본 연구에서는 미래형 전자소자의 전원 장치의 필수요건인 flexibility를 만족시킬 뿐 아니라 환경 • 경제적 측면을 고려한 차세대 전지를 제작하기 위해 양극 활 물질로 기존의 전이금속 산화물에서 flexible한 특성을 갖는 고분자 복합체 전극으로 대체하고 전극과 전해질 사이의 높은 계면저항으로 인한 용량저하 및 사이클 수명 문제를 해결하기 위하여 2차원의 구조가 아닌 porous한 구조를 갖는 고분자 전극을 제작하고자 한다. 이때 porous한 type의 고분자 전극을 합성하기 위해서는 template를 이용하는 기존 ...
본 연구에서는 미래형 전자소자의 전원 장치의 필수요건인 flexibility를 만족시킬 뿐 아니라 환경 • 경제적 측면을 고려한 차세대 전지를 제작하기 위해 양극 활 물질로 기존의 전이금속 산화물에서 flexible한 특성을 갖는 고분자 복합체 전극으로 대체하고 전극과 전해질 사이의 높은 계면저항으로 인한 용량저하 및 사이클 수명 문제를 해결하기 위하여 2차원의 구조가 아닌 porous한 구조를 갖는 고분자 전극을 제작하고자 한다. 이때 porous한 type의 고분자 전극을 합성하기 위해서는 template를 이용하는 기존 합성법에서 벗어나 쉽게 pore를 형성하고 template 제거공정이 필요 없을 뿐 아니라 필름의 물성을 증가시키는 polyvinyl alcohol(PVA)를 전극 합성 시 첨가하여 반응 site 수와 기계적 물성을 증가시키고자 한다. 또한 전해질로는 안정성과 flexibility 및 기계적 물성이 우수한 고체 고분자 전해질을 사용하여 cell을 제작함으로써 전극과 전해질간 계면특성을 향상 시키고 우수한 성능의 미래형 flexible polymer battery를 제작 하고자 한다. 이에 본 연구에서는 기계적 물성과 성능의 두 가지 측면을 충족하는 차세대 전지의 양극 활 물질로 π - 공액 결합이 확장되어 반도체 성질을 갖는 전도성 고분자를 선택하여 에너지 밀도 면에서 기존의 무기 물질의 성능과 비교 시 평가절하인 고분자 전극의 장점을 더욱 부각하여 고분자 전지의 새로운 연구 방향을 제시하고자 한다. 따라서 기계적 물성과 성능의 두 가지 측면을 충족하는 차세대 전지의 양극활물질로 porous한 구조를 갖는 고분자 전극을 합성하였으며, 실험 진행에 있어서는 도펀트의 함량을 달리한 실험과 pore의 size에 영향을 주는 고분자 계면활성제인 PVA의 함량을 조절한 실험을 각각 진행하였다. 그 결과 단량체에 대한 도펀트 함량에 있어서는 도펀트와 아닐린 단량체의 비가 1.5 인 경우에서 최대 전기전도도인 3.87 x 10-3S/cm를 나타내었으며, PVA의 함량을 달리한 실험에 있어서는 PVA 를 7.5wt% 첨가한 경우에서, 가장 균일하고 작은 pore를 갖는 고분자 전극이 합성되었을 뿐만 아니라 가장 낮은 계면저항 값인 3.7 ㏀을 나타내었다. 또한 PVA함량에 따른 기계적 물성을 확인한 결과 strain특성과 toughness특성을 동시에 고려해 봤을 때, PVA를 7.5 wt.% 첨가한 경우가 flexible 한 전극재료로 적용하기에 타당한 것을 확인 할 수 있었다. 이때 도펀트 함량을 달리한 실험에서 나타난 전기전도도 변화를 고찰하기 위해 전기전도도에 영향을 미치는 고분자 전극의 전자상태 및 결정성, morphology를 각각 측정하였으며, 이를 통해 도펀트의 함량이 너무 작은 경우에는 효과적인 도핑과 폴리아닐린의 합성이 이루지지 않아 전도도가 낮게 나타났으며, 도펀트의 함량이 증가함에 따라 전기전도도가 계속적으로 증가하지 않은 것은 술폰기를 갖는 DBSA는 서로간 interaction이 강해 결과적으로 도펀트 함량이 증가함에도 불구하고 고분자 자체의 합성과 도핑에는 영향을 주지 못한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 PVA 함량에 따른 고분자 전극의 pore size 변화 및 전극과 전해질간 계면 저항을 측정한 결과, PVA의 함량이 증가하게 되면, 그에 따른 pore size 감소에 따라 계면 저항 값은 계속적으로 감소하리라는 예상과 달리 일정 함량(PVA 7.5 wt%)이상에서 오히려 계면저항 값이 증가하는 양상을 보였다. 이를 고찰하기 위해 morphology를 측정한 결과, PVA의 함량이 증가함에 따라 pore가 효과적으로 합성되는 것이 아니라, 일정 함량이상부터는 생성된 pore의 개수가 감소했다는 점에서, 일정량 이상의 PVA는 pore형성을 억제하게 되어 결과적으로 pore size의 감소에도 불구하고, 계면저항 값이 최소값을 나타낸 이후 다시 증가한 것에 대한 고찰을 할 수 있었다. 이에 추가적으로 PVA 의 함량을 달리하여 합성한 고분자 전극의 기계적 물성을 확인한 결과 Stress-Strain 곡선에서 면적에 해당하는 toughness(견인성) 면에서는 PVA의 함량이 10.0 wt.% 와 PVA 7.5 wt.% 에서 300kPa 이상의 우수한 역학 물성을 나타내었으며, strain면에서는 PVA의 함량이 7.5wt.%에서 최대 값(52.38%)을 나타낸 후, 그 이후로는 감소하는 결과를 보였다. 이러한 결과를 고려했을 때, flexible한 전지의 전극재료로 적용되기 위해서는 우수한 전기화학적 특성(낮은 계면저항)과 역학물성이 우수한 PVA 를 7.5 wt.%를 첨가한 경우가 적합하리라 보여진다.
본 연구에서는 미래형 전자소자의 전원 장치의 필수요건인 flexibility를 만족시킬 뿐 아니라 환경 • 경제적 측면을 고려한 차세대 전지를 제작하기 위해 양극 활 물질로 기존의 전이금속 산화물에서 flexible한 특성을 갖는 고분자 복합체 전극으로 대체하고 전극과 전해질 사이의 높은 계면저항으로 인한 용량저하 및 사이클 수명 문제를 해결하기 위하여 2차원의 구조가 아닌 porous한 구조를 갖는 고분자 전극을 제작하고자 한다. 이때 porous한 type의 고분자 전극을 합성하기 위해서는 template를 이용하는 기존 합성법에서 벗어나 쉽게 pore를 형성하고 template 제거공정이 필요 없을 뿐 아니라 필름의 물성을 증가시키는 polyvinyl alcohol(PVA)를 전극 합성 시 첨가하여 반응 site 수와 기계적 물성을 증가시키고자 한다. 또한 전해질로는 안정성과 flexibility 및 기계적 물성이 우수한 고체 고분자 전해질을 사용하여 cell을 제작함으로써 전극과 전해질간 계면특성을 향상 시키고 우수한 성능의 미래형 flexible polymer battery를 제작 하고자 한다. 이에 본 연구에서는 기계적 물성과 성능의 두 가지 측면을 충족하는 차세대 전지의 양극 활 물질로 π - 공액 결합이 확장되어 반도체 성질을 갖는 전도성 고분자를 선택하여 에너지 밀도 면에서 기존의 무기 물질의 성능과 비교 시 평가절하인 고분자 전극의 장점을 더욱 부각하여 고분자 전지의 새로운 연구 방향을 제시하고자 한다. 따라서 기계적 물성과 성능의 두 가지 측면을 충족하는 차세대 전지의 양극활물질로 porous한 구조를 갖는 고분자 전극을 합성하였으며, 실험 진행에 있어서는 도펀트의 함량을 달리한 실험과 pore의 size에 영향을 주는 고분자 계면활성제인 PVA의 함량을 조절한 실험을 각각 진행하였다. 그 결과 단량체에 대한 도펀트 함량에 있어서는 도펀트와 아닐린 단량체의 비가 1.5 인 경우에서 최대 전기전도도인 3.87 x 10-3S/cm를 나타내었으며, PVA의 함량을 달리한 실험에 있어서는 PVA 를 7.5wt% 첨가한 경우에서, 가장 균일하고 작은 pore를 갖는 고분자 전극이 합성되었을 뿐만 아니라 가장 낮은 계면저항 값인 3.7 ㏀을 나타내었다. 또한 PVA함량에 따른 기계적 물성을 확인한 결과 strain특성과 toughness특성을 동시에 고려해 봤을 때, PVA를 7.5 wt.% 첨가한 경우가 flexible 한 전극재료로 적용하기에 타당한 것을 확인 할 수 있었다. 이때 도펀트 함량을 달리한 실험에서 나타난 전기전도도 변화를 고찰하기 위해 전기전도도에 영향을 미치는 고분자 전극의 전자상태 및 결정성, morphology를 각각 측정하였으며, 이를 통해 도펀트의 함량이 너무 작은 경우에는 효과적인 도핑과 폴리아닐린의 합성이 이루지지 않아 전도도가 낮게 나타났으며, 도펀트의 함량이 증가함에 따라 전기전도도가 계속적으로 증가하지 않은 것은 술폰기를 갖는 DBSA는 서로간 interaction이 강해 결과적으로 도펀트 함량이 증가함에도 불구하고 고분자 자체의 합성과 도핑에는 영향을 주지 못한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 PVA 함량에 따른 고분자 전극의 pore size 변화 및 전극과 전해질간 계면 저항을 측정한 결과, PVA의 함량이 증가하게 되면, 그에 따른 pore size 감소에 따라 계면 저항 값은 계속적으로 감소하리라는 예상과 달리 일정 함량(PVA 7.5 wt%)이상에서 오히려 계면저항 값이 증가하는 양상을 보였다. 이를 고찰하기 위해 morphology를 측정한 결과, PVA의 함량이 증가함에 따라 pore가 효과적으로 합성되는 것이 아니라, 일정 함량이상부터는 생성된 pore의 개수가 감소했다는 점에서, 일정량 이상의 PVA는 pore형성을 억제하게 되어 결과적으로 pore size의 감소에도 불구하고, 계면저항 값이 최소값을 나타낸 이후 다시 증가한 것에 대한 고찰을 할 수 있었다. 이에 추가적으로 PVA 의 함량을 달리하여 합성한 고분자 전극의 기계적 물성을 확인한 결과 Stress-Strain 곡선에서 면적에 해당하는 toughness(견인성) 면에서는 PVA의 함량이 10.0 wt.% 와 PVA 7.5 wt.% 에서 300kPa 이상의 우수한 역학 물성을 나타내었으며, strain면에서는 PVA의 함량이 7.5wt.%에서 최대 값(52.38%)을 나타낸 후, 그 이후로는 감소하는 결과를 보였다. 이러한 결과를 고려했을 때, flexible한 전지의 전극재료로 적용되기 위해서는 우수한 전기화학적 특성(낮은 계면저항)과 역학물성이 우수한 PVA 를 7.5 wt.%를 첨가한 경우가 적합하리라 보여진다.
The soft portable electronic equipments such as rollup displays and wearable devices require the development of flexible energy sources. Especially, the requirement of flexible electrode materials which do not be affected by the strain has increased dramatically. Polyaniline (PANI) has been examined...
The soft portable electronic equipments such as rollup displays and wearable devices require the development of flexible energy sources. Especially, the requirement of flexible electrode materials which do not be affected by the strain has increased dramatically. Polyaniline (PANI) has been examined as an electrode material, on the basis of easy to make thin films as well as reversible doping behavior, inexpensive cost, and low self-discharge rate. However, PANI has some shortcomings of poor mechanical property and performance. These problems can be solved by increasing the reaction sites and blending with engineering polymers such as polystyrene and poly (vinyl chloride). In this study, porous PANI electrodes that can increase the reaction sites and mechanical property were fabricated by using soluble polymer having high flexibility and making porous structure.
The soft portable electronic equipments such as rollup displays and wearable devices require the development of flexible energy sources. Especially, the requirement of flexible electrode materials which do not be affected by the strain has increased dramatically. Polyaniline (PANI) has been examined as an electrode material, on the basis of easy to make thin films as well as reversible doping behavior, inexpensive cost, and low self-discharge rate. However, PANI has some shortcomings of poor mechanical property and performance. These problems can be solved by increasing the reaction sites and blending with engineering polymers such as polystyrene and poly (vinyl chloride). In this study, porous PANI electrodes that can increase the reaction sites and mechanical property were fabricated by using soluble polymer having high flexibility and making porous structure.
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