초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
●본 연구의 최종목표는 구조적인 안정성을 갖는 음이온 산화 환원반응 물질 개발이다. 음이온 산화환 원반응 기반의 물질은 높은 용량과 작동전압으로 고에너지밀도를 보이나 표면부반응, 격자내 산소탈 리와 같은 문제로 가역적인 반응에 한계를 보인다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하고자 신개념 의 적층결함이 제어된 고성능의 차세대 소듐이온 저장 소재를 개발한다.
●본 연구에서는 인시츄 분석기법을 활용하여 재료의 구조분석에 관하여 X선 회절 분석과 더불어 방 사광 가속기 X-선 고도

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
●본 연구의 최종목표는 구조적인 안정성을 갖는 음이온 산화 환원반응 물질 개발이다. 음이온 산화환 원반응 기반의 물질은 높은 용량과 작동전압으로 고에너지밀도를 보이나 표면부반응, 격자내 산소탈 리와 같은 문제로 가역적인 반응에 한계를 보인다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하고자 신개념 의 적층결함이 제어된 고성능의 차세대 소듐이온 저장 소재를 개발한다.
●본 연구에서는 인시츄 분석기법을 활용하여 재료의 구조분석에 관하여 X선 회절 분석과 더불어 방 사광 가속기 X-선 고도분석 기법들을 활용하여 적층결함에 대한 평가를 실행하고 음이온 산화환원 기반과 적층결함의 영향에 대한 관계를 규명하고 소재의 구조-물성 간 상관관계 및 물성 결정 인자를 도출함으로써 관련 원천기술을 확보하려 한다.
●본 연구에서는 차세대 소듐이온전지에 활용될 양극소재에서 음이온산화환원반응 기반 저장 원리에 입각한 소재 설계 방법론을 통해 향후 소듐이온전지의 상용화를 앞당길 새로운 형태의 적층결함을 통한 구조안정화 층상구조 양극 소재를 개발하려 한다.

◼ 전체 내용
본 연구는 가역적인 산소 산화환원반응을 통해 높은 에너지밀도를 보이는 소듐전지의 새로운 양극소재를 개발하기 위해 적층구조 제어에 따른 산소 산화환원반응의 가역성 향상을 연구를 하는 것이다. 본 연구진은 전이금속층을 이루는 금속이온들의 비율 조절을 통해 적층결함을 조절할 수 있었고 이를 통해 전기화학적인 성질이 바뀌는 것을 관찰하였다. 예를들어, 망간이온 주위에 리튬이온이 배위 하는 정도에 따라 그리고 소듐이 온층에 존재하는 소듐의 점유율에 따라 c-axis로의 적층의 규칙성에 차이가 생겨난다. 리튬주위로 배위되는 전이금속이 줄어들수록 초격자(superlattice)규칙이 줄어들고 적층의 결함은 증가한다. 이에 따라 적층구조가 trigonal prismatic 적층구조에서 octahedral 적층구조로의 일부 상변이가 일어나고 이 구조 변화는 마치 적층결함처럼 관찰된다. 이러한 적층결함은 소듐이온의 삽입과 탈리반응에서 층이 미끄러짐 이동(glide)을 제한하는 일종의 구조안정제로 작용하게 된다고 생각 된다. 이러한 원리로 전이금속 이온의 도핑을 통해 적절한 양의 적층결함을 만들어 음이온 활성점의 안정적인 적층 구조를 배치하여 음이온 산화환원반응에 효과적인 구조를 갖는 양극물질을 개발하고자 하였다. 이러한 적층구조와 전기화학적 특성의 관계를 연구하기 위해 in-situ X선 회절분석법(X-ray diffraction, XRD), in-situ X선 흡수분광법(X-ray absorption spectroscopy, XAS) 분석을 통해 합성된 양극물질의 구조변화 와 구조안정성을 실시간으로 관찰 및 평가하고, DFT(density functional theory)계산법을 활용하여 이론적인 음이온의 산화환원척도를 제시하여 전기화학적인 성능에 영향을 미치는 인자들의 이해를 바탕으로 가역적인 음이온 산화환원반응을 극대화한 새로운 소재 디자인의 후보군을 설정하고 연구의 대상물질로 삼아 진행하였다.

□ 연구개발성과
본 연구에서는 음이온산화환원 기반 층상구조 양극 산화물의 안전성을 높이고 고에너지 밀도 이차전지상용화에 활용될 구조적인 요소기술을 제시하였다.
➤ 정성적 성과: 산소의 산화환원 활성에 대한 연구동향 조사를 통해 구조적 안정성 확보가 핵심적인 요소임을 제시하고, 구조적 안정성을 높이기 위한 시도로 전기화학적불활성 이온 삽입, 알칼리 이온층의 양적 제어를 통한 전이금속층 배치변화, 전이금속층에 알칼리 이온 삽입 등을 하여 구조 안정화 관련 연구진행
➤ 정량적 성과 : SCI 논문게재 총 2편

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
기술적 측면에서 양극활물질의 에너지 밀도를 높이기 위한 핵심기술인 음이온 산화환원에 대한 연구는 우리나라의 소재기술을 제고하여 해외 의존도를 낮춰줄 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 1) 최종 목표 ... 5
• 2) 연구내용 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 1) 문헌조사를 통해 최신연구동향을 파악하고 음이온 산화환원 반응에 활성을 갖는 P2-type 층상구조 양극 물질 중 연구대상 물질 선별 및 연구방향 설정 ... 6
• 2) 선별된 층상구조 물질 합성 및 구조 안정화 연구1 ... 7
• 3) 선별된 층상구조 물질 합성 및 구조 안정화 연구2 ... 8
• 4) 선별된 층상구조 물질 합성 및 구조 안정화 연구3 ... 10
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 11
• 1) 연구수행 결과 ... 11
• 2) 목표 달성 수준 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 11
• 5. 연구개발성과 및 활용 계획 ... 12
• 1) 연구성과 ... 12
• 2) 연구성과 활용계획 ... 12
• 6. 참고문헌 ... 13
• 끝페이지 ... 13