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KR20000064280A - 고분자 고체 전해질 - Google Patents

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KR20000064280A
KR20000064280A KR1019980702820A KR19980702820A KR20000064280A KR 20000064280 A KR20000064280 A KR 20000064280A KR 1019980702820 A KR1019980702820 A KR 1019980702820A KR 19980702820 A KR19980702820 A KR 19980702820A KR 20000064280 A KR20000064280 A KR 20000064280A
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다까히로 사까시따
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사또모 고지
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Abstract

(1) 에틸렌 옥시드로부터 유도된 주골격 및 올리고-옥시에틸렌의 측쇄를 갖는 폴리에테르 공중합체, (2) 전해질 염 화합물, 및 (3) 아프로틱 유기 용매, 또는 수평균 분자량이 200 내지 5,000 인 폴리알킬렌 글리콜의 유도체 또는 금속 염, 또는 그 유도체의 금속염으로 구성된 가소제를 혼합함으로써 제조된 고체 중합전해질은 종래의 고체 전해질보다 이온 전도성이 우수하고, 동시에 우수한 작업성, 성형성 및 기계적 강도를 가진다. 중합전해질은 리튬 금속의 양극 및 리튬 코발레이트의 음극과 결합하여, 재충전가능한 배터리를 구성한다.

Description

고분자 고체 전해질
배터리, 축전기 및 센서와 같은 전기화학 장치를 구성하는 전해질로서, 이온 전도성 측면에서 용액 또는 페이스트 형태의 것들이 이제까지 사용되어져 왔다. 그러나, 다음과 같은 문제점들이 지적되었다. 즉, 액체 누출로 인해 발생하는 장치의 손상 위험이 있고, 전해질 액으로 침액되는 세퍼레이터가 필요하기 때문에 장치의 초소형화 및 박화가 제한적이다. 그와 반대로, 무기 결정성 물질, 무기 유리 및 유기 고분자 물질과 같은 고체 전해질이 제안된다. 유기 고분자 물질은 일반적으로 가공성 및 성형성에 있어서 우수하고, 수득되는 고체 전해질은 우수한 굴곡성 및 휨 가공성을 가지며, 또한 적용되는 장치의 설계가 매우 자유롭게 되므로, 유기 고분자 물질의 개발이 예상된다. 그러나 현재 유리 고분자 물질이 다른 물질에 대한 이온 전도성이 좋지 않다.
예를 들어, 에피클로히드린 고무와 저분자량 폴리에틸렌 글리콜 유도체의 혼합물 중에 특이적 알칼리성 금속염을 함유하고, 생성물에 고분자 고체 전해질을 적용하는 시험이 본 출원이 출원한 일본 특개평 제 235957/1990 호에 제안되어 있으나, 실질적으로 충분한 전도성은 아직도 수득되지 않았다.
또한, 일본 특개평 제 47833/1991 호 및 제 68064/1992 호에 기재된, 수평균 분자량이 1,000 내지 20,000 인 고분자 화합물을 가교결합시켜 제조한 고분자 고체 전해질은 실제적 온도 범위 내에서 비교적 우수한 이온 전도성을 나타내나, 더욱 우수한 기계적 특성 및 이온 전도성을 갖는 것들이 요구된다.
[발명의 개요]
본 발명의 목적은 기계적 성질 및 이온 전도성이 우수한 고체 전해질을 제공하는 것이다.
본 발명은 다음을 함유하는 고분자 고체 전해질 (고체 중합전해질)을 제공한다 :
(1) 수평균 분자량이 10,000 내지 2,000,000 이고, 다음을 함유하는 임의 가교 폴리에테르 공중합체 :
(A) 하기 화학식 I 로 표시되는 단량체로부터 유도된 1 내지 99 몰 % 의 반복 단위 :
[식 중에서, R1은 탄소수 1 내지 12 의 알킬기, 탄소수 2 내지 8 의 알케닐기, 탄소수 3 내지 8 의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 14 의 아릴기, 탄소수 7 내지 12 의 아르알킬기 및 테트라히드로피라닐기로부터 선택된 기이고 ; n 은 1 내지 12 의 수이다].
(B) 하기 화학식 II 로 표시되는 단량체로부터 유도된 99 내지 1 몰 % 의 반복 단위 :
; 및
(C) 하나의 에폭시기 및 하나 이상의 반응 관능기를 갖는 단량체로부터 유도된 0 내지 15 몰 % 의 반복 단위 ;
(2) 전해질 염 화합물 ; 및
(3) 수평균 분자량이 200 내지 5,000 인 직쇄나 측쇄 폴리알킬렌 글리콜의 유도체 또는 금속염, 및 아프로틱 유기 용매로 이루어진 군으로부터 선택된 가소제.
본 발명은 또한 상기 고분자 고체 전해질을 사용한 배터리를 제공한다.
고온에서 차원 안정성이 요구될 경우, 폴리에테르 공중합체의 가교 물질을 사용한다.
가소제를 배합할 때, 고분자의 결정화가 억제되고, 유리 전이 온도가 저하되며, 저온에서도 다량의 비결정질 상이 형성되어 이온 전도성이 향상된다. 본 발명의 고분자 고체 전해질을 사용할 경우, 작은 내부 저항을 갖는 고성능 배터리를 수득할 수 있음이 밝혀졌다. 본 발명의 고분자 고체 전해질은 겔 형태일 수 있다. 여기에서 사용되는 "겔" 은 용매로써 팽창되는 고분자를 의미한다.
본 발명은 고분자 고체 전해질 (고체 중합전해질), 더욱 상세하게는 전기화학 장치 (예컨대, 배터리, 축전기, 센서) 용 재료로서 적당한 고분자 고체 전해질에 관한 것이다.
반복 단위 (C) 는 화학식 III-1 또는 III-2 의 단량체로부터 유도될 수 있다 :
[식 중에서, R2및 R3은 반응성 관능기를 함유하는 기를 나타낸다].
본 발명에 사용되는 공중합체는 화학식 I'의 단량체로부터 표시되는 반복 단위 (A) :
[식 중에서, R1은 탄소수 1 내지 12 의 알킬기, 탄소수 2 내지 8 의 알케닐기, 탄소수 3 내지 8 의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 14 의 아릴기, 탄소수 7 내지 12 의 아르알킬기 및 테트라히드로피라닐기로부터 선택된 기이고 ; n 은 1 내지 12 의 수이다] 및,
(B) 하기 화학식 II'로 표시되는 단량체로부터 유도된 99 내지 1 몰 % 의 반복 단위 :
를 함유한다.
또한 공중합체는 필요한 경우, 하나의 에폭시기 및 하나 이상의 반응 관능기를 갖는 단량체로부터 유도된 반복 단위 (C) 를 함유한다.
화학식 III-1 또는 III-2 의 단량체로부터 유도된 반복 단위 (C) 는 화학식 III'-1 또는 III'-2 로 표시된다.
[식 중에서, R2및 R3은 반응성 관능기를 함유하는 기를 나타낸다].
반복 단위 (C) 중의 반응성 관능기는 바람직하게 (a) 반응성 규소기, (b) 에폭시기, (c) 에틸렌성 불포화기, 또는 (d) 할로겐 원자이다.
가교성 측쇄를 가질 수 있는 본 발명의 폴리에테르 공중합체의 중합 방법은 일본 특개평 제 154736/1988 호 및 제 169823/1987 호에 기재된 바와 같다.
중합 반응은 다음과 같이 수행될 수 있다 : 즉, 10 내지 80 ℃ 의 반응 온도에서 교반 하에, 용매의 부재 하, 개환 촉매로서 주로 유기알루미늄으로 이루어진 촉매, 주로 유기아연으로 이루어진 촉매, 오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매 등을 이용하여 각 단량체를 반응시킴으로써, 폴리에테르 공중합체를 수득할 수 있다. 오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매는 특히 중합도, 또는 생성 공중합체의 성질의 측면에서 특히 바람직하다. 중합 반응에서 반응 관능기는 반응하지 않아, 반응 관능기를 갖는 공중합체가 수득된다.
본 발명의 폴리에테르 공중합체에서, 반복 단위 (A) 의 함량은 1 내지 99 몰 %, 예컨대 3 내지 99 몰 %, 특히 5 내지 90 몰 % 이고, 반복 단위 (B) 의 함량은 99 내지 1 몰 %, 예컨대 95 내지 1 몰 %, 특히 90 내지 5 몰 %이며 ; 반복 단위 (C) 의 함량은 0 내지 15 몰 %, 예컨대 0 내지 10 몰 %, 바람직하게는 0 내지 5 몰 %, 특히 0.01 내지 5 몰 % 이다. 반복 단위 (B) 의 함량이 99 몰 %를 초과할 경우, 유리 전이 온도 및 옥시에틸렌 사슬의 결정화가 일어나고, 이는 고체 전해질의 이온 전도성의 심한 열화를 가져온다. 이온 전도성은 폴리에틸렌 옥시드의 결정화도의 감소로써 향상된다고 일반적으로 알려져 있다. 본 발명의 폴리에테르 공중합체의 경우, 이온 전도성의 향상 효과가 뚜렷이 크다.
폴리에테르 공중합체의 유리 전이 온도 및 용융열을 시차 주사 열량계 (DSC)를 이용하여 측정한다. 본 발명에서, 폴리에테르 공중합체의 유리 전이 온도는 -60 ℃ 이하, 바람직하게는 -63 ℃ 이하, 예컨대 -65 ℃ 이하가 바람직하다. 폴리에테르 공중합체의 용융열은 바람직하게 90 J/g 이하, 예컨대 70 J/g 이하, 특히 60 J/g 이하, 특별하게는 50 J/G 이하이다.
폴리에테르 공중합체는 블록 공중합체 및 무작위 공중합체와 같은 임의의 공중합체일 수 있으나, 폴리에틸렌 옥시드의 결정화도의 감소 효과가 크기 때문에 무작위 공중합체가 바람직하다. 본 발명의 폴리에테르 공중합체는 올리고옥시에틸렌 측쇄, 필요하다면 가교성의 반응성 관능기를 함유한 측쇄를 갖는 폴리에테르 공중합체이다. 본 발명의 폴리에테르 공중합체는 두 개 이상의 단량체로부터 형성된 공중합체이다.
반복 단위 (C)를 구성하는, 반응성 규소기 함유의 단량체는 바람직하게 하기 화학식 III-a-1 또는 화학식 III-a-2 로 표시된다.
[식 중에서, R2은 반응성 규소 함유기이다]
[식 중에서, R3은 반응성 규소 함유기이다]
화학식 III-a-1 로 표시되는 반응성 규소기 함유의 단량체는 바람직하게 하기 화학식 III-a-1-1 또는 화학식 III-a-1-2 로 표시되는 화합물이다.
화학식 III-a-2 로 표시되는 반응성 규소기 함유의 단량체는 바람직하게 화학식 III-a-2-1 로 표시되는 화합물이다.
화학식 III-a-1-1, III-a-1-2 및 III-a-2-1 에서, R4, R5및 R6가 상이하거나 동일하고, 그것들 중 하나 이상이 알콕시기를 나타내고, 나머지는 알킬기를 나타내며 ; m 은 1 내지 6 을 나타낸다.
화학식 III-a-1-1 로 표시되는 단량체들의 예는 1-글리시독시메틸트리메톡시실란, 1-글리시독시메틸메틸디메톡시실란, 2-글리시독시에틸트리메톡시실란, 2-글리시독시에틸메틸디메톡시실란, 3-글리시독시프로피레틸디메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 4-글리시독시부틸메틸디메톡시실란, 4-글리시독시부틸트리메톡시실란, 6-글리시독시헥실메틸디메톡시실란 및 6-글리시독시헥실메틸트리메톡시실란을 포함한다.
화학식 III-a-1-2 로 표시되는 단량체들의 예는 3-(1,2-에폭시)프로필트리메톡시실란, 3-(1,2-에폭시)프로필메틸디메톡시실란, 3-(1,2-에폭시)프로필디메틸메톡시실란, 4-(1,2-에폭시)부틸트리메톡시실란, 4-(1,2-에폭시)부틸메틸디트리메톡시실란, 5-(1,2-에폭시)펜틸트리메톡시실란, 5-(1,2-에폭시)펜틸메틸디메톡시실란, 6-(1,2-에폭시)헥실트리메톡시실란 및 6-(1,2-에폭시)헥실메틸디메톡시실란을 포함한다.
화학식 III-a-2-1 로 표시되는 단량체들의 예는 1-(3,4-에폭시시클로헥실)메틸트리메톡시실란, 1-(3,4-에폭시시클로헥실)메틸메틸디메톡시실란, 2-(3,4 -에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸메틸디메톡시실란, 3-(3,4-에폭시시클로헥실)프로필트리메톡시실란, 3-(3,4-에폭시시클로헥실)프로필메틸디메톡시실란, 4-(3,4-에폭시시클로헥실)부틸트리메톡시실란 및 4-(3,4-에폭시시클로헥실)부틸디메톡시실란을 포함한다.
그것들 중에서, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 4-(1,2-에폭시)부틸트리메톡시실란, 5-(1,2-에폭시)펜틸트리메톡시실란 및 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란이 특히 바람직하다.
반복 단위 (C) 를 구성하는, 2 개의 에폭시기를 갖는 단량체는 바람직하게 하기 화학식 III-b 로 표시된다.
[식 중에서, R7은 이가 유기기이다]. R7은 바람직하게 수소, 탄소 및 산소로부터 선택된 원자로 구성된 유기기이다.
화학식 III-b 중의 R7이
[식 중에서, A1및 A2가 수소 또는 메틸기를 나타내고 ; Ph 는 페닐렌기를 나타내며 ; m 은 0 내지 12 의 수를 나타낸다] 인 것이 바람직하다.
2 개의 에폭시기를 갖는 단량체는 바람직하게 화학식 III-b-1, III-b-2 또는 III-b-3 로 표시되는 화합물이다 :
화학식 III-b-1, III-b-2 및 III-b-3 에서, A1및 A2가 수소 또는 메틸기를 나타내고 ; m 은 0 내지 12 의 수를 나타낸다.
화학식 III-b-1 로 표시되는 단량체의 예는 2,3-에폭시프로필-2',3'-에폭시-2'-메틸프로필 에테르, 에틸렌글리콜-2,3-에폭시프로필-2',3'-에폭시-2'-메틸프로필 에테르 및 디에틸렌글리콜-2,3-에폭시프로필-2',3'-에폭시-2'-메틸프로필 에테르를 포함한다. 화학식 III-b-2 로 표시되는 단량체의 예는 2-메틸-1,2,3,4-디에폭시부탄, 2-메틸-1,2,4,5-디에폭시펜탄 및 2-메틸-1,2,5,6-디에폭시헥산을 포함한다. 화학식 III-b-3 로 표시되는 단량체의 예는 히드로퀴논-2,3-에폭시프로필-2',3'-에폭시-2'-메틸프로필 에테르 및 카테콜-2,3-에폭시프로필-2',3'-에폭시-2'-메틸프로필 에테르을 포함한다.
그것들 중에서, 2,3-에폭시프로필-2',3'-에폭시-2'-메틸프로필 에테르 및 에틸렌글리콜-2,3-에폭시프로필-2',3'-에폭시-2'-메틸프로필 에테르가 특히 바람직하다.
반복 단위 (C)를 구성하는, 에틸렌성 불포화기를 갖는 단량체는 화학식 III-c 로 표시된다 :
[식 중에서, R8은 에틸렌성 불포화기를 갖는 기이다].
에틸렌성 불포화기를 함유하는 단량체로서, 알릴 글리시딜 에테르, 4-비닐시클로헥실 글리시딜 에테르, α-터피닐 글리시딜 에테르, 시클로헥세닐메틸 글리시딜 에테르, p-비닐벤질 글리시딜 에테르, 알릴페닐 글리시딜 에테르, 비닐 글리시딜 에테르, 3,4-에폭시-l-부텐, 3,4-에폭시-l-펜텐, 4,5-에폭시-2-펜텐, 1,2-에폭시-5,9-시클로도데카디엔, 3,4-에폭시-l-비닐시클로헥센, 1,2-에폭시-5-시클로옥텐, 글리시딜 아크릴레이트, 글리시딜 메트아크릴레이트, 글리시딜 소르베이트, 글리시딜 신나메이트, 글리시딜 크로토네이트, 글리시딜-4-헥세노에이트, 1 내지 12 개의 옥시에틸렌 사슬을 가진 올리고에틸렌 글리콜 글리시딜 에테르 아크릴레이트, 1 내지 12 개의 옥시에틸렌 사슬을 가진 올리고에틸렌 글리콜 글리시딜 에테르 메트아크릴레이트, 1 내지 12 개의 옥시에틸렌 사슬을 가진 올리고에틸렌 글리콜 알릴 글리시딜 에테르 또는
(n=l - 12)을 사용할 수 있다. 그의 바람직한 예는 알릴 글리시딜 에테르, 글리시딜 아크릴레이트 및 글리시딜 메트아크릴레이트을 포함한다.
할로겐 원자를 갖는 단량체 (C) 는 바람직하게 화학식 III-d 로 표시된다 :
[식 중에서, R9는 하나 이상의 할로겐 원자를 가진 기이다].
할로겐 원자를 가진 단량체의 예는
을 포함한다 [식 중에서, X 는 할로겐 원자, 특히 브롬 원자 (Br) 또는 요오드 원자 (I) 이다].
반복 단위 (A)를 구성하는 단량체 (I) 중의 측쇄의 옥시에틸렌 단위의 중합도 n 은 바람직하게 1 내지 12, 예컨대 1 내지 6 이다. 중합도 n 이 12를 초과하면, 수득되는 고분자 고체 전해질의 이온 전도성이 바람직하지 못하게 열화된다. 단량체 (I) 에서, R1은 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기, 알릴기 또는 시클로헥실기일 수 있다.
폴리에테르 공중합체의 수 평균 분자량은 10,000 내지 2,000,000, 예컨대 50,000 내지 2,000,000, 바람직하게는 100,000 내지 2,000,000 의 범위 내이므로, 우수한 가공성, 성형성, 기계적 강도 및 굴곡성을 수득할 수 있다.
수평균 분자량이 10,000 미만인 경우, 가교 밀도를 증가시켜, 기계적 강도를 유지하거나, 고온에서 유동을 막아야 하므로, 수득되는 고분자 고체 전해질의 이온 전도성이 열화되게 된다. 한편, 그것이 2,000,000을 초과하게 되면, 가공성 및 성형성이 불충분하게 된다.
반응성 관능기가 반응성 규소기인 공중합체의 가교에 있어서, 반응성 규소기 및 물 간의 반응에 의해 가교를 수행할 수 있다. 반응성을 증가시키기 위해, 촉매로서 유기금속 화합물, 예를 들면 주석 화합물, 예컨대 디부틸주석 디라우레이트, 디부틸주석 말레에이트, 디부틸주석 디아세테이트, 주석 옥틸에이트 및 디부틸주석 아세틸아세토네이트 ; 티타늄 화합물, 예컨대 테트라부틸 티타네이트 및 테트라프로필 티타네이트 ; 알루미늄 화합물, 예컨대 알루미늄 트리스아세틸 아세토네이트, 알루미늄 트리스에틸 아세토아세테이트 및 디이소프로폭시알루미늄 에틸아세토아세테이트 ; 또는 아민 화합물, 예컨대 부틸아민, 옥틸아민, 라우릴아민, 디부틸아민, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라아민, 시클로헥실아민, 벤질아민, 디에틸아미노프로필아민, 구아닌 및 디페닐구아닌을 사용할 수 있다.
반응성 관능기가 에폭시기인 공중합체의 가교 방법으로서, 폴리아민, 산 무수물 등을 사용한다.
폴리아민의 예는 지방족 폴리아민, 예컨대 디에틸렌트리아민, 디프로필렌트리아민, 트리에틸렌테트라민, 테트라에틸렌펜타민, 디메틸아미노프로필아민, 디에틸아미노프로필아민, 디부틸아미노프로필아민, 헥사메틸렌디아민, N-아미노에틸피페라진, 비스아미노프로필피페라진, 트리메틸헥사메틸렌아민 및 디히드라지드 이소프탈레이트 ; 및 방향족 폴리아민, 예컨대 4,4'-아미노디페닐 에테르, 디아미노디페닐 술폰, m-페닐렌디아민, 2,4-톨루일렌디아민, m-톨루일렌디아민, o-톨루일렌디아민 및 크실릴렌디아민을 포함한다. 폴리아민의 양은 폴리아민의 형태에 따라 변화하나, 정상적으로 가소제를 제외한 조성물 전체에 대해 0.1 내지 중량 10 % 의 범위 내이다.
산 무수물의 예는 말레산 무수물, 도데세닐숙신산 무수물, 클로렌드산 무수물, 프탈산 무수물, 피로멜리트산 무수물, 헥사히드로프탈산 무수물, 메틸헥사히드로프탈산 무수물, 테트라메틸렌말레산 무수물, 테트라히드로프탈산 무수물, 메틸테트라히드로프탈산 무수물 및 트리멜리트산 무수물을 포함한다. 산 무수물의 양은 가소제를 제외한 조성물 전체에 대해 0.1 내지 10 중량 % 의 범위 내이다. 가교에 있어서, 촉진제를 사용할 수 있다. 폴리아민의 가교 반응에서, 촉진제는 페놀, 크레졸, 레소르신, 피로갈롤, 노닐 페놀, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀을 포함한다. 산 무수물의 가교 반응에서, 벤질디메틸아민, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 2-(디메틸아미노에틸)페놀, 디메틸아닐린 및 2-에틸-4-메틸이미다졸을 포함한다. 촉진제의 양은 촉진제의 형태에 따라 변화하나, 정상적으로 가교제에 대해 0.1 내지 10 중량 % 의 범위 내이다.
공중합체에 사용되는 가교 방법에서, 반응성 관능기가 에틸렌성 불포화기인 경우, 유기 퍼옥시드 및 아조 화합물과 같은 라디칼 개시제, 또는 자외선 및 전자 광선과 같은 활성 에너지 광선을 사용할 수 있다. 또한 규소 히드리드를 함유하는 가교제를 사용가능하다.
유기 퍼옥시드로서, 가교제에 정상적으로 사용되는 것들, 예컨대 케톤 퍼옥시드, 퍼옥시 케탈, 히드로퍼옥시드, 디알킬 퍼옥시드, 디아실 퍼옥시드, 퍼옥시 에스테르 등을 사용할 수 있다. 그것들의 특정예는 메틸 에틸 케톤 퍼옥시드, 시클로헥사논 퍼옥시드, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산, 2,2-비스(t-부틸퍼옥시)옥탄, n-부틸-4,4-비스(t-부틸퍼옥시)발레레이트, t-부틸히드로퍼옥시드, 쿠멘 히드로퍼옥시드, 2,5-디메틸헥산-2,5-디히드로퍼옥시드, 디-t-부틸 퍼옥시드, t-부틸쿠밀 퍼옥시드, 디쿠밀 퍼옥시드, α,α'-비스(t-부틸퍼옥시-m-이소프로필)벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 벤조일퍼옥시드 및 t-부틸퍼옥시이소프로필카르보네이트. 유기 퍼옥시드의 양은 유기 퍼옥시드의 형태에 따라 변화하나, 정상적으로 가소제를 제외한 조성물 전체에 대해 0.1 내지 10 중량 % 의 범위 내이다.
아조 화합물로서, 가교에 정상적으로 사용되는 것들, 예컨대 아조니트릴 화합물, 아조아미드 화합물, 아조아미딘 화합물 등을 사용할 수 있다. 그것들의 특정예는 2,2-아조비스이소부티로니트릴, 2,2'-아조비스(2-메틸부티로니트릴), 2,2'-아조비스(4-메톡시-2,4-디메틸발레로니트릴), 2,2'-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴), 1,1'-아조비스(시클로헥산-l-카르보니트릴), 2-(카르바모일아조)이소부티로니트릴, 2-페닐아조-4-메톡시-2,4-디메틸-발레로니트릴, 2,2-아조비스(2-메틸-N-페닐프로피온아미딘)디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[N-(4-클로로페닐)-2-메틸프로피온아미딘]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[N-히드록시페닐l-2-메틸프로피온아미딘]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-메틸-N-(페닐페닐메틸)프로피온아미딘]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-메틸-N-(2-프로페닐) 프로피온아미딘]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스(2-메틸-프로피온아미딘)디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[N-(2-히드록시에틸)-2-메틸-프로피온아미드]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-(5-메틸-2-이미다졸린-2-일l)프로판]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-(4,5,6,7-테트라히드로-1H-1,3-디아제핀-2-일)프로판]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-(3,4,5,6-테트라히드로이미딘-2-일)프로판]디히드로클로라이드, 2,2'아조비스[2-(5-히드록시-3,4,5,6-테트라히드로이미딘-2-일)프로판]디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-[l-(2-히드록시에틸)-2-이미다졸린-2-일]프로판)디히드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판], 2,2'-아조비스[2-메틸-N-[1,1비스(히드록시메틸)-2-히드록시에틸]프로피온아미드), 2,2'-아조비스{2-메틸-N-[1,1비스(히드록시메틸)에틸]프로피온아미드}, 2,2'-아조비스[2-메틸-N-(2히드록시에틸)프로피온아미드], 2,2'-아조비스(2-메틸프로피온아미드)디히드레이트, 2,2'-아조비스(2,4,4-트리메틸펜탄), 2,2'-아조비스(2-메틸프로판), 2,2'아조비스이소부티레이트, 4,4'-아조비스(4-시아노발레레이트) 및 2,2'-아조비스[2-(히드록시메틸)프로피오니트릴]을 포함한다.
아조 화합물의 양은 아조 화합물의 형태에 따라 다양하나, 전상적으로 가소제를 제외한 조성물 전체에 대해 0.1 내지 10 중량 % 의 범위 내이다.
자외선과 같은 활성화 에너지 광선의 조사로 인한 가교에 있어서, 화학식 III-c 로 표시되는 단량체 성분들 중에서, 글리시딜 아크릴레이트 에테르, 글리시딜 메트아크릴레이트 에테르 및 글리시딜 신나메이트 에테르가 특히 바람직하다. 또한, 보조 증감제로서, 아세토페논, 예컨대 디에톡시아세토펜, 2-히드록시-2-메틸-l-페닐프로판-l-온, 벤질디메틸케탈, 1-(4-이소프로필페닐l)-2-히드록시-2-메틸프로판-l-온, 4-(2-히드록시에톡시)페닐-(2히드록시-2-프로필)케톤, 2,2-디메톡시-1,2-디페닐에탄-l-온, 1-히드록시시클로헥실-페닐케톤 및 2-메틸-2-모르폴리노(4-티오메틸페닐)프로판-l-온; 벤조인 에테르, 예컨대 벤조인, 벤조인 메틸 에테르, 벤조인 에틸 에테르, 벤조인 이소프로필 에테르 및 벤조인 이소부틸 에테르 ; 벤조페논, 예컨대 벤조페논, 메틸 o-벤조일벤조에이트, 4-페닐벤조페논, 히드록시벤조페논, 4-벤조일-4'-메틸-디페닐 술피드, 알킬화 벤조페논, 3,3',4,4'-테트라(t-부틸퍼옥시카르보닐)벤조페논, 4-벤조일-N,N-디메틸-N-[2-(l-옥소-2-프로페닐옥시)에틸]벤젠메탄아나미늄 브로마이드 및 (4-벤조일벤질) 트리메틸암모늄 클로라이드 ; 티옥산톤, 예컨대 2-이소프로필티옥산톤, 2,4-디메틸티옥산톤, 2,4-디에틸티옥산톤, 2,4-디클로로-티옥산톤 ; 아지드, 예컨대 아지도피렌, 3-술포닐아지도벤조산, 4-술포닐아지도벤조산, 2,6-비스(4'-아지도벤잘)시클로헥사논-2,2'-디술폰산 (나트륨 염), p-아지도벤즈알데히드, p-아지도아세토페논, p-아지도벤조산, p-아지도벤잘아세토페논, p-아지도벤잘아세톤, 4,4'-디아지도칼콘, 1,3-비스(4'-아지도벤잘)아세톤, 2,6-비스(4'-아지도벤잘) 시클로헥사논, 2,6-비스(4-아지도벤잘)4-메틸시클로헥사논, 4,4'-디아지도스틸벤-2,2'-디술폰산, 1,3-비스(4'-아지도벤잘)-2-프로판온-2'-술폰산 및 1,3-비스(4'-아지도신나아실리덴)-2-프로판온을 임의적으로 사용할 수 있다.
보조 가교제로서, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디메트아크릴레이트, 올리고에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 올리고에틸렌 글리콜 디메트아크릴레이트, 프로필렌 글리콜 디아크릴레이트, 프로필렌 글리콜 디메트아크릴레이트, 올리고프로필렌 글리콜 디아크릴레이트, 올리고프로필렌 글리콜 디메트아크릴레이트, 1,3-부틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 1,4부틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 1,3-글리세롤 디메트아크릴레이트, 1,1,1-트리메틸올프로판 디메트아크릴레이트, 1,1,1-트리메틸올에탄 디아크릴레이트, 펜타에리트리톨트리메트아크릴레이트, 1,2,6-헥산트리아크릴레이트, 소르비톨 펜타메트아크릴레이트, 메틸렌비스아크릴아미드, 메틸렌비스메트아크릴아미드 디비닐 벤젠, 비닐 메트아크릴레이트, 비닐 크로토네이트, 비닐 아크릴레이트, 비닐 아세틸렌, 트리비닐 벤젠, 트리알릴 시아닐 술피드, 디비닐 에테르, 디비닐 술포에테르, 디알릴 프탈레이트, 글리세롤 트리비닐 에테르, 알릴 메트아크릴레이트, 알릴 아크릴레이트, 디알릴 말레에이트, 디알릴 푸마레이트, 디알릴 이타코네이트, 메틸 메트아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 라우릴 메트아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 아크릴레이트, 트리알릴 이소시아누레이트, 말레이미드, 페닐말레이미드, p-퀴논디옥심, 말레산 무수물 및 이타콘산을 임의적으로 사용할 수 있다.
에틸렌성 불포화기의 가교에 사용되는, 수산화규소를 갖는 화합물로서, 두 개 이상의 수산화규소를 갖는 화합물을 사용할 수 있다. 특히, 폴리실록산 화합물 및 폴리실란 화합물이 바람직하다.
폴리실록산 화합물의 예는 화학식 a-1 또는 a-2 로 표시되는 직쇄 폴리실록산 화합물, 또는 화학식 a-3 으로 표시되는 환형 폴리실록산 화합물을 포함한다.
화학식 a-1 내지 a-3에서, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18및 R19는 각기 수소 원자, 또는 탄소수 1 내지 12 의 알킬 또는 알콕시기를 나타내고 ; n ≥ 2, m ≥ 0. 2 ≤ m + n ≤ 300 이다. 알킬기로서, 메틸기 및 에틸기와 같은 저급 알킬기가 바람직하다. 알콕시기로서, 메톡시기 및 에톡시기와 같은 저급 알콕시기가 바람직하다.
폴리실란 화합물로서, 화학식 b-1 로 표시되는 선형 실란 화합물을 사용한다 :
화학식 b-1에서, R20, R21, R22, R23및 R24는 각기 수소 원자, 또는 탄소수 1 내지 12 의 알킬 또는 알콕시기를 나타내고 ; n ≥ 2, m ≥ 0, 2 ≤ m + n ≤ 100 이다.
수소화 규소 첨가 반응용 촉매의 예는 전이 금속, 예컨대 팔라듐 및 백금, 또는 그것의 화합물 또는 착물을 포함한다. 또한, 퍼옥시드, 아민 및 포스핀도 사용할 수 있다. 가장 일반적인 촉매는 디클로로비스(아세토니트릴)팔라듐(II), 클로로트리스(트리페닐포스핀)로듐(I) 및 클로로플라틴산을 포함한다.
할로겐 원자 (예 : 브롬 원자 또는 요오드 원자)를 함유하는 공중합체의 가교 방법에 있어서, 예를 들면 폴리아민, 메르캅토이미다졸, 메르캅토피리미딘, 티오우레아 및 폴리메리캅토와 같은 가교제를 사용할 수 있다. 폴리아민의 예는 헥사메틸렌디아민 카르바메이트, 트리에틸렌테트라민, 테트라에틸렌펜타민, 에틸렌디아민 카르바메이트, 디에틸렌트리아민, 디프로필렌트리아민, 디메틸아미노프로필아민, 디에틸아미노프로필아민, 디부틸아미노프로필아민, 헥사메틸렌디아민, 트리메틸헥사메틸렌디아민, 디아미노페닐 술폰, m-페닐렌디아민, 2,4-톨루일렌디아민, m-톨루일렌디아민, o-톨루일렌디아민 및 크실렌디아민을 포함한다. 메르캅토이미다졸린의 예는 2-메르캅토이미다졸린, 4-메틸-2-메르캅토이미다졸린 및 5-에틸-4-부틸-2-메르캅토이미다졸린을 포함한다. 메르캅토피리미딘의 예는 2-메르캅토피리미딘, 4,6-디메틸-2-메르캅토피리미딘 및 5-부틸-2-메르캅토피리미딘을 포함한다. 티오우레아의 예는 티오우레아, 에틸렌 티오우레아, 디부틸 티오우레아, 트리메틸 티오우레아, 트리에틸 티오우레아 및 트리부틸 티오우레아를 포함한다. 폴리메르캅탄의 에는 2-디부틸아미노-4,6-디메틸캅토-s-트리아진, 2-페닐아미노-4,6-디메르캅토트리아진, 2,5-디메르캅토-1,3,4-티아졸, 1,10-데칸디티올, 2,3-디메르캅토피라진, 2,3-디메르캅토퀴녹살린 및 6-메틸퀴녹살린-2,3-디티오카르보네이트를 포함한다. 가교제의 양은 가교제의 형태에 따라 변화하나, 정상적으로 가소제를 제외한 조성물 전체에 대해 0.1 내지 30 중량 % 이다.
할로겐 함유의 고분자의 열 안정성 측면에서, 산 수용체로서의 금속 화합물을 고분자 고체 전해질에 첨가하는 것이 효과적이다. 산 수용체로서의 금속 옥시드의 예는 주기율표 제 2 족 금속의 옥시드, 히드록시드, 카르보네이트 염, 카르복실레이트 염, 실리케이트, 보레이트 염 및 포스파이트 염 ; 및, 주기율표 제 6a 족 금소의 옥시드, 염기성 카르보네이트 염, 염기성 포스파이트 염, 염기성 술피트 염 및 삼염기성 술페이트 염을 포함한다. 을 포함한다. 그것들의 특정예는 마그네시아, 마그네슘 히드록시드, 바륨 히드록시드, 마그네슘 카르보네이트, 바륨 카르보네이트, 생석회, 소석회, 칼슘 카르보네이트, 칼슘 실리케이트, 칼슘 스테아레이트, 아연 스테아레이트, 칼슘 프탈레이트, 마그네슘 포스페이트, 칼슘 포스페이트, 아연 화이트, 주석 옥시드, 일산화납, 연단 (red lead), 백연 (white lead), 이염기성 납 프탈레이트, 이염기성 납 카르보네이트, 주석 스테아레이트, 염기성 납 포스페이트, 염기성 납 주석 포스페이트, 염기성 납 술피트 및 삼염기성 납 술페이트를 포한한다. 산 수용체로서의 금속 화합물의 양은 그것의 형태에 따라 변화하나, 정상적으로 가소제를 제외한 조성물 전체에 대해 0.1 내지 30 중량 % 이다.
본 발명에 사용되는 전해질 염 화합물은 바람직하게 폴리에테르 공중합체 또는 그 공중합체의 가교 물질, 및 가소제를 함유하는 혼합물에 대해 가용성을 가진다. 본 발명에서, 하기 염 화합물들이 바람직하게 사용된다.
즉, 그것들의 예는 금속 양이온, 암모늄 이온, 아미디늄 이온 및 구아니듐 이온으로부터 선택된 양이온, 및 염소 이온, 브롬 이온, 요오드 이온, 퍼클로레이트 이온, 티오시아네이트 이온, 테트라플루오로보레이트 이온, 니트레이트 이온, AsF6 -, PF6 -, 스테아릴술포네이트 이온, 옥틸술포네이트 이온, 도데실벤젠술포네이트 이온, 나프탈렌술포네이트 이온, 도데실나프탈렌술포네이트 이온, 7,7,8,8-테트라시아노-p-퀴노디메탄 이온, X1SO3 -, (X1SO2)(X2SO2)N-, (X1SO2)(X2SO2)(X3SO2)C-, 및 (X1SO2)(X2SO2)YC-(식 중에서, X1, X2, X3및 Y 는 각기 전자 친화성기임) 로부터 선택된 음이온으로 함유하는 화합물을 포함한다. 바람직하게도, X1, X2및 X3는 독립적으로 탄소수 1 내지 6 의 퍼플루오로아릴기 또는 퍼플루오로알킬기를 나타내고, Y 는 니트로기, 니트로소기, 카르보닐기, 카르복실기 또는 시아노기를 나타낸다. X1, X2및 X3는 동일하거나 상이할 수 있다. 금속 양이온으로서, 전이 금속의 양이온을 사용할 수 있다. 바람직하게도, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 및 Ag 금속들로부터 선택된 한 금속의 양이온을 사용한다. Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca 및 Ba 금속들로부터 선택된 한 금속의 양이온을 사용할 경우, 양호한 결과가 수득된다. 상기 두 가지 이상의 화합물을 전해질 염 화합물로서 사용할 수 있다.
가소제는 아프로틱 유기 용매, 또는 수평균 분자량이 200 내지 5,000 인 직쇄 또는 측쇄 폴리알킬렌 글리콜의 유도체 또는 금속염, 또는 그 유도체의 금속 염이다.
아프로틱 유기 용매로서, 아프로틱 에테르 및 에스테르가 바람직하다. 특정예는 프로필렌 카르보네이트, γ-부티로락톤, 부틸렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 에틸메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디메톡시프로판, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 4,4-메틸-1,3-디옥솔란, tert-부틸 에테르, 이소-부틸에테르, 1,2-에톡시메톡시에탄, 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 에틸렌 글라임, 에틸렌 디글라임, 메틸 테트라글라임, 메틸 트리글라임, 메틸 디글라임, 메틸 포르메이트, 메틸 아세테이트 및 메틸 프로피오네이트를 포함한다. 그것들의 두 개 이상 혼합물을 사용할 수 있다. 특히, 프로필렌 카르보네이트, γ-부티로락톤, 부틸렌 카르보네이트 및 3-메틸-2-옥사졸리돈이 바람직하다. 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 및 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르도 또한 특별히 바람직한 유기 용매이다.
측쇄 또는 직쇄 폴리알킬렌 글리콜의 유도체 또는 금속염, 또는 그 유도체의 금속염을 수평균 분자량이 200 내지 5,000 인 폴리알킬렌 글리콜로부터 수득할 수 있다. 폴리알킬렌 글리콜의 예는 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리프로필렌 글리콜을 포함한다. 그것의 유도체의 예는 탄소수 1 내지 8 의 알킬기 또는 탄소수 3 내지 8 의 알케닐기를 함유하는 에스테르 유도체 또는 에테르 유도체를 포함한다.
그 유도체들 중에서, 에테르 유도체의 예는 폴리알킬렌 글리콜의 디에테르, 예컨대, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르 및 디알릴 에테르를 포함하고, 에스테르 유도체의 예는 폴리알킬렌 글리콜의 디에스테르, 예컨대 디메트아크릴레이트 에스테르, 디아세테이트 에스테르 및 디아크릴레이트 에스테르를 포함한다.
그 유도체의 금속 염의 예는 폴리알킬렌 글리콜의 모노에테르의 나트륨, 리튬 및 디알킬알루미늄 염, 예컨대 모노메틸 에테르, 모노에틸 에테르 및 모노프로필 에테르, 모노부틸 에테르, 모노헥실 에테르, 모노-2-에틸-헥실 에테르 및 모노 알릴 에테르 ; 및 폴리알킬렌 글리콜의 모노노에스테르, 예컨대 모노아세테이트 에스테르, 모노아크릴레이트에스테르 및 모노메트아크릴레이트 에스테르를 포함한다.
금속 염의 예는 폴리알킬렌 글리콜의 나트륨, 리튬 및 디알킬 알루미늄 염을 포함한다.
사용되는 폴리알킬렌 글리콜의 수평균 분자량은 더욱 바람직하게 200 내지 2,000 의 범위 내이다.
본 발명에 있어서, 전해질 염 화합물의 양은 옥시에틸렌 단위의 총 몰수 (폴리에테르 공중합체의 주쇄 및 측쇄를 포함한 옥시에틸렌 단위의 총 몰수) 에 대한 전해질 염 화합물의 몰수인 몰비값이 바람직하게 0.0001 내지 5, 더욱 바람직하게는 0.001 내지 0.5 의 범위 내가 되도록 하는 것이다. 이 값이 5를 초과할 경우, 수득된 고체 전해질의 가공성, 성형성, 기계적 강도 및 굴곡성이 열화된다. 또한, 이온 전도성도 열화된다.
가소제의 양은 임의적으로 선택되나, 바람직하게 폴리에테르 공중합체의 100 중량부에 대해, 1 내지 2,000 중량부, 예컨대 10 내지 1,000 중량부, 특히 10 내지 500 중량부의 범위 내이다.
고분자 고체 전해질을 사용할 경우, 난연제가 필요하며, 난연제를 사용할 수 있다. 효과량의 할라이드 (예 : 브롬화 에폭시 화합물, 테트라브로모비스페놀 A 및 염소화 파라핀), 안티몬 트리옥시드, 안티몬 펜타옥시드, 알루미늄 히드록시드, 마그네슘 히드록시드, 포스페이트 에스테르, 폴리포스페이트 염 및 아연 보레이트로부터 선택되는 것들을 첨가한다.
본 발명의 고분자 고체 전해질의 제조 방법은 특별히 제한적이지 않으며, 통상적으로 각 성분들을 기계적으로 혼합할 수 있다. 가교를 필요로 하는 다중 성분(multicomponent) 공중합체의 경우, 각 성분을 기계적으로 혼합한 후, 가교하는 방법으로 제조할 수 있다. 대안적으로는, 가교 후, 가교 공중합체를 장시간 동안 가소제 내에 침액시킴으로써 침지할 수 있다. 기계적 혼합 수단으로서, 각종 니이더, 오픈 롤, 압출기 등을 임의적으로 사용할 수 있다.
반응성 관능기가 반응성 규소기인 경우, 가교 반응이 대기 중 수분의 존재 하에서도 일어나므로, 교 반응에 사용되는 물의 양은 특별히 한정되지 않는다. 가교는 또한 단시간 동안 냉수 또는 고온수 중탕에 통과시키거나, 스팀 대기에 노출시킴으로써도 수행될 수 있다.
반응 관능기가 에폭시기 함유인 공중합체의 경우, 폴리아민 또는 산 무수물을 사용할 때, 가교 반응이 10 분 내지 20 시간 내에 10 내지 200 ℃ 의 온도에서 완료된다. 반응 관능기가 에틸렌성 불포화기인 경우, 라디칼 개시제를 사용할 때, 가교 반응이 1 분 내지 20 시간 내에 10 내지 200 ℃ 의 온도에서 수행된다. 자외선과 같은 에너지 광선을 사용할 때, 증감제를 정상적으로 사용한다. 가교 반응은 일반적으로 0.1 초 내지 1 시간 내에 10 내지 150 ℃ 의 온도에서 완료된다. 수산화규소를 갖는 가교제의 경우, 가교 반응이 10 분 내지 10 시간 내에 10 내지 180 ℃ 의 온도에서 완료된다.
폴리에테르 화합물과 함께 전해질 염 화합물 및 가소제를 혼합하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 그 예는 폴리에테르 공중합체를 전해질 염 화합물 및 가소제를 함유하는 유기 용매를 장시간 동안 침액시키는 방법, 전폴리에테르 공중합체와 함께 전해질 염 화합물 및 가소제를 기계적으로 혼합하는 방법, 가소제 내에 전해질 염 화합물 및 폴리에테르 공중합체를 용해시켜 혼합하는 방법, 및 폴리에테르 공중합체를 일단 다른 유기 용매에 용해시키고, 그 수득된 용액을 가소제와 혼합하는 방법을 포함한다. 유기 용매를 사용할 경우, 각종 극성 용매, 예컨대 테트라히드로푸란, 아세톤, 아세토니트릴, 디메틸포름아미드, 디메틸 술폭시드, 디옥산, 메틸 에틸 케톤 및 메틸 이소부틸 케톤을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 고분자 고체 전해질은 기계적 강도 및 굴곡성이 우수하여, 그 성질을 이용하여 큰 면적의 박막 고체 전해질을 용이하게 수득할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 고분자 전해질을 이용하여 배터리를 만들 수 있다. 이 경우, 양전극 물질의 예는 리튬-망간 이중 옥시드, 리튬 코발테이트, 바나듐 펜타옥시드, 폴리아센, 폴리피렌, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 술피드, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리피롤, 폴리푸란 및 폴리아줄렌을 포함한다. 음전극 물질의 예는 흑연 또는 탄소층, 리튬 금속 및 리튬-납 합금 사이에 리튬을 교합함으로써 제조되는 중간층 화합물을 포함한다. 가교 고분자 고체 전해질은 또한 이온 전도성이 높은 이점이 있는, 알칼리성 금속 이온, Cu 이온, Ca 이온 및 Mg 이온과 같은 양이온의 이온 전극의 다이어그램으로서 사용할 수 있다. 본 발명의 고분자 고체 전해질은 전기 화학 장치 (예 : 배터리, 축전기 및 센서) 용 재료로서 적합하다.
본 발명은 다음 실시예로써 더욱 상세하게 설명된다.
실시예 및 비교예의 결과가 표 1 내지 표 5 에 나와 있다. 유리 전이 온도 및 용융 열울 Rigaku Denki 사 제조의 시차 주사 열량계 DSC 8230B를 이용하여, 10 ℃/분의 가열 속도로, -100 내지 80 ℃ 의 온도 범위 내에서 질소 대기 중에 측정한다. 다음과 같이 전도도 σ 를 측정한다. 즉, 20 ℃ 에서의 겔 상 필름을 백금 전극 간에 끼우고, 콤플렉스 임피던스 법(complex impedance method)에 따라, A.C. 법(전압 : 0.5 V, 주파수 : 5 Hz 내지 1 MHz) 을 이용하여 전도성을 구한다.
공중합체의 조성 (단량체 측면에서) 은1H NMR 스펙트럼으로 결정한다. 공중합체의 분자량 측정의 경우, 겔 투과 크로마토그래피 측정을 수행하고, 분자량을 표준 폴리스티렌 측면에서 계산한다. 칼럼 (Showa Denko 사 제조), 예컨대 Showdex KD-807, KD-806, KD-806M 및 KD-803, 및 용매 DMF를 이용하여, Shimadzu Corp. 제조의 측정 장치 RID-6A 로써, 겔 투과 크로마토그래피를 60 ℃에서 수행한다.
(제조예) (촉매의 제조)
트리부틸주석 클로라이드 (10 g) 및 트리부틸 포스페이트 (35 g)을 교반기, 온도기 및 증류 장치가 장착된 삼목 플라스크에 충진하고, 그 혼합물을 질소의 흐름 하에 250 ℃에서 20 분간 교반 가열하고, 증류물을 증류 제거하여, 고체 축합물을 수득한다. 이 오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물을 중합 촉매로서 사용한다.
(실시예 1)
4목 유리 플라스크 (내부 체적 : 3 리터) 내의 공기를 질소로 대체한 후, 촉매로서의 오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 (1 g), 물 함량을 10 ppm 이하로 맞춘 디에틸렌 글리콜 메틸 에테르 (42 g), 및 용매로서의 n-헥산 (1,000 g) 을 플라스크에 채우고, 기체 크로마토그래피를 이용하여 디에틸렌 글리콜 글리시딜 메틸 에테르의 중합도를 주시하면서 에틸렌 옥시드 (200 g)을 점점 가한다. 메탄올을 이용하여 중합 반응을 종료한다. 고분자를 데칸테이션으로 단리하여, 24 시간 동안 정상압 하에 40 ℃에서 건조시킨 후, 10 시간 동안 감압 하에 45 ℃에서 건조시켜, 200 g 의 고분자를 수득한다. 이 공중합체의 유리 전이 온도는 -61 ℃ 이고, 겔 투과 크로마토그래피로 측정한 수평균 분자량은 1,100,000 이며, 용융열은 0 J/g 이다.1H NMR 스펙트럼에 의한 그 고분자의 조성 분석 (단량체의 측면에서) 결과가 표 1 의 실시예 1 에 나와 있다. 수득된 폴리에테르 공중합체 (1 g)을 리튬 퍼클로레이트의 프로필렌 카르보네이트 용액 (1.5 ml) 와 혼합하여, 공중합체 내의 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.05 가 되도록한다. 이 혼합액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 100 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다.
(실시예 2)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 1 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g)을 테트라히드로푸란 (20 ml) 에 용해시키고, 수득된 용액을 리튬 퍼클로레이트 (5 ml) 의 테트라히드로푸란 용액과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 수의 몰비가 0.05 가 되도록 한다. 이 혼합액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다. 이 필름을 14 시간 동안 프로필렌 카르보네이트 액체에 침액시키고, 0.5 ml 의 액체가 스며들게 한 후, 100 ℃에서 24 시간 동안 방치하여, 겔 상 전해질 필름을 수득한다.
(실시예 3)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 1 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g)을 리튬 퍼클로레이트의 프로필렌 카르보네이트 용액 (0.7 ml) 와 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 수의 몰비가 0.05 가 되도록 한다. 이 혼합액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 겔 상 필름을 수득한다.
(실시예 4)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 1 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g)을 테트라히드로푸란 (20 ml) 애 용해시켜, 수득된 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 테트라히드로푸란을 제거하고, 필름을 수득한다. 이 필름을 리튬 퍼클로레이트의 γ-부티로락톤 용액에 침액시키고, 2 ml 의 전해질 염 용액이 스며들게 하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 수의 몰비가 0.05 가 되도록 함으로써, 겔 상 필름을 수득한다.
(실시예 5 및 실시예 6)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 1 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 에 리튬 비스트리플루오로메탄 술포닐이미드의 프로필렌 카르보네이트 용액 (0.6 ml)를 첨가하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 수의 몰비가 0.05 가 되도록 한다. 수득된 용액에 물을 반응성 규소기 함유 성분에 대해 동몰 량으로 첨가한다. 이 혼합된 겔을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 겔 상 필름을 수득한다.
(실시예 7 및 실시예 8)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 1 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 및 디에틸트리아민 (가교제) (50 mg) 을 실시예 7 에서는 리튬 퍼클로레이트의 γ-부티로락톤 용액 (0.5 ml) 과, 또는 실시예 8 에서서는 리튬 퍼클로레이트의 테르라에틸렌 글리콜 디메틸에테르 용액 (0.5 ml) 와 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 수의 몰비가 0.05 가 되도록 한다. 이 혼합된 겔을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 겔 상 필름을 수득한다.
(비교예 1)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 1 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 수의 몰비가 0.005 가 되도록 한다. 이 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시켜 충분히 테트라히드로푸란을 제거하며, 가압 성형하여, 필름을 수득한다.
(비교예 2)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 2 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체를 사용하는 것을 제외하고, 비교예 1 과 동일한 조작을 수행하나, 필름이 수득되지 않는다.
(비교예 3)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 2 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g) 을 테트라히드로푸란 (20 ml) 에 용해시키고, 수득된 용액을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 수의 몰비가 0.05 가 되도록 한다. 이 혼합액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시켜 테트라히드로푸란을 충분히 제거하며, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다.
(비교예 4)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 2 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (실시예 3 에서와 동일한 공중합체) (1 g) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g) 을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액 (5 ml) 과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 수의 몰비가 0.05 가 되도록 한다. 이 혼합액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시켜 테트라히드로푸란을 충분히 제거하며, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열하여, 필름을 수득한다.
(비교예 5)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 2 에 나와 있는 폴리에테르 고분자를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 3 에 기재된 바와 동일한 방법으로, 겔 상 필름을 수득한다.
(실시예 9)
전해질로서는 실시예 3 에서 수득된 겔 상 고분자 고체 전해질을, 음전극 으로서는 리튬 금속 호일을, 또한 양전극으로서는 리튬 코발레이트 (LiCoO2)를 사용하여, 2차 배터리를 제조한다. 겔 상 고분자 고체 전해질의 크기는 10 mm x 10 mm x 1 mm 이다. 리튬 호일의 크기는 10 mm x 10 mm x 0.1 mm 이다. 소정량의 리튬 코발레이트 및 코발트 카르보네이트 분말을 혼합하고, 그 혼합물을 900 ℃에서 5 시간 동안 하소함으로써 리튬 코발레이트를 제조한다. 하소된 혼합물을 분쇄한 후, 실시예 3에서 수득된 3 중량부의 가교 고분자 고체 전해질 및 12 중량부의 아세틸렌 블랙을 85 중량부의 수득된 리튬 코발레이트에 첨가한 후, 롤을 이용하여 혼합하고, 이에 더 300 KgW/cm2의 압력 하에서 가압 성형하여, 10 mm x 10 mm x 2 mm 의 크기를 갖는 양전극을 형성한다.
실시예 3에서 수득된 겔 상 고분자 고체 전해질을 리튬 금속 호일과 리튬 코발레이트 판 사이에 끼워 넣고, 수득된 배터리의 충전/방전 특성을 10 KgW/cm2의 압력을 적용하면서 조사하여, 인터페이스가 서로 접하도록 한다. 3.2 V 의 초기 말단 전압에서의 방전 전류가 0.5 mA/cm2이고, 충전은 0.4 mA/cm2에서 수행한다. 본 실시예에서 배터리의 두께를 감소시킬 수 있으므로, 가볍고 큰 용량을 갖는 배터리를 수득할 수 있다.
(실시예 10)
4목 유리 플라스크 (내부 체적 : 3 리터) 내의 공기를 질소로 대체한 후, 촉매로서의 오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 (1 g), 물 함량을 10 ppm 이하로 맞춘 디에틸렌 글리콜 메틸 에테르 (42 g), 및 용매로서의 n-헥산 (1,000 g) 을 플라스크에 채우고, 기체 크로마토그래피를 이용하여 디에틸렌 글리콜 글리시딜 메틸 에테르의 중합도를 주시하면서 에틸렌 옥시드 (200 g)을 점점 가한다. 메탄올을 이용하여 중합 반응을 종료한다. 고분자를 데칸테이션으로 단리하여, 24 시간 동안 정상압 하에 40 ℃에서 건조시킨 후, 10 시간 동안 감압 하에 45 ℃에서 건조시켜, 200 g 의 고분자를 수득한다. 이 공중합체의 유리 전이 온도는 -61 ℃ 이고, 겔 투과 크로마토그래피로 수득된 수평균 분자량은 1,100,000 이며, 용융열은 0 J/g 이다.1H NMR 스펙트럼에 의한 그 고분자의 조성 분석 (단량체의 측면에서) 결과가 표 3 의 실시예 10 에 나와 있는 바와 같다. 수득된 폴리에테르 공중합체 (1 g) 및 폴리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르 (폴리알킬렌 글리콜로서 수평균 분자량 (하기 실시예들 및 비교예들과 동일 Mn : 500) (0.4 g)을 테트라히드로푸란 (20 ml) 에 용해시키고, 수득된 용액을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.05 가 되도록한다. 이 혼합액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시켜 (이 공정에서 테트라히드로푸란을 제거함), 100 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 전해질 필름을 수득한다.
(실시예 11)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 3 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g), 폴리에틸렌 글리콜 디메트아크릴레이트 에스테르 (Mn : 1,000) (0.3 g) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g)을 테트라히드로푸란 (20 ml) 에 용해시키고, 수득된 용액을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액 (5 ml) 과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.05 가 되도록한다. 이 혼합 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시키며, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다.
(실시예 12)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 3 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g), 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (Mn : 1,000) (0.3 g) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g) 을 테트라히드로푸란 (20 ml) 에 용해시키고, 수득된 용액을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액 (5 ml) 과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.05 가 되도록한다. 이 혼합 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시키며, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다.
(실시예 13)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 3 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g), 폴리에틸렌 글리콜의 리튬 염 (수평균 분자량이 400 인 폴리에틸렌 글리콜에 2 배 몰량의 금속 리튬을 첨가한 후, 3 일간 실온에 방치하여 제조됨) (0.2 g) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g) 을 테트라히드로푸란 (20 ml) 에 용해시키고, 수득된 용액을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액 (5 ml) 과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.05 가 되도록한다. 이 혼합 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시키며, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다.
(실시예 14 및 실시예 15)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 3 에 나와 있는 각 폴리에테르 공중합체 (1 g), 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르의 나트륨 염 (수평균 분자량이 500 인 폴리에틸렌 글리콜에 동몰량의 금속 나트륨을 첨가한 후, 3 일간 실온에 방치하여 제조됨) (0.2 g) 을 리튬 비스트리플루오로메탄술포닐이미드의 테트라히드로푸란 용액 (20 ml) 에 첨가하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.05 가 되도록한다. 이 혼합 용액에 반응성 규소기 함유 성분을 기초로 하는 동몰량을 첨가한 후, 혼합한다. 이 혼합 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시키며, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다.
(실시예 16 및 실시예 17)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 3 에 나와 있는 각 폴리에테르 공중합체 (1 g), 디에틸렌트리아민 (50 mg) (가교제) 및 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 (10 ml)을 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.05 가 되도록한다. 실시예 16에서, 수득된 용액을 폴리에틸렌 글리콜 디메틸에테르 (Mn : 600) (0.2 g) 과 혼합한다. 실시예 17에서, 수득된 용액을 폴리에틸렌 글리콜의 디옥틸 알루미늄 염 (수평균 분자량이 400 인 폴리에틸렌 글리콜에 두배 몰량의 트리옥틸 알루미늄을 첨가하여 제조됨) (0.2 g) 과 혼합한다. 이 혼합된 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시키며, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 각기 필름을 수득한다.
(비교예 6)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 4 에 나와 있는 폴리에틸렌 옥시드 (1 g)을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.005 가 되도록한다. 또한, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (Mn : 1,000) (0.2 g)을 테트라히드로푸란 (20 ml) 에 용해시켜, 이 용액을 첨가한다. 이 혼합된 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형한 후, 가압 성형하여, 필름을 수득한다.
(비교예 7)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 4 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 을 사용하는 것을 제외하고, 비교예 6 에서와 동일한 조작을 수행하나, 필름이 수득되지 않는다.
(비교예 8)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 4 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g)을 테트라히드로푸란 (20 ml) 에 용해시키고, 수득된 용액을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.05 가 되도록한다. 또한, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (Mn : 1,000) (0.2 g)을 테트라히드로푸란 (20 ml) 에 용해시켜, 이 용액을 첨가한다. 이 혼합된 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시켜 테트라히드로푸란을 충분히 제거하며, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다.
(비교예 9)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 4 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) (실시예 12 와 동일한 공중합체) 및 디쿠밀 퍼옥시드 (가교제) (0.015 g)을 리튬 퍼클로레이트의 테트라히드로푸란 용액 (5 ml) 과 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.05 가 되도록한다. 이 혼합된 용액을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시켜, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다.
(비교예 10)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 이용하여 중합한 표 4 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체를 이용하는 것을 제외하고, 실시예 12에 기재된 바와 동일한 방법으로, 필름을 수득한다.
(실시예 18 내지 20)
오르가노틴-포스페이트 에스테르 축합물 촉매를 사용하여 중합한 표 5 에 나와 있는 폴리에테르 공중합체 (1 g) 및 리튬 퍼클로레이트의 아세토니트릴 용액 (15 ml)를 혼합하여, 에틸렌 옥시드 단위의 총 몰수에 대한 가용성 전해질 염 화합물의 몰수의 몰비가 0.1 이 되도록한다. 실시예 18 에서는, 수득된 용액을 화학식 10 으로 표시되는 측쇄 에틸렌 글리콜 유도체 (0.3 g) 와 혼합하여, 혼합 용액을 제조한다. 실시예 19 에서는, 수득된 용액을 화학식 11 로 표시되는 측쇄 에틸렌 글리콜 유도체 (0.3 g) 와 혼합하여, 혼합 용액을 제조한다. 실시예 20 에서는, 수득된 용액을 화학식 12 로 표시되는 측쇄 에틸렌 글리콜 유도체 (0.3 g) 와 혼합하여, 혼합액을 제조한다. 이 혼합 용액들을 각기 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 몰드에 주형하고, 건조시켜, 160 ℃ 및 20 KgW/cm2에서 10 분간 가열, 가압하여, 필름을 수득한다. 필름들의 특성이 표 5 에 나와 있다.
(실시예 21)
전해질로서는 실시예 12 에서 수득된 고분자 고체 전해질을, 음전극으로서는 리튬 금속 호일을, 또한 양전극으로서는 리튬 코발레이트 (LiCoO2)를 이용하여, 2 차 배터리를 제조한다. 고분자 고체 전해질의 크기는 10 mm x 10 mm x 1 mm 이다. 리튬 호일의 크기는 10 mm x 10 mm x 0.1 mm 이다. 소정량의 리튬 카르보네이트 및 코발트 카르보네이트 분말을 혼합하고, 그 혼합물을 900 ℃에서 5 시간 동안 하소함으로써 리튬 코발레이트를 제조한다. 하소된 혼합물을 분쇄한 후, 실시예 12 에서 수득된 3 중량부의 가교 고분자 고체 전해질 및 12 중량부의 아세틸렌 블랙을 85 중량부의 수득된 리튬 코발레이트에 첨가한 후, 롤을 이용하여 혼합하고, 이에 더 300 KgW/cm2의 압력 하에서 가압 성형하여, 10 mm x 10 mm x 2 mm 의 크기를 갖는 양전극을 형성한다.
실시예 12 에서 수득된 고분자 고체 전해질을 리튬 금속 호일과 리튬 코발레이트 판 사이에 끼워 넣고, 수득된 배터리의 충전/방전 특성을 10 KgW/cm2의 압력을 적용하면서 조사하여, 인터페이스가 서로 접하도록 한다. 3.2 V 의 초기 말단 전압에서의 방전 전류가 0.5 mA/cm2이고, 충전은 0.4 mA/cm2에서 수행될 수 있다. 본 실시예에서 배터리의 두께를 감소시킬 수 있으므로, 가볍고 큰 용량을 갖는 배터리를 수득할 수 있다.
[발명의 효과]
본 발명의 고분자 고체 전해질은 가공성, 성형성, 기계적 강도, 굴곡성, 내열성 등에 있어서 우수하고, 이온 전도성이 매우 향상된다. 따라서 그것을 고체 배터리 (특히, 2 차 배터리)를 비롯하여 큰 용량의 콘덴서 및 표시 장치 (예 : 전기변색 표지) 와 같은 전기 장치에 적용할 수 있다.

Claims (34)

  1. 하기로 이루어진 고분자 고체 전해질 :
    (1) 수평균 분자량이 10,000 내지 2,000,000 이고, 다음을 함유하는 임의 가교 폴리에테르 공중합체 :
    (A) 하기 화학식 I 로 표시되는 단량체로부터 유도된 1 내지 99 몰 % 의 반복 단위 :
    [화학식 I]
    [식 중에서, R1은 탄소수 1 내지 12 의 알킬기, 탄소수 2 내지 8 의 알케닐기, 탄소수 3 내지 8 의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 14 의 아릴기, 탄소수 7 내지 12 의 아르알킬기 및 테트라히드로피라닐기로부터 선택된 기이고 ; n 은 1 내지 12 의 수이다].
    (B) 하기 화학식 II 로 표시되는 단량체로부터 유도된 99 내지 1 몰 % 의 반복 단위 :
    [화학식 II]
    ; 및
    (C) 하나의 에폭시기 및 하나 이상의 반응 관능기를 갖는 단량체로부터 유도된 0 내지 15 몰 % 의 반복 단위 ;
    (2) 전해질 염 화합물 ; 및
    (3) 아프로틱 유기 용매, 수평균 분자량이 200 내지 5,000 인 직쇄나 측쇄 폴리알킬렌 글리콜의 유도체 또는 금속염 또는 그 유도체의 금속염으로 이루어진 군으로부터 선택된 가소제.
  2. 제 1 항에 있어서, 시차 주사 열량계 (DSC) 로 측정되는 폴리에테르 공중합체의 유리 전이 온도 및 용융열이 각기 -10 ℃ 이하 및 90 J/g 이하인 고분자 고체 전해질.
  3. 제 1 항에 있어서, 구성 단위 (C) 의 반응 관능기가 (a) 반응성 규소기, (b) 에폭시기, (c) 에틸렌성 불포화기 또는 (d) 할로겐 원자인 고분자 고체 전해질.
  4. 제 1 항에 있어서, 반응 단위 (C) 가 하기 화학식 III-1 또는 III-2 의 단량체로부터 유도되는 고분자 고체 전해질 :
    [화학식 III-1]
    [화학식 III-2]
    [식 중에서, R2및 R3은 반응성 관능기를 함유하는 기를 나타낸다].
  5. 제 1 항에 있어서, 반복 단위 (C)를 구성하는, 반응성 규소기 함유의 단량체가 화학식 III-a-1-1, III-a-1-2 또는 III-a-2-1 로 표시되는 고분자 고체 전해질 :
    [화학식 III-a-1-2]
    [화학식 III-a-2-1]
    [식 중에서, R4, R5및 R6가 동일하거나 상이할 수 있고, 그것들 중 하나 이상이 알콕시기를 나타내고, 나머지는 알킬기를 나타내며 ; m 은 1 내지 6 을 나타낸다].
  6. 제 1 항에 있어서, 반응 단위 (C)를 구성하는, 반응성 규소기를 갖는 단량체가 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 4-(1,2-에폭시)부틸트리메톡시실란, 5-(1,2-에폭시)펜틸트리메톡시실란 또는 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란인 고분자 고체 전해질.
  7. 제 1 항에 있어서, 반복 단위 (C)를 구성하는, 2 개의 에폭시기를 갖는 단량체가 화학식 III-b 로 표시되는 고분자 고체 전해질 :
    [화학식 III-b]
    [식 중에서, R7은 2가 유기기이다].
  8. 제 7 항에 있어서, 화학식 III-b 중의 R7이 -CH2-O-(CHA1-CHA2-O)m-CH2-, -(CH2)m-, 또는 -CH2O-Ph-OCH2- 인 고분자 고체 전해질 (식 중에서, A1및 A2는 수소 또는 메틸기를 나타내고 ; Ph 는 페닐렌기를 나타내며 ; m 은 0 내지 12 의 수이다).
  9. 제 1 항에 있어서, 반복 단위 (C)를 구성하는, 2 개의 에폭시기를 갖는 단량체가 2,3-에폭시프로필-2',3'-에폭시-2'-메틸 프로필 에테르 또는 에틸렌 글리콜-2,3-에폭시프로필-2',3'-에폭시-2'-메틸 프로필 에테르인 고분자 고체 전해질.
  10. 제 1 항에 있어서, 반복 단위 (C)를 구성하는, 에틸렌성 불포화기를 갖는 단량체가 화학식 III-c 로 표시되는 고분자 고체 전해질 :
    [화학식 III-c]
    [식 중에서, R8이 에틸렌성 불포화기를 갖는 기이다].
  11. 제 1 항에 있어서, 반복 단위 (C)를 구성하는, 에틸렌성 불포화기를 갖는 단량체가 알릴 글리시딜 에테르, 4-비닐시클로헥실 글리시딜 에테르, α-터피닐 글리시딜 에테르, 시클로헥세닐메틸 글리시딜 에테르, p-비닐벤질 글리시딜 에테르, 알릴페닐 글리시딜 에테르, 비닐 글리시딜 에테르, 3,4-에폭시-l-부텐, 3,4-에폭시-l-펜텐, 4,5-에폭시-2-펜텐, 1,2-에폭시-5,9-시클로도데카디엔, 3,4-에폭시-l-비닐시클로헥센, 1,2-에폭시-5-시클로옥텐, 글리시딜 아크릴레이트, 글리시딜 메트아크릴레이트, 글리시딜 소르베이트, 글리시딜 신나메이트, 글리시딜 크로토네이트, 글리시딜-4-헥세노에이트, 1 내지 12 개의 옥시에틸렌 사슬을 가진 올리고에틸렌 글리콜 글리시딜 에테르 아크릴레이트, 1 내지 12 개의 옥시에틸렌 사슬을 가진 올리고에틸렌 글리콜 글리시딜 에테르 메트아크릴레이트, 1 내지 12 개의 옥시에틸렌 사슬을 가진 올리고에틸렌 글리콜 알릴 글리시딜 에테르 또는,
    (n=l - 12) 인 고분자 고체 전해질.
  12. 제 1 항에 있어서, 반복 단위 (C)를 구성하는, 할로겐 원자를 갖는 단량체가 화학식 III-d 로 표시되는 고분자 고체 전해질 :
    [화학식 III-d]
    [식 중에서, R9가 하나 이상의 할로겐 원자를 갖는 기이다].
  13. 제 1 항에서 있어서, 할로겐 원자를 갖는 단량체가
    [식 중에서, X 가 브롬 원자 (Br) 또는 요오드 원자 (I) 이다].
    인 고분자 고체 전해질.
  14. 제 1 항에 있어서, 폴리에테르 공중합체가 3 내지 99 몰 % 의 반복 단위 (A), 95 내지 1 몰 % 의 반복 단위 (B) 및 0 내지 5 몰 % 의 반복 단위 (C)를 함유하는 고분자 고체 전해질.
  15. 제 1 항에 있어서, 전해질 염 화합물이 금속 양이온, 암모늄 이온, 아미디늄 이온 및 구아니듐 이온으로부터 선택된 양이온, 및 염소 이온, 브롬 이온, 요오드 이온, 퍼클로레이트 이온, 티오시아네이트 이온, 테트라플루오로보레이트 이온, 니트레이트 이온, AsF6 -, PF6 -, 스테아릴술포네이트 이온, 옥틸술포네이트 이온, 도데실벤젠술포네이트 이온, 나프탈렌술포네이트 이온, 도데실나프탈렌술포네이트 이온, 7,7,8,8-테트라시아노-p-퀴노디메탄 이온, X1SO3 -, (X1SO2)(X2SO2)N-, (X1SO2)(X2SO2)(X3SO2)C-, 및 (X1SO2)(X2SO2)YC-(식 중에서, X1, X2, X3및 Y 는 각기 전자 친화성기임) 로부터 선택된 음이온으로 이루어진 화합물인 고분자 고체 전해질.
  16. 제 15 항에 있어서, X1, X2및 X3가 독립적으로 탄소수 1 내지 6 의 퍼플루오로알킬, 또는 퍼플루오로아릴기를 나타내고, Y 가 니트로기, 니트로소기, 카르보닐기, 카르복실기 또는 시아노기를 나타내는 고분자 고체 전해질.
  17. 제 15 항에 있어서, 금속 양이온이 Li, Na, K, Rb, Cs, Mg-, Ca 및 Ba 금속으로부터 선택된 금속의 양이온인 고분자 고체 전해질.
  18. 제 15 항에 있어서, 금속 양이온이 전이 금속의 양이온인 고분자 고체 전해질.
  19. 제 15 항에 있어서, 금속 양이온이 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 및 Ag 금속으로부터 선택된 금속의 양이온인 고분자 고체 전해질.
  20. 제 1 항에 있어서, 폴리에테르 공중합체에 대한 전해질 염 화합물의 배합비가 공중합체 내의 옥시에틸렌 단위의 총 몰수에 대한 전해질 염 화합물의 몰 수의 몰비값이 0.0001 내지 5 가 되도록 하는 비인 고분자 고체 전해질.
  21. 제 1 항에 있어서, 아프로틱 유기 용매가 에테르 또는 에스테르로부터 선택된 아프로틱 유기 용매인 고분자 고체 전해질.
  22. 제 1 항에 있어서, 아프로틱 유기 용매가 프로필렌 카르보네이트, γ-부티로락톤, 부틸렌 카르보네이트 및 3-메틸-2-옥사졸리돈으로부터 선택된 유기 용매인 고분자 고체 전해질.
  23. 제 1 항에 있어서, 아프로틱 유기 용매가 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 및 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르로부터 선택된 유기 용매인 고분자 고체 전해질.
  24. 제 1 항에 있어서, 폴리알킬렌 글리콜의 수 평균 분자량이 200 내지 2000 인 고분자 고체 전해질.
  25. 제 1 항에 있어서, 폴리알킬렌 글리콜이 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리프로필렌 글리콜인 고분자 고체 전해질.
  26. 제 1 항에 있어서, 폴리알킬렌 글리콜의 유도체가 에테르 유도체 또는 에스테르 유도체인 고분자 고체 전해질.
  27. 제 26 항에 있어서, 폴리알킬렌 글리콜의 에테르 유도체가 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르 및 폴리에틸렌 글리콜 디알릴 에테르 중 임의의 하나인 고분자 고체 전해질.
  28. 제 26 항에 있어서, 폴리알킬렌 글리콜의 에스테르 유도체가 폴리에틸렌 글리콜 디메트아크릴레이트 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 에스테르 및 폴리에틸렌 글리콜 아세테이트 에스테르 중 임의의 하나인 고분자 고체 전해질.
  29. 제 1 항에 있어서, 폴리알킬렌 글리콜의 금속 염이 나트륨 염, 리튬 염 및 디알킬알루미늄 염 중 임의의 하나인 고분자 고체 전해질.
  30. 제 1 항에 있어서, 폴리알킬렌 글리콜의 금속염이 폴리에틸렌 글리콜의 리튬 염 및 폴리에틸렌 글리콜의 디알킬알루미늄 염 중 임의의 하나인 고분자 고체 전해질.
  31. 제 1 항에 있어서, 폴리알킬렌 글리콜의 금속 염이 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르의 리튬염, 폴리에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르의 리튬염 및 폴리에틸렌 글리콜 모노알릴 에테르의 리튬염 중 임의의 하나인 고분자 고체 전해질.
  32. 제 1 항에 있어서, 폴리알킬렌 글리콜 유도체의 금속 염이 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르의 디옥틸알루미늄 염, 폴리에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르의 디옥틸알루미늄 염 및 폴리에틸렌 글리콜 모노알릴 에테르의 디옥틸알루미늄 염 중 임의의 하나인 고분자 고체 전해질.
  33. 제 1 항에 있어서, 가소제의 양이 폴리에테르 공중합체 100 중량부에 대해 1 내지 2,000 중량부인 고분자 고체 전해질.
  34. 제 1 항의 고분자 고체 전해질, 양전극 및 음전극으로 이루어진 배터리.
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