에틸렌 옥사이드 기반 이온전도성 가소제의 합성 및 특성 = Synthesis and Properties of Ethylene Oxide-Based Ion-Conducting Plasticizers

국문 초록 (Abstract)

고체 전해질은 액체 전해질에 비해 높은 안정성 및 에너지 밀도를 가져 차세대 리튬 이온 전지용 전해질로 주목받고 있다. 그중 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide), PEO)를 기반 고분자 고체 전해질은 우수한 리튬 이온 수송 능력과 가공성이라는 장점을 가지지만, 상온에서의 높은 결정성으로 인해 낮은 이온 전도도, 제한적인 산화 안정성, 부족한 기계적 강도 등으로 실사용에 어려움이 따른다. 본 연구에서는 벤젠 고리를 코어로 하여 에틸렌옥사이드(Ethylene Oxide) 사슬을 도입한 새로운 이온 전도성 가소제(P1-P5)를 합성하고 이를 직접 PEO 기반 고체 전해질막에 도입하여 다양한 특성을 평가하였다. 실제로 이온 전도성 가소제를 도입한 PEO 전해질막은 무가소제막에 비해 결정성이 감소하고 상온 이온 전도도가 향상되는 경향을 보였다. 특히 P1 을 도입한 전해질막(PLP1)의 경우 결정화도가 약 14.2%p 감소하는 동시 에 상온 이온 전도도가 약 6배 증가한 모습을 보였다. 주목할 점은, 결정성을 낮추는 가소제를 첨가했음에도 전해질막의 산화 안정성이 여전히 실사 용에 적합한 수준으로 유지되었다는 점이다. 이러한 결과로부터, 에틸렌옥사이드와 벤젠을 결합한 이온 전도성 가소제가 PEO를 기반으로 한 고분 자 고체 전해질의 약점을 보완할 수 있는 유효한 설계 전략임을 보여주며, 향후 폭넓은 적용 연구를 통해 고체 전해질의 핵심 소재로 응용될 가능성을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Solid-state electrolytes offer higher safety and energy density than liquid electrolytes, making them promising candidates for next-generation lithium-ion batteries. Among them, PEO based polymer electrolytes are attractive due to their excellent lithium-ion coordination and processability; however, their high room-temperature crystallinity results in low ionic conductivity, limited oxidative stability, and insufficient mechanical strength.
In this study, a series of ion-conducting plasticizers (P1-P5) was synthesized by attaching ethylene oxide (EO) chains to a benzene core and incorporated into PEO-LiTFSI electrolyte membranes. The plasticized membranes showed reduced crystallinity and enhanced room-temperature ionic conductivity compared with the plasticizer-free membrane. Notably, the PLP1 membrane exhibited a 14.2%p decrease in crystallinity and a six-fold increase in ionic conductivity. Despite the crystallinity reduction, the mechanical strength and oxidative stability of the membranes remained suitable for practical operation.
These results indicate that EO-benzene based ion conducting plasticizers effectively address the key limitations of PEO polymer electrolytes and present a promising strategy for solid state electrolyte development.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅲ
• 그림목차 ⅳ
• 국문초록 ⅵ
• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 1. 1. 1. PEO 기반 고체 전해질의 특성 1
• 1. 1. 2. 가소제의 역할과 메커니즘 3
• 1. 1. 3. 기존 가소제의 한계 및 연구 동향 5
• 제2절 연구 목표 7
• 제2장 실 험 9
• 제1절 시약 및 재료 9
• 제2절 합성 공정 10
• 2. 2. 1. 전구 물질 합성 공정 10
• 2. 2. 2. 가소제 합성 공정 11
• 제3절 고체 고분자 전해질막 제조 14
• 2. 3. 1. 고체 고분자 전해질막 제조 공정 14
• 2. 3. 2. 고체 고분자 전해질의 조성 15
• 제4절 기기분석 및 측정 16
• 2. 4. 1. 분자량 측정 및 구조 분석 16
• 2. 4. 2. 형태학적 특성 분석 16
• 2. 4. 3. 열적 안정성 측정 16
• 2. 4. 4. 결정화도 측정 17
• 2. 4. 5. 상온에서의 이온전도도 측정 17
• 2. 4. 6. 산화·환원 안정성 측정 18
• 2. 4. 7. 인장강도 측정 18
• 제3장 결과 및 고찰 19
• 제1절 분자구조 분석 19
• 3. 1. 1. FAB MS를 이용한 분자량 분석 19
• 3. 1. 2. 1H-NMR을 이용한 분자구조 분석 22
• 제2절 형태학적 특성 분석 27
• 제3절 열적 특성 분석 29
• 3. 3. 1. 결정화도 측정 29
• 3. 3. 2. 열적 안정성 측정 32
• 제4절 전기화학적 특성 분석 34
• 3. 4. 1. 이온전도도 측정 34
• 3. 4. 2. 산화 안정성 측정 36
• 제4장 결 론 39
• 참고문헌 40
• ABSTRACT 45