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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10011183&local_id=10014388
이온성 액체와 플라스틱 크리스탈을 적용한 리튬폴리머이차전지의 싸이클 특성 연구
Reports NRF is supported by Research Projects( 이온성 액체와 플라스틱 크리스탈을 적용한 리튬폴리머이차전지의 싸이클 특성 연구 | 2006 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 김동원(한밭대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00210
Year(selected) 2006 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2008년 07월 31일
Year type 결과보고
Year(final report) 2008년
Research Summary
  • Korean
  • 이온성 액체인 알킬-3-메틸 이미다졸리윰 테트라플루오르보레이트를 합성하여, 그 중에서 점도, 리튬 염에 대한 용해성, 이온 전도도, 산화 안정성 등의 특성이 가장 우수한 에틸-3-메틸 이미다졸리윰 테트라플루오르보레이트를 리튬폴리머전지의 전해질 물질로 적용하였다. 이들의 상온에서의 이온 전도도는 1.8× 10-2 S/cm로 기존 유기 전해액과 거의 동등한 수준의 값을 나타내었으며, 소량의 비닐렌카보네이트를 첨가하는 경우 환원 안정성이 크게 향상됨을 확인하였다. 전도성 고분자인 폴리아닐린과 카본나노튜브를 복합화한 나노 복합체를 인시츄 화학 중합법(in situ polymerization)을 이용하여 합성하여 양극 활물질로 적용하였다. 이온성 액체 전해질과 폴리아닐린/카본나노튜브 복합체 양극으로부터 제조되는 리튬폴리머전지는 최대 139 mAh/g의 높은 방전 용량을 보였으며, 100회 싸이클을 반복한 결과 우수한 용량보존 특성을 나타내었다. 2.0C의 높은 전류밀도에서 111 mAh/g의 높은 용량을 보였는데, 이는 복합체 전극의 높은 전자 및 이온 전도성에 기인하는 결과이다. 아울러 전해질의 난연 특성 결과로부터 본 연구에 사용된 전해질 시스템은 난연 특성이 매우 우수한 것으로 확인되어, 난연 특성과 열안정성이 우수한 이온성 액체를 채용함으로써 리튬이차전지의 안전성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대되었다.
  • English
  • A family of alkyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate has been synthesized and characterized for application as an electrolyte material in lithium polymer batteries. Among them, ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate has been mainly studied in this work because of its low viscosity, high solubility of lithium salt, high ionic conductivity and high anodic stability. It exhibited a high ionic conductivity of 1.8× 10-2 S/cm at room temperature, which is comparable to that of conventional organic liquid electrolyte. It showed low cathodic stability and hence a small quantity of vinylene carbonate was added in the electrolyte to avoid its cathodic decomposition. Polyaniline(PANI)/multi-walled carbon nanotube(MWCNT) composite was synthesized by in situ chemical polymerization and was used as an active cathode material in lithium polymer batteries. The cell assembled with ionic liquid electrolyte and PANI/MWCNT cathode delivered a maximum discharge capacity of 139 mAh/g with good capacity retention until 100 cycles. It also showed an attractive discharge capacity of 111 mAh/g at the 2.0C rate, which could be ascribed to good electronic and ionic conduction pathways. From the flammability test, the ionic liquid electrolyte showed the lowest self-extinguishing time value of 4.0, which could be considered as a non-flammable electrolyte. These results lead us to conclude that the lithium polymer batteries assembled with non-flammable ionic liquid electrolyte and the PANI/MWCNT composite can be potential candidates for rechargeable lithium polymer batteries with enhanced safety.
Research result report
  • Abstract
  • 최근 리튬이차전지는 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등을 비롯한 휴대용 전자제품의 전원으로서 뿐만 아니라 전동 공구, 전기자전거, 전기자동차 등의 중대형 전원으로 그 응용이 급속히 확대되고 있다. 이와 같은 응용 분야의 확대 및 수요의 증가에 따라 전지의 외형적인 모양과 크기도 다양하게 변하고 있으며, 기존의 소형전지에서 요구되는 특성보다 더욱 우수한 수명 특성과 엄격한 안전성이 요구되고 있다. 유기용매 전해액을 사용하는 리튬이온전지는 높은 구동전압과 에너지 밀도, 우수한 싸이클 특성 등을 가지고 있으나, 최근 들어 발화 등의 사건으로 안전성 확보에 대한 관심이 점차 높아지고 있다. 리튬이차전지의 안전성을 향상시키기 위하여 지금까지 유기 전해액을 고분자에 혼합하여 제조되는 겔 고분자 전해질에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 이와 같은 겔 형태의 고분자 전해질에는 높은 이온 전도도의 확보를 위해 많은 양의 발화성 유기 용매가 포함되어 있기 때문에 대용량 전지로의 확장에 많은 제약을 갖고 있다. 따라서 대용량을 요구하는 전기자동차 및 하이브리드 자동차의 경우 안전성이 크게 요구되므로, 새로운 개념의 난연성, 비휘발성 전해질의 개발이 필수적이라 할 수 있다. 이러한 측면에서 이온성 액체(ionic liquid)는 기존 유기 용매의 대체 물질로서 최근 크게 각광을 받고 있다. 이온성 액체는 기존의 유기 용매 전해질과 비교하여, 증기압이 거의 없고, 난연 특성이 우수하며, 이온 전도도가 높은 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 높은 이온 전도특성, 우수한 전기화학적 안정성 및 난연 특성을 갖는 이온성 액체를 합성하여 리튬이차전지의 전해질 물질로 적용하였다. 이와 함께 높은 용량과 우수한 수명 특성을 보이는 폴리아닐린/카본나노튜브 복합체를 합성하여, 이들의 전기화학적 특성을 분석하고 리튬이차전지의 양극 물질로 적용하였다. 최종적으로는 합성한 폴리아닐린/카본나노튜브 나노 복합체 전극과 이온성 액체를 포함하는 고분자 전해질을 이용한 리튬이차전지를 제조하고, 이들의 충ㆍ방전 성능을 평가하였다.
  • Research result and Utilization method
  • 1) 연구결과
    이온성 액체인 알킬-3-메틸 이미다졸리윰 테트라플루오르보레이트를 합성하여, 그 중에서 이온 전도 특성이 가장 우수한 에틸-3-메틸 이미다졸리윰 테트라플루오르보레이트를 리튬폴리머전지의 전해질 물질로 적용하였다. 이들의 상온에서의 이온 전도도는 1.8 × 10-2 S/cm로 기존 유기 전해액과 거의 동등한 수준의 값을 나타내었으며, 소량의 비닐렌카보네이트를 첨가하는 경우 환원 안정성이 크게 향상되어 전해질 물질로서의 전기화학적 안정성을 만족함을 확인하였다. 이와 함께 전도성 고분자인 폴리아닐린과 카본나노튜브를 복합화한 나노 복합체를 합성하여 양극 활물질로 적용하였다. 이온성 액체 전해질과 폴리아닐린/카본나노튜브 복합체 양극으로부터 제조되는 리튬폴리머전지는 139 mAh/g의 높은 방전 용량을 보였으며, 100회 싸이클을 반복한 결과 우수한 용량보존 특성을 나타내었다. 이와 함께 2.0C의 높은 전류밀도에서도 111 mAh/g의 높은 용량을 보였는데, 이는 복합체 전극의 높은 전자 및 이온 전도성에 기인하는 결과이다. 아울러 전해질의 난연 특성 결과로부터 본 연구에 사용된 전해질 시스템은 난연 특성이 매우 우수한 것으로 확인되어, 난연 특성과 열안정성이 우수한 이온성 액체를 채용함으로써 리튬이차전지의 안전성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대되었다. 따라서 본 연구에서 얻어진 결과를 종합해볼 때, 이온성 액체 전해질과 폴리아닐린/카본나노튜브 나노 복합체 양극을 이용한 리튬폴리머전지는 우수한 싸이클 특성과 높은 안전성을 확보한 차세대 이차전지로 유망할 것으로 기대되었다.

    2) 활용방안
    ① 학술적 측면
    본 과제에서 얻어진 연구 결과는, 분자설계를 통해 합성된 소재를 적용한 전기화학적 에너지 변환 장치 연구의 전형적인 연구 모델로, 학부생 및 대학원생들에게 교육 자료로 활용할 예정이다.

    ② 응용적 측면
    이온성 액체를 고분자 필름으로 만들어, 이온성 액체의 특성을 그대로 유지한 채 형상은 얇고, 플렉시블하게 가져갈 수 있기 때문에, 이온성 액체 전해질을 이용한 고분자 전해질은 리튬이차전지 이외에도 염료감응형 태양전지, 캐패시터, 연료전지, 바이오전지, 발광소자 등에 적용할 수 있다. 이와 같이 이들 재료는 이온소자로의 조합을 한 단계 올릴 수 있고, 이 밖에도 고분자라는 특징을 살려 micro-fabrication 등의 기능성 코팅이나 micro-ionics 회로, 3차원 회로의 print용 재료로서의 응용도 기대된다.
  • Index terms
  • 이온성 액체, 리튬폴리머전지, 전도성 고분자, 카본나노튜브, 고분자 전해질
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