20 세기 중반 이후 대기 중 온실가스의 농도가 증가하여 현대적 온난화가 지속되고 있다. 오늘날 화석 연료에 대한 높은 의존성 때문에, 세계 최대 경제국은 여전히 막대한 양의 CO₂ 를 생산하고 있다. 보다 친환경적인 에너지원을 지속적으로 추구하는 과정에서 리튬이온 전지 (LIB)와 수소 연료전지에 대한 대중들의 관심이 증가하면서 이에 대한 연구활동도 활발해지고 있다. 본 박사 학위 논문은 이온전도도가 향상된 리튬이온 배터리용 고분자 전해질과 연료 전지용 슈퍼산성을 가진 프로톤 설포닐 이미드 탄화수소계 막을 연구하는 것을 목적으로 하였다.
제 1 장에서는 리튬이온 전지와 이에 적용된 다양한 전해질에 대한 전반적인 내용들을 설명하였다. 또한 연료 전지의 기본적인 지식과 다른 종류의 막들을 비교하면서 구체적으로 설명하였다.
제 2 장에서는 유연한 리튬이온 전지에 적용하기 위해 자외선(UV) 경화를 이용하여 제작한 self-standing 겔 고분자 전해질 (SGPEs)에 대한 연구에 대해서 설명하였다. 기존의 겔 고분자 전해질 (용매 또는 가소제와 결합)과 비교하였을 때 제작한 SGPEs 는 다양한 중량비의 lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) 과 methacrylic linear 모노머(PEGDMA)를 사용하여 간단하게 제작하였다. 여기서 주목할 만한 점은 제작한 SGPE 와 결합된 용매나 가소제가 없다는 것이다. 이로 인해 SGPE 는 높은 유연성과 강한 기계적 안정성을 나타냈다. SGPE 는 150 ºC 까지 우수한 열 안정성과 매우 낮은 유리전이온도 (Tg) (약 -32 ºC)를 나타내고 플라스틱 결정도에 대해서도 규명해냈다. 이를 통해 제작한 SGPE 는 실온(RT)에서 우수한 이온 전도도를 나타내어 유연한 리튬이온 전지의 전해질에 적용될 수 있음을 의미한다.
고분자 전해질은 높은 에너지 밀도와 안전성으로 인해 상용화 되어있는 액체 전해질을 대체할 수 있는 유력한 후보로 언급되고 있다. 그러나, 전극과 전해질 사이의 높은 저항에 의해 RT 에 낮은 이온 전도도를 보이기 때문에 고분자 전해질의 실질적인 적용은 제한되고 있다.
제 3 장에서는 리튬이온 전지내에서 전해질과 전극 사이의 계면 접촉 문제를 해결하기 위해 개시제로 사용되는 LiFSI 를 이용한 in situ cationic ring-opening 방법에 대해서 설명하였다. 앞서 언급한 방법을 이용하여 in situ poly(siloxane-epoxy) 고분자 전해질(PSEPEs)를 제작하였다. 제작한 PSEPEs 는 우수한 열적 안정성 (158℃)과 낮은 Tg (ca -42 ℃)를 나타냈으며, 실온에서 높은 이온 전도도(1.16 x 10-4 Scm-1) 와 lithium transference number (tLi+) (0.61)를 나타냈다. 또한 PSEPEs 는 넓은 electrochemical window (약 4.7 V vs Li/Li+)을 나타내며, LiFePO₄/PSEPEs/Li 셀에서도 리튬 음극과의 우수한 호환성을 나타냈다. 이 연구는 in situ cationic polymerization 방법을 이용한 고분자 전해질을 제작하였으며 이를 통해 전극과 전해질 간의 계면 저항 감소되어 리튬 이온 전지에 주는 영향에 대해서 설명하였다.
제 4 장에서는 현재 사용되고 있는 고분자전해질을 대체할 수 있는 전도성 물질에 대해서 설명하였다. Super acid-catalyzed polyhydroxy alkylation 반응을 이용하여 탄화수소 고분자인 poly (isatine-phenylene) (PiP)를 합성하였다. 기계적 안정선 및 프로톤 전도도를 향상시키기 위해 gas-phase 슈퍼 산성을 가진 sulfonimide acid 를 이용하여 sulfonic PiP (SPiP)를 제작하였다. Sulfonimide-PiP (SIPiP)는 SPiP 를 비해 높은 이온 치환용량 (IEC) 및 프로톤 전도도를 나타낸다. 합성한 모든 고분자는 Nafion 117®보다 우수한 열적 안정성(< 170℃)과 높은 IEC (최대 2.56 meq/g)를 나타낸다. 이 연구에서는, SIPiP 의 높은 프로톤 전도성 (97.46 mS cm-1 at 80℃ under 90% RH)과 합리적인 power density (0.58 W/cm² at 100% RH and 70 ℃)를 나타낸다. 합성된 물질의 화학적 구조는 ¹H nuclear magnetic resonance (¹H-NMR)과 Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) 통해 확인하였으며, atomic force microscopy (AFM)을 통해 고분자 형태를 확인하였다.
PEMFC 용 sulfonimide acid-functionalized membrane 에 대한 추가 연구를 위해 Ni(0) 촉매를 이용한 C-C coupling polymerization 을 이용하여 2,5- dichlorobenzophenone (DCBP) monomer 를 gas-phase 슈퍼 sulfonimide 를 포함하는 poly(benzopenone) membranes (SI-PBP)으로 합성하였다. 방향족 C-C coupling 로 구성된 SI-PBP membrane 는 우수한 기계적 안정성과 합리적인 이온 치환용량 (1.85 ~ 2.30 mS cm-1)을 나타낸다. 또한, Nafion 117® (84.74 mS cm-1)보다 높은 proton 전도도 (107.07 mS cm-1)를 나타낸다. SI-PBP membrane 의 열적, 화학적 안정성은 각각 thermogravimetric analysis (TGA) 와 Fenton's test 을 이용하여 확인하였다. 또한 SI-PBP 의 표면에 잘 분리된 형태는 AFM 에 의해 확인하였다. 이와 같은 SI-PBP 에 대한 결과들은 연료전지에 실질적인 적용 가능함을 알려준다.
제 6 장에서는 지금까지 설명한 연구에 대해서 간략하게 요약하고 고분자 전해질 향후 발전에 대한 몇 가지 전망을 제시하였다.