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Ion Transport Properties and Electroactive Actuation Characteristics of Polymer Electrolytes Containing Ionic Liquids

Ion Transport Properties and Electroactive Actuation Characteristics of Polymer Electrolytes Containing Ionic Liquids
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Along with the global energy crisis, the development of next-generation energy sources such as polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells and lithium batteries has been drawing significant attention over the past few decades. Among them, the high temperature PEM fuel cells have received particular interests in recent years. In order to achieve enhanced ion transport of polymer electrolytes at high temperature conditions, significant efforts have been devoted to the discovery of new protic solvents to replace water, i.e. ionic liquids (ILs), which have unique properties that characterized by non-volatility and high ionic conductivities. Herein, I am motivated to investigate electrochemical properties of PEMs containing various ionic liquids (ILs) to explore the way to improve the conductivity. A set of sulfonated diblock copolymers were employed as model polymer electrolytes used, which offer the prospects of good mechanical stability and the efficient ion transport properties. A range of heterocyclic diazole-based ILs where the cation of ILs has two protic sites were synthesized aimed to obtain enhanced proton conductivity at elevated temperature by forming strong hydrogen bonding networks. This is in sharp contrast to previously studied ILs based on 1,3-alkyl-substituted imidazolium cations. Interestingly, a wide variety of self-assembled morphologies, i.e. lamellar, hexagonal cylinder and gyroid structures, have been uncovered for the IL-containing PEMs by varying the type of heterocyclic diazole, attributed to the fact that the ring structures and alkyl substituents in diazoles have significant impact on thermodynamic properties of ILs-containing PEM. This enabled us to underpin the effects of morphology on conductivities, leading us to conclude that gyroid structure is beneficial in obtaining improved conductivity values. Next, I investigated sub-structure effects on ion transport properties of IL-containing PEM
interface and ion distribution. Intriguingly, introduction of different anions has meditated the dissimilar substructures of lamellar structures, which was identified using X-ray reflectivity (XR) experiments and grazing incident small angle X-ray scattering (GI-SAXS) experiments. The relationship between the substructure and conductivity was examined where the data demonstrated that ion confinement and interfacial properties make influence on ionic conductivity by modulating path length for ion conduction. This is implies that ion confinement within microdomains and interfacial properties between ionic and non-ionic domains on the conductivity are critical issues, these studies have barely been analysed while having same nanostructure of PEMs. These works to achieve enhanced conductivity of polymer electrolytes are attributed to figure out the electromechanical deformation of electroactive actuators as a practical electrochemical device. I could develop fast low-voltage driven electroactive actuators using ILs-integrated PEMs possessing nanoscale ionic channels, upon building up less tortuous ion conduction pathway. As a result, the new actuators displayed the best performance exceeding those of other ionic polymer actuators reported to date under sub-1V operation conditions as well as under conditions with higher driving voltages of 2~5V. The studies confirm that the creation of well-defined structures in ILs-incorporated polymer electrolytes by combining proper molecular design and structural optimization is particularly highlighted as a prospective technique towards obtaining next-generation electrochemical devices with advanced performances.
화석 연료의 고갈과 지구 온난화 등 환경 문제로 인해, 청정 에너지원의 확보가 세계적인 주요 현안으로 대두되고 있다. 그 중에서도 고분자 전해질을 이용한 수소연료 전지는 공해가 거의 없는 청정 에너지원으로서 각광받고 있다. 최근 고온 연료전지에 대한 관심이 높아지면서, 고분자 전해질 내의 이온 전달 매개체로 물을 사용하는 대신 휘발성이 거의 없고 전도도가 높은 이온성 액체로 대체하는 연구가 많이 진행되고 있다. 이에 본 연구자는 이온성 액체를 함유한 고분자 전해질의 전기화학적 특성에 대한 연구를 통해 고온, 무수의 환경에서 향상된 이온 전도도를 얻고자 하였다. 이를 위해 이온성 도메인과 비이온성 도메인의 공유 결합으로 이루어져 있어 우수한 기계적 강도와 더불어 높은 이온 전도도를 갖는 술폰화된 PSS-b-PMB 블록공중합체를 고분자 전해질로 사용하였다. 이온성 액체에 대해서는, 많은 연구진들이 사용하던 이온성 액체에 비해 protic site 가 많은 헤테로사이클릭 다이아졸의 이온성 액체를 고분자 전해질에 함유시킴으로써, proton 의 개수가 많을수록 고분자 전해질의 이온 전도도가 향상됨을 밝혀냈다. 또한 이온성 액체의 양이온 종류에 따라 고분자 전해질이 지니는 나노 구조가 다르다는 것을 발견하였고, 각 나노 구조는 이온이 전도되는 경로를 형성하는 역할을 하면서 전도도에 큰 영향을 미치는 요인임을 실험적으로 규명해내었다. 이에 더 나아가 고분자 전해질의 나노 구조 뿐만 아니라 전도도에 영향을 미치는 또 다른 요소에 대해 연구를 수행하였다. 함유하는 이온성 액체의 음이온에 따라 같은 층상 구조를 지니더라도, 고분자 전해질 내부의 각 도메인의 두께나 도메인간의 계면 거칠기 등 내부 하부 구조가 다르다는 것을 X 선 산란 실험들의 분석을 통해 알아낼 수 있었다. 이들의 전도도를 측정함으로써, 고분자 전해질 내부의 도메인 간의 계면이나 이온 분배 정도와 이온 전도도와의 관계를 정립할 수 있었다. 뚜렷한 계면을 가지는 고분자 전해질일수록 이온성 도메인 내부의 이온 집적화를 이루게 하여 이온 효율에 긍정적인 역할을 한다는 것을 최초로 제시한 연구이다. 앞선 고분자 전해질의 이온 전도도 향상에 영향을 주는 요소에 대한 연구 결과를 바탕으로 실제적인 전기화학 디바이스인 고분자 전기 감응성 액츄에이터 연구에 적용해보았다. 나노 구조를 가진 고분자 전해질은 효율적인 이온 전도에 영향을 주기 때문에, 이온성 액체가 함유된 술폰화된 블록공중합체를 이용해 만든 이 새로운 엑츄에이터는 이전의 보고된 어떠한 엑츄에이터 연구에 비교하더라도, 월등히 빠른 반응 속도를 보이고 우수한 변형 정도를 나타내었다. 뿐만 아니라, 1V 미만의 낮은 구동 전압에서도 안정적이고 뛰어난 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 높은 이온 전도 효율을 지니도록 이온성 액체의 구조를 조절하고, 최적의 나노 구조를 갖는 고분자 전해질을 만든다면 뛰어난 성능을 지닌 생체 모방형 디바이스나 차세대 에너지원으로서의 발전 가능성은 충분히 기대할 만하다고 생각한다.
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