Electrochemical Property According to Chemical Structure of Poly(alkylene carbonate) Based Solid Polymer Electrolyte = 폴리알킬렌카보네이트 기반의 고체고분자전해질의 전기화학적 특성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To study about the suitable polymer for solid polymer electrolyte (SPE), poly(alkylene carbonate)s (PACs) which can be dissolved the salt due to the high density of coordination site were introduced as the SPE and the change of ionic conductivity according to the architecture and the number of methylene in the repeating unit of PAC were studied systematically.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 SPE에 적합한 고분자에 대해 연구하고자 높은 밀도의 coordination site를 가지고 있어 염을 해리시키는데 용이한 poly(alkylene carbonate) (PAC)의 화학구조 변화에 따른 전기화학적 변화에 대해 체계적으로 연구하고자 한다. PAC는 높은 밀도의 polar group이 존재하고 있어 염을 해리시키는데 용이하므로 여러 논문에서 연구된바 있으나, PAC의 화학 구조 변화에 따른 전기화학적 특성 변화에 대해서는 체계적으로 연구되지 않았다. 이에 따라 PAC를 SPE로써 도입하고 고분자 구조 안의 대규모 구조(architecture)의 차이 또는 반복단위 내의 methylene 개수 변화에 따른 전기화학적 특성 변화에 대해 체계적으로 연구하고자 한다.
. 먼저 고분자 구조 안의 대규모 구조(architecture)의 차이에 따른 비교를 하기 위해 cyclic 형태의 PVCA와 linear 형태인 PEC를 합성하고 염을 첨가함으로써 solid polymer electrolyte (SPE)를 제작하였다. PVCA-based SPE와 PEC-based SPE의 이온 전도도는 salt의 함량이 증가할수록 커졌으며 이것은 salt의 함량이 증가하면 고분자는 지지체의 역할을 하고 salt가 이온이 이동될 수 있는 path를 형성하게 됨으로 salt를 통해 이온 전도가 일어나기 때문이다. 한편 두 고분자는 salt의 함량이 높을 때는 거의 비슷한 이온 전도도를 나타내었으나 salt의 함량이 낮을 때는 PEC가 PVCA보다 더 높은 이온 전도도를 나타내었다. 이것은 salt의 함량이 높을 때는 두 고분자 모두 salt의 ion percolation path way에 의해 이온이 전도되므로 고분자의 화학 구조와는 무관하기 때문인 것으로 생각된다. 반면에 salt의 함량이 낮을 경우에는 PEC의 유연한 사슬 구조로 인해 이온의 운반이 더 용이하기 때문이며 극성이 더 크고 염과의 배위결합으로 이온의 해리가 더 잘 일어나기 때문에 이온 전도도가 더 높게 나타난 것으로 판단된다.
또한 고분자 반복단위 내의 methylene 개수 변화에 따른 이온 전도도를 측정해 보기 위해 methylene의 개수가 다른 PEC, PTC, PBC, PPC 그리고 PHC를 합성하여 염의 함량을 달리하여 SPE를 제작하였다. SPE의 이온 전도도는 모두 salt의 함량이 증가할수록 커졌으며 반복단위 내 methylene 개수가 많아질수록 이온 전도도가 전체적으로 낮은 경향을 보였다. 이것은 methylene의 개수가 적은 고분자가 더 극성이 크고 염과의 배위결합이 많이 일어나기 때문에 해리된 이온이 더 많기 때문으로 판단된다. 해리된 이온이 적을 경우 사슬이 유연해도 전도될 매체가 없기 때문에 이온 전도도가 높지 않은 것으로 생각된다. 그리고 각 고분자들의 전기화학적 안정성을 확인해본 결과 고분자들은 모두 5V까지 분해되지 않고 안정하다는 것을 확인할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• I BACKGROUND 1
• 1.1. LITHIUM SECONDARY BATTERY 1
• 1.1.1 Introduction 1
• 1.1.2 Lithium ion battery 4
• 1.1.3 Lithium Polymer Battery 7
• 1.1.4 Other Lithium cathode Chemistry Variants 8
• 1.2. MATERIALS OF LITHIUM SECONDARY BATTERY 12
• 1.2.1 Anode Materials 12
• 1.2.2 Cathode Materials 13
• 1.2.3 Solid Electrolytes 15
• 1.3. THE STUDY OF ELECTROCHEMICAL PROPERTIES OF BATTERY SYSTEM 18
• 1.3.1 Voltage Losses of Operating Cells 19
• 1.3.2 Faraday’s Law of Electrolysis 20
• 1.3.3 Inefficiencies of Battery Operation 21
• 1.3.4 Secondary Battery Inefficiencies 23
• II ELECTROCHEMICAL PROPERTY ACCORDING TO CHEMICAL STRUCTURE OF POLY(ALKYLENE CARBONATE) BASED SOLID POLYMER ELECTROLYTE 25
• 2.1. INTRODUCTION 25
• 2.2. PROPERTY OF POLY(ALKYLENE CARBONATE)-BASED SOLID POLYMER ELECTROLYTE WITH DIFFERENT ARCHITECTURE 30
• 2.2.1. EXPERIMENTAL 30
• 2.2.1.1. Materials 30
• 2.2.1.2. Preparation of electrolyte 30
• 2.2.1.3. Characterizations 35
• 2.2.2. RESULTS AND DISCUSSION 36
• 2.2.2.1. Syntheses of poly(vinylene carbonate) and poly(ethylene carbonate) 36
• 2.2.2.2. Molecular weight of synthesized polymer 38
• 2.2.2.3. Thermal analysis 40
• 2.2.2.4. Ionic conductivity 41
• 2.2.2.5. Electrochemical stability 45
• 2.2.3. CONCLUSION 47
• 2.3. PROPERTY OF POLY(ALKYLENE CARBONATE)-BASED SOLID POLYMER ELECTROLYTE WITH DIFFERENT NUMBER OF METHYLENE GROUP 47
• 2.3.1. EXPERIMENTAL 47
• 2.3.1.1. Materials 47
• 2.3.1.2. Preparation of electrolyte 48
• 2.3.1.3. Characterizations 52
• 2.3.2. RESULTS AND DISCUSSION 53
• 2.3.2.1. Synthesis of poly(alkylene carbonate) with different number of methylene group 53
• 2.3.2.2. Molecular weight of synthesized polymer 57
• 2.3.2.3. Thermal analysis 58
• 2.3.2.4. Ionic conductivity 59
• 2.3.2.5. Electrochemical stability 63
• 2.3.3. CONCLUSION 66
• III CONCLUSION 67
• IV REFERENCE 68
• 국문요약 75