고분자 배터리:정의,역사,특성,재료,분류,구조,전기,화학 원리, 리튬 폴리머 전지 구조 특성

   

고분자 배터리

Ⅰ. 고분자

1.고분자의 정의

2.고분자의 역사

3.고분자의 특성

4.고분자 재료영역

Ⅱ. 고분자의 분류

1.구성성분에 의한분류

2.사슬형태에의한 분류

Ⅲ. 고분자의 구조

고분자의 입체적구조

Ⅳ. 고분자합성

Ⅴ. 전지 이용(고분자 배터리)

1. 전기․화학적 원리

2. 구조상 특성

3. 고분자 분리막

4. 리튬 폴리머 전지의 셀구조

5. 리튬 폴리머 전지의 특성

6. 리튬 이온 배터리와의 차이점

7. 리튬 폴리머전지의 이용분야

Ⅰ. 고분자

1. 고분자의 정의

우리 생활주변에는 분자라고 하는 작은 물질들로 구성되어 있다. 이들의 많은 부분들이 분자량이 수천에서 수백만에 이르는 거대 분자들로 구성이 되어있다. 즉 고분자는 하나 또는 두 종류 이상의 원자들, 혹은 이들의 집합체들이 공유결합에 의하여 연결되어진 분자들로 구성된 물질(material)이다. 고분자는 분자구조로 볼 때 반복단위의 모노머라고 하는 작은 반복단위들로 구성이 되어있으며 이는 모노머로 존재할 때와는 다른 물성을 나타내게 된다. 대부분 이들의 골격구조는 Linear, Branched, Network의 형태로 존재를 하게 되며 이들의 골격구조로 인하여 여러 가지 다른 물성이 나타나게 된다.

예를 들어 Linear Polyethylene의 경우에는 Branched Polyethylene의 경우보다 Melting Temp.가 20℃가 더 높게 된다. 또한 Network의 구조를 가진 것은 열에 의하여 녹지 않는 열경화성을 나타내게 된다.

일반적인 고분자 산업의 기원은 천연고분자의 개질과 관련하여 19세기에 시작된 것으로 알려져 있다. 그러나 1920년대 까지는 Hermann Staudinger가 주장하던 공유결합에 의한 화학적 단위의 긴 사슬의 분자라는 학설에는 받아들여지지 않았다. 후에 Hermann Staudinger의 이론이 Mark와 Meyer에 의하여 입증이 되어졌다. 또한 Paul Flory의 이론적, 실험적인 업적은 1974년 그에게 노벨상의 영광을 안겨주었으며 이후 과학적인 진보와 산업적인 발전으로 인하여 고분의 산업은 더욱 확장되었고 계속적인 발전을 거듭하고 있다

2. 고분자의 역사

① 1780 : Prestly "Rubber"

② 1839 : Goodyer "Vulcanization"

③ 1892 : Viscouse Rayon : Cellulose + NaOH

④ 1907 : Leo Baekland : "Bakelite" (Phenol 수지)

⑤ 1915 : Cellophane : Regenerated Cellulose

⑥ 1927-1937 : DuPont - Polyamides, Polyesters

⑦ 1950-1970 : Mylar(Polyester film), Lexan(PC), Kevlar

3. 고분자의 특성

고분자란 분자량이 대단히 큰 화합물이지만, 이와 같은 고분자화합물이 무질서한 원자의 배열로 이루어져 있는 것이 아니고, 보통 분자량이 작은 구조단위의 반복으로 이루어져 있다. 합성고분자화합물에 대하여 살펴보면 예로서 폴리에틸렌은 에틸렌의 중합으로 합성되지만, 구조는 (CH2CH2)n 으로써 나타낼 수 있는 바와 같이 아주 간단한 구조단위의 메틸렌 사슬의 반복으로 이루어져 있다. 천연 고분자화합물들은 이보다 좀더 복잡하기는 하지만, 훨씬 더 복잡한 구조를 가진 단백질에 있어서도 ㄷ-아미노산이 다수 결합하여 이루어진 폴리펩티드 사슬이 기본을 이룬 반복에 지나지 않는다. 고분자화합물을 구조면에서 분류하면, 구조단위가 곧은 사슬 모양으로 결합해 있는 사슬모양 고분자와, 구조단위가 2차원, 다시 3차원의 그물구조를 이룬 것들이 있다. 이와 같은 구조의 특징은 성질에도 영향을 끼치는데, 사슬모양 고분자는 유연성이 풍부하여 섬유로서 이용되는 것이 많고, 그물구조를 이룬 것들은 단단하여 합성수지로서 알려져 있는 것들 이 많다. 또한, 분자가 거대하다는 사실은 용매에 잘 녹지 않는 원인이 되어 있으며, 가령 녹는 경우라 하더라도 콜로이드 용액이 된다. 또 저분자화합물과는 달리 구조단위의 반복수가 다소 다른 분자의 혼합물인 경우가 많기 때문에, 분자량이라고 할 때에도 평균분자량을 뜻하게 된다. 고분자가 다양한 용도로 사용되기 위해서는 고강도, 내열성, 고탄성 및 고충격성 등 많은 특성이 요구된다. 이러한 요구조건을 만족시키는 고분자 재료는 가볍고 값싸고 가공이 쉽기 때문에 금속이나 세라믹 같은 기존 재료들을 대체할 수 있다. 일반적으로 한가지의 엔지니어링 수지만 선택하여 원하는 물성을 모두 만족시키기는 매우 어렵다. 따라서 최종적으로 요구되는 높은 수준의 물성을 만족시키기 위해 원하는 성질을 가진 고분자 성분들을 서로 섞어서 합금(얼로이) 또는 복합소재(컴포지트)화 하는 경향이다. 자동차 외장재로 고분자재료를 사용하기 위해서는 내장재보다 내후성, 내화학성등 요구되는 물성이 많기 때문에 세가지 이상의 성분을 섞어야 한다. 이 때 사슬내의 각 성분 조성에 따라 구조설계에 차이가 발생한다. 따라서 어떻게 각 성분을 배치하여 원하는 물성을 얻는가가 중요해 진다. 원하는 물성을 지닌 고분자를 단순히 섞기만 하면 각각의 고분자 물성보다 떨어지는 얼로이를 얻게 된다. 일반적으로 고분자 쌍은 서로 잘 섞이지 않기 때문에 단순히 섞으면 상당한 크기의 비정상적인 경계면이 형성되기 때문이다. 서로 섞어 각각의 고분자 성분의 장점만을 발현시키도록 하려면 고분자간의 경계면에 분자량이 작은 계면활성제와 유사한 고분자 상용화제를 투입해야 한다. 재활용이 가능한 여러 가지 재료를 하나의 고분자 사슬에 블록화해 중합한 고분자는 자연적으로 3차원 구조를 형성하면서 재활용도가 높아지기 때문에 재활용이 곤란한 기존의 재료를 대체할 수 있다. 흡수성 고분자는 물을 흡수해 젤리처럼 변하는 물질로 여러개의 분자들이 결합돼 있다. 전분도 이와 비슷한 특성이 있지만 흡수성 고분자에 미치지 못한다. 흡수성 고분자는 자체 무게의 1,000배까지 흡수하기 때문이다. 컵에 물을 가득 넣은 뒤 흡수성 고분자를 은단 크기만큼만 넣으면 컵모양의 젤리가 된다. 이 물질을 구성하는 친수성 분자들이 여러개의 물분자들과 결합, 말랑말랑해지는 것이다. 이 물질은 70년대 초반 미농무부 연구소가 옥수수의 주성분인 전분과 고분자를 합성시키던 중 우연히 발견됐다. 이후 생리용품 의료용 붕대 수술용 매트 등 높은 흡수성을 요하는 데 사용돼 왔다. 지하에 설치된 고전압케이블에 수분이 침투하는 것을 방지하는 수분방지시트에도 이 물질이 사용된다. 비가 올때 물을 흡수한 뒤 건조기에 서서히 방출하는 토양보수제, 누수방지하는 산업용 패킹, 석유의 수분제거제, 완구용품 등 갈수록 활용범위가 넓어지고 있다. 최근에는 전류를 이용해 물의 흡수율을 조절, 인공근육의 재료로 활용하려는 연구가 진행중이다. 금속으로 된 로봇팔과 달리 아주 부드러워 달걀도 쉽게 들어올릴 수 있기 때문이다.

4. 고분자 재료 영역

현대 생활에서 모든 분야에서 널리 걸쳐 있으며, 의복의 섬유나 피혁, 여러 가지 용기나 성형품을 만드는 목재나 플라스틱, 책을 포장하는데 사용되는 종이, 자동차 타이어의 고무등은 중요하며 그 외에도 접착제와 도료가 있다. 이온교환 수지나 여러 가지 막, 인공신장 등 물질분리를 위한 용도도 넓다.

① 섬유, 플라스틱, 고무

주된 용도가 구조형성이자만 각각의 성질의 특징은 고분자의 화학구조(1차구조)와 구조에 기초를 둔 집합체의 구조(고차구조)가 기본이 되고 있다.

ㄱ.섬유

섬유의 원료가 되는 고분자는 분자간의 상호작용이 강하며 이로 인해 분자가 규칙적으로 배열하여 결정으로 되기 쉬운 경우가 많다. 천연 섬유인 목면, 마(셀룰로오스), 견, 양모(단백질 즉, 폴리펩티드)등이 여기에 속한다.

폴리아미드, 폴리에스테르 및 아크릴계의 세가지가 대표적인 합성섬유로 불린다. 폴리아미드계 합성섬유는 나일론으로 부르고 있다. 고분자 합성에 있어서 아미드 결합은 일반적으로 디아민과 디카르복시산 유도체와의 축합반응에 의하거나 동일분자 내에서 아미노기와 카르복시기를 가진 화합물의 반응에 의한 것이다.

아크릴계 합성 섬유의 주요한 원료로 아크릴로니트릴이 있다. 이 이중결합을 교대로 부가, 중합시켜 폴리머를 만든다. 이 때 여러 가지 비닐 화합물을 공중합시켜서 폴리머를 만든다. 이때 여러 가지 비닐 화합물을 공중합시켜서 공중합체를 제조하여 섬유의 성질을 개량시킬 수 있다. 부가 중합계의 합성 섬유에는 이외에도 폴리비닐 알코올계의 비닐론과 폴리프로필렌이 제조되고 있다.

ㄴ.플라스틱

플라스틱으로 되는 고분자에 요구되는 성질은 섬유의 경우에 비해 훨씬 가벼운 조건을 가지 때문에 플라스틱의 종류가 다양하다. 플라스틱은 성형물을 만드는 공정의 차이에 따라 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱으로 크게 나눈다.

열가소성 플라스틱은 분자량이 큰 선상 고분자이며 상온에서는 고체이지만 가열하면 용융된다. 열가소성 플라스틱으로 쓰이는 대표적인 고분자는 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리프로필렌이 있다. 합성 섬유 비닐론의 원료가 되는 폴리초산비닐, 필름으로서의 특징을 갖는 폴리염화비닐리덴, 유기글라스로 불리는 폴리메타크릴산메틸 등은 모두 부가중합에 의해 만들어지는 열가소성 플라스틱이다.

열경화성 플라스틱은 성형재료의 분자량이 아주 높지 않은 화합물로서 열가소성 플라스틱과 같이 처음부터 분자량이 높은 것은 아니다. 상온에서 고체로 있어도 가열하면 유동성이 생기며 가열을 계속하면 분자간에 반응이 일어나 분자량이 증대하여 결국 3차원의 망상구조를 형성하여 가열해도 용융되지 않고 어떤 용매에도 용해되지 않는 상태로 경화한다. 페놀과 포름알데히드와의 반응으로 만들어지는 페놀수지는 플라스틱으로서 가장 오랜 역사를 가지고 있다. 그밖에 멜라민 수지, 알키드수지, 에폭시 수지 등이 있다.

ㄷ.고무

고무에는 천연고무와 합성고무가 있다. 천연고무는 고무나무의 수액에 포함된 탄화수소로서 화학구조는 시스-1,4 폴리이소프렌이다. 합성고무의 대부분은 천연고무와 똑같이 디엔중합체의 구조를 갖고 있다. 가장 대표적인 것은 시티렌과 부타디엔의 공중합반응으로 만들어진 스티렌-부타디엔(SBR)이다. 이소프렌의 중합반응은 유기금속계 촉매를 써서 행해지며 생성 폴리머의 구조는 천연고무와 똑같은 1,4-시스구조를 갖는다.

② 종이, 피혁

종이와 피혁은 천연 섬유와 함께 천연고분자를 이용하는 대표적인 것이다. 종이는 목재로부터 얻어지는 정제한 셀룰로오스 섬유를 초지 제조공정에서 서로 엉기게 하여 쉬트상으로 한 것이다. 피혁은 화학적으로는 주로 단백질의 일종인 콜라겐의 섬유로부터 만들 수 있지만 이 집합체의 구조는 복잡하며 성질이 다른 몇 개의 층으로 되어 있다.

③ 도료, 접착제

도료로서 쓰이는 고분자재료로서는 알키드수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아크릴수지(메타크릴산계), 아미노 수지(요소수지, 멜라민수지), 에폭시수지, 우레탄 수지가 있고 수성인 것은 폴리 초산비닐을 주체로 한 에멀젼(유탁액)이 있다.

접착제로서는 폴리초산비닐의 에멀젼, 폴리클로로프렌, 에폭시수지 등이 대표적인 고분자이다.

④ 점성물질

합성고분자에는 폴리비닐알코올, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드등이 있다.

⑤ 기능성 고분자

여러 가지 물질을 분리하기 위한 분리막도 고분자재료의 특징을 살릴 수 있는 분야이며 용도가 넓다. 고분자 물리화학적으로 안정한 구조를 만드는 것을 이용하여 여러 가지 기능물질의 실용적인 고분자가 실용화되고 있다.

Ⅱ. 고분자의 분류

1. 구성성분에 의한 분류

① Homopolymer : 단일 모노머로 구성된 고분자 화합물

② Copolymer : 두 개 이상의 모노머로 구성된 고분자 화합물

2. 사슬형태에 의한 분류

① 선 형 : 분지나 가교 결함이 없는 고분자 사슬형태

ex) Polyamides (nylon), polyethylene terephthalate (PET), Polyoxymethylene (acetals),

High Density Polyethylenes (HDPE)

② 분지형 : 중심 사슬로부터 폴리머 가지가 갈라져 나간 형태

ex) Low Density Polyethylene 은 특정 촉매와 열, 압력 하에서 만들어지는 분지형 고분자의 하나이다

③ 가교형 : 사슬이 상호 화학적으로 가교 결합되어 있는 형태

Ⅲ. 고분자의 구조

고분자의 구조는 고분자 물질의 가도, 용액의 점도, 탄성, 결정화도 또는 조성 과 형태에 대한 열적 및 역학적 거동과 같은 물성에 밀접한 관계가 있다.

1. 고분자의 입체구조

① 1차구조

모노머는 같은 것이라 할지라도 중합조건에 의해 많은 입체배치(configuration)가 다른 고분자를 생성한다. 이와 같이 화학결합에 의해 결정되는 구조를 1차구조라 부른다.

실제의 중합물은 각각의 구조가 단독으로 존재하지 않고 구조가 복합되어 있으며 경우에 따라서 복잡한 구조로 되어 있다. 입체 배치에 대한 대칭성이 전혀 없는 1차구조는 결정 아닌 결정성 고분자가 된다. 한편 입체 규칙성(stereo regularity)이 있는 고분자는 결정성 고분자도 되고 역학적, 열적 및 전기적 성질이 매우 우수하다.

② 2차구조

많은 고분자는 그의 주사슬 중에 단일 결합(single bond)을 가지고 있으며 C-C 결합은 분자 내 회전(internal rotation)이 가능하다. 고분자는 회전 가능한 결합을 많이 가지고 있기 때문에 회전한 결과 분자 사슬은 각종의 형태를 취할 수 있지만 회전 포텐셜 에너지가 극소로 되는 형태를 취한다. 이러한 구조는 뒤에서 기술하는 바와 같이 결정내의 분자사슬 하나의 형태를 결정하게 될 때 중요한 역할을 하게 된다. 내부회전에 의해 분자 사슬의 형태가 달라지는 것을 회전 이성체(rotational isomor)라 하는 데 이와 같은 구조를 2차구조라 한다.

③ 3차구조

3차구조는 분자 사슬의 집합체의 구조로서 정의되며, 결정 및 비결정의 구조가 여기에 해당된다. 결정구조는 1차구조, 2차 구조가 크게 영향을 끼치며 고분자가 결정화 되느냐는 1차구조에 의존한다. 즉 분자사슬에 입체 규칙성이 우선 있어야 한다. 곁사슬이 짧고 대칭성이 좋으면 고결정성으로 된다.

이론적으로 경정의 포텐셜 에너지는 내부 회전 포텐셜, 비결합 원자간 상호작용, 정전적 상호작용, 경우에 따라 수소결합 등을 고려하여 계산한다.

구체적으로 몇 개의 고분자에 대해 결정구조를 생각해본다.

ㄱ. 폴리에틸렌

폴리에틸렌은 CH2-CH2의 구조단위로서 그 제조방법에 따라 주사슬에 긴 분기가 있기도 하고 짧은 곁사슬이 붙기도 하기 때문에 일반적인 단순한 CH2의 반복이라 할 수는 없다.

고압법 폴리에틸렌- 1000～2000 기압의 고압력하에서 제조한 것으로 긴 가지가 붙어 있어서 결정화도가 낮으므로 저밀도 폴리에틸렌(low-density polyethylene)이라 한다.

저압법 폴리에틸렌- Ziegler-Natta계 촉매를 써서 상압에서 중합시킬 때는 규칙성 있는 구조로 되는 데 이것은 결정성이 높아 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이라 한다.

긴 분기가 없고 짧은 분기만을 선상 폴리에틸렌에 부가하여 결정성을 가지는 선상 밀도 폴리에틸렌(LDPE)이라 부른다.

이상과 같이 폴리에틸렌이라 해도 많은 종류가 있고 결정화가 가능한 화학구조는 에틸렌 단위가 규칙적으로 연결된 부분이다.

ㄴ. 폴리프로필렌

폴리프로필렌은 폴리 α-올레핀으로서 대표적인 폴리머의 하나이다.

이소탁틱 폴리프로필렌은 주사슬의 입체 형태를 트란스로 하면서 인접한 곁사슬의 CH3기의 수소가 이상적으로 접근하여 그 결과 높은 에너지 상태로 되는 펜탄효과가 생긴다.

이소탁틱 폴리프로필렌은 결정화 조건에 따라 α, β,γ의 결정구조를 취한다.

α형이 가장 안정하며 이것의 결정구조와 분자사슬의 형태는 단사정계(monoclinic system)이며, 신치오탁틱 폴리프로플렌의 결정구조는 사방정계로서 입체 규칙성에 의해 결정구조는 크게 변화한다.

ㄷ. 폴리에스테르

폴리에스테르는 [(CH2)mCOO]m으로 표시되는 지방족 폴리에스테르와 주사슬에 벤젠고리가 붙은 방향족 폴리에스테르로 나뉘어진다. 지방족 폴리에스테르의 공간배열은 평명 지그재그이다. 주사슬에 벤젠고리를 가진 폴리에틸렌테레프탈레이트는 섬유, 자기 테이프 등에 널리 응용될 수 있는 고분자이다. 그렇기 때문에 벤젠고리의 도입에 의해 지방족 폴리에스테르에 비해 융점이 높고 강도가 높아졌으며, 결정계는 삼사정계이다.

ㄹ.비결정구조

고분자는 그의 긴 분자사슬 중에 화학구조의 규칙성이 없는 부분을 가지고 있고 분자량과 함께 점도가 증가하기 때문에 결정화하지 않는 부분, 비결정영역(noncrystalline region)가 반드시 생기고 또한 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC) 등 라디칼중합에서 생성되는 고분자는 1차 구조가 입체 규칙성이 되기 어렵고 완전 비결정성 즉 무정형 고분자(amorphous polymer)로 된다. 무정형 고분자는 결정성 고분자와 달라서 결정부분, 비결정부분간의 밀도의 차이가 없기 때문에 빛이 산란되지 않고 투명한 고분자로 된다.

비결정구조를 만들기 쉽다는 것은 고분자 물질의 큰 특징 중 하나이고 이 구조가 탄성률의 강도, 내충격성, 내피로성, 염색성 등에 깊은 관련이 있다. 고분자의 물성을 연구하는 경우 비결정의 구조를 어떻게 제어하는가는 매우 중요한 부분이 된다.

④ 고차구조

결정성 고분자는 결정화의 조건 즉, 영액으로부터 경정화하는가, 용융액으로부터 결정화하는가와 결정화의 온도, 압력 등에 의해 결정구조에 변화는 없더라도 결정형태(morphology)에는 큰변화가 있다. 희박 용액의 등온 결정화에서는 라멜라(lamellar)의 단결정(single crystal)이 생성한다. 한편 용융액으로부터는 구정(spherulite)이 생성한다. 이와 같은 결정의 응집구조를 고차 구조라 정의한다.

ㄱ.단결정

폴리에틸렌 이외에도 많은 고분자 단결정이 보고되고 있다. 폴리옥시메틸렌 및 폴리플루오로화비닐리덴은 육각형, 폴리에틸렌옥시드 및 it 폴리4 - 메틸 -1-펜텐은 정육각형, 나일론은 능형, 폴리아크릴니트릴 및 폴리비닐알코올은 평형사변형의 단결정을 생성한다. 그러나 반드시 한 개의 라멜라 결정으로 되는 것 외에도 단결정 라멜라가 적층되어 나뭇가지상 결정(dendrite)이나 두 개의 결정이 대칭적으로 된 쌍결정(twin)등도 관찰된다.

ㄴ. 구정

구정은 결정성 고분자의 고체 구조 중에서도 가장 중요한 것이다. 구정이 발달하는 크기에 따라 시료의 역학적 성질은 물론 투명성 등도 크게 변화한다. 고분자의 온도를 올려서 충분히 융해 시킨 후 천천히 냉각하면 어떤 온도에서 불투명하게 고화가 개시된다. 이와 같은 시료를 편광 현미경으로 관찰하면 어떤 중심으로부터 방사상으로 확장된 구상구조를 볼 수 있다. 이것을 구정이라한다.

상압하의 결정화에는 분자사슬이 꺾여 접혀진 결정이 생성하지만 3000 기압 이상에서 폴리에틸렌을 결정화하면 분자사슬이 늘어나 짤린 연신된 분자사슬 결정이 생성한다.

⑤ 섬유 구조

고분자는 분자 사슬 방향으로 공유결합에 의해 큰 힘이 작용하고 있다. 그러나 분자간 방향으로는 약한 힘이 작용하기 때문에 큰 이방성이 존재한다. 온도를 올리면 분자간 상호작용은 급속히 작아지고 이와 같은 상태에서 연신(drawing)이나 압력을 가해 작은 구멍으로 압출시키면 응력을 가한 방향으로 분쇄의 미끄럼변형이 일어나 결정이 배향된다.

이와 같이 배향된 결정조직을 섬유구조라 한다.

Ⅳ. 고분자 합성

합성 고분자 물질은 섬유나 도료, 플라스틱 및 고무 제품등 우리 일상 생활에 뿐만 아니라 생산을 위한 각종 공업 재료에 이르기까지 널리 이용되고 있다. 고분자 합성에 관한 학문이 본격적으로 체계화된 것은 1920년대의 일로써, Staudinger와 그의 공동 연구자들의 일련의 연구 결과이며, 그들은 단량체 Styrene으로부터 합성한 polystyrene이 공유 결합으로 연결된 분자량이 큰 고분자 화합물임을 등중합 반응을 이용해서 입증하였다.

그 후 Nylon의 발명자인 carothers에 의해서 축합중합반응에 의한 고분자 생성에 관한 연구가 이루어졌고, 또한 1930년대에 각종의 중요한 합성 고분자가 발견되었다. Buna 고무의 공업화(1928년), Neoprene(1933년), Polyethylene(1933년), Nylon(1935년), Teflon(1935년), Silicone 수지의 공업화는 합성고분자의 영역을 새롭게 형성해 가는 기초가 되었다. 제2차 세계 대전을 전후해서 고분자 화학 및 그 공업은 더욱더 발전의 양상을 띄우게 되었는데, 그 중에서도 Ziegler(1952년)에 의한 새로운 촉매의 발견은 에틸렌을 상온 상압하에서 중합시킬 수 있게 하였고, Natta(1955년)에 의한 a-Olefin의 입체 규칙성 중합체의 합성을 가능케 하였다.

Ⅴ. 전지 이용(리튬 고분자배터리)

리튬폴리머전지는 음극과 양극사이의 분리막이 리튬이온전지에서의 전극의

분리역할외에 이온전도의 매개체, 즉 전해질의 역할을 하는 전지이다.

리튬폴리머전지는 전극재료및 고분자 분리막의 종류에 따라 다음과 같이

구분할 수 있다. 

1. 전기․ 화학적원리

음극과 양극의 활물질(active material)이 리튬이온전지와 유사하기 때문에

전기화학적 원리는 같다.

전지의 작동은 충․방전에 의해 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 intercalation함에 의해 이루어 진다.

전지작동에 의한 전극의 변화는 없기 때문에 안정적인 충․방전이 가능하다.

LiCoO2 + Cn ⇔ Li1-xCoO2 + CnLix

※ 리튬이온전지의 화학반응식

․양쪽 극에서의 반응

(-)극 반응(산화) : Li(LiyC6) →(방전)←(충전) Li+ + e-Li(LiyC6)

(+)극 반응(환원) : Li+ + e-(LiyMOn ) →(방전)←(충전) e-(LiyC6)

․전체반응식

Li(LiyC6) + e-(LiyMOn ) →(방전)←(충전) Li(LiyMOn) + e-Li(LiyC6)

2. 구조상의 특성

그림에서 보듯이 리튬이온전지와의 가장 큰 차이점은 일체화된 구조를

가진다는 점이다.

리튬폴리머전지의 기본단위는 양극과 음극의 사이에 고분자분리막이

적층되어 있는 판상 구조를 이루고 있는 bicell이며 양면이 모두 양극인 점이

특징이다. 요구되는 용량과 전지크기에 맞도록 여러장의 bicell들을 쌓을 수 있다.

3. 고분자 분리막

고분자 분리막은 리튬의 결정성장에 의한 양 전극의 단락을 방지함과

동시에 리튬이온 이동의 통로를 제공하는 역할을 한다.

고분자전해질의 이온전도도는 과거 10-7S/cm에서 최근 10-5~10-4S /cm

정도로 향상되고 있으나 실용화하기 위한 값인 10-3S/cm에는 못 미치고

있다.

이를 개선하기 위해 전해액을 고분자에 함침된 상태에서 전지를 구동하는

겔형 리튬폴리머전지의 개발에 주력하는 추세이다.

※겔형 고분자 전해질

겔형 고분자 전해질의 장점은 향상된 이온전도도 외에 우수한 전극과의

접합성, 기계적 물성, 그리고 제조의 용이함 등을 들 수 있다.

- 대표적인 겔형 고분자 -

poly(ethyleneoxide) (PEO)

poly(acrylonitrile) (PAN)

poly(methylmethacrylate) (PMMA)

poly(vinylidne fluoride) (PVDF)

대표적인 겔형 고분자전해질로서 PVDF계 전해질은 vinylidene fluoride

(VDF)와 hexafluoroethylne (HFP)의 공중합체와 가소제, 그리고

무기첨가제를 혼합하여 필름 성형후 전해액을 함침시켜 겔화시키는

공정으로 제조된다

전해질에 의한 전지의 구분은 다음과 같다

4. 리튬폴리머전지의 셀 구조

5. 리튬 폴리머 배터리의 특성

① High Voltage

Lithium ion battery와 같이 평균 전압이 3.7V로 nickel-cadmium이나 nickel-metal hydride와 같은 다른 2차 전지에 비하여 3배 정도 높다.

② Fast charge capability

constant-current/constant-voltage(CC/CV)방법으로 충전하는 경우 1~2 시간 이내에 완전 충전이 가능하다.

③ Pollution-Free

구성 물질 중에 환경 오염 물질인 cadmium, lead, mercury등이 들어 있지 않다.

④ long cycle life

정상적인 조건에서 300회 이상의 충방전 특성을 보인다.

⑤ No Memory Effect

Nickel-cadmium전지에서 나타나는 것과 같이 완전 충방전이 되지 않았을 때 용량감소가 생기는 현상이 없다.

⑥ Safer than Lithium ion battery

cell외부로 전해액이 누액될 염려가 없고 Polymer양이 상대적으로 Lithium ion battery보다 많으므로 더 안정하다.

⑦ lower internal resistivity

전극과 separator 가 일체형으로 되어 있기 때문에 표면에서의 저항이 그 만큼 줄어들어서 상대적으로 작은 내부저항을 갖는다.

⑧ advantageous in the thinner battery

얇은 판상 구조를 가지고 있기 때문에 얇은 cell을 만들기 적당하며 또한 bag을 사용해 package하기 용이하기 때문에 얇은 battery에 유리하다.

⑨ flexibility

polymer함량이 상대적으로 많아 전극 자체만으로도 film의 특성을 가질 수 있다. Cell의 경우도 이러한 film적 특성으로 인하여 형체의 자유를 어느 정도 갖게 된다.

⑩ shape-free

Lithium ion battery에서의 winding작업이 없고 여러 장의 film을 겹치는 과정 이 존재하므로 film만 원하는 모양으로 자르면 원하는 모양의 cell을 얻을 수 있다.

☉ 단점

일반적으로 전지는 충방전시 국부적으로 과열이 되기 때문에 열에 약한

고분자전해질은 부분적으로 용해되거나 또는 물러진다(연화). 이 때문에

전류와 전위가 균일하지 못해 단락의 원인이 되고 궁극적으로 화재와

폭발의 위험성을 안고 있다.

6. 리튬 이온 배터리와의 차이점

①구조상의 특징에서 보았듯이 판상 구조 이기 때문에 Lithium ion battery의 공정에서 나오는 winding작업이 필요가 없으며, 각형의 구조에 매우 알맞은 형태를 얻을 수 있다.

②전해액이 모두 일체화된 cell내부에 주입되어 있기 때문에 외부에 노출되는 전해액은 존재하지 않는다.

③자체가 판상 구조로 되어 있기 때문에 각형을 만들때 압력이 필요 없다. 그래서 can을 사용한 것 보다 bag을 사용하는 것이 용이하다.

※ 리튬이온 배터리

① 원리 및 장단점

Li-ion 전지는 Ni-Cd, Ni-MH 전지와는 성격을 달리하는 전지이다. 전압이 3.6 볼트로서 기존 전지의 3 배가된다. 전해질로서는 수용액대신에 유기 용매를 사용한다. 그 이유는 수용액은 1.35 볼트에서 분해가 일어나므로 4 볼트이상에서 안정한 유기 용매를 전해질로 사용한다. Li-ion 전지는 정극 (cathode) 에는 LiCoO2를 사용하고, 부극(anode) 에는 카본이나 graphite 를 사용한다. 충전시에는 LiCoO2 속에 있는 Li(리튬)이 빠져나와서 부극(anode) 의 결정 속으로 들어간다. 방전시에는, 역반응이 일어난다. Graphite 격자구조 속에 있는 Li (리튬) 이 빠져나와 이동하여 carhode 의 결정구조 속으로 들어간다. 충방전시에 Li 이 정극에서 부극으로 부극에서 정극으로 왔다갔다 한다. 이런 이유때문에 초기에는 그네처럼 Li 이 왔다 갔다 한다고 하여 " Swing전지" 또는 흔들의자처럼 왔다갔다 한다 하여 rocking chair concept 에 의한 전지 등으로 불렸으나, 일본에서 Li-ion 전지로 명명하였다. Li-ion 전지는 Li 금속이 안 들어가 있는 Li 전지라는 의미이다.

Li-ion 전지의 장점은 용량이 커서 충전후 오래 사용할 수 있다는 것이다. 또한 다른 전지보다 가볍다는 특징이 있다. 그러나, 다른 전지보다 위험하며, safety 문제로 인하여 고전류를 흘릴 수 있는 high power 전지를 만들기가 힘들다는 것이 문제점으로 지적되고 있다. 또한, 전지의 성능을 유지하고 safety를 유지하기 위하여 타전지에서는 사용하지 않는 보호회로를 사용한다.

 리튬 이온 전지는 두 전극(양극과 음극)과 리튬 이온을 두전극간에 가역적으로 전달할 수 있는 물질로 구성된다. 전지는 rocking chair principle 이라고 불리우는 원리에 의해 작동되는데 rocking chair principle이란 전지를 충전 및 방전함에 따라 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 교대로 드나드는 ("rock" back and forth) 것을 이야기한다. 이러한 원리는 리튬 금속 2차 전지의 작동 원리와는 근본적으로 다르며 충방전을 함에 따라 양극과 음극 물질의 변화가 없기 때문에 안전하다.

리튬 이온 이차 전지의 원리 :

   충 전

LiCoMO2 + Cn ⇔ Li1-xCoMO2 + CnLix

방 전

② 전지의 구성도

그림 1과 2는 원통형 리튬 이온 전지와 각형 리튬 이온 전지의 구성도이다. 리튬 이온 전지의 내부는 그림에서 보듯이 미세한 공극(pore)을 가진 polyethylene 필름의 분리막이 시트(sheet) 형태의 양극과 음극 사이에 놓여있는 것을 나선형으로 감은 구조로 되어있다.

 

그림1.각형 리튬이온전지의 구성도 

그림2. 원통형 리튬이온전지의 구성도

양극은 리튬 코발트 산화 금속의 활물질을 리튬 공급원으로 사용하고, 전류 집전체인 알루미늄 호일로 구성되어 있고, 음극은 활물질로서 흑연화 탄소와 전류 집전체인 구리 호일로 구성되어 있다.

전해액은 LiPF6가 용해된 유기용매이다.또한 리튬 이온 2차 전지는 가혹한 조건하에서 내부압을 방출하기 위한 안전변(safety vent)이 있을 뿐만 PTC(Positive Temperature Coefficient)와 CID (Current Interrupt Device) 소자가 있어 외부 단락에 의한 급격한 전류를 정상적인 방전 전류로 낮추어주는 역할을 한다.

7. 리튬 폴리머 전지의 이용분야

휴대용 전자기기인 celluler phone, hand held PC, Smart Card등

향후 고출력 전지로 설계하여 전기 자전거 (Electric assisted bicycle), 전기

자동차 (Hybrid Electric Vehicle/ Electric Vehicle) 용으로 응용 개발

산업-군사용 MAV (micro air vehicle), 의료처치용 분야에서 마이크로

수술시스템과 진단시스템, 초미세 자동 투약 시스템과 같은 마이크로

로보틱스 분야