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[박문정 교수] Enhancing ion transport in charged block copolymers by stabilizing low symmetry morphology: Electrostatic control of interfaces

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작성자 최고관리자 댓글 조회 작성일 21-08-18 16:18

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Enhancing ion transport in charged block copolymers by stabilizing low symmetry morphology: Electrostatic control of interfaces


Jaemin Min, Ha Young Jung, Seungwon Jeong, Byeongdu Lee, Chang Yun Son*, and Moon Jeong Park*

 

전하를 띄는 고분자는 에너지 저장 및 전환 장치로 활용이 가능하기 때문에 각광받고 있다. 하지만 이를 전해질로 활용할 시, 매우 중요한 요소인 이온 전도도가 낮다는 한계가 있다. 본 연구에서는 계면의 정전기적 상호작용 조절을 통해 고분자 전해질의 이온 전도도를 향상시키는 방법을 보고했다. 일반적인 열역학적인 요소로는 설명이 되지 않는 라멜라 구조와 A15 구조 사이의 특이한 상 전이를 발견했고, 이는 고분자 전해질을 구성하고 있는 이온성 액체와 전하를 가진 블록공중합체 사이의 정전기적 상호작용으로 인한 결과였다. 소각 X-선 산란 (SAXS) 실험과 molecular dynamics (MD) 시뮬레이션을 통해서 고분자 전해질 내에 이온성 복합체로 구성된 이온성 층이 형성되는 것을 확인했다. 특히, 이온성 복합체에서 이온성 액체의 양이온이 전하를 띄는 고분자 사슬과 강한 상호작용을 할 때, 양이온이 마이셀의 계면 근처에 우세하게 존재했다. 따라서 마이셀의 계면 특성과 A15구조에서의 농도 변동성(concentration fluctuations)은 고분자 사슬에 치환된 산 그룹에 따라 크게 영향을 받았다. 마이셀 계면에서의 정전기적 인력을 통해 A15 구조가 안정화될 수 있다는 것을 확인한 것이다. 이온 전도를 방해하는 “데드존”으로 작용했던 블록공중합체의 계면에 대한 기존의 통념과는 다르게, 본 연구에서는 블록공중합체 계면을 정교하게 제어하여 차세대 고분자 전해질을 개발할 수 있는 새로운 관점을 제시했다.

 

Recently, the interest in charged polymers has been rapidly growing due to their uses in energy storage and transfer devices. Yet, polymer electrolyte-based devices are not on the immediate horizon because of the low ionic conductivity. In the present study, we developed a methodology to enhance the ionic conductivity of charged block copolymers comprising ionic liquids through the electrostatic control of the interfacial layers. Unprecedented reentrant phase transitions between lamellar and A15 structures were seen, which cannot be explained by well-established thermodynamic factors. X-ray scattering experiments and molecular dynamics simulations revealed the formation of fascinating, thin ionic shell layers composed of ionic complexes. The ionic liquid cations of these complexes predominantly presented near the micellar interfaces if they had strong binding affinity with the charged polymer chains. Therefore, the interfacial properties and concentration fluctuations of the A15 structures were crucially dependent on the type of tethered acid groups in the polymers. Overall, the stabilization energies of the A15 structures were greater when enriched, attractive electrostatic interactions were present at the micellar interfaces. Contrary to the conventional wisdom that block copolymer interfaces act as “dead zone” to significantly deteriorate ion transport, this study establishes a prospective avenue for advanced polymer electrolyte having tailor-made interfaces.

 

https://www.pnas.org/content/118/32/e2107987118

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