#20. 젤 고분자 전해질

젤 고분자 전해질은 고분자와 유기용매, 리튬염으로 구성되는 전해질을 의미하는 것으로 고체 고분자 매트릭스 내에 유기 전해액을 함침시켜 제조한다. 일반적으로 고체 필름 상태이기는 하나 고분자 사슬내로 스며든 전해질에 의해 이온 전도도 값이 10-3 S/cm 수준을 나타내기 때문에 고체 고분자 전해질이 갖는 가공성과 안전성에 대해 액체 전해질의 높은 이온 전도 특성을 모두 갖고 있어 리튬 이차전지용 고분자 전해질로서 활발한 연구가 진행되어 오고 있다. 젤 고문자 전해질의 매트릭스 고분자로는 보통 PAN, PVdF, PMMA, PEO 등이 있으며, 각각의 특징에 대하여 알아보자.

1) PAN계

PAN은 고분자 측쇄에 큰 극성을 갖는 CN기를 보유하고 있기 때문에 리튬이온이나 용매와의 강한 인력이 작용하는 등으로 인해 고분자 전해질의 메트릭스 고분자로도 많이 검토되었다. 일반적으로 PAN은 고비점 용매인 EC 또는 PC에 LiPF6를 용해시킨 전해질을 함침시켜 제조한다. 

2) PVdF계

PVdF계 고분자를 이용하여 제조되는 젤 고분자 전해질의 특징은 적당한 상용성을 가진 용매를 사용함으로써 고온에서 용해되어도 온도 저하에 따라 상분리, 결정화로 인한 물리적 젤화가 가능하다는 것이다. 미세기공내의 액체전해질이 이온전도성을 나타내므로 이온전도성이 비교적 우수하며, 가소제를 포함하는 고분자 필름을 얻은 후 가소제를 추출하고 다공막으로 만든 뒤 다시 원하는 전해질로 다공막을 활성화 시키으로써 젤 고분자 전해질을 얻는다. 

3) PMMA계

PMMA는 2관능성 단량체를 전해질과 공존하에 중합함으로써 만들어 진다. PMMA계 젤 고분자 전해질은 투명한 필름 특성으로 전기변색소자용 전해질로도 사용할 수 있으며, 비수계 전해액을 함침시킨 화학가교형 젤 고분자 전해질은 상온에서 높은 이온 전도도를 나타내며 리튬 금속에 대해 넓은 전위 값을 갖는 특징이 있다. 

 

4) PEO계

PEO를 매트릭스 고분자로 하는 전해질은 EO 구조를 주쇄에 갖는 것과 측쇄에 갖는것들이 있다. EO 구조를 주쇄에 갖는 고분자 메트릭스에 있어서 PEO의 말단 수산기는 화학적으로 가교 시킬 수 있다. 이 외에도 분자량이 약 2000인 PEO 사슬을 그래프트 시킨 것도 있다.

 

일반적으로 젤 고분자 전해질 내에서 이온은 액체를 매개로 이동하고, 고분자 매트릭스는 필름의 기계적 강도 유지와 함께 액체 성분을 저장하는 역할을 한다. 젤 고분자 전해질의 이온 전도도는 액체 전해질의 이온 전도도에 거의 근접할 수 있고, 크게 물리 가교형과 화학 가교형으로 나눌 수 있다.