synthesis of polymer binder based on phenanthrene for Si anode via Suzuki polycondensation

Abstract

최근 고용량 고출력이 요구되는 전기자동차 전력저장장치등 차세대 리튬이온 배터리의 수요가 증가해왔다. 이런 추세에 따라서 이론용량이 큰 실리콘이 급부상하게 되면서 많은 연구가 진행되어 왔다 하지만 실리콘의 상업화를 위한 많은 노력에도 불구하고 현재까지도 아직 탄소계 음극에서 벗어나지 못하고 있다. 실리콘의 경우 충방전시 매우 큰 부피변화가 일어나고 이에 활물질의 파쇄 이로 인한 전지용량의 감소로 전지로서는 가장 큰 단점을 지니고 있다. 지난연구에서는 활물질의 변화(나노구조화, 충전재와의 결합등)에 주로 초점을 맞추었지만, 최근 바인더가 cyclic performance를 향상시켜줄수 있다는 보고가 많이 되어 오고 있다. 따라서 바인더의 선택이 고용량의 음극을 도입하는데 매우 중요하다고 할수 잇겠다. 그래서 우리 실험실에서는 전도성을 가지는 새로운 고분자 바인더를 개발하였다. 바인더가 도전재의 역할도 하게 된다면 우리는 통상적으로 사용하였던 도전재를 사용할 필요없이 단지 바인더만으로 전지의 성능을 유지할수 있다. 또한 소량의 바인더를 사용하더리도 전기화학적인 성능을 유지시켜 줄수 있을거라고 예상하였다. 이에 새로운바인더 물질로 3,6-poly(phenanthrenequinone)을 목표물질로 선정하고 이것을 스즈키 커플링 반응에 기반하여 성공적으로 합성할 수가 있었다. 합성된 고분자를 통해 여러 전기화학적인 특성을 조사해보았다. 고분자만을 활물질로 한 전지를 만들어 충방전 실험을 한결과 고분자가 리튬가 전자를 동시에 받을수 있는 mixed conductor로서 작용하여 활물질로서 용량발현을 할수 있다는 것을 확인할 수가 있었습니다. 그리고 좀더 높은 분자량의 고분자를 합성하기 위해 분자량을 컨트롤 할수 있는 원인을 규명하고 그에 고분자량의 고분자를 합성할수 있었다. 합성된 고분자를 통해 전기화학적인 특성을 분석해본결과 속도특성실험에서는 올리고머 수준의 분자들보다 분자량이 높은 고분자의 경우 초기용량이 더 높게 나왔고 약 100000인 경우의 고분자가 가장 좋은 속도 특성을 나타내었다. 그리고 수명특성실험의 경우에도 더 높은 고분자의 경우 좋은 수명특성을 보여 고분자의 전도성이 분자량과 관련이 있음을 알수 있었고 높은 분자량의 고분자의 경우 더 향상된 전도성으로 인해 더 좋은 전기화학적 성능 발현을 한것으로 생각된다. 결국 새롭게 합성된 고분자는 기존에 쓰던 도전재의 사용없이도 실리콘전극의 도입이 가능하기 때문에 앞으로 바인더로서 가능성있는 물질로 보인다.