KR20210073078A - 플렉서블 리튬 이차 전지용 복합 강화 폴리머 전해질 및 이의 제조 방법 - Google Patents

플렉서블 리튬 이차 전지용 복합 강화 폴리머 전해질 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210073078A
KR20210073078A KR1020190163543A KR20190163543A KR20210073078A KR 20210073078 A KR20210073078 A KR 20210073078A KR 1020190163543 A KR1020190163543 A KR 1020190163543A KR 20190163543 A KR20190163543 A KR 20190163543A KR 20210073078 A KR20210073078 A KR 20210073078A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polymer electrolyte
thin film
reinforced polymer
composite reinforced
porous thin
Prior art date
Application number
KR1020190163543A
Other languages
English (en)
Inventor
오일권
오세웅
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190163543A priority Critical patent/KR20210073078A/ko
Priority to US17/113,592 priority patent/US20210175543A1/en
Publication of KR20210073078A publication Critical patent/KR20210073078A/ko

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/20Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
    • C08J5/22Films, membranes or diaphragms
    • C08J5/2206Films, membranes or diaphragms based on organic and/or inorganic macromolecular compounds
    • C08J5/2218Synthetic macromolecular compounds
    • C08J5/2231Synthetic macromolecular compounds based on macromolecular compounds obtained by reactions involving unsaturated carbon-to-carbon bonds
    • C08J5/2237Synthetic macromolecular compounds based on macromolecular compounds obtained by reactions involving unsaturated carbon-to-carbon bonds containing fluorine
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F214/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen
    • C08F214/18Monomers containing fluorine
    • C08F214/28Hexyfluoropropene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00Use of organic ingredients
    • C08K5/0008Organic ingredients according to more than one of the "one dot" groups of C08K5/01 - C08K5/59
    • C08K5/0025Crosslinking or vulcanising agents; including accelerators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0565Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058Construction or manufacture
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F114/00Homopolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen
    • C08F114/18Monomers containing fluorine
    • C08F114/22Vinylidene fluoride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F214/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen
    • C08F214/18Monomers containing fluorine
    • C08F214/22Vinylidene fluoride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2327/00Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers
    • C08J2327/02Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08J2327/12Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C08J2327/16Homopolymers or copolymers of vinylidene fluoride
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/30Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0082Organic polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0088Composites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0088Composites
    • H01M2300/0091Composites in the form of mixtures
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법은 다공성 박막을 제조하는 단계, 다공성 박막에 전해질을 함침시키는 단계, 그리고 함친된 다공성 박막에 자외선을 조사하는 단계를 포함한다. 제조된 복합 강화 폴리머 전해질은 폴딩, 밴딩, 롤링 등의 기계적 변형에서 구조를 안정적으로 유지하면서 전기화학적 성능이 유지될 수 있으며, 플렉서블 리튬 이차 전지에 사용될 수 있다.

Description

플렉서블 리튬 이차 전지용 복합 강화 폴리머 전해질 및 이의 제조 방법{REINFORCED COMPOSITE POLYMER ELECTROLYTE FOR FLEXIBLE LITHIUM ION SECONDARY BATTERY AND METHODE OF MANUFACTURING THE SAME}
플렉서블 리튬 이차 전지용 복합 강화 폴리머 전해질 및 이의 제조 방법이 제공된다.
기술이 발전함에 따라, 밴딩, 롤링, 그리고 폴딩과 같이 다양한 형태의 변형을 수반하는 전자기기의 수요가 높아지고 있다. 플렉서블 디스플레이, 센서 등의 개발이 활발히 이루어지고 있으나, 에너지 공급원으로 사용되는 배터리는 그 전해질의 사용이 기계적 변형에 취약한 구조를 보이기 때문에 플렉서블 전자기기에 적용하는 것이 용이하지 않다.
이에 따라, 기존 전해질이 갖는 낮은 기계적 강도를 강화하면서 전기화학적 성능은 유지하는 연구 개발이 이루어 지고 있다.
한국공개특허 2017-0142928 한국등록특허 1,066,390
일 실시예는 기존의 폴리머 전해질에 비해 폴딩, 밴딩, 롤링 등의 기계적 변형에서 구조를 안정적으로 유지하면서 전기화학적 성능을 보존할 수 있는 전해질을 제공하기 위한 것이다.
일 실시예는 기존의 폴리머 전해질에 비해 단시간에 다량의 합성이 가능한 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
일 실시예는 환경친화적인 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법은 다공성 박막을 제조하는 단계, 다공성 박막에 전해질을 함침시키는 단계, 그리고 함침된 다공성 박막에 자외선을 조사하는 단계를 포함한다.
다공성 박막을 제조하기 위한 주재료는 폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)) 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 아세톤, 그리고 물을 포함할 수 있다.
아세톤과 물의 혼합 비율은 98:2 내지 90:10의 부피비율일 수 있다.
폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)) 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌을 용해하는 농도는 전체 용액 기준 20mg/ml 내지 약 120mg/ml일 수 있다.
자외선은 310 nm 내지 315 nm의 파장과 30mW/cm2의 내지 40mW/cm2 크기를 가질 수 있으며 1분 내지 5분 동안 조사될 수 있다.
전해질은 가교제, 가소제, 리튬염, 그리고 폴리머 광개시제를 포함할 수 있다.
가교제는 폴리 에틸렌글리콜 디아크릴레이트(poly ethylene glycol diacrylate), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide)를 포함한 아크릴레이트 계열의 단량체, 또는 이들 모두를 포함할 수 있다.
가소제는 석시노나이트릴(succinonitrile), 1-부틸-3-메틸이미다졸리엄 비스 트리플루오르메틸술포닐 이미드(1-butyl-3-methylimiazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 1-에틸-3-메틸이미다졸리엄 비스 트리플루오르메틸술포닐 이미드(1-ethyl-3-methylimiazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
리튬염은 리튬 비스 트리플루오르메탄술포닐 이미드(lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 리튬 헥사플루오르포스페이트(lithium hexafluorophosphate), 리튬 비스 옥살라토보레이트(lithium bis(oxalato)borate), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
폴리머 광개시제는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 (2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone), 2-벤질-2-(디메틸아미노)-1-[4-(몰포리노)페닐]-1-부타논) (2-Benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(morpholino)phenyl]-1-butanone), 4,4'-비스(디메틸아미노)벤조페논 (4,4'-bis(dimethylamino)benzophenone) 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 복합 강화 폴리머 전해질은 강화재로 사용되는 다공성 박막, 그리고 다공성 박막에 함침되어 있는 전해질을 포함한다.
다공성 박막은 표면과 단면 모두 다공성 구조를 가질 수 있으며 두께 방향으로 다공이 연속적으로 연결되어 있을 수 있다.
다공성 박막은 폴리 비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 플렉서블 리튬 이차 전지는, 양극과 음극, 양극과 음극 사이에 위치하는 복합 강화 폴리머 전해질을 포함하고, 복합 강화 폴리머 전해질은, 강화재로 사용되는 다공성 박막, 그리고 다공성 박막에 함침되어 있는 전해질을 포함한다.
일 실시예에 따른 모바일 디바이스는, 전술한 플렉서블 리튬 이차 전지를 포함한다.
일 실시예에 따른 전자기기는, 전술한 플렉서블 리튬 이차 전지를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 다공성 박막을 백본 강화재로 사용하여 폴딩, 밴딩, 롤링 등의 기계적 변형에서 구조가 안정적으로 유지될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 다공성 박막의 다공에 전해질을 균일하게 함침시켜 원활한 리튬 이온 전도가 가능하고 전해질로서의 전기화학적 성능이 보존될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상분리 방법으로 단시간에 다량의 백본 다공성 박막이 제조될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전해질을 박막에 함침시킨 후 자외선을 조사하여 단시간에 다량의 복합 강화 전해질이 제조될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 인체에 유해한 유기 용제의 사용 없이 전해질이 환경친화적으로 제조될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 다공성 박막은 나노 크기의 다공을 요구하는 다양한 엔지니어링 분야에 응용될 수 있다.
도 1은 실시예 1에 따른 다공성 박막을 포함하는 폴리머 전해질의 SEM 표면 이미지이다.
도 2는 실시예 1에 따른 다공성 박막을 포함하는 폴리머 전해질의 폴딩 중 SEM 표면 이미지이다.
도 3은 실시예 1에 따른 다공성 박막을 포함하는 폴리머 전해질의 구부림 각도 변화에 따른 이온 전도성 보존을 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 플렉서블(flexible)이라는 의미는 폴더블(foldable), 폴딩(folding), 밴더블(bendable), 밴딩(bending), 롤러블(rollable), 롤링(rolling) 등의 의미를 모두 포함하는 것이다.
그러면, 일 실시예에 따른 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)) 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)을 주재료 하는 다공성 박막을 제조한다.
폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)) 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌은 아세톤과 물이 혼합된 용액에 용해된다.
아세톤과 물의 혼합 비율은 약 98:2 내지 약 90:10의 부피 비율로 포함될 수 있다. 이러한 범위에 있을 때 다공성 박막의 기공도가 원하는 정도로 조절될 수 있다.
폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)) 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌을 용해하는 농도는 전체 용액의 약 20mg/ml 내지 약 120mg/ml일 수 있다. 이러한 범위에 있을 때 다공성 박막의 다공이 원하는 크기로 조절될 수 있다.
제조된 다공성 박막은 약 50μm 내지 약 100μm 의 두께를 가질 수 있다.
제조된 다공성 박막은 이차 전지용 전해질 외에도 다양한 전자 및 전기 소자에서 다공성을 요구하는 박막으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 태양 전지, 연료 전지, 센서, 구동기 등에 응용될 수 있다.
다음, 혼합된 폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)) 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌 용액을 기재(substrate)에 도포한 후, 약 5분 내지 약 10분의 증발 시간을 거친다.
이러한 증발 과정에서 폴리머와 아세톤, 폴리머와 물 사이의 상분리가 발생하여 다공성의 형태를 갖는 미세 나노 구조가 형성된다.
다음, 가교제, 가소제, 리튬염, 그리고 폴리머 광개시제를 균일하게 혼합하여 전해질을 제조한다.
혼합하는 가교제, 가소제, 리튬염, 그리고 폴리머 광개시제는 서로가 비슷한 극성을 가지기 때문에 혼합시 유해한 유기용매 없이 균질한 혼합이 가능하다. 또한 폴리머 광개시제로 인해 가교제의 중합과정이 자외선에 의해 활성화가 가능하다. 예를 들어, 가교제는 폴리 에틸렌글리콜 디아크릴레이트(poly ethylene glycol diacrylate), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide)를 포함한 아크릴레이트 계열의 단량체(monomer), 또는 이들 모두를 포함할 수 있다.
가소제는 석시노나이트릴(succinonitrile), 1-부틸-3-메틸이미다졸리엄 비스 트리플루오르메틸술포닐 이미드(1-butyl-3-methylimiazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 1-에틸-3-메틸이미다졸리엄 비스 트리플루오르메틸술포닐 이미드(1-ethyl-3-methylimiazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
리튬염은 리튬 비스 트리플루오르메탄술포닐 이미드(lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 리튬 헥사플루오르포스페이트(lithium hexafluorophosphate), 리튬 비스 옥살라토보레이트(lithium bis(oxalato)borate), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
폴리머 광개시제는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 (2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone), 2-벤질-2-(디메틸아미노)-1-[4-(몰포리노)페닐]-1-부타논) (2-Benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(morpholino)phenyl]-1-butanone), 4,4'-비스(디메틸아미노)벤조페논 (4,4'-bis(dimethylamino)benzophenone) 를 포함할 수 있다.
다음, 다공성 박막에 혼합된 전해질을 균일하게 함침시켜 젤 상태의 전해질을 제조한다. 이러한 젤 상태의 전해질은 종래의 액체 상태의 전해질보다 전해질의 누출(leakage)이 없어 종래의 액체 전해질이 누출 될 시 화재의 위험이 있는데 비해 젤 상태의 전해질은 이러한 위험이 없다. 또한 액체 상태 전해질에는 종래의 얇은 분리막이 사용되지만 이는 기계적 변형(접힘 및 굽힘)시 파괴되기 쉬운 반면 젤 상태의 전해질은 강화 복합 형태를 취하여 기계적 강도를 보강할 수 있기 때문에 파괴로 인한 배터리 내부 단락을 예방 할 수 있다는 점에서 좋다.
다음, 전해질이 함침된 박막에 자외선을 조사시켜 최종적으로 복합 강화 폴리머 전해질을 얻는다.
약 310 nm 내지 약 315 nm의 파장과 약 30 mW/cm2의 내지 약 40 mW/cm2 크기의 자외선을 약 1분 내지 약 5분 동안 조사한다. 이러한 자외선의 파장 범위에 있을 때, 첨가되는 폴리머 광가교제의 활성이 최대화되어 가교제의 중합과정에 따른 폴리머 수확률을 최대화 시킬 수 있다. 자외선 조사에 의하여 폴리머 광개시제 활성화시켜 가교제의 가교 반응을 일으키는 경우, 열에 의한 가교 반응에 비해 짧은 시간에 이루어질 수 있다. 또한, 열에 의한 가교 반응은 최소 1시간 이상의 시간을 요구하나 자외선에 의한 가교 반응의 경우 최대 5분 내로 합성 가능하다.
제조된 복합 강화 폴리머 전해질은 약 100μm 내지 약 150μm 의 두께를 가질 수 있다.
종래 기술에 따르면, 100,000-1,000,000 범위의 높은 분자량을 갖는 고분자를 첨가하여 전해질의 기계적 강도를 높인다. 그러나, 이는 고분자의 균일한 혼합을 위해 해로운 유기용매의 사용이 요구되었고 합성에 소요되는 시간이 길다. 또한 기계적 강도 증가를 위해 첨가한 고분자가 전기화학 성능을 감소시키는 결과를 초래한다.
이에 반하여, 일 실시예에 따르면 다공성 박막을 백본 강화재로 사용하여 기계적 강도를 증가시키면서 다공성 박막의 다공에 전해질을 함침시켜 전기화학적 성능이 유지된다.
또한, 유해한 유기용매의 첨가 없이도 균일한 혼합물을 생성할 수 있으며, 상분리 기법 및 자외선 조사를 통해 빠른 시간에 전해질을 제조할 수 있다.
그러면, 일 실시예에 따른 복합 강화 폴리머 전해질에 대하여 상세하게 설명한다.
복합 강화 폴리머 전해질은, 강화재로 사용되는 다공성 박막, 그리고 다공성 박막에 함침되어 있는 전해질을 포함한다.
제조된 다공성 박막은 표면과 단면 모두 다공성 구조를 가지며, 두께 방향으로 다공이 연속적으로 연결되어 있는 구조체를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예 따른 다공성 박막은 다공성 구조가 표면 뿐만 아니라 두께 방향으로도 유지가 된다.
그러나, 종래의 전기방사로 제조한 다공성 박막은 표면에서만 공극을 보일 뿐, 두께 방향으로 다공이 유지되는 구조를 갖지 않는다.
다공성 박막과 전해질에 대한 구체적인 설명은 전술한 내용과 동일하므로 생략한다.
그러면, 일 실시예에 따른 플렉서블 리튬 이차 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
플렉서블 리튬 이차 전지는 양극과 음극, 양극과 음극 사이에 위치하는 복합 강화 폴리머 전해질을 포함한다.
여기서 복합 강화 폴리머 전해질은, 강화재로 사용되는 다공성 박막, 그리고 다공성 박막에 함침되어 있는 전해질을 포함한다.
다공성 박막과 전해질에 대한 구체적인 설명은 전술한 내용과 동일하므로 생략한다.
일 실시예에 따른 플렉서블 리튬 이차 전지는 모바일 디바이스에 사용될 수 있다.
여기서, 모바일 디바이스는 이동이 가능한 형태로 사용 가능한 디바이스를 포함하는 것으로, 전원을 공급받아 작동하는 디바이스이다.
일 실시예에 따른 플렉서블 리튬 이차 전지는 전자기기에 사용될 수 있다.
여기서, 전자기기는 전원 공급에 의해 전기적 및/또는 전자적으로 작동하는 모든 형태의 장치를 포함하는 것이며, 특별한 어떤 형태로 제한되지 않는다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
아세톤과 물이 약 95:5로 혼합된 용액에 약 445,000 g/mol의 분자량을 갖는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌을 전체 용액의 40 mg/ml의 농도로 용해시킨다.
혼합된 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌 용액을 테프론 플레이트에 바코팅(bar-coating)을 통해 균일하게 펼친 후, 약 5 분 동안 증발시킨다.
폴리 에틸렌글리콜 디아크릴레이트를 가교제로, 석시노나이트릴을 가소제로, 리튬 비스 트리플루오르메탄술포닐 이미드를 리튬염으로 하고, 질량비 1:2:2의 비율로 혼합하고, 폴리머 광개시제 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논을 가교제 폴리 에틸렌글리콜 디아크릴레이트 대비 1wt%로 첨가하여 혼합 후 전해질로 사용한다.
혼합된 전해질을 제조한 다공성 박막에 딥 코팅(dip-coating)의 방식으로 약 5분 동안 함침시킨다.
전해질이 함침된 박막을 두 개의 투명 PET 필름 사이에 위치시킨 후 약 312 nm 의 파장과 약 35 mW/cm2의 크기의 자외선을 약 2분 동안 조사하여 최종 강화 복합 폴리머 전해질을 제조한다.
SEM 분석
실시예 1에 따른 다공성 박막을 포함하는 폴리머 전해질의 SEM 표면 이미지를 촬영하여 도 1에 도시한다. 도 1을 참고하면, 다공성 박막은 표면과 단면 모두 다공성 구조를 가지며, 두께 방향으로 다공이 연속적으로 연결되어 있는 구조체를 갖는 것을 알 수 있다.
실시예 1에 따른 다공성 박막을 포함하는 폴리머 전해질의 폴딩 중 SEM 표면 이미지를 촬영하여 도 2에 도시한다. 도 2를 참고하면, 폴딩 중에도 폴리머 전해질의 기계적 강도가 유지되는 것을 알 수 있다.
전해질의 전기화학적 특성 분석
실시예 1에 따른 다공성 박막을 포함하는 폴리머 전해질의 구부림 각도 변화에 따른 이온 전도성 보존을 나타내는 그래프를 도 3에 도시한다. 도 3을 참고하면, 밴딩 상태, 롤링 상태, 그리고 폴딩 상태(θ=180도)에서도 이온 전도성이 보존되어, 폴리머 전해질의 전기화학적 특성이 유지되는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (22)

  1. 다공성 박막을 제조하는 단계,
    상기 다공성 박막에 전해질을 함침시키는 단계, 그리고
    함친된 상기 다공성 박막에 자외선을 조사하는 단계
    를 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 다공성 박막을 제조하기 위한 주재료는 폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)) 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 아세톤, 그리고 물을 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 아세톤과 상기 물의 혼합 비율은 98:2 내지 90:10의 부피비율인 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 폴리 비닐리덴 플루오라이드 또는 상기 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌을 용해하는 농도는 전체 용액 기준 20mg/ml 내지 약 120mg/ml인 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 자외선은 310 nm 내지 315 nm의 파장과 30mW/cm2의 내지 40mW/cm2 크기를 가지며 1분 내지 5분 동안 조사되는 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 전해질은 가교제, 가소제, 그리고 리튬염을 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 가교제는 폴리 에틸렌글리콜 디아크릴레이트(poly ethylene glycol diacrylate), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide)를 포함한 아크릴레이트 계열의 단량체, 또는 이들 모두를 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 가소제는 석시노나이트릴(succinonitrile), 1-부틸-3-메틸이미다졸리엄 비스 트리플루오르메틸술포닐 이미드(1-butyl-3-methylimiazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 1-에틸-3-메틸이미다졸리엄 비스 트리플루오르메틸술포닐 이미드(1-ethyl-3-methylimiazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 또는 이들의 조합을 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법.
  9. 제6항에서,
    상기 리튬염은 리튬 비스 트리플루오르메탄술포닐 이미드(lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 리튬 헥사플루오르포스페이트(lithium hexafluorophosphate), 리튬 비스 옥살라토보레이트(lithium bis(oxalato)borate), 또는 이들의 조합을 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질의 제조 방법.
  10. 제6항에서,
    폴리머 광개시제는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 (2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone), 2-벤질-2-(디메틸아미노)-1-[4-(몰포리노)페닐]-1-부타논) (2-Benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(morpholino)phenyl]-1-butanone), 4,4'-비스(디메틸아미노)벤조페논 (4,4'-bis(dimethylamino)benzophenone) 를 포함할 수 있다.
  11. 강화재로 사용되는 다공성 박막, 그리고
    상기 다공성 박막에 함침되어 있는 전해질
    을 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질.
  12. 제11항에서,
    상기 다공성 박막은 표면과 단면 모두 다공성 구조를 가지며 두께 방향으로 다공이 연속적으로 연결되어 있는 복합 강화 폴리머 전해질.
  13. 제12항에서,
    상기 다공성 박막은 폴리 비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌을 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질.
  14. 제13항에서,
    상기 전해질은 가교제, 가소제, 그리고 리튬염을 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질.
  15. 제14항에서,
    상기 가교제는 폴리 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 폴리 에틸렌 옥사이드를 포함한 아크릴레이트 계열의 단량체, 또는 이들 모두를 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질.
  16. 제14항에서,
    상기 가소제는 석시노나이트릴, 1-부틸-3-메틸이미다졸리엄 비스 트리플루오르메틸술포닐 이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸리엄 비스 트리플루오르메틸술포닐 이미드, 또는 이들의 조합을 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질.
  17. 제14항에서,
    상기 리튬염은 리튬 비스 트리플루오르메탄술포닐 이미드, 리튬 헥사플루오르포스페이트, 리튬 비스 옥살라토보레이트, 또는 이들의 조합을 포함하는 복합 강화 폴리머 전해질.
  18. 양극과 음극,
    상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 복합 강화 폴리머 전해질
    을 포함하고,
    상기 복합 강화 폴리머 전해질은,
    강화재로 사용되는 다공성 박막, 그리고
    상기 다공성 박막에 함침되어 있는 전해질을 포함하는 플렉서블 리튬 이차 전지.
  19. 제18항에서,
    상기 다공성 박막은 표면과 단면 모두 다공성 구조를 가지며 두께 방향으로 다공이 연속적으로 연결되어 있는 플렉서블 리튬 이차 전지.
  20. 제19항에서,
    상기 다공성 박막은 폴리 비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오르프로필렌을 포함하는 플렉서블 리튬 이차 전지.
  21. 제18항의 이차 전지를 포함하는 모바일 디바이스.
  22. 제18항의 이차 전지를 포함하는 전자기기.
KR1020190163543A 2019-12-10 2019-12-10 플렉서블 리튬 이차 전지용 복합 강화 폴리머 전해질 및 이의 제조 방법 KR20210073078A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190163543A KR20210073078A (ko) 2019-12-10 2019-12-10 플렉서블 리튬 이차 전지용 복합 강화 폴리머 전해질 및 이의 제조 방법
US17/113,592 US20210175543A1 (en) 2019-12-10 2020-12-07 Reinforced composite polymer electrolyte for flexible lithium ion secondary battery and methode of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190163543A KR20210073078A (ko) 2019-12-10 2019-12-10 플렉서블 리튬 이차 전지용 복합 강화 폴리머 전해질 및 이의 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210073078A true KR20210073078A (ko) 2021-06-18

Family

ID=76209821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190163543A KR20210073078A (ko) 2019-12-10 2019-12-10 플렉서블 리튬 이차 전지용 복합 강화 폴리머 전해질 및 이의 제조 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20210175543A1 (ko)
KR (1) KR20210073078A (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101066390B1 (ko) 2008-08-12 2011-09-21 경북대학교 산학협력단 전기방사 폴리(비닐리덴플루오라이드)-전도성 폴리아닐린 유도체 복합나노섬유막을 포함하는 고분자 전해질 형성용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 리튬 전지
US20170142928A1 (en) 2015-11-25 2017-05-25 Stephen Vincent Rust Animal feeder device

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007084472A2 (en) * 2006-01-17 2007-07-26 Henkel Corporation Sealant integrated fuel cell components and methods and systems for producing the same
EP3211033A4 (en) * 2014-10-22 2018-09-26 Piotrek Co., Ltd. Electrically conductive material and laminate
US10483577B2 (en) * 2015-03-13 2019-11-19 Toray Industries, Inc. Composite polymer electrolyte membrane, and catalyst-coated membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell using the composite polymer electrolyte membrane
CN107474270B (zh) * 2016-06-07 2021-01-12 上海恩捷新材料科技有限公司 一种聚合物电解质膜的制备方法
KR101931434B1 (ko) * 2016-06-20 2018-12-20 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 사슬확장자를 포함하는 리튬 이차전지용 고분자 전해질막 및 이의 제조방법
US20190341584A1 (en) * 2017-01-02 2019-11-07 3Dbatteries Ltd. Energy storage devices and systems
US11394056B2 (en) * 2018-06-08 2022-07-19 Solid State Battery Incorporated Composite solid polymer electrolytes for energy storage devices
KR102617867B1 (ko) * 2018-07-09 2023-12-22 주식회사 엘지에너지솔루션 고체 전해질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 전고체 전지

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101066390B1 (ko) 2008-08-12 2011-09-21 경북대학교 산학협력단 전기방사 폴리(비닐리덴플루오라이드)-전도성 폴리아닐린 유도체 복합나노섬유막을 포함하는 고분자 전해질 형성용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 리튬 전지
US20170142928A1 (en) 2015-11-25 2017-05-25 Stephen Vincent Rust Animal feeder device

Also Published As

Publication number Publication date
US20210175543A1 (en) 2021-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Porcarelli et al. Single-ion block copoly (ionic liquid) s as electrolytes for all-solid state lithium batteries
Xu et al. High-strength internal cross-linking bacterial cellulose-network-based gel polymer electrolyte for dendrite-suppressing and high-rate lithium batteries
Chen et al. Hyperbranched PEO-based hyperstar solid polymer electrolytes with simultaneous improvement of ion transport and mechanical strength
Lu et al. Incorporating ionic liquid electrolytes into polymer gels for solid-state ultracapacitors
CN105098233B (zh) 半互穿网络聚合物凝胶电解质膜的制备方法
Song et al. A new polysulfide blocker-poly (acrylic acid) modified separator for improved performance of lithium-sulfur battery
Wang et al. Poly (ethylene oxide)-co-poly (propylene oxide)-based gel electrolyte with high ionic conductivity and mechanical integrity for lithium-ion batteries
Nair et al. UV-cured methacrylic membranes as novel gel–polymer electrolyte for Li-ion batteries
Guan et al. Stretchable ionic-liquid-based gel polymer electrolytes for lithium-ion batteries
JP2013095918A (ja) イオン交換膜充電用組成物、イオン交換膜の製造方法、イオン交換膜及びレドックスフロー電池
US5965300A (en) Polymer solid electrolyte, method for manufacturing polymer solid electrolyte, and lithium secondary cell adopting polymer solid electrolyte
JPH10116516A (ja) 高分子固体電解質及びこれを採用するリチウム二次電池
JPH0927352A (ja) 多孔性物質−高分子固体電解質複合体およびその製造方法ならびにそれを用いた光電変換素子
CN111490289B (zh) 一种无溶剂下原位光聚合的聚离子液体电解质
US9793567B2 (en) Ion exchange membrane, method of preparing the same, and redox flow battery comprising the same
Chiappone et al. Nanoscale microfibrillated cellulose reinforced truly-solid polymer electrolytes for flexible, safe and sustainable lithium-based batteries
KR20130132107A (ko) 이온 교환막 충전용 조성물, 이온 교환막의 제조방법, 이온 교환막 및 레독스 플로우 전지
Yang et al. Dendrite-free solid-state Li–O2 batteries enabled by organic–inorganic interaction reinforced gel polymer electrolyte
KR20170142929A (ko) 사슬확장자를 포함하는 리튬 이차전지용 고분자 전해질막 및 이의 제조방법
Chen et al. A flexible semi-interpenetrating network-enhanced ionogel polymer electrolyte for highly stable and safe lithium metal batteries
Hamrahjoo et al. Poly (poly (ethylene glycol) methyl ether methacrylate-co-acrylonitrile) gel polymer electrolytes for high performance lithium ion batteries: Comparing controlled and conventional radical polymerization
Li et al. A novel and shortcut method to prepare ionic liquid gel polymer electrolyte membranes for lithium-ion battery
Kim et al. Enhanced separator properties by thermal curing of poly (ethylene glycol) diacrylate-based gel polymer electrolytes for lithium-ion batteries
Gerbaldi et al. Highly ionic conducting methacrylic-based gel-polymer electrolytes by UV-curing technique
JP6971105B2 (ja) ゲル電解質、硬質ゲル電解質、および電気化学デバイス

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application