전고체형 에너지 저장 매체 제조를 위한 이온성 액체 기반의 고체 전해질과 탄소나노복합체 기반의 전극소재 개발

김용렬,강혜주,정현택 한국응용과학기술학회 2019 한국응용과학기술학회지 Vol.36 No.4

The solid-state electrolyte based on polymer is applicable to various electrochemical devices including supercapacitor, battery, sensor, actuator and has great attention to develop its ionic conductivity from conventional polymer electrolyte by uisng wide range of ionic liquids. The research about ion gel as a solid state electrolyte with the ionic liquid has focused on the wearable and flexible electronic device to use as the high electrical and electrochemical performances, mechanical strength of polymer. In this work, we have investigated and developed solid-state electrolyte based on the ionic liquid and polymer with enhanced ionic conductivity and stability. 고분자를 기반으로 하는 고체 전해질은 수퍼커패시터, 배터리, 센서, 액추에이터 등 다양한 전기화학 소자에 응용이 가능한 소재로써, 기존 고분자 전해질의 낮은 이온전도도를 향상시키기 위해서 다양한 이온성 액체 기반의 고체 전해질에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이온성 액체의 높은 전기적 특성 및 전기화학적, 열적 안정성과 고분자의 우수한 기계적인 강도를 활용한 젤 상태의 고체 전해질인 이온젤은 차세대 웨어러블 및 플렉시블 전자소자에 응용되어 연구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 이온성 액체와 고분자 기반의 고체 전해질을 제조하고 특성을 분석하여 탄소나노복합체 기반의 전극에 적용하여 다양한 전자소자에 응용이 가능한 이온전도도 및 안정성이 향상된 이온성 액체 기반의 고체 전해질을 개발하고자 한다. 제조된 고체전해질은 전기화학적 임피던스법을 이용하여 이온 전도도를 측정 하여 보았으며 이온성 액체를 첨가하여 제조한 고체전해질의 이온 전도도가 1.26 x 10 -1 S/cm 로 확인 되었다. 또한 제조된 고체 전해질을 이용하여 전고체형 수퍼커패시터를 제조하여 전기화학적 특성을 비교 하여 보았으며, 수퍼커패시터의 전기화학적 특성 역시 이온성 액체를 첨가하여 제조된 고체 전해질을 사용하였을 때 향상된 전기화학적 특성을 나타내었다.

차원 제어된 산화물계 고체전해질을 포함한 전고체 전극의 성능 예측 모델 개발

박주남,김주영,신동옥,오지민,김주미,이명주,이영기,김용주,이용민 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

전고체 전지(All-solid-state Batteries, ASSBs)는 고에너지밀도 및 안전성을 동시에 확보할 수 있는 차세대 전지로 각광받고 있으나, 현 전고체 전지의 전기화학적 성능은 리튬이온전지 대비 굉장히 떨어지며, 특히, 전고체 전극 내 낮은 이온 전달 특성은 수 많은 성능 저하 원인 중 하나이다. 본 연구에서는 전고체 전극 구조체를 형성하고, 이를 포함한 전고체 전지의 성능을 예측할 수 있는 모델을 구축하여, 기존 구형 고체전해질이 아닌 차원 제어된 섬유 또는 판자형태의 고체전해질을 적용 시 성능 향상 가능성을 확인하였다. 결과적으로, 섬유 형태를 갖는 고체전해질이 전극 내 조밀한 이온 전달 네트워킹을 효과적으로 형성하여 전지 성능 향상이 가능함을 타진하였다.

차세대전지용 고이온전도성 황화물 고체전해질

김경수 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

불연 혹은 난연성의 고체전해질을 사용하는 전고체전지는, 종래의 가연성 유기 액체 전해액을 사용하지 않아 우수한 안전성이 기대되며 새로운 고전위 고용량 양/음극 재료와의 조합을 통해 에너지밀도의 향상도 가능한 것으로 기대되고 있다. 고체 전해질의 이온전도도는 액체에 비해 낮아 상온에서의 전지 구동이 어려운 수준이었으나, 2011년 일본 동경공업대학의 칸노 교수 연구팀에 의해 상온에서 유기 액체 전해액과 동등 수준의 높은 이온전도도를 갖는 새로운 황화물 고체전해질 Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS)가 보고되면서 관련된 연구 보고가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 황화물 고체전해질은 높은 이온전도도 뿐만 아니라 무른 입자 특성으로 활물질과의 접촉 면적을 높일 수 있는 장점이 있으나, 수분과의 반응성이 높아 보관 및 취급이 어려우며 산화물계 양극재료와의 계면에서 고저항층을 형성하는 단점이 있다. 본 연구에서는 종류 및 합성방법에 따른 고체전해질의 물성과 전지 특성의 관계에 대하여 논의하고자 한다.

고전도성 황화물 고체전해질의 습식합성법 개발 및 전기화학 특성 평가

정으뜸,이종흔,정훈기,이종호,김형철 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.1

최근 친환경 전기자동차가 주목 받으면서 높은 에너지 밀도와 고용량, 고신뢰성의 리튬이차전지(이하 LIB) 연구개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 하지만 현재 상용화된 LIB는 낮은 에너지 밀도와 유기전해액 사용에 의한 폭발 위험성을 가지고 있어 그 한계가 명확하다. 이러한 기존 액체전해질 기반 LIB의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 고체전해질 기반 LIB(이하 전고체전지)가 주목 받고 있으며, 그 중에서 황화물계 고체전해질 연구 분야는 전고체전지의 고도화를 이루는 중요한 연구들 중 하나이다. 현재 랩 스케일의 소규모 연구가 대부분인 황화물 고체전해질 개발은 대부분 건식공정으로 진행되며, 건식 공정의 태생적 한계(낮은 수율과 후속공정 호환성 부족)로 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 습식공정에 기반을 둔 리튬이온전도성 황화물 고체전해질의 합성법을 개발하고, 개발된 소재의 전기 화학적 특성을 평가하였다. 본 연구를 통해 개발한 신규 전해질은 건식공정 소재와 동등한 수준인 약 2 mS/cm의 이온전도도로 확인되었다.

차원 제어된 산화물계 고체전해질을 적용한 전고체 전극의 성능 예측 연구

박주남,김주영,신동옥,오지민,김주미,이명주,이영기,유명현,이용민 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1

고에너지밀도와 고안전성을 동시에 확보할 수 있는 전고체 전지(All-solid-state Batteries, ASSBs)의 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현 전고체 전지의 성능은 상용화된 리튬이온전지 대비 상당히 부족한 상황이며, 수 많은 성능 저하 원인 중 하나가 전고체 전극 내 낮은 이온 전달 특성이다. 본 연구에서는 3차원 전고체 전극 구조체를 형성하고, 이를 적용한 전고체 전지의 성능을 예측할 수 있는 모델을 구축하여, 단순 구형 고체전해질이 아닌 차원 제어된 섬유 또는 판자형태의 고체전해질을 적용시 성능 향상이 가능한지를 예측하였다. 결과적으로, 고차원 형태를 갖는 고체전해질이 전극 내 조밀한 이온 전달 네트워킹을 효과적으로 형성하여 전지 성능 향상에 기여할 수 있음을 확인하였다.

이온성 액체와 고분자 기반의 이차전지용 고체 전해질의 제조

강혜주,정현택 한국응용과학기술학회 2020 한국응용과학기술학회지 Vol.37 No.6

The solid-state electrolyte based on polymer has great attention to develop its ionic conductivity from conventional polymer electrolyte by using wide range of ionic liquids with remarkable processability, flexibility and is applicable to various electrochemical devices including batteries, supercapacitor. Polymer electrolyte based on Ionic liquid with high conductivity, wide electrochemical stability, thermal stability is used in various electronic devices. In this work, we have investigated and developed solid-state electrolyte based on ionic liquid and polymer with enhanced ionic conductivity and electrochemical performances to conduct to various electronic devices including secondary battery. The ionic conductivity of polymer based solid state electrolyte with optimized ratio of the ionic liquid was 1.46 -2 S/cm. The ionic liquid and polymer based electrolyte with enhanced ionic conductivity is promising candidates to utilize in wide range of secondary batteries. 고분자를 기반으로 하는 고체전해질은 용이한 가공성, 재료의 유연성뿐만 아니라 배터리, 슈퍼커패시터를 포함하는 이차전지 등 다양한 전기화학 소자에 응용이 가능한 소재로서, 기존 전해질의 낮은 이온전도도 및 전기화학적 안정성을 향상시키기 위하여 다양한 이온성 액체 기반의 고체 전해질에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이온성 액체의 높은 이온전도성, 넓은 전기화학 안정성, 열적 안정 성을 활용한 고분자 전해질은 다양한 전자소자에 활용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이온성 액체의 종류와 비율의 최적화를 통하여 고분자 기반의 고체 전해질을 제조하고 전기화학적 성능을 분석하여 이차전지를 포함한 다양한 전자 소자에 응용이 가능한 이온성 액체 기반의 전해질을 개발하고자 하였다. 이온성 액체의 비율을 최적화를 통하여 제조된 고분자 기반 고체 전해질의 이온 전도도는 1.46 -2 S/cm 로 확인되었다. 이온전도도가 향상된 이온성 액체와 고분자 기반의 고체 전해질은 다양한 이차전지에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

LLZO-Ta 고체전해질 복합 전극 특성 측정 및 분석

김도환,박주남,김용주,이용민 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1

고에너지 밀도의 전지를 채택하는 것은 상대적으로 전지 폭발의 위험성을 증대 시킬 뿐만 아니라 폭발 시 피해규모도 커진다. 이를 해결하기 위한 방안으로, 고에너지밀도형 차세대 리튬 이차전지의 안전성을 확보하기 위해 전고체전지(All-solidstate Batteries, ASSB)의 연구가 진행되고 있다. 하지만, 고체전해질의 낮은 이온전도도 및 높은 계면 저항은 해결해야할 가장 큰 문제이다. 이러한 측면에서 고체전해질 복합 전극 내 활물질/전해질 접촉 면적 확보는 전고체전지 연구에서 가장 중점이 되는 부분이다. 이에 본 연구에서는 복합전극과 활물질의 구성 요소 비율에 따라 이온전도도와 전기전도도 및 복합전극 내의 활물질/전해질 접촉면적을 분석함으로써 최적의 고체 전해질 복합 전극 설계안을 제시하였다. 이를 SEM(Scanning Electron Microscope), EDS(Energy Dispersive Spectrometry), AFM (Atomic Force Microscope), HIOKI, GITT(Galvanostatic intermittent titration technique)을 통해 확인하였다.

고분자-리튬염 복합 고체전해질 및 전극 비교 및 평가

김도환,김나연,변승우,박주남,이용민 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

높은 에너지 밀도의 리튬 이차 전지는 최근 전기자동차, 에너지 저장 시스템 등의 중대형 전지로 사용되고 있다. 하지만 이러한 리튬 이차 전지는 다량 함유된 액체 전해질의 가연성 때문에 화재 및 폭발 사고의 가능성이 존재한다. 따라서 리튬 이차전지의 안전성을 향상시키기 위하여 난연성의 고체 전해질을 사용하는 연구가 진행되고 있다. 다양한 고체 전해질 중 고분자계 고체 전해질(Solid Polymer Electrolytes, SPEs)은 제작이 용이하며, 우수한 유연성을 기반으로 활물질과의 접촉 측면에서도 단단하고 깨지기 쉬운 무기계 세라믹 고체 전해질에 비해 우수하다. 그 중에서 특히 poly(ethylene oxide) (PEO)기반의 SPE는 반결정성 고분자인 PEO가 고분자 고체 전해질의 주요 성분으로 연구되고 있다. 본 연구에서는 SPE(고분자-리튬염) layer와 SPE가 포함된 복합 전극 layer 간의 접촉 특성을 향상시키기 위하여 SPE layer를 제작 후 이온전도도 및 전기전도도와 같은 전기화학적 평가를 진행하였다. 또한, 추가적으로 해당 layer를 기반으로 과전압 특성과 음극 Half cell 기반으로 수명 특성 평가를 진행하였다.

3전극 전고체전지

정윤석 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

발화성이 있는 유기계 액체전해질을 사용한 상용 리튬이온전지는 안전성 문제로 인해 EV(electric vehicle) 등 대용량 에너지저장장치로의 적용에 큰 어려움을 겪고 있다. 이에 따라, 최근 무기계 고체전해질을 적용한 벌크형 전고체전지가 큰 각광을 받고 있다. 특히, 높은 성능의 벌크형 전고체전지를 구현할 수 있는 고체전해질로 황화물이 큰 주목을 받고 있다. 이는 황화물계 고체전해질의 높은 이온전도도(최대 10-2 S/cm) 및 냉간압착만으로도 활물질과의 면접촉을 가능하게 하는 무른 성질 (deformability) 때문이다. 지금까지의 전고체전지 평가는 In 또는 Li-In foil 을 대극 및 기준전극으로 사용한 2전극셀로 이뤄져왔다. 하지만, 이러한 대극/기준전극의 안정성에 대한 검증이 이뤄지지 않아 평가 결과를 바탕으로 한 작동전극의 성능 해석에 어려움이 있어왔다. 본 연구에서는 3전극 전고체전지에 관한 결과에 대해 논의될 것이다.

고체전해질 지지층을 이용한 산화물계 전고체 전지 개발

남상철 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

안전성 이슈로 인해 고체전해질을 사용하는 전고체전지에 대한 관심이 최근 들어 급속히 증가하고 있다. 전고체 전지는 전해질 형태 및 제조방법에 따라 고분자 전지, 고분자/세라믹 복합 전지와 세라믹 전지, 계면저항 이슈 해결 위해 적은 양의 액체전해질을 사용하는 pseudo-solid-state 등으로 나눌수 있다. 본 발표에서는 이온 전도도는 황화물계 대비 상대적으로 낮지만, 대기 중에서의 반응이 적고 취급이 용이한 산화물계 고체전해질을 사용, 이를 지지층으로 사용하고, 양극부는 공정이 단순한 프린팅법에 의해 제조된 세라믹계 all-solid-state 전지에 대해 보고하고자 한다.