KR102514522B1 - gel-polymer electrolyte comprising litium salt and graft copolymer, the manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride(PVDC)) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate(PMMA)) 의 그래프트 공중합체; 리튬염 및 유기용매를 포함하는 겔형 고분자 전해질에 관한 것으로, 누수의 위험성이 없어 안전하면서도 액체 전해질과 같은 높은 이온 전도도를 나타낼 수 있으며, 뛰어난 열적 안정성 및 리튬 이온 이동 활성화 에너지가 낮아 우수한 성능을 나타낼 수 있다.The present invention is a graft copolymer of polyvinylidene chloride (PVDC) and polymethylmethacrylate (PMMA); It relates to a gel-type polymer electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent. It is safe without the risk of leakage, can exhibit high ion conductivity like a liquid electrolyte, and can exhibit excellent performance with excellent thermal stability and low lithium ion movement activation energy. there is.

Description

리튬염 및 그래프트 공중합체를 포함하는 겔형 고분자 전해질 및 이의 제조 방법{gel-polymer electrolyte comprising litium salt and graft copolymer, the manufacturing method of the same}A gel-type polymer electrolyte comprising lithium salt and a graft copolymer and a manufacturing method thereof {gel-polymer electrolyte comprising litium salt and graft copolymer, the manufacturing method of the same}

본 발명은 겔형 고분자 전해질 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride(PVDC)) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate(PMMA))의 그래프트 공중합체(PVDC-g-PMMA); 리튬염 및 유기용매를 포함하는 겔형 고분자 전해질 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gel-type polymer electrolyte and a method for preparing the same, and more particularly, to a graft copolymer of polyvinylidene chloride (PVDC) and polymethylmethacrylate (PMMA) (PVDC-g- PMMA); It relates to a gel polymer electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent and a method for preparing the same.

최근, 환경 오염 문제가 꾸준히 이슈화됨으로 인해 효율적이면서 성능이 뛰어나고 환경 오염을 줄일 수 있는 이차전지에 대한 관심이 지속되어 왔다. 이차 전지에는 공통적으로 전해질이 중요한 역할을 하는데, 전해질 내부 전하의 이동성, 온도 범위, 전압 범위 등과 같은 전해질의 화학적 성질을 높이려는 연구가 활발히 진행되고 있다. Recently, as the environmental pollution problem has been steadily becoming an issue, interest in secondary batteries that are efficient, have excellent performance, and can reduce environmental pollution has been continued. An electrolyte commonly plays an important role in a secondary battery, and research is being actively conducted to improve the chemical properties of the electrolyte, such as the mobility of charges inside the electrolyte, a temperature range, and a voltage range.

현재, 일반적으로 사용하는 전해질은 주로 액체 형태로, 전하의 이동성이 좋아 높은 전도도를 갖는 장점이 있으나, 누수의 위험성이 있고 용매가 분해되지 않는 좁은 전압 범위에서만 사용이 가능하다는 단점이 있다. Currently, commonly used electrolytes are mainly in liquid form, and have the advantage of having high conductivity due to good charge mobility, but have the disadvantage of having a risk of leakage and being usable only in a narrow voltage range in which the solvent is not decomposed.

이를 해결하기 위하여, 나노 충진제를 넣어 고분자의 결정성을 떨어뜨리고 전하의 호핑 효과를 활용하거나, 액체와 고체의 중간 형태인 겔형 전해질을 활용하는 방법으로 액체 전해질의 단점을 개선하고 있다.In order to solve this problem, the disadvantages of liquid electrolytes are improved by adding nano fillers to reduce the crystallinity of polymers and utilizing the hopping effect of electric charges, or by utilizing gel-type electrolytes that are intermediate between liquids and solids.

이때, 겔형 전해질은 액체 전해질에 비해 누수의 위험성이 없어 안전성을 향상시킬 수 있으나, 전하의 이동성이 떨어져 이온전도도가 여전히 낮다는 문제점이 있었다.At this time, the gel-type electrolyte has no risk of leakage compared to the liquid electrolyte and can improve safety, but has a problem in that ion conductivity is still low due to poor charge mobility.

이에, 전해질의 안전성 뿐만 아니라 이온 전도도를 향상시켜 우수한 성능을 나타내는, 리튬 이차전지용 겔형 고분자 전해질이 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is a demand for a gel polymer electrolyte for a lithium secondary battery, which exhibits excellent performance by improving ionic conductivity as well as safety of the electrolyte.

본 발명은, 누수의 위험성이 없어 안전하면서도 높은 이온 전도도를 나타낼 수 있으며, 뛰어난 열적 안정성 및 리튬 이온 이동 활성화 에너지가 낮아 우수한 성능을 나타내는 겔형 고분자 전해질을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a gel polymer electrolyte that is safe and exhibits high ion conductivity without the risk of leakage, and exhibits excellent performance due to excellent thermal stability and low lithium ion movement activation energy.

본 발명은, 폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride(PVDC)) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate(PMMA)) 의 그래프트 공중합체; 리튬염 및 유기용매를 포함하는 겔형 고분자 전해질을 제공한다.The present invention is a graft copolymer of polyvinylidene chloride (PVDC) and polymethylmethacrylate (PMMA); A gel polymer electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent is provided.

또한, 본 발명은, 폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride(PVDC)) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate(PMMA)) 의 그래프트 공중합체; 리튬염 및 유기용매를 포함하는 겔형 고분자 전해질의 제조 방법으로서,In addition, the present invention, a graft copolymer of polyvinylidene chloride (PVDC) and polymethylmethacrylate (PMMA); A method for producing a gel-type polymer electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent,

폴리비닐리덴클로라이드와 메틸메타크릴레이트의 원자 이동 라디칼 중합 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔형 고분자 전해질의 제조 방법을 제공한다.Provided is a method for producing a gel polymer electrolyte comprising a step of atomic transfer radical polymerization of polyvinylidene chloride and methyl methacrylate.

본 발명의 겔형 고분자 전해질은 겔형 형태로 누수의 위험성이 없어 안전하면서도 액체 전해질과 같은 높은 이온 전도도를 나타낼 수 있으며, 뛰어난 열적 안정성 및 리튬 이온 이동 활성화 에너지가 낮아 우수한 성능을 갖는 고분자 전해질을 제공할 수 있다.The gel-type polymer electrolyte of the present invention is safe in a gel-type form without the risk of leakage, can exhibit high ion conductivity like a liquid electrolyte, and can provide a polymer electrolyte with excellent thermal stability and low lithium ion movement activation energy, which has excellent performance. there is.

도 1은 본 발명에 따른 원자 이동 라디칼 중합 방법을 활용한 PVDC-g-PMMA 공중합체 제조 과정을 나타내는 모식도이다.
도 2는 PVDC 고분자와 본 발명의 PVDC-g-PMMA의 구조를 비교한 그래프로, (a) 는 PVDC-g-PMMA, MMA 및 PVDC 의 FT-IR 그래프를 나타낸 것이고, (b) 는 PVDC-g-PMMA 과 PVDC 의 1H NMR 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 PVDC-g-PMMA의 분자량을 측정한 GPC(gel permeation chromatography) 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 PVDC-g-PMMA의 온도에 따른 열중량%를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1과 비교예 1의 전해질의 온도에 따른 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 겔형 고분자 전해질에 첨가된 프로필렌 카보네이트의 비율에 따른 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing a process for preparing a PVDC-g-PMMA copolymer using an atom transfer radical polymerization method according to the present invention.
Figure 2 is a graph comparing the structure of the PVDC polymer and PVDC-g-PMMA of the present invention, (a) shows the FT-IR graph of PVDC-g-PMMA, MMA and PVDC, (b) is the PVDC-g-PMMA It shows the 1 H NMR graph of g-PMMA and PVDC.
3 is a GPC (gel permeation chromatography) graph measuring the molecular weight of PVDC-g-PMMA according to the present invention.
4 is a graph showing the thermal weight % of PVDC-g-PMMA according to the present invention according to temperature.
5 is a graph showing the ion conductivity according to the temperature of the electrolytes of Example 1 and Comparative Example 1.
6 is a graph showing ionic conductivity according to the ratio of propylene carbonate added to the gel polymer electrolyte according to the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명은, 폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride(PVDC)) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate(PMMA)) 의 그래프트 공중합체(PVDC-g-PMMA); 리튬염 및 유기용매를 포함하는 겔형 고분자 전해질에 관한 것이다.The present invention, a graft copolymer (PVDC-g-PMMA) of polyvinylidene chloride (PVDC) and polymethylmethacrylate (PMMA); It relates to a gel polymer electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent.

본 발명의 그래프트 공중합체는 비닐리덴클로라이드 단량체 유래 반복단위를 갖는 폴리비닐리덴클로라이드에 메틸메타크릴레이트(MMA) 단량체가 그래프트 공중합된 형태일 수 있다.The graft copolymer of the present invention may be in the form of graft copolymerization of methyl methacrylate (MMA) monomers to polyvinylidene chloride having repeating units derived from vinylidene chloride monomers.

본 발명에서, 폴리비닐클로라이드(PVC)가 아닌 폴리비닐리덴클로라이드(PVDC)를 사용하였는데, 이는 Cl 이 한쪽에 붙어있는 폴리비닐클로라이드(PVC)와는 다르게 양단에 Cl이 붙어있어, 원자 라디칼 이동 중합 반응으로 메틸메타크릴레이트 단량체가 그래프트되는 양상이 좀 더 다양해질 수 있다. In the present invention, polyvinylidene chloride (PVDC) was used instead of polyvinyl chloride (PVC), which has Cl attached to both ends unlike polyvinyl chloride (PVC) in which Cl is attached to one side, resulting in an atomic radical transfer polymerization reaction. As a result, the aspect in which the methyl methacrylate monomer is grafted can become more diverse.

한편, 본 발명의 그래프트 공중합체는 리튬이온에 보다 친화적인 C=O 기를 가진 메틸메타크릴레이트 단량체를 사용하여 그래프트 공중합하였는데, 이러한 본 발명의 그래프트 공중합체는 폴리비닐리덴클로라이드 그 자체보다 리튬 이온의 이동이 유리하면서 호핑 효과가 증가될 수 있다. 이에, 본 발명의 그래프트 공중합체를 포함하는 전해질은 보다 향상된 이온 전도도를 나타낼 수 있다.On the other hand, the graft copolymer of the present invention was graft-copolymerized using a methyl methacrylate monomer having a C=O group more friendly to lithium ions. While the movement is advantageous, the hopping effect can be increased. Accordingly, an electrolyte containing the graft copolymer of the present invention may exhibit more improved ionic conductivity.

즉, 공중합체의 기본 골격으로 활용한 폴리비닐리덴클로라이드에 Cl 이 양방향으로 붙어있어 폴리메틸메타크릴레이트가 무작위적으로 양방향 또는 단일방향으로 중합될 수 있으며, 전자와 친화적인 산소 이온이 폴리메틸케타크릴레이트에 포함되어 있어 리튬 이온 전해질로써의 활용될 수 있다. In other words, since Cl is attached to polyvinylidene chloride used as the basic skeleton of the copolymer in both directions, polymethyl methacrylate can be randomly bidirectionally or unidirectionally polymerized, and electron-friendly oxygen ions can form polymethylketa. It is contained in acrylate and can be utilized as a lithium ion electrolyte.

상기 그래프트 공중합체는 원자 이동 라디칼 중합 반응(atom transfer radical polymerization, ATRP)으로 제조될 수 있다.The graft copolymer may be prepared by atom transfer radical polymerization (ATRP).

원자 이동 라디칼 중합 반응은 비교적 낮은 온도에서 반응을 진행할 수 있고, 시간과 온도를 조절하여 고분자의 분자량과 단위체 수를 쉽게 조절할 수 있다. 또한, 분자 단위의 말미에 라디칼 반응을 일으키는 원자가 남아 있어 계속적으로 반응을 진행할 수 있다는 장점이 있으며, 첨가되는 단량체 비율을 조절하여 원하는 관능기의 비율을 쉽게 높일 수 있다.The atom transfer radical polymerization reaction can proceed at a relatively low temperature, and the molecular weight and number of units of the polymer can be easily controlled by controlling time and temperature. In addition, since an atom causing a radical reaction remains at the end of the molecular unit, there is an advantage that the reaction can be continued, and the ratio of the desired functional group can be easily increased by adjusting the ratio of the monomers added.

본 발명의 그래프트 공중합체에서 폴리비닐리덴클로라이드:폴리메틸메타크릴레이트의 중량비율은 1:1 내지 1:8, 1:1 내지 1:7, 또는 1:1 내지 1:6일 수 있고, 보다 구체적으로는 1:1, 1:3 또는 1:6 일 수 있고, 더 구체적으로는 1:6 일 수 있다.The weight ratio of polyvinylidene chloride:polymethyl methacrylate in the graft copolymer of the present invention may be 1:1 to 1:8, 1:1 to 1:7, or 1:1 to 1:6, Specifically, it may be 1:1, 1:3, or 1:6, and more specifically, it may be 1:6.

본 발명의 그래프트 공중합체는 폴리비닐리덴클로라이드 한 단량체 당 폴리메틸메타크릴레이트 세 단량체를 포함하는 것일 수 있다. The graft copolymer of the present invention may include three monomers of polymethyl methacrylate per monomer of polyvinylidene chloride.

본 발명의 그래프트 공중합체의 수 평균 분자량은 80,000g/mol 내지 250,000g/mol 일 수 있다.The graft copolymer of the present invention may have a number average molecular weight of 80,000 g/mol to 250,000 g/mol.

본 발명의 그래프트 공중합체는 겔형 고분자 전해질 내에서 겔형 고분자 전해질 중량 대비 5 내지 20 중량%, 5 내지 18중량%, 5 내지 15중량%, 7 내지 15중량%, 7 내지 12중량%로 포함될 수 있다. The graft copolymer of the present invention may be included in the gel polymer electrolyte in an amount of 5 to 20% by weight, 5 to 18% by weight, 5 to 15% by weight, 7 to 15% by weight, or 7 to 12% by weight based on the weight of the gelated polymer electrolyte. .

본 발명의 겔형 고분자 전해질 내 리튬염은 리튬 이차 전지 내에서 이온을 전달하기 위한 매개체로 사용되고, 전해질에 사용되는 리튬염이라면 제한없이 사용가능하다. The lithium salt in the gel polymer electrolyte of the present invention is used as a medium for transferring ions in a lithium secondary battery, and any lithium salt used in the electrolyte can be used without limitation.

본 발명의 일 양태에서, 리튬염은 LiTFSI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiOH, LiOH·H2O, LiBOB, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, CF3SO3Li, LiC(CF3SO2)3, LiC4BO8, LiFSI 및 LiClO4 로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로는 LiTFSI 또는 LiClO4 일 수 있다. 또한, 본 발명의 전해질 내에서 1종류의 리튬염만 포함할 수도 있고, 2종류 이상의 리튬염을 함께 포함할 수도 있다.In one aspect of the present invention, the lithium salt is LiTFSI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiOH, LiOH·H 2 O, LiBOB, LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , CF 3 SO 3 Li, LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , LiC 4 BO 8 , LiFSI, and LiClO 4 may be one or more selected from the group consisting of, and more specifically, it may be LiTFSI or LiClO 4 . In addition, only one type of lithium salt may be included in the electrolyte of the present invention, or two or more types of lithium salts may be included together.

리튬염의 종류, 특히 Li+ 외의 음이온의 종류에 따라 메틸메타크릴레이트(MMA)와의 상호작용(interaction)의 차이를 나타내고, 이에 따라 이온 전도도의 차이를 나타낼 수 있으며, 추후, 양극 또는 음극 어떤 것으로 활용하더라도 경우에 따라 유리한 리튬염을 선택하여 사용할 수 있다.Depending on the type of lithium salt, especially the type of anion other than Li + , it shows a difference in interaction with methyl methacrylate (MMA), which can show a difference in ionic conductivity, and later, it is used as either an anode or a cathode However, in some cases, an advantageous lithium salt may be selected and used.

리튬염의 함량은 그래프트 공중합체 중량 대비 10 내지 30 중량%일 수 있고, 보다 구체적으로는 10 내지 28중량%, 12 내지 28중량%, 12 내지 25중량% 또는 15 내지 25 중량%일 수 있고, 더 구체적으로는 20중량%일 수 있다.The content of the lithium salt may be 10 to 30% by weight, more specifically 10 to 28% by weight, 12 to 28% by weight, 12 to 25% by weight, or 15 to 25% by weight, based on the weight of the graft copolymer. Specifically, it may be 20% by weight.

본 발명의 겔형 고분자 전해질에 있어서, 상기 유기용매는 이차전지의 충방전 과정에서 산화 반응 등에 의한 분해가 최소화될 수 있고, 첨가제와 함께 목적하는 특성을 발휘하는 것이라면 제한이 없다. 예를 들어, 상기 유기용매는 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸술폭사이드(DMSO), 테트라하이드로퓨란(THF), 디에틸카보네이트(DEC), 프로필렌카보네이트(PC) 및 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 더 구체적으로는, 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸술폭사이드(DMSO), 테트라하이드로퓨란(THF) 또는 디에틸카보네이트(DEC) 을 포함할 수 있고, 보다 구체적으로는, 디메틸포름아마이드(DMF)을 포함할 수 있다. In the gel-type polymer electrolyte of the present invention, the organic solvent is not limited as long as it can minimize decomposition due to an oxidation reaction or the like during the charging and discharging process of a secondary battery and exhibits desired characteristics together with an additive. For example, the organic solvent is dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), tetrahydrofuran (THF), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC) and N-methyl-2-pyrroly It may include one or more selected from the group consisting of pork (NMP), and more specifically, dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), tetrahydrofuran (THF) or diethyl carbonate (DEC). ), and more specifically, may include dimethylformamide (DMF).

한편, 유기용매로 디에틸카보네이트를 사용하는 경우, PVDC 는 녹지 않으나, MMA 를 중합하고 난 후인 본 발명의 그래프트 공중합체는 녹아 추후 리튬이온배터리의 용매로 적절하게 활용될 수 있다. On the other hand, when diethyl carbonate is used as an organic solvent, PVDC does not melt, but the graft copolymer of the present invention after polymerizing MMA melts and can be appropriately used as a solvent for lithium ion batteries later.

여기서, 유기 용매의 함량은 그래프트 공중합체 중량 1g 대비 3 내지 20mL, 3 내지 18mL, 5 내지 18mL, 또는 5 내지 15mL 일 수 있으며, 구체적으로는 10mL일 수 있다.Here, the content of the organic solvent may be 3 to 20mL, 3 to 18mL, 5 to 18mL, or 5 to 15mL, specifically 10mL, based on the weight of 1g of the graft copolymer.

본 발명의 겔형 고분자 전해질은 상기 그래프트 공중합체, 리튬염 및 유기용매 외에 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 여기서 첨가제는 전해질에 통상적으로 포함할 수 있는 것이라면 제한없이 가능하며, 본 발명의 일 양태에서는 프로필렌 카보네이트와 같은 가소제일 수 있다.The gel polymer electrolyte of the present invention may further include additives in addition to the graft copolymer, lithium salt, and organic solvent. Here, the additive may be used without limitation as long as it is commonly included in the electrolyte, and in one aspect of the present invention, it may be a plasticizer such as propylene carbonate.

본 발명은 또한, 폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride(PVDC)) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate(PMMA)) 의 그래프트 공중합체(PVDC-g-PMMA); 리튬염 및 유기용매를 포함하는 겔형 고분자 전해질의 제조 방법으로서, 폴리비닐리덴클로라이드와 메틸메타크릴레이트의 원자 이동 라디칼 중합(atom transfer radical polymerization, ATRP) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔형 고분자 전해질의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a graft copolymer of polyvinylidene chloride (PVDC) and polymethylmethacrylate (PMMA) (PVDC-g-PMMA); A method for producing a gel-type polymer electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent, comprising an atom transfer radical polymerization (ATRP) step of polyvinylidene chloride and methyl methacrylate. A manufacturing method is provided.

상기 원자 이동 라디칼 중합 단계는 폴리비닐리덴클로라이드 용액에 메틸메타크릴레이트, 금속촉매 및 리간드를 첨가한 후 50 내지 200℃로 3 내지 15시간동안 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 양태에서, 상기 원자 이동 라디칼 중합 단계는 폴리비닐리덴클로라이드 용액에 메틸메타크릴레이트, 금속촉매 및 리간드를 첨가한 후 질소 가스로 퍼징하고 80 내지 150℃로 5 내지 10시간동안 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.The atom transfer radical polymerization step may include adding methyl methacrylate, a metal catalyst, and a ligand to a polyvinylidene chloride solution, followed by reacting at 50 to 200° C. for 3 to 15 hours. In one embodiment, the atom transfer radical polymerization step is the step of adding methyl methacrylate, a metal catalyst and a ligand to a polyvinylidene chloride solution, purging with nitrogen gas, and reacting at 80 to 150 ° C. for 5 to 10 hours can include

상기 폴리비닐리덴클로라이드 용액은 20ml 내지 80ml 의 용매에 3 내지 24시간동안 폴리비닐리덴클로라이드를 충분히 녹여 제조될 수 있다. 여기서 용매는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기용매를 포함할 수 있다.The polyvinylidene chloride solution may be prepared by sufficiently dissolving polyvinylidene chloride in 20 ml to 80 ml of a solvent for 3 to 24 hours. Here, the solvent may include an organic solvent such as NMP (N-methyl-2-pyrrolidone).

상기 원자 이동 라디칼 중합 단계에서 중합되는 폴리비닐리덴클로라이드와 메틸메타크릴레이트의 중량 비율은 1:1 내지 1:8, 1:1 내지 1:7, 또는 1:1 내지 1:6일 수 있고, 보다 구체적으로는 1:1, 1:3 또는 1:6 일 수 있고, 더 구체적으로는 1:6 일 수 있다.The weight ratio of polyvinylidene chloride and methyl methacrylate polymerized in the atom transfer radical polymerization step may be 1:1 to 1:8, 1:1 to 1:7, or 1:1 to 1:6, More specifically, it may be 1:1, 1:3, or 1:6, and more specifically, it may be 1:6.

상기 질소 가스 퍼징으로 반응 용기 내부의 산소를 질소로 전부 치환할 수 있다. By purging the nitrogen gas, all oxygen inside the reaction vessel may be replaced with nitrogen.

본 발명의 원자 이동 라디칼 중합 방법에 사용된 금속 촉매는 CuCl 일 수 있다.The metal catalyst used in the atom transfer radical polymerization method of the present invention may be CuCl.

본 발명의 원자 이동 라디칼 중합 방법에 사용된 리간드는 1,4,7,10,10-헥사메틸트리에틸렌테트라아민(1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine, HMTETA), N,N,N',N'',N''-펜타메틸디에틸렌트리아민 (N,N,N',N'',N''-pentamethyldiethylenetriamine, PMDETA), 2,2'-바이피리딘 (2,2'-bipyridine, bpy), 또는 4,4'-디메틸-2,2'-디피리딘 (4,4'-dimethyl-2,2'-dipyridine, DMDP) 일 수 있고, 보다 구체적으로는, 1,4,7,10,10-헥사메틸트리에틸렌테트라아민(1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine, HMTETA) 또는 N,N,N',N'',N''-펜타메틸디에틸렌트리아민(N,N,N',N'',N''-pentamethyldiethylenetriamine, PMDETA) 일 수 있다.The ligand used in the atom transfer radical polymerization method of the present invention is 1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine (HMTETA), N,N ,N',N'',N''-pentamethyldiethylenetriamine (N,N,N',N'',N''-pentamethyldiethylenetriamine, PMDETA), 2,2'-bipyridine (2,2 '-bipyridine, bpy), or 4,4'-dimethyl-2,2'-dipyridine (4,4'-dimethyl-2,2'-dipyridine, DMDP), and more specifically, 1, 4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine (1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine, HMTETA) or N,N,N',N'',N''-pentamethyldi It may be ethylenetriamine (N,N,N',N'',N''-pentamethyldiethylenetriamine, PMDETA).

본 발명의 겔형 고분자 전해질의 제조 방법은, 유기 용매에 원자 이동 라디칼 중합 방법으로 제조된 그래프트 공중합체 및 리튬염을 첨가하여 제조될 수 있다.The method for producing a gel polymer electrolyte of the present invention may be prepared by adding a graft copolymer prepared by atom transfer radical polymerization and a lithium salt to an organic solvent.

여기서, 유기 용매의 함량은 그래프트 공중합체 중량 1g 대비 3 내지 20mL, 3 내지 18mL, 5 내지 18mL, 또는 5 내지 15mL 일 수 있으며, 구체적으로는 10mL일 수 있다.Here, the content of the organic solvent may be 3 to 20mL, 3 to 18mL, 5 to 18mL, or 5 to 15mL, specifically 10mL, based on the weight of 1g of the graft copolymer.

리튬염의 함량은 그래프트 공중합체 중량 대비 10 내지 30 중량%일 수 있고, 보다 구체적으로는 10 내지 28중량%, 12 내지 28중량%, 12 내지 25중량% 또는 15 내지 25 중량%일 수 있고, 더 구체적으로는 20중량%일 수 있다.The content of the lithium salt may be 10 to 30% by weight, more specifically 10 to 28% by weight, 12 to 28% by weight, 12 to 25% by weight, or 15 to 25% by weight, based on the weight of the graft copolymer. Specifically, it may be 20% by weight.

여기서, 가소제를 추가로 첨가할 수 있으며, 가소제의 일 예는 폴리프로필렌카보네이트(polycarbonate(PC))일 수 있다. 폴리프로필렌카보네이트의 함량은 그래프트 공중합체 중량 대비 10 내지 100중량%일 수 있다. 이러한 가소제를 사용할 경우, 본 발명의 겔형 고분자 전해질은 추후 플렉서블 디바이스의 전해질로 사용될 수 있다. Here, a plasticizer may be additionally added, and an example of the plasticizer may be polypropylene carbonate (PC). The content of polypropylene carbonate may be 10 to 100% by weight based on the weight of the graft copolymer. When such a plasticizer is used, the gel polymer electrolyte of the present invention can be used as an electrolyte for a flexible device later.

본 발명의 겔형 고분자 전해질의 제조 방법에서, 그래프트 공중합체를 녹인 유기 용매를 일부 남겨놓고 건조시켜 고체가 아닌 겔 형태를 이룰 수 있다.In the method for preparing the gel-type polymer electrolyte of the present invention, a non-solid gel form may be obtained by leaving a part of the organic solvent in which the graft copolymer is dissolved and drying the result.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 겔형 고분자 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공할 수 있다. 여기서 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 상기 겔형 고분자 전해질을 포함할 수 있다. 상기 본 발명의 리튬 이차전지를 구성하는 양극 및 음극은 통상적인 방법으로 제조되어 사용될 수 있다.Another aspect of the present invention may provide a lithium secondary battery including the gel-type polymer electrolyte. Here, the secondary battery may include a positive electrode, a negative electrode, and the gel polymer electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. The cathode and anode constituting the lithium secondary battery of the present invention may be prepared and used in a conventional manner.

이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and the like according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the examples presented below.

실시예Example

<제조예 1> PVDC-<Production Example 1> PVDC- gg -PMMA 의 합성-Synthesis of PMMA

5 g의 PVDC를 40 ml의 NMP에 100ml 또는 250ml 둥근 플라스크에 넣고 3~24시간 동안 충분히 녹여주었다. PVDC가 완전히 녹은 후에 0.3 mol 의 MMA(PVDC:MMA 의 중량비율 =1:6) 와 0.05 g의 CuCl, 0.46 mmol 의 PMDETA(N,N,N',N'',N''-pentamethyldiethylenetriamine) 를 넣어 준 후 질소 가스를 이용하여 내부의 산소를 질소로 전부 치환해주었다. 1시간 반 이상 퍼징을 진행한 후 90~100 °C 로 6~8 시간 동안 반응을 진행하였다. 반응이 끝난 후 메탄올과 헥산의 1:1 혼합 용액에 침전을 잡고 얻게된 고분자를 24 시간 진공오븐에서 건조하였다. 이에 따라 본 발명의 PVDC-g-PMMA (이하, 'PP'라고 함) 을 제조하였다.5 g of PVDC was put into a 100 ml or 250 ml round flask in 40 ml of NMP and sufficiently dissolved for 3 to 24 hours. After completely dissolving PVDC, 0.3 mol of MMA (weight ratio of PVDC:MMA = 1:6), 0.05 g of CuCl, and 0.46 mmol of PMDETA (N,N,N',N'',N''-pentamethyldiethylenetriamine) were added. After putting it in, nitrogen gas was used to replace all the oxygen inside with nitrogen. After purging for more than an hour and a half, the reaction was performed at 90 to 100 °C for 6 to 8 hours. After the reaction was completed, the resulting polymer precipitated in a 1:1 mixed solution of methanol and hexane was dried in a vacuum oven for 24 hours. Accordingly, PVDC- g- PMMA (hereinafter referred to as 'PP') of the present invention was prepared.

<제조예 2> 본 발명의 겔형 고분자 전해질의 제조<Preparation Example 2> Preparation of the gel polymer electrolyte of the present invention

상기 제조예 1에 따라 제조된 PVDC-g-PMMA 10질량% 를 디메틸포름아마이드(DMF)(PVDC-g-PMMA 0.1g 당 1mL)에 충분히 녹여주고, LiTFSI을 PVDC-g-PMMA 대비 20중량% 녹였다. 본 발명의 겔형 고분자 전해질(실시예 1)을 제조하였다.10% by mass of PVDC- g- PMMA prepared according to Preparation Example 1 was sufficiently dissolved in dimethylformamide (DMF) (1mL per 0.1g of PVDC -g- PMMA), and LiTFSI was 20% by weight compared to PVDC- g- PMMA. melted A gel polymer electrolyte (Example 1) of the present invention was prepared.

<제조예 3> 프로필렌 카보네이트 첨가 겔형 고분자 전해질의 제조<Preparation Example 3> Preparation of propylene carbonate-added gel polymer electrolyte

상기 제조예 2에서 추가로 프로필렌 카보네이트를 10, 40, 70, 100중량%로 첨가하는 것 외에 상기 제조예 2와 동일한 방법으로 겔형 고분자 전해질을 제조하였다.A gel polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Preparation Example 2, except that 10, 40, 70, and 100% by weight of propylene carbonate was added in Preparation Example 2.

<비교예 1><Comparative Example 1>

본 발명의 PVDC-g-PMMA 10질량%가 아닌 PVDC 10질량%로 변경한 것 외에는 상기 제조예 2와 동일한 방법으로 겔형 고분자 전해질을 제조하였다.A gel polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Preparation Example 2, except that 10% by mass of PVDC- g- PMMA was changed to 10% by mass of PVDC-g-PMMA of the present invention.

하기 도 2 내지 4는 제조예 1에 따라 제조된 본 발명의 PP 와 제조예 1에서 사용되었던 PVDC 그 자체를 비교하여, 그 결과를 나타낸 것이다.2 to 4 below compare the PP of the present invention prepared according to Preparation Example 1 and the PVDC itself used in Preparation Example 1, and show the results.

도 2는 상기 제조예 1에 따라 제조된 PP 를 FT-IR(도 2의 (a)) 과 NMR(도 2의 (b))로 분석한 결과를 나타내었다. 도 2의 (a)에서 확인할 수 있는 바와 같이, PVDC 에 있어서, 650 cm-1 에서 강한 피크는 Cl 기와 관련된 피크로, Cl 은 반응이 진행되고 나서도 MMA 의 끝부분에 남아 있기 때문에 PP의 해당 부분에도 피크가 존재하였다. MMA 의 구조에서 카르복실기(C=O), 알켄기(C=C),이써기(C-O-C) 가 특징적인 구조로, 이는 각각 1720.5 cm-1, 1638 cm-1, 1158 cm-1에서 그 피크를 확인할 수 있다. 본 발명의 PVDC-g-PMMA가 합성된 후, 1638 cm-1 의 피크가 사라진 것을 통해, 성공적으로 MMA 가 PVDC에 중합되었다는 것을 알 수 있다. 또한, 카르복실기의 피크가 1720.5 cm-1에서 1723.5 cm-1 로 이동한 것을 확인할 수 있는데, 이는 제조된 PP에서 입체 장애(steric hinderance)에 의해 내부의 결합력이 약해지면서 카르복실기 내의 C=O 결합이 상대적으로 강해져 나타난 결과이다. Figure 2 shows the results of analyzing the PP prepared according to Preparation Example 1 by FT-IR (Fig. 2 (a)) and NMR (Fig. 2 (b)). As can be seen in (a) of FIG. 2, in PVDC, the strong peak at 650 cm -1 is related to the Cl group, and since Cl remains at the end of MMA even after the reaction proceeds, the corresponding part of PP A peak was also present. In the structure of MMA, carboxyl group (C=O), alkene group (C=C), and isher group (COC) are characteristic structures, which show peaks at 1720.5 cm -1 , 1638 cm -1 , and 1158 cm -1 , respectively. You can check. After synthesizing the PVDC- g- PMMA of the present invention, the disappearance of the peak at 1638 cm −1 indicates that MMA was successfully polymerized to PVDC. In addition, it can be seen that the peak of the carboxyl group has moved from 1720.5 cm -1 to 1723.5 cm -1 , which means that the C=O bond in the carboxyl group is relatively weak due to steric hinderance in the prepared PP. This is the result of being stronger.

도 2의 (b) 의 1H NMR 그래프에서도 PVDC-g-PMMA 가 합성된 것을 확인할 수 있다. 도 2의 (b) 에서 3개의 MMA 의 피크가 나타나 있고, 이의 중합 비율을 계산해보았을 때, PVDC 의 한 분자 내에 평균 3개의 MMA 가 중합된 것을 알 수 있다. 또한, PVDC 의 경우 Cl 기가 하나의 단량체 단위내에 두군데이기 때문에 2개 및 1개의 MMA 가 PVDC의 한 단량체 단위의 2개의 Cl 각각에 붙었을 수도 있고, 하나의 Cl기에 3개의 MMA 가 붙었을 수도 있다. 이러한 다양한 경우가 존재하므로, 하기 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명의 PP 는 분자량 분포가 넓게 나왔다.In the 1 H NMR graph of FIG. 2(b), it can be confirmed that PVDC- g- PMMA was synthesized. In (b) of FIG. 2, peaks of three MMAs are shown, and when the polymerization ratio is calculated, it can be seen that an average of three MMAs are polymerized in one molecule of PVDC. In addition, in the case of PVDC, since there are two Cl groups in one monomer unit, two and one MMA may be attached to each two Cl of one monomer unit of PVDC, or three MMA may be attached to one Cl group. . Since these various cases exist, the PP of the present invention has a wide molecular weight distribution, as can be seen in Figure 3 below.

도 3은 제조된 PVDC-g-PMMA 의 GPC(gel permeation chromatography) 결과를 나타낸 그래프이다. PP 의 분자량은 164,229 g/mol이 나왔으며, PVDC 는 56,433 g/mol의 분자량을 나타낸다. 이는 PVDC-g-PMMA 의 PDI 값이 5.13으로, PVDC 의 PDI 값인 3.89보다 훨씬 증가하였음을 확인할 수 있다.3 is a graph showing the results of gel permeation chromatography (GPC) of the prepared PVDC- g- PMMA. The molecular weight of PP was 164,229 g/mol, and the molecular weight of PVDC was 56,433 g/mol. It can be confirmed that the PDI value of PVDC- g- PMMA is 5.13, which is much higher than the PDI value of 3.89 of PVDC.

도 4는 PVDC-g-PMMA 의 열중량분석을 나타낸 그래프이다. PVDC 는 250℃ 부근에서 분해가 시작되는데 반해, 본 발명의 PP 는 350℃ 부근에서 분해가 시작되었다. 따라서, 본 발명의 PP 가 비교예 1의 PVDC 보다 열적안정성이 높았다.4 is a graph showing thermogravimetric analysis of PVDC- g- PMMA. PVDC started to decompose around 250℃, whereas PP of the present invention started to decompose around 350℃. Therefore, the PP of the present invention had higher thermal stability than the PVDC of Comparative Example 1.

도 5 는 실시예 1과 비교예 1의 겔형 고분자 전해질의 이온 전도성 값의 차이 및 리튬 이온 이동 활성화 에너지를 확인한 그래프이다. 본 발명의 PP 를 포함하는 전해질이 PVDC 를 포함하는 전해질보다 이온 전도도가 높으며, 리튬 이온 이동 활성화 활성 에너지가 낮았다. 5 is a graph confirming the difference in ion conductivity values and lithium ion movement activation energy of the gel polymer electrolytes of Example 1 and Comparative Example 1. The electrolyte containing the PP of the present invention had higher ionic conductivity and lower lithium ion movement activation energy than the electrolyte containing PVDC.

도 6은 제조예 3에 따라 제조된 겔형 고분자 전해질의 첨가된 프로필렌 카보네이트의 비율에 따른 이온 전도도를 나타낸 그래프로, 실험을 두번씩 진행하였으며, 그 값을 도 6에 나타내었다. 가소제인 프로필렌 카보네이트의 첨가량이 증가함에 따라 이온전도도가 증가하는 경향이 있음을 확인하였고, 이로부터, 본 발명의 겔형 고분자 전해질이 추후 플렉서블 디바이스의 전해질로 사용할 수 있음을 시사한다.6 is a graph showing the ionic conductivity according to the ratio of the added propylene carbonate of the gel polymer electrolyte prepared according to Preparation Example 3, the experiment was conducted twice, and the values are shown in FIG. It was confirmed that the ionic conductivity tended to increase as the amount of propylene carbonate added as a plasticizer increased, suggesting that the gel polymer electrolyte of the present invention can be used as an electrolyte for a flexible device in the future.

Claims (10)

폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride(PVDC)) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate(PMMA)) 의 그래프트 공중합체(PVDC-g-PMMA);
리튬염 및 유기용매를 포함하고,
상기 그래프트 공중합체는 폴리비닐리덴클로라이드에 메틸메타크릴레이트 단량체가 그래프트 공중합된 형태이며,
상기 그래프트 공중합체에서 폴리비닐리덴클로라이드:폴리메틸메타크릴레이트의 중량비율은 1:1 내지 1:8인 겔형 고분자 전해질.
a graft copolymer of polyvinylidene chloride (PVDC) and polymethylmethacrylate (PMMA) (PVDC-g-PMMA);
Including a lithium salt and an organic solvent,
The graft copolymer is a form in which methyl methacrylate monomers are graft-copolymerized with polyvinylidene chloride,
The weight ratio of polyvinylidene chloride: polymethyl methacrylate in the graft copolymer is 1: 1 to 1: 8 gel polymer electrolyte.
제 1 항에 있어서,
상기 그래프트 공중합체는 원자 이동 라디칼 중합 반응(atom transfer radical polymerization, ATRP)으로 제조된 것인 겔형 고분자 전해질.
According to claim 1,
The graft copolymer is a gel polymer electrolyte prepared by atom transfer radical polymerization (ATRP).
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 리튬염은 LiTFSI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiOH, LiOH·H2O, LiBOB, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, CF3SO3Li, LiC(CF3SO2)3, LiC4BO8, LiFSI 및 LiClO4로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상인, 겔형 고분자 전해질.
According to claim 1,
The lithium salt is LiTFSI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiOH, LiOH H 2 O, LiBOB, LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , CF3SO 3 Li, LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC 4 BO 8 , LiFSI, and LiClO 4 At least one selected from the group consisting of, a gel polymer electrolyte.
제 1 항에 있어서,
상기 유기용매는 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸술폭사이드(DMSO), 테트라하이드로퓨란(THF), 디에틸카보네이트(DEC), 프로필렌카보네이트(PC) 및 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 겔형 고분자 전해질.
According to claim 1,
The organic solvent is dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), tetrahydrofuran (THF), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) A gel polymer electrolyte comprising at least one member selected from the group consisting of.
폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride(PVDC)) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate(PMMA)) 의 그래프트 공중합체(PVDC-g-PMMA);
리튬염 및 유기용매를 포함하는 겔형 고분자 전해질의 제조 방법으로서,
폴리비닐리덴클로라이드와 메틸메타크릴레이트의 원자 이동 라디칼 중합(atom transfer radical polymerization, ATRP) 단계를 포함하고,
상기 그래프트 공중합체에서 폴리비닐리덴클로라이드:폴리메틸메타크릴레이트의 중량비율은 1:1 내지 1:8인, 제1항에 따른 겔형 고분자 전해질의 제조 방법.
a graft copolymer of polyvinylidene chloride (PVDC) and polymethylmethacrylate (PMMA) (PVDC-g-PMMA);
A method for producing a gel-type polymer electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent,
It includes an atom transfer radical polymerization (ATRP) step of polyvinylidene chloride and methyl methacrylate,
The weight ratio of polyvinylidene chloride: polymethyl methacrylate in the graft copolymer is 1: 1 to 1: 8, the method for producing a gel polymer electrolyte according to claim 1.
제 7 항에 있어서,
상기 원자 이동 라디칼 중합 단계는 폴리비닐리덴클로라이드 용액에 메틸메타크릴레이트, 금속촉매 및 리간드를 첨가한 후 50 내지 200℃로 3 내지 15시간동안 반응시키는 단계를 포함하는 겔형 고분자 전해질의 제조 방법.
According to claim 7,
The atom transfer radical polymerization step is a method for producing a gel-type polymer electrolyte comprising adding methyl methacrylate, a metal catalyst and a ligand to a polyvinylidene chloride solution and then reacting at 50 to 200 ° C. for 3 to 15 hours.
삭제delete 제 1 항에 따른 겔형 고분자 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지.

A lithium secondary battery comprising the gel-type polymer electrolyte according to claim 1.

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