KR102826687B1 - Gel polymer electrolyte comprising cross-linked structure in ionic liquid form amd method of preparing same - Google Patents
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Abstract
이온성 액체 형태의 가교구조를 포함하는 젤 고분자 전해질 및 그의 제조방법이 개시된다. 상기 젤 고분자 전해질은 아지드기(-N3)를 갖는 아크릴로니트릴계 고분자 및 상기 아크릴로니트릴계 고분자를 서로 자가 가교 결합(self-cross-linking)하는 테트라졸륨(tetrazolium)을 포함하고, 양전하를 갖는 테트라졸륨 가교 고분자; 음전하를 갖는 카운터 이온: 및 액체 전해질;을 포함함으로써, 우수한 리튬 이온 전도 효율 및 기계적 강도를 갖는 효과가 있다.A gel polymer electrolyte including a cross-linked structure in the form of an ionic liquid and a method for producing the same are disclosed. The gel polymer electrolyte includes an acrylonitrile-based polymer having an azide group (-N 3 ) and tetrazolium that self-cross-links the acrylonitrile-based polymer, and includes a tetrazolium cross-linked polymer having a positive charge; a counter ion having a negative charge; and a liquid electrolyte; thereby having the effects of excellent lithium ion conduction efficiency and mechanical strength.
Description
본 발명은 이온성 액체 형태의 가교구조를 포함하는 젤 고분자 전해질 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gel polymer electrolyte including a cross-linked structure in the form of an ionic liquid and a method for producing the same.
젤 고분자 전해질은 액체 전해질이 갖고 있는 휘발성이 강한 유기계 전해질의 사용을 최소한으로 하여 전해질의 누액 문제를 해결하여 안전성 문제를 개선할 수 있고, 효율적인 리튬 이온 전도를 통해 전극과 계면 사이에 생기는 불필요한 계면 현상(SEI, Li dendrite)을 조절하여 리튬 이온 전지의 성능을 개선할 수 있다. 일반적으로 고분자 전해질의 경우 PEO, PAN 계열의 범용적이면서 이온 전도를 도와줄 수 있는 고분자에 첨가제, 이온 가속화제등을 통해 리튬 이온 전지에 적용하고 있다.Gel polymer electrolytes can improve safety by minimizing the use of highly volatile organic electrolytes that liquid electrolytes have, thereby solving the leakage problem of electrolytes, and can improve the performance of lithium-ion batteries by controlling unnecessary interfacial phenomena (SEI, Li dendrite) that occur between electrodes and interfaces through efficient lithium ion conduction. In general, polymer electrolytes are applied to lithium-ion batteries through additives and ion accelerators in the form of general-purpose polymers such as PEO and PAN that can help ion conduction.
그러나, 종래의 젤 고분자 전해질은 액체전해질과 기능성 고분자의 결합으로 인하여 높은 이온전도도를 가지고 있지만 고분자 전해질 사이에 액체전해질이 첨가되어 있는 구조이기 때문에 기계적 강도가 현저히 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 이를 개선하기 위해서 기계적 강도를 높이기 위해 고분자 구조에 가교 구조를 도입하는 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 단순히 기계적 강도만 높이기 위한 가교구조는 젤 고분자 전해질의 전기화학적인 특성을 감소시키기 때문에 이를 개선해야 될 필요가 있다.However, conventional gel polymer electrolytes have a problem in that although they have high ionic conductivity due to the combination of liquid electrolyte and functional polymer, their mechanical strength is significantly reduced because the liquid electrolyte is added between the polymer electrolytes. In order to improve this, studies have been conducted to introduce a cross-linking structure into the polymer structure to increase the mechanical strength. However, a cross-linking structure that simply increases the mechanical strength reduces the electrochemical properties of the gel polymer electrolyte, so this needs to be improved.
따라서, 이온 전도도와 리튬 이온 전도 효율이 높으며 기계적 강도가 우수한 젤 고분자 전해질 및 그의 제조방법에 관한 연구가 요구된다.Therefore, research on a gel polymer electrolyte with high ion conductivity and lithium ion conduction efficiency and excellent mechanical strength and a method for producing the same is required.
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 이온 전도도와 리튬 이온 전도 효율 높으며 기계적 강도가 우수한 젤 고분자 전해질 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다. The purpose of the present invention is to solve the above problems, and to provide a gel polymer electrolyte having high ion conductivity and lithium ion conduction efficiency and excellent mechanical strength, and a method for producing the same.
또한, 간단한 방법으로 상기 젤 고분자 전해질을 제조하여 대량 생산 및 실제 리튬 이온 전지에 적용이 가능한 젤 고분자 전해질의 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, the present invention provides a method for producing a gel polymer electrolyte by a simple method, which enables mass production and application to actual lithium ion batteries.
본 발명의 일 측면에 따르면, 아지드기(-N3)를 갖는 아크릴로니트릴계 고분자 및 상기 아크릴로니트릴계 고분자를 서로 자가 가교 결합(self-cross-linking)하는 테트라졸륨(tetrazolium)을 포함하고, 양전하를 갖는 테트라졸륨 가교 고분자; 음전하를 갖는 카운터 이온; 및 액체 전해질;을 포함하는 젤 고분자 전해질이 제공된다.According to one aspect of the present invention, a gel polymer electrolyte is provided, which comprises: an acrylonitrile-based polymer having an azide group (-N 3 ); a tetrazolium cross-linking polymer having a positive charge; a counter ion having a negative charge; and a liquid electrolyte.
또한, 상기 테트라졸륨 가교 고분자는 상기 카운터 이온과 이온 결합하는 것일 수 있다.Additionally, the tetrazolium cross-linked polymer may be ionically bonded with the counter ion.
또한, 상기 카운터 이온이 음전하를 갖는 설폰 이미드계 화합물 또는 음전하를 갖는 설폰 아미드계 화합물을 포함할 수 있다.Additionally, the counter ion may include a sulfonimide compound having a negative charge or a sulfonamide compound having a negative charge.
또한, 상기 카운터 이온이 bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI-), tetrafluoroborate (BF4 -), hexafluorophosphate (PF6 -), chloride (Cl-), 1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (C2HF4KO3S-), methanesulfonate (C2H6O3S-), 및 tetraphenylborate (BPh4 -)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the counter ion may include at least one selected from the group consisting of bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI - ), tetrafluoroborate (BF 4 - ), hexafluorophosphate (PF 6 - ), chloride (Cl - ), 1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (C 2 HF 4 KO 3 S - ), methanesulfonate (C 2 H 6 O 3 S - ), and tetraphenylborate (BPh 4 - ).
또한, 상기 젤 고분자 전해질은 상기 테트라졸륨 가교 고분자가 제1 연속상을 형성하고, 상기 카운터 이온이 제2 연속상을 형성하는 이중 연속상 구조(bi-continuous phasic structure)일 수 있다.In addition, the gel polymer electrolyte may have a bi-continuous phasic structure in which the tetrazolium cross-linked polymer forms a first continuous phase and the counter ions form a second continuous phase.
또한, 상기 제2 연속상이 이온 채널을 형성할 수 있다.Additionally, the second continuous phase can form an ion channel.
또한, 상기 아크릴로니트릴계 고분자가 폴리아크릴로니트릴-코-비닐리덴 아지드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸메타크릴레이트), 폴리(아크릴로니트릴-코-메타크릴산), 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸아크릴로니트릴, 폴리(아크릴로니트릴-코메타크릴산 리튬), 폴리(아크릴로니트릴-코-비닐리덴 클로라이드), 및 폴리(아크릴로니트릴-코-비닐 클로라이드)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the acrylonitrile-based polymer may include at least one selected from the group consisting of polyacrylonitrile-co-vinylidene azide, polyacrylonitrile, poly(acrylonitrile-co-methylmethacrylate), poly(acrylonitrile-co-methacrylic acid), poly(acrylonitrile-co-methylacrylonitrile), poly(lithium acrylonitrile-co-methacrylate), poly(acrylonitrile-co-vinylidene chloride), and poly(acrylonitrile-co-vinyl chloride).
또한, 상기 아크릴로니트릴계 고분자가 아래 구조식 1로 표시되는 폴리아크릴로니트릴-코-비닐리덴 아지드를 포함할 수 있다.In addition, the acrylonitrile-based polymer may include polyacrylonitrile-co-vinylidene azide represented by the structural formula 1 below.
[구조식 1][Structural formula 1]
상기 구조식 1에서,In the above structural formula 1,
n은 1 내지 500의 정수이고,n is an integer between 1 and 500,
m은 5 내지 2,000의 정수이다.m is an integer between 5 and 2,000.
또한, 상기 테트라졸륨 가교 고분자가 아래 구조식 2로 표시되는 것일 수 있다.Additionally, the tetrazolium cross-linked polymer may be represented by the structural formula 2 below.
[구조식 2][Structural formula 2]
상기 구조식 2에서,In the above structural formula 2,
n은 1 내지 500의 정수이고,n is an integer between 1 and 500,
m은 5 내지 2,000의 정수이고,m is an integer between 5 and 2,000,
R1은 C1 내지 C5 알킬기이다.R 1 is a C1 to C5 alkyl group.
또한, 상기 액체 전해질은 Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (LiTFSI)및 Lithium hexafluorophosphate (LiPF6)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 녹아있는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 다이에틸 카보네이트 및 다이메틸 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the liquid electrolyte may include at least one selected from the group consisting of propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, and dimethyl carbonate in which at least one selected from the group consisting of lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ( LiTFSI ) and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved.
또한, 상기 젤 고분자 전해질의 두께가 20 내지 500 μm일 수 있다.Additionally, the thickness of the gel polymer electrolyte may be 20 to 500 μm.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 상기 젤 고분자 전해질을 포함하는 에너지 저장 장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention, an energy storage device comprising the gel polymer electrolyte is provided.
또한, 상기 에너지 저장 장치가 트랜지스터, 슈퍼 캐패시터 및 리튬 이차 전지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.Additionally, the energy storage device may be any one selected from the group consisting of a transistor, a super capacitor, and a lithium secondary battery.
본 발명의 또 다른 하나의 측면에 따르면, (a) 아지드(-N3)기를 갖는 아크릴로니트릴계 고분자 및 카운터 이온 전구체를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합용액을 캐스팅하고 열처리하여 용매를 증발시킴에 의해 가교 반응 및 4차 아민화(quaternization) 반응시켜 고분자 전해질을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 고분자 전해질에 액체 전해질을 담지하여 젤 고분자 전해질을 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 젤 고분자 전해질은 아지드(-N3)기를 갖는 아크릴로니트릴계 고분자 및 상기 아크릴로니트릴계 고분자를 서로 자가 가교 결합(self-cross-linking)하는 테트라졸륨(tetrazolium)을 포함하고, 양전하를 갖는 테트라졸륨 가교 고분자; 음전하를 갖는 카운터 이온; 및 액체 전해질;을 포함하는 것인, 젤 고분자 전해질의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a method for producing a gel polymer electrolyte is provided, comprising: (a) preparing a mixed solution comprising an azide (-N 3 ) group-containing acrylonitrile-based polymer and a counter ion precursor; (b) preparing a polymer electrolyte by casting the mixed solution and performing a heat treatment to evaporate a solvent, thereby performing a crosslinking reaction and a quaternization reaction; and (c) preparing a gel polymer electrolyte by supporting a liquid electrolyte on the polymer electrolyte; wherein the gel polymer electrolyte comprises an acrylonitrile-based polymer having an azide (-N 3 ) group and tetrazolium that self-crosslinks the acrylonitrile-based polymer, and comprises a tetrazolium crosslinked polymer having a positive charge; a negatively charged counter ion; and a liquid electrolyte.
또한, 상기 아크릴로니트릴계 고분자의 아지드기(-N3)의 몰비(molN3)에 대한 상기 카운터 이온 전구체의 몰비(molc)의 비(molc/molN3)가 2 내지 6일 수 있다.Additionally, the ratio of the molar ratio (mol c ) of the counter ion precursor to the molar ratio (mol N3 ) of the azide group ( -N3 ) of the acrylonitrile-based polymer (mol c /mol N3 ) may be 2 to 6.
또한, 상기 단계 (b)의 열처리가 100 내지 150 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.Additionally, the heat treatment of step (b) can be performed at a temperature of 100 to 150°C.
또한, 상기 젤 고분자 전해질이 상기 고분자 전해질 100 중량부를 기준으로 상기 액체 전해질 1 내지 500 중량부를 포함할 수 있다.Additionally, the gel polymer electrolyte may contain 1 to 500 parts by weight of the liquid electrolyte based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte.
또한, 상기 카운터 이온 전구체가 N-알킬 설폰 이미드계 화합물 및 N-알킬 설폰 아미드계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 알킬의 탄소수가 각각 1 내지 5일 수 있다.In addition, the counter ion precursor may include at least one selected from the group consisting of N-alkyl sulfone imide compounds and N-alkyl sulfone amide compounds, and each of the alkyls may have 1 to 5 carbon atoms.
본 발명의 젤 고분자 전해질은 이온성 액체 형태의 가교 구조를 도입하여 우수한 리튬 이온 전도 효율 및 기계적 강도를 가지며, 젤 고분자 전해질 내부의 폴리아크릴로니트릴의 높은 액체 전해질 친화성으로 인해 소량의 액체 전해질로도 효율적인 리튬 이온 전도도를 확보할 수 있다.The gel polymer electrolyte of the present invention has excellent lithium ion conduction efficiency and mechanical strength by introducing a cross-linked structure in the form of an ionic liquid, and due to the high liquid electrolyte affinity of polyacrylonitrile within the gel polymer electrolyte, efficient lithium ion conductivity can be secured even with a small amount of liquid electrolyte.
또한, 본 발명의 젤 고분자 전해질은 용액공정을 통해 제조됨으로써 제조공정이 간단하며, 대량 생산이 가능하다.In addition, the gel polymer electrolyte of the present invention is manufactured through a solution process, so the manufacturing process is simple and mass production is possible.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 젤 고분자 전해질의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명 하나의 실시예에 따라 젤 고분자 전해질을 제조하는 방법을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 FTIR, 19F NMR 및 7Li NMR 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 Arrhenius plot을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 시간에 따른 전류 그래프(좌측 위), 실시예 1에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 편극 전후에 따른 임피던스 값(우측 위), 실시예 2에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 편극 전후에 따른 임피던스 값(좌측 아래), 및 실시예 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 편극 전후에 따른 임피던스 값(우측 아래)를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질을 사용하여 제조된 하프셀의 사이클에 따른 용량 변화 및 쿨롱 효율(위), 0.5 C의 충/방전 속도에서 상기 하프셀의 사이클에 따른 용량변화(중간), 및 3 C의 충/방전 속도에서 상기 하프셀의 사이클에 따른 용량변화(아래)를 나타낸 것이다. Since these drawings are for reference in explaining exemplary embodiments of the present invention, the technical ideas of the present invention should not be interpreted as limited to the attached drawings.
Figure 1 illustrates the structure of a gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 illustrates a method for manufacturing a gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the results of FTIR, 19 F NMR, and 7 Li NMR analyses of Example 1 and Comparative Example 1.
Figure 4 shows an Arrhenius plot of gel polymer electrolytes manufactured according to Examples 1 to 3.
FIG. 5 shows current graphs over time of gel polymer electrolytes manufactured according to Examples 1 to 3 (upper left), impedance values before and after polarization of gel polymer electrolytes manufactured according to Example 1 (upper right), impedance values before and after polarization of gel polymer electrolytes manufactured according to Example 2 (lower left), and impedance values before and after polarization of gel polymer electrolytes manufactured according to Example 3 (lower right).
Figure 6 shows the capacity change and coulombic efficiency according to the cycle of the half-cell manufactured using the gel polymer electrolyte manufactured according to Examples 1 to 3 (top), the capacity change according to the cycle of the half-cell at a charge/discharge rate of 0.5 C (middle), and the capacity change according to the cycle of the half-cell at a charge/discharge rate of 3 C (bottom).
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention when explaining the present invention, the detailed description is omitted.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 도는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, or combination thereof described in the specification, but should be understood to not preclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, or combinations thereof.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Also, terms including ordinal numbers such as first, second, etc., which will be used hereinafter, may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Additionally, when it is said that a component is "formed on" or "laminated on" another component, it should be understood that it may be formed or laminated directly on the entire surface or one side of the other component, but there may also be other components present in between.
이하, 이온성 액체 형태의 가교구조를 포함하는 젤 고분자 전해질 및 그의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, a gel polymer electrolyte including a cross-linked structure in the form of an ionic liquid and a method for producing the same will be described in detail. However, this is presented as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is defined only by the scope of the claims described below.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 젤 고분자 전해질의 구조를 나타낸 것이다. Figure 1 illustrates the structure of a gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 본 발명은 아지드기(-N3)를 갖는 아크릴로니트릴계 고분자 및 상기 아크릴로니트릴계 고분자를 서로 자가 가교 결합(self-cross-linking)하는 테트라졸륨(tetrazolium)을 포함하고, 양전하를 갖는 테트라졸륨 가교 고분자; 음전하를 갖는 카운터 이온; 및 액체 전해질;을 포함하는 젤 고분자 전해질을 제공한다. Referring to FIG. 1, the present invention provides a gel polymer electrolyte including an acrylonitrile-based polymer having an azide group (-N 3 ) and tetrazolium that self-cross-links the acrylonitrile-based polymer, the tetrazolium-based polymer having a positive charge; a counter ion having a negative charge; and a liquid electrolyte.
또한, 상기 테트라졸륨 가교 고분자는 상기 카운터 이온과 이온 결합하는 것일 수 있다.Additionally, the tetrazolium cross-linked polymer may be ionically bonded with the counter ion.
또한, 상기 카운터 이온이 음전하를 갖는 설폰 이미드계 화합물 또는 음전하를 갖는 설폰 아미드계 화합물을 포함할 수 있다.Additionally, the counter ion may include a sulfonimide compound having a negative charge or a sulfonamide compound having a negative charge.
또한, 상기 카운터 이온이 bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI-), tetrafluoroborate (BF4 -), hexafluorophosphate (PF6 -), chloride (Cl-), 1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (C2HF4KO3S-), methanesulfonate (C2H6O3S-), 및 tetraphenylborate (BPh4 -)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI-) 및 hexafluorophosphate (PF6 -)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI-)를 포함할 수 있다.In addition, the counter ion may include at least one selected from the group consisting of bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI - ), tetrafluoroborate (BF 4 - ), hexafluorophosphate (PF 6 - ), chloride (Cl - ), 1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (C 2 HF 4 KO 3 S - ), methanesulfonate (C 2 H 6 O 3 S - ) , and tetraphenylborate (BPh 4 - ), preferably at least one selected from the group consisting of bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI - ) and hexafluorophosphate (PF 6 - ), and more preferably bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI - ).
또한, 상기 젤 고분자 전해질은 상기 테트라졸륨 가교 고분자가 제1 연속상을 형성하고, 상기 카운터 이온이 제2 연속상을 형성하는 이중 연속상 구조(bi-continuous phasic structure)일 수 있다.In addition, the gel polymer electrolyte may have a bi-continuous phasic structure in which the tetrazolium cross-linked polymer forms a first continuous phase and the counter ions form a second continuous phase.
또한, 상기 제2 연속상이 이온 채널을 형성할 수 있다.Additionally, the second continuous phase can form an ion channel.
또한, 상기 아크릴로니트릴계 고분자가 폴리아크릴로니트릴-코-비닐리덴 아지드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸메타크릴레이트), 폴리(아크릴로니트릴-코-메타크릴산), 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸아크릴로니트릴, 폴리(아크릴로니트릴-코메타크릴산 리튬), 폴리(아크릴로니트릴-코-비닐리덴 클로라이드), 및 폴리(아크릴로니트릴-코-비닐 클로라이드)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 아래 구조식 1로 표시되는 폴리아크릴로니트릴-코-비닐리덴 아지드를 포함할 수 있다.In addition, the acrylonitrile-based polymer may include at least one selected from the group consisting of polyacrylonitrile-co-vinylidene azide, polyacrylonitrile, poly(acrylonitrile-co-methylmethacrylate), poly(acrylonitrile-co-methacrylic acid), poly(acrylonitrile-co-methylacrylonitrile, poly(lithium acrylonitrile-co-methacrylate), poly(acrylonitrile-co-vinylidene chloride), and poly(acrylonitrile-co-vinyl chloride), and preferably may include polyacrylonitrile-co-vinylidene azide represented by the following structural formula 1.
[구조식 1][Structural formula 1]
상기 구조식 1에서,In the above structural formula 1,
n은 1 내지 500의 정수이고,n is an integer between 1 and 500,
m은 5 내지 2,000의 정수이다.m is an integer between 5 and 2,000.
또한, 상기 테트라졸륨 가교 고분자가 아래 구조식 2로 표시되는 것일 수 있다.Additionally, the tetrazolium cross-linked polymer may be represented by the structural formula 2 below.
[구조식 2][Structural formula 2]
상기 구조식 2에서,In the above structural formula 2,
n은 1 내지 500의 정수이고,n is an integer between 1 and 500,
m은 5 내지 2,000의 정수이고,m is an integer between 5 and 2,000,
R1은 C1 내지 C5 알킬기이다.R 1 is a C1 to C5 alkyl group.
또한, 상기 액체 전해질은 Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (LiTFSI)및 Lithium hexafluorophosphate (LiPF6)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 녹아있는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 다이에틸 카보네이트 및 다이메틸 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the liquid electrolyte may include at least one selected from the group consisting of propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, and dimethyl carbonate in which at least one selected from the group consisting of lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ( LiTFSI ) and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved.
또한, 상기 젤 고분자 전해질의 두께가 20 내지 500 μm일 수 있다. 상기 두께가 20 μm 미만일 경우, 너무 얇아 기계적 강도가 낮게 되어 바람직하지 않고, 500 μm를 초과할 경우 양/음극 간의 리튬 이온 전도 거리가 멀어서 전지에 적용하기에 효율적이지 않으므로 바람직하지 않다. In addition, the thickness of the gel polymer electrolyte may be 20 to 500 μm. If the thickness is less than 20 μm, it is too thin and the mechanical strength becomes low, which is not preferable, and if it exceeds 500 μm, the lithium ion conduction distance between the positive and negative electrodes becomes long, which is not preferable because it is not efficient for application to a battery.
본 발명은 상기 젤 고분자 전해질을 포함하는 에너지 저장 장치가 제공된다.The present invention provides an energy storage device including the gel polymer electrolyte.
또한, 상기 에너지 저장 장치가 트랜지스터, 슈퍼 캐패시터 및 리튬 이차 전지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.Additionally, the energy storage device may be any one selected from the group consisting of a transistor, a super capacitor, and a lithium secondary battery.
또한, 상기 에너지 저장 장치가 리튬 이차 전지이고, 상기 젤 고분자 전해질이 상기 리튬 이차 전지의 전해질이 함친된 분리막 형태로 사용될 수 있다.In addition, the energy storage device is a lithium secondary battery, and the gel polymer electrolyte can be used in the form of a separator impregnated with the electrolyte of the lithium secondary battery.
도 2는 본 발명 하나의 실시예에 따라 젤 고분자 전해질을 제조하는 방법을 나타낸 것이다.Figure 2 illustrates a method for manufacturing a gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.
도 2를 참고하면, 본 발명은 (a) 아지드(-N3)기를 갖는 아크릴로니트릴계 고분자 및 카운터 이온 전구체를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합용액을 캐스팅하고 열처리하여 용매를 증발시킴에 의해 가교 반응 및 4차 아민화(quaternization) 반응시켜 고분자 전해질을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 고분자 전해질에 액체 전해질을 담지하여 젤 고분자 전해질을 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 젤 고분자 전해질은 아지드(-N3)기를 갖는 아크릴로니트릴계 고분자 및 상기 아크릴로니트릴계 고분자를 서로 자가 가교 결합(self-cross-linking)하는 테트라졸륨(tetrazolium)을 포함하고, 양전하를 갖는 테트라졸륨 가교 고분자; 음전하를 갖는 카운터 이온: 및 액체 전해질;을 포함하는 것인, 젤 고분자 전해질의 제조방법을 제공한다.Referring to FIG. 2, the present invention provides a method for producing a gel polymer electrolyte, comprising: (a) a step of producing a mixed solution including an azide (-N 3 ) group-containing acrylonitrile-based polymer and a counter ion precursor; (b) a step of casting the mixed solution and heat-treating it to evaporate a solvent, thereby causing a crosslinking reaction and a quaternization reaction to produce a polymer electrolyte; and (c) a step of supporting a liquid electrolyte on the polymer electrolyte to produce a gel polymer electrolyte; wherein the gel polymer electrolyte includes an acrylonitrile-based polymer having an azide (-N 3 ) group and tetrazolium that self-crosslinks the acrylonitrile-based polymer, and includes a tetrazolium crosslinked polymer having a positive charge; a counter ion having a negative charge; and a liquid electrolyte.
또한, 상기 아크릴로니트릴계 고분자의 아지드기(-N3)의 몰비(molN3)에 대한 상기 카운터 이온 전구체의 몰비(molc)의 비(molc/molN3)가 2 내지 6일 수 있다. 상기 몰비가 2 미만일 경우 상기 아크릴로니트릴계 고분자가 자가 가교되어 형성된 테트라졸륨과 상기 음이온 전구체 간의 quaternization 반응이 충분히 일어나지 않아 이온성 액체 형태의 가교 구조가 충분히 도입될 수 없어 바람직하지 않고, 6을 초과할 경우 상기 음이온 전구체의 사용량이 과다하여 경제적으로 비효율적이므로 바람직하지 않다. In addition, the ratio of the molar ratio (mol c ) of the counter ion precursor to the molar ratio (mol N3 ) of the azide group (-N 3 ) of the acrylonitrile-based polymer (mol c /mol N3 ) may be 2 to 6. When the molar ratio is less than 2, the quaternization reaction between the tetrazolium formed by the self-crosslinking of the acrylonitrile-based polymer and the anion precursor does not sufficiently occur, so that the crosslinking structure in the form of an ionic liquid cannot be sufficiently introduced, which is undesirable. When the molar ratio exceeds 6, the amount of the anion precursor used is excessive, which is economically inefficient, which is undesirable.
또한, 상기 단계 (b)의 열처리가 100 내지 150 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 120 내지 140 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 단계 (b)가 100 ℃ 미만의 온도에서 수행될 경우 폴리아크릴로니트릴계 고분자의 자가 가교 반응(azide nitrile cycloaddition)이 충분하게 일어나지 않아 바람직하지 않고, 150 ℃를 초과할 경우 반응 부산물이 형성될 수 있어 바람직하지 않다. In addition, the heat treatment of step (b) may be performed at a temperature of 100 to 150°C, and preferably at a temperature of 120 to 140°C. If step (b) is performed at a temperature of less than 100°C, the self-crosslinking reaction (azide nitrile cycloaddition) of the polyacrylonitrile polymer does not sufficiently occur, which is undesirable, and if it exceeds 150°C, reaction by-products may be formed, which is undesirable.
또한, 상기 젤 고분자 전해질이 상기 고분자 전해질 100 중량부를 기준으로 상기 액체 전해질 1 내지 500중량부를 포함할 수 있고, 바람직하게는 20 내지 200중량부를 포함할 수 있다. 상기 액체 전해질이 1 중량부 미만일 경우 젤 고분자 전해질의 이온 전도도가 충분하지 않아서 바람직하지 않고, 500 중량부를 초과할 경우 기계적 강도가 현저히 낮아지므로 바람직하지 않다. In addition, the gel polymer electrolyte may contain 1 to 500 parts by weight of the liquid electrolyte based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte, and preferably 20 to 200 parts by weight. If the liquid electrolyte is less than 1 part by weight, the ion conductivity of the gel polymer electrolyte is not sufficient, which is not preferable, and if it exceeds 500 parts by weight, the mechanical strength is significantly reduced, which is not preferable.
또한, 상기 카운터 이온 전구체가 N-알킬 설폰 이미드계 화합물 및 N-알킬 설폰 아미드계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 알킬의 탄소수가 각각 1 내지 5일 수 있다.In addition, the counter ion precursor may include at least one selected from the group consisting of N-alkyl sulfone imide compounds and N-alkyl sulfone amide compounds, and each of the alkyls may have 1 to 5 carbon atoms.
[실시예] [Example]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, these are provided for illustrative purposes only and the scope of the present invention is not limited thereby.
젤 고분자 전해질 제조Manufacturing of gel polymer electrolytes
도 2는 본 발명 하나의 실시예에 따라 젤 고분자 전해질을 제조하는 방법을 나타낸 것이다. 도 2를 참고하여 실시예 1 내지 3의 젤 고분자 전해질을 제조하였다.Figure 2 illustrates a method for producing a gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention. With reference to Figure 2, gel polymer electrolytes of Examples 1 to 3 were produced.
실시예 1: PANVDACIL 73Example 1: PANVDACIL 73
아래 반응식 1에 따라 폴리(아크릴로니트릴-co-비닐리덴 클로라이드)(PANVDC)를 sodium azide 및 potassium iodide와 65 ℃ 온도에서 24 시간 동안 반응시켜 Cl을 N3으로 치환하여 폴리(아크릴로니트릴-co-비닐리덴 아자이드)(PANVDA)를 형성하였다. According to the reaction scheme 1 below, poly(acrylonitrile-co-vinylidene chloride) (PANVDC) was reacted with sodium azide and potassium iodide at 65 ℃ for 24 hours to replace Cl with N 3 to form poly(acrylonitrile-co-vinylidene azide) (PANVDA).
[반응식 1][Reaction Formula 1]
상기 반응식 1에서,In the above reaction formula 1,
m은 70이고, n은 30이다. (PANVDA 고분자에서 아크릴로니트릴(AN) 단량체와 비닐리덴 아자이드(VDA) 단량체의 비율은 7:3이다.)m is 70 and n is 30. (In the PANVDA polymer, the ratio of acrylonitrile (AN) monomer to vinylidene azide (VDA) monomer is 7:3.)
상기 PANDVA 5 wt%를 포함하는 dimethylformamide(DMF) 용액에 N-methyl bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide (N-methyl TFSI)를 10 vol% 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 몰드에 부은 후, 130 ℃에서 24 시간 동안 solvent casting을 진행하여 아지드기(-N3)를 갖는 아크릴로니트릴계 고분자 및 상기 아크릴로니트릴계 고분자를 서로 자가 가교 결합(self-cross-linking)하는 테트라졸륨을 포함하고, 양전하를 갖는 테트라졸륨 가교 고분자, 및 음전하를 갖는 카운터 이온을 포함하는 고분자 전해질을 제조하였다. 상기 고분자 전해질의 제조는 아래 반응식 2에 따라 진행되었다.A mixed solution was prepared by adding 10 vol% of N-methyl bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide (N-methyl TFSI) to a dimethylformamide (DMF) solution containing 5 wt% of the above PANDVA. After pouring the mixed solution into a mold, solvent casting was performed at 130° C. for 24 hours to prepare a polymer electrolyte comprising an acrylonitrile-based polymer having an azide group (-N 3 ) and a tetrazolium that self-cross-links the acrylonitrile-based polymer, a tetrazolium cross-linked polymer having a positive charge, and a counter ion having a negative charge. The preparation of the polymer electrolyte was carried out according to the following Reaction Scheme 2.
[반응식 2][Reaction Formula 2]
상기 반응식 2에서,In the above reaction formula 2,
m은 70이고, n은 30이다. m is 70 and n is 30.
상기 고분자 전해질에 액체 전해질로 1.0 M의 Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide(Li-TFSI)를 포함하는 프로필렌 카르보네이트(PC)를 0.1 mL 내지 10 mL를 담지하여 젤 고분자 전해질을 제조하였다. A gel polymer electrolyte was prepared by adding 0.1 mL to 10 mL of propylene carbonate (PC) containing 1.0 M lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (Li-TFSI) as a liquid electrolyte to the above polymer electrolyte.
실시예 2: PANVDACIL 82Example 2: PANVDACIL 82
상기 반응식 1 및 상기 반응식 2에서 각각 m이 70이고, n이 30인 것 대신에, m이 80이고, n이 20인 것(AN:VDA 단량체 비율이 8:2인 PANVDACIL 고분자 사용)을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 젤 고분자 전해질을 제조하였다. A gel polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that instead of m being 70 and n being 30 in the above reaction schemes 1 and 2, m was 80 and n was 20 (using PANVDACIL polymer having an AN:VDA monomer ratio of 8:2).
실시예 3: PANVDACIL 91Example 3: PANVDACIL 91
상기 반응식 1 및 상기 반응식 2에서 각각 m이 70이고, n이 30인 것 대신에, m이 90이고, n이 10인 것(AN:VDA 단량체 비율이 9:1 PANVDACIL 고분자 사용)을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 젤 고분자 전해질을 제조하였다. A gel polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that instead of m being 70 and n being 30 in the above reaction schemes 1 and 2, m was 90 and n was 10 (using PANVDACIL polymer with an AN:VDA monomer ratio of 9:1).
비교예 1: Comparative Example 1:
1.0 M의 Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide(Li-TFSI)를 포함하는 폴리프로필렌 카르보네이트(PC)를 비교예 1로 사용하였다.Polypropylene carbonate (PC) containing 1.0 M lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (Li-TFSI) was used as comparative example 1.
[시험예][Example]
시험예 1: 젤 고분자 전해질의 상호작용 확인Test Example 1: Confirmation of interaction of gel polymer electrolyte
도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 FTIR, 19F NMR 및 7Li NMR 분석 결과를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the results of FTIR, 19 F NMR, and 7 Li NMR analyses of Example 1 and Comparative Example 1.
도 3에 따르면, FTIR 분석 결과에서, 실시예 1에 따라 제조된 젤 고분자 전해질(PANVDACIL 73 with 1.0M LiTFSI in PC)은 고분자 전해질 내부의 nitrile 작용기와 상호작용하는 폴리프로필렌 카르보네이트(PC) 분자를 확인할 수 있다.According to FIG. 3, the FTIR analysis results show that the gel polymer electrolyte (PANVDACIL 73 with 1.0 M LiTFSI in PC) manufactured according to Example 1 contains polypropylene carbonate (PC) molecules interacting with the nitrile functional groups inside the polymer electrolyte.
또한, NMR 분석 결과에서 액체 전해질인 비교예 1(1.0M LiTFSI in PC)과 다르게 실시예 1에 따라 제조된 젤 고분자 전해질(PANVDACIL 73 with 1.0M LiTFSI in PC)은 TFSI- 및 Li+와 고분자 전해질 간의 상호작용이 있음을 확인할 수 있다.In addition, the NMR analysis results show that, unlike the liquid electrolyte of Comparative Example 1 (1.0 M LiTFSI in PC), the gel polymer electrolyte (PANVDACIL 73 with 1.0 M LiTFSI in PC) manufactured according to Example 1 shows interactions between TFSI - and Li + and the polymer electrolyte.
시험예 2: 젤 고분자 전해질의 내부 조성에 따른 이온전도도 확인Test Example 2: Confirmation of ionic conductivity according to internal composition of gel polymer electrolyte
도 4는 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 Arrhenius plot을 나타낸 것이다.Figure 4 shows an Arrhenius plot of gel polymer electrolytes manufactured according to Examples 1 to 3.
도 4에 따르면, 이온성 액체의 가교 비율이 높은 실시예 1(PANVDACIL 73)이 가장 높은 이온성 액체 작용기를 보유하고 있으며, 이에 따라서 가장 높은 리튬 이온 전도도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. According to FIG. 4, it can be confirmed that Example 1 (PANVDACIL 73) with a high cross-linking ratio of the ionic liquid has the highest ionic liquid functional group and thus exhibits the highest lithium ion conductivity.
시험예 3: 젤 고분자 전해질의 리튬 이온 전도 효율 확인Test Example 3: Confirmation of Lithium Ion Conductivity of Gel Polymer Electrolyte
도 5는 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 시간에 따른 전류 그래프(좌측 위), 실시예 1에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 편극 전후에 따른 임피던스 값(우측 위), 실시예 2에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 편극 전후에 따른 임피던스 값(좌측 아래), 및 실시예 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 편극 전후에 따른 임피던스 값(우측 아래)를 나타낸 것이다.FIG. 5 shows current graphs over time of gel polymer electrolytes manufactured according to Examples 1 to 3 (upper left), impedance values before and after polarization of gel polymer electrolytes manufactured according to Example 1 (upper right), impedance values before and after polarization of gel polymer electrolytes manufactured according to Example 2 (lower left), and impedance values before and after polarization of gel polymer electrolytes manufactured according to Example 3 (lower right).
도 5 및 아래 식 1을 이용해 리튬 이온 전도 효율(t+)을 알 수 있다.The lithium ion conduction efficiency (t + ) can be determined using Fig. 5 and Equation 1 below.
[식 1][Formula 1]
상기 식 1에서,In the above equation 1,
ISS는 편극 이후 전류가 일정한 때의 전류이고(Steady state),I SS is the current when the current is constant after polarization (Steady state),
I0은 (편극 이전) 최초의 전류 값이고,I 0 is the initial current value (before polarization),
RSS는 편극 이후 전류가 일정할 때의 저항 값이고,R SS is the resistance value when the current is constant after polarization,
R0는 (편극 이전) 최초의 저항 값이고,R 0 is the initial resistance value (before polarization),
V는 이 때 적용된 voltage(10 mV)이다.V is the voltage applied at this time (10 mV).
아래 표 1에 실시예 1 내지 3의 리튬 이온 전도 효율(t+)을 정리하여 나타내었다.The lithium ion conduction efficiency (t + ) of Examples 1 to 3 is summarized in Table 1 below.
상기 표 1 및 도 5에 따르면, 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질의 전체 이온 종에서 리튬 양이온만의 이동 효율을 알 수 있으며, PANVDACIL 73이 0.922의 리튬 이온 전도 효율을 보여 가장 우수한 것을 확인할 수 있다. According to Table 1 and FIG. 5 above, the transfer efficiency of only lithium cations among all ion species of the gel polymer electrolytes manufactured according to Examples 1 to 3 can be known, and it can be confirmed that PANVDACIL 73 showed the best lithium ion conduction efficiency of 0.922.
시험예 4: 하프셀(Half-cell) 구동 데이터 확인Test Example 4: Checking Half-cell Operation Data
실시예 1 내지 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질을 각각 사용하고, lithium iron phosphate(LFP) 양극재 및 리튬을 이용하여 3 종류의 하프셀(half-cell)을 제조하였다. 상기 LFP 양극재는 양극활물질(LiFePO4): 도전재 : 바인더(PVDF) = 8 : 1 : 1 중량비로 섞고, 소량의 NMP 용매를 첨가하여 슬러리를 만들고 이를 알루미늄 집전체에 도포한 후 건조하고, hot-pressing을 통해 압착시켜 제조하였다. Each of the gel polymer electrolytes manufactured according to Examples 1 to 3 was used to manufacture three types of half-cells using lithium iron phosphate (LFP) cathode material and lithium. The LFP cathode material was manufactured by mixing cathode active material (LiFePO 4 ): conductive material: binder (PVDF) in a weight ratio of 8: 1: 1, adding a small amount of NMP solvent to make a slurry, applying the slurry to an aluminum current collector, drying, and compressing through hot pressing.
도 6은 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 젤 고분자 전해질을 사용하여 제조된 하프셀의 사이클에 따른 용량 변화 및 쿨롱 효율(위), 0.5 C의 충/방전 속도에서 상기 하프셀의 사이클에 따른 용량변화(중간), 및 3 C의 충/방전 속도에서 상기 하프셀의 사이클에 따른 용량변화(아래)를 나타낸 것이다. Figure 6 shows the capacity change and coulombic efficiency according to the cycle of the half-cell manufactured using the gel polymer electrolyte manufactured according to Examples 1 to 3 (top), the capacity change according to the cycle of the half-cell at a charge/discharge rate of 0.5 C (middle), and the capacity change according to the cycle of the half-cell at a charge/discharge rate of 3 C (bottom).
도 6에 따르면, 실시예 1에 따라 제조된 젤 고분자 전해질(PANVDACIL 73)의 율속 특성이 실시예 2(PANVDACIL 82) 및 실시예 3(PANVDACIL 91)에 비해 우수하며, 3 C의 충/방전 속도에서 300 사이클 이상 안정적인 수명특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 6, it can be confirmed that the rate characteristics of the gel polymer electrolyte (PANVDACIL 73) manufactured according to Example 1 are superior to those of Example 2 (PANVDACIL 82) and Example 3 (PANVDACIL 91), and that it has stable cycle characteristics of more than 300 cycles at a charge/discharge rate of 3 C.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (18)
음전하를 갖는 카운터 이온; 및
액체 전해질;을
포함하는 젤 고분자 전해질.An acrylonitrile-based polymer having an azide group (-N 3 ) and a tetrazolium-containing polymer that self-cross-links the acrylonitrile-based polymer, the tetrazolium-based polymer having a positive charge;
a counter ion having a negative charge; and
liquid electrolyte;
A gel polymer electrolyte comprising:
상기 테트라졸륨 가교 고분자는 상기 카운터 이온과 이온 결합하는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질.In the first paragraph,
A gel polymer electrolyte characterized in that the tetrazolium cross-linked polymer ionically bonds with the counter ion.
상기 카운터 이온이 음전하를 갖는 설폰 이미드계 화합물 또는 음전하를 갖는 설폰 아미드계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질.In the first paragraph,
A gel polymer electrolyte characterized in that the counter ion comprises a sulfonimide compound having a negative charge or a sulfonamide compound having a negative charge.
상기 카운터 이온이 bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI-), tetrafluoroborate (BF4 -), hexafluorophosphate (PF6 -), chloride (Cl-), 1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (C2HF4KO3S-), methanesulfonate (C2H6O3S-), 및 tetraphenylborate (BPh4 -)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질.In the first paragraph,
A gel polymer electrolyte, characterized in that the counter ion comprises at least one selected from the group consisting of bis(trifluoromethylsulfonyl ) imide (TFSI - ), tetrafluoroborate (BF 4 - ), hexafluorophosphate (PF 6 - ), chloride (Cl - ), 1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (C 2 HF 4 KO 3 S - ), methanesulfonate (C 2 H 6 O 3 S - ), and tetraphenylborate (BPh 4 - ).
상기 젤 고분자 전해질은 상기 테트라졸륨 가교 고분자가 제1 연속상을 형성하고, 상기 카운터 이온이 제2 연속상을 형성하는 이중 연속상 구조(bi-continuous phasic structure)인 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질.In the first paragraph,
The above gel polymer electrolyte is a gel polymer electrolyte characterized in that it has a bi-continuous phasic structure in which the tetrazolium cross-linked polymer forms a first continuous phase and the counter ion forms a second continuous phase.
상기 제2 연속상이 이온 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질.In paragraph 5,
A gel polymer electrolyte characterized in that the second continuous phase forms an ion channel.
상기 아크릴로니트릴계 고분자가 폴리아크릴로니트릴-코-비닐리덴 아지드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸메타크릴레이트), 폴리(아크릴로니트릴-코-메타크릴산), 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸아크릴로니트릴, 폴리(아크릴로니트릴-코메타크릴산 리튬), 폴리(아크릴로니트릴-코-비닐리덴 클로라이드), 및 폴리(아크릴로니트릴-코-비닐 클로라이드)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질.In the first paragraph,
A gel polymer electrolyte, characterized in that the acrylonitrile-based polymer includes at least one selected from the group consisting of polyacrylonitrile-co-vinylidene azide, polyacrylonitrile, poly(acrylonitrile-co-methylmethacrylate), poly(acrylonitrile-co-methacrylic acid), poly(acrylonitrile-co-methylacrylonitrile), poly(lithium acrylonitrile-co-methacrylate), poly(acrylonitrile-co-vinylidene chloride), and poly(acrylonitrile-co-vinyl chloride).
상기 아크릴로니트릴계 고분자가 아래 구조식 1로 표시되는 폴리아크릴로니트릴-코-비닐리덴 아지드를 포함하는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질:
[구조식 1]
상기 구조식 1에서,
n은 1 내지 500의 정수이고,
m은 5 내지 2,000의 정수이다.In the first paragraph,
A gel polymer electrolyte characterized in that the acrylonitrile-based polymer comprises polyacrylonitrile-co-vinylidene azide represented by the structural formula 1 below:
[Structural formula 1]
In the above structural formula 1,
n is an integer between 1 and 500,
m is an integer between 5 and 2,000.
상기 테트라졸륨 가교 고분자가 아래 구조식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질:
[구조식 2]
상기 구조식 2에서,
n은 1 내지 500의 정수이고,
m은 5 내지 2,000의 정수이고,
R1은 C1 내지 C5 알킬기이다.In the first paragraph,
A gel polymer electrolyte characterized in that the tetrazolium cross-linked polymer is represented by the structural formula 2 below:
[Structural formula 2]
In the above structural formula 2,
n is an integer between 1 and 500,
m is an integer between 5 and 2,000,
R 1 is a C1 to C5 alkyl group.
상기 액체 전해질은 Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (LiTFSI)및 Lithium hexafluorophosphate (LiPF6)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 녹아있는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 다이에틸 카보네이트 및 다이메틸 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질.In the first paragraph,
A gel polymer electrolyte characterized in that the liquid electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, and dimethyl carbonate, in which at least one selected from the group consisting of lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (LiTFSI) and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved.
상기 젤 고분자 전해질의 두께가 20 내지 500 μm인 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질.In the first paragraph,
A gel polymer electrolyte, characterized in that the thickness of the gel polymer electrolyte is 20 to 500 μm.
상기 에너지 저장 장치가 트랜지스터, 슈퍼 캐패시터 및 리튬 이차 전지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 에너지 저장 장치.In Article 12,
An energy storage device, characterized in that the energy storage device is any one selected from the group consisting of a transistor, a super capacitor, and a lithium secondary battery.
(b) 상기 혼합용액을 캐스팅하고 열처리하여 용매를 증발시킴에 의해 가교 반응 및 4차 아민화(quaternization) 반응시켜 고분자 전해질을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 고분자 전해질에 액체 전해질을 담지하여 젤 고분자 전해질을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 젤 고분자 전해질은
아지드(-N3)기를 갖는 아크릴로니트릴계 고분자 및 상기 아크릴로니트릴계 고분자를 서로 자가 가교 결합(self-cross-linking)하는 테트라졸륨(tetrazolium)을 포함하고, 양전하를 갖는 테트라졸륨 가교 고분자;
음전하를 갖는 카운터 이온; 및
액체 전해질;을 포함하는 것인, 젤 고분자 전해질의 제조방법.(a) a step of preparing a mixed solution containing an acrylonitrile-based polymer having an azide (-N 3 ) group and a counter ion precursor;
(b) a step of producing a polymer electrolyte by casting the above mixed solution and performing a heat treatment to evaporate the solvent, thereby performing a crosslinking reaction and a quaternization reaction; and
(c) a step of manufacturing a gel polymer electrolyte by containing a liquid electrolyte in the polymer electrolyte;
The above gel polymer electrolyte is
An acrylonitrile-based polymer having an azide (-N 3 ) group and a tetrazolium-containing polymer that self-cross-links the acrylonitrile-based polymer, the tetrazolium-based polymer having a positive charge;
a counter ion having a negative charge; and
A method for producing a gel polymer electrolyte, comprising: a liquid electrolyte;
상기 아크릴로니트릴계 고분자의 아지드기(-N3)의 몰비(molN3)에 대한 상기 카운터 이온 전구체의 몰비(molc)의 비(molc/molN3)가 2 내지 6인 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질의 제조방법.In Article 14,
A method for producing a gel polymer electrolyte, characterized in that the ratio of the molar ratio (mol c ) of the counter ion precursor to the molar ratio (mol N3 ) of the azide group (-N 3 ) of the acrylonitrile-based polymer (mol c /mol N3 ) is 2 to 6.
상기 단계 (b)의 열처리가 100 내지 150 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질의 제조방법.In Article 14,
A method for producing a gel polymer electrolyte, characterized in that the heat treatment of the above step (b) is performed at a temperature of 100 to 150°C.
상기 젤 고분자 전해질이 상기 고분자 전해질 100 중량부를 기준으로 상기 액체 전해질 1 내지 500 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질의 제조방법.In Article 14,
A method for producing a gel polymer electrolyte, characterized in that the gel polymer electrolyte contains 1 to 500 parts by weight of the liquid electrolyte based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte.
상기 카운터 이온 전구체가 N-알킬 설폰 이미드계 화합물 및 N-알킬 설폰 아미드계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 알킬의 탄소수가 각각 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 젤 고분자 전해질의 제조방법.In Article 14,
A method for producing a gel polymer electrolyte, wherein the counter ion precursor comprises at least one selected from the group consisting of N-alkyl sulfone imide compounds and N-alkyl sulfone amide compounds, and each of the alkyl compounds has 1 to 5 carbon atoms.
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