입자간 결착 바인더를 활용한 전고체 리튬 이차 전지용 양극 복합체의 수명 특성 향상

Abstract

최근 리튬 이차 전지의 기술의 현저한 발전으로 휴대용 전자 기기에서부터 전기 자동차와 에너지 저장장치 같은 대형 장치에 이르기 까지 그 수요가 급격하게 증가하고 있다. 현재 상용화된 리튬 이차 전지는 액체 유기계 전해질을 포함하고 있는데 이 전해액은 과열 및 과충전의 상태에서 폭발의 위험성을 가지고 있고, 5V 이상에서 전기 분해 반응을 일으키기 때문에 고전압 양극을 활용하기 어렵다. 이러한 문제점은 대형 전지에 적용될 경우 안정성의 문제와 고출력, 고 에너지 밀도를 충족하는 데 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 전 세계적으로 다양한 종류의 차세대 전지가 활발히 개발되고 있는 가운데 전지를 구성하는 모든 성분이 고체로 이루어진 전고체 전지는 안정성 측면에서 기존 리튬 이차 전지의 단점을 해결할 수 있어 주목을 받고 있다. 전고체 리튬 이차 전지에 이용되고 있는 고체 전해질은 크게 폴리머 전해질과 무기 전해질로 구분되며 그 중에서도 황화물계 무기 전해질이 10-3 S/cm 이상의 높은 리튬 이온 전도도를 나타내며, 5V 이상에서도 전기화학적으로 안정하여 고출력, 고 에너지 밀도의 리튬 이차 전지를 구현할 수 있어 활발한 연구들이 진행되고 있는 단계이다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 황화물계 전해질을 사용하는 전고체 전지의 경우 기존 액체 전해질 기반의 리튬 이차 전지에서와는 다른 계면 반응으로 인해 전지의 저항이 발생하면서 수명 특성에 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 이와 같은 황화물계 무기 고체전해질 Li2S-P2S5을 사용하는 전고체 이차 전지의 낮은 수명 특성 및 율속 특성을 향상시키기 위해 양극 복합체에 고분자 바인더를 첨가하여 전고체 전지용 양극 복합체의 구조 개선을 통해 전고체 전지의 한계를 극복하고자 하였다. 고분자 바인더는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 분말을 이용하였으며 활물질, 고체 전해질, 도전재로 이루어진 양극 복합체 내에 여러 가지 함량으로 첨가되었다. PTFE를 양극 복합체 중량 대비 4wt% 첨가한 전고체 셀에서 45th cycle까지 충·방전을 진행한 결과, 상대적으로 가장 높은 방전용량인 130mAh/g을 나타내었다. 전류 밀도에 따른 전기화학적 특성은 6wt%의 PTFE가 첨가된 셀에서 가장 향상된 율속 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 본 연구를 통하여, 전고체 전지에서 충·방전 진행 도중 발생하는 양극 활물질의 부피 팽창 및 고체 전해질과의 불균일한 접촉면 형성으로 인해 나타나는 전기화학적 열화를 막기 위해 양극 복합체 내에 고분자 바인더를 첨가하여 양극 활물질과 고체 전해질 간 결착을 유도함으로써 수명 특성을 향상시킬 수 있다는 것이 확인되었다. 또한, 점 결착 형태 바인더의 작은 표면적으로 계면 저항을 최소로 함으로써 구성 분말 간 물리적인 접촉을 통해 리튬 이온이 이동하는 전고체 전지 시스템에서 PTFE는 후막 제작을 위해 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였다.