초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
• 최종 목표
ㅇ 전고체 전지 성능 저하 원인 규명을 위한 다차원 연계 분석법을 기반으로 한 고안전성, 고에너지밀도의 전고체 전지 기술 개발
- 액체 전해질 기반 리튬이차전지의 폭발/발화에 대한 근본적 해결책을 제시
- 고체 전해질의 낮은 이온전도에 의한 성능 저하 문제를 극복
- 다차원 연계 분석법 구축 및 분석기술 고도화로 분석 과학기반의 고안전성, 고에너지밀도 전고체 전지 기술 개발
• 전체 내용
ㅇ 대면적/고용량 파우치형 전고체 전지 제작
- 고용량 차세대

□ 연구개발 목표 및 내용
• 최종 목표
ㅇ 전고체 전지 성능 저하 원인 규명을 위한 다차원 연계 분석법을 기반으로 한 고안전성, 고에너지밀도의 전고체 전지 기술 개발
- 액체 전해질 기반 리튬이차전지의 폭발/발화에 대한 근본적 해결책을 제시
- 고체 전해질의 낮은 이온전도에 의한 성능 저하 문제를 극복
- 다차원 연계 분석법 구축 및 분석기술 고도화로 분석 과학기반의 고안전성, 고에너지밀도 전고체 전지 기술 개발
• 전체 내용
ㅇ 대면적/고용량 파우치형 전고체 전지 제작
- 고용량 차세대 전극 소재와 고이온전도의 고체 전해질이 적용된 고용량 단층 전고체 전지 제작 기술 확보
- 양면 코팅과 적층 기술에 의한 대면적/고용량, 고에너지밀도형 다층 전고체 전지 기술 확보
ㅇ 차세대 전고체 전지 소재의 에너지 저장 및 전달 메커니즘 규명을 위한 다양한 분석 기술 확보
- 충·방전 동안 소재 구조, 물리/화학적 변화 분석 및 계산 과학 적용을 통한 소재 내 리튬이온 거동 메커니즘 규명으로 전고체 전지 적용 소재 기술의 한계 돌파
- 비파괴 방식 3차원 이미징 분석 기술을 이용한 복합 전극 내부구조/분포 분석과 전지 내부 결함 분석으로 전고체 전지 조립을 위한 핵심 요소기술 확보
ㅇ 차세대 전지 종합 분석을 위한 다차원 연계 분석 시스템 구축
- 다차원 연계분석 시스템의 구축으로 전고체 전지의 개발 단계별 분석 데이터를 연계 해석하고 셀 성능 저하 원인을 종합적으로 규명하여 고성능 전고체 전지 개발에 적용

□ 연구개발성과
ㅇ 전고체 전지용 고용량 전극 소재 및 고이온전도 고체 복합전해질 소재 개발
- (음극 소재) 금 단일원자 촉매 함유 다공성 탄소 지지체 개발 및 전기화학적 리튬증착 연구: 고에너지밀도 전고체 전지를 위한 금 단일원자 촉매 함유 다공성 탄소 지지체 개발을 완료함. 다공성 탄소 격자내 고르게 분포하는 금 단일원자는 전기화학적 리튬 수용체로써 초기 리튬 핵 생성 에너지를 낮추고 반복되는 리튬의 증착/박리 과정에서 수지상 리튬의 성장 및 데드 리튬의 형성을 억제할 수 있는 것으로 사료됨.
- (음극 소재) 산화망간과 황화망간을 포함하는 카본 지지체의 전기화학적 특성 및 표면전하 분석: 질소와 황으로 이중 도핑되어 있는 MOF 기반의 다공성 고용량 음극 소재에 대해 CV나 EIS를 이용하여 전기화학적 특성 및 표면 전하 확인하였으며, 촉매 산화 반응 후 합성된 음극 소재의 표면 조성 변화를 보여주기 위해 XPS 스펙트럼을 비교함. 이 후 700 oC에서 탄화시킨 음극소재를 이용하여 배터리 성능을 확인함.
- (고체 복합 전해질 소재) Fast ion conductor를 포함하는 고이온전도 고체 고분자 복합 전해질 개발: Polymer계 ionic conductor인 PEGDME를 이용하여 고체 고분자 전해질 (SPE)을 제조함. LiTFSI는 PEGDME, Bisphenol A에 녹아 Li 이온의 매개체 역학을 위해 적용함. PEGDME, Bisphenol A는 각각 Plasticizer 및 Cross link 역할을 위해 적용함. 위 물질을 동시에 넣고 mixing 후 t-BPP (initiator 역할)을 소량 넣고 SPE 용액 제조함. 이를 이용하여 약 2h 뒤부터 SPE가 완전한 고체화가 되는 것을 확인함.
ㅇ in-situ XRD 분석법을 활용한 potassium ion 전지 분석 기술 개발
- 코인 및 파우치 타입 전지의 분석이 가능한 실시간 XRD 분석 시스템 구축: 기존의 코인 타입 전지용 실시간 XRD 분석 시스템을 기존의 환경을 최대한 활용하여 파우치 타입의 풀셀에 적용 가능하도록 최적화하여 이차전지 실시간 분석 기법의 활용을 다양화 함.
- 음극소재 하드 카본에서의 potassium ion 배터리 저장 특성 실시간 분석: 체계적으로 microstructered-controlled된 하드카본 물질들의 포타슘 저장거동을 확인 결과 기존의 잘 ordering되어있는 large domain size에 잘 저장되는 리튬과 상반되게 turbostratic한 작은 domian size를 갖는 하드카본이 더 낮은 charge-transfer 저항을 가져 높은 용량과 사이클 안정성을 갖는 것을 입증함.
ㅇ X-ray 를 이용한 비파괴/3차원 분석 기법을 활용한 리튬 이온 전지 정밀 분석법 개발
- 이차전지 전극 활물질 소재 및 이차전지 전극 내부 미세구조 변화 분석 기술 최적화: 국내 최고 수준의 40 nm 급 High Resolutin Nano-XRM 분석 기기의 최적화를 통해 전극 내부 소재 분포 및 전극 활물질의 3차원 이미징에 성공하여 비파괴 전고체 전지 소재 분석 기술을 확보함.
- 이차전지 내부 결함 실시간 분석법, 열화 원민 분석 및 안전성 평가 방법 확보: 국내 최고 수준의 Submicron 급 구조 분석이 가능한 Micro-XRM 분석 기기의 최적화를 완료하였고, 파우치 타입 전고체 전지 내부 결함 및 충·방전 과정의 반복에 의한 내부 구조 변화 관찰에 성공하여 전고체 전지의 내부 결함 형성 및 구조적 원인에 의한 열화 원인 규명을 분석하기 위한 기반 기술을 확보함.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
ㅇ 기존 이차전지 기술의 한계 극복 및 전고체 전지 기술 확보
- 전고체 전지의 성능 저하 원인을 규명하여 전고체 전지 기술 상용화의 난제들을 극복하고, 새로운 전극 소재와 고용량/대면적, 고에너지 밀도의 전고체 전지 개발에 대한 시행착오를 줄이고 상용화를 앞당기는 기회로 활용
ㅇ 분석 과학 기반 미래 에너지/환경 기술 혁신
- 기존 이차전지 기술의 한계를 극복하고 차세대 이차전지 분야 글로벌 선도국의 지위를 유지하기 위한 미래 에너지/환경 분야 국가현안 대응기술 개발 사업으로, 핵심 소재부품 기반의 미래 성장 동력의 창출 및 기술 주도권 확보가 가능
- KBSI의 다양한 분석 기술들을 활용한 다차원 연계 분석법은 전고체 전지 뿐만 아니라 에너지/환경 분야 현안에 대한 신속 대응이 가능하여 광범위한 기술적 파급효과를 기대

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 1) 전고체 전지용 고용량 전극 소재 및 고이온전도 고체 복합전해질 소재 개발 ... 7
• 2) 전고체 전지용 고용량 전극 소재 및 고이온전도 고체 복합전해질 소재 개발 ... 12
• 3) in-situ XRD 분석법을 활용한 다양한 형태의 전고체 전지 분석 기술 개발 ... 13
• 3) X-ray 현미경 Tomography 기법을 활용한 리튬 이온 전지 비파괴 방식 정밀 분석법 개발 ... 15
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 18
• 1) 연구수행 결과 ... 18
• 2) 목표 달성 수준 ... 23
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 24
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 24
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 24
• 7. 차년도 계획 ... 24
• 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 24
• 2) 연구개발과제의 내용 (3차년도) ... 24
• 끝페이지 ... 26