[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

상용화 된 리튬이온전지의 기계적 손상, 과방전 및 과충전, 열 폭주 현상 등 폭발 위험성을 가지고 있다. 이로 인해 액체 전해질을 사용하지 않는 고체 전해질의 연구가 활발히 진행되고 있다.

가연성을 가지는 액체전해질을 대체하기 위해 고분자 고체전해질이 대체재로서 연구가 되어왔으나, 고분자 고체전해질의 경우 용해주조 방식을 통해 제작한다. 용해주조 방식은 고분자 고체전해질의 용액을 유리 페트리 접시 혹은 테플론 페트리 접시에 주조하여 고분자 고체전해질을 제조하는 방식이다. 용해주조의 경우, 간단히 고분자 고체전해질을 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있어 일반적으로 사용되고 있지만 다양한 문제점이 존재한다. 1) 용매의 표면장력으로 인해 전해질의 두께가 일정하지 못하다는 점, 2) 한 번 제작되는 고체전해질의 양이 페트리 접시 크기에 한정된다는 점과 3) 진공환경이 요구된다는 점, 그리고 4) 건조하는 과정에서 기포가 발생하여 표면이 균일하지 못하다는 점이 문제점으로 존재한다.

수평원심주조 방식은 열이 아닌 원심력으로 용매를 제거함과 동시에 균일하고 대면적의 고체 고분자전해질을 제조할 수 있는 방식이다. 용액을 주입하여 주형을 고속으로 회전하여 그 원심을 이용하는 방법인 수평원심주조 방식은 용해주조에 비해 치밀한 조직을 얻을 수 있으며, 용액 내의 기포 발생으로 인한 표면의 불균일 문제를 차단할 수 있다. 열처리와 진공 공정 단계를 생략함과 동시에 간단한 공정 단계를 가졌으며 작업시간이 짧고 대량생산이 가능함과 동시에 용해주조에서 발생하는 커피링 효과가 나타나지 않아 고체전해질의 두께와 표면이 일정하고 균일하다.

2. 연구내용

고분자 고체전해질은 간단하다는 이점을 가지고 있는 용해주조 방식으로 보통 제조하나, 진공열처리 과정이 필수적으로 존재하고 용매가 건조되는 과정에서 고체전해질의 주요 물성 중 하나인 두께가 불균일하다는 단점이 존재한다. 본 연구팀은 기존 용해주조 방식이 아닌 수평원심주조 방식을 이용하여 고분자 고체전해질을 제조하였고, 결과적으로 짧은 시간 내 많은 고체전해질을 제조할 수 있음과 더불어 보다 균일한 고분자 고체전해질을 생산할 수 있었다. 해당 고분자 고체전해질은 균일한 두께와 표면을 가지고 있기 때문에 리튬이온의 전달이 균일하게 이루어져 같은 물질이라 하더라도 안정적인 전기화학적 성능을 보였고 높은 충전속도에도 안정적인 성능을 나타내었다.

3. 기대효과

꿈의 배터리라고 불리는 전고체 전지를 상용화는 양산화가 이루어지지 않고서는 불가능하다. 해당 연구는 고체전해질 중 하나인 고분자 고체전해질의 제조방법에 관한 것으로 기존의 용해주조 방법에 비해 매우 우수한 생산속도와 균일한 전해질의 생산을 가능하게 함과 동시에 많은 에너지가 소비되는 진공환경과 열처리 공정을 삭제함으로써 보다 많은 경제적인 효과를 불러올 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. PVDF-TrFE : Poly(vinylidene difluoride-Trifluoroethylene)

폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 에틸렌(TrFE)를 중합시킨 고분자. 유기물 강유전체의 성질이 있어 소자의 게이트 재료로 많이 사용된다. 강유전성을 가지고 있는 해당 물질은 분극이 잘 일어나기 때문에 소자 물질로 사용되었지만 본 논문에서는 강유전성의 성질을 이용해 많은 양의 리튬염을 분해할 수 있어 높은 이온전도도를 얻었다는 특징이 있다.

2. 다이메틸폼아마이드 (DMF)

무색의 고체로 물, 대부분의 유기 액체들과 혼화성이 있다. 유기액체와의 혼화성이라는 특징으로 고분자 고체전해질의 용매로 가장 많이 사용된다.

3. 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 (LiTFSI)

전해질의 가장 중요한 필수요소(리튬염, 첨가제, 용매 혹은 고분자) 중 하나. 리튬염으로서 배터리 내 리튬 이온을 공급하여 원활하게 배터리가 구동될 수 있게 해주는 요소이다. 그 중 LiTFSI는 크기가 커 극성이 큰 리튬염으로 받아들여지는데, 강유전성 고분자 물질과 만나게 되면 더욱 많은 리튬염의 해리가 유도되어 높은 이온전도도를 가지는 전해액이 될 수 있다.

4. 용해주조 (Solution casting)

고분자 고체전해질을 제조하는 가장 보편적인 방법으로 간단하게 실험을 진행할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 고분자 전해질 용액을 제조하여 페트리디쉬에 채워넣어 진공 열처리를 하는 간단한 구조를 가지고 있다. 하지만 점도를 가지는 고분자 전해질 용액의 특성상 건조 시 페트리디쉬와의 표면장력으로 인해 전체적으로 두께가 균일하지 않고, 진공건조 시 용액 내 기포가 터져 전체적으로 거친 표면을 가질 수 있다.

5. 수평원심주조 (HCC, Horizontal Centrifugal Casting)

실제 파이프를 생산하는 공법으로 많이 쓰이는 방법으로 금속 용탕을 주액하여 원심력을 이용해 건조한다. 열처리 없이 용탕을 건조시킬 수 있고, 원심력을 이용해 건조되기 때문에 두께가 균일하고 치밀하며 기포가 외부로 빠져나가면서 건조되기 때문에 표면이 균일하다는 특징을 가지고 있다.

6. 주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscope)

주사전자현미경(SEM)은 전자 현미경의 한 종류로, 집중적인 전자 빔으로 주사하여 표본의 상을 얻는다. 전자들은 표본의 원자들과 상호반응하여 표본의 표면 지형과 구성에 대한 정보를 담고 있으며 검출 가능한 다양한 신호들을 생성한다. 전자 빔은 일반적으로 래스터 주사의 양식으로 주사하며, 빔의 위치를 검출된 신호와 결합하여 상을 만들어낸다. SEM으로 1 나노미터보다 좋은 분해능을 얻을 수 있다.

7. 리튬인산철 (LFP, Lithium Iron phosphate)

리튬, 인산, 철로 이루어진 무기물로 리튬이온배터리의 양극재 중 하나이다. 인산과 철로 이루어져있고 올리빈 구조를 가지고 있다는 특징으로 열적으로 안정하며 경제적이다. 중국에서 많이 사용되고 있는 배터리의 소재로 현재는 미국 TESLA에서도 채용하여 가장 많은 관심이 주목되고 있는 양극재이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 수평원심주조를 통한 고분자 고체전해질

그림2. 각 제조방식에 대한 두께 균일도 분석

설명 수평원심주조 방식의 균일한 고체전해질 제조를 설명하기 위한 SEM 분석

그림3. 고분자 고체전해질 적용한 전기화학적 성능

설명 a) Li과의 안정성을 나타내는 고분자 고체전해질의 장수명 테스트, b,c) 전류밀도에 따른 전해질 안정성 테스트, d) LFP//Li cell의 모형, e) LFP//Li cell의 고분자 고체전해질의 장수명 테스트, f) LFP//Li cell에서의 충전속도에 따른 전해질 안정성 테스트