2011/12/30 06:20 |
[NTB 기술소개]실록산이 그라프팅 된 다공성 분리막, 이의 제조방법 및 이를 적용한 리튬 2차 전지
실록산 화합물 단량체가 그랑프팅 된 다공성 분리막을 적용한 리튬 2차 전지
실록산 화합물 단량체가 그랑프팅 된 다공성 분리막을 적용한 리튬 2차 전지
최근 정보통신 기술의 급속히 발전하고 다양한 제품이 개발되면서 무선 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 개인휴대단말기(PDA), MP3 플레이어, 디지털 카메라, 캠코더 등과 같이 소형으로 휴대할 수 있는 전자기기 시장이 급격히 성장하고 있다. 특히 휴대형 전자기기의 성장은 2차 전지에 대한 가치와 수요를 증가시키고 있다. 이 가운데 고성능, 고안정적인 2차 전지가 개발되었다.
<제조된 분리막(a)과 본 발명에서 다공성 매트릭스로 사용된 폴리에틸렌 분리막(b)의 SEM사진
출처: 한국원자력연구원>
출처: 한국원자력연구원>
2차 전지의 중요성과 리튬 2차 전지의 등장
각종 휴대형 전자기기에서 전지가 차지하는 무게비중은 노트북 컴퓨터의 경우 전체 중량 대비 10 내지 20%, 무선 휴대전화의 경우 50% 내외를 차지할 정도로 2차 전지는 휴대형 전자기기 본체의 소형경량화에 크게 영향을 미칠 뿐만 아니라, 장시간 연속사용 여부를 결정짓는다. 그러나 전자기기간에 서로 데이터를 전송할 수 있는 시스템이 발전하고, 데이터를 전송하는 전자기기 시스템의 전송속도 증가추이에 따라 니켈-카드뮴전지, 니켈수소합금전지와 같은 기존의 2차 전지는 휴대형 전자기기의 무선인터넷 또는 무선 데이터 통신 서비스의 고기능화에 따른 에너지 소비량을 충족시키기 어려운 문제가 있다. 바로 이러한 문제 때문에 계속적으로 소형 이차전지의 고에너지 밀도화, 고성능화 및 고안전성이 요구되고 있다. 이를 위해 일본, 미국 등의 선진국들은 오래 전부터 국가 또는 민간주도형의 2차 전지 연구개발이 활발히 추진되고 있으며, 현재 세계적으로 가장 각광받고 있는 고성능 차세대 첨단 신형 전지 중의 하나가 리튬 2차전지이다. 리튬 2차 전지는 기존전지에 비해 단위 무게 당 에너지 밀도가 크고 다양한 형태로 제조 가능하며 적층에 의한 고 전압·대용량의 전지개발이 용이하고, 카드뮴이나 수은 같은 환경을 오염시키는 중금속을 사용하지 않아서 환경 친화적이라는 장점을 갖고 있다.
<제조된 분리막(a)과 실록산이 그라프팅 되지 않은 분리막(b)의 전기화학적 안정성을 나타내는 그래프
출처: 한국원자력연구원>
출처: 한국원자력연구원>
실록산 화합물 단량체가 그라프팅 된 다공성 분리막을 적용한 리튬 2차 전지
다공성 분리막은 종래 유기용매에 대한 젖음성을 높이고 전기화학적 안정성을 향상시키기 위해 실록산 화합물 중 말단에 아크릴레이트 그룹을 가진 실록산 화합물 단량체를 그라프팅 시킬 수 있다. 실록산 화합물은 Si-O-Si를 포함하는 화합물이면 제한 없이 가능하다. 이들 중 말단에 아크릴레이트 그룹을 가진 실록산 화합물, 특히 비닐실록산 계열의 실록산 화합물이 더욱 좋다. 다공성 분리막의 다공도는 5 내지 90%이고, 두께는 5 내지 100 ㎛인 것이 알맞다. 이 기술은 방사선 조사장치 내에 단량체로서 실록산 화합물과 다공성 분리막을 유기용매에 함침시키는 단계(단계 1), 방사선 조사 장치 내의 산소를 질소로 치환시키는 단계(단계 2), 단계 1의 함침 된 다공성 분리막에 방사선을 조사하여 그라프팅 시키는 단계(단계 3) 및 단계 3에서 미 반응된 단량체 또는 단일중합체를 제거하기 위해 세척 및 건조시키는 단계(단계 4)를 거친다. 이후 리튬 2차전지에 적용시키게 되는데, 양극 및 음극에는 전극활물질을 사용할 수 있으며, LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1-yCoyO2 (0〈y〈1), Li1+xNiaMnbCocO2 (-0.05≤x≤0.1, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤1), LiFe1-xMxPO4 (M=Mg, Mn 또는 Co, 0≤x≤0.1) 등의 복합 금속 산화물을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 전극활물질 중 음극활물질은 비제한적인 예로리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬합금, 카본, 코크, 활성화 카본, 그래파이트 실리콘, 주석 등을 사용할 수 있다.
실록산 화합물 단량체가 그랑프팅 된 다공성 분리막을 적용한 리튬 2차 전지는 고분자 분리막의 표면에 실록산 화합물 단량체를 그라프팅 시킴으로써 분리막의 전해질에 대한 젖음성을 향상시킴과 동시에 기존 분리막 보다 향상된 전기화학적 안정성을 나타낼 수 있다. 이는 리튬 2차전지의 에너지 밀도, 성능 및 안전성을 향상시키는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
실록산 화합물 단량체가 그랑프팅 된 다공성 분리막을 적용한 리튬 2차 전지는 고분자 분리막의 표면에 실록산 화합물 단량체를 그라프팅 시킴으로써 분리막의 전해질에 대한 젖음성을 향상시킴과 동시에 기존 분리막 보다 향상된 전기화학적 안정성을 나타낼 수 있다. 이는 리튬 2차전지의 에너지 밀도, 성능 및 안전성을 향상시키는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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