초록 ▼

□ 연구개요
본 과제의 목적은 리튬-설퍼전지의 양극소재로 폭넓게 연구되고 있는 고전도성 메조기공탄소/설퍼 복합체를 대체할 새로운 양극소재를 개발하는 것으로서, 설퍼의 고유한 반응 메카니즘에 기초하여 반전도성 메조기공 탄소계 소재-설퍼 복합체를 제조하고, 이를 기반으로 한 고에너지밀도(> 7 mAh/cm2), 장수명(> 200 회) 설퍼양극 제조기술 확보를 최종 목표로 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. 설퍼 담지체로 적합한 반전도성 메조기공 탄소계 소재 합성 기술 개발

-기존 다공성 탄소계 설퍼

□ 연구개요
본 과제의 목적은 리튬-설퍼전지의 양극소재로 폭넓게 연구되고 있는 고전도성 메조기공탄소/설퍼 복합체를 대체할 새로운 양극소재를 개발하는 것으로서, 설퍼의 고유한 반응 메카니즘에 기초하여 반전도성 메조기공 탄소계 소재-설퍼 복합체를 제조하고, 이를 기반으로 한 고에너지밀도(> 7 mAh/cm2), 장수명(> 200 회) 설퍼양극 제조기술 확보를 최종 목표로 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. 설퍼 담지체로 적합한 반전도성 메조기공 탄소계 소재 합성 기술 개발

-기존 다공성 탄소계 설퍼 담지체는 메조기공실리카를 주형으로 해서 제조하기 때문에 제조공정이 복잡하고 비싸서 양산에 적용하는데 한계가 있음. 또한, 고온에서 제조된 탄소 담지체는 기능성 작용기가 거의 없어서 활물질을 안정적으로 담지하는데 한계가 많음. 본 과제에서는 콜로이달 실리카를 주형으로 사용하여 저온 열처리를 통해서 극성 작용기가 풍부한 반전도성 다공성 탄소계 소재 제조 기술을 확립함. 초기 계획대로 연구가 진행되었으며 아래와 같은 결과를 얻음.
● 반전도성 설퍼 담지체인 메조기공 탄소계 소재의 나노 미세구조 제어기술 확보 : 실리카/탄소전구체 비율과 열처리 온도 조절을 통해 나노 구조체의 미세 구조를 제어함.
● 폴리설파이드 확산 완화 및 수명특성 향상을 위한 나노 구조체 표면처리기술 개발
: 나노 구조체 표면에 인산 작용기를 도입하여 폴리설파이드와의 화학적 바인딩을 유도하여 폴리설파이드의 확산을 억제함.
2. 반전도성 메조기공 탄소계 소재-설퍼 복합체 제조 및 전기화학적 특성 연구
-반전도성 메조기공 탄소계 담지체 내부로 melt-diffusion 방법을 사용하여 고압에서 설퍼를 주입하여 복합체를 제조함. 기존 입자성 도전재는 바인더 함량이 높아서 황의 함량을 높이기 어려움. 본 연구에서는 6% 정도의 바인더 용액에 반전도성 탄소/황 복합체와 CNT를 혼합하여 황 전극을 제조함.
● 반전도성 탄소/황 전극의 수명 특성 향상 메카니즘 규명 : 설퍼 화학종이 반전도성 메조기공 탄소계 담지체에 효과적으로 저장되는 것을 여러 가지 방법을 통해 입증함. 동일 구조의 전도성 탄소 구조체와 비교 연구를 통해 반전도성 탄소 표면에 있는 극성 작용기에 의한 수명 특성 증대 효과를 증명함.
● 고성능 설퍼양극 구현을 위한 메조기공 탄소계 소재-설퍼 복합체 기반의 전극 설계 최적화 : 비활성 물질인 바인더 함량을 줄이고, 전극 내 황의 함량을 높이는 전극 제조 방법을 확립함. 비표면적과 전기전도도가 높은 CNT를 도전재로 사용하여 전극의 내구성을 향상시키고, CNT의 상호 얽힘 구조로 인해 바인더 함량을 현저히 낮출 수 있었음.
3. 연구과정을 통해 국내 대학 연구의 활성화 및 핵심전문 인력 양성 : 과제 기간 동안 7 명의 대학원생을 양성하였고, 2 명의 학생이 석사학위를 받고 현재 양극재 기업에 취업하여 정직원으로 근무하고 있음.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
○ 본 과제에서 제시한 새로운 개념의 반전도성, 메조기공 탄소계 소재를 통해 기존 다공성탄소/설퍼 복합체의 열화 요인인 pore blocking 현상이 성공적으로 개선되면 리튬-설퍼전지 분야의 수많은 연구자들에게 황 양극 제조 기술에 대한 새로운 패러다임(paradigm)을 제시할 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 4
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 4
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 13
• 7. 참고문헌 ... 13
• 끝페이지 ... 28