| 초록 |
□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 리튬/나트륨이차전지용 산화철(α-Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) 단일입자 전극소재의 전환반응(저전압 영역) 영역에서 리튬/나트륨 이온의 반응에 대한 시공학적 실시간 이미징 분석을 위해 방사광가속기 기반의 주사투과엑스선분광현미경(scanning transmission x-ray microscopy(STXM))을 이용하고자 함. 이미징 결과를 통해, 산화철 단일입자내 나노 픽셀단위에서 전류밀도, 과전압 그리고 리튬/나트륨 이온조성등의 관계를 규명함으로 상전이, 반응생성물 및 철 원자가 상태, 리튬/나트륨 거동 등의 다양한 물성측정을 하고자 함 ◼ 전체 내용 산화철 입자는 리튬과 나트륨 이온의 전환반응이 가능한 모델 시스템으로서 이온전환반응에 따른 아래와 같은 상변이 메커니즘을 규명하고자 함. (1) 리튬과 나트륨 이온에 따른 고체 확산 및 상변이 메커니즘 규명. 이온의 크기는 (a) 전해질 용매화 에너지 (b) 전극입자 계면 흡착 에너지 (c) 격자내 확산속도 (d) 상변이 자유에너지 등을 결정함. 표면이 제어된 단결정 산화철 입자에 리튬/나트륨 전환반응을 수행함으로써 이온에 따른 입자 상변이 메커니즘을 연구하고자 함. (2) 이온 삽입 및 탈리에 따른 상변이 비가역성 연구. 표면 이온 삽입 속도와 확산속도의 불균일이 삽입과 탈리반응의 비가 역성을 유도함. 충전과 방전시 단결정 산화철 입자내 층상 이온 (a) 확산반응에 따른 고용체형성의 비가역성을 연구하며 (b) 추가 이온 삽입에 따른 산화철 입자의 철금속(0가) - Na<sub>2</sub>O(Li<sub>2</sub>O)로의 상변환 반응을 연구하고자 함. 특히, 이온의 삽입에 따른 Fe - Na<sub>2</sub>O/Li<sub>2</sub>O 상분리는 전지용량을 단기적으로 늘리지만 수명의 급격한 저하를 야기함. 높은 전류 밀도, 단결정내 스트레인 및 결함은 상분리가 억제된 비평형상을 유도할 수 있으며, 가역적인 이온의 삽입/탈리에 유리할 수 있음. 본 연구를 통하여 단결정내 공간적으로 가역적인 상변형이 일어날 수 있는 화학 조성을 찾고자 함. (3) 전류밀도에 따른 이온 전환 반응과 상변이 메커니즘 연구. 산화철 전극은 열역학적으로 확산에 따른 고용체 형성과 상분리 과정으로 나누어 생각할 수 있음. 하지만 이온 전환 속도에 따라 열역학적 평형을 벗어난 비평형 과정을 거칠 것으로 예상됨. 일반적으로 전류밀도에 따라 비평형성이 강해지며, 고용체-상분리가 불균일하게 일어날 수 있음. 한계전류밀도는 이온의 표면 삽입반응, 확산속도, 상분리속도에 의해 결정됨. 본 연구를 통해 전류밀도에 따른 단결정내 공간적 불균일성을 이해하고자 함. (4) 계면상 혹은 결정방향성에 따른 이온 전환 반응 거동 규명. 충방전중 산화철 입자의 표면에 생성된 고체-액체 계면상(SEI)은 고체의 표면에너지와 이온의 흡착에너지를 변화시킴. 이러한 변화가 이온의 표면 삽입 메커니즘에 끼치는 영향을 연구하고자 함. ◼ 1단계 ❏ 목표 방사광가속기 기반의 STXM을 이용한 시공학적 이미징 분석을 위한 플렛폼 개선 ❏ 내용 육각판상형의 모폴로지를 갖고 1-3 μm 크기의 구리황 입자 합성, 리튬이온의 구리황 소재내 충전정도에 따른 각 샘플의 엑스싯추 X-선회절 및 라만분광법으로 구조물성분석을 수행, 구리황에 대한 코인 및 미세유체셀(microfluidic cell) 성능 구현 ◼ 2단계 ❏ 목표 미세유체셀에서 산화철 단일입자와 리튬이온간의 충방전 반응이 진행될 때 STXM을 이용한 시공학적 이미징 분석을 통해 입자내 조성 및 상변화를 규명. ❏ 내용 판상형의 1 μm 크기의 산화철 입자 합성, 리튬 이온의 산화철 소재내 충전정도에 따른 각 샘플의 인싯추/엑스싯추 X-선회절 및 엑스싯추 라만분광법으로 구조물성분석을 수행, 산화철에 대한 코인 및 미세유체셀 성능 구현, STXM-X선 흡수 끝머리 부근 미세구조 분광법(XANES)에 의한 산화철 전극소재내 리튬이온과의 반응에 의한 조성 및 상변화를 규명, 산화철에 대한 코인 및 미세유체셀 성능 구현 ◼ 3단계 ❏ 목표 미세유체 풀셀(산화철은 음극소재, NaFePO<sub>4</sub>은 양극소재로 사용)에 STXM을 적용해 산화철 단일입자내 나트륨이온의 반응을 실시간 이미징 분석함. ❏ 내용 NaFePO<sub>4</sub> 양극소재 합성 및 전지성능 평가 ◼ 4단계 ❏ 목표 졸겔법으로 Li-doped ZnO (LZO) 박막이 코팅된 상업용 LiNi<sub>0.8</sub>Mn<sub>0.1</sub>Co<sub>0.1</sub>O<sub>2</sub>(NMC811) 양극소재를 합성하며 코팅소재의 두께 및 조성을 변화시켜 리튬이차전지 충방전 주기 테스트를 통해 최적의 성능조건을 찾고 테스트 전후의 양극 코팅 소재의 구조를 분석하여 공정-구조 물성-전지성능과의 관계를 규명함. ❏ 내용 졸겔법으로 LZO 박막을 상업용 NMC811 양극소재에 균일하게 표면코팅함으로 전지성능을 향상시킴. □ 연구개발성과 1. 구리황 음극소재관련 연구수행 결과: 1) 육각판상형 구리황 음극소재합성, 2) 리튬이차전지용 코인셀에 대한 구리황 음극소재 성능평가, 및 3) 코인 및 미세유체셀로 각 충전정도(state of charge)에 따른 전지특성분석을 수행한 샘플에 대한 엑스 싯추 X-선회절 및 라만분광법에 의한 구조물성분석 2. 산화철 음극소재관련 연구수행 결과: 1) 판상형 산화철 합성 및 구조물성, 2) 리튬 이온의 산화철 소재내 충전정도에 따른 각 샘플에 대한 방사광가속기기반 엑스싯추 STXM-XANES 분석 3. Li-doped ZnO (LZO) on NMC811 양극소재관련 연구수행 결과: 1) 대용량 공정이 가능한 졸겔법으로 상업용 NMC811 양극소재 표면에 LZO 코팅소재를 균일하게 도포함, 2) 2 wt% LZO on NMC811 샘플을 300 싸이클까지 충방전 테스트 결과, 112 mAh/g의 비용량(이론용량: 275 mAh/g)과 약 71%의 비용량 보존율을 획득함, 3) 현재 Frontiers 학회지에 논문을 투고한 상태이며, 리뷰 과정이 진행 중임. □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 1. 교육‧학술적 기대 효과 1) 리튬이차전지 전극소재에 대한 충방전 이미징 분석 관련분야 최고 수준(JCR 10% 이내 2편 이상 게재)의 논문게재. 2) 전지분야에 대한 후학 및 전문가 양성으로 차세대 기술발전을 주도할 선순환 교육구조를 만들어 사회 발전에 기여할 수 있음. 3) 본 연구주제는 재료, 화학공학 및 화학의 여러 학문분야 및 산학연의 융합연구문화확산을 일으킬 수 있음. 2. 산업‧경제적 기대 효과 1) 금속산화물 및 금속황화물계 전극소재가 중대형 에너지저장시스템 및 전기자동차 전지모듈 개발에 응용되는데 필요한 원천기술의 확보 및 기술개발에 우위를 점하는 것은 국가 에너지기술경쟁력을 갖추는데 필수적임. 2) 전기자동차 및 스마트그리드등의 환경친화적인 에너지산업(ET)의 발전 및 고용 창출효과를 기대할 수 있음. (출처 : 요약문 2p) |
