초록 ▼

□ 연구개요
2차전지의 효율과 성능은 전극 소재의 구조적 특성에 크게 의존하므로, 고품질의 전극 소재 개발은 2차전지 기술 발전의 핵심 과제로 부각되고 있다. 본 연구에서는 기존의 한계에 도달한 흑연 기반 음극 소재 기술을 뛰어넘어, 고속 충전/방전 및 에너지 밀도 향상이 가능한 새로운 층상 소재 기반 음극 소재의 연구/개발을 수행한다. 특히, 혼성 구조의 합성 절차 개발, 합성한 전극소재의 구조적 및 전기화학적 특성 분석, 그리고 소듐 저장 메커니즘에 대한 이해를 포괄하여 연구한다.

□ 연구 목표대비 연구결과

□ 연구개요
2차전지의 효율과 성능은 전극 소재의 구조적 특성에 크게 의존하므로, 고품질의 전극 소재 개발은 2차전지 기술 발전의 핵심 과제로 부각되고 있다. 본 연구에서는 기존의 한계에 도달한 흑연 기반 음극 소재 기술을 뛰어넘어, 고속 충전/방전 및 에너지 밀도 향상이 가능한 새로운 층상 소재 기반 음극 소재의 연구/개발을 수행한다. 특히, 혼성 구조의 합성 절차 개발, 합성한 전극소재의 구조적 및 전기화학적 특성 분석, 그리고 소듐 저장 메커니즘에 대한 이해를 포괄하여 연구한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구에서는 정성적 목표로써 (1) 박리화된 나노판을 이용한 2차전지용 신규 전극소재의 창조, (2) 정전기적 인력을 이용한 나노판 자기조립 및 고에너지밀도 고출력 나노구조체 개발, (3) 구조-물성 상관관계 연구 및 최적 에너지밀도/출력밀도 무기 구조체 개발을 제안하였다. 이차원 공유성 유기 골격체 및 층상 금속 산화물 박리화 후 이를 전극소재로 활용하는데 성공하였고, 자기조립을 통해 공유성 유기 골격체와 금속 산화물의 혼성 나노구조체를 합성하였으며, 얇은 두께를 갖는 나노혼성체의 에너지 저장 메커니즘을 임피던스 및 CV 분석 등의 전기화학적 방법을 통해 규명하였다.
정량적 목표로는 출발물질 대비 에너지밀도가 25% 향상된 나노구조체 개발을 설정하였다. 기존 전극소재 대비하여 방전용량을 25% 증가시키는 것은 매우 도전적인 목표이다. 본 연구를 통해 개발된 금속 산화물과 공유성 유기 골격체의 나노혼성체는 소듐 이온 배터리 전극소재로 응용했을 때 출발물질 대비 약 420% 향상된 방전 용량을 나타내었고(전류밀도 100 mA/g 기준), 약 2500 사이클 이후에도 안정된 충전/방전 특성을 유지하였다. 이외에도 박리화된 나노판의 정량목표(기존 벌크소재 대비 15% 이상 향상된 에너지 밀도, 전류밀도 = 100mA/g, 전위창 = 0.01 ~ 3V), 혼성 무기구조체의 정량목표(출발물질 대비 20% 이상 향상된 에너지 밀도, 전류밀도 = 200mA/g, 전위창 = 0.01 ~ 3V)를 모두 상회하여 달성하였다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구를 통해 획득한 층상구조 기반 고성능 차세대 2차전지용 나노 구조체 개발 기술은 신규 리튬/소듐 이온 배터리용 전극소재 설계 시 활용 가능할 뿐 아니라 구조 분석 기술 및 전기화학적 특성 분석 기술은 다양한 전극소재의 에너지 저장 메커니즘 규명에 응용 가능하다. 특히, 나노 구조체 전극소재 합성기술은 무기화학, 재료화학 분야에서 매우 중요한 기초기반기술이며, 본 연구를 통해 획득한 특허는 관련 업체와의 협력을 통해 산업화에도 이용 가능하다.
현재 2차전지 전극소재 개발 기술은 사회적, 학문적, 산업적 측면에서 매우 중요할 뿐 아니라 12대 국가전략기술의 하나이다. 본 과제에서 습득한 나노판 합성 기술, 나노 구조체 개발 기술, 에너지 저장 기작 분석 기술 등을 바탕으로 재료화학 분야에서 매우 중요한 무기 에너지 저장 소재 개발 기술을 첨단화하고, 이를 통해 과학 기술의 사회적 공헌에도 이바지하고자 한다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)