초록 ▼

□ 연구개요
리튬황전지는 리튬이온전지 양극대비 8배이상의 높은용량 (1675mAh g_s^-1)를 갖는 황을 양극으로, 초고용량의 리튬금속 (3860mAh g^-1)을 음극으로 사용하는 차세대전지로 이론상 활물질 무게당 2600Wh kg^-1의 높은 에너지밀도를 갖고 있는 전지임. 하지만, 방전 최종산물인 리튬설파이드가 전극을 부동화하는 문제, 희박 전해액 환경에서 장수명 특성을 확보하기 어려운 문제로 인해 고에너지밀도, 장수명 리튬황전지의 개발이 저해되고

□ 연구개요
리튬황전지는 리튬이온전지 양극대비 8배이상의 높은용량 (1675mAh g_s^-1)를 갖는 황을 양극으로, 초고용량의 리튬금속 (3860mAh g^-1)을 음극으로 사용하는 차세대전지로 이론상 활물질 무게당 2600Wh kg^-1의 높은 에너지밀도를 갖고 있는 전지임. 하지만, 방전 최종산물인 리튬설파이드가 전극을 부동화하는 문제, 희박 전해액 환경에서 장수명 특성을 확보하기 어려운 문제로 인해 고에너지밀도, 장수명 리튬황전지의 개발이 저해되고 있음. 본 연구진에서는 전극 및 전해액 개질을 통해 리튬설파이드에 의한 전극 부동화를 억제하고, 희박 전해액 환경에서도 높은 수명 특성을 보이는 장수명 (>350 cycles), 고에너지밀도 (>300 Wh kg^-1) 리튬황전지를 개발함.

□ 연구 목표대비 연구결과
❍ 고에너지밀도 리튬황 전지 300 사이클 이상 구동. (달성도 : 100%)
- 본 연구진은 Lewis acid 첨가제 도입을 통해 용매화 구조를 제어하면서도 활물질 부식 억제를 유도하여 기존 리튬이온전지보다 높은 에너지밀도를 갖는 300 Wh kg^-1 수준에서 350 싸이클 이상의 수명성능을 갖는 리튬황전지를 개발함.
❍ 4mAh cm^-2 이상 높은 용량밀도, E/S ratio = 3mL g_s^-1 이하에서 안정적인 구동.(달성도 : 100%)
- 본 연구진은 Rb 양이온을 활용한 양극 및 음극 동시 계면 제어를 통해 E/S ratio =2.5의 희박전해액하에서 면적당 용량 4mAh cm^-2 이상의 높은 용량 구현을 가능케 함.
❍ 전착 위치 및 리튬설파이드 전착 형상 제어를 통한 황 이용률 90% 돌파.(달성도 : 100%)
- 본 연구진은 리튬폴리설파이드 및 리튬설파이드 안정화가 가능한 높은 acceptor number (AN) 전해액, 이중 solvation 야누스 음이온 전해액, 피뢰침 원리 기반 전극/전해액 복합화를 통해 기존 제안서에서 제시한 3개의 아이디어 모두 황 이용률 90% (방전 용량 1504 mAh g^-1) 이상 달성함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
❍ 리튬설파이드 3차원 성장 유도 전해액/전극 기술 고도화
- 본 연구진은 희박 전해액 환경하에서 리튬황 전지의 높은 용량 구현에 걸림돌이 되었던 리튬설파이드에 의한 전극 부동화를 리튬설파이드의 위치제어를 통해 해결함. 이로 인해 고용량, 고에너지밀도 리튬황전지 개발의 기틀 마련.
❍ 리튬금속계면 안정화를 통한 리튬황전지 장수명화
- 또한, 고에너지밀도, 장수명 리튬황전지 개발의 걸림돌이 된 리튬금속음극의 부식 문제를 리튬금속 위 안정한 계면 형성이 가능한 전해액 개발로 해결.
❍ 고에너지밀도 장수명 리튬황 전지 설계의 방향성 제시
- 두 요소기술 및 셀 설계 기술 복합화를 통해 300 Wh kg^-1 이상, 350 싸이클 이상의 고에너지밀도, 장수명 리튬황전지를 개발하여 차세대전지로써의 리튬황 전지의 상용화 가능성을 보여줌. 이를 통해 UAV 등의 미래모빌리티 이동체 개발에 필요한 파워디바이스 기술을 확보함으로서 해당분야 발전에 기여함.
❍ 차세대 전지 분야의 선도
- 리튬황전지는 높은 에너지밀도의 퍼텐셜을 가지고 있음에도 불구하고, 설계의 복잡성으로 인해 리튬금속전지 및 전고체 전지에 비해 상대적으로 주목을 받지 못한 분야임. 본 과제를 통해 리튬황전지의 한계를 돌파하여 우리나라가 차세대 전지 분야에서 선도적인 위치를 차지하는 데 기여하고자 함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 1) 리튬폴리설파이드와 상호작용할 수 있는 높은 전자 수여도 (Accept Number)를 가지는 첨가제 ... 6
• 2) 피뢰침 원리에 기반한 리튬설파이드 전착 위치 제어 ... 7
• 3) 이중 용매화가 가능한 야누스 음이온 기반 전해액 (대표연구실적 #2) ... 8
• 4) 희박전해액 리튬황전지 파우치 셀 수명퇴화 메커니즘 규명 ... 9
• 6) 양극/음극을 모두 안정화시키는 이중기능을 갖는 RbNO3 첨가제 (대표연구실적 #3) ... 10
• 7) 높은 전자 공여도를 갖는 LiNO3 염을 활용한 저온용 리튬황전지 전해액 개발 (대표연구실적 #4) ... 11
• 8) 리튬폴리설파이드의 용해도 저하를 유도하는 루이스 산 첨가제 ... 12
• 9) 전해액 부식방지를 위한 치밀구조의 SEI 형성기술 개발 (대표연구 #1) ... 13
• 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. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 18
• 7. 참고문헌 ... 19
• 끝페이지 ... 31