인시츄 화학가교에 의해 제조된 고분자 전해질을 적용한 리튬폴리머전지의 싸이클 특성 = Cycling performances of lithium polymer cells assembled with in situ cross-linked polymer electrolytes

국문 초록 (Abstract)

최근 리튬이온전지는 휴대폰이나 노트북과 같은 소형기기뿐만 아니라, 전기자동차(electric vehicles), 에너지저장시스템(energy storage systems) 등 대용량을 갖는 중대형 전원에의 응용으로 주목 받고 있다. 이러한 수요를 만족시키기 위해서 전지의 우수한 싸이클 수명과 안전성이 요구되는 가운데 겔 고분자 전해질을 사용하는 리튬폴리머전지의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중 액체 전해질, 중합이 가능한 고분자 그리고 리튬 염을 사용하여 고온에서 인시츄 화학가교반응을 시킴으로써 겔 고분자 전해질을 제조할 수 있으며, 이들은 우수한 이온전도도와 전기화학적 안정성을 보인다. 이렇게 제조된 겔 고분자 전해질은 상온에서 10-3 Scm-1 수준의 이온전도도 값을 보이지만 기계적 물성은 매우 취약하다. 일반적으로, 겔 고분자 전해질의 기계적 안정성은 리튬이온전지의 성능 향상을 위한 또 하나의 중요한 요소이다. 이를 극복하기 위해서 다공성의 폴리올레핀 분리막을 사용함으로써 치수 안정성을 확보하고 이로 인해 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또한 기존의 액체전해질을 사용할 경우 전지 내의 전극/전해질 사이의 계면특성이 취약하여 전해질의 부 반응이 지속적으로 일어나 전지의 성능을 악화시킨다. 따라서 본 연구에서는 인시츄 화학가교법을 이용하여 겔 고분자 전해질을 제조하고 이를 적용한 리튬폴리머전지를 제조하여 우수한 충방전 수명특성 결과를 기대하였다.
제 2장에서는 기존의 액체전해질과 아크릴레이트 기반의 가교제, 개시제를 포함하는 겔 고분자 전해질을 합성하였다. 인시츄 화학가교법에 의해 제조된 겔 고분자 전해질의 전기화학적 안정성을 평가한 결과 5.0V까지 안정함을 알 수 있었고, 임피던스 분석법을 통하여 전극과 전해질의 계면특성을 해석하였다. 리튬이온폴리머전지는 카본음극과 가교된 겔 고분자 전해질, LiCoO2 양극을 사용하여 제조하였고, 가교제의 함량에 따라 전해질을 제조하여 싸이클 수명을 비교하였다.
제 3장에서는 기존의 액체전해질을 대신하여 우수한 전기화학적 안정성을 가지며 난연성을 갖는 이온성액체를 적용하였다. 또한 열 적 특성이 우수한 인계 가교제를 합성하여 이온성 액체, 인계 가교제 그리고 개시제를 포함하는 겔 고분자 전해질을 제조하였다. 제조된 겔 고분자 전해질의 이온전도도와 산화 및 환원 안정성을 평가하였으며, 리튬 음극과 화학 가교된 겔 고분자 전해질, LiCoO2 양극으로 이루어진 리튬폴리머전지를 제조하여 싸이클 특성을 평가하였다. 그 결과 가교제의 함량이 증가할수록 이온의 이동도가 느려져 방전용량이 감소함을 보였고, 이는 고율방전테스트에서도 같은 경향을 보였다. 그러나 전극과 전해질 사이의 계면이 안정화되면서 추가적인 부 반응이 억제되어 싸이클 수명의 향상을 가져올 수 있었다. C rate가 증가할수록 전지 내의 저항이 증가하게 되어 고율특성이 떨어짐을 보였다. 전지의 안전성을 확인하기 위하여 싸이클 테스트 완료 후 양극 활물질을 채취하여 시차주사열량분석(DSC)을 진행하였다. 그 결과 열 가교반응을 통해 제조된 겔 고분자 전해질을 적용한 경우 발열량이 작게 나타나고, 발열온도도 낮아짐을 확인할 수 있었다.
제 4장에서는 인시츄 화학가교 된 겔 고분자 전해질을 이용하여 리튬 파우더 음극과 LiV3O8 양극으로 구성되는 리튬폴리머전지를 제조하였다. 이렇게 제조된 셀의 충방전 테스트를 진행한 결과 높은 방전용량과 우수한 용량 유지율을 나타내었고 기존의 액체전해질을 사용한 경우보다 고율특성도 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 리튬 파우더를 사용함으로써 표면적이 증가하여 면적당 리튬이 받는 전류밀도가 작게 되므로 저항이 감소하게 되고 동시에 겔로 전극이 둘러 싸고 있어 리튬의 덴드라이트 성장을 억제할 수 있었기 때문이다.
제 5장에서는 기존의 폴리올레핀 분리막 대신 전기 방사한 나노 포러스 구조의 멤브레인을 이용하여 고체고분자 전해질을 제조하였다. 올리고머 형태의 가소제와 가교가 가능한 아크릴래이트계 모노머, 개시제를 포함하는 고분자 전해질을 전기방사 멤브레인에 함침 시킨 후 인시츄 화학가교 반응을 진행시켜 리튬 메탈 음극과 LiCoO2 복합 전극을 이용하여 리튬폴리머전지를 구성하였다. 제조된 고체고분자 전해질의 이온 전도도를 확인해 본 결과 상온에서 5 x 10-4 S cm-1 값을 나타내었으며 전기화학적 안정성도 우수함을 확인하였다. 충방전 테스트 결과, 상온에서 200회 싸이클을 진행한 후에도 상온에서 87%의 용량 유지율을 보였으며, 싸이클 완료 후 전극과 전해질의 단면을 분석한 결과 가교에 의하여 안정한 계면을 형성함으로써 전기화학반응이 원활하게 일어날 수 있었음을 확인하였다.
제 6장에서는 폴리에틸렌옥사이드 고분자를 이용한 전기방사 분리막을 이용하여 고체고분자 전해질을 합성하고 이들의 전기화학적 안정성을 연구하였다. 제조된 고체전해질의 이온전도도는 상온에서 4 x 10-4 Scm-1 의 값을 보였으며 약 5.0V까지 전기화학적으로 안정함을 확인하였다. 또한 이들의 기계적 안정성을 평가한 결과, 가교도가 증가할수록 인장강도가 향상됨을 확인하였다.
LiFePO4 복합 양극과 리튬 금속전극 그리고 가교된 고체고분자 전해질로 구성되는 리튬폴리머전지를 제조하였으며 충방전 테스트 결과, 100회 싸이클이 진행된 후 약 97% 이상의 용량 유지율을 보였다.