KR20200039294A - 기능성 첨가제를 포함하는 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지 - Google Patents

기능성 첨가제를 포함하는 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지 Download PDF

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Abstract

기능성 첨가제를 포함하는 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지에 관한 것으로,
본 발명의 일 측면에서 제공되는 고분자 전해질과 이를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지는 고분자 전해질 내 존재하는 기능성 첨가제로 인하여 종래의 전고상 리튬-폴리머 이차전지에 비해 상대적으로 우수한 충·방전 용량을 나타내는 효과가 있다.

Description

기능성 첨가제를 포함하는 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지{Polymer electrolytes comprising functional additives and all solid lithium polymer secondary battery comprising the same}
기능성 첨가제를 포함하는 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지에 관한 것이다.
최근 들어 반도체 산업이 발달되고 집적도가 향상됨으로써 전자기기들이 점차 소형화 및 경량화되고 있다.
따라서, 이에 요구되는 전류와 전력의 수준이 크게 높아지는 추세에 있다. 이러한 추세에 발맞추어 고상 전지의 실용화가 가능해졌고, 이를 위해서 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다(특허문헌 1).
리튬 이차전지 중 비수용성 액체 전해질로 구성되어 상용화된 리튬 이차전지는, 충·방전 성능은 우수하나 액체 전해질의 폭발 및 발화 위험이 있어 안전성 확보에 어려움이 있고, 액체 전해질과 전극, 분리막과의 전기화학 반응이 복잡하게 일어나 열화가 발생하여 결과적으로 전지 성능이 퇴화되거나 수명이 단축되는 문제점도 발생한다.
그에 비해, 고체 전해질로 구성되어 상용화된 리튬 이차전지는 폭발 및 발화 위험성이 없어 안전하나, 액체 전해질을 사용하는 리튬 이차전지에 비해 리튬이온 전도도가 좋지 못하여 충·방전 용량이 낮은 한계가 있다.
또한, 전고상 이차전지는 양극뿐만 아니라 전해질 등 모든 구성성분들이 고체상태이기 때문에 액체 전해질에 비하여 이온 이동시 전극들과의 저항이 크고, 이로 인한 열화현상으로 접촉된 부분이 탈리되는 문제점 등에 의하여 전해질과 전극 간의 결속력이 약화되고, 전도성이 나빠지는 경향이 있다.
특히, 전고상 이차전지 제작을 위한 고체 전해질을 전극에 적층 시, 각 파트간의 결속력이 크지 않아 전지로 제작 후에 경계에서의 저항이 상당히 크게 나타나기 때문에 결과적으로 고체 전해질의 성능이 100% 발휘되지 못하게 된다.
이에, 종래 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 낮은 충·방전 용량의 한계를 극복하여 결과적으로 우수한 용량을 갖는 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 개발이 시급한 실정이다.
한국 등록특허 제10-1826496호
본 발명의 일 측면에서의 목적은 종래 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 낮은 충·방전 용량의 한계가 극복 가능하도록 하는 고분자 전해질을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 측면에서의 목적은 상기 고분자 전해질이 구비되어 종래 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 낮은 충·방전 용량의 한계가 극복된 전고상 리튬-폴리머 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측면에서의 목적은 상기 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 측면은 음극에 그라파이트(Graphite)를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지용 고분자 전해질로서,
상기 고분자 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 기능성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
(상기 화학식 1에서,
Figure pat00002
는 단일결합 또는 이중결합이고; 및
R1은 수소, 할로, 나이트로, 나이트릴, 아민, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알콕시, 또는 하나의 C=C 이중결합을 포함하는 C2-5의 직쇄 또는 분지쇄 알케닐이다).
본 발명의 다른 일 측면은 양극;
그라파이트(Graphite)를 포함하는 음극; 및
상기 양극과 음극 간에 위치하는 고분자 전해질을 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지이되,
상기 고분자 전해질은 상기 화학식 1로 표시되는 기능성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 그라파이트를 포함하는 음극에 고분자 전해질 전구체를 도포하는 단계;
상기 도포된 고분자 전해질 전구체에 양극을 적층하는 단계; 및
열 경화하는 단계; 를 포함하는,
전고상 리튬-폴리머 이차전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 고분자 전해질과 이를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지는 고분자 전해질 내 존재하는 기능성 첨가제로 인하여 종래의 전고상 리튬-폴리머 이차전지에 비해 상대적으로 우수한 충·방전 용량을 나타내는 효과가 있다.
도 1은 첨가제 종류에 따른 리튬 이차전지의 충·방전 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
도 2는 음극 로딩을 1.0 mg/cm2로 조절하였을 때 실시예 2-2의 충·방전 율속에 따른 충·방전 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
도 3은 음극 로딩을 2.5 mg/cm2로 조절하였을 때 실시예 2-2의 충·방전 율속에 따른 충·방전 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
한편, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 나아가, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 측면은 음극에 그라파이트(Graphite)를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지용 고분자 전해질로서,
상기 고분자 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 기능성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00003
상기 화학식 1에서,
Figure pat00004
는 단일결합 또는 이중결합이고; 및
R1은 수소, 할로, 나이트로, 나이트릴, 아민, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알콕시, 또는 하나의 C=C 이중결합을 포함하는 C2-5의 직쇄 또는 분지쇄 알케닐이다.
다른 측면에서,
상기 R1은 수소, 할로, C1-3의 직쇄 또는 분지쇄 알킬, 또는 하나의 C=C 이중결합을 포함하는 C2-4의 직쇄 또는 분지쇄 알케닐일 수 있다.
또 다른 측면에서,
상기 R1은 수소, 플루오로, 또는 에테닐(Ethenyl)일 수 있다.
다른 측면에서,
상기 화학식 1로 표시되는 기능성 첨가제는 하기 화합물 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
- VC (Vinylene carbonate,
Figure pat00005
);
- FEC (Fluoroethylene carbonate,
Figure pat00006
);
- VEC (Vinyl ethylene carbonate,
Figure pat00007
)
상기 기능성 첨가제는,
고분자 전해질 총 100 중량% 중에서,
1 내지 10 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 2 내지 10 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 3 내지 10 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 3.5 내지 10 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 1 내지 9 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 1 내지 8 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 1 내지 7 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 1 내지 6 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 1 내지 5 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 1 내지 4 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 1 내지 3.8 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 2 내지 7 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 3 내지 5 중량% 만큼 포함될 수도 있고, 3.5 내지 3.8 중량% 만큼 포함될 수도 있다.
상기 고분자 전해질은 고분자 바인더, 가교제, 이온성가소제, 리튬염, 열경화개시제 등을 더 포함할 수 있다.
상기 고분자 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부티렌 고무(SBR), 불소 고무 등을 단독으로, 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있으나 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 가교제는 가교 가능한 관능기를 2개 이상 가지며, 상기 관능기는 에톡실레이트 아크릴레이트일 수 있다. 보다 구체적인 예로는 포스파젠계, 프스페이트계, 비스페놀 A(Bisphenol A) 화합물계 등을 단독으로, 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있으나 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 이온성가소제는 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디프로필에테르, 폴리에틸렌글리콜 디부틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디글리시딜에테르, 폴리프로필렌글리콜 디메틸에테르, 폴리프로필렌글리콜 디글리시딜에테르, 디부틸에테르 말단의 폴리프로필렌글리콜/폴리에틸렌글리콜 공중합체, 디부틸에테르 말단의 폴리에틸렌글리콜/폴리프로필렌글리콜/폴리에틸렌글리콜 블록 공중합체 등을 단독으로, 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있으나 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 리튬염은 리튬헥사플루오르포스페이트(LiPF6), 리튬테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬헥사플루오르안티모네이트(LiSbF6), 리튬헥사플루오르아세네이트(LiAsF6), 리튬디플루오르메탄설포네이트(LiC4F9SO3), 과염소산리튬(LiClO4), 리튬알루미네이트(LiAlO2), 리튬테트라클로로알루미네이트(LiAlCl4), 염화리튬(LiCl), 요오드화리튬(LiI), 리튬 비스옥살레이토 보레이트(LiB(C2O4)2), 리튬트리플루오로메탄설포닐이미드(LiTFSI) 등을 단독으로, 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있으나 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 열경화개시제는 t-BPP 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 일 측면은 양극;
그라파이트(Graphite)를 포함하는 음극; 및
상기 양극과 음극 간에 위치하는 고분자 전해질을 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지이되,
상기 고분자 전해질은 상기 화학식 1로 표시되는 기능성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 전고상 리튬-폴리머 이차전지 내 일 구성인 양극은 전고상 리튬-폴리머 이차전지로 사용 가능한 양극이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 양극은 양극활물질로 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4 및 LiNixMnyCozO2 (단, x+y+z=1) 로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 특별히 특정 종류로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 전고상 리튬-폴리머 이차전지 내 일 구성인 음극은 활물질로 그라파이트를 필수적으로 포함하며, 그라파이트를 포함하는 음극과 기능성 첨가제를 포함하는 고분자 전해질이 함께 구비됨으로써 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 우수한 충·방전 용량이 확보된다.
상기 음극은 그라파이트와, 또 다른 고분자 전해질이 복합화되어 형성된 복합음극일 수 있다. 이때 음극 자체에 복합화되는 고분자 전해질의 구체적인 구성은 전술한 고분자 전해질과 동일할 수도 있고, 일부 상이할 수도 있다.
상기 음극 자체에 복합화되는 고분자 전해질은 고분자 바인더, 가교제, 이온성가소제, 리튬염 등을 포함할 수 있다.
상기 음극은 그라파이트 활물질, 음극 자체에 복합화되는 고분자 전해질, 전도성 카본, 용매 등을 혼합하여 슬러리를 제조하고, 이를 기판(기재) 위에 도포한 후, 건조하는 단계를 통해 제조할 수 있다. 상기 기판(기재)는 구리 호일을 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 슬러리를 건조하는 단계에서 용매가 제거되며, 불필요한 용매 성분이 제거된 그라파이트 활물질, 고분자 전해질, 전도성 카본 만이 전극에 균일하게 분포된 상태로 남는다.
상기 용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로필알콜, 디메틸포름아미드(DMF), 아세톤, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran; THF), 톨루엔, 디메틸아세트아미드, N, N-디메틸포름아미드 및 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)으로 구성된 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 유기 용매를 포함할 수 있고, 상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)가 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 그라파이트 활물질의 로딩 밀도는 1.0 내지 5.0 mg/cm2 범위일 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 일 측면은,
그라파이트를 포함하는 음극에 고분자 전해질 전구체를 도포하는 단계;
상기 도포된 고분자 전해질 전구체에 양극을 적층하는 단계; 및
열 경화하는 단계; 를 포함하는,
전고상 리튬-폴리머 이차전지의 제조방법에 있어서,
상기 고분자 전해질 전구체는,
상기 화학식 1로 표시되는 기능성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 열 경화 단계에서, 고분자 전해질 전구체가 전고상 고분자 전해질로 경화될 수 있다.
또한, 상기 열 경화 온도는 고분자 전해질 전구체가 경화되는 조건이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 몇 가지 구체예를 들면 50 내지 150℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 60 내지 150℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 70 내지 150℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 80 내지 150℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 90 내지 150℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 50 내지 140℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 50 내지 130℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 50 내지 120℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 50 내지 110℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 50 내지 100℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 50 내지 90℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 60 내지 135℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 70 내지 120℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 80 내지 105℃의 온도에서 수행할 수도 있고, 90℃의 온도에서 수행할 수도 있다. 나아가, 상기 열 경화 시간은 고분자 전해질 전구체가 경화되는 조건이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 몇 가지 구체예를 들면 10 내지 60분 동안 수행할 수도 있고, 20 내지 60분 동안 수행할 수도 있고, 30 내지 60분 동안 수행할 수도 있고, 10 내지 50분 동안 수행할 수도 있고, 10 내지 40분 동안 수행할 수도 있고, 10 내지 30분 동안 수행할 수도 있고, 20 내지 50분 동안 수행할 수도 있고, 25 내지 40분 동안 수행할 수도 있고, 30분 동안 수행할 수도 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 고분자 전해질은 전고상 리튬-폴리머 이차전지 내 구비됨으로써, 종래 전고상 리튬-폴리머 이차전지에 비해 상대적으로 우수한 충·방전 용량을 나타내는 효과가 있으며, 이는 후술하는 실시예, 실험예에 직접적으로 뒷받침된다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예를 통해 상세히 설명한다.
단, 후술하는 실시예 및 실험예는 본 발명을 일 측면에서 구체적으로 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
< 제조예 1> 양극과 음극 사이에 구비되며 기능성 첨가제를 포함하는 고분자 전해질 전구체 제조
가교제인 BPAEDA (bisphenol A ethoxylated diacrylate, 분자량 688); 이온전도성 가소제인 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르 (poly(ethylene glycol) dimethyl ether, PEGDME, 분자량 500); 리튬염인 LiTFSI (Lithium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide); 열경화 개시제인 t-BPP (t-butyl peroxypivalate); 기능성 첨가제를 혼합하여 고분자 전해질 전구체를 제조하였다. 상기 BPAEDA, PEGDME, LiTFSI, t-BPP, 기능성 첨가제의 구체적인 사용량과 기능성 첨가제의 종류는 후술하는 표 1, 표 2에 나타내었다.
< 제조예 2> 전고상 폴리머 리튬 이차전지용 복합음극의 제조
전고상 폴리머 리튬 이차전지용 복합음극은 활성 물질인 흑연(그라파이트, Graphite), 고분자 전해질, 탄소계 도전재 등을 포함한다. 복합음극의 제조과정은 다음과 같다.
고분자 전해질 22 중량%, 흑연 70 중량% 및 전도성 카본(super P) 8 중량%를, 2.4 ml NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)에 용해시키고, 10분 동안 교반하여 슬러리를 준비하였다. 다음으로, 제조된 슬러리를 구리 호일 위에 도포하고, 80℃의 진공 오븐에서 24시간 건조시켜 음극을 제조하였다.
이때, 상기 고분자 전해질은 고분자 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드 (Polyvinylidene fluoride, PVDF) 60 중량%, 가소제인 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르 (poly(ethylene glycol) dimethyl ether, PEGDME, 분자량 500) 30 중량% 및 리튬염인 LiTFSI (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) 10 중량%의 혼합물이다.
< 실시예 1> 리튬 이차전지의 제조
제조예 2에서 제조한 복합음극 위에, 제조예 1에서 제조한 고분자 전해질 전구체를 도포하고, 그 상부에 대전극으로 리튬 금속 호일과 SUS 스페이서를 적층하여 전지를 구성하였다.
이후, 산소가 닿지 않도록 전지를 봉인(sealing)한 후, 90℃의 온도로 30분간 경화함으로써, 고분자 전해질 전구체를 고분자 전해질로 전환하여 전고상 폴리머 리튬 이차전지를 완성하였다. 전고상 폴리머 리튬 이차전지 제조시 사용한 각 구성의 사용량은 하기 표 1과 같다.
총 중량%
가교제
(BPAEDA)		 이온성가소제
(PEGDME)		 전해질 염
(LiTFSI)		 열경화개시제
(t-BPP)		 첨가제
비교예 15.74% 62.9% 21.2% 0.16% 0%
실시예 15.16% 60.5% 20.4% 0.16% 3.78%
상기 첨가제는 고분자 전해질 중의 가교제 및 가소제를 합한 양의 5 중량% 이었으며, 이때의 [EO]/[Li+] 비는 20이었다. [EO]/[Li+]는 고분자 전해질의 리튬염 함량을 나타내는 값으로, 고분자 전해질의 리튬이온 대비 에틸렌 옥사이드의 반복단위 수를 나타내는 값이다.
상기 사용한 첨가제의 구체적인 종류를 하기 표 2에 나타내었다.
첨가제 종류 첨가제 구조
실시예
1-1		 Vinyl carbonate
(VC)
Figure pat00008
실시예
1-2		 Fluoroethylene carbonate
(FEC)
Figure pat00009
실시예
1-3		 Vinyl ethylene carbonate
(VEC)
Figure pat00010
< 실험예 1> 리튬 이차전지의 용량평가
정전류 측정법을 통해, 상기 실시예 1-1 내지 1-3에서 제조한 리튬 이차전지의 용량을 상온(약 20~23℃)에서 평가하였다. 비교예로는 VC, FEC, VEC 첨가제 대신 ETFB, 3SF 를 첨가제로 사용하여 제조한 리튬 이차전지를 대상으로 하였다. 0.1C 에서의 용량 평가결과를 하기 표 3과 도 1에 나타내었다.
첨가제 종류 첨가제 구조 충전용량
(mAh/g)		 방전용량
(mAh/g)
실시예
1-1		 Vinyl carbonate
(VC)
Figure pat00011
 346 270
실시예
1-2		 Fluoroethylene carbonate
(FEC)
Figure pat00012
 483.7 378.5
실시예
1-3		 Vinyl ethylene carbonate
(VEC)
Figure pat00013
 402.3 304.6
비교예
1
-
-		 343.7 154.8
비교예
2		 Ethyl-4,4,4-trifluorobutyrate
(ETFB)
Figure pat00014
 349.4 137.7
비교예
3		 3-Sulfolene
(3SF)
Figure pat00015
 228.3 100.8
상기 표 3과 도 1에 나타난 바와 같이,
어떠한 첨가제도 사용하지 않은 비교예 1의 경우 방전용량이 154 mAh/g로 매우 낮게 나타났고, 에스테르계 첨가제를 사용한 비교예 2 및 술폰계 첨가제를 사용한 비교예 3의 경우도 비교예 1과 유사하게 낮은 방전용량이 측정되었다.
반면, 고리형 카보네이트계 첨가제를 사용한 실시예 1-1 내지 1-3의 경우, 비교예 1 내지 3에 비해 상대적으로 현저히 우수한 충·방전용량이 측정되어 가역적인 충·방전이 가능함을 확인하였다.
또한, 음극 로딩을 각각 1.0 mg/cm2, 2.5 mg/cm2로 조절하였을 때,
실시예 1-2의 충·방전 율속에 따른 충·방전 특성 곡선을 각각 도 2, 도 3에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 음극 로딩이 1.0 mg/cm2로 조절된 리튬 이차전지는 0.2 내지 2C까지의 충·방전 속도에서도 가역적인 충방전 특성을 보이며, 2C의 높은 충방전 속도에서도 0.2C에서와 유사한 충·방전 용량을 나타내어 매우 우수한 특성을 가짐을 확인하였다.
또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 음극 로딩이 2.5 mg/cm2로 조절된 리튬 이차전지도 가역적인 충·방전 특성과 율속 특성을 가짐을 확인하였다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예, 실험예를 통해 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 음극에 그라파이트(Graphite)를 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지용 고분자 전해질로서,
    상기 고분자 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 기능성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질:
    [화학식 1]
    Figure pat00016

    (상기 화학식 1에서,
    Figure pat00017
    는 단일결합 또는 이중결합이고; 및
    R1은 수소, 할로, 나이트로, 나이트릴, 아민, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알콕시, 또는 하나의 C=C 이중결합을 포함하는 C2-5의 직쇄 또는 분지쇄 알케닐이다).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 R1은 수소, 할로, C1-3의 직쇄 또는 분지쇄 알킬, 또는 하나의 C=C 이중결합을 포함하는 C2-4의 직쇄 또는 분지쇄 알케닐인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 R1은 수소, 플루오로, 또는 에테닐(Ethenyl)인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질은 고분자 바인더, 가교제, 이온성가소제 및 리튬염을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부티렌 고무(SBR) 및 불소 고무로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 가교제는 가교 가능한 관능기를 2개 이상 가지며, 상기 관능기는 에톡실레이트 아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 가교제는 포스파젠계, 프스페이트계 및 비스페놀 A(Bisphenol A) 화합물계로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 이온성가소제는 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디프로필에테르, 폴리에틸렌글리콜 디부틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디글리시딜에테르, 폴리프로필렌글리콜 디메틸에테르, 폴리프로필렌글리콜 디글리시딜에테르, 디부틸에테르 말단의 폴리프로필렌글리콜/폴리에틸렌글리콜 공중합체 및 디부틸에테르 말단의 폴리에틸렌글리콜/폴리프로필렌글리콜/폴리에틸렌글리콜 블록 공중합체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 리튬염은 리튬헥사플루오르포스페이트(LiPF6), 리튬테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬헥사플루오르안티모네이트(LiSbF6), 리튬헥사플루오르아세네이트(LiAsF6), 리튬디플루오르메탄설포네이트(LiC4F9SO3), 과염소산리튬(LiClO4), 리튬알루미네이트(LiAlO2), 리튬테트라클로로알루미네이트(LiAlCl4), 염화리튬(LiCl), 요오드화리튬(LiI), 리튬 비스옥살레이토 보레이트(LiB(C2O4)2) 및 리튬트리플루오로메탄설포닐이미드(LiTFSI)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 음극은 그라파이트와, 또 다른 고분자 전해질이 복합화되어 형성된 복합음극인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
  11. 양극;
    그라파이트(Graphite)를 포함하는 음극; 및
    상기 양극과 음극 간에 위치하는 고분자 전해질을 포함하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지이되,
    상기 고분자 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 기능성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지:
    [화학식 1]
    Figure pat00018

    (상기 화학식 1에서,
    Figure pat00019
    는 단일결합 또는 이중결합이고; 및
    R1은 수소, 할로, 나이트로, 나이트릴, 아민, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알콕시, 또는 하나의 C=C 이중결합을 포함하는 C2-5의 직쇄 또는 분지쇄 알케닐이다).
  12. 그라파이트를 포함하는 음극에 고분자 전해질 전구체를 도포하는 단계;
    상기 도포된 고분자 전해질 전구체에 양극을 적층하는 단계; 및
    열 경화하는 단계; 를 포함하는,
    전고상 리튬-폴리머 이차전지의 제조방법에 있어서,

    상기 고분자 전해질 전구체는,
    하기 화학식 1로 표시되는 기능성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure pat00020

    (상기 화학식 1에서,
    Figure pat00021
    는 단일결합 또는 이중결합이고; 및
    R1은 수소, 할로, 나이트로, 나이트릴, 아민, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬, C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알콕시, 또는 하나의 C=C 이중결합을 포함하는 C2-5의 직쇄 또는 분지쇄 알케닐이다).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열 경화 단계에서, 고분자 전해질 전구체가 전고상 고분자 전해질로 경화되는 것을 특징으로 하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 열 경화는 50 내지 150℃의 온도, 10 내지 60분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 전고상 리튬-폴리머 이차전지의 제조방법.
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