초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
전고체전지(All-Solid-State-Battery, ASSB)향 고성능 유기 양극소재 개발 및 시스템 최적화 설계

-유기화합물 양극소재의 functional group modification을 통한 반응 전위 및 가역 용량 증대
-다양한 고도 분석을 활용하여 액체 및 고체 전해질 시스템에서 에너지 저장 및 열화 메커니즘 분석
-결정 및 전자구조 분석을 통해 소재 특성과의 상관관계 분석 및 성능 개선 인자 도출
-도출된 인자들을 바탕으로 향상된 유기 양극

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
전고체전지(All-Solid-State-Battery, ASSB)향 고성능 유기 양극소재 개발 및 시스템 최적화 설계

-유기화합물 양극소재의 functional group modification을 통한 반응 전위 및 가역 용량 증대
-다양한 고도 분석을 활용하여 액체 및 고체 전해질 시스템에서 에너지 저장 및 열화 메커니즘 분석
-결정 및 전자구조 분석을 통해 소재 특성과의 상관관계 분석 및 성능 개선 인자 도출
-도출된 인자들을 바탕으로 향상된 유기 양극소재 개발 및 ASSB 시스템 최적화
-다양한 유기화합물 양극소재로의 확장을 통해 보편적인 방법론 도출

○ 전체 내용
1. n-type 유기 전극소재의 functional group modification을 통한 반응 전위 상승 및 가역 용량 증가 설계.
- 일반적으로 n-type 유기 전극소재의 경우 반응 전위가 p-type에 비해 상대적으로 낮으나 높은 용량을 보이는 장점이 있음. 따라서 n-type 유기전극소재에 electron withdrawing group을 추가하거나 치환하여 반응 전위 상승 및 안정적인 가역 용량 발현을 설계하고자 함.

2. Voltage/capacity tuning된 유기 전극소재를 ASSB 시스템에 적용 및 최적화.
- 액체 전해질 시스템에서 반응 전위 및 발현 용량이 개선된 유기 전극소재를 다양한 고체 전해질 및 각 구성 요소들의 비율 등 다양한 전극 및 전지 구성 인자들을 조율하여 유기 전극소재의 ASSB 시스템에서의 구동을 최적화하고자 함.

3. 액체 전해질 시스템과 고체 전해질 시스템에서의 반응 및 열화 메커니즘 상호 비교 분석을 통한 성능 향상 인자 도출.
- ASSB 시스템에 적용된 유기 양극소재의 충-방전 과정 중에 발생하는 반응 및 열화 메커니즘의 명확한 이해를 위해 ex/in situ x-ray diffraction, absorption spectroscopy, NMR 등 고도 분석 활용 및 성능 개선 인자 도출.

4. 도출된 인자들을 바탕으로 ASSB 시스템 내에서 개선된 유기 전극소재 설계.
- 유기 전극소재가 고체전해질 시스템에서 가지는 문제점과 이를 개선할 수 있는 성능 향상 인자들을 기반으로 특성 및 성능 최적화 설계(feedback을 바탕으로 앞의 1~3번 process 순환을 통해 개선된 유기 양극소재 개발 및 ASSB 시스템 설계).

5. 다양한 유기 화합물에 동일한 방법론을 활용하여 ASSB 시스템에 적용함에 있어 보편적 방법론 도출.
- 앞서 진행된 방법론을 다양한 유기화합물 소재에 적용하여 전고체전지향 유기 양극소재 개발 및 그 적용에 있어 보편적 방법론 (universal rule)을 제시하고자 함.

○ 1단계
● 연구 목표
n-type 소재 중 특정 소재를 선별하여 functional group modification을 통해 반응 전위 및 가역 용량 증대 방법론 도출 후 해당 소재를 ASSB 시스템에 적용. 그 후 액체 전해질과 ASSB 시스템에서의 반응 및 열화 메커니즘 비교 분석을 통해 성능 개선 인자를 도출을 목표로 함.

● 연구 내용
1단계-1 (1차년도)
n-type 유기화합물 중 1,3,7-Trimethylpurine-2,6-dione(caffeine)을 선정하여 액체 전해질 시스템에서 전기화학 반응 최적화 진행. 그 결과 2 mole의 Li⁺ or e^-에 해당하는 에너지가 저장되는 것을 확인. 그 후 caffeine 분자에 halogenation (-F, -Cl, -Br, -I)을 통해 functional group modification 진행. 이 경우 추가적으로 1 mole의 Li⁺ or e^- 해당하는 에너지가 추가되어 총 3 mole의 Li⁺ or e^-에 해당하는 에너지가 저장되는 것을 확인.

1단계-2 (2차년도)
순수한 caffeine과 halogenation된 caffeine 유기 전극소재를 고체 전해질 시스템에 적용 및 최적화 작업 진행. 다양한 고체 전해질 시스템 중 polymer 고체 전해질(PVDF + PEG + LiClO₄ + SiO₂)이 가장 우수한 성능을 보임. Polymer 고체 전해질의 경우 다음과 같은 조건에서 최적의 성능을 보임.(Mixing process: 5000 RPM, Mixing process temperature: 60°C, Mixing process time: 1 hr, Drying process time: 12 hr at 70°C.)

1단계-3 (3차년도)
액체 전해질과 고체 전해질 시스템에서의 반응 및 열화 메커니즘 비교분석을 위해 먼저 액체 전해질 시스템에서의 반응 및 열화 메커니즘 분석을 진행. 순수 caffeine의 경우 각 C6=O1, C8=N3 이중결합이 주요 반응 site 로서 Li⁺을 저장함. Halogenation 이후에는 C2=O2가 새롭게 활성화 되어 총 3 mole Li⁺ 이온이 caffeine molecule 내에 저장되는 것을 확인. halogenation caffeine의 경우 초기 사이클에서 급격한 용량 감소를 보이는데, 이는 halide 이온이 부반응에 의해 caffeine molecule에서 떨어져나가 C2=O2 redox active site가 deactivation 된 결과임을 확인. 또한 사이클 과정에서 H1 proton 주변에 새로운 환경을 가지는 proton이 생성됨으로써 용량 열화가 발생함을 확인. 고체 전해질 시스템의 경우 액체 전해질 시스템과 달리 2개의 C=O site (C6=O1 & C2=O2)를 통해 전하 저장 메커니즘을 보이며, 특이점으로는 용량 열화에 polymer 전해질의 부반응이 더해져 있는 것을 확인. 이를 통해 de-halogenation과 polymer 전해질의 부반응이 용량 열화의 주요 인자임을 도출.

○ 2단계
● 연구 목표
1단계에서 도출된 성능 개선 인자를 바탕으로 ASSB 시스템 최적화. 그 후 다양한 유기물 기반 양극소재에 적용하여 1단계 process를 순환. 이로부터 얻은 성능 개선 인자들을 바탕으로 유기물 기반 양극소재의 ASSB 시스템 최적화를 위한 보편적 방법론 제시를 목표로 함.

● 연구 내용
2단계-1 (4차년도)
1단계에서 규명된 caffeine 유기 전극소재의 반응 메커니즘과 열화 메커니즘을 바탕으로 성능 개선 방향을 설정. 기존 진행하였던 연구에서의 문제점을 진단하고 이를 해결할 수 있는 방법론 모색. 이를 통해 기존 caffeine 유기 전극소재보다 개선된 성능을 가지는 유도체 확보. 이로부터 얻은 caffeine 유기 전극소재를 ASSB 시스템 적용 및 최적화를 통해 성능 향상된 caffeine 기반 ASSB 시스템 구축.

2단계-2 (5차년도)
1~4차년도로부터 축적된 기술과 연구 진행 방법론을 통해 caffeine 외의 다양한 유기 화합물 기반 소재들의 molecular tuning과 ASSB 시스템에 적용 진행. 이 과정에서 다양한 유기소재에 따른 성능 개선 인자들의 공통점과 차이점들을 비교 분석. 이로부터 유기화합물 기반 ASSB 시스템에서의 성능 개선 및 최적화의 보편적 방법론(universal rule)을 도출.

□ 연구성과
1차년도에는 n-type 유기화합물 중 caffeine을 선정하여 액체 전해질 시스템에서의 최적화를 진행 후 기초 전기화학 평가를 수행하여 이론적으로 2 mole의 Li⁺ 이온이 저장되는 것을 확인하였음. 또한 halogenation을 통해 추가적으로 1 mole의 Li⁺ 이온이 더해져 총 3 mole의 Li⁺ 이온이 저장되는 것을 관찰함. 2차년도에는 caffeine 유기 전극 화합물을 ASSB 시스템에 적용하기 위해 다양한 고체 전해질 screening을 prototype cell을 통해 선별하였고, 그 결과 polymer ASSB 시스템에 최적화된 cell 환경 구성 및 polymer 고체 전해질 최적화 조건을 도출하였음. 3차년도에서는 caffeine 유기 전극소재의 에너지 저장 메커니즘 규명을 위해 이론과 실험적 접근을 수행하였음. 이로부터 molecular tuning을 통해 기존에 비활성화되어있던 redox site를 활성화시킬 수 있다는 것을 규명함. 또한 열화 메커니즘 분석을 통해 용량 감소 원인을 밝힘으로써 성능 개선 인자 도출 목표를 달성하였음. 더 나아가, 과제를 통해 획득한 이론 및 실험 결과들을 통해 국제 학술대회발표, 국제학술지 게재, book chapter 저술 등 다양한 성과를 이루었음.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
1. 연구 개발 측면
본 연구에서 활용될 유기 전극소재와 그 소재의 반응 전위 및 가역 용량 개선을 위한 합성법(functional group modification), 그리고 반응 및 열화 메커니즘 분석을 위한 고도 분석 기술은 고용량, 고출력, 비용적인 측면뿐만 아니라 친환경, 지속 가능한 개발 측면에서 중요한 패러다임을 제공할 것이라 기대함.

2. 기술적 측면
기존 액체 전해질 시스템이 아닌 고체 전해질 시스템에서 새로운 최적화 설계를 통해 연구 및 개발된 고성능 유기 전극소재는 차기 친환경 에너지 저장 소재 산업의 중요한 기술로 인정받을 것이며, 본 연구에서 활용될 고도분석 및 합성 기술은 소재 개발에 있어 성능 개선 인자 도출 및 문제 해결 방법론을 제공할 것이라 전망함.

3. 경제 및 산업적 측면
기존 이차전지산업에서 주를 이루고 있는 양극소재의 경우 무기 산화물로서 토양, 해수, 대기, 생물량 등에서 유기물 대비 상당히 적은 양으로 존재하고 있다. 이는 반대로 지속 가능한 측면에서 유기물 소재의 경우 사용할 수 있는 자원의 양이 무궁무진하다는 뜻이며, 에너지 저장 소재에서 유기물 소재의 큰 잠재력을 대변함. 따라서 본 연구의 결과는 향후 증가하는 에너지 수요 및 이산화탄소(CO₂) 감소 요구 조건을 충족시키며 친환경적인 에너지 개발 정책에 부합하는 글로벌 산업에서 우위를 점함과 동시에 경제 발전에 기여를 할 것이라 예상함.

(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 ... 14
• 1) 연구수행 결과 ... 14
• 2) 목표 달성 수준 ... 14
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 14
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 15
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 15
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 15
• 2) 연구 추진전략 ... 15
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 16
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 16
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 16
• 끝페이지 ... 36