이차전지용 ETPTA기반 PEO-일라이트 유무기 고분자 복합 전해질의 전기화학적 특성 및 성능 향상 연구 = Electrochemical Properties and Performance Enhancement of ETPTA-Based PEO-Illite Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolytes for Lithium-Ion Batteries

국문 초록 (Abstract)

고체 전해질은 높은 안전성, 기계적 안정성, 그리고 리튬 금속 음극과의 우수한 호환성으로 인해 차세대 전고체 배터리 개발의 핵심 구성 요소로 주목받고 있다. 고분자 기반 고체 전해질(Polymer-based Solid Electrolytes)은 유연성, 가공성, 전극과의 우수한 계면 접촉 등의 장점을 지니지만, 구조적 안정성이 낮다는 한계가 있다. 또한 고분자 매트 릭스로서 사용되는 poly(ethylene oxide) PEO 고분자는 높은 결정성을 가져 상온에서 낮은 이온전도도와 열적 안정성이 낮아 상용화에 어려움이 존재한다. 본 연구에서는 기존 고분자 전해질의 한계를 개선하고자 가교성 모노 머 Ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA)와 첨가제 점토류 광물 일라이트를 이용하여 광중합을 통해 고분자 복합 전해질(Poly mer Composite Electrolyte)을 제조하였다. 다양한 일라이트 함량에서 PCE 전해질의 이온 전도도를 상온 (25 ℃)에서 측정한 결과, 4 wt% 일라이트를 첨가하여 제조된 고분자 복합 전해질은 2.31 ⨉ 10-4 S/cm 의 우수한 이온전도도와 계면 안정성을 나타내었다. 또한 PCE 전해질 적용하여 제조한 Li/LiFePO4 전지는 300 Cycle의 충·방전 이후에도 비교적 안정적인 용량과 쿨롱 효율을 나타내어, 점토류 광물 일라이트 첨가제는 고분자 전해질의 물리적·전기화학적 성능 향상에 유용한 통찰을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Solid electrolytes have attracted significant attention as a key component in the development of next-generation all-solid-state batteries due to their high safety, mechanical stability, and excellent compatibility with lithium metal anodes. Polymer-based solid electrolytes offer advantages such as flexibility, good process ability, and intimate interfacial contact with electrodes; however, they suffer from limited structural stability. In particular, poly(ethylene oxide) (PEO), which is widely used as a polymer matrix, exhibits high crystallinity, resulting in low ionic conductivity at room temperature and poor thermal stability,which hinder its practical application.
In this study, polymer composite electrolytes (PCEs) were fabricate via photopolymerization using a cross-linkable monomer, ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA), and a clay mineral additive, Illite, to overcome the limitations of conventional polymer electrolytes.
The ionic conductivity of the PCEs was evaluate at room temperature (25 ℃) with varying illite contents. The PCE containing 4 wt% illite exhibited a high ionic conductivity of 2.31 × 10-4 S/cm along with improved interfacial stability. Furthermore, Li/LiFePO4 cells assemble with the PCE demonstrated relatively stable discharge capacity and Coulombic efficiency even after 300 charge–discharge cycles. These results indicate that the incorporation of the clay mineral illite provides valuable insights into enhancing the physical and electrochemical performance of polymer electrolytes.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ.서론 1
• Ⅱ.이론적배경 3
• 2.1 리튬 이차전지 원리 및 구성 3
• 2.2 점토류 광물 일라이트 12
• 2.3 전해질 14
• 2.3.1 고체 전해질 분류 14
• 2.3.2 Poly ethylene oxide (PEO) 고분자 고체 전해질 16
• Ⅲ. 실험방법 17
• 3.1 박리 일라이트 제조 17
• 3.2 일라이트를 활용한 고분자 복합 전해질 제조 19
• 3.3 전극 제조 및 전지 조립 23
• 3.4. 물리적, 전기화학적 특성 분석방법 25
• 3.4.1 물리적 특성 분석 25
• 3.4.2 전기화학적 특성 분석 26
• Ⅳ. 실험결과 27
• 4.1 물리적 특성 분석 결과 27
• 4.2 전기화학적 특성 분석 결과 36
• Ⅴ. 결론 46
• 참고문헌 48
• ABSTRACT 57