초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
[연구개발 개요] 리튬이온전지용 차세대 층상계 양극재의 고온소성 메커니즘을 원론적으로 이해하기 위한 연구로, 실시간/고도 분석을 이용하여 소성과정 중 합성 반응, 상 발달 및 결정구조 형성, 결정 성장에 따른 미세구조 발달 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 최적의 고온 소성법을 설계하여 우수한 수명과 안정성을 나타내는 양극 소재를 개발하고자 함.
[연구개발 목표]
(1) 층상계 양극 소재의 합성 반응 및 소성 메커니즘 규명 및 이해
(2) 합성 반응경로와 소재 물성

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
[연구개발 개요] 리튬이온전지용 차세대 층상계 양극재의 고온소성 메커니즘을 원론적으로 이해하기 위한 연구로, 실시간/고도 분석을 이용하여 소성과정 중 합성 반응, 상 발달 및 결정구조 형성, 결정 성장에 따른 미세구조 발달 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 최적의 고온 소성법을 설계하여 우수한 수명과 안정성을 나타내는 양극 소재를 개발하고자 함.
[연구개발 목표]
(1) 층상계 양극 소재의 합성 반응 및 소성 메커니즘 규명 및 이해
(2) 합성 반응경로와 소재 물성 간의 상관관계 규명
(3) 합성 과정을 조절하여 우수한 전기화학 특성의 소재 개발

◼ 전체 내용
[연구개발 필요성 및 내용] 현재 상용 리튬이온전지의 양극 소재는 이차입자 형태로 합성된 전이금속 전구체와 리튬화합물을 혼합한 뒤 고온소성 과정을 통해 합성 및 생산되고 있음. 이 때 고온소성 기반 합성 과정이 성능 및 생산성 결정에 중요한 역할을 함에도 불구하고, 현재까지 이 과정에 대한 정확한 이해가 부족한 실정임. 이에 전구체와 리튬화합물의 반응 과정을 이해하기 위한 연구를 집중적으로 수행하여 소재 합성원론을 정립하고 최적의 합성법을 제시하여 우수한 성능의 소재를 개발하는 연구를 수행하고자함.
(합성 메커니즘 연구) 현 상용 소재(LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂, NCM622)의 고온소성 메커니즘에 대한 재검토 연구를 시작으로, 고부가가치의 차세대 고에너지 양극 소재들 (고니켈계, 과리튬 망간계 등)의 소성 메커니즘 연구를 수행하고자 함. 양극 소재의 고상 합성 시 발생하는 열역학 및 동역학적 영향에 대해 이해하고, 이를 효율적으로 조절할 수 있는 최적의 소재 합성법을 제안하고자 함. 이를 통해 리튬-전이금속 산화물 소재의 합성원론에 대한 종합적인 이해를 구축하고자 함.
(실시간/고도 측정분석 연구) 기존 양극 소재의 합성 메커니즘이 주로 열역학 변수 조절에 따른 사후분석에 의지하고 있어 합성메커니즘 및 중간 과정에 대한 이해가 부족함. 이에 고온 실시간 분석 방법론을 정립하고 이를 통해 소재 열처리 시 발생하는 합성 반응을 추적하는 연구를 수행하고자 함. 또한 현재 상용 형태의 소재는 계층 구조의 이차입자 형태로 이뤄져 있기 때문에, 원자 단위의 구조에서 나노 수준 일차입자, 마이크론 수준의 이차입자에 이르는 넓은 범위의 변화 및 발달을 종합적으로 이해하기 위해 멀티스케일 국부 분석을 수행하고자 함.
(소재개발 연구) 합성에 대한 이해를 바탕으로 합성-물성-특성 상관관계를 정립하고, 이를 통해 효율적인 고온소성 공정을 설계하여 소재 성능 개선을 이뤄내고자 함. 최종적으로 고에너지 고성능 양극 소재의 합성 공정을 개발하고자 함.

◼ 1단계
❏ 연구 목표
1. 층상형 양극재의 고온소성 반응 분석용 고도 측정분석 기술 개발·정립
2. 상용 또는 차세대 니켈계 양극재 합성 메커니즘 분석 및 규명
3. 고온소성 설계를 통해 우수한 기계화학적 안정성의 양극 소재 개발
❏ 연구 내용
대표적인 층상형 산화물 양극 소재에서부터 차세대 고에너지 소재에 이르는 주요 핵심 양극 소재에 대해 실시간 고온 또는 멀티스케일 분석을 통해 합성 메커니즘 연구를 수행함. 이를 통해 반응 동역학적 요인에 의해 나타나는 소재 구조 및 결함 형성인자를 파악하여 소재 합성-물성 간 상관관계를 규명하는 연구를 수행함. 나아가 소재 구조 특성을 개선하고 결함생성을 억제할 수 있는 소성공정을 설계하여 최종적으로 안정성 및 수명 특성이 개선된 양극재를 합성개발하는 연구를 수행함. 세부적인 연구내용은 아래와 같음.
1. 상용 NCM622 소재 합성 메커니즘 재조명 연구
- 열분석 기반 전구체 혼합물의 합성 거동 이해
- 고온 X선 회절 분석을 통한 열역학적 상 발달 및 함성 경로 파악
- 리튬 수산화물 전구체 기반 산화물 양극재 합성 반응 동역학 영향 연구
- 온도별 미세구조 관찰을 통해 모폴로지 발달 및 결함 구조 형성 확인
- 저온 합성법을 통한 결함구조 제어 및 전기화학 성능 상관관계 규명
- 결정 성장을 위한 액상용융 단결정 합성법 적용 사전연구 수행
2. 차세대 고니켈계 NCM (Ni>90%) 양극 소재 합성 메커니즘 규명 연구
- 고온 X선 회절 분석을 통한 열역학적 상 발달 및 함성 경로 파악
- 소각산란 측정 기반 나노결함 구조 형성 분석법 제시 및 적용
- 저온 열처리를 통한 반응 균일화 및 기공 분포 제어 합성법
- 기공 및 미세구조 제어를 통한 고성능 장수명 고니켈계 양극재 합성
- 공융계 리튬염 적용 합성 최적화를 통한 장수명 고니켈계 양극재 개발
3. 차세대 과리튬계 망간계 양극 소재 합성 기초연구
- 반응 경로에 따른 나노도메인 및 결정구조 특성 확인
- 과리튬 망간계 양극재 도메인 구조에 따른 전기화학 성능 상관관계

◼ 2단계
❏ 연구 목표
1. 과리튬 망간계 양극재의 합성 메커니즘 분석 및 규명
2. 소성 설계를 통해 우수한 안정성의 과리튬 망간계 양극 소재 개발
3. 전구체 및 합성품 표면 개질을 통한 과리튬 망간계 양극재 고성능화
❏ 연구 내용
이차전지 시장 성장과 가격 변동에 따라 유망한 저가형 차세대 양극재로 주목 받고 있는 과리튬 망간계 양극 소재에 대해 실시간 고온 또는 멀티스케일 분석을 통해 합성 메커니즘을 분석하는 연구를 수행하고자 함. 특히, 과리튬 망간계 양극 소재의 주요 구조적 특징인 나노 구조의 이종상의 도메인 형성 및 발달을 이해하는 연구를 수행하고자 함. 이를 통해 소재 내 도메인 결정구조를 제어할 수 있는 합성 인자를 도출하고 반응 균일성 조절 및 전구체 개질 등을 통해 도메인 구조를 제어할 수 있는 합성경로를 제안하고자 함. 전구체 또는 합성소성품 단계에서 표면 개질 등을 통해 최종적으로 높은 구조 안정성을 나타내는 과리튬 망간계 양극 소재를 개발하는 연구를 수행하고자 함. 세부적인 연구내용은 아래와 같음.
1. 과리튬 망간계 양극재 합성 메커니즘 분석
- 전이금속 산화물 전구체 기반 합성 메커니즘 분석
- 전구체 선열처리를 통한 중간상 제어 합성 조건 탐색
- 도메인 결정구조 제어 합성 인자 도출
2. 반응/조성 균일성 제어를 통한 고안정성 과리튬 망간계 양극 소재 개발
- 저온 열처리를 통한 합성 반응성 촉진 및 균일성 개선 합성연구
- 공융계 리튬염 적용 및 합성 최적화를 통한 고성능 장수명 양극재 개발
- 조성 및 분포에 따른 과리튬 망간계 전기화학 활성 및 안정성 평가
3. 표면 개질을 통한 고성능 과리튬계 망간계 양극 소재 합성 및 개발
- 전구체 표면 코팅에 따른 합성거동 분석 및 도메인 구조 발달 제어
- 합성 양극재 표면 제어(코팅 등)을 통한 성능 향상 기술 개발
- 고에너지 고안정성 장수명 망간계 양극 소재 개발 및 실증화

□ 연구성과
[정량적 성과]
- 학술논문 게재 2건
: Nature Chemistry (제1저자, 표지논문), Advanced Functional Materials (교신저자)
- 학술대회 발표 5건
: 국제학술대회 3건 (NANO KOREA 2022, IMC20, ECS 244^th meeting)
: 국내학술대회 2건 (2022년도 대한금속재료학회 춘계, 2023년도 한국세라믹학회 춘계)
- 언론보도 2건
[정성적 성과]
- 상용 & 니켈계 층상형 산화물 양극재 합성메커니즘 및 결함 생성원인 규명
- 상용 & 니켈계 층상형 산화물 양극재 결함제어 합성법 제시 및 성능 개선
- 과리튬 망간계 산화물 양극재 합성메커니즘 및 특성 상관관계 규명
- 실시간 고도 분석 기반 양극 소재 소성반응 및 나노결함 분석 방법론 제시

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
현재 이차전지 산업계에서 양극 소재 합성 및 공정 개발은 경험 및 시행착오 기반으로 최적화되고 있는 가운데, 본 연구사업 성과물은 이러한 양극소재 합성에 대한 원론적인 이해를 제공하며, 연구공백을 해소해 줄 것으로 기대됨. 특히, 차세대 고에너지 양극재로 각광 받고 있는 소재들의 합성 및 연구개발의 방향성을 제시해 줄 수 있다는 의의를 지님. 또한 본 연구사업에 활용된 멀티스케일 소재 합성 고도분석 기술은 학계 양극재 합성개발 연구에 새로운 방법론을 제시해주고 있음. 이러한 기대효과를 바탕으로 양극재 기업과의 협력연구 등을 추진하여 효율적인 소성 공정 설계와 고성능의 양극 소재 개발을 가속화하는데 기여하고자 하며 향후 사업화 등을 추진할 수 있을 것으로 기대함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 7
• 1) 연구수행 결과 ... 7
• 2) 목표 달성 수준 ... 15
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 16
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 16
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 16
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 17
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 17
• 2) 연구 추진전략 ... 18
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 20
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 20
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 20
• 끝페이지 ... 28