전지를 개발하고, 전기화학적 작동 메커니즘을 규명하는 것이다. 본 연구에서 개발된 유연성, 고신축성의 형상변형 전지는 다양한 형태로 변형 가능한 전지이며, 상온뿐 만아니라, 저온에서도 고 안정성과 우수한 전기화학적 성능을 구현함으로서 웨어러블 전지시스템에 적용 가능성을 제시하는 것이다.
□ 연구 목표대비 연구결과
• 본 연구는 3년간의 수행을 통해, GaIn 액상금속 전극기반 전지/이차전지 개발을 위한 음전극, 양전극, 전해질 소재 및 유연성, 신축성의 형상변형 전지구조의 제작 및 성능 평가를 통해 웨어러블, 다차원의 변형가능한 연료전지 및 이차전지를 성공적으로 개발하였으며, 주요 연구결과는 아래와 같음.
• 액체금속기반 액체금속-공기 전지 연구: (i) 양전극의 고효율 산화환원반응에 적합한 Pt/C 기반의 전기촉매 나노소재, Pt-Ni 화합물 촉매, 및 나노섬유형태의 촉매층을 개발하고, 성장 메커니즘과 전지 성능향상 원인을 규명함. (ii) GaIn 액체 금속층을 플렉서블 기판에 3D 프린팅 기법에 의한 증착법 및 액상금속 표면의 개질에 의한 안정성, 열전달 특성 향상 연구 결과 도출 (iii) GaIn의 비율의 최적화를 통한 상온에서 높은 전력밀도를 지니고, 25시간 방전성능의 KOH 수계 전해질의 GaIn-공기 전지를 개발함. 본 결과는 최초로 보고된 유연한 금속액상 연료전지로 구부림, 잡아당김에서 안정적인 방전 성능을 유지하는 연료전지 구조임.
• 액체금속기반 이차전지개발 연구: (i) 액체금속 연료전지와 유사한 구조로 GaIn 액체금속을 음전극으로 하는 이차전지를 제작하여, 96시간 이상 안정적으로 순환적으로 작동하는 충전식 액체금속-공기 이차전지를 개발하고, 충/방전에서 In은 부식, 수소 발생 방지 역할, Ga은 가역 산화환원반응 담당의 작동 메커니즘을 제시하였음. (ii) GaIn 액체금속-전도성 폴리머기반의 이차전지 개발: 저온 (-5C), 상온작동의 GaInSb 액체금속을 음전극으로, 전도성 폴리머를 양전극으로 활용하여 강산, 강알칼리 전해질에서 안정적으로 작동하며, 높은 용량, 높은 재현성, 에너지 밀도를 지닌 액상금속기반 이차전지를 개발하고 Ga은 음전극 활성물질, In은 음전극의 부식도 감소 역할 및 충방전 전지 작동 메커니즘을 규명함.
• 액체금속기반 형상변형 전지시스템개발 연구: (i) 유연성, 신축성의 액체금속 연료전지 개발: GaIn 기반의 액체금속-공기 이차전지는 전지를 180도 굽히거나, 2배로 늘렸을 때도 성능이 유지되는 유연성, 신축성이 우수한 액체금속 연료전지를 개발함. (ii) 다차원 변형가능한 액체 금속 이차전지 개발: 개발된 GaInSb-PANI 이차전지는 외부 변형력에 의해 자유로이 변형이 가능하여 굽히거나 100% 늘린 상태에서 99%의 성능을 유지하였으며, 1D 와이어, 2D 평면구조, 3D 공 구조 형태로 제작한 이차전지는 우수한 성능을 보였으며, 이는 세계 최초로 보고한 저온/상온 작동하는 형상 변형 가능한 액체금속-폴리머 수계 이차전지임.
□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
• 본 연구의 결과는 기존의 액체금속 전지분야의 고온 동작의 문제를 해결하고, 형상변형이 우수한 유연성, 신축성을 지닌 새로운 액체금속 전지의 개발 및 동작 원리에 대한 연구의 기초자료로 활용이 기대됨. 또한, 다양한 형태로 변형 가능한 웨어러블 응용 에너지소자 연구로 활용하여 우수한 특성과 성능 소자 개발에 활용이 기대됨.
• 본 연구에서 개발된 탄성이 있는 폴리머 기반 양전극, 액상금속 음전극을 활용하여, 적합한 고상 전해질을 접목하여 용도에 맞게 변형이 자유로운 액상금속/전도성 폴리머 이차전지 개발에 활용할 계획임.
• 본 연구결과는 차기 연구과제 도출의 기초자료로 활용할 것이며, 여러 형태로 제작하여 인간에 부착, 의복으로 착복 가능한 효율적인 에너지 수확 소자 (나노발전기) 개발에 활용하여, 액체금속 이차전지와 결합을 통한 자가 발전/충전이 가능한 웨어러블 에너지 변환-저장 시스템 개발에 활용할 계획임.
(출처 : 연구결과 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 연구결과 요약문 ... 2
- 목차 ... 3
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
- (1) 연구목표 ... 4
- (2) 연구 필요성 ... 4
- (3) 연구범위 ... 4
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
- (1) 액체금속의 음극 제작 및 조성 분석 ... 5
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 6
- 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 6
- 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
- 3) 목표 달성 수준 ... 11
- 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
- 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 12
- 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
- 6. 참고문헌 ... 13
- 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
- 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 18
- 끝페이지 ... 33
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