Synthesis and properties of organic/inorganic hybrid branched copolymers and their applications to solid-state electrolytes for lithium-Ion batteries

Abstract

A series of organic/inorganic hybrid branched (BCP) and linear (LCP) copolymers comprising poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA), 3-(3,5,7,9,11,13,15-heptaisobutyl-pentacyclo[9.5.1.13,9.15,15.17,13]octasiloxane-1-yl)propyl methacrylate (MA-POSS), and ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) were synthesized via reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization for applications to solid polymer electrolyte (SPE) materials in lithium-ion batteries. Dimensionally-stable free-standing films could be obtained when the MA-POSS contents in BCP and LCP are larger than 21 mol %. The maximum ionic conductivity values of the BCP electrolyte containing 21 mol % of MA-POSS were 1.1 x 10–5 S/cm at 30 oC and 4.3 x 10–4 S/cm at 80 oC and those of the LCP electrolyte containing 21 mol % of MA-POSS were 6.9 x 10–6 S/cm at 30 oC and 1.8 x 10–4 S/cm at 80 oC, indicating that the branched polymer electrolyte has larger ionic conductivity than the linear counterpart, due to the increased chain mobility, as estimated by a smaller Tg value.

PEGMA와 MA-POSS를 포함하는 가지형 및 선형 유무기 복합 공중합체를 reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) 중합법으로 합성하였고 이를 리튬 이차전지의 고체상 고분자 전해질로 응용하였다. 부피가 크며 강직한 구조를 가지는 MA-POSS의 도입으로 인한 물성 및 전해질 특성 변화를 체계적으로 알아보기 위하여 공중합체의 MA-POSS 비율을 다양하게 합성한 결과 MA-POSS가 21 mol% 이상일 때 치수 안정성을 가지는 유연한 막이 얻어졌다. 또한, 가지형과 선형 구조에 따른 특성을 비교하였을 때 동일한 단량체 비율을 가지는 두 고분자의 경우 가지형 구조의 전해질이 더 높은 전도도 수치를 보였다. 이는 가지형 구조의 고분자가 더 작은 유리 전이 온도를 가지므로 고분자 사슬의 유동성이 더 우수하기 때문이다.