Electrochemical Properties of Polymer Composite Electrolytes Based on Poly (ethylene oxide) Containing Modified Fillers = 변형된 필러를 포함하는 폴리에틸렌옥사이드 기반 복합체 전해질의 제조와 전기화학적 특성

국문 초록 (Abstract)

고분자 복합체 전해질의 전기 화학적 특성을 향상시키기 위해 세라믹 (TiO2) 과 이온성액체가 결합된 변형된 필러 (IL-TiO2) 를 포함하는 Poly(ethylene oxide) (PEO) 기반 고분자 복합체 전해질에 대한 연구를 진행하였다. 이온성 액체 (IL) 로 1-ethyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate (EMI-PF6) 를 티타늄옥사이드에 졸-겔법을 사용하여 화학적으로 결합에 의해 생성된 IL-TiO2필러를 PEO 기반의 고분자 매트릭스에 적용하였다. PEO 고분자 복합 전해질의 제조에는 Solution casting 법과 Ultra soication을 이용하여 모든 전해질 제조에 적용하였다.
이온전도도는 AC impedance 법을 이용하여 측정하였고, 향상된 이온전도도는 전해질 복합체의 감소된 결정화도와 구조의 변화에 의존 됨을 알 수 있었다. IL-TiO2의 함량을 변화 시키면서 고분자 복합체 전해질에 도입시킴으로써 실험이 진행 되었는데, Impedance plot의 반원의 크기가 가장 작을 때, 즉 IL-TiO2이 9wt.%가 첨가 되었을 경우에 고분자 복합체 전해질의 이온전도도가 1.1x10-4 S/cm 로 가장 높은 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 필러의 우수성을 확인하기 위해 TiO2(5μm), BaTiO3(100nm)와 비교실험을 통해 IL-TiO2가 포함된 전해질의 이온전도도와 전기화학적 안정성을 확인하였다. 강한 아크릴기로 결정성이 없고 결합력이 강한 Poly(methyl methacrylate) (PMMA)를 사용함으로써, 기존의 PEO고분자 지지체와 결합을 통해 결정화도 감소와 이를 통한 비정질 영역의 확대로 Li 염의 이동성을 증가시켰다. 또한 유전율과 결합력이 우수한 Imidazolium 염이 결합된 TiO2는 고분자 매트릭스와의 결합성과 유연성을 더욱 강하게 만들 수 있었다. Imidazolium 염이 포함된 세라믹필러가 더 높은 이온전도도의 결과를 가져오는 고분자 복합체 내의 고른 분산뿐만 아니라 Li이온의 거동을 향상시키는 비정질 영역을 확대시키는데 높은 영향을 미친다. IL-TiO2의 함량이 9wt.% 초과하였을 경우에는 필러의 응집현상과 같은 부반응으로 이온전도도가 다시 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서, PEO기반의 고분자 복합체 전해질에서는 IL-TiO2의 함량이 9wt.%가 최적의 함량이라는 것을 알 수 있었다. 또한 IL-TiO2의 함량이 증가하면서, XRD 피크와 DSC 커브를 통해 결정화도가 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 Imidazolium 염이 결합된 비결정질 실리카를 첨가하면서 PEO고분자의 chain stacking or arrangement에 영향을 미쳐 고분자 내의 chain 결정화도를 감소시켜 Li 이온의 이동통로가 증가하여 이온전도도 향상에 크게 기여한다는 것을 의미하였다. 또한 시간에 따른 저항의 변화와 온도에 따른 전도도의 변화를 통해 기존의 세라믹필러인 TiO2와 Complex세라믹인 BaTiO3보다 전기화학적으로 내환원성이 우수한 Imidazolium염이 결합된 IL-TiO2가 우수한 전기화학적 안정성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 6
• 2. Backgrounds 10
• 3. Objectives 24
• 4. Experimental 27
• 5. Results and Discussion 33
• 6. Conclusions 63
• References 66
• Abstract 71