본 과제는 무인 자동 물류 이송용 레일AGV(셔틀)에 탑재할 고출력 하이브리드 리튬이온 커패시터를 개발하는 연구임. 연구 목표는 3.8V 작동전압, cc당 50F 이상 용량, 25℃~+80℃ 작동, HLIC+LIB 하이브리드 팩의 CMS 정밀도[전압(±0.25%), 전류(±0.5%), 온도(±2℃)] 확보와 전해액(이온전도도 7mS/cm 이상, 산화전압 4.6V 이상), 사전리튬화(음극초기효율 95% 이상), 양극활물질(양극고율특성 185mAh/g 이상) 구현임. 기대 효과는 온도 범위 확대와 AGV 및 전기차 등 전력 저장매체 확장, 용액 사전 리튬화 기반 양산성 향상, 고에너지밀도 성능 결정 핵심기술 확보임

[연차별 목표 변경사항]재학생수 : 50명 -> 39명수혜인원 : 66명 -> 52명논문게재건수 : 30건 ->20건Al/ML 기반 대용량 ESS 리스크 대응 및 안전설계를 위한 인공지능 에너지 융합 창의적 인재양성ㅇ인공지능·에너지 융합대학원 구성·운영 - 6전공 5학과와 AI/ML 및 ESS 전문기업 11곳, 창업지원을 위한 L&S 창업투자기관으로 구성 ...

본 과제는 무인 자동 물류 이송을 위한 레일 AGV(셔틀) 전원으로 활용할 고출력 하이브리드 리튬이온 커패시터를 개발하는 연구임. 연구 목표는 하이브리드 리튬이온 커패시터 및 하이브리드 배터리 팩 모듈을 구축하고, 3.8V 작동전압·부피당 50F 이상, 이온전도도 7mS/cm 이상, 음극초기효율 95% 이상, 양극고율특성 185mAh/g 이상을 달성하는 데 있음. 핵심 연구 내용은 레일 AGV 시스템 개발, 하이브리드 팩(HLIC+LIB) 탑재 가동 테스트, CMS 센싱 정밀도 확보, 전해액 개발, 사전리튬화 및 양극활물질 개발임. 기대 효과는 넓은 온도 범위에서 운행 가능한 고효율 전원 구현과 양산 공정 기반의 제조단가 절감 및 신뢰성 향상, AMR 물류 로봇 확산에 기여함.

◎ 공침 전구체가 배제된 단순공정-저비용-친환경 one-pot 용융염 합성공정을 통한 단입자 하이-니켈 양극소재 개발을 위해 아래의 3가지 연구 내용 및 전략을 제안함. 1) 유사 용해도 염-반응물 기반 반응성 향상된 one-pot 단입자 하이-니켈 양극소재 합성 2) d0 원소 one-pot 도핑을 통한 구조-안정화된 용융염 기반 단입자 하이-니켈 양극 소재 합성 3) Topochemical 용융염 합성법 기반 one-pot 코팅 공정 설계 ◎ 최종 연구 목표의 달성의 가능성을 극대화하기 위하여 단입자 하이-니켈 양극소재의 합성뿐만 아니라, 다양하고 체계적인 방사광 가속기 x-선 고도분석을 활용하여 단입자 양극소재의 정밀격자구조 분석 및 충/방전시 퇴화기구 규명을 진행함. ◎ 형상(격자면)/d0도핑/코팅 제어에 따른 최적 단입자 하이-니켈 양극소재의 1) 충/방전시 국부구조/전자구조 변화, 2) 고전압 충/방전시 H2-H3 상전이 현상, 3) 형상변화 및 크랙(crack) 형성기구 정보를 데이터베이스화. ◎ 각 인자들 간의 상관관계를 규명하고, 소재 합성과 분석 결과와의 원활한 Feed-back 시스템을 구축하여, 니켈함량 > 80%, 고용량을 (>210mAh/g) 유지하며 장수명 특성 (>80% 500cycle 후)을 보유한 세계 최고성능의 단입자 하이-니켈 양극소재를 개발하고자 함. ◎ 연차별 연구내용 1차년도) 반응성이 향상된 용융염 합성 기반 단입자 Li[NixCoyMn1-x-y]O2 (x≥0.6) 양극소재의 최적 합성 조건 설계 및 리튬이온전지 기반 성능 최적화 - 용융염에 대한 높은 용해도 및 반응물 간의 용해도가 유사한 Ni, Co, Mn 반응물 선정 - 염 및 열처리 온도 최적화: KCl(770 ℃), Li2MoO4 (705 ℃) 및 KCl-NaCl (50:50 mol%, 658 ℃), LiOH-LiNO3 (38:62 mol%, 175℃) 최적 공정(eutectic) 조성 탐색 및 선정 - 소재 개선을 위한 방사광 X-선 고도분석 2차년도) 반응성이 향상된 용융염 합성 기반 Co-free 단입자 하이-니켈 (니켈함량>70%) 층상 양극소재의 최적 합성 조건 설계 및 리튬이온전지 기반 성능 최적화 - 용융염에 대한 높은 용해도 및 반응물 간의 용해도가 유사한 Ni, Mn 포함 전이금속 반응물 선정 - 용융염 최적 공정(eutectic) 조성 탐색 및 선정 - 소재 개선을 위한 방사광 X-선 고도분석 3차년도) 용융염 합성 기반 d0 계열 원소가 도핑 된 단입자 하이-니켈 (니켈함량>70%) 양극소재의 최적 합성 조건 설계 및 리튬이온전지 기반 성능 최적화 - d0 계열 원소 후보군: Ti4+, V5+, Zr4+, Nb5+, Mo6+ ; 용융염에 대한 용해도가 높은 도핑 원소 반 응물 탐색 및 선정 - 방사광 X-선 고도분석을 통한 도핑 원소의 위치 및 구조 분석 4차년도) Topochemical 용융염 합성 기반 단입자 하이-니켈 (니켈함량>80%) 양극소재 표면 코팅 조건 설계 및 리튬이온전지 기반 성능 최적화 - 코팅 후보군: Li2ZrO3, LiAlO2, Li2WO4 ; 낮은 용해도의 LiNiO3 반응물과 높은 용해도 코팅용 반응물 탐색 및 선정 - 용해도가 낮은 하이-니켈 단입자 양극의 템플릿화 - 균열(crack) 형성 분석을 위한 입자(마이크로) 스케일 실시간 X-선 이미징 기법 개발 5차년도) 고출력/고용량/장수명 단입자 하이-니켈 양극소재 최적화: 니켈함량 > 80%, 용량 > 210mAh/g, 수명 > 80% (500회) ; 단입자 하이-니켈 양극소재 분석을 위한 방사광 가속기 X-선 고도분석 플랫폼 확립 - 합성 조건, 구조적/형상적/전기화학적 특성간의 상관관계 확립 - 형상(성장면) 조절, 이종원소 도핑 및 표면 코팅을 통한 리튬이온전지 특성 개선 및 극대화 방안 제시 - 소재 성능 개선 피드백 가능한 고도분석 플랫폼 확립