초록 ▼

□ 연구개요
전고상 박형 리튬 이차 전지 양극재의 3차원 구조 구현을 위해, 3D 프린팅, 박막 증착법(스퍼터링, 펄스 레이저 증착법(pulsed-layer deposition, PLD), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD), 전기도금, 정전스프레이법(electrospray) 등 다양한 소재 공정법이 개발되고 응용되고 있음에도, 3차원 양극재의 물성 (기공, 비표면적)과 고체 전해질의 접촉 계면 설계에 대한 체계적인 이해가 부족함. 이와 더불어, 단순화된 나노소재 공정법을 설계하고 손쉽게 공정

□ 연구개요
전고상 박형 리튬 이차 전지 양극재의 3차원 구조 구현을 위해, 3D 프린팅, 박막 증착법(스퍼터링, 펄스 레이저 증착법(pulsed-layer deposition, PLD), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD), 전기도금, 정전스프레이법(electrospray) 등 다양한 소재 공정법이 개발되고 응용되고 있음에도, 3차원 양극재의 물성 (기공, 비표면적)과 고체 전해질의 접촉 계면 설계에 대한 체계적인 이해가 부족함. 이와 더불어, 단순화된 나노소재 공정법을 설계하고 손쉽게 공정 변수들을 제어함으로써, 박형 전지의 양극재 제조 시간을 단축하고 정량적으로 물성을 제어하여, 본 공정법의 새로운 가능성을 열어야 함. 이를 위한 본 연구를 통해, 신개념의 나노소재 기반 양극재 기술개발을 수행하였으며, 고에너지밀도를 갖는 박형 리튬-이온 전지를 개발함.

□ 연구 목표대비 연구결과
‘나노섬유 구조를 갖는 세라믹 양극재 설계 및 리튬|박형 세라믹 고체 전해질 계면 최적화를 통한 박형 이차 전지 성능 극대화’
- 1차년도에 제조된 LNMO 나노섬유를 활용하여 2차년도에 전기화학적 성능 평가를 실시하였음.
- 전기화학적 성능 평가는 액체 전해질 및 고체 전해질(LiPON)을 활용하여 실시하며, 특히 기본 LiPON 고체 전해질을 스퍼터링을 활용하여 제조하고 전고상 박형 전지를 제조하여 특성 평가를 실시하였음.
- 부직포형 LNMO 나노섬유의 전기화학적 데이터 베이스를 구축하고, 이를 토대로 3차원 정렬형 나노섬유 구조로 구현하기 위하여, 핵심 기술인‘정렬형 전기방사 공정법’의 공정 변수들을 제어하여 연구를 수행하였음.
- 방사젯과 절연 블록 사이의 거리를 조절하여 정렬형 나노섬유가 기판 위에 집적되는 시간을 조절하고, 쌓이는 3차원 정렬형 나노섬유의 두께를 콘트롤하여 연구를 수행함.
- 나노섬유가 집적되는 기판의 각도를 선택적으로 조절함으로써, 정렬형 나노섬유 구조(평형, 직조형, 마름모형 등)를 변형시킬 수 있음.
- 절연 블록간 거리를 조절함으로써, 집적되는 정렬형 나노섬유 간 거리 제어가 가능함. 변수 조절은 복합적으로 스피넬 LNMO 나노섬유의 기공도, 비표면적, 밀도, 집적 두께에 영향을 줄 것으로 예상되며, 이는 박형 리튬 이차 전지의 성능과 연관될 수 있음.
- 목표는 [정렬형 3차원 LNMO 나노섬유 양극재-고체 전해질-보호막-리튬 음극]으로 구성된 전고상 박형 리튬 이차 전지 셀의 무게당/면적당/부피당 용량, 전압, 율속 및 수명 특성을 평가하고 셀 성능 변화를 관찰하고 고찰하여 획기적으로 개선하고자 함. 목표 대비, 정렬형 섬유의 제조 기술은 개발이 되었으나, 수율 한계로 인하여 이를 적극 활용한 박형 양극재 개발에 어려움이 있었음.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구과제를 통하여, 중대형 이차 전지 내의 박막 대비 상대적 bulk 소재에서 발견하지 못했던 새로운 과학적 현상을 발굴하고, 신규성 있는 공정 기술로서 신소재 개발에 기여할 것으로 기대됨 (과학기술적 측면). 고에너지 전고상 박형 리튬 이차 전지의 개발로, 박형 전지는 웨어러블 기기, 스킨 패치, 의료 및 화장품, IoT, 휴대용 전자제품, RFID(Radio-frequency identification), 스마트 패키징 등의 응용 분야에 널리 사용될 수 있음 (경제/산업적 측면). 박막 이차 전지의 신시장 형성을 이끌어 국가의 위상을 제고하고, 국민의 삶의 질을 개선할 수 있음 (사회적 측면). 추후, 정렬형 전기방사의 수율 개선 연구로 연구 확장이 가능하며, 정렬형 전기방사법 기술 개선에 본 연구 결과가 우수한 선행 연구로서 활용이 가능함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1-1. 연구의 필요성 ... 4
• 1-2. 연구의 목표 및 연구 범위 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 9
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 9
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 10
• 3) 목표 달성 수준 ... 10
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 10
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 11
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 자체점검표 ... 13
• 7. 참고문헌 ... 13
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 15
• 끝페이지 ... 30