니켈 폼 기반 무기 필러를 활용한 복합 고체 고분자 전해질 제조

초록

현재 통용되고 있는 리튬이온전지는 카보네이트계 액상 전해질이 주로 사용되고 있지만 가연성, 부식성, 열적 불안정성 등의 단점과 전해질의 누출, 리튬 덴드라이트 성장 등 안전성 문제를 갖고 있다. 전기자동차(EV), 에너지 저장 장치(ESS) 등의 수요 증가로 전지의 고에너지 밀도, 고안전성이 요구됨에 따라 기존 액상 유기 전해질은 응용이 제한된다. 전고체 배터리(All-Solid-State Battery)는 고체 전해질을 기반으로 고용량과 안전성의 한계를 극복할 수 있는 차세대 에너지 저장 시스템이다. Poly(ethylene oxide) (PEO)는 리튬 염과 함께 용해도와 가공성이 우수하여 고체 전해질에 주로 사용되는 고분자이지만 높은 결정성에 따른 낮은 이온전도도를 갖고 있기 때문에 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 본 연구에서는 순수 니켈 폼과 산화된 니켈 폼에 무기물을 형성하여 PEO 매트릭스의 결정성을 떨어뜨리고 이온전도도를 향상시키는 무기 필러로써 활용하였다. 기본 PEO-LiTFSI 고분자 전해질과 니켈 폼 복합 고체 고분자 전해질을 비교군으로 하여 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰하였고, 열중량-시차분석기(TG/DTA)와 시차주사 열량계(DSC)를 이용하여 유리전이 온도, 결정화도, 열분해온도 등을 확인했으며 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 이용하여 이온전도도를 측정하였다. 또한, 각 전해질과 함께 리튬 금속을 음극, LiFePO4 (LFP)를 양극으로 Full-cell을 제작하여 전기화학적 평가를 진행하였다.