Self-healable single-ion conducting polymer electrolytes based on thermo-reversible Diels-Alder reaction = 가역적 Diels-Alder 반응 기반 자가 치유 단일 이온 전도 고분자 전해질에 대한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Single ion conducting solid polymer electrolytes (SPEs) are physically and chemically stable than liquid electrolytes that suppress undesirable side reactions. Restrain of forming byproducts such as Li dendrite can effectively extend the battery life. Additional self-healable and reprocessable functionality is essential for SPEs since the self-healing materials provide industrial and environmental benefits by its sustainability and recyclability.
Herein, the ion conducting monomer, 4-styrenesulfonyl (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiSTFSI) was copolymerized with two types of cross-linkable monomers, furfuryl methacrylate (FMA) and polyethylene glycol furoyl ester methacrylate (PEGFMA), respectively. Fraction of the conducting unit was varied that 6 types of electrolytes were synthesized.
The synthesis of the linear polymers was characterized by NMR and GPC. Their thermal stability up to 400 ℃ was confirmed by TGA. Formation of Diels-Alder cross-linking and its thermos-reversibility was investigated by various technics (DSC, FT-IR, DMA, rheometer). Ion conductivity was recorded 7.07×10-5 S cm-1 at 80 ℃ with high lithium transference number (0.96), attributed to its high electrolyte ratio and presence of PEO oligomer. After extra 30 times of reprocessing, the electrolyte remained its ion conductivity and mechanical properties thus showing good reprocessability of the SPE.

국문 초록 (Abstract)

단일 이온 전도 고체 고분자 전해질은 액체 전해질에 비하여 기계적, 화학적으로 안정적이며 전지의 음극에서 생성되는 덴드라이트와 같은 불필요한 생성물의 형성을 효과적으로 억제하고 전지의 수명을 늘리는 효과적인 수단이 될 수 있다. 고분자 전해질에 자가 치유 기능성을 도입하는 것은 고체 재료의 재생성과 지속성에 기여할 수 있기 때문에 환경적, 산업적으로 중요하다.
본 연구에서는 이온 전도 단량체인 LiSTFSI를 두 가지 자가 치유 기능성 단량체인 FMA, PEGFMA와 각각 공중합하였다. 또한 LiSTFSI의 첨가 비율을 달리하여 총 여섯 가지의 단일 이온 전도 고체 고분자 전해질을 합성하였다.
선형 고분자의 합성은 NMR, GPC를 통해 확인하였으며, TGA를 통해 고분자 종류에 따라 400 ℃까지의 열적 안정성을 확인하였다. 또한 DSC, FT-IR, DMA, 레오미터를 통해 가교 결합의 형성과 그 가역성을 확인하였다. 이온 전도도는 80 ℃에서 7.07×10-5 S cm-1까지 측정되었고 0.96의 높은 리튬 전도율을 보였으며, 이온 전도 단량체의 비율 및 PEO 사슬의 도입 여부에 따라 긍정적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 추가적인 30회의 재처리 과정 이후 이온 전도도와 기계적 물성에서 높은 재현성을 보여 고분자 전해질의 높은 재생 기능성을 확인할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
• CHAPTER 2. EXPERIMENTAL PROCEDURES 6
• 2.1 Materials 6
• 2.2 Preparation of lithium 4-styrenesulfonyl(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiSTFSI) 6
• 2.3 Preparation of polyethylene glycol furoyl ester methacrylate (PEGFMA) 9
• 2.4 Polymerization of poly(LiSTFSI-co-FMA) (Ls) and poly(LiSTFSI-co-PEGFMA) (LPs) 11
• 2.5 Preparation of thermally reprocessable and self-healable SPEs (xLs, xLPs) 12
• 2.6 Characterization 12
• 2.7 Electrochemical properties 13
• CHAPTER 3. DISCUSSION 15
• 3.1 Characterization of linear polymers 15
• 3.2 Thermo-reversible cross-linking of lithium ion conducting polymers 18
• 3.3 Thermomechanical and tensile properties of the electrolytes 20
• 3.4 Electrochemical properties 25
• 3.5 Self-healing and reprocessability of xLP3 29
• CHAPTER 4. CONCLUSION 32
• REFERENCES 33