Preparation of Polymer Gel Electrolyte for EDLCs using P(VdF-co-HFP)/PVP

P(VdF-co-HFP)/PVP를 이용한 EDLC용 고분자 겔 전해질의 제조

Porous polymer gel electrolytes (PGEs) based on poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene) (P(VdF-co-HFP)) as a polymer matrix and polyvinylpyrolidone (PVP) as a pore-forming agent were prepared and electrochemical properties were investigated for an electric double layer capacitor (EDLC) in order to increase a permeability of an electrolyte into the PGE. Propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC) as plasticizers, and tetraethylammonium tetrafluoroborate ($TEABF_4$) as a supporting salt for the PGE were used. EDLC unit cells were assembled with the PGE and electrode comprising BP-20 and MSP-20 as activated carbon powders, Super P as a conducting agent, and P(VdF-co-HFP)/PVP as a mixed binder. Ion conductivity of PGEs increased with an increased PVP content and was the best at 7 wt% PVP, whereas electrochemical characteristics such as AC-ESR of unit cell were better in 3 wt%. And electrochemical characteristics of the unit cell with PGE were the best at a 33 : 33 weight ratio of PC to EC. Specific capacitance of a mixed plasticizer system of PE and EC was higher than that of pure PC. Ion conductivity of PGEs with a film thickness of $20{\mu}m$ was higher, but electrochemical characteristics of unit cells were higher for a $50{\mu}m$ membrane thickness. Also, the unit cell has shown the highest capacitance of 31.41 F/g and more stable electrochemical performance when PGE and electrode were hot pressed. Consequently, the optimum composition ratio of PGE for EDLCs was 23 : 66 : 11 wt% such as P(VdF-co-HFP) : PVP = 20 : 3 wt% and PC : EC = 44 : 22 wt%. In this case, $3.17{\times}10^{-3}S/cm$ of ion conductivity was achieved at the $50{\mu}m$ thickness of PGE for EDLCs. And the electrochemical characteristics of unit cells were $2.69{\Omega}$ of DC-ESR, 28 F/g of specific capacitance, and 100% of coulombic efficiency.

전기이중층 커패시터 및 리튬이온 2차전지의 compact화 하기 위하여 격리막과 전해질의 기능을 동시에 갖는 겔 전해질에 대한 연구가 광범위하게 진행되어 왔다. 본 연구는 고분자 겔 전해질에 다량의 기공을 형성하여 전해질의 함침성을 높이기 위해 물리적 특성이 우수한 고분자 지지체 P(VdF-co-HFP)/PVP에 개공제 PVP를 이용하였으며, 가소제 PC와 EC, 그리고 지지전해질 $TEABF_4$를 이용하여 고분자 겔 전해질을 제조하였다. 분말활성탄 BP-20과 MSP-20, 전도성 개량제 Super P 및 결합제 P(VdF-co-HFP)와 PVP를 사용한 전극과 결합하여 단위셀을 제작하였고, 고분자 겔 전해질과 단위셀의 전기화학적 특성을 고찰하였다. PVP 첨가량에 따른 고분자 겔 전해질의 이온전도도는 7 wt%일 때 가장 우수한 이온전도도를 보였으나, 단위셀을 구성하여 전기화학적 특성을 분석한 결과 AC-ESR은 3 wt%일 때 가장 우수하였다. 또한 단위셀을 구성하여 전기화학적 특성 분석 결과 PC : EC = 33 : 33 wt%일 때 가장 우수하였다. 또한 PC를 단독 사용시 보다 PC와 EC의 혼합물을 가소제로 사용하였을 때 비정전용량 등 전기화학적 특성이 높았다. 고분자 겔 전해질의 두께에 따른 이온전도도는 $20{\mu}m$일때 가장 우수한 결과를 보였으나, 단위셀을 구성하여 전기화학적 특성 분석 결과 $50{\mu}m$일 때 가장 우수한 사이클 특성을 나타내었다. 고분자 겔 전해질과 전극사이를 열 압착한 단위셀은 31.41 F/g의 높은 비정전용량과 안정한 전기화학적 특성을 나타내었다. 따라서 P(VdF-co-HFP : PVP = 20 : 3 및 PC : EC = 44 : 22 wt%로 제조된 EDLC용 고분자 겔 전해질의 최적 조성비는 23 : 66 : 11 wt%이었으며, 두께 $50{\mu}m$일 때 $3.17{\times}10^{-3}S/cm$의 이온전도도를 나타내었다. 이 때 단위셀의 전기화학적 특성은 DC-ESR $2.69{\Omega}$, 비정전용량 28 F/g 및 쿨롱 효율 100%이었다.