KR20070024886A - Polymer electrolyte containing ionic liquid - Google Patents

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KR20070024886A KR1020050080469A KR20050080469A KR20070024886A KR 20070024886 A KR20070024886 A KR 20070024886A KR 1020050080469 A KR1020050080469 A KR 1020050080469A KR 20050080469 A KR20050080469 A KR 20050080469A KR 20070024886 A KR20070024886 A KR 20070024886A
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Abstract

Provided is a polymer electrolyte containing an ionic liquid, which has a uniform pore distribution, contains a large amount of an organic electrolyte and an ionic liquid, and shows excellent ion conductivity and electrochemical stability. The polymer electrolyte containing an ionic liquid comprises a polymer film obtained by spin-coating a mixed solution containing a polymer and a solvent via a phase transition process, wherein the polymer film is impregnated with an organic electrolyte comprising an ionic liquid and a lithium salt. The polymer film is obtained by using a mixed solution comprising 10-40 wt% of the polymer and 60-90 wt% of the solvent. The organic electrolyte contains at least one carbonate solvent. The ionic liquid includes 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate.

Description

이온성 액체를 포함한 고분자 전해질{Polymer Electrolyte containing Ionic Liquid}Polymer Electrolyte containing Ionic Liquid

도 1은 다공성 고분자 필름의 전자주사현미경(SEM) 사진이다.1 is an electron scanning microscope (SEM) photograph of a porous polymer film.

도 2는 고분자와 용매와의 혼합비율과 스핀코팅회전수에 따른 고분자 필름의 두께를 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the thickness of the polymer film according to the mixing ratio of the polymer and the solvent and the spin coating speed.

도 3은 고분자 전해질의 전해액 함침량을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the electrolyte solution impregnation amount of the polymer electrolyte.

본 발명은 이온성 액체를 포함한 겔형 고분자 전해질에 관한 것으로서 구체적으로는 고분자 용액을 스핀코팅(spin coating)하여 상전환법으로 균일한 기공 분포를 갖고 있는 고분자 필름을 준비한 다음에, 상기 고분자 필름에 이온성 액체가 포함된 유기 전해핵을 함침시켜서 제조한 이온 전도도와 전기화학적 안정성이 우수한 고분자 전해질에 관한 것으로서, 상기 고분자 전해질은 리튬폴리머전지에 매우 적합하게 사용될 수 있는 것이다.The present invention relates to a gel polymer electrolyte containing an ionic liquid. Specifically, spin coating a polymer solution to prepare a polymer film having a uniform pore distribution by a phase inversion method, and then ionizing the polymer film. The present invention relates to a polymer electrolyte having excellent ion conductivity and electrochemical stability prepared by impregnating an organic electrolytic nucleus containing an ionic liquid, and the polymer electrolyte may be suitably used for a lithium polymer battery.

현재 상용화 되고 있는 리튬이온전지는 유기 전해액의 비점이 낮아 휘발하기 쉽고 가연성이기 때문에 과충전, 과방전, 쇼트 등에 의한 폭발의 위험성이 있으며 소형화, 박형화에 어려움이 있다. 그래서 이러한 문제를 보완하기 위하여 개발된 것이 리튬 폴리머 전지이다. 리튬 폴리머 전지에는 유기 전해액이 포함 되어 있지 않은 완전 고체형과 유기 전해액이 포함되어 있는 겔형이 있으며 일부 겔형 전해질은 현재 실용화 되고 있다. 그러나 이러한 겔형 전해질은 완전 고체형 고분자 전해질에 비해 상온에서의 이온 전도도는 높으나 액체 전해질보다는 낮은 수준이며, 또한 가소제 및 유기 전해액을 포함하기 때문에 전기화학적 안전성 확보에 어려움이 있다.Currently commercialized lithium ion battery has low boiling point of organic electrolyte and is easy to volatilize and thus flammable, so there is a risk of explosion due to overcharge, overdischarge, short, etc., and it is difficult to miniaturize and thin. Therefore, the lithium polymer battery was developed to solve this problem. There are two types of lithium polymer batteries, a solid type containing no organic electrolyte and a gel type containing an organic electrolyte. Some gel electrolytes are currently used. However, these gel electrolytes have higher ionic conductivity at room temperature than lower solid polymer electrolytes, but lower levels than liquid electrolytes, and also include plasticizers and organic electrolytes, making it difficult to secure electrochemical safety.

고분자 고체 전해질에 관한 예로서 미국특허 제 4,758,483 호, 제 4,792,504 호 및 제 4,908,284 호에는 폴리에틸렌옥사이드(PEO)의 가교체가 개시되어 있다. 이 가교체는 제조하기가 용이하여 대량생산이 가능하지만 이러한 고분자매트릭스를 포함하는 고분자 고체 전해질은 상온에서의 이온 전도도가

Figure 112005048586910-PAT00001
S/cm 이하로 낮다. 따라서, 실온에서는 사용이 불가능하고 60℃ 이상의 온도에서만 사용 가능하다. 즉 고온용 전해질로는 사용할 수 있지만 일반적인 전자기기가 사용되는 상온에서는 사용이 불가능하다는 단점을 가지고 있어서 아직까지도 실용화하는데 에는 어려움이 있다.As examples of polymer solid electrolytes, US Pat. Nos. 4,758,483, 4,792,504 and 4,908,284 disclose crosslinks of polyethylene oxide (PEO). This cross-linked product is easy to manufacture and can be mass-produced. However, the polymer solid electrolyte including the polymer matrix has an ionic conductivity at room temperature.
Figure 112005048586910-PAT00001
Lower than S / cm Therefore, it cannot be used at room temperature and can be used only at a temperature of 60 ° C or higher. That is, although it can be used as a high-temperature electrolyte, it has a disadvantage in that it cannot be used at room temperature where general electronic devices are used, and there are still difficulties in practical use.

고분자 겔형 전해질에 관한 예로서, 일본특허공개 헤이03-207752에는 에티렌 글리콜과 디메타크릴레이트를 혼합한 후 UV를 조사하여 합성하는 고분자 겔형 전해질이 개시되어 있다. 그러나 이 겔형 고분자 전해질은 도전율이

Figure 112005048586910-PAT00002
S/cm 이하이며 너무 유연하고 UV 조사 후 열 경화되어 더 이상 성형이 불가능하며 전지 조립 시 전극과 고분자 전해질간의 갭(gap)이 상대적으로 커져 전극과 전해질간에 계면 저항이 커지므로 이차전지에 실질적으로 적용하기가 어려운 단점이 있다.As an example of a polymer gel electrolyte, Japanese Patent Laid-Open No. 03-207752 discloses a polymer gel electrolyte in which ethylene glycol and dimethacrylate are mixed and then irradiated with UV to be synthesized. However, this gel polymer electrolyte has a low conductivity
Figure 112005048586910-PAT00002
It is less than S / cm, too flexible, and thermally cured after UV irradiation, so that molding is no longer possible. It is difficult to apply.

최근에는 유기용매가 포함되지 않은 매트릭스 고분자를 먼저 제조하고 이를 양극 및 음극과 적층한 후 얻어진 필름을 유기용매에 함침시키는 방법이 제안되었다(J.M. Tarascon et al., Solid State Ionics, 86-88, 49, 1996, 미합중국특허 제 5,456,000 호). 그러나, 비닐리덴플루오라이드 계열의 고분자는 전기화학적으로는 안정하나 낮은 표면에너지와 유기용매와의 낮은 친화성으로 인해 액체 전해질의 함침 특성이 좋지 않고 이로 인해 전지내의 시간 및 충방전에 따른 지속적인 액체 전해액의 스며나옴 또는 휘발현상이 발생하여 고분자 매트릭스내의 이온전도도의 저하뿐만 아니라, 전지내의 전체저항을 증가시키는 결과를 초래하고 결국 장시간후의 용량의 지속적인 감소 및 고율충방전 특성을 저하시키는 단점이 있다.Recently, a method of first preparing a matrix polymer containing no organic solvent, laminating it with an anode and a cathode, and impregnating the obtained film with an organic solvent has been proposed (JM Tarascon et al., Solid State Ionics, 86-88, 49). , 1996, US Patent No. 5,456,000). However, vinylidene fluoride-based polymers are electrochemically stable, but have poor surface energy and low affinity with organic solvents, resulting in poor impregnation of the liquid electrolyte. Exudation or volatilization of the polymer not only reduces the ionic conductivity in the polymer matrix, but also increases the overall resistance in the battery, resulting in a continuous decrease in capacity after a long time and a high rate charge and discharge characteristic.

이와 같이 리튬 2차 전지에 사용될 수 있는 고분자 전해질의 요구조건은 이온 전도도가 상온에서 5 mS/㎝(m=

Figure 112005048586910-PAT00003
)이상이어야 하고 기계적 강도가 우수하여 전지제조가 용이하여야 하고, 고분자 내에 함유된 전해액이 외부로 누출되지 않아야 하며, 그리고 원하는 전압 범위 내에서 전기화학적 안정성이 있어야 한다. 또 전지제조 공정에서 전극에 대한 열 접착성을 가질 수 있어야 하고 열에 대한 안정성이 필요하며 비수계 전해액에 대한 함침성도 좋아야 하며 동시에 안정성도 있어야 한다.As such, the polymer electrolyte that can be used in a lithium secondary battery has an ion conductivity of 5 mS / cm at room temperature (m =
Figure 112005048586910-PAT00003
It should be more than), and it should be easy to manufacture the battery because of its excellent mechanical strength, and the electrolyte contained in the polymer should not leak to the outside, and it should have electrochemical stability within the desired voltage range. In addition, the battery manufacturing process should be able to have a thermal adhesiveness to the electrode, the stability to heat is required, the impregnation to the non-aqueous electrolyte solution must also be good and must also be stable.

이러한 고분자 전해질의 요구조건을 충족시킬 수 있는 물질로서 이온성 액체 가 새롭게 대두되고 있다. 이온성 액체는 소금과 같이 금속 양이온과 비금속 음이온으로 이루어진 이온성 염 화합물이 일반적으로 800℃ 이상의 고온에서 녹는 것과는 달리 100℃이하의온도에서 액체로 존재하는 양이온과 음이온으로 구성되어 있는 염을 말하며 특히, 상온에서 액체로 존재하는 염을 상온 이온성 액체라 한다. 상온에서 액체인 이온성 액체는 증기압이 없고 비 휘발성, 비 폭발성이고 내열성이 높아 액체온도 범위가 넓고, 이온 전도도가 높으며, 넓은 전기화학적 전위창(potential window)을 갖는 등의 물리화학적 특성이 있기 때문에 최근 그 유용성이 널리 인식되고 있다.Ionic liquids are emerging as materials capable of meeting the requirements of such polymer electrolytes. Ionic liquids refer to salts consisting of cations and anions that exist as liquids at temperatures below 100 ° C, unlike ionic salt compounds consisting of metal cations and non-metal anions, such as salts, generally melting at high temperatures above 800 ° C. Salts that exist as liquids at room temperature are called room temperature ionic liquids. Ionic liquids, which are liquids at room temperature, have no vapor pressure, are non-volatile, non-explosive, and have high thermal and chemical properties, such as wide liquid temperature ranges, high ionic conductivity, and wide electrochemical potential windows. Recently, its usefulness is widely recognized.

본 발명은 이온 전도도가 높고 전기화학적 안정성이 우수하며 전해액의 함침 특성이 개선된 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질을 제공하는데 그 기술적 과제를 두고 있는 것이다.The present invention is to provide a polymer electrolyte containing an ionic liquid having high ionic conductivity, excellent electrochemical stability, and improved impregnation properties of the electrolyte.

본 발명에 의한 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질은 고분자와 상기 고분자 용액을 용해할 수 있는 용매를 혼합시켜서 고분자 용액을 만드는 단계 a와, 이를 스핀코팅하여 상전환법으로 고분자 필름을 제조하는 단계b, 그리고 상기 필름에 이온성 액체를 포함하는 전해액을 함침시키는 단계c를 포함하여 제조된다.In the polymer electrolyte including the ionic liquid according to the present invention, a step (a) of preparing a polymer solution by mixing a polymer and a solvent capable of dissolving the polymer solution, and spin coating the same to prepare a polymer film (b), And impregnating the film with an electrolyte containing an ionic liquid.

본 발명에 의한 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질의 제조방법을 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the method of preparing the polymer electrolyte including the ionic liquid according to the present invention will be described in detail.

a 단계step a

상기 a단계의 고분자는 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF-HFP공중합체), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로 니트릴, 폴리메틸메타이크릴레이트, 포리에틸렌옥사이드 또는 폴리프로필렌옥사이드 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 고분자이다. 본 발명의 실시예에서는 폴리비닐리덴 헥사플루오로프로필렌 공중합체를 사용하였다.The polymer of step a is polyurethane, polyvinylidene hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP copolymer), polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyethylene glycol Or one or two or more polymers selected from polypropylene oxide. In the embodiment of the present invention, polyvinylidene hexafluoropropylene copolymer was used.

상기 고분자를 용해하기 위한 용매는 선택된 유기 고분자의 용해에 적합한 것이면 특별한 제한이 없으며, 예로는, 유기용매인 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드, 감마부틸로락톤, 테트라하이드로퓨란, 아세톤의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 용매이다. 본 발명의 실시예에서는 N-메틸피롤리돈(NMP)을 사용하였다.The solvent for dissolving the polymer is not particularly limited as long as it is suitable for dissolution of the selected organic polymer, and examples thereof include organic solvents N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, gamma butyrolactone, Tetrahydrofuran is at least one solvent selected from the group of acetone. In the embodiment of the present invention, N-methylpyrrolidone (NMP) was used.

고분자와 용매의 혼합비율은 고분자 10 ~ 40 중량% 대 용매 60 ~ 90 중량% 가 바람직하고, 가장 바람직하기로는 고분자 대 용매의 비율(중량비)이 1:5 일때이다. 또한 고분자 용액 제조시 기포를 제거 하기 위해 진공오븐을 사용하는 것이 좋다.The mixing ratio of the polymer and the solvent is preferably 10 to 40% by weight of the polymer to 60 to 90% by weight of the solvent, and most preferably when the ratio of the polymer to the solvent (weight ratio) is 1: 5. In addition, it is recommended to use a vacuum oven to remove bubbles in the preparation of the polymer solution.

b 단계b step

상기 a단계의 고분자 용액을 100 ~ 5000rpm으로 스핀코팅하여 두께가 1 ~ 1000㎛인 균일한 필름을 제조하였다. 고분자와 용매의 혼합비율에 따라 스핀코팅의 회전수(rpm)를 조절하여 기공의 크기가 1㎛이하이고 두께가 1 ~ 1000㎛인 필름을 제조하였다. 혼합비율과 회전수(rpm)에 따른 필름의 두께를 나타내는 그래프를 [도 2]에 나타내었다.Spin coating the polymer solution of step a to 100 ~ 5000rpm to produce a uniform film having a thickness of 1 ~ 1000㎛. According to the mixing ratio of the polymer and the solvent by adjusting the number of rotation (rpm) of the spin coating to prepare a film having a pore size of 1㎛ or less and 1 ~ 1000㎛ thickness. A graph showing the thickness of the film according to the mixing ratio and the rotational speed (rpm) is shown in FIG. 2.

비 용매가 들어있는 응고조에 상기 캐스팅된 기판을 담궈 용액내 용매와 비용매간의 상전환법에 의해 미세기공 고분자 필름을 제조하였다. 이 때, 비용매로는 물, 알코올류(메탄올, 에탄올, 프로판올 등) 또는 이들의 혼합 용매를 사용할 수 있다.The cast substrate was immersed in a coagulation bath containing a non-solvent to prepare a microporous polymer film by a phase inversion method between a solvent and a non-solvent in a solution. At this time, water, alcohols (methanol, ethanol, propanol, etc.) or a mixed solvent thereof can be used as the nonsolvent.

상기 과정을 통해 얻어진 미세기공 고분자 필름을 80℃ 정도에서 24시간 진공 건조하여서 잔류 용매를 완전히 제거하였다.The microporous polymer film obtained through the above process was vacuum dried at about 80 ° C. for 24 hours to completely remove the residual solvent.

c 단계c step

상기 b단계에서 제조된 미세기공 고분자 필름을 드라이 박스 내에서 이온성 액체와 리튬염을 유기 전해액에 용해 시킨 후, 상기 전해액에 함침시켜서 이온성 액체가 함유된 고분자 전해질을 제조하였다.The microporous polymer film prepared in step b was dissolved in an organic electrolyte solution with an ionic liquid and a lithium salt in a dry box, and then impregnated in the electrolyte solution to prepare a polymer electrolyte containing an ionic liquid.

상기 유기 전해액은 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트 중에서 선택한 1종 또는 2종 이상의 것이다. 그 중에서도, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 등의 환상 탄산 에스테르는 인화점 및 발화점이 높고 증기압도 낮기 때문에 안전성이라는 관점에서 바람직하게 사용할 수 있다.The organic electrolyte is one or two or more selected from ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, and diethyl carbonate. Among them, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate and vinylene carbonate can be preferably used from the viewpoint of safety because they have a high flash point, a flash point and a low vapor pressure.

상기 유기 전해액과 혼합하는 리튬염은 리튬이차전지의 전해질로 사용되는 리튬염이라면 어느 것이라도 가능하며, 구체적으로 예를 들면, 리튬보로플루오라이드(LiBF4), 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬퍼클로레이트(LiClO4), 리튬트리플루오로네탄설포네이트(LiCF3SO3),리튬트리플로오로메탄술포닐이미드(LiN(CF3SO2) 2) 또는 리튬아르세닐헥사플루오라이드(LiAsF6) 중에서 하나 또는 둘 이상을 선택하여 사용할 수 있다.The lithium salt mixed with the organic electrolyte may be any lithium salt used as an electrolyte of a lithium secondary battery. Specifically, for example, lithium borofluoride (LiBF 4 ) or lithium hexafluorophosphate (LiPF 6). ), Lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium trifluoronetanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium trifluoromethanesulfonylimide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) or lithium arsenylhexafluoride ( LiAsF 6 ) may be used to select one or two or more.

이때 전해질로 사용되는 상기 리튬염의 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전해액 1ℓ당 통상 0.05 ~ 3M/L(몰/ℓ) 바람직하게는 0.1 ~ 2M/L이다. 리튬염의 농도가 지나치게 낮으면, 고분자 전해질 내로 함침되는 리튬의 양이 부족하게 되어 전해질의 이온 전도도가 감소하고, 지나치게 높으면 전해질 용액의 점도가 증가하여 전해질 내의 농도 과전압이 증가하게 된다.At this time, the content of the lithium salt used as an electrolyte is not particularly limited, but is usually 0.05 to 3 M / L (mol / L), preferably 0.1 to 2 M / L, per 1 L of the electrolyte. If the concentration of the lithium salt is too low, the amount of lithium impregnated into the polymer electrolyte is insufficient to reduce the ionic conductivity of the electrolyte, if too high, the viscosity of the electrolyte solution increases to increase the concentration overvoltage in the electrolyte.

또 상기 전해액에 포함되는 이온성 액체는 화학식 1의 양이온으로 구성된 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(BMI-BF4)를 사용하였다. 또한 이온성 액체의 음이온 성분은 테트라플루오로보레이트[BF4], 퍼클로레이트[ClO4], 트리플루오로메탄설포네이드[CF3SO3], 아르세닐헥사플루오라이드[AsF6], 헥사플루오로포스페이트[PF6] 및 트리플로오로메탄술포닐이미드[N(CF3SO2)2] 인 것이 바람직하다.In addition, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMI-BF 4 ) composed of a cation of Chemical Formula 1 was used as the ionic liquid contained in the electrolyte. In addition, the anionic component of the ionic liquid is tetrafluoroborate [BF 4 ], perchlorate [ClO 4 ], trifluoromethanesulfonide [CF 3 SO 3 ], arsenyl hexafluoride [AsF 6 ], hexafluorophosphate [PF 6 ] and trifluoromethanesulfonylimide [N (CF 3 SO 2 ) 2 ].

〈화학식 1〉<Formula 1>

Figure 112005048586910-PAT00004
Figure 112005048586910-PAT00004

상기 전해액에 대한 이온성 액체의 함유량은 5 ~ 50 중량%가 적절하다. 이온성 액체가 5 중량% 미만이면 전해액의 불연성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, 50 중량%를 초과하면 유기 전해액의 점도가 증대되어 리튬 이온의 이온 전도도 가 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.As for content of the ionic liquid with respect to the said electrolyte solution, 5-50 weight% is suitable. If the ionic liquid is less than 5% by weight, the incombustibility of the electrolyte may be lowered, which is not preferable. If the ionic liquid is higher than 50% by weight, the viscosity of the organic electrolyte may be increased and the ion conductivity of lithium ions may be lowered.

본 발명에 따른 겔형 고분자 전해질은 함침특성이 개선된 매트릭스 고분자내에 유기 전해액이 다량으로 함유되고 외부로 누출되는 누액 현상이 발생되지 않으며 상온에서 1.0 mS/cm(m=

Figure 112005048586910-PAT00005
)이상의 높은 이온 전도도를 나타내며 전기화학적으로 안정한 리튬 이차전지용 겔형 고분자 전해질이다.The gel polymer electrolyte according to the present invention contains a large amount of organic electrolyte in the matrix polymer with improved impregnation characteristics and does not leak out to the outside and does not leak to 1.0 mS / cm (m =
Figure 112005048586910-PAT00005
It is a gel type polymer electrolyte for lithium secondary battery which is electrochemically stable and shows high ion conductivity above).

이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

<실시예 1> 고분자 전해질 제조Example 1 Preparation of Polymer Electrolyte

마그네틱 바가 들어있는 비이커에 60℃에서 진공 건조한 PVdF-HFP와 NMP를 1:5의 중량비로 넣고 상온에서 24시간 교반하여 고분자 용액을 제조하였다. 이 고분자 용액을 스핀코팅으로 70㎛의 두께로 캐스팅 한 후, 비 용매에(증류수) 담궈 NMP를 추출하여 고분자 필름을 제조하였다. 고분자 필름에 남아있는 분순물을 완전히 제거하기 위하여 80℃에서 24시간 동안 건조하였다.A polymer solution was prepared by adding PVdF-HFP and NMP vacuum-dried at 60 ° C. and NMP in a weight ratio of 1: 5 to a beaker containing a magnetic bar at room temperature for 24 hours. The polymer solution was cast to a thickness of 70 μm by spin coating, and then immersed in a non-solvent (distilled water) to extract NMP to prepare a polymer film. In order to completely remove the impurities remaining in the polymer film was dried for 24 hours at 80 ℃.

상기 제조된 미세기공 고분자 필름을 질소 분위기의 글로브 박스(glove box)에서 에틸렌카보네이트(EC)와 프로필렌카보네이트(PC)를 혼합한 용액(1:1 부피비)에 0.5M(M=몰)의 LiPF6와 0.5M의 BMI-BF4 이온성 액체를 혼합한 용액에 10시간 동안 함침시켜 겔형 미세기공 고분자 전해질을 제조하였다. 그 후 두 개의 스테인레스 스틸(SUS) 전극 사이에 접착시키고 밀봉한 다음 이온 전도도를 측정하였다.LiPF 6 of 0.5 M (M = mole) in a solution (1: 1 volume ratio) in which the prepared microporous polymer film was mixed with ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) in a glove box in a nitrogen atmosphere. 0.5M BMI-BF with 4 A gel-type microporous polymer electrolyte was prepared by impregnating the mixed solution of the ionic liquid for 10 hours. Thereafter, the adhesive was sealed between two stainless steel (SUS) electrodes, sealed, and ionic conductivity was measured.

<실시예2>Example 2

PVdF-HFP와 NMP를 1:4의 중량비로 한 것을 제외하고는 <실시예1> 과 동일한 방법으로 고분자 전해질을 제조하였다.A polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that PVdF-HFP and NMP were added in a weight ratio of 1: 4.

<실시예3>Example 3

PVdF-HFP와 NMP를 1:6의 중량비로 한 것을 제외하고는 <실시예1> 과 동일한 방법으로 고분자 전해질을 제조하였다.A polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that PVdF-HFP and NMP were added in a weight ratio of 1: 6.

<실시예 1>에서 제조한 고분자 전해질의 전자주사현미경(SEM)사진을 [도 1]에 나타내었다. [도 1]에 의하면, 기공의 크기가 1㎛이하의 균일한 기공을 가지고 있음을 알 수 있다. An electron scanning microscope (SEM) photograph of the polymer electrolyte prepared in <Example 1> is shown in FIG. 1. 1, it can be seen that the pore size has uniform pores of 1 μm or less.

또한, <실시예 2, 3>에서 제조한 고분자 전해질도 기공의 크기가 1㎛이하의 균일한 기공을 가지고 있었다.In addition, the polymer electrolytes prepared in Examples 2 and 3 also had uniform pores with pore sizes of 1 µm or less.

<비교예1>Comparative Example 1

고분자 용액을 닥터 블레이드로 캐스팅 한 것을 제외하고는 <실시예 1>과 동일한 방법으로 고분자 전해질을 제조하였다.A polymer electrolyte was prepared in the same manner as in <Example 1>, except that the polymer solution was cast into a doctor blade.

고분자 필름 제조방법에 따른 전해액 함침량을 [도 3]에 나타내었다. 전해액 함침량은 스핀코팅이 400%, 닥터 블레이드가 230% 정도로 스핀코팅법이 우수하였다. 이는 스핀코팅이 닥터 블레이드 보다 기공크기와 분포를 균일하게 하고 전체적인 두께도 일정하게 유지할 수 있어 더 많은 함침량을 나타내었다. 이러한 함침특성으로 인해 스핀코팅의 이온 전도도가 높게 나타났다.The electrolyte solution impregnation amount according to the polymer film production method is shown in FIG. 3. The amount of electrolyte impregnation was excellent in spin coating at about 400% spin coating and 230% at doctor blade. This resulted in higher impregnation amount because the spin coating could make the pore size and distribution more uniform and maintain the overall thickness constant than the doctor blade. Due to this impregnation property, the ion conductivity of spin coating was high.

Figure 112005048586910-PAT00006
Figure 112005048586910-PAT00006

<비교예2>Comparative Example 2

EC/PC에 1M의 LiPF6를 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고 <실시예 2>와 동일한 방법으로 고분자 전해질을 제조하였다.A polymer electrolyte was prepared in the same manner as in <Example 2>, except that a solution in which 1 M LiPF 6 was mixed with EC / PC was used.

[표 1]TABLE 1

Figure 112005048586910-PAT00007
Figure 112005048586910-PAT00007

[표 1]에 의하면, 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질의 경우 이온 전도도가 1.8 mS/cm로 우수하게 나타났다. 그리고 고분자 전해질의 함침량을 늘려 이온 전도도를 증가시키는 것은 기계적 물성의 저하를 초래하기 때문에 이온 전도도와 기계적 물성이 상호 적절한 수준에서 선택되어야 한다. 가장 바람직한 고분자와 용매의 혼합비율(중량비)은 1:5이었다.According to Table 1, the ion conductivity of the polymer electrolyte containing the ionic liquid was excellent as 1.8 mS / cm. In addition, increasing the impregnated amount of the polymer electrolyte to increase the ionic conductivity causes a decrease in the mechanical properties, so the ionic conductivity and the mechanical properties should be selected at an appropriate level. The mixing ratio (weight ratio) of the most preferable polymer and solvent was 1: 5.

본 발명에 의한 이온성 액체를 포함한 겔형 미세기공 고분자 전해질은 균일한 기공 분포를 갖고 있어서 매트릭스 고분자 내에 유기 전해액을 다량으로 함유하고 있고, 외부로 누출되는 누액 현상이 발생되지 않으며, 이온성 액체를 다량으로 포함하여 상온에서 1 mS/cm 이상의 높은 이온 전도도를 나타내며 전기화학적으로 안정하므로 리튬 폴리머 전지에 사용하기에 적합하다.Gel-type microporous polymer electrolyte containing an ionic liquid according to the present invention has a uniform pore distribution, contains a large amount of organic electrolyte in the matrix polymer, does not leak leakage to the outside, and a large amount of ionic liquid It is suitable for use in lithium polymer batteries because it shows high ionic conductivity of 1 mS / cm or more at room temperature and is electrochemically stable.

Claims (10)

고분자와 용매의 혼합용액을 스핀코팅하여 상전환법으로 제조한 고분자 필름을 이온성 액체와 리튬염을 포함한 유기전해액에 함침시킨 것을 특징으로 하는 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질.A polymer electrolyte comprising an ionic liquid, comprising impregnating a polymer film prepared by a phase inversion method by spin coating a mixed solution of a polymer and a solvent into an organic electrolyte solution including an ionic liquid and a lithium salt. 제 1항에 있어서, 상기 고분자는 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로 니트릴, 폴리메틸메타이크릴레이트, 포리에틸렌옥사이드 또는 폴리프로필렌옥사이드 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 고분자임을 특징으로 하는 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질.The method of claim 1, wherein the polymer is polyurethane, polyvinylidene hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyvinylchloride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyethylene oxide or polypropylene oxide Polymer electrolyte comprising an ionic liquid, characterized in that one or two or more polymers selected from. 제 1항에 있어서, 상기 용매는 N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드, 감마부틸로락톤, 테트라하이드로퓨란, 아세톤의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 용매임을 특징으로 하는 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질.The method of claim 1, wherein the solvent is at least one solvent selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, gamma butyrolactone, tetrahydrofuran, acetone Polymer electrolytes containing liquids. 제 1항에 있어서, 상기 스핀코팅으로 제조한 고분자 필름은 고분자 10 ~ 40 중량% 대 용매 60 ~ 90 중량%의 혼합용액을 사용하고, 스핀코팅의 rpm을 100 ~ 5000 으로 하여 두께가 1 ~ 1000㎛가 되도록 제조한 것임을 특징으로 하는 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질.According to claim 1, wherein the polymer film produced by the spin coating using a mixed solution of 10 to 40% by weight of the polymer to 60 to 90% by weight of the solvent, the thickness of the spin coating to 1 ~ 1000 by setting the rpm of the spin coating 100 ~ 5000 A polymer electrolyte comprising an ionic liquid, characterized in that it is prepared to be ㎛. 제 1항에 있어서, 상기 유기 전해액은 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트중에서 선택한 1종 또는 2종 이상의 것임을 특징으로 하는 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질.The polymer electrolyte of claim 1, wherein the organic electrolyte is one or two or more selected from ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate. . 제 1항에 있어서, 리튬염은 리튬보로플루오라이드(LiBF4), 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬트리플루오로네탄설포네이트(LiCF3SO3), 리튬트리플로오로메탄술포닐이미드(LiN(CF3SO2)2), 리튬퍼클로레이트(LiClO4), 또는 리튬아르세닐헥사플루오라이드(LiAsF6) 중에서 하나 또는 둘 이상 선택한 것임을 특징으로 하는 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질.The lithium salt of claim 1, wherein the lithium salt is lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium trifluoronetanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium trifluoromethanesulfonyl A polymer electrolyte comprising an ionic liquid, characterized in that at least one selected from imide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), or lithium arsenyl hexafluoride (LiAsF 6 ). 제 1항에 있어서, 리튬염의 함유량은 전해액 1ℓ당0.05 ~ 3M/L(몰/ℓ)임을 특징으로 하는 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질.The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the content of lithium salt is 0.05 to 3 M / L (mol / L) per liter of the electrolyte. 제 1항에 있어서, 상기 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트임을 특징으로 하는 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질.The polymer electrolyte of claim 1, wherein the ionic liquid is 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate. 제 8항에 있어서, 상기 이온성 액체의 음이온 성분은 테트라플루오로보레이 트[BF4] 퍼클로레이트[ClO4], 트리플루오로메탄설포네이드[CF3SO3], 아르세닐헥사플루오라이드[AsF6], 헥사플루오로포스페이트[PF6] 및 트리플로오로메탄술포닐이미드[N(CF3SO2)2] 인 것이 바람직하다.The method of claim 8, wherein the anionic component of the ionic liquid is tetrafluoroborate [BF 4 ] perchlorate [ClO 4 ], trifluoromethanesulfonide [CF 3 SO 3 ], Arsenyl hexafluoride [AsF 6 ], Hexafluorophosphate [PF 6 ] and trifluoromethanesulfonylimide [N (CF 3 SO 2 ) 2 ]. 제 1항에 있어서, 상기 이온성 액체의 함유량은 유기전해액의 중량에 대하여 5 ~ 50 중량%임을 특징으로 하는 이온성 액체를 포함한 고분자 전해질.The polymer electrolyte of claim 1, wherein the content of the ionic liquid is 5 to 50% by weight based on the weight of the organic electrolyte.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102299376A (en) * 2011-06-24 2011-12-28 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 Polymer solid electrolyte membrane and preparation method thereof
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KR20220153801A (en) * 2021-05-12 2022-11-21 대진대학교 산학협력단 Polymer electrolyte based on ionic liquids for all-solid state secondary battery and method for manufacturing the same

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