KR20020043945A - Polymer electrolyte filled with titania nanoparticles and the preparation thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided are a polyelectrolyte filled with titania having size of nanometer, having high ion conductivity and low interfacial resistance, and a method for producing the same. CONSTITUTION: The polyelectrolyte is produced by the steps of (i) dissolving a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, and titania particles of nanometer size in solvent, so as to form a polymer film; and (ii) impregnating the polymer film with electrolyte solution. The solvent is acetone or tetrahydrofuran. The electrolyte solution is a mixture of lithium salt and an organic solvent. The lithium salt is at least one selected from the group consisting of LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiCF3SO3 and LiN(CF3SO2)2. The organic solvent is selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, and mixture thereof.

Description

타이타니아 나노입자를 충전시킨 고분자 전해질 및 그 제조방법{Polymer electrolyte filled with titania nanoparticles and the preparation thereof}Polymer electrolyte filled with titania nanoparticles and the preparation

본 발명은 고분자 전해질 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체와 나노미터 크기의 타이타니아 입자 (이하, '타이타니아 나노입자'라 함)를 포함하는 고분자 전해질과 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte and a method for preparing the same, and more particularly to a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene and nanometer-sized titania particles (hereinafter referred to as 'Titania nanoparticles'). A polymer electrolyte and a method of manufacturing the same.

최근 정보화 시대의 도래에 따라 멀티미디어 기술이 급속히 발전하고 있으며, 전자정보통신기기에 있어서의 고성능화, 소형화, 경량화, 휴대화의 경향에 따라 고에너지밀도 및 고용량을 갖는 소형 2차전지에 대한 연구가 성행하고 있다.Recently, with the advent of the information age, multimedia technology is rapidly developing, and researches on small secondary batteries having high energy density and high capacity have been performed according to the trend of high performance, miniaturization, light weight, and portability in electronic information and communication devices. Doing.

그 대표적인 예로서 1990년대 초 상품화되어 현재 휴대전화기 등과 같은 정보통신기기의 소형 전지로서 상용화되어 있는 리튬이온 2차전지를 들 수 있다. 이러한 리튬이온 2차전지는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 다공성 격리막에 리튬염이 녹아있는 액체 전해액을 사용하고 있는데, 이 때 액체 전해질의 사용으로 인한 전극물질과의 부반응 및 금속캔 외장재 사용에 따른 경량화 한계 문제 등이 대두되어 왔다.A representative example thereof is a lithium ion secondary battery commercialized in the early 1990s and currently commercialized as a small battery of an information and communication device such as a mobile phone. The lithium ion secondary battery uses a liquid electrolyte in which lithium salt is dissolved in a polyethylene or polypropylene porous separator. At this time, the side reaction with the electrode material due to the use of the liquid electrolyte and the limitation of weight reduction due to the use of a metal can exterior material are caused. It has been emerging.

이를 해결하기 위하여 액체 전해질을 고체 고분자 막에 함침시키는 시스템, 즉 리튬이온고분자 2차전지를 개발하기에 이르렀고, 이러한 리튬이온고분자 2차전지용 고분자 전해질 막을 개발하는 다양한 연구가 이루어지게 되었다.In order to solve this problem, a system for impregnating a liquid electrolyte into a solid polymer membrane, that is, a lithium ion polymer secondary battery has been developed, and various studies have been made to develop such a polymer electrolyte membrane for a lithium ion polymer secondary battery.

이러한 고분자 전해질이 고에너지밀도 및 고용량의 소형 리튬 2차전지에 적용되어 우수한 성능을 발휘하기 위해서는, 일반적으로In order for such a polymer electrolyte to be applied to a small lithium secondary battery having a high energy density and a high capacity, and to exhibit excellent performance, generally,

(1) 고분자 막 자체의 기계적 강도 및 안정성 (장시간 안정성, 열적안정성, 화학적 안정성 등)(1) mechanical strength and stability of polymer membrane itself (long-term stability, thermal stability, chemical stability, etc.)

(2) 전해액이 첨가되어 고분자 전해질 막이 조성되었을 때의 높은 이온전도도, 높은 양이온 수율 및 전기화학적 안정성 등이 확보되어야 한다.(2) High ionic conductivity, high cation yield and electrochemical stability should be ensured when the electrolyte is added to form the polymer electrolyte membrane.

고분자 전해질 막 자체의 기계적 강도 및 물리적 성질을 강화하기 위하여 일반적으로는 실리카나 알루미나와 같은 무기충전제를 첨가하는 방법이 가장 많이 채택되고 있다. 특히 미국 특허 제5,418,091호에서는 비닐리덴플루오라이드(vinylidene fluoride; VdF)와 헥사플루오로프로필렌 (hexafluoropropylene; HFP)의 공중합체인 P(VdF-HFP)에 실리카 입자를 포함시켜 기계적 강도를 확보하는 방법을 사용하고 있으며, 이 때 사용되는 실리카 첨가제는 발연성 실리카 (fumed silica; SiO2) 입자로서 고분자 막을 형성할 때 입자들이 고분자 매트릭스 내에서 가교구조를 형성함으로써 기계적 강도의 확보는 물론 함침된 전해액을 고정시키는 역할까지 담당하므로 리튬이온의 전도도를 향상시키는데 기여하게 된다.Generally, in order to reinforce the mechanical strength and physical properties of the polymer electrolyte membrane itself, a method of adding an inorganic filler such as silica or alumina is generally adopted. In particular, US Pat. No. 5,418,091 uses a method of securing mechanical strength by including silica particles in P (VdF-HFP), a copolymer of vinylidene fluoride (VdF) and hexafluoropropylene (HFP). In this case, the silica additive used is fumed silica (SiO 2 ) particles, which form a crosslinked structure in the polymer matrix when the polymer film is formed, thereby securing mechanical strength and fixing the impregnated electrolyte solution. It also plays a role, contributing to improving the conductivity of lithium ions.

그러나 이러한 고분자 전해질 막을 사용하는 경우 액체가 고체 고분자의 내부기공에 위치하여 리튬이온의 전달을 담당하기 때문에 안정성 측면에서는 유리한 점이 있으나, 실제 극판과 전해질의 접합시 전해액이 누액되거나 극판과의 계면저항, 특히 리튬금속 전극을 사용하였을 때에 발생하는 계면저항이 상당히 높아 전지특성, 특히 전지의 수명에 악영향을 미치게 된다는 문제점이 있었다.However, in the case of using such a polymer electrolyte membrane, the liquid is located in the internal pores of the solid polymer to take care of the transfer of lithium ions, but there is an advantage in terms of stability.However, when the electrode is actually bonded to the electrolyte and the electrolyte is leaked or the interface resistance with the electrode is In particular, there is a problem that the interfacial resistance generated when using a lithium metal electrode is considerably high, which adversely affects battery characteristics, especially battery life.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 극복할 수 있는 이온전도도가 높고 계면저항이 작은 새로운 고분자 전해질 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 데에 있다.It is an object of the present invention to provide a novel polymer electrolyte having high ion conductivity and small interfacial resistance that can overcome the problems described above, and a method of manufacturing the same.

도 1 은 본 발명에 따른 고분자 전해질 막과 리튬금속 계면 사이의 계면저항의 시간 경과에 따른 추이를 나타낸 그래프.1 is a graph showing the change over time of the interface resistance between the polymer electrolyte membrane and the lithium metal interface according to the present invention.

도 2 는 실리카를 충전시킨 고분자 전해질 막 리튬금속 계면 사이의 계면저항의 시간 경과에 따른 추이를 나타낸 그래프.FIG. 2 is a graph showing the change over time of interfacial resistance between a lithium metal interface filled with silica and a polymer electrolyte membrane; FIG.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체 P(VdF-HFP)와 타이타니아 나노입자를 용매에 용해시킨 후 다공성 고분자막을 제조하고 이를 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질의 제조방법을 제공한다. 이러한 방법에서 상기 용매는 아세톤 또는 테트라하이드로푸란 등을 사용할 수 있는데, 특히 아세톤을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서 사용되는 상기 전해액은 리튬염과 유기용매의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하며, 대표적으로 사용가능한 리튬염에는 LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiCF3SO3및 LiN(CF3SO2)2등이 있으며, 유기용매로는 에틸렌카보네이트 (ethylene carbonate; EC), 프로필렌카보네이트 (propylene carbonate; PC), 디메틸카보네이트 (dimethyl carbonate DMC), 디에틸카보네이트 (diethyl carbonate), 에틸메틸카보네이트 (ethylmethyl carbonate) 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택된 것을 사용할 수 있다. 또한 상기 전해액 중의 리튬염의 농도는 용액 1 리터당 1몰, 즉 1M이 바람직하며 유기용매 혼합물을 사용하는 경우 각 용매의 함량비는 특별히 한정하지 않는다.In order to achieve the above object, the present invention is to dissolve the copolymer P (VdF-HFP) and titania nanoparticles of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene in a solvent to prepare a porous polymer membrane and impregnate it in the electrolyte It provides a method for producing a polymer electrolyte comprising a. In this method, the solvent may be acetone or tetrahydrofuran, etc., in particular, it is preferable to use acetone. In addition, the electrolyte used in the present invention is preferably a mixture of a lithium salt and an organic solvent, and representative lithium salts that can be used include LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and LiN (CF 3 SO 2 2 ) and organic solvents include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate DMC, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate ) And mixtures thereof may be used. In addition, the concentration of the lithium salt in the electrolyte is preferably 1 mol, that is, 1 M per liter of the solution, and when using an organic solvent mixture, the content ratio of each solvent is not particularly limited.

또한 본 발명은 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체 P(VdF-HFP)로 이루어진 고분자 매트릭스와 타이타니아 나노입자로 이루어진 충전제를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질을 제공한다. 이 때, 타이타니아 나노입자의 함량은 고분자 매트릭스와 상기 타이타니아의 혼합물을 기준으로 4 내지 45 중량%인 것이 바람직하며, 10 내지 25 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 또한 HFP의 공중합 함량은 대략 12몰% 내외인 것이 바람직하다.In another aspect, the present invention provides a polymer electrolyte comprising a polymer matrix consisting of a copolymer P (VdF-HFP) of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene and a filler consisting of titania nanoparticles. At this time, the content of the titania nanoparticles is preferably 4 to 45% by weight, more preferably 10 to 25% by weight based on the mixture of the polymer matrix and the titania. In addition, it is preferable that the copolymerization content of HFP is about 12 mol%.

이 때 타이타니아의 함량이 4 중량% 미만인 경우는 고분자 전해액의 함침량이 충분하지 못하여 이온전도도의 향상효과가 거의 없으며 또한 기계적 강도의 강화효과도 얻기 힘들다. 그리고 타이타니아 함량이 45 중량% 이상이 되면 타이타니아 성분이 고분자 전해질의 전체적 물성을 지배하여 필름으로서의 형성이 어려워지며 따라서 기계적 강도의 확보가 불가능해진다.At this time, when the content of titania is less than 4% by weight, the impregnation amount of the polymer electrolyte is not sufficient, so that there is little effect of improving the ionic conductivity, and also it is difficult to obtain the effect of strengthening the mechanical strength. In addition, when the titania content is 45 wt% or more, the titania component dominates the overall physical properties of the polymer electrolyte, making it difficult to form a film, thereby making it impossible to secure mechanical strength.

나노미터 크기의 타이타니아 입자를 리튬 2차전지용 고분자의 충전제로 사용하는 예로서는 Croce 등 [Nature, Vol.394, p.456 (1998); Journal of Physical Chemistry B, Vol.103, p.10632 (1999)]이 폴리에틸렌옥사이드 [poly(ethylene oxide)] 고분자 매트릭스에 타이타니아 나노입자와 리튬염을 복합화시킨 고체 고분자 전해질을 제조하여 그 특성을 조사한 결과 리튬전극과의 친화성을 크게 향상시킨 경우가 있다. 그러나 폴리에틸렌옥사이드를 사용하는 고체 고분자 전해질은 고분자 매트릭스의 상온 경직성 때문에 60oC 이상의 고온에서 겨우 10-4S/cm 이상의 이온전도도를 얻을 수 있는 등, 실제 휴대전화기용 리튬 2차전지에 적용하기가 현재까지도 요원한 실정에 있다.Examples of using nanometer-sized titania particles as fillers for polymers for lithium secondary batteries include Croce et al., Nature, Vol. 394, p. 456 (1998); Journal of Physical Chemistry B, Vol. 103, p.10632 (1999)] prepared a solid polymer electrolyte in which a titania nanoparticle and a lithium salt were complexed in a polyethylene (poly (ethylene oxide)) polymer matrix. In some cases, the affinity with the lithium electrode may be greatly improved. However, the solid polymer electrolyte using polyethylene oxide is difficult to be applied to a lithium secondary battery for mobile phones, such as ionic conductivity of only 10 -4 S / cm or more can be obtained at a high temperature of 60 o C or more due to the room temperature rigidity of the polymer matrix. It is still in a distant situation.

이상의 사실을 배경으로 본 발명에 따른 고분자 전해질은 P(VdF-HFP) 공중합체를 고분자 매트릭스로 하고 타이타니아 나노입자를 충전시킨 것을 특징으로 하고 있으며, 본 발명에 따른 고분자 전해질은 종래의 실리카 입자 충전 고분자 전해질(대한민국 특허출원 제 99-053774 호 및 일본 특허출원 평 12-43227 호)과는 달리, 타이타니아 나노입자를 P(VdF-HFP) 공중합체 분말과 타이타니아 나노입자를 용매에 녹인 후 혼합하여 슬러리를 만든 후 이를 용액주조 (solution casting)하여 얻은 고분자 막을 리튬염이 녹아 있는 유기용매 전해액에 일정시간 함침시키고 난 후 건조시켜 얻게된다.Based on the above facts, the polymer electrolyte according to the present invention is characterized in that the P (VdF-HFP) copolymer is used as a polymer matrix and filled with titania nanoparticles, and the polymer electrolyte according to the present invention is a conventional silica particle-filled polymer. Unlike the electrolytes (Korean Patent Application No. 99-053774 and Japanese Patent Application Hei 12-43227), the slurry is prepared by dissolving the titania nanoparticles in P (VdF-HFP) copolymer powder and the titania nanoparticles in a solvent and then mixing them. After the preparation, the polymer membrane obtained by solution casting is impregnated with an organic solvent electrolyte in which lithium salt is dissolved for a predetermined time and then dried.

본 발명에 따른 제조 방법을 좀 더 상세히 기술하나, 이에 의하여 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.The production process according to the invention is described in more detail, but is not intended to limit the invention.

우선 타이타니아 나노입자 분말을 일정량 아세톤에 투입하여 교반을 행하는데, 이 때 타이타니아 나노입자의 균일 분산을 위하여 30분 이상 초음파를 적용할 수 있다. 여기에 HFP 공중합 함량이 12 몰%인 VdF와 HFP의 공중합체 분말 일정량을 서서히 투입하고 구경이 5mm인 지르코니아 볼 (Zr-ball)을 액상 체적의 60% 이상이 되도록 투입한 후 볼밀링 (ball milling)을 24시간 이상 실시한다. 밀링이 완료되면 이슬점이 영하 40oC 이하인 초저습 분위기에서 진공오븐에 넣어 5분동안 감압하여 잔여 기포를 빼내고 청결한 유리판 위에 슬러리를 일정량 붓고 닥터 블레이드를 이용하여 일정 두께로 용액주조를 하고 70oC 오븐에서 12시간 건조를 시킨다. 이렇게 하여 얻어진 고분자 막을 리튬염이 용해되어 있는 전해액에 20시간 이상 함침시킨 다음 꺼내어 여과지로 표면의 전해액을 닦아내고 4시간 정도 초저습실에 방치한 후 비로소 목적하는 고분자 전해질을 얻는다.First, the titania nanoparticle powder is added to a predetermined amount of acetone and stirred. At this time, ultrasonic waves may be applied for 30 minutes or more for uniform dispersion of the titania nanoparticles. Into this, a small amount of copolymer powder of VdF and HFP having a HFP copolymerization content of 12 mol% was slowly added, and a zirconia ball having a diameter of 5 mm was added to be 60% or more of the liquid volume, followed by ball milling. ) For at least 24 hours. After milling is complete, the dew point is minus 40 o C or less second in a low-humidity atmosphere and put in a vacuum oven under reduced pressure for 5 minutes, remove the residual bubbles was poured into a predetermined amount to the slurry over a clean glass plate using a doctor blade, and the solution was cast at a constant thickness 70 o C Dry in oven for 12 hours. The polymer membrane thus obtained is impregnated with an electrolyte solution in which lithium salt is dissolved for 20 hours or more, and then taken out, the surface electrolyte solution is wiped off with a filter paper, and left in an ultra low humidity room for about 4 hours before the desired polymer electrolyte is obtained.

이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.

실시예 1 내지 6Examples 1-6

20g 정도의 아세톤이 들어 있는 100ml 유리 시료병에 타이타니아 나노입자 (일본 Titan Industry Co.의 PC-101; 아나타제 (anatase) 결정형; 평균입경 20nm, 비표면적 340m2/g) 일정량을 투입하고, 출력진폭을 35W로 조정한 초음파 발생장치를이용하여 30분 동안, 30초 적용 후 5초 정지의 방식으로 초음파를 적용하였다. 이후, HFP 공중합 함량이 12몰%인 P(VdF-HFP) 공중합체 분말 (미국 Elf Atochem N.A. Co.의 KynarFlex 2801) 일정량을 서서히 투입하고, 구경이 5mm인 지르코니아 볼을 액상의 60%이상 되도록 투입한 후 밀봉하여 500rpm의 속도로 24시간 동안 볼밀링을 실시하였다. 여기서 각 실시예에 따른 고분자와 타이타니아의 투입량 및 함량비를 후술되는 표 1에 나타내었다.Titanium nanoparticles (PC-101 from Titan Industry Co .; anatase crystalline form; average particle diameter 20nm, specific surface area 340m 2 / g) were added to a 100 ml glass sample bottle containing 20 g of acetone. The ultrasonic wave was applied for 30 minutes by using the ultrasonic generator adjusted to 35W, and then applied for 30 minutes and then stopped for 5 seconds. Subsequently, P (VdF-HFP) copolymer powder (KnarnarFlex 2801 of Elf Atochem NA Co., USA) having 12 mol% of HFP copolymer content was gradually added, and a zirconia ball having a diameter of 5 mm was added to 60% or more of the liquid phase. After sealing, ball milling was performed for 24 hours at a speed of 500 rpm. Here, the dosage and content ratio of the polymer and the titania according to each example are shown in Table 1 below.

볼밀링이 완료되면 이슬점이 영하 40oC 이하로 유지되는 초저습실 분위기에서 시료병 마개를 약하게 풀고 진공오븐에 넣어 5분간 감압하여 탈포를 시켰다. 메탄올로 청결하게 세척, 건조된 유리판 위에 슬러리를 일정량 붓고 닥터 블레이드를 이용하여 슬러리를 박막 시트형으로 캐스팅하였다. 이 때 닥터 블레이드의 갭 (gap)은 400㎛로 유지시켰다. 캐스팅된 박막은 유리판에 접착된 상태로 70oC 오븐에 넣어 2시간 건조시킨 후 상온에서 유리판과 박리시켰다. 이 때 유리판 표면과 박막의 접착성이 강하여 박리시키기가 어려운 경우에는 메탄올을 분사하여 박리를 행하고 다시 70oC 오븐에 넣어 12시간 건조시켜 대략 36 내지 50㎛의 두께를 갖는 고분자 막을 얻었다. 건조시켜 얻은 고분자 막을 일정크기로 재단한 후, EC와 EMC가 체적 기준으로 1:1 비율로 혼합되어 있는 용액에 1M의 LiPF6가 녹아 있는 전해액이 과잉으로 담겨 있는 샤알레에 고분자 막을 담구어 20시간 이상 함침시켰다. 함침 완료 후 고분자 전해질 막을 전해액에서 꺼내어 두 장의 여과지 사이에 놓고 가볍게 두드려 표면의 전해액을 닦아내고 나서 4시간 정도 초저습실에 방치한 후에 본 발명에 따른 고분자 전해질을 얻었다.When ball milling was completed, the sample bottle cap was loosened in an ultra-low humidity atmosphere in which the dew point was kept below minus 40 ° C. and placed in a vacuum oven to degas for 5 minutes. A certain amount of slurry was poured onto a glass plate washed with methanol and dried, and the slurry was cast into a thin sheet using a doctor blade. At this time, the gap of the doctor blade was kept at 400 mu m. The cast thin film was attached to a glass plate and dried in a 70 ° C. oven for 2 hours, and then peeled from the glass plate at room temperature. At this time, when the adhesion between the surface of the glass plate and the thin film is difficult to peel off, methanol was sprayed to peel off, and the resultant was placed in a 70 ° C. oven for 12 hours to dry, thereby obtaining a polymer film having a thickness of approximately 36 to 50 μm. After cutting the dried polymer membrane to a certain size, the polymer membrane was immersed in Shaale containing an excess of 1 M LiPF 6 electrolyte in a solution in which EC and EMC were mixed in a 1: 1 ratio by volume. Impregnation was over time. After the impregnation was completed, the polymer electrolyte membrane was taken out of the electrolyte solution, placed between two sheets of filter paper, and then lightly wiped off the surface of the electrolyte solution and left in an ultra low humidity room for about 4 hours to obtain a polymer electrolyte according to the present invention.

비교예 1Comparative Example 1

타이타니아를 투입하지 않는 점 이외에 위의 실시예와 동일하게 하여 고분자 전해질을 제조하였다. 단 이 때 사용한 전해액은 EC와 DMC가 2:1 체적비로 혼합된 용액에 1M의 LiClO4가 녹아 있는 전해액을 사용하였다.A polymer electrolyte was prepared in the same manner as in the above example except that titania was not added. However, the electrolyte solution used was an electrolyte solution in which 1M LiClO 4 was dissolved in a solution in which EC and DMC were mixed at a volume ratio of 2: 1.

비교예 2Comparative Example 2

타이타니아 대신 발연성 실리카(Carbot Co.의 TS-530)를 일정량 투입하여 혼합, 교반 과정을 거쳐 슬러리를 제조한 다음 위의 과정과 동일하게 고분자 전해질을 제조하였다. 단 이 때 사용한 전해액을 EC와 DMC가 2:1 체적비로 혼합된 용액에 1M의 LiClO4가 녹아 있는 전해액을 사용하였다.Instead of Titania, fumed silica (Carbot Co. TS-530) was added in a predetermined amount to prepare a slurry through mixing and stirring, and then a polymer electrolyte was prepared in the same manner as above. However, the electrolyte used at this time was an electrolyte in which 1M LiClO 4 was dissolved in a solution in which EC and DMC were mixed at a volume ratio of 2: 1.

제조된 고분자 전해질 막의 특성 비교Comparison of Characteristics of Prepared Polymer Electrolyte Membranes

(1) 고분자 전해질 막의 팽윤율 및 이온 전도도 테스트 (실시예 1 내지 6 및 비교예 1)(1) Swelling rate and ion conductivity test of the polymer electrolyte membrane (Examples 1 to 6 and Comparative Example 1)

고분자 막에 전해액을 함침시키기 전에 그 중량을 측정하여 이를 W1이라 하고, 전해액이 함침된 후 여과지로 닦고 나서 다시 측정한 중량을 W2라 할 때 팽윤율 (%)은 다음의 식으로 계산하였으며, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.Before impregnating the polymer membrane, the weight of the electrolyte was measured and called W 1. After the electrolyte was impregnated, the filter paper was wiped with filter paper and the measured weight was W 2. The swelling rate (%) was calculated by the following equation. The results are shown in Table 1 below.

또한, 2장의 2 cm x 2 cm 크기의 스테인레스 스틸 전극판 사이에 위와 같은 고분자 전해질 막을 역시 2 cm x 2 cm 크기로 재단하여 끼우고, 통상의 임피던스 측정법에 따라 여러 온도별로 이온전도도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.In addition, the polymer electrolyte membrane was cut into a size of 2 cm x 2 cm between two 2 cm x 2 cm stainless steel electrode plates, and ion conductivity was measured at various temperatures according to a conventional impedance measurement method. The results are shown in Table 1 below.

조성물 함량(g)Composition content (g) TiO2함량비(중량%)TiO 2 content ratio (% by weight) 팽윤율(%)Swelling Rate (%) 이온전도도(mS/cm)Ion Conductivity (mS / cm) 고분자Polymer TiO2 TiO 2 2시간후2 hours later 20시간후After 20 hours 0℃0 ℃ 25℃25 ℃ 60℃60 ℃ 실시예 1Example 1 4.754.75 0.250.25 55 60.060.0 73.273.2 0.640.64 3.83.8 10.810.8 실시예 2Example 2 4.504.50 0.500.50 1010 65.265.2 75.175.1 2.92.9 11.011.0 37.537.5 실시예 3Example 3 4.004.00 1.001.00 2020 67.667.6 73.873.8 2.42.4 7.97.9 28.228.2 실시예 4Example 4 3.503.50 1.501.50 3030 62.862.8 65.065.0 1.61.6 6.76.7 27.927.9 실시예 5Example 5 3.003.00 2.002.00 4040 57.957.9 59.159.1 1.01.0 4.74.7 16.216.2 실시예 6Example 6 2.502.50 2.502.50 5050 54.554.5 55.655.6 0.320.32 1.21.2 3.53.5 비교예 1Comparative Example 1 5.005.00 0.000.00 00 34.534.5 38.938.9 -- 0.0040.004 0.020.02

표 1의 결과로부터 타이타니아의 함량 증가에 따라 이온전도도가 증가하다가 감소하는 경향을 보이며, 타이타니아 함량이 10중량%인 경우가 가장 이온전도도가높게 나타남을 볼 수 있었다. 이 경향은 온도가 변화하여도 그대로 유지됨을 알 수 있으며 또한 전해액을 함침시킨 후의 팽윤율 경향과도 일치하는 것으로 보아 고분자 전해질 막 내에 전해액이 유지되는 경향도 이에 따름을 알 수 있다.From the results of Table 1, the ionic conductivity tends to increase and decrease with increasing titania content, and the highest ionic conductivity is shown when the titania content is 10% by weight. It can be seen that this tendency is maintained even when the temperature is changed, and the tendency of maintaining the electrolyte solution in the polymer electrolyte membrane is also in accordance with the trend of swelling ratio after the impregnation of the electrolyte solution.

(2) 리튬금속 전극과 고분자 전해질 막의 계면 안정성 테스트 (비교예 2)(2) Interfacial Stability Test of Lithium Metal Electrode and Polymer Electrolyte Membrane (Comparative Example 2)

다음으로 본 발명인 타이타니아를 충전시킨 고분자 전해질 막을 리튬계 2차전지에 적용할 때 고려해야 하는 리튬금속 전극과의 계면 안정성에 대한 시험을 행하였는데, 리튬금속 전극을 고분자 전해질 막의 양쪽에 대고 2 cm x 2 cm 크기의 셀을 제작하여 시간 경과에 따른 임피던스를 측정한 결과, 첨부 도 1과 같은 결과를 얻었다.Next, a test was performed on the interfacial stability with the lithium metal electrode which should be considered when applying the polymer electrolyte membrane filled with titania of the present invention to a lithium secondary battery. The lithium metal electrode was placed on both sides of the polymer electrolyte membrane. A cm cell was fabricated and impedance measured over time. As a result, the same results as in FIG. 1 were obtained.

본 발명에 따른 타이타니아 나노입자를 충전시킨 고분자 전해질의 계면 특성과의 비교를 위해 비교예 2의 실리카를 충전시킨 고분자 전해질 막에 대하여도 리튬금속 전극을 사용하여 임피던스 시험을 행하고 그 결과를 첨부 도 2에 나타내었다.For comparison with the interfacial properties of the polymer electrolyte filled with titania nanoparticles according to the present invention, the polymer electrolyte membrane filled with silica of Comparative Example 2 was also subjected to an impedance test using a lithium metal electrode, and the results are attached. Shown in

첨부 도 1 및 도 2를 비교해 보면, 타이타니아 나노입자를 충전시킨 고분자 전해질 막이 리튬금속 전극과의 계면저항이 거의 1/10 수준으로 낮음을 알 수 있으며 따라서 실제 리튬금속 고분자 2차전지에 적용하여 전극반응의 매개체로 그 역할을 수행하는데 매우 유리함을 알 수 있다. 이는 타이타니아 나노입자가 리튬전극과의 계면작용에 있어서 탁월한 적응성을 가지고 있기 때문이다.1 and 2, it can be seen that the polymer electrolyte membrane filled with titania nanoparticles has a low interfacial resistance with a lithium metal electrode of about 1/10. Therefore, the electrode is applied to a lithium metal polymer secondary battery. It can be seen that it is very advantageous to play its role as a mediator of the reaction. This is because titania nanoparticles have excellent adaptability in interfacing with lithium electrodes.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 타이타니아 나노입자를 충전시킨 고분자 전해질은 고분자 전해질의 기계적 강도와 전해액 유지성은 물론 종래의 리튬이온 고분자 2차전지에 사용되는 고분자 전해질 막보다 고이온 전도도를 가질 뿐만 아니라, 타이타니아 입자가 갖는 특이한 표면 성질에 의해 리튬금속과의 친화성 (compatibility)이 유지되어 계면저항이 대폭적으로 감소되는 효과를 나타내므로 리튬이온 2차전지 및 리튬이온 고분자 2차전지에 적용할 수 있음은 물론 고용량 2차전지로 장차 개발될 리튬금속고분자 2차전지에도 적합한 가장 유망한 고분자 전해질 막으로 제공될 수 있다.As described above, the polymer electrolyte filled with the titania nanoparticles according to the present invention not only has mechanical strength and electrolyte retention of the polymer electrolyte, but also has higher ion conductivity than the polymer electrolyte membrane used in the conventional lithium ion polymer secondary battery. Due to the unique surface properties of the titania particles, the compatibility with lithium metal is maintained and the interfacial resistance is greatly reduced. Therefore, the present invention can be applied to lithium ion secondary batteries and lithium ion polymer secondary batteries. Of course, it can be provided as the most promising polymer electrolyte membrane suitable for the lithium metal polymer secondary battery which will be developed in the future as a high capacity secondary battery.

Claims (8)

비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체와 나노미터 크기의 타이타니아 입자를 용매에 용해시킨 후 다공성 고분자막을 제조하고 이를 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질의 제조방법.A method of producing a polymer electrolyte comprising dissolving a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene and nanometer-sized titania particles in a solvent to prepare a porous polymer membrane and impregnating it in an electrolyte. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 용매는 아세톤 또는 테트라하이드로푸란인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질의 제조방법.The solvent is acetone or tetrahydrofuran method of producing a polymer electrolyte, characterized in that. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전해액은 리튬염과 유기용매가 혼합된 전해액임을 특징으로 하는 고분자 전해질의 제조방법.The electrolyte solution is a method of producing a polymer electrolyte, characterized in that the electrolyte mixture of a lithium salt and an organic solvent. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 리튬염은 LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiCF3SO3및 LiN(CF3SO2)2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상임을 특징으로 하는 고분자 전해질의 제조방법.The lithium salt is a method of producing a polymer electrolyte, characterized in that at least one selected from the group consisting of LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 . 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 유기용매는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질의 제조방법.The organic solvent is a method for producing a polymer electrolyte, characterized in that selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and mixtures thereof. 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체로 이루어진 고분자 매트릭스와 타이타니아 나노입자로 이루어진 충전제를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.A polymer electrolyte comprising a polymer matrix composed of a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene and a filler composed of titania nanoparticles. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 타이타니아 나노입자의 함량이 고분자 매트릭스와 상기 타이타니아의 혼합물을 기준으로 4 내지 45 중량%임을 특징으로 하는 고분자 전해질.The content of the titania nanoparticles is 4 to 45% by weight based on the mixture of the polymer matrix and the titania. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 타이타니아 나노입자의 함량이 고분자 매트릭스와 상기 타이타니아의 혼합물을 기준으로 10 내지 25 중량%임을 특징으로 하는 고분자 전해질.The content of the titania nanoparticles is 10 to 25% by weight based on the mixture of the polymer matrix and the titania.
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