KR20020078318A - Electrolyte Comprising a Polyurethane Binder for a Lithium Polymer Battery and Battery Containing the Same - Google Patents

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신준호
안효준
안주현
김창호
김형주
임영택
김종화
강근영
류호석
박철완
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대한민국(관리청:특허청장, 승계청:경상대학교총장)
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김형주
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Abstract

PURPOSE: A polyurethane matrix polymer electrolyte for a lithium polymer battery and a lithium polymer battery containing the electrolyte are provided, which has the low crystallinity, high tensile strength and elasticity and good ion conductivity. CONSTITUTION: The polyurethane matrix polymer electrolyte comprises a porous polyurethane binder; a plasticizer selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, tetraethylene glycol dimethylether and their mixtures; and a lithium salt selected from the group consisting of LiCF3,SO3, LiBF4, LiPF6, LiClO4 and LiTFSI. Preferably the porous polyurethane binder is prepared by cutting the polyurethane for the bumper of waste cars to the thickness of 100-300 micrometers. Preferably the plasticizer is a mixture of tetraethylene glycol dimethylether and ethylene carbonate in the ratio of 1:1 by volume or a mixture of propylene carbonate and ethylene carbonate in the ratio of 1:1 by volume; and the lithium salt is LiCF3, SO3.

Description

리튬폴리머 전지용 폴리우레탄 바인더 함유 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전지{Electrolyte Comprising a Polyurethane Binder for a Lithium Polymer Battery and Battery Containing the Same}Polyurethane Binder-containing Polyelectrolyte for Lithium Polymer Battery and Battery Comprising the Same

본 발명은 리튬폴리머 전지용 폴리우레탄 바인더 함유 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 낮은 결정성 및 높은 인장강도와 탄성력을 가지는 고분자로서, 제조가 간단하며, 폐기된 자동차 범퍼용 폴리우레탄을 재활용할 수 있는 환경친화적 소재인 다공성 폴리우레탄을 전해질용 바인더로 사용하여 제조된 리튬폴리머 전지용 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polyurethane binder-containing polymer electrolyte for a lithium polymer battery and a battery comprising the same. More specifically, the present invention is a polymer having low crystallinity, high tensile strength and elasticity, and is easy to manufacture, and the porous polyurethane which is an environmentally friendly material that can recycle the discarded polyurethane for automobile bumpers is used as an electrolyte binder. It relates to a polymer electrolyte for a lithium polymer battery produced using and a battery comprising the same.

최근 첨단기술의 발달에 따라 휴대폰, PCS 및 PHS 등의 휴대용 전화단말기, 휴대 TV, MDP(mini-discplayer), MP3 player 등의 포터블 AV 기기, 노트북 PC 및 PDA(Personal Digital Assistants)등의 포터블 OA 기기 등 많은 분야에서 소형화된 기기가 빠르게 보급되고 있다. 따라서 소형 기기의 에너지원으로서 현재 가장 우수한 방전 성능을 가지는 2차 전지 및 이를 구성하는 전해질에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.With the recent development of advanced technology, portable telephone devices such as mobile phones, PCS and PHS, portable TVs, portable AV devices such as MDP (mini-discplayer), MP3 player, portable OA devices such as notebook PC and PDA (Personal Digital Assistants) In many fields, miniaturized devices are rapidly spreading. Therefore, many studies have been conducted on secondary batteries having the best discharge performance as an energy source of small devices and electrolytes constituting the same.

현재 정보통신기기에 주로 사용되고 있는 2차 전지는 리튬이온 전지, 니켈수소 전지, 니켈카드뮴 전지 등이지만, 리튬이온 전지 또는 리튬폴리머 전지에 밀려 니켈카드뮴 전지와 니켈수소 전지는 서서히 수요가 감소되고 있다.Currently, secondary batteries mainly used in information and communication equipment are lithium-ion batteries, nickel-hydrogen batteries, nickel-cadmium batteries, etc., but nickel cadmium batteries and nickel-metal hydride batteries are gradually decreasing in demand due to lithium ion batteries or lithium polymer batteries.

전지에 사용되는 전해질은 액체 전해질, 필름 형태의 고체 전해질로 나뉠 수 있다. 액체 전해질은 전지로부터의 누출로 인하여 전지 성능이 감소되는 단점이 있는 반면, 겔(gel) 상태의 고분자 고체 전해질은 일반적으로 다음과 같은 장점이 있다: 첫째, 전지 파손시에도 액체가 누설될 염려가 없고, 둘째, 가볍고 얇은 외장재를 채용함으로써 리튬이온 전지보다 두께가 1mm 정도 얇게 만들 수 있으며, 셋째, 이온 전도체로서 전자 전도도는 매우 낮아 자가 방전률이 낮으며, 넷째, 전극과 전해질간의 접착성이 우수하고, 넓은 면적의 박막도포가 가능하며, 다섯째, 유연성이 높아 무기 고체 전해질보다 계면접착성이 우수하여 도포되어 제조하기가 용이하다. 그리고 이외에도 고분자 전해질의 높은 에너지 밀도로 인하여 넓은 면적의 박막전지를 만들 수 있으며, 가볍고 화학적으로 안정하며 제조공정이 간단하다는 장점도 있다.The electrolyte used in the battery may be divided into a liquid electrolyte and a solid electrolyte in the form of a film. Liquid electrolytes have the disadvantage that cell performance is reduced due to leakage from the cell, while gel solid polymer electrolytes generally have the following advantages: First, there is a risk of liquid leakage in case of cell breakage. Second, by adopting a light and thin exterior material, the thickness can be made 1mm thinner than a lithium ion battery. Third, as the ion conductor, the electron conductivity is very low and the self discharge rate is low. Fourth, the adhesion between the electrode and the electrolyte is excellent. In addition, it is possible to apply a thin film of a large area. Fifth, the flexibility is higher than the inorganic solid electrolyte, it is easy to apply the coating is easy to manufacture. In addition, due to the high energy density of the polymer electrolyte, a large area thin film battery can be made, and it is advantageous in that it is light, chemically stable, and the manufacturing process is simple.

따라서, 상기와 같은 고분자 전해질의 장점과 함께, 리튬의 낮은 중량과 높은 에너지 밀도, 및 유황의 무독성, 자원의 풍부성, 저렴한 가격 등을 고려하여 리튬/고분자 전해질/유황전지에 대한 관심이 높아지고 있다.Therefore, in consideration of the low weight and high energy density of lithium, the non-toxicity of sulfur, the abundance of resources, and the low price, the interest in lithium / polymer electrolyte / sulfur batteries is increasing. .

리튬/고분자 전해질/유황전지에 대한 연구로서, 미국특허 제5,523,179호(Chu 등)에는 50 중량%의 유황이 함유된 양극, 및 α-PEO(α-Polyethylene oxide)와 PVDF계 고분자 전해질을 이용하여 450mAh/g.cathode(900mAh/g.Sulfur)의 방전용량을, 그리고 a-PEO(amorphous PEO)를 전해질로 사용하여 상온에서 900mAh/g이상의 방전용량을 얻을수 있다고 개시하고 있다. 또한, Carins 등은 PEGDME 전해질을 사용하여 상온에서 450mAh/g.sulfur의 방전용량을 얻었다[Journal of Power Source, 89(2000), 219-226].As a study on lithium / polymer electrolyte / sulfur batteries, U.S. Patent No. 5,523,179 (Chu et al.) Used a positive electrode containing 50% by weight of sulfur, and α-PEO (α-Polyethylene oxide) and PVDF polymer electrolyte. It is disclosed that a discharge capacity of 450 mAh / g. Cathode (900 mAh / g. Sulfur) and a-PEO (amorphous PEO) as an electrolyte can obtain a discharge capacity of 900 mAh / g or more at room temperature. Carins et al. Also obtained a discharge capacity of 450 mAh / g.sulfur at room temperature using PEGDME electrolytes [Journal of Power Source, 89 (2000), 219-226].

고체 고분자 전해질은 전하 운반체인 염을 해리할 수 있으며, 분자의 유연성이 우수하여 염의 운반을 원활하게 하는 물질이어야 하며 주로 PEO (polyethylen oxide), PPO(polypropylene oxide) 등에 대한 연구가 진행되고 있다.Solid polymer electrolytes can dissociate salts, which are charge carriers, have excellent molecular flexibility and should be used to facilitate salt transport.

그러나 고체 고분자 전해질은 이온 전도도가 낮아 고성능의 전지 시스템에는 적용되기 힘든 단점이 있다. 고체 고분자 전해질의 이온전도도는 상온에서 10-5S/cm 정도로서 요구되는 10-4∼10-3S/cm 범위의 이온전도도를 나타내기가 힘들다. 최근에는 고체 고분자 전해질의 이온전도도를 향상시키기 위한 방법으로 이온 전도도가 큰 가소제를 고분자 전해질에 첨가시키는 연구가 수행되고 있다.However, the solid polymer electrolyte has a low ion conductivity, which is difficult to apply to a high performance battery system. The ion conductivity of the solid polymer electrolyte hardly exhibits the ion conductivity in the range of 10 −4 to 10 −3 S / cm, which is required as about 10 −5 S / cm at room temperature. Recently, as a method for improving the ionic conductivity of a solid polymer electrolyte, a research has been conducted to add a plasticizer having high ion conductivity to the polymer electrolyte.

지금까지 보고된 가소화된 고분자 전해질의 이온전도도는 상온에서PVDF(polyvinylidenefluoride)의 경우 6.4 ×10-3S/cm 정도이며[Periasamy 등, Journal of Power Sources, 88(2000), 269-273], PAN (polyacrylonitrile)의 경우는 1 ×10-3S/cm 정도이고[Dias 등, Journal of Power Sources, 88(2000), 169-191], PVC(polyvinylchloride)는 2 ×10-3S/cm이며[Alamgir 등, Journal of Power Sources, 54(1995), 40-45], PMMA (polymethyl-methacylate)는 3 ×10-3S/cm인 것으로 알려져 있다[Agnihotry 등, Electrochimica Acta, 44(1999), 3121-3126].The ionic conductivity of plasticized polymer electrolytes reported so far is about 6.4 × 10 -3 S / cm for PVDF (polyvinylidenefluoride) at room temperature [Periasamy et al., Journal of Power Sources, 88 (2000), 269-273], Polyacrylonitrile (PAN) is about 1 × 10 -3 S / cm [Dias et al., Journal of Power Sources, 88 (2000), 169-191], and polyvinylchloride (PVC) is 2 × 10 -3 S / cm. Alamgir et al., Journal of Power Sources, 54 (1995), 40-45, polymethyl-methacylate (PMMA) is known to be 3 x 10 -3 S / cm [Agnihotry et al., Electrochimica Acta, 44 (1999), 3121-3126].

본 발명자들은 PVDF, PAN, PVC, PMMA 등과 같은 기존의 전해질용 고분자 물질 대신에 폐기된 자동차 범퍼용 폴리우레탄을 재활용하고, EC, PC, TG, 또는 이들의 혼합물과 같이 높은 유전율 상수값을 갖는 가소제에 리튬염을 용해시켜 제조된 전해액을 이용하여 저비용으로 방전 특성 및 이온 전도도가 우수한 전해질을 개발하게 된 것이다.The present inventors recycled the discarded automobile bumper polyurethane instead of the existing electrolyte polymer materials such as PVDF, PAN, PVC, PMMA, and the like and have a high dielectric constant plasticizer such as EC, PC, TG, or mixtures thereof. Using an electrolyte prepared by dissolving a lithium salt in a low cost to develop an electrolyte with excellent discharge characteristics and ion conductivity.

본 발명의 목적은 제조가 간단하며 폐기된 자동차 범퍼용 폴리우레탄을 재활용할 수 있는 환경친화적 소재인 다공성 폴리우레탄을 리튬폴리머 전지에 적합한 전해질의 바인더로 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a porous polyurethane, which is an environmentally friendly material that is easy to manufacture and can recycle the discarded polyurethane for automobile bumpers, as a binder of an electrolyte suitable for a lithium polymer battery.

본 발명의 다른 목적은 번거로운 가공 절차 없이 기존의 상품화된 폴리우레탄 또는 폐기된 자동차 범퍼용 폴리우레탄을 절단기로 절단하는 공정만으로 리튬폴리머 전지의 전해질용 바인더를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a binder for an electrolyte of a lithium polymer battery by only cutting a conventional commercialized polyurethane or a discarded automobile bumper polyurethane with a cutter without a cumbersome processing procedure.

본 발명의 또 다른 목적은 폴리우레탄 바인더, EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), TG(tetraethylene glycol dimethylether), 및 이들의 혼합물에서 선택되는 가소제(plasticizer), 및 리튬염으로 이루어지는 리튬폴리머 전지용 고분자 전해질에 관한 것이다.Still another object of the present invention is a lithium polymer battery comprising a polyurethane binder, a plasticizer selected from ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), tetraethylene glycol dimethylether (TG), and a mixture thereof, and a lithium salt. It relates to a polymer electrolyte.

본 발명의 또 다른 목적은 다공성 폴리우레탄을 바인더(binder)를 리튬염 함유 전해액에 함침시켜 제조된 고분자 전해질을 적용한 고용량의 리튬폴리머 전지를 제공하기 위한 것이다.Still another object of the present invention is to provide a high capacity lithium polymer battery using a polymer electrolyte prepared by impregnating a porous polyurethane with a binder containing a lithium salt containing electrolyte.

본 발명의 또 다른 목적은 가소제의 구성 성분과 함침시간을 조절하여 이온 전도도 및 방전 용량이 우수한 전해질을 제공하기 위한 것이다.Still another object of the present invention is to provide an electrolyte having excellent ion conductivity and discharge capacity by adjusting the constituents of the plasticizer and the impregnation time.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can be achieved by the present invention described below.

도 1은 상용화된 폴리우레탄을 얇게 절단하여 본 발명에 따른 다공성 폴리우레탄을 제조하기 위한 절단기의 정면도이다.1 is a front view of a cutter for producing a porous polyurethane according to the present invention by cutting a thin commercially available polyurethane.

도 2는 본 발명에 따른 다공성 폴리우레탄의 전자현미경 사진이다.2 is an electron micrograph of a porous polyurethane according to the present invention.

도 3은 가소제 TG(tetraethylene glycol dimethylether) 중의 LiCF3SO3리튬염의 1M 농도 전해액에 본 발명에 따른 다공성 폴리우레탄 바인더를 함침시켜 제조된 전해질의 저항을 상온에서 측정하여 도시한 그래프이다.3 is a graph showing the resistance of an electrolyte prepared by impregnating a porous polyurethane binder according to the present invention in a 1 M concentration electrolyte of LiCF 3 SO 3 lithium salt in a plasticizer TG (tetraethylene glycol dimethylether) at room temperature.

도 4는 TG와 EC(ethylene carbonate)를 부피비 1:1로 혼합한 가소제 중의 LiCF3SO3리튬염의 1M 농도 전해액에 본 발명에 따른 다공성 폴리우레탄 바인더를 함침시켜 제조된 전해질의 저항을 상온에서 측정하여 도시한 그래프이다.4 is a measurement of the resistance of an electrolyte prepared by impregnating a porous polyurethane binder according to the present invention in a 1 M concentration electrolyte of LiCF 3 SO 3 lithium salt in a plasticizer mixed with TG and EC (ethylene carbonate) in a volume ratio of 1: 1 at room temperature. It is a graph shown.

도 5는 PC(Propylene carbonate)와 EC를 부피비 1:1로 혼합한 가소제 중의 LiCF3SO3리튬염의 1M 농도 전해액에 본 발명에 따른 다공성 폴리우레탄 바인더를 함침시켜 제조된 전해질의 저항을 상온에서 측정하여 도시한 그래프이다.5 is a resistance measurement of an electrolyte prepared by impregnating a porous polyurethane binder according to the present invention in a 1 M concentration electrolyte of LiCF 3 SO 3 lithium salt in a plasticizer mixed with PC (Propylene carbonate) and EC in a volume ratio of 1: 1 at room temperature. It is a graph shown.

도 6은 가소제 TG 중 LiCF3SO3리튬염의 1M 농도 전해액에 본 발명에 따른 다공성 폴리우레탄 바인더를 함침시켜 제조된 전해질의 방전용량을 상온에서 측정하여 도시한 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the discharge capacity of the electrolyte prepared by impregnating the porous polyurethane binder according to the present invention in a 1M concentration electrolyte of LiCF 3 SO 3 lithium salt in the plasticizer TG at room temperature.

도 7은 TG와 EC를 부피비 1:1로 혼합한 가소제 중의 LiCF3SO3리튬염 1M 농도 전해액에 본 발명에 따른 다공성 폴리우레탄 바인더를 함침시켜 제조된 전해질의 방전용량을 상온에서 측정하여 도시한 그래프이다.FIG. 7 shows measured discharge capacity of an electrolyte prepared by impregnating a porous polyurethane binder according to the present invention in a LiCF 3 SO 3 lithium salt 1M concentration electrolyte in a plasticizer mixed with TG and EC in a volume ratio of 1: 1 at room temperature. It is a graph.

도 8은 PC와 EC를 부피비 1:1로 혼합한 가소제 중의 LiCF3SO3리튬염 1M 농도 전해액에 본 발명에 따라 제조된 다공성 폴리우레탄 바인더를 함침시켜 제조된 전해질의 방전용량을 상온에서 측정하여 도시한 그래프이다.8 is a discharge capacity of an electrolyte prepared by impregnating a porous polyurethane binder prepared according to the present invention in a LiCF 3 SO 3 lithium salt 1M concentration electrolyte in a plasticizer mixed PC and EC in a volume ratio of 1: 1 at room temperature It is a graph shown.

도 9는 본 발명에 따라 제조된 다공성 폴리우레탄 함유 전해질에서 가소제 종류별 함침 시간 경과에 따른 전해질의 중량변화를 도시한 그래프이다.9 is a graph showing the weight change of the electrolyte according to the impregnation time for each plasticizer type in the porous polyurethane-containing electrolyte prepared according to the present invention.

본 발명은 리튬폴리머 전지용 폴리우레탄 바인더 함유 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전지에 관한 것으로, 상기 전해질은 다공성 폴리우레탄 바인더, EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), TG(tetraethylene glycol dimethylether), 및 이들의 혼합물에서 선택되는 가소제(plasticizer), 및 리튬염으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 고분자 전해질은 다공성 폴리우레탄 고분자가 EC, PC, TG 등의 가소제에 리튬염이 용해된 전해질에 함침된 것으로, 상온형 리튬유황전지에 적용되는 경우 1200 내지 1700 mAh/g.sulfur의 방전용량을 가질 수 있다.The present invention relates to a polyurethane binder-containing polymer electrolyte for lithium polymer batteries and a battery including the same, wherein the electrolyte is a porous polyurethane binder, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), tetraethylene glycol dimethylether (TG), and these It is characterized by consisting of a plasticizer, and a lithium salt selected from the mixture of. The polymer electrolyte according to the present invention is a porous polyurethane polymer impregnated in an electrolyte in which lithium salt is dissolved in a plasticizer such as EC, PC, and TG, and when applied to a room temperature type lithium sulfur battery, 1200-1700 mAh / g.sulfur It may have a discharge capacity.

본 발명에 따른 폴리우레탄은 이미 상품화되어 있는 고밀도 폴리우레탄 또는 폐기되는 자동차 범퍼용 폴리우레탄을 도 1의 절단기를 이용하여 100㎛∼300㎛의 두께로 얇게 절단하여 사용할 수 있다. 도 1의 절단기는 본 발명에 따라 기존의 폴리우레탄을 전해질용 바인더로 사용할 수 있는 상태로 가공하기 위하여 자체 제작한 장비로서 미세칼날(micro tomb)을 이용하여 폴리우레탄을 얇게 절단하는데 사용된다. 본 발명에서는 기존의 전해질용 바인더 대신 폐자원이나 기존의 상품화된 폴리우레탄을 절단하는 것만으로 간편하게 사용될 수 있는 바인더를 사용함으로써 전해질의 제조 비용을 절감하고 제조과정을 간단하게 할 수 있다.Polyurethane according to the present invention can be used by thinly cutting a commercially available high-density polyurethane or discarded automobile bumper polyurethane to a thickness of 100㎛ to 300㎛ using the cutter of FIG. The cutter of Figure 1 is used to cut the polyurethane thinly using a micro blade (micro tomb) as a self-produced equipment for processing in the state that can be used as a binder for the electrolyte according to the present invention. In the present invention, by using a binder that can be used simply by cutting waste resources or conventional commercialized polyurethane instead of the conventional binder for the electrolyte can reduce the manufacturing cost of the electrolyte and simplify the manufacturing process.

본 발명에 따른 가소제는 EC, TG, PC, 또는 이들의 혼합물이며, 가소제 혼합물로는 TG:EC=1:1(부피비), PC:EC=1:1(부피비) 혼합물이 바람직하다. 상기 가소제에 0.5 내지 1.5M(mole) 농도로 리튬염을 혼합하여 리튬염 함유 전해액을 제조한다. 상기 리튬염은 고체 고분자 전해질의 이온 전도성을 높이고자 사용되며, LiCF3SO3, LiBF4, LiPF6, LiClO4, 또는 LiTFSI(lithium trifluoro methane sulfonate imide) 등이 포함되는데, 이중 LiCF3SO3이 가장 바람직하다.The plasticizers according to the invention are EC, TG, PC, or mixtures thereof, with the TG: EC = 1: 1 (volume ratio) and PC: EC = 1: 1 (volume ratio) mixtures being preferred. The lithium salt is mixed with the plasticizer at a concentration of 0.5 to 1.5 M (mole) to prepare a lithium salt-containing electrolyte solution. The lithium salt is used to increase the ion conductivity of the solid polymer electrolyte, and includes LiCF 3 SO 3 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , or LiTFSI (lithium trifluoro methane sulfonate imide), wherein LiCF 3 SO 3 is Most preferred.

리튬염과 가소제는 교반기, 혼합기, 볼밀링기, 초음파기, 애트리터 등에 의하여 균질하게 혼합될 수 있다. 상기의 폴리우레탄 필름을 리튬염 함유 가소제 속에 함침시켜 전해질을 제조한다. 구체적인 전해질의 제조는 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있는 범위 내이다. 본 발명의 바람직한 구체예에서는 리튬염과 가소제를 교반기에 의하여 아르곤 분위기에서 12시간 동안 교반한 다음 폴리우레탄 필름을 리튬염 함유 가소제 속에 함침시켜 전해질을 제조한다.The lithium salt and the plasticizer may be mixed homogeneously by a stirrer, a mixer, a ball mill, an ultrasonic wave, an attritor, and the like. The polyurethane film is impregnated into a lithium salt-containing plasticizer to prepare an electrolyte. Preparation of the specific electrolyte is within the range that can be easily carried out by those of ordinary skill in the art. In a preferred embodiment of the present invention, the lithium salt and the plasticizer are stirred for 12 hours in an argon atmosphere by a stirrer, and then the polyurethane film is impregnated into the lithium salt-containing plasticizer to prepare an electrolyte.

본 발명에서는 폴리우레탄 바인더를 이용하고 가소제의 혼합물의 배합비율을 조정하여 기존의 상온형 고체 고분자 전해질보다 우수한 이온전도도와 높은 방전용량을 나타낼 수 있게 되었다.In the present invention, by using a polyurethane binder and adjusting the blending ratio of the mixture of plasticizers, it is possible to exhibit excellent ion conductivity and high discharge capacity than the conventional room temperature solid polymer electrolyte.

상기 전해질은 필요에 따라 무기 충진제를 더 포함할 수 있다. 사용되는 무기 충진제의 종류 및 함량은 당업자에 의하여 용이하게 정해질 수 있다.The electrolyte may further include an inorganic filler as necessary. The type and content of the inorganic filler to be used can be easily determined by those skilled in the art.

리튬폴리머 전지는 양극, 음극, 및 본 발명에 따른 전해질 시스템으로 이루어진다. 양극 및 음극은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 제조될 수 있다. 본 발명의 바람직한 구체예에서 음극(anode)으로는 리튬금속을, 양극(cathode)으로는 유황 전극을 사용한다. 유황 전극은 유황, 탄소, 리튬염 등을 용매에 넣고, 교반 및 유리판 위에 도포한 다음 건조되어 필름 형상으로 제조된다.A lithium polymer battery consists of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte system according to the present invention. The positive electrode and the negative electrode can be easily manufactured by those skilled in the art. In a preferred embodiment of the present invention, a lithium metal is used as an anode, and a sulfur electrode is used as a cathode. The sulfur electrode is sulfur, carbon, lithium salt, etc. in a solvent, stirred and coated on a glass plate, and dried to produce a film shape.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.The invention can be better understood by the following examples, which are intended to illustrate the invention and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims.

실시예Example

실시예 1A-1C: 전해질의 제조Example 1A-1C: Preparation of Electrolyte

실시예 1A: 가소제 TG를 함유한 폴리우레탄 고분자 전해질의 제조Example 1A Preparation of Polyurethane Polymer Electrolyte Containing Plasticizer TG

도 1의 절단기를 이용하여 다공성 폴리우레탄의 두께를 100㎛∼300㎛로 다양하게 변화시키면서 절단하였다. 도 2는 상기의 다공성 폴리우레탄을 전자현미경으로 관찰한 것이다.Using the cutter of Figure 1 was cut while varying the thickness of the porous polyurethane to 100㎛ ~ 300㎛. Figure 2 is an observation of the porous polyurethane with an electron microscope.

절단된 폴리우레탄을 필름 형태의 바인더로 만든 다음 수분을 제거하기 위하여 이틀 동안 50℃의 건조기에 방치하였다.The cut polyurethane was made into a binder in the form of a film and then left in a dryer at 50 ° C. for two days to remove moisture.

가소제 TG에 1M LiCF3SO3리튬염을 혼합하여 아르곤 분위기에서 12 시간 동안 교반하였다.1 M LiCF 3 SO 3 lithium salt was mixed with the plasticizer TG, and stirred for 12 hours in an argon atmosphere.

상기의 폴리우레탄 필름을 리튬염 함유 가소제 속에 함침시켜 전해질을 제조하였다. 가소제가 완전히 함침된 후 전해질을 아르곤 분위기에서 SS(Stainless Steel)/폴리우레탄 전해질/SS(Stainless Steel) 순서로 적층하였다. 상온형 다공성 폴리우레탄 전해질의 이온전도도 측정을 위해 임피던스(impedance) 측정기를 사용하여 전해질의 저항을 측정하였다.The polyurethane film was impregnated in a lithium salt-containing plasticizer to prepare an electrolyte. After the plasticizer was completely impregnated, the electrolyte was laminated in the order of SS (Stainless Steel) / Polyurethane Electrolyte / Stainless Steel (SS) in an argon atmosphere. In order to measure the ion conductivity of the room temperature type porous polyurethane electrolyte, the resistance of the electrolyte was measured by using an impedance meter.

도 3은 상기 전해질의 저항을 상온에서 측정하여 도시한 그래프이며, 도 9는 함침 시간에 따른 전해질의 중량 변화를 도시한 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the measurement of the resistance of the electrolyte at room temperature, Figure 9 is a graph showing the weight change of the electrolyte with the impregnation time.

실시예 1B: TG와 EC 혼합물을 가소제로 함유한 폴리우레탄 고분자 전해질의 제조Example 1B Preparation of Polyurethane Polymer Electrolyte Containing TG and EC Mixtures as Plasticizers

가소제로 TG:EC=1:1 혼합물(부피비)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1A와 같은 방법으로 전해질을 제조하고, 방전특성과 이온 전도도를 측정하였다.An electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1A, except that a TG: EC = 1: 1 mixture (volume ratio) was used as a plasticizer, and discharge characteristics and ionic conductivity were measured.

도 4는 실시예 1B에 따라 제조된 전해질의 저항을 상온에서 측정하여 도시한 그래프이며, 도 9는 함침 시간에 따른 전해질의 중량 변화를 도시한 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the measurement of the resistance of the electrolyte prepared according to Example 1B at room temperature, Figure 9 is a graph showing the weight change of the electrolyte with the impregnation time.

실시예 1C: PC와 EC 혼합물을 가소제로 함유한 폴리우레탄 고분자 전해질의 제조Example 1C Preparation of Polyurethane Polymer Electrolyte Containing PC and EC Mixtures as Plasticizers

가소제로 PC:EC=1:1 혼합물(부피비)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1A와 같은 방법으로 전해질을 제조하고, 방전특성과 이온 전도도를 측정하였다.An electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1A, except that a PC: EC = 1: 1 mixture (volume ratio) was used as a plasticizer, and discharge characteristics and ionic conductivity were measured.

도 5는 실시예 1C에 따라 제조된 전해질의 저항을 상온에서 측정하여 도시한 그래프이며, 도 9는 함침 시간에 따른 전해질의 중량 변화를 도시한 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the measurement of the resistance of the electrolyte prepared according to Example 1C at room temperature, Figure 9 is a graph showing the weight change of the electrolyte with the impregnation time.

실시예 2A-2C: 전지의 제조Example 2A-2C: Preparation of Battery

실시예 2A: TG 가소제 함유 전해질을 이용한 전지의 제조Example 2A: Preparation of Battery Using TG Plasticizer-Containing Electrolyte

실시예 1A에서 제조된 전해질을 아르곤 분위기에서 음극, 전해질, 양극 순서로 적층하여 리튬/폴리우레탄 전해질/유황전지를 제조하였다.The electrolyte prepared in Example 1A was laminated in the order of an anode, an electrolyte, and an anode in an argon atmosphere to prepare a lithium / polyurethane electrolyte / sulfur battery.

리튬/유황전극의 제조Fabrication of Lithium / Sulfur Electrode

음극(anode)으로는 리튬금속을, 양극(cathode)으로는 20% 유황전극을 사용하였다. 상기의 20% 유황전극은 다음과 같이 제조되었다: 유황분말 0.175g, 카본분말 0.16g, PEO 0.3001g, LiCF3SO30.0399g을 ACN(acetonitrile) 44㎖에 넣고, 24시간 동안 교반하여 유리판 위에 도포한 후 24시간 동안 상온에서 건조시키고 고분자 전해질에 흡착되어 있는 수분을 완전히 건조시키기 위하여 건조된 유황 전극을 데시케이터에 넣고 50℃의 건조기에서 12시간 동안 진공 건조하여 필름 형상으로 제조하였다.Lithium metal was used as an anode, and 20% sulfur electrode was used as a cathode. The 20% sulfur electrode was prepared as follows: Sulfur powder 0.175 g, carbon powder 0.16 g, PEO 0.3001 g, LiCF 3 SO 3 0.0399 g was put in 44 ml of ACN (acetonitrile) and stirred for 24 hours on a glass plate. After the coating, the dried sulfur electrode was placed in a desiccator to dry at room temperature for 24 hours and completely dried in the polymer electrolyte.

상온형 리튬/폴리우레탄 전해질/유황전지의 방전용량을 조사하기 위해 방전테스트기를 사용하여 방전용량을 측정하였다.In order to investigate the discharge capacity of the room temperature type lithium / polyurethane electrolyte / sulfur battery, the discharge capacity was measured using a discharge tester.

전극실험조건은 상온에서 휴지시간을 30분 동안 유지한 다음, 방전전류밀도를 20 ㎂/cell, 컷오프 전압(cut off voltage)은 1.5V로 하였다. 도 6은 전지의 방전용량을 측정한 그래프이며, 표 1에는 상기 방전 용량 값을 나타내었다.In the electrode test conditions, the break time was maintained for 30 minutes at room temperature, the discharge current density was 20 mA / cell, and the cutoff voltage was 1.5V. 6 is a graph measuring the discharge capacity of the battery, Table 1 shows the discharge capacity value.

실시예 2B: TG 및 EC 혼합물로 이루어진 가소제 함유 전해질을 이용한 전지의 제조Example 2B Preparation of Battery Using Plasticizer-Containing Electrolyte Consisting of TG and EC Mixtures

실시예 1B에서 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2A와 같이 전지를 제조하고 방전 용량을 측정하였다. 도 7은 전지의 방전용량을 측정한 그래프이며, 표 1에는 상기 방전 용량 값을 나타내었다.A battery was prepared as in Example 2A except that the electrolyte prepared in Example 1B was used, and the discharge capacity was measured. 7 is a graph measuring the discharge capacity of the battery, Table 1 shows the discharge capacity value.

실시예 2CExample 2C

실시예 1C에서 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2A와 같이 전지를 제조하고 방전 용량을 측정하였다. 도 8은 전지의 방전용량을 측정한 그래프이며, 표 1에는 상기 방전 용량 값을 나타내었다.A battery was prepared as in Example 2A except that the electrolyte prepared in Example 1C was used, and the discharge capacity was measured. 8 is a graph measuring the discharge capacity of the battery, Table 1 shows the discharge capacity value.

실시예 2AExample 2A 실시예 2BExample 2B 실시예 2CExample 2C 방전용량(mAh/g.sulfur)Discharge Capacity (mAh / g.sulfur) 16501650 12001200 12101210

도 3 내지 도 8을 종합하여 보면 실시예 1A의 전해질 저항( 190Ω)은 실시예 1B-1C의 다른 가소제를 사용한 경우에 비하여 높아 이온 전도도는 떨어지지만, 도 6에 나타난 바와 같이 이를 포함하는 전지의 방전용량은 1650mAh/g.sulfur로 우수하였다. EC를 포함한 실시예 1B 내지 1C의 전해질은 전해질 저항이 각각 11Ω, 8Ω으로 방전특성에 비해 이온전도도가 우수하였다.3 to 8, the electrolyte resistance (190 kPa) of Example 1A is higher than that of the other plasticizer of Example 1B-1C, and thus the ion conductivity is lower. However, as shown in FIG. The discharge capacity was excellent at 1650 mAh / g.sulfur. The electrolytes of Examples 1B to 1C including EC had excellent ion conductivity compared to discharge characteristics with electrolyte resistances of 11 kPa and 8 kPa, respectively.

도 9에 나타난 바와 같이, 실시예 1A의 전해질과 실시예 1B의 전해질은 0.5시간 이후부터의 가소제의 함침량은 거의 일정하였으며, 실시예 1C의 전해질의 경우는 6시간 이후로 가소제의 함침량이 거의 일정하였다.As shown in FIG. 9, the electrolyte of Example 1A and the electrolyte of Example 1B were almost constant in the amount of plasticizer impregnated after 0.5 hours, and in the case of the electrolyte of Example 1C, the amount of plasticizer impregnation was almost 6 hours later. It was constant.

본 발명은 다공성 폴리우레탄 전해질을 사용하여 제조가 간단하고 바인더인 폴리우레탄의 구입이 용이하며, 특히 폐기된 자동차 범퍼용 폴리우레탄을 재활용하면 가격을 낮출 수 있는 장점이 있으며, 기존의 고체 고분자 전해질과 비슷한 이온전도도와 높은 방전용량을 동시에 만족할 수 있는 리튬폴리머 전지용 다공성 폴리우레탄 바인더 및 이를 포함하는 전해질을 제공하는 효과를 갖는다.The present invention is simple to manufacture using a porous polyurethane electrolyte, it is easy to purchase a binder polyurethane, in particular, there is an advantage that the price can be lowered by recycling the discarded polyurethane for automobile bumpers, and the conventional solid polymer electrolyte and The present invention has an effect of providing a porous polyurethane binder for a lithium polymer battery and an electrolyte including the same, capable of simultaneously satisfying similar ion conductivity and high discharge capacity.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이해될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications and variations of the present invention can be readily understood by those skilled in the art, and all such variations or modifications can be considered to be included within the scope of the present invention.

Claims (5)

다공성 폴리우레탄 바인더;Porous polyurethane binders; 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르(TG), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 가소제(plasticizer); 및Plasticizers selected from the group consisting of ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), tetraethylene glycol dimethyl ether (TG), and mixtures thereof; And LiCF3SO3, LiBF4, LiPF6, LiClO4, 및 LiTFSI로 이루어진 군으로부터 선택되는리튬염;Lithium salts selected from the group consisting of LiCF 3 SO 3 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , and LiTFSI; 으로 이루어지는 리튬폴리머 전지용 폴리우레탄 고분자 전해질.Polyurethane polymer electrolyte for lithium polymer batteries. 제1항에 있어서, 상기 다공성 폴리우레탄 바인더는 폐자동차의 범퍼용 폴리우레탄을 100 내지 300 ㎛두께로 절단하여 제조되는 폴리우레탄 고분자 전해질.The polyurethane polymer electrolyte of claim 1, wherein the porous polyurethane binder is prepared by cutting a bumper polyurethane of a waste vehicle to a thickness of 100 to 300 μm. 제1항에 있어서, 상기 가소제의 혼합물은 TG:EC=1:1(부피비), 또는 PC:EC=1:1(부피비) 혼합물인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 고분자 전해질.The polyurethane polymer electrolyte of claim 1, wherein the mixture of plasticizers is a mixture of TG: EC = 1: 1 (volume ratio) or PC: EC = 1: 1 (volume ratio). 제1항에 있어서, 상기 리튬염은 LiCF3SO3인 것을 특징으로 하는 다공성 폴리우레탄 고분자 전해질.The porous polyurethane polymer electrolyte of claim 1, wherein the lithium salt is LiCF 3 SO 3 . 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 다공성 폴리우레탄 고분자 전해질, 리튬 금속으로 이루어진 음극, 및 유황 함유 양극으로 이루어지는 리튬폴리머 전지.The lithium polymer battery according to any one of claims 1 to 4, comprising a porous polyurethane polymer electrolyte, a negative electrode made of lithium metal, and a sulfur-containing positive electrode.
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