KR100302191B1 - Metal-Polymer Composite Electrode Material and Its Use - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전이금속종과 폴리아닐린으로 구성되는 복합 전극재, 이를 전도성 집전체에 도포하여 제조되는 양극 및 이 양극을 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 아닐린, 아닐린 유도체 및 이량체로부터 선택된 1종의 화합물에 산화력이 있는 전이금속 염을 가해 용매 내에서 산화 중합하여 복합 전극재를 얻고, 이를 바로 전도성 집전체에 도포하여 전극을 완성함으로써 전극물질의 혼합이 효과적이고, 균일한 조성의 전극제조가 가능하므로 전극 활물질인 전이 금속종의 매트릭스 고분자로 작용하는 폴리아닐린에 대한 분산성이 좋으며; 이렇게 제조된 전극은 활물질인 전이금속종이 폴리아닐린에 함유되어 있는 질소 원자와 화학적 친화력에 의한 고정 효과가 높으므로 충방전 횟수에 따른 용량 감소가 적고, 전극재로서의 전이 금속의 높은 용량이 효과적으로 활용될 수 있을 뿐만 아니라; 결과적으로, 이를 이용한 이차전지는 반복적인 재충전이 가능하고 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 경량화가 가능하며 액상의 전해질을 함유하고 있지 않으므로 사용시 누액에 따른 문제점이 없으며, 고체 형태의 전지로서 용도에 따라 소형 및 박형의 전지 제조가 가능하다.The present invention relates to a composite electrode material composed of a transition metal species and polyaniline, a cathode prepared by applying the same to a conductive current collector, and a secondary battery including the cathode, and a compound selected from aniline, aniline derivatives and dimers. By adding an oxidizing transition metal salt to the oxidized polymer in a solvent to obtain a composite electrode material, and applying it directly to a conductive current collector to complete the electrode, the mixing of the electrode material is effective, it is possible to produce an electrode of uniform composition Good dispersibility to polyaniline serving as a matrix polymer of transition metal species, which is an electrode active material; The electrode thus prepared has a high fixing effect due to chemical affinity with the nitrogen atom contained in the polyaniline as the active metal transition metal species, so that the capacity decreases according to the number of charge and discharge cycles, and the high capacity of the transition metal as the electrode material can be effectively utilized. Not only; As a result, the secondary battery using the same can be repeatedly recharged, has a high energy density, can be lightened, and does not contain a liquid electrolyte, so there is no problem due to leakage when used. Thin battery production is possible.
Description
본 발명은 금속-고분자 복합 전극재 및 그 용도에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전이 금속과 폴리아닐린을 함유한 고분자 화합물로 이루어진 복합 양극재와, 이 양극재로부터 제조되는 전극을 양극으로 하고, 고분자 전해질, 및 리튬 금속, 리튬 알로이 혹은 카본, 흑연 등 리튬 인터칼레이션(intercalation)이 가능한 카본계 물질에서 선택된 물질을 음극으로 하여 구성되는 에너지 밀도가 높고 우수한 가역적 충방전 특성을 가지고 있는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal-polymer composite electrode material and its use. More particularly, the present invention relates to a composite cathode material comprising a polymer compound containing a transition metal and polyaniline, and an electrode prepared from the cathode material as a cathode. And a lithium secondary battery having a high energy density and excellent reversible charge / discharge characteristics, which is composed of a material selected from lithium-based metals such as lithium metal, lithium alloy, or carbon-based materials capable of lithium intercalation, such as carbon and graphite. will be.
전지는 현대 생활에 있어서 다양하게 사용되는 전자 기기의 중요한 구성 요소가 되고 있다. 전자 통신 및 전산 기기의 발전은 휴대 기기의 급속한 보급을 가져왔으며 휴대 기기의 편리성을 도모하는 필수적인 요소로서 소형 이차 전지의 고용량, 장수명, 소형화 및 경량화가 요구되고 있다.Batteries have become an important component of electronic devices used in various ways in modern life. The development of electronic communication and computer equipment has led to the rapid dissemination of portable devices, and as an essential factor for the convenience of portable devices, high capacity, long life, miniaturization and light weight of small secondary batteries are required.
고용량 양극재인 전이 금속을 활물질로 사용하여 이차 전지를 제조하기 위하여 많은 연구가 있어왔다.Many studies have been conducted to manufacture secondary batteries using a transition metal, which is a high capacity cathode material, as an active material.
그 일예로 미합중국 특허 제 4,546,055 호, 제 4,795,685 호, 제 4,992,345 호, 제 4,288,506 호, 제 4,797,333 호, 및 제 4,945,012 호 등에는 음극으로는 알칼리 금속(alkali metal)을 사용하고, NaAlXn형태의 용융염 전해질(molten salt electrolyte)과 베타 알루미나(β-alumina) 격리막(separator)을 사용한 것으로 개시되어 있다. 여기서는 양극으로는 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 크롬(Cr) 등과 같은 전이 금속들의 할로겐 화합물이나, 또는 무기물과의 화합물 형태를 사용하였다. 이러한 전지는 NaAlXn형태의 용융염의 녹는점 이상인 200℃ 이상의 고온에서 동작하며, 충방전 과정에서 생성되는 염화물질의 부식성이 강하다. 한편, 전극 표면에 층을 이루는 금속 염화물의 낮은 전도성으로 인해 전극의 용량이 저하되고 수명이 단축되다는 것은 미합중국 특허 제 5,283,135 호에 지적되어 있으며, 전극을 이루는 금속 입자들의 응집(agglomeration)에 의한 용량저하를 막기 위하여 니켈 전극에 황을 첨가하는 방법에 대해서도 미합중국 특허 제 5,573,873 호에 개시되어 있다.For example, US Pat. Nos. 4,546,055, 4,795,685, 4,992,345, 4,288,506, 4,797,333, and 4,945,012 use alkali metals as cathodes, and molten salts of NaAlX n type. It is disclosed that a molten salt electrolyte and a beta-alumina separator are used. As the anode, a halogen compound of transition metals such as iron (Fe), copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), and chromium (Cr), or a compound form with an inorganic material was used. Such a battery operates at a high temperature of 200 ° C. or higher, which is higher than the melting point of NaAlX n type of molten salt, and is highly corrosive to chlorides generated during charging and discharging. On the other hand, it is pointed out in US Pat. No. 5,283,135 that the capacity of the electrode is reduced and the life is shortened due to the low conductivity of the metal chloride layered on the surface of the electrode, and the capacity due to the agglomeration of the metal particles forming the electrode is indicated. A method of adding sulfur to nickel electrodes to prevent degradation is also disclosed in US Pat. No. 5,573,873.
그리고, 미합중국 특허 제 4,844,993 호 및 전기화학회지(J. Electrochem. Soc. 134, 2383, 1987) 등에는 리튬 이차 전지에 염화구리(II)를 양극재로 사용하고, 액체 전해질을 사용하는 전지에 대하여 개시되어 있다. 여기서, 액체 전해질로는 리튬 알루미늄클로라이드(LiAlCl4)와 이산화황(sulfur dioxide)의 혼합물이 사용되었다. 이러한 액체 전해질은 높은 전기전도도를 제공할 수 있는 장점이 있으나, 이러한 용매계는 성분비의 변화에 따라 고체화되어 전도도가 저하되거나 휘발하여 압력이 발생할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 미합중국 특허 제 5,024,906 호에서는 상기 혼합전해질에 에틸 클로로포메이트(ethyl chloroformate), 또는 설폴레인(sulfolane) 등의 유기 용매를 첨가하는 방법이 제안되었으나, 이러한 용매를 사용할 경우에는 양극재로 사용된 구리염이 용해되어 전해질로 분산되므로 점차적으로 용량이 저하되고 따라서 이차 전지로서의 수명이 저하될 수 있다. 또한, 불가피하게 누액 방지나 용매의 휘발에 의하여 발생될 수 있는 전지 내부 압력제어를 위한 경직된 전지구조가 요구된다.In addition, US Pat. No. 4,844,993 and Electrochemical Society (J. Electrochem. Soc. 134, 2383, 1987) and the like use copper (II) chloride as a cathode material for a lithium secondary battery, and a battery using a liquid electrolyte. Is disclosed. Here, a mixture of lithium aluminum chloride (LiAlCl 4 ) and sulfur dioxide was used as the liquid electrolyte. Such a liquid electrolyte has an advantage of providing high electrical conductivity, but such a solvent system may be solidified according to a change in the component ratio, thereby deteriorating conductivity or volatilization to generate pressure. In order to compensate for this disadvantage, US Patent No. 5,024,906 proposes a method of adding an organic solvent such as ethyl chloroformate or sulfolane to the mixed electrolyte. Since the copper salt used as the ash is dissolved and dispersed in the electrolyte, the capacity may gradually decrease and thus the life of the secondary battery may decrease. In addition, there is a need for a rigid battery structure for cell internal pressure control, which may inevitably be caused by leakage prevention or volatilization of a solvent.
한편, 전기전도성 물질인 폴리아닐린 및 다양한 폴리아닐린 유도체의 화학적인 제조방법에 대하여는 미합중국 특허 제 4,940,517 호, Polymer(1989, Vol.30, pp2305-2311) 등에 각각 제시되어 있다.Meanwhile, the chemical preparation of polyaniline and various polyaniline derivatives, which are electrically conductive materials, is disclosed in US Pat. No. 4,940,517, Polymer (1989, Vol. 30, pp2305-2311) and the like, respectively.
아닐린 및 아닐린 유도체의 화학적 산화 중합법에 사용되는 산화제로는 퍼옥시디설페이트(peroxydisulfate) 또는 퍼옥사이드류, 그리고 산화력이 강한 금속 이온염들이 사용된다.As the oxidizing agent used in the chemical oxidation polymerization method of aniline and aniline derivatives, peroxydisulfate or peroxides and strong oxidizing metal ion salts are used.
에메랄딘 솔트 형태의 폴리아닐린 고분자는 거의 모든 용매에 대하여 불용성인 것으로 보고되었다.Polyaniline polymers in emeraldine salt form have been reported to be insoluble in almost all solvents.
그리고, 화학적 산화중합시 CSA, DBSA 등의 산으로 도핑되거나 아닐린 유도체로부터 화학중합된 폴리아닐린 중에는 일부 극성 유기용매에 대한 향상된 용해도를 보여주고 있는 것이 알려져 있지만, 여전히 용해도가 낮고 용해성을 나타내는 용매가 제한되어 있음에 대해서도 기술되어 있다(참고 : Synth. Metals, 48(1992) pp91-97).In addition, polyaniline doped with an acid such as CSA or DBSA or chemically polymerized from aniline derivatives during chemical oxidation polymerization is known to show improved solubility in some polar organic solvents, but solvents showing low solubility and solubility are limited. (See Synth. Metals, 48 (1992) pp91-97).
또한, 화학 산화중합한 폴리아닐린 고분자를 염기처리하여 얻은 에메랄딘 베이스 형태가 일부 유기용매에 대한 용해도를 보여주고 있음이 관찰되었으나, 용해도가 5∼10wt%로 낮게 나타나고 시간이 지남에 따라 쉽게 겔화하는 특성을 나타낸다고 보고되어 있다. 따라서 폴리아닐린을 전극물질로 활용하는데 있어서 이러한 불용성은 전극 가공성에 제약을 미친다.In addition, it was observed that the emeraldine base form obtained by the base treatment of the chemically oxidized polyaniline polymer showed solubility in some organic solvents, but the solubility was low as 5 to 10 wt% and easily gelled over time. Is reported. Therefore, such insolubility in using polyaniline as an electrode material has a limitation in electrode workability.
전기전도성 고분자 물질인 폴리아닐린을 양극활물질로 사용한 리튬 이차전지에 대하여는 미합중국 특허 제 5,202,202 호, 제 4,940,640 호 등에 각각 기재되어 있다. 구체적으로, 미합중국 특허 제 5,202,202 호에서는 화학 산화중합된 폴리아닐린을 카본 블렉과 혼합하여 펠릿형태로 제조된 전극을 양극으로 하고, 비수계 전해액, 리튬 음극과 결합된 전지에 대해 개시하고 있다. 또한, 미합중국 특허 제 4,940,640 호에는 전기화학적으로 폴리아닐린을 필름 형태로 중합하여 얻은 양전극을 이용한 전지에 대하여 개시되어 있다. 그러나, 이러한 형태의 전극은 대면적으로 제조되기 어렵고, 양극으로 폴리아닐린을 사용할 경우 사이클 수명은 긴 반면 평균 방전용량(이론용량=150mAh/g)이 낮고, 충반전속도가 느리기 때문에 아직까지는 소형의 카드형, 단추형 이차전지 정도에서 그 응용성을 찾고 있는 실정이다.Lithium secondary batteries using polyaniline, an electrically conductive polymer material, as a cathode active material are described in US Pat. Nos. 5,202,202, 4,940,640, and the like, respectively. Specifically, U. S. Patent No. 5,202, 202 discloses a battery in which an electrode prepared in pellet form by mixing chemically oxidized polyaniline with a carbon block is used as a positive electrode, and is combined with a non-aqueous electrolyte solution and a lithium negative electrode. In addition, US Pat. No. 4,940,640 discloses a battery using a positive electrode obtained by electrochemically polymerizing polyaniline in the form of a film. However, this type of electrode is difficult to manufacture in large areas, and since polyaniline is used as the anode, the cycle life is long, the average discharge capacity (theoretical capacity = 150mAh / g) is low, and the charging and discharging speed is still small. In the type and button type secondary battery, the situation is looking for the applicability.
그리고, 전극재의 효율을 향상시키기 위하여 폴리아닐린을 첨가하는 방법에 관하여는 미합중국 특허 제 5,324,599 호에 공개되어 있다. 여기서는 유기 용매내에서 유기 디설파이드 전극재와 폴리아닐린을 혼합함으로써 폴리아닐린의 질소 원자에 유기 디설파이드 양극물질의 양성자가 결합되도록 하여 이온성 염이 형성되는 도핑과정을 이용하였다. 이러한 방법에 의하여 전극재에 분자 수준으로 혼합된 폴리아닐린은 유기 디설파이드 물질의 전자 전달 속도를 향상시키는 촉매효과를 가지고 있다.A method of adding polyaniline to improve the efficiency of the electrode material is disclosed in US Pat. No. 5,324,599. In this case, a doping process in which an ionic salt is formed by mixing an organic disulfide electrode material and a polyaniline in an organic solvent to bond protons of the organic disulfide anode material to a nitrogen atom of the polyaniline is used. The polyaniline mixed at the molecular level in the electrode material by this method has a catalytic effect of improving the electron transfer rate of the organic disulfide material.
이렇듯, 전이 금속, 또는 폴리아닐린을 양극 물질로 이용한 이차 전지들이 많이 제안되었으나, 이러한 전극 물질들의 적절한 혼합과 분산, 그리고 그에 따르는 효과적인 전극의 제조를 위해서는 많은 개선을 필요로 하고 있다.As described above, many secondary batteries using a transition metal or polyaniline as a cathode material have been proposed. However, many improvements are required for proper mixing and dispersing of these electrode materials, and accordingly to manufacture an effective electrode.
이러한 문제점들의 개선은 전이 금속 또는 폴리아닐린을 양극물질로 사용한 전지에 있어서 고용량의 실현과 충방전 안정성을 위하여 필수적으로 요구되고 있다.The improvement of these problems is indispensable for realizing high capacity and charging / discharging stability in batteries using transition metal or polyaniline as a cathode material.
본 발명에서는 상기한 단점을 해결하고자 연구하던 중 분산성이 좋고 에너지 밀도가 높으며 가역적으로 산화 환원이 가능한 복합 전극재를 개발하게 되었다.In the present invention, while developing to solve the above disadvantages, a composite electrode material having a good dispersibility, high energy density, and reversible redox was developed.
본 발명의 목적은 주성분이 전이 금속 또는 전이 금속염에서 선택된 1종 이상의 전이 금속종과 폴리아닐린(polyaniline)인 전극재를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide an electrode material whose main component is polyaniline and at least one transition metal species selected from transition metals or transition metal salts.
본 발명의 또 하나의 목적은 산화력이 있는 전이 금속종과 아닐린, 혹은 아닐린 유도체의 단량체, 혹은 이량체의 반응혼합물로부터 단일 프로세스로 제조되고 분산성이 좋으며 간편하게 제조될 수 있는 전극재를 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide an electrode material which is prepared in a single process from a reaction mixture of an oxidizing transition metal species and a monomer or dimer of an aniline or an aniline derivative, and has a good dispersibility and can be easily produced. have.
본 발명의 다른 목적은 전도성 집전체에 상기 제조한 전극재를 도포하여 제조되는 이차 전지용 양극을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a positive electrode for a secondary battery manufactured by applying the electrode material prepared above to a conductive current collector.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 양극, 그리고 리튬 금속, 리튬 알로이 및 리튬 인터칼레이션이 가능한 카본계 물질에서 선택된 음극, 및 리튬 염과 고분자 및 유기 용매로부터 제조되는 고분자 전해질로부터 구성되는 이차 전지를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a secondary battery comprising the positive electrode and a negative electrode selected from lithium metal, lithium alloy and lithium intercalation-based carbon material, and a polymer electrolyte prepared from lithium salt and a polymer and an organic solvent. To provide.
도 1은 본 발명 실시예 1, 2에 따라 제조된 각각의 전지 A, B에 대한 충방전용량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이고,1 is a graph showing the results of measuring charge and discharge capacity for each of the batteries A and B prepared according to Examples 1 and 2 of the present invention.
도 2는 본 발명 실시예 1에 따라 제조된 전지 A를 이용율 100%로 충전할 경우 충방전 횟수에 따른 방전용량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the result of measuring the discharge capacity according to the number of charge and discharge when the battery A prepared according to Example 1 of the present invention at 100% utilization.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속-고분자 복합 전극재는 용매 내에서 아닐린, 아닐린 유도체 및 이량체로부터 선택된 1종의 화합물에 산화력이 있는 전이금속 염을 가하여 산화 중합하여 제조된 것을 그 특징으로 한다.The metal-polymer composite electrode material of the present invention for achieving the above object is prepared by oxidative polymerization by adding an oxidative transition metal salt to one compound selected from aniline, aniline derivatives and dimers in a solvent. It is done.
또한, 본 발명은 상기의 금속-고분자 복합 전극재를 집전체에 도포하여 이차 전지용 양극으로 사용하는 데도 그 특징이 있다.In addition, the present invention is characterized in that the metal-polymer composite electrode material is applied to a current collector and used as a positive electrode for a secondary battery.
이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.
본 발명은 산화력이 있는 전이 금속염과, 아닐린 단량체, 이량체, 또는 아닐린 유도체와의 반응에 의하여 단일 프로세스로 제조되는, 전이 금속종과 폴리아닐린의 혼합물로부터 제조된 전극재에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode material prepared from a mixture of transition metal species and polyaniline, which is prepared in a single process by reaction of an oxidizing transition metal salt with an aniline monomer, dimer, or aniline derivative.
본 발명에 따르면 전이 금속염과 아닐린 혹은 아닐린 유도체의 단량체가 유기 용매내에 혼합됨으로서 아닐린 또는 아닐린 유도체의 산화중합이 양극 조성 내에서 바로 유발되고, 따라서 생성되는 폴리아닐린과 전이 금속종이 잘 분산되어 함유된 반응 혼합물이 전극조성물로 직접 사용된다. 상기의 전극 조성물을 도전성 집전체에 도포함으로서 이차 전지용 양극이 제조된다.According to the present invention, the monomers of the transition metal salt and the aniline or aniline derivative are mixed in the organic solvent, so that the oxidative polymerization of the aniline or the aniline derivative is induced directly in the positive electrode composition. This electrode composition is used directly. The positive electrode for secondary batteries is manufactured by apply | coating said electrode composition to an electroconductive collector.
여기서, 산화력이 있는 전이금속염은 MXn(여기서, M은 구리 또는 철이며, X는 할로겐 음 이온, ClO4 -, PF6 -, BF4 -, NO3 -, CH3COO-이고, n은 1∼3의 정수) 형태의 것으로서, 이를 구성하는 바람직한 전이 금속은 그 양이온의 산화력이 강한 철(Fe), 구리(Cu), 바나듐(V), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr) 및 텅스텐(W) 중에서 선택된다. 가장 바람직한 전이 금속은 산화력이 강한 금속중에서 전극재로 우수한 철(Fe), 구리(Cu)이다.Here, MX n is a transition metal salt with the oxidizing power (here, M is copper or iron, X is a halogen anion, ClO 4 -, PF 6 - , BF 4 -, NO 3 -, CH 3 COO - , n is In the form of an integer of 1 to 3), and preferred transition metals constituting the same are iron (Fe), copper (Cu), vanadium (V), molybdenum (Mo), chromium (Cr), Tungsten (W). The most preferable transition metal is iron (Fe) and copper (Cu) which are excellent electrode materials among metals with strong oxidation power.
그리고, 본 발명에 있어서 양극재 혼합물에 사용되는 아닐린 유도체로는 오르쏘 톨루이딘(o-toluidine), 메타톨루이딘(m-toluidine), 2-에틸아닐린(2-ethylaniline), 3-에틸아닐린(3-ethylaniline), 2-아미노티오페놀(2-aminothiophenol), 3-아미노티오페놀(3-aminothiophenol), 2-아미노페닐 디설파이드(2-aminophenyl disulfide), N-메틸아닐린(N-methylaniline), N-에틸아닐린(N-ethylaniline), 오르쏘 아나이시딘(o-anisidine), 메타아나이시딘(m-anisidine), 2-에톡시아닐린(2-ethoxyaniline), 3-에톡시아닐린(3-ethoxyaniline), 2-아닐리노에탄올(2-anilinoethanol) 및 디페닐아민(diphenylamine) 등이 있다. 또한, 아닐린 이량체로서 N-페닐-1,4-페닐렌디아민(N-phenyl-1,4-phenylenediamine)이 사용될 수 있다.In the present invention, the aniline derivative used in the cathode material mixture is ortho toluidine (o-toluidine), metatoluidine (m-toluidine), 2-ethylaniline (2-ethylaniline), 3-ethylaniline (3- ethylaniline, 2-aminothiophenol, 3-aminothiophenol, 2-aminophenyl disulfide, N-methylaniline, N-ethyl N-ethylaniline, ortho-anisidine, m-anisidine, 2-ethoxyaniline, 3-ethoxyaniline, 3-ethoxyaniline, 2-anilinoethanol and diphenylamine. In addition, N-phenyl-1,4-phenylenediamine may be used as the aniline dimer.
한편, 본 발명의 양극은 상기의 복합 양극 활물질을 도전성 집전체에 도포하여 제조된다. 이때, 바람직한 도전성 집전체로는 구리 금속 또는 구리 합금으로 된 집전체를 사용하고, 여기에 상기 양극재를 도포하여 전극을 제조한다.On the other hand, the positive electrode of this invention is manufactured by apply | coating said composite positive electrode active material to a conductive electrical power collector. At this time, as a preferable electrical power collector, the electrical power collector which consists of a copper metal or a copper alloy is used, and the said positive electrode material is apply | coated here, and an electrode is manufactured.
또한, 본 발명은 상기의 이차 전지용 양극과, 리튬 염을 함유하는 비수계 고분자 고체 전해질과, 리튬 금속, 리튬 알로이, 혹은 카본, 흑연 등 리튬 인터칼레이션이 가능한 물질에서 선택된 물질을 음극으로 하는 리튬 이차 전지를 제공한다. 상기의 고체 고분자 전해질은 이온 전도성 고분자 전해질이며 LiY형태의 리튬 염(Y는 산의 짝염기 음이온)을 함유하여 Li+양이온이 충전시에 음극에 금속으로 석출되거나 음극계 물질에 인터칼레이tus 될 수 있도록 한다. 또한 충방전시 양극의 산화상태에 따라 이온의 공급 혹은 흡수에 의하여 양극의 전하균형이 이루어지도록 한다.In addition, the present invention is a lithium lithium secondary battery comprising a cathode selected from a positive electrode for a secondary battery, a non-aqueous polymer solid electrolyte containing a lithium salt, and a material capable of lithium intercalation such as lithium metal, lithium alloy, carbon, or graphite. It provides a secondary battery. The solid polymer electrolyte is an ion conductive polymer electrolyte and contains a lithium salt in the form of LiY (Y is a counterbase anion of an acid) so that Li + cations can be precipitated as metal on the cathode or intercalated on the anode material during charging. do. In addition, charge and discharge of the anode is achieved by supplying or absorbing ions depending on the oxidation state of the anode during charge and discharge.
본 발명의 양극 활물질로 사용되는 전이 금속종은 전이 금속 혹은 전이 금속 양이온 형태로 전극 조성물에 존재할 수 있다. 전지의 충전시 전이금속은 금속 이온으로 산화되며 방전 시에는 환원되어 전이금속 혹은 낮은 산화상태의 금속이온이 생성된다. Cu(I)이 구리금속으로, 그리고 Cu(II)이 구리금속으로 환원되는 전위는 리튬 전극에 대하여 각각 3.57 V, 3.39 V이므로 구리 금속종을 양극 활물질로 사용하고 리튬 금속종을 음극재로 사용할 경우 3.0 V급의 전지를 구성할 수 있다. 또한, 구리 금속의 산화 반응이 Cu(II)까지 진행될 경우 이론 용량은 843 mAh/g이며, 바나듐, 철, 몰리브데늄의 경우에도 이론용량이 각각 2,630 mAh/g, 1,440 mAh/g, 1,670 mAh/g으로 높은 용량을 기대할 수 있다. (D. Linden Ed., Handbook of Batteries and Fuel Cells, McGraw-Hill, C-3, 1984). 따라서, 본 발명에서 제시하는 양극 물질은 고에너지 밀도를 가지고 있는 전이 금속을 활물질로 채택함으로서 리튬 이차 전지의 경량화를 실현할 수 있다.The transition metal species used as the cathode active material of the present invention may be present in the electrode composition in the form of transition metal or transition metal cation. When the battery is charged, the transition metal is oxidized to metal ions, and when discharged, the transition metal is reduced to produce a transition metal or a metal ion of a low oxidation state. The potentials at which Cu (I) is reduced to copper metal and Cu (II) to copper metal are 3.57 V and 3.39 V for the lithium electrode, respectively, so that copper metal species is used as the positive electrode active material and lithium metal species is used as the negative electrode material. In this case, a 3.0 V battery can be constructed. In addition, when the oxidation reaction of copper metal proceeds to Cu (II), the theoretical capacity is 843 mAh / g, and in the case of vanadium, iron, and molybdenum, the theoretical capacity is 2,630 mAh / g, 1,440 mAh / g, and 1,670 mAh, respectively. Expect high capacity at / g. (D. Linden Ed., Handbook of Batteries and Fuel Cells, McGraw-Hill, C-3, 1984). Therefore, the positive electrode material proposed in the present invention can realize the weight reduction of a lithium secondary battery by adopting a transition metal having a high energy density as an active material.
본 발명에 있어서 전극을 구성하는 주성분의 하나인 폴리아닐린은 활물질인 전이 금속종을 함유할 뿐만 아니라 박막 형태의 전극을 형성시키는 매트릭스 고분자의 기능도 가진다. 또한, 전자 전도성 고분자인 폴리아닐린을 사용함에 따라 전극의 전도도를 향상시키며 도전재의 추가사용을 최소화할 수 있다. 그리고, 폴리아닐린은 전이 금속종과 결합할수 있는 질소 원자를 반복구조에 포함하고 있으므로, 전이 금속종을 폴리아닐린에 분산시켰을 경우, 전이 금속종 활물질과 폴리아닐린 매트릭스 고분자 사이의 친화력이 증진된 조합을 이룰 수 있다.In the present invention, polyaniline, which is one of the main components constituting the electrode, not only contains transition metal species, which is an active material, but also has a function of a matrix polymer for forming a thin film electrode. In addition, the use of polyaniline, an electronic conductive polymer, can improve the conductivity of the electrode and minimize the additional use of the conductive material. In addition, since the polyaniline contains nitrogen atoms capable of bonding with the transition metal species in the repeating structure, when the transition metal species are dispersed in the polyaniline, the affinity between the transition metal species active material and the polyaniline matrix polymer may be enhanced. .
폴리아닐린과 전이 금속종 사이의 친화력은 다음과 같은 장점을 제시한다; 첫 번째로, 전이 금속종을 전극에 고정시킴으로써 전지의 용량이 유지되도록 한다. 충전시 전이 금속종의 산화에 의하여 생성되는 전이 금속 양이온은 전극이나 전해질 내의 유기 용매에 용해될 수 있으므로 전해질내로 분산되거나 전극내에서 이동하게 된다. 결과적으로 전이 금속 양이온이 도전재로부터 유리될 수 있으므로 충방전을 반복할 경우 전지의 용량을 저하시킬 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 폴리아닐린을 사용함으로써 전이 금속 이온이 전극의 매트릭스가 되고 있는 폴리아닐린 사슬에 고정되어 활물질의 분산이나 이탈이 저하되어 가역적인 충방전이 가능하다.The affinity between polyaniline and transition metal species offers the following advantages; First, the capacity of the cell is maintained by immobilizing the transition metal species on the electrode. The transition metal cations produced by the oxidation of the transition metal species during charging may be dissolved in an organic solvent in the electrode or the electrolyte and thus dispersed or migrate in the electrolyte. As a result, the transition metal cation may be released from the conductive material, and thus the capacity of the battery may be reduced when charging and discharging are repeated. However, in the present invention, the use of polyaniline allows the transition metal ions to be fixed to the polyaniline chain, which forms the matrix of the electrode, thereby reducing the dispersion and dissociation of the active material, thereby enabling reversible charging and discharging.
두 번째 장점은 전이 금속종과 폴리아닐린의 친화력에 의하여 전이 금속종이 폴리아닐린에 의하여 형성된 도전망에 연결되어, 전극의 전자 전달 효율을 증가시키고, 빠른 속도의 충방전을 가능하게 한다.The second advantage is that the affinity between the transition metal species and polyaniline is connected to the conductive network formed by the polyaniline, thereby increasing the electron transfer efficiency of the electrode and enabling fast charge and discharge.
그밖에 전이 금속종과 친화력을 가지고 있는 염기성 작용기를 가지고 있는 폴리아닐린 메트릭스를 사용함으로서 전극재 내에 전극 활물질이 좀더 많이 함유되어 전극의 용량을 극대화할 수 있으며, 또한 전극재 내에 금속 활물질이 균일하게 분산될 수 있도록 하여 준다.In addition, by using a polyaniline matrix having a basic functional group having affinity with transition metal species, the electrode active material may be contained in the electrode material to maximize the capacity of the electrode, and the metal active material may be uniformly dispersed in the electrode material. To make sure.
이하 상기 복합 전극재의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the composite electrode material will be described in detail.
<금속-고분자 복합 전극재 및 양극><Metal-Polymer Composite Electrode Material and Anode>
폴리아닐린 전도성 고분자는 대체로 유기 용매에 대하여 용해도가 낮아 가공이 어려운 단점이 있다. 유기용매에 대하여 용해되지 않은 상태에서 전극 혼합액을 제조할 경우에는 불충분한 분산에 따르는 전극재의 불균일성이 불가피하다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 발명에 따르는 상기 전극의 제조방법에서는 용해가 어려운 폴리아닐린 대신에 유기 용매에 대한 용해도가 높은 아닐린 혹은 아닐린 유도체의 단량체 혹은 이량체를 유기 용매에 먼저 용해시킨 후, 산화력이 있는 전이 금속염을 가하여 화학적인 산화 중합에 의하여 폴리아닐린과 전이 금속종의 일체화된 양극 혼합물을 간단하게 제조한다. Fe(III), Cu(I), Cu(Ⅱ), Ce(Ⅳ), Cr(Ⅵ), Mn(Ⅶ), V(Ⅴ) 등의 전이 금속 이온염을 산화제로 사용하여 아닐린의 산화 중합에 의하여 폴리아닐린을 제조하는 방법에 대하여는 미합중국 특허 제 4,940,517 호, Polymer, 1993, Vol.34, No.1, pp158-162, 그리고 Polymer, 1989, Vol.30, pp2305-2311 등에 각각 제시되어 있다.Polyaniline conductive polymers generally have a disadvantage in that processing is difficult due to low solubility in organic solvents. When the electrode mixture is prepared in a state in which it is not dissolved in an organic solvent, nonuniformity of the electrode material due to insufficient dispersion is inevitable. In order to overcome this disadvantage, in the method of manufacturing the electrode according to the present invention, instead of polyaniline, which is difficult to dissolve, monomers or dimers of aniline or aniline derivatives having high solubility in organic solvents are first dissolved in organic solvents and then oxidized. The transition metal salt is added to simply prepare an integrated positive electrode mixture of polyaniline and transition metal species by chemical oxidative polymerization. Transition metal ion salts such as Fe (III), Cu (I), Cu (II), Ce (IV), Cr (VI), Mn (Ⅶ), and V (V) are used as oxidants for the oxidative polymerization of aniline. A method for preparing polyaniline is presented in US Pat. No. 4,940,517, Polymer, 1993, Vol. 34, No. 1, pp158-162, and Polymer, 1989, Vol. 30, pp2305-2311, and the like.
본 발명의 복합 전극재에 있어서 전이 금속 이온염에 의해 산화 될 수 아닐린 유도체 및 이량체는 상기한 바와 같다.In the composite electrode material of the present invention, aniline derivatives and dimers which can be oxidized by transition metal ion salts are as described above.
이들 아닐린 유도체나 이량체를 전이 금속염과 함께 용매 내에서 산화중합하는 바, 이때 용매로는 아닐린, 아닐린 유도체, 혹은 아닐린 이량체인 N-페닐-1,4-페닐렌 디아민(N-phenyl-1,4-phenlyenediamine)을 용해할 수 있는 다양한 용매중에서 비수계 유기용매를 선택할 수 있다. 바람직하게는 비양성자성이며 극성이 강한 용매이다. 그 구체적인 예로는 아세토니트릴(acetonitrile), 설폴레인(sulfolane), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide) 등이 있다. 또한, 카보네이트기를 함유하고 있는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate) 등이 있다. 또한, 디클로로메탄(dichlorometane), 디클로로에탄(dicholoethane), 1,4-디옥산(1,4-dioxane) 등도 사용될 수 있다. 필요에 따라서는 이들 용매 중 선택하여 단독 또는 둘 이상 적절히 조합하여 사용할 수 있다. 용매의 사용량은 아닐린 유도체에 대하여 중량비로 20∼2000wt%인 것이 바람직하다.These aniline derivatives or dimers are oxidatively polymerized together with a transition metal salt in a solvent, wherein the solvent is aniline, aniline derivatives, or N-phenyl-1,4-phenylene diamine (N-phenyl-1, Non-aqueous organic solvents can be selected from various solvents capable of dissolving 4-phenlyenediamine). It is preferably an aprotic solvent with a high polarity. Specific examples thereof include acetonitrile, sulfolane, dimethyl sulfoxide, and the like. In addition, there are propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and the like containing carbonate groups. In addition, dichloromethane (dichlorometane), dichloroethane (dicholoethane), 1,4-dioxane (1,4-dioxane) and the like can also be used. If necessary, these solvents may be selected and used alone or in combination of two or more. It is preferable that the usage-amount of a solvent is 20-2000 weight% by weight with respect to an aniline derivative.
한편, 폴리아닐린의 산화중합에는 아닐린 단량체당 2당량의 산화제가 필요하므로 아닐린을 전극 혼합물의 출발물질로 사용할 경우에는 금속 이온이 2당량 필요하다. 또한, 이량체인 N-페닐-1,4-페닐렌 디아민으로부터 출발할 경우에도 Cu(I) 이온이 2당량 필요하다. 첨가된 단량체의 고분자 전환율을 높이기 위하여 Cu(I) 이온의 첨가량을 요구 당량보다 20% 이상 과량으로 사용할 수도 있다.On the other hand, since the oxidation polymerization of polyaniline requires two equivalents of oxidizing agent per aniline monomer, two equivalents of metal ions are required when aniline is used as a starting material of the electrode mixture. In addition, 2 equivalents of Cu (I) ions are required also when starting from dimer, N-phenyl-1,4-phenylene diamine. In order to increase the polymer conversion rate of the added monomer, the amount of added Cu (I) ions may be used in excess of 20% by weight.
그리고, 산화 중합에 의하여 제조된 전극 혼합물에는 전극용량을 향상시키기 위하여 전이 금속이나 전이 금속의 이온 염을 추가로 첨가할 수 있다.In addition, a transition metal or an ionic salt of the transition metal may be further added to the electrode mixture prepared by oxidative polymerization in order to improve electrode capacity.
또한, 전극의 전도성을 증가시키기 위하여 도전재와 전극의 가공성을 향상시키기 위하여 바인더 물질을 첨가할 수도 있는 바, 도전재로는 아세틸렌 블렉, 그레파이트(graphite)와 같은 도전성 탄소물질이 사용될 수 있다. 도전재나 기타 첨가물은 전극조성의 제조시 초기에 첨가 될 수도 있고, 아닐린, 아닐린 유도체의 단량체 또는 이량체의 화학적인 산화중합이 이루어진 후에 첨가될 수 있다. 이러한 도전재 첨가물을 추가하여 전극 조성물을 제조할 경우에는 양극재 혼합물의 분산성을 좋게 하기 위해 강한 기계적 교반이나 초음파 교반을 사용할 수 있다.In addition, in order to increase the conductivity of the electrode, a conductive material and a binder material may be added to improve the processability of the electrode. As the conductive material, a conductive carbon material such as acetylene block and graphite may be used. The conductive material or other additives may be added early in the preparation of the electrode composition, or may be added after chemical oxidation polymerization of monomers or dimers of aniline, aniline derivatives. In the case of preparing the electrode composition by adding such a conductive material additive, strong mechanical agitation or ultrasonic agitation may be used to improve the dispersibility of the positive electrode material mixture.
이같은 교반을 통해 잘 분산된 양극재 혼합물은 각종 금속 집전체 위에 도포될 수 있다. 도포하기 위하여는 단순한 페인팅이나 혹은 스핀 코팅, 바코팅 등 기계적 코팅 방법을 사용할 수 있다. 양극재가 집전체 위에 도포될 때는 불활성 가스 분위기를 유지하는 것이 바람직하다.Through such stirring, the well-dispersed cathode material mixture can be applied onto various metal current collectors. For coating, a simple painting or a mechanical coating method such as spin coating or bar coating may be used. It is preferable to maintain an inert gas atmosphere when the positive electrode material is applied on the current collector.
양극의 집전체로는 금속 혹은 탄소 재료의 전도성 지지체가 사용될 수 있다. 집전체의 형상은 전지 구조에 따라 박막 혹은 거즈(gauze), 메시(mesh) 등의 형태로 사용될 수 있다. 바람직한 도전성 집전체로는 구리 금속 또는 구리 합금으로 된 집전체를 사용하여 전극을 제조한다.As the current collector of the positive electrode, a conductive support of metal or carbon material may be used. The shape of the current collector may be used in the form of a thin film, a gauze, a mesh, or the like depending on the battery structure. As a preferable conductive current collector, an electrode is manufactured using a current collector made of copper metal or a copper alloy.
<고분자 전해질><Polymer Electrolyte>
상기와 같은 양극을 포함하여 이차 전지를 제조하는 경우 고분자 전해질을 사용하는 바, 본 발명이 제시하는 리튬 이차 전지의 전해질로는 이온 전도성 고분자 전해질을 사용한다.When preparing a secondary battery including the positive electrode as described above, a polymer electrolyte is used. As the electrolyte of the lithium secondary battery according to the present invention, an ion conductive polymer electrolyte is used.
본 발명에 따르면 고분자 전해질은 전지의 방전시에는 Li+를 음극으로부터 그리고 음이온을 양극으로부터 받아들여 LiY 형태의 리튬염이 형성되며, 충전시에는 다시 Li+가 음극으로 이동하고 Y-음이온이 양극으로 이동할 수 있도록 LiY형태의 리튬염을 함유하여야 한다.According to the present invention, the polymer electrolyte receives Li + from the negative electrode and the negative electrode from the positive electrode when the battery is discharged to form a LiY-type lithium salt, and when charged, Li + moves to the negative electrode and the Y − anion is positive. It must contain LiY type lithium salt to be able to move.
이러한 이온 전도성 고분자 전해질들은 리튬 염과 고분자 화합물, 그리고 가소제로 사용되는 유기 용매로 구성된다. 사용되는 리튬 염에는 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiAsCl6. LiSbCl6, LiSbF6, LiN(SO2CH3)2등이 있다. 고분자 전해질을 구성하는 호스트 고분자 물질로는 리튬 이온에 대한 화학적 친화력을 가질 수 있도록 산소나 질소, 황을 포함하는 관능 기를 가지고 있는 폴리에틸렌 옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리프로필렌 옥사이드(poly(propylene oxide)), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 아크릴로니트릴-메틸 아크릴레이트 공중합체(poly(acrylonitrile-co-methyl acrylate)) 등과; 불소기를 가지고 있는 폴리비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride)), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)) 등을 포함한다. 고분자 전해질에 함유되는 리튬 염의 양은 고분자의 단량체당 리튬 이온의 비(Li+/monomer)가 5∼50 mol%가 되도록 조절한다.These ion conductive polymer electrolytes are composed of lithium salts, polymer compounds, and organic solvents used as plasticizers. Lithium salts used include LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiAsCl 6 . LiSbCl 6 , LiSbF 6 , LiN (SO 2 CH 3 ) 2, and the like. As the host polymer constituting the polymer electrolyte, polyethylene (poly (ethylene oxide)) and polypropylene oxide (poly (ethylene oxide)) having a functional group containing oxygen, nitrogen and sulfur to have a chemical affinity for lithium ions )), Polyacrylate, polyacrylonitrile, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer (poly (acrylonitrile-co-methyl acrylate)) and the like; Polyvinylidene fluoride (poly (vinylidene fluoride)) having a fluorine group, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)) and the like. The amount of lithium salt contained in the polymer electrolyte is controlled so that the ratio (Li + / monomer) of lithium ions per monomer of the polymer is 5 to 50 mol%.
가소제로 첨가되는 유기 용매는 극성이 강한 용매 중에서 카보네이트기를 함유하는 것으로서, 그 예로는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate) 등이 있으며, 단독 또는 둘 이상 적절히 조합하여 사용할 수 있다. 첨가되는 가소제의 양은 전체 고분자 전해질 물질의 20∼90 wt%가 되도록 조절한다.The organic solvent added as a plasticizer contains a carbonate group in a highly polar solvent, and examples thereof include propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. And the like, and may be used alone or in combination of two or more. The amount of plasticizer added is adjusted to be 20-90 wt% of the total polymer electrolyte material.
<음극><Cathode>
본 발명에 따르는 음극으로는 리튬 금속 도는 리튬 알로이의 금속재가 사용될 수 있으며, 그 외에도 리튬 이온을 인터칼레이션할 수 있는 카본, 흑연 등 카본계 물질을 사용할 수 있다. 이차 전지의 충전시, 리튬계 금속을 사용할 경우에는 전해질로부터 공급되는 리튬 이온이 환원되어 리튬 금속이 형성되며, 카본계 음극을 사용할 경우에는 리튬 이온의 인터칼레이션이 일어난다. 방전 시에는 음극으로부터 산화 반응에 의하여 리튬 이온이 생성된다.As the negative electrode according to the present invention, a metal material of lithium metal or lithium alloy may be used. In addition, carbon-based materials such as carbon and graphite capable of intercalating lithium ions may be used. When the secondary battery is charged, lithium ions supplied from the electrolyte are reduced to form lithium metal when lithium metal is used, and intercalation of lithium ions occurs when a carbon-based negative electrode is used. During discharge, lithium ions are generated from the cathode by an oxidation reaction.
본 발명이 제시하는 리튬 이차 전지는 전지 내용물이 고형 상태이기 때문에 누액에 따르는 문제점이 없고, 간단한 밀폐형 포장이 가능하기 때문에 가볍고 용도에 따른 외부 형태의 선정이 쉽기 때문에 이동시 사용되는 휴대 전자기기에 사용하기에 유리하다.Lithium secondary battery according to the present invention has no problem due to leakage due to the solid state of the battery content, and can be used for portable electronic devices used for mobile use because it is light and easy to select an external form according to the use because a simple sealed packaging is possible. It is advantageous to
이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the Examples.
실시예 1Example 1
(양전극의 제조)(Manufacture of positive electrode)
N-페닐-1,4-페닐렌디아민(N-phenyl-1,4-phenylenediamine, 이하 PPDA라 함) 4.0g, CuCl(copper salt, 산화제) 5.0g과 아세틸렌 블렉 2.0g을 프로필렌 카보네이트 용매 40㎖에 넣고 충분히 교반하여 복합 양극 슬러리를 준비하였다. 이때, 혼합물은 프로필렌 카보네이트 용매에 완전히 녹는 성분(PPDA)부터 먼저 넣고, 녹지 않는 성분(CuCl, 아세틸렌 블렉)을 나중에 넣은 다음, 충분한 섞임과 점도가 얻어지도록 교반(2일 이상)하여 얻어진 것이다.40 g of propylene carbonate solvent 4.0 g of N-phenyl-1,4-phenylenediamine (hereinafter referred to as PPDA), 5.0 g of CuCl (copper salt) and 2.0 g of acetylene block It was put in a sufficiently stirred to prepare a composite cathode slurry. At this time, the mixture is first obtained by completely dissolving the component (PPDA) in the propylene carbonate solvent, then adding the insoluble component (CuCl, acetylene block) later, and then stirring (2 days or more) to obtain sufficient mixing and viscosity.
이렇게 하여 얻어진 양극재 혼합물을 아르곤가스 분위기하에서 구리금속 박막 전류 집전체 위에 얇게 코팅한 후, 진공에서 60∼80℃로 충분히 건조하고 압착하여 실험에 사용할 복합 양전극을 준비하였다. 양극 조성 전체에 대한 양극 활물질인 CuCl의 함량은 45.4%이었다.The cathode material mixture thus obtained was thinly coated on a copper metal thin film current collector in an argon gas atmosphere, and dried in a vacuum at 60 to 80 ° C., and pressed to prepare a composite positive electrode for experiments. The content of CuCl, which is a positive electrode active material, was 45.4% with respect to the positive electrode composition.
(음전극의 준비)(Preparation of negative electrode)
150∼700 ㎛ 두께의 리튬 금속판(battery grade)을 음전극으로 하여 더 이상의 정제 과정 없이 아르곤 가스 분위기 하에 보관하여 사용하였다.A lithium metal plate (battery grade) having a thickness of 150 to 700 μm was used as a negative electrode and stored under an argon gas atmosphere without further purification.
(고분자 전해질의 제조)(Production of Polymer Electrolyte)
아크릴로니트릴-메틸 아크릴레이트 공중합체[poly(acrylonitrile-co- methyl acrylate)](94:6) 3.0g과 LiBF42.3g을 질소 또는 아르곤 가스 분위기하에서 가열(120∼140℃)하면서 프로필렌 카보네이트와 에틸렌 카보네이트의 혼합 용매(10.5 : 7.9 중량비)에 녹인 후, 유리판 위에 케스팅(casting)하고, 진공에서 가열(60 ∼ 80℃)하며 건조하여 필름을 제조하였다. 제조된 고분자 전해질막의 이온 전기 전도도는 임피던스(impedence) 측정 결과 10-3∼10-4S/cm로 나타났다.3.0 g of acrylonitrile-methyl acrylate copolymer (94: 6) and 2.3 g of LiBF 4 were heated (120-140 ° C.) under nitrogen or argon gas atmosphere, After dissolving in a mixed solvent of ethylene carbonate (10.5: 7.9 weight ratio), cast on a glass plate, heated in vacuum (60 ~ 80 ℃) and dried to prepare a film. The ionic electrical conductivity of the prepared polymer electrolyte membrane was 10 -3 to 10 -4 S / cm as a result of impedance measurement.
(측정 전지의 조립)(Assembly of measurement battery)
위에서 얻은 양극재, 고분자 전해질막, 리튬 박막으로 된 음극과 구리 금속 박막의 양극용 전류 집전체, 니켈 금속 메시 음극용 전류 집전체를 사용하여 액체 전해질이 없는 적층형 측정 전지(전지 A)를 구성하였다.Using the positive electrode material, the polymer electrolyte membrane, the negative electrode made of a lithium thin film, the current collector for a positive electrode of a copper metal thin film, and the current collector for a nickel metal mesh negative electrode, a stacked measurement battery (cell A) without a liquid electrolyte was constructed. .
실시예 2Example 2
오르쏘 톨루이딘 2.5g, CuCl(copper salt, 산화제) 5.0g과 아세틸렌 블렉 1.0g을 프로필렌 카보네이트 용매에 넣고 충분히 교반하여 복합 양극 슬러리를 준비하였다. 이때, 혼합물은 프로필렌 카보네이트 용매에 완전히 녹는 성분(오르쏘 톨루이딘)부터 먼저 넣고, 녹지 않는 성분(CuCl, 아세틸렌 블렉)을 나중에 넣은 다음, 충분한 섞임과 점도가 얻어지도록 교반(2일 이상)하여 얻어진 것이다.2.5 g of ortho toluidine, 5.0 g of CuCl (copper salt, oxidizing agent) and 1.0 g of acetylene block were added to a propylene carbonate solvent and sufficiently stirred to prepare a composite cathode slurry. In this case, the mixture is obtained by first adding a completely soluble component (ortho toluidine) in a propylene carbonate solvent, then adding an insoluble component (CuCl, acetylene block) and then stirring (2 days or more) to obtain sufficient mixing and viscosity. .
이렇게 하여 얻어진 양극재 혼합물을 아르곤가스 분위기하에서 구리금속 박막 전류 집전체 위에 얇게 코팅한 후, 진공에서 60∼80℃로 충분히 건조하고 압착하여 실험에 사용할 복합 양전극을 준비하였다. 양극 조성 전체에 대한 양극 활물질인 CuCl의 함량은 58.8%이었다.The cathode material mixture thus obtained was thinly coated on a copper metal thin film current collector in an argon gas atmosphere, and dried in a vacuum at 60 to 80 ° C., and pressed to prepare a composite positive electrode for experiments. The content of CuCl, which is a positive electrode active material, was 58.8% with respect to the positive electrode composition.
이렇게 하여 얻어진 양전극을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 조립과정을 거쳐 적층형 측정 전지(전지 B)를 구성하였다.Using the positive electrode thus obtained, a stacked measurement battery (cell B) was constructed through the same assembly process as in Example 1.
실험예 1Experimental Example 1
상기 실시예 1, 2에 따라 조립된 적층형 전지 A, B는 아르곤 가스 분위기 하에서 보관하며 상온에서 일정 전류/전압 조건에서 1.8∼4.5 V(Li/Li+에 대하여)의 전위창을 설정하여 충방전 측정을 하였다.The stacked batteries A and B assembled according to Examples 1 and 2 were stored in an argon gas atmosphere and charged and discharged by setting a potential window of 1.8 to 4.5 V (for Li / Li + ) at a constant current / voltage condition at room temperature. The measurement was made.
상기 실시예 1에서 제조한 전지 A와 실시예 2에서 제조한 전지 B의 충방전 곡선을 도 1에 나타내었다.The charge and discharge curves of the battery A prepared in Example 1 and the battery B prepared in Example 2 are shown in FIG. 1.
구체적으로 도 1은 실시예를 통해 제조된 전지 A, B의 복합 양극재 조성에 포함된 전이 금속 양극활물질이 이론 용량에 대하여 각각 이용률 75%로 충전된 후 나타내는 각각의 방전 곡선을 나타낸 것이다.Specifically, FIG. 1 shows respective discharge curves shown after the transition metal cathode active materials included in the composite cathode material compositions of the batteries A and B manufactured through the examples were charged at a utilization rate of 75% with respect to the theoretical capacity.
도 1로부터 실시예를 통해 제조된 전지 A, B 모두가 거의 유사한 방전 곡선 모양과 방전 용량, 방전 전압을 나타냄을 알 수 있다.It can be seen from FIGS. 1A and BB that the batteries A and B all have similar discharge curve shapes, discharge capacities, and discharge voltages.
도 2에서는 상기 실시예 1에 따라 제조된 전지 A를 양극활물질(CuCl)의 이론 용량에 대하여 이용률의 100%로 충전할때에 나타나는 충방전 곡선을 충방전 횟수별(1, 20, 40회)로 나타내었다.In FIG. 2, the charge / discharge curves generated when the battery A prepared according to Example 1 is charged at 100% of the utilization rate with respect to the theoretical capacity of the positive electrode active material (CuCl) are determined by the number of charge and discharge cycles (1, 20, 40 times). Represented by.
구리 금속 활물질에 대한 이용률이 100%인 경우에도 충방전 효율이 90% 이상에 이르고 있으며, 충방전을 거듭하여도 큰 변화가 없이 안정된 충방전 곡선을 나타내고 있다.Even when the utilization rate for the copper metal active material is 100%, the charge and discharge efficiency reaches 90% or more, and shows a stable charge and discharge curve without significant change even after repeated charge and discharge.
또한, 방전 평균 전위는 2.7 V이며, 방전 용량과 에너지밀도는 각각 250 mAh/g-cathode, 675 mWh/g-cathode이상으로 나타났다.The average discharge potential was 2.7 V, and the discharge capacity and the energy density were 250 mAh / g-cathode and 675 mWh / g-cathode, respectively.
도 1, 2의 결과로부터 구리염(CuCl)과 함께 양극재 내에 아닐린 유도체를 포함할 경우, 이를 이용하여 제조된 전극은 반복적인 충방전시에 가역성과 재현성이 매우 높으며, 활물질이 가지고 있는 고밀도의 방전 용량이 보장됨을 알 수 있다.When the aniline derivative is included in the cathode material together with the copper salt (CuCl) from the results of FIGS. 1 and 2, the electrode manufactured by using the same has a high reversibility and reproducibility during repeated charging and discharging, and has a high density of the active material. It can be seen that the discharge capacity is guaranteed.
또한, 양극용 전류 집전체로 구리 금속을 채택함으로써 전지의 충전시 구리 금속의 산화 전위 이하로 전압을 고정시켜 줌으로써 과다한 전압 상승을 방지하여 전지의 각 요소들이 안정성을 유지할 수 있도록 하여 준다.In addition, by adopting the copper metal as the current collector for the positive electrode to fix the voltage below the oxidation potential of the copper metal during the charging of the battery to prevent excessive voltage rise, each element of the battery can maintain the stability.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 양극재 조성으로 폴리아닐린을 직접 사용하지 않고 아닐린, 아닐린 유도체 또는 이량체를 용매 중에서 전이 금속염과 산화중합하여 이를 직적 양극으로 사용하는 경우 전이 금속종이 폴리아닐린에 잘 분산되고, 이러한 양극을 사용하여 리튬 금속 또는 리튬 알로이의 음극, 및 고분자 전해질로 구성되는 이차 전지를 개발할 수 있고; 이렇게 만들어진 이차 전지는 충방전시 가역성이 좋으며 높은 에너지 밀도를 가지고 있으므로 전지의 경량화가 가능하며; 액상의 전해질을 함유하고 있지 않으므로 사용시 누액에 따른 문제점이 없으며; 고체 형태의 전지로서 용도에 따라 소형 및 박형의 전지 제조가 가능하다.As described in detail above, when aniline, aniline derivatives or dimers are oxidatively polymerized with transition metal salts in a solvent and used directly as a positive electrode without using polyaniline directly as a cathode material composition according to the present invention, the transition metal species is well suited to polyaniline. It is possible to develop a secondary battery which is dispersed and composed of a negative electrode of lithium metal or lithium alloy and a polymer electrolyte using this positive electrode; The secondary battery thus made is reversible during charging and discharging, and has a high energy density, thereby making it possible to reduce the weight of the battery; Since it does not contain a liquid electrolyte there is no problem due to leakage during use; As solid cells, small and thin batteries can be produced depending on the application.
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