초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
전자-격자 변형함수 분석을 이용한 나트륨 이온 배터리의 안정한 양극재 개발과 상압 초전도체 연구

○ 전체 내용
DFT 방법론과 포논분석을 통하여, Li 이온 배터리를 대체할 만한 차세대 이차 베터리의 후보군인 나트륨 이온 배터리의 양극재 개발과 상압 초전도체 구현을 목표로 한다.
Na 이온 배터리(P2-Na_xMnO₂)는 Li 이온 배터리와 동일한 기작을 가지면서도 매장량이 풍부하여 차세대 배터리의 후보군이다. 하지만, Na

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
전자-격자 변형함수 분석을 이용한 나트륨 이온 배터리의 안정한 양극재 개발과 상압 초전도체 연구

○ 전체 내용
DFT 방법론과 포논분석을 통하여, Li 이온 배터리를 대체할 만한 차세대 이차 베터리의 후보군인 나트륨 이온 배터리의 양극재 개발과 상압 초전도체 구현을 목표로 한다.
Na 이온 배터리(P2-Na_xMnO₂)는 Li 이온 배터리와 동일한 기작을 가지면서도 매장량이 풍부하여 차세대 배터리의 후보군이다. 하지만, Na가 빠져나감에 따라 양극재의 구조가 불안정하여 충전과 방전의 사이클이 짧을 뿐 아니라 에너지 효율이 떨어진다. 본 연구자는 지난 3년동안 DFT를 이용한 배터리 연구를 바탕으로 좀 더 전진하여 양극재의 안정성 확보와 함께 에너지 효율을 높이는 신소재 양극재를 개발하고자 한다.
상온 초전도체는 H net로 이루어진 케이지 모양의 슈퍼하이드라이드의 개발로 달성되었다. 하지만, 여전히 이러한 초전도체의 발현을 위해서는 지구 내부의 압력에 해당하는 고압이 필요하다. 따라서 초전도체의 상용화를 위해서는 초전도 발현 압력을 낮추는 게 필수적이다. 본 연구지는 지난 3년동안의 하이드라이드 초전도 연구를 바탕으로 상압 초전도체를 개발하는 것을 목표로 한다. 본 연구자는 여러 하이드라이 물질의 수소의 disorder를 고려하여 준안정성을 가지지만 상압에서 초전도체의 발현을 연구하고자 한다.

○ 1단계
● 연구 목표
본 연구자는 이번 세종과학펠로우십 과제로 밀도 범함수 이론(density functional theory: DFT) 기반, 최신 포논 계산 방법론을 통해 물질에서의 CDW 기작을 이해하여, CDW를 제어하는 방안을 연구하고자 한다.
이를 통하여 흥미로운 물성 즉 초전도 현상이나, 자기냉동 효과 등을 극대화 하고자 한다. 구체적으로, 호이슬러 구조인 Lu(Pt_1-xPd_x)₂In, YbPt₂In 그리고 (Ca_xSr_1-x)Rh₄Sn₁₃, 전이금속칼코젠 화합물 TaS₂ 및 관련물질들을 (i) 온도기반 포논연구와 (ii) 전자-포논간의 상호작용(electron-phonon coupling:EPC)의 핵심 부분인 변형 포텐셜(deformation potential)의 정량적 계산, (iii) 쿨롱 상호작용을 포함한 포논분석을 통해, CDW와 초전도 전이의 경계인 양자임계점 근처를 집중적으로 공략하여, CDW 기작을 이해한다. 이를 기반으로 CDW를 제어하여 원하는 물성을 발현을 제어하고자 한다.

● 연구 내용
본 연구자는 기존의 분야에서 좀 더 응용의 분야로 넓혀졌다고 생각된다.
1. 리튬이온 배터리를 대체할 소재로 가장 주목받고 있는 것은 Na-이온 배터리이다. 본 연구자는 Na-이온 배터리의 구조의 안전성을 연구하였다. 먼저, DFT 방법론과 포논분석을 통하여, Li 이온 배터리를 대체할 만한, 차세대 이차 베터리의 후보군인 나트륨 이온 배터리의 양극재를 제안하였다. 나트륨 이온 배터리 중 친환경 물질인 P2-Na_xMnO₂의 치명적인 단점은 충전과 방전이 되면서 구조가 불안정하여 에너지 효율이 떨어지고, cycle의 횟수가 적다. 본 연구자는 Li이 삽입시켰을 경우, 에너지 밀도가 높을 뿐 아니라, P2에서 O2로의 구조변위가 Na 가 x= 0.9 정도 빠져나갔을 경우에도 구조변화가 일어나지 않음을 보고하였다. 또한 본 연구자는 Li을 Na_xMnO₂내에 삽입 하였을 전후의 에너지비교, 전자의 분포 변화 분석, 포논 분석법을 이용하여 Na이온이 음극재로 이동 시에도 P2구조의 안정성의 메카니즘을 분석하였다. 더욱이, 가장 최적의 Li 함량을 제시하여 이상적인 Mn과 Li 이온의 비율을 제시하였다.
2. 본 연구자는 상압의 초전도체 발현을 목표로, 상압에서 안정한 하이드라이 물질군을 검색하였다. 상압에서 안정한 하이드라이드 물질이면서 금속의 성질을 가지는 것은, LaH₁₀의 기본 골격이 되는 LaH₂이다. 하지만 이 물질은 초전도성을 보이지 않는다. 본 연구자는 LaH₂ 내에 interstitial site인 octahedral site/tetrahedral site의 occupation을 바꿈으로써 초전도 현상을 발현시켰다. electron localization function, 전자구조, 에너지 장벽 (energy barrier) NEB(nudged elastic band)을 통하여, 이물질의 준안정성을 증명하였다. 또한 전자구조 계산을 통하여, occupation을 바꿈으로 인해, 페르미 준위에 H에 의한 전자의 밀도 (density of state)가 증가하게 되고, 이로 인해서 전자-포논 결합이 커짐을 보여 주었다. 이러한 연구 결과는 추후 다른 희토류 계에서도 적용될 것으로 보인다.

○ 2단계
● 연구 목표
2단계의 연구는 1단계의 연구의 연장선이라 할 수 있다. 기존의 연구를 바탕으로 좀 더 구체적이고 응용 가능한 물질계발에 집중하고자 한다.
1. 나트륨 이온 배터리의 양극재인 P2-Na_xMnO₂ 내에 여러 다른 전이금속을 삽입하여 효율성이 뛰어난 배터리를 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
또한, 지금까지 연구는 나트륨이온이 완전히 deintercalation 되었을 경우만 고려하였으나 Na이온의 deintercalation 정도에 따른 구조의 에너지를 변화를 탐구한다. 또한, Li외에 다른 전이 금속을 삽입함에 따라 층간 반발력을 조사하여, 안정적인 양극재 개발에 기여하고자 한다.
2. 기존의 연구의 연장선으로 상온 상압 초전도체 구현을 목표로 하이드라이 물질에서의 초전도 발현을 연구한다. 상온 하이드라이 초전도체는 이미 알려 있지만 이를 구현화 하기 위해서 고압이 여전히 필요하다. 상온 초전도체의 상용화를 위해선 발현 압력을 낮추는 것이 절실히 요구된다. 본 연구자는 수소의 disorder를 고려하여 상압에서 안정한 하이드라이 초전도체 구현을 목표로 한다.
3. WTe2는 압력에 따라 구조가 바뀌면서 초전도 현상을 띄는 물질로 알려져 있다. 하지만, 구조 변위에 대한 명확한 구조와 초전도 현상과의 상관관계가 규명되지 않았다. 본 연구자는 여러 반데르 발스 방법론을 사용하여, 전자-스핀 효과를 고려한 구조 변화를 연구하고, 또한 WTe2의 layer 두께에 따른 초전도 현상을 탐구한다.

● 연구 내용
1단계 연구 결과를 바탕으로 2단계에서는 대상 범위를 넓히고자 한다.
1. 나트륨 이온 배터리가 charging되었을 때 불안정한 이유가 층간 전자반발력에 의한 것임을 연구하였고, 또한 층간 산소 원자들이 anion-redox, 즉, O^2-가 O^1-로 바뀜을 확인하였다. 본 연구자는 이 결과를 바탕으로 전자 반발력을 감소시키기 위한 여러 방법을 제시할 예정이다. 우선, 나트륨 이온 배터리의 양극재인 P2-Na_xMnO₂ 내에 여러 다른 전이금속을 삽입하여 층간 반발력을 줄이는 노력을 할 것이고, anion-redox를 극대화 하는 방안을 마련하여 양극재가 완전히 charging 되었을 때도 구조를 유지시키고자한다. 또한 지금까지 연구는 나트륨이온이 완전히 deintercalation되었을 경우만 고려하였으나, Na이온의 deintercalation 정도에 따른 구조의 에너지를 변화를 탐구하여 최적의 양극재를 제시하고자 한다.
2. 1단계에서 본 연구자가 수행한 연구는, 기존의 하이드라이드 물질에서 H의 occupation을 바꿈으로 상압에서 초전도 현상을 가질 수 있음을 제안한 첫 번째 논문이다. 따라서 본 주제는 상압 초전도 연구의 시작 단계라고 할 수 있다. 여러 하이드라이 물질에서 H의 occupation을 바꿈으로 초전도 성질의 변화를 연구하고자 한다. 본 연구자는 H의 DOS가 페르미준위 근처에 있는 것이 매우 중요함을 보았고, 구조가 어느 정도 준안정성을 가질 경우에 Tc가 높아 짐을 선 연구를 통해 알게 되었다. 또한, H 사이의 결함방법(bonding)에 따라 DOS가 매우 많이 바뀌고 그에 따라 전자-포논 상관관계도 크게 변함을 확인하였다. 이를 좀더 세부적으로 연구하면서, disorder와 초전도 Tc의 상관관계를 연구할 것이다.
3. 전이금속 칼코젠 화합물 중에 하나인 WTe2는 외부 환경이 바뀌면서 quantum spin hall effect, 압력에 따른 초전도 현상, non-saturateing magnetoresistance와 typ-II Wely semimental의 특징, reem-temperature ferroelectricity 등 다양성 성질로 바뀔 수 있는 후보군 중 하나이다. 특히, WTe2는 압력에 따라 구조가 바뀌면서 초전도 현상을 띄는 물질로 알려져 있다. 하지만, 구조 변위에 대한 명확한 구조와 초전도 현상과의 상관관계가 규명되지 않았다. 그 이유 중 하나는 적절한 계산 방법론이 규명되지 않은 데 있다. 이 물질은 층간 사이의 반데르 발스 영향과 전자-스핀 효과를 동시에 고려해야 하므로, 반데르 발스 방법에 따라 전자구조가 많이 달라지는 경향성이 있다. 본 연구자는 여러 반데르발스 방법론을 사용하여, 전자-스핀 효과를 고려한 구조 변화를 연구하고 또한, WTe2의 layer 두께에 따른 초전도 현상을 연구할 예정이다.

□ 연구성과
1. 가장 큰 성과는 나트륨 이온 배터리 양극재의 구조의 안정성을 확보하여 상용화에 기여하고, 좀 더 에너지 효율을 높이는 것이다.

2. 상압 초전도체 개발의 성과는 상압이면서 고온의 초전도체 발견일 것이다. 본연구자는 지금까지 연구결과로 상압에서 준안성을 가진 물질의 Tc는 10K내외임을 보였다. 본 연구자는 여러 후보군들의 전자구조와 전자-포논의 상관관계를 조사하여, 상압에서 고온의 초전도체를 구현 목표로 하겠다.

3. 전이금속 칼코젠 화합물 중에 하나인 WTe2는 광소자 또는 밴드 갭조절에 따른 전자소자 등의 차세대 응용소자의 재료라 주목을 받고 있다. 또한 압력에 따라 초전도 현상을 보여서 앞으로의 소재 개발의 핵심 물질이 될 것이다. 본 연구를 통하여, 압력이 따른 구조변화를 예측하여, 압력을 조절하면서, 구조를 안정화시킬 수 있을 것이라 기대된다.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
1. 본 연구자의 배터리 접근 방법론은 기존의 배터리 연구에서 사용되지 않은 방법론으로서, 새로운 방법론을 제시할 것이다. 또한, 여러 시뮬레이션을 통해 양극재의 안정성을 테스트해볼 수 있어서, 효율적인 실험을 위한 매뉴얼이 될 것으로 기대된다.

2. 상압에서 하이드라이드 초전도체의 구현은 오랫동안 초전도 분야의 바람이다. 상압 상온 초전도체로 진행하는 과정의 새로운 한 단계를 제공할 것이다. 상온, 상압의 초전도체 실현은 양자컴퓨팅, 전력소모, 철도 교통운수, 의료 등에 응용될 것이다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 7
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• (1) 배터리 분야 ... 8
• (2) 초전도 분야 ... 9
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
• 1) 연구수행 결과 ... 9
• 2) 목표 달성 수준 ... 13
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 14
• (i) 배터리 분야 ... 14
• (ii) 초전도 분야 ... 14
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 15
• (i) 배터리 분야 ... 15
• (ii) 초전도 분야 ... 15
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 15
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 15
• 2) 연구 추진 전략 ... 17
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 18
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 18
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 18
• 끝페이지 ... 26