KR20180020423A - Composite gel polymer electrolyte membrane, method of manufacturing the same, lithium ion polymer battery having the same, and lithium air battery having the same - Google Patents

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Abstract

The present invention is to provide a composite gel polymer electrolyte membrane having high ion conductivity, high hardness, stable interface and excellent electrochemical performance and inhibiting growth of lithium dendrite. The composite gel polymer electrolyte membrane of the present invention comprises: a polymer substrate; and a core-shell structure dispersed in the polymer substrate and consisting of a core unit having ion conductivity inside and a shell unit covering the surface of the core material.

Description

복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지{Composite gel polymer electrolyte membrane, method of manufacturing the same, lithium ion polymer battery having the same, and lithium air battery having the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite gel polymer electrolyte membrane, a method of manufacturing the same, a lithium ion polymer battery including the same, and a lithium air cell including the same. the same}

본 발명의 기술적 사상은 이차전지에 관한 것으로서, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a secondary cell, a composite gel polymer electrolyte membrane, a method for producing the same, a lithium ion polymer battery including the same, and a lithium air battery including the same.

본 발명은, 한국 국가연구재단의 지원을 받아 수행한 기초과학연구과제의 일련번호 제2015R1DIA3A01019399호의 연구과제를 참조한다.The present invention refers to the research project of the serial number 2015R1DIA3A01019399 of the Basic Science Research Project supported by the Korea National Research Foundation.

리튬(Li) 금속은, 약 3860 mAh g- 1 의 높은 이론적 비용량(specific capacity), 약 0.59 g cm- 3 의 낮은 밀도, 및 표준 수소 전극에 대하여 약 -3.04 V의 낮은 전극 전위를 가지고 있으므로, 이차 전지의 애노드 물질로서 우수한 것으로 알려져 있다. 또한, 더 높은 에너지 밀도를 가지는 개량형 리튬 이온 전지(improved lithium ion batteries, LIBs)들, 예를 들어 리튬 금속계 전지(lithium metal-based batteries, LMBs), 리튬 공기 전지(lithium-air batteries) 및 리튬 황 전지(lithium-sulfur batteries) 등을 고려하면, 리튬 금속은 애노드 물질로서 계속 사용될 가능성이 높다. 이러한 리튬의 장점에도 불구하고, 상업적인 이차전지에서 리튬 금속 애노드들이 더 이상 개선되지 않고 있으며, 이는 리튬이 충전-방전 싸이클 안정성이 낮고, 전지 안전성이 낮기 때문이다. 이러한 문제점의 원인은 리튬 수지상정의 성장이 제어되기 어렵고, 충전과 방전 시의 쿨롱 효율이 낮기 때문이며, 따라서 리튬 이차전지의 사용이 제한적이다.The lithium metal has a high theoretical specific capacity of about 3860 mAh g - 1 , a low density of about 0.59 g cm - 3 , and a low electrode potential of about -3.04 V for a standard hydrogen electrode , Which is known as an anode material of a secondary battery. In addition, improved lithium ion batteries (LIBs) having higher energy densities such as lithium metal-based batteries (LMBs), lithium-air batteries, and lithium sulfur Lithium-sulfur batteries, etc., lithium metal is likely to continue to be used as an anode material. Despite the advantages of lithium, lithium metal anodes are no longer being improved in commercial secondary batteries because of the low charge-discharge cycle stability and low battery safety. The reason for this problem is that the growth of the lithium resin phase is difficult to control, and the coulombic efficiency during charging and discharging is low, and thus the use of lithium secondary batteries is limited.

리튬 공기 전지와 같은 개방형 전지에서는, 리튬 금속 전극들의 오염을 방지하고, 리튬 금속 전지의 전기화학적 성능을 개선하기 위하여, 예를 들어 전해질에 첨가제를 첨가하거나 고체 전해질 리튬 보호막을 형성하는 등의 다양한 방법들 제안되고 있다. 이중에서, 고체 전해질 리튬 보호막의 형성하는 방식은 첨가제를 첨가하는 방식에 비하여 반영구적이고, 효과가 우수하고, 또한 리튬 안정성을 증가시키는 장점이 있다.In an open cell such as a lithium air cell, in order to prevent the contamination of the lithium metal electrodes and to improve the electrochemical performance of the lithium metal battery, various methods such as adding an additive to the electrolyte or forming a solid electrolyte lithium protective film Are proposed. Among them, the method of forming the solid electrolyte lithium protective film is more semi-permanent than the method of adding additives, has an excellent effect, and has an advantage of increasing lithium stability.

이러한 개선 방법들 중에 하나로서, 액상 전해질들을 개량하는 것이 있으며, 예를 들어 용매, 염, 및 첨가제의 종류 및 함량을 최적화하여 얇고 균일한 보호성의 고상 전해질 상간(solid electrolyte interphase, SEI) 층들을 형성하는 것이다. 상기 상간 층의 형성으로, 리튬 수지상정들의 성장이 효과적으로 억제될 수 있다. 그러나, 손상된 전지 내의 활성화된 리튬 금속과 관련된 안정성은 여전히 문제가 될 수 있다. 또한, 리튬 공기 전지의 경우에는, 캐소드가 환경에 개방되므로 리튬 금속이 외부로부터 확산되는 수분이나 오염물에 의하여 열화될 수 있다. One of these improvement methods is to improve liquid electrolytes, for example by optimizing the type and content of solvents, salts, and additives to form thin, uniformly protective solid electrolyte interphase (SEI) layers . With the formation of the interlayer, the growth of the lithium resin particles can be effectively suppressed. However, the stability associated with the activated lithium metal in the damaged cell can still be a problem. Further, in the case of lithium air cells, since the cathode is open to the environment, the lithium metal may be deteriorated by moisture or contaminants diffusing from the outside.

다른 개선 방법은 고상 전해질 멤브레인들을 형성하는 것으로서, 리튬 금속을 산소, 수분 및 다른 기상 불순물들로부터 보호할 수 있고, 리튬 수지상정의 성장을 억제할 수 있다. 현재, 주요한 고상 전해질로서는 크게 나누어 고상 폴리머 전해질(solid polymer electrolyte, SPE)과 고상 세라믹 전해질(solid ceramic electrolyte, SCE)이 있으며, 화학적 조성들 및 구조들을 달리하는 많은 전해질들이 연구되고 있다. 그러나, 이러한 유기성의 고상 폴리머 전해질들과 무기성의 고상 세라믹 전해질들은 각각 한계가 있다.Another improvement is the formation of solid electrolyte membranes, which can protect the lithium metal from oxygen, moisture and other gaseous impurities and inhibit lithium-based positive growth. At present, the main solid electrolyte is divided into a solid polymer electrolyte (SPE) and a solid ceramic electrolyte (SCE), and many electrolytes having different chemical compositions and structures are being studied. However, such organic solid-state polymer electrolytes and inorganic solid-state ceramic electrolytes have limitations.

상기 고상 폴리머 전해질은 제조가 용이하고 유연성이 좋아 우수한 변형 용이성을 제공하는 장점이 있는 반면, 리튬 수지상정의 성장을 억제하기 위한 경도를 충분히 가지지 못하는 단점이 있다. 반면, 상기 고상 세라믹 전해질은 리튬 수지상정의 성장을 억제하기에 충분한 경도를 가지는 장점이 있으나, 가공성이 좋지 않은 단점이 있다. 또한, 현재 기술 수준에서는, 이러한 고상 전해질들은 여러 가지 다른 문제점들을 가지고 있으며, 예를 들어, 상온에서 충분한 리튬 이온 전도성을 제공하지 못하거나, 충전-방전 프로세스 동안에 리튬 금속이 반응 생성물과 접촉하여 화학적 열화가 발생할 수 있다. 결과적으로, 높은 이온 전도성, 높은 경도, 안정된 계면 및 우수한 전기화학적 성능을 가지는 새로운 고상 전해질 물질이 요구된다.The solid polymer electrolyte is advantageous in that it is easy to manufacture and has high flexibility and provides excellent ease of deformation, but has a disadvantage that it has insufficient hardness for inhibiting the growth of the lithium resin phase. On the other hand, the solid-phase ceramic electrolyte has an advantage that it has sufficient hardness to suppress the growth of the lithium resin phase, but it has a drawback that the workability is poor. Also, at the state of the art, these solid electrolytes have a number of different problems, for example, that they do not provide sufficient lithium ion conductivity at room temperature, or that the lithium metal contacts the reaction product during the charge- May occur. As a result, there is a need for new solid electrolyte materials having high ionic conductivity, high hardness, stable interface and good electrochemical performance.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 높은 이온 전도성, 높은 경도, 안정된 계면 및 우수한 전기화학적 성능을 가지고, 특히 리튬 수지상정의 성장을 억제하는 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the technical idea of the present invention is to provide a composite gel polymer electrolyte membrane which has high ion conductivity, high hardness, stable interface and excellent electrochemical performance, and in particular, inhibits lithium resin phase positive growth.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인의 제조 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a method for producing the composite gel polymer electrolyte membrane.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인을 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지를 제공하는 것이다.The present invention also provides a lithium ion polymer battery comprising the composite gel polymer electrolyte membrane.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인을 포함하는 리튬 공기 전지를 제공하는 것이다.The present invention also provides a lithium air cell including the composite gel polymer electrolyte membrane.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these problems are illustrative, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인은, 폴리머 기재; 및 상기 폴리머 기재 내에 분산되고, 내부에 이온 전도성을 가지는 코어(core)부와 상기 코어 물질의 표면을 덮는 쉘(shell)부로 구성된 코어-쉘 구조체; 를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a composite gel polymer electrolyte membrane comprising: a polymer substrate; And a core-shell structure consisting of a core part dispersed in the polymer substrate and having ion conductivity therein, and a shell part covering a surface of the core material; .

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 폴리머 기재는 폴리 비닐리덴 플로라이드-헥사플로로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리 비닐리덴 플로라이드(PVDF) 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the polymer substrate is at least one of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polymethyl methacrylate One can be included.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 코어부는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the core portion may have a perovskite structure.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 코어부는 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 티타네이트(aluminum-doped lithium lanthanum titanate, A-LLTO), 리튬 알루미늄 저마늄 인산염 (lithium aluminum germanium phosphate, LAGP), 및 리튬 알루미늄 타이타늄 인산염 (lithium aluminum titanium phosphate, LATP) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the core portion may include aluminum-doped lithium lanthanum titanate (A-LLTO), lithium aluminum germanium phosphate (LAGP), and lithium And lithium aluminum titanium phosphate (LATP).

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 코어부는 (Li0.33La0.56)1.005Ti0.99Al0.01O3, 및 Li1 . 5Al0 . 5Ge1 .5(PO4)3, Li1 . 5Al0 . 5Ti1 .5(PO4)3 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the core portion comprises (Li 0.33 La 0.56 ) 1.005 Ti 0.99 Al 0.01 O 3 , and Li 1 . 5 Al 0 . 5 Ge 1 .5 (PO 4) 3, Li 1. 5 Al 0 . 5 Ti 1 .5 (PO 4) may include at least any one of the three.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 쉘부는 비정질상을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the shell portion may comprise an amorphous phase.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 쉘부는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 지르코늄 산화물, 지르코늄 질화물, 지르코늄 산질화물, 알루미늄 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the shell portion may include at least one of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, zirconium oxide, zirconium nitride, zirconium oxynitride, and aluminum oxide.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 쉘부는 결합 위치를 제공하는 산소 원자를 가지는 m-SiO2 를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, m-SiO 2 said shell portion having an oxygen atom to provide a binding site . ≪ / RTI >

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 m-SiO2 의 두께는 3-글리시독시프로필 트리메톡시실란(3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane, GPTMS)을 이용하여 제어될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the m-SiO 2 Can be controlled using 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS).

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 쉘부는 수산화기(OH-) 및 에폭시기 중 적어도 어느 하나가 형성될 수 있다.In some embodiments of the present invention, at least one of a hydroxyl group (OH < - & gt ; ) and an epoxy group may be formed in the shell portion.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 코어-쉘 구조체는 0.5 μm 내지 3 μm 범위의 크기를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the core-shell structure may have a size ranging from 0.5 [mu] m to 3 [mu] m.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 쉘부는 1 nm 내지 10 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the shell portion may have a thickness in the range of 1 nm to 10 nm.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 폴리머 기재와 상기 코어-쉘 구조체는 8:2 내지 2:8 범위의 질량비를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the polymer substrate and the core-shell structure may have a mass ratio ranging from 8: 2 to 2: 8.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 코어-쉘 구조체는 상기 폴리머 기재 내에 균일하게 분포될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the core-shell structure may be uniformly distributed within the polymer substrate.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 코어-쉘 구조체는 리튬 금속의 수지 상정의 성장을 억제할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the core-shell structure is capable of inhibiting the growth of the resin anticipation of the lithium metal.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인은, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)와 에틸메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate)가 혼합된 용액에 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the composite gel polymer electrolyte membrane is activated using a liquid electrolyte in which LiPF 6 is mixed in a solution of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate .

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인은, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME) 용액에 리튬 비스 트리플로로메탄 설포닐 이미드(lithium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide, LiTFSI)을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the composite gel polymer electrolyte membrane is prepared by mixing lithium bis (trifluoromethane sulfonyl) with lithium tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) imide, LiTFSI) as the electrolyte.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인의 제조 방법은, 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 티타네이트(A-LLTO) 분말을 준비하는 단계; 상기 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 티타네이트를 에탄올에 투입한 용액과 폴리비닐피롤리돈을 탈이온수에 투입한 용액을 혼합하여 제1 혼합용액을 형성하는 단계; 상기 제1 혼합용액을 원심분리하여 상청액을 분리하여 상청 안정화(surfactant-stabilized) A-LLTO를 형성하는 단계; 상기 상청 안정화 A-LLTO를 에탄올, 탈이온수, 및 암모니아수와 혼합하여 서스펜션 용액을 형성하는 단계; 상기 서스펜션 용액에 테트라엑소시실란을 포함한 에탄올을 투입하여 제2 혼합용액을 형성하는 단계; 및 상기 제2 혼합용액을 원심분리하여 A-LLTO/m-SiO2 입자를 형성하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a composite gel polymer electrolyte membrane, comprising: preparing an aluminum-doped lithium lanthanum titanate (A-LLTO) powder; Mixing a solution of the aluminum-doped lithium lanthanum titanate in ethanol with a solution of polyvinylpyrrolidone in deionized water to form a first mixed solution; Separating the supernatant by centrifuging the first mixed solution to form a surfactant-stabilized A-LLTO; Mixing the supernatant stabilized A-LLTO with ethanol, deionized water, and ammonia water to form a suspension solution; Adding ethanol containing tetraisosilane to the suspension solution to form a second mixed solution; And centrifuging the second mixed solution to form A-LLTO / m-SiO 2 particles.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 리튬 이온 폴리머 전지는, 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재되고, 폴리머 기재; 및 상기 폴리머 기재 내에 분산되고, 내부에 이온 전도성을 가지는 코어부와 상기 코어 물질의 표면을 덮는 쉘부로 구성된 코어-쉘 구조체;를 포함하는 복합 겔 폴리머 전해질;을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a lithium ion polymer battery comprising: an anode; Cathode; And a polymer substrate interposed between the anode and the cathode; And a core-shell structure comprising a core portion dispersed in the polymer substrate and having an ion conductivity therein, and a shell portion covering the surface of the core material.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 리튬 공기 전지는, 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재되고, 폴리머 기재; 및 상기 폴리머 기재 내에 분산되고, 내부에 이온 전도성을 가지는 코어부와 상기 코어 물질의 표면을 덮는 쉘부로 구성된 코어-쉘 구조체;를 포함하는 복합 겔 폴리머 전해질;을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a lithium ion secondary battery comprising: an anode; Cathode; And a polymer substrate interposed between the anode and the cathode; And a core-shell structure comprising a core portion dispersed in the polymer substrate and having an ion conductivity therein, and a shell portion covering the surface of the core material.

본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 겔 폴리머 전해질(CGPE)은 단순한 용액 주조 방법을 통하여 제조되고, 액상 전해질을 활성화하여 제조될 수 있다. 상기 복합 겔 폴리머 전해질은 m-SiO2 층으로 덮인 A-LLTO 입자들을 포함하는 PVDF-HFP 기재로 구성된다. The composite gel polymer electrolyte (CGPE) according to the technical concept of the present invention can be prepared by a simple solution casting method and can be produced by activating a liquid electrolyte. The composite gel polymer electrolyte is composed of PVDF-HFP substrate comprising a A-LLTO particles covered with the m-SiO 2 layer.

제조된 복합 겔 폴리머 전해질은 순수한 겔 폴리머 전해질(GPE)에 비하여 높은 이온 전도성, 넓은 전기화학적 안정성 범위, 및 계면 안정성을 가진다. 또한, 높은 분극 조건하에서, 복합 겔 폴리머 전해질은 리튬 수지상정들의 성장을 효과적으로 억제하며, 이는 무기성의 A-LLTO/m-SiO2 가 추가됨에 따라 경도가 증가되기 때문이다. 이에 따라, 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 이온 폴리머 및 리튬 공기 전지 셀들은 종래에 비하여 매우 개선된 싸이클 특성을 나타낸다. 특히, 리튬 공기 전지 셀 내의 리튬 금속 전극에 대하여 복합 겔 폴리머 전해질이 보호층으로 기능함에 따라, 리튬 수지상정들을 억제함과 동시에, 캐소드로부터 확산되는 산소 가스 또는 불순물들에 의한 리튬 전극의 오염을 효과적으로 방지할 수 있다.The prepared composite gel polymer electrolyte has higher ionic conductivity, broad electrochemical stability range, and interface stability than a pure gel polymer electrolyte (GPE). Moreover, under high polarization conditions, the composite gel polymer electrolyte effectively inhibits the growth of lithium resin implants, because the hardness is increased as the inorganic A-LLTO / m-SiO 2 is added. Accordingly, the lithium ion polymer and lithium air battery cells including the composite gel polymer electrolyte exhibit significantly improved cycle characteristics as compared with the prior art. Particularly, since the composite gel polymer electrolyte functions as the protective layer against the lithium metal electrode in the lithium air battery cell, it is possible to suppress the lithium resin assumptions and effectively prevent the contamination of the lithium electrode by oxygen gas or impurities diffused from the cathode .

따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 겔 폴리머 전해질은 리튬 이온 폴리머 전지는 및 리튬 공기 전지에 적용될 수 있다.Therefore, the composite gel polymer electrolyte according to the technical idea of the present invention can be applied to a lithium ion polymer battery and a lithium air battery.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The effects of the present invention described above are exemplarily described, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 의 X-선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 의 미세구조 사진들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 의 푸리에 변환 적외분광 분석을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 코어-쉘 구조체의 A-LLTO/m-SiO2 의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 복합 겔 폴리머 전해질의 투명성을 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 와 PVDF-HFP의 질량비에 따른 전기화학적 특성 변화를 나타내는 그래프이다
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 와 PVDF-HFP의 질량비에 따른 충전-방전 싸이클 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인과 복합 겔 폴리머 전해질의 주사전자현미경 사진들이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인의 X-선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 의 전기화학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질의 정전류 싸이클 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질의 시간에 따른 전기화학적 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질의 시간에 따른 미세조직 변화를 나타내는 광학현미경 사진들이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질의 전기 화학적 안정 범위를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 셀의 충전-방전 싸이클에 따른 비용량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 셀의 충전-방전 싸이클에 따른 쿨롱 효율 및 전지 셀 전위를 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 셀의 전기화학적 특성을 나타내는 그래프들 및 이에 대한 모델을 도시한다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 니켈 공기 전지에 사용된 MnO2@Ni 캐소드에 관하여 설명하는 도면들이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지의 충전-방전 싸이클 특성을 나타내는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지에 포함된 리튬 금속 전극의 미세조직을 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
1 is a cross-sectional view of a lithium ion polymer battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of A-LLTO / m-SiO 2 constituting a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
4 is a microstructure photograph of A-LLTO / m-SiO 2 constituting a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing Fourier transform infrared spectroscopy analysis of A-LLTO / m-SiO 2 constituting a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram of A-LLTO / m-SiO 2 of a core-shell structure making up a composite gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.
7 is a photograph showing transparency of a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing changes in electrochemical characteristics depending on the mass ratio of A-LLTO / m-SiO 2 and PVDF-HFP constituting the composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention
9 is a graph showing the charge-discharge cycle stability depending on the mass ratio of A-LLTO / m-SiO 2 and PVDF-HFP constituting the composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
10 is a scanning electron micrograph of a composite gel polymer electrolyte membrane and a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a composite gel polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing electrochemical characteristics of A-LLTO / m-SiO 2 constituting a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph showing a constant current cycle characteristic of a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a graph showing electrochemical characteristics of a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention over time. FIG.
15 is optical micrographs showing microstructural changes over time of the composite gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.
16 is a graph showing an electrochemical stability range of a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
17 is a graph showing a change in capacitance of a lithium ion polymer battery cell including a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention in accordance with a charge-discharge cycle.
18 is a graph showing the coulomb efficiency and the cell cell potential according to the charge-discharge cycle of the lithium ion polymer battery cell including the composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
19 is a graph illustrating electrochemical characteristics of a lithium ion polymer battery cell including a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention and a model therefor.
20 is a view illustrating a MnO 2 Ni cathode used in a nickel air cell according to an embodiment of the present invention.
21 is a graph showing charge-discharge cycle characteristics of a lithium air cell including a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.
22 is a scanning electron micrograph showing the microstructure of a lithium metal electrode included in a lithium air cell including a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. The scope of technical thought is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. The same reference numerals denote the same elements at all times. Further, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing depicted in the accompanying drawings.

본 명세서에서 사용되는 용어로서, "겔 폴리머 전해질 멤브레인" 및 "복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인"은 액상 전해액에 의하여 활성화되기 전의 전해질 구조체를 지칭하고, "겔 폴리머 전해질" "복합 겔 폴리머 전해질"은 액상 전해액에 의하여 활성화된 후의 전해질 구조체를 지칭하기로 한다.As used herein, the terms "gel polymer electrolyte membrane" and "composite gel polymer electrolyte membrane" refer to the electrolyte structure prior to activation by the liquid electrolyte, and "gel polymer electrolyte" and "composite gel polymer electrolyte" Will be referred to as the electrolyte structure after being activated by the electrolyte.

본 명세서에서 전체적으로 사용되는 약어는 다음과 같이 정의한다.Abbreviations used throughout are defined as follows.

1. 복합 겔 폴리머 전해질(composite gel polymer electrolyte)은 "CGPE"로 약칭한다.1. Composite gel polymer electrolyte is abbreviated as "CGPE".

2. 겔 폴리머 전해질(gel polymer electrolyte)는 "GPE"로 약칭한다.2. Gel polymer electrolyte is abbreviated as "GPE".

3. 폴리 비닐리덴 플로라이드-헥사플로로프로필렌(poly vinylidiene fluoride-hexafluoropropylene)은 "PVDF-HFP"로 약칭한다.3. Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene is abbreviated as "PVDF-HFP".

4. 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 티타네이트(aluminum-doped lithium lanthanum titanate)는 "A-LLTO"로 약칭한다.4. Aluminum-doped lithium lanthanum titanate is abbreviated as "A-LLTO".

5. 개질된(modified) SiO2 는 "m-SiO2"로 약칭한다.5. Modified SiO 2 It is abbreviated as "m-SiO 2".

6. 프탈산디부틸(dibutyl phthalate)는 " DBP"로 약칭한다.6. Dibutyl phthalate is abbreviated as "DBP".

7. 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)는 "EC"로 약칭한다.7. Ethylene carbonate is abbreviated as "EC".

8. 에틸메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate)는 "EMC"로 약칭한다.8. Ethyl methyl carbonate is abbreviated as "EMC".

9. 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether)는 "TEGDME"로 약칭한다.9. Tetraethylene glycol dimethyl ether is abbreviated as "TEGDME ".

10. 리튬 비스 트리플로로메탄 설포닐 이미드(lithium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide)는 "LiTFSI"로 약칭한다.10. Lithium bis (trifluoromethane sulfonyl) imide is abbreviated as "LiTFSI ".

11. MnO2 촉매들로 덮여진 니켈은 "MnO2@Ni"로 약칭한다.11. covered with MnO 2 catalyst Nickel is abbreviated as "MnO 2 @Ni".

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 폴리머 전지(100)의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a lithium ion polymer battery 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 리튬 이온 폴리머 전지(100)는, 애노드(110), 캐소드(120), 및 전해질(130)을 포함한다. 또한, 리튬 이온 폴리머 전지(100)는, 애노드 전류 집전부(150), 캐소드 전류 집전부(160), 스프링(180), 및 본체(190)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a lithium ion polymer battery 100 includes an anode 110, a cathode 120, and an electrolyte 130. The lithium ion polymer battery 100 may further include an anode current collector 150, a cathode current collector 160, a spring 180, and a body 190.

애노드(110)는, 방전 시에 전자를 잃어 양이온이 되는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 리튬, 아연, 마그네슘, 알루미늄, 칼슘을 포함할 수 있다.The anode 110 may include a material that becomes a cation when it loses electrons at the time of discharging, and may include, for example, a metal and may include, for example, lithium, zinc, magnesium, aluminum, and calcium.

캐소드(120)는, 방전 시에 상기 양이온을 저장하는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 산화물을 포함할 수 있고, 예를 들어 LiCoO2를 포함할 수 있다.The cathode 120 may include a material that stores the cation at the time of discharge, for example, an oxide, and may include, for example, LiCoO 2 .

전해질(130)은 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 개재되어 위치하고, 전해 물질을 포함할 수 있다. 전해질(130)은 본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 겔 폴리머 전해질(CGPE)을 포함할 수 있다. 전해질(130)에 대하여는 하기에 상세하게 설명하기로 한다.The electrolyte 130 is interposed between the anode 110 and the cathode 120 and may include an electrolytic material. The electrolyte 130 may comprise a composite gel polymer electrolyte (CGPE) according to the teachings of the present invention. The electrolyte 130 will be described in detail below.

애노드 전류 집전부(150)는, 선택적인 구성요소로서, 애노드(110)를 중심으로 전해질(130)에 대하여 반대하는 위치에 애노드(110)와 접촉하도록 위치한다. 애노드 전류 집전부(150)는 애노드(110)에 전류를 집전하는 기능을 수행하며, 전기 전도도가 우수하고 내산화성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 탄소 등을 포함할 수 있다.The anode current collector 150 is an optional component positioned to contact the anode 110 at a location opposite the electrolyte 130 about the anode 110. The anode current collector 150 functions to collect current to the anode 110 and may include a material having excellent electrical conductivity and oxidation resistance and may include, for example, a metal, For example, stainless steel, aluminum, copper, carbon, and the like.

캐소드 전류 집전부(160)는, 선택적인 구성요소로서, 캐소드(120)를 중심으로 전해질(130)에 대하여 반대하는 위치에 캐소드(120)와 접촉하도록 위치한다. 캐소드 전류 집전부(160)는 캐소드(120)에 전류를 집전하는 기능을 수행하며, 전기 전도도가 우수하고 내산화성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 탄소 등을 포함할 수 있다.The cathode current collector 160 is an optional component positioned to contact the cathode 120 at a location opposite the electrolyte 130 about the cathode 120. The cathode current collector 160 functions to collect current to the cathode 120 and may include a material having excellent electrical conductivity and oxidation resistance and may include, for example, a metal, For example, stainless steel, aluminum, copper, carbon, and the like.

스프링(180)은, 선택적인 구성요소로서, 애노드(110) 상에 위치할 수 있고, 애노드(110), 캐소드(120), 및 전해질(130)을 압착하는 기능을 수행할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리 등을 포함할 수 있다.The spring 180 may be positioned on the anode 110 as an optional component and may function to squeeze the anode 110, the cathode 120, and the electrolyte 130, For example, stainless steel, aluminum, copper, and the like.

본체(190)는 애노드(110), 캐소드(120), 전해질(130), 애노드 전류 집전부(150), 캐소드 전류 집전부(160), 및 스프링(180)을 수용할 수 있다. 본체(190)는 다양한 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, CR-2032 형으로 형성될 수 있다. 또한, 본체(190) 내의 애노드(110), 캐소드(120), 및 전해질(130)의 위치는 예시적이며, 반대로 위치할 수 있다.The body 190 may receive the anode 110, the cathode 120, the electrolyte 130, the anode current collector 150, the cathode current collector 160, and the spring 180. The body 190 may have various shapes, and may be formed as a CR-2032, for example, as shown in Fig. Further, the positions of the anode 110, the cathode 120, and the electrolyte 130 in the body 190 are illustrative and can be reversed.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지(200)의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a lithium ion battery 200 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 리튬 공기 전지(200)는, 애노드(210), 캐소드(220), 전해질(230) 및 세퍼레이터(240)를 포함한다. 또한, 리튬 공기 전지(200)는, 애노드 전류 집전부(250), 캐소드 전류 집전부(260), 스프링(280), 및 본체(290)를 더 포함할 수 있다.2, the lithium air battery 200 includes an anode 210, a cathode 220, an electrolyte 230, and a separator 240. The lithium air battery 200 may further include an anode current collector 250, a cathode current collector 260, a spring 280, and a body 290.

애노드(210)는, 방전 시에 전자를 잃어 양이온이 되는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 리튬, 아연, 마그네슘, 알루미늄, 칼슘을 포함할 수 있다.The anode 210 may include a material that becomes a cation by losing electrons upon discharge and may include, for example, a metal and may include, for example, lithium, zinc, magnesium, aluminum, and calcium.

캐소드(220)는, 방전 시에 상기 양이온을 저장하는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 산화물을 포함할 수 있고, 예를 들어 MnO2@Ni을 포함할 수 있다.Cathode 220, can comprise a material for storing the cation at the time of discharge, for example, may comprise an oxide, for example, it may include MnO 2 @Ni.

전해질(230)은 애노드(210)와 캐소드(220) 사이에 개재되어 위치하고, 전해 물질을 포함할 수 있다. 전해질(230)은 본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 겔 폴리머 전해질(CGPE)을 포함할 수 있다. 전해질(230)에 대하여는 하기에 상세하게 설명하기로 한다.The electrolyte 230 is interposed between the anode 210 and the cathode 220 and may include an electrolytic material. The electrolyte 230 may comprise a composite gel polymer electrolyte (CGPE) according to the teachings of the present invention. The electrolyte 230 will be described in detail below.

세퍼레이터(240)는 캐소드(220)와 전해질(230) 사이에 개재되어 위치하고, 캐소드(220)와 전해질(230)이 직접적으로 접촉하는 것을 차단할 수 있고, 이에 따라 외부 환경으로부터 전해질(230)을 보호할 수 있다. 또한, 세퍼레이터(240)는 그 내부에 액체 전해질을 포함할 수 있다.The separator 240 is interposed between the cathode 220 and the electrolyte 230 to prevent direct contact between the cathode 220 and the electrolyte 230 and thus protects the electrolyte 230 from the external environment. can do. Further, the separator 240 may contain a liquid electrolyte therein.

애노드 전류 집전부(250)는, 선택적인 구성요소로서, 애노드(210)를 중심으로 전해질(230)에 대하여 반대하는 위치에 애노드(210)와 접촉하도록 위치한다. 애노드 전류 집전부(250)는 애노드(210)에 전류를 집전하는 기능을 수행하며, 전기 전도도가 우수하고 내산화성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리 등을 포함할 수 있다.The anode current collector 250 is an optional component positioned to contact the anode 210 at a location opposite the electrolyte 230 about the anode 210. The anode current collector 250 functions to collect current to the anode 210 and may include a material having excellent electrical conductivity and oxidation resistance and may include, for example, a metal, For example, stainless steel, aluminum, copper, and the like.

캐소드 전류 집전부(260)는, 선택적인 구성요소로서, 캐소드(220)를 중심으로 전해질(230)에 대하여 반대하는 위치에 캐소드(220)와 접촉하도록 위치한다. 캐소드 전류 집전부(260)는 캐소드(220)에 전류를 집전하는 기능을 수행하며, 전기 전도도가 우수하고 내산화성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 탄소 등을 포함할 수 있다.The cathode current collector 260 is an optional component positioned to contact the cathode 220 at a location opposite the electrolyte 230 about the cathode 220. The cathode current collector 260 functions to collect current to the cathode 220 and may include a material having excellent electrical conductivity and oxidation resistance and may include, for example, a metal, For example, stainless steel, aluminum, copper, carbon, and the like.

스프링(280)은, 선택적인 구성요소로서, 애노드(210) 상에 위치할 수 있고, 애노드(210), 캐소드(220), 전해질(230) 및 세퍼레이터(240)를 압착하는 기능을 수행할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리 등을 포함할 수 있다.The spring 280 can be positioned on the anode 210 as an optional component and can function to compress the anode 210, the cathode 220, the electrolyte 230 and the separator 240 For example, a metal, and may include, for example, stainless steel, aluminum, copper, and the like.

본체(290)는 애노드(210), 캐소드(220), 전해질(230), 세퍼레이터(240), 애노드 전류 집전부(250), 캐소드 전류 집전부(260), 및 스프링(280)을 수용할 수 있다. 본체(290)는 다양한 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, CR-2032 형으로 형성될 수 있다. 또한, 본체(290) 내의 애노드(210), 캐소드(220), 전해질(230), 세퍼레이터(240)의 위치는 예시적이며, 반대로 위치할 수 있다.The body 290 is capable of receiving the anode 210, the cathode 220, the electrolyte 230, the separator 240, the anode current collector 250, the cathode current collector 260, have. The body 290 may have various shapes and may be formed as a CR-2032, for example, as shown in Fig. The positions of the anode 210, the cathode 220, the electrolyte 230, and the separator 240 in the body 290 are illustrative and can be reversed.

본체(290)는 캐소드(220)와 인접한 영역에 다수의 구멍(292)이 형성되어 있다. 구멍(292)을 통하여 산소 가스가 인입될 수 있다. 이러한 구멍(292)은 산소가 투과 가능한 산소투과막(270)으로 덮일 수 있고, 이에 따라 전해질(230)의 증발이 외부로 증발하는 것을 방지할 수 있다. 산소투과막(270)은 예를 들어 폴리테트라플로로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)(270)을 포함할 수 있다.The main body 290 is formed with a plurality of holes 292 in the region adjacent to the cathode 220. Oxygen gas can be drawn through the hole 292. This hole 292 can be covered with an oxygen permeable membrane 270 that is permeable to oxygen, thereby preventing the evaporation of the electrolyte 230 from evaporating to the outside. The oxygen permeable membrane 270 may include, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) 270.

이하에서는, 도 1 및 도 2의 전해질(130, 230)을 구성하는 본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 겔 폴리머 전해질(CGPE)에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the composite gel polymer electrolyte (CGPE) according to the technical idea of the present invention constituting the electrolytes 130 and 230 of FIGS. 1 and 2 will be described in detail.

종래의 고상 폴리머 전해질들은 대부분 낮은 젖음성과 제한된 이온 전도도 (상온에서 10-5 S cm-1 내지 10-6 S cm- 1 보다 작음)를 가지는 한계에도 불구하고, 다양한 폴리머를 기반으로 하는 GPE가 획기적으로 개선되어 왔다. 이중에서, PVDF-HFP의 공중합체를 기재로 하는 GPE들은 높은 이온 전도성, 안정된 계면 특성, 및 우수한 전기화학적 성능을 나타내어 높은 관심을 받고 있다. GPE들의 특성 개선을 위하여, 폴리머 기재 내로 무기성 필러들을 삽입하는 방법이 제안되었다. 그러나, 이러한 무기성 필러가 매우 낮은 함량으로 삽입된 경우에만 높은 이온 전도성을 얻을 수 있으며, 상기 무기성 필러의 함량이 증가되면 이온 전도성이 급격하게 감소되었다. 반면, 무기성 필러의 함량이 증가됨에 따라, GPE의 경도는 증가되었다. 이와 같이, 이온 전도성과 경도는 무기성 필러의 함량에 따라 서로 상충되는 특성 변화를 보이며, 따라서 높은 이온 전도성과 높은 경도를 얻기 위하여는 무기성 필러의 최적 함량을 도출하는 것이 매우 중요하다. 이러한 한계에도 불구하고, 리튬 수지상정들의 성장을 억제하기 위한 무기 물질의 역할에 대하여 연구되어 왔다. 특히, 전지 동작 중의 리튬 수지상정들의 성장 또는 억제 메커니즘이 규명될 필요가 있다. Conventional solid polymer electrolyte are the most of low wettability with limited ionic conductivity - in spite of having a limit (10 -5 S cm -1 to 10 -6 S cm at room temperature is less than 1), GPE is significantly based on a variety of polymer . Of these, GPEs based on copolymers of PVDF-HFP are of high interest because of their high ionic conductivity, stable interface properties, and excellent electrochemical performance. To improve the properties of GPEs, a method of inserting inorganic fillers into a polymer substrate has been proposed. However, high ion conductivity can be obtained only when the inorganic filler is inserted at a very low content, and the ion conductivity is drastically reduced when the content of the inorganic filler is increased. On the other hand, as the content of inorganic filler was increased, the hardness of GPE was increased. Thus, the ionic conductivity and hardness exhibit mutually conflicting properties depending on the content of the inorganic filler. Therefore, in order to obtain high ionic conductivity and high hardness, it is very important to derive the optimal content of the inorganic filler. Despite these limitations, the role of inorganic materials to inhibit the growth of lithium resin complexes has been studied. In particular, it is necessary to identify the growth or inhibition mechanism of the lithium resin assumptions during battery operation.

따라서, 본 발명의 기술적 사상은 상술한 바와 같은 유기성 고상 전해질 및 무기성 고상 전해질의 장점들을 동시에 가지는 새로운 전해질을 제공하는 것이다.Therefore, the technical idea of the present invention is to provide a novel electrolyte having the advantages of the organic solid electrolyte and the inorganic solid electrolyte as described above simultaneously.

본 발명의 기술적 사상에 따른 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인(CGPE)은, 폴리머 기재; 상기 폴리머 기재 내에 분산되고, 내부에 이온 전도성을 가지는 코어(core)부와 상기 코어 물질의 표면을 덮는 쉘(shell)부로 구성된 코어-쉘 구조체;를 포함한다.The composite gel polymer electrolyte membrane (CGPE) according to the technical concept of the present invention comprises a polymer substrate; And a core-shell structure composed of a core portion dispersed in the polymer substrate and having ion conductivity therein, and a shell portion covering the surface of the core material.

상기 폴리머 기재는, 리튬 이온 전도성을 제공하는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리 비닐리덴 플로라이드-헥사플로로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리 비닐리덴 플로라이드(PVDF) 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The polymer substrate may comprise a material that provides lithium ion conductivity and may include, for example, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polymethylmethacryl And rate (PMMA).

상기 코어부는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가질 수 있다. 이러한 페로브스카이트 구조는 산소의 배위수가 변화될 수 있는 구조로서, 충전과 방전 시에 구조 내에 산소 이온의 입출입이 가능할 수 있다. 상기 코어부는, 예를 들어 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 티타네이트(aluminum-doped lithium lanthanum titanate, A-LLTO), 리튬 알루미늄 저마늄 인산염 (lithium aluminum germanium phosphate, LAGP), 및 리튬 알루미늄 타이타늄 인산염 (lithium aluminum titanium phosphate, LATP) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 코어부는, 예를 들어 (Li0 . 33La0 . 56)1.005Ti0 . 99Al0 . 01O3, 및 Li1 . 5Al0 . 5Ge1 .5(PO4)3, Li1 . 5Al0 . 5Ti1 .5(PO4)3 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The core portion may have a perovskite structure. Such a perovskite structure has a structure in which the coordination number of oxygen can be changed, and it is possible that oxygen ions are introduced into and discharged from the structure during charging and discharging. The core may be made of, for example, aluminum-doped lithium lanthanum titanate (A-LLTO), lithium aluminum germanium phosphate (LAGP), and lithium aluminum titanium phosphate, LATP). Said core portion, for example, (Li 0. 33 La 0. 56) 1.005 Ti 0. 99 Al 0 . 01 O 3 , and Li 1 . 5 Al 0 . 5 Ge 1 .5 (PO 4) 3, Li 1. 5 Al 0 . 5 Ti 1 .5 (PO 4) may include at least any one of the three.

상기 쉘부는 상기 CGPE에 높은 경도를 제공하는 물질을 포함할 수 있다. 상기 쉘부는 비정질상을 포함할 수 있다. 상기 쉘부는 세라믹 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 지르코늄 산화물, 지르코늄 질화물, 지르코늄 산질화물, 알루미늄 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The shell portion may comprise a material that provides a high hardness to the CGPE. The shell portion may comprise an amorphous phase. The shell portion may include a ceramic material and may include at least one of, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, zirconium oxide, zirconium nitride, zirconium oxynitride, and aluminum oxide.

상기 쉘부는 결합 위치를 제공하는 산소 원자를 가지는 m-SiO2 를 포함할 수 있다. 상기 m-SiO2 의 두께는 3-글리시독시프로필 트리메톡시실란(3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane, GPTMS)을 이용하여 제어될 수 있다. 상기 쉘부는 수산화기(OH-) 및 에폭시기 중 적어도 어느 하나가 형성될 수 있다.It said shell portion m-SiO 2 having an oxygen atom to provide a binding site . ≪ / RTI > The m-SiO 2 Can be controlled using 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS). At least one of hydroxyl group (OH < - & gt ; ) and epoxy group may be formed in the shell part.

상기 코어-쉘 구조체는 0.5 μm 내지 3 μm 범위의 크기를 가질 수 있다. 상기 쉘부는 1 nm 내지 10 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 상기 폴리머 기재와 상기 코어-쉘 구조체는 8:2 내지 2:8 범위의 질량비를 가질 수 있다. 상기 코어-쉘 구조체는 상기 폴리머 기재 내에 균일하게 분포될 수 있다. 상기 코어-쉘 구조체는 리튬 금속의 수지 상정의 성장을 억제할 수 있다.The core-shell structure may have a size ranging from 0.5 [mu] m to 3 [mu] m. The shell portion may have a thickness ranging from 1 nm to 10 nm. The polymer substrate and the core-shell structure may have a mass ratio ranging from 8: 2 to 2: 8. The core-shell structure may be uniformly distributed within the polymer substrate. The core-shell structure can suppress the growth of the resin anticipated of the lithium metal.

상기 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인은, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)와 에틸메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate)가 혼합된 용액에 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화될 수 있다. 상기 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인은, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME) 용액에 리튬 비스 트리플로로메탄 설포닐 이미드(lithium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide, LiTFSI)을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화될 수 있다.The composite gel polymer electrolyte membrane can be activated using a liquid electrolyte in which LiPF 6 is mixed in a solution of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate. The composite gel polymer electrolyte membrane is prepared by mixing a liquid electrolyte prepared by mixing lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) with a tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) solution . ≪ / RTI >

그러나, 상술한 CGPE의 구성 물질들은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, the above-mentioned constituent materials of CGPE are illustrative, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

실험예Experimental Example

이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 CGPE를 구체적으로 구현한 실험예를 예시적으로 설명하기로 한다. 본 실시예에서 상기 폴리머 기재는 PVDF-HFP로 구성하고, 상기 코어부는 A-LLTO로 구성하고, 상기 쉘부는 개질된(modified) 실리콘 산화물("m-SiO2")로 구성하였다. 이하에서는, 상기 코어-쉘 구조체를 "A-LLTO/m-SiO2"로 약칭하기로 한다.Hereinafter, an experimental example in which CGPE according to the technical idea of the present invention is specifically implemented will be exemplarily described. In this embodiment, the polymer substrate is comprised of PVDF-HFP, the core portion is comprised of A-LLTO, and the shell portion is comprised of modified silicon oxide ("m-SiO 2 "). Hereinafter, the core-shell structure will be abbreviated as "A-LLTO / m-SiO 2 ".

높은 리튬 이온 전도성, 우수한 프로세스 능력, 및 리튬 수지상정 성장의 효과적인 억제력을 가지는 프리스탠딩(free-standing) CGPE를 PVDF-HFP 기재 내로 페로브스카이트(perovskite) 구조의 A-LLTO 입자들을 분산시켜 제조하였다.Free-standing CGPE with high lithium ion conductivity, good process capability, and effective inhibition of lithium resin conformational growth was prepared by dispersing A-LLTO particles of perovskite structure into PVDF-HFP substrate Respectively.

상기 A-LLTO는 전해질 형성시 분산 상(dispersed phase)으로 사용되고, 상온에서 높은 리튬 이온 전도성(약 2.99x10-3 S cm-1), 높은 리튬 확산 계수, 높은 열안정성 및 넓은 전기화학적 범위와 같은 장점을 가진다. 그러나, 상기 A-LLTO는 리튬 금속과 접촉하는 경우 화학적으로 불안정한 단점이 있다. 따라서, 상기 A-LLTO 입자들이 m-SiO2로 구성된 매우 얇은 외측 껍질(즉, 쉘)에 의하여 둘러싸이도록 설계하였다. 상기 m-SiO2는 리튬 금속과 접촉하여도 화학적 안정성을 제공할 수 있고, 상기 A-LLTO로의 리튬 이온의 전달이 저하되지 않도록 얇은 두께를 가지도록 형성하였다. 이러한 m-SiO2의 표면에 의하여, 상기 PVDF-HFP 기재와 상기 A-LLTO/m-SiO2의 접착력이 증가될 수 있다. 또한, 상기 m-SiO2는 전지 셀 내에서 리튬 수지상정들의 성장을 저하시킬 수 있는 효과가 있다.The A-LLTO is used as a dispersed phase in the formation of electrolytes and has a high lithium ion conductivity (about 2.99x10 -3 S cm -1 ) at room temperature, a high lithium diffusion coefficient, a high thermal stability and a wide electrochemical range . However, the A-LLTO has a disadvantage in that it is chemically unstable when it comes into contact with lithium metal. Therefore, we designed such that the A-LLTO particles are surrounded by an extremely thin outer skin (i.e., shell) consisting of m-SiO 2. The m-SiO 2 was formed to have a small thickness so as not to deteriorate the transmission of lithium ions to the A-LLTO even though it was in contact with the lithium metal. By the surface of such m-SiO 2, the adhesion of the PVDF-HFP substrate and the A-LLTO /-m SiO 2 it can be increased. In addition, the m-SiO 2 has an effect of reducing the growth of the lithium resin particles in the battery cell.

1. A-1. A- LLTOLLTO /m-/ m- SiOSiO 22 의 특성 분석 Characterization of

1-1. A-1-1. A- LLTOLLTO /m-/ m- SiOSiO 22 의 제조 Manufacturing

A-LLTO/m-SiO2 는 하기와 같은 습식 화학법을 이용하여 제조될 수 있다.A-LLTO /-m SiO 2 may be prepared using a wet chemistry method as described below.

먼저, 출발물질로서 A-LLTO 분말을 준비하였다. 상기 A-LLTO 분말은 리튬 란타늄 티타네이트에서 티타늄의 일부를 알루미늄로 치환하여 형성된 물질이다. 상기 A-LLTO 분말의 조성은, 예를 들어 (Li0 . 33La0 . 56)1.005Ti0 . 99Al0 . 01O3 일 수 있다. 또한, 상기 A-LLTO 분말은 약 20 mol%의 잉여 Li2O가 더 포함될 수 있다. 상기 A-LLTO 분말을 약 1350 ℃에서 소결하여 펠렛을 형성하였다. 상기 펠렛을 다시 분쇄하여 분말로 다시 형성하였다. 상기 분쇄는 막자 사발(mortar and pestle)을 이용하여 1차 분쇄하고, 지르코니아 볼을 이용하여 약 12 시간 동안 2차 분쇄하여 수행되었다. 최종으로 마이크로 미터 크기를 가지는 A-LLTO 분말을 형성하였다.First, A-LLTO powder was prepared as a starting material. The A-LLTO powder is a material formed by replacing a part of titanium with aluminum in lithium lanthanum titanate. The composition of the A-LLTO powder, for example, (Li 0. 33 La 0. 56) 1.005 Ti 0. 99 Al 0 . 01 O 3 may be. In addition, the A-LLTO powder may further contain about 20 mol% of excess Li 2 O. The A-LLTO powder was sintered at about 1350 DEG C to form pellets. The pellet was again pulverized to form powder again. The pulverization was carried out by primary pulverization using a mortar and pestle and secondary pulverization using zirconia balls for about 12 hours. Finally, A-LLTO powder with a micrometer size was formed.

마이크로 미터 크기의 A-LLTO 분말 약 2 g을 약 100 ml의 에탄올에 투입하고, 초음파를 이용하여 혼합하여 제1 서스펜션 용액을 형성하였다. 이어서, 약 5 g의 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP, K30)을 탈이온수에 투입하고, 약 30분간 초음파를 이용하여 완전히 용해하여 제2 서스펜션 용액을 형성하였다. 상기 제1 서스펜션 용액과 상기 제2 서스펜션 용액을 혼합하고, 상온에서 약 8 시간 동안 균일하게 교반하여 A-LLTO와 PVP의 혼합 용액을 형성하였다. 상기 혼합 용액을 원심분리기에서 원심분리하고, 상청액(supernatant)을 분리하여 상청 안정화(surfactant-stabilized) A-LLTO 를 얻었다. 상기 상청 안정화 A-LLTO 를 약 150 ml의 에탄올에 투입하여 분산시키고, 이어서 약 12 ml의 탈이온수와 약 ml의 암모니아수(NH3가 28 부피%임)를 더 투입하여 최종 서스펜션 용액을 형성하였다. 이어서, 상기 최종 서스펜션 용액을 약 40 ℃로 유지한 상태에서, 교반하면서 20 μl 테트라엑소시실란(tetraethoxysilane, TEOS)을 포함한 약 5 ml의 에탄올을 약 5 분 동안 드롭 방식(dropwise)으로 투입하여, 가수분해 반응을 발생시켰다. 이어서, 형성되는 SiO2 의 두께를 제어하도록 약 10 μl의 3-글리시독시프로필 트리메톡시실란(3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane, GPTMS)을 추가하였다. 이어서, 상기 혼합물질을 약 5 시간 동안 강하게 교반한 후에, 원심분리기를 이용하여 분리한 후, 탈이온수와 에탄올로 3회 세정함으로써, 전구체 분말을 형성하였다. 상기 전구체 분말을 공기 중에서 약 120 ℃로 24 시간 동안 건조하여, 코어-쉘 구조를 가지는 A-LLTO/m-SiO2 입자들을 형성하였다.Approximately 2 g of micrometer-sized A-LLTO powder was placed in about 100 ml of ethanol and mixed using ultrasonic waves to form a first suspension solution. Next, about 5 g of polyvinylpyrrolidone (PVP, K30) was put into deionized water and completely dissolved by using ultrasonic waves for about 30 minutes to form a second suspension solution. The first suspension solution and the second suspension solution were mixed and uniformly stirred at room temperature for about 8 hours to form a mixed solution of A-LLTO and PVP. The mixed solution was centrifuged in a centrifuge, and the supernatant was separated to obtain surfactant-stabilized A-LLTO. Wherein the supernatant stabilize A-LLTO were dispersed by putting into approximately 150 ml of ethanol, followed by deionized water to approximately 12 ml with aqueous ammonia to approximately ml (NH 3 28% by volume of Im) further added to form a final suspension solution. Subsequently, while maintaining the final suspension solution at about 40 ° C, about 5 ml of ethanol containing 20 μl tetraethoxysilane (TEOS) was added dropwise with stirring for about 5 minutes, Hydrolysis reaction. Then, about 10 [mu] l of 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS) was added to control the thickness of the SiO 2 formed. Subsequently, the mixed material was stirred vigorously for about 5 hours, separated by a centrifuge, and then washed three times with deionized water and ethanol to form a precursor powder. The precursor powder was dried in air at about 120 ° C. for 24 hours to form A-LLTO / m-SiO 2 particles having a core-shell structure.

1-2. A-1-2. A- LLTOLLTO /m-/ m- SiOSiO 22 의 X-선 패턴 분석 X-ray pattern analysis of

A-LLTO/m-SiO2 의 결정 구조를 X-선 회절분석기(X-ray diffractometer, XRD, Rigaku DIII ultima with Cu Ka radiation)를 통하여 분석하였다. 또한, 비교를 위하여 개별적인 m-SiO2 입자도 분석하였다The crystal structure of A-LLTO / m-SiO 2 was analyzed by X-ray diffractometer (XRD, Rigaku DIII ultima with Cu Ka radiation). Separate m-SiO 2 particles were also analyzed for comparison

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 의 X-선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다. 3 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of A-LLTO / m-SiO 2 constituting a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, A-LLTO/m-SiO2 의 X-선 패턴은 Li0 . 33La0 . 56TiO3 (JCPDS 카드 번호 제01-087-0935호)의 정방정계 상의 X-선 패턴과 매우 일치한다. 따라서, 상기 A-LLTO/m-SiO2 의 A-LLTO 코어는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는 것으로 분석된다. 반면, SiO2 결정이나 다른 실리콘 화합물 결정에 해당되는 피크는 전혀 발견되지 않았다. 이와 유사하게, 개별적인 m-SiO2 입자의 X-선 패턴은 확대되고 작은 강도의 피크를 나타내므로 비정질을 가지는 것으로 해석되고, 이에 따라, 상기 A-LLTO/m-SiO2 의 m-SiO2 는 비정질 구조를 가지는 것으로 분석된다.Referring to FIG. 3, the X-ray pattern of A-LLTO / m-SiO 2 is Li 0 . 33 La 0 . 56. The TiO is very consistent with the X- ray pattern on the tetragonal of 3 (JCPDS card No. 01-087-0935 call). Therefore, the A-LLTO core of A-LLTO / m-SiO 2 is analyzed to have a perovskite structure. On the other hand, no peaks corresponding to SiO 2 crystals or other silicon compound crystals were found. Similarly, the X-ray pattern of the individual m-SiO 2 particles is interpreted as having an amorphous nature since it is enlarged and shows a small intensity peak, and thus the m-SiO 2 of the A-LLTO / m-SiO 2 is It is analyzed to have an amorphous structure.

1-3. A-1-3. A- LLTOLLTO /m-/ m- SiOSiO 22 의 미세구조 분석 Microstructure analysis of

A-LLTO/m-SiO2 의 미세구조를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM, S-4700 Hitachi)과 투과 전자 현미경(TEM, Tecnai G2, Philips)을 이용하여 관찰하였다.The microstructure of A-LLTO / m-SiO 2 was observed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, S-4700 Hitachi) and a transmission electron microscope (TEM, Tecnai G2, Philips).

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 의 미세구조 사진들이다.4 is a microstructure photograph of A-LLTO / m-SiO 2 constituting a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 4에서, (a)는 A-LLTO/m-SiO2 의 주사전자현미경 사진이고, (b),(c),(d)는 A-LLTO/m-SiO2 의 투과전자현미경 사진들이다. 참고로, (c)는 (b)의 사각형 영역의 확대 사진이고, (d)는 (c)의 사각형 영역의 확대 사진이다.In FIG. 4, (a) is a scanning electron micrograph of A-LLTO / m-SiO 2 , and (b), (c) and (d) are transmission electron micrographs of A-LLTO / m-SiO 2 . (C) is an enlarged view of the rectangular area of (b), and (d) is an enlarged view of the rectangular area of (c).

도 4를 참조하면, 약 A-LLTO/m-SiO2 는 상대적으로 균일한 크기를 가지고 있고, 예를 들어 약 0.5 μm 내지 약 3 μm 범위의 크기를 가질 수 있고, 예를 들어 약 1 μm 내지 약 2 μm 범위의 크기를 가질 수 있다. 또한, A-LLTO 입자들은 매우 얇은 m-SiO2 쉘로 둘러싸여 있다. 고해상도 사진인 (d)에 나타난 바와 같이, 상기 A-LLTO 와 m-SiO2 층 사이에 명확한 계면이 형성됨을 확인할 수 있다. 상기 m-SiO2 층의 두께는 예를 들어 약 1 nm 내지 약 10 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 약 4 nm 내지 약 6 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 또한, A-LLTO 정방정계 격자의 (101) 면들에 상응하는 면간 거리는 약 0.35 nm 로 나타났다.4, about A-LLTO / m-SiO 2 has a relatively uniform size, for example, can have a size ranging from about 0.5 μm to about 3 μm, for example, Can have a size in the range of about 2 [mu] m. In addition, the A-LLTO particles are surrounded by a very thin m-SiO 2 shell. As shown in the high-resolution photograph (d), it can be confirmed that a clear interface is formed between the A-LLTO and the m-SiO 2 layer. The thickness of the m-SiO 2 layer may have a thickness in the range of, for example, from about 1 nm to about 10 nm, and may have a thickness in the range of, for example, about 4 nm to about 6 nm. In addition, the interplanar distance corresponding to the (101) planes of the A-LLTO tetragonal lattice was about 0.35 nm.

1-4. A-1-4. A- LLTOLLTO /m-/ m- SiOSiO 22 의 화학적 구조 분석 Chemical structure analysis

A-LLTO/m-SiO2 의 화학적 구조를 푸리에 변환 적외분광기(FTIR, Prestige-21 Shimadzu)를 이용하여 분석하였다. 비교예로서 SiO2 가 개질되지 않은 A-LLTO/SiO2 도 분석하였다.The chemical structure of A-LLTO / m-SiO 2 was analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR, Prestige-21 Shimadzu). As a comparative example, A-LLTO / SiO 2 in which SiO 2 was not modified was also analyzed.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 의 푸리에 변환 적외분광 분석을 나타내는 그래프이다. 5 is a graph showing Fourier transform infrared spectroscopy analysis of A-LLTO / m-SiO 2 constituting a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 비교예인 상기 A-LLTO/SiO2 의 경우에는, 473 cm-1, 798 cm-1, 1099 cm-1 및 949 cm-1에서 흡수 피크가 나타났으며, 이는 각각 Si-O-Si의 휨진동(bending vibration), Si-O-Si의 대칭 신축 진동(symmetric stretching vibration), Si-O-Si 의 비대칭 신축 진동(asymmetric stretching vibration), 및 Si-OH의 휨진동에 상응한다. 또한, 1651 cm-1 및 3440 cm-1 에서 나타난 흡수 피크는 각각 -OH의 휨 진동 및 -OH의 신축 진동에 상응하고, TEOS의 가수분해 과정에 의하여 발생한다. 또한, 2363 cm-1 에서 나타나는 이중 숄더 피크는 이산화탄소의 신축 진동으로 분석된다.Referring to FIG. 5, absorption peaks at 473 cm -1 , 798 cm -1 , 1099 cm -1 and 949 cm -1 in the case of the comparative A-LLTO / SiO 2 , The bending vibration of O-Si, the symmetric stretching vibration of Si-O-Si, the asymmetric stretching vibration of Si-O-Si, and the flexural vibration of Si-OH do. In addition, the absorption peaks at 1651 cm -1 and 3440 cm -1 correspond to the flexural vibration of -OH and the stretching vibration of -OH, respectively, and are caused by hydrolysis of TEOS. Also, the double shoulder peak at 2363 cm -1 is analyzed by stretching vibration of carbon dioxide.

반면, 상기 A-LLTO/m-SiO2 의 경우에는, 상기 A-LLTO/SiO2 에 비하여, 1651 cm-1 및 3440 cm-1 에서 나타난 -OH 기의 흡수 강도가 작아졌다. 이는 SiO2 의 표면의 -OH 기가 GPTMS로 치환되었기 때문으로 분석된다. 또한, 상기 A-LLTO/m-SiO2 에서 -CH 기의 신축 진동에 상응하는 2927 cm- 1 의 피크가 관찰되었다. 이러한 결과로부터, A-LLTO/m-SiO2 의 표면 상에 상기 GPTMS가 SiO2 를 구성하는 산소 원자에 화학적으로 흡착된 것을 알 수 있다. 반면, A-LLTO/m-SiO2 의 표면 상에 물리적으로 흡착된 GPTMS 및 반응 부산물들은 제조 과정에서의 원심분리 및 탈이온수와 에탄올을 이용한 세정에 의하여 깨끗하게 제거된 것으로 분석된다. 상기 m-SiO2의 표면 상에 상기 GPTMS 가 화학적으로 흡착되므로, 상기 A-LLTO 코어를 덮는 SiO2 쉘의 두께를 수 나노미터 수준으로 제어할 수 있다. 이러한 제어에 의하여, SiO2 입자들의 응집은 방지되었다.On the other hand, in the case of A-LLTO / m-SiO 2 , the absorption intensity of -OH groups at 1651 cm -1 and 3440 cm -1 was smaller than that of A-LLTO / SiO 2 . This is because the -OH group on the SiO 2 surface was replaced with GPTMS. In addition, 2927 cm from the corresponding A-LLTO / m 2 SiO-to the stretching vibration of the -CH group-peak 1 was observed. From these results, it can be seen that the GPTMS is chemically adsorbed on the oxygen atom constituting SiO 2 on the surface of A-LLTO / m-SiO 2 . On the other hand, physically adsorbed GPTMS and reaction by-products on the surface of A-LLTO / m-SiO 2 were analyzed by centrifugation in the manufacturing process and by cleaning with deionized water and ethanol. Since the GPTMS is chemically adsorbed on the surface of the m-SiO 2 , the thickness of the SiO 2 shell covering the A-LLTO core can be controlled to several nanometers. By this control, aggregation of the SiO 2 particles was prevented.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 코어-쉘 구조체의 A-LLTO/m-SiO2 의 모식도이다.6 is a schematic diagram of A-LLTO / m-SiO 2 of a core-shell structure making up a composite gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 상기 A-LLTO/m-SiO2(131)은 내부에 A-LLTO(132)가 코어로서 위치되고, 상기 A-LLTO(132)를 둘러싸도록 표면에 m-SiO2(133)이 위치한다. m-SiO2(133)는 A-LLTO(132)를 둘러싸는 실리콘 원자(134)와 산소 원자(135)를 포함하고, 또한 상기 실리콘 원자(134)와 결합되고 A-LLTO(132)를 둘러싸지 않으며 다른 기들에 결합 위치를 제공하는 산소 원자(136)를 포함한다. 6, the A-LLTO / m-SiO 2 131 is located inside the A-LLTO 132 as a core, and the surface of the A-LLTO 132 is surrounded by m-SiO 2 133). The m-SiO 2 133 includes silicon atoms 134 and oxygen atoms 135 surrounding the A-LLTO 132 and is also bonded to the silicon atoms 134 and surrounds the A-LLTO 132 And oxygen atoms 136 that provide bonding sites to other groups.

산소 원자(136)에는 수소 이온이 결합하여 수산화기(OH-)(137)를 형성할 수 있다. 또한, 산소 원자(136)에는 상기 GPTMS가 화학적으로 흡착하여 에폭시기(138)을 형성할 수 있다. 수산화기(137)는 m-SiO2(133)의 표면 상에 부분적으로 형성되어, 수소 결합 등에 의하여 물, 수분, 또는 불순물을 용이하게 포획할 수 있다. 에폭시기(138)는 이온 전도성 및 상 경계의 안정성을 증가시킬 수 있다. 따라서, A-LLTO/m-SiO2(131)와 폴리머 기재 사이의 계면 상호작용을 강화시킬 수 있다.Hydrogen ions may be bonded to the oxygen atom 136 to form a hydroxyl group (OH - ) 137. The GPTMS may be chemically adsorbed to the oxygen atom 136 to form an epoxy group 138. The hydroxyl group 137 is partially formed on the surface of the m-SiO 2 133, and can easily capture water, moisture, or impurities by hydrogen bonding or the like. The epoxy group 138 can increase ionic conductivity and stability of the phase boundary. Therefore, it is possible to enhance the interfacial interactions between the A-LLTO / SiO m-2 (131) with the polymeric base material.

이러한 표면 개질 과정을 통하여 상기 A-LLTO/m-SiO2(131)를 형성함으로써, CGPE의 이온 전도성을 증가시키고, 또한 리튬 공기 전지 내의 캐소드로부터 확산될 수 있는 수분에 의한 오염을 차단할 수 있다. 또한, 상기 A-LLTO/m-SiO2(131)는 높은 이온 전도성을 유지하는 것뿐만 아니라, CGPE의 기계적 경도를 증가시킬 수 있다. 그러나, A-LLTO/m-SiO2 의 함량이 너무 증가되면, 리튬 이온 전도를 주 기능으로 하는 폴리머 기재의 상대적인 부피 비율을 감소시키게 되므로, CGPE의 이온 전도성을 감소시킬 가능성이 있다.By forming the A-LLTO / m-SiO 2 131 through the surface modification process, the ion conductivity of the CGPE can be increased and the contamination by moisture that can diffuse from the cathode in the lithium air battery can be blocked. In addition, the A-LLTO / m-SiO 2 (131) not only maintains high ionic conductivity, but also can increase the mechanical hardness of CGPE. However, if the content of A-LLTO / m-SiO 2 is excessively increased, the relative volume ratio of the polymer base having lithium ion conduction as a main function is reduced, so there is a possibility of reducing the ion conductivity of CGPE.

2. 2. CGPE의Of CGPE 특성 분석 Character analysis

2-1. 2-1. CGPE의Of CGPE 제조 Produce

상기 제조 방법에 의하여 제조된 A-LLTO/m-SiO2 입자들, PVDF-HFP, 및 DBP를 중량비로 8:2:3의 비율로서 아세톤에 넣고 약 50 ℃에서 교반하여 균질한 혼합물을 형성하였다. 상기 혼합물을 닥터 블레이드를 이용하여 유리판에 주조하고, 이어서, 진공 상태의 오븐에서 약 50 ℃로 약 4 시간 동안 건조하여, 건조된 반투명 막을 형성하였다. 이어서, 상기 막을 약 500 ml의 메탄올에 약 4 시간 동안 침지하여 상기 DBP를 제거하고, 이어서 진공 상태의 오븐에서 약 70 ℃로 건조하였다. 상기 건조물을 활성화처리 전에 글로브 박스 내에서 원형으로 절단하여 CGPE 멤브레인을 제조하였다.The A-LLTO / m-SiO 2 particles, PVDF-HFP, and DBP prepared by the above-mentioned method were added to acetone at a weight ratio of 8: 2: 3 and stirred at about 50 ° C to form a homogeneous mixture . The mixture was cast on a glass plate using a doctor blade, and then dried in a vacuum oven at about 50 DEG C for about 4 hours to form a dried translucent film. The membrane was then immersed in about 500 ml of methanol for about 4 hours to remove the DBP and then dried in a vacuum oven at about 70 < 0 > C. The dried material was cut into a circular shape in a glove box before the activation treatment to prepare a CGPE membrane.

이어서, 상기 CGPE 멤브레인을 액상 전해질 내에 약 2 시간 이상 침지하여 활성화하였다. 상기 액상 전해질은 전지 셀 유형에 따라서 변화될 수 있다. 본 발명에서는, 리튬 이온 폴리머 전지에 적용되는 CGPE 멤브레인은 EC와 EMC가 부피%로 50:50 혼합된 용액에 1 M의 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화하였다. 반면, 본 발명에서는, 리튬 공기 전지에 적용되는 CGPE 멤브레인은 TEGDME 용액에 1 M의 LiTFSI을 혼합한 액상 전해질을 사용하여 활성화하였다.Then, the CGPE membrane was immersed in the liquid electrolyte for about 2 hours or longer to activate the CGPE membrane. The liquid electrolyte may vary depending on the type of battery cell. In the present invention, a CGPE membrane applied to a lithium ion polymer battery was activated by using a liquid electrolyte in which 1 M of LiPF 6 was mixed in a 50:50 volume ratio mixture of EC and EMC. On the other hand, in the present invention, a CGPE membrane applied to a lithium air cell was activated using a liquid electrolyte in which a 1 M LiTFSI was mixed with a TEGDME solution.

그러나, 상기 액상 전해질은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 액상 전해질은, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate EMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 메틸프로필 카보네이트(methylprophyl carbonate, MPC), 디프로필 카보네이트(diprophyl carbonate, DPC), 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로푸란, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME) 으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.However, the liquid electrolyte is exemplified, and the technical idea of the present invention is not limited thereto. For example, the liquid electrolyte may be at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate (EC), ethylmethyl carbonate EMC, diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), propylene carbonate carbonate, PC), methylpropyl carbonate (MPC), diprophyl carbonate (DPC), dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma- And one or a mixture of two or more selected from the group consisting of lactone, propylene sulfite, tetrahydrofuran, and tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME).

2-2. 2-2. CGPE의Of CGPE 투명성 분석 Transparency Analysis

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 복합 겔 폴리머 전해질의 투명성을 나타내는 사진이다.7 is a photograph showing transparency of a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 7에서, 모든 전해질들은 상술한 바와 같은 EC와 EMC가 부피%로 50:50 혼합된 용액에 1 M의 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화되었다. 도 7에서, (a)는 비교예로서, PVDF-HFP 멤브레인으로 구성되고 활성화된 후의 GPE의 경우이고, (b)는 본 발명의 실시예로서, PVDF-HFP와 A-LLTO/m-SiO2를 질량비 2:8로 포함하고, 활성화된 후의 CGPE의 경우이다.In FIG. 7, all the electrolytes were activated using a liquid electrolyte in which 1 M of LiPF 6 was mixed in a 50:50 mixed volume of EC and EMC as described above. (A) is a comparative example in the case of GPE after being composed and activated by PVDF-HFP membrane, (b) is an example of PVDF-HFP and A-LLTO / m-SiO 2 With a mass ratio of 2: 8 and is the case of CGPE after activation.

도 7을 참조하면, (a)의 경우, 상기 GPE의 하단에 배치된 바닥재의 격자가 매우 명확하게 비치므로, 상기 GPE는 활성화된 후 거의 투명하게 변화됨을 알 수 있다. 반면, (b)의 경우,상기 CGPE의 하단에 배치된 상기 바닥재의 격자가 보이지 않으므로, 상기 CGPE는 불투명한 특성을 나타내었다. 상기 CGPE의 불투명 특성은 상기 CGPE가 포함하고 있는 A-LLTO/m-SiO2 입자들이 광을 산란하기 때문으로 분석된다.Referring to FIG. 7, in the case of (a), since the grid of the bottom material disposed at the lower end of the GPE is very clearly displayed, it can be seen that the GPE changes almost transparently after being activated. On the other hand, in the case of (b), since the lattice of the bottom material disposed at the lower end of the CGPE is not visible, the CGPE exhibited opaque characteristics. The opaque characteristic of the CGPE is analyzed because the A-LLTO / m-SiO 2 particles contained in the CGPE scatter light.

2-3. 2-3. CGPE의Of CGPE 전기화학적 특성 분석 Electrochemical characterization

상기 CGPE 의 전기화학적 특성을 ZIVE SP2 측정기를 이용하여 0.1 Hz 내지 1 MHz 범위의 주파수 및 10 mV의 전압 진폭에서 전기화학적 임피던스 스펙트로스코피를 측정하여 분석하였다. 특히, 상기 CGPE 내의 A-LLTO/m-SiO2 와 PVDF-HFP의 질량비를 변화시켜, 전기화학적 특성에 대한 질량비의 영향을 분석하였다.The electrochemical characteristics of the CGPE were analyzed by measuring electrochemical impedance spectroscopy at a frequency of 0.1 Hz to 1 MHz and a voltage amplitude of 10 mV using a ZIVE SP2 measuring instrument. Particularly, the influence of the mass ratio on the electrochemical characteristics was analyzed by changing the mass ratio of A-LLTO / m-SiO 2 and PVDF-HFP in the CGPE.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 와 PVDF-HFP의 질량비에 따른 전기화학적 특성 변화를 나타내는 그래프이다8 is a graph showing changes in electrochemical characteristics depending on the mass ratio of A-LLTO / m-SiO 2 and PVDF-HFP constituting the composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention

도 8에서, %는 A-LLTO/m-SiO2 와 PVDF-HFP의 전체 질량에 대한 A-LLTO/m-SiO2 의 함량 비율을 지칭한다. 예를 들어, 0%(즉, 10:0)는 멤브레인이 A-LLTO/m-SiO2 가 없고 PVDF-HFP 만으로 구성된 경우를 지칭하고, 80%(즉, 2:8)는 멤브레인이 A-LLTO/m-SiO2 의 함량이 80 wt%이고 PVDF-HFP의 함량이 20 wt%로 구성된 경우를 지칭한다. 모든 멤브레인들은 상술한 바와 같은 EC와 EMC가 부피%로 50:50 혼합된 용액에 1 M의 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화되었다.In FIG. 8,% refers to the content ratio of A-LLTO / m-SiO 2 to the total mass of A-LLTO / m-SiO 2 and PVDF-HFP. For example, 0% (ie, 10: 0) refers to the case where the membrane is composed of only PVDF-HFP without A-LLTO / m-SiO 2 and 80% Refers to a case where the content of LLTO / m-SiO 2 is 80 wt% and the content of PVDF-HFP is 20 wt%. All membranes were activated using a liquid electrolyte in which 1 M of LiPF 6 was mixed in a 50:50 mixed volume of EC and EMC as described above.

도 8을 참조하면, 모든 니퀘스트 그래프들은 단일의 부분 아크 형상을 나타내었다. 도 8에 삽입된 그래프에 나타난 바와 같이, 상기 A-LLTO/m-SiO2 의 함량이 0 wt%(즉, 10:0)에서 벌크 저항은 최소 수치를 나타냈다. 상기 A-LLTO/m-SiO2 의 함량이 20 wt%(즉, 8:2) 내지 80 wt%(즉, 2:8) 범위에서는 유사한 범위 내의 수치를 나타냈다. 반면, 상기 A-LLTO/m-SiO2 의 함량이 90 wt%(즉, 1:9)에서는 최대 수치를 나타내었다. 도 8의 결과로부터, 벌크 저항과 두께를 고려하여 산출한 이온 전도도를 하기의 표 1에 나타내었다.Referring to Figure 8, all niequist graphs exhibited a single partial arc shape. As shown in the graph inserted in FIG. 8, the bulk resistance showed a minimum value at the A-LLTO / m-SiO 2 content of 0 wt% (i.e., 10: 0). The values in the range of 20 wt% (i.e., 8: 2) to 80 wt% (i.e., 2: 8) of the A-LLTO / m-SiO 2 were within similar ranges. On the other hand, the maximum value was obtained when the content of A-LLTO / m-SiO 2 was 90 wt% (that is, 1: 9). From the results of Fig. 8, the ion conductivity calculated in consideration of the bulk resistance and the thickness is shown in Table 1 below.

표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 와 PVDF-HFP의 질량비에 따른 특성 변화를 나타내는 표이다.Table 1 is a table showing changes in characteristics of A-LLTO / m-SiO 2 and PVDF-HFP constituting the composite gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.

PVDF-HFP
: A-LLTO/m-SiO2
질량비
PVDF-HFP
: A-LLTO / m 2-SiO
Mass ratio
A-LLTO/m-SiO2의 함량
(wt%)
The content of A-LLTO / m-SiO 2
(wt%)
전해질
두께
(μm)
Electrolyte
thickness
(μm)
벌크 저항
(Ω)
Bulk resistance
(Ω)
이온 전도도
(S cm-1)
Ion conductivity
(S cm -1 )
활성화전 경도
(HD)
Hardness before activation
(H D )
10:010: 0 00 8585 2.732.73 1.56 × 10-3 1.56 x 10 -3 22.622.6 8:28: 2 2020 102102 3.573.57 1.43 × 10-3 1.43 x 10 -3 45.745.7 6:46: 4 4040 9696 3.533.53 1.36 × 10-3 1.36 x 10 -3 56.856.8 4:64: 6 6060 109109 4.224.22 1.29 × 10-3 1.29 x 10 -3 67.867.8 3:73: 7 7070 104104 4.134.13 1.29 × 10-3 1.29 x 10 -3 74.574.5 2:82: 8 8080 9595 3.893.89 1.22 × 10-3 1.22 x 10 -3 78.978.9 1:91: 9 9090 9292 6.676.67 0.69 × 10-3 0.69 x 10 -3 80.180.1

표 1을 참조하면, CGPE 내의 A-LLTO/m-SiO2 함량이 증가됨에 따라 이온 전도도가 감소되는 경향을 나타내었으며, 특히, A-LLTO/m-SiO2 함량이 80 wt%(즉, 2:8)에 도달하기까지는 이온 전도도의 감소가 상대적으로 완만하였으나, A-LLTO/m-SiO2 함량이 80 wt%(즉, 2:8)와 90 wt%(즉, 1:9) 사이에서 이온 전도도가 급격하게 감소되었다.Referring to Table 1, as the A-LLTO / m-SiO 2 content in the CGPE increased showed a tendency that the ion conductivity decreases, in particular, A-LLTO / m-SiO 2 content of 80 wt% (i.e., 2 (Ie, 2: 8) and 90 wt% (ie, 1: 9) of the A-LLTO / m-SiO 2 content was relatively slow, Ionic conductivity was drastically reduced.

2-4. 2-4. CGPECGPE 멤브레인의Membrane 기계적 특성 분석 Mechanical Characterization

상기 CGPE 멤브레인의 기계적 특성을 쇼어 경도계(GS-702N Hardmatic Mitutoyo)를 이용하여 듀러미터 압자(Durometer indenter)의 관통 깊이를 측정하여 쇼어 디 경도(Shore D hardness, HD)를 산출하여 상기 표 1에 나타내었다. 특히, 상기 CGPE 내의 A-LLTO/m-SiO2 와 PVDF-HFP의 질량비를 변화시켜, 기계적 특성에 대한 질량비의 영향을 분석하였다. 상기 기계적 특성은 액상 전해질을 이용한 활성화를 수행하기 전의 멤브레인들에 대하여 수행되었다.The mechanical properties of the CGPE membrane were measured using a Shore hardness meter (GS-702N Hardmatic Mitutoyo) to measure the penetration depth of a durometer indenter to calculate the Shore D hardness (H D ) Respectively. Particularly, the influence of the mass ratio on the mechanical properties was analyzed by changing the mass ratio of A-LLTO / m-SiO 2 and PVDF-HFP in the CGPE. The mechanical properties were performed on membranes prior to performing activation with a liquid electrolyte.

상기 표 1을 참조하면, CGPE 내의 A-LLTO/m-SiO2 함량이 증가됨에 따라 경도가 증가되었으며, A-LLTO/m-SiO2 함량이 80 wt%(즉, 2:8)와 90 wt%(즉, 1:9) 사이에서 경도 증가율은 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.Referring to Table 1, it was that the hardness increases with the A-LLTO / m-SiO 2 content in the CGPE increased, A-LLTO / m-SiO 2 content of 80 wt% (i.e., 2: 8) and 90 wt % (I.e., 1: 9).

2-5. 2-5. CGPE의Of CGPE 충전-방전  Charge-discharge 싸이클Cycle 특성 분석 Character analysis

상기 표 1을 참조하면, CGPE 내의 A-LLTO/m-SiO2 의 함량은, 이온 전도도의 측면에서는 낮을수록 바람직하고, 경도의 측면에서는 높을수록 바람직하다. 따라서, CGPE 내의 A-LLTO/m-SiO2 의 최적 함량을 도출하기 위하여 충전-방전 싸이클 안정성을 시험하였다. 상기 충전-방전 싸이클 안정성 시험을 위하여 A-LLTO/m-SiO2 의 함량을 변화시킨 CGPE를 제조하고, 하기에 설명하는 바와 같이 리튬 폴리머 전지 셀(Li-LiCoO2)을 제조하였다.Referring to Table 1, the content of A-LLTO / m-SiO 2 in CGPE is preferably as low as possible in terms of ionic conductivity, and is preferably as high as possible in terms of hardness. Therefore, the charge-discharge cycle stability was tested to derive the optimum content of A-LLTO / m-SiO 2 in CGPE. For the charge-discharge cycle stability test, CGPE was prepared by varying the content of A-LLTO / m-SiO 2 , and a lithium polymer battery cell (Li-LiCoO 2 ) was prepared as described below.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 와 PVDF-HFP의 질량비에 따른 충전-방전 싸이클 안정성을 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the charge-discharge cycle stability depending on the mass ratio of A-LLTO / m-SiO 2 and PVDF-HFP constituting the composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 충전-방전 싸이클 안정성은 용량 보유도(capacity retention)로 표시된다. 상기 A-LLTO/m-SiO2 이 없는 경우(0 wt%)에 비하여, 상기 A-LLTO/m-SiO2 이 있으면 용량 보유도가 전체 충전-방전 싸이클에 대하여 증가되었다. 특히, 상기 A-LLTO/m-SiO2 의 함량이 80 wt%(즉, 2:8)인 경우에 전체 충전-방전 싸이클에 대하여 용량 보유도가 높게 나타났다. 따라서, 상기 A-LLTO/m-SiO2 의 함량이 80 wt%(즉, 2:8)가 최적 함량임을 추정할 수 있다.Referring to FIG. 9, the charge-discharge cycle stability is indicated by the capacity retention. If the above-LLTO A / m-SiO 2 is not compared with the case (0 wt%), the A-LLTO / m 2 SiO-holding capacity also, the entire charge-discharge has been increased with respect to the cycle. In particular, when the content of A-LLTO / m-SiO 2 was 80 wt% (that is, 2: 8), the capacity retention was higher for the entire charge-discharge cycle. Therefore, it can be estimated that the content of A-LLTO / m-SiO 2 is 80 wt% (i.e., 2: 8).

따라서, 이하에서는 A-LLTO/m-SiO2 의 함량이 80%(즉, 2:8)인 경우를 선택하여 실험한 결과들에 대하여 설명하기로 한다. 하기에 기재된 "CGPE"는 별다른 지칭이 없는 한 PVDF-HFP 및 A-LLTO/m-SiO2 를 질량비로 2:8로 포함하는, 즉 A-LLTO/m-SiO2 의 함량이 80%(즉, 2:8)인 CGPE을 지칭한다.Therefore, the results of experiments in which the content of A-LLTO / m-SiO 2 is 80% (that is, 2: 8) will be described below. &Quot; CGPE "described below includes PVDF-HFP and A-LLTO / m-SiO 2 in a mass ratio of 2: 8, that is, the content of A-LLTO / m-SiO 2 is 80% , 2: 8).

2-6. 2-6. CGPE의Of CGPE 미세구조 분석 Microstructure analysis

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인과 복합 겔 폴리머 전해질의 주사전자현미경 사진들이다.10 is a scanning electron micrograph of a composite gel polymer electrolyte membrane and a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 10에서, (a)는 비교예로서, A-LLTO/m-SiO2 를 포함하지 않고 PVDF-HFP로만 구성된 GPE 멤브레인, (b)는 본 발명의 실시예로서, PVDF-HFP와 A-LLTO/m-SiO2 로 구성된 CGPE 멤브레인, (c)는 비교예로서, (a)의 GPE 멤브레인을 활성화 한 후의 GPE, (d)는 본 발명의 실시예로서, (c)의 CGPE 멤브레인을 활성화 한 후의 CGPE를 나타낸다. 상기 활성화는 상술한 바와 같은 EC와 EMC가 부피%로 50:50 혼합된 용액에 1 M의 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 수행되었다. 참고로, 상기 멤브레인들과 전해질들은 액체 질소로 냉각시키고 스퍼터링을 이용하여 백금으로 표면을 코팅한 후에, 1.3에서 상술한 주사전자현미경을 이용하여 미세 구조를 관찰하였다.In FIG. 10, (a) shows, as a comparative example, a GPE membrane not containing A-LLTO / m-SiO 2 but composed only of PVDF-HFP, (b) showing PVDF-HFP and A- / m-SiO CGPE membrane consisting of 2, (c) is a comparative example, GPE, after activating the GPE membrane of (a) (d) is enabled, the CGPE membrane of, (c) as an embodiment of the present invention Gt; CGPE < / RTI > The activation was carried out using a liquid electrolyte in which 1 M of LiPF 6 was mixed with a solution in which EC and EMC were mixed in a volume ratio of 50:50 as described above. For reference, the membranes and electrolytes were cooled with liquid nitrogen and the surface was coated with platinum using sputtering, and the microstructure was observed using a scanning electron microscope as described above in Section 1.3.

도 10(a)을 참조하면, A-LLTO/m-SiO2 를 포함하지 않고 PVDF-HFP로만 구성된 상기 GPE 멤브레인은 마이크로 미터 크기의 기공과 그보다 작은 중간 크기의 기공이 전체적으로 균일하게 분포된 매우 높은 정도의 다공성 구조를 가진다. 이러한 마이크로 미터 크기의 기공과 중간 크기의 기공은 활성화 공정 및 멤브레인의 겔화 공정에서 액상 전해질을 효과적으로 수용할 수 있다. 액상 전해질에 의하여 활성화한 후에는, 도 10(c)에 나타난 바와 같이, 상기 GPE는 전체적으로 팽창되었고, 기공들은 사라졌으며, 매끈한 표면을 형성하였다. 또한, 도 7의 결과와 일치하게 상기 GPE는 전체적으로 거의 투명하였다. 또한, 표 1에 나타난 바와 같이, 상기 A-LLTO/m-SiO2 를 포함하지 않고 PVDF-HFP로만 구성된 GPE의 이온 전도도는 1.56 × 10-3 S cm- 1으로서, 기존에 알려진 수치와 거의 같거나 약간 높게 나타났다.Referring to FIG. 10 (a), the GPE membrane, which is composed of only PVDF-HFP without A-LLTO / m-SiO 2 , has micrometer-sized pores and mesopores smaller in size, Porous structure. These micrometer-sized pores and medium-sized pores can effectively accommodate the liquid electrolyte in the activation process and in the gelling process of the membrane. After activation by the liquid electrolyte, as shown in Fig. 10 (c), the GPE was swollen as a whole, pores disappeared, and a smooth surface was formed. Also, consistent with the results of Figure 7, the GPE was almost transparent overall. Further, as shown in Table 1, the A-LLTO / m SiO-2, not including the ionic conductivity of the GPE consists only of PVDF-HFP is 1.56 × 10 -3 S cm - a first, substantially equal to the known value Or slightly higher.

반면, 도 10(b)를 참조하면, PVDF-HFP와 A-LLTO/m-SiO2 로 구성된 CGPE 멤브레인은 상대적으로 더 거친 표면을 가지며, PVDF-HFP 기재 내에 A-LLTO/m-SiO2 입자들이 균일하게 분포된 것이 확인되었다. 도 10(a)에서 관찰된 마이크로 미터 크기의 기공들은 거의 나타나지 않았으며, 이는 상기 CGPE 내에서, A-LLTO/m-SiO2 입자들과 PVDF-HFP 기재 사이에 강한 접착력이 작용하여 마이크로 미터 크기의 기공을 제거한 것으로 분석된다. 액상 전해질에 의하여 활성화한 후에는, 도 10(c)와 유사한 미세조직을 나타내었고, 구체적으로 도 10(d)에 나타난 바와 같이, 상기 CGPE는 전체적으로 팽창되었고, 기공들은 사라졌으며, 매끈한 표면을 형성하였다.10 (b), a CGPE membrane composed of PVDF-HFP and A-LLTO / m-SiO 2 has a relatively rough surface, and the A-LLTO / m-SiO 2 particles Were uniformly distributed. The micrometer-sized pores observed in Fig. 10 (a) were scarcely shown because of the strong adhesion between the A-LLTO / m-SiO 2 particles and the PVDF-HFP substrate in the CGPE, Of the pores in the sample. After activation by the liquid electrolyte, it showed a microstructure similar to that of Fig. 10 (c). Specifically, as shown in Fig. 10 (d), the CGPE expanded as a whole, pores disappeared, Respectively.

2-7. 2-7. CGPECGPE 멤브레인의Membrane X-선 패턴 분석 X-ray pattern analysis

CGPE 멤브레인의 결정 구조를 1.2에서 설명한 X-선 회절분석기를 통하여 분석하였다. 또한, 비교를 위하여 A-LLTO/m-SiO2 를 포함하지 않고 PVDF-HFP로만 구성된 GPE 멤브레인과 A-LLTO/m-SiO2 입자도 분석하였다.The crystal structure of the CGPE membrane was analyzed by X-ray diffractometer described in 1.2. Further, comparing the GPE membrane and A-LLTO / m 2 SiO-particles and does not include the A-LLTO / m SiO-2 consists only of PVDF-HFP were also analyzed.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인의 X-선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다. 11 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a composite gel polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 상기 CGPE 멤브레인은 A-LLTO/m-SiO2 입자에 의하여 발생하는 피크들과 동일한 위치에 피크들을 나타내었고, 피크의 크기는 감소되었다. 이는 상기 CGPE 멤브레인 내에 PVDF-HFP 기재가 존재하기 때문으로 분석된다. 상기 CGPE 멤브레인은 GPE 멤브레인에서 PVDF-HFP에 의하여 발생하는 20.4° 에서의 피크가 나타나지 않았으며, 그 이유는 상기 A-LLTO/m-SiO2 입자들이 폴리머의 결정성을 감소시켰기 때문으로 분석된다. 따라서, 상기 CGPE 멤브레인은 상기 GPE 멤브레인에 비하여 비정질 영역을 더 많이 포함함을 알 수 있고, 이에 따라 액상 전해질의 흡수 및 리튬 이온의 전달을 더 용이하게 할 수 있다. 결과적으로, 액상 전해질에 의하여 CGPE 멤브레인이 활성화되면, 상기 CGPE의 액상 전해질의 보유력과 이온 전도성이 GPE에 비하여 개선될 것으로 예상된다.Referring to FIG. 11, the CGPE membrane showed peaks at the same positions as those generated by the A-LLTO / m-SiO 2 particles, and the peak size was decreased. This is analyzed because of the presence of PVDF-HFP substrate in the CGPE membrane. The CGPE membrane did not show a peak at 20.4 ° generated by PVDF-HFP in the GPE membrane because the A-LLTO / m-SiO 2 particles reduced the crystallinity of the polymer. Therefore, it can be seen that the CGPE membrane contains more amorphous regions than the GPE membrane, and thus the absorption of the liquid electrolyte and the transmission of lithium ions can be facilitated. As a result, when the CGPE membrane is activated by the liquid electrolyte, the retention of the liquid electrolyte of the CGPE and the ion conductivity are expected to be improved as compared with the GPE.

흥미로운 것은, 표 1을 참조하면, GPE(질량비 10:0의 경우임)의 이온 전도성은 1.56 x 10-3 S cm- 1 이고, 모든 CGPE는 이 보다 낮은 수치를 나타내고 있으며, 특히 질량비 2:8의 경우는 1.22 x 10-3 S cm- 1 로 낮게 나타났다. 그러나, 본 발명자들이 기존에 발표한 연구에 따르면, A-LLTO/m-SiO2 입자의 A-LLTO의 내부 이온 전도성은 2.99 x 10-3 S cm- 1 로 매우 높게 보고되었다. 그러나, 외측 m-SiO2 쉘이 존재하는 A-LLTO/m-SiO2의 이온 전도성은, 하기의 도 12의 결과와 같이, 1.05 x 10-4 S cm-1 로 감소된다.When Interestingly, see Table 1, GPE (mass ratio 10: In the case of zero), the ion conductivity of 1.56 x 10 -3 S cm-1, and are all CGPE indicates the lower levels, particularly the mass ratio 2:08 Of 1.22 x 10 -3 S cm - 1 in the case of. However, the present inventors, according to a study published in the conventional, A-LLTO / m SiO-ion conductivity inside the A-LLTO 2 particles is 2.99 x 10 -3 S cm - reported very high to 1. The However, the ionic conductivity of A-LLTO / m-SiO 2 in which the outer m-SiO 2 shell is present is reduced to 1.05 x 10 -4 S cm -1 as shown in Fig. 12 below.

2-8. 2-8. CGPECGPE 멤브레인의Membrane A- A- LLTOLLTO /m-/ m- SiOSiO 22 의 전기화학적 특성 분석 Electrochemical characterization of

이하에서는, A-LLTO/m-SiO2 의 이온 전도성에 대한 m-SiO2 의 영향에 대하여 설명하기로 한다. 이를 위하여, A-LLTO/m-SiO2 분말을 펠렛으로 형성하고, 상기 펠렛을 동일한 조성의 A-LLTO/m-SiO2 분말 내에 삽입한 후에, 약 1350 ℃에서 약 6시간 동안 소결하였다. 상기 소결된 펠렛의 표면을 사포를 이용하여 연마하였다. 상기 펠렛은 6 mm의 직경과 0.8 mm의 두께를 가졌다. 상기 펠렛의 양 표면을 백금으로 코팅하고, 은 글루를 도포하고, 약 500 ℃에서 약 1 시간 동안 열처리하였다. 이어서, 리튬 이온 전기 전도도를 상기 2.3의 임피던스 측정 장치를 이용하여 25 ℃에서 측정하였다. Hereinafter, a description of the effect of m-SiO 2 for the ion conductivity of the A-LLTO / SiO 2-m. To this end, the A-LLTO / m-SiO 2 powder was formed into pellets and the pellets were inserted into A-LLTO / m-SiO 2 powder of the same composition and then sintered at about 1350 ° C for about 6 hours. The surface of the sintered pellet was polished using sandpaper. The pellets had a diameter of 6 mm and a thickness of 0.8 mm. Both surfaces of the pellet were coated with platinum, silver glue was applied, and heat treatment was performed at about 500 캜 for about 1 hour. Then, the lithium ion electric conductivity was measured at 25 DEG C using the impedance measurement apparatus of 2.3 above.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 구성하는 A-LLTO/m-SiO2 의 전기화학적 특성을 나타내는 그래프이다. 도 12에는, 측정된 A-LLTO/m-SiO2 의 니퀘스트 그래프와 이에 해당되는 등가회로가 나타나 있다. 12 is a graph showing electrochemical characteristics of A-LLTO / m-SiO 2 constituting a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention. In Fig. 12, there is shown a niequest graph of the measured A-LLTO / m-SiO 2 and an equivalent circuit corresponding thereto.

도 12를 참조하면, 고주파수 영역에서 이온 전도도에 해당되는 하나의 원호가 관찰되고, 저주파수 영역에서 백금 전극의 차단 효과에 해당되는 스파이크(spike)가 관찰되었다. 이러한 니퀘스트 그래프를 기반하여 등가회로를 구성하였다. 상기 등가회로에서, 저항 Rb는 결정립 요소, 저항 Rgb 과 정위상 요소(constant phase element) CPEgb는 결정립계 요소, 및 정위상 요소 CPEe는 전극 분극 요소를 나타낼 수 있다. 이러한 니퀘스트 그래프와 등가 회로에 대하여 시뮬레이션과 핏팅을 수행하여, 결정립 전도도와 결정립계 전도도를 산출하였다.12, one arc corresponding to the ion conductivity was observed in the high frequency region, and a spike corresponding to the blocking effect of the platinum electrode in the low frequency region was observed. Based on these niequist graphs, an equivalent circuit was constructed. In the equivalent circuit, the resistor R b may represent a crystal element, the resistor R gb , a constant phase element CPE gb may represent a grain boundary element, and the positive phase element CPE e may represent an electrode polarization element. Simulation and fitting were carried out for these Nyquist graphs and equivalent circuits to calculate grain and grain boundary conductivities.

상기 A-LLTO/m-SiO2 의 결정립 전도도는 1.29 x 10-3 S cm- 1 로 계산되었고, 결정립계 전도도는 1.14 x 10-4 S cm- 1 로 계산되었다. 이에 따라, 전체 이온 전도도는 1.05 x 10-4 S cm- 1 로 계산되었다. 반면, m-SiO2 이 없는 A-LLTO는 결정립 전도도 2.99 x 10-3 S cm-1, 결정립계 전도도 3.55 x 10-4 S cm-1, 전체 이온 전도도는 3.17 x 10-4 S cm- 1 로 알려져 있다. 따라서, 상기 m-SiO2 이 없는 A-LLTO에 비하여 상기 A-LLTO/m-SiO2 는 상대적으로 작은 이온 전도도를 가지며, 이는 m-SiO2 의 전도도 차단 효과에 기인하는 것으로 분석된다.Grain conductivity of the A-LLTO /-m SiO 2 is 1.29 x 10 -3 S cm - was calculated to be 1, the grain boundary conductivity of 1.14 x 10 -4 S cm - was calculated to be 1. Accordingly, the total ionic conductivity of 1.05 x 10 -4 S cm - was calculated to be 1. On the other hand, A-LLTO the grain conductivity without m-SiO 2 2.99 x 10 -3 S cm -1, the grain boundary conductivity of 3.55 x 10 -4 S cm -1, the total ionic conductivity of 3.17 x 10 -4 S cm - 1 It is known. Thus, the m-SiO 2 yi-A-LLTO LLTO the A / m-SiO 2 as compared to not having a relatively low ionic conductivity, which is analyzed to be due to the blocking effect of the conductivity-m SiO 2.

따라서, 상기 CGPE에서, 비정질 영역이 증가됨에 따라 이루어지는 이온 전도도의 증가 경향은, 전기 저항성을 가지는 m-SiO2 의 존재에 의하여 반대로 감소될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 CGPE의 이온 전도성은 GPE 의 이온 전도성에 비견될 수 있다.Therefore, in the above CGPE, an increase tendency of ionic conductivity as the amorphous region is increased can be reduced by the presence of m-SiO 2 having electrical resistance. Nevertheless, the ionic conductivity of the CGPE can be compared to the ionic conductivity of the GPE.

3. 3. CGPE의Of CGPE 리튬 금속 전극에의 적용 가능성 분석 Applicability Analysis to Lithium Metal Electrodes

3-1. 3-1. CGPE을CGPE 포함하는 대칭형  Symmetric inclusion 리튬 이온 폴리머Lithium ion polymer 전지 셀의 제조 Manufacture of battery cell

이어서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 CGPE(질량비 2:8)를 리튬 금속들 사이에 개재시켜 Li/CGPE/Li 의 구조를 가지는 대칭형 리튬 이온 폴리머 전지 셀을 제조하였다.Then, CGPE (mass ratio 2: 8) according to the technical idea of the present invention was interposed between lithium metals to produce a symmetric lithium ion polymer battery cell having a Li / CGPE / Li structure.

비교예로서, GPE 멤브레인 및 유리 미세섬유(glass microfiber, Whatman, GF/F, 150)를 각각 상기 CGPE와 동일한 액상 전해질인 EC와 EMC가 부피%로 50:50 혼합된 용액에 1 M의 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질 내에 침지시켜 GPE와 유리 미세섬유 전해질을 각각 형성하고, 이들을 이용하여 Li/GPE/Li 구조를 가지는 대칭형 리튬 이온 전지 셀과 Li/유리 미세섬유 전해질/Li 의 구조를 가지는 대칭형 리튬 이온 전지 셀을 각각 제조하였다.As a comparative example, a mixture of a GPE membrane and glass microfiber (Whatman, GF / F, 150) in a volume ratio of 50:50 in EC and EMC, which is the same liquid electrolyte as CGPE, was mixed with 1 M of LiPF 6 GPE and a glass microfibre electrolyte were respectively formed. Using these, a symmetrical lithium ion battery cell having a Li / GPE / Li structure and a symmetrical lithium battery having a Li / glass microfine electrolyte / Li structure Ion battery cells were prepared.

3-2. 3-2. CGPE을CGPE 포함하는 대칭형  Symmetric inclusion 리튬 이온 폴리머Lithium ion polymer 전지 셀의 충전-방전  Charge-discharge of the battery cell 싸이클Cycle 특성 분석 Character analysis

리튬 금속 전극에의 상기 CGPE의 적용 가능성을 확인하기 위하여, 충전-방전 싸이클 시험을 수행하였다. 상술한 대칭형 리튬 이온 전지 셀에 정전류 방식(galvanostatically)으로 0.48 mA cm- 2 의 전류 밀도로서 인가하여 충전-방전 싸이클을 구현하였고, 충전-방전 지속 시간은 각각 약 2 시간이었고, 0.5 C의 비율로 수행하였다.To confirm the applicability of the CGPE to the lithium metal electrode, a charge-discharge cycle test was performed. The above-described symmetrical lithium ion battery cells 0.48 mA cm in constant current mode (galvanostatically) - applying a current density of 2 to charge - we implemented the discharge cycle, the charge - was the discharge duration is approximately 2 hours, respectively, at a rate of 0.5 C Respectively.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질의 정전류 싸이클 특성을 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing a constant current cycle characteristic of a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 13을 참조하면, 상기 CGPE는 초기의 수 번의 싸이클에서 과전위를 나타내었다. 그러나, 싸이클이 반복되어 진행됨에 따라, 상기 과전위는 점차적으로 사라지고 안정화되었다. 이러한 과전위는 초기의 수 번의 충전-방전 싸이클 동안 전극들의 표면이 활성화되는 과정으로 분석된다.Referring to FIG. 13, the CGPE exhibited overvoltage in the initial several cycles. However, as cycles repeatedly progressed, the overvoltage gradually disappeared and stabilized. This overvoltage is analyzed as the process of activating the surfaces of the electrodes during the initial several charge-discharge cycles.

충전-방전 싸이클이 진행되면서, 비교예인 상기 유리 미세섬유(Glass fiber)는 1093.8 시간 이후에서 이상 동작 거동(fail)을 나타내었고, 다른 비교예인 상기 GPE는 1193.9 시간 이후에서 이상 동작 거동을 나타내었다. 이러한 이상 동작 거동으로부터, 상기 유리 미세섬유와 상기 GPE의 경우는 충전-방전 싸이클 동안 리튬 수지상정의 성장을 효과적으로 억제하지 못하고, 또한 리튬 금속과 전해질 사이의 원하지 않는 반응을 효과적으로 억제하지 못하는 것으로 분석된다.As the charge-discharge cycle progressed, the glass fiber of the comparative example exhibited abnormal operation behavior after 1093.8 hours, and the GPE of the comparative example exhibited abnormal operation behavior after 1193.9 hours. From the abnormal behavior, it is analyzed that the glass microfibers and the GPE can not effectively suppress the growth of the lithium resin phase during the charge-discharge cycle and can not effectively suppress the undesired reaction between the lithium metal and the electrolyte.

반면, 상기 CGPE는 다른 비교예들에 비하여 거의 두 배의 시간에 해당되는 1921.8 시간까지 이상 동작 거동을 나타내지 않는다. 이러한 결과를 통하여 상기 CGPE가 리튬 금속 전극에 대하여 매우 안정적임을 의미하며, 상기 CGPE가 리튬 수지상정의 성장을 및 리튬 금속과 전해질 사이의 원하지 않는 반응을 효과적으로 억제하는 것으로 분석된다. 이러한 결과는 하기의 도 14의 전기 화학적 특성 결과와 일치한다.On the other hand, the CGPE exhibits no abnormal operation behavior up to 1921.8 hours, corresponding to almost twice the time of other comparative examples. These results indicate that the CGPE is very stable with respect to the lithium metal electrode and that the CGPE effectively inhibits the lithium metal phase growth and the undesired reaction between the lithium metal and the electrolyte. These results are consistent with the results of the electrochemical characteristics of FIG. 14 below.

3-3. 3-3. CGPE을CGPE 포함하는 대칭형  Symmetric inclusion 리튬 이온 폴리머Lithium ion polymer 전지 셀의 전기 화학적 특성 분석 Electrochemical Characterization of Battery Cell

CGPE을 포함하는 대칭형 리튬 이온 폴리머 전지 셀에 대하여 전기화학적 특성을 2.3과 동일한 방식으로 전기화학적 임피던스 스펙트로스코피를 측정하여 분석하였다.The electrochemical characteristics of a symmetric lithium ion polymer battery cell containing CGPE were measured and analyzed by electrochemical impedance spectroscopy in the same manner as in 2.3.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질의 시간에 따른 전기화학적 특성 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 14 is a graph showing electrochemical characteristics of a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention over time. FIG.

도 14에서, (a)는 비교예인 GPE의 경우이고, (b)는 CGPE의 경우이다. 또한, 상기 대칭형 리튬 이온 폴리머 전지 셀에 대하여 0.5 mA cm-2의 전류 밀도를 계속하여 인가하여 시간에 따른 변화를 상온에서 측정하였다.In Fig. 14, (a) shows the case of the comparative example, GPE, and (b) shows the case of CGPE. Further, current density of 0.5 mA cm -2 was continuously applied to the symmetric lithium ion polymer battery cell, and the change with time was measured at room temperature.

도 14를 참조하면, 상기 GPE는 시간이 지남에 따라 임피던스 값이 증가되는 변화를 보이는 반면, 상기 CGPE는 시간이 지나도 임피던스 값의 변화가 상대적으로 매우 작게 나타났다. 따라서, 상기 CGPE가 리튬 금속에 대하여 더 안정적임을 의미하고, 상기 CGPE가 상기 GPE에 비하여 리튬 수지상정의 성장을 및 리튬 금속과 전해질 사이의 원하지 않는 반응을 효과적으로 억제하는 것으로 분석된다.Referring to FIG. 14, the GPE shows an increase in impedance value with time, whereas the CGPE has a relatively small change in impedance value over time. Thus, it is analyzed that the CGPE is more stable to the lithium metal, and that the CGPE effectively inhibits lithium resin phase growth and the undesired reaction between the lithium metal and the electrolyte relative to the GPE.

3-4. 3-4. CGPE을CGPE 포함하는 대칭형  Symmetric inclusion 리튬 이온 폴리머Lithium ion polymer 전지 셀의 미세구조 분석 Microstructure analysis of battery cell

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질의 시간에 따른 미세조직 변화를 나타내는 광학현미경 사진들이다.15 is optical micrographs showing microstructural changes over time of the composite gel polymer electrolyte according to one embodiment of the present invention.

도 15에서, (a)는 비교예인 GPE의 경우이고, (b)는 CGPE의 경우이다. 또한, 상기 대칭형 리튬 이온 폴리머 전지 셀에 대하여 0.5 mA cm-2의 전류 밀도를 계속하여 인가하여 시간에 따른 변화를 상온에서 광학 현미경(Leica ICC50 HD)을 이용하여 관찰하였다.In Fig. 15, (a) shows the case of GPE and (b) shows the case of CGPE. Further, current density of 0.5 mA cm -2 was continuously applied to the symmetrical lithium ion polymer battery cell, and the change with time was observed using an optical microscope (Leica ICC50 HD) at room temperature.

도 15(a)를 참조하면, 상기 GPE의 경우는, 리튬 수지상정들의 성장이 시간이 지남에 따라 두드러지게 나타났다. 상기 GPE의 경우에는, 전지 셀을 조립한 즉시, 리튬 전극의 표면상에 불균일한 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface, SEI) 층이 형성되는 것이 확인되었다. 충전 동안에는, 상기 SEI 층의 얇은 부분이나 결함이 있는 부분에 리튬 농도가 높아져 리튬 이온 유동이 강하게 발생하게 되고, 이에 따라 리튬 수지상정들의 성장이 촉진되는 것으로 분석된다. 예를 들어, 도 17(a)에서 화살표로 표시된 지점에서 리튬 수지상정들의 성장이 시작되고, 확장된다. 약 14 시간 후에는, 리튬 수지상정은 약 0.2 mm 의 길이로 성장한 것이 관찰되었으며, 약 80 시간 후에는 리튬 수지상정들이 표면 전체에 걸쳐서 확장된 것이 관찰되었다.Referring to FIG. 15 (a), in the case of the GPE, the growth of the lithium resin particles prominently increased with time. In the case of the GPE, it was confirmed that, immediately after assembling the battery cell, a non-uniform solid electrolyte interface (SEI) layer was formed on the surface of the lithium electrode. During charging, the lithium concentration in the thin or defective portion of the SEI layer is increased, resulting in strong lithium ion flow, and thus, the growth of the lithium resin particles is promoted. For example, at the point indicated by the arrow in Fig. 17 (a), the growth of the lithium resin assumptions begins and expands. After about 14 hours, the lithium resin was observed to have grown to a length of about 0.2 mm, and after about 80 hours it was observed that the lithium resin particles expanded across the surface.

반면, 도 15(b)를 참조하면, 상기 CGPE의 경우는, 상기 GPE의 경우에서 14 시간 후에 관찰된 것과 유사하게, 0.2 mm 의 길이의 수지 상정이 약 40 시간이 지나서야 관찰되었다. 또한, 상기 GPE의 경우에서 80 시간 후에 관찰된 것과 유사하게, 리튬 수지상정들이 표면 전체에 걸쳐서 확장되는 것이 210 시간이 지나서야 후에 관찰되었다.On the other hand, referring to Fig. 15 (b), in the case of the CGPE, similar to that observed after 14 hours in the case of the GPE, a resin of 0.2 mm in length was observed after about 40 hours. In addition, similar to that observed after 80 hours in the case of the GPE, it was observed after 210 hours that the lithium resin assumptions extended throughout the surface.

따라서, 상기 CGPE는 상기 GPE에 비하여 리튬 수지상정들의 성장을 억제하는 능력이 있는 것으로 분석된다. 상기 CGPE 내에 마이크로 크기의 A-LLTO/m-SiO2 입자들이 존재함에 따라, 겔 폴리머의 경도가 증가되고 따라서, 리튬 수지상정의 성장이 효과적으로 억제되는 것으로 분석된다.Thus, the CGPE is analyzed to have the ability to inhibit the growth of lithium resin complexes relative to the GPE. It is analyzed that the presence of micro-sized A-LLTO / m-SiO 2 particles in the CGPE increases the hardness of the gel polymer and thus effectively inhibits lithium-based positive growth.

3-5. 3-5. CGPE을CGPE 포함하는  Included 리튬 이온 폴리머Lithium ion polymer 전지 셀의 전기 화학적 안정범위 분석 Analysis of electrochemical stability range of battery cell

도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질의 전기 화학적 안정 범위를 나타내는 그래프이다.16 is a graph showing an electrochemical stability range of a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 16에서, 리튬 이온 폴리머 전지 셀은 스테인레스스틸/CGPE/Li의 구조를 가지며, CGPE는 EC와 EMC가 부피%로 50:50 혼합된 용액에 1 M의 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화 되거나, 또는 TEGDME 용액에 1 M의 LITFSI을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화되었다.16, a lithium ion polymer battery cell has a structure of stainless steel / CGPE / Li, and a CGPE is a liquid electrolyte in which 1 M of LiPF 6 is mixed in a 50:50 volume ratio mixture of EC and EMC Or activated with a liquid electrolyte mixed with 1 M of LITFSI in TEGDME solution.

도 16을 참조하면, 전위(cell potential) 축(x-축)과 고전위에서의 그래프의 연장선과의 교차점을 최대 값으로 하여 상기 최대값까지를 안정 범위로 설정하였다. 상기 두 가지 액상 전해질을 사용한 경우 모두 안정 범위가 5 V 이하로 나타났다. 상기 이러한 안정 범위에서는 구성 성분이 분해되지 않는 것으로 분석된다. 따라서, 이하에서는 전지 안정성 측정에 대하여 5V 이하의 전압을 적용하였다.Referring to FIG. 16, the intersection point of the cell potential axis (x-axis) and the extension line of the graph on the high potential is set as the maximum value, and the range up to the maximum value is set as the stable range. In the case of using the two liquid electrolytes, the stability range was 5 V or less. In such a stable range, it is analyzed that the components are not decomposed. Therefore, in the following, a voltage of 5 V or less was applied to the cell stability measurement.

4. 4. CGPE을CGPE 포함하는  Included 리튬 이온 폴리머Lithium ion polymer 전지 셀의 특성 분석 Characteristic analysis of battery cell

4-1. 4-1. CGPE을CGPE 포함하는  Included 리튬 이온 폴리머Lithium ion polymer 전지 셀의 제조 Manufacture of battery cell

CGPE를 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 셀을 제조하기 위하여, 하기와 같은 방법으로 LiCoO2 캐소드를 형성하였다. 엔-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP) 용매에 상업적으로 취득 가능한 LiCoO2 (Sigma Aldrich 99.8%), 슈퍼 피 탄소(Super P Carbon) 및 폴리비닐리덴 플로라이드 (PVFF)를 8:1:1로 혼합하여 슬러리를 형성하였다. 상기 슬러리를 알루미늄 호일 상에 도포한 후 진공 상태의 오븐에서 약 120 ℃로 약 12 시간 동안 건조시켜 LiCoO2 캐소드를 형성하였다. 상기 캐소드의 무게 하중은 8 mg cm- 2 로 제어되었다.In order to prepare a lithium ion polymer battery cell including CGPE, a LiCoO 2 cathode was formed in the following manner. Commercially available LiCoO 2 (Sigma Aldrich 99.8%), Super P Carbon and polyvinylidene fluoride (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP) PVFF) were mixed at 8: 1: 1 to form a slurry. After coating the slurry on an aluminum foil and dried in a vacuum oven at about 120 ℃ for about 12 hours to form a LiCoO 2 cathode. The weight load of the cathode was controlled to 8 mg cm <& quot ; 2 & gt ;.

이어서, 리튬 금속 애노드, 본 발명의 기술적 사상에 따른 CGPE(질량비 2:8), 상기 LiCoO2 캐소드를 조립하여, Li/CGPE/LiCoO2 의 구조를 가지는 리튬 이온 폴리머 전지 셀을 제조하였다.Next, a lithium metal anode, a CGPE (mass ratio 2: 8) according to the technical idea of the present invention, and the LiCoO 2 cathode were assembled to prepare a lithium ion polymer battery cell having a Li / CGPE / LiCoO 2 structure.

비교예로서, GPE 멤브레인 및 유리 미세섬유(glass microfiber, Whatman, GF/F, 150)를 각각 상기 CGPE와 동일한 액상 전해질인 EC와 EMC가 부피%로 50:50 혼합된 용액에 1 M의 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질 내에 침지시켜 GPE와 유리 미세섬유 전해질을 각각 형성하고, 이들을 이용하여 Li/GPE/LiCoO2 구조를 가지는 리튬 이온 전지 셀과 Li/유리 미세섬유 전해질/LiCoO2 의 구조를 가지는 리튬 이온 전지 셀을 각각 제조하였다.As a comparative example, a mixture of a GPE membrane and glass microfiber (Whatman, GF / F, 150) in a volume ratio of 50:50 in EC and EMC, which is the same liquid electrolyte as CGPE, was mixed with 1 M of LiPF 6 GPE and glass microfibre electrolytes were formed by immersing them in a mixed liquid electrolyte. Using these, a lithium ion battery cell having a Li / GPE / LiCoO 2 structure and a lithium ion battery cell having a Li / glass microfine electrolyte / LiCoO 2 structure Ion battery cells were prepared.

4-2. 4-2. CGPE을CGPE 포함하는  Included 리튬 이온 폴리머Lithium ion polymer 전지 셀의 충전-방전  Charge-discharge of the battery cell 싸이클Cycle 특성 분석 Character analysis

상기 3-5에서 분석한 바와 같이, 리튬 이온 폴리머 전지 셀에서 CGPE을 사용하는 경우 도 18의 결과에서 전기화학적 안정 범위가 5V임을 밝혀냈으며, 따라서 4.5V 까지 동작이 가능한 것으로 예상된다. 리튬 금속 애노드를 가지는 리튬 이온 폴리머 전지 셀에 대하여, 방전 속도에 비하여 매우 낮은 충전 속도로 충전하는 경우가 있으며, 이는 충전-방전 싸이클에 따른 리튬 수지상정의 성장을 억제하거나 최소화하기 위함이다. 예를 들어, 방전 속도에 대하여 충전 속도가 약 1/5 수준일 수 있다.As analyzed in the above 3-5, it was found out that the electrochemical stability range was 5V in the case of using CGPE in the lithium ion polymer battery cell, and therefore it is expected that the operation is possible up to 4.5V. A lithium ion polymer battery cell having a lithium metal anode may be charged at a charging rate that is very lower than the discharging rate in order to suppress or minimize the lithium resin phase growth due to the charge-discharge cycle. For example, the charge rate may be about one fifth of the discharge rate.

본 발명에서는, 전지 셀의 싸이클 특성의 개선을 위한 상기 CGPE의 리튬 수지상정의 성장 억제력을 검토하였다. 따라서, 상술한 Li/GPE/LiCoO2 구조를 가지는 리튬 이온 폴리머 전지 셀을 3.5V 내지 4.2 V 범위의 전지 셀 전위에서 0.5C 의 동일한 충전 속도 및 방전 속도로서 500 충전-방전 싸이클 동안 정전기적으로 충전-방전 싸이클 시험을 수행하였다. 비교예로서, EC와 EMC가 부피%로 50:50 혼합된 용액에 1 M의 LiPF6 을 혼합한 용액을 액상 전해질로서 포함하는 유리 미세섬유가 전해질로 구성된 전지와 EC와 EMC가 부피%로 50:50 혼합된 용액에 1 M의 LiPF6 을 혼합한 용액을 액상 전해질로서 포함하는 GPE가 전해질로 구성된 전지에 대하여도 충전-방전 싸이클 시험을 수행하였다. In the present invention, the lithium resin phase positive growth inhibiting ability of the CGPE for improving the cycle characteristics of the battery cell was examined. Thus, a lithium ion polymer battery cell having the above-described Li / GPE / LiCoO 2 structure was charged at an equal charging rate and discharging rate of 0.5 C at a battery cell potential in the range of 3.5 V to 4.2 V, 500 charge- - discharge cycle test was carried out. As a comparative example, a battery in which glass microfibers containing a solution in which 1 M of LiPF 6 was mixed as a liquid electrolyte in a solution in which EC and EMC were mixed in a volume ratio of 50:50, and a cell composed of an electrolyte and EC and EMC in a volume of 50% : 50 A charge-discharge cycle test was also performed on a cell composed of a GPE electrolyte containing a solution of 1 M of LiPF 6 in a mixed solution as a liquid electrolyte.

도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 셀의 충전-방전 싸이클에 따른 비용량 변화를 나타내는 그래프이다.17 is a graph showing a change in capacitance of a lithium ion polymer battery cell including a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention in accordance with a charge-discharge cycle.

도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 셀의 충전-방전 싸이클에 따른 쿨롱 효율 및 전지 셀 전위를 나타내는 그래프이다.18 is a graph showing the coulomb efficiency and the cell cell potential according to the charge-discharge cycle of the lithium ion polymer battery cell including the composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 17 및 도 18에서, 0.5 C의 충전-방전 속도에서 500회 충전-방전 싸이클을 수행하였다. 도 18에서, (a)는 CGPE의 경우이고, (b)는 비교예인 GPE의 경우이고, (C)는 비교예인 유리 미세섬유의 경우이다. In Figures 17 and 18, 500 charge-discharge cycles were performed at a charge-discharge rate of 0.5C. In FIG. 18, (a) shows the case of CGPE, (b) shows the case of GPE, which is a comparative example, and (C) shows the case of glass microfibers, which are comparative examples.

도 17 및 도 18을 참조하면, 초기의 충전-방전 싸이클에서 상기 CGPE의 비용량은 153 mAh g-1, 상기 GPE의 비용량은 157 mAh g-1, 및 상기 유리 미세섬유의 비용량은 166 mAh g-1 으로 나타났다. 따라서, 초기의 충전-방전 싸이클에서는 상기 CGPE의 비용량이 상기 GPE의 비용량 및 상기 유리 미세섬유의 비용량에 비하여 작게 나타났다.17 and 18, in the initial charge-discharge cycle, the specific capacity of the CGPE is 153 mAh g -1 , the specific capacity of the GPE is 157 mAh g -1 , and the specific capacity of the glass microfibers is 166 mAh g -1 . Therefore, in the initial charge-discharge cycle, the cost amount of the CGPE was smaller than the specific capacity of the GPE and the specific capacity of the glass microfibers.

그러나, 12회의 충전-방전 싸이클을 수행한 후에는 CGPE의 비용량이 증가되어 165 mAh의 최대 수치를 가진다. 이러한 결과는 최초 12회의 충전-방전 싸이클에서 전지의 활성화가 진행되었기 때문으로 분석되고, 이는 대칭형 리튬 이온 폴리머 전지 셀을 이용하여 얻은 도 13의 결과와 일치한다. 초기 100회까지의 충전-방전 싸이클에서는 상기 CGPE, 상기 GPE, 및 상기 유리 미세섬유의 경우 모두 유사한 거동 및 수치를 나타낸다. 그러나, 100회의 충전-방전 싸이클을 수행한 후에는, 상기 GPE와 상기 유리 미세섬유는 비용량의 저하가 두드러지게 나타나며, 이는 하기의 도 19(b)에 도시된 바와 같이 임피던스의 증가에 따른 것으로 분석된다.However, after performing 12 charge-discharge cycles, the cost of CGPE is increased to a maximum value of 165 mAh. This result is analyzed because the activation of the cell has progressed in the first 12 charge-discharge cycles, which is consistent with the result of FIG. 13 obtained using the symmetric lithium ion polymer battery cell. In the charge-discharge cycles up to the first 100 cycles, the CGPE, the GPE, and the glass microfibers exhibit similar behavior and numerical values. However, after performing 100 charge-discharge cycles, the GPE and the glass microfibers show a marked decrease in the non-capacity, which is due to an increase in impedance as shown in Fig. 19 (b) Is analyzed.

반면, 500 회의 충전-방전 싸이클 후에, 상기 CGPE는 초기 비용량에 비하여 80.5%를 나타내었고, 99.2% 이상의 쿨롱 효율을 나타내었다. 그러나, 비교예들인 GPE 및 유리 미세섬유의 경우는, 상당한 비용량의 감소가 나타났다. 상기 GPE는, 500 회의 충전-방전 싸이클 후에, 초기 비용량에 비하여 47.7%를 나타내고, 쿨롱 효과는 98.1%를 나타내었다. 상기 유리 미세섬유는, 500 회의 충전-방전 싸이클 후에, 초기 비용량에 비하여 32.6%를 나타내었고, 쿨롱 효과는 96%를 나타내었다. 상기 유리 미세섬유는 변동 진폭이 상대적으로 가장 크게 나타났다.On the other hand, after 500 charge-discharge cycles, the CGPE exhibited 80.5% of the initial specific capacity and showed a coulombic efficiency of 99.2% or more. However, in the case of the comparative examples of GPE and glass microfibers, a significant non-dose reduction appeared. The GPE showed 47.7% of the initial specific capacity after 500 charge-discharge cycles and 98.1% of the Coulomb effect. The glass microfibers exhibited 32.6% of the initial specific capacity after 500 charge-discharge cycles and 96% of the Coulomb effect. The glass microfibers exhibited the largest variation amplitude.

도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 셀의 전기화학적 특성을 나타내는 그래프들 및 이에 대한 모델을 도시한다.19 is a graph illustrating electrochemical characteristics of a lithium ion polymer battery cell including a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention and a model therefor.

도 19에서, (a)는 충전-방전 싸이클을 수행하기 전의 전기화학적 특성이고, (b)는 500회의 충전-방전 싸이클을 수행한 후의 전기화학적 특성이다.19, (a) is the electrochemical characteristic before the charge-discharge cycle is performed, and (b) is the electrochemical characteristic after 500 charge-discharge cycles.

도 19(a)을 참조하면, 충전-방전 싸이클을 수행하기 전에는, 상기 CGPE는 상기 GPE 및 상기 유리 미세섬유에 비하여 높은 임피던스 수치를 가진다.Referring to FIG. 19 (a), before performing the charge-discharge cycle, the CGPE has a higher impedance value than the GPE and the glass microfibers.

도 19(b)을 참조하면, 도 19(a)의 초기 임피던스 특성과는 반대로, 상기 GPE와 상기 유리 미세섬유는 500회의 충전-방전 싸이클을 수행한 후에 임피던스 수치가 상기 CGPE에 비하여 크게 증가되었다.Referring to FIG. 19 (b), contrary to the initial impedance characteristic of FIG. 19 (a), the GPE and the glass microfibers were greatly increased in impedance value compared to the CGPE after 500 charge-discharge cycles .

충전-방전 싸이클 수행 전 및 500회의 충전-방전 싸이클에 대한 상기 임피던스 특성 변화에 상기 CGPE의 영향을 분석하기 위하여, 도 19에 도시된 바와 같은 등가 회로 모델을 수립하였다. 도 19(a)의 모델 1(model 1)은 충전-방전 싸이클 수행 전에 해당되고, 도 19(b)의 모델 2(model 2)는 500회 충전-방전 싸이클 수행 후에 해당된다.An equivalent circuit model as shown in Fig. 19 was established in order to analyze the effect of the CGPE on the impedance characteristic change before the charge-discharge cycle and 500 times of the charge-discharge cycle. The model 1 of FIG. 19 (a) corresponds to the state before the charge-discharge cycle, and the model 2 of FIG. 19 (b) corresponds to 500 times of the charge-discharge cycle.

도 19(a)의 모델 1을 참조하면, 리튬 이온 폴리머 전지 셀이 제조된 직후에는, 전해질 저항(Re), 이중층 캐패시턴스(CPEdl), 전하 이동 저항(Rct), 와버그 임피던스(Warburg impedance)(Zw) 및 인터칼레이션(intercalation) 캐패시턴스(CL)의 직렬 및 병렬 연결로 고려될 수 있다.Referring to the model 1 of FIG. 19 (a), immediately after the lithium ion polymer battery cell is manufactured, electrolyte resistance R e , double layer capacitance (CPE dl ), charge transfer resistance (R ct ), and bug impedance impedance (Z w ) and intercalation capacitance (C L ).

도 19(b)의 모델 2를 참조하면, 충전-방전 싸이클을 수행한 후에는, 전극들의 표면에 패시베이션 층이 형성되므로, 임피던스 특성의 형상이 변하게 된다. 예를 들어, 충전-방전 싸이클 전에는 도 19(a)에 도시된 바와 같이 하나의 반원 형상으로 나타났으나, 충전-방전 싸이클을 수행한 후에는 도 19(b)에 도시된 바와 같이 두 개의 반원들로 나타났다. 고주파수 내지 중주파수 영역에 나타나는 반원은 LiCoO2 캐소드 및 Li 애노드를 덮는 전극 표면 층의 저항(Rf)에 해당되고, 저주파수 영역에 나타나는 다른 반원은 전하 이동 저항(Rct)을 해당된다. 따라서, 충전-방전 싸이클을 수행한 후의 임피던스 특성은, 전해질 저항(Re), 병렬연결된 Rf와 CPEf (Rf//CPEf), 병렬연결된 RctZw와 CPEdl (RctZw//CPEdl), 및 CL 의 조합으로 구성될 수 있다. 상기 모델 1과 상기 모델 2에서의 와버그 요소(Zw)는, 전해질 내, 고체 전해질 계면 내 및 LiCoO2 입자들 사이의 인터칼레이션으로부터의 리튬 이온의 확산을 나타낸다.Referring to the model 2 of FIG. 19 (b), after the charge-discharge cycle is performed, the passivation layer is formed on the surfaces of the electrodes, so that the shape of the impedance characteristic is changed. For example, before the charge-discharge cycle, as shown in FIG. 19 (a), a half-circle shape is shown. After the charge-discharge cycle is performed, as shown in FIG. 19 (b) Respectively. The semicircle appearing in the high frequency to middle frequency region corresponds to the resistance (R f ) of the electrode surface layer covering the LiCoO 2 cathode and the Li anode, and the other half circle appearing in the low frequency region corresponds to the charge transfer resistance (R ct ). Therefore, the charge-impedance characteristics after performing the discharge cycle, the electrolyte resistance (R e), connected in parallel with the R f CPE f (R f // CPE f ), connected in parallel with the R ct Z w CPE dl (R ct Z w // CPE dl ), and C L. The and bug elements (Z w ) in Model 1 and Model 2 represent the diffusion of lithium ions in the electrolyte, in the solid electrolyte interface and from intercalation between LiCoO 2 particles.

표 2는 모델1 및 모델2를 이용하여 얻은 임피던스 파라미터들을 나타내는 표이다.Table 2 is a table showing the impedance parameters obtained using Model 1 and Model 2.

샘플Sample 전지 조립 직후Immediately after battery assembly 500 충전-방전 싸이클 후500 charge - after discharge cycle 유리
미세섬유
Glass
Fine fiber
GPEGPE CGPECGPE 유리
미세섬유
Glass
Fine fiber
GPEGPE CGPECGPE
Rc (Ω)R c (Ω) 4.954.95 5.145.14 5.415.41 5.155.15 5.165.16 5.505.50 Rf (Ω)R f (Ω) -- -- -- 210.88210.88 199.36199.36 152.50152.50 CPEf CPE f Cf (F)C f (F) -- -- -- 1.99×10-4 1.99 × 10 -4 1.90×10-3 1.90 x 10 -3 2.83×10-3 2.83 × 10 -3 nn -- -- -- 0.9050.905 0.9330.933 0.9380.938 Rct (Ω)R ct (Ω) 28.7628.76 33.9733.97 39.9039.90 88.3888.38 79.6679.66 71.4871.48 CPEdl CPE dl Cdl (F)C dl (F) 2.27×10-4 2.27 x 10 -4 2.64×10-5 2.64 x 10 -5 1.84×10-5 1.84 x 10 -5 5.81×10-6 5.81 × 10 -6 4.68×10-5 4.68 × 10 -5 7.72×10-5 7.72 × 10 -5 nn 0.7280.728 0.8290.829 0.8120.812 0.7110.711 0.6860.686 0.6400.640 W (Ω-1s1/2)W (Ω -1 s 1/2 ) 8.57×10-2 8.57 × 10 -2 4.26×10-2 4.26 × 10 -2 9.52×10-3 9.52 x 10 -3 2.60×10-2 2.60 x 10 -2 7.31×10-2 7.31 x 10 -2 1.99×10-1 1.99 x 10 -1 CL (F)C L (F) 1.89×10-2 1.89 x 10 -2 1.28×10-2 1.28 x 10 -2 1.89×10-3 1.89 x 10 -3 9.41×10-2 9.41 x 10 -2 2.5772.577 3.5003.500

표 2를 참조하면, 상기 CGPE는 전해질 저항(Re)이 5.41 Ω, 전하 이동 저항 (Rct)이 39.9 Ω로 나타났으며, 상기 GPE (Re = 5.14, Rct = 33.97 Ω) 및 상기 유리 미세섬유 (Re = 4.95 Ω, Rct = 28.76 Ω)의 경우보다 다소 높았다. 따라서, 첫번째 싸이클에서, CGPE 전지 셀은 다른 경우들에 비하여 낮은 용량을 가진다. 충전-방전 싸이클을 수행함에 따라, 전하 이동 저항이 증가되어 Rf 요소가 나타나게 되어 전체 임피던스가 증가된다. 따라서, 도 17에 도시된 바와 같이, 충전-방전 싸이클이 수행됨에 따라 용량이 감소되는 것이 해석될 수 있다. 500회의 충전-방전 싸이클 이후에서는, 전지 셀들의 전해질 저항 변화가 무시됨을 유의하며, 그 이유는 충전-방전 싸이클 동안에 전해질들이 안정되기 때문이다. 또한, 상기 CGPE의 Rf 및 Rct 의 합으로부터 산출한 계면 저항 (Ri)은 223.98로 나타났고, 다른 전지 셀들에 비하여 매우 낮은 수치이다. 참고로, 상기 유리 미세섬유의 경우는 계면 저항이 299.26 Ω이고, GPE 전지 셀의 계면 저항이 279.02 Ω으로 나타났다. 이러한 결과는, CGPE 전지 셀에서 A-LLTO/m-SiO2 의 첨가에 따라 전극 계면 저항이 감소된 것으로 분석된다. 또한, 상기 CGPE를 포함하는 전지 셀의 충전-방전 싸이클 특성은 매우 개선되었다.Referring to Table 2, the CGPE exhibited an electrolyte resistance (R e ) of 5.41 Ω and a charge transfer resistance (R ct ) of 39.9 Ω. The GPE (R e = 5.14, R ct = 33.97 Ω) Was slightly higher than that of glass microfiber (R e = 4.95 Ω, R ct = 28.76 Ω). Thus, in the first cycle, the CGPE battery cell has a lower capacity than other cases. As the charge-discharge cycle is performed, the charge transfer resistance is increased, and the R f element appears, thereby increasing the total impedance. Therefore, as shown in FIG. 17, it can be interpreted that the capacity is reduced as the charge-discharge cycle is performed. Note that after 500 charge-discharge cycles, the electrolyte resistance change of the battery cells is neglected, because the electrolytes are stable during the charge-discharge cycle. Also, the interface resistance (R i ) calculated from the sum of R f and R ct of the CGPE is 223.98, which is a very low value as compared with other battery cells. For reference, the glass microfibers exhibited an interface resistance of 299.26? And an interface resistance of 279.02? In the GPE battery cell. These results indicate that the electrode interface resistance is decreased by the addition of A-LLTO / m-SiO 2 in the CGPE battery cell. In addition, the charge-discharge cycle characteristics of the battery cell including the CGPE have been greatly improved.

5. 5. CGPE을CGPE 포함하는 리튬 공기 전지 셀의 특성 분석 Characterization of Lithium Air Battery Cells Containing

5-1. 5-1. CGPE을CGPE 포함하는 리튬 공기 전지 셀의 제조 Manufacture of a Lithium Air Battery Cell Containing

CGPE를 포함하는 리튬 이온 폴리머 전지 셀을 제조하기 위하여, 하기와 같은 방법으로 MnO2@Ni 캐소드를 형성하였다. In order to manufacture a lithium ion polymer battery cell including CGPE, a MnO 2 @ Ni cathode was formed in the following manner.

상기 MnO2 촉매들을, 깨끗한 니켈 폼 시트(foam sheet) 상에 20 mM의 KMnO4, 10 mM의 MnSO4 및 몇 방울의 NH3 (28 vol%)을 포함하는 500 ml 용액 내에 침지하고, 오토클레이브 내에서 약 150 ℃의 온도로 약 5 시간 동안 성장시키고, 원하지 않는 불순물들을 제거하도록 탈이온수에서 세정하였다. 상기 성장 반응 이후에, 상기 니켈 시트는 MnO2 촉매들로 덮여졌다. 이어서, 상기 MnO2 촉매들로 덮여진 니켈 시트를 약 450 ℃의 온도로 약 5 시간 동안 열처리하였다. 이이서, MnO2 촉매들로 덮여진 니켈 시트를 천공하여 16 mm 직경을 가지는 디스크 형상을 제조하였으며, 이는 캐소드(즉, 산소 전극)으로 사용된다. 이하에서는 MnO2 촉매들로 덮여진 니켈로 구성된 디스크를 "MnO2@Ni"로 지칭하기로 한다.The MnO 2 catalysts were immersed in a 500 ml solution containing 20 mM KMnO 4 , 10 mM MnSO 4 and a few drops of NH 3 (28 vol%) on a clean nickel foam sheet, Lt; 0 > C for about 5 hours and rinsed in deionized water to remove unwanted impurities. After the growth reaction, the nickel sheet was covered with the MnO 2 catalyst. Then, the nickel sheet covered with the MnO 2 catalysts was heat-treated at a temperature of about 450 ° C for about 5 hours. The nickel sheet covered with MnO 2 catalysts was then punched to prepare a disk shape having a diameter of 16 mm, which was used as a cathode (i.e., an oxygen electrode). Hereinafter referred to the disc made of nickel covered with MnO 2 in a catalyst "MnO 2 @Ni".

도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 니켈 공기 전지에 사용된 MnO2@Ni 캐소드에 관하여 설명하는 도면들이다.20 is a view illustrating a MnO 2 Ni cathode used in a nickel air cell according to an embodiment of the present invention.

도 20에서, (a)는 MnO2@Ni 캐소드의 주사전자현미경 사진이고, (b)는 MnO2@Ni 캐소드의 X-선 회절패턴 그래프이고, (c)는 MnO2@Ni 캐소드의 EDS 분석 그래프이다.In Figure 20, (a) is a scanning electron micrograph of MnO 2 @Ni cathode, (b) is a graph X- ray diffraction pattern of the MnO 2 @Ni cathode, (c) the EDS analysis of MnO 2 cathode @Ni Graph.

도 20을 참조하면, 상기 MnO2@Ni는 니켈 상에 플레이크 형상(flake-like)의 MnO2 가 배치된다. 상기 MnO2@Ni은 니켈 표면에 전체적으로 Mn과 O가 1:2의 비율로서 형성된 MnO2가 덮고 있는 정방정계 결정의 나노 시트 배열을 가진다. 또한, X-선 회절 및 EDS 분석결과, 탄소가 발견되지 않았다. 따라서, 상기 MnO2@Ni는 수열 방법을 이용하여 형성하였고, 탄소를 포함하지 않고, 또한 바인더를 사용하지 않은 특징이 있다.Referring to Figure 20, the MnO 2 is @Ni the MnO 2 in the flake (flake-like) is disposed on the nickel. The MnO 2 @ Ni has a nanocrystalline arrangement of tetragonal crystals covered with MnO 2 formed on the nickel surface as a whole with a ratio of Mn and O of 1: 2. Further, as a result of X-ray diffraction and EDS analysis, no carbon was found. Therefore, the MnO 2 @ Ni is formed using a hydrothermal method, and does not contain carbon and does not use a binder.

이어서, 리튬 금속 애노드, 본 발명의 기술적 사상에 따른 CGPE(질량비 2:8), 유리 미세섬유로 구성된 세퍼레이터, 및 상기 MnO2@Ni 캐소드를 조립하여, Li/CGPE/세퍼레이터/MnO2@Ni 의 구조를 가지는 리튬 공기 전지 셀을 제조하였다.Next, a lithium metal anode, CGPE (mass ratio 2: 8) according to the technical idea of the present invention, a separator composed of glass microfibers, and the MnO 2 @ Ni cathode were assembled to prepare a Li / CGPE / separator / MnO 2 Ni A lithium ion battery cell was fabricated.

상기 CGPE는 전지를 조립하기 전에, TEGDME 내의 1 M LiTFSI 용액 내에 침지하여 활성화하였다. 또한, 상기 세퍼레이터는 상기 유리 미세섬유를 TEGDME 내의 1 M LiTFSI 용액 내에 침지하여 형성하였다.The CGPE was activated by immersion in a 1 M LiTFSI solution in TEGDME prior to assembling the cell. The separator was formed by immersing the glass microfibers in a 1 M LiTFSI solution in TEGDME.

상술한 리튬 이온 폴리머 전지 셀과는 다르게, 상기 리튬 공기 전지는 상기 CGPE 멤브레인을 MnO2@Ni 캐소드로부터 분리하는 상기 세퍼레이터를 의도적으로 더 포함한다. 그 이유는, 방전되는 동안에 MnO2 촉매들의 표면 상에 형성되는 Li2O2 를 PVDF-HFP로부터 차단하여 상기 폴리머 기재의 화학적 안정성을 증가시키기 위함이다. 테스트를 위하여, 상기 리튬 공기 전지는 순수한 산소 가스가 1기압으로 채워진 상자 내에 위치시켰다.Unlike the lithium ion polymer battery cell described above, the lithium air cell intentionally further includes the separator separating the CGPE membrane from the MnO 2 Ni cathode. The reason for this is to increase the chemical stability of the polymer substrate by blocking Li 2 O 2 formed on the surface of MnO 2 catalysts during discharge from PVDF-HFP. For testing, the lithium air cell was placed in a box filled with pure oxygen gas at one atmosphere.

5-2. 5-2. CGPE을CGPE 포함하는 리튬 공기 전지 셀의 충전-방전  Charge-discharge of a lithium-ion battery cell 싸이클Cycle 특성 분석 Character analysis

CGPE를 전해질 및 리튬 금속의 보호층으로서 사용하는 리튬 공기 전지 셀에 대하여 충전-방전 싸이클 시험을 수행하였다. 상술한 리튬 공기 전지 셀에 정전류 방식으로 1000 mAh g-1 용량에서 0.1 mA cm-2 전류 밀도로 인가하여 충전-방전 싸이클 테스트를 수행하였다. 상기 리튬 공기 전지 셀의 용량은 니켈 상에 형성된 MnO2 촉매의 무게를 기준으로 산출하였다. 또한, 비교를 위하여, CGPE를 사용하지 않은 리튬 공기 전지 셀도 시험하였다. 즉, CGPE를 사용한 리튬 공기 전지 셀은 리튬/CGPE/세퍼레이터/캐소드의 구조를 가지며, CGPE를 사용하지 않은 리튬 공기 전지 셀은 리튬/세퍼레이터/캐소드의 구조를 가진다. 상기 세퍼레이터는 액체 전해질을 포함할 수 있고, 예를 들어, 상기 CGPE를 활성화한 액체 전해질과 동일한 액체 전해질을 포함할 수 있다.A charge-discharge cycle test was conducted on a lithium air battery cell using CGPE as the electrolyte and a protective layer of lithium metal. The above-described lithium air battery cell was subjected to a charge-discharge cycle test in a constant current mode at a current density of 1000 mAh g -1 at a current density of 0.1 mA cm -2 . The capacity of the lithium air battery cell was calculated based on the weight of the MnO 2 catalyst formed on the nickel surface. Also, for comparison, a lithium air battery cell without CGPE was also tested. That is, a lithium air battery cell using CGPE has a structure of lithium / CGPE / separator / cathode, and a lithium air battery cell not using CGPE has a lithium / separator / cathode structure. The separator may comprise a liquid electrolyte and may comprise, for example, the same liquid electrolyte as the liquid electrolyte activating the CGPE.

도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지의 충전-방전 싸이클 특성을 나타내는 그래프이다.21 is a graph showing charge-discharge cycle characteristics of a lithium air cell including a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 21에서, (a)는 리튬 금속 전극의 보호층으로서 CGPE를 사용한 경우이고, (b)는 CGPE를 사용하지 않은 경우이다. In Fig. 21, (a) shows a case where CGPE is used as a protective layer of a lithium metal electrode, and (b) shows a case where CGPE is not used.

도 21(a)를 참조하면, 상기 허용 전위 범위로서 방전에 2V, 충전에 4.5V를 선택할 경우에, CGPE를 사용한 경우는 71회의 충전-방전 싸이클까지 사용 가능한 것으로 분석된다.Referring to FIG. 21 (a), in the case where CGPE is used, it is analyzed that up to 71 charge-discharge cycles can be used when 2 V for discharging and 4.5 V for charging are selected as the allowable potential range.

도 21(b)를 참조하면, CGPE를 사용하지 경우는 충전-방전 싸이클이 증가됨에 따라 방전 전위가 점차적으로 감소하였다. 상기 허용 전위 범위를 기준으로 판단하면, 45회의 충전-방전 싸이클 이후에 방전 전위가 급격하게 감소하였고, 48회의 충전-방전 싸이클에서는 1000 mAh g- 1 의 용량을 달성하기 전에 2.0 V 이하로 감소하였다.Referring to FIG. 21 (b), in the case of using CGPE, the discharge potential gradually decreased as the charge-discharge cycle was increased. Judging from the allowable potential range, the discharge potential dropped sharply after 45 charge-discharge cycles and decreased to 2.0 V or less before achieving a capacity of 1000 mAh g - 1 in 48 charge-discharge cycles .

따라서, CGPE를 포함한 경우가 CGPE를 포함하지 않는 경우에 비하여 충전-방전 싸이클 특성이 매우 개선됨을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the charge-discharge cycle characteristics are greatly improved as compared with the case where CGPE is not included.

CGPE를 포함한 리튬 공기 전지 셀에서 구현된 매우 개선된 충전-방전 싸이클 특성은 무기성의 A-LLTO/m-SiO2 입자들이 제공하는 높은 경도와 PVDF-HFP 기재가 제공하는 높은 점도의 혼합 효과로 분석된다. 특히, A-LLTO/m-SiO2 을 포함함으로써 전해질의 경도가 증가되고 이에 따라 리튬 금속의 수지상정의 성장이 효과적으로 억제되었다. 또한, PVDF-HFP 기재는 충전-방전 싸이클 동안 캐소드로부터 애노드로의 수분, 불순물 및 다른 부산물의 확산을 방지하여, 결과적으로 애노드 및 캐소드의 열화를 방지할 수 있다. 특히, 표면 개질을 통하여, A-LLTO/m-SiO2 의 SiO2 표면이 기능화되고 이에 따라 불순물들을 가두는 실라놀(silanol) 기의 능력이 증가되었다. 결과적으로, 리튬 금속 전극의 열화는 방지될 수 있고, 리튬 금속 전지 셀의 장기간의 안정성이 매우 개선될 수 있다.The highly improved charge-discharge cycle characteristics realized in lithium air battery cells including CGPE are analyzed by the mixing effect of the high hardness provided by the inorganic A-LLTO / m-SiO 2 particles and the high viscosity provided by the PVDF-HFP substrate do. In particular, the inclusion of A-LLTO / m-SiO 2 increased the hardness of the electrolyte and thus effectively suppressed dendritic growth of the lithium metal. In addition, the PVDF-HFP substrate can prevent the diffusion of moisture, impurities and other by-products from the cathode to the anode during the charge-discharge cycle, thereby preventing deterioration of the anode and cathode. In particular, through the surface modification, the SiO 2 surface of A-LLTO / m-SiO 2 was functionalized, thereby increasing the ability of the silanol group to contain impurities. As a result, the deterioration of the lithium metal electrode can be prevented, and the long-term stability of the lithium metal battery cell can be greatly improved.

5-3. 5-3. CGPE을CGPE 포함하는 리튬 공기 전지 셀의 미세조직 분석 Microstructure Analysis of Lithium Air Battery Cell Including

순수한 A-LLTO 무기 고상 전해질이 CGPE에 비하여 강성이 우수하다고 하여도, CGPE는 리튬 수지상정들의 성장을 억제하기에 충분한 경도를 가지고 있다. 이를 증명하기 위하여 충전-방전 싸이클 시험을 수행한 후에 CGPE를 가지는 리튬 공기 전지 셀과 CGPE를 가지지 않는 리튬 공기 전지 셀을 글로브 박스에서 분해하여 주사전자현미경으로 미세구조를 관찰하였다.Even though pure A-LLTO inorganic solid electrolytes are superior in rigidity to CGPE, CGPE has sufficient hardness to inhibit the growth of lithium resin complexes. To demonstrate this, a lithium air battery cell with CGPE and a lithium air battery cell without CGPE were disassembled in a glove box and the microstructure was observed with a scanning electron microscope after performing a charge-discharge cycle test.

도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 겔 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지에 포함된 리튬 금속 전극의 미세조직을 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.22 is a scanning electron micrograph showing the microstructure of a lithium metal electrode included in a lithium air cell including a composite gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 22에서, (a), (b)는 리튬 금속 전극의 보호층으로서 CGPE를 사용한 경우이고, (c), (d)는 CGPE를 사용하지 않은 경우이다.22 (a) and 22 (b) show the case where CGPE is used as the protective layer of the lithium metal electrode, and FIGS. 22 (c) and 22 (d) show the case where CGPE is not used.

도 22(a) 및 도 22(b)를 참조하면, CGPE를 사용한 경우의 리튬 금속 전극은 매끄럽고 평평한 표면을 나타낸다. 적색 화살표로 표시된 바와 같이 약간의 리튬 수지상정이 형성됨을 확인하였다. 반면, 도 22(c) 및 도 22(d)를 참조하면, CGPE를 사용하지 않은 경우의 리튬 금속 전극은, 도 21에서 설명한 바와 같이 충전-방전 싸이클의 횟수가 적었음에도 불구하고, 다공성이고 거친 표면을 나타내며, 다수의 리튬 수지상정이 관찰되었다.Referring to Figures 22 (a) and 22 (b), the lithium metal electrode when using CGPE shows a smooth, flat surface. As indicated by the red arrow, it was confirmed that some lithium resin assumptions were formed. 22 (c) and 22 (d), the lithium metal electrode in the case of not using the CGPE has a porous and coarse structure, although the number of charge-discharge cycles is small, Surface, and a large number of lithium resin assumptions were observed.

CGPE를 사용한 경우에도 리튬 수지 상정의 발생 및 성장을 완전히 차단하기는 어려우며, 이는 PVDF-HFP 기재가 상대적으로 약하기 때문이다. 그러나, PVDF-HFP 기재는, 세라믹 A-LLTO 고상 전해질과는 달리, CGPE에 유연성을 제공할 수 있고, 용이한 처리를 제공할 수 있다. 또한, CGPE는 리튬 수지상정의 성장을 효과적으로 억제하기에 충분한 경도를 가지며, 우수한 전지 셀 동작이 가능한 높은 이온전도성을 가진다.Even when CGPE is used, it is difficult to completely prevent occurrence and growth of the lithium resin assumption, because the PVDF-HFP base material is relatively weak. However, unlike the ceramic A-LLTO solid electrolyte, PVDF-HFP substrate can provide flexibility to CGPE and can provide an easy treatment. In addition, CGPE has a sufficient hardness to effectively inhibit the growth of the lithium resin phase and has a high ion conductivity capable of excellent battery cell operation.

결론conclusion

본 발명의 기술적 사상에 따른 CGPE는 단순한 용액 주조 방법을 통하여 제조되고, 액상 전해질을 활성화하여 제조될 수 있다. 상기 CGPE는 m-SiO2 층으로 덮인 A-LLTO 입자들을 포함하는 PVDF-HFP 기재로 구성된다. CGPE according to the technical idea of the present invention can be produced by a simple solution casting method and can be produced by activating a liquid electrolyte. The CGPE is composed of PVDF-HFP substrate comprising a A-LLTO particles covered with the m-SiO 2 layer.

제조된 CGPE는 순수한 GPE에 비하여 1.22 X 10-3 S cm- 1 의 높은 이온 전도성, Li/Li+에 대하여 5 V 까지의 넓은 전기화학적 안정성 범위, 및 계면 안정성을 가진다.Manufactured CGPE is 1.22 X 10 -3 S cm compared to pure GPE - with respect to one of the higher ion conductivity, Li / Li + has a broad electrochemical stability range, and interface stability of up to 5 V.

리튬 금속-계 전지에서 CGPE의 사용은 다음과 같은 응용가능성을 나타낸다. (i) 리튬 이온 폴리머 전지에서 전해질로서 사용하는 것으로, 높은 안정성을 제공할 수 있다. (ii) 리튬 공기 전지에서 리튬 금속 애노드에 대한 보호층으로 사용하는 것으로, 높은 에너지를 전달할 수 있다.The use of CGPE in lithium metal-based batteries shows the following applicability. (i) it is used as an electrolyte in a lithium ion polymer battery and can provide high stability. (ii) It is used as a protective layer against the lithium metal anode in a lithium air cell, and can transmit high energy.

Li/Li 대칭 전지 셀들에 대한 충전-방전 싸이클 결과와 리튬 표면의 미세구조 결과는 전지 셀에 CGPE를 사용하여 리튬 수지상정의 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 나타낸다.The charge-discharge cycle results for the Li / Li symmetric battery cells and the microstructure results of the lithium surface indicate that the lithium cell phase positive growth can be effectively suppressed by using CGPE in the battery cell.

CGPE를 포함한 Li-LiCoO2 폴리머 전지 셀은 0.5 C에서 500회의 충전-방전 싸이클 수행 후에 80.5% 용량 보유력을 제공하며, 이는 CGPE가 없는 경우에 비하여 거의 3 배 높은 수치이다.A Li-LiCoO 2 polymer battery cell containing CGPE provides 80.5% capacity retention after 500 charge-discharge cycles at 0.5 C, which is almost three times higher than without CGPE.

CGPE를 보호층으로 포함한 리튬 공기 전지 셀은 1000 mAh의 제한된 용량 모드에서 72 싸이클의 수명을 나타내고, 이는 25 싸이클을 나타낸 CGPE가 없는 경우에 비하여 높은 수치이다.Lithium air battery cells containing CGPE as a protective layer exhibit 72 cycles life in a limited capacity mode of 1000 mAh, which is higher than in the absence of CGPE exhibiting 25 cycles.

CGPE를 포함하는 리튬계 전지 셀들의 개선된 특성들은 리튬 수지상정들의 성장을 효과적으로 억제하는 것에 기인하며, 전해질의 분해를 방지할 수 있고, 또한 리튬 금속 전극을 열화시킬 수 있는 외부환경으로부터의 산소 가스 및 오염물의 확산을 방지할 수 있다.The improved properties of lithium-based battery cells including CGPE are due to the effective inhibition of the growth of lithium resin implants and can prevent the decomposition of the electrolyte and also reduce the oxygen gas And the diffusion of contaminants can be prevented.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. Will be apparent to those of ordinary skill in the art.

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Claims (20)

폴리머 기재; 및
상기 폴리머 기재 내에 분산되고, 내부에 이온 전도성을 가지는 코어(core)부와 상기 코어 물질의 표면을 덮는 쉘(shell)부로 구성된 코어-쉘 구조체;
를 포함하는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
Polymer substrates; And
A core-shell structure consisting of a core portion dispersed in the polymer substrate and having ion conductivity therein, and a shell portion covering a surface of the core material;
≪ / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 기재는 폴리 비닐리덴 플로라이드-헥사플로로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리 비닐리덴 플로라이드(PVDF) 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer substrate comprises at least one of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polymethylmethacrylate (PMMA), the composite gel polymer electrolyte membrane .
상기 코어부는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.Wherein the core portion has a perovskite structure. 제 1 항에 있어서,
상기 코어부는 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 티타네이트(aluminum-doped lithium lanthanum titanate, A-LLTO), 리튬 알루미늄 저마늄 인산염 (lithium aluminum germanium phosphate, LAGP), 및 리튬 알루미늄 타이타늄 인산염 (lithium aluminum titanium phosphate, LATP) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
The core portion may include aluminum-doped lithium lanthanum titanate (A-LLTO), lithium aluminum germanium phosphate (LAGP), and lithium aluminum titanium phosphate (LATP ). ≪ / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 코어부는 (Li0 . 33La0 . 56)1.005Ti0 . 99Al0 . 01O3, 및 Li1 . 5Al0 . 5Ge1 .5(PO4)3, Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Said core portion (Li 0. 33 La 0. 56) 1.005 Ti 0. 99 Al 0 . 01 O 3 , and Li 1 . 5 Al 0 . 5 Ge 1 .5 (PO 4 ) 3 , and Li 1.5 Al 0.5 Ti 1.5 (PO 4 ) 3 .
제 1 항에 있어서,
상기 쉘부는 비정질상을 포함하는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Wherein the shell portion comprises an amorphous phase.
제 1 항에 있어서,
상기 쉘부는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 지르코늄 산화물, 지르코늄 질화물, 지르코늄 산질화물, 알루미늄 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Wherein the shell portion comprises at least one of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, zirconium oxide, zirconium nitride, zirconium oxynitride, and aluminum oxide.
제 1 항에 있어서,
상기 쉘부는 결합 위치를 제공하는 산소 원자를 가지는 m-SiO2 를 포함하는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
It said shell portion m-SiO 2 having an oxygen atom to provide a binding site ≪ / RTI >
제 8 항에 있어서,
상기 m-SiO2 의 두께는 3-글리시독시프로필 트리메톡시실란(3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane, GPTMS)을 이용하여 제어되는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
9. The method of claim 8,
The m-SiO 2 Is controlled by using 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS). The thickness of the membrane is controlled by using 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS).
제 8 항에 있어서,
상기 쉘부는 수산화기(OH-) 및 에폭시기 중 적어도 어느 하나가 형성된, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
9. The method of claim 8,
Wherein at least one of hydroxyl group (OH - ) and epoxy group is formed in the shell part.
제 1 항에 있어서,
상기 코어-쉘 구조체는 0.5 μm 내지 3 μm 범위의 크기를 가지는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Wherein the core-shell structure has a size ranging from 0.5 [mu] m to 3 [mu] m.
제 1 항에 있어서,
상기 쉘부는 1 nm 내지 10 nm 범위의 두께를 가지는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Wherein the shell portion has a thickness in the range of 1 nm to 10 < RTI ID = 0.0 > nm. ≪ / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 기재와 상기 코어-쉘 구조체는 8:2 내지 2:8 범위의 질량비를 가지는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer substrate and the core-shell structure have a mass ratio in the range of 8: 2 to 2: 8.
제 1 항에 있어서,
상기 코어-쉘 구조체는 상기 폴리머 기재 내에 균일하게 분포된, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Wherein the core-shell structure is uniformly distributed within the polymer substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 코어-쉘 구조체는 리튬 금속의 수지 상정의 성장을 억제하는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Wherein the core-shell structure inhibits the resinous growth of the lithium metal.
제 1 항에 있어서,
상기 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인은, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)와 에틸메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate)가 혼합된 용액에 LiPF6 을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화되는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
Wherein the composite gel polymer electrolyte membrane is activated using a liquid electrolyte in which LiPF 6 is mixed with a solution of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate.
제 1 항에 있어서,
상기 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인은, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME) 용액에 리튬 비스 트리플로로메탄 설포닐 이미드(lithium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide, LiTFSI)을 혼합한 액상 전해질을 이용하여 활성화되는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인.
The method according to claim 1,
The composite gel polymer electrolyte membrane is prepared by mixing a liquid electrolyte prepared by mixing lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) with a tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) solution ≪ / RTI >
알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 티타네이트(A-LLTO) 분말을 준비하는 단계;
상기 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 티타네이트를 에탄올에 투입한 용액과 폴리비닐피롤리돈을 탈이온수에 투입한 용액을 혼합하여 제1 혼합용액을 형성하는 단계;
상기 제1 혼합용액을 원심분리하여 상청액을 분리하여 상청 안정화(surfactant-stabilized) A-LLTO를 형성하는 단계;
상기 상청 안정화 A-LLTO를 에탄올, 탈이온수, 및 암모니아수와 혼합하여 서스펜션 용액을 형성하는 단계;
상기 서스펜션 용액에 테트라엑소시실란을 포함한 에탄올을 투입하여 제2 혼합용액을 형성하는 단계; 및
상기 제2 혼합용액을 원심분리하여 A-LLTO/m-SiO2 입자를 형성하는 단계;
를 포함하는, 복합 겔 폴리머 전해질 멤브레인의 제조 방법.
Preparing an aluminum-doped lithium lanthanum titanate (A-LLTO) powder;
Mixing a solution of the aluminum-doped lithium lanthanum titanate in ethanol with a solution of polyvinylpyrrolidone in deionized water to form a first mixed solution;
Separating the supernatant by centrifuging the first mixed solution to form a surfactant-stabilized A-LLTO;
Mixing the supernatant stabilized A-LLTO with ethanol, deionized water, and ammonia water to form a suspension solution;
Adding ethanol containing tetraisosilane to the suspension solution to form a second mixed solution; And
Centrifuging the second mixed solution to form A-LLTO / m-SiO 2 particles;
≪ / RTI >
애노드;
캐소드; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재되고, 폴리머 기재; 및 상기 폴리머 기재 내에 분산되고, 내부에 이온 전도성을 가지는 코어부와 상기 코어 물질의 표면을 덮는 쉘부로 구성된 코어-쉘 구조체;를 포함하는 복합 겔 폴리머 전해질;
을 포함하는, 리튬 이온 폴리머 전지.
Anode;
Cathode; And
A polymer substrate interposed between the anode and the cathode; And a core-shell structure comprising a core portion dispersed in the polymer substrate and having ion conductivity therein, and a shell portion covering a surface of the core material, the composite gel polymer electrolyte comprising:
≪ / RTI >
애노드;
캐소드; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재되고, 폴리머 기재; 및 상기 폴리머 기재 내에 분산되고, 내부에 이온 전도성을 가지는 코어부와 상기 코어 물질의 표면을 덮는 쉘부로 구성된 코어-쉘 구조체;를 포함하는 복합 겔 폴리머 전해질;
을 포함하는, 리튬 공기 전지.
Anode;
Cathode; And
A polymer substrate interposed between the anode and the cathode; And a core-shell structure comprising a core portion dispersed in the polymer substrate and having ion conductivity therein, and a shell portion covering a surface of the core material, the composite gel polymer electrolyte comprising:
/ RTI > air battery.
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