유·무기 나노입자가 도입된 리튬이차전지용 고체 고분자 전해질의 특성 및 성능에 관한 연구
High Ion Conducting Solid Polymer Electrolytes using Organic-Inorganic Hybrid Nanoparticles for Lithium Battery
- 주제(키워드) POSS
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이희우
- 발행년도 2019
- 학위수여년월 2019. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000064098
- UCI I804:11029-000000064098
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
Abstract Recently, demand for rechargeable batteries with high energy density and excellent stability has been increasing due to the increasing demand for compact and lightweight portable electronic equipment and the trend of electric vehicle market due to environmental and energy depletion problems. As a next-generation material that can replace the liquid electrolyte introduced into most currently commercialized lithium secondary batteries, research on a solid polymer electrolyte which is chemically stable and capable of realizing a high capacity battery has been actively carried out. Poly(ethylene oxide) (PEO) polymer electrolyte, which has excellent thermal and mechanical properties and can form complexes with various salts, is known as one of the most promising polymer matrices. However, PEO has a limited low ionic conductivity at room temperature of 10-9 S / cm because of its high crystallinity and low salt dissociation ability. Therefore, in order to improve the ionic conductivity of the polymer electrolyte there have been so many approaches such as the development of lithium salt to compensate the crystallinity of PEO, the lowering of the glass transition temperature, the low salt dissociation ability, and the introduction of the high dielectric constant additive. Up to now, research is underway to increase ionic conductivity and mechanical strength by introducing inorganic particles of several tens of nanometers in size such as SiO2, TiO2, and Al2O3. However, these inorganic particles are not compatible with the PEO - based electrolyte and cause a problem of phase separation, and the ionic conductivity tends to be lowered by restricting the movement of the polymer at a high dose. In order to overcome the limitation of polymer electrolytes, we have developed a nanocomposite polymer electrolyte with enhanced ionic conductivity by introducing POSS-PEG, which is an organic/inorganic nanoparticle, into a high molecular weight PEO matrix with excellent mechanical strength. POSS-PEG has a structure in which poly (ethylene glycol), PEG] functional groups are attached to the silsesquioxane cage of SiO1.5 in eight directions. It has a very small size of 1 to 3 nm and excellent compatibility with PEO. On the other hand inorganic particles such as SiO2, TiO2, and Al2O3 inhibit polymer chain movement due to the increase in the amount of inorganic particles. In addition, a new POSS-PEG having a structure shorter than the length of a commercially available PEG chain is synthesized directly to further increase the free volume and lower the Tg, thereby increasing the ionic conductivity. The introduction of POSS-PEG produced a nanocomposite polymer electrolyte which resulted in high ionic conductivity and free-standing film at room temperature, which would overcome the limitations of existing polymer electrolytes.
more초록/요약
국문 요약 최근 소형화, 경량화된 휴대용 전자 장비의 수요 증가와 환경 및 에너지 고갈 문제로 인한 전기자동차 시장의 확대 추세로 고에너지 밀도를 지니며 안정성이 우수한 이차전지에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 그에 따라 현재 상용화된 대부분의 리튬이차전지에 도입되는 액체전해질을 대신할 수 있는 차세대 재료로서 화학적으로 안정하며, 고용량의 전지 구현이 가능한 고체 고분자 전해질에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 열적·기계적 특성이 우수하고 다양한 염과 착체를 형성할 수 있는 폴리에틸렌옥사이드 [poly(ethylene oxide), PEO]계 고분자 전해질이 상용화 가능성이 가장 높은 고분자 매트릭스 중의 하나로 알려져 있다. 하지만 PEO는 높은 결정성과 낮은 염 해리 능력으로 고분자의 분절운동이 제한되어 상온에서의 이온전도도가 10-9 S/cm로 매우 낮은 한계가 있다. 따라서 PEO의 결정성을 억제시키거나 유리전이온도를 하락시키는 첨가제, 낮은 염 해리능력을 보완하기 위한 리튬 염의 개발 및 유전상수가 높은 첨가제를 도입하여 고분자 전해질의 이온전도도를 향상시키는 방향의 연구가 수행되고 있다. 현재까지의 고분자 전해질은 SiO2, TiO2, Al2O3 등의 수십 나노 크기의 무기입자를 도입하여 이온전도도와 기계적 강도를 동시에 상승시키는 연구가 진행 중에 있다. 그러나 이러한 무기입자는 PEO 기반의 전해질과 상용성이 우수하지 않아 상분리 문제를 일으킬 뿐만 아니라 높은 도입량에서 고분자의 움직임을 제한하여 이온전도도가 하락하는 경향성을 보인다. 본 연구에서는 이러한 고분자 전해질의 한계를 극복하기 위해 기계적 강도가 우수한 고분자량의 PEO 매트릭스에 유·무기 나노입자인 POSS-PEG를 도입하여 향상된 이온전도도를 가지는 나노복합 고분자 전해질을 제조하였다. POSS-PEG는 SiO1.5의 silsesquioxane cage에 8방향으로 폴리에틸렌글라이콜 [poly(ethylene glycol), PEG] 작용기가 달려있는 구조로, 크기가 1 ~ 3 nm로 매우 작고 PEO와의 우수한 상용성으로 인해 기존의 SiO2, TiO2, Al2O3와 같은 무기입자들이 가지는 도입량 증가에 따른 고분자 사슬 움직임 저해 문제를 완화시킨다. 또한 현재 상용화되는 PEG chain의 길이보다 짧은 구조를 가진 새로운 POSS-PEG를 직접 합성하여 free volume을 더 증가시키고 Tg를 낮추어 이온전도도를 상승시킨다. POSS-PEG의 도입으로 상온에서 높은 이온전도도와 동시에 free-standing이 가능한 나노복합 고분자 전해질을 제조하였으며 이는 기존의 고분자 전해질이 지니고 있는 연구의 한계를 극복할 것으로 판단된다.
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