초록 ▼

□ 연구개요
• 에너지 저장 및 전환(슈퍼커패시터, 금속-공기전지, 연료전지 등) 응용에 광범위하게 활용되는 탄소기반 전극소재의 성능 극대화를 위한 연구.
• 탄소전극의 기공크기 및 구조, 계층성, 상호 연결성, 표면적 등을 조절하여 물질 전달 성능을 개선하여 탄소의 전기화학적 활성 표면 (전기화학 촉매 사이트, 이온 흡착표면 등)을 최적화, 극대화 하려는 연구.

□ 연구 목표대비 연구결과
• 물질전달 성능을 개선한 탄소를 활용한 고에너지 밀도 슈퍼커패시터 ( > 130 Wh kg^-1

□ 연구개요
• 에너지 저장 및 전환(슈퍼커패시터, 금속-공기전지, 연료전지 등) 응용에 광범위하게 활용되는 탄소기반 전극소재의 성능 극대화를 위한 연구.
• 탄소전극의 기공크기 및 구조, 계층성, 상호 연결성, 표면적 등을 조절하여 물질 전달 성능을 개선하여 탄소의 전기화학적 활성 표면 (전기화학 촉매 사이트, 이온 흡착표면 등)을 최적화, 극대화 하려는 연구.

□ 연구 목표대비 연구결과
• 물질전달 성능을 개선한 탄소를 활용한 고에너지 밀도 슈퍼커패시터 ( > 130 Wh kg^-1 이상) 연구.
: MOF를 활용하여 금속이온의 coarsening-induce 현상을 활용한 계층적이고 상호연결성을 가진 HIC를 합성함. HIC를 활용한 전극은 고용량 : 268.4 F g^-1, 고 에너지밀도 : 149 Wh kg^-1 의 슈퍼커패시터 소자를 합성함. 3DMC와 같은 기공크기 및 구조, 계층성, 상호연결성을 가지고 있으나, 크기가 약 300 nm 로 물질의 크기를 조절하여 물질전달 개선한 MCS를 합성함. MCS를 활용한 전극은 고용량 : 334.8 F g^-1, 고 에너지밀도 : 186 Wh kg^-1 슈퍼커패시터 소자를 합성함.
• 전고체 슈퍼커패시터 연구
: 고체전해질인 이온젤 (3D network 고분자와 IL을 혼합한 solid polymer gel electrolyte) 와 최상의 활성표면을 갖는 탄소기반 전극소재를 활용하여 고성능 flexible 전고체 슈퍼커패시터 연구를 진행함. 합성한 전고체 슈퍼커패시터는 고에너지밀도 (0.041 mWh cm^-2)를 가지고 우수한 변형성(120%)를 가짐.
• 고효율 단일원자 촉매 개발
: 비백금계 ORR 촉매 중 가장 효율이 우수한 단일원자 Fe-N co-doped carbon 촉매를 활용하여 고효율 단일원자 촉매 인 FeSi_xN4_-x 를 합성함. 합성한 촉매는 촉매점 뿐만 아리나 Si가 도핑된 근처의 탄소에서도 나타나는 것을 확인할수 있음. FeSiNC는 메조 기공 조절을 통해 촉매 지지체 내부의 확산 성능을 최대화 하여 전기화학적 활성표면을 최대한 사용해, 알려져 있는 비백금계 촉매 중 가장 좋은 ORR 촉매 성능을 띔.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
• 지구온난화, 본 연구개발 과제를 통해 얻은 기술은 EES및 전기자동차 에너지 저장 성능 향상에 크게 기여하여 친환경 에너지 생태계 조성을 앞당길 수 있음.
• 이를통해 전 세계가 당면한 탄소 중립에 크게 기여하여 사회적인 측면에서 지속 가능한 성장과 지구온난화 해결에 크게 기여할 것으로 기대됨.
• 연구개발을 통해 확보한 활성표면을 극대화한 탄소소재를 활용한 기술은 미래 웨어러블 소자를 위한 고성능, 유연한 에너지 저장 소자 개발을 기대해 볼 수 있음.
• 이를통해 2021년 약 121백만 달러의 시장의 가치가 있으며 2030년 392백만 달러로 폭발적인 성장이 예상되는 시장인 웨어러블 전자기기 분야의 글로벌 경쟁력을 높이고 시장을 선점하는데 활용 할 수 있을 것으로 예상됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 2-1. MOF-drived carbon 을 활용한 활성표면 최적화 연구 ... 5
• 2-2. 단일원자 촉매를 활용한 ORR 촉매 연구 ... 9
• 2-3. Mesoporous Carbon Sphere (MCS)를 활용한 활성표면 최적화 연구 ... 13
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 16
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 16
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 3) 목표 달성 수준 ... 17
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 18
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 18
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 19
• 7. 참고문헌 ... 20
• 끝페이지 ... 39