KR0147106B1 - 리튬 2차 전지에서의 고분자 전해질 - Google Patents

리튬 2차 전지에서의 고분자 전해질

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Abstract

본 발명은 고체상태의 리튬(Li) 2차 전지의 전해질중에서 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)의 저온결정성 방지를 위해 선정된 가소제를 혼합함으로서 저온에서의 온도 특성 향상에 따라 전지의 방전용량을 증대시키는 것에 관한 것으로, 리튬(Li)염을 포함한 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)에 디메톡시에텐(Dimethoxy Ethane), 디에틸렌 프탈레이트(Diethylene Phtalate), 감마-부티로락톤(γ-Butyro lactose), N- 메틸피롤리돈(N-methyl Pyrolidone), 디메틸 술폭사이드(Dimethyl Sulfoxide), 2- 메틸테트라 하이드로 푸란(2-methyl Tetra hydrofuran), 카보네이트 중에서 선택한 2종이상의 가소제가 혼합되어 이루어짐을 특징으로 하는 리튬 2차 전지에서의 고분자 전해질에 관한 기술이다.

Description

리튬 2차 전지에서의 고분자 전해질
제 1 도는 기존의 리튬 2차 전지의 구성도
제 2 도는 본 발명의 온도에 따른 방전용량을 나타낸 그래프
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 복합양극 2 : 고분자 전해질
3 : 음극 4 : 양극집전판
5 : 음극집전판
본 발명은 고체상태의 리튬(Li) 2차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서 폴리에틸렌 옥사이드의 결정성을 방지하기 위한 가소제를 선정하여 혼합하므로서 저온에서의 온도특성 향상에 따른 전지의 방전용량을 증대시키는데 적합한 리튬 2차 전지에서의 고분자 전해질에 관한 것이다.
이동용 직류전원, 백업용 전원 등으로서 사용할 수 있는 충전가능한 고체상태의 리튬 2차 전지는 고밀도 에너지, 고신뢰성을 갖는 것이 기대되어 최근 많은 연구와 함께 개발되고 있다.
제 1 도는 일반적인 고체상태의 리튬 2차 전지의 구조를 나타낸 것으로, 복합양극(1), 고분자 전해질 착물(2), 음극(3), 양극집전판(4), 음극집전판(5)으로 구성된다.
이와같이 구성된 리튬 2차 전지에서 각 전극 및 전해질은 코팅 방법을 이용하여 필름으로 제조되며 이를 적층하여 전지로 제조된다.
이와같은 구성에서 복합양극(1)은 충전시 높은 전압이 인가되므로 고전압에 견딜 수 있는 전해질이 필요한데, 고분자 전해질로는 폴리에틸렌 옥사이스(PEO)에 리튬 퍼클로레이트(LiCIO4), 리튬 핵사플로오로 포스페이트(LiPF6)등과 같은 리튬염을 혼합한 복합체에 가소제로서 다량의 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 부틸렌 카보네이트(BC), DME 등을 첨가하므로서 리튬이온의 전도가 가능하도록 하고 있다.
그러나, PEO는 고온(100∼130 ℃)에서 충분한 비정질 구조이므로 리튬이온을 충분히 잘 전달할 수 있으나, 상온에서 결정성이 존재하는 특성때문에 온도가 하강함에 따라 상온이나, 상온이하에서 리튬이온을 전달하기가 어려운 단점을 가지고 있다.
따라서, PEO의 결정성을 감소시키기 위해 여러가지 방법들이 연구되어 왔다.
예를들어 에틸렌 옥사이드(EO)부분과 프로필렌 옥사이드(PO)부분의 불규칙한 공중합에 의해 다기능성 폴리에테르 분자구조를 갖는 유기 고분자 전해질(JS 249,461)에 대한 연구나 폴리 포스파젠, 폴리 실록산, 폴리 에틸렌 그리고 폴리 프로필렌등의 주쇄에 에틸렌 옥사이드 측쇄를 갖는 가지형 폴리 에틸렌 옥사이드로 구성된 이온 전도성 전해질(JS 136,408)등의 연구가 진행되고 있으며, PEO를 가교시키거나, 블랜드하는(US.pat.No 5,009,970)노력들도 있었으나, 저온에서의 온도특성을 향상시키는데는 크게 기여하지 못하고 있다.
이에 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 저온에서 PEO 의 결정성을 방지하기 위해 기존에 사용하던 가소제 보다 더욱 효과가 기대 되는 가소제를 선정하고, 이렇게 선정된 2,3 종류이상의 가소제를 혼합함으로서 저온에서의 방전용량 특성이 증대된 전지를 얻고자 하는데 그 목적이 있다.
이와같은 목적달성을 위한 본 발명은 리튬염을 포함한 고분자 전해질을 갖는 리튬 2차 전지에 있어서, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)고분자에 가소제로서 디메톡시에텐(DME : Dimethoxy Ethane), 디에틸렌 프탈레이트(DEP : Diethylene Phtalate), 감마-부티로락톤(γ-Butyrolactone), N-메틸피롤리돈(NMP : N-methyl Pyrolidone), 디메틸 술폭사이드(DMSO : Dimethyl Sulfoxide), 2-메틸테트라 하이드로 푸란(2-MeTHF : methyl Tetrahydrofuran), 카보네이트 중에서 선택한 2종 이상 혼합하여서 된 고분자 전해질로 이루어진다.
상기한 혼합 가소제는 고분자 전해질 전체양의 60∼80 wt% 함유시킴이 바람직하다.
이와같이 선정된 가소제를 혼합함으로서 공융점(eutetie point)효과를 기대하였으며, 이러한 가소제를 고분자 메트릭스에 첨가하여 전해질을 제조하고 바나튬 산화물을 사용한 복합양극과 리튬금속을 음극으로 사용하여 전지를 제조하게 된다.
다음은 실시예에 따라 설명한다.
[실시예 1]
500 ml 삼각플라스크에 리튬퍼클로레이트(LiCIO4: 1.78g), 혼합가소제(프로필렌 카보네이트(PC : 2.75g), 디에틸렌 프탈레이트(DEP : 7.12g)를 넣고 아세토니트릴(ACN) 250 ml를 첨가한 후 리튬퍼클로레이트(LiCIO4)를 용해시킨다.
위의 용액에 폴리에틸렌 옥사이드(PEO : 4.4g : MW=4000,000)를 넣고 상온에서 24시간 동안 용액이 균일하게 될때까지 교반한다.
이 용액을 닥터 블레이드를 이용하여 코팅하고 상온에서 건조시킨다.
이렇게 제조된 필름을 바나튬 산화물계 복합양극에 3개층을 적층시키고, 리튬음극을 한층 더 적층시켜 셀을 제조한다.
셀을 -20℃ 에서 140℃ 까지의 온도범위에서 충방전 시험기를 사용하여 전지의 방전 용량을 측정하였으며, 평가결과는 제 2 도에 나타내었다.
[실시예 2∼ 6]
실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질 필름을 만들어 셀을 제조하였으며, 고분자 전해질의 구성비율을 (표 1)과 같다.
본 실시예 역시 제 2 도에 준하거나 더욱 향상된 걸과를 얻었다.
이상에서와 갈이 본 발명은 리튬염을 포함한 고분자 메트릭스에서 PEO의 저온결정성을 방지하기 위해 선정된 가소제를 혼합하므로서 저온에서의 온도특성 향상으로 방전 용량이 증대된 리튬 2차 전자를 얻게 되었다.

Claims (2)

  1. 리튬(Li)염을 포함한 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)에 디메톡시에텐(Dimethoxy Ethane), 디에틸렌 프탈레이트(Diethylene Phtalate), 감마-부티로락톤(Υ -Butyro lactone), N-메틸피롤리돈(N-methyl Pyrolidone), 디메틸 술폭사이드 (Dinethyl Sulfoxide), 2- 메틸테트라 하이드로 푸란(2-methyl Tetra hydrofuran), 카보네이트 중에서 선택한 2종이상의 가소제가 혼합되어 이루어 짐을 특징으로 하는 리튬 2차 전지에서의 고분자 전해질.
  2. 제 1 항에 있어서, 고분자 전해질 중 리튬염을 포함한 폴리에틸렌 옥사이드가 5∼25 중량% 이고, 나머지가 가소제임을 특징으로 하는 리튬 2차 전지에서의 고분자 전해질.
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