그라프트된 폴리에테르계 고분자 전해질의 합성 및 이온 전도 특성에 관한 연구

Abstract

주사슬과 측사슬이 모두 이온 해리 능력을 갖는 새로운 그라프트 형태의 무용매 고분자 전해질인 폴리에테르가 그라프트된 폴리에테르(PEO-g-PEO)를 합성하였다. 분자량이 400인 폴리에틸렌 글라이콜과 3-chloro-2-chloromethyl-1-propene(CCMP)를 축중합하여 선형고분자(LPC 400)를 얻은 후 솔보멀큐레이션 디멀큐레이션 반응을 이용해 그라프트 고분자를 합성하였다. 이 방법을 통해 다양한 측사슬 길이의 고분자를 얻을 수 있었고 각각의 구조, 분자량, 그리고 그라프트율은 1H NMR 스펙트럼을 통해 확인 할 수 있었다. 얻어진 PEO-g-PEO와 리튬염 $LiCF_3SO_3$을 혼합하여 고분자 전해질을 제조한 후 이온 전도도를 측정하였다. 이온 전도도는 리튬염의 농도의 함수로써 그리고 측사슬의 길이를 변수로 하여 측정하였다. 상온에서 최고의 이온 전도도는 $5.0\times 10^{5} S cm^{-1} $ 이상의 높은 값을 나타내었다. 이러한 높은 이온 전도도를 나타내는 이유는 결정성을 감소시키는 그라프트 구조와 옥시에틸렌 단위로 이루어진 주사슬과 측사슬의 유연성에 기인하는 것이다. 또한 기존의 폴리에틸렌 옥사이드나 구조를 변형시킨 폴리에틸렌 옥사이드보다 낮은 리튬염 농도에서 최고의 이온 전도도가 나타남이 관찰되었다. 이것은 PEO-g-PEO가 갖는 구조의 유연성과 더불어 주사슬과 측사슬이 동시에 이온 해리에 참여하여 우수한 해리 능력을 갖고 있기 때문이다. 이러한 사실은 이온 전도도에 영향을 주는 전하 운반체의 개수 측정과 유연성을 측정하는 열적 분석에 의해 확인되었다. 부가적으로 고분자 전해질이 가져야 할 구조적 안정성을 부여하기 위해 벤조일 퍼옥사이드를 이용한 라디칼 반응을 통해 가교된 고분자 전해질을 제조하고 이에 대한 이온 전도도를 측정하였다. 가교된 상태에서도 이온 전도도의 감소가 아주 작아 주사슬과 측사슬이 옥시에틸렌 구조를 갖는 그라프트 구조의 리튬 전지의 응용가능성을 확인하였다.