이온성 액체와 고분자 기반의 이차전지용 고체 전해질의 제조

강혜주,정현택 한국응용과학기술학회 2020 한국응용과학기술학회지 Vol.37 No.6

The solid-state electrolyte based on polymer has great attention to develop its ionic conductivity from conventional polymer electrolyte by using wide range of ionic liquids with remarkable processability, flexibility and is applicable to various electrochemical devices including batteries, supercapacitor. Polymer electrolyte based on Ionic liquid with high conductivity, wide electrochemical stability, thermal stability is used in various electronic devices. In this work, we have investigated and developed solid-state electrolyte based on ionic liquid and polymer with enhanced ionic conductivity and electrochemical performances to conduct to various electronic devices including secondary battery. The ionic conductivity of polymer based solid state electrolyte with optimized ratio of the ionic liquid was 1.46 -2 S/cm. The ionic liquid and polymer based electrolyte with enhanced ionic conductivity is promising candidates to utilize in wide range of secondary batteries. 고분자를 기반으로 하는 고체전해질은 용이한 가공성, 재료의 유연성뿐만 아니라 배터리, 슈퍼커패시터를 포함하는 이차전지 등 다양한 전기화학 소자에 응용이 가능한 소재로서, 기존 전해질의 낮은 이온전도도 및 전기화학적 안정성을 향상시키기 위하여 다양한 이온성 액체 기반의 고체 전해질에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이온성 액체의 높은 이온전도성, 넓은 전기화학 안정성, 열적 안정 성을 활용한 고분자 전해질은 다양한 전자소자에 활용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이온성 액체의 종류와 비율의 최적화를 통하여 고분자 기반의 고체 전해질을 제조하고 전기화학적 성능을 분석하여 이차전지를 포함한 다양한 전자 소자에 응용이 가능한 이온성 액체 기반의 전해질을 개발하고자 하였다. 이온성 액체의 비율을 최적화를 통하여 제조된 고분자 기반 고체 전해질의 이온 전도도는 1.46 -2 S/cm 로 확인되었다. 이온전도도가 향상된 이온성 액체와 고분자 기반의 고체 전해질은 다양한 이차전지에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

세그멘트 폴리우레탄 우레아에 기초한 순수 고체전해질의 이온 전도성

이상걸,조남주 부산대학교 생산기술연구소 2000 生産技術硏究所論文集 Vol.59 No.-

4,4'-methylene - bis(phenyl isocyanate), ethylene diamine과 poly(ethylene oxide)(PEO)/poly( propylene oxide)(PPO)(Mw~1000, 2440, 3400)의 공중합체로 세그멘트 폴리우레탄 우레아(SPUU)를 하였다. 전해질은 용액 법으로 필름을 형성시켜 제조하였다. 고분자전해질 필름의 이온 전도도는 Pt 전극을 사용하여 교류 임피던스로 측정하였다. 이들 고분자전해질은 실온에서 높은 전도도를 보였으며, lithium perchlorate를 약 20%(w/w) 함유한 고분자전해질이 가장 우수하여 실온에서 3.1×10-5s/cm 가 나왔다. 이들 복합체의 이온 전도도는 온도에 대해 Arrhenius형태를 따르는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과는 용매가 포함되지 않는 고분자 전해질로서 SPUU의 가능성을 제시하고 있다. Various types of segmented poly(urethane urea)s(SPUUs) were synthesized from 4,4-metylene-bis(phenyl isocyanate), ethylene diamine, and poly(ethylene oxide) (PEO)/poly(polypropylene oxide) (PPO) copolymer with molecular weights of 1000, 2440 and 3400. The films of electrolyte were prepared by the solution casting method. Ionic conductivity measurements were carried out on thin film of the polymer electrolytes that had been contacted with Pt electrode assembly using conventional AC impedance spectroscopy. These polymer electrolytes showed inherently high ionic conductivity at room temperature. The optimum concentration of lithium perchlorate was about 20%(w/w). resulting in an ionic conductivity of about 3.1 × 10-5S/cm at room temperature. The ionic conductivity of these complexe was found to show the Arrhenius tripe temperature dependence. These results indicate that prepared SPUUs electrolytes are promising candidates for the development of polymeric solvent-free electrolyte.

새로운 막 제조 방법에 의한 고분자 전해질막의 성질 향상

김태희,박권필,이정훈 한국수소및신에너지학회 2006 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.17 No.3

높은 이온전도도와 충분한 기계적 강도, 전해질 누수가 적은 새로운 형태의 고분자 전해질막 (pore-gel SPE)을 연구 개발하였다. 다공성 PVDF-HFP 고분자막의 기공 내에 전해질 용액을 흡수시킨 후 막 내에서 젤화를 진행시켰다. 전해질 용액은 2:2:1의 비를 갖는 PC/EC/DMA에 1M SA (Salicylic acid)를 용해하고 여기에 고분자막을 용해시킬 수 있는 아세톤을 첨가하였다. 초음파를 이용함으로써 고분자막의 용액 흡수율을 증가시키고 또 고분자막에서 젤화를 촉진 시킬 수 있었다. 이렇게 젤화한 막의 이온전도도는 젤화 전 막보다 1~2.2 배 향상되었고, 인장강도는 gel-type SPE 보다 40 배 증가하였으며, 전해질 누수실험결과 hybrid-type SPE는 13%의 누수를 보였으나 본 연구의 막 (pore-gel SPE)은 6%로 감소함을 보였다.

고분자 전해질의 기계적 물성 및 이온전도 특성 향상을 위한 가교제 구조 제어

배효원(Hyo Won Bae),박호석(Ho Seok Park),김동욱(Dong Wook Kim) 한국전지학회 2021 한국전지학회지 Vol.1 No.2

고분자 전해질의 낮은 기계적 물성 및 이온전도도는 리튬 고분자 전지의 상업화에 걸림돌로 작용하고 있다. 본 논문에서는 가교제 구조 제어를 통하여 고분자 전해질의 기계적 물성 및 이온전도 특성 향상 연구를 진행하였다. 가교제의 가교 기능기의 수가 많아질수록, 에틸렌옥사이드(EO) 반복단위의 수가 적을수록 기계적 물성이 향상됨을 확인하였다. 이온전도도는 가교 기능기가 3인 가교제에서 가장 높은 수치를 나타낸 반면 EO 반복단위의 수가 미치는 영향은 미미하였다. 결국 기계적 물성 및 이온전도도 면에서 3개의 가교 기능기를 지니면서 EO 반복단위가 1개인 CL3-1이 가장 적합함을 확인하였다. 리튬 음극, NCM 양극에 적용하여 리튬금속 고분자 전지를 제조하고, 45℃에서 진행된 여러 율속에서의 충방전 특성 평가 결과, 0.1 C 대비 1.0 C에서 89%의 용량 유지율을 나타내었다. 또한 50회 충방전 사이클 동안 94%의 용량유지율을 나타내는 우수한 사이클 안정성을 나타냄을 확인하였다. The poor mechanical properties and low ionic conductivity of polymer electrolyte (PE) are main hurdle for commercialization. In this work, we report on enhancement of the mechanical properties and ionic conductivity of PE by controlling the molecular structure of the cross-linkers. Mechanical property of PE was enhanced with the number of cross-linking groups (acrylate) increased and with the number of ethylene oxide (EO) repeating units decreased. Ionic conductivity of PE was maximized at the cross-linker with three acrylates, but it was not affected by the number of EO units. As a result, CL3-1 with three acrylates and one EO unit was found the most suitable cross-linker for the mechanical property and ionic conductivity of SPE. We prepared lithium polymer battery by using lithium metal anode, NCM cathode, and SPE with CL3-1 crosslinker. The discharge-charge cycle test at a different C-rate at 45℃ showed that the battery exhibited capacity retention as high as 89% at 1.0 C when compared with one at 0.1 C. In addition, the battery showed 94% capacity retention during 50 cycles.

온도에 따른 고분자전해질막의 기계적 특성에 관한 연구

어준우,김승환,서영진,고형종,황철민,정영관 한국수소및신에너지학회 2022 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.33 No.5

In this study, the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane according to the temperature were studied. The test specimens of polymer electrolyte membrane were heat treated at 40℃, 60℃, 80℃, 100℃, and 120℃, and then the tensile tests were performed. As results of this study, the residual stress of the polymer electrolyte membrane was removes by the heat treatment and the elastic modulus decreased due to the decrease in internal energy. In addition, in the plastic region, the mechanical properties and crystallization rate of the polymer electrolyte membrane increased in proportion according to increase of the heat treatment temperature.

서로 다른 GDL을 이용한 고분자전해질 막 연료전지의 황불순물 복합피독에 의한 성능 저하

이수 ( Soo Lee ),김재현 ( Jae Hyun Kim ),진석환 ( Seok Hwan Jin ) 한국유화학회 2013 한국응용과학기술학회지 Vol.30 No.1

본 연구에서는 연료극 또는 공기극에 함유된 불순물인 황화합물의 도입을 차단할 수 있는 GDL을 제조하여, 이를 평가용 단위전지에 체결하여 H2S와 SO2를 연료극과 공기극에 각각 동시에 공급하여 PEMFC의 성능 저하 및 회복에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과 H2S와 SO2의 농도가 증가함에 따라 전지의 성능이 감소하며 특히 10 ppm 이상의 농도에서는 10분 이내에 약 10-15% 정도 성능이 감소하였다. 특히 GDL 표면의 기공이 없는 CN-2 GDL을 체결한 단위전지의 경우 피독에 의한 성능 감소 속도가 더 빠른 것을 확인하였다. 그리고 단위전지 피독 후 황화합물이 혼합되지 않은 순수 가스를 1시간 이상 공급하였을 때 전지의 성능이 GDL의 종류에 따라 90%에서 95% 이상 회복되며 CN-1 GDL의 경우가 가장 회복이 우수하였다. This paper reveals the performance decrease and recovery of PEMFC when the contaminated fuel gas and air source with sulfur impurities such as hydrogen sulfide and sulfur dioxide were simultaneously introduced to anode and cathode, respectively. Three different GDLs were fabricated with different carbon black and activated carbon to prevent an introduction of sulfur compound impurities into MEA. components. The severity of SO2 and H2S poisoning was depended on concentrations(3 ppm - 10 ppm) of sulfur impurities. Especially, cell performance degradation rate was rapid when MEA fabricated with CN-2 GDL because it had little porosity on GDL surface. Moreover, the cell performance can be recovered up to 90%-95% only with neat hydrogen and fresh air feeding.. Conclusively, MEA fabricated with porous CN-1 GDL showed the best cell performance and recovery efficiency during exposure to poisoning condition by simultaneous sulfur impurities.

고분자 전해질막 연료전지의 저가습 운전을 위한 다층구조 기체확산층에 관한 연구

공임모(Im Mo Kong),김성일(Sung Il Kim),김동규(Dong kyu Kim),김민수(Min Soo Kim) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.12

Downsizing system is very important issue in a fuel cell vehicle using polymer electrolyte membrane. Polymer electrolyte membrane must be hydrated properly to ensure high proton conductivity of the membrane. Mostly, external humidifying systems using membrane, bubbler, and injection are used to humidify reactant gas. However, these external humidifiers expand the volume, weight and complexity of a fuel cell system. In this study, multi-layer structured gas diffusion layer (GDL) is utilized to a fuel cell to enhance water retention capacity for low humidity operation. Multi-layer structured GDL forms small empty spaces and plays a role as a internal humidifying system. Using Multi-layer structured GDL, the performance of fuel cell are improved more than 10% compared to normal GDL under low humidity operating conditions.

도금된 폴리카보네이트 분리판을 이용한 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지에 관한 연구

박태현(Taehyun Park),이윤호(Yoon Ho Lee),장익황(Ikwhang Chang),지상훈(Sanghoon Ji),백준열(Jun Yeol Paek),차석원(Suk Won Cha) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.2

본 연구에서는 도금된 폴리카보네이트를 사용하여 공기호흡형 고분자 전해질막 연료전지의 분리판을 제작하였다. 도금층은 구리 40μm, 니켈 10μm, 금 0.3μm 로 구성되었으며, 구리는 전기 전도층, 니켈은 구리와 금의 결합, 금은 도금층의 부식을 방지하기 위해 사용되었다. 본 분리판을 사용하여 성능을 평가한 결과 120mW/cm<SUP>2</SUP> 의 전력 밀도를 보였으며 이는 동일한 조건에서 그라파이트 분리판을 사용했을 때의 전력밀도와 거의 차이가 나지 않았다. 또한 평판형 12 층 스택의 공기호흡형 연료전지를 구성한 결과 각 전지당 132.7mW/cm<SUP>2</SUP> 의 성능을 보였으며 이를 12 시간 운전해본 결과 안정적인 성능을 보여 공기호흡형 고분자 전해질 연료전지의 분리판으로 적합함을 확인하였다. In this study, a metal-plated polycarbonate was adopted as a material for bipolar plates in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The coated layers included 40-μm-thick copper, 10-μm-thick nickel, and 0.3-μm-thick gold that respectively played the roles of current conduction, adhesion between copper and gold, and minimization of surface corrosion. The maximum power of the air-breathing PEMFC with polycarbonate bipolar plates was 120 mW/cm<SUP>2</SUP>, which was similar to that of graphite bipolar plates. Finally, the maximum power of a 12-cell stack of polycarbonate bipolar plates was 132.7 mW/cm<SUP>2</SUP>, and it had an operating time of 12 h. Therefore, this was considered a suitable material for bipolar plates in PEMFCs.

산소극 반응가스 흐름방향, 상대습도, 기공률 변화에 따른 고분자전해질연료전지 성능분석

류의환,김우태 한국기계기술학회 2014 한국기계기술학회지 Vol.16 No.1

고분자 전해질 연료전지의 활성화

고재준(Ko, Jae-Jun),고행진(Ko, Haeng-Jin),송민규(Song, Min-Kyu),양유창(Yang, Yu-Chang),이종현(Lee, Jong-Hyun) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06

고분자 전해질막 연료전지는 운전시 정상적인 성능을 발현하기 이해서 전지 본체 조립 후 초기 활성화 운전이 필요하다. 이러한 활성화 운전을 통해 전해질 사이의 수소이온이동 통로, 반응가스가 반응할 수 있는 촉매까지의 이동 통로, 촉매층내의 전기적 연속성을 확보함으로 연료전지는 최적의 성능을 나타낼 수 있다. 본 연구를 통해 연료전지 활성화에 영향을 미치는 요인을 찾았고, 이를 통해 효과적이고 빠른 활성화 절차에 관한 연구를 수행하였다.