동결건조 방법을 활용한 저결정성·고이온전도성 Poly(ethylene oxide) 기반 고체전해질에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

리튬 이온 전지의 시장이 확대됨에 따라 고성능, 고안전성, 다기능성 전 지가 요구되고 있다. 차세대 배터리는 이러한 요구를 충족시키며 특히 전 고체 배터리는 유계 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리에서 발생하 는 안전성 문제인 폭발 및 열 폭주의 효과적인 해결책이다. 또한 3860 mAh g-1 의 높은 이론용량과 –3.04 V 의 낮은 환원전위를 가지는 리튬 금 속 음극을 적용할 수 있어 장점이 있다. 그 중 Poly(ethylene oxide) 기반 고분자 고체 전해질은 공정성, 안전성, 계면 특성, 경제성에 강한 장점이 있다. 그러나 이온전도도가 낮다는 단점 이 있어, 이를 보완하기 위해 결정도를 효과적으로 낮출 필요가 있다. 본 연구에서는 동결건조 법을 도입하여 마치 금속의 퀜칭(Quenching)과정처럼 고분자 사슬들을 동결시켜 정렬되기 전에 고정시킨다. 이를 통해 결정립의 성장을 억제하여 낮은 결정도를 가지는 막 (membrane)을 형성한다. 결정 도를 떨어뜨리기 위한 일반적인 방법들로는, 사슬과 수소 결합 등을 할 수 있는 첨가제를 도입하거나, 3 차원의 뼈대를 가지는 구조물을 도입하여 사 슬들의 정렬을 억제한다. 그러나 본 연구에서는 별도의 첨가제 도입없이, 제조 공정의 간단한 변화로 PEO 와 LiTFSI 로 이루어진 막의 이온전도도 를 개선시킨다. XRD 와 DSC 를 통해 결정도 감소를 규명하였고, 막의 표면 SEM image 를 관찰하여 PEO 의 전형적인 결정립인 스페룰라이트 (spherulite)의 성장이 억 제된 것을 확인 하였다. 저항 및 이온전도도 변화를 관찰하기위해 60 ℃에서 EIS 를 측정하였다. 동결건조를 통해 제조한 막은 약 10-5 S cm-1를 가지는 이 온전도도를 가진다. 또한 0.1 mA cm-2, 0.1 mAh cm-2 의 조건에서 기존대비 약 1.9 배 긴 2000 h 의 수명 특성을 보이며, 더 낮은 과전압(60 mV)을 가진 다. 나아가 완전셀에서는 1 C-rate 의 고속 충방전에서 기존 대비 약 3.27 배 많은 113.8 mAh g-1 의 비용량을 가진다. 파우치셀을 굽힘·천공·절단하는 시 험에서 안정적인 구동이 가능함을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 2.1 전지 4
• 2.1.1 전지의 개념 4
• 2.1.2 전지의 종류 및 한계점 6
• 2.2 차세대 이차전지 7
• 2.2.1 차세대 이차전지의 종류 7
• 2.2.2 차세대 이차전지의 한계점 9
• 2.3 고분자 고체 전해질 10
• 2.3.1 고분자 고체 전지의 배경 10
• 2.3.2 고분자 고체 전지의 원리 13
• 2.3.3 고분자 고체 전지의 전략 16
• Ⅲ. 실험 방법 20
• 3.1 고분자 고체 전해질 막 제조 20
• 3.1.1 동결건조를 통한 고분자 막 제조 20
• 3.2 물리화학적 특성 분석 23
• 3.2.1 X-선 회절 분석기 (XRD) 23
• 3.2.2 시차 주사 열량 분석 (DSC) 23
• 3.2.3 전계 방출 주사 전자 현미경 분석 (FE-SEM) 23
• 3.2.4 인장 강도 시험 (tensile strength test) 24
• 3.3 양극 및 코인형 전지 제작 25
• 3.3.1 전지 성능평가를 위한 양극 제작 25
• 3.3.2 전지 성능평가를 위한 코인형 전지 제작 25
• 3.4 전기화학적 특성 분석 27
• 3.4.1 전기화학 임피던스 분광 분석 (EIS) 27
• 3.4.2 선형 주사 전위법 (LSV) 27
• 3.4.3 리튬 이온 이동수 ( ) 27
• 3.4.4 정전류 충방전 (GCD) 28
• Ⅳ. 결과 및 토의 29
• 4.1 고분자 고체 전해질 최적화 설계 29
• 4.1.1 동결건조 과정 최적화 29
• 4.1.2 리튬 염(salt) 농도 최적화 33
• 4.2 물리화학적 분석 결과 35
• 4.2.1 물리적 특성 35
• 4.2.2 주사 전자 현미경 (SEM) 관찰 결과 35
• 4.2.3 X-선 회절 분석기 (XRD) 분석 결과 41
• 4.2.4 인장 강도 (tensile strength) 시험 분석 결과 43
• 4.2.5 시차 주사 열량 분석 (DSC) 결과 45
• 4.3 전기화학적 분석 결과 45
• 4.3.1 선형 주사 전위법 (LSV) 및 리튬 이온 이동수 ( ) 45
• 4.3.2 전기화학 임피던스 분광 분석 (EIS) 결과 48
• 4.3.3 구리 포일 (foil) 표면의 Li 증착 모폴로지 분석 결과 50
• 4.3.4 대칭 셀 시험 결과 52
• 4.3.5 완전 셀 시험 결과 54
• Ⅴ. 결론 62
• 참고문헌 63
• Abstract 68