KR100199245B1 - 고체 고분자 전해질 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 고체 고분자 전해질 조성물은 폴리(아크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트-올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트)인 고분자 매트릭스 10~90중량% 및 리튬 염과 비양자성 용매로 구성되는 액체 전해액 90~10중량%로 이루어진다. 상기 고분자 매트릭스는 폴리아크릴로니트릴, 메틸 메타크릴레이트 및 폴리올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트의 삼원 공중합체이다. 상기 고분자 매트릭스인 삼원 공중합체는 아크릴로니트릴 20~80몰%, 메틸 메타크릴레이트 20~80몰%, 및 올리고 옥시 에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트 5~20몰%를 함유한다. 본 발명의 고체 고분자 전해질 조성물의 액체 전해액에 사용되는 리튬 염으로는 리튬 퍼클로로레이트(LiClO4), 리튬 헥사플루오르포스페이르(LiPF6), 리튬 테트라플루오르보레이트(LiBF4), 리튬 트리플루오르메탄설포네이트(LiCF3SO3), 리튬 헥사플루오르아세네이트(LiAsF6)등이 있다. 본 발명의 액체 전해액에 사용되는 비 양자성 용매로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보니에트 등의 환상에스테르류, γ-뷰틸로락톤 등의 락톤류, 테트로하이드로퓨란 등의 환상에스테르류를 사용하였으며, 리튬 염으로는 리튬퍼클로레이트, 리튬 헥사플루오르포스페이트, 리튬 테트라플루오르보레이트, 리튬 트리플루오르메탄 설포네이트, 리튬 헥사플루오르아세네이트 등이 있다.

Description

고체 고분자 전해질 조성물
제1도는 본 발명에 따른 일정한 온도에서 아크릴로니트릴, 메틸 메타크릴레이트, 및 올리고 옥시 에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트의 몰 함량이 각각 11%, 79%, 10%인 폴리(아크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트-올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트) 삼원공중합체와 액체 전해액으로 구성된 고분자 전해질내에서 전해액의 함량에 따른 이온전도도(σ)의 변화를 나타낸 도표이다.
제2도는 본 발명에 따른 폴리(아크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트-올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트)와 액체 전해액을 함유하는 조성물에 첨가되는 실리카(SiO/2)의 함량에 따른 이온전도도의 변화를 나타낸 도표이다.
제3도는 본 발명에 따른 폴리(아크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트-올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트), 액체 전해액 및 실리카로 이루어진 조성물의 선형 주사전위법에 의해서 얻어진 산화분해전위를 나타낸 도표이다.
[발명의 분야]
본 발명은 고분자 전해질 조성물에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명은 폴리(아크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트-올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트) 삼원 공중합체, 리튬염, 비양자성 용매(aprotic solvent), 및 세라믹 필러(filler)를 주성분으로 하는 고분자 전해질 조성물에 관한 것으로, 리튬 이차전지, 전기 변색소자 등의 전기화학장치에 응용이 가능한 재료에 관한 발명이다.
[발명의 배경]
전지, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 발전함에 따라 고성능, 고안전성의 이차전지에 대한 수요는 점차 증가되어 왔고, 특히 전지, 전자제품의 경박단소화 및 휴대화 추세에 따라 이 분야의 핵심 부품인 이차전지도 박막화, 소형화가 요구되고 있다. 이러한 수요를 충족시키기 위하여 여러 종류의 신형전지가 개발되고 있는데, 그 중 가장 많은 각광을 받고 있고 장래성이 높은 전지가 리튬 고분자 이차전지이다. 리튬 고분자 이차전지는 기존에 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전자가 갖는 단점, 예를 들면 안정성문제, 제조비용의 고가, 대형 전지제조의 어려움, 전지크기나 모양의 한계 등을 해결할 수 있을 것으로 기대되는 21세기형 차세대 전지이다. 이러한 리튬 고분자 이차전지의 전해질 물질로 사용되는 고체 고분자 전해질은 이온 전도체로서 전자 전도도는 무시할 정도로 작고, 이로 인한 자기 방전이 거의 없으며, 전극과 전해질간의 접착성이 우수하고, 큰 면적의 박막 도포가 가능한 특성을 가지고 있다.
이와 관련하여 많은 발명자들에 의해 상온에서 우수한 전도특성을 나타내는 고분자 전해질의 개발이 이루어지고 있는데, 대부분의 연구는 가소화된 고분자 전해질에 관한 것이다. 이들 고분자 전해질은 많은 양의 액체 전해액을 고분자 매트릭스에 첨가하여 제조한 것으로, 리튬 고분자 이차전지의 상용화에 가장 근접한 시스템으로 알려져 있다. 고분자 매트릭스로 사용되는 고분자의 대표적인 예를 들면 폴리(아크릴로니트릴)(PAN), 폴리(비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리(에틸렌옥사이드)(PEO), 폴리(염화비닐)(PVC) 등이 있다.
미국특허 제5,219,679호에는 폴리아크릴로니트릴, 비양자성 유기용매 및 리튬 염으로 구성된 고분자 전해질 조성물에 관한 내용이 개시되어 있으며, 이 고분자 전해질 조성물은 상온에서 10-3S/cm 이상의 높은 이온 전도도를 나타내었다. 그러나 폴리(아크릴로니트릴)이 비점이 낮은 일반 유기용매에 잘 용해되지 않아 100℃ 이상의 고온에서 제조해야 하는 문제점이 있다. 또한 이들 성분으로 제조된 고분자 전해질은 액체 전해액과 상용성이 없어 상온에서 상분리 현상이 발생됨으로써 액체 전해액이 외부로 스며 나와 안정성의 문제가 제기되고 있다.
유럽 특허 제0279554호에는 폴리(에틸렌옥사이드)를 고분자 매트릭스로 사용하고 여기에 리튬 퍼클로로레이트를 함유시킨 후, 이온 전도도를 향상시키기 위하여 비양성자 용매인 에틸렌카보네이트나 프로필렌카보네에트를 첨가시켜 제조한 고분자 전해질이 개시되어 있다. 그러나 고분자 매트릭스로 사용된 폴리(에틸렌 옥사이드)의 유리전이온도가 낮아, 얻어진 고분자 전해질 필름이 끈적끈적한 점착성의 고체가 되어 다루기 어려운 단점이 있다.
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 우수한 필름 성형성을 갖는 고체 고분자 전해질 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 우수한 이온 전도도를 갖는 고체 고분자 전해질 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 액체 전해액이 외부로 스며 나오는 현상(exudation)을 억제할 수 있는 고체 고분자 전해질 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상온에서 제조가 용이한 고체 고분자 전해질 조성물을 제공하기 위한 것이다.
[발명의 요약]
본 발명의 고체 고분자 전해질 조성물은 폴리(아크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트-올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트)인 고분자 매트릭스 10~90중량% 및 리튬 염과 비양자성 용매로 구성되는 액체 전해액 90~10중량%로 이루어진다.
상기 고분자 매트릭스는 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸 메타크릴레이트 및 폴리올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트의 삼원 공중합체이다.
상기 고분자 매트릭스인 삼원 공중합체는 아크릴로니트릴 20~80몰%, 메틸 메타르릴레이트20~80몰%, 및 올리고 옥시 에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트 5~20몰%를 함유한다.
본 발명의 고체 고분자 전해질 조성물의 액체 전해액에 사용되는 리튬 염으로는 리튬 퍼클로로레이트(LiClO4), 리튬 헥사플루오르포스페이트(LiPF6), 리튬 테트라플루오르보레이트(LiBF4), 리튬 트리플루오르메탄설포네이트(LiCF3SO3), 리튬 헥사플루오르아세네이트(LiAsF6)등이 있다.
본 발명의 액체 전해액에 사용되는 비 양자성 용매로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등의 환상에스테르류, γ-뷰틸로락톤 등의 락톤류, 테트라하이드로퓨란 등의 환상에테르류를 사용하였으며, 리튬 염으로는 리튬 퍼클로레이트, 리튬 헥사플루오르포스페이트, 리튬 테트라플루오르보레이트, 리튬 트리플루오르메탄 설포네이트, 리튬 헥사플루오르아세네이트 등이 있다.
본 발명의 고체 고분자 전해질 조성물 100중량부에 대하여 5~40중량부의 세라믹 필러가 더 첨가될 수 있으며, 그 예로는 실리카, 알루미나, 리튬 알루미네이트 및 제올라이트 등이 있으며, 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 고체 고분자 전해질 조성물은 고분자 매트릭스인 삼원 공중합체를 용매에 완전히 녹인 후 액체 전해액을 첨가하여 제조한다.
상기 전해질 조성물은 유리판 또는 미세다공수지막 위에 부어 캐스팅하고, 캐스팅된 고분자 전해질 필름을 6시간 이상 상온에서 방치하여 건조시킨다. 본 발명의 고분자 전해질 필름은 리튬 고분자 이차전지에 적용된다. 상기 미세다공수지막은 폴리올레핀계 수지로 제조된다.
이하 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.
[발명의 구체예에 대한 상세한 설명]
지금까지 가소화된 고분자 전해질의 매트릭스로 가장 많이 연구되어 온 고분자는 폴리아크릴로니트릴이다. 폴리아크릴로니트릴과 리튬 헥사플루오르아세네이트 등의 리튬 염, 에틸렌 카보네이트 등의 비양자성 용매로 구성되는 고분자 전해질은 상온에서 우수한 전도특성을 나타내지만, 이들을 함께 용해할 수 있는 휘발성이 좋은 공통 용매가 극히 제한되어 있어 비양자성 용매에 직접 고분자와 염을 용해하는 방법으로 고분자 전해질을 제조하고 있다. 그러나 상온에서는 폴리아크릴로니트릴이 비양자성 용매에 용해되지 않아 100℃이상의 높은 온도에서 용해시켜야만 한다. 이와 같이 고온에서 고분자를 용해시키는 경우, 용해과정중에 폴리아크릴로니트릴의 열분해 또는 고리화 반응이 진행되어 고분자가 변질될 수 있으며, 필름 캐스팅 후에도 용매를 제거하는데 많은 시간을 요구할 뿐 아니라, 비양자성 용매의 함량을 원하는 수준으로 조정하기 매우 어렵다.
본 발명자는 위에서 지적한 폴리아크릴로니트릴의 용해특성을 향상시키기 위하여 일반유기용매에 잘 녹고, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등의 비양자성 용매와 친화력이 우수한 새로운 고분자를 폴리아크릴로 니트릴에 도입하기로 결정하고 발명에 착수하였다.
먼저 고분자 전해질 물질의 매트릭스로 사용할 고분자를 설계하였는데, 이는 폴리아크릴로니트릴, 폴리메타크릴레이트, 및 폴리올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트로 구성되는 랜덤공중합체로 그 화학구조는 다음에 나타나 있다.
Figure kpo00002
삼원 공중합체내에서 아크릴로니트릴 단위는 유기용매가 첨가되었을 때 취약해지는 기계적 강도를 상쇄시켜 좋은 물리적 특성을 유지시켜 주며, 메틸 메타크릴레이트 단위는 고분자 전해질의 무정형 영역을 증대시켜 이온 전도도의 향상을 도모함과 동시에, 첨가되는 탄산 에스테르계 유기용매와 친화력이 우수하여 충-방전 싸이클 동안 발생하는 유기용매의 탈리 현상을 방지시켜 주며, 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트 결사슬에 그라프트된 에틸렌옥사이드는 관능기 자체가 이온해리능을 갖고 있어 전도도 향상을 위하여 첨가되는 유기용매의 함량을 가능한 줄일 수 있어 공정상의 향상이 기대된다. 비양자성 용매로는, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등의 환상 에스테르류; 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등의 선형 에스테르류; 디메톡시 에탄, 디에톡시 에탄, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르 등의 선형 에테르류; γ-뷰틸로락톤 등의 락톤류; 또는 테트라하이드로퓨란 등의 환상 에테르류가 사용될 수 있고, 리튬 염으로는 리튬 퍼클로로레이트, 리튬 헥사플루오르포스페이트, 리튬 테트라플루오르보레이트, 리튬 트리플루오르메탄설포네이트, 리튬 헥사플루오르아세네이트 등이 사용될 수 있다.
위의 삼원 공중합체는 아조비스 이소부틸로니트릴을 개시제로하여 60℃의 디메틸 포름아마이드 용매 내에서 6시간 중합시킴으로써 형성된다. 아크릴로 니트릴의 함량은 20~80몰%, 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트의 함량은 5~20몰%이다. 이 때 이온 전도 특성과 기계적 특성을 모두 만족시키는 바람직한 각 성분의 함량은 아크릴로니트릴 10~50몰%, 메틸 메타크릴레이트 50~80몰%, 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트 5~20몰%이다. 이렇게 합성된 고분자의 수평균 분자량은 100,000 내지 500,000 범위가 바람직하다.
상기에서 합성한 고분자는 고분자 전해질을 제조하기 이전에 유기용매에 완전히 용해시켜 사용된다. 유기용매는 고분자를 잘 용해시킬 수 있을 뿐 아니라 끓는 점이 낮아 필름 캐스팅 후 빠른 시간 내에 제거될 수 있어야 하고 점도가 낮아 고분자 용액 제조 공정에 소요되는 시간이 적어야 한다. 또한 전지의 대량 생산을 위하여 가격이 저렵하여야 하며 유독성이 적고 환경 오염이 되지 않는 것을 선택하여야 하는데, 본 발명에서는 테트라히드로퓨란을 공용매로 사용된다.
고분자 전해질 제조시 사용되는 액체 전해액은 리튬 염과 비양자성 용매로 이루어진다. 본 발명에서 사용될 수 있는 리튬 염은 리튬 퍼클로로레이트(LiClO4), 리튬 헥사플루오르포스페이트(LiPF6), 리튬 테트라플루오르보레이트(LiBF4), 리튬 트리플루오르메탄설포네이트(LiCF3SO3), 리튬 헥사플루오르아세네이트(LiAsF6) 등이 있다.
리튬 염과 함께 사용되는 비양자성 용매로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디에톡시 에탄, 디에톡시 메탄, 디프로필카보네이트가 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 구체예에서는 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트를 부피비로 1:1로 혼합하여 사용한다.
상기 고분자와 액체 전해액으로 이루어진 고분자 전해질 조성물의 치수 안정성이 좋지 않은 경우에는 기계적 강도를 부여하기 위하여 선택적으로 세라믹 입자를 필러로 첨가시킬 수 있다. 이러한 세라믹 필러의 예로는 실리카, 알루미나, 리튬 알루미네이트 및 제올라이트 등이 있으며, 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용한다.
고분자 전해질을 제조함에 있어 먼저, 상기 합성한 삼원공중합체를 테트라히드로퓨란 용매에 완전히 녹인 후, 액체 전해액을 첨가한다. 유기 용매에 고분자와 리튬 염 및 비양자성 용매로 이루어진 액체 전해액이 완전히 혼합되면 점성이 높은 고분자 용액이 제조된다. 이 용액을 유리판 또는 유지 위에 부어 캐스팅한다. 캐스팅한 고분자 전해질 필름을 6시간 이상 상온에서 방치하여 건조시킴으로써 테트라히드로퓨란이 제거된 40~250㎛ 두께의 고분자 전해질 필름을 얻는다.
본 발명의 고분자 전해질 조성물은 고분자와 액체 전해액과의 친화성을 향상시킴으로써 액체 전해액이 스며 나오는 현상을 방지할 수 있어 안정성이 우수하다. 또한 고분자 자체가 이온을 해리할 수 있는 관능기를 포함하고 있어 액체 전해액 함량이 낮은 경우에도 높은 이온 전도 특성을 나타내는 발명의 효과를 가진다. 또한 제조공정이 간단하여 전해질 필름 제조시 공정성을 크게 향상시킬 수 있다. 본 발명의 고분자 전해질 조성물은 리튬 고분자 이차전지, 전기변색소자 등의 전기화학장치에 사용될 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의해서 명백하여질 것이며, 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 실시예에 불과하며, 본 발명이 보호범위를 한정하거나 제한하고자 하는 것은 아니다.
[실시예]
본 발명의 실시예에 사용된 각 구성성분은 다음과 같다.
(A) 폴리(아크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트-올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트)
상기 삼원 공중합체는 아조비스 이소부틸로니트릴을 개시제로 사용하고 60℃의 디메틸포름아미드 용매내에서 아크릴로니트릴, 메틸 메티크릴레이트, 및 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트 단량체를 원료로 하여 6시간 이상 공중합시킴으로써 얻어졌다.
(B) 액체 전해액
본 실시예에서 사용된 액체 전해액은 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트를 부피비로 1:1로 혼합한 비양자성 용매에 리튬 퍼클로로레이트를 1M용액으노 제조하여 사용하였다.
(C) 세라믹 필러
입자크기 0.25㎛인 실리카를 사용하였다.
[실시예 1]
아크릴로니트릴, 메틸 메타크릴레이트, 및 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트의 몰 함량이 각각 11, 79, 10%인 삼원 공중합체 50중량%를 테트라히드로퓨란 용매에 완전히 용해시키고, 여기에 액체 전해액 50중량%를 첨가시킨 후 교반시켜 모든 성분이 완전히 용해된 고점도 용액을 얻었다. 이를 유리판 또는 유지 위에 캐스팅하여 테트라히드로퓨란 용매가 완전히 제거된 고분자 전해질을 제조하였다. 이 고분자 전해질을 2cm×scm 크기로 자른 후, 두개의 스테인레스 전극사이에 끼워 교류 주파수 분석을 통해 이온 전도도(σ)를 측정하였다. 이온 전도도는 상온에서 5.3×10-4S/cm이었다.
[실시예 2]
아크릴로니트릴, 메틸 메타크릴레이트, 및 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트의 몰 함량이 각각 11, 79, 10%인 삼원 공중합체 및 액체 전해액으로 이루어진 고분자 전해질에서 액체 전해액의 함량을 변화시킨 것은 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질 조성물을 제조하였다. 일정한 온도에서 액체 전해액 함량의 변화에 따른 고분자 전해질의 이온 전도도를 측정하여 얻은 결과가 제1도에 나타나있다.
[실시예 3]
아크릴로니트릴, 메틸 메타크릴레이트, 및 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트의 몰 함량이 각각 23, 69, 8%인 삼원 공중합체를 고분자 매트릭스로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질을 제조하였다. 상온에서 이 고분자 전해질 조성물의 이온 전도도를 측정한 결과 4.9×10-4S/cm이었다.
[실시예 4]
아크릴로니트릴, 메틸 메타크릴레이트, 및 올리고옥시에틸렌 메타크릴레이트의 몰 함량이 각각 23, 69, 8%인 삼원 공중합체 50중량%를 테트라히드로퓨란 완전히 용해시키고, 액체 전해액 50중량%를 혼합시킨 전해질 용액 100중량부에 대하여 실리카 5중량부를 첨가하여 모든 성분이 완전히 용해되도록 교반하였다. 이렇게 함으로써 얻어진 고점도 전해질 용액을 유리판 또는 유지위에 캐스팅하여 테트라히드로퓨란 용매가 완전히 제거된 고분자 전해질을 얻었다. 교류 주파수 분석을 통해 이온 전도도를 측정한 결과 상온에서 4.5×10-4S/cm이었다.
[실시예 5]
아크릴로니트릴, 메틸 메타크릴레이트, 및 올리고옥시에틸렌 메타크릴레이트의 몰 함량이 각각 23, 69, 8%인 삼원 공중합체 50중량% 및 액체 전해액 50중량%로 이루어진 조성물에 첨가되는 실리카의 함량을 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 고분자 전해질을 제조하였다. 이에 대한 결과가 제2도에 나타나 있다.
전기 화학적 안정성은 선형주사전위 실험을 통해 조사하였다. 상대전극 및 기준전극으로 리튬 전극을 사용하였고 작업 전극으로 스테인레스 전극을 사용하였다. 여기에 일정한 전압을 인가하여 전압에 따른 전류 변화로부터 산화분해전위를 구하였다. 이에 대한 결과가 제3도에 나타나 있다. 리튬을 기준 전극으로 하여 5.1 V에 이를 때까지 전기 화학적으로 안정한 것으로 나타났다.
[실시예 6]
아크릴로니트릴, 메틸 메타크릴레이트, 및 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트의 몰 함량이 각각 23, 69, 8%인 삼원 공중합체 50중량% 및 액체 전해액 50 중량%로 이루어진 조성물에 100중량부에 대하여 리튬 알루미네이트 20중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 4에서와 동일한 방법으로 전해질을 제조하였다. 이온 전도도를 측정한 결과 상온에서 3.0×10-4S/cm이었다.
[실시예 7]
아크릴로니트릴, 메틸 메타크릴레이트, 및 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트의 몰 함량이 각각 11, 79, 10%인 삼원 공중합체 30중량%를 테트라히드로퓨란 용매에 완전히 용해시키고, 여기에 액체 전해액 70중량%를 첨가시킨 후 교반시켜 모든 성분이 완전히 용해된 고점도 용액을 얻었다. 얻어진 용액에 두께 25㎛의 폴리올레핀 미세 다공막 Celgard 2300을 30분 동안 담가둔 후 꺼내어 상온에서 건조하면 테트라히드로퓨란 용매가 제거되면서 겔 타입의 고분자 전해질이 폴리올레핀 미세 다공막에 충전된, 두께 100㎛의 고분자 전해질을 얻었다. 이들을 교류 주파수 분석을 통해 이온 전도도를 측정한 결과, 상온에서 5.6×10-4S/cm이었다.
[비교실시예 1]
평균 분자량이 70,000인 폴리(아크릴로니트릴) 50중량%를 디메틸포름아마이드 용매에 완전히 용해시키고, 여기에 액체 전해액 50중량%를 첨가시킨 후 60℃에서 교반시켜 모든 성분이 완전히 용해된 고점도 용액을 얻었다. 이를 유리관 또는 유지위에 캐스팅하여 디메틸포름아마이드 용매가 완전히 제거된 고분자 전해질을 제조하였다. 교류 주파수 분석을 통해 이온 전도도를 측정한 결과, 상온에서 6.5×10-4S/cm이었다. 그러나 유기용매로 사용된 디메틸포름아마이드 용매가 끓는점이 153℃로 높아 이 용매를 완전히 제거하는데 상당시간이 소요되었다. 또한 유기용매가 휘발되는 과정에서 액체 전해액 함께 증발되어 고분자 전해질내의 액체 전해액 조성을 원하는 데로 유지시키기가 어려웠으며, 고분자 전해질 제조 후 액체 전해액이 매트릭스 고분자 외부로 스며 나오는 현상이 발생하였다.
[비교실시예 2]
평균 분자량이 120,000인 폴리(메틸 메타크릴레이트) 50중량% 및 액체 전해액 50중량%를 혼합한 내용물을 테트라히드로퓨란 용매에 첨가하고 교반시킴으로써 모든 성분이 완전히 용해된 용액을 얻었다. 이를 유리판 또는 유지위에 캐스팅하여 테트라히드로퓨란 용매가 완전히 제거된 고분자 전해질을 제조하였다. 얻어진 고분자 전해질의 이온 전도도는 1.3×10-4S/cm로, 동일 전해액 함량에서 비교해 볼 때, 본 발명에서 발명된 시스템에 비해 낮았다. 또한 폴리(메틸메타크릴레이트)가 유기 용매와 친화력이 너무 좋아 제조된 고분자 전해질 필름이 끈적끈적한 점착성의 고체로 얻어져 기계적 물성이 취약하였다.
본 발명에서 삼원공중합체, 비양자성 용매, 리튬 염, 세라믹 필러(filler)로 구성되는 고분자 전해질은 공중합체의 조성 및 조성물의 함량을 변화시킴으로써 기계적 물성 및 이온전도특성을 적절히 조절할 수 있다.
본 발명의 고분자 전해물의 삼원공중합체내에서 아크릴로니트릴 단위는 유기용매를 첨가했을 때 취약해지는 기계적 강도를 상쇄시켜 좋은 물리적 특징을 유지시켜주며, 메틸 메타크릴레이트 단위는 고분자 전해질의 무정형 영역을 증대시켜 아온전도도의 능력을 향상을 도모함과 동시에, 카르보닐기를 포함하고 있어 첨가되는 탄산에스테르계 유기용매와 친화력이 우수하여 전해액의 탈리현상을 방지시켜 주며, 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트 곁사슬에 그라프트된 에틸렌옥사이드는 관능기 자체가 이온 해리능을 갖고 있어 전도도 향상을 위하여 첨가되는 전해액의 함량을 줄일 수 있어 공정상의 향상이 기대된다.

Claims (8)

  1. 폴리(아크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트-올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트) 10~90중량%; 및 리튬 염과 비양자성 용매로 구성되는 액체 전해액 90~10중량%;로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리(아크릴로니트릴-메틸 메타크릴레이트-올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트)가 아크릴로니트릴 20~80몰%, 메틸메타크릴레이트 20~80몰%, 및 올리고옥시에틸렌 에틸에테르 메타크릴레이트 5~20몰%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 리튬 염이 리튬 퍼클로로레이트, 리튬 헥사플루오르포스페이트, 리튬 테트라플루오르보레이트, 리튬 트리플루오르메탄설포네이트 및 리튬 헥사플루오르아세네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비양자성 용매가 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디에톡시 에탄, 디메톡시 에탄 및 디프로필 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전해질 조성물 100중량부에 대하여 5~40중량부의 세라믹 필러가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 세라믹 필러가 실리카, 알루미나, 리튬 알루미네이트, 및 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고분제 전해질 조성물.
  7. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 따른 고분자 전해질 조성물을 폴리올레핀계 미세다공막에 충진시켜 제조된 고분자 전해질.
  8. 제7항 고분자 전해질로 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬 고분자 이차전지.
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