KR20110041448A - 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물 - Google Patents

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KR20110041448A
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Abstract

본 발명은, 폴리머 전지의 전극 사이에 삽입되어 세퍼레이터를 형성하는 세퍼레이터용 조성물에 있어서, 사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머 클레이와, 상기 폴리머 클레이와 결합하는 염화칼슘 분말과, 세퍼레이터 내에서 도전제로 작용하는 탄소나노튜브(CNT) 분말과, 세퍼레이터용 조성물 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 도전제로 작용하는 활성탄 분말 및 젤화 안정제로 사용되는 카라기난을 포함하는 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 세퍼레이터용 조성물을 이용한 폴리머 전지에 의하면, 열 발생으로 인한 전기적 손실과 폭발성이 없고, 전지의 안정성이 매우 우수하다.

Description

폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물{Composite for separator of polymer battery}
본 발명은 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열 발생으로 인한 전기적 손실과 폭발성이 없고 안정성이 우수한 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물에 관한 것이다.
퍼스널 컴퓨터(personal computer; PC), VTR(video tape recorder) 등의 오디오/비디오(Audio/Video; A/V), 정보기기의 메모리 백업이나 이들의 구동 전원용 2차 전지로는, 니켈-카드뮴 전지가 주류를 이루었다. 최근에는 고전압·고에너지 밀도라는 이점을 가지며, 또한 우수한 자기 방전성을 나타내는 점에서 니켈-카드뮴 전지에 대체할 수 있는 비수 전해액 2차 전지가 상당히 주목받고 있으며, 다양한 개발이 시도되어 그 일부는 상품화되어 있다.
예를 들면, 노트북형 PC나 휴대전화 등은 그 절반 이상이 비수 전해액 2차 전지에 의해 구동되고 있으며, 이들 비수 전해액 2차 전지에 있어서는 음극을 형성하는 재료로서 카본이 많이 사용되고 있는데, 그 표면에 리튬이 생성된 경우의 위험성의 저감 및 고구동, 전압화를 목적으로, 각종 유기용매가 전해액으로서 사용되고 있다. 또한, 카메라용 비수 전해액 2차 전지로는 음극 재료로서 알칼리 금속(특히, 리튬 금속이나 리튬 합금) 등이 사용되고 있으므로, 그 전해액으로는 통상 에스테르계 유기용매 등의 비프로톤성 유기용매가 사용되고 있다.
그러나, 이들 비수 전해액 2차 전지는 고성능이기는 하나, 안전성 면에서 이하와 같은 문제가 있다.
먼저, 비수 전해액 2차 전지의 음극 재료로서 알칼리 금속(특히 리튬 금속이나 리튬 합금 등)을 사용한 경우에는, 이 알칼리 금속은 수분에 대하여 매우 고활성이기 때문에, 예를 들면 전지의 밀봉이 불완전하여 수분이 침입하였을 때 등에는 음극 재료와 물이 반응하여 수소가 발생하거나, 발화되는 등의 위험성이 높다는 문제가 있다.
또한, 리튬 금속은 저융점(약 170℃)이기 때문에, 단락 시 등에 대량의 전류가 급격히 흐르면 전지가 비정상적으로 발열하여 전지가 용융되는 등의 매우 위험한 상황을 야기시킨다는 문제가 있다. 그리고, 전지의 발열로 인하여 전술한 유기용매를 베이스로 하는 전해액이 기화, 분해되어 가스를 발생시키거나, 발생한 가스에 의하여 전지의 파열, 발화가 일어난다는 문제가 있다.
한편, 최근에는 태양, 진동, 온도변화, 소음 등의 주변의 흩어져 있는 환경으로부터 에너지를 얻을 수 있는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)에 대한 관심이 높아지고 있다. 예를 들면, 태양을 이용한 태양열 전지(solar cell), 진동이나 압력을 이용한 압전(piezoelectric), 온도차에 의한 써모일렉트릭(thermoelectric), 소음에 의한 어코스틱 노이즈(acoustic noise) 등이 있다.
특히, 압전 소자(piezoelectric device)는 고체에 힘을 가하였을 때 전기적 분극이 일어나는 현상을 이용한 소자이다. 일반적으로는 Pb,Nb,Zr,Ga,Ti과 같은 세라믹과 같은 물질에 기계적인 힘을 주면 내부에 응력이 발생하고 그 물질속에 전기분극이 일어나는 현상을 압전 현상이라고 하고, 전기를 가하면 내부에 응력이 발생하여 수축, 팽창할 수 있게 된다. 압전현상이 있어나는 방향성은 전기분극과 같은 방향과 횡방향으로 수축하거나 이완하는 것으로 나눌 수 있다. 이러한 압전 소자는 압력계, 발진자 등에 이용하고 있고, 로드셀, 액추에이터, 프린터 등에서도 이용하고 있다.
이와 같이 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 소자는 주변의 활용되고 있지 않은 진동이나 압력(예컨대, 인간의 일상적인 동작인 걸음(walking), 타이핑(typing) 등과 같은 동작 등에 의한 압력) 등으로부터 필요한 전력을 얻을 수 있고, 전자 노이즈가 발생되지 않을 뿐만 아니라 장시간 사용할 수가 있어서 기존 2차 전지, 연료 전지를 대체 또는 보완할 수 있는 방안도 연구되고 있다.
한편, 폴리머 전지와 관련하여 본 출원인이 특허권자인 대한민국 특허등록번호 제10-0836202호(특허출원번호 10-2006-0137748호)에 '나노 폴리머 클레이 전지물질, 이를 이용한 전지 및 전지의 제조방법'이 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열 발생으로 인한 전기적 손실과 폭발성이 없고 안정성이 우수한 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물을 제공함에 있다.
본 발명은, 폴리머 전지의 전극 사이에 삽입되어 세퍼레이터를 형성하는 세퍼레이터용 조성물에 있어서, 사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머 클레이와, 상기 폴리머 클레이와 결합하는 염화칼슘 분말과, 세퍼레이터 내에서 도전제로 작용하는 탄소나노튜브(CNT) 분말과, 세퍼레이터용 조성물 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 도전제로 작용하는 활성탄 분말 및 젤화 안정제로 사용되는 카라기난을 포함하는 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물을 제공한다.
상기 세퍼레이터용 조성물은 음의 세퍼레이터를 형성하는 물질이고, 상기 폴리머 클레이는 25.0∼75.0중량% 함유되고, 상기 염화칼슘 분말은 5.0∼40.0중량%로 함유되며, 상기 탄소나노튜브 분말은 0.1∼5.0중량% 함유되고, 상기 활성탄 분말은 1.0∼25.0중량% 함유되며, 상기 카라기난은 0.5∼15.0중량% 함유된 것일 수 있다.
상기 세퍼레이터용 조성물은 양의 세퍼레이터를 형성하는 물질이고, 상기 폴리머 클레이는 25.0∼75.0중량% 함유되고, 상기 염화칼슘 분말은 5.0∼40.0중량%로 함유되며, 상기 탄소나노튜브 분말은 1.0∼25.0중량% 함유되고, 상기 활성탄 분말은 1.0∼5.0중량% 함유되며, 상기 카라기난은 0.5∼15.0중량% 함유된 것일 수 있다.
상기 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물은, 점도 조절을 위한 점증제를 더 포함하고, 상기 점증제는 0.5∼15.0중량% 함유되고 폴리스테아레이트로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 세퍼레이터용 조성물을 이용한 폴리머 전지에 의하면, 종래 화학적 방식에 의한 전지들과는 달리 열 발생으로 인한 전기적 손실과 폭발성이 없고, 전지의 안정성이 매우 우수하다.
또한, 본 발명의 세퍼레이터용 조성물을 이용한 폴리머 전지는 진동이나 압력이 가해질 경우에 전지 내부에서 전기적 분극이 일어나는 압전 소자로도 이용이 가능하다. 본 발명의 세퍼레이터용 조성물을 이용한 폴리머 전지에 기계적인 힘을 주면 내부에 응력이 발생하고 그 물질속에 전기분극이 일어나는 압전 현상도 발생한다. 따라서, 본 발명의 세퍼레이터용 조성물을 이용한 폴리머 전지는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 소자로서 진동이나 압력 등으로부터 필요한 전력을 얻을 수 있고, 전자 노이즈가 발생되지 않을 뿐만 아니라 장시간 사용할 수가 있어서 기존 리튬 2차 전지 또는 연료 전지를 대체 또는 보완할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 일반 폴리머 분자와 팽창 폴리머 분자의 사슬구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전극용 조성물의 사슬구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 전지의 적층 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 전지의 전극 양면에 절연층이 형성되는 소자 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리머 전지의 적층 구조를 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리머 전지의 전극 양면에 절연층이 형성된 소자 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 폴리머 전지의 전위차와 전자 이동 현상을 나타낸 도면이다.
도 8은 양전극, 음의 세퍼레이터, 양의 세퍼레이터 및 음전극으로 구성되는 본 발명의 폴리머 전지를 이용하여 전자계산기의 전원을 온(On)시킨 모습을 보여주는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폴리머 전지는 도 3에 도시된 바와 같이 양전극과 상기 양전극에 대향되게 구비되는 음전극을 포함한다.
상기 양전극 및 상기 음전극은, 사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머와, 상기 폴리머와 결합하여 상기 폴리머에 유연성을 부여하는 연화폴리머와, 상기 폴리머, 상기 연화폴리머 또는 상기 폴리머와 상기 연화폴리머의 화합물을 팽창시키기 위한 폴리머 팽창제와, 전기 전도성을 부여하는 전극 활물질로 작용하는 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 전극 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 전기 전도성을 부여하는 전극 활물질로 작용하는 활성탄 분말을 포함한다. 상기 양전극 및 음전극은 점도 조절을 위한 점증제를 더 포함할 수 있다. 양전극과 음전극에 함유된 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양전극과 음전극 사이에 전위차가 나타난다. 양전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량은 음전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량에 비하여 많고, 음전극에 함유된 활성탄 분말의 함량은 양전극에 함유된 활성탄 분말의 함량에 비하여 많게 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 폴리머 전지는 도 5에 도시된 바와 같이 양전극과, 음의 세퍼레이터, 양의 세퍼레이터 및 음전극이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 상기 양전극 및 상기 음전극은, 사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머와, 상기 폴리머와 결합하여 상기 폴리머에 유연성을 부여하는 연화폴리머와, 상기 폴리머, 상기 연화폴리머 또는 상기 폴리머와 상기 연화폴리머의 화합물을 팽창시키기 위한 폴리머 팽창제와, 전기 전도성을 부여하는 전극 활물질로 작용하는 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 전극 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 전기 전도성을 부여하는 전극 활물질로 작용하는 활성탄 분말을 포함한다. 상기 양전극 및 음전극은 점도 조절을 위한 점증제를 더 포함할 수 있다. 상기 음의 세퍼레이터 및 상기 양의 세퍼레이터는, 사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머 클레이와, 상기 폴리머 클레이와 결합하는 염화칼슘 분말과, 세퍼레이터 내에서 도전제로 작용하는 탄소나노튜브(CNT) 분말과, 세퍼레이터용 조성물 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 도전제로 작용하는 활성탄 분말 및 젤화 안정제로 사용되는 카라기난을 포함한다. 상기 음의 세퍼레이터 및 양의 세퍼레이터는 점도 조절을 위한 점증제를 더 포함할 수 있다.
양전극과 음전극에 함유된 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양전극과 음전극 사이에 전위차가 나타난다. 양전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량은 음전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량에 비하여 많고, 음전극에 함유된 활성탄 분말의 함량은 양전극에 함유된 활성탄 분말의 함량에 비하여 많게 하는 것이 바람직하다.
또한, 양의 세퍼레이터와 음의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양의 세퍼레이터와 음의 세퍼레이터 사이에 전위차가 나타난다. 양의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브의 함량은 음의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브의 함량에 비하여 많고, 음의 세퍼레이터에 함유된 활성탄 분말의 함량은 양의 세퍼레이터에 함유된 활성탄 분말의 함량에 비하여 많게 하는 것이 바람직하다.
한편, 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터에 함유되는 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양전극과 음의 세퍼레이터 사이에 전위차가 나타나게 된다. 양전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량은 음의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브의 함량에 비하여 많고, 음의 세퍼레이터에 함유된 활성탄 분말의 함량은 양전극에 함유된 활성탄 분말의 함량에 비하여 많게 하는 것이 바람직하다.
또한, 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극과 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터에 함유되는 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 음전극과 양의 세퍼레이터 사이에 전위차가 나타나게 된다. 양의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브의 함량은 음전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량에 비하여 많고, 음전극에 함유된 활성탄 분말의 함량은 양의 세퍼레이터에 함유된 활성탄 분말의 함량에 비하여 많게 하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 폴리머 전지의 양전극에 사용된 각 구성 물질에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 양전극을 이루는 양전극용 조성물은 사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머와, 상기 폴리머와 결합하여 상기 폴리머에 유연성을 부여하는 연화폴리머와, 상기 폴리머, 상기 연화폴리머 또는 상기 폴리머와 상기 연화폴리머의 화합물을 팽창시키기 위한 폴리머 팽창제와, 전기 전도성을 부여하는 전극 활물질로 작용하는 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 전극 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 전기 전도성을 부여하는 전극 활물질로 작용하는 활성탄 분말을 포함한다. 상기 양전극을 이루는 전극용 조성물은 점도 조절을 위한 점증제를 더 포함할 수 있다.
상기 폴리머는 팽창 등에 의해 캐리어(carrier) 및 베이컨시(vacancy)가 형성된 불안정 사슬구조를 이루는 전극 물질의 주원료로 사용된다. 여기서 캐리어(carrier)는 전자(electron), 정공(hole), 이온(ion) 등을 의미한다. 상기 폴리머는 폴리아미드(Polyamide; PA), 변성 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리아릴레이트(polyacrylate; PAR), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리아미드이미드(polyamideimide; PAI), 폴리벤조이미다졸(polybenzimidazole; PBI), 폴리벤조오키사졸(polybenzobisoxazole; PBO), 폴리 에테르 에테르 케톤(poly ether ether ketone; PEEK), 폴리시클로헥산디메틸렌테레프탈레이트(polycyclohexane-dimethylene-terephthalate; PCT), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 메틸스티렌(methylstryrene; MS), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(acrylonitrile-butadiene-styrene; ABS), 스티렌-부타디엔 공중합체(styrene-butadiene copolymer; SBC), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리메틸펜텐(polymethylpentene; PMP), 환상 폴리오레핀(polyolefin), 플루오렌계 폴리에스테르, 폴리에틸렌나프타레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리유산(poly lactic acid; PLA), 열가소성 폴리이미드(thermoplastic polyimide; TPI), 열가소성 폴리스티렌(thermoplastic polystyrene; TPS), 열가소성 폴리염화비닐(thermoplastic polyvinyl chloride; TPVC), 열가소성 폴리아미드(thermoplastic polyamide; TPAE), 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane; TPU), 열가소성 올레핀계 엘라스토머(thermoplastic olefinic elastomer; TPO), 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(thermoplastic polyester elastomer; TPEE) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 폴리머는 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylene vinylene), 폴리플루오렌, 폴리이소시아나프탈렌, 폴리에틸렌 디옥시티오펜, 폴리(2,5-디알콕시)파라페닐렌비닐렌, 폴리파라페닐렌, 폴리헵타디엔 및 이들의 유도체를 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용한 전도성 고분자일 수도 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 언급되지 않은 다른 폴리머들도 사용이 가능하다.
양전극용 조성물에 대한 폴리머의 함량이 25.0중량% 미만이면 충분한 전극 안정성을 기대하기 어렵고, 75.0중량%를 초과하면 전극 내의 전기 전도성에 악영향을 주어 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 폴리머는 양전극용 조성물에 대하여 25.0∼75.0중량% 함유되는 것이 바람직하다.
상기 연화폴리머는, 벤조시클로부탄(benzocyclobutane; BCB), 폴리비닐페놀(Polyvinylphenol), 폴리비닐알코올(Polyvinyalcohol), 파릴렌(parylene), 폴리불화비닐리덴(PVF), 시아노에틸풀루란, 노볼락 수지를 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용한 것일 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 언급되지 않은 다른 연화폴리머들도 사용이 가능하다. 상기 연화폴리머는 전극용 조성물 내의 폴리머 등과 결합하여 전극용 조성물에 유연성을 부여하고 전극용 조성물의 구조를 일정하게 합성 유지하기 위한 역할을 한다.
양전극용 조성물에 대한 상기 연화폴리머의 함량이 4.0중량% 미만이면 충분한 전극용 조성물의 유연성 부여 효과를 기대하기 어렵고, 40.0중량%를 초과하면 전극 내의 전기 전도성에 악영향을 주어 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 연화폴리머는 양전극용 조성물에 대하여 4.0∼40.0중량% 함유되는 것이 바람직하다.
점증제는 점도를 조절할 때 첨가해주는 것으로 전극용 조성물의 점성을 높여 작업성을 향상시키기 위한 것이다. 상기 점증제는 양전극용 조성물에 대하여 그 함량이 0.5중량% 미만이면 점성이 약하게 되고, 15.0중량%를 초과하면 지나친 점성에 의해 작업성이 용이하지 않게 되므로, 그 함량을 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
폴리머 팽창제는 팽창 조건, 예를 들면 가열, 압력의 변화 또는 기계적 힘의 적용과 같은 팽창 조건에 적용될 때 보다 큰 부피를 점유하는 등의 물리적 또는 화학적 조건이 변화하여 폴리머를 팽창시키는 물질을 의미한다. 폴리머 팽창제는 하나 이상의 다른 성분, 예를 들면 미분된 입자상 물질, 점성 유체, 가소제, 연장제 또는 이들의 혼합물과의 혼합에 의해 팽창되기도 한다. 폴리머 팽창제로 레시틴(lecithin)을 사용할 수 있으며, 이 외에도 플루오로메탄, 클로로플루오로메탄, 플루오로에탄, 플루오로에탄, 플루오로프로판, 플로오로부탄 등도 사용할 수 있으며, 베이스 폴리머가 폴리보론디메틸실록산(PBDMS)인 붕소화 실록산계 물질(Dow Corning, catalogueno. 3179) 등도 사용이 가능하며, 이에 한정되는 것은 아니며 폴리머 팽창성을 갖는 물질은 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 언급되지 않은 폴리머 팽창제들도 사용이 가능하다. 상기 폴리머 팽창제는 전극용 조성물 내에서 폴리머, 연화폴리머 또는 폴리머와 연화폴리머의 화합물을 팽창시키는 중요한 역할을 하는 것이다. 상기 폴리머 팽창제는 양전극용 조성물에 대하여 그 함량이 0.5중량% 미만이 되면 충분한 폴리머 물질의 팽창이 일어나지 않고, 15.0중량%를 초과하면 전극 내의 전기 전도성에 악영향을 주므로, 그 함량을 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
탄소나노튜브(CNT)는 수 ㎚의 직경을 가진 길고 가느다란 튜브 모양의 구조를 하고 있다. 탄소나노튜브는 독특한 모양과 말린 구조에 따라 도체가 될 수 있고 반도체도 될 수 있는 독특한 전기적 성질로 각광 받아왔다. 탄소나노튜브는 두 가지 종류로 나눌 수 있는데, 단일벽 나노튜브(Single walled Nanotube)와 다중벽 나노튜브(Multiwall Nanotube)로 나눌 수 있다. 단일벽 나노튜브는 하나의 벽으로만 구성되어 있으며, 다중벽 나노튜브는 여러 개의 벽으로 구성되어 있다. 단일벽 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브보다 유연해서, 여러 개가 로프로 뭉치는 경향이 있다. 이것을 다발형 탄소나노튜브(Nanotube Rope)라고 한다. 상기 탄소나노튜브(CNT)는 전극용 조성물에 나노입자 크기로 분산 혼합됨으로써, 전극이 전기적 극성을 갖고 전자를 방출할 수 있도록 하는 것이다. 탄소나노튜브(carbon nano tube; CNT) 분말(Powder)은 일정하게 정하여진 것이 아니라 단일벽, 다중벽 또는 다발형의 모든 탄소나노튜브(CNT) 계열의 분말을 칭하는 것이다.
상기 탄소나노튜브(CNT)의 고용분 함량에 따라 전극은 양(+)의 극성을 갖는데, 이는 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극 사이에 전위차를 주기 위한 것이다. 상기 탄소나노튜브(CNT)는 전기적 극성을 갖는 전극용 조성물의 2차 가공성을 향상시키기 위해 탄소나노튜브의 나노 입자들은 다양한 삽입제(Intercalant)로 개질된 것일 수 있다. 여기서, 나노 입자라 함은 1㎚ 이상이고 1㎛ 미만의 나노미터(㎚) 단위의 크기를 갖는 입자를 의미한다.
상기 탄소나노튜브(CNT) 분말의 함량이 양전극용 조성물에 대하여 0.5중량% 미만이 되면 충분한 전기 전도성을 기대하기 어렵고 전극의 전기적 극성과 전자 방출의 특성이 미흡하게 되며, 15.0중량%를 초과하면 전극용 조성물의 분산성 및 결합성을 떨어뜨리게 되므로, 그 함량을 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
활성탄 분말(active Carbon Powder)은 흡착성이 강하고, 대부분의 구성 물질이 탄소질로된 물질이다. 활성탄 분말은 전극용 조성물 내에서 복사(輻射)의 흡수나 고속입자선의 충격, 외부 압력 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 되어 사슬 구조 상태로 만들기 위한 것이다. 전극용 조성물 내에서 화합물들과 쉽게 안정적으로 결합하여 탄소질의 기능이 향상되며, 탄소는 수소, 산소 또는 질소 등과 공유결합을 쉽게 형성할 수 있고, 단일결합, 이중결합, 삼중결합이 가능하며 사슬형의 구조를 형성하게 하는 것이다.
상기 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양(+)의 극성을 갖는데, 이는 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극 사이에 전위차를 주기 위한 것이다. 상기 활성탄 분말은 전기적 극성을 갖는 전극용 조성물의 2차 가공성을 향상하기 위해 활성탄 분말의 나노 입자들은 다양한 삽입제(Intercalant)로 개질된 것일 수 있음은 물론이다.
상기 활성탄 분말은 그 함량이 0.2중량% 미만이 되면 전극용 조성물을 사슬 구조 상태로 만드는데 충분하지 않고, 8.0중량%를 초과하면 전극용 조성물의 분산성을 떨어뜨리게 되므로, 그 함량을 0.2∼8.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 폴리머 전지의 음전극에 사용된 각 구성 물질에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 음전극을 이루는 음전극용 조성물은 사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머와, 상기 폴리머와 결합하여 상기 폴리머에 유연성을 부여하는 연화폴리머와, 상기 폴리머, 상기 연화폴리머 또는 상기 폴리머와 상기 연화폴리머의 화합물을 팽창시키기 위한 폴리머 팽창제와, 전기 전도성을 부여하는 전극 활물질로 작용하는 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 전극 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 전기 전도성을 부여하는 전극 활물질로 작용하는 활성탄 분말을 포함한다. 상기 음전극을 이루는 전극용 조성물은 점도 조절을 위한 점증제를 더 포함할 수 있다.
상기 폴리머는 팽창 등에 의해 캐리어(carrier)가 형성된 불안정 사슬구조를 이루는 전극용 조성물의 주원료로 사용된다. 상기 폴리머는 폴리아미드(Polyamide; PA), 변성 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리아릴레이트(polyacrylate; PAR), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리아미드이미드(polyamideimide; PAI), 폴리벤조이미다졸(polybenzimidazole; PBI), 폴리벤조오키사졸(polybenzobisoxazole; PBO), 폴리 에테르 에테르 케톤(poly ether ether ketone; PEEK), 폴리시클로헥산디메틸렌테레프탈레이트(polycyclohexane-dimethylene-terephthalate; PCT), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 메틸스티렌(methylstryrene; MS), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(acrylonitrile-butadiene-styrene; ABS), 스티렌-부타디엔 공중합체(styrene-butadiene copolymer; SBC), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리메틸펜텐(polymethylpentene; PMP), 환상 폴리오레핀(polyolefin), 플루오렌계 폴리에스테르, 폴리에틸렌나프타레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리유산(poly lactic acid; PLA), 열가소성 폴리이미드(thermoplastic polyimide; TPI), 열가소성 폴리스티렌(thermoplastic polystyrene; TPS), 열가소성 폴리염화비닐(thermoplastic polyvinyl chloride; TPVC), 열가소성 폴리아미드(thermoplastic polyamide; TPAE), 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane; TPU), 열가소성 올레핀계 엘라스토머(thermoplastic olefinic elastomer; TPO), 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(thermoplastic polyester elastomer; TPEE) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 폴리머는 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylene vinylene), 폴리플루오렌, 폴리이소시아나프탈렌, 폴리에틸렌 디옥시티오펜, 폴리(2,5-디알콕시)파라페닐렌비닐렌, 폴리파라페닐렌, 폴리헵타디엔 및 이들의 유도체를 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용한 전도성 고분자일 수도 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 언급되지 않은 다른 폴리머들도 사용이 가능하다.
음전극용 조성물에 대한 폴리머의 함량이 25.0중량% 미만이면 충분한 전극 안정성을 기대하기 어렵고, 75.0중량%를 초과하면 전극 내의 전기 전도성에 악영향을 주어 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 폴리머는 음전극용 조성물에 대하여 25.0∼75.0중량% 함유되는 것이 바람직하다.
상기 연화폴리머는, 벤조시클로부탄(benzocyclobutane; BCB), 폴리비닐페놀(Polyvinylphenol), 폴리비닐알코올(Polyvinyalcohol), 파릴렌(parylene), 폴리불화비닐리덴(PVF), 시아노에틸풀루란, 노볼락 수지를 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용한 것일 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 언급되지 않은 다른 연화폴리머들도 사용이 가능하다. 상기 연화폴리머는 전극용 조성물 내의 폴리머 등과 결합하여 전극용 조성물에 유연성을 부여하고 전극용 조성물의 구조를 일정하게 합성 유지하기 위한 역할을 한다.
음전극용 조성물에 대한 상기 연화폴리머의 함량이 4.0중량% 미만이면 충분한 전극용 조성물의 유연성 부여 효과를 기대하기 어렵고, 40.0중량%를 초과하면 전극 내의 전기 전도성에 악영향을 주어 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 연화폴리머는 음전극용 조성물에 대하여 4.0∼40.0중량% 함유되는 것이 바람직하다.
점증제는 점도를 조절할 때 첨가해주는 것으로 전극용 조성물의 점성을 높여 작업성을 향상시키기 위한 것이다. 상기 점증제는 음전극용 조성물에 대하여 그 함량이 0.5중량% 미만이면 점성이 약하게 되고, 15.0중량%를 초과하면 지나친 점성에 의해 작업성이 용이하지 않게 되므로, 그 함량을 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
폴리머 팽창제는 팽창 조건, 예를 들면 가열, 압력의 변화 또는 기계적 힘의 적용과 같은 팽창 조건에 적용될 때 보다 큰 부피를 점유하는 등의 물리적 또는 화학적 조건이 변화하여 폴리머를 팽창시키는 물질을 의미한다. 폴리머 팽창제는 하나 이상의 다른 성분, 예를 들면 미분된 입자상 물질, 점성 유체, 가소제, 연장제 또는 이들의 혼합물과의 혼합에 의해 팽창되기도 한다. 폴리머 팽창제로 레시틴(lecithin)을 사용할 수 있으며, 이 외에도 플루오로메탄, 클로로플루오로메탄, 플루오로에탄, 플루오로에탄, 플루오로프로판, 플로오로부탄 등도 사용할 수 있으며, 베이스 폴리머가 폴리보론디메틸실록산(PBDMS)인 붕소화 실록산계 물질(Dow Corning, catalogueno. 3179) 등도 사용이 가능하며, 이에 한정되는 것은 아니며 폴리머 팽창성을 갖는 물질은 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 언급되지 않은 폴리머 팽창제들도 사용이 가능하다. 상기 폴리머 팽창제는 전극용 조성물 내에서 폴리머, 연화폴리머 또는 폴리머와 연화폴리머의 화합물을 팽창시키는 중요한 역할을 하는 것이다. 상기 폴리머 팽창제는 양전극용 조성물에 대하여 그 함량이 0.5중량% 미만이 되면 충분한 폴리머 물질의 팽창이 일어나지 않고, 15.0중량%를 초과하면 전극 내의 전기 전도성에 악영향을 주므로, 그 함량을 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브(CNT)는 전극용 조성물에 나노입자 크기로 분산 혼합됨으로써, 전극이 전기적 극성을 갖고 전자를 방출할 수 있도록 하는 것이다. 상기 탄소나노튜브(CNT)의 고용분 함량에 따라 전극은 음(-)의 극성을 갖는데, 이는 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극 사이에 전위차를 주기 위한 것이다. 상기 탄소나노튜브(CNT)는 전기적 극성을 갖는 전극용 조성물의 2차 가공성을 향상시키기 위해 탄소나노튜브의 나노 입자들은 다양한 삽입제(Intercalant)로 개질된 것일 수 있다. 여기서, 나노 입자라 함은 1㎚ 이상이고 1㎛ 미만의 나노미터(㎚) 단위의 크기를 갖는 입자를 의미한다.
상기 탄소나노튜브(CNT) 분말의 함량이 음전극용 조성물에 대하여 0.2중량% 미만이 되면 충분한 전기 전도성을 기대하기 어렵고 전극의 전기적 극성과 전자 방출의 특성이 미흡하게 되며, 8.0중량%를 초과하면 전극용 조성물의 분산성 및 결합성을 떨어뜨리게 되므로, 그 함량을 0.2∼8.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
활성탄 분말(active Carbon Powder)은 흡착성이 강하고, 대부분의 구성 물질이 탄소질로된 물질이다. 활성탄 분말은 전극용 조성물 내에서 복사(輻射)의 흡수나 고속입자선의 충격, 외부 압력 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 되어 사슬 구조 상태로 만들기 위한 것이다. 전극용 조성물 내에서 화합물들과 쉽게 안정적으로 결합하여 탄소질의 기능이 향상되며, 탄소는 수소, 산소 또는 질소 등과 공유결합을 쉽게 형성할 수 있고, 단일결합, 이중결합, 삼중결합이 가능하며 사슬형의 구조를 형성하게 하는 것이다.
상기 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 음(-)의 극성을 갖는데, 이는 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극 사이에 전위차를 주기 위한 것이다. 상기 활성탄 분말은 전기적 극성을 갖는 물질들의 2차 가공성을 향상하기 위해 활성탄 분말의 나노 입자들은 다양한 삽입제(Intercalant)로 개질된 것일 수 있음은 물론이다.
상기 활성탄 분말은 그 함량이 0.5중량% 미만이 되면 전극용 조성물을 사슬 구조 상태로 만드는데 충분하지 않고, 15.0중량%를 초과하면 전극용 조성물의 분산성을 떨어뜨리게 되므로, 그 함량을 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 물질로 구성되는 전극은 물리적 및 화학적 안정성이 우수하고 발열 현상 및 폭발의 위험적 요소를 최소화할 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 음(-)의 세퍼레이터용 조성물에 사용된 각 구성 물질에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 음의 세퍼레이터용 조성물은 사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머 클레이, 폴리머 클레이와 결합하여 세퍼레이터용 조성물 내에서 복사(輻射)의 흡수, 고속입자선의 충격, 외부 압력 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 쉽게 고에너지 상태로 변하게 하는 역할을 하는 염화칼슘 분말, 젤화안정제, 세퍼레이터 내에서 도전제로 작용하는 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 세퍼레이터용 조성물 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 도전제로 작용하는 활성탄 분말을 포함한다. 상기 음의 세퍼레이터용 조성물은 점도 조절을 위한 점증제를 더 포함할 수 있다.
상기 폴리머 클레이(Polymerclay)는 이러한 폴리염화비닐, 폴리에스테르와 같은 폴리머에 유연하게 만드는 가소제(a plasticizer) 등과 같은 첨가제를 섞어서 생산되는 화합물이다. 폴리머 클레이(polymer-clay)는 수용성 수지 휠러(Filler)로서, 일련의 고밀도 화합물들 중의 하나로 방향족-지방족 폴리에스테르 수지가 그 대표적인 예이다. 폴리머 클레이는 점토 형태로 되어 있어 표현이 자유롭고 열을 가하면 단단해져 형태가 변형되지 않는 성질을 가지고 있고, 촉감이 부드럽다는 특징이 있다. 이러한 폴리머 클레이는 색소가 함유되어 인테리어 소품, 악세사리, 캐릭터, 클레이 애니메이션 소품 등에 많이 사용되고 있다.
상기 폴리머 클레이는 팽창 등에 의해 캐리어(carrier)가 형성된 불안정 사슬구조를 이루는 세퍼레이터용 조성물의 주원료로 사용된다. 분산성, 전기적 특성 등을 고려하여 나노 크기의 입자(1㎚ 이상이고 1㎛ 미만의 나노미터(㎚) 단위의 크기를 갖는 입자)를 갖는 폴리머 클레이를 사용하는 것이 바람직하다. 음의 세퍼레이터용 조성물에 대한 폴리머 클레이의 함량이 25.0중량% 미만이면 충분한 세퍼레이터 안정성을 기대하기 어렵고, 75.0중량%를 초과하면 세퍼레이터의 축전성에 악영향을 주어 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 폴리머 클레이는 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 25.0∼75.0중량% 함유되는 것이 바람직하다.
염화칼슘 분말(Calcium chloride Powder)는 화학식은 CaCl2이다. 염화칼슘은 복염(複鹽)으로서 타키하이드라이트 등의 광물로서 산출되며 바닷물 속에 0.15% 함유되어 있다. 염화칼슘의 무수물은 조해성이 있는 사방정계의 백색 결정으로 약간 비틀어진 루틸구조를 하고 있다. 염화칼슘의 화학식량은 111.0이고, 녹는점은 772℃이며, 끓는점은 1,600℃ 이상이고, 비중은 2.15 정도인 것으로 알려져 있다. 물에 대한 용해도, 즉 물 100g에 최대로 녹는 염화칼슘의 그램(g)수는 74.5g(20℃)으로 상당히 높은 편이며, 알코올, 아세톤에도 잘 녹는다. 그리고, 염화칼슘의 이수화물 및 무수물은 조해성이 강하여 수분을 잘 흡수하므로 장마철 건조제로 많이 이용되고 있다. 염화칼슘은 자신의 무게의 무려 14배 이상의 물을 흡수할 수 있다고 한다. 또한, 염화칼슘은 암모니아(NH3)와 알코올(예컨대, 에탄올: C2H5OH)과 각각 결합하여 CaCl2·8NH3, CaCl2·4C2H5OH 등의 분자화합물을 만든다.
상기 염화칼슘 분말은 폴리머 클레이와 결합하여 물질 내에서 복사(輻射)의 흡수, 고속입자선의 충격, 외부 압력 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 쉽게 고에너지 상태로 변하게 하는 역할을 하는 것이다. 상기 염화칼슘 분말은 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 그 함량이 5.0중량% 미만이 되면 음의 세퍼레이터 내부의 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 변하게 하기가 어려우며, 40.0중량%를 초과하면 세퍼레이터 내의 축전성에 악영향을 주어 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 염화칼슘 분말은 그 함량을 5.0∼40.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브(CNT)는 세퍼레이터용 조성물에 나노입자 크기로 분산 혼합됨으로써, 세퍼레이터가 전기적 극성을 극성을 갖고 전자를 방출하거나 축전할 수 있도록 하는 것이다. 상기 탄소나노튜브(CNT)의 고용분 함량에 따라 세퍼레이터는 음(-)의 극성을 갖는데, 이는 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터와 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터 사이에 전위차를 주기 위한 것이다.
상기 탄소나노튜브(CNT) 분말의 함량이 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 0.1중량% 미만이 되면 세퍼레이터의 전기적 극성과 전자 방출의 특성이 미흡하게 되며, 5.0중량%를 초과하면 세퍼레이터용 조성물의 분산성 및 결합성을 떨어뜨리게 되므로, 그 함량을 0.1∼5.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
활성탄 분말(active Carbon Powder)은 흡착성이 강하고, 대부분의 구성 물질이 탄소질로된 물질이다. 활성탄 분말은 전극용 조성물 내에서 복사(輻射)의 흡수나 고속입자선의 충격, 외부 압력 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 되어 사슬 구조 상태로 만들기 위한 것이다. 세퍼레이터용 조성물 내에서 화합물들과 쉽게 안정적으로 결합하여 탄소질의 기능이 향상되며, 탄소는 수소, 산소 또는 질소 등과 공유결합을 쉽게 형성할 수 있고, 단일결합, 이중결합, 삼중결합이 가능하며 사슬형의 구조를 형성하게 하는 것이다.
상기 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 음(-)의 극성을 갖는데, 이는 전기적 양(+)의 극성 물질과 전기적 음(-)의 극성 물질 안에서 전위차를 주기 위한 것이다. 상기 활성탄 분말은 전기적 극성을 갖는 물질들의 2차 가공성을 향상하기 위해 활성탄 분말의 나노 입자들은 다양한 삽입제(Intercalant)로 개질된 것일 수 있음은 물론이다.
상기 활성탄 분말은 그 함량이 1.0중량% 미만이 되면 전극용 조성물을 사슬 구조 상태로 만드는데 충분하지 않고, 25.0중량%를 초과하면 전극용 조성물의 분산성을 떨어뜨리게 되므로, 그 함량을 1.0∼25.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
점증제는 점도를 조절할 때 첨가해주는 것으로 전극용 조성물의 점성을 높여 작업성을 향상시키기 위한 것이다. 상기 점증제는 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 그 함량이 0.5중량% 미만이면 점성이 약하게 되고, 15.0중량%를 초과하면 지나친 점성에 의해 작업성이 용이하지 않게 되므로, 그 함량을 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다. 상기 점증제로는 폴리스테아레이트(Poly Stearate)를 사용하는 것이 바람직하다.
젤화 안정제로 카라기난(Carrageenan)을 사용하는 것이 바람직하다. 카라기난(Carrageenan)은 점착성 및 점도를 증가시키고, 유화안정성을 증진하며, 물성 및 촉감을 향상시키기 위한 첨가물이다. 카라기난(carrageenan)은 증점제, 겔화제, 안정제 등으로 사용된다. 카라기난(carrageenan)의 보수력은 매우 우수한 편으로서 시간이 지나도 점도가 변화하지 않는다. 또한, 카라기난은 카제인과 반응하여 균일한 겔을 형성하는데, 우유 중의 Ca+, K+ 등의 양이온 농도와 유지 함량에 따라 겔 강도가 다르며, 유청의 분리방지효과가 매우 우수하다. 카라기난의 점성은 1∼2%에서 급격히 상승하지만 점차 온도의 상승과 교반에 의해 감소하며, 교반을 중지하면 다시 증가된다. 또한 Ca+와 산성 범위에서는 점도가 감소하나 알칼리쪽으로 갈수록 안정하며, 시간이 지남에 따라 점도는 변화하지 않는다. 카라기난의 pH는 8∼11이고, 점도는 5cps(7.5℃, 1.5% 용액) 이상이다.
상기 카라기난은 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 그 함량이 0.5중량% 미만이면 점성과 안전성이 약하게 되고, 15.0중량%를 초과하면 폴리머 클레이 결합이 지나친 점성에 의해 작업성이 용이하지 않게 되므로, 그 배합비를 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
전기적 음(-)의 극성을 갖는 상기 음의 세퍼레이터용 조성물은 폴리머 클레이, 염화칼슘 분말, 탄소나노튜브(CNT) 분말, 활성탄 분말, 점증제 및 젤화 안정제를 포함하여 이루어질 수 있고, 음의 세퍼레이터와 양의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양(+)의 세퍼레이터와 음(-)의 세퍼레이터 사이에 전위차가 나타나는 것이다.
본 발명의 양(+)의 세퍼레이터용 조성물에 사용된 각 구성 물질에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 양의 세퍼레이터용 조성물은 사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머 클레이, 폴리머 클레이와 결합하여 세퍼레이터용 조성물 내에서 복사(輻射)의 흡수, 고속입자선의 충격, 외부 압력 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 쉽게 고에너지 상태로 변하게 하는 역할을 하는 염화칼슘 분말, 젤화안정제, 세퍼레이터 내에서 도전제로 작용하는 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 세퍼레이터용 조성물 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 도전제로 작용하는 활성탄 분말을 포함한다. 상기 양의 세퍼레이터용 조성물은 점도 조절을 위한 점증제를 더 포함할 수 있다.
상기 폴리머 클레이는 팽창 등에 의해 캐리어(carrier)가 형성된 불안정 사슬구조를 이루는 세퍼레이터용 조성물의 주원료로 사용된다. 양의 세퍼레이터용 조성물에 대한 폴리머 클레이의 함량이 25.0중량% 미만이면 충분한 세퍼레이터 안정성을 기대하기 어렵고, 75.0중량%를 초과하면 세퍼레이터의 축전성에 악영향을 주어 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 폴리머 클레이는 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 25.0∼75.0중량% 함유되는 것이 바람직하다.
상기 염화칼슘 분말은 폴리머 클레이와 결합하여 물질 내에서 복사(輻射)의 흡수, 고속입자선의 충격, 외부 압력 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 쉽게 고에너지 상태로 변하게 하는 역할을 하는 것이다. 상기 염화칼슘 분말은 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 그 함량이 5.0중량% 미만이 되면 양의 세퍼레이터 내부의 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 변하게 하기가 어려우며, 40.0중량%를 초과하면 세퍼레이터 내의 축전성에 악영향을 주어 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 염화칼슘 분말은 그 함량을 5.0∼40.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브(CNT)는 세퍼레이터용 조성물에 나노입자 크기로 분산 혼합됨으로써, 세퍼레이터가 전기적 극성을 갖고 전자를 방출하거나 축전할 수 있도록 하는 것이다. 상기 탄소나노튜브(CNT)의 고용분 함량에 따라 세퍼레이터는 양(+)의 극성을 갖는데, 이는 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이퍼와 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터 사이에 전위차를 주기 위한 것이다.
상기 탄소나노튜브(CNT) 분말의 함량이 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 1.0중량% 미만이 되면 세퍼레이터의 전기적 극성과 전자 방출의 특성이 미흡하게 되며, 25.0중량%를 초과하면 세퍼레이터용 조성물의 분산성 및 결합성을 떨어뜨리게 되므로, 그 함량을 1.0∼25.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
활성탄 분말(active Carbon Powder)은 흡착성이 강하고, 대부분의 구성 물질이 탄소질로된 물질이다. 활성탄 분말은 전극용 조성물 내에서 복사(輻射)의 흡수나 고속입자선의 충격, 외부 압력 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 되어 사슬 구조 상태로 만들기 위한 것이다. 세퍼레이터용 조성물 내에서 화합물들과 쉽게 안정적으로 결합하여 탄소질의 기능이 향상되며, 탄소는 수소, 산소 또는 질소 등과 공유결합을 쉽게 형성할 수 있고, 단일결합, 이중결합, 삼중결합이 가능하며 사슬형의 구조를 형성하게 하는 것이다.
상기 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양(+)의 극성을 갖는데, 이는 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터와 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터 사이에 전위차를 주기 위한 것이다. 상기 활성탄 분말은 전기적 극성을 갖는 물질들의 2차 가공성을 향상하기 위해 활성탄 분말의 나노 입자들은 다양한 삽입제(Intercalant)로 개질된 것일 수 있음은 물론이다.
상기 활성탄 분말은 그 함량이 1.0중량% 미만이 되면 전극용 조성물을 사슬 구조 상태로 만드는데 충분하지 않고, 5.0중량%를 초과하면 전극용 조성물의 분산성을 떨어뜨리게 되므로, 그 함량을 1.0∼5.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
점증제는 점도를 조절할 때 첨가해주는 것으로 전극용 조성물의 점성을 높여 작업성을 향상시키기 위한 것이다. 상기 점증제는 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 그 함량이 0.5중량% 미만이면 점성이 약하게 되고, 15.0중량%를 초과하면 지나친 점성에 의해 작업성이 용이하지 않게 되므로, 그 함량을 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다. 상기 점증제로는 폴리스테아레이트(Poly Stearate)를 사용하는 것이 바람직하다.
젤화 안정제로 카라기난(Carrageenan)을 사용하는 것이 바람직하다. 카라기난(Carrageenan)은 점착성 및 점도를 증가시키고, 유화안정성을 증진하며, 물성 및 촉감을 향상시키기 위한 첨가물이다. 상기 카라기난은 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 그 함량이 0.5중량% 미만이면 점성과 안전성이 약하게 되고, 10.0중량%를 초과하면 폴리머 클레이 결합이 지나친 점성에 의해 작업성이 용이하지 않게 되므로, 그 배합비를 0.5∼15.0중량%로 하는 것이 바람직하다.
전기적 양(+)의 극성을 갖는 상기 양의 세퍼레이터용 조성물은 폴리머 클레이, 염화칼슘 분말, 탄소나노튜브(CNT) 분말, 활성탄 분말, 점증제 및 젤화 안정제를 포함하여 이루어질 수 있고, 음의 세퍼레이터와 양의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양(+)의 세퍼레이터와 음(-)의 세퍼레이터 사이에 전위차가 나타나는 것이다.
상기와 같은 물질로 구성되는 세퍼레이터는 물리적 및 화학적 안정성이 우수하고 발열 현상 및 폭발의 위험적 요소를 최소화할 수 있게 되는 것이다.
이하에서, 양전극용 조성물, 음전극용 조성물, 음의 세퍼레이터용 조성물 및 양의 세퍼레이터용 조성물을 제조하는 방법을 설명하고, 이들을 이용하여 폴리머 전지를 제조하는 방법을 설명한다. 하기 제조방법을 설명함에 있어 각 물질의 배합비는 이미 그 물질을 설명함에 있어서 충분히 설명되었으므로 상세한 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 전기적 양(+)의 극성을 갖는 전극용 조성물과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 전극용 조성물 그리고, 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물과 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터용 조성물을 각각 제조하는 데, 먼저 전기적 양(+)의 극성 및 전기적 음(-)의 극성을 갖는 전극용 조성물의 제조방법을 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명에서 전기적 양(+)의 극성 및 음(-)의 극성을 갖는 전극용 조성물과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물 및 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터용 조성물의 제조순서를 제한하는 것은 아니다.
전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극용 조성물을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 폴리머와 연화폴리머를 용제에 배합하는데 이를 가장 먼저 배합하는 이유는 캐리어(carrier)가 형성된 불안정 사슬 구조를 갖는 전극용 조성물의 주원료로 사용되기 때문이며, 이를 선배합해야만 전극용 조성물의 유연성과 구조를 일정하게 합성하기에 용이하기 때문이나, 이를 제한하는 것은 아니다. 상기 배합은 상온(15℃)∼60℃ 정도의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, 10∼300rpm 정도의 속도로 교반하면서 배합이 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
상기 용제는 전극용 조성물에 적절한 점도와 유동성의 조절을 위해 필요하다. 상기 용제로는 알코올계 용제, 에테르계 용제, 방향족 용제, 아세테이트계 용제, 케톤계 용제 또는 이들이 혼합된 용제가 사용될 수 있다. 상기 알콜계 용제는 에탄올, 메탄올, 이소프로필알콜, 노르말 부탄올 등 일 수 있다. 상기 에테르계 용제는 프로필렌글리콜모노프로필에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노프로필에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노프로필에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜-2-에틸헥실에테르 등 일 수 있다. 상기 방향족 용제는 톨루엔, 자일렌 등 일 수 있다. 상기 아세테이트계 용제는 부틸아세테이트, 에틸아세테이트 등 일 수 있다. 상기 케톤계 용제는 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤 등 일 수 있다. 상기 용제의 함량은 전극용 조성물에 대하여 3∼30중량% 되게 하는 것이 바람직하다. 상기 용제는 후술하는 건조 공정에서 제거되게 된다.
상기 배합이 완료되면, 폴리머 팽창제를 투입하여 혼합하고 상기 폴리머, 상기 연화폴리머 또는 상기 폴리머와 상기 연화폴리머의 화합물을 팽창시킨다. 상기 폴리머와 연화폴리머가 배합된 조성물에 폴리머 팽창제를 투입하여 교반하면서 혼합하고 일정 온도(예컨대, 상온)에서 일정 시간 방치해두면 상기 폴리머, 연화폴리머 또는 폴리머와 연화폴리머의 화합물의 팽창이 일어나게 된다.
상기 폴리머와 연화폴리머가 배합된 조성물에 점증제를 투입하여 혼합할 수도 있는 데, 상기 점증제는 배합된 조성물이 일정 이상의 점성을 갖게 하기 위함이다.
탄소나노튜브(CNT) 분말과 활성탄 분말을 혼합하여 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극용 조성물을 제조한다. 탄소나노튜브(CNT) 분말과 활성탄 분말의 혼합은 상온(15℃)∼60℃ 정도의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, 10∼300rpm 정도의 속도로 교반하면서 혼합이 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극용 조성물은 상기 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극용 조성물을 제조하는 방법과 동일한 방법으로 제조하되, 탄소나노튜브(CNT) 분말과 활성탄 분말의 혼합 시 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극용 조성물과 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 활성탄 분말의 고용분 함량을 다르게 하여 양전극과 음전극 사이에 전위차가 생기도록 한다.
이하에서 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물과 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터용 조성물의 제조방법을 설명하도록 한다.
먼저, 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물의 제조방법을 설명한다.
폴리머 클레이와 염화칼슘 분말을 배합하는데, 이를 가장 먼저 배합하는 이유는 폴리머 클레이와 염화칼슘 분말은 세퍼레이터용 조성물 내에서 복사(輻射)의 흡수, 고속입자선의 충격, 외부 압력 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 되기 쉬운 상태로 변하게 하는 역할을 하는 것으로 세퍼레이터용 조성물의 주원료로 사용되기 때문이며, 이를 선배합해야 물질의 구조를 일정하게 합성하기에 용이하기 때문이나, 이를 제한하는 것은 아니다. 상기 배합은 상온(15℃)∼60℃ 정도의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, 10∼300rpm 정도의 속도로 교반하면서 배합이 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
상기 배합이 완료되면, 배합된 조성물에 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 활성탄 분말을 투입하여 혼합한다. 탄소나노튜브(CNT) 분말과 활성탄 분말의 혼합은 상온(15℃)∼60℃ 정도의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, 10∼300rpm 정도의 속도로 교반하면서 혼합이 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 활성탄 분말의 혼합이 완료되면, 점착성 및 점도를 증가시키고 유화안정성을 증진시키기 위하여 젤화 안정제를 혼합하여 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물을 제조한다. 상기 젤화 안정제의 혼합은 상온(15℃)∼60℃ 정도의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, 10∼300rpm 정도의 속도로 교반하면서 혼합이 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
상기 젤화 안정제가 배합되는 조성물에 점증제를 투입하여 혼합할 수도 있는 데, 상기 점증제는 배합된 조성물이 일정 이상의 점성을 갖게 하기 위함이다.
전기적 양(+)의 극성을 갖는 양(+)의 세퍼레이터용 조성물은 상기 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물을 제조하는 방법과 동일한 방법으로 제조하되, 탄소나노튜브(CNT) 분말과 활성탄 분말의 혼합 시 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물과 탄소나노튜브(CNT) 분말 및 활성탄 분말의 고용분 함량을 다르게 하여 양의 세퍼레이터와 음의 세퍼레이터 사이에 전위차가 생기도록 한다.
전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극용 조성물과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극용 조성물을 각각 일정 크기와 두께를 갖도록 성형한다. 성형된 양전극용 조성물과 음전극용 조성물을 서로 대향되게 접합하여 박막 또는 필름 형태로 제조한다. 이때, 상기 접합은 로울러 프레스와 같은 장치를 이용하는 가압 방식을 이용할 수 있고, 이때 로울러 프레스의 압력은 형성되는 폴리머 전지의 두께를 고려하여 1∼300ton/㎡ 정도로 하는 것이 바람직하다. 상기 로울러 프레스의 압력이 1ton/㎡ 미만이 되면 접합된 물질 사이의 접착성이 약할 수 있고, 300ton/㎡을 초과하게 되면 과도한 압력으로 인해 물질 내에서 열화 현상이 발생할 수 있어 신뢰성이 있는 폴리머 전지를 얻지 못할 수 있다. 마지막으로 건조 공정을 수행하여 폴리머 전지를 완성한다. 상기 건조 공정은 15∼80℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 건조 공정에 의해 전극용 조성물에 함유된 용제는 제거되게 된다. 이렇게 구성된 폴리머 전지는 양전극과 음전극에 함유된 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양전극과 음전극 사이에 전위차가 나타나게 된다.
또한, 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극용 조성물, 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물, 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터용 조성물 및 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극용 조성물을 각각 일정 크기와 두께를 갖도록 성형한다. 성형된 양전극용 조성물, 음의 세퍼레이터용 조성물, 양의 세퍼레이터용 조성물 및 음전극용 조성물을 순차적으로 적층한 후, 접합하여 박막 또는 필름 형태로 제조한다. 이때, 상기 접합은 로울러 프레스와 같은 장치를 이용하는 가압 방식을 이용할 수 있고, 이때 로울러 프레스의 압력은 형성되는 폴리머 전지의 두께를 고려하여 1∼300ton/㎡ 정도로 하는 것이 바람직하다. 상기 로울러 프레스의 압력이 1ton/㎡ 미만이 되면 접합된 물질 사이의 접착성이 약할 수 있고, 300ton/㎡을 초과하게 되면 과도한 압력으로 인해 물질 내에서 열화 현상이 발생할 수 있어 신뢰성이 있는 폴리머 전지를 얻지 못할 수 있다. 마지막으로 건조 공정을 수행하여 폴리머 전지를 완성한다. 상기 건조 공정은 15∼80℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 건조 공정에 의해 전극용 조성물에 함유된 용제는 제거되게 된다. 이렇게 구성된 폴리머 전지는, 양전극과 음전극에 함유된 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양전극과 음전극 사이에 전위차가 나타나게 되고, 또한 양의 세퍼레이터와 음의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양의 세퍼레이터와 음의 세퍼레이터 사이에 전위차가 나타나게 된다.
제조된 폴리머 전지의 일면 또는 양면에는 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이 절연체를 추가로 코팅할 수 있는데, 상기 절연체로는 예컨대, 산화실리콘(SiO2), 테프론, 폴리우레탄 등을 사용할 수 있다.
전자의 터널링 현상을 이용한 소자로 이용하기 위해 상기 절연체를 폴리머 전지의 일면 또는 양면에 코팅할 시에는 각 절연체의 코팅 두께를 6∼10Å 정도로 하는 것이 바람직하다. 절연체의 두께가 6Å 미만이 되면 두께의 제조가 용이하지 않으므로 생산성이 떨어지고, 10Å을 초과하면 전자의 터널링 현상에 의한 전자 이동이 용이하지 않으므로, 6∼10Å의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.
AP(Accss Point)와 같은 발진기에서 전파를 발생시키거나, 복사(輻射)의 흡수, 고속입자선의 충격, 외부 압력 등이 본 발명의 폴리머 전지에 인가되면 양전극 및 음전극으로 이루어진 폴리머 전지 또는 양전극, 음의 세퍼레이터, 양의 세퍼레이터 및 음전극으로 이루어진 폴리머 전지 내에서 전자, 정공(hole) 또는 이온이 활성화됨으로써 에너지를 발생시키게 된다.
본 발명의 폴리머 전지는 전원이 필요한 거의 모든 제품에 적용 가능한 것으로, 예를 들면 휴대폰, 무선 마우스, 키보드, 엠피쓰리(MP3) 플레이어, 카메라, 노트북, 피디에이(PDA), 로봇, 전자테그(Active RFID) 배터리 등에 사용될 수 있는 것으로, 그 사용처는 제한되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 전지를 설명한다.
도 1과 도 2을 참조하면, 일반 폴리머는 일반적으로 안정된 분자 사슬구조를 갖고, 팽창된 폴리머는 일반 폴리머에 비하여 불안정된 분자 사슬구조와 정공(hole)과 같은 캐리어(carrier)를 가진다. 본 발명의 폴리머 전지는 전극용 조성물 또는 세퍼레이터용 조성물을 구성하는 중합체의 결합과 팽창 등으로 인해 불안정된 분자 사슬구조와 전극용 조성물간의 접합 또는 전극용 조성물과 세퍼레이터용 조성물 간의 접합 시의 압력에 의한 스핀홀(Spin hole) 사슬구조를 갖는다.
본 발명에 따른 폴리머 전지 내 원자결합(atomic bond) 또는 분자 오비탈(molecular orbital)은 폴리머, 연화폴리머 또는 폴리머와 연화폴리머의 화합물의 팽창, 분자의 구조적 뒤틀림, 압력 등에 의해 원자, 분자, 전자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 되고 이에 의해 원자, 전자, 정공(hole) 또는 이온들 사이에 상호 인력과 척력이 발생되게 되며, 속박에서 벗어난 캐리어(전자, 정공 또는 이온)는 작용하는 인력과 척력에 따라 움직이게 된다. 한편, 양전극과 음전극 사이의 전위차, 양전극과 음의 세퍼레이터 사이의 전위차, 음의 세퍼레이터와 양의 세퍼레이터 사이의 전위차 또는 양의 세퍼레이터와 음전극 사이의 전위차에 의해 양전극과 음전극 사이에서는 거시적으로는 일정한 인력과 척력이 작용하게 되며, 양전극과 음전극 사이에 일정한 캐리어(carrier)의 이동이 있게 된다.
양전극과 음전극으로 구성되는 폴리머 전지의 적층 구조를 도 3에 나타내었고, 양전극, 음의 세퍼레이터, 양의 세퍼레이터 및 음전극으로 구성되는 폴리머 전지의 적층 구조를 도 4에 나타내었다.
한편, 본 발명의 폴리머 전지는 도 4 및 도 6와 같이 양면에 절연체가 코팅되고 다시 금속판이 결합된 상태에서, 도 7과 같이 상, 하로 압력을 가할 경우 전위차와 전자이동 현상이 나타나 전류가 유도될 수도 있다.
본 발명의 폴리머 전지에 기계적인 힘을 주면 내부에 응력이 발생하고 그 물질속에 전기분극이 일어나는 압전 현상이 발생한다. 본 발명의 폴리머 전지는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 소자로서 압력으로부터 필요한 전력을 얻을 수도 있다.
본 발명은 하기의 실시예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실시예가 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양전극용 조성물에 대하여 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 전극용 조성물의 폴리머로 수용성 폴리염화비닐을 사용한다. 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC)은 플라스틱의 대표적인 물질이며, 원래 딱딱한 물질로 프탈산계(phthalates, DEHP, DINP, DBP 등) 가소제나 아디핀산계(adipates, DHEA 등) 가소제를 사용해 유연성과 탄력성을 높인 뒤 제품화된다.
본 발명에 사용되는 폴리염화비닐(PVC)은 가소제를 사용한 일련의 고밀도 화합물로서, 상기 폴리염화비닐(PVC)은 팽창되어 캐리어(carrier)와 불안정 사슬 구조를 갖게 하기 위한 전극용 조성물의 주원료로 사용된다. 폴리염화비닐(PVC)은 양전극에 대하여 60.0중량% 함유되게 한다.
전극용 조성물의 연화폴리머로는 폴리비닐페놀(poly vinyl phenol)을 사용한다. 폴리비닐페놀(poly vinyl phenol)은 전극용 조성물 내의 폴리염화비닐(PVC) 등과 결합하여 전극용 조성물에 유연성을 부여하고 전극용 조성물의 구조를 일정하게 합성 유지하기 위한 역할을 한다. 상기 폴리비닐페놀은 양전극에 대하여 20.0중량% 함유되게 한다.
전극용 조성물의 용제로는 에탄올(ethanol)을 사용한다. 에탄올(ethanol)은 화학식이 C2H5OH이고 특유한 냄새와 맛이 나는 무색 액체로, 분자량은 46.07이고, 녹는점은 -114.3℃이며, 끓는점은 78.4℃이고, 비중은 0.7893이다.
전극용 조성물의 점증제로는 폴리스테아레이트(Poly Stearate)를 사용한다. 폴리스테아레이트(Poly Stearate)는 전극용 조성물의 점성을 높여 작업성을 향상시킨다. 상기 폴리스테아레이트(Poly Stearate)는 양전극에 대하여 6.0중량% 함유되게 한다.
전극용 조성물의 폴리머 팽창제로 레시틴(lecithin)을 사용한다. 상기 레시틴(lecithin)은 그리스어의 난황(lecithos)에서 유래하였다. 알코올 또는 에테르에 용해되며 물과는 에멀젼(emulsion)을 만드는 것으로, 전극용 조성물 내에서 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐페놀 또는 폴리염화비닐과 폴리비닐페놀의 화합물을 팽창시키는 중요한 역할을 한다. 상기 레시틴은 양전극에 대하여 6.0중량% 함유되게 한다.
탄소나노튜브(CNT)는 전극용 조성물에 나노입자 크기로 분산 혼합됨으로써, 전극이 전기적 극성과 전자를 방출할 수 있도록 하는 것이다. 탄소나노튜브 분말은 양전극에 대하여 5.5중량% 함유되게 한다.
상기 활성탄 분말은 양전극에 대하여 2.5중량% 함유되게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음전극용 조성물에 대하여 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 전극용 조성물의 폴리머로 수용성 폴리염화비닐을 사용한다. 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC)은 플라스틱의 대표적인 물질이며, 원래 딱딱한 물질로 프탈산계(phthalates, DEHP, DINP, DBP 등) 가소제나 아디핀산계(adipates, DHEA 등) 가소제를 사용해 유연성과 탄력성을 높인 뒤 제품화된다.
본 발명에 사용되는 폴리염화비닐(PVC)은 가소제를 사용한 일련의 고밀도 화합물로서, 상기 폴리염화비닐(PVC)은 팽창되어 캐리어(carrier)와 불안정 사슬 구조를 갖게 하기 위한 전극용 조성물의 주원료로 사용된다. 상기 폴리염화비닐(PVC)은 음전극에 대하여 60.0중량% 함유되게 한다.
전극용 조성물의 연화폴리머로는 폴리비닐페놀(poly vinyl phenol)을 사용한다. 폴리비닐페놀(poly vinyl phenol)은 전극용 조성물 내의 폴리염화비닐(PVC) 등과 결합하여 전극용 조성물에 유연성을 부여하고 전극용 조성물의 구조를 일정하게 합성 유지하기 위한 역할을 한다. 상기 폴리비닐페놀은 음전극에 대하여 20.0중량% 함유되게 한다.
전극용 조성물의 용제로는 에탄올(ethanol)을 사용한다. 에탄올(ethanol)은 화학식이 C2H5OH이고 특유한 냄새와 맛이 나는 무색 액체로, 분자량은 46.07이고, 녹는점은 -114.3℃이며, 끓는점은 78.4℃이고, 비중은 0.7893이다.
전극용 조성물의 점증제로는 폴리스테아레이트(Poly Stearate)를 사용한다. 폴리스테아레이트(Poly Stearate)는 전극용 조성물의 점성을 높여 작업성을 향상시킨다. 상기 폴리스테아레이트(Poly Stearate)는 음전극에 대하여 6.0중량% 함유되게 한다.
전극용 조성물의 폴리머 팽창제로 레시틴(lecithin)을 사용한다. 상기 레시틴(lecithin)은 그리스어의 난황(lecithos)에서 유래하였다. 알코올 또는 에테르에 용해되며 물과는 에멀젼(emulsion)을 만드는 것으로, 전극용 조성물 내에서 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐페놀 또는 폴리염화비닐과 폴리비닐페놀의 화합물을 팽창시키는 중요한 역할을 한다. 상기 레시틴은 음전극에 대하여 6.0중량% 함유되게 한다.
탄소나노튜브(CNT)는 전극용 조성물에 나노입자 크기로 분산 혼합됨으로써, 전극이 전기적 극성과 전자를 방출할 수 있도록 하는 것이다. 탄소나노튜브 분말은 음전극에 대하여 2.5중량% 함유되게 한다.
상기 활성탄 분말은 음전극에 대하여 5.5중량% 함유되게 한다.
전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극 에 함유되는 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양전극과 음전극 사이에 전위차가 나타나게 된다. 양전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량은 음전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량에 비하여 많고(바람직하게는 적어도 2배 이상), 음전극에 함유된 활성탄 분말의 함량은 양전극에 함유된 활성탄 분말의 함량에 비하여 많게(바람직하게는 적어도 2배 이상) 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 설명한다.
폴리머 클레이는 방향족-지방족 폴리에스테르 수지계 폴리머 클레이로서, 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 53.0중량% 함유되게 한다. 폴리머 클레이는 분산성, 전기적 특성 등을 고려하여 나노 크기의 입자(1㎚ 이상이고 1㎛ 미만의 나노미터(㎚) 단위의 크기를 갖는 입자)를 갖는 폴리머 클레이를 사용한다.
염화칼슘 분말은 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 30.0중량% 함유되게 한다.
상기 탄소나노튜브(CNT) 분말은 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 1.0중량% 함유되게 한다.
상기 활성탄 분말은 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 8.0중량% 함유되게 한다.
음의 세퍼레이터용 조성물의 점증제로는 폴리스테아레이트(Poly Stearate)를 사용한다. 폴리스테아레이트(Poly Stearate)는 세퍼레이터용 조성물의 점성을 높여 작업성을 향상시킨다. 상기 폴리스테아레이트(Poly Stearate)는 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 4.0중량% 함유되게 한다.
음의 세러레이터 젤화 안정제로 정제 카라기난(Purified Carrageenan)을 사용한다. 상기 정제 카라기난은 음의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 4.0중량% 함유되게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 설명한다.
폴리머 클레이는 방향족-지방족 폴리에스테르 수지계 폴리머 클레이로서, 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 53.0중량% 함유되게 한다.
염화칼슘 분말은 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 30.0중량% 함유되게 한다.
상기 탄소나노튜브(CNT) 분말은 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 8.0중량% 함유되게 한다.
상기 활성탄 분말은 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 1.0중량% 함유되게 한다.
양의 세퍼레이터용 조성물의 점증제로는 폴리스테아레이트(Poly Stearate)를 사용한다. 폴리스테아레이트(Poly Stearate)는 세퍼레이터용 조성물의 점성을 높여 작업성을 향상시킨다. 상기 폴리스테아레이트(Poly Stearate)는 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 4.0중량% 함유되게 한다.
양의 세퍼레이터용 조성물의 젤화 안정제로는 정제 카라기난(Purified Carrageenan)을 사용한다. 상기 정제 카라기난은 양의 세퍼레이터용 조성물에 대하여 4.0중량% 함유되게 한다.
전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터와 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터에 함유되는 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양(+)의 세퍼레이터와 음(-)의 세퍼레이터 사이에 전위차가 나타나게 된다. 양의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브의 함량은 음의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브의 함량에 비하여 많고(바람직하게는 적어도 4배 이상), 음의 세퍼레이터에 함유된 활성탄 분말의 함량은 양의 세퍼레이터에 함유된 활성탄 분말의 함량에 비하여 많게(바람직하게는 적어도 4배 이상) 하는 것이 바람직하다.
한편, 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극과 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터에 함유되는 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 양전극과 음의 세퍼레이터 사이에 전위차가 나타나게 된다. 양전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량은 음의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브의 함량에 비하여 많고(바람직하게는 적어도 2배 이상), 음의 세퍼레이터에 함유된 활성탄 분말의 함량은 양전극에 함유된 활성탄 분말의 함량에 비하여 많게(바람직하게는 적어도 2배 이상) 하는 것이 바람직하다.
또한, 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극과 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터에 함유되는 탄소나노튜브(CNT) 및 활성탄 분말의 고용분 함량에 따라 음전극과 양의 세퍼레이터 사이에 전위차가 나타나게 된다. 양의 세퍼레이터에 함유된 탄소나노튜브의 함량은 음전극에 함유된 탄소나노튜브의 함량에 비하여 많고(바람직하게는 적어도 2배 이상), 음전극에 함유된 활성탄 분말의 함량은 양의 세퍼레이터에 함유된 활성탄 분말의 함량에 비하여 많게(바람직하게는 적어도 2배 이상) 하는 것이 바람직하다.
전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극용 조성물, 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물, 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터용 조성물 및 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극용 조성물을 각각 일정 크기(20㎜×20㎜)와 두께(2㎜)를 갖도록 성형하였다. 성형된 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양전극용 조성물, 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터용 조성물, 전기적 양(+)의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터용 조성물 및 전기적 음(-)의 극성을 갖는 음전극용 조성물을 순차적으로 적층한 후, 접합하여 필름 형태로 제조하였다. 이때, 상기 접합은 로울러 프레스를 이용하였고, 이때 로울러 프레스의 압력은 100ton/㎡ 정도로 하였다. 60℃의 온도에서 2시간 동안 건조 공정을 수행하여 폴리머 전지를 완성하였다.
상기 제조된 폴리머 전지의 전압과 전류를 측정한 결과(전지의 전압과 전류의 값은 단위 면적과 비례), 전압은 1.09V를 나타내었고 전류는 5.95㎃를 나타내었으며, 또한 폴리머 전지를 전자계산기에 적용하여 전원이 들어오는지 여부를 확인한 결과 전원이 들어오는 것이 확인되었다(도 8 참조).
상기와 같이 제조된 폴리머 전지는 진동이나 압력이 가해질 경우에 전지 내부에서 전기적 분극이 일어나는 압전 소자로도 이용이 가능하다. 본 발명의 폴리머 전지에 기계적인 힘을 주면 내부에 응력이 발생하고 그 물질속에 전기분극이 일어나는 압전 현상도 발생한다. 따라서, 본 발명의 폴리머 전지는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 소자로서 진동이나 압력 등으로부터 필요한 전력을 얻을 수 있고, 전자 노이즈가 발생되지 않을 뿐만 아니라 장시간 사용할 수가 있어서 기존 리튬 2차 전지 또는 연료 전지를 대체 또는 보완할 수 있을 것으로 기대된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (4)

  1. 폴리머 전지의 전극 사이에 삽입되어 세퍼레이터를 형성하는 세퍼레이터용 조성물에 있어서,
    사슬 구조의 기본틀을 제공하기 위한 폴리머 클레이;
    상기 폴리머 클레이와 결합하는 염화칼슘 분말;
    세퍼레이터 내에서 도전제로 작용하는 탄소나노튜브 분말;
    세퍼레이터용 조성물 내의 물질들간의 공유결합을 유도하면서 도전제로 작용하는 활성탄 분말; 및
    젤화 안정제로 사용되는 카라기난을 포함하는 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세퍼레이터용 조성물은 전기적 음의 극성을 갖는 음의 세퍼레이터를 형성하는 물질이고, 상기 폴리머 클레이는 25.0∼75.0중량% 함유되고, 상기 염화칼슘 분말은 5.0∼40.0중량%로 함유되며, 상기 탄소나노튜브 분말은 0.1∼5.0중량% 함유되고, 상기 활성탄 분말은 1.0∼25.0중량% 함유되며, 상기 카라기난은 0.5∼15.0중량% 함유된 것을 특징으로 하는 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 세퍼레이터용 조성물은 전기적 양의 극성을 갖는 양의 세퍼레이터를 형성하는 물질이고, 상기 폴리머 클레이는 25.0∼75.0중량% 함유되고, 상기 염화칼슘 분말은 5.0∼40.0중량%로 함유되며, 상기 탄소나노튜브 분말은 1.0∼25.0중량% 함유되고, 상기 활성탄 분말은 1.0∼5.0중량% 함유되며, 상기 카라기난은 0.5∼15.0중량% 함유된 것을 특징으로 하는 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 점도 조절을 위한 점증제를 더 포함하고, 상기 점증제는 0.5∼15.0중량% 함유되고 폴리스테아레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리머 전지의 세퍼레이터용 조성물.
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