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학위논문
저자정보

윤수진 (건국대학교, 건국대학교 글로컬캠퍼스 일반대학원)

지도교수
김환기
발행연도
2023
저작권
건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수17

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이 논문의 연구 히스토리 (9)

초록· 키워드

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1장에서는 PEMFC 분야의 과불화수지(PFSA)와 탄화수소막에 대해 설명하였다. 높은 산성도와 IEC를 가진 새로운 모노머로 만들어진 멤브레인은 PEM으로서 좋은 가치를 가지고 있습니다. 또한 리튬 이온 배터리 응용 분야에서 다양한 전해질 재료의 기본 및 성능에 대해 설명합니다. 넓은 포텐셜 윈도우와 높은 열 안정성을 가진 새로운 겔 폴리머 전해질은 리튬 배터리에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
2장에서 우리는 두 개의 열적 및 화학적으로 안정한 고분자 전해질을 합성했습니다. 폴리(2,5-디옥소-2,5-디히드로-1H-피롤-1-카르보닐) 술파모일 플루오라이드-코-스티렌)(PDDPCSFS), 및 술폰화된 Pmax-1200(SPmax-1200). PDDPCSFS 및 SPmax-1200은 (70.50 및 75.44) mS/cm 양성자 전도도(s), (30 및 48) % 수분 흡수율(WU), (1.35 및 1.93) meq./g 이온 교환 용량(IEC) 값, 각각 80 °C에서. 우리는 또한 PDDPCSFS와 SPmax-1200 폴리머를 다른 비율로 혼합하여 혼합 고분자 전해질을 준비했으며 혼합 고분자 전해질이 우수한 이온 전도 채널을 형성하여 모체 화합물에 비해 향상된 성능을 나타냄을 관찰했습니다. 블렌드 폴리머, 블렌드(9:1) 및 블렌드(8:2)는 80 % 상대 습도(RH), 기계적 및 화학적 안정성은 나피온 117보다 높거나 비슷합니다. 또한, 블렌드(9:1) 및 블렌드(8:2) 고분자 전해질을 사용한 연료 전지의 최대 전력 밀도는 약 ca. (0.55 및 0.59) W/cm2는 각각 상용 고분자 전해질을 사용하는 연료 전지의 전력 밀도에 매우 가깝습니다.
3장에서는 플루오로술포닐이미드산을 포함하는 새로운 단량체와 폴리머를 합성합니다. 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(PEGDMA)와 메타크릴아미드(MAA) 및 플루오로술포닐 이소시아네이트(FSO2NCO)에 의해 합성되는 메타크릴로일 플루오로술포닐이미드(MAFSI)를 사용한 UV 경화 기술을 통해 일련의 고분자 전해질 막이 제조됩니다. MAFSI 단량체와 고분자 전해질(PMFP)은 성공적으로 합성되었으며 1H NMR 및 FT-IR로 구조를 확인했습니다. 멤브레인은 3.97~5.71 meq./g의 높은 IEC 값에도 불구하고 79.14~110.87 mS/cm의 높은 양성자 전도도, 8.74~28.57 %의 낮은 수분 흡수율, 6.5~30.8 %의 낮은 치수 팽창을 나타냅니다. 또한, 멤브레인은 최대 150 °C의 온도에서 우수한 열 안정성을 나타내며 멤브레인의 표면 형태는 MAFSI와 에틸렌 글리콜 세그먼트 사이의 우수한 상 분리를 관찰했습니다.
4장에서는 플루오로술포닐이미드산을 포함하는 새로운 단량체와 고분자를 합성합니다. 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(PEGDMA)와 2-히드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA) 및 플루오로술포닐 이소시아네이트(FSO2NCO)에 의해 합성되는 플루오로술포닐 메타크릴로일 우레탄(FSMU)을 사용한 UV 경화 기술을 통해 일련의 고분자 전해질 막이 제조됩니다. FSMU 단량체와 고분자 전해질(PFSPE)이 성공적으로 합성되었으며 1H NMR과 FT-IR을 통해 구조를 확인했습니다. 준비된 그대로의 PFSPE는 우수한 열 안정성(120 °C까지 안정)을 나타냈고, PFSPE-2는 유사한 이온 전도도(80 °C에서 2.26 x10-4 S/cm), 더 나은 계면 호환성을 나타냈습니다. 얻은 결과는 리튬 이온 배터리 개발을 위한 겔 폴리머 전해질을 통해 높은 이온 전도성과 좋은 상용성을 제공할 수 있습니다.
5장에서는 LIB에서 전해질과 전극 사이의 계면 접촉 문제를 해결하기 위해 AIBN을 개시제로 사용하여 제자리 라디칼 중합을 소개합니다. 여기에서, 우수한 열 안정성(120 °C), 실온에서 1.37 × 10-4 S cm-1의 높은 이온 전도도를 나타내는 일련의 현장 폴리(플루오로술포닐우레탄) 기반 고분자 전해질(PFSED)이 합성됩니다. PFSED는 또한 넓은 전기화학적 창(>4.8V vs Li/Li+)과 조립된 LiFePO4/PFSED/Li 전지가 있는 리튬 양극과의 우수한 호환성을 보여줍니다. 이 연구는 현장 양이온 중합에 의해 제조된 새로운 고분자 전해질 및 전극-전해질의 계면 저항 감소에 미치는 영향을 개발하는 데 기여합니다.

목차

TABLE OF CONTENTS
List of Tables v
List of Figures and Schemes vi
Abstract ix
Chapter 1 General Introduction of Renewable Energy. 1
1.1. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) 1
1.2. Electrolyte membranes for PEMFC 4
1.2.1. Perfluorinated sulfonic acid membranes 4
1.2.2. Aromatic hydrocarbon backbone membranes 8
1.3. Li-Ion batteries 9
1.4. Electrolyte for Li-Ion batteries 10
1.5. Lithium salt for Li-ion batteries 12
1.6. Strategy and object 16
Chapter 2. Flexible blend polymer electrolyte membranes with excellent conductivity for fuel cells 17
2.1. Introduction 17
2.2. Materials and methods 19
2.2.1. Materials 19
2.2.2. Synthesis of PDDPCSFS 20
2.2.3. Synthesis of SPmax-1200 21
2.2.4. Preparation of blend polymer membranes 22
2.2.5. Instrumentations and measurments 23
2.3. Results and discussions 24
2.3.1. Characterizations of the monomers and polymers 24
2.3.2. WC, IEC, hydration number, dimensional and thermal properties of the membranes 27
2.3.3. Proton Conductivity (σ), chemical and mechanical stability of the membrnaes 29
2.3.4. Cell performance and surface morphology of the membranes 31
2.4. Conclusions 33
Chapter 3. Synthesis and Characterization of cross-linked polymer with Sulfonylimide group via UV-radical polymerization for PEMFC 35
3.1. Introduction 35
3.2. Materials and methods 37
3.2.1. Materials 37
3.2.2. Measurements 37
3.2.3. Synthesis of Methacryloyl fluorosulfonyl imide (MAFSI) 39
3.2.4. Preparation of Poly(MAFSI-PEG) polymers(PMFP) 40
3.3. Result and discussion 41
3.3.1. Characterization of monomer (MAFSI) 41
3.3.2. Characterization of Polymers (PMFP) 42
3.3.3. IEC, Water uptake and dimensional stability of PMFP membranes 43
3.3.4. Proton Conductivity of the PMFP membranes 45
3.3.5. Thermal stability of PMFP membranes 47
3.3.6. Morphology of the membranes 48
3.3.7. Chemical stability of the membranes 49
3.3.8. Mechanical stability of the membranes 50
3.3.9. Cell performance of the PMFP membranes 51
3.3. Conclusions 52
Chapter 4. Study of UV-cured Cross-Linked Gel Polymer Electrolyte Containing Fluorosulfonyl urethane group for Safe and High Performance Li-ion Batteries 53
4.1. Introduction 53
4.2. Materials and Methods 55
4.2.1. Materials 55
4.2.2. Instrumentations and measurements 55
4.2.3. Synthesis of Fluorosulfonyl methacryloyl urethane(FSMU) monomer 56
4.2.4. Synthesis of Cross-linked polymer membranes 57
4.2.5. Fabrication of Symmetrical, Half Cells 58
4.3. Result and discussion 59
4.3.1. Characterization of monomer 59
4.3.2. Characterization of PFSPE membranes 59
4.3.3. Thermal properties of the membranes 60
4.3.4. Ionic Conductivity and Electrochemical Stability of Prepared Electrolyte Membranes 61
4.4. Conclusions 63
Chapter 5. Studies of In-situ Polymerization with Low Interfacial Resistance on Gel Polymer Electrolyte for Li-Ion Batteries 64
5.1. Introduction 64
5.2. Materials and Experiment 65
5.2.1. Materials 65
5.2.2. Instrumentations and measurements 66
5.2.3. Synthesis of Fluorosulfonyl methacryloyl urethane(FSMU) monomer 66
5.2.4. Synthesis of In-situ gel polymer electrolyte(PFSED) 67
5.3. Result and discussion 68
5.3.1. Characterization of FSMU monomer 68
5.3.2. Characterization of PFSEDs 69
5.3.3. Thermal properties of the membranes 70
5.3.4. Ionic Conductivity and Electrochemical Stability of Prepared Electrolyte 71
5.4. Conclusions 72
References 74
Abstract (in Korean) 92

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