KR20140082042A - 전기화학소자용 고체 전해질 및 이를 구비한 전기화학소자 - Google Patents

전기화학소자용 고체 전해질 및 이를 구비한 전기화학소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 및 고분자 매트릭스를 다공성 지지체에 함침시킨 복합체를 포함하는 전기화학소자용 고체 전해질을 및 이를 구비한 이차전지에 관한 것이다. 상기 전기화학소자용 고체 전해질은 액체 전해질에 상응하는 우수한 이온전도도 및 고체 전해질에 상응하는 기계적 강도를 가지며, 특히 유연성이 우수하다.

Description

전기화학소자용 고체 전해질 및 이를 구비한 전기화학소자{SOLID ELECTROLYTE FOR ELECTROCHEMICAL DEVICE AND ELECTROCHEMICAL DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 및 고분자 매트릭스가 함침된 다공성 지지체로 이루어진 복합체를 포함하는 전기화학소자용 고체 전해질과 이를 구비한 전기화학소자에 관한 것이다.
전기화학소자 중 대표적으로 알려진 이차전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말한다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"(rechargeable battery)라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차전지로는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 축전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다. 이차전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다.
한편, 무선통신 기술이 점차 발전함에 따라, 휴대용 장치 또는 자동차 부속품 등의 경량화 등이 요구되면서, 이들 장치의 에너지원으로 사용하는 이차전지에 대한 수요가 증가하고 있다.
현재, 이차전지는 자동차의 시동을 돕는 기기, 노트북 및 핸드폰과 같은 휴대용 장치, 무정전 전원 장치 등 낮은 전력을 요구하는 곳에 사용되고 있다. 특히, 환경오염 등을 방지하는 측면에서 하이브리드 자동차, 전기 자동차가 실용화되면서, 이러한 차세대 자동차 배터리에 이차전지를 사용하여 제조 비용과 무게를 감소시키고, 수명은 연장하려는 연구가 대두되고 있다.
일반적으로 이차전지는 음극, 양극 및 분리막으로 구성된 전극조립체를 원통형 또는 각형 등의 금속캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극 조립체에 내부에 전해질을 주입시켜 제조한다.
하지만, 이차전지의 경우, 원통형, 각형 또는 파우치형 등의 일정한 공간을 가진 케이스가 요구되기 때문에, 다양한 형태의 휴대용 장치를 개발하는데 제약이 있다. 이에, 형태의 변형이 용이한 신규한 형태의 이차전지가 요구된다. 특히 이차전지에 포함되는 전해질로서, 누액의 염려가 없고 이온전도도가 우수한 전해질이 요구된다.
종래 전기화학소자용 전해질로는 비수계 유기 용매에 염을 용해시킨 액체 상태의 전해질이 주로 사용되어 왔다. 그러나 이러한 액체 상태의 전해질은 전극 물질이 퇴화되고 유기 용매가 휘발 될 가능성이 클 뿐만 아니라, 주변 온도 및 전지 자체의 온도 상승에 의한 연소 등이 발생하고, 누액의 염려가 있어, 안전성이 높은 다양한 형태의 전기화학소자의 구현에 어려움이 따른다.
최근, 이러한 액체 전해질의 안전성 문제를 극복하기 위해 겔 고분자 전해질 또는 고체 고분자 전해질과 같은 고분자 전해질이 제안되고 있다. 하지만, 액체 전해질 < 겔 고분자 전해질 < 고체 고분자 전해질은 그 순서대로 안전성이 높은 반면, 성능은 이에 반비례하여 고체 고분자 전해질이 가장 낮은 것으로 알려져 있다. 예컨대, 상기 고체 고분자 전해질은 액체 전해질에 비하여 안전성은 높으나, 이온전도도 등이 낮다는 단점이 존재한다. 따라서, 이온전도도 및 기계적 물성 등이 가장 낮은 고체 고분자 전해질을 도입한 전기화학소자는 낮은 성능에 의해 상업화에 어려움을 겪고 있다.
특허문헌 1에는 액체 유기 용매 대신에 플라스틱 크리스탈 매트릭스를 사용하는 전해질이 개시되어 있다. 즉, 플라스틱 크리스탈 전해질은 고체 전해질로서 안정성이 높은 고체 특성을 가지며, 액체 전해질에 뒤떨어지지 않는 우수한 이온전도도를 보인다. 하지만, 플라스틱 크리스탈 전해질의 경우, 액체에 가까운 유동성을 가지기 때문에 기계적 물성이 열악하고, 전지 구성 시에 단락 방지를 위한 세퍼레이터를 필요로 하는 단점이 있다.
특허문헌 2 내지 4에는 플라스틱 크리스탈 전해질에 기계적 강도 부여하기 위하여 폴리에틸렌옥사이드 등과 같은 고분자 매트릭스를 도입한 전기화학소자가 개시되어 있다. 하지만, 이러한 고분자 매트릭스를 도입한 전기화학소자의 경우, 실제 전지에서 세퍼레이터의 역할을 대체할만한 기계적 물성을 확보하지 못하였다.
이에, 높은 이온전도도를 유지하면서 세퍼레이터의 역할을 함께 수행할 수 있을 정도의 기계적 물성을 가지는 전기화학소자용 고체 전해질의 개발이 시급하다.
대한민국 특허공개공보 제2008-033421호 공보 대한민국 특허공개공보 제2011-136210호 공보 대한민국 특허공개공보 제2012-084572호 공부 대한민국 특허공개공보 제2011-136740호 공보
본 발명에서는 두께가 얇고, 이온전도도가 우수하며, 유연성 및 기계적 강도가 향상된 전기화학소자용 고체 전해질을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 전기화학소자용 고체 전해질을 구비한 전기화학소자를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명에서는
이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 및 고분자 매트릭스가 함침된 다공성 지지체로 이루어진 복합체를 포함하는 전기화학소자용 고체 전해질을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 이온성염은 일반적인 리튬염으로서, 구체적으로는 리튬 비스-트리플루오로메탄설포닐이미드, 리튬 비스-퍼플루오로에틸설포닐이미드, 리튬 테트라플루오로보레이트 (LiBF4) 또는 LiPF6 등을 사용할 수 있다.
상기 이온성염은 플라스틱 크리스탈 전해질을 기준으로 하여 0.1 내지 5 몰농도로 사용할 수 있다.
또한, 상기 플라스틱 크리스탈 전해질로는 숙시노니트릴을 사용할 수 있다.
본 발명의 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질은 상기 이온성염과 숙시노니트릴을 혼합한 후, 40℃ 이상, 70℃ 이하로 가열하여 제조할 수 있다.
또한, 상기 고분자 매트릭스는 전기화학소자용 전해질의 기계적 물성을 강화하기 위하여 포함되는 물질로서, 구체적으로 옥사이드계 비가교 고분자, 극성 비가교 고분자 및 삼차원적인 네트워크 구조를 가지는 가교 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 화합물일 수 있다.
보다 구체적으로 상기 옥사이드계 비가교 고분자는 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(프로필렌 옥사이드), 폴리(옥시메틸렌) 및 폴리(디메틸실록산)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 비가교 고분자를 들 수 있다.
또한, 상기 극성 비가교 고분자는 폴리아크릴로니트릴, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 폴리(에틸렌이민) 및 폴리(p-페닐렌 테트라프탈아미드)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 극성 비가교 고분자를 선택할 수 있다.
또한, 상기 가교 고분자는 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체의 중합체, 또는 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체와 1개의 관능기를 가지는 극성 단량체의 공중합체로 이루어질 수 있다.
구체적으로 상기 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체는 트리메티롤프로판 에톡시레이트 트리아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 디비닐벤젠, 폴리에스테르 디메타크릴레이트, 디비닐에테르, 트리메틸올프로판, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 및 에톡시레이티드 비스 페놀A 디메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 단량체를 들 수 있다. 또한, 상기 1 개의 관능기를 가지는 극성 단량체는 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 메틸에테르아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 메틸에테르메타아크릴레이트, 아크릴로니트릴, 비닐아세테이트, 비닐클로라이드 및 비닐플로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 단량체를 들 수 있다.
또한, 상기 다공성 지지체에 함침되는 상기 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 : 고분자 매트릭스의 중량비는 30:70 내지 90:10일 수 있다.
즉, 상기 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질의 중량비가 30 내지 90일 경우에, 가장 효과적인 이온전도도와 안정한 기계적 물성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질을 제조하기 위한 복합체를 구성하는 다공성 지지체는 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이트 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 고분자를 이용하여 제조할 수 있다. 구체적으로 상기 다공성 지지체는 다공성 부직포 기재, 또는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 부직포 기재일 수 있다.
이때, 상기 다공성 지지체의 두께는 30㎛ 내지 50㎛일 수 있으며, 전기화학소자용 고체 전해질의 두께는 다공성 지지체의 두께에 따라 결정된다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에서는 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 전기화학소자에 있어서, 상기 전해질로서 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질을 포함하는 전기화학소자를 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 액체 전해질에 상응하는 우수한 이온전도율 및 고체 전해질에 상응하는 기계적 강도를 가지며, 특히 유연성이 우수한 전기화학소자용 고체 전해질을 제공함으로써, 별도의 세퍼레이터를 필요로 하지 않으면서, 안전성 및 기계적 물성 등의 성능이 향상된 이차전지를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질은 그 제조 시에 용매를 필수적으로 요구하지 아니하므로 제조공정이 간단하다. 이러한 고체 전해질은 이온전도율과 유연성 측면에서의 기계적 강도가 모두 우수하므로 형태의 변형이 용이한 케이블형 전지에 적합하다.
본 발명에서는 액체 전해질에 상응하는 우수한 이온전도도 및 고체 전해질에 상응하는 기계적 강도를 가지며, 유연성이 우수한 전기화학소자용 고체 전해질은 제공함으로써, 안전성 및 고성능 특성을 갖는 이차전지를 제조할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1 및 2는 본 발명의 실험예 1에 따른 전해질막의 기계적 유연성 비교 실험을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 실험예 2에 따른 전해질막의 이온전도도 (s/cm)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예 2에 따른 절해질막의 이온전도율(S)을 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 실험예 3에 따른 비교예의 전해질막의 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 실험예 3에 따른 본 발명의 전해질막의 임피던스를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
먼저, 본 발명에서는 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 및 고분자 매트릭스가 함침된 다공성 지지체로 이루어진 복합체를 포함하는 전기화학소자용 고체 전해질은 제공한다. 상기 전기화학소자용 고체 전해질은 양극 및 음극에서 리튬이온을 운송하는 매질의 역할을 하는 것으로, 이차전지의 성능에 중요한 역할을 한다.
구체적으로, 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질에 있어서, 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질은 이온 전도성 매개체의 역할을 수행하며, 상기 플라스틱 크리스탈 전해질이 포함된 고분자 매트릭스의 경우, 유동성을 가지는 플라스틱 크리스탈 전해질을 흡수 또는 가둬둘 수 있는 역할 (reservoir) 역할을 수행한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질에 있어서, 이때, 상기 플라스틱 크리스탈 전해질에 도핑되는 이온성염으로는 리튬염이 바람직한데, 구체적으로 리튬 비스-트리플루오로메탄설포닐이미드, 리튬 비스-퍼플루오로에틸설포닐이미드, 리튬 테트라플루오로보레이트 (LiBF4) 또는 LiPF6 등을 사용할 수 있다.
또한, 플라스틱 크리스탈 전해질은 그 종류를 한정하는 것은 아니지만, 숙시노니트릴을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 플라스틱 크리스탈 전해질은 분자 혹은 이온이 회전 무질서를 보이는 반면에 무게 중심은 결정 격자 구조에서 정렬된 위치를 차지하는 화합물이다. 플라스틱 크리스탈의 회전 상은 보통 녹는점 이하의 고체-고체 전이로 발생하여 종종 플라스틱 성질과 기계 유동성 및 높은 이온전도도를 형성한다. 특히, 이온성염을 도핑한 경우에는 높은 이온전도도를 보이므로 이차전지용 전해질로 이용하기 적합하다.
또한, 본 발명에서는 이러한 플라스틱 크리스탈 전해질에 대한 유동성과 함께 이온전도도 및 기계적 물성 확보하기 위하여 비가교 고분자와 가교 고분자 등이 혼재된 고분자 매트릭스를 도입하고 있다.
예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide, PEO)와 같은 선형 고분자만을 사용하는 플라스틱 크리스탈 전해질의 경우에는 끈적한 용액의 형태 또는 겔형과 같은 상태를 보이므로 단독으로는 필름을 제조할 수 없다. 반면에 비가교 고분자와 가교 고분자가 혼재된 고분자 매트릭스를 포함하는 본 발명의 플라스틱 크리스탈 전해질의 경우에는 기계적 물성이 향상되어 전지에 힘이 가해지는 경우에도 단락 및 단선의 염려가 적으며, 탄력성을 가지므로 가요성이 요구되는 케이블형 이차전지와 같은 가변성이 요구되는 전지 시스템에 적합하다.
구체적으로, 상기 고분자 매트릭스는 옥사이드계 비가교 고분자, 극성 비가교 고분자 및 삼차원적인 네트워크 구조를 가지는 가교 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 고분자를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 옥사이드계 비가교 고분자는 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(프로필렌 옥사이드), 폴리(옥시메틸렌) 및 폴리(디메틸실록산)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 고분자를 들 수 있다. 또한, 상기 극성 비가교 고분자는 폴리아크릴로니트릴, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 폴리(에틸렌이민) 및 폴리(p-페닐렌 테트라프탈아미드)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 고분자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가교 고분자는 2 개 이상의 관능기를 가지는 단량체의 중합체, 또는 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체와 1개의 관능기를 가지는 극성 단량체의 공중합체로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체는 트리메티롤프로판 에톡시레이트 트리아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 디비닐벤젠, 폴리에스테르 디메타크릴레이트, 디비닐에테르, 트리메틸올프로판, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 및 에톡시레이티드 비스 페놀A 디메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 단량체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 1 개의 관능기를 가지는 극성 단량체는 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 메틸에테르아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 메틸에테르메타아크릴레이트, 아크릴로니트릴, 비닐아세테이트, 비닐클로라이드 및 비닐플로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 단량체를 포함할 수 있다.
상기 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 : 고분자 매트릭스의 중량비는 30:70 내지 90:10일 수 있다. 상기 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질의 중량비가 30 내지 90일 경우에, 높은 이온 전도성과 안정한 기계적 물성 측면에서 가장 효과적으로 나타날 수 있다.
상기 플라스틱 크리스탈 전해질의 중량비가 30 미만일 경우, 리튬 이온의 함량이 낮기 때문에 고분자를 포함하는 전체 전해질 내의 이온 전도성이 저하되고, 90 이상일 때에는 액체 성분의 플라스틱 전해질의 함량이 매우 많기 때문에 전해질층의 형상을 유지할 수 없을 정도로 기계적 물성이 매우 낮다. 따라서 상기 중량 범위 내에서 높은 이온전도도와 안정한 기계적 물성을 갖는 전기화학소자용 고체 전해질을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기화학소자용 고체 전해질을 제조하는 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질에 고분자 매트릭스를 혼합한 후, 중합시켜 고분자 전해질을 제조하는 단계; 및
상기 고분자 전해질을 다공성 지지체에 함침시키는 단계.
이때, 상기 고분자 전해질을 제조할 때, 용매를 첨가할 수도 있지만, 반드시 용매가 필수적인 것은 아니다. 용매를 사용한 경우에는 용매를 제거하기 위한 건조공정이 추가로 필요하지만, 용매를 사용하지 않는 경우에, 건조공정이 생략되어 제조공정이 간단해 진다.
상기 중합 방법은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 통상적인 자외선 개시제 (벤조인)를 첨가한 후, 자외선을 조사하여 중합하는 방법을 사용할 수 있다. 중합된 단량체는 3차원의 가교구조체를 형성하게 된다.
또한, 함침 방법은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 다공성 부직포 지지체에 상기 고분자 전해질이 스며들도록, 약 1 시간 동안 고분자 전해질 혼합 용액에 다공성 부직포 지지체를 침지시켜 수행한다.
본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질의 두께는 다공성 지지체의 두께에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, 다공성 지지체의 두께는 30 내지 50㎛일 수 있고, 이러한 두께로 한정되는 것은 아니며, 보다 얇은 두께의 다공성 지지체를 이용할 수도 있다.
종래 전기화학소자용 고체 고분자 전해질의 경우 100㎛ 내지 200㎛로 두께를 감소시키는데 어려움이 있었다. 하지만, 본 발명에서는 약 50㎛ 이하의 두께를 갖는 다공성 지지체에 고분자 전해질을 함침한 복합체를 이용함으로써, 두께가 획기적으로 축소된 전기화학소자용 고체 전해질을 제조할 수 있다.
한편, 이온전도도 (ionic conductivity) (s/cm)는 두께나 면적에 영향을 받지 않는 일종의 비례 상수로서, 기존 플라스틱 크리스탈 고분자 전해질과 본 발명의 다공성 지지체를 함침된 플라스틱 크리스탈 고분자 전해질의 두께가 다르기 때문에 이온전도도의 비교는 의미가 없었다. 이에, 고분자 전해질의 두께에 다른 영향 및 효과를 비교 분석하기 위하여, 전해질막의 두께를 고려한 이온전도율 (ionic conductance) (S)을 도입하였다.
이온전도율 (S)을 측정하는 방법은 하기 식 1을 참고할 수 있다.
[식 1]
G = K*A/I
상기 식에서, G는 이온전도율 (S)이고, K는 이온전도도 (K)이고, A는 표면적 (surface area) 이며, I는 전해질막의 두께이다.
즉, 전해질의 두께가 두꺼운 경우 전해질막의 이온전도율이 감소하게 되어, 전기화학소자 시스템의 내부 저항이 증가된다. 폴리머 전해질을 코팅하여 형성하는 경우에는 폴리머 전해질막을 얇게 만드는데 한계가 있다. 하지만, 본 발명에서는 다공성 지지체에 고분자 전해질을 함침시킴으로써, 전해질막의 두께가 다공성 지지체층의 두께에 영향을 받아, 두께가 축소된 전기화학소자용 고체 전해질을 제조할 수 있다. 따라서, 이온전도도뿐만 아니라, 유연성 및 기계적 물성이 우수한 전기화학소자용 전해질을 제공할 수 있고, 이에 따라 전극과 전해질 간의 계면의 안전성을 확보하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 양극 및 음극과, 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질을 구비한 전기화학소자를 제공한다.
이때, 상기 전기화학소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 1차, 이차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 수퍼 캐패시터 소자와 같은 캐퍼시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 상기 2차 전지 중 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다.
특히, 리튬 이차전지인 경우에, 양극 및 음극으로 이루어진 전극 구조체에 본 발명의 전기화학소자용 전해질을 주입하여 리튬 이차전지로 제조된다. 전극 구조체를 이루는 양극, 음극 및 세퍼레이터는 리튬 이차전지 제조에 통상적으로 사용되던 것들이 모두 사용될 수 있지만, 종래 세퍼레이터 대신 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질만을 이용할 수도 있다.
한편, 상기 양극 및 음극은 집전체와 활물질로 구성되는데, 구체적인 예로, 양극 활물질로는 리튬 함유 전이금속 산화물이 바람직하게 사용될 수 있으며, 예를 들면 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1,0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 -yCoyO2, LiCo1 - yMnyO2, LiNi1 -yMnyO2(O=y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2,a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 -zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다. 음극 활물질로는 통상적으로 리튬이온이 흡장 및 방출될 수 있는 탄소재, 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO); Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체; 등으로 이루어진 것이 사용 가능하다. 바람직하게는 탄소재를 사용할 수 있는데, 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hardcarbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolyticcarbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbonmicrobeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derivedcokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다. 이때 음극은 결착제를 포함할 수 있으며, 결착제로는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드 (polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate) 등 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다. 또한, 선형의 전선과 같은 구조를 갖는 케이블형 리튬 이차전지일 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
실시예 1.
숙시노니트릴에 리튬 비스-트리플로로메탄 설포닐이미드를 5 mol%로 첨가하고 가열하여 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질을 제조하였다. 이어서, 상기 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 85 중량부와 트리메틸올프로판 에톡시레이트 트리아크릴레이트 (TMPEOTA) 15 중량부를 혼합한 혼합 용액을 제조한 다음, 상기 혼합 용액에 1시간 동안 20㎛ 두께의 폴리에스테르 재질의 다공성 지지체를 침지하였다. 이 후, 혼합 용액이 함침된 다공성 지지체를 꺼내어 1분간 자외선을 조사/가교하여 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 및 고분자 매트릭스가 함침된 다공성 지지체로 이루어진 복합체를 포함하는 20㎛ 두께의 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질을 제조하였다.
비교예 1.
숙시노니트릴에 리튬 비스-트리플로로메탄 설포닐이미드를 5 mol%로 첨가하고 가열하여 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질을 제조하였다. 이어서, 상기 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 85 중량부와 트리메틸올프로판 에톡시레이트 트리아크릴레이트 (TMPEOTA) 15 중량부를 혼합한 혼합 용액을 유리판에 캐스팅한 다음, 자외선을 조사하여 200㎛ 두께의 기존의 전해질막을 제조하였다.
실험예 1. 기계적 유연성 측정
인장 강도 테스트기 (LF plus사 제, LLOYD)를 이용한 반복 구부림 (bending) 실험을 실시하여 상기 실시예 1에서 제조된 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질과, 비교예 1에서 제조된 전해질막의 인장 강도를 나타내었다.
도 1에 도시한 바와 같이 비교예 1의 전해질막의 경우 3회의 구부림 만에 파단 된 반면, 도 2에 도시한 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질의 경우 50회 이상의 구부림 실험에 의해서도 파단이 유발되지 않는 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질이 매우 우수한 기계적 유연성을 보이는 것을 확인하였다.
실험예 2. 이온전도도 측정
실시예 1의 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질과 비교예 1의 전해질막의 이온전도도 및 이온전도율을 측정하여 도 3 및 도 4에 각각 나타내었다.
도 3을 살펴보면, 전체적인 이온전도도 (s/cm)은 비교예 1의 전해질막이 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질에 비해 높지만, 도 4에 나타낸 바와 같이 두께 부분을 제외한 막의 이온전도율(s)은 실시예 1의 전기화학소자용 고체 전해질이 보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 즉, 실제 전지 저항에 연관된 인자는 이온전도율(s)이므로, 실시예 1의 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질이 이온전도율 측면에서 우수한 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3. 전기화학적 안정성 실험
주석이 도금된 구리를 측정전극(working electrode)으로 하고, 리튬 금속을 대전극(counter electrode)으로 하고, 이들 전극 사이에 상기 실시예 1에서 제조된 전기화학소자용 고체 전해질과 비교예 1에서 제조된 전해질막을 각각 삽입하여 코인형의 반쪽전지를 제조한 후, 임피던스를 측정한 결과를 도 5a 내지 도 5b 및 도 6a 내지 도 6b에 나타내었다.
도 5a 내지 도 6b를 참조하면, 실시예 1에서 제조된 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질(도 6a 및 도 6b 참조)이 비교예 1에서 제조된 전해질막(도 5a 내지 도 5b 참조)에 비해 리튬 금속 계면에 대하여 보다 빠르게 안정화된 후, 저항이 더 작은 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 리튬 메탈과 실시예 1에서 제조된 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질의 계면 저항이 보다 빠르게 안정화됨을 확인할 수 있었다.
이러한 결과에 따르면, 플라스틱 크리스탈 전해질 및 고분자 매트릭스가 함침된 다공성 지지체로 이루어진 복합체를 포함하는 본 발명의 전기화학소자용 고체 전해질의 경우에는 종래의 플라스틱 크리스탈 전해질에 비하여 기계적 물성이 향상되어 전지에 힘이 가해지는 경우에도 단락의 염려가 적은 것을 확인할 수 있었다. 특히, 플라스틱 크리스탈 전해질 및 고분자 매트릭스만으로 이루어진 플라스틱 크리스탈 전해질에 비하여 신장도 측면에서의 향상된 탄력성을 가지므로 가요성이 요구되는 케이블형 이차전지와 같은 가변성이 요구되는 전지 시스템에 적합함을 알 수 있다.

Claims (15)

  1. 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 및 고분자 매트릭스가 함침된 다공성 지지체로 이루어진 복합체를 포함하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온성염은 리튬 비스-트리플루오로메탄설포닐이미드, 리튬 비스-퍼플루오로에틸설포닐이미드, 리튬 테트라플루오로보레이트 (LiBF4) 또는 LiPF6인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온성염은 플라스틱 크리스탈 전해질을 기준으로 하여 0.1 내지 5 몰농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라스틱 크리스탈 전해질은 숙시노니트릴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 옥사이드계 비가교 고분자, 극성 비가교 고분자 및 삼차원적인 네트워크 구조를 가지는 가교 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 옥사이드계 비가교 고분자는 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(프로필렌 옥사이드), 폴리(옥시메틸렌) 및 폴리(디메틸실록산)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 의상의 고분자인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 극성 비가교 고분자는 폴리아크릴로니트릴, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 폴리(에틸렌이민) 및 폴리(p-페닐렌 테트라프탈아미드)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 고분자인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 가교 고분자는 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체의 중합체, 또는 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체와 1개의 관능기를 가지는 극성 단량체의 공중합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체는 트리메티롤프로판 에톡시레이트 트리아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 디비닐벤젠, 폴리에스테르 디메타크릴레이트, 디비닐에테르, 트리메틸올프로판, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 및 에톡시레이티드 비스 페놀A 디메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 단량체인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 1 개의 관능기를 가지는 극성 단량체는 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 메틸에테르아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 메틸에테르메타아크릴레이트, 아크릴로니트릴, 비닐아세테이트, 비닐클로라이드 및 비닐플로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 단량체인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 지지체에 함침되는 이온성염이 도핑된 플라스틱 크리스탈 전해질 : 고분자 매트릭스의 중량비는 30:70 내지 90:10인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이트 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 고분자를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  13. 청구항 1 또는 12에 있어서,
    상기 다공성 기재는 다공성 부직포 기재, 또는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 부직포 기재인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 고체 전해질.
  14. 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 전기화학소자에 있어서,
    상기 전해질은 청구항 1에 기재된 전기화학소자용 고체 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  15. 청구항 14항에 있어서,
    상기 전기화학소자는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
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