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리튬 파이테이트 염을 도입한 리튬이차전지용 고체 고분자 전해질의 특성 및 성능에 관한 연구

A New Lithium Phytate Salt for High Ionic Conductivity and Mechanical Properties of Solid Polymer Electrolytes,

강용희 (Kang, Yong Hee, 서강대학교 일반대학원 화공생명공학과)

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휴대용 전자 장비의 소형화, 경량화 및 기능의 복합화와 환경 및 에너지 고갈 문제로 인한 전기자동차 시장의 확대 추세로 고에너지 밀도, 폭발 문제를 갖는 이차전지에 대한 수요가 점차 늘고 있다. 그에 따라 현재 상용화된 액체 전해질이 도입된 리튬이차전지의 안정성의 문제를 해결해 줄 수 있는 차세대 재료로서 화학적으로 매우 안정하며 고용량의 전지 구현이 가능한 고체 고분자 전해질에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 현재 열적, 기계적 특성이 우수하고 염과 착체를 형성할 수 있는 폴리에틸렌옥사이드 [poly(ethylene oxide...
휴대용 전자 장비의 소형화, 경량화 및 기능의 복합화와 환경 및 에너지 고갈 문제로 인한 전기자동차 시장의 확대 추세로 고에너지 밀도, 폭발 문제를 갖는 이차전지에 대한 수요가 점차 늘고 있다. 그에 따라 현재 상용화된 액체 전해질이 도입된 리튬이차전지의 안정성의 문제를 해결해 줄 수 있는 차세대 재료로서 화학적으로 매우 안정하며 고용량의 전지 구현이 가능한 고체 고분자 전해질에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 현재 열적, 기계적 특성이 우수하고 염과 착체를 형성할 수 있는 폴리에틸렌옥사이드 [poly(ethylene oxide), PEO]계 고분자 전해질이 상용화 가능성이 가장 높은 고분자 매트릭스 중의 하나로 알려져 있다. 하지만 PEO 착체는 상온에서의 이온전도도가 10-5 S/cm로 매우 낮은 한계가 있다. 이는 매우 점성이 높은 매개체뿐만 아니라 염의 낮은 해리도로 인해 고분자의 분절운동이 제한되기 때문이다. 따라서 고분자 전해질의 활발한 분절 운동에 의해 상온에서 높은 이온전도도를 갖는 고분자 전해질의 개발을 위해 유전상수가 높은 물질을 첨가하여 전도도를 상승시킬 수 있지만, 이는 낮은 기계적 강도 특성을 야기한다. 현재까지의 대부분의 고체 고분자 전해질은 10-4 S/cm보다 낮은 전도도를 가지며 매우 낮은 기계적 강도특성을 가진다. 뿐만 아니라, 고체 고분자 전해질의 이온전도도와 기계적 물성을 향상시키기 위하여 수십 나노 크기의 무기입자를 도입한 나노복합 고분자 전해질에 대한 연구가 수행되고 있으나, 이러한 무기입자는 PEO 기반의 전해질과 상용성이 떨어져 상분리 문제를 일으킬 뿐만 아니라 20 wt%이상에서 고분자의 움직임을 제한하여 오히려 이온전도도가 하락하는 경향성을 보인다. 이러한 고분자 전해질의 한계를 극복하기 위해 기계적 강도가 우수한 고분자량의 PEO 매트릭스에 큰음이온의 높은 해리도와 구조적 안정성을 가진 새로운 리튬염인 Lithium trifluoroborane phytate (LiTFBP)를 도입하여 이온전도도와 기계적 물성이 향상된 고체 고분자 전해질을 제조하였다. LiTFBP는 core에 육각형 구조의 cyclohexane을 갖는 phytate에 lithium을 붙여 염을 합성하고, 각 말단에 달린 6개의 phosphate로 인해 고체 고분자 전해질의 기계적 강도를 향상시켰다. 게다가 PEO 매트릭스 내에서 리튬염의 해리를 돕기 위해 리튬염 말단에 –BF3를 붙여 리튬염의 양이온인 Li+이 음이온에서 쉽게 떨어져 나와 단이온 (single ion) 상태로 존재하도록 하여 Li+의 빠른 확산을 도와 이온전도도를 향상시켰다. LiTFBP의 도입은 고체 고분자 전해질의 인장강도 1.3 MPa와 연신률 195%의 우수한 기계적 강도를 유지함과 동시에, 상온에서 최대 3.14 x 10-5 S/cm의 이온전도도를 확보하였다. 이 결과는 우수한 전도도를 유지하면서, 동시에 우수한 기계적 물성을 유지하기 때문에, 기존의 염을 사용한 전해질의 한계점을 해결한다. 개선된 LiTFBP는 고분자 전해질 기계적 강도를 우수하게 개선했으며, 이는 현재 고분자 전해질이 지니고 있는 연구의 한계를 극복할 것으로 판단된다.