KR20210046336A - Self-standing gelled polymer compound utilizing LiFSI and use as gelled polymer electrolyte thereof for flexible lithium-ion battery - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a self-reliant gelled polymer compound composed of lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) and poly(ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA) and use of a gel polymer electrolyte for a flexible lithium ion battery thereof. The self-reliant gelled polymer compound of the present invention exhibits excellent thermal stability at 150℃ or less, a very low glass transition temperature (Tg) (about -75℃), and exhibits plastic crystal behavior. As a result, it was confirmed that the self-reliant gelled polymer compound exhibits excellent room temperature ionic conductivity, so the self-reliant gelled polymer compound can be usefully used as an electrolyte applied to flexible lithium-ion batteries in the field of lithium-ion batteries.

Description

LiFSI를 활용한 자립형 겔화 고분자 화합물 및 이의 유연한 리튬 이온 배터리용 겔 고분자 전해질 용도{Self-standing gelled polymer compound utilizing LiFSI and use as gelled polymer electrolyte thereof for flexible lithium-ion battery}Self-standing gelled polymer compound utilizing LiFSI and use as gelled polymer electrolyte thereof for flexible lithium-ion battery

본 발명은 LiFSI를 활용한 자립형 겔화 고분자 화합물 및 이의 유연한 리튬 이온 배터리용 겔 고분자 전해질 용도에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드[lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI] 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트[poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA]로 구성된 자립형 겔화 고분자 화합물 및 이의 유연한 리튬 이온 배터리용 겔 고분자 전해질 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a self-supporting gelling polymer compound using LiFSI and a use of a gel polymer electrolyte for flexible lithium ion batteries thereof, and more particularly, lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) And a self-supporting gelling polymer compound composed of poly (ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA), and a use of a gel polymer electrolyte for flexible lithium ion batteries thereof.

리튬 이온 배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도, 긴 수명 및 높은 효율로 인해 수십 년 동안(1991년 이래) 많은 주목을 받아 왔으며, 그 동안 다양한 모바일 기기, 전기 자동차 및 에너지 저장 영역에 널리 적용되고 있다. 다른 유형의 배터리와 마찬가지로 LIB에는 세 가지 필수 구성요소인 양극, 음극 및 전해질이 있다. 여기서 전해질은 한 쌍의 전극 사이에서 리튬 이온을 수송하는 데 중요한 역할을 하며 방출되는 에너지 속도를 결정한다. 유기 액체 전해질은 수십 년 동안 상용화되어 왔으며, 현재는 상온 이온 전도도가 우수하여 배터리 시장의 많은 부분을 차지하고 있다. 그러나 가연성 유기 액체의 누출 및 가연성으로 인해 발생하는 안전 문제는 가능한 한 신속히 해결해야 할 문제이다. 최근에, 전술한 문제를 해결하기 위하여 고체 유기 고분자 전해질(solid polymer electrolyte, SPE)이 종래의 유기 액체 전해질을 대체하는 전략으로 소개되었다. 광범위한 연구에 따르면, SPE는 탁월한 안전성을 보유할 뿐만 아니라 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장을 억제한다. 또한, SPE는 기계적 안정성이 우수하기 때문에 LIB에서 분리막으로 사용될 수 있다. 일반적으로, SPE는 고분자 및 리튬 염으로 구성되며, 여기서 고분자는 호스트로서 작용하여 리튬 이온이 고분자에 의해 제공되는 자유 부피 내에서 이동할 수 있다. 폴리(에틸렌 옥사이드)[poly (ethylene oxide), (PEO)], 폴리(아크릴로 니트릴)[poly (acrylonitrile), (PAN)], 폴리(메틸 메타크릴레이트)[poly (methyl methacrylate), (PMMA)], 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사 플루오로 프로필렌)[poly (vinylidene fluoride-hexafluoro propylene), (PVdF-HFP)] 등 다양한 재료가 폴리머 호스트로서 보고되고 연구되고 있다. 그러나, 전극과 SPE 사이의 큰 계면 저항에 의해 야기되는 SPE의 열악한 상온 이온 전도도(10-5 cm/s)는 LIB의 광범위한 적용을 제한하는 주요 장벽이다. 이러한 장벽을 넘기 위하여, 고성능의 겔화 고분자 전해질(gelled polymer electrolyte, GPE)이 큰 관심을 얻었으며 일부 연구자들에 의해 조사되었다. 전통적인 GPE는 일반적으로 액체 전해질에 사용되는 SPE 및 가소제 또는 유기용매로 구성된다. 즉, GPE는 실온에서 유기 액체 전해질에 유사한 높은 이온 전도도(10-3 cm/s)를 제공하고, 동시에 SPE와 유사하게 기계적 안정성을 유지할 수 있다. 그러나, 가소제 또는 유기용매의 농도가 증가함에 따라 이온 전도도는 향상되더라도 GPE의 기계적 안정성이 저하된다는 것이 일반적인 인식이다. 따라서, 유기 액체 전해질과 동일한 문제를 다시 고려해야 한다. 결과적으로, 안전성이 확보된 고성능 전해질에 대한 요구가 현재 대두되고 있다.Lithium-ion batteries (LIBs) have attracted much attention for decades (since 1991) due to their high energy density, long lifespan, and high efficiency, and have been widely applied in various mobile devices, electric vehicles, and energy storage areas. Like other types of batteries, LIB has three essential components: positive, negative, and electrolyte. Here, the electrolyte plays an important role in transporting lithium ions between a pair of electrodes and determines the rate of energy released. Organic liquid electrolytes have been commercialized for decades, and now occupy a large part of the battery market due to excellent room temperature ion conductivity. However, the leakage of flammable organic liquids and safety issues arising from flammability are issues that need to be resolved as quickly as possible. Recently, in order to solve the above problems, a solid organic polymer electrolyte (SPE) has been introduced as a strategy to replace the conventional organic liquid electrolyte. Extensive studies have shown that SPE not only possesses excellent safety, but also inhibits the growth of lithium dendrites. In addition, because SPE has excellent mechanical stability, it can be used as a separator in LIB. In general, SPE consists of a polymer and a lithium salt, where the polymer acts as a host so that lithium ions can move within the free volume provided by the polymer. Poly (ethylene oxide), (PEO)], poly (acrylonitrile) [poly (acrylonitrile), (PAN)], poly (methyl methacrylate) [poly (methyl methacrylate), (PMMA )], poly(vinylidene fluoride-hexafluoro propylene) [poly (vinylidene fluoride-hexafluoro propylene), (PVdF-HFP)], etc. have been reported and studied as polymer hosts. However, the poor room temperature ionic conductivity of SPE (10 -5 cm/s) caused by the large interfacial resistance between the electrode and the SPE is a major barrier limiting the wide application of LIB. To overcome this barrier, a high-performance gelled polymer electrolyte (GPE) has gained great interest and has been investigated by some researchers. Traditional GPE consists of SPE and plasticizers or organic solvents, which are commonly used in liquid electrolytes. In other words, GPE can provide high ionic conductivity (10 -3 cm/s) similar to organic liquid electrolytes at room temperature, while maintaining mechanical stability similar to SPE. However, it is a general recognition that the mechanical stability of GPE decreases even though the ionic conductivity increases as the concentration of the plasticizer or organic solvent increases. Therefore, the same problem as the organic liquid electrolyte must be considered again. As a result, the demand for a high-performance electrolyte with secured safety is currently emerging.

한국특허공개 제10-2018-0121391호 (2018.11.07.)Korean Patent Publication No. 10-2018-0121391 (2018.11.07.) 한국특허공개 제10-2016-0140211호 (2016.12.07.)Korean Patent Publication No. 10-2016-0140211 (2016.12.07.)

본 발명의 발명자들은 겔화 고분자 전해질의 기계적 안정성을 유지하면서도 이온 전도도가 우수한 고성능 전해질에 대하여 연구하던 중, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드[lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI]를 메타크릴 계 단량체인 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트[poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA]와 혼합하여 균질화시킨 후 UV로 경화시킴으로써 용매 또는 가소제가 존재하지 않는 신규한 자립형 겔화 고분자 전해질(self-standing gelled polymer electrolyte, SGPE)을 제조하였고, 제조된 SGPE가 높은 유연성과 강력한 기계적 안정성을 나타냄과 동시에 우수한 물리화학적 특성과 전기화학적 특성을 나타낸다는 것을 확인하였다.The inventors of the present invention were studying a high-performance electrolyte having excellent ionic conductivity while maintaining the mechanical stability of the gelled polymer electrolyte, and lithium bis (fluorosulfonyl) imide [lithium bis (fluorosulfonyl) imide, LiFSI] A novel self-standing gelled polymer without solvents or plasticizers by homogenizing by mixing with a monomer poly (ethylene glycol) dimethacrylate [PEGDMA] and curing with UV electrolyte, SGPE), and it was confirmed that the manufactured SGPE exhibits high flexibility and strong mechanical stability, as well as excellent physicochemical properties and electrochemical properties.

따라서, 본 발명은 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드[LiFSI] 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트[PEGDMA]로 구성된 자립형 겔화 고분자 화합물 및 이의 유연한 리튬 이온 배터리용 겔 고분자 전해질 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention provides a self-standing gelling polymer compound composed of lithium bis(fluorosulfonyl)imide [LiFSI] and poly(ethylene glycol) dimethacrylate [PEGDMA], and the use of a gel polymer electrolyte for flexible lithium ion batteries thereof It aims to do.

본 발명의 일 측면에 따라, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드[lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI] 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트[poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA]를 구성 단위로 포함하는 자립형 겔화 고분자 화합물이 제공된다.According to an aspect of the present invention, lithium bis (fluorosulfonyl) imide [lithium bis (fluorosulfonyl) imide, LiFSI] and poly (ethylene glycol) dimethacrylate [poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA] are constructed. There is provided a self-supporting gelling polymer compound containing as a unit.

일 구현예에서, LiFSI 및 PEGDMA는 15:85 ~ 45:55 중량비로 고분자 화합물에 포함될 수 있다.In one embodiment, LiFSI and PEGDMA may be included in the polymer compound in a weight ratio of 15:85 to 45:55.

일 구현예에서, 상기 PEGDMA는 수평균 분자량(Mn) 100 ~ 1000일 수 있다.In one embodiment, the PEGDMA may have a number average molecular weight (Mn) of 100 to 1000.

일 구현예에서, 상기 고분자 화합물은 필름 형태일 수 있으며, 두께 500 μm 미만일 수 있다.In one embodiment, the polymer compound may be in the form of a film and may have a thickness of less than 500 μm.

본 발명의 다른 측면에 따라, (a) LiFSI를 PEGDMA에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전구체 용액에 광개시제를 첨가하고 유기용매를 첨가하여 교반하는 단계; (c) 상기 교반된 전구체 용액을 판 상에 캐스팅하고 유기용매를 증발시켜 전구체 전해질 모델링을 얻는 단계; 및 (d) 상기 전구체 전해질 모델링에 UV 램프를 조사하여 전해질 필름을 얻는 단계를 포함하는 상기 고분자 화합물의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) dissolving LiFSI in PEGDMA to prepare a precursor solution; (b) adding a photoinitiator to the precursor solution and stirring by adding an organic solvent; (c) casting the stirred precursor solution onto a plate and evaporating an organic solvent to obtain a precursor electrolyte modeling; And (d) irradiating a UV lamp to model the precursor electrolyte to obtain an electrolyte film.

일 구현예에서, 단계(a)의 상기 LiFSI 및 PEGDMA는 15:85 ~ 45:55 중량비로 혼합될 수 있다.In one embodiment, the LiFSI and PEGDMA in step (a) may be mixed in a weight ratio of 15:85 to 45:55.

일 구현예에서, 단계(b)의 상기 광개시제는 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-2-methylpropiophenone, HMPP)일 수 있으며, PEGDMA의 0.1 ~ 5 중량%로 첨가될 수 있다.In one embodiment, the photoinitiator of step (b) may be 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (HMPP), and may be added in an amount of 0.1 to 5% by weight of PEGDMA. have.

일 구현예에서, 단계(b)의 상기 유기용매는 아세톤일 수 있으며, 유기용매 : 전구체 용액 = 30 : 1 ~ 1 : 1(v/w)의 비율로 첨가될 수 있다.In one embodiment, the organic solvent in step (b) may be acetone, and may be added in a ratio of organic solvent: precursor solution = 30: 1 to 1: 1 (v/w).

일 구현예에서, 단계(d)의 상기 UV 램프는 100 ~ 300 mW/cm2의 조사 피크 강도일 수 있으며, 상기 조사는 10 ~ 100 분 동안 수행될 수 있다.In one embodiment, the UV lamp of step (d) may have an irradiation peak intensity of 100 to 300 mW/cm 2 , and the irradiation may be performed for 10 to 100 minutes.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상기 고분자 화합물을 포함하는 리튬이온 배터리용 자립형 겔 고분자 전해질이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a self-supporting gel polymer electrolyte for a lithium ion battery comprising the polymer compound.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상기 자립형 겔 고분자 전해질을 포함하는 리튬이온 배터리가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium ion battery including the self-standing gel polymer electrolyte.

본 발명의 LiFSI를 활용한 자립형 겔화 고분자 화합물은 150 ℃ 이하에서 우수한 열 안정성을 나타내고, 매우 낮은 유리 전이 온도(T g )(약 -75 ℃)를 나타내며, 소성 결정 거동을 나타내어, 결과적으로 우수한 실온 이온 전도도를 나타내는 것이 확인되었다.The self-standing gelling polymer compound using LiFSI of the present invention exhibits excellent thermal stability at 150° C. or lower, exhibits a very low glass transition temperature ( T g ) (about -75° C.), and exhibits sintering crystal behavior, resulting in excellent room temperature. It was confirmed to show ionic conductivity.

따라서, 본 발명의 자립형 겔화 고분자 화합물은 리튬-이온 배터리 분야에서 유연한 리튬-이온 배터리에 적용되는 전해질로서 유용하게 사용될 수 있다.Accordingly, the self-standing gelling polymer compound of the present invention can be usefully used as an electrolyte applied to a flexible lithium-ion battery in the field of lithium-ion batteries.

도 1은 SGPE의 실온에서의 물리적 외관 사진이다.
도 2는 UV-경화 전/후의 SGPE의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 3은 순수 PEGDMA, SGPE 및 EC/DMC 중 1M LiPF6의 열 안정성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 (a) PEGDMA 및 (b) SGPE의 유리 전이 온도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 순수한 PEGDMA, PEGDMA 필름 및 SGPE의 XRD 패턴이다.
도 6은 (a) SGPE30 및 (b) SGPE40의 나이퀴스트 플롯이다.
도 7은 SGPE30 및 SGPE40의 온도-의존적 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 UV-경화에 의해 SGPE를 제조하는 과정을 나타낸 개략도이다.
1 is a photograph of the physical appearance of SGPE at room temperature.
2 is an FT-IR spectrum of SGPE before/after UV-curing.
3 is a graph showing the thermal stability of 1M LiPF 6 in pure PEGDMA, SGPE, and EC/DMC.
4 is a graph showing the glass transition temperatures of (a) PEGDMA and (b) SGPE.
5 is an XRD pattern of pure PEGDMA, PEGDMA film and SGPE.
6 is a Nyquist plot of (a) SGPE30 and (b) SGPE40.
7 is a graph showing the temperature-dependent ionic conductivity of SGPE30 and SGPE40.
8 is a schematic diagram showing a process of manufacturing SGPE by UV-curing.

본 발명은 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드[lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI] 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트[poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA]를 구성 단위로 포함하는 자립형 겔화 고분자 화합물을 제공한다.The present invention is a self-supporting type comprising lithium bis (fluorosulfonyl) imide [lithium bis (fluorosulfonyl) imide, LiFSI] and poly (ethylene glycol) dimethacrylate [poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA] as structural units It provides a gelling polymer compound.

본 발명에서는 일련의 높은 이온 전도성 자립형 겔화 고분자 전해질(self-standing gelled polymer electrolyte, SGPE)을 UV-경화를 통하여 제조하였다. UV-경화는 다양한 기판의 표면을 보호하기 위하여 코팅 산업에 적용되는 기술이다. 이는 용이하고 빠른 중합방법으로서 보다 환경 친화적이며, 용매 없이 제제화할 수 있다. 또한, UV 경화에 의해 제조된 매끄럽고 부드러운 외관은 전극과의 양호한 계면 접촉을 제공할 수 있다. 고분자 매트릭스의 시기에, 저 분자량 UV-경화성 PEGDMA[(poly (ethylene glycol) dimethacrylate)]가 새로운 고분자 매트릭스로서 도입된다. 이러한 PEO 및 이의 유도체(PEGDMA)는 유전 상수가 매우 높아서 리튬 염 용해성이 높다. PEGDMA의 에틸렌 옥사이드 단위는 리튬 이온과 결합된 후 고분자 매트릭스에서 호핑(hopping)에 의해 이온을 수송한다. 따라서, PEGDMA의 높은 사슬 유연성은 이온 수송 및 이온 전도성을 향상시킬 것으로 예상된다. 리튬 염의 경우 LiFSI는 LiTFSI나 LiPF6보다 낮은 점도 및 T g 와 같은 보다 우수한 특성 때문에 전해질염으로 광범위하게 연구되어 왔다. 또한 LiFSI는 전해질의 결정도를 떨어뜨리는 데 상당한 영향을 미친다. 균질한 전구체 전해질 용액을 얻기 위하여 무수 아세톤이 제조 과정에서 첨가되지만, UV-경화 공정 전에 완전히 제거된다. 따라서, SGPE는 용매 및 가소제 없이 제조된다.In the present invention, a series of high ion conductivity self-standing gelled polymer electrolytes (SGPE) were prepared through UV-curing. UV-curing is a technique applied in the coating industry to protect the surface of various substrates. This is an easy and fast polymerization method, which is more environmentally friendly and can be formulated without a solvent. In addition, the smooth and smooth appearance produced by UV curing can provide good interfacial contact with the electrode. At the time of the polymer matrix, low molecular weight UV-curable PEGDMA [(poly (ethylene glycol) dimethacrylate)] is introduced as a new polymer matrix. Such PEO and its derivatives (PEGDMA) have a very high dielectric constant and thus have high lithium salt solubility. The ethylene oxide units of PEGDMA are bound with lithium ions and then transported by hopping in a polymer matrix. Therefore, the high chain flexibility of PEGDMA is expected to improve ion transport and ion conductivity. In the case of lithium salts, LiFSI has been extensively studied as an electrolyte salt because of its lower viscosity than LiTFSI or LiPF 6 and better properties such as T g. In addition, LiFSI has a significant effect on lowering the crystallinity of the electrolyte. Anhydrous acetone is added in the manufacturing process to obtain a homogeneous precursor electrolyte solution, but is completely removed before the UV-curing process. Thus, SGPE is prepared without solvents and plasticizers.

SGPE 특성에 대한 LiFSI의 효과를 비교하기 위하여, 다양한 중량비의 SGPE를 제조하였다. SGPE의 중합은 모두 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier transformation infrared spectroscopy, FT-IR), 열 중량 분석(thermal gravimetric analysis, TGA), 시차 주사 열량 측정(differential scanning calorimetry, DSC) 및 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD)로 조사하였으며, 이온 전도도는 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)으로 측정하였다.In order to compare the effect of LiFSI on SGPE properties, various weight ratios of SGPE were prepared. All polymerizations of SGPE are Fourier transformation infrared spectroscopy (FT-IR), thermal gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), and X-ray diffraction (X-ray diffraction). ray diffraction, XRD), and ion conductivity was measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS).

일 구현예에서, LiFSI 및 PEGDMA는 고분자 화합물에 15:85 ~ 45:55 중량비, 바람직하게는 20:80 ~ 40:60 중량비, 더욱 바람직하게는 30:70 ~ 40:60 중량비로 포함될 수 있다.In one embodiment, LiFSI and PEGDMA may be included in the polymer compound in a weight ratio of 15:85 to 45:55, preferably in a weight ratio of 20:80 to 40:60, and more preferably in a weight ratio of 30:70 to 40:60.

일 구현예에서, 상기 PEGDMA는 수평균 분자량(Mn) 100 ~ 1000, 바람직하게는 200 ~ 800, 더욱 바람직하게는 400 ~ 600일 수 있다.In one embodiment, the PEGDMA may be a number average molecular weight (Mn) of 100 to 1000, preferably 200 to 800, more preferably 400 to 600.

일 구현예에서, 상기 고분자 화합물은 필름 형태일 수 있으며, 두께 500 μm 미만, 바람직하게는 400 μm, 더욱 바람직하게는 300 μm일 수 있다.In one embodiment, the polymer compound may be in the form of a film, and may have a thickness of less than 500 μm, preferably 400 μm, and more preferably 300 μm.

본 발명은 또한, (a) LiFSI를 PEGDMA에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전구체 용액에 광개시제를 첨가하고 유기용매를 첨가하여 교반하는 단계; (c) 상기 교반된 전구체 용액을 판 상에 캐스팅하고 유기용매를 증발시켜 전구체 전해질 모델링을 얻는 단계; 및 (d) 상기 전구체 전해질 모델링에 UV 램프를 조사하여 전해질 필름을 얻는 단계를 포함하는 상기 고분자 화합물의 제조방법을 제공한다.The present invention also includes the steps of: (a) dissolving LiFSI in PEGDMA to prepare a precursor solution; (b) adding a photoinitiator to the precursor solution and stirring by adding an organic solvent; (c) casting the stirred precursor solution onto a plate and evaporating an organic solvent to obtain a precursor electrolyte modeling; And (d) irradiating a UV lamp to model the precursor electrolyte to obtain an electrolyte film.

본 발명의 제조방법은 LiFSI를 PEGDMA에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계[즉, 단계(a)]를 포함한다. 단계(a)에서, LiFSI 및 PEGDMA의 혼합 포함비는 상기에서 설명한 바와 같다.The manufacturing method of the present invention includes a step of preparing a precursor solution by dissolving LiFSI in PEGDMA (ie, step (a)). In step (a), the mixing ratio of LiFSI and PEGDMA is as described above.

본 발명의 제조방법은 단계(a)에서 얻어진 상기 전구체 용액에 광개시제를 첨가하고 유기용매를 첨가하여 교반하는 단계[즉, 단계(b)]를 포함한다. 단계(b)에서, 상기 광개시제는 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-2-methylpropiophenone, HMPP)일 수 있으며, PEGDMA의 0.1 ~ 5 중량%, 바람직하게는 PEGDMA의 0.5 ~ 3 중량%로 첨가될 수 있다. 또한, 단계(b)에서 사용되는 유기용매는 LiFSI와 PEGDMA를 균질하게 용해시킬 수 있는 유기용매라면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 아세톤, 디메틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 및 에틸메틸 카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상, 더욱 바람직하게는 무수 아세톤일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 유기용매는 유기용매 : 전구체 용액 = 30 : 1 ~ 1 : 1(v/w)의 비율, 바람직하게는 10 : 1 ~ 2 : 1(v/w)로 첨가될 수 있다. 상기 모든 출발 물질을 유기용매와 혼합하고 용해될 때까지 실온에서 3 ~ 4 시간 동안 교반하여 균질한 용액을 제조한다.The manufacturing method of the present invention includes a step of adding a photoinitiator to the precursor solution obtained in step (a), adding an organic solvent, and stirring [ie, step (b)]. In step (b), the photoinitiator may be 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (HMPP), 0.1 to 5% by weight of PEGDMA, preferably 0.5 to 5% by weight of PEGDMA. It can be added in 3% by weight. In addition, the organic solvent used in step (b) may be used without limitation as long as it is an organic solvent capable of homogeneously dissolving LiFSI and PEGDMA, and preferably from the group consisting of acetone, dimethyl carbonate, ethylene carbonate, and ethylmethyl carbonate. At least one selected, more preferably anhydrous acetone may be used, but is not limited thereto. The organic solvent may be added in a ratio of organic solvent: precursor solution = 30: 1 to 1: 1 (v/w), preferably 10: 1 to 2: 1 (v/w). All of the starting materials are mixed with an organic solvent and stirred at room temperature for 3 to 4 hours until dissolved to prepare a homogeneous solution.

본 발명의 제조방법은 단계(b)에서 얻어진 상기 교반된 전구체 용액을 판 상에 캐스팅하고 유기용매를 증발시켜 전구체 전해질 모델링을 얻는 단계[즉, 단계(c)]를 포함한다. 단계(c)에서 사용되는 판은 출발 물질이 모두 용해된 전구체 용액을 필름 상으로 만들수 있는 판이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 유리판을 사용할 수 있다.The manufacturing method of the present invention includes a step of casting the stirred precursor solution obtained in step (b) onto a plate and evaporating an organic solvent to obtain a precursor electrolyte modeling [ie, step (c)]. The plate used in step (c) may be used without limitation as long as it is a plate capable of making a precursor solution in which all of the starting materials are dissolved into a film.

본 발명의 제조방법은 단계(c)에서 얻어진 상기 전구체 전해질 모델링에 UV 램프를 조사하여 전해질 필름을 얻는 단계[즉, 단계(d)]를 포함한다. 단계(d)에서 사용되는 UV 램프는 100 ~ 300 mW/cm2의 조사 피크 강도일 수 있으며, 상기 조사는 10 ~ 100 분 동안 수행될 수 있다.The manufacturing method of the present invention includes a step (ie, step (d)) of obtaining an electrolyte film by irradiating a UV lamp on the precursor electrolyte modeling obtained in step (c). The UV lamp used in step (d) may have an irradiation peak intensity of 100 to 300 mW/cm 2 , and the irradiation may be performed for 10 to 100 minutes.

본 발명은 또한, 상기 고분자 화합물을 포함하는 리튬이온 배터리용 자립형 겔 고분자 전해질을 제공한다.The present invention also provides a self-supporting gel polymer electrolyte for a lithium ion battery comprising the polymer compound.

본 발명은 또한, 상기 자립형 겔 고분자 전해질을 포함하는 리튬이온 배터리를 제공한다.The present invention also provides a lithium ion battery comprising the self-standing gel polymer electrolyte.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Example>

1. 실험1. Experiment

1.1 재료1.1 material

폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(PEGDMA, 평균 Mn 550) 및 광개시제 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-2-methylpropiophenone, HMPP, 99 %), 에틸렌 카보네이트 및 디메틸 카보네이트(50v/50v) 중 리튬 헥사플루오로포스페이트(lithium hexafluorophosphate) 용액 (1.0 M LiPF6 EC/DMC)은 알드리치(Aldrich)에서 구입했다. LiFSI는 천보사(Chunbo Co., Ltd.)로부터 입수하였다. Hg UV 램프는 200 mW/cm2의 조사 피크 강도를 갖는 것으로 리히첸(Lichtzen)으로부터 구입하였다. 아세톤 용매를 증류로 정제하여 물을 제거하였다. UV 중합 공정 및 화학 구조는 도 8에 나타내었다.Polyethylene glycol dimethacrylate (PEGDMA, average Mn 550) and photoinitiator 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (HMPP, 99%), ethylene carbonate and dimethyl carbonate (50v/50v) ) In a solution of lithium hexafluorophosphate (1.0 M LiPF 6 EC/DMC) was purchased from Aldrich. LiFSI was obtained from Chunbo Co., Ltd. The Hg UV lamp was purchased from Lichtzen as having an irradiation peak intensity of 200 mW/cm 2. The acetone solvent was purified by distillation to remove water. The UV polymerization process and chemical structure are shown in FIG. 8.

1.2 자립형 겔화 고분자 전해질의 제조1.2 Preparation of self-supporting gelled polymer electrolyte

상이한 중량비의 LiFSI를 PEGDMA에 용해시켜 SGPE의 전구체 용액을 제조하였다. 그 다음, 광개시제 HMPP를 상기 용액에 첨가하였고, 이 때 HMPP의 농도는 PEGDMA 양의 1-2 중량%였다. 무수 아세톤을 최종적으로 첨가하여 균질한 용액을 얻었고, 아세톤과 혼합 용액의 비는 3 : 1(v/w)이었다. 그 후, 모든 출발 물질이 용해될 때까지 실온에서 3 ~ 4 시간 동안 교반시켰다. 전구체 용액을 실리콘 모델(내부 6 cm x 6 cm)로 부착된 유리판(8 cm x 8 cm) 상에 캐스팅한 후, 무수 아세톤을 제거하였다. 마지막으로, 전구체 전해질 모델링을 Hg UV 램프 조사(Lichtzen)에 20 분 동안 노출시켜 자립형 겔화 고분자 전해질을 수득하였다. 여기에서, 샘플 SGPEn에서 'n'은 전해질에서 LiFSI의 wt%를 의미한다.Different weight ratios of LiFSI were dissolved in PEGDMA to prepare a precursor solution of SGPE. Then, the photoinitiator HMPP was added to the solution, at which time the concentration of HMPP was 1-2% by weight of the amount of PEGDMA. Anhydrous acetone was finally added to obtain a homogeneous solution, and the ratio of the acetone and the mixed solution was 3: 1 (v/w). Then, it was stirred at room temperature for 3-4 hours until all starting materials were dissolved. The precursor solution was cast on a glass plate (8 cm x 8 cm) attached with a silicon model (6 cm x 6 cm inside), and anhydrous acetone was removed. Finally, the precursor electrolyte modeling was exposed to Hg UV lamp irradiation (Lichtzen) for 20 minutes to obtain a self-standing gelled polymer electrolyte. Here,'n' in the sample SGPEn means the wt% of LiFSI in the electrolyte.

1.3 자립형 고분자 전해질의 특성1.3 Characteristics of self-supporting polymer electrolyte

SGPE의 중합은 실온에서 4 cm-1의 스펙트럼 분해능을 갖는 FT-IR(Nicolet iS5 FTIR 분광계)로 확인하였다. 열 안정성 거동은 10 ml/min의 질소 유속 하에서 10 ℃/분의 가열 속도로 25 ℃부터 500 ℃까지 열 중량 분석기(Perkin-Elmer TGA-7)로 측정하였다. 샘플의 무게는 3 mg 내지 5 mg으로 조절하였다. SGPE의 유리 전이 온도(Glass transition temperature, T g )는 질소 가스 분위기 하에서 10 ℃/분의 가열 속도로 -80 ℃ 내지 120 ℃에서 DSC(Perkin-Elmer DSC 6000)로 검출하였다. XRD(Dmax2500/PC)를 사용하여 SGPE 및 PEGDMA의 소성 결정 거동을 검증하였다. 샘플을 실온에서 2 °/분의 속도로 10 ° 내지 80 °로 스캔하였다. 이온 전도도(ionic conductivity, σ, mS/cm)를 계산하기 위하여, 5 mV의 진폭으로 0.1 Hz ~ 1 MHz의 주파수 범위에서 30 ℃에서 90 ℃까지 자가제작 2 전극 셀을 사용하여 EIS를 측정하였다. 자가제작 전지를 조립하기 위하여, SGPE를 2 개의 전도성 니켈 포일 디스크 사이에 끼우고 2 개의 FTO 유리 전극 사이에 위치시켰다. 전도도는 하기 계산식 1에 의해 계산하였다.The polymerization of SGPE was confirmed by FT-IR (Nicolet iS5 FTIR spectrometer) having a spectral resolution of 4 cm -1 at room temperature. The thermal stability behavior was measured with a thermal gravimetric analyzer (Perkin-Elmer TGA-7) from 25°C to 500°C at a heating rate of 10°C/min under a nitrogen flow rate of 10 ml/min. The weight of the sample was adjusted to 3 mg to 5 mg. The glass transition temperature ( T g ) of SGPE was detected by DSC (Perkin-Elmer DSC 6000) at -80°C to 120°C at a heating rate of 10°C/min in a nitrogen gas atmosphere. The firing crystal behavior of SGPE and PEGDMA was verified using XRD (Dmax2500/PC). Samples were scanned from 10° to 80° at room temperature at a rate of 2°/min. To calculate the ionic conductivity (σ, mS/cm), EIS was measured using a self-made two-electrode cell from 30°C to 90°C in the frequency range of 0.1 Hz to 1 MHz with an amplitude of 5 mV. To assemble a self-made cell, SGPE was sandwiched between two conductive nickel foil disks and placed between two FTO glass electrodes. Conductivity was calculated by the following formula 1.

<계산식 1><Calculation 1>

σ = l / (R Χ A)σ = l / (R Χ A)

여기서 ‘l’과 ‘A’는 각각 SGPE의 두께와 면적을 나타낸다.Here,'l' and'A' represent the thickness and area of SGPE, respectively.

2. 결과 및 토론2. Results and discussion

전구체 혼합물 용액으로부터 UV-경화 중합을 통하여 일련의 SGPE를 제조하였고, 제조된 SGPE의 외관을 도 1에 나타내었다. 전구체 용액은, 유리판으로부터 쉽게 박리될 수 있는 투명하고 유연한 전해질 필름으로 변하였다. SGPE의 두께는 실리콘 모델 크기와 전구체 용액의 양을 조정하여 300 μm 미만으로 제어하였다. 그러나, SGPE50은 과량의 리튬 염 함량으로 인해 제조될 수 없었으며 완전한 전해질 필름을 제작할 수 없게 되었다. SGPE의 화학적 구조 및 UV 중합은 FT-IR에 의해 확인되었다. UV-경화 전에는, 도 2에 나타난 바와 같이, C=C 및 C=O 이중 결합의 PEGDMA 특성 흡수 피크는 각각 1640 cm-1 및 1725 cm-1에 존재한다. UV-경화 후에는, C=O 이중 결합 만이 1725 cm-1에 남아있고 C=C 이중 결합의 피크는 사라졌다. 또한, LiFSI의 전형적인 S=O 신장(stretch) 피크는 UV-경화 전 또는 후에 여전히 1376 cm-1 및 1172 cm-1에 위치한다. FT-IR 그래프는 SGPE의 중합이 UV-경화 후에 달성되었으며 LiFSI가 여전히 경화 공정에 있음을 시사한다.A series of SGPE was prepared through UV-curing polymerization from the precursor mixture solution, and the appearance of the prepared SGPE is shown in FIG. 1. The precursor solution turned into a transparent and flexible electrolyte film that could be easily peeled off from the glass plate. The thickness of the SGPE was controlled to be less than 300 μm by adjusting the silicon model size and the amount of the precursor solution. However, SGPE50 could not be prepared due to an excessive lithium salt content, and a complete electrolyte film could not be produced. The chemical structure and UV polymerization of SGPE was confirmed by FT-IR. Before UV-curing, as shown in FIG. 2, the absorption peaks of the PEGDMA characteristics of the C=C and C=O double bonds exist at 1640 cm -1 and 1725 cm -1, respectively. After UV-curing, only the C=O double bond remained at 1725 cm -1 and the peak of the C=C double bond disappeared. In addition, the typical S=O stretch peaks of LiFSI are still located at 1376 cm -1 and 1172 cm -1 before or after UV-curing. The FT-IR graph suggests that polymerization of SGPE was achieved after UV-curing and LiFSI is still in the curing process.

과열은 LIB 사고를 유발하는 가장 일반적인 이유 중 하나이며 배터리 작동시 열이 발생한다. 결과적으로, 전해질 또는 분리막을 포함하거나 그렇지 않거나 배터리에 포함된 모든 구성 요소는 양호한 열적 안정성이 요구된다. 열 특성은 각각 TGA와 DSC로 검출하였다. 도 3에 나타난 바와 같이, 순수한 PEGDMA가 최상의 열 안정성을 가지며, 중량 감소는 175 ℃에서 시작하는 것이 뚜렷이 나타나 있다. 이와는 대조적으로, 상업적 액체 전해질(EC/DMC 중 1.0 M LiPF6)은 가장 낮은 열 내구성을 나타내며 중량이 처음부터 급격히 분해되었다. SGPE의 경우, 중량 손실은 150 ℃에서 약간 감소하고 LiFSI 및 PEGDMA의 열 안정성에 해당하는 210 ℃에서 크게 분해되었다. 도 3으로부터, 상용 액체 전해질과 비교할 때, SGPE가 더 유망한 열 안정성을 가지고 있어 배터리 열 안정성과 안전성을 향상시킬 수 있음을 나타낸다.Overheating is one of the most common reasons for LIB accidents, and heat is generated when the battery is operated. As a result, good thermal stability is required for all components, including or not including an electrolyte or a separator, or included in a battery. Thermal properties were detected by TGA and DSC, respectively. As shown in Fig. 3, it is evident that pure PEGDMA has the best thermal stability, and the weight loss starts at 175°C. In contrast, the commercial liquid electrolyte (1.0 M LiPF 6 in EC/DMC) exhibits the lowest thermal endurance and its weight is rapidly decomposed from the beginning. In the case of SGPE, the weight loss decreased slightly at 150° C. and largely decomposed at 210° C., corresponding to the thermal stability of LiFSI and PEGDMA. From FIG. 3, it is shown that SGPE has more promising thermal stability, and thus battery thermal stability and safety can be improved as compared with a commercial liquid electrolyte.

보겔 탐만-풀처(Vogel-Tammann-Fulcher) 거동에 따르면, 고분자의 T g 는 자유 부피 및 이온 전도도와 관련이 있다. 일반적으로, 이온 전도도는 T g 와 상호 관계를 나타내므로 전해질의 이온 전도도를 높이면 물질의 T g 를 감소시켜야 한다. 도 4에서 SGPE는 각각 -75.33 ℃(SGPE20), -74.47 ℃(SGPE30) 및 -74.02 ℃(SGPE40)인 매우 낮은 T g 를 나타내며, 이는 순수한 PEGDMA(-69.54 ℃)보다 훨씬 낮다. PEGDMA 농도가 감소함에 따라 약간의 증가가 관찰되지만, T g 는 여전히 -74 ℃ 정도에서 유지된다. 또한, SGPE는 온도의 증가에 따라 관찰되는 흡열 피크는 없으며 이는 융점을 갖지 않음을 나타낸다. DSC 그래프는 UV-경화 후, 매우 우수한 T g 를 갖는 비정질 SGPE가 수득됨을 입증한다. SGPE에서 상이한 농도의 LiFSI로 인해, T g 가 약간 변동되는 것이 관찰되지만, SGPE의 소성 결정 거동은 사라지지 않는다.According to the Vogel-Tammann-Fulcher behavior, the T g of a polymer is related to its free volume and ionic conductivity. In general, the ionic conductivity has a correlation with T g , so increasing the ionic conductivity of the electrolyte should reduce the T g of the material. In FIG. 4, SGPE shows very low T g of -75.33 °C (SGPE20), -74.47 °C (SGPE30) and -74.02 °C (SGPE40), respectively, which is much lower than that of pure PEGDMA (-69.54 °C). A slight increase is observed as the PEGDMA concentration decreases, but the T g is still maintained at around -74°C. In addition, SGPE has no endothermic peak observed with increasing temperature, indicating that it does not have a melting point. The DSC graph demonstrates that after UV-curing, amorphous SGPE with very good T g is obtained. Due to the different concentrations of LiFSI in SGPE, it is observed that the T g fluctuates slightly, but the plastic crystal behavior of SGPE does not disappear.

전술한 바와 같이, 결정상은 고분자 사슬 역학을 지연시키고 낮은 이온 수송을 야기하는 주된 이유로 여겨진다. 반면, 이러한 현상은 활성화된 사슬 세그먼트를 갖는 비정질 상에 의해 완화될 수 있다. 이러한 점에 근거하여, PEGDMA 및 SGPE의 소성 결정 거동은 XRD 분석에 의해 확인된다. 도 5에서, 순수한 PEGDMA 단량체는 20 °에서 크고 넓은 피크를 갖는 것이 뚜렷하게 나타났고, 이는 PEGDMA의 결정 특성에 상응하는 것이다. 이와는 달리, UV-경화 후, 이러한 전형적인 피크는 SGPE에 있어서 급격히 작은 피크로 감소되었고, 이는 SGPE가 비정질 특성을 획득한 것으로 설명될 수 있다. 더욱이, SGPE는 순수한 PEGMDA 필름보다도 더 적은 결정상을 나타내었고, 이는 LiFSI에서 FSI의 구조가 PEGMDA의 사이에 존재함으로써 주 사슬의 사이의 거리를 넓혀 주기 때문에 결정상의 형성을 상당히 완화시켜 줄 수 있음을 시사한다.As mentioned above, the crystalline phase is believed to be the main reason for delaying the polymer chain dynamics and causing low ion transport. On the other hand, this phenomenon can be alleviated by the amorphous phase with activated chain segments. Based on this point, the firing crystal behavior of PEGDMA and SGPE is confirmed by XRD analysis. In Fig. 5, it was clearly shown that the pure PEGDMA monomer had a large and broad peak at 20°, which corresponds to the crystalline properties of PEGDMA. On the contrary, after UV-curing, this typical peak was reduced to a sharply small peak for SGPE, which can be explained as SGPE acquired amorphous properties. Moreover, SGPE showed less crystalline phase than pure PEGMDA film, suggesting that the FSI structure in LiFSI can significantly alleviate the formation of crystal phase because it widens the distance between main chains by being present between PEGMDA. do.

전해질의 이온 전도도는 전해질에서 리튬 이온의 이동 능력을 나타내는 LIB의 가장 중요한 요인 중 하나이다. 또한, 이는 고분자 전해질을 LIB에서 상용화하는데 있어서의 주요 장벽이기도 하다. SGPE의 이온 전도성을 연구하기 위하여, 먼저 30 ℃ ~ 90 ℃의 상이한 온도에서 EIS를 측정하였으며, 나이퀴스트 플롯은 도 6에 나타내었다. 그러나, SGPE20의 임피던스가 너무 높아서 도 6에는 SGPE30 및 SGPE40만 나타나 있다. SGPE40은 SGPE30에 비해 저항이 낮다는 것이 뚜렷하고, 이러한 경향은 전체 온도 측정 범위에 적용된다. 계산식 1에 따르면, 이러한 결과는 SGPE의 이온 전도도에 직접 영향을 줄 수 있다. 결과적으로, 도 7에서, SGPE40은 조사 온도 범위 전체에서 SGPE30 보다 높은 이온 전도도를 보이는 것으로 관찰되었다. 또한, SGPE30(σ = 1.11 mS/cm) 및 SGPE40(σ = 5.21 mS/cm)은 모두 양호한 수준의 이온 전도도에 도달하였고, 실온에서도 액체 전해질에 매우 근접하여, 전해질 후보로서 SGEP가 LIB에 적용될 수 있음을 시사하였다.The ionic conductivity of the electrolyte is one of the most important factors of LIB, which indicates the mobility of lithium ions in the electrolyte. In addition, this is a major barrier to commercialization of polymer electrolytes in LIB. In order to study the ionic conductivity of SGPE, EIS was first measured at different temperatures of 30° C. to 90° C., and the Nyquist plot is shown in FIG. 6. However, since the impedance of SGPE20 is too high, only SGPE30 and SGPE40 are shown in FIG. 6. It is clear that the SGPE40 has a lower resistance compared to the SGPE30, and this trend applies to the entire temperature measurement range. According to Equation 1, these results can directly affect the ionic conductivity of SGPE. As a result, in FIG. 7, it was observed that SGPE40 exhibits higher ionic conductivity than SGPE30 over the entire irradiation temperature range. In addition, SGPE30 (σ = 1.11 mS/cm) and SGPE40 (σ = 5.21 mS/cm) both reached good levels of ionic conductivity, and they are very close to the liquid electrolyte even at room temperature, so SGEP can be applied to LIB as an electrolyte candidate. Suggests that there is.

3. 결론3. Conclusion

상이한 LiFSI 중량비를 갖는 일련의 유연한 자립형 겔화 고분자 전해질을 UV-경화에 의해 제조하였다. 기능기의 변화를 모니터링하여 FT-IR로 중합을 확인하였다. 그러나, SGPE50은 전구체 용액에서 높은 리튬 염 농도로 인해 온전한 전해질 필름을 제조하는 것이 어렵게 되어 본 발명에서 논의되지 않았다. 한편, SGPE가 전해질로 사용되면, 충분한 열 안정성이 LIB의 안전성을 상승시킬 수 있다. 또한, SGEP의 소성 결정 거동(비정질) 및 낮은 유리 전이 온도(약 -75 ℃)는 높은 이온 전도성을 의미하며, 결과적으로 SGPE30(1.11 mS/cm) 및 SGPE40(5.21 mS) 모두에서 우수한 이온 전도도가 실온에서 관찰되었다. 그러나, SGPE20는 임피던스가 너무 높아 본 발명에서 시험할 수 없었다. 한편, SGPE의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 심도깊는 셀 테스트가 체계적으로 연구되어야 한다. 그러나, 위에서 관찰된 SGPE의 양호한 특성을 고려하면, 이들 새로운 SGPE는 LIB의 전해질 후보로서의 전망을 입증한다.A series of flexible freestanding gelled polymer electrolytes with different LiFSI weight ratios were prepared by UV-curing. The change in functional groups was monitored and polymerization was confirmed by FT-IR. However, SGPE50 has not been discussed in the present invention because it is difficult to prepare an intact electrolyte film due to the high lithium salt concentration in the precursor solution. On the other hand, when SGPE is used as an electrolyte, sufficient thermal stability can increase the safety of LIB. In addition, the sintering crystal behavior (amorphous) and low glass transition temperature (about -75 °C) of SGEP mean high ionic conductivity, resulting in excellent ionic conductivity in both SGPE30 (1.11 mS/cm) and SGPE40 (5.21 mS). Observed at room temperature. However, SGPE20 was too high in impedance to be tested in the present invention. Meanwhile, in-depth cell tests should be systematically studied to confirm the electrochemical properties of SGPE. However, considering the good properties of SGPE observed above, these new SGPEs demonstrate the prospect of LIB as an electrolyte candidate.

4. 요약4. Summary

유연한 리튬-이온 배터리에 적용하기 위하여 자외선(UV)-경화를 통해 일련의 신규한 자립형 겔화 고분자 전해질(self-standing gelled polymer electrolyte, SGPE)을 제조하였다. 용제 또는 가소제와 결합된 기존의 겔 폴리머 전해질과는 달리, 본 발명의 신규한 SGPE는 단지 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드[lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI]를 메타크릴 계 단량체인 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트[poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA]와 상이한 중량비로 경화시킴으로써 제조되었다. 특히, 최종 SGPE와 결합된 용매 또는 가소제는 존재하지 않는다. 이로 인해 SGPE는 높은 유연성과 강력한 기계적 안정성을 나타낸다. 또한, 상기 SGPE는 우수한 물리화학적 특성과 전기화학적 특성을 나타낸다. 상기 SGPE는 150 ℃ 이하에서 우수한 열 안정성을 나타내고, 매우 낮은 유리 전이 온도(T g )(약 -75 ℃)를 나타낸다. 또한, 본 연구에서는 SGPE의 소성 결정 거동이 확인되었다. 결과적으로, SGPE는 우수한 실온 이온 전도도를 나타내며, 이러한 신규한 시리즈의 SGPE는 유망한 전해질 후보로서 유연한 리튬-이온 배터리에 광범위하게 적용될 수 있음을 입증한다.For application to flexible lithium-ion batteries, a series of novel self-standing gelled polymer electrolytes (SGPE) were prepared through ultraviolet (UV)-curing. Unlike conventional gel polymer electrolytes combined with solvents or plasticizers, the novel SGPE of the present invention only uses lithium bis(fluorosulfonyl)imide [LiFSI] as a polymethacrylic monomer. It was prepared by curing at a different weight ratio than (ethylene glycol) dimethacrylate [poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA]. In particular, there are no solvents or plasticizers associated with the final SGPE. Due to this, SGPE exhibits high flexibility and strong mechanical stability. In addition, the SGPE exhibits excellent physicochemical properties and electrochemical properties. The SGPE exhibits excellent thermal stability below 150° C. and exhibits a very low glass transition temperature ( T g ) (about -75° C.). In addition, the plastic crystal behavior of SGPE was confirmed in this study. As a result, SGPE exhibits excellent room temperature ionic conductivity, demonstrating that this new series of SGPE can be widely applied to flexible lithium-ion batteries as promising electrolyte candidates.

Claims (15)

리튬 비스(플루오로설포닐)이미드[lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI] 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트[poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA]를 구성 단위로 포함하는 자립형 겔화 고분자 화합물.A self-supporting gelling polymer compound containing lithium bis(fluorosulfonyl)imide [LiFSI] and poly (ethylene glycol) dimethacrylate [poly (ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA] as structural units . 제1항에 있어서, 상기 LiFSI 및 PEGDMA가 15:85 ~ 45:55 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 고분자 화합물.The polymer compound according to claim 1, wherein the LiFSI and PEGDMA are contained in a weight ratio of 15:85 to 45:55. 제1항에 있어서, 상기 PEGDMA가 수평균 분자량(Mn) 100 ~ 1000인 것을 특징으로 하는 고분자 화합물.The polymer compound according to claim 1, wherein the PEGDMA has a number average molecular weight (Mn) of 100 to 1000. 제1항에 있어서, 상기 고분자 화합물이 필름 형태인 것을 특징으로 하는 고분자 화합물.The polymer compound according to claim 1, wherein the polymer compound is in the form of a film. 제4항에 있어서, 상기 필름이 두께 500 μm 미만인 것을 특징으로 하는 고분자 화합물.The polymer compound according to claim 4, wherein the film has a thickness of less than 500 μm. (a) LiFSI를 PEGDMA에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 전구체 용액에 광개시제를 첨가하고 유기용매를 첨가하여 교반하는 단계;
(c) 상기 교반된 전구체 용액을 판 상에 캐스팅하고 유기용매를 증발시켜 전구체 전해질 모델링을 얻는 단계; 및
(d) 상기 전구체 전해질 모델링에 UV 램프를 조사하여 전해질 필름을 얻는 단계
를 포함하는 제1항의 고분자 화합물의 제조방법.
(a) dissolving LiFSI in PEGDMA to prepare a precursor solution;
(b) adding a photoinitiator to the precursor solution and stirring by adding an organic solvent;
(c) casting the stirred precursor solution onto a plate and evaporating an organic solvent to obtain a precursor electrolyte modeling; And
(d) obtaining an electrolyte film by irradiating a UV lamp on the precursor electrolyte modeling
The method for producing the polymer compound of claim 1 comprising a.
제6항에 있어서, 단계(a)의 상기 LiFSI 및 PEGDMA가 15:85 ~ 45:55 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 6, wherein the LiFSI and PEGDMA in step (a) are mixed in a weight ratio of 15:85 to 45:55. 제6항에 있어서, 단계(b)의 상기 광개시제가 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-2-methylpropiophenone, HMPP)인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 6, wherein the photoinitiator in step (b) is 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (HMPP). 제6항에 있어서, 단계(b)의 상기 광개시제가 PEGDMA의 0.1 ~ 5 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 6, wherein the photoinitiator of step (b) is added in an amount of 0.1 to 5% by weight of PEGDMA. 제6항에 있어서, 단계(b)의 상기 유기용매가 아세톤인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 6, wherein the organic solvent in step (b) is acetone. 제6항에 있어서, 단계(b)의 상기 유기용매가 유기용매 : 전구체 용액 = 30 : 1 ~ 1 : 1(v/w)의 비율로 첨가되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 6, wherein the organic solvent of step (b) is added in a ratio of organic solvent: precursor solution = 30: 1 to 1: 1 (v/w). 제6항에 있어서, 단계(d)의 상기 UV 램프가 100 ~ 300 mW/cm2의 조사 피크 강도인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 6, wherein the UV lamp of step (d) has an irradiation peak intensity of 100 to 300 mW/cm 2. 제6항에 있어서, 단계(d)의 상기 조사가 10 ~ 100 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 6, wherein the irradiation in step (d) is performed for 10 to 100 minutes. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 고분자 화합물을 포함하는 리튬이온 배터리용 자립형 겔 고분자 전해질.A self-supporting gel polymer electrolyte for a lithium ion battery comprising the polymer compound of any one of claims 1 to 5. 제14항의 자립형 겔 고분자 전해질을 포함하는 리튬이온 배터리.A lithium ion battery comprising the self-standing gel polymer electrolyte of claim 14.
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