Understanding Ion Conduction in Multifunctional Polymer Electrolytes for Safe Energy Storage Devices

Abstract

최근, 기계적 변형 하에서 전기 화학적 특성을 우수하게 유지하는 것과 동시에 굽힘 특성이나 연신특성을 가지고 있는 다기능성 차세대 에너지 저장장치의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 대표적인 에너지 저장장치로는 리튬이온 배터리와 슈퍼 커패시터가 있다. 이들은 양쪽 전극과 전극사이에 존재하는 전해질 및 분리막으로 구성되어 있다. 기존 에너지저장장치에 사용되던 액체전해질은 장시간 사용하는 경우 전극과 반대편 전극 사이에 리튬 덴드라이트를 형성하여 폭발이나 화재의 문제를 일으켰다. 이를 보완하기 위해 고체 고분자 전해질의 개발이 1960년부터 현재까지 꾸준히 진행되어 오고 있다. 고체 고분자 전해질은 고상으로 이루어져 있어 기계적 변형 하에서 누수나 화재 같은 안정성 문제가 발생하지 않을 뿐 아니라 고분자 특성에 따른 다기능성까지 나타낼 수 있어 매우 촉망받는 재료로 떠오르고 있다. 본 연구에서는 기계적 물성이 우수한 에폭시 기반의 다기능성 고체 고분자 전해질과 연신 특성을 가진 리튬 아크릴레이트 기반의 고체 고분자 전해질에 대한 연구를 진행하였다. 첫번째로는 리튬 염과 리튬 이온을 해리 시켜 배위결합을 하는 올리고 에테르, 그리고 이온성 액체와 에폭시 매질을 혼합한 뒤 에폭시의 개환 중합을 통하여 에폭시 기반의 고체 고분자 전해질을 제작하였다. 전해질을 이루는 물질들과 에폭시와의 친화도에 의한 분자간 미세-상분리를 통해 나노 크기의 이온 채널과 에폭시 채널을 형성하였고 이는 높은 이온전도도 및 유연 특성 발현의 중요한 요인으로 역할을 하였다. 두번째는 표면에 비닐기를 포함하고 있는 실리카 나노 입자와 리튬 아크릴레이트 단분자를 라티칼 중합하여 실리카 나노 입자가 가교된 폴리리튬아크릴레이트 기반의 고체 고분자 전해질을 합성하였다. 분자내 기능기에 의해 연신특성을 가진 고분자와 응력이 집중 시 완충제 역할을 하는 실리카 입자에 의해 매우 높은 이온전도성을 함유하면서 우수한 신축성 및 복원 특성을 나타냈다. 동적 기계 분석기 (DMA), 범용 시험기 (UTM), 유전체 분광기 (DRS), 임피던스 분광기, 시차 주사 열량기 (DSC), 열중량 분석기 (TGA) 그리고 전계방출형 주사전자현미경 (Fe-SEM)과 에너지분산형 분광분석법 (EDS mapping)을 이용하여 각 다기능성 고체전해질의 기계적 특성, 이온전도도, 열 안정성 및 샘플 구조를 각각 측정하여 분석하였다.