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리튬이차전지용 고체 고분자 전해질의 이온전도도 및 기계적 물성 향상에 대한 연구

Improved Ionic Conductivity and Mechanical Properties of Solid Polymer Electrolytes for Lithium Secondary Battery,

김현민 (화공생명공학과)

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초록/요약moremore
전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 발전함에 따라 고성능, 고안정성의 이차전지에 대한 수요는 점차 늘고 있다. 특히 휴대용 및 정밀 전자제품의 소형화 및 기능의 복？d화 추세에 따라 고에너지 밀도를 갖는 에너지 공급원의 필요성이 강조되고 있다. 현재 가장 유력한 대안으로 고용량의 리튬 고분자 전지가 제안되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 고분자 전해질은 리튬전지의 성능에 중요한 역할을 가지고 있으며, 이온전도도 및 기계적 물성과 같은 고분자 전해질의 특성을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 현...
전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 발전함에 따라 고성능, 고안정성의 이차전지에 대한 수요는 점차 늘고 있다. 특히 휴대용 및 정밀 전자제품의 소형화 및 기능의 복？d화 추세에 따라 고에너지 밀도를 갖는 에너지 공급원의 필요성이 강조되고 있다. 현재 가장 유력한 대안으로 고용량의 리튬 고분자 전지가 제안되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 고분자 전해질은 리튬전지의 성능에 중요한 역할을 가지고 있으며, 이온전도도 및 기계적 물성과 같은 고분자 전해질의 특성을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 현재 기술로는 폴리에틸렌옥사이드 [poly(ethylene oxide), PEO]계 고분자 전해질이 상용화 가능성이 가장 높은 고분자 전해질 중의 하나로 알려져 있다. 하지만 PEO를 사용하는 고분자 전해질의 경우, 60 ℃ 이상의 고온에서는 10-4 S/cm의 비교적 높은 이온전도도를 나타내지만 상온에서는 10-8 S/cm 까지 낮아지는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 PEO가 가지는 상온에서의 높은 결정성 (χ = ～ 80%)에 기인한다. 전해질 내에서 이온의 이동은 고분자의 분절운동에 의해서 일어나며, 결정영역에서는 그러한 움직임이 제한되게 된다. 따라서 고분자 전해질의 결정성을 억제시키거나 전해질 염을 개량하는 방법 등으로 비교적 낮은 온도에서도 높은 이온전도도와 기계적 강도를 가지는 고분자 전해질의 개발에 대한 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 높은 유전상수를 가지는 succinonitrile (SN)를 첨가제로 도입하여 이온전도도가 향상된 고체 고분자 전해질막을 제조하였다. SN은 PEO의 염 해리능력을 보완하고 PEO의 결정성을 제어를 통해 이온전도도 향상시키는데 기여하였으며 최대 4.5 x 10-5 S/cm의 전도도를 확보하였다. 또한 고체 고분자 전해질막의 기계적 물성 향상 및 염의 해리를 증가시키기 위해 새로운 pre-polymer를 설계하였다. Poly(ethylene imine)의 아민기를 시아노 그룹 (-C≡N)으로 치환한 이 고분자를 ICN이라 명명 하였다. ICN과 PEO의 블렌드를 통해 PEO 분자간 상호작용을 억제시켜 PEO의 결정성을 제어하고, 전해질막의 기계적 물성을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다.
초록/요약moremore
Solid polymer electrolyte (SPE) plays a key role in the performance of lithium secondary batteries. The development of SPE has drawn much interest among researchers. The high molecular weight poly(ethylene oxide) (PEO)-based composite polymer electrolytes are have gained popoularity as the best cand...
Solid polymer electrolyte (SPE) plays a key role in the performance of lithium secondary batteries. The development of SPE has drawn much interest among researchers. The high molecular weight poly(ethylene oxide) (PEO)-based composite polymer electrolytes are have gained popoularity as the best candidates for polymer matrix. However, the low ionic conductivity of SPE limits their applications. It is known that the ionic transport of SPE occurs only in amorphous regions and is often governed by the segmental motion of polymer chain. Unfortunately, the relatively low conductivity is due to high crystallinity of PEO at ambient temperature. To overcome these problems, substantial research efforts are mainly focused on improving ionic conductivity at room temperature by increasing amorphous phase in SPE. In this study, we prepared SPE with improved ionic conductivity by using succinonitrile (SN) with high dielectric constant. SN had plastic-crystal transition from -32 to 60 ℃ and assisted the ability of salt dissociation and controlled crystallinity of PEO. SPE with blended with SN as an additive showed maximum ionic conductivity of 4.5 x 10-5 S/cm. In addition we synthesised a novel prepolymer for enhanced mechanical properties of SPE. This new prepolymer, named ICN, consisted of primary and secondary amine groups of polyethyleneimine where were substituted with cyano group (-C≡N). We enhanced the mechanical properties of SPE as well as its salt dissociation by blending PEO and ICN.
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