고분자 전해질의 합성 및 이를 이용한 리튬전지 및 염료감응형 태양전지

Abstract

(PART 1. Lithium batteries) A series of tri(acryloyloxyethyl) phosphate (TAEP) for cross-linkers for the gel polymer electrolyte were prepared by the reaction of acrolyl chloride with poly(ethylene glycol) acrylate (PEGA) and characterized using FT-IR, 1H NMR, 13C NMR and 31P NMR measurements. The cross-linked gel polymer electrolytes were prepared by the in situ curing of TAEP mixed with the liquid electrolyte. The electrochemical properties of the resulting gel polymer electrolytes were evaluated with different contents of liquid electrolyte. Increase of ionic conductivity with decrease of Tg was observed as the content of liquid electrolyte increased. The ionic conductivity was measured to be 6.85 × 10-3 to 1.02 × 10-2 S/cm with 95 wt.% EC/DMC at 30 ℃. The electrochemical stability window of the resulting gel polymer electrolyte could be extended to up to 4.5 V. Reversible electrochemical plating/stripping of lithium was observed. (PART 2. Dye-sensitized solar cells) The DSSCs have such a critical problem as long-term stability due to leakage or evaporation of the liquid electrolytes. In this work we used ionic polymer electrolytes, which are a quasi-solid state, to enhance durability and safety of the cells. Triiodide compound (BTDI) was synthesized by the reaction of benzene tricarbonyl trichloride with diethylene glycol monotosylate and subsequent substitution of tosylate by iodide using NaI. Bisimidazole was prepared by the reaction of imidazole with the triethylene glycol ditosylate under strong base NaH. BTDI and bisimidazole dissolved in an ionic liquid were injected into the cells and permeated into the nanopores of TiO2. Then in-situ crosslinking was carried out by heating to form a network structure of poly(imidazolium iodide), leading the ionic liquid electrolytes to a gel or a quasi-solid state. As low as 30 wt.% concentration of the monomers (BTDI and bisimidazole) in the electrolytes was found to be enough to form a stable gel type electrolyte. The DSSCs based on the gel polymer electrolytes showed as high as 1.15% of PCE with an Isc of 5.69 mA/cm2, a Voc of 0.525 V, and a FF of 0.43.; PART 1. 리튬전지 2 차 전지는 노트북 PC 및 이동전화의 보급이 확대되면서 정보통신 분야의 핵심으로 떠오르고 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 유기용매를 사용한 액체 전해질은 이온 전도도는 높으나 안정성의 문제가 있고, 고체 고분자 전해질은 상온에서 이온전도도가 매우 낮다는 문제점이 있다. 그래서 두가지 문제점을 충족시킬수 있는 겔 고분자 전해질의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 가교형 겔 고분자 전해질을 이용한 2 차전지의 특성을 연구하였다. 이온 전도도 및 전기화학적 안정성을 증가시키기 위해 무기계 중심분자에 올리고 에틸렌 옥사이드 아크릴레이트로 가지는 신규 가교제를 합성하였으며 이를 이용한 겔 고분자 전해질을 제조하였다. 올리고 에틸렌 옥사이드 사슬의 결정성을 감소시키고 전기 화학적 안정성을 증가시키기 위하여 올리고 에틸렌 옥사이드를 이용한 가교제를 합성하였다. 겔 고분자 전해질은 oligo(ethylene oxide)가교제와 리튬 염(LiPF6), 가소제 그리고 라디칼 개시제를 사용하여 직접 경화하여 제조하였다. 상온에서의 이온전도도는 유기용매 함량이 95 wt.%일 때 5.14×10-3 S/cm 를 나타내었다. 전기 화학적 안정성 및 리튬의 산화/반응은 cyclic voltammetry 로 측정하였다. 가역적인 리튬의 산화 환원을 관찰 할 수 있었고 4.5 V 까지 전해질이 안정함을 확인 할 수 있었다. 고분자 전해질에서 전류밀도에 따른 리튬 platting/stripping 거동은 chronopotentiometry 방법으로 연구하였다. PART 2. 염료감응 태양전지 TiO₂ 를 이용한 염료감응태양전지(DSSC)는 스위스의 Gr.tzel 교수 등에 의해 1991 년에 보고된 이후 낮은 생산 비용과 높은 에너지변환 효율 등의 우수한 특성을 가져 상용화를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 겔 고분자 전해질은 액체전해질을 다량 함유할 수 있기 때문에 높은 효율을 유지할 수 있다. 뿐만 아니라 액체 전해질의 문제를 해결할 수 있고 다양한 디자인으로 제작이 용이하다는 장점을 지니고 있다. 이온성 액체와 유사한 구조를 가지는 imidazolium 구조를 가지는 가교제를 합성하였으며, 이를 이용하여 이온성 액체 겔 고분자 전해질를 함유하는 염료감응태양전지를 제조 하였다. 그리고 셀 내로 혼합된 전해질을 주입 후에 셀 전체를 가열함에 따라 셀 내부에서 직접 가교되는 간단한 공정으로 화학 가교 겔 전해질을 만들 수 있었다. 화학적 가교 방법으로 제조한 겔 고분자 전해질은 ionic liquid 의 함량이 70 wt.% 인 경우 이온전도도는 ~10-3 S/cm 이상을 보였고, I-V 의 특성곡선 측정결과는 Voc 와 Isc 는 각각 0.46V 와 5.7 mA/cm2 이였고, 그 효율 및 fill factor 는 각각 1.15%와 0.43 이였다. ionic liquid 의 함량이 증가할수록 이온전도도가 증가하였고, I-V 의 특성 또한 증가하였다.