[논문]이온성 액체와 고분자 기반의 이차전지용 고체 전해질의 제조

강혜주; 정현택

doi:10.12925/jkocs.2020.37.6.1591

초록
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고분자를 기반으로 하는 고체전해질은 용이한 가공성, 재료의 유연성뿐만 아니라 배터리, 슈퍼커패시터를 포함하는 이차전지 등 다양한 전기화학 소자에 응용이 가능한 소재로서, 기존 전해질의 낮은 이온전도도 및 전기화학적 안정성을 향상시키기 위하여 다양한 이온성 액체 기반의 고체 전해질에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이온성 액체의 높은 이온전도성, 넓은 전기화학 안정성, 열적 안정성을 활용한 고분자 전해질은 다양한 전자소자에 활용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이온성 액체의 종류와 비율의 최적화를 통하여 고분자 기반의 고체 전해질을 제조하고 전기화학적 성능을 분석하여 이차전지를 포함한 다양한 전자 소자에 응용이 가능한 이온성 액체 기반의 전해질을 개발하고자 하였다. 이온성 액체의 비율을 최적화를 통하여 제조된 고분자 기반 고체 전해질의 이온 전도도는 1.46-2 S/cm로 확인되었다. 이온전도도가 향상된 이온성 액체와 고분자 기반의 고체 전해질은 다양한 이차전지에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The solid-state electrolyte based on polymer has great attention to develop its ionic conductivity from conventional polymer electrolyte by using wide range of ionic liquids with remarkable processability, flexibility and is applicable to various electrochemical devices including batteries, supercap...

The solid-state electrolyte based on polymer has great attention to develop its ionic conductivity from conventional polymer electrolyte by using wide range of ionic liquids with remarkable processability, flexibility and is applicable to various electrochemical devices including batteries, supercapacitor. Polymer electrolyte based on Ionic liquid with high conductivity, wide electrochemical stability, thermal stability is used in various electronic devices. In this work, we have investigated and developed solid-state electrolyte based on ionic liquid and polymer with enhanced ionic conductivity and electrochemical performances to conduct to various electronic devices including secondary battery. The ionic conductivity of polymer based solid state electrolyte with optimized ratio of the ionic liquid was 1.46-2 S/cm. The ionic liquid and polymer based electrolyte with enhanced ionic conductivity is promising candidates to utilize in wide range of secondary batteries.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Nyquist plot of solid-state electrolyte with various ratio between KI and [EMI][BF₄].
표 Table 1. Additional ratio of KI and Ionic liquid [EMI][BF₄]
그림 Fig. 2. Photos of prepared solid-state electrolyte with KI 0 wt%, [EMI][BF₄] 100 wt%.
그림 Fig. 3. Nyquist plot of solid-state electrolyte with KI 80 wt%, [EMI][BF₄] 20 wt% ratio and time.
표 Table 2. Ionic conductivity and internal resistance of solid-state electrolyte with various ratio between KI and [EMI][BF₄]
표 Table 3. Change of ionic conductivity of solid-state electrolyte with KI 80 wt%, [EMI][BF₄] 20 wt% ratio and time

AI 본문요약
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문제 정의

또한 공정 측면에서도 전기화학 소자의 상업화 및 저비용 소자제작을 위한 연구가 활발하게 진행 중에 있다[10, 11]. 따라서 본 연구에서는 이러한 다양한 분야에 응용이 가능한 이온성 액체와 고분자를 기반으로 하는 이온성 고체 전해질을 제조하여 이온전도도 등 특성을 분석하고 전기화학적 특성을 조사하였다.

제안 방법

PVA와 EC 및 이온성 액체를 이용하여 고체 전해질을 제조하였을 때 이온성 액체에서 KI와 [EMI][BF4]의 비율에 따라 이온전도도를 비교하기 위해 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 각각 제조된 전해질을 분석하였다. Fig.
[EMI][BF₄]의 비율이 중요하다는 결과에 따라 KI를 0%, [EMI][BF₄]를 100% 첨가한 전해질을 제조하였다. [EMI][BF₄]를 100 wt%를 첨가한 경우 80 ℃에서 바이알 내의 온도가 내려감과 동시에 전해질이 고형화되기 시작하였고, 이후 페트리디쉬에 용액을 넣으면 PVA/EC 용액과 이 온성 액체인 [EMI][BF₄] 액체의 상 분리가 발생한다.
이온성 액체를 활용하여 만든 고체전해질 중 KI 20 wt%와 [EMI][BF₄] 80 wt%를 활용하여 만든 전해질을 시간의 경과에 따라 이온 전도도변화량을 측정하였다. Fig.

대상 데이터

06 g/mol) 및 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate [EMI][BF₄]를 시그마 알드리치에서 구입하였으며, 별도의 전처리 과정 없이 사용하였다. Potassium iodide(KI, Mw:166.0028 g/mol)는 Junsei Chemical 사의 제품을 사용하였으며 별도의 전 처리과정 없이 고체 전해질 제조에 사용하였다.
고체 전해질의 필름 형성 구조와 기계적 강도를향상시키기 위해 Polyvinyl Alcohol(PVA, Mw: 130, 000)와, 제조된 고체 전해질의 이온 전도도증가를 위하여 Ethylene Carbonate(EC, Mw: 88.06 g/mol) 및 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate [EMI][BF₄]를 시그마 알드리치에서 구입하였으며, 별도의 전처리 과정 없이 사용하였다. Potassium iodide(KI, Mw:166.

이론/모형

이온성 액체를 이용하여 제조한 고체전해질의 전기화학적 특성 및 이온전도도 분석을 위해 원아테크 사의 ZIVE LAB을 이용하였으며, 임피던스 분광법(Eletrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하였으며, 0.1 Hz~100 kHz의 주파수 범위에서 측정하였다.

성능/효과

제조된 전해질을 분석하였다. Fig. 1과 Table 2에서 나타낸 바와 같이 PVA와 EC 용액에 KI와 [EMI][BF₄] 를 다른 비율로 첨가하였을 때 KI 80 wt%, [EMI][BF₄] 20 wt%를 첨가한 전해질은 0.82 Ω의 내부 저항값을 나타내었고, KI 70 wt%, [EMI][BF₄] 30wt%를 첨가한 전해질은 59.88 Ω의 내부 저항 값을 나타내어 [EMI][BF4] 의 비율이 증가할수록 내부 저항값이 증가하는 경향을 보였다. 또한 KI의 비율을 증가시킨 경우, KI가 100 wt %일 경우에도 상대적으로 내부 저항 값이 큰 현상을 보였다.
PVA/EC 용액에 KI 80 wt%, [EMI][BF₄] 20 wt%를 첨가한 고체 전해질은 다른 비율로 제조한 고체전해질보다 내부 저항 값이 낮고 이온 전도도 값이 우수한 경향을 보였으며, 시간의 경과에 따라 이온 전도도가 크게 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과에 비추어 보았을 때 고체 전해질의 제조에 있어서 고분자 물질을 제외한 이온성 액체인 KI와 [EMI][BF4]의 비율이 고체 전해질의 내부 저항 값에 영향을 준다고 사료된다.
이는 이 온성 액체 [EMI][BF₄]가 80 ℃의 고온의 용액에 첨가될 경우 순간적으로 고형화되는 현상이 발생하는데 이를 KI가 완화시켜주는 가소제 역할을 하기 때문이다[13]. 따라서 KI와 [EMI][BF4] 의 비율에 따른 저항 값을 비교해본 결과 KI 80 wt%, [EMI][BF₄] 20 wt%가 1.46 x 10^-2 S/cm 의 이온전도도 값을 보이는 것으로 가장 좋은 이온 전도성을 나타내었다.
또한 KI의 비율을 증가시킨 경우, KI가 100 wt %일 경우에도 상대적으로 내부 저항 값이 큰 현상을 보였다. 따라서 고체 전해질의 제조에 있어서 KI의 비율보다 이온성 액체 [EMI][BF4]의 비율이 더 중요하다는 것을 확인할 수 있다.
따라 이온 전도도가 크게 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과에 비추어 보았을 때 고체 전해질의 제조에 있어서 고분자 물질을 제외한 이온성 액체인 KI와 [EMI][BF4]의 비율이 고체 전해질의 내부 저항 값에 영향을 준다고 사료된다. 또한 이러한 전해질을 사용하여 슈퍼커패시터를 제조할 경우에 전기화학적으로 향상된 성능을 관찰할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 전해질 및 전극의 개질 연구를 통하여 상대적으로 안정성과 전기화학적 성능이 우수한 슈퍼커패시터를 제조할 수 있을 것으로 사료된다.

후속연구

이러한 결과에 비추어 보았을 때 고체 전해질의 제조에 있어서 고분자 물질을 제외한 이온성 액체인 KI와 [EMI][BF4]의 비율이 고체 전해질의 내부 저항 값에 영향을 준다고 사료된다. 또한 이러한 전해질을 사용하여 슈퍼커패시터를 제조할 경우에 전기화학적으로 향상된 성능을 관찰할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 전해질 및 전극의 개질 연구를 통하여 상대적으로 안정성과 전기화학적 성능이 우수한 슈퍼커패시터를 제조할 수 있을 것으로 사료된다.
이는 시간의 경과에 따라 이온성 액체를 활용하여 제조한 고체 전해질이 초기 이온 전도도 값을 유지하지 못하는 경향을 나타낸 것으로 고체 전해질이 시간의 경과에 따라 수분량이 감소하여 이온 전도도가 낮아지는 것이 원인이라고 판단된다[14, 15]. 이는 추후 전해질의 제조에서 시간이 경과해도 이온전도도가 유지될 수 있는 연구를 통하여 안정성이 향상된 고체 전해질을 제조할 수 있다고 판단된다.

참고문헌 (15)

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원문보기 상세보기
J.-K. Koo, M.-J. Choi, C.-H. Shin, T.-U. Kang, N.-J. Cho, "A Study on the Organic/inorganic Composite Electrolyte Membranes for Dye Sensitized Solar Cell", Membrane Journal, Vol 18, Issue 4, pp. 345-353, (2008)
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