초록 ▼

□ 연구개요
고 에너지 밀도 이차전지 시스템 기술의 확보와 더불어 전지의 안전성, 경제성, 나아가 다른 대체 에너지원과의 기술적·성능적 호환성 확보가 주요 이슈인 추세에 따라, 본 연구과제는 ‘저차원 구조 기반 전극소재 연구’의 심화를 통한 고 에너지 밀도 확보와 더불어, 전기화학적, 열적 안전성을 가지는 고 밀도·고 이온전도도 고체전해질의 개발과 고체전해질 등 새로운 반응계의 메커니즘 이해를 위해 여러 분석 용도에 맞게 설게된 실시간(in-situ) 분석 플랫폼 제공 및 적용을 연구 내용으로 삼는다.

□ 연구 목

□ 연구개요
고 에너지 밀도 이차전지 시스템 기술의 확보와 더불어 전지의 안전성, 경제성, 나아가 다른 대체 에너지원과의 기술적·성능적 호환성 확보가 주요 이슈인 추세에 따라, 본 연구과제는 ‘저차원 구조 기반 전극소재 연구’의 심화를 통한 고 에너지 밀도 확보와 더불어, 전기화학적, 열적 안전성을 가지는 고 밀도·고 이온전도도 고체전해질의 개발과 고체전해질 등 새로운 반응계의 메커니즘 이해를 위해 여러 분석 용도에 맞게 설게된 실시간(in-situ) 분석 플랫폼 제공 및 적용을 연구 내용으로 삼는다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. 저차원 구조 기반 전극물질의 나노구조 설계를 통한 에너지 밀도 향상
-N 작용기를 풍부하게 가지는 0차원 그래핀 퀀텀닷 (Nitrogen-rich graphene quantum dot, NRGQD)을 합성 및 이용하여 20 mA cm^-2 전류밀도에서 5 mAhcm^-2의 용량 실현 (1차년도 목표인 5 mA cm^-2 전류밀도를 초과달성).
-VO₂가 첨가된 탄소섬유 직조물 전극을 개발하여 5.12 mg cm^-2의 황 로딩량에서 우수한 율속 특성을 보임. 또한, 0.1C 구동 시, 15.36 mg cm^-2의 초고로딩량 조건에서 안정적으로 구동.
2. 고 밀도·고 이온전도도 고체전해질 개발을 통한 전기화학적·열적 안전성 확보
-상압 소결시 상대 밀도가 84% 수준에 머무르는 LLZO 고체전해질에 Ga, Al, Ce 등의 다양한 이종원소 도핑 및 핫프레스 소결 방식의 적용으로 99% 수준의 상대 밀도를 달성하였고, 이온전도도 또한 8.94*10^-4 S/cm 달성(1차년도 연구 목표인 상대 밀도 90% 이상, 이온전도도 10^-4 S/cm 이상을 모두 달성).
-MoS₂를 박막 형태의 2차원 소재로 자기조립하여 고체전해질과 리튬 금속 사이 계면 저항을 낮추기 위한 중간막으로 사용하여 전고체전지 구조의 전기화학적 안전성 확보(MoS₂ 박막이 적용된 후 LAGP 시편의 임피던스 감소 확인).
3. 전지 시스템의 반응 방식 및 측정하려는 변수에 맞춘 실시간 분석 플랫폼 설계 및 적용
-액상 중간 산물을 수반하는 리튬-황 전지의 특수한 환경에서도 실시간 분석이 용이한 형태의 특수 셀 구조를 개발.
-앞서 설계한 실시간 분석용 셀을 이용하여 리튬-황 전지 구동 시 발생하는 thiosulfate 생성 불균일 반응의 가역성을 실시간으로 관찰하고, 이 반응의 구체적인 메커니즘을 최초로 밝힘.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
이 연구결과는 기존에 널리 쓰이고 있던 전통적 전극 물질 및 액체 전해질의 특성을 단순 개선하는 것을 넘어 새로운 전기화학반응 시스템을 제공할 개척 분야에 대한 방향을 제시할 것이다. 따라서 제조 방법과 특성 평가, 전지 조립 및 구동 방식 등 모든 측면에서 전혀 다른 과제에 직면하게 될 것이며, 특히 액체 전해질의 여러 한계성을 타개하기 위해 고체 전해질만의 새로운 과제들을 해결할 필요성이 크다. 따라서 본 연구 과제를 통해 얻은 결과는 기존 연구의 연장이 아닌 새로운 도전이 될 것으로 기대된다. 최종적으로는 각 결과물의 집약을 통해 에너지 밀도와 안전성이 확보된 전고체전지 full cell을 구현함으로써 전고체 이차전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대하며, 특히 무인항공기와 친환경, 고효율의 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템 구축 등의 응용을 기대할 수 있어 차세대 에너지 분야의 글로벌 리더십 확보가 가능할 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구개발의 필요성 ... 4
• 나. 연구의 최종목표 및 내용 ... 5
• 다. 연구범위 및 방법 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 14
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 14
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 3) 목표 달성 수준 ... 15
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 15
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 15
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 자체점검표 ... 17
• 7. 참고문헌 ... 17
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 25
• 끝페이지 ... 40