KR20250147113A - Method for preparing polymer electrolyte - Google Patents
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Abstract
본원은 용매에 리튬염 및 가교형 고분자 단량체를 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계; 및 기판 상에 상기 전구체 용액을 적하하고 열처리하여 인-시츄(in-situ) 중합하는 단계를 포함하는, 고분자 전해질의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte, comprising the steps of: preparing a precursor solution by adding a lithium salt and a cross-linking polymer monomer to a solvent; and dropping the precursor solution onto a substrate and performing a heat treatment to polymerize in situ.
Description
본원은 인-시츄(in-situ) 양이온 중합을 통한 고분자 전해질의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte through in-situ cationic polymerization.
리튬 이온 배터리는 1990년대에 처음 상용화되었고, 이후 휴대용 기기부터 전기차까지 다양한 분야로 적용 범위가 확대됐다. 리튬 이온 배터리는 가볍고 작으면서도 상당한 에너지 밀도와 효율성을 제공한다는 이점이 있으나, 전해액 누출로 인한 폭발 등의 위험성이 존재한다. Lithium-ion batteries were first commercialized in the 1990s and have since expanded their applications to encompass a wide range of applications, from portable devices to electric vehicles. While lithium-ion batteries offer the advantages of being lightweight and compact yet offering significant energy density and efficiency, they also pose risks, such as explosions caused by electrolyte leakage.
전해질은 리튬 이온 배터리의 가장 중요한 구성 요소 중 하나로, 리튬 이온 운송, 배터리 수명 및 셀 성능에 중요한 역할을 한다. 액체 전해질은 특히 상온(RT) 이온 전도성과 관련하여 우수한 전기화학적 성능을 나타내어 널리 사용되고 있다. 액체 유기 용매는 높은 유전 상수 값, 유동성 및 전극 호환성을 제공할 수 있으나, 열 안정성 저하, 난연성 저하, 전해질 액 누출 등의 문제가 발생할 수 있다. The electrolyte is one of the most crucial components of lithium-ion batteries, playing a crucial role in lithium ion transport, battery life, and cell performance. Liquid electrolytes are widely used due to their excellent electrochemical performance, particularly with regard to room-temperature (RT) ionic conductivity. Liquid organic solvents can offer high dielectric constants, fluidity, and electrode compatibility, but can also suffer from issues such as reduced thermal stability, reduced flame retardancy, and electrolyte leakage.
이러한 액체 전해질의 안전성 문제로 인해 액체 전해질에 비해 우수한 열 안정성을 나타내고, 리튬 덴드라이트(dendrite)의 위험을 완화하기 위한 우수한 기계적 강도를 나타내는 고분자 전해질의 개발이 증가했다. 또한, 고분자 전해질은 고용량 리튬 이온 배터리에 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. Safety concerns regarding these liquid electrolytes have led to increased development of polymer electrolytes, which exhibit superior thermal stability compared to liquid electrolytes and superior mechanical strength to mitigate the risk of lithium dendrites. Furthermore, polymer electrolytes can provide high energy density for high-capacity lithium-ion batteries.
그러나, 상온에서의 낮은 이온 전도성와 전해질과 전극 사이의 상당한 계면 저항으로 인해 고분자 전해질을 리튬 이온 배터리에 실제 적용하기에는 한계가 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 고분자 전해질은 수십 년 동안 광범위하게 연구되어 왔다. However, the practical application of polymer electrolytes in lithium-ion batteries is limited due to their low ionic conductivity at room temperature and significant interfacial resistance between the electrolyte and electrode. To overcome these limitations, polymer electrolytes have been extensively studied for decades.
일반적으로 전고체 고분자 전해질(ASPE)은 고온 및 고압을 통해 전극과 긴밀한 연결을 형성할 수 있어 액체 전해질과 유사한 이온 전도도 값을 얻을 수 있다. 그러나 까다로운 전해질 플레이트 제조 공정으로 인해 생산 규모와 적용도 제한된다. 반면, 이전의 많은 연구에서는 젤 폴리머 전해질(GPE)이 전고체 전해질보다 더 적당한 생산 절차를 가지고 있음에도 불구하고 상대적으로 높은 상온 이온 전도성 및 만족스러운 전극 인터페이스 호환성을 반영할 수 있음을 보여주었다. In general, all-solid-state polymer electrolytes (ASPEs) can form close contact with electrodes at high temperatures and pressures, achieving ionic conductivity values similar to those of liquid electrolytes. However, the demanding electrolyte plate manufacturing process limits their production scale and application. In contrast, many previous studies have demonstrated that gel polymer electrolytes (GPEs) can exhibit relatively high room-temperature ionic conductivity and satisfactory electrode interface compatibility, despite their more affordable production process.
GPE의 제조는 물리적 방법과 화학적 방법으로 나눌 수 있다. 일반적으로 물리적 방법에서는 고분자 매트릭스를 용매에 용해시킨 후 첨가제와 혼합한다. 용매를 증발시킨 후 얻은 건조된 고분자 필름을 액체 전해질 용액에 담가 젤 고분자 전해질을 형성한다. 그러나 온도 상승 및 장기간의 노화 후에는 고분자 매트릭스가 액체 전해질에 용해되거나 변형되어 용액 누출 및 배터리 성능 저하가 발생하게 된다. 또한 준비된 GPE의 열 안정성이 낮기 때문에 이 방법을 실제 적용하는 데 제한이 있다. 화학적 방법으로는 먼저 개시제와 리튬염을 모노머나 액체 전해질에 용해시켜 전구체 전해질 용액을 형성한다. 그런 다음 중합은 가교된 GPE를 얻기 위해 열, 라디칼 또는 전기화학적 개시 방법에 의해 수행된다. 화학적 방법은 전해질 및 전지 조립을 준비하기 위한 에세이 프로세스를 제공하며 "in-situ" 중합이라고도 한다. 획득된 GPE는 높은 열적 및 기계적 안정성, 전극과의 접촉 가능성 및 만족스러운 전기화학적 성능을 제공한다.The manufacturing of GPE can be divided into physical and chemical methods. In general, the physical method involves dissolving the polymer matrix in a solvent and mixing it with additives. After evaporating the solvent, the resulting dried polymer film is immersed in a liquid electrolyte solution to form a gel polymer electrolyte. However, after elevated temperatures and long-term aging, the polymer matrix dissolves or deforms in the liquid electrolyte, resulting in solution leakage and deterioration of battery performance. Furthermore, the low thermal stability of the prepared GPE limits its practical application. In the chemical method, an initiator and lithium salt are first dissolved in a monomer or liquid electrolyte to form a precursor electrolyte solution. Polymerization is then initiated by thermal, radical, or electrochemical methods to obtain a cross-linked GPE. The chemical method provides an assay process for preparing the electrolyte and battery assembly, also known as "in-situ" polymerization. The resulting GPE exhibits high thermal and mechanical stability, good contact with the electrode, and satisfactory electrochemical performance.
한편, 폴리머 매트릭스 측면에서, 에틸렌 옥사이드 구조를 갖는 선형 폴리머는 리튬 이온에 대한 높은 공여체 수와 사슬 유연성으로 인해 광범위하게 연구되었다. 가장 잘 알려진 폴리머 매트릭스인 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO)는 특히 높은 리튬 염 용해도 및 유전 상수와 관련하여 유망한 물리화학적 특성을 가지고 있다. 그러나, PEO의 높은 결정상은 이온 이동성을 제한하여 상온 이온 전도성이 부족하고 전해질 요구 사항을 충족하는 데 한계가 존재한다. Meanwhile, linear polymers with an ethylene oxide structure have been extensively studied in terms of polymer matrix due to their high number of lithium ion donors and chain flexibility. Poly(ethylene oxide) (PEO), the most well-known polymer matrix, exhibits promising physicochemical properties, particularly with regard to high lithium salt solubility and dielectric constant. However, the high crystallinity of PEO restricts ion mobility, resulting in poor room-temperature ionic conductivity and limitations in meeting electrolyte requirements.
따라서, 향상된 이온 전도성 및 안정성을 갖는 고분자 전해질에 관한 연구가 필요한 실정이다.Therefore, research on polymer electrolytes with improved ionic conductivity and stability is needed.
본원의 배경이 되는 기술인 대한민국 등록특허공보 제10-2055265호는 리튬이온 전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 리튬이온 전지에 관한 것이다. The background technology of this application, Korean Patent Publication No. 10-2055265, relates to a polymer electrolyte membrane for a lithium ion battery, a method for manufacturing the same, and a lithium ion battery.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고분자 전해질의 제조 방법을 제공한다.The present invention is intended to solve the problems of the above-mentioned prior art and provides a method for manufacturing a polymer electrolyte.
또한, 상기 제조 방법에 의해 제조된 고분자 전해질을 제공한다.In addition, a polymer electrolyte manufactured by the above manufacturing method is provided.
또한, 상기 고분자 전해질을 포함하는 리튬 이온 배터리를 제공한다.In addition, a lithium ion battery including the polymer electrolyte is provided.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical tasks to be achieved by the embodiments of the present invention are not limited to the technical tasks described above, and other technical tasks may exist.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 용매에 리튬염 및 가교형 고분자 단량체를 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계; 및 기판 상에 상기 전구체 용액을 적하하고 열처리하여 인-시츄(in-situ) 중합하는 단계를 포함하는, 고분자 전해질의 제조 방법을 제공한다.As a technical means for achieving the above-mentioned technical task, the first aspect of the present invention provides a method for producing a polymer electrolyte, comprising the steps of: preparing a precursor solution by adding a lithium salt and a cross-linked polymer monomer to a solvent; and dropping the precursor solution onto a substrate and performing a heat treatment to polymerize in-situ.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 리튬염은 비스(플루오로술포닐)이미드 리튬염(LiFSI)인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the lithium salt may be, but is not limited to, bis(fluorosulfonyl)imide lithium salt (LiFSI).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 인-시츄 중합하는 단계에서 상기 LiFSI가 중합 개시제로 작용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the LiFSI may act as a polymerization initiator in the in-situ polymerization step, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 가교형 고분자 단량체는 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(Trimethylolpropane Triglycidyl Ether)인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the crosslinked polymer monomer may be, but is not limited to, trimethylolpropane triglycidyl ether.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전구체 용액 중 상기 리튬염은 0.1M 내지 3M의 몰 농도로 첨가되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the lithium salt in the precursor solution may be added at a molar concentration of 0.1 M to 3 M, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리는 40℃ 내지 80℃의 온도 범위 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed at a temperature range of 40°C to 80°C, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용매는 고리형 카보네이트 및/또는 선형 카보네이트를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the solvent may include, but is not limited to, a cyclic carbonate and/or a linear carbonate.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고리형 카보네이트는, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the cyclic carbonate may include, but is not limited to, one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, and combinations thereof.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 선형 카보네이트는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트. 디프로필 카보네이트 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the linear carbonate may include, but is not limited to, one selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, and combinations thereof.
또한, 본원의 제 2 측면은 본원의 제 1 측면에 따라 제조된 고분자 전해질을 제공한다.Additionally, the second aspect of the present invention provides a polymer electrolyte manufactured according to the first aspect of the present invention.
또한, 본원의 제 3 측면은 본원의 제 2 측면에 따른 고분자 전해질을 포함하는, 리튬 이온 배터리를 제공한다.In addition, the third aspect of the present invention provides a lithium ion battery including a polymer electrolyte according to the second aspect of the present invention.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다..The above-described problem-solving methods are merely exemplary and should not be construed as limiting the present invention. In addition to the exemplary embodiments described above, additional embodiments may be included in the drawings and detailed description of the invention.
본원에 따른 고분자 전해질의 제조 방법은 종래의 리튬 이온 배터리에서 리튬염으로 사용되던 LiFSI를 중합 개시제로 사용하고, 가교제로 사용되던 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(Trimethylolpropane Triglycidyl Ether)를 고분자 단량체로 사용하여 온화한 조건에서 인-시츄(in-situ) 중합을 통해 제조함으로써, 중합을 위한 개시제 및 가교제를 별도로 첨가하여 사용하였던 종래의 방법에 비해 단순하고 간단한 방법으로 고분자 전해질을 제조할 수 있다.The method for manufacturing a polymer electrolyte according to the present invention uses LiFSI, which was used as a lithium salt in a conventional lithium ion battery, as a polymerization initiator, and trimethylolpropane triglycidyl ether, which was used as a crosslinking agent, as a polymer monomer, and manufactures the polymer electrolyte through in-situ polymerization under mild conditions, thereby enabling the manufacture of a polymer electrolyte in a simpler and simpler manner compared to the conventional method in which an initiator and a crosslinking agent for polymerization were added separately.
또한, 본원에 따른 제조 방법을 통해 제조된 고분자 전해질은 상온에서 상대적으로 높은 이온 전도도(Ionic Conductivity) 및 리튬 이온 이동률(Transference Number)을 가지고, 우수한 전극 호환성을 나타낼 수 있다.In addition, the polymer electrolyte manufactured through the manufacturing method according to the present invention has relatively high ionic conductivity and lithium ion transfer number at room temperature, and can exhibit excellent electrode compatibility.
또한, 본원에 따른 방법을 통해 제조된 고분자 전해질을 포함하는 배터리의 경우, 상온에서 우수한 순환 성능을 가지고, 적합한 방전 용량을 가지며, 높은 쿨롱 효율을 나타낼 수 있다.In addition, a battery including a polymer electrolyte manufactured by the method according to the present invention can have excellent cycling performance at room temperature, have an appropriate discharge capacity, and exhibit high Coulombic efficiency.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.However, the effects that can be obtained from this center are not limited to the effects described above, and other effects may exist.
도 1 은 본원의 일 실시예에 따른 고분자 전해질의 인-시츄 양이온 개환 중합 과정 및 최종 화학 구조의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 제조 및 이를 포함하는 셀(cell) 조립 과정의 모식도이다.
도 3a는 본원의 일 실험예에 따른 고분자 전해질의 In situ 중합 전후의 전해질 상태의 거시적 비교 이미지이고, 도 3b는 순수 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(TMPTE)와 비교한 본원의 실시예 1 내지 3 에 따른 고분자 전해질의 FT IR 결과이다.
도 4a는 본원의 일 실시예에 따른 고분자 전해질(GNPE) 및 순수 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(TMPTE)의 TGA 결과이고, 도 4b는 DSC 결과이며, 도 4c는 XRD 결과이다.
도 5 는 본원의 일 실험예에 따른 GNPE의 이온 전도도(σ) 값에 대한 온도 플롯이다.
도 6a 내지 6c는 본원의 일 실험예에 따른 GNPE의 10mV의 전압에서 분극 전후의 대시간전류법 프로파일과 AC 임피던스를 나타낸다.
도 7a 는 1mV/s의 스위프 속도에서 0V에서 6V까지 GNPE의 LSV 프로파일 결과이고, 도 7b는 0.1mV/s의 스캔 속도에서 수행된 LiFePO4/GNPE-1/Li 호일 반쪽 전지의 순환 전압전류도 결과이다.
도 8a는 0.2C 미만의 선택된 사이클에서 LFP/GNPE-1/흑연 배터리의 전압 프로파일이고, 도 8b는 LFP/GNPE-1/흑연 배터리의 속도 성능이며, 도 8c는 RT에서 100사이클 후 0.2C에서의 LFP/GNPE-1/흑연 배터리의 쿨롱 효율 및 방전 용량이다.
도 9a및 9b는 각각 LFP 음극에서 100주기 전과 후의 GNPE-1 단면의 SEM 이미지이다.
도 10은 본원의 일 실험예에 따른 사이클링 테스트 후 흑연 양극의 GNPE-1 구성 요소에 대한 고해상도 XPS 특성 분석(S 2p, C 1s, F 1s, Li 1s, N 1s 및 O 1s) 결과이다.Figure 1 is a schematic diagram of the in-situ cationic ring-opening polymerization process and final chemical structure of a polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of a process for manufacturing a polymer electrolyte and assembling a cell including the same according to one embodiment of the present invention.
Figure 3a is a macroscopic comparative image of the electrolyte state before and after in situ polymerization of a polymer electrolyte according to an experimental example of the present invention, and Figure 3b is an FT IR result of a polymer electrolyte according to Examples 1 to 3 of the present invention compared to pure trimethylolpropane triglycidyl ether (TMPTE).
Figure 4a is a TGA result of a polymer electrolyte (GNPE) and pure trimethylolpropane triglycidyl ether (TMPTE) according to one embodiment of the present invention, Figure 4b is a DSC result, and Figure 4c is an XRD result.
Figure 5 is a temperature plot of the ionic conductivity (σ) value of GNPE according to an experimental example of the present invention.
Figures 6a to 6c show the chronocurrent profile and AC impedance before and after polarization at a voltage of 10 mV of GNPE according to an experimental example of the present invention.
Figure 7a shows the LSV profile results of GNPE from 0 V to 6 V at a sweep rate of 1 mV/s, and Figure 7b shows the cyclic voltammogram results of LiFePO 4 /GNPE-1/Li foil half-cell performed at a scan rate of 0.1 mV/s.
Figure 8a is the voltage profile of the LFP/GNPE-1/graphite battery at selected cycles below 0.2C, Figure 8b is the rate performance of the LFP/GNPE-1/graphite battery, and Figure 8c is the coulombic efficiency and discharge capacity of the LFP/GNPE-1/graphite battery at 0.2C after 100 cycles at RT.
Figures 9a and 9b are SEM images of the cross-section of GNPE-1 before and after 100 cycles on the LFP cathode, respectively.
Figure 10 shows the results of high-resolution XPS characterization (S 2p, C 1s, F 1s, Li 1s, N 1s, and O 1s) of the GNPE-1 component of the graphite anode after a cycling test according to an experimental example of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention are described in detail to facilitate easy implementation by those skilled in the art. However, the present invention can be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, irrelevant parts have been omitted for clarity, and similar reference numerals have been used throughout the specification to indicate similar elements.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only cases where it is "directly connected" but also cases where it is "electrically connected" with another element in between.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when it is said that a member is located “on,” “above,” “upper,” “lower,” “lower” or “lower” another member, this includes not only cases where the member is in contact with the other member, but also cases where another member exists between the two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, whenever a part is said to "include" a component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components, unless otherwise specifically stated.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The terms "about," "substantially," and the like, as used herein, are used to mean at or near the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent to the meanings referred to are presented, and are used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting disclosures that contain precise or absolute numerical values to aid understanding of the present disclosure. Furthermore, throughout the present disclosure, the terms "step of ~" or "step of ~" do not mean "step for ~."
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination thereof" included in the expressions in the Makushi format means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expressions in the Makushi format, and means including one or more selected from the group consisting of said components.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.Throughout this specification, references to “A and/or B” mean “A, B, or A and B.”
이하, 본원의 고분자 전해질의 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the method for manufacturing the polymer electrolyte of the present invention will be described in detail with reference to implementation examples, examples, and drawings. However, the present invention is not limited to these implementation examples, examples, and drawings.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 용매에 리튬염 및 가교형 고분자 단량체를 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계; 및 기판 상에 상기 전구체 용액을 적하하고 열처리하여 인-시츄(in-situ) 중합하는 단계를 포함하는, 고분자 전해질의 제조 방법을 제공한다.As a technical means for achieving the above-mentioned technical task, the first aspect of the present invention provides a method for producing a polymer electrolyte, comprising the steps of: preparing a precursor solution by adding a lithium salt and a cross-linked polymer monomer to a solvent; and dropping the precursor solution onto a substrate and performing a heat treatment to polymerize in-situ.
본원에 따른 고분자 전해질의 제조 방법은 종래의 리튬 이온 배터리에서 리튬염으로 사용되던 LiFSI를 중합 개시제로 사용하고, 가교제로 사용되던 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(Trimethylolpropane Triglycidyl Ether)를 고분자 단량체로 사용하여 온화한 조건에서 인-시츄(in-situ) 중합을 통해 제조함으로써, 중합을 위한 개시제 및 가교제를 별도로 첨가하여 사용하였던 종래의 방법에 비해 용이한 방법으로 고분자 전해질을 제조할 수 있다.The method for manufacturing a polymer electrolyte according to the present invention uses LiFSI, which is used as a lithium salt in conventional lithium ion batteries, as a polymerization initiator, and trimethylolpropane triglycidyl ether, which is used as a crosslinking agent, as a polymer monomer, thereby manufacturing the polymer electrolyte through in-situ polymerization under mild conditions, thereby making it possible to manufacture the polymer electrolyte in an easier manner compared to the conventional method in which an initiator and a crosslinking agent for polymerization are added separately.
또한, 본원에 따른 제조 방법을 통해 제조된 고분자 전해질은 상온에서 상대적으로 높은 이온 전도도(Ionic Conductivity) 및 리튬 이온 이동률(Transference Number)을 가지고, 우수한 전극 호환성을 나타낼 수 있다.In addition, the polymer electrolyte manufactured through the manufacturing method according to the present invention has relatively high ionic conductivity and lithium ion transfer number at room temperature, and can exhibit excellent electrode compatibility.
또한, 본원에 따른 방법을 통해 제조된 고분자 전해질을 포함하는 배터리의 경우, 상온에서 우수한 순환 성능을 가지고, 적합한 방전 용량을 가지며, 높은 쿨롱 효율을 나타낼 수 있다.In addition, a battery including a polymer electrolyte manufactured by the method according to the present invention can have excellent cycling performance at room temperature, have an appropriate discharge capacity, and exhibit high Coulombic efficiency.
먼저, 용매에 리튬염 및 가교형 고분자 단량체를 첨가하여 전구체 용액을 제조한다. First, a precursor solution is prepared by adding a lithium salt and a cross-linked polymer monomer to a solvent.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 리튬염은 비스(플루오로술포닐)이미드 리튬염(LiFSI)인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the lithium salt may be, but is not limited to, bis(fluorosulfonyl)imide lithium salt (LiFSI).
상기 LiFSI리튬염의 경우 이온전도도, 점도 및 열안정성이 우수하며, 후술하는 in situ 중합 단계에서 중합 개시제로 사용되어 반응을 촉매할 수 있다.In the case of the above LiFSI lithium salt, it has excellent ionic conductivity, viscosity, and thermal stability, and can be used as a polymerization initiator in the in situ polymerization step described below to catalyze the reaction.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 가교형 고분자 단량체는 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(Trimethylolpropane Triglycidyl Ether)인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the crosslinked polymer monomer may be, but is not limited to, trimethylolpropane triglycidyl ether.
상기 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르는 트리-에폭시 작용기를 가지며, 고분자 단량체의 용도로 사용됨과 동시에 반응의 가교제 역할을 수행할 수 있다.The above trimethylolpropane triglycidyl ether has a tri-epoxy functional group and can be used as a polymer monomer while also acting as a crosslinking agent in the reaction.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전구체 용액 중 상기 리튬염은 0.1M 내지 3M의 몰 농도로 첨가되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the lithium salt in the precursor solution may be added at a molar concentration of 0.1 M to 3 M, but is not limited thereto.
상기 리튬염이 3M 초과의 몰 농도로 첨가될 경우 FSI와 에폭시 사이의 결합이 너무 많아져서 폴리머 사슬 이동이 제한 될 수 있으며, 이로 인해 이온 전도도가 감소할 수 있다. 또한, 상기 리튬염이 0.1M 미만의 몰 농도로 첨가될 경우 반응 속도가 저하될 수 있고, 완전한 반응이 유도되지 않아 고분자 전해질의 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 리튬염은 0.1M 내지 3M의 몰 농도로 첨가되는 것이 바람직할 수 있다.If the lithium salt is added at a molar concentration exceeding 3 M, the bonds between FSI and epoxy may become too numerous, thereby restricting polymer chain movement, which may result in a decrease in ionic conductivity. Furthermore, if the lithium salt is added at a molar concentration less than 0.1 M, the reaction rate may be slowed, and the reaction may not be completely induced, which may deteriorate the performance of the polymer electrolyte. Therefore, it may be preferable to add the lithium salt at a molar concentration of 0.1 M to 3 M.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용매는 고리형 카보네이트 및/또는 선형 카보네이트를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the solvent may include, but is not limited to, a cyclic carbonate and/or a linear carbonate.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고리형 카보네이트는, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the cyclic carbonate may include, but is not limited to, one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, and combinations thereof.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 선형 카보네이트는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트. 디프로필 카보네이트 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the linear carbonate may include, but is not limited to, one selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, and combinations thereof.
이어서, 기판 상에 상기 전구체 용액을 적하하고 열처리하여 인-시츄(in-situ) 중합한다. Next, the precursor solution is dropped onto the substrate and heat-treated to polymerize in-situ.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 인-시츄 중합하는 단계에서 상기 LiFSI가 중합 개시제로 작용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the LiFSI may act as a polymerization initiator in the in-situ polymerization step, but is not limited thereto.
도 1 은 본원의 일 실시예에 따른 고분자 전해질의 인-시츄 양이온 개환 중합 과정 및 최종 화학 구조의 모식도이다.Figure 1 is a schematic diagram of the in-situ cationic ring-opening polymerization process and final chemical structure of a polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.
도 1 을 참조하면, LiFSI가 용매에 해리된 후 형성된 리튬 이온 및 설폰이미드 음이온은 불순물 미량의 물 또는 알코올과 같은 원생성 성분과 반응하여 초강산 개시제인 H+FSIOH-을 생성할 수 있다(도 1 의 R1). 브뢴스테드 초강산 H+FSIOH-는 고리형 에폭시 단량체를 빠르게 양성자화하여 2차 옥소늄 종을 형성할 수 있다(도 1 의 R2). 이어서, 양이온성 개환 중합은 2차 옥소늄 종에 대한 친핵성 고리형 에테르 단량체의 SN2 공격 하에서 생성될 수 있다(도 1 의 R3). 마지막으로, 헤테로고리 중간체에 고리형 에폭시가 지속적으로 반복적으로 공격한 후에 네트워크 폴리머가 형성될 수 있다.Referring to Fig. 1, the lithium ions and sulfonimide anions formed after LiFSI dissociates in a solvent can react with trace amounts of impurities such as water or alcohol to generate a superacid initiator H + FSIOH - (R1 in Fig. 1). The Brønsted superacid H + FSIOH - can rapidly protonate the cyclic epoxy monomer to form a secondary oxonium species (R2 in Fig. 1). Subsequently, cationic ring-opening polymerization can occur under the S N 2 attack of the nucleophilic cyclic ether monomer on the secondary oxonium species (R3 in Fig. 1). Finally, a network polymer can be formed after continuous and repeated attacks of the cyclic epoxy on the heterocyclic intermediate.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리는 40℃ 내지 80℃의 온도 범위 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed at a temperature range of 40°C to 80°C, but is not limited thereto.
본원에 따른 제조 방법은 비교적 온화한 온도 조건 하에서 반응이 수행되므로, 종래의 방법에 비해 안정적이고 에너지 효율적으로 고분자 전해질을 제조할 수 있다.Since the manufacturing method according to the present invention performs the reaction under relatively mild temperature conditions, it is possible to manufacture a polymer electrolyte more stably and energy-efficiently than conventional methods.
또한, 본원의 제 2 측면은 본원의 제 1 측면에 따라 제조된 고분자 전해질을 제공한다.Additionally, the second aspect of the present invention provides a polymer electrolyte manufactured according to the first aspect of the present invention.
본원의 제 2 측면에 따른 고분자 전해질에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.Regarding the polymer electrolyte according to the second aspect of the present application, detailed descriptions of parts overlapping with the first aspect of the present application have been omitted, but even if the descriptions have been omitted, the contents described in the first aspect of the present application can be equally applied to the second aspect of the present application.
또한, 본원의 제 3 측면은 본원의 제 2 측면에 따른 고분자 전해질을 포함하는, 리튬 이온 배터리를 제공한다.In addition, the third aspect of the present invention provides a lithium ion battery including a polymer electrolyte according to the second aspect of the present invention.
본원의 제 3 측면에 따른 리튬 이온 배터리에 대하여, 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.Regarding the lithium ion battery according to the third aspect of the present application, detailed descriptions of parts overlapping with the first aspect and/or the second aspect of the present application are omitted, but even if the descriptions are omitted, the contents described in the first aspect and/or the second aspect of the present application can be equally applied to the third aspect of the present application.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through the following examples; however, the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.
[실시예 1] GNPE-1[Example 1] GNPE-1
도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 제조 및 이를 포함하는 셀(cell) 조립 과정의 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram of a process for manufacturing a polymer electrolyte and assembling a cell including the same according to one embodiment of the present invention.
LFP 캐소드(cathode) 제조LFP cathode manufacturing
LiFePO4, 카본블랙, PVDF를 80:10:10의 질량비로 혼합하였고, NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)를 용매로 첨가한 후 볼밀로 충분히 분쇄하여 슬러리를 제조하였다. 얻은 슬러리를 사용하여 알루미늄 호일을 코팅한 후 120℃에서 건조하여 용매인 NMP를 제거하였다. 활성 물질은 12 mg/cm2의 양으로 호일에 로딩되었다. 얻은 음극 호일을 직경 16mm의 원형 조각으로 펀칭한 후 셀 조립 전 100℃에서 12시간 동안 건조했다. LiFePO 4 , carbon black, and PVDF were mixed in a mass ratio of 80:10:10, and NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) was added as a solvent. The mixture was sufficiently ground in a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry was used to coat aluminum foil, and then dried at 120°C to remove the NMP solvent. The active material was loaded onto the foil in an amount of 12 mg/cm 2 . The obtained negative electrode foil was punched into circular pieces with a diameter of 16 mm, and then dried at 100°C for 12 h before cell assembly.
흑연 아노드(anode) 제조Graphite anode manufacturing
LFP 캐소드와 동일한 공정으로 제조하되, 흑연, 카본블랙, PVDF가 85:5:10의 질량비의 슬러리를 사용하여 제조하였다.It was manufactured using the same process as the LFP cathode, but using a slurry of graphite, carbon black, and PVDF in a mass ratio of 85:5:10.
겔 네트워크 고분자 전해질(GNPE) 제조 및 셀 조립Gel network polymer electrolyte (GNPE) manufacturing and cell assembly
먼저, 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(TMPTE) 및 에틸렌 카보네이트(EC)/디에틸 카보네이트(DEC) (50:50/v:v) 혼합물에 1.0M 농도로 LiFSI를 용해시켜 전구체 용액을 제조하였다. First, a precursor solution was prepared by dissolving LiFSI at a concentration of 1.0 M in a mixture of trimethylolpropane triglycidyl ether (TMPTE) and ethylene carbonate (EC)/diethyl carbonate (DEC) (50:50/v:v).
이어서, 상기 전구체 용액을 LFP 캐소드에 적하하고 60℃ 에서 12시간 동안 in situ 중합했다. Next, the precursor solution was added dropwise to the LFP cathode and polymerized in situ at 60°C for 12 hours.
이후, LiFePO4/GNPE/흑연 셀을 GNPEs-LFP 플레이트로 조립하였고, 24시간 동안 실온에서 숙성시켰다. Afterwards, the LiFePO 4 /GNPE/graphite cell was assembled into a GNPEs-LFP plate and aged at room temperature for 24 h.
In situ 중합 및 셀 조립을 포함한 모든 준비는 아르곤 글러브 박스(H2O 및 O2 < 1ppm)에서 수행했다. All preparations, including in situ polymerization and cell assembly, were performed in an argon glove box (H 2 O and O 2 < 1 ppm).
[실시예 2] GNPE-1.5[Example 2] GNPE-1.5
실시예 1 과 동일한 방법으로 제조하되, 전구체 용액에 LiFSI를 1.5M농도로 용해하여 제조하였다.It was manufactured in the same manner as Example 1, but LiFSI was dissolved in the precursor solution at a concentration of 1.5 M.
[실시예 3] GNPE-2[Example 3] GNPE-2
실시예 1 과 동일한 방법으로 제조하되, 전구체 용액에 LiFSI를 2.0M농도로 용해하여 제조하였다.It was manufactured in the same manner as Example 1, but LiFSI was dissolved in the precursor solution at a concentration of 2.0 M.
[실험예 1] 고분자 전해질의 중합 특성 분석[Experimental Example 1] Analysis of polymerization characteristics of polymer electrolytes
도 3a는 본원의 일 실험예에 따른 고분자 전해질의 In situ 중합 전후의 전해질 상태의 거시적 비교 이미지이고, 도 3b는 순수 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(TMPTE)와 비교한 본원의 실시예 1 내지 3 에 따른 고분자 전해질의 FT IR 결과이다.Figure 3a is a macroscopic comparative image of the electrolyte state before and after in situ polymerization of a polymer electrolyte according to an experimental example of the present invention, and Figure 3b is an FT IR result of a polymer electrolyte according to Examples 1 to 3 of the present invention compared to pure trimethylolpropane triglycidyl ether (TMPTE).
도 3a를 참조하면, In situ 중합 전과 후의 고분자 전해질 상태를 거시적으로 비교한 결과, LiFSI, TMPTE 및 EC/DEC 를 포함한 모든 물질은 서로 충분히 용해되어 투명하고 깨끗하며 점성이 있는 전구체 용액을 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 또한, LiFSI 몰비가 증가하면 점도가 증가했다. In situ 중합 후, 획득된 전해질에 과도한 유체 액체 없이 탄성 젤 폴리머 전해질이 형성되며, 이는 향후 코인 셀 조립에 유리하다. Referring to Fig. 3a, a macroscopic comparison of the polymer electrolyte states before and after in situ polymerization confirmed that all materials, including LiFSI, TMPTE, and EC/DEC, were sufficiently dissolved in each other to obtain a transparent, clear, and viscous precursor solution. Furthermore, viscosity increased with increasing LiFSI molar ratio. After in situ polymerization, an elastic gel polymer electrolyte was formed in the obtained electrolyte without excessive fluid liquid, which is advantageous for future coin cell assembly.
한편, In situ 중합을 FT IR로 모니터링했다. 도 3b를 참조하면, 순수 TMPTE는 각각 C-H, C-O-C 스트레칭 및 에폭사이드 굽힘 진동에 해당하는 2876, 1093 및 902cm-1에서 세 개의 피크를 나타냈다. 반응이 진행됨에 따라 에폭사이드 굽힘에 대한 특성 피크의 강도가 급격하게 감소했으며 EC/DEC 용매의 첨가로 인해 C=O 스트레칭 피크가 1804 내지 1742cm-1에서 나타났다. Meanwhile, in situ polymerization was monitored by FT-IR. Referring to Figure 3b, pure TMPTE exhibited three peaks at 2876, 1093, and 902 cm -1 , corresponding to CH, C-O-C stretching, and epoxide bending vibrations, respectively. As the reaction progressed, the intensity of the characteristic peak for epoxide bending decreased rapidly, and the addition of EC/DEC solvent caused the C=O stretching peak to appear at 1804 to 1742 cm -1 .
이를 통해 In situ 중합 과정에서 LiFSI를 사용한 TMPTE의 양이온 개환 중합의 발생을 확인할 수 있었다. This confirmed the occurrence of cationic ring-opening polymerization of TMPTE using LiFSI during the in situ polymerization process.
[실험예 2] 고분자 전해질의 열적 특성 분석[Experimental Example 2] Analysis of thermal properties of polymer electrolytes
실시예 1 내지 3 에 따른 겔 네트워크 고분자 전해질(GNPE)의 열적 특성을 조사하기 위해 TGA와 DSC 분석을 수행하였다. TGA and DSC analyses were performed to investigate the thermal properties of the gel network polymer electrolyte (GNPE) according to Examples 1 to 3.
도 4a는 본원의 일 실시예에 따른 고분자 전해질(GNPE) 및 순수 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(TMPTE)의 TGA 결과이고, 도 4b는 DSC 결과이며, 도 4c는 XRD 결과이다.Figure 4a is a TGA result of a polymer electrolyte (GNPE) and pure trimethylolpropane triglycidyl ether (TMPTE) according to one embodiment of the present invention, Figure 4b is a DSC result, and Figure 4c is an XRD result.
도 4a를 참조하면, 순수 TMPTE의 경우 184℃에서 한 단계 중량 감소 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 리튬염과 EC/DEC 용매의 첨가로 인해 본원의 실시예(GNPE)는 150℃에서 약 5%의 중량 감소를 나타냈다. GNPE의 2차 중량 감소는 GNPE-1 및 GNPE-1.5의 경우 170℃ 이상, GNPE-2의 경우 160℃ 이상에서 관찰되었다. Referring to Fig. 4a, it was confirmed that a single weight loss occurred at 184°C for pure TMPTE. On the other hand, due to the addition of lithium salt and EC/DEC solvent, the example (GNPE) of the present disclosure showed a weight loss of approximately 5% at 150°C. The second weight loss of GNPE was observed above 170°C for GNPE-1 and GNPE-1.5, and above 160°C for GNPE-2.
도 4b를 참조하면, GNPE의 유리전이온도를 확인하기 위해 DSC 측정을 -60 ~ 150℃의 온도 범위에서 수행한 결과, GNPE-1, GNPE-1.5 및 GNPE-2의 Tg 값은 각각 -23, -25 및 -23℃에서 관찰되었다. DSC 결과는 이러한 GNPE가 상온(RT) 또는 영하에서 충분한 체인 유연성을 제공할 수 있음을 보여주었다. 또한, 이러한 GNPE에 대해 조사된 온도 범위에서는 발열 피크가 없었으며, 이는 획득된 전해질이 비정질 상을 나타냄을 암시한다. TGA와 DSC 데이터를 결합하면 제조된 GNPE는 약 -25~150℃에서 열적으로 안정했으며 이는 종래의 PEO 및 PMMA 기반 고분자 전해질에 가까운 값이었다. 반면, 고분자 매트릭스 내 리튬 이온 전달은 넓은 온도 범위에서 수행될 수도 있다.Referring to Fig. 4b, to confirm the glass transition temperature of GNPEs, DSC measurements were performed in the temperature range of -60 to 150°C, and the Tg values of GNPE-1, GNPE-1.5, and GNPE-2 were observed at -23, -25, and -23°C, respectively. The DSC results demonstrated that these GNPEs could provide sufficient chain flexibility at room temperature (RT) or sub-zero temperatures. In addition, there was no exothermic peak in the investigated temperature range for these GNPEs, suggesting that the obtained electrolytes exhibited an amorphous phase. Combining the TGA and DSC data revealed that the prepared GNPEs were thermally stable at approximately -25 to 150°C, which was close to the values of conventional PEO and PMMA-based polymer electrolytes. On the other hand, lithium ion transport within the polymer matrix could also occur over a wide temperature range.
도 4c를 참조하면, TMPTE 및 GNPE의 결정화를 추가로 조사하기 위해 XRD 분석을 수행한 결과, TMPTE 및 GNPE의 결정상을 나타내는 강렬한 모양의 특징적인 회절 피크는 관찰되지 않았다. 18° 내지 20°에서 넓은 회절 피크가 발견되었으며 이는 DSC 결과와 일치하는 TMPTE 및 GNPE의 비정질 상을 나타냈다. 한편, GNPE-2는 다른 고분자와 유사한 theta degree를 나타내었지만 다른 샘플보다 낮은 theta degree를 갖는 것으로 나타났고, 69°에서 작은 피크를 보였는데, 이는 GNPE-2가 고분자 배열에 영향을 미치는 고농도의 리튬염으로 제조되었기 때문이다.Referring to Fig. 4c, XRD analysis was performed to further investigate the crystallization of TMPTE and GNPE. As a result, no characteristic diffraction peaks with an intense shape indicating the crystalline phase of TMPTE and GNPE were observed. A broad diffraction peak was found at 18° to 20°, which indicated the amorphous phase of TMPTE and GNPE, which was consistent with the DSC results. On the other hand, GNPE-2 showed a theta degree similar to the other polymers, but it appeared to have a lower theta degree than the other samples, and a small peak at 69°, which was because GNPE-2 was prepared with a high concentration of lithium salt that affected the polymer arrangement.
[실험예 3] GNPE의 전기화학적 성능[Experimental Example 3] Electrochemical Performance of GNPE
GNPE의 이온 전도도(σ) 값을 계산하기 위해 스테인레스 스틸을 차단 전극으로 사용하는 비대칭 더미 셀을 사용하여 전해질 샘플의 EIS 값을 수집했다. Nyquist 플롯에는 Z-view의 공통 등가 전기 회로 모델이 장착되었다. σ는 방정식 σ = L/Rb A를 사용하여 계산되었다. 여기서 L은 두께이고 Rb와 A는 각각 고분자 전해질의 벌크 저항과 접촉 면적이다.To calculate the ionic conductivity (σ) of GNPE, EIS values of electrolyte samples were collected using an asymmetric dummy cell with stainless steel as a blocking electrode. The Nyquist plot was fitted with a common equivalent electric circuit model in Z-view. σ was calculated using the equation σ = L/Rb A, where L is the thickness, and Rb and A are the bulk resistance and contact area of the polymer electrolyte, respectively.
도 5 는 본원의 일 실험예에 따른 GNPE의 이온 전도도(σ) 값에 대한 온도 플롯이다.Figure 5 is a temperature plot of the ionic conductivity (σ) value of GNPE according to an experimental example of the present invention.
도 5 를 참조하면, σ 값은 측정 온도가 증가함에 따라 단조롭게 증가했다. σ 값은 10-4 내지 10-5 S/cm 인 것으로 나타났다. 사슬 유연성의 증가로 인해 고분자 세그먼트의 이동 능력이 고온에서 향상될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 그 결과, 리튬 이온은 고온의 고분자 전해질 내에서 쉽게 운반될 수 있었다. 또한, GNPE-1, GNPE-1.5, GNPE-2의 전해질은 σ값이 상온(RT)에서 각각 2.63×10-4 S/cm, 1.17×10-4 S/cm, 6.21×10-5 S/cm인 것으로 나타났다. 이러한 σ 값은 저온에서 LiFSI 농도가 증가함에 따라 감소했다. GNPE-2의 경우 50 내지 80℃에서 GNPE-1.5보다 약간 더 높은 이온 전도도를 나타냈다. 그러나 GNPE-1은 모든 측정 온도에서 여전히 가장 높은 σ 값을 유지했다. 이러한 결과는 FSI와 에폭시 사이의 결합이 너무 많으면 폴리머 사슬 이동이 제한될 수 있고, 폴리머 매트릭스의 자유 부피도 감소하여 폴리머 전해질의 이온 전달에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.Referring to Fig. 5, the σ value monotonically increased with increasing measurement temperature. The σ value was found to be 10 -4 to 10 -5 S/cm. It is well known that the mobility of polymer segments can be enhanced at high temperatures due to increased chain flexibility. As a result, lithium ions could be easily transported in the polymer electrolyte at high temperatures. In addition, the electrolytes of GNPE-1, GNPE-1.5, and GNPE-2 showed σ values of 2.63 × 10 -4 S/cm, 1.17 × 10 -4 S/cm, and 6.21 × 10 -5 S/cm, respectively, at room temperature (RT). These σ values decreased with increasing LiFSI concentration at low temperatures. GNPE-2 exhibited slightly higher ionic conductivity than GNPE-1.5 at 50 to 80°C. However, GNPE-1 still maintained the highest σ value at all measurement temperatures. These results are because too much bonding between FSI and epoxy may restrict polymer chain movement and also reduce the free volume of the polymer matrix, which may affect the ion transport of the polymer electrolyte.
GNPE-1의 가장 높은 값은 GNPE-1이 가장 큰 FWHM과 가장 작은 입자 크기를 갖는다는 XRD 결과와 일치하며 이는 폴리머 매트릭스의 충분한 자유 부피를 나타낸다. GNPE의 tLi+는 RT에서 DC 분극과 결합된 AC 임피던스 분광법을 사용하여 Bruce-Vincent 방정식으로부터 계산되었다. 이 전해질은 CR2032 코인 셀을 사용하여 리튬 칩 사이에 끼워졌다.The highest value for GNPE-1 is consistent with the XRD results showing that GNPE-1 has the largest FWHM and smallest particle size, indicating sufficient free volume in the polymer matrix. The tLi + of GNPE was calculated from the Bruce-Vincent equation using AC impedance spectroscopy coupled with DC polarization at RT. The electrolyte was sandwiched between lithium chips using a CR2032 coin cell.
도 6a 내지 6c는 본원의 일 실험예에 따른 GNPE의 10mV의 전압에서 분극 전후의 대시간전류법 프로파일과 AC 임피던스를 나타낸다.Figures 6a to 6c show the chronocurrent profile and AC impedance before and after polarization at a voltage of 10 mV of GNPE according to an experimental example of the present invention.
도 6a 내지 6c를 참조하면, GNPE-1, GNPE-1.5 및 GNPE-2의 결과 AC 임피던스 값은 각각 0.58, 0.46 및 0.42였다. GNPE-1은 적절한 LiFSI 농도로 인해 여전히 최고의 리튬 수송 거동을 나타냈다. Referring to Figures 6a to 6c, the resulting AC impedance values of GNPE-1, GNPE-1.5, and GNPE-2 were 0.58, 0.46, and 0.42, respectively. GNPE-1 still exhibited the best lithium transport behavior due to the appropriate LiFSI concentration.
한편, GNPE의 최대 비가역 산화 전압 및 전기화학적 안정성을 추가로 확인하기 위해 선형 스위프 전압전류법(LSV)을 수행했다. 이 매개변수는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도 및 용량과 관련이 있다. 제조된 GNPE는 스테인레스강(SS)/GNPEs/Li 포일의 구조로 조립되었으며, 여기서 SS는 작동 전극으로 사용되었고 Li 포일은 상대 전극과 기준 전극으로 사용되었다.Meanwhile, linear sweep voltammetry (LSV) was performed to further confirm the maximum irreversible oxidation voltage and electrochemical stability of GNPE. These parameters are related to the energy density and capacity of lithium-ion batteries. The fabricated GNPE was assembled into a structure of stainless steel (SS)/GNPEs/Li foil, where SS served as the working electrode and Li foil served as the counter electrode and reference electrode, respectively.
도 7a 는 1mV/s의 스위프 속도에서 0V에서 6V까지 GNPE의 LSV 프로파일 결과이고, 도 7b는 0.1mV/s의 스캔 속도에서 수행된 LiFePO4/GNPE-1/Li 호일 반쪽 전지의 순환 전압전류도 결과이다.Figure 7a shows the LSV profile results of GNPE from 0 V to 6 V at a sweep rate of 1 mV/s, and Figure 7b shows the cyclic voltammogram results of LiFePO 4 /GNPE-1/Li foil half-cell performed at a scan rate of 0.1 mV/s.
도 7a를 참조하면, GNPE-1은 최대 4.15V의 양극 안정성을 나타냈고, GNPE-1.5는 4V 미만으로 더 낮은 안정적인 전압을 나타냈으며, GNPE-2는 매우 낮은 전압(약 1.5V)에서 분해됐다. 이를 통해 GNPE-1이 LFP 기반 리튬 이온 배터리(2.5~4.2V)의 전압 요구 사항을 충족할 수 있음을 확인할 수 있었.Referring to Fig. 7a, GNPE-1 exhibited positive polarity stability up to 4.15 V, GNPE-1.5 exhibited a lower stable voltage of less than 4 V, and GNPE-2 decomposed at a very low voltage (approximately 1.5 V). This confirmed that GNPE-1 can meet the voltage requirements of LFP-based lithium-ion batteries (2.5–4.2 V).
또한, 도 7b를 참조하면, 리튬 이온의 도금 및 박리를 확인하기 위해 순환전압전류법(CV)을 수행한 결과, 볼타모그램은 약 4.0 및 2.8 V vs. Li/Li+에서 양극 및 음극 피크를 나타냈는데, 이는 각각 리튬 이온 탈리튬화(산화) 및 리튬화(환원)에 해당한다. 눈에 띄게, 3번째부터 10번째 사이클까지의 이러한 피크는 유사한 전압으로 유지되었으며, 이는 GNPE/전극의 경계면에서 산화환원 반응의 탁월한 가역성을 나타낸다.Also, referring to Fig. 7b, cyclic voltammetry (CV) was performed to confirm the plating and stripping of lithium ions, and the voltammogram exhibited anodic and cathodic peaks at approximately 4.0 and 2.8 V vs. Li/Li+, respectively, corresponding to lithium ion delithiation (oxidation) and lithiation (reduction). Remarkably, these peaks were maintained at similar voltages from the 3rd to the 10th cycle, indicating excellent reversibility of the redox reaction at the GNPE/electrode interface.
[실험예 4] GNPE의 사이클 성능 분석[Experimental Example 4] Cycle Performance Analysis of GNPE
속도와 장기 사이클 성능은 재충전 가능한 리튬 이온 배터리의 가장 중요한 매개변수이다. 전해질의 셀 성능을 평가하기 위해 GNPE-1의 충전 및 방전을 실온에서 2.5V에서 4.2V로 수행하여 최고의 이온 전도성과 전기화학적 윈도우(window)를 얻었다.Rate and long-term cycling performance are the most important parameters for rechargeable lithium-ion batteries. To evaluate the cell performance of the electrolyte, GNPE-1 was charged and discharged at room temperature from 2.5 V to 4.2 V, achieving the best ionic conductivity and electrochemical window.
도 8a는 0.2C 미만의 선택된 사이클에서 LFP/GNPE-1/흑연 배터리의 전압 프로파일이고, 도 8b는 LFP/GNPE-1/흑연 배터리의 속도 성능이며, 도 8c는 RT에서 100사이클 후 0.2C에서의 LFP/GNPE-1/흑연 배터리의 쿨롱 효율 및 방전 용량이다.Figure 8a is the voltage profile of the LFP/GNPE-1/graphite battery at selected cycles below 0.2C, Figure 8b is the rate performance of the LFP/GNPE-1/graphite battery, and Figure 8c is the coulombic efficiency and discharge capacity of the LFP/GNPE-1/graphite battery at 0.2C after 100 cycles at RT.
도 8a를 참조하면, GNPE-1은 0.2C에서 127.03mAh/g의 최대 방전 비용량을 나타냈고, 사이클이 증가함에 따라 용량이 감소하여 100사이클 후에 78.28mAh/g(초기 용량의 61.62%)로 떨어졌다. Referring to Fig. 8a, GNPE-1 exhibited a maximum discharge capacity of 127.03 mAh/g at 0.2 C, and the capacity decreased as the cycle increased, dropping to 78.28 mAh/g (61.62% of the initial capacity) after 100 cycles.
도 8b를 참조하면, 전류밀도율이 다시 0.1C일 때 방전용량은 126.54 mAh/g로 되돌아왔으며, 이는 이차전지용 리튬 이온 배터리에서 GNPE-1의 탁월한 가역성과 안정성을 시사한다.Referring to Fig. 8b, when the current density rate was 0.1 C again, the discharge capacity returned to 126.54 mAh/g, suggesting the excellent reversibility and stability of GNPE-1 in a secondary lithium-ion battery.
도 8c를 참조하면, GNPE-1을 사용한 셀은 100회 사이클 후 97% 이상의 쿨롱 효율과 0.2C에서 98mAh/g의 용량을 보여 초기 용량의 85%를 유지할 수 있었다. 사이클 성능은 GNPE-1을 리튬 이온 배터리에 적용하는 것이 긴 사이클에서 만족스러운 안정성을 가짐을 추가로 확인했다. GNPE-1을 사용한 전지의 유망한 초기 용량은 LiFePO4 전극에서 고분자 전해질의 탁월한 습윤성으로 인해 전극에 안정적인 계면을 형성할 수 있기 때문일 수 있다.Referring to Fig. 8c, the cell using GNPE-1 exhibited a coulombic efficiency of over 97% and a capacity of 98 mAh/g at 0.2C after 100 cycles, retaining 85% of its initial capacity. The cycling performance further confirmed that GNPE-1 has satisfactory stability over long cycles when applied to lithium-ion batteries. The promising initial capacity of the cell using GNPE-1 may be due to the excellent wettability of the polymer electrolyte on the LiFePO 4 electrode, which can form a stable interface on the electrode.
한편, 사이클링 테스트 전후의 GNPE-1과 LiFePO4 전극 사이의 계면을 FE-SEM으로 비교했다.Meanwhile, the interface between GNPE-1 and LiFePO 4 electrodes before and after cycling tests was compared by FE-SEM.
도 9a및 9b는 각각 LFP 음극에서 100주기 전과 후의 GNPE-1 단면의 SEM 이미지이다.Figures 9a and 9b are SEM images of the cross-section of GNPE-1 before and after 100 cycles on the LFP cathode, respectively.
도 9a를 참조하면, 준비된 GNPE(상단)가 LFP 음극(하단)과 밀착되어 있음을 확인할 수 있고, 이는 전구체 전해질 용액이 LFP 음극을 잘 관통하기 때문이다. 에이징 과정으로 인해 in situ 중합 후 전극과 긴밀한 접촉 계면이 형성되었다. 전극과 전해질 사이의 이러한 연결은 사이클 테스트 후에도 관찰되었다.Referring to Figure 9a, it can be confirmed that the prepared GNPE (top) is in close contact with the LFP cathode (bottom), as the precursor electrolyte solution penetrates the LFP cathode well. Due to the aging process, a close contact interface with the electrode was formed after in situ polymerization. This connection between the electrode and electrolyte was also observed during cycle testing.
도 9b를 참조하면, 100주기의 셀 테스트 후 GNPE-1의 단면 SEM 이미지를 관찰한 결과, GNPE-1 층은 여전히 LPF 음극과의 우수한 호환성을 나타냈으며 사이클 테스트 후에도 기계적 무결성을 유지함을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 in situ 제조된 GNPE-1이 탁월한 기계적 안정성을 가짐을 보여줄 뿐만 아니라 형성된 가교 네트워크가 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하고 리튬 이온 배터리의 긴 수명을 보장할 수 있음을 나타낸다.Referring to Fig. 9b, a cross-sectional SEM image of GNPE-1 after 100 cycles of cell testing was observed, confirming that the GNPE-1 layer still exhibited excellent compatibility with the LPF cathode and maintained mechanical integrity even after the cycle test. These results not only demonstrate that the in situ-manufactured GNPE-1 possesses excellent mechanical stability, but also indicate that the formed cross-linked network can suppress the growth of lithium dendrites and ensure a long lifespan of lithium-ion batteries.
또한, 사이클링 테스트 후 흑연 양극의 화학적 표면 조성 조사를 위해 XPS를 수행했다. LiF는 S-F 결합 절단을 통한 LiFSI 전기화학적 환원 후에 형성되었다. 이러한 결과는 이미드계 리튬염을 전해질에 적용했을 때 SEI에 LiF의 함량이 높은 것을 설명할 수 있다.Additionally, XPS was performed to investigate the chemical surface composition of the graphite anode after cycling tests. LiF was formed after the electrochemical reduction of LiFSI via S-F bond cleavage. These results may explain the high content of LiF in the SEI when imide-based lithium salts are applied to the electrolyte.
도 10은 본원의 일 실험예에 따른 사이클링 테스트 후 흑연 양극의 GNPE-1 구성 요소에 대한 고해상도 XPS 특성 분석(S 2p, C 1s, F 1s, Li 1s, N 1s 및 O 1s) 결과이다.Figure 10 shows the results of high-resolution XPS characterization (S 2p, C 1s, F 1s, Li 1s, N 1s, and O 1s) of the GNPE-1 component of the graphite anode after a cycling test according to an experimental example of the present invention.
도 10을 참조하면, F 1s(684.5eV) 및 Li 1s(55.2eV)의 LiF 피크는 셀 테스트 후 흑연 양극에 SEI 층이 형성되었음을 의미한다. F 1s 스펙트럼에서 687.29 eV의 주요 피크는 LiFSI의 SO2F에 기인한 것으로, 이는 S 2p 스펙트럼의 168.99 eV 피크에서도 발견될 수 있다. 더욱이, O 1s 스펙트럼에서 539.29eV에 위치한 S=O 종은 C-O 종과 겹쳤다. C 1s 스캔으로 전환하면, 284.83에서 289.78 eV까지의 피크는 주로 에폭시 개환 중합 후 EC/DEC 및 CH2-CH2-O 사슬의 용매에 할당되었다. CH2-CH2-O 사슬의 해당 피크는 이전 보고서에 따라 531.59eV의 O 1s 스펙트럼에서도 조사되었다. 마지막으로, N 1s 스펙트럼은 FSI- 음이온의 S-N 및 NH2에 해당하는 400.93 및 399.44 eV에서 두 개의 피크를 나타냈다.Referring to Fig. 10, the LiF peaks of F 1s (684.5 eV) and Li 1s (55.2 eV) indicate that an SEI layer was formed on the graphite anode after the cell test. The main peak at 687.29 eV in the F 1s spectrum is attributed to SO 2 F of LiFSI, which can also be found in the 168.99 eV peak in the S 2p spectrum. Moreover, the S=O species located at 539.29 eV in the O 1s spectrum overlapped with the CO species. Switching to the C 1s scan, the peaks from 284.83 to 289.78 eV were mainly assigned to the solvent EC/DEC and CH 2 -CH 2 -O chains after the epoxy ring-opening polymerization. The corresponding peak of CH 2 -CH 2 -O chains was also investigated in the O 1s spectrum at 531.59 eV, in accordance with previous reports. Finally, the N 1s spectrum showed two peaks at 400.93 and 399.44 eV corresponding to SN and NH 2 of the FSI - anion.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those skilled in the art will readily appreciate that the present invention can be readily modified into other specific forms without altering the technical spirit or essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined manner.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 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 (11)
기판 상에 상기 전구체 용액을 적하하고 열처리하여 인-시츄(in-situ) 중합하는 단계;
를 포함하는,
고분자 전해질의 제조 방법.
A step of preparing a precursor solution by adding a lithium salt and a cross-linked polymer monomer to a solvent; and
A step of dropping the precursor solution onto a substrate and performing heat treatment to polymerize in-situ;
including,
Method for producing polymer electrolyte.
상기 리튬염은 비스(플루오로술포닐)이미드 리튬염(LiFSI)인 것인,
고분자 전해질의 제조 방법.
In the first paragraph,
The above lithium salt is bis(fluorosulfonyl)imide lithium salt (LiFSI).
Method for producing polymer electrolyte.
상기 인-시츄 중합하는 단계에서 상기 LiFSI가 중합 개시제로 작용하는 것인,
고분자 전해질의 제조 방법.
In the second paragraph,
In the above in-situ polymerization step, the LiFSI acts as a polymerization initiator.
Method for producing polymer electrolyte.
상기 가교형 고분자 단량체는 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(Trimethylolpropane Triglycidyl Ether)인 것인,
고분자 전해질의 제조 방법.
In the first paragraph,
The above cross-linked polymer monomer is trimethylolpropane triglycidyl ether.
Method for producing polymer electrolyte.
상기 전구체 용액 중 상기 리튬염은 0.1M 내지 3M의 몰 농도로 첨가되는 것인,
고분자 전해질의 제조 방법.
In the first paragraph,
In the above precursor solution, the lithium salt is added at a molar concentration of 0.1 M to 3 M.
Method for producing polymer electrolyte.
상기 열처리는 40℃ 내지 80℃의 온도 범위 하에서 수행되는 것인,
고분자 전해질의 제조 방법.
In the first paragraph,
The above heat treatment is performed under a temperature range of 40°C to 80°C.
Method for producing polymer electrolyte.
상기 용매는 고리형 카보네이트 및/또는 선형 카보네이트를 포함하는 것인, 고분자 전해질의 제조 방법.
In the first paragraph,
A method for producing a polymer electrolyte, wherein the solvent comprises a cyclic carbonate and/or a linear carbonate.
상기 고리형 카보네이트는, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 고분자 전해질의 제조 방법.
In paragraph 7,
A method for producing a polymer electrolyte, wherein the cyclic carbonate comprises one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, and combinations thereof.
상기 선형 카보네이트는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트. 디프로필 카보네이트 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 고분자 전해질의 제조 방법.
In paragraph 7,
A method for producing a polymer electrolyte, wherein the linear carbonate is selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, and combinations thereof.
A polymer electrolyte manufactured according to any one of claims 1 to 9.
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