폴리이미드/알루미나 복합 나노섬유 제조 및 특성 연구

[카리]

이차전지는 일차전지와 달리 충전을 통해 다시 수백 회 이상 재사용이 가능한 전지이다. 이차전지는 노트북, 휴대폰, 가전제품 등 다양한 산업분야에서 사용되고 있다. 또한 휴대용 IT 제품의 사용빈도가 높아지면서 이차전지의 수요가 급증하고 시장이 확대되고 있다. 또한 에너지 저장장치(Energy storage system, ESS), 전기차(Electrical vehicle, EV) 등 이차전지의 적용범위가 넓어지면서 고안전성, 고출력에 대한 성능이 요구되고 있다. 이차전지에는 니켈-카드뮴전지, 니켈-금속수소전지, 리튬이온 전지 등 많은 종류가 존재한다. 그 중 리튬이온 이차전지가 고출력, 고에너지 밀도의 특성을 갖기 때문에 주된 에너지원으로 사용되고 있다.
이차전지의 구성 요소 중 안정성에 역할을 하는 분리막은 양극과 음극 사이에 존재하여 전극의 접촉을 방지하여 전기적 단락을 예방한다. 또한 분리막은 다공성막으로 리튬이온을 효과적으로 양극과 음극에 이동시키는 역할을 수행한다.
현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 이차전지 분리막은 폴리올레핀계로 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)가 있는데, 이는 단가가 저렴하며 내화학성과 우수한 기계적 특성이 있기 때문이다. 그러나 올레핀계 분리막의 경우 융점이 낮기 때문에 고온에서 취약한 안정성을 가지고 있다. 특히, 올레핀계 분리막의 취약한 열안정성은 이차전지의 단락 및 폭발이 발생할 위험이 있기 때문에 이를 방지하기 위한 내열성 분리막에 대한 관심이 증가되고 있다. 또한 극성을 띠지 않는 소수성으로 인해 전해액을 흡수하지 못해 낮은 이온전도도라는 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 현재 세라믹을 분리막 표면에 코팅하여 전해액 흡수력과 기계적 강도를 향상시키고 있다. 특히 세라믹 코팅을 통해 폴리올레핀계 분리막의 가장 큰 취약점인 열안정성을 보완하고 있다.
올레핀계 분리막의 내열성을 향상시키기 위해 세라믹입자를 도입한 유/무기 복합 분리막에 대한 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 많이 사용되는 세라믹으로는 Al2O3, SiO2가 있다. 하지만 세라믹을 코팅할 경우 바인더가 없으면 분리막에서 떨어지는 단점이 있다. 이로 인해 바인더가 요구되지만 바인더 역시 높은 열을 받을 경우 손상이 일어날 수 있다. 또한 SiO2 세라믹 입자의 경우 전해액에서 팽윤에 의해 분리막에서 떨어지는 단점이 있다.
반면, 폴리이미드(Polyimide, PI)는 헤테로고리방향족의 고분자로서 강직한 주쇄로 인해 기계적 특성이 우수하며 열안정성과 내화학성을 가지고 있다. 이로 인해, IT, 필터, 내열성 분리막등 다양한 산업에서 적용되고 있으며 연구가 진행되고 있다.
따라서, 본 연구에서는 폴리올레핀계의 취약한 열안정성을 보완하고자 내열성고분자인 폴리이미드를 선정하였다. 또한 전해액을 잘 흡수하여 이온전도도를 향상시키기 위해 무기물을 사용하고자 하였으며, 가장 대표적인 세라믹 입자 중 실리카(SiO2)는 전해액에서 팽윤으로 인해 분리막에서 탈리현상이 발생하는 단점이 있기 때문에 이를 보완하고자 알루미나(Al2O3)를 선정하였다. 또한, 알루미나는 바인더를 사용하여 코팅을 하지 않고 금속유기화합물을 이용하여 졸-겔 방식을 통해 무기물 졸을 합성하고 최적의 점도를 선정하여 점성 알루미나를 전기방사법으로 직접 방사하고자 한다. 또한 Co-axial 노즐을 사용하여 Core 부분에는 폴리이미드, Sheath 부분에는 알루미나 졸-겔을 동시에 전기방사하여 바인더 사용 및 코팅 과정을 생략한 고내열성 및 이온전도도를 향상시킨 분리막을 제조하고자 하였다.

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