기능성 전도성 고분자를 이용한 리튬금속 전극 및 양극 활물질 표면개질

Abstract

이 논문은 두개의 파트로 구성 되어 있으며, 전도성 고분자를 이용하여 음극과 양극의 표면을 개질해 전지의 특성을 향상시켰다. Part Ⅰ은 리튬금속 전극의 표면을 스핀코팅 방법으로 개질하여 전지의 성능을 향상 시키는 연구이며, Part Ⅱ는 양극 활물질 표면을 액상법을 이용해 개질하여 전지의 성능을 향상 시키는 연구이다. Part Ⅰ, 리튬 이차전지의 전극 활물질로서 리튬금속은 낮은 표준 전극 전위(-3.04 V 대. 표준수소전극)와 높은 이론용량(3,860 mAh/g)으로 고에너지 밀도를 갖는 리튬 이차전지의 음극으로서 이상적인 재료로 주목받고 있다. 그러나 리튬 금속을 음극으로 사용하는 경우, 지속적인 충전과 방전 과정에서 발생하는 반복적인 리튬의 삽입과 탈리 과정을 통해 리튬금속 표면에 국부적으로 리튬이 수지상으로 성장하는 리튬 덴드라이트가 형성되게 된다. 이러한 덴드라이트의 성장은 전지 내에서 내부단락을 일으켜 전지의 안전성을 훼손시키며, 전해질 내의 부유물로 작용하여 전지의 효율과 수명을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 전자전도성 및 이온전도성을 갖는 블록 공중합체 고분자 폴리에틸렌디옥시티오펜 블록 폴리에틸렌글리콜(PEDOT-PEG)를 리튬 금속 표면에 스핀코팅법을 이용해 보호막을 강하게 증착시켰다. 이 고분자 보호막은 전해액과 전극의 직접적인 접촉을 막아 계면에서 발생하는 부반응을 억제하여 전극의 표면을 안정화 시키는 역할을 한다. 개질된 전극을 이용하여 리튬금속 전지를 제조해 충방전 테스트 결과, 초기에 발생하는 비가역적 용량을 줄여주었고, 수명특성이 향상됨을 확인하였다. 장기간 충방전이 진행된 이후 리튬 금속 표면을 전자주사 현미경(SEM)을 통해 지속적인 충방전으로 발생하는 리튬 덴드라이트를 효과적으로 억제하여 전지의 성능을 향상시키는 결과를 얻을 수 있었다. Part Ⅱ, 최근 전자기기의 비약적인 발전과 함께 산업체 및 수요자가 요구하는 전지의 용량 및 수명 등이 크게 상향되어 기존물질의 대폭적인 성능향상 및 대체물질 개발이 요구되고 있다. 이러한 요구를 만족 시키기 위해 연구가 꾸준히 진행되고 있는데, 대표적인 방안 중의 하나가 양극 소재의 표면을 코팅 처리하는 방법이다. 전기화학적 특성 및 안전성 향상을 위해 전자전도성과 이온전도성을 가지고 있는, 전도성 고분자 (PEDOT-PEG)를 액상법을 이용하여 양극 소재 표면에 얇은 코팅층을 형성한다. 표면 코팅을 통하여서 전기전도도를 향상시켰고, 고전압 또는 고온 하에서 발생하는 전이 금속의 용출을 억제하여 구조적 안정성을 향상시켰다. 전해질과 전극 간의 직접적인 반응으로 인한 전해액 내에서 생성된 HF에 의한 Li의 용해를 막아주어 충방전 특성이 향상되었고, 일반적으로 표면 개질을 하면 코팅막으로 인하여 이온의 이동도가 저하가 되는데 이온전도성 고분자 폴리에틸렌글리콜(PEG)효과로 인하여, 이온의 이동도가 원활하여 용량 특성 및 출력 특성이 향상 되었다. 아울러 고분자 코팅 층이 양극 소재의 표면을 보호하여 활성 반응 면적이 감소되고 전해질과의 계면 안정성이 증대되어 충전 전극의 열적 안정성이 증대 되었다. 전도성 고분자를 이용한 표면 개질이 전지의 성능을 향상 시켜주는 결과를 얻을 수 있었다.