전해질 상에 있는 이온성 액체의 열역학적 모델링

Abstract

본 연구의 목적은 이온성 액체를 이용한 고분자 전해질의 상 거동과 이온 전도도를 이론과 실험측면에서 연계하여 고찰하는 것이며, 이온성 액체가 알코올이나 고분자 물질과 혼합하여 고분자 전해질로 만들었을 때 이온 전도도의 변화에 영향을 미치는 주요한 인자를 분석하는 것이다.

제 1장 이온성 액체가 알코올과 혼합되어 액체 전해질 물질로 사용하기 위해서 온도에 따른 상 변화와 농도에 따른 이온 전도도가 어느 정도 형성되는지 알아보고 최적 효율을 가지는 조건을 미리 예측해 볼 수 있는 모델링을 제시하였다. 이를 위하여 다양한 알코올(에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥산올 등)과 물을 이용하여 합성을 하였고 다양한 조건을 부여하였다. 그리고 이온성 액체의 cation 부분을 변화 시켜 이온성 액체의 변화가 액체 전해질의 어떠한 영향을 주는지도 실험을 통해 알아보았다. Adam-Gibbs configurational entropy model과 Y.C.Bae의 modified double lattice model에 specific energy를 적용하여 전해질 상의 상 거동을 예측 할 수 있는 모델을 제시하였고 이 모델에서 얻은 에너지 값들을 이용하여 이온 전도도식을 정립할 수 있었다. 제시되어진 모델은 실험 데이터와 정량적으로 잘 일치하였으며, 이를 통해 알코올의 체인의 길이가 길어질수록 이온전도도가 낮아지며 이온성 액체의 농도에 따라 변화하는 전도도와 상 변화를 미리 예측할 수 있었다.

제 2장 이온성 액체와 고분자 물질 (Poly ethylene glycol과 poly ethylene oxide 등)의 혼합 고분자 전해질의 온도와 분율에 따른 열역학, 전기화학적 특성을 연구하여 전해질의 효율성을 높일 수 있는 기초 연구를 실행하였다. 고분자 물질의 분자량에 따른 상 변화와 이온 전도도의 변화를 알아보았고 이온성 액체의 cation의 변화에 따른 변화도 함께 실험해보았다. P.J.Flory의 theory of melting point depression과 Chang’s B.H modified double lattice model을 이용한 새로운 열역학적 모델을 이용하여 상 변화를 예측하여 eutectic point를 예측하였고 이는 실험치와 정량적으로 잘 일치함을 알 수 있었다. 이를 통하여 고분자 전해질이 각기 다른 melting point를 가지고 있으며 amorphous region 상에서 높은 이온 전도도를 가지고 있음을 알게 되었다. 또한 동일 고분자의 체인의 길이가 늘어남에 따라 이온 전도도가 떨어지는 현상을 알 수 있었으며 온도가 올라감에 따라 이온 전도도가 높아진다는 것도 실험과 이론을 통해 알 수 있었다.