초록 ▼

□ 연구개요
무음극 이차전지는 현재 상용화 단계의 Li-ion batteries 대비 graphite 음극이 없고, 또한 연구 단계의 Li metal batteries 대비 Li 음극이 없는 매우 단순한 구조로 높은 에너지 밀도, 단순한 제조 방식, 낮은 제조 단가가 장점인 차세대 이차전지임. 하지만 상용화를 위해서는 낮은 CE가 반드시 해결되어야 함. 이를 위해 집전체 (current collector)의 표면 물성 및 구조 최적화를 통한 무음극 (anode free) 이차전지 및 전고체 전지의 충전 용량 및 CE 극대화 연

□ 연구개요
무음극 이차전지는 현재 상용화 단계의 Li-ion batteries 대비 graphite 음극이 없고, 또한 연구 단계의 Li metal batteries 대비 Li 음극이 없는 매우 단순한 구조로 높은 에너지 밀도, 단순한 제조 방식, 낮은 제조 단가가 장점인 차세대 이차전지임. 하지만 상용화를 위해서는 낮은 CE가 반드시 해결되어야 함. 이를 위해 집전체 (current collector)의 표면 물성 및 구조 최적화를 통한 무음극 (anode free) 이차전지 및 전고체 전지의 충전 용량 및 CE 극대화 연구를 진행함.

□ 연구 목표대비 연구결과
연구목표
1차년도: Pure Cu 대비 overpotential을 낮출 수 있는 코팅 물질 조성 개발
코팅과 구리 집전체간 합금화를 통해 코팅과 집전체가 접착력 강화하여 CE와 capacity retention 극대화시켜 무음극과 리튬메탈 전지의 성능을 극대화 함.
2차년도: Cu의 oxidation potential을 해치지 않는 물질 후보군 중 1종 이상을 선택하여 Cu 분말과 혼합 후 압력 소결하여 집전체 제조
구형 분말로 제조된 porous 집전체는 소결 시 형성되는 negative curvature area에서 capillary force에 의해 Li이 nucleation site로 선호됨. Flat 집전체 대비 nucleation energy barrier를 낮추어 uniform한 Li plating이 예상됨. 분말 소결법은 매우 단순한 공정으로 patterning 공정을 대비 제조 공정 단순화 및 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있음. 또한 이종 물질 간 계면은 Li nucleation sites로 작용하여 nucleation overpotential 낮추는데 큰 효과가 있을 것으로 예상됨.
3차년도: 1차 년도와 2차년도에 개발된 집전체에 최적화된 고체 전해질 solid state electrolyte (SSE)를 확보하고 전고체 전지 (all solid state battery, ASSB)를 제조하여 셀 성능을 검증함. 기존 anode free assb 에서 사용되었던 프린팅 방식이 아닌 sputtering 방식으로 SSE를 적층할 계획임. 충방전 사이클이 진행되면서 셀의 성능을 유지하기 위해서는 안정적인 SSE 와 집전체 간 계면 안정성 확보가 매우 중요함. 이를 위해 본 연구에서는 sputtering과 golvebox가 연결된 장치에서 셀을 제조하여 안정적인 계면 형성을 확보할 수 있을 것으로 기대됨.
연구결과
1차년도 연구결과 Zr계 금속유리 박막을 무음극 전지와 리튬메탈 전지에 적용하여 셀 성능 향상을 확보하였음. 2차년도 연구결과 구리 분말과 흑연 및 Zr 분말 첨가제를 추가하여 집전체 소결체 제조에 성공하였고 셀 성능 뿐만 아니라 부피당 무게당 에너지 밀도를 획기적으로 향상시켰음. 3차년도 연구결과 1차년도에서 개발된 Zr계 금속유리를 고체전해질와 집전체 계면에 적용하여 안정적인 셀 성능을 확보하였음. 본 과제를 통해 Small, ACS applied materials & interfaces, Electronic materials letters 및 한국재료학회지에 논문을 출판하였고 국제특허 포함 총 11편의 특허를 출원 및 등록하였음.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
- 고에너지 밀도 이차전지 제조: 무음극 이차전지는 동일 부피당/무게당 충전량을 향상시킬 수 있고 제조 단가 측면에서 매우 우수함. 본 연구를 통해 cycle life를 증가시킨다면 내연기관 자동차의 EV로의 대체를 가속화 시킬 것으로 기대됨.
- 이차전지와 금속 합금 물질 접목 기술 노하우 확보: 본 연구 과제를 성공적으로 수행하였을 경우 다성분계 합금의 이차전지 기술 접목 공정에 대한 많은 기술적 노하우를 확보할 수 있음.
- 차세대 전지인 ASSB애 에너지 밀도 증가: ASSB는 엑체 전해질이 사용된 이차전지 대비 발화 및 폭발 위험성이 제거된 차세대 전지로 평가되고 있음. ASSB에 무음극전지 구조까지 성공적으로 적용된다면 ASSB의 장점이 더욱 부각될 것으로 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구의 배경 및 필요성 ... 4
• 1.2 연구 가설 및 연구 가설의 도출 근거: 기존 연구결과 정리 ... 5
• 1.3 연구개발과제의 최종 목표 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 1 연차별 연구 목표 ... 6
• 2 연차별 연구 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 7
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 7
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 자체점검표 ... 14
• 7. 참고문헌 ... 14
• 끝페이지 ... 38