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"전도성 고분자 구분"에 대한 내용입니다.
목차
1. 전도성 고분자의 구분
1.1. 전고체 배터리의 기초
1.2. 전고체 배터리의 등장 배경
1.3. 전고체 전해질 종류
1.4. 에너지 저장 응용 분야를 위한 고상형 고분자 전해질
2. 전도성 고분자와 이온성 액체
2.1. 휘발성 유기화합물 (Volatile Organic Compounds)
2.2. 폴리아닐린 (PANI)
2.3. 전도성 고분자
2.4. 이온성 액체
2.5. 전도성 고분자와 이온성 액체 간의 상호작용 연구
3. 전도성 고분자 센서 실험
3.1. 시약 및 장치
3.2. 이온성 액체의 합성
3.3. 폴리아닐린의 합성
3.4. 가스센서의 제작
4. 실험 결과
4.1. PANI SEM 및 UV-vis 분석
4.2. 가스센서 감지특성 평가
5. 결론
6. 참고 문헌
본문내용
1. 전도성 고분자의 구분
1.1. 전고체 배터리의 기초
리튬 이온 전지란 화학 에너지를 전기 에너지로 전환해서 에너지를 저장하는 것이다. 1차 전지는 볼타 전지 혹은 갈바니 전지라고 부르는 것으로 케미컬 포텐셜이 다른 두 전극판을 놓고 도선을 연결하면 자발적 반응이 일어나면서 산화-환원 반응이 일어나게 된다. 2차 전지인 리튬 이온 전지는 가역적으로 충ㆍ방전이 가능한 배터리로, 음극에는 주로 흑연을, 양극에는 주로 금속 산화물을, 분리막에는 porous 형태의 고분자 필름을, 전해질에는 주로 유기 액체 전해질을 사용한다. 충전 시 양극에서 음극으로 리튬 이온이 저장되며, 방전 시 음극에서 양극으로 이동한다. 배터리의 용량은 전하의 양인 암페어-시간(Ah)으로, 에너지는 전압과 용량의 곱인 와트-시간(Wh)으로 나타낸다.
1.2. 전고체 배터리의 등장 배경
최초의 리튬 이온 배터리는 리튬을 양/음극으로 전부 사용하였다. 그러나 이 경우 데트라이트(Dendrites) 문제가 발생하였다. 이를 해결하기 위해 흑연을 음극으로 사용하는 리튬 이온 배터리가 개발되었고, 이를 통해 안정성을 확보할 수 있었다. 그러나 리튬 금속의 높은 저장 용량(약 10배)으로 인해 다시 리튬 금속을 사용하고자 하는 시도가 있었다.
데트라이트 문제를 해결하기 위해 전고체 배터리가 개발되었다. 전고체 배터리는 액체 전해질을 사용하지 않기 때문에 배터리 폭발 위험이 낮다. 또한 리튬 금속을 음극재로 사용하여 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 따라서 전고체 배터리는 차세대 배터리로 주목받고 있다.
리튬 이온 배터리와 리튬 메탈 배터리를 비교해보면, 리튬 메탈 배터리는 흑연 보다 10배 이상 큰 용량을 가지며, 같은 부피당(질량당) 더 많은 배터리를 넣을 수 있다는 장점이 있다. 또한 리튬 이온 배터리의 경우 흑연 음극에서 발생하는 추가적인 저항이 없어 충/방전 반응이 빠르다는 특징이 있다. 하지만 리튬 메탈 배터리의 경우 데트라이트 형성이라는 단점이 있다.
1.3. 전고체 전해질 종류
산화물 전해질(oxide electrolytes)은 이온 전도도가 10^-3~10^-4 S/cm 수준이다. 이는 높은 이온 전도도를 가지지만, 가수분해 위험성이 있다.
황화물 전해질(sulfide electrolytes)은 이온 전도도가 10^-2~10^-4 S/cm로 산화물 전해질보다 높은 편이다. 하지만 역시 가수분해 위험성이 있다.
고분자 전해질(polymer electrolytes)은 이온 전도도가 10^-5~10^-7 S/cm로 앞선 두 전해질에 비해 낮은 편이다. 그러나 가공성이 좋다는 장점이 있다.
따라서 전고체 배터리의 경우 높은 이온 전도도와 안정성이 요구되므로, 산화물 전해질과 황화물 전해질이 주로 사용되고 있다. 다만 이들 전해질의 약점인 가수분해 문제는 해결해야 할 과제이다. 한편 고분자 전해질은 가공성이 좋아 응용 분야가 확대되고 있으며, 이온 전도도 향상을 위한 연구가 필요한 실정이다.
1.4. 에너지 저장 응용 분야를 위한 고상형 고분자 전해질
유기 용매 전해질은 인화성 물질이기 때문에 안정성 문제가 대두되고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 무기 및 고분자 전해질이 사용되고 있다. 고분자 전해질은 가공성이 우수하기 때문에 다양한 모양에 적용될 수 있으나 이온 전도도가 매우 낮다는 단점이 있다. 또한 계면(Interface)사이에서도 문제점이 있기 때문에 이를 극복하는 것이 최선의 목표이다.
1970년도에 고분자의 이온 전도도가 발견되었는데, Poly (ethylene oxide)(PEO)에 sodium salt를 blend하여 온도에 따른 이온 전도도를 관찰하였다. PEO의 산소 원자에 고립 전자쌍(non-pair electron)이 존재하기 때문에 양이온(cation)을 solvation 시킬 수 있어 리튬 이온이 ethylene oxide를 통해 transfer될 수 있어 이온 전도도를 가진다. 그러나 온도가 낮아짐에 따라 결정성이 증가하여 결정 자체가 이온 전도도의 배리어(Barrier) 역할을 하여 전도도가 낮아지는 문제점이 있다. 따라서 전도도를 높이기 위해서는 고분자 전해질의 결정성을 최대한 억제할 필요가 있다.
고상형 고분자 전해질 설계 시 고려사항은 다음과 같다. 첫째, 높은 이온 전도도(σ)를 가져야 하며, 이를 위해서는 낮은 Tg, 강한 고분자-이온 dissociation energy, 고분자의 dipole energy 등이 중요하다. 둘째, 리튬 이온 전달 수(리튬 이온 이동도/전류...
참고 자료
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