KR100578797B1 - Electrolyte for lithium metal battery and lithium metal battery comprising same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 금속 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 관한 것으로서, 상기 리튬 금속 전지용 전해액은 전기 화학적인 환원에 의해서 음극 표면에 고분자 피막을 형성시킬 수 있는 첨가제; 비수성 유기 용매; 및 리튬염을 포함한다.The present invention relates to a lithium metal battery electrolyte and a lithium metal battery comprising the same, the lithium metal battery electrolyte is an additive capable of forming a polymer film on the surface of the negative electrode by electrochemical reduction; Non-aqueous organic solvents; And lithium salts.
본 발명에 따른 리튬 금속 전지용 전해액 첨가제는 전지내 리튬 금속 음극표면에서 첨가제의 고분자화에 의해 보호막을 형성하며, 형성된 보호막은 리튬 금속 음극의 안정성을 향상시켜 사이클 수명을 향상시킨다. 또한 본 발명에 따른 전해액 첨가제를 리튬 설퍼 전지에 첨가하는 경우 리튬 금속 음극의 보호막 형성에 의해 리튬 금속 전지의 사이클 수명뿐만 아니라 충전시 리튬 폴리설파이드와 리튬 금속과의 반응에 의한 셔틀 현상을 억제하여 보다 효율적인 충전이 가능하였고 충방전 효율 및 방전 용량을 증가시킬 수 있다. The electrolyte additive for a lithium metal battery according to the present invention forms a protective film by polymerizing an additive on a lithium metal negative electrode surface in a battery, and the formed protective film improves stability of the lithium metal negative electrode to improve cycle life. In addition, when the electrolyte additive according to the present invention is added to a lithium sulfur battery, a protective film of the lithium metal negative electrode is used to suppress not only the cycle life of the lithium metal battery but also the shuttle phenomenon caused by the reaction between the lithium polysulfide and the lithium metal during charging. Efficient charging was possible and the charging and discharging efficiency and discharge capacity could be increased.
리튬금속전지,전해액첨가제,보호막Lithium metal battery, electrolyte additive, protective film
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing the structure of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 2는 비교예 1의 리튬 반쪽 전지의 충방전에 따른 전지 전압 변화를 나타낸 그래프.2 is a graph showing a change in battery voltage according to charge and discharge of a lithium half battery of Comparative Example 1. FIG.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 리튬 반쪽 전지의 충방전에 따른 전지 전압 변화를 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the battery voltage change according to the charge and discharge of the lithium half battery of Example 1 of the present invention.
도 4는 비교예 4의 리튬 반쪽 전지의 충방전 곡선을 나타낸 그래프.4 is a graph showing charge and discharge curves of a lithium half battery of Comparative Example 4. FIG.
도 5는는 본 발명의 실시예 10의 리튬 반쪽 전지의 충방전 곡선을 나타낸 그래프.5 is a graph showing charge and discharge curves of a lithium half battery of Example 10 of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예 11과 비교예 5의 전지를 0.5C 방전 및 0.2C 충전하여, 15번째 사이클시 전지 용량과 용량을 전압을 나타낸 그래프.Figure 6 is a graph showing the battery capacity and capacity voltage at the 15th cycle by 0.5C discharge and 0.2C charge the battery of Example 11 and Comparative Example 5 of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예 1의 전지를 0.2C 방전 및 0.2 충전하여 2번째 사이클시 용량, 전압 및 전류를 나타낸 그래프.Figure 7 is a graph showing the capacity, voltage and current during the second cycle by 0.2C discharge and 0.2 charge the battery of Example 1 of the present invention.
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 리튬 금속 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 사이클 수명 특성 및 높은 방전 용량을 갖는 전지를 제공할 수 있는 리튬 금속 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium metal battery electrolyte and a lithium metal battery comprising the same, and more particularly to a lithium metal battery electrolyte and a lithium metal battery comprising the same, which can provide a battery having excellent cycle life characteristics and high discharge capacity. It is about.
[종래 기술][Prior art]
전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 발전함에 따라 고성능 및 고안전성의 이차 전지에 대한 수요가 최근 급격히 증가하고 있다. 특히, 전기, 전자 제품의 경박단소 및 휴대화 추세에 따라 핵심 부품인 이차 전지도 경량화 및 소형화가 요구되고 있다. 또한, 자동차의 대량 보급에 따른 대기 오염 및 소음 등의 환경 공해 문제 및 석유 고갈에 따른 새로운 형태의 에너지 수급원의 필요성이 대두됨에 따라 이를 해결할 수 있는 전기 자동차의 개발 필요성이 증가되어 왔으며 이들의 동력원으로서 고출력, 고에너지 밀도를 갖는 전지의 개발이 요구되고 있다. BACKGROUND With the rapid development of the electrical, electronic, telecommunications and computer industries, the demand for high performance and high safety secondary batteries has recently increased rapidly. In particular, secondary batteries, which are key components, are also required to be lighter in weight and smaller in size, due to light and short and portable trends of electric and electronic products. In addition, the necessity of the development of electric vehicles that can solve this problem has been increased as the need for a new type of energy supply and demand due to the exhaustion of oil and environmental pollution, such as air pollution and noise, due to the mass distribution of automobiles As a result, development of batteries having high power and high energy density has been demanded.
이와 같은 요구에 부응하여 최근 가장 많은 각광을 받고 있는 고성능의 차세대 첨단 신형 전지중의 하나가 리튬 금속 전지(Lithium Metal Battery, LMB)이다. 리튬 금속 전지란 음극으로 리튬 금속을 사용하는 전지로서 크게 리튬 이온 전지와 리튬 설퍼 전지를 들 수 있다. 음극으로 사용되는 리튬은 밀도가 0.54g/cm3으로 낮고 표준 환원 전위도 -3.045 V SHE(Standard Hydrogen Electrode)로 매우 낮기 때 문에 고에너지 밀도 전지의 전극 재료로서 가장 각광받고 있다. 그러나 리튬 금속을 음극으로 사용할 경우 다음과 같은 문제점으로 인하여 아직 실용화되지 못하고 있다.In response to such demands, one of the latest high-performance, next-generation high-tech batteries that has received the most attention recently is a lithium metal battery (LMB). A lithium metal battery is a battery which uses lithium metal as a negative electrode, and can mention a lithium ion battery and a lithium sulfur battery largely. Lithium, which is used as a negative electrode, has a high density of 0.54 g / cm 3 and a low standard reduction potential of -3.045 V Standard Hydrogen Electrode (SHE). However, when using lithium metal as a negative electrode has not yet been practical due to the following problems.
먼저, 리튬 금속을 이온 전지의 음극으로 사용할 경우 리튬 금속이 전해질, 물 또는 유기용매 등의 불순물, 리튬염 등과 반응하여 부동태층(SEI: Solid Electrolyte Interphase)을 형성하고, 이와 같은 부동태층은 국부상의 전류밀도 차이를 초래하여 충전시 리튬 금속에 의한 수지상의 덴드라이트의 형성을 촉진하고고, 충방전시 점차적으로 성장하여 양극과 음극 사이의 내부 단락을 유발한다. 또한, 덴드라이트는 기계적으로 약한 부분(bottle neck)을 가지고 있어 방전 중에 집전체와 전기적 접촉을 상실하는 불활성 리튬(dead lithium)을 형성함으로서 전지의 용량을 감소시키고 사이클 수명을 단축시키며, 전지의 안정성에 좋지 않은 영향을 미친다. 이와 같은 리튬음극의 산화 환원 반응의 불균일성 및 전해액과의 반응성으로 인하여 리튬 금속 이온 전지는 아직 상용화되지 못하고 있다.First, when lithium metal is used as a negative electrode of an ion battery, lithium metal reacts with impurities such as electrolyte, water or organic solvent, lithium salt, and the like to form a passivation layer (SEI: Solid Electrolyte Interphase). It causes a difference in current density to promote the formation of dendritic dendrites by lithium metal during charging, and gradually grows during charging and discharging, causing an internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode. In addition, dendrite has a mechanically weak neck, which forms dead lithium, which loses electrical contact with the current collector during discharge, thereby reducing battery capacity and reducing cycle life and stability of the battery. Adversely affects. Due to the heterogeneity of the redox reaction of the lithium cathode and the reactivity with the electrolyte, lithium metal ion batteries have not been commercialized yet.
또한 리튬 금속을 리튬 설퍼 전지의 음극으로 사용하는 경우, 충방전 공정에서 생성되는 리튬 폴리설파이드와 리튬 음극이 반응하여 환원되는 셔틀기구(shuttle mechanism)가 발현되어 양극 물질은 높은 충전률을 얻을 수 없으며, 이는 리튬 설퍼 전지의 방전용량을 제한하는 문제가 있다. 상기 리튬 폴리설파이드는 설퍼 전지의 양극 활물질인 설퍼가 방전시 2.4V 영역에서 전기화학적 환원에 의해 생성되거나 또는 2V 영역에서 양극내 혼합된 카본 매트릭스 표면에 고형의 환원물인 리튬 디설파이드 및 리튬 설파이드가 생성되고, 이들은 다시 리튬 폴 리설파이드로 산화되어 생성된다. In addition, when lithium metal is used as a negative electrode of a lithium sulfur battery, a shuttle mechanism in which lithium polysulfide and a lithium negative electrode reacted and reduced during the charging and discharging process is expressed, so that the positive electrode material cannot obtain a high charge rate. This has a problem of limiting the discharge capacity of the lithium sulfur battery. The lithium polysulfide is produced by electrochemical reduction in the 2.4V region when the sulfur, which is the cathode active material of the sulfur battery, is discharged, or a solid reducing product of lithium disulfide and lithium sulfide is formed on the surface of the carbon matrix mixed in the positive electrode in the 2V region. These are again produced by oxidation into lithium polysulfide.
상기 리튬 폴리설파이드와 리튬 금속의 반응은 리튬 폴리설파이드가 전해액에 용해되어 리튬 금속 음극까지 확산될 수 있고, 또한, 리튬 음극 표면에 형성된 부동태 피막(passivation layer)이 충방전 도중 깨어져 활성이 강한 리튬(bare Li)이 노출됨에 따른 것이다. 이러한 리튬 폴리설파이드와 리튬 금속과의 반응은 낮은 충전효율 뿐만 아니라, 충전후 전지보관시 자발 방전을 일으키는 문제의 원인이 된다. The reaction between the lithium polysulfide and the lithium metal may dissolve lithium polysulfide in an electrolyte solution and diffuse to the lithium metal anode, and a passivation layer formed on the surface of the lithium cathode may be broken during charging and discharging, thereby increasing the activity of lithium. bare Li) is exposed. The reaction between the lithium polysulfide and the lithium metal causes not only low charging efficiency but also a problem of causing spontaneous discharge during battery storage after charging.
리튬 금속과 전해액과의 반응 및 덴드라이트 형성의 문제를 해결하기 위해 미국 특허 제 4,002,492 호에서는 리튬 알루미늄 합금을 음극으로 사용하는 방법을 제안하고 있으나 용량저하 및 기계적 물성이 취약(brittle)하고, 방전전위가 낮아지며, 음극의 비용량이 감소하는 단점이 있다. 미국특허 제 6,537,702호는 Al2S3 를 함유하고 있는 리튬 알루미늄 합금 보호막이 리튬 금속 표면에 위치한 구조를 기술하였으며, 이의 리튬 설퍼 전지로의 적용을 언급하였다. In order to solve the problem of reaction between lithium metal and electrolyte and the formation of dendrite, U.S. Patent No. 4,002,492 proposes a method of using lithium aluminum alloy as a negative electrode, but the capacity drop and mechanical properties are brittle and discharge potential Is lowered, and the specific capacity of the negative electrode is reduced. U. S. Patent No. 6,537, 702 describes a structure in which a lithium aluminum alloy protective film containing Al 2 S 3 is located on the surface of a lithium metal and mentions its application to a lithium sulfur battery.
미국 특허 제 4,503,088 호는 에폭시 수지 용액을 리튬 금속 음극에 코팅하여 보호막으로 사용하였으나 용액 내의 용매가 직접 리튬 금속과 접촉하여 부반응물을 형성할 가능성이 크며 계면에서 기포가 발생하는 문제점이 있다. 또한 미국 특허 제 4,359,818 호는 이 문제를 해결하기 위해 보호막을 박막의 필름 형태로 제조한 후 리튬 금속 위에 놓고 가압하여 접착하는 방식을 사용하였으나, 이 방식은 박막의 필름을 제조, 취급하기 어렵기 때문에 보호막을 구성하는 소재가 충분히 높 은 이온 전도도를 갖지 않으면 안된다는 단점이 있다. U.S. Patent No. 4,503,088 uses an epoxy resin solution coated on a lithium metal negative electrode as a protective film, but the solvent in the solution is likely to directly contact the lithium metal to form a side reaction, and there is a problem that bubbles are generated at the interface. In addition, US Patent No. 4,359,818 used a method of manufacturing a protective film in the form of a thin film to solve this problem, and then put it on a lithium metal to press and bond, but this method is difficult to manufacture and handle the film of the thin film The disadvantage is that the material constituting the protective film must have a sufficiently high ionic conductivity.
미국 특허 제 4,934,306 호는 다공성 필름에 보호막 용액을 코팅, 건조시켜 리튬 금속에 가압하여 접착하는 방식을 사용하여 박막 필름의 취급, 제조시 어려움을 극복하였으나, 다공성 필름을 사용함으로서 전해액이 리튬 금속과 접촉하는 것을 차단하기 어려운 문제점이 있다. U.S. Patent No. 4,934,306 overcomes the difficulties in handling and manufacturing thin films by using a method of coating and drying a protective film solution on a porous film and pressing and bonding to a lithium metal. However, by using a porous film, the electrolyte is in contact with the lithium metal. There is a problem that is difficult to block.
미국 특허 제 5,342,710 호, 제 5,487,959 호, 제 5,342,710 호는 I2와 폴리-2-비닐피리딘의 복합체를 보호막으로 사용하여 첨가된 I2는 리튬 금속과 반응하여 LiI를 형성하므로서 리튬 금속을 보호하는 효과를 보이나, 이온전도도가 저하되고 계면 안정성이 떨어지는 문제점이 있다. U.S. Pat.Nos. 5,342,710, 5,487,959 and 5,342,710 use the complex of I 2 and poly- 2 -vinylpyridine as a protective film, and the added I 2 reacts with lithium metal to form LiI, thereby protecting the lithium metal. However, there is a problem that the ion conductivity is lowered and the interface stability is lowered.
미국 특허 제 5,961,672 호는 리튬 금속 음극의 보호막으로서 진공증착한 전기전도성 피막을 사용하였으나, 고진공하에서 작업이 이루어지므로 공정이 복잡하여 비용이 많이들 뿐만 아니라, 진공 증착 방법에 사용할 수 있는 모노머의 종류가 제한적이며 증착속도가 높지 않기 때문에 생산속도가 느리다는 단점이 있다.U. S. Patent No. 5,961, 672 uses a vacuum-deposited electroconductive coating as a protective film for a lithium metal anode, but since the work is performed under high vacuum, the process is complicated and expensive, and the type of monomer that can be used in the vacuum deposition method It is limited and the production rate is slow because the deposition rate is not high.
미국 특허 제 6,214,061 호, 제 6,432,584 호는 리튬 금속 음극 표면에 무기물 단이온 전도체를 증착시켜 리튬 음극의 보호막을 제조하였다. 이와 같은 방법으로 제조된 보호막은 무기물의 취약한 기계적 강도로 말미암아 리튬표면에서의 반복된 반응시 크랙이 생성되는 문제점을 가지며, 증착공정의 낮은 속도로 말미암아 생산속도가 느리다는 단점이 있다. 한편 미국 특허 제 5,314,765 호는 리튬 금속 음극 표면에 다층의 무기물 단이온 전도체를 증착시켜 리튬음극 보호막을 제조하였 다. 그러나 이와 같은 다층 무기물 보호막 역시 낮은 기계적 강도를 가져 보호막이 깨어지기 쉬우며, 다층 증착공정의 낮은 생산성의 문제점이 있다.US Pat. Nos. 6,214,061 and 6,432,584 have prepared a protective film of a lithium cathode by depositing an inorganic monoion conductor on the surface of a lithium metal anode. The protective film prepared in this way has a problem that cracks are generated during repeated reactions on the lithium surface due to the weak mechanical strength of the inorganic material, and the production speed is slow due to the low speed of the deposition process. On the other hand, US Patent No. 5,314,765 was prepared by depositing a multi-layer inorganic mono-ion conductor on the surface of the lithium metal cathode to prepare a lithium cathode protective film. However, such a multilayer inorganic protective film also has a low mechanical strength is easy to break the protective film, there is a problem of low productivity of the multilayer deposition process.
리튬 일차 전지인 리튬티오닐클로라이드 전지에서도 리튬 금속 음극의 안정화에 대한 기술이 보고되었는데 미국특허 제 4,503,088 호, 제 4,359,818호에 따르면 알킬 아크릴레이트, 알킬 치환된 아크릴레이트, 알킬시아노아크릴레이트계 고분자를 리튬 위에 도포하여 보호막을 형성시켰다. Lithium thionyl chloride battery, a lithium primary battery, has been reported for stabilization of a lithium metal negative electrode. According to US Patent Nos. 4,503,088 and 4,359,818, alkyl acrylates, alkyl substituted acrylates, and alkylcyanoacrylate-based polymers have been reported. It was applied over lithium to form a protective film.
대한민국 특허 공개 2003-42288 호에 따르면 전해액 성분, 가교성 모노머, 개시제의 혼합용액을 리튬 음극 위에 도포한 후 UV 또는 열을 가하여 보호막을 형성시켰다. 이러한 방법으로 전해액과 리튬과의 반응이 감소된 것으로 보고하였다. 그러나 상기 특허에서 기술된 보호막은 액체상태의 보호막 성분이 리튬에 도포되므로 연속공정을 통해 리튬표면에 균일한 보호막을 형성시키기 위해서는 보호막 성분의 가교반응은 리튬 금속 포일에 도포된 후 바로 이루어져야 하며, 가교 반응시간에 따라 공정성이 좌우된다. 또한 보호막의 가교반응이 진행됨에 따라 보호막 필름은 보다 딱딱해지며 깨지기 쉬운 상태가 되어 충방전시 리튬표면의 부피변화에 의해 보호막이 깨어지는 문제가 발생한다. 그러나 보호막의 가교반응을 줄이는 경우에는 보호막이 연성을 가지나 전해액과 접촉시 전해액에 의한 팽윤이 일어나며, 팽윤이 심한 경우에는 보호막이 리튬에서 박리되며 주름이 생기게 된다. 또한 보호막이 과량의 전해액 성분을 함유하고 있으므로 전해액과 리튬과의 반응은 지속적으로 발생하게 된다. According to Korean Patent Publication No. 2003-42288, a protective film was formed by applying a mixed solution of an electrolyte component, a crosslinkable monomer, and an initiator on a lithium negative electrode, and then applying UV or heat. In this way, the reaction between the electrolyte and lithium was reported to be reduced. However, since the protective film described in the patent has a liquid protective film component is applied to lithium, in order to form a uniform protective film on the lithium surface through a continuous process, the crosslinking reaction of the protective film component should be performed immediately after the coating on the lithium metal foil. Fairness depends on the reaction time. In addition, as the crosslinking reaction of the protective film proceeds, the protective film becomes harder and more fragile, which causes a problem that the protective film is broken by volume change of the lithium surface during charging and discharging. However, when the crosslinking reaction of the protective film is reduced, the protective film is ductile, but swelling is caused by the electrolyte when contacted with the electrolyte, and when the swelling is severe, the protective film is peeled off from lithium and wrinkles are formed. In addition, since the protective film contains an excessive amount of electrolyte components, the reaction between the electrolyte and lithium continues to occur.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전지의 충방전시 리튬 금속 표면에서 발생하는 덴드라이트 성장을 억제하고 리튬 금속 음극과 전해질 및 양극 활물질과의 반응에 의한 리튬 금속의 손실을 억제하여 수명을 향상시킬 수 있는 리튬 금속 전지용 전해액을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to suppress dendrite growth occurring on the surface of lithium metal during charging and discharging of a battery, and to prevent lithium metal from reacting with a lithium metal anode, an electrolyte, and a cathode active material. It is to provide a lithium metal battery electrolyte solution that can suppress the loss to improve the life.
본 발명의 다른 목적은 상기 전해액을 포함하는 리튬 금속 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium metal battery containing the electrolyte solution.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기 화학적인 환원에 의해서 음극 표면에 고분자 피막을 형성시킬 수 있는 첨가제; 비수성 유기 용매; 및 리튬염을 포함하는 리튬 금속 전지용 전해액을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is an additive capable of forming a polymer film on the surface of the cathode by electrochemical reduction; Non-aqueous organic solvents; And it provides a lithium metal battery electrolyte solution containing a lithium salt.
본 발명은 또한 전기 화학적인 환원에 의해서 음극 표면에 고분자 피막을 형성시킬 수 있는 첨가제, 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함하는 전해액; 양극 활물질을 포함하는 양극; 및 리튬 금속 또는 리튬 합금의 음극을 포함하는 리튬 금속 전지를 제공한다.The present invention also provides an electrolyte comprising an additive, a non-aqueous organic solvent and a lithium salt which can form a polymer film on the surface of the cathode by electrochemical reduction; A positive electrode including a positive electrode active material; And a negative electrode of a lithium metal or a lithium alloy.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 리튬 금속 전지의 음극에 보호막 형성에 관여하는 전해액에 관한 것이다. 리튬 금속 전지란 음극으로 리튬 금속을 사용하는 전지로서, 크게 리튬 이온 전지와 리튬 설퍼 전지로 분류할 수 있다. 물론 리튬 금속 대신 리튬 합금을 사용하는 전지도 포함된다. 리튬 금속의 표준 환원 전위는 -3.04V로 고형의 음극 활물질 중 가장 낮은 환원 전위를 가지므로, 음극으로 사용하는 경우 가장 높은 전 지의 전위를 나타낼 수 있는 물질이다. 또한 리튬 금속은 단위 무게당 용량이 3860mAh/g에 달하여 현재까지 알려진 물질 중 가장 단위 무게당 용량이 큰 음극 활물질이다. 따라서 리튬 금속을 전지에 사용할 경우 가볍고 고용량의 전지를 제조할 수 있는 가장 적합한 물질이다. The present invention relates to an electrolyte solution involved in forming a protective film on a negative electrode of a lithium metal battery. A lithium metal battery is a battery using lithium metal as a negative electrode and can be broadly classified into a lithium ion battery and a lithium sulfur battery. Of course, batteries using lithium alloys instead of lithium metals are also included. Since the standard reduction potential of lithium metal is -3.04V and has the lowest reduction potential among solid negative electrode active materials, it is a material that can exhibit the highest potential of the battery when used as a negative electrode. In addition, lithium metal has a capacity per unit weight of 3860mAh / g and is the largest active material per unit weight of the known material so far. Therefore, when lithium metal is used in a battery, it is the most suitable material for producing a light and high capacity battery.
그러나 리튬 금속을 이온 전지에 사용하는 경우에는 리튬 음극 표면에 덴드라이트라 불리우는 침상의 리튬이 형성되고, 이러한 덴드라이트가 과도하게 성장하여 양극과 접촉하는 경우 내부 단락이 발생되는 문제점이 있다. 이러한 덴드라이트는 리튬 금속이 방전시 리튬 이온으로 산화되었다가, 충전시 이 리튬 이온이 리튬 금속의 표면에서 환원되어 리튬으로 석출되는 과정, 즉 리튬 금속의 산화 환원 반응에 의해 리튬 금속의 표면의 부피 변화가 일어나서, 충전 중 리튬의 석출이 일반적으로 균일하지 않고 국부적으로 집중되어 형성된다. 또한 리튬 금속은 전해액 성분과 반응성이 높아, 전해액 성분과 리튬 금속이 접촉하는 경우 자발적인 반응에 의해 보호막(passivation layer)이라 일컫는 피막을 형성하게 되는데 충방전시 리튬 표면에 형성된 보호막은 파괴와 형성을 반복하게 되므로 전지의 반복적인 충방전시 리튬 음극 내에 보호막 성분은 증가하게 되고 전해액이 고갈되는 문제점이 발생한다. 전해액과 덴드라이트의 반응에 의해 덴드라이트가 리튬 금속과 전기적으로 단락이 되기도 하는데 이러한 리튬은 '불활성 리튬(dead lithium)'이라 일컬으며 전기화학적인 반응에 참여하지 못하므로 리튬 활물질의 영구적인 손실이 된다. However, when lithium metal is used in an ion battery, needle-shaped lithium called dendrite is formed on the surface of the lithium negative electrode, and when such dendrites grow excessively and contact the positive electrode, an internal short circuit occurs. These dendrites are oxidized to lithium ions when lithium metal is discharged, and during charging, the lithium ions are reduced on the surface of lithium metal to precipitate as lithium, that is, the volume of the surface of lithium metal by redox reaction of lithium metal. Changes occur, so that precipitation of lithium during charging is generally not uniform, but rather concentrated and formed. In addition, lithium metal is highly reactive with the electrolyte component, and when the electrolyte component is in contact with the lithium metal, a spontaneous reaction forms a film called a passivation layer. The protective film formed on the surface of lithium during charge and discharge repeats destruction and formation. Therefore, when the battery is repeatedly charged and discharged, the protective film component in the lithium negative electrode increases and the problem of depletion of the electrolyte occurs. Due to the reaction between the electrolyte and the dendrite, the dendrite may be electrically shorted with the lithium metal. Such lithium is called 'dead lithium' and does not participate in the electrochemical reaction. do.
또한 리튬 설퍼 전지에서는 양극 활물질인 설퍼가 충방전시 형성되는 리튬 폴리설파이드가 리튬 금속 음극에서 다시 리튬과 반응하여 환원되어버리는 셔틀기 구(shuttle mechanism)가 발현되어 양극 활물질은 높은 충전률을 얻을 수 없으며, 이는 리튬 설퍼 전지의 방전용량을 제한하고, 또한 리튬 폴리설파이드와 리튬 금속과의 반응은 낮은 충전효율 뿐만 아니라, 충전후 전지보관시 자발 방전을 일으키는 문제의 원인이 된다. In addition, the lithium sulfur battery exhibits a shuttle mechanism in which lithium polysulfide formed during charging and discharging of the positive electrode active material, sulfur, reacts with lithium again in the lithium metal negative electrode to be reduced, thereby obtaining a high charge rate of the positive electrode active material. This limits the discharge capacity of the lithium sulfur battery, and the reaction between lithium polysulfide and lithium metal is not only a low charging efficiency, but also causes a problem of causing spontaneous discharge during battery storage after charging.
본 발명에서는 이러한 리튬 금속의 문제점을 해결하여 리튬 금속을 음극으로 사용한 고용량 리튬 금속 전지를 제공하기 위하여, 리튬 음극 표면에 안정된 보호막을 형성할 수 있는 첨가제를 전해액에 혼합하여 전지를 제조한 후, 적절한 조건에 의해 리튬 금속 표면 위에 안정된 보호막을 형성시킨 것이다. 전지의 충방전 도중 보호막이 파괴된 경우에도 전해액에 잔류해있는 첨가제가 노출된 리튬 표면에 다시 보호막을 형성시켜주는 힐링(healing) 효과가 가능하다. 첨가제에 의해 형성된 보호막은 전해액 및 리튬 폴리설파이드 등의 용해성 양극 활물질과 리튬과의 반응을 차단하므로 리튬 음극의 수명을 향상시키고, 양극 활물질의 충전효율을 증가시켜 높은 방전용량을 얻을 수 있다. In the present invention, in order to solve the problem of the lithium metal to provide a high capacity lithium metal battery using a lithium metal as a negative electrode, after mixing the additive to form a stable protective film on the surface of the lithium negative electrode in an electrolyte solution to prepare a battery, By the conditions, a stable protective film was formed on the lithium metal surface. Even when the protective film is broken during charging and discharging of the battery, a healing effect may be provided to form a protective film again on the exposed lithium surface of the additive remaining in the electrolyte. The protective film formed by the additive blocks the reaction between the soluble positive electrode active material such as electrolyte and lithium polysulfide and lithium, thereby improving the life of the lithium negative electrode and increasing the charging efficiency of the positive electrode active material, thereby obtaining a high discharge capacity.
일반적으로 리튬 금속 보호막의 특성은 전해액의 종류에 따라 크게 달라지며 보호막이 다공성(porous)인 경우에는 전해액과 리튬과의 반응이 지속적으로 일어나 보호막의 두께가 수 miron에 달하게 된다. 한편 보호막이 치밀(dense)한 경우에는 전해액과 리튬과의 접촉을 차단하게 되어 보호막의 지속적인 성장을 억제한다. 따라서 리튬 음극의 성능 향상을 위해서는 리튬 표면에서의 덴드라이트 형성을 억제해야 하며, 전해액과 리튬과의 반응을 최소화하여 전해액의 고갈 및 불활성 리튬의 형성을 막아야 한다.In general, the characteristics of the lithium metal protective film varies greatly depending on the type of electrolyte. When the protective film is porous, the reaction between the electrolyte and lithium continues to occur, resulting in a thickness of several microns. On the other hand, when the protective film is dense, the contact between the electrolyte and lithium is blocked, thereby suppressing the continuous growth of the protective film. Therefore, in order to improve the performance of the lithium anode, dendrite formation should be suppressed on the surface of lithium, and the reaction between the electrolyte and lithium should be minimized to prevent depletion of the electrolyte and formation of inert lithium.
이를 방지하기 위한 리튬 금속 음극의 보호막이 가져야하는 특성 중 하나는 덴드라이트의 성장을 억제할 정도의 기계적 강도이다. 국부적인 리튬 석출(deposition)의 집중에 의해 덴드라이트가 성장시 보호막의 기계적 강도가 우수하여 보호막 필름의 수직방향으로 덴드라이트가 성장하는 것을 억제할 수 있어야 한다. 무기물로 구성된 보호막은 강도(toughness)가 낮아 리튬 석출에 의한 리튬 금속 표면의 부피 변화에 의해 보호막이 깨지는 문제점을 일으킬 수 있으므로 바람직하게 보호막은 강도가 높은 고분자 성분을 가지고 있는 것이 유리하다. 또한 보호막은 리튬 금속과의 접착력이 우수해야 한다. 접착력이 낮은 경우에는 리튬 금속 표면의 부피 변화시 리튬 금속과 보호막의 계면이 박리되어 보호막의 기능을 상실하게 된다. 또한 보호막은 전해액을 효과적으로 차단할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 보호막은 전해액에 낮은 팽윤도를 가져야 한다. One of the characteristics of the protective film of the lithium metal anode to prevent this is mechanical strength to suppress the growth of dendrites. Local concentration of lithium should be excellent in the mechanical strength of the protective film when the dendrite is grown, and the growth of the dendrite in the vertical direction of the protective film should be suppressed. Since the protective film made of an inorganic material has a low toughness and may cause a problem in that the protective film is broken due to the volume change of the lithium metal surface by lithium precipitation, the protective film preferably has a high strength polymer component. In addition, the protective film should have excellent adhesion with lithium metal. When the adhesion is low, when the volume of the lithium metal surface changes, the interface between the lithium metal and the protective film is peeled off, and the protective film loses its function. In addition, the protective film should be able to effectively block the electrolyte. For this purpose, the protective film should have a low degree of swelling in the electrolyte.
본 발명의 전해액은 전기 화학적인 환원에 의해서 음극 표면에 고분자 피막을 형성시킬 수 있는 첨가제를 적어도 하나 이상 포함한다. 이 첨가제는 한 개 이상의 이중 결합을 갖는 화합물이 바람직하며, 표준 환원 전위가 바람직하게 -1.5 내지 -3.04V, 보다 바람직하게 -1.5~-3.0V의 범위를 가진다. The electrolyte solution of the present invention includes at least one additive that can form a polymer film on the surface of the cathode by electrochemical reduction. The additive is preferably a compound having at least one double bond, and the standard reduction potential is preferably in the range of -1.5 to -3.04V, more preferably -1.5 to -3.0V.
본 발명의 첨가제의 첫 번째 형태는 리튬 음극에서 전기화학적인 환원에 의해서 리튬 표면에 고분자 피막을 형성시키는 물질이다. 상기 첨가제는 분자내 이중결합구조를 가지고 있으며, 리튬 금속 음극 표면에서 전지 충전시 전자를 받아들여 환원되면서 음이온 라디칼을 형성할 수 있다. 이 음이온 라디칼은 주위의 이중결합을 가지고 있는 첨가제와 반응하여 라디칼 중합(radical polymerization) 혹은 음이온 중합(anionic polymerization) 기구에 의해 중합되며, 이 중합물은 전해액에 용해되지 않는 특성을 지녀 리튬 음극 표면 위에 형성되게 된다. 어느 두께 이상 고분자 피막이 성장하게 되면, 첨가제가 리튬 금속까지 확산될 수 없어 중합반응이 종료되고 일정한 두께의 보호막이 리튬표면에 남게 된다. 이러한 반응기구를 하기 반응식 1에 나타내었다. The first form of the additive of the present invention is a material for forming a polymer film on the surface of lithium by electrochemical reduction at the lithium cathode. The additive has an intramolecular double bond structure, and may form anion radicals while receiving and reducing electrons when charging a battery on a lithium metal negative electrode surface. These anionic radicals react with additives with surrounding double bonds to polymerize by radical polymerization or anionic polymerization mechanisms, which are insoluble in electrolytes and form on the surface of lithium anodes. Will be. When the polymer film is grown to a certain thickness or more, the additive cannot diffuse to the lithium metal so that the polymerization reaction is terminated, and a protective film of a constant thickness remains on the lithium surface. This reactor is shown in
[반응식 1]
(상기 식에서, X는 본 발명에서 사용가능한 첨가제에서 이중 결합에 결합되어 있는 작용기이고, n은 2 내지 1,000,000의 정수임)(Wherein X is a functional group bonded to a double bond in the additive usable in the present invention, n is an integer from 2 to 1,000,000)
본 발명의 첨가제의 두 번째 형태는 분자내 이중결합구조를 가지고 있으며, 리튬 금속과 만나는 경우 화학 반응에 의해 환원되면서 음이온 라디칼을 형성할 수 있다. 이는 이중결합구조를 가지는 첨가제가 리튬보다 높은 환원전위를 가지고 있기 때문에 외부에서의 전자 공급없이 환원될 수 있다. 이러한 반응은 충방전뿐만 아니라 보관시에도 일어나며, 리튬 음극 표면에 형성된 보호막이 깨어져 노출된 리튬 음극과 반응을 일으킨다. 리튬과의 반응에 의해 형성된 음이온 라디칼은 주위의 이중결합을 가지고 있는 첨가제와 반응하여 라디칼 중합(radical polymerization) 혹은 음이온 중합(anionic polymerization) 기구에 의해 중합되며, 이 중합물은 전해액에 용해되지 않는 특성을 지녀 리튬 음극 표면 위에 형성되게 된다. 어느 두께 이상 고분자 피막이 성장하게 되면, 첨가제가 리튬 금속까지 확산될 수 없어 중합반응이 종료되고 일정한 두께의 보호막이 리튬 표면에 남게 된다. 이러한 반응 기구를 하기 반응식 2에 나타내었다. The second form of the additive of the present invention has an intramolecular double bond structure, and when it encounters lithium metal, it can form an anion radical while being reduced by a chemical reaction. This is because the additive having a double bond structure has a higher reduction potential than lithium and can be reduced without supplying electrons from the outside. This reaction occurs not only during charging and discharging, but also during storage, and a protective film formed on the surface of the lithium negative electrode is broken to react with the exposed lithium negative electrode. Anionic radicals formed by reaction with lithium are reacted with additives with surrounding double bonds to be polymerized by radical polymerization or anionic polymerization mechanisms, and these polymers are insoluble in the electrolyte. It is then formed on the surface of the lithium anode. When the polymer film is grown to a certain thickness or more, the additive cannot diffuse to the lithium metal so that the polymerization reaction is terminated and a protective film of a certain thickness remains on the lithium surface. This reaction mechanism is shown in
[반응식 2]
(상기 식에서, X는 본 발명에서 사용가능한 첨가제에서 이중 결합에 결합되어 있는 작용기이고, n은 2 내지 1,000,000의 정수임)(Wherein X is a functional group bonded to a double bond in the additive usable in the present invention, n is an integer from 2 to 1,000,000)
본 발명의 첨가제의 세 번째 형태는 분자내 이중결합구조를 가지고 있으며, 리튬 금속과 만나는 경우 방전시 전자를 음극에 제공하며 산화되면서 양이온 라디칼을 형성할 수 있다. 이 양이온 라디칼은 주위의 이중결합을 가지고 있는 첨가제와 반응하여 라디칼 중합 혹은 양이온 중합기구(cationic polymerization)에 의해 중합되며, 이 중합물은 전해액에 용해되지 않는 특성을 지녀 리튬 음극 표면 위에 형성되게 된다. 어느 두께 이상 고분자 피막이 성장하게 되면, 첨가제가 피막을 확산, 투과하지 못하므로 반응이 종료되고 일정한 두께의 보호막이 리튬표면에 남게 된다. 이러한 반응 기구를 하기 반응식 3에 나타내었다. The third form of the additive of the present invention has an intramolecular double bond structure, and when it meets with lithium metal, it provides electrons to the cathode during discharge and can form cationic radicals while being oxidized. The cationic radicals are polymerized by radical polymerization or cationic polymerization by reacting with additives having surrounding double bonds, which are insoluble in the electrolyte and are formed on the surface of the lithium negative electrode. When the polymer film is grown to a certain thickness or more, the additives do not diffuse and penetrate the film, so that the reaction is terminated and a protective film of a certain thickness remains on the lithium surface. This reaction mechanism is shown in
[반응식 3]
(상기 식에서, X는 본 발명에서 사용가능한 첨가제에서 이중 결합에 결합되어 있는 작용기이고, n은 2 내지 1,000,000의 정수임)(Wherein X is a functional group bonded to a double bond in the additive usable in the present invention, n is an integer from 2 to 1,000,000)
본 발명의 첨가제의 바람직한 예로는 한 개 이상의 아크릴기를 갖는 화합물을 포함한다. 상기 한 개 이상의 아크릴기를 갖는 화합물의 예로는 알킬 아크릴레이트, 알킬디올 디아크릴레이트, 폴리에틸렌 옥사이드 디아크릴레이트, 폴리메틸렌 옥사이드 디아크릴레이트, 폴리프로필렌 옥사이드 디아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 디아크릴레이트, 아크릴산, 아크릴아미드 또는 아크릴로니트릴을 들 수 있다. Preferred examples of the additive of the present invention include compounds having at least one acrylic group. Examples of the compound having one or more acrylic groups include alkyl acrylate, alkyldiol diacrylate, polyethylene oxide diacrylate, polymethylene oxide diacrylate, polypropylene oxide diacrylate, polytetrafluoroethylene diacrylate, Acrylic acid, acrylamide or acrylonitrile.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 한 개 이상의 치환된 아크릴기를 갖는 화합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 알킬 메타크릴레이트, 알킬 부타크릴레이트, 알킬디올 디메타크릴레이트, 폴리에틸렌 옥사이드 디메타크릴레이트, 폴리메틸렌옥사이드 디메타크릴레이트, 폴리프로필렌 옥사이드 디메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 디메타크릴레이트, 메타크릴산, 메타크릴아미드 또는 메타크릴로니트릴을 들 수 있다.Other preferred examples of the additives of the present invention include compounds having one or more substituted acrylic groups. Examples of this compound include alkyl methacrylates, alkyl butacrylates, alkyldiol dimethacrylates, polyethylene oxide dimethacrylates, polymethylene oxide dimethacrylates, polypropylene oxide dimethacrylates, polytetrafluoroethylene Dimethacrylate, methacrylic acid, methacrylamide or methacrylonitrile.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 하나 이상의 알렌기를 갖는 화합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 알렌(allene) 또는 알레닐트리뷰틸틴을 들 수 있다. Other preferred examples of the additives of the present invention include compounds having one or more allene groups. Examples of this compound include allene or allenyl tributytiltin.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 하나이상의 알릴기를 갖는 화합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 알릴 아세테이트, 알릴 알코올, 알릴 알코올 프로폭실레이트, 알릴아민, 알릴아닐린, 알릴아니솔, 알릴벤젠 또는 알릴 브로마이드를 들 수 있다.Other preferred examples of the additives of the present invention include compounds having one or more allyl groups. Examples of this compound include allyl acetate, allyl alcohol, allyl alcohol propoxylate, allylamine, allylaniline, allylanisole, allylbenzene or allyl bromide.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 한 개 이상의 시나메이트기를 갖 는 화합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 시나믹산, 알킬사니메이트, 비닐시나메이트, 시나밀 아세테이트, 시나밀알코올, 시나밀 브로마이드 또는 시나밀 클로라이드를 들 수 있다. Other preferred examples of the additives of the present invention include compounds having one or more cinnamate groups. Examples of this compound include cinnamic acid, alkylsanimate, vinyl cinnamate, cinnamil acetate, cinnamil alcohol, cinnamil bromide or cinnamil chloride.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 한 개 이상의 아크릴로일기(acryloyl)를 갖는 화합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 아크릴로일 클로라이드를 들 수 있다.Other preferred examples of the additives of the present invention include compounds having one or more acryloyl groups. Examples of this compound include acryloyl chloride.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 한 개 이상의 치환된 아크릴로일기를 갖는 화합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 메타크릴로일 클로라이드 또는 부타크릴로일 클로라이드를 들 수 있다.Other preferred examples of the additives of the invention include compounds having one or more substituted acryloyl groups. Examples of this compound include methacryloyl chloride or butacryloyl chloride.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 비닐(vinyl)기를 갖는 화합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 비닐클로라이드, 트리비닐플루오라이드, 테트라비닐플루오라이드, 비닐플루오라이드, 트리비닐플루오라이드 또는 테트라비닐플루오라이드를 들 수 있다.Another preferred example of the additive of the present invention includes a compound having a vinyl group. Examples of this compound include vinyl chloride, trivinyl fluoride, tetravinyl fluoride, vinyl fluoride, trivinyl fluoride or tetravinyl fluoride.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 비닐리덴기를 갖는 화합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴클로라이드, 비닐리덴카보네이트, 비닐리덴설파이드 또는 비닐리덴브로마이드를 들 수 있다. Another preferred example of the additive of the present invention includes a compound having a vinylidene group. Examples of this compound include vinylidene fluoride, vinylidene chloride, vinylidene carbonate, vinylidene sulfide or vinylidene bromide.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 스티렌기를 갖는 화합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 스티렌, 치환된 스티렌, 스티렌카르복실산 또는 스티렌설폰산을 들 수 있다. Another preferred example of the additive of the present invention includes a compound having a styrene group. Examples of this compound include styrene, substituted styrene, styrenecarboxylic acid or styrenesulfonic acid.
본 발명의 첨가제의 바람직한 다른 예로는 이타코닉기(itaconic)를 갖는 화 합물을 포함한다. 이 화합물의 예로는 이타코닉산, 이타코닐 클로라이드 또는 이타코닉 안하이드라이드를 들 수 있다.Another preferred example of the additive of the present invention includes a compound having an itaconic group. Examples of this compound include itaconic acid, itaconic chloride or itaconic anhydride.
본 발명의 전해액에서 상기 첨가제의 함량은 0.01 내지 5 중량%가 바람직하며, 0.1 내지 2 중량%가 보다 바람직하다. 상기 첨가제의 함량이 0.01 중량%보다 낮은 경우에는 첨가제에 의한 리튬음극 피막 형성량이 낮아 그 효과가 미미하며, 5 중량%를 초과하는 경우에는 피막이 너무 두껍게 형성되어 전지의 저항이 커지며, 전해질의 저항 역시 증가하여 전지의 저항이 커지는 문제점이 발생하여 바람직하지 않다.The content of the additive in the electrolyte solution of the present invention is preferably 0.01 to 5% by weight, more preferably 0.1 to 2% by weight. When the content of the additive is lower than 0.01% by weight, the amount of lithium cathode film formation by the additive is low and its effect is insignificant. When the content of the additive is more than 5% by weight, the film is formed too thick to increase the resistance of the battery. The problem that the resistance of the battery increases due to the increase occurs is undesirable.
상기 첨가제를 포함하는 본 발명의 전해액은 또한 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다. The electrolyte solution of the present invention comprising the additive also includes a non-aqueous organic solvent and a lithium salt.
이 비수성 유기 용매로는 단일 용매를 사용할 수도 있고 2이상의 혼합 유기용매를 사용할 수도 있다. 2이상의 혼합 유기 용매를 사용하는 경우 약한 극성 용매 그룹, 강한 극성 용매 그룹, 및 리튬 메탈 보호용매 그룹 중 두 개 이상의 그룹에서 하나 이상의 용매를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.As this non-aqueous organic solvent, a single solvent may be used or two or more mixed organic solvents may be used. When using two or more mixed organic solvents, it is preferable to select one or more solvents from two or more groups among the weak polar solvent group, the strong polar solvent group, and the lithium metal protective solvent group.
약한 극성 용매는 아릴 화합물, 바이사이클릭 에테르, 비환형 카보네이트 중에서 황 원소를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 작은 용매로 정의되고, 강한 극성 용매는 비사이클릭 카보네이트, 설폭사이드 화합물, 락톤 화합물, 케톤 화합물, 에스테르 화합물, 설페이트 화합물, 설파이트 화합물 중에서 리튬 폴리설파이드를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 큰 용매로 정의되며, 리튬 보호 용매는 포화된 에테르 화합물, 불포화된 에테르 화합물, N, O, S 또는 이들의 조합이 포함 된 헤테로 고리 화합물과 같은 리튬 금속에 안정한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 필름을 형성하는 충방전 사이클 효율(cycle efficiency)이 50% 이상인 용매로 정의된다. Weak polar solvents are defined as those having a dielectric constant of less than 15 that can dissolve elemental sulfur among aryl compounds, bicyclic ethers, and acyclic carbonates; strong polar solvents include acyclic carbonates, sulfoxide compounds, lactone compounds, Among ketone compounds, ester compounds, sulfate compounds, and sulfite compounds, a dielectric constant capable of dissolving lithium polysulfide is defined as greater than 15, and lithium protective solvents are saturated ether compounds, unsaturated ether compounds, N, O, It is defined as a solvent having a charge and discharge cycle efficiency (cycle efficiency) of 50% or more to form a SEI (Solid Electrolyte Interface) film stable on a lithium metal, such as a heterocyclic compound containing S or a combination thereof.
약한 극성 용매의 구체적인 예로는 자일렌(xylene), 디메톡시에탄, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 톨루엔, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디글라임, 테트라글라임 등이 있다. Specific examples of weak polar solvents include xylene, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, toluene, dimethyl ether, diethyl ether, diglyme, tetraglyme and the like.
강한 극성 용매의 구체적인 예로는 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드(hexamethyl phosphoric triamide), 감마-부티로락톤, 아세토니트릴, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, N-메틸피롤리돈, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 디메틸 포름아마이드, 설포란, 디메틸 아세트아마이드, 디메틸 설폭사이드, 디메틸 설페이트, 에틸렌 글리콜 디아세테이트, 디메틸 설파이트, 또는 에틸렌 글리콜 설파이트 등을 들 수 있다. Specific examples of strong polar solvents include hexamethyl phosphoric triamide, gamma-butyrolactone, acetonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, 3-methyl-2-oxazolidone , Dimethyl formamide, sulfolane, dimethyl acetamide, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfate, ethylene glycol diacetate, dimethyl sulfite, or ethylene glycol sulfite.
리튬 보호용매의 구체적인 예로는 테트라하이드로 퓨란, 에틸렌 옥사이드, 디옥솔란, 3,5-디메틸 이속사졸, 2,5-디메틸 퓨란, 퓨란, 2-메틸 퓨란, 1,4-옥산, 4-메틸디옥솔란 등이 있다.Specific examples of the lithium protective solvent include tetrahydrofuran, ethylene oxide, dioxolane, 3,5-dimethyl isoxazole, 2,5-dimethyl furan, furan, 2-methyl furan, 1,4-oxane, 4-methyldioxolane Etc.
상기 전해염인 리튬염으로는 리튬 트리플루오로메탄설폰이미드(lithium trifluoromethansulfonimide), 리튬 트리플레이트(lithium triflate), 리튬 퍼클로레이트(lithium perclorate), LiPF6, LiBF4 또는 테트라알킬암모늄, 예를 들어 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 또는 상온에서 액상인 염, 예를 들어 1-에 틸-3-메틸이미다졸리움 비스-(퍼플루오로에틸 설포닐) 이미드와 같은 이미다졸리움 염 등을 하나 이상 사용할 수 있다.The electrolytic salt lithium salt is lithium trifluoromethansulfonimide (lithium trifluoromethansulfonimide), lithium triflate (lithium triflate), lithium perchlorate (lithium perclorate), LiPF 6 , LiBF 4 or tetraalkylammonium, for example tetra One or more butylammonium tetrafluoroborate, or a liquid salt at room temperature, such as an imidazolium salt such as 1-ethyl-3-methylimidazolium bis- (perfluoroethyl sulfonyl) imide Can be used.
본 발명의 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지는 양극 및 음극을 포함한다. 상기 양극에서 양극 활물질로는 황 원소(elemental sulfur, S8), 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 황 계열 화합물은 Li2Sn(n≥1), 폴리설파이드(Li2Sx, x≥2), 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(DMct, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole) 또는 1,3,5-트리티오시아누익산(TTCA, 1,3,5-trithiocyanuic acid) 등을 포함하는 디설파이드 화합물, 유기 황 화합물 및 탄소-황 폴리머((C2Sx) n: x= 2.5 내지 50, n≥2)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 또한 리튬 이온 전지에서 일반적으로 사용하는 리튬을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 리튬 전이 금속 산화물도 물론 사용할 수 있다. The lithium secondary battery including the electrolyte solution of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode. As the cathode active material in the cathode, elemental sulfur (S 8 ), a sulfur-based compound, or a mixture thereof may be used. The sulfur compound is Li 2 S n (n≥1), polysulfide (Li 2 S x , x≥2), 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole (DMct, 2,5 disulfide compounds, organic sulfur compounds and carbon-sulfur polymers, including -dimercapto-1,3,4-thiadiazole) or 1,3,5-trithiocyanuic acid (TTCA, 1,3,5-trithiocyanuic acid) ((C 2 S x ) n : x = 2.5 to 50, n ≥ 2) can be selected from the group consisting of. In addition, a lithium transition metal oxide capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium commonly used in a lithium ion battery may also be used.
상기 음극은 음극 활물질로 리튬 금속 및 리튬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 리튬 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다. The negative electrode may be selected from the group consisting of lithium metal and lithium alloy as the negative electrode active material. As the lithium alloy, an alloy of a metal selected from the group consisting of lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, and Sn may be used.
리튬 금속 표면에 무기질 보호막(protective layer), 유기질 보호막 또는 이들이 적층된 물질도 음극으로 사용될 수 있다. 상기 무기질 보호막으로는 Mg, Al, B, C, Sn, Pb, Cd, Si, In, Ga, 리튬 실리케이트, 리튬 보레이트, 리튬 포스페이트, 리튬 포스포로나이트라이드, 리튬 실리코설파이드, 리튬 보로설파이드, 리튬 알루미노설파이드 및 리튬 포스포설파이드로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어진다. 상기 유기질 보호막으로는 폴리(p-페닐렌), 폴리아세틸렌, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(2,5-에틸렌 비닐렌), 아세틸렌, 폴리(페리나프탈렌), 폴리아센, 및 폴리(나프탈렌-2,6-디일)로 이루어진 군에서 선택되는 도전성을 가지는 모노머, 올리고머 또는 고분자로 이루어진다. An inorganic protective layer, an organic protective layer, or a material in which these layers are stacked on a lithium metal surface may also be used as a cathode. The inorganic protective film is Mg, Al, B, C, Sn, Pb, Cd, Si, In, Ga, lithium silicate, lithium borate, lithium phosphate, lithium phosphoronide, lithium silicon sulfide, lithium borosulfide, lithium aluminium It consists of a material selected from the group consisting of nosulfide and lithium phosphosulfide. The organic protective film is poly (p-phenylene), polyacetylene, poly (p-phenylene vinylene), polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly (2,5-ethylene vinylene), acetylene, poly (ferry) Naphthalene), polyacene, and poly (naphthalene-2,6-diyl), and a monomer, oligomer or polymer having conductivity selected from the group consisting of.
또한, 리튬 이차 전지에서 양극 및 음극 사이에 단락을 방지하는 세퍼레이터를 포함할 수 있으며, 이러한 세퍼레이터로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 고분자막 또는 이들의 다중막을 사용할 수 있다.In addition, a separator for preventing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode in the lithium secondary battery may be included, and such a separator may be a polymer film such as polypropylene or polyethylene, or a multilayer thereof.
상술한 전해액, 양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이차 전지는 양극/세퍼레이터/음극의 구조를 갖는 단위 전지, 양극/세퍼레이터/음극/세퍼레이터/양극의 구조를 갖는 바이셀, 또는 단위 전지의 구조가 반복되는 적층 전지의 구조로 형성할 수 있다. 전해액은 상기 구조가 담긴 전지 용기에 주입하여 존재하게 된다. 본 발명의 전해액은 액체 전해액으로 사용할 수도 있고, 종래 고분자 전해질 제조시 사용되는 물질과 방법에 따라 고분자 전해질로 사용하여도 무방하다.The lithium secondary battery including the electrolyte, the positive electrode, the negative electrode, and the separator described above has a unit cell having a structure of positive electrode / separator / cathode, a bicell having a structure of positive electrode / separator / cathode / separator / anode, or a unit cell structure. It can be formed in the structure of a repeated laminated battery. The electrolyte solution is injected into the battery container containing the structure is present. The electrolyte solution of the present invention may be used as a liquid electrolyte solution, or may be used as a polymer electrolyte depending on materials and methods used in the manufacture of conventional polymer electrolytes.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 리튬 이차 전지의 대표적인 예를 도 1에 나타내었다. 도 1은 양극(2), 음극(3) 및 상기 양극(2)과 음극(3) 사이에 위치하는 세퍼레이터(4)를 포함하고, 상기 양극(2) 및 상기 음극(3) 사이에 전해액(미도시)이 위치하는 케이스(5)를 포함하는 각형 타입의 리튬 이온 전지(1)를 나타낸 것이다. 물론, 본 발명의 리튬 이차 전지가 이 형상으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 양극 활물질을 포함하며 전지로서 작동할 수 있는 원통형, 파우치 등 어떠한 형성 도 가능함은 당연하다. A representative example of the lithium secondary battery of the present invention having such a configuration is shown in FIG. 1. 1 includes a
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
구리 집전체에 15 micron의 두께로 증착된 리튬을 음극, 100 micron의 리튬 포일을 대극으로 사용하고, 상기 양극 및 대극 사이에 16 micron의 다공성 폴리에틸렌 격리막을 위치하고, 알루미늄이 코팅된 플라스틱 파우치를 이용하여 리튬 반쪽 전지를 제조하였다. 이때, 전해액으로는 1M LiN(CF3SO2)2 디메톡시에탄/디글라임/디옥솔란(4/4/2 부피비)을 주입하였다. 전류밀도 1mA/cm2로 2시간 동안 충방전하였다. 충방전에 따른 전지 전압의 변화를 도 2에 나타내었다. 방전시 양극에서 리튬의 석출 반응이 발생하며 대극에서 리튬의 스트리핑(stripping) 반응이 일어났다. 방전시 전지 전압은 -100mV였다. 충전시에는 양극에서 리튬의 스트리핑 반응이 음극에서 리튬의 석출 반응이 나타났다. 충전시 전지 전압은 100mV였다. 7번째 충전에서 셀의 전압은 1.7V까지 상승하는데 이는 양극의 리튬의 지속적인 소진에 의해 7사이클에서 양극내 리튬이 완전히 소진됨을 의미한다. 이 경우 전해액의 쿨롱 효율(coulombic efficiency)은 63.9%, FOM(Figure of Merit)은 2.77이였다. Lithium deposited to a thickness of 15 micron on a copper current collector using a cathode, a 100 micron lithium foil as a counter electrode, a porous polyethylene separator of 16 micron is placed between the anode and the counter electrode, and a plastic pouch coated with aluminum A lithium half cell was prepared. At this time, 1M LiN (CF 3 SO 2 ) 2 dimethoxyethane / diglyme / dioxolane (4/4/2 by volume) was injected into the electrolyte solution. The battery was charged and discharged at a current density of 1 mA / cm 2 for 2 hours. The change in battery voltage according to charge and discharge is shown in FIG. 2. During discharge, a precipitation reaction of lithium occurs at the anode and a stripping reaction of lithium occurs at the counter electrode. The battery voltage at discharge was -100 mV. During charging, the stripping reaction of lithium at the positive electrode showed the precipitation reaction of lithium at the negative electrode. The battery voltage was 100 mV at the time of charging. In the seventh charge, the cell's voltage rises to 1.7V, which means that the lithium in the anode is completely exhausted in seven cycles due to the continuous exhaustion of lithium at the anode. In this case, the coulombic efficiency of the electrolyte was 63.9% and the figure of Merit (FOM) was 2.77.
(실시예 1)(Example 1)
구리 집전체에 15micron의 두께로 증착된 리튬을 양극, 100micron의 리튬 포일을 대극으로 사용하고, 양극과 대극 사이에 16micron의 다공성 폴리에틸렌 격리막을 위치시키고, 알루미늄이 코팅된 플라스틱 파우치를 이용하여 리튬 반쪽 전지를 제조하였다. 이때, 전해액으로는 1M LiN(CF3SO2)2이 용해된 디메톡시에탄/디글라임/디옥솔란(4/4/2 부피비)에 5 중량%의 헥산디올디아크릴레이트를 첨가한 것을 사용하였다. 제조된 전지를 전류 밀도 1mA/cm2로 2시간 동안 충방전하고, 충방전에 따른 전지 전압의 변화를 도 3에 나타내었다. 초기 방전시 첨가제가 함유되지 않은 비교예 1의 경우보다 낮은 -1V에서 전지 전압이 형성되며 초기 충전시 첨가제가 함유되지 않은 비교예 1의 경우보다 높은 1V에서 전지 전압이 형성된다. 이는 첨가제가 함유된 경우 방전시 양극에서 첨가제의 환원반응이 발생하고 대극에서 리튬의 산화반응(dissolution)이 발생함을 의미한다. 또한 충전시 대극에서 첨가제의 환원반응이 발생하고 양극에서 리튬의 환원반응(deposition)이 발생함을 의미한다. 첨가제가 함유된 전해액의 경우 쿨롱 효율은 93.8%, FOM은 16.05로 첨가제가 함유되지 않은 경우에 비해 각각 FOM은 9.56배 쿨롱 효율은 1.47배 향상되었다. 이는 초기 충방전에서 형성된 리튬 표면내 첨가제의 고분자 피막이 리튬 음극을 안정화시킨 효과를 나타내는 것이다. Lithium half cell using lithium deposited with a thickness of 15 micron on a copper current collector as a positive electrode, a 100 micron lithium foil as a counter electrode, a 16 micron porous polyethylene separator between the positive electrode and the counter electrode, and an aluminum coated plastic pouch. Was prepared. In this case, 5% by weight of hexanediol diacrylate was added to dimethoxyethane / diglyme / dioxolane (4/4/2 by volume) in which 1M LiN (CF 3 SO 2 ) 2 was dissolved. . The prepared battery was charged and discharged at a current density of 1 mA / cm 2 for 2 hours, and the change in battery voltage according to charging and discharging is shown in FIG. 3. In the initial discharge, the battery voltage is formed at −1 V lower than that of Comparative Example 1 containing no additive, and the battery voltage is formed at 1 V higher than that of Comparative Example 1 containing no additive during initial charging. This means that when the additive is contained, the reduction reaction of the additive occurs in the positive electrode during discharging and the dissolution of lithium occurs in the counter electrode. In addition, it means that the reduction reaction of the additive occurs in the counter electrode during charging and the reduction reaction of lithium occurs in the positive electrode. In the case of the electrolyte containing additives, the Coulomb efficiency was 93.8% and the FOM was 16.05. This shows that the polymer film of the additive in the lithium surface formed during the initial charge and discharge stabilized the lithium anode.
(실시예 2)(Example 2)
1M LiN(CF3SO2)2이 용해된 디메톡시에탄/디글라임/디옥솔란(4/4/2 부피비)에 3 중량%의 비닐 신나메이트(vinyl cinnamate)를 첨가한 것을 사용한 것을 제외하 고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 리튬 반쪽 전지를 전류밀도 1mA/cm2로 2시간동안 충방전하였다. 첨가제가 함유된 전해액의 경우 쿨롱 효율은 97.1%, FOM은 35로 향상되었다. 이는 초기 충방전에서 형성된 리튬 표면내 첨가제의 고분자 피막이 리튬음극을 안정화시킨 효과를 나타내는 것이다.Except for the addition of 3% by weight of vinyl cinnamate to dimethoxyethane / diglyme / dioxolane (4/4/2 by volume) in which 1M LiN (CF 3 SO 2 ) 2 was dissolved. It carried out similarly to Example 1 above. The prepared half battery was charged and discharged at a current density of 1 mA / cm 2 for 2 hours. In the case of the electrolyte containing additives, the coulombic efficiency was improved to 97.1% and the FOM to 35. This shows that the polymer film of the additive in the lithium surface formed during the initial charge and discharge stabilized the lithium cathode.
(실시예 3)(Example 3)
0.5M LiN(CF3CF2SO2)2이 용해된 디메톡시에탄/디옥솔란(4/6 부피비)에 4 중량%의 아크릴산을 첨가한 전해액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 리튬 반쪽 전지를 전류밀도 1mA/cm2로 2시간 동안 충방전하였다. 첨가제가 함유된 전해액의 경우 쿨롱 효율은 98.0%, FOM은 52.3의 값이 얻어졌다. As in Example 1, except that 4% by weight of acrylic acid was added to dimethoxyethane / dioxolane (4/6 vol. Ratio) in which 0.5M LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 was dissolved. Was carried out. The prepared half battery was charged and discharged at a current density of 1 mA / cm 2 for 2 hours. In the case of the electrolyte solution containing the additive, the Coulomb efficiency was 98.0% and the FOM was 52.3.
(실시예 4)(Example 4)
1M LiN(CF3SO2)2이 용해된 디메톡시에탄/디글라임/디옥솔란(4/4/2 부피비)에 2 중량%의 아크릴로니크릴과 1 중량%의 아크릴산을 첨가한 전해액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 리튬 반쪽 전지를 1mA/cm2로 2시간 동안 충방전하였다. 첨가제가 함유된 전해액의 경우 쿨롱 효율은 98.3%, FOM은 60.3이 얻어졌다. A dimethoxyethane / diglyme / dioxolane (4/4/2 volume ratio) in which 1M LiN (CF 3 SO 2 ) 2 was dissolved was used, using an electrolyte solution containing 2% by weight of acrylonitrile and 1% by weight of acrylic acid. Except that was carried out in the same manner as in Example 1. The prepared half battery was charged and discharged at 1 mA / cm 2 for 2 hours. In the case of the electrolyte solution containing the additive, the coulombic efficiency was 98.3% and the FOM was 60.3.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
0.8M Li2S8이 용해된 디메톡시에탄/디옥솔란(9/1 부피비) 전해액을 사용한 것 을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 리튬 반쪽 전지를 전류밀도 1mA/cm2로 2시간 동안 충방전하였다. 쿨롱 효율은 24.4%, FOM은 1.32로 나타났다. The same procedure as in Example 1 was carried out except that dimethoxyethane / dioxolane (9/1 volume ratio) electrolyte in which 0.8 M Li 2 S 8 was dissolved was used. The prepared half battery was charged and discharged at a current density of 1 mA / cm 2 for 2 hours. Coulomb efficiency was 24.4% and FOM was 1.32.
(실시예 5)(Example 5)
0.8M Li2S8이 용해된 디메톡시에탄/디옥솔란(9/1 부피비)에 4 중량%의 아크릴로니트릴을 첨가한 전해액을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일하게 실시하였다. 제조된 리튬 반쪽 전지를 전류밀도 1mA/cm2로 2시간 동안 충방전하였다. 첨가제가 함유된 전해액의 경우 쿨롱 효율은 97.2%, FOM은 35.3의 값이 얻어졌다. 이는 첨가제가 함유되지 않은 경우에 비해 쿨롱 효율은 3.98배, FOM은 26.7배 증가한 것이다. 0.8M Li 2 S 8, except the dissolved dimethoxyethane / dioxolane (9/1 volume ratio) that the used electrolytic solution was added to 4% by weight of acrylonitrile on acrylate was performed in the same manner as in the Comparative Example 2. The prepared half battery was charged and discharged at a current density of 1 mA / cm 2 for 2 hours. In the case of the electrolyte solution containing the additive, the Coulomb efficiency was 97.2% and the FOM was 35.3. This is a 3.98-fold increase in coulombic efficiency and a 26.7-fold increase in FOM compared with no additives.
(실시예 6)(Example 6)
0.8M Li2S8이 용해된 디메톡시에탄/디옥솔란(9/1 부피비)에 5 중량%의 헥산디올 디아크릴레이트를 첨가한 전해액을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일하게 실시하였다. 제조된 리튬 반쪽 전지를 전류밀도 1mA/cm2로 2시간 동안 충방전하였다. 첨가제가 함유된 전해액의 경우 쿨롱 효율은 96.4%, FOM은 30.8의 값이 얻어졌다. The same procedure as in Comparative Example 2 was performed except that an electrolyte solution containing 5% by weight of hexanediol diacrylate was added to dimethoxyethane / dioxolane (9/1 vol. Ratio) in which 0.8 M Li 2 S 8 was dissolved. . The prepared half battery was charged and discharged at a current density of 1 mA / cm 2 for 2 hours. In the case of the electrolyte solution containing the additive, the Coulomb efficiency was 96.4% and the FOM was 30.8.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
무기 유황(S8) 75 중량%, 카본 도전재 15 중량% 및 폴리에틸렌 옥사이드 바 인더 10 중량%를 사용하여 통상의 방법으로 2mAh/cm2의 용량을 갖는 리튬 설퍼 전지의 양극을 제조하였다. 상기 양극과 60micron의 리튬 금속 포일 음극을 사용하여 권취형 리튬 설퍼 전지를 제조하였다. 제조된 전지의 이론 용량은 1000mAh이었으며, 전해액은 1M LiN(CF3SO2)2이 용해된 디메톡시에탄/디글라임/디옥솔란(4/4/2 부피비)을 사용하였다. A positive electrode of a lithium sulfur battery having a capacity of 2 mAh / cm 2 was prepared in a conventional manner using 75 wt% inorganic sulfur (S 8 ), 15 wt% carbon conductive material, and 10 wt% polyethylene oxide binder. A wound lithium sulfur battery was manufactured using the positive electrode and the lithium metal foil negative electrode of 60 micron. The theoretical capacity of the prepared battery was 1000 mAh, and the electrolyte solution used was dimethoxyethane / diglyme / dioxolane (4/4/2 by volume) in which 1M LiN (CF 3 SO 2 ) 2 was dissolved.
제조된 리튬 설퍼 전지를 충전/방전 속도를 각각 0.5C/0.2C로 하고, 방전 한계 전위를 1.5V, 충전은 750mAh의 용량 컷-오프 혹은 3.5V의 충전 한계 전위 조건으로 하여 충방전을 실시하여 충방전 사이클에 따른 충방전 효율 및 용량을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 충방전 효율은 방전 용량/충전 용량을 나타낸다.Charge and discharge of the manufactured lithium sulfur battery with charging / discharging speeds of 0.5C / 0.2C, discharge limit potential of 1.5V, and charging at 750mAh capacity cut-off or 3.5V charge limit potential, respectively. The charge and discharge efficiency and capacity according to the charge and discharge cycle was measured and the results are shown in Table 1 below. The charge / discharge efficiency represents discharge capacity / charge capacity.
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 충전시 양극에서 산화된 리튬 폴리설파이드가 리튬 음극과 화학적 반응에 의해 다시 환원되는 셔틀(shuttle) 현상에 의해 활물질의 산화도가 증가하지 않기 때문에 충방전 효율이 매우 낮음을 알 수 있다. 또한 충전시 셔틀 현상이 발현되어 양극의 산화도가 증가하지 않아 충전 말기 전압은 2.4V영역에서 유지된다. As shown in Table 1, the charging and discharging efficiency is very low because the oxidation degree of the active material is not increased by a shuttle phenomenon in which lithium polysulfide oxidized at the anode during charging is reduced by chemical reaction with the lithium anode. It can be seen. In addition, since the shuttle phenomenon occurs during charging, the oxidation degree of the anode does not increase, so the terminal voltage at the end of charging is maintained in the 2.4V region.
(실시예 7)(Example 7)
1M LiN(CF3SO2)2이 용해된 디메톡시에탄/디글라임/디옥솔란(4/4/2 부피비)의 혼합 용매에 5 중량%의 헥산디올 디메타크릴레이트를 첨가한 전해액을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다. An electrolyte solution in which 5% by weight of hexanediol dimethacrylate was added to a mixed solvent of dimethoxyethane / diglyme / dioxolane (4/4/2 volume ratio) in which 1M LiN (CF 3 SO 2 ) 2 was dissolved was used. Except that was carried out in the same manner as in Comparative Example 3.
제조된 리튬 설퍼 전지를 비교예 3과 동일한 조건으로 충방전하여, 충방전 사이클에 따른 충방전 효율 및 용량을 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. The prepared lithium sulfur battery was charged and discharged under the same conditions as in Comparative Example 3 to measure charge and discharge efficiency and capacity according to charge and discharge cycles, and the results are shown in Table 2 below.
상기 표 2에 나타낸 것과 같이, 실시에 7의 전지는 비교예 3에 비하여 사이클 수명이 향상되었으며 2회 이후 방전 용량이 증가하였음을 알 수 있다. 이는 초기 충방전에서 형성된 리튬 표면내 첨가제의 피막이 리튬과 용액상의 리튬 폴리설파이드와의 반응을 억제하여 충전시 활물질이 효과적으로 산화되었으며 그이 결과로 방전 용량 및 충방전 효율을 향상시킨 것으로 생각된다. 또한 보호막에 의해 셔틀 반응이 억제되어 충전말기에도 양극내 활물질의 산화도가 증가함에 따라 전압이 지속적으로 상승하여 충전 종료 전압은 비교예 3과 비교할 때 매우 증가하였으며, 사이클이 진행됨에 따라 충전 종료 전압은 지속적으로 상승되었음을 알 수 있다. 이 결과는 사이클이 진행됨에 따라 리튬 금속 표면 피막이 보다 효과적으로 형성되어져 감을 나타낸다. 또한 첨가물에 의한 피막 형성으로 리튬 음극의 국부적인 반응의 집중이 완화되었으며, 전해액 및 활물질과 리튬 금속 음극과의 반응으 로 인한 리튬의 손실이 억제되었음을 알 수 있다. As shown in Table 2, it can be seen that the battery of Example 7 has improved cycle life and increased discharge capacity after two times compared to Comparative Example 3. This is because the coating of the additives in the lithium surface formed during the initial charge and discharge inhibited the reaction between lithium and the lithium polysulfide in solution, and thus the active material was effectively oxidized during charging, and as a result, the discharge capacity and the charge and discharge efficiency were thought to be improved. In addition, the shuttle reaction was inhibited by the protective film, and as the oxidation degree of the active material in the positive electrode increased at the end of charge, the voltage was continuously increased, and the charge termination voltage was greatly increased as compared with Comparative Example 3, and as the cycle progressed, the charge termination voltage was increased. It can be seen that steadily rose. This result indicates that the lithium metal surface coating is more effectively formed as the cycle progresses. In addition, it can be seen that the concentration of the local reaction of the lithium negative electrode was alleviated by the formation of the film by the additive, and the loss of lithium due to the reaction between the electrolyte and the active material and the lithium metal negative electrode was suppressed.
(실시예 8)(Example 8)
1M LiN(CF3SO2)2이 용해된 디메톡시에탄/디글라임/디옥솔란(4/4/2 부피비) 혼합 용액에 3 중량%의 아크릴로니트릴을 첨가한 전해액을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다. 제조된 리튬 설퍼 전지를 상기 비교예 3과 동일한 조건으로 충방전하여, 충방전 사이클에 따른 용량 및 충방전 효율을 측정하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.Except for using an electrolyte solution in which 3 wt% acrylonitrile was added to a dimethoxyethane / diglyme / dioxolane (4/4/2 volume ratio) mixed solution in which 1M LiN (CF 3 SO 2 ) 2 was dissolved. It carried out similarly to the comparative example 3. Charge and discharge of the prepared lithium sulfur battery under the same conditions as in Comparative Example 3, the capacity and charge and discharge efficiency according to the charge and discharge cycle was measured and the results are shown in Table 3 below.
상기 표 3에 나타낸 것과 같이, 실시예 8의 전지는 비교예 3에 비하여 사이클 수명이 향상되었으며 2회 이후 방전용량이 증가하였다. 이는 초기 충방전에서 형성된 리튬 표면내 첨가제의 피막이 리튬과 용액상의 리튬 폴리설파이드와의 반응을 억제하여 충전시 활물질이 효과적으로 산화되었으며 그 결과로 방전 용량 및 충방전 효율이 향상된 것으로 생각된다. 또한 첨가물에 의한 피막형성으로 리튬 음극의 국부적인 반응의 집중이 완화되었으며, 전해액 및 활물질과 리튬 금속 음극과의 반응으로 인한 리튬의 손실이 억제되었음을 알 수 있다. As shown in Table 3, the battery of Example 8 has improved cycle life and increased discharge capacity after two times compared to Comparative Example 3. This is because the film of the additive in the lithium surface formed during the initial charge and discharge inhibits the reaction between lithium and the lithium polysulfide in solution, and the active material is effectively oxidized during charging, and as a result, the discharge capacity and the charge and discharge efficiency are considered to be improved. In addition, it can be seen that the concentration of the local reaction of the lithium negative electrode was alleviated by the formation of the film by the additive, and the loss of lithium due to the reaction between the electrolyte and the active material and the lithium metal negative electrode was suppressed.
(실시예 9)(Example 9)
실시예 7에서 제조된 리튬 설퍼 전지를 1C의 충방전 속도로 5% 방전 심도(Depth of Discharge), 5% 충전 심도(Depth of Charge)의 조건으로 20회 사이클을 진행시키는 화성과정을 거친 후 방전속도 및 충전속도를 0.5C 및 0.2C, 방전제한전압을1.5V, 충전 제한 전압을 3.5V 조건으로 하여 반복 충방전을 실시하였다. 이 충방전 사이클에 따른 용량 및 충방전 효율을 측정하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.The lithium sulfur battery prepared in Example 7 was discharged after going through 20 cycles with 5% depth of discharge and 5% depth of charge at a charge and discharge rate of 1C. Repeated charging and discharging were performed under the conditions of speed and charge rate of 0.5C and 0.2C, discharge limit voltage of 1.5V and charge limit voltage of 3.5V. Capacity and charge and discharge efficiency according to this charge and discharge cycle was measured and the results are shown in Table 4 below.
상기 표 4에 나타낸 것과 같이, 초기 화성과정에서 낮은 충방전 심도로 사이클이 진행되면서 리튬 금속 표면에 첨가제에 의한 피막을 형성시켜 충방전 효율을 증가시킬 수 있었다. As shown in Table 4, as the cycle progressed to a low charge / discharge depth in the initial chemical conversion process, the charge and discharge efficiency could be increased by forming a film by an additive on the lithium metal surface.
(비교예 4)(Comparative Example 4)
60 micron의 리튬 금속을 양극 및 200 micron의 리튬 포일을 음극으로 사용하여 리튬 반쪽 전지를 제조하였다. 이때, 전해액으로 실시예 1에서 사용된 전해액에 3 중량%의 헥산디올 디아크릴레이트를 첨가한 것을 사용하였다. 제조된 리튬 반쪽 전지를 전류밀도 4mA/cm2로 1시간 동안 충방전하여, 충방전 곡선을 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타낸 것과 같이, 11 사이클이 진행되었으며, 이 경우 FOM과 쿨롱 효율은 각각 3.3, 69.4%였다. A lithium half cell was prepared using 60 micron lithium metal as the positive electrode and 200 micron lithium foil as the negative electrode. In this case, an electrolyte solution in which 3% by weight of hexanediol diacrylate was added to the electrolyte solution used in Example 1 was used. The prepared lithium half battery was charged and discharged at a current density of 4 mA / cm 2 for 1 hour, and a charge and discharge curve is shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, 11 cycles were performed, in which case the FOM and Coulomb efficiencies were 3.3 and 69.4%, respectively.
(실시예 10)(Example 10)
60 micron의 리튬 금속을 양극, 200 micron의 리튬 포일을 음극으로 사용하고, 양극과 음극 사이에 16 micron의 다공성 폴리에틸렌 격리막을 위치시키고 알루미늄이 코팅된 플라스틱 파우치를 이용하여 리튬 반쪽 전지를 제조하였다. 이때, 전해액으로는 비교예 1에서 사용된 전해액에 3 중량%의 헥산디올 디아크릴레이트를 첨가한 전해액을 사용하였다. 제조된 리튬 반쪽 전지를 전류밀도 4mA/cm2로 1시간 동안 충방전하고, 충방전 곡선을 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타낸 것과 같이, 43사이클이 진행되었으며, 이 경우 FOM과 쿨롱 효율은 각각 13.8, 92.8%였다. 이는 비교예 4와 비교할 때 FOM과 쿨롱 효율은 각각 4.18배 1.34배 증가한 것이다. A lithium half cell was manufactured by using a 60 micron lithium metal as a positive electrode, a 200 micron lithium foil as a negative electrode, a 16 micron porous polyethylene separator between the positive electrode and the negative electrode, and using a plastic pouch coated with aluminum. At this time, an electrolyte solution in which 3% by weight of hexanediol diacrylate was added to the electrolyte solution used in Comparative Example 1 was used. The prepared lithium half cell was charged and discharged at a current density of 4 mA / cm 2 for 1 hour, and the charge and discharge curves are shown in FIG. 5. As shown in FIG. 5, 43 cycles were performed, in which case the FOM and Coulomb efficiencies were 13.8 and 92.8%, respectively. This is a FOM and Coulomb efficiency 4.18 times 1.34 times increased compared with the comparative example 4, respectively.
(비교예 5)(Comparative Example 5)
60 micron의 리튬 금속을 음극, 2mAh/cm2의 용량을 갖는 설퍼 양극을 이용하여 리튬 설퍼 전지를 구성하였다. 전극면적은 500cm2이며 비교예 1에서 사용된 전해액을 이용하였다. 도 6에 기호 A는 비교예 5에 의해서 제조된 전지의 0.5C 방전 0.2C 충전에서의 15번째 사이클을 나타낸 것이다.A lithium sulfur battery was constructed by using 60 micron of lithium metal as a negative electrode and a sulfur positive electrode having a capacity of 2 mAh / cm 2 . The electrode area was 500 cm 2 and the electrolyte solution used in Comparative Example 1 was used. Symbol A in Fig. 6 shows the 15th cycle in the 0.5C discharge 0.2C charge of the battery prepared by Comparative Example 5.
(실시예 11) (Example 11)
60 micron의 리튬 금속을 음극, 2mAh/cm2의 용량을 가지는 설퍼 양극을 이용하여 리튬 설퍼 전지를 구성하였다. 전극면적은 500cm2이며 1M 리튬염(상품명: HQ115, 3M사)이 용해된 디메톡시에탄/디옥솔란(4/1 부피비) 전해액을 사용하였다. 도 6에 기호 B는 실시예 11에 의해서 제조된 전지의 0.5C 방전 0.2C 충전에서의 15 번째 사이클을 나타낸 것이다. 5 중량%의 헥산디올 디아크릴레이트가 첨가된 실시예 11의 경우에는 보다 높은 용량을 나타내었는데 이는 2.4V의 평탄부가 비교예 5보다 크기 때문이다. 충전시에도 실시예 11은 충전 말기에서 보다 높은 충전전위를 나타내는데, 이는 리튬음극에 생성된 보호막으로 인해 전해액에 용해된 활물질인 폴리설파이드와 리튬음극과의 반응을 억제하여 양극에서 충전된 활물질이 리튬 금속과 반응에 의해 자가방전되는 것을 억제시켜 줌을 확인 할 수 있다. A lithium sulfur battery was constructed by using 60 micron of lithium metal as a negative electrode and a sulfur positive electrode having a capacity of 2 mAh / cm 2 . An electrode area of 500 cm 2 and a dimethoxyethane / dioxolane (4/1 volume ratio) electrolyte in which 1 M lithium salt (trade name: HQ115, 3M company) was dissolved was used. Symbol B in Fig. 6 shows the fifteenth cycle in the 0.5C discharge 0.2C charge of the battery prepared in Example 11. In the case of Example 11 to which 5% by weight of hexanediol diacrylate was added, a higher capacity was shown because the flat portion of 2.4V was larger than that of Comparative Example 5. Example 11 also shows a higher charging potential at the end of charging, which prevents the reaction between the polysulfide, which is an active material dissolved in the electrolyte, and the lithium cathode due to the protective film formed on the lithium anode, thereby preventing the active material charged from the positive electrode. It can be confirmed that it suppresses self-discharge by reaction with metal.
(실시예 12)(Example 12)
200micron의 리튬 금속을 음극, 2mAh/cm2의 용량을 가지는 설퍼양극을 이용하여 리튬설퍼전지를 구성하였다. 전극면적은 12.5cm2이다. 1M 리튬염(상품명: HQ115, 3M사)이 용해된 디메톡시에탄/디옥솔란(4/1 부피비) 전해액에 2 중량%의 아크릴산을 첨가한 전해액을 사용하였다. 도 7에는 제조된 전지의 0.2C 방전 0.2C 충전에서의 초기 2사이클을 나타낸 것이다. 첫 번째 충전시 3.5V까지 충전이 되어 셔틀 반응이 억제됨을 확인할 수 있으며, 두 번째 방전에서 2.4V 영역의 평탄부가 명확히 나타남을 알 수 있다. 이는 첨가된 아크릴산과 리튬음극과의 반응에 의해 형성된 피막으로 인해 리튬 폴리설파이드와 리튬과의 반응이 억제되어 셔틀이 억제되는 효과를 나타내는 것이다. A lithium sulfur battery was constructed by using 200 micron of lithium metal as a cathode and a sulfur anode having a capacity of 2 mAh / cm 2 . The electrode area is 12.5 cm 2 . An electrolyte solution in which 2% by weight of acrylic acid was added to a dimethoxyethane / dioxolane (4/1 volume ratio) electrolyte in which 1 M lithium salt (trade name: HQ115, 3M company) was dissolved was used. Figure 7 shows the initial two cycles of 0.2C discharge 0.2C charge of the battery produced. It can be seen that when the first charge is charged up to 3.5V, the shuttle reaction is suppressed, and the flat portion of the 2.4V region is clearly shown in the second discharge. This is because the film formed by the reaction of the added acrylic acid and the lithium cathode suppresses the reaction between lithium polysulfide and lithium, thereby exhibiting the effect of suppressing the shuttle.
본 발명에 따른 리튬 금속 전지용 전해액 첨가제는 전지내 리튬 금속 음극표면에서 첨가제의 고분자화에 의해 보호막을 형성하며, 형성된 보호막은 리튬금속 음극의 안정성을 향상시켜 사이클 수명을 향상시킨다. 또한 본 발명에 따른 전해액 첨가제를 리튬 설퍼 전지에 첨가하는 경우 리튬 금속 음극의 보호막 형성에 의해 리튬 설퍼 전지의 사이클 수명뿐만 아니라 충전시 리튬 폴리설파이드와 리튬 금속과의 반응에 의한 셔틀 현상을 억제하여 보다 효율적인 충전이 가능하였고 충방전 효율 및 방전 용량을 증가시킬 수 있다. The electrolyte additive for a lithium metal battery according to the present invention forms a protective film by polymerizing an additive on a lithium metal negative electrode surface in a battery, and the formed protective film improves stability of the lithium metal negative electrode to improve cycle life. In addition, when the electrolyte additive according to the present invention is added to a lithium sulfur battery, a protective film of the lithium metal anode is used to suppress not only the cycle life of the lithium sulfur battery but also the shuttle phenomenon caused by the reaction between the lithium polysulfide and the lithium metal during charging. Efficient charging was possible and the charging and discharging efficiency and discharge capacity could be increased.
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