KR100230960B1 - 폴리비닐클로라이드/폴리(메틸메타크릴레이트) 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리비닐클로라이드/폴리(메틸메타크릴레이트)(PVC/PMMA) 블렌드, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 및 리튬염을 포함하는 고분자 전해질 조성물 및 전기 고분자 전해질 조성물을 간편하게 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, PVC/PMMA 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물은 PVC 90 내지 10중량％ 및 PMMA 10 내지 90중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드 18.0 내지 45.0중량％, 에틸렌카보네이트 30.0 내지 45.0중량%, 프로필렌카보네이트 20.0 내지 32.0 및 리튬염 2.0 내지 7.0중량％를 포함한다. 본 발명의 고분자 전해질 조성물은 PVC 및 PMMA를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 및 리튬염을 혼합하고, 비극성 용매에 용해시켜 주형기에 주조하고 건조시켜 제조한다. 본 발명의 고분자 전해질 조성물은 기계적물성과 이온전도도 뿐만 아니라 계면 접착성이 우수하며, 조성물의 구성성분을 혼합함으로써 간편하게 제조될 수 있고 범용성 고분자를 사용하므로 저렴하게 제조될 수 있다.

Description

폴리비닐클로라이드/폴리(메틸메타크릴레이트) 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물 및 그의 제조방법
본 발명은 폴리비닐클로라이드/폴리(메틸메타크릴레이트)(PVC/PMMA) 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 기계적 물성과 이온전도도 뿐만 아니라, 계면 접착성이 우수한 PVC/PMMA 블렌드, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 및 리튬염을 포함하는 고분자 전해질 조성물 및 고분자 전해질 조성물을 간편하게 제조하는 방법에 관한 것이다.
전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 발전함에 따라 고성능, 고안정성의 이차 전지에 대한 수요는 점차 증대되어 왔으며, 특히, 전기, 전자, 전자제품의 경박단소화 및 휴대화 추세에 따라 이분야의 핵심 부품인 이차 전지도 박막화, 소형화가 요구되어지고 있다.
최근 가장 각광을 받고 있는 고성능 전지시스템의 하나는 리튬 고분자 이차전지(LPB, lithium polymer battery)로, 리튬 고분자 이차전지는 종래의 전지가 필수적으로 함유하고 있는 납(Pb)이나 카드륨(Cd)등의 중금속 물질을 함유하지 않아 환경오염의 문제가 없는 장점을 갖고 있다. 리튬 고분자 이차전지는 부극활물질, 전해질 및 정극활물질로 구성되는데, 부극활물질로는 리튬, 리튬-알루미늄 합금 또는 탄소, 전해질로는 고체 고분자 전해질(SPE, solid polymer electrolyte), 정극활물질로는 전이금속 화합물, 고분자 전해질 및 전자 전도성 물질로 구성된 복합재료가 주로 사용된다.
이와 같이, 전해질로 고체 고분자 전해질을 사용함으로써, 전지를 박막화할 수 있고, 크기나 모양을 원하는 대로 조절할 수 있는데, 이러한 고체 고분자 전해질의 특성으로 말미암아, 우수한 전도 특성을 나타내는 고체 고분자 전해질을 개발하려는 시도가 이루어지고 있다. 고분자 전해질이 전지로서 실용화가 가능하기 위해서는 10-3S/cm 정도의 전도도를 나타내어야 한다.
미합중국특허 제5,219,679호에 폴리비닐클로라이드만을 호스트 폴리머로 사용하고 가소제를 포함하는 고체 고분자 전해질이 개시되어 있다. 전기고분자 전해질은 우수한 이온전도도와 기계적 물성을 나타내었지만 폴리비닐클로라이드와 가소제의 상용성이 불충분하여 접착성이 낮기 때문에 전극과 전해질의 계면안정성이 낮은 단점이 있었다.
이에, 본 발명자들은 상술한 폴리비닐클로라이드만을 호스트 폴리머로 사용하고 가소제를 포함하는 고체 고분자 전해질이 갖는 문제점을 극복하고자 예의 연구 노력한 결과, PVC/PMMA 블렌드, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 및 리튬염을 포함하는 고분자 전해질 조성물이 우수한 기계적 물성과 이온전도도 뿐만 아니라 우수한 계면 접착성을 가지고, 조성물의 구성성분을 혼합함으로써 간편하게 제조될 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 주된 목적은 PVC/PMMA 블렌드, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 및 리튬염을 포함하는 고분자 전해질 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 고분자 전해질 조성물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명의 PVC/PMMA 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물의 가소제의 함량 변화에 따른 이온전도도를 도시한 그래프이다.
제2도는 본 발명의 PVC/PMMA 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물의 PVC에 대한 PMMA의 함량비 변화에 따른 이온전도도를 도시한 그래프이다.
제3도는 본 발명의 PVC/PMMA 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물의 PVC에 대한 PMMA의 함량비 변화에 따른 임피던스 특성을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 의한 PVC/PMMA 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물 및 그의 제조방법을 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명의 폴리비닐클로라이드/폴리(메틸메타크릴레이트)(PVC/PMMA) 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물은 PVC 90 내지 10중량％ 및 PMMA 10 내지 90중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드 18.0 내지 45.0중량％, 에틸렌카보네이트 30.0 내지 45.0중량％, 프로필렌카보네이트 20.0 내지 32.0 및 리튬염 2.0 내지 7.0중량％를 포함하며, 리튬염으로는 LiCF3SO3또는 LiCl04가 바람직하다.
본 발명의 PVC/PMMA 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물은 PVC 고분자 및 PMMA 고분자의 가소제인 에틸렌카보네이트 및 프로필렌카보네이트와의 상용성 차이를 이용하여 상분리를 유도하고, 상 분리된 두 고분자가 고분자 전해질내에서 이온을 전도시키는 상과 전해질의 물성을 지지시키는 상으로 분리되어, 이온전도도를 증가시키는 동시에 필름의 물성을 향상시키는 두가지 목적을 동시에 달성한다. 즉, 가소제와의 상용성이 나쁜 고분자는 전해질 필름의 지지체로서의 역할을 하게 되며, 가소제와의 상용성이 좋은 고분자는 전해질 필름의 이온통로를 이룰 뿐만 아니라 필름의 접착성을 향상시켜 전극에서의 계면 접착성을 향상시키는 역할을 한다.
본 발명의 고분자 전해질 조성물의 제조방법을 공정에 따라 설명하면 다음과 같다.
제1공정 : 구성성분의 혼합
폴리비닐클로라이드(PVC) 90 내지 10중량％ 및 폴리(메틸메타크릴레이트(PMMA) 10 내지 90중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드 18.0 내지 45.0중량％, 에틸렌카보네이트 30.0 내지 45.0중량％, 프로필렌카보네이트 20.0 내지 32.0 및 리튬염 2.0 내지 7.0중량％를 혼합하고, 비극성 용매에 용해시켜 혼합용액을 수득한다. 이때, 리튬염으로는 LiCF3SO3또는 LiCl04, 비극성 용매로는 테트라히드로퓨란, 혼합용액의 농도로는 5 내지 15％가 바람직하다.
제2공정 : 고분자 전해질 조성물의 제조
전기 공정에서 수득한 혼합 용액을 주형기, 바람직하게는 테프론 주형기에 주조하고 건조시켜, PVC/PMMA 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물을 제조한다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[실시예 1]
고분자 전해질 조성물의 제조(I)
[실시예 1-1]
PVC 70중량％ 및 PMMA 30중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드 40.0중량％, 에틸렌카보네이트 33.8중량％, 프로필렌카보네이트 22.6중량％, LiCF3SO33.6중량％를 혼합하고, 테트라히드로퓨란에 가한 다음 오븐에서 60℃로 24시간 용해시켜 10％ 농도의 혼합용액을 수득하였다. 그런 다음, 전기 혼합 용액을 테프론 주형기에 주조하고 오븐에서 50℃로 8시간 건조시켜 용매를 완전히 제거하여, 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 1-2]
PVC/PMMA 블렌드 33.3중량％, 에틸렌카보네이트 37.4중량％, 프로필렌카보네이트 25.0중량％, LiCF3SO34.3중량％를 혼합하는 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 1-3]
PVC/PMMA 블렌드 28.5중량％, 에틸렌카보네이트 40.1중량％, 프로필렌카보네이트 26.7중량％, LiCF3SO34.6중량％를 혼합하는 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 1-4]
PVC/PMMA 블렌드 25.0중량％, 에틸렌카보네이트 42.1중량％, 프로필렌카보네이트 28.0중량％, LiCF3SO34.9중량%를 혼합하는 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 1-5]
PVC/PMMA 블렌드 22.2중량％, 에틸렌카보네이트 43.6중량％, 프로필렌카보네이트 29.1중량％, LiCF3SO35.1중량％를 혼합하는 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 2]
고분자 전해질 조성물의 제조(II)
[실시예 2-1]
PVC 50중량％ 및 PMMA 50중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 2-2]
PVC 50중량％ 및 PMMA 50중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-2와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 2-3]
PVC 50중량％ 및 PMMA 50중량%를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-3과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 2-4]
PVC 50중량％ 및 PMMA 50중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-4와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 2-5]
PVC 50중량％ 및 PMMA 50중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-5와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 3]
고분자 전해질 조성물의 제조(III)
[실시예 3-1]
PVC 30중량％ 및 PMMA 70중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 3-2]
PVC 30중량％ 및 PMMA 70중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-2와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 3-3]
PVC 30중량％ 및 PMMA 70중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-3과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 3-4]
PVC 30중량％ 및 PMMA 70중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-4와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[실시예 3-5]
PVC 30중량％ 및 PMMA 70중량%를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-5와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 1]
고분자 전해질 조성물의 제조(IV)
[비교예 1-1]
PVC만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 1-2]
PVC만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-2와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 1-3]
PVC만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-3과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 1-4]
PVC만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-4와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 1-5]
PVC만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-5와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 2]
고분자 전해질 조성물의 제조(V)
[비교예 2-1]
PMMA만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 2-2]
PMMA만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-2와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 2-3]
PMMA만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-3과 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 2-4]
PMMA만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-4와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[비교예 2-5]
PMMA만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-5와 동일한 방법으로 필름형태의 고분자 전해질을 제조하였다.
[시험예 1]
이온전도도의 측정(I)
상기 실시예 1-1 내지 1-5에서 각각 제조된 필름 형태의 고분자 전해질을 펀치로 절단하여 직경 12㎜인 디스크 형태의 시편을 제조하고, 주파수 응답분석기(Solatron 1225, 독일)를 이용하여 온도 변화에 따른 이온전도도를 측정하여, 그 결과를 제1도에 나타내었다. 제1도에서, X-축은 가소제의 함량을 PVC/PMMA 블렌드의 함량에 대한 중량％로 나타낸 것이다. 제1도에서 보듯이, 본 발명의 고분자 전해질을 이온전도도는 가소제의 함량이 증가할수록 증가하고, 20℃에서 0.5×10-6내지 0.9×10-4으로 상온에서의 이온전도도가 우수함을 알 수 있었다.
[시험예 2]
이온전도도의 측정(II)
상기 실시예 1-4, 2-4, 3-4, 비교예 1-4 및 2-4에서 각각 제조된 필름 형태의 고분자 전해질을 사용하는 것을 제외하고는, 시험예 1과 동일한 방법으로 이온전도도를 측정하여 그 결과를 제 2도에 나타내었다. 제2도에서 보듯이, 본 발명의 고분자 전해질의 이온전도도는 블렌드 중의 PMMA 함량이 증가할수록 증가하고, 20℃에서 7.8×10-6내지 1,4×10-3으로 상온에서의 이온전도가 우수함을 알 수 있었다.
[시험예 3]
임피던스의 측정
상기 실시예 1-4, 2-4, 3-4, 비교예 1-4 및 2-4에서 각각 제조된 필름형태의 고분자 전해질을 펀치로 절단하여 직경 12㎜인 디스크 형태의 시편을 제조하고, 주파수응답분석기(frequence response analyser, FRA)를 이용하여 임피던스를 측정하여, 그 결과를 제3도에 나타내었다. 제3도에서, X-축은 임피던스의 실수부(Zre), Y-축은 임피던스의 허수부(-Zim)를 나타낸 것이다. 제3도에서 보듯이, 블렌드 중의 PMMA 함량이 증가할수록 낮은 주파수 영영의 임피던스들이 이루는 직선의 기울기(θ)가 증가하였으며, 일반적으로 전해질과 전극의 접착이 나쁜 경우, 직선의 기울기가 감소하므로, 가소제와의 상용성이 우수한 PMMA가 첨가됨으로써 전해질의 접착성이 향상됨을 알 수 있었다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 PVC/PMMA 블렌드, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 및 리튬염을 포함하는 고분자 전해질 조성물 및 전기 고분자 전해질 조성물을 간편하게 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 고분자 전해질 조성물은 기계적 물성과 이온전도도 뿐만 아니라 계면 접착성이 우수하며, 조성물의 구성성분을 혼합함으로써 간편하게 제조될 수 있고 범용성 고분자를 사용함으로 저렴하게 제조될 수 있다.

Claims (8)

  1. 폴리비닐클로라이드(PVC) 90 내지 10중량％ 및 폴리(메틸메타크릴레이트(PMM
    A) 10 내지 90중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드 18.0 내지 45.0중량％, 에틸렌카보네이트 30.0 내지 45.0중량％, 프로필렌카보네이트 20.0 내지 32.0 및 리튬염 2.0 내지 7.0중량％를 포함하는 고분자 전해질 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 리튬염은 LiCF3SO3인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 리튬염은 LiCl04인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 조성물.
  4. (i) 폴리비닐클로라이드(PVC) 90 내지 10중량％ 및 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA) 10 내지 90중량％를 혼합한 PVC/PMMA 블렌드 18.0 내지 45.0중량％, 에틸렌카보네이트 30.0 내지 45.0중량％, 프로필렌카보네이트 20.0 내지 32.0 및 리튬염 2.0 내지 7.0 중량％를 혼합하고, 비극성 용매에 용해시켜 혼합용액을 수득하는 공정; 및, (ii) 전기 공정에서 수득한 혼합 용액을 주형기에 주조하고 건조시키는 공정을 포함하는 PVC/PMMA 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 리튬염을 LiCF3SO3인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 조성물의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 리튬염은 LiCl04인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 조성물의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 비극성 용매는 테트라히드로퓨란인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 조성물의 제조방법
  8. 제4항에 있어서, 혼합용액의 농도는 5 내지 15％인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 조성물의 제조방법.
KR1019970020746A 1997-05-26 1997-05-26 폴리비닐클로라이드/폴리(메틸메타크릴레이트) 블렌드를 포함하는 고분자 전해질 조성물 및 그의 제조방법 KR100230960B1 (ko)

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