더 나은 리튬-이온 배터리 멤브레인을 만들 수 있는 새로운 방법

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-19

미국 연구진은 리튬 이온들이 나노구조로 된 블록 공중합체 전해질 박막 속에 어떻게 분산되는지를 확인하는데 C60+ 스퍼터링을 가진 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 사용했다. 이런 이온-전도성 재료들은 배터리, 연료 전지 멤브레인, 나노리소그래피 템플릿 등의 다양한 분야에 일상적으로 사용되고 있다. 블록 중합체는 공유결합으로 서로 결합된 서로 다른 폴리머 사슬로 만들어진다. 이런 사슬들은 복잡한 패턴으로 자기 조립하는 나노크기 구조들을 형성하기 위해서 상 분리한다. 최근에, 이번 연구진은 PEO(poly(ethylene oxide)), PS(polystyrene, 비전도성 블록)와 같은 이온-용매화 블록을 포함하는 블록 중합체를 조사했다. 이런 재료들은 기존의 액체 또는 겔과 같은 전해질 시스템보다 더 적은 가연성을 가지기 때문에 재충전할 수 있는 배터리 멤브레인으로서 이상적이다. 액체 같은 PEO 블록은 이온을 전도할 수 있는 통로를 형성하고 단단한 PS 블록은 기계적 및 열적으로 안정적이다. “두 개의 중합체들이 블록 공중합체와 서로 결합될 때도 그들의 독립적인 특성들을 유지하기 때문에, 이것은 바람직한 이온 전도성과 기계적 특성들을 가진 배터리를 디자인할 수 있다”고 델라웨어 대학(University of Delaware)의 Thomas Epps가 설명했다. 리튬 염으로 도핑된 PS-PEO 시스템의 나노크기 구조와 이런 재료들의 이온 전도성 간의 관계를 더 잘 이해하기 위해서, 이전 연구는 PEO 블록의 분자 무게가 증가할 때 전도성이 증가하거나 감소할 수 있다는 것을 발견했다. 이런 차이를 설명하기 위한 노력의 일환으로, 이번 연구진은 이온들이 층상 PS-POEM(PS-poly(oligo(oxyethylene)methacrylate)) 공중합체로 혼합된 lithium trifluoromethanesulfonate의 박막 속에 어떻게 분산되는지를 확인하기 위해서 C60+를 가진 XPS를 사용했다. XPS는 매우 높은 민감도로 원소 조성들을 측정할 수 있는 표면 민감성 기술이다. 또한 이것은 샘플 속의 원자들의 화학적 및 전기적 상태를 측정할 수 있다. XPS 스펙트럼은 X-선 빔으로 재료를 조사한 후에 재료 상부로부터 10nm까지 벗어날 수 있는 전자들의 수와 운동 에너지를 측정함으로써 얻어진다. “C60+ 이온들은 깊이의 함수로서 원소 조성을 탐침하도록 폴리머 박막을 통해서 에칭하는데 사용되었다”고 Epps가 말했다. “더 큰 C60+ 이온들은 폴리머 재료들이 Ar+와 같은 이온들로 에칭될 때 일반적으로 발생하는 스퍼터링 손상을 완화할 수 있기 때문에 이 연구의 성공에 중요하다. C60+의 깊이 분포 측정 XPS 덕분에, 우리는 리튬 이온들이 POEM 도메인 속에 균일하게 분산될 수 있다는 것을 발견했다“고 Epps가 덧붙였다.  이 연구결과는 염과 염 분포가 나노구조로 된 시스템 속의 이온 전도성에 어떤 영향을 끼치는지를 이해하는데 중요하고, 배터리와 연료전지 멤브레인과 같은 분야의 향상된 이온 전도성 시스템을 디자인하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 이 연구에서 사용된 C60+ 깊이 분포 XPS 기술은 이온 전도성 시스템에 제한되지 않고, 다양한 소프트 재료들의 나노구조를 분석하는데 사용될 수 있다. 이 연구는 저널 ACS Nano에 “Determination of Lithium-Ion Distributions in Nanostructured Block Polymer Electrolyte Thin Films by X-ray Photoelectron Spectroscopy Depth Profiling”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nn505744r). 이 연구는 델라웨어 대학과 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 연구진에 의해서 수행되었다. 그림. 층상 PS-POEM 리튬 도핑된 박막을 만들 수 있는 프로세스. noname018.bmp http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59824