문홍철1팀
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 이온젤 전해질을 통한 리튬이온배터리 성능 및 안정성 개선
영문 : Improving Li-ion battery performance and stability through ion gel electrolyte
과제 팀명
문홍철 1팀
지도교수
문홍철 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 김*혁
서울시립대학교 화학공학과 20193400** 송*성 (팀장)
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 전기자동차, 스마트폰 등 첨단 산업 분야에서 리튬 이온 배터리(LIB)는 주요 전원 공급 동력원으로 사용되고 있다. 기존의 리튬 이온 배터리에는 액체 전해질이 사용되는데, 액체 전해질의 불안정성과 누출 문제 등으로 인해 다수의 배터리 화재 및 폭발사고가 발생하고 있다.
◇ 액체 전해질을 대체하기 위해 최근 전고체 전해질에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 고체 전해질은 무기 고체 전해질, 고분자 고체 전해질, 박막 고체 전해질 등으로 이루어지는데, 이 중에서 고분자 고체 전해질(SPEs)이 호환성과 설계 유연성 측면에서 높은 관심을 받고 있다.
◇ 특히, 고분자 전해질에 이온성 액체를 첨가한 이온젤 전해질(IGs)은 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 기존 액체전해질의 누출 및 안정성 문제를 해결할 수 있다는 점에서 리튬 이온 배터리에 가장 적합한 전해질 중 하나로 평가되고 있다.
◇ 따라서, 본 연구에서는 이온젤 전해질(IGs)을 활용한 리튬 이온 배터리의 안정성 및 성능 개선을 목표로 한다. 이를 위해 기존 IGS(iongels) 관련 선행 연구 논문을 분석하고, IGs에 적합한 이온성 액체 및 고분자 소재를 연구할 것이다.
◇ 이후 찾아낸 이온성 액체와 고분자 구조를 바탕으로, 최적의 IGs 구조를 제시하고, 해당 IGs를 활용하여 리튬 이온 배터리 전기화학적 및 열 안정성, 전도도, 배터리 성능 등의 개선 여부를 확인할 것이다.
개발 과제의 배경
◇ 리튬 이온 배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도, 낮은 자가 방전 특성 및 넓은 화학 전위 등으로 인해 많은 응용 분야에서 전원으로 사용되고 있다. 특히, 전기자동차(EV), 에너지 저장장치(ESS) 등 첨단 산업 분야의 발전으로 인해 고용량, 고출력 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 더 늘어나고 있다.
◇ 그러나, 기존 리튬 이온 배터리에서 사용되는 액체 전해질의 불안정성 때문에 세계 각지에서 LIB를 사용한 여러 device의 화재 및 폭발 사고가 발생하고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 최근, 열 안정성이 낮은 기존 액체 전해질을 대체할 수 있는 전고체 배터리의 연구 필요성이 대두되고 있다.
◇ 고체 전해질 중에서, 고분자 고체 전해질(SPEs)은 높은 안정성과 설계에 대한 유연성, 리튬과의 좋은 호환성 등으로 인해 가장 유망한 유형의 전해질로 간주되고 있다. 그러나 SPEs는 이온전도도와 전기화학적/열 안정성이 상용화에 부적합한 한계를 가지고 있다.
◇ 이러한 고분자 고체 전해질에 이온성 액체(ILs)를 첨가한 이온 젤(IGs) 전해질은 고분자 구조로 인한 장점을 살림과 동시에, ILs 첨가로 인해 높은 이온전도도와 안정성을 확보할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 IGs 전해질에 대한 전반적인 탐구를 통해 리튬 이온 배터리에 적합한 고분자와 이온성 액체 소재를 찾고 이온전도도, 구동 온도 범위, 전기화학적 및 열 안정성이 개선된 IGs 전해질을 제시하고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
- 연구 목표
◇ 이온젤 전해질인 IGs를 활용하여 기존 Li-ion Battery의 안정성 및 성능 문제를 개선하는 것을 해당 연구의 목표로 한다.
- 연구 내용
◇ 고분자 고체 전해질에 관련된 선행 연구 논문을 먼저 분석한 후, 고분자 기반 전해질에 ionic liquid를 첨가한 경우의 안정성 및 성능 개선 가능성을 분석한다.
◇ 이온젤 전해질(IGs)에 적합한 이온성 액체(ILs) 및 고분자 소재(Polymer matrix)를 연구한다.
◇ 최종적으로, 고용량/고출력 리튬 이온 배터리에 적용이 가능하도록, 안정성, 전도도 및 성능이 개선된 IGs 구조를 제시한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Performance of EMIMFSI ionic liquid based gel polymer electrolyte in rechargeable lithium metal batteries PEO계 전해액에 [BMIM][TFSI]를 첨가하였을 때, 이온성 액체의 가소화 효과에 의해 PEO의 결정성이 저하되고 비정질상이 증가하여 30도에서 1.5*10^-4S/cm의 높은 이온전도도를 얻었다.
◇ Ionic liquid-immobilized polymer gel electrolyte with self-healing capability, high ionic conductivity and heat resistance for dendrite-free lithium metal batteries [EMIM][TFSI]가 첨가된 PVDF-HFP 겔 전해질에서 이온성 액체 양이온과 PVDF-HFP의 극성 -CFx 그룹 사이의 이온-쌍극자 상호 작용이 PVDF-HFP의 결정도를 감소시켰다. (Fig. 1) 또한, [TFSI]-음이온을 고정하는 역할도 하여 전해질에서 Li+ 이온 수송을 크게 촉진하고 실온에서 8.8*10-4 S/cm의 이온전도도를 얻었다.
[Fig. 1] Schematic illustration of LiTFSI-IL-P(VDF-HFP) gel electrolyte
◇ Self-healing and high stretchable polymer electrolytes based on ionic bonds with high conductivity for lithium batteries
Ion dipole 효과는 전해질에 자가 치유 능력을 부여할 수 있어 리튬 금속 음극의 부피 변화에 잘 적응할 수 있다. Poly(4-vinylpyridine)(propyl-trimethylammonium)에 [EMIM][TFSI] 및 리튬염을 통합하여 독특한 바다-섬 구조를 형성하였을 때 (FIg. 2), 이러한 구조는 각 섬이 이온결합에 의해 상호 연결된 시차 Li+ 이온 전달 채널을 형성하여, 복합 전극에서 Li+ 이온의 전도를 촉진시켰다.
[Fig. 2] Photographs of the PVT-40% EMITFSI electrolytes
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ 겔 폴리머 전해질 조성물, 이에 의해 제조된 겔 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 (COMPOSITION FOR GEL POLYMER ELECTROLYTE, GEL POLYMER ELECTROLYTE PREPARED THEREFROM AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME),
본 발명은 겔 폴리머 전해질 조성물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 구체적으로 리튬염, 중합 개시제 및 특정 구조의 올리고머와 함께 비수성 유기용매 대신 이온성 액체를 포함함으로써, 난연성이 향상된 겔 폴리머 전해질 조성물과 이를 포함함으로써 고온 안정성이 향상된 리튬 이차전지에 관한 것이다.
출원인 : 주식회사 엘지에너지솔루션
◇ 겔 폴리머 전해질 및 이를 구비한 이차전지(GEL POLYMER ELECTROLYTE AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME)
본 발명은 이온성염을 함유하는 유기 전해액 및 가교 고분자로 이루어진 겔 폴리머 전해질과, 기계적 물성의 지지체로 이용되는 다공성 지지체를 포함하는 겔 폴리머 전해질 복합체, 및 이를 구비한 전기화학소자에 관한 것이다.
출원인 : 주식회사 엘지화학
◇ 겔 폴리머 전해질 및 이를 구비한 이차전지(GEL POLYMER ELECTROLYTE AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME)
제1 도메인 및 상기 제1 도메인에 인접하는 제2 도메인을 포함하는 블록 공중합체, 이온성 액체, 올리고머, 무기입자, 및 리튬염을 포함하고, 상기 제1 도메인은 이온 전도성 중합체(ion conductive polymer) 블록을 포함하고, 상기 제2 도메인은 비전도성 중합체(non-conducting polymer) 블록을 포함하는 전해질, 상기 전해질을 포함하는 리튬전지 및 리튬금속전지, 및 상기 전해질의 제조 방법을 개시한다.
출원인 : 삼성전자주식회사
◇ 이온성 액체를 포함하는 고체 전해질(Solid electrolyte containing ionic liquid)
본 발명은 이온성 액체를 다공성 금속 산화물에 효과적으로 내재화하여 이온성 액체의 장점을 유지하면서 유연성(flexibility)을 갖는 겔형의 고체 전해질을 제공하고자 한다. 이를 위해 본 발명은 하기 화학식 1로 표현되는 실란 화합물로부터 제조되는 다공성 금속산화물 내에 이온성 액체를 포함시킨 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질을 제공한다.
출원인 : 삼성에스디아이 주식회사
◇ 신규한 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지(Novel Polymer Electrolyte and Lithium Secondary Battery Comprising the Same)
본 발명은 외력에 대해 기계적 강성을 제공하는 제 1 고분자층과, 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 제 2 고분자층의 다층 구조로 이루어져 있고, 상기 제 1 고분자층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 1 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 0~60 wt%로 함유하고 있고, 상기 제 2 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 2 고분자층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 60~400 wt%로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
출원인 : 주식회사 엘지화학
- 특허전략
◇ 개발 목표 해당 연구는 리튬 이온 배터리에 적합한 전도도와 열적/화학적/전기화학적 안정성을 가지는 이온젤 전해질 개발을 목표로 한다. ◇ 해당 기술의 이점 고분자 전해질에 이온성 액체를 첨가한 이온젤 전해질(IGs)은 높은 이온전도도를 가짐과 동시에 기존 액체 전해질의 누출 및 안정성 문제를 해결할 수 있다는 점에서 리튬 이온 배터리에 가장 적합한 전해질 중 하나로 평가되고 있다. 또한, 이온젤 전해질은 주로 덴드라이트 성장 억제에 탁월하고, 높은 열 안정성과 높은 구동 온도 범위를 가진다. 이온젤 전해질의 산화 환원 전위는 넓은 전기화학적 창을 가지게 하며, 이는 전기화학적 안정성을 부여한다.
◇ 연구 개발 진행 방향 고분자 고체 전해질에 이온성 액체(ILs)를 첨가한 이온 젤(IGs) 전해질은 고분자 구조로 인한 장점을 살림과 동시에, ILs 첨가로 인해 높은 이온전도도와 안정성을 확보할 수 있다. PEO, PVDF-HFP 등 어떠한 고분자 구조를 선택하느냐, 또는 이온성 액체의 양이온 및 음이온을 어떠한 것으로 설정하냐에 따라서 최종적인 이온 젤의 물성과 전도도가 달라지게 된다. 그러므로 본 연구에서는 IGs 전해질에 대한 전반적인 탐구를 통해 리튬 이온 배터리에 적합한 고분자(polymer)와 이온성 액체 소재를 찾고, 이온전도도, 구동 온도 범위, 전기화학적 및 열 안정성이 개선된 IGs 전해질을 제시하고자 한다.
◇ 연구 기대효과 상용화된 LIB 규격에 적합한 이온전도성과, 안정성, 가역성 등을 가진 IGs 전해질은 기존 ESS, EV의 성능 개선 및 보편화를 이끌 것으로 기대된다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 고분자-이온성 액체(IL) 고체 전해질의 경우, 이온성 액체 내의 자가 해리된 이온이 폴리머 매트릭스와 혼합된 후 이온 전도에 이용이 가능하기 때문에 이온전도도를 향상시키는 것이 가능하다.
◇ 고분자 기반 고체 전해질은 높은 열적 안정성과 난연성으로 인해, 액체 전해질의 고유 문제인 누출과 폭발 문제등을 해결할 수 있다. 또한 TFSI계 등의 이온성 액체를 첨가하면 우수한 산화-환원 전위로 인해 넓은 전기화학적 창 범위와, 계면 화학 안정성을 가지게 된다.
[Fig. 3] EV industry analysis, Global Market Insights
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 전 세계 EV 판매 대수가 2025년 기준 1,690만대로 예상됨에 따라 리튬이온배터리용 이온젤 전해질 개발은 기존 액체 전해질 대비 전기화학적 안정성, 열 안정성을 개선함으로써 EV용 배터리 시장의 경제적 파급효과를 이끌 것으로 전망된다. 전기 자동차 한 대당 이산화탄소는 매년 1.1톤, 일산화탄소는 9.6kg, 탄화수소는 1.3kg, 또 질소산화물은 4.1kg를 매년 감소시킨 것으로 추정됐습니다. 더불어 오염물질 감소에 따른 환경 개선 효과를 비용으로 환산하면 대당 연간 약 21만원으로 전기자동차 1만대를 보급하면 연간 약 21억 원의 환경적 편익이 기대된다.
◇ 더불어 기존 액체 전해질을 고체 전해질로 대체함으로써 안정성을 개선함으로써 분리막 같은 안정성 관련 부품 수의 감소를 이끌 수 있다. 이를 통해 기존 LIB에 활물질을 더 넣을 수 있게 되어 에너지 밀도 향상을 이끌 수 있다. 구체적으로 기존 주행거리가 400km에 그쳤던 EV에서 1회 완충으로 1,000km까지 주행 가능한 EV를 구현해 EV 보편화를 이끌 수 있을 것으로 기대된다.
[Fig. 4] EV market size, Grand View Research
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 기존 LIB 선행연구 논문 분석 : LIB 선행 연구 논문을 통해 Li-sulfur batteries, Li-metal batteries 같은 여러 배터리의 종류를 알아본다. 더불어 기존 액체 기반 전해질의 한계를 파악하고 최근 연구 동향을 알아본다. – 김준혁, 송재성
◇ 폴리머 계열 고체 전해질 논문 분석 : 기존 액체 전해질의 단점을 개선한 폴리머 기반 고체 전해질을 알아본다. SPES, GPES, IGS 각각의 장단점 및 성능을 분석하며 IGs 연구의 필요성을 알아본다. 그리고 이를 토대로 화재 안정성 및 성능 개선을 이끄는 최적의 폴리머 계열 고체 전해질이 IGs라는 것을 뒷받침하는 연구 결과를 찾아본다. - 김준혁, 송재성
◇ IGs를 구성하는 IL 및 polymer 소재 관련 연구 논문 분석 : IGs를 구성하는 ionic liquid와 polymer matrix를 평가 방법의 개발 목표치를 고려하며 찾아본다. – 김준혁, 송재성
◇ 최적의 IL & polymer matrix 조합 제시 : 선정한 ionic liquid([Pyr13][TFSI], [EMIM][TFSI], etc.)와 polymer matrix (PEO, PVDF, PVA, etc.)를 조합하며 예상 성능을 비교 및 분석하여 최종적으로 개발 목표치를 만족하는 LIB용 IGs 기반 전해질을 제시한다. – 김준혁, 송재성
설계
설계사양
전해질 물성 요구사항
설계 방법
◇ 리튬 이온 배터리용 이온 젤 전해질의 성능 개선은 이온 젤의 각 구성 요소인 polymer matrix와 ionic liquid 각각의 성능 개선을 통해 이루어질 수 있다. 따라서 구성 요소의 물질적/구조적 변화를 통해 기계적 물성과 열적, 전기화학적 안전성을 개선한 논문들을 바탕으로 리뷰 연구를 진행 하였다.
[Polymer matrix]
polymer matrix의 경우, 기존의 homo polymer 들의 단점을 극복하고, 장점들을 동시에 확보하기 위해 설계된 copolymer 기반 전해질 논문 data를 위주로 분석하였다. 먼저, copolymer에 포함된 각각의 monomer unit의 작용기가 해당 전해질의 물성 및 성능에 어떠한 기여를 하는지를 중점으로 파악하였다. 이후, porous structure, cross-linking structure 등 고분자 사슬의 nano structure 구조 설계를 통해 기계적 물성과 이온전도도를 향상한 논문들을 탐색하였다.
[Ionic liquid]
ionic liquid의 경우, 먼저 ionic liquid 첨가에 따른 이온 전도도 향상 매커니즘을 다룬 논문을 탐색하여 해당 매커니즘을 분석하였다. cation과 anion 각각의 특성을 파악하고, 분류하는 작업을 진행하였다. 분류한 ion 종들의 열분해 온도, 이온전도도, 전기화학적 창 등의 성능 그래프 분석을 통해 최적의 성능을 갖는 cation과 anion의 조합을 분석하였다.
◇ 최종적으로 polymer 전해질과 ionic liquid를 조합하여 이온전도도 및 물성 향상을 이끌어낸 논문들을 분석하여 해당 설계의 타당성을 확보한 후, 리튬 이온 배터리에 적합한 성능을 가진 이온 젤 전해질의 구조를 제시하였다.
결과 및 평가
설계 결과
Polymer part
◇ polymer part의 물질적 개선으로는, homo polymer의 장점을 확대하고 단점을 축소할 수 있는 Copolymer matrix를 제시하였다. 구조적 개선점으로는, porous, cross-linking, support structure 등의 nano sturcture를 제시하였다.
예시로, PAN과 PMMA를 더해 만들어진 Copolymer는 포함된 monomer 각각의 장점을 확보함으로서, PAN의 우수한 기계적 물성과 PMMA의 전극 호환성을 확보할 수 있다. 또한, 해당 Copolymer의 낮은 이온전도도는 Porous nano sturcture을 통한 이온 수송 경로 확보를 바탕으로 개선되었다.
위 그래프를 보면 PAN-PMMA Copolymer의 경우, PAN을 단독으로 사용한 전해질보다 높은 이온전도도와 넓은 전기화학적 창을 가지는 것을 알 수 있다.
porous nano structure을 가지는 해당 전해질은 LIB에 적용하기에 적합한 이온전도도와 기계적 물성을 지니며, 우수한 열적/전기화학적 안정성을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
Ionic liquid part
◇ Ionic liquid의 경우, 양이온과 음이온은 각각 다음과 같이 3가지 종으로 분류할 수 있다.
[양이온]
[음이온]
적합한 양이온과 음이온을 찾기 위해 ionic liquid 의 물성에 대한 데이터를 분석하였다.
Ionic liquid의 열 분해 온도를 보면, 양이온 중에서는 imidazolium기반 양이온의 열 분해 온도가 가장 높고, 음이온은 imide 기반과 fluorinated 기반 음이온 모두 열 분해 온도가 높은 것을 알 수 있다.
양이온의 경우 이온 전도도와 전기 화학적 안정성 모두 imidazolium 기반 양이온이 가장 우수하다. 음이온의 경우 이온 전도도는 imide 기반 음이온이 더 높은 전도도를 나타내지만, 전기 화학적 창은 fluorinated 기반 음이온이 더 넓은 것을 확인할 수 있다.
결과적으로 열적 안정성과 더불어 이온 전도도 향상을 위한 측면에서는, imidazolium 기반 양이온과 imide 기반 음이온의 조합이, ionic liquid에 있어서 최적의 조합임을 알 수 있다.
결론
최종적으로 최적의 리튬 이온 배터리용 ion gel을 copolymer with nano structure인 polymer matrix와 Imidazolium based cation + Imaide based anion으로 구성된 ionic liquid 조합으로 제시한다. 아래는 해당 기반의 예시이다.
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
개발 과제 관련 향후 전망
Ion Gel (IG)은 ionic liquid (IL)과 고체 호스트 물질을 통합하여 개발할 수 있는 새로운 종류의 고체 전해질입니다. 호스트 재료의 특성은 새로운 종류의 IG를 제공합니다. 많은 연구에서 리튬 염을 포함한 후 LiC-IG 전해질이 액체와 같은 전도성을 나타내고 LIB 응용 분야에서 리튬 덴드라이트 성장을 억제할 수 있음이 밝혀졌습니다. Li-IL 용액은 여전히 높은 점도와 낮은 전도성을 나타내므로 Li-IL 용액과 호스트 물질을 완벽하게 혼합한 후에도 IG 전해질은 우수한 전도성과 높은 리튬 전이수를 나타냅니다. LiC-IG의 성능은 다른 IL을 선택/통합함으로써 크게 향상되는 것으로 밝혀졌습니다. FSI 또는 TFSI와 같은 더 큰 음이온 기반 IL은 다른 호스트 매트릭스와 혼합된 후 좋은 성능을 나타내는 것으로 나타났습니다. Li-IL 용액의 성능 개선을 위해 여러 micro 및 mesoporous 물질이 사용되었습니다.
IL과 고체 호스트 재료의 선택적 다양성을 통해 LiC-IG는 이상적인 구조와 뛰어난 전기화학적 성능을 지닌 새로운 시스템을 만들 수 있습니다. 현재 이러한 리튬 이온 배터리용 IG의 개발 방향은 나노 소재, 무기 충진재 등을 이용해 이온전도도 및 기계적 물성 측면을 개선하려고 있습니다. 더불어 이러한 IG 기반 전해질은 액체 기반 전해질 대비 더욱 안전하고 성능 측면에서 우수하며 때에 따라 환경친화적인 배터리로 적용하기에 용이한 특성이 있습니다. 따라서 이러한 IG는 차세대 이차전지 기술 개발을 위한 고체 전해질로서 매우 유망하다고 할 수 있다.
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30. EV market size : https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/electric-vehicles-ev-market
31. EV industry analysis : https://www.gminsights.com/industry-analysis/battery-electric-vehicles-bev-market
