KR101248108B1 - Negative electrode for lithium ion secondary battery, production method thereof and lithium ion secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 비정질 실리콘 산화물(SiOx 0.3 ≤ x ≤ 1.5) 박막 음극은 결정질에 비해 구조변화 스트레스가 적어 개선된 충방전 특성을 보이며 넓은 Si:O 비율을 가지는 실리콘 산화물 박막을 제작할 수 있다.
또한 비정질 실리콘 산화물 박막 음극을 채용하고 실란계 화합물을 첨가한 비수용성 카보네이트계 전해질 및 상온 이온성 액체 전해질로 이루어진 리튬 이온 이차전지는 충방전 성능이 안정화된다.Amorphous silicon according to the present invention Oxide (SiO x 0.3 ≤ x ≤ 1.5) thin-film anode shows improved charge / discharge characteristics due to less structural change stress than crystalline and silicon with wide Si: O ratio An oxide thin film can be produced.
In addition, the charge / discharge performance of the lithium ion secondary battery including the non-aqueous carbonate electrolyte and the room temperature ionic liquid electrolyte employing an amorphous silicon oxide thin film anode and adding a silane compound is stabilized.
Description
본 발명은 리튬 이온 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬 이온 이차전지의 음극, 음극의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 이온 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion secondary battery, and more particularly, to a method for manufacturing a negative electrode, a negative electrode of a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery using the same.
최근 이차전지는 경량 및 고에너지밀도를 갖기 때문에 휴대기기의 구동용 전지로서 주목을 받고 있으며 이에 대한 연구개발도 활발히 진행되고 있다.Recently, the secondary battery has attracted attention as a battery for driving a portable device because of its light weight and high energy density, and research and development of the secondary battery has been actively progressed.
특히 리튬 이온 이차전지는 에너지밀도가 높으므로 휴대 전화, 노트북 컴퓨터 및 디지털 카메라의 전원으로 많이 사용되고 있으나 충전 용량의 한계로 사용 중 방전이 되므로 자주 재충전하여야 하는 불편함이 있다. In particular, the lithium ion secondary battery has a high energy density and is widely used as a power source for mobile phones, notebook computers, and digital cameras.
현재 사용되는 리튬 이온 이차전지는, 리튬-코발트 산화물계 분말로 구성된 양극과 탄소 재질의 음극, 유기전해질 및 분리막 등으로 구성되어 있다.The lithium ion secondary battery currently used is composed of a positive electrode composed of lithium-cobalt oxide-based powder, a negative electrode made of carbon, an organic electrolyte, a separator and the like.
리튬 이온 이차전지용 음극으로서 흑연재료를 이용한 경우, 리튬을 방출할 때의 평균 전위는 약 0.2V(vs. Li/Li+)이고, 이 때의 전위는 비교적 평탄하게 유지된다. 그러므로 고전압과 전압 평탄성이 요구되는 기기의 전원으로서는, 흑연재료로 이루어지는 음극을 구비하는 리튬 이온 이차전지가 적합하게 이용되고 있다. 그러나, 흑연재료는 단위 질량당의 용량이 372mAh/g로 작고, 또한 이 이상의 용량 증가를 기대하기는 어렵다.When a graphite material is used as a negative electrode for a lithium ion secondary battery, the average potential at the time of releasing lithium is about 0.2 V (vs. Li / Li +), and the potential at this time is kept relatively flat. Therefore, as a power source for equipment requiring high voltage and voltage flatness, a lithium ion secondary battery having a negative electrode made of graphite material is suitably used. However, the graphite material has a small capacity per unit mass of 372 mAh / g, and it is difficult to expect a further increase in capacity.
이러한 문제점을 해결하기위한 고용량을 나타내는 음극재료의 일예로는, 리튬과 금속간 화합물을 형성하는 재료로 실리콘, 주석 및 그러한 산화물 등을 들 수 있다. 다만, 이러한 재료는 반복적인 충방전에 의하여 리튬 이온이 음극재료 내로 들어오고 나오는 과정에서 부피변화에 의한 팽창으로 인하여 입자들이 점차 떨어져 나가게 되므로, 사이클 특성이 저하되는 단점이 있다. 활물질의 부피변화가 크면 활물질입자의 균열, 활물질과 집전체와의 접촉불량 등이 생기기 때문에, 충방전 사이클 수명이 짧아진다고 하는 문제가 생긴다. 특히 활물질입자의 균열이 생겼을 경우, 활물질입자의 표면적이 증가하기 때문에, 활물질입자와 비수 전해질과의 반응이 증대된다. 그 결과, 비수 전해질의 분해 생성물로 이루어지는 피막이 활물질 표면에 형성되기 쉬워진다. 이러한 피막이 형성되면, 활물질과 비수 전해질과의 사이의 계면저항이 증대하고, 그것이 충방전 사이클 수명을 짧게 하는 큰 원인이 된다.As an example of a negative electrode material exhibiting a high capacity for solving such a problem, silicon, tin, and such an oxide may be mentioned as a material for forming an intermetallic compound with lithium. However, this material has a disadvantage in that the cycle characteristics are deteriorated since particles gradually fall off due to expansion due to volume change in the process of lithium ion entering and exiting the anode material by repeated charging and discharging. If the volume change of the active material is large, cracking of the active material particles, poor contact between the active material and the current collector, and the like cause a problem that the charge and discharge cycle life is shortened. In particular, when the active material particles are cracked, the surface area of the active material particles increases, so that the reaction between the active material particles and the nonaqueous electrolyte is increased. As a result, the film which consists of decomposition products of a nonaqueous electrolyte becomes easy to form on the surface of an active material. When such a film is formed, the interfacial resistance between the active material and the nonaqueous electrolyte increases, which is a great cause of shortening the charge / discharge cycle life.
따라서 고용량을 나타내는 음극재료와 충방전 사이클 수명을 늘리는 방법에 대한 연구가 요구된다.Therefore, research on a cathode material exhibiting high capacity and a method of increasing the charge / discharge cycle life are required.
본 발명은 제조가 간편하고 구조변화 스트레스가 적어 개선된 충방전 특성을 가지는 비정질 실리콘 산화물 박막 음극과 그의 제조 방법을 제공한다.The present invention is easy to manufacture and less stress on the structural change amorphous silicon having improved charge and discharge characteristics Provided are an oxide thin film cathode and a method of manufacturing the same.
또한 상기 비정질 실리콘 산화물 박막 음극을 채용한 리튬 이온 이차전지를 제공한다. The present invention also provides a lithium ion secondary battery employing the amorphous silicon oxide thin film anode.
본 발명은 비정질 실리콘 산화물 박막 음극과 그의 제조 방법을 제공한다.The present invention is amorphous Provided are a silicon oxide thin film cathode and a method of manufacturing the same.
비정질 실리콘 산화물 박막 음극의 제조방법은 비정질 실리콘 산화물(SiOx 0.3 ≤ x ≤ 1.5)의 박막을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing an amorphous silicon oxide thin film anode includes forming a thin film of amorphous silicon oxide (SiO x 0.3 ≦ x ≦ 1.5).
비정질 실리콘산화물의 박막을 형성하는 단계는 Si와 SiO 및 SiO2 중 선택되는 어느 하나와의 혼합물을 이용할 수 있다.Forming the thin film of amorphous silicon oxide may use a mixture of Si and any one selected from SiO and SiO 2 .
바람직하게 비정질 실리콘 산화물의 박막을 형성하는 단계의 Si는 결정질 또는 비정질일 수 있으며, SiO와 SiO2는 비정질이다.Preferably, Si in the step of forming a thin film of amorphous silicon oxide may be crystalline or amorphous, and SiO and SiO 2 are amorphous.
바람직하게 Si과 SiO의 혼합물은 몰비율이 Si 1몰에 대하여 SiO가 1~4몰로 포함하는 것이고, Si 1몰에 대하여 SiO2 1~4몰을 포함하는 것일 수 있다.Preferably, the mixture of Si and SiO may have a molar ratio of 1 to 4 mol of SiO per 1 mol of Si, and 1 to 4 mol of SiO 2 per 1 mol of Si.
또한 비정질 실리콘 산화물 박막은 증착에 의해 제조되는 것일 수 있다.In addition, the amorphous silicon oxide thin film may be prepared by deposition.
비정질 실리콘 산화물의 박막을 형성하는 단계는 아르곤 또는 산소 분위기하에서 수행될 수 있으며 20 ~ 600℃의 온도에서 수행될 수 있다.Forming a thin film of amorphous silicon oxide may be performed under an argon or oxygen atmosphere and may be performed at a temperature of 20 ~ 600 ℃.
또한 본 발명은 비정질 실리콘 산화물(SiOx 0.3 ≤ x ≤ 1.5)의 박막을 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a negative electrode for a lithium ion secondary battery comprising a thin film of amorphous silicon oxide (SiO x 0.3 ≤ x ≤ 1.5).
바람직하게 비정질 실리콘 산화물의 박막은 두께가 0.001 ~ 5 ㎛일 수 있으며 구리, 스텐레스 스틸, 그래핀, 그래핀 산화물, 니켈, 티타늄 또는 흑연중에서 선택되는 하나의 기재에 증착될 수 있다.Preferably, the thin film of amorphous silicon oxide may have a thickness of 0.001 to 5 μm and may be deposited on one substrate selected from copper, stainless steel, graphene, graphene oxide, nickel, titanium, or graphite.
또한 본 발명은 비정질 실리콘 산화물 박막을 포함하는 리튬이온 이차전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium ion secondary battery comprising an amorphous silicon oxide thin film.
바람직하게 비정질 실리콘 산화물 박막을 포함하는 리튬이온 이차전지는 다음 화학식으로 표시되는 실란계 화합물을 첨가제로 함유하는 전해질을 포함할 수 있다.Preferably, the lithium ion secondary battery including the amorphous silicon oxide thin film may include an electrolyte containing an silane compound represented by the following formula as an additive.
Si-(R)y(OR')4-y Si- (R) y (OR ') 4-y
[상기 화학식에서 R은 알킬기 또는 비닐기이며, R'은 알킬기 또는 알콕시기가 치환된 알킬기이며, y는 1내지 3에서 선택되는 정수이다.][In the formula, R is an alkyl group or a vinyl group, R 'is an alkyl group substituted with an alkyl group or an alkoxy group, y is an integer selected from 1 to 3.]
상기 전해질은 실란계 화합물을 2 ~ 10 wt%로 포함할 수 있다. The electrolyte may include 2 to 10 wt% of a silane compound.
또한 상기 전해질은 LiTFSI (lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), LiPF6(lithium hexafluorophosphate) 및 LiFSI (lithium fluoromethylsulfonylimide)에서 선택되는 하나인 리튬염과 비수용성 카보네이트계 용매 또는 이미다졸리움계 (imidazolium)계, 피롤리디늄계(pyrrollidinum) 및 피페리디늄(piperidinium)계의 상온 이온성 액체 용매를 포함할 수 있다.In addition, the electrolyte is lithium salt, which is selected from lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiTFSI), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), and lithium fluoromethylsulfonylimide (LiFSI), and a water-insoluble carbonate solvent or imidazolium-based, blood It may include a room temperature ionic liquid solvent of pyrrolididinum and piperidinium.
상기 상온 이온성 용매 100중량부에 대하여 비수용성 카보네이트계 용매 5 ~ 70 중량부를 포함하는 혼합용매일 수 있다.It may be a mixed solvent including 5 to 70 parts by weight of the non-aqueous carbonate solvent based on 100 parts by weight of the room temperature ionic solvent.
보다 바람직하게 카보네이트계 용매는 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC))로부터 선택되는 하나 또는 둘이상의 혼합물일 수 있다.More preferably, the carbonate solvent may be one or more mixtures selected from dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and ethyl methyl carbonate (EMC).
본 발명에 따른 비정질 실리콘 산화물 음극 박막은 간단하게 제조될 수 있으며 비정질의 것으로서 개선된 충방전 특성을 보인다.The amorphous silicon oxide cathode thin film according to the present invention can be produced simply and exhibits improved charge and discharge characteristics as being amorphous.
따라서 본 발명에 따른 비정질 실리콘 산화물 음극 박막을 채용한 리튬 이차전지 또한 개선된 충방전 특성을 보이며 실란계 첨가제를 더 첨가하여 음극-전해질간 계면구조를 안정화시켜 전지 성능을 향상시키는 효과가 있다.Therefore, the lithium secondary battery employing the amorphous silicon oxide anode thin film according to the present invention also exhibits improved charge and discharge characteristics, and further improves battery performance by stabilizing the interfacial structure between the anode and the electrolyte by further adding a silane additive.
도 1은 실시예 1에서 제조된 SiO0.85 박막 음극의 SEM 표면 사진이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 SiO0 .85 박막 음극의 X-선 회절패턴을 나타낸 것이다.
도 3는 실시예 1에서 제조된 SiO0 .85 박막 음극의 라만 분광스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4은 실시예 1의 SiO0 .85 박막 음극에 대한 SEM 원소 매핑(elemental mapping) 사진이다.
도 5는 전해질에 실란 첨가제가 포함되어 실리콘 산화물 박막(SiOx) 표면에 자가형성된 3차원적 구조의 실록산(siloxane)을 모식화한 것이다.
도 6는 실시예 1 및 실시예 4 내지 실시예 6에서 제조된 리튬 이온 이차전지의 충방전 성능을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1의 SiO0.85 박막 음극을 채용하고 상온 이온성 액체 전해질 (1M LiTFSI/(N-methyl-N-propylpyrrolidinium + TFSI)을 포함하여 제조한 실시예 3의 리튬 이온 이차전지의 충방전 사이클 특성을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 6의 SiO1 .3 박막 음극을 채용하고 상온 이온성 액체 전해질 (1M LiTFSI/(N-methyl-N-propylpyrrolidinium + TFSI) 50wt%와 에틸메틸카보네이트 (EMC) 50wt%를 포함하여 제조한 실시예 7의 리튬 이온 이차전지의 충방전 사이클 특성을 나타낸 것이다.1 is a SEM surface photograph of a SiO 0.85 thin film anode prepared in Example 1. FIG.
Figure 2 shows the X- ray diffraction pattern of the SiO 0 .85 thin film negative electrode prepared in Example 1.
Figure 3 shows the Raman spectrum of the SiO 0 .85 thin film cathode prepared in Example 1.
Figure 4 is an embodiment 1 of the SEM elemental mapping of SiO 0 .85 thin film cathode (elemental mapping) picture.
FIG. 5 illustrates a siloxane having a three-dimensional structure in which a silane additive is included in an electrolyte and self-formed on a silicon oxide thin film (SiO x ) surface.
Figure 6 shows the charge and discharge performance of the lithium ion secondary battery prepared in Example 1 and Examples 4 to 6.
7 is a charge and discharge of the lithium ion secondary battery of Example 3 employing a SiO 0.85 thin film negative electrode of Example 1, including a room temperature ionic liquid electrolyte (1M LiTFSI / (N-methyl-N-propylpyrrolidinium + TFSI) Cycle characteristics are shown.
And Figure 8 is adopted SiO 1 .3 thin film negative electrode of Example 6 contains a room temperature ionic liquid electrolyte (1M LiTFSI / (N-methyl -N-propylpyrrolidinium + TFSI) 50wt% and ethylmethyl carbonate (EMC) 50wt% It shows the charge and discharge cycle characteristics of the lithium ion secondary battery of Example 7 prepared.
본 발명은 비정질 실리콘 산화물 박막 음극과 그의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides an amorphous silicon oxide thin film cathode and a method of manufacturing the same.
비정질 실리콘 산화물 박막 음극의 제조방법은 비정질 실리콘 산화물(SiOx 0.3 ≤ x ≤ 1.5)의 박막을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing an amorphous silicon oxide thin film anode includes forming a thin film of amorphous silicon oxide (SiO x 0.3 ≦ x ≦ 1.5).
본 발명의 비정질 실리콘 산화물의 박막을 형성하는 단계에 Si과 SiO 및 SiO2 중 선택되는 어느 하나와의 혼합물을 이용할 수 있다. 상기 Si, SiO 및 SiO2는 분말인 것이 좋다.In the step of forming the thin film of amorphous silicon oxide of the present invention, a mixture of Si and any one selected from SiO and SiO 2 may be used. The Si, SiO and SiO 2 is preferably a powder.
바람직하게 비정질 실리콘 산화물의 박막을 형성하는 단계에서 타깃 물질로는 Si는 결정질 또는 비정질일 수 있으며 SiO와 SiO2은 비정질이다.Preferably, in the step of forming a thin film of amorphous silicon oxide, the target material may be Si or crystalline or amorphous. SiO and SiO 2 are amorphous.
이때 Si와 SiO의 혼합물인 경우는 Si 1몰에 대하여 SiO가 1~4몰이 되도록 포함하고, Si과 SiO2의 혼합물의 경우는 Si 1몰에 대하여 SiO2 1~4몰을 포함하는 것이 조성 제어와 전기화학적 충방전 성능 안정화면에서 바람직하다. In this case, in the case of the mixture of Si and SiO, the composition is controlled so that SiO is 1 to 4 mol per 1 mol of Si, and in the case of the mixture of Si and SiO 2 , it is 1 to 4 mol of SiO 2 per 1 mol of Si. And stabilizing electrochemical charge and discharge performance.
또한 비정질 실리콘 산화물 박막은 증착에 의해 제조되는 것일 수 있다.In addition, the amorphous silicon oxide thin film may be prepared by deposition.
비정질 실리콘 산화물 박막을 형성하는 단계에서 그 형성방법은 특별히 한정이 있는 것은 아니나 펄스레이저법, 스퍼터링, 화학증착법을 사용할 수 있고 바람직하게 펄스레이저법을 사용할 수 있다.In the step of forming the amorphous silicon oxide thin film, the formation method is not particularly limited, but pulse laser method, sputtering, chemical vapor deposition method can be used, and preferably pulse laser method can be used.
기존에는 실리콘 산화물 SiOx 박막 음극 형성용 재료로서 SiO 또는 Si-SiO2 혼합물 분말의 석출체 또는 소결체 분말을 사용하였으므로, 이러한 재료 준비과정이 추가로 필요하였고 제작된 SiOx는 결정질이었다. Since a precipitate or sintered powder of SiO or Si-SiO 2 mixture powder was conventionally used as a material for forming a silicon oxide SiO x thin film cathode, such a material preparation process was further required, and the manufactured SiO x was crystalline.
한편 본 발명에 따른 비정질 실리콘 산화물 박막은 기존의 재료 준비과정이 필요 없어 간단히 제조가 가능하며 비정질이라 구조 변화 스트레스가 적어 본 발명에 따른 비정질 실리콘 산화물 박막을 채용한 리튬 이온 이차 전지는 개선된 충방전 성능을 보일 수 있다.Meanwhile, the amorphous silicon oxide thin film according to the present invention does not need a conventional material preparation process, and thus can be easily manufactured. Since the amorphous silicon oxide thin film according to the present invention has a low stress due to the structural change, the lithium ion secondary battery has improved charge and discharge. Performance can be seen.
또한 본 발명에 따르면 비정질 실리콘 산화물의 박막을 형성하는 단계는 아르곤 또는 산소 분위기하에서 수행될 수 있다. 본 발명의 비정질 실리콘 산화물 박막 형성은 기존의 진공 또는 불활성 분위기에서가 아닌 아르곤 또는 산소 분위기하에서 수행될 수 있으므로 실리콘 산화물 박막은 넓은 영역의 Si:O의 비율을 가질 수 있다. 실리콘 산화물 박막의 산소 (O) 함량이 증가할수록 용량은 감소하나, 용량 유지성이 크게 향상되는 것을 볼 수 있는데 이러한 넓은 영역의 Si:O의 비율은 실리콘 산화물 박막에서 산소의 함량에 따라 이차 전지의 적정한 용량과 용량 유지성을 나타내도록 조절할 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the present invention, the step of forming a thin film of amorphous silicon oxide may be performed in an argon or oxygen atmosphere. Since the amorphous silicon oxide thin film formation of the present invention can be performed under an argon or oxygen atmosphere rather than in a conventional vacuum or inert atmosphere, the silicon oxide thin film can have a large ratio of Si: O. As the oxygen (O) content of the silicon oxide thin film increases, the capacity decreases, but the capacity retention is greatly improved. The ratio of Si: O in this wide area is appropriate for the secondary battery according to the oxygen content in the silicon oxide thin film. There is an advantage that can be adjusted to show capacity and capacity retention.
본 발명의 비정질 실리콘 산화물의 박막을 형성하는 단계는 비결정질로부터 결정질로의 결정성장을 방지하는 측면에서 20 ~ 600℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.Forming the thin film of amorphous silicon oxide of the present invention is preferably carried out at a temperature of 20 ~ 600 ℃ in terms of preventing crystal growth from amorphous to crystalline.
또한 본 발명은 비정질 실리콘 산화물(SiOx 0.3 ≤ x ≤ 1.5)의 박막을 포함하는 리튬 이온 이차전지용 음극을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a negative electrode for a lithium ion secondary battery comprising a thin film of amorphous silicon oxide (SiO x 0.3 ≤ x ≤ 1.5).
전해질과의 접촉과 리튬확산을 원활하게 하기 위해서 비정질 실리콘 산화물의 박막은 두께가 0.001 ~ 5 ㎛인 것이 바람직하며 0.01 ~ 2 ㎛가 보다 바람직하다.In order to facilitate contact with the electrolyte and facilitate lithium diffusion, the thin film of amorphous silicon oxide preferably has a thickness of 0.001 to 5 µm, more preferably 0.01 to 2 µm.
특별히 한정이 있는 것은 아니나 비정질 실리콘 산화물 박막은 구리, 스텐레스 스틸, 그래핀, 그래핀 산화물, 니켈, 티타늄 또는 흑연 중에서 선택되는 하나의 기재에 증착될 수 있다.Although not particularly limited, the amorphous silicon oxide thin film may be deposited on one substrate selected from copper, stainless steel, graphene, graphene oxide, nickel, titanium, or graphite.
또한 본 발명은 비정질 실리콘 산화물 박막을 포함하는 리튬 이온 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 비정질 실리콘 산화물 박막을 포함하는 리튬 이온 이차전지는 실리콘 산화물 박막이 비정질이므로 구조 변화 스트레스가 적어 개선된 충방전 특성을 보인다. In another aspect, the present invention provides a lithium ion secondary battery comprising an amorphous silicon oxide thin film. In the lithium ion secondary battery including the amorphous silicon oxide thin film according to the present invention, since the silicon oxide thin film is amorphous, there is little structural change stress, thereby showing improved charge and discharge characteristics.
본 발명에 따른 비정질 실리콘 산화물 박막을 포함하는 리튬 이온 이차전지의 전해질은 특별히 한정이 있지는 않으나 통상의 리튬염과 용매를 포함하는 것일 수 있다.The electrolyte of the lithium ion secondary battery including the amorphous silicon oxide thin film according to the present invention is not particularly limited, but may include a conventional lithium salt and a solvent.
보다 바람직하게 비정질 실리콘 산화물 박막을 포함하는 리튬 이온 이차전지는 다음 화학식의 실란계 화합물을 첨가제로 함유하는 전해질을 포함할 수 있다.More preferably, the lithium ion secondary battery including the amorphous silicon oxide thin film may include an electrolyte containing a silane-based compound of the following formula as an additive.
Si-(R)y(OR')4-y Si- (R) y (OR ') 4-y
[상기 화학식에서 R은 알킬기 또는 비닐기이며, R'은 알킬기 또는 알콕시기가 치환된 알킬기이며, y는 1내지 3에서 선택되는 정수이다.][In the formula, R is an alkyl group or a vinyl group, R 'is an alkyl group substituted with an alkyl group or an alkoxy group, y is an integer selected from 1 to 3.]
상기 화학식에서 알킬기는 C1-C30의 알킬기이며 비닐기는 C2-C20의 비닐기이다. 또한 한정이 있는 것은 아니나 바람직하게는 실란계 화합물은 Si-(R)1(OR')3로 예시될 수 있으며 구체적인 예로 한정이 있는 것은 아니나 트리메톡시(메틸)실란(SiCH3(OCH3)3), 트리스(2-메톡시에톡시)바이닐실란 (CH2=CHSi(OCH2CH2OCH2)3)일 수 있다.In the above formula, the alkyl group is C 1 -C 30 alkyl group and the vinyl group is C 2 -C 20 vinyl group. This is preferably a silane-based compounds but are also limited in the Si- (R) 1 (OR ') 3, and can be exemplified by but are not limited in this specific example, trimethoxy (methyl) silane (SiCH 3 (OCH 3) 3 ), tris (2-methoxyethoxy) vinylsilane (CH 2 = CHSi (OCH 2 CH 2 OCH 2 ) 3 ).
전해질에 실란 첨가제가 포함되면 실리콘 산화물 박막인 SiOx 표면에서 표면에 존재하는 -OH 그룹과 실란 첨가제의 알콕사이드 그룹 (-OR')간 축합반응이 일어나 SiOx 표면에 3차원적 구조의 실록산 (siloxane)을 자가형성할 수 있다. 반응식의 일예는 다음과 같을 수 있으며, 이를 모식화하면 도 5와 같다.When the electrolyte contains a silane additive, a condensation reaction between the -OH group on the surface and the alkoxide group (-OR ') of the silane additive occurs on the surface of SiO x , which is a silicon oxide thin film, and thus a three-dimensional structure of siloxane on the SiO x surface. ) Can be self-forming. An example of the reaction scheme may be as follows, which is as shown in FIG.
R-Si-(OR')3 + HO-SiOx → R-Si-O-SiOx + 3R'OHR-Si- (OR ') 3 + HO-SiO x → R-Si-O-SiO x + 3R'OH
이러한 자가형성된 실록산은 화학적으로 안정한 -Si-O-Si 분자결합이 수평방향과 수직방향으로 형성되어 SiOx 표면을 에워싸므로, 실리콘 산화물 박막(SiOx) 표면 보호층 역할을 할 수 있다. 표면에 실록산이 형성된 실리콘 산화물 박막은 리튬 이온 이차전지에 사용시 충방전 사이클 수명특성이 개선될 뿐만 아니라, 전지가 고온에 보관되거나 충방전이 진행되더라도 일예로, LiPF6로부터 유도된 PFxOy 화합물과 HF 성분과 SiOx간 계면반응에 의한 전해질 분해반응이 억제되어, 전지의 수명특성이 향상될 수 있다.The self-forming siloxane may serve as a silicon oxide thin film (SiO x ) surface protection layer because chemically stable -Si-O-Si molecular bonds are formed in the horizontal and vertical directions to surround the SiO x surface. Silicon oxide thin film having a siloxane formed on the surface not only improves the charge / discharge cycle life characteristics when used in a lithium ion secondary battery, but also a PF x O y compound derived from LiPF 6 even when the battery is stored at a high temperature or charge / discharge proceeds. Electrolyte decomposition reaction due to the interfacial reaction between the HF component and SiO x is suppressed, thereby improving the life characteristics of the battery.
전해질 중 상기와 같은 실란계 화합물을 포함하는 전해질은 2 ~ 10 wt%의 실란계 화합물을 포함할 수 있다. 그 함량은 전해질 중 2 ~ 10 wt%인 것이 전해질 고유의 성능은 유지하면서 실리콘 산화물 표면에 보호층 형성을 효율적으로 유도할 수 있어 보다 유리할 수 있다. The electrolyte including the silane-based compound in the electrolyte may include 2 to 10 wt% of the silane-based compound. The content of 2 to 10 wt% of the electrolyte may be more advantageous because it can effectively induce the formation of a protective layer on the silicon oxide surface while maintaining the performance of the electrolyte.
한편 전해질은 LiTFSI, LiPF6 및 LiFSI에서 선택되는 하나인 리튬염과 비수용성 카보네이트계 용매 또는 LiTFSI, LiPF6 및 LiFSI에서 선택되는 하나인 리튬염과 이미다졸리움계, 피롤리디늄계 및 피페리디늄계중에서 선택되는 하나인 상온 이온성 액체용매로 이루어진 전해질을 포함할 수 있다.On the other hand, the electrolyte is a lithium salt which is one selected from LiTFSI, LiPF 6 and LiFSI and a non-aqueous carbonate solvent or a lithium salt which is one selected from LiTFSI, LiPF 6 and LiFSI and an imidazolium-based, pyrrolidinium-based and piperidinium-based It may include an electrolyte consisting of a room temperature ionic liquid solvent which is one selected from.
즉 전해질은 LiPF6인 리튬염을 포함하고 있지 않은 상온 이온성 용매인 것이 보다 바람직하다. LiPF6인 리튬염을 포함하고 있지 않은 상온 이온성 용매는 실리콘산화물 박막 음극과 LiPF6 유도체간 계면반응이 없을 뿐 아니라, 상온 이온성 용매는 초기 충방전 과정에서 안정한 SEI (solid electrolyte interphase) 층을 실리콘 산화물 박막 표면에 형성시켜 추후 전해질과의 계면반응을 억제시켜 충방전 사이클 성능이 안정화될 수 있기 때문이다. In other words, the electrolyte is more preferably a room temperature ionic solvent containing no lithium salt of LiPF 6 . The room temperature ionic solvent not containing LiPF 6 lithium salt does not have an interfacial reaction between the silicon oxide thin film anode and the LiPF 6 derivative, and the room temperature ionic solvent has a solid electrolyte interphase (SEI) layer which is stable during the initial charge and discharge process. This is because the charge and discharge cycle performance can be stabilized by forming on the surface of the silicon oxide thin film to suppress interfacial reaction with the electrolyte later.
한편 용매로서 상온 이온성 용매 이외에 비수용성 카보네이트계 용매를 포함할 수 있는데 비수용성 카보네이트계 용매를 포함시 그 함량은 상온 이온성 용매 100중량부에 대하여 5 ~70 중량부인 것이 이온성 액체용매의 난연성 유지 또는 발화 억제 효과를 얻을 수 있어 유리할 수 있다.On the other hand, the solvent may include a water-insoluble carbonate solvent in addition to the room temperature ionic solvent, the content of the non-water-soluble carbonate solvent is 5 to 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the room temperature ionic solvent flame retardancy of the ionic liquid solvent It can be advantageous to obtain a fat or oil or a fire suppression effect.
비수용성 카보네이트계 용매로는 그 한정이 있는 것은 아니나, 일예로 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC))로부터 선택되는 하나 또는 둘이상의 혼합물일 수 있다.The water-insoluble carbonate solvent is not limited thereto, but may be, for example, one or two or more mixtures selected from dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and ethyl methyl carbonate (EMC).
상기한 비정질 실리콘 산화물 박막 음극, 전해질 이외에 리튬 이온 전지 이차전지는 통상의 양극 및 분리막 등을 포함하는 것임은 물론이며 이에 한정이 있는 것은 아니다.
In addition to the amorphous silicon oxide thin film anode and the electrolyte described above, the lithium ion battery secondary battery may include, but is not limited to, a conventional positive electrode and a separator.
이하 본 발명을 실시예를 기초하여 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이하의 실시예는 본 발명을 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, the following examples do not limit the present invention.
[실시예 1] Example 1
비정질 SiOAmorphous SiO 0.850.85 박막 음극 제조 Thin film cathode manufacturing
비정질 SiO0.85 박막 음극은 펄스레이저 증착법으로 제조하였다. 비정질 Si 분말과 비정질 SiO2 분말(몰 비율 50:50) 혼합물을 볼밀로 분쇄한 후 30kg의 압력에서 20초간 압력을 가한 후 다시 200Mpa의 압력으로 20분간 등압(isotatic press)하에 제작된 타깃을 이용하여 아르곤 분위기에서 KrF 엑사이머 레이저(파장은 248 nm)를 이용하여 증착온도는 400 ℃, 레이저 주파수는 10 Hz, 에너지는 ~3-4 mJ/cm2에서 스텐레스 스틸에 비정질 SiO0.85 박막을 증착하였다. 제조된 비정질 SiO0.85 박막 음극은 65 nm 두께를 가진다.Amorphous SiO 0.85 thin film cathode was prepared by pulsed laser deposition. After grinding the mixture of amorphous Si powder and amorphous SiO 2 powder (molar ratio 50:50) by ball mill, pressurized for 20 seconds at 30 kg pressure, and then using a target manufactured under isotatic press for 20 minutes at 200 Mpa pressure. In an argon atmosphere using a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm) at a deposition temperature of 400 ° C, a laser frequency of 10 Hz, and an energy of ~ 3-4 mJ / cm 2 . Amorphous SiO 0.85 thin films were deposited on stainless steel. The prepared amorphous SiO 0.85 thin film cathode has a thickness of 65 nm.
상기 X-선 회절패턴과 라만 분광스펙트럼을 이용하여 관찰한 결과의 일예를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 보이는 바와 같이 실시예 1로부터 제조된 비정질 SiO0.85 박막 음극의 SEM 표면 이미지로부터 박막 표면이 매우 스무드함을 알 수 있다. 또한 도 2에서 나타난 결과와 같이 X-선 회절패턴에서 스텐레스 집전체 기반 피크만 관찰되고 실리콘 산화물 박막(SiOx) 피크는 관찰되지 않는 것으로부터, 제조된 실리콘 산화물 박막(SiOx)은 비정질임을 알 수 있다. 도 3에서 나타난 결과와 같이 라만 분광 스펙트럼에서도 실리콘 산화물 박막(SiOx)이 비정질임을 확인하였다.An example of the results observed using the X-ray diffraction pattern and the Raman spectroscopic spectrum is shown in FIG. 1. As shown in FIG. 1, the SEM surface image of the amorphous SiO 0.85 thin film cathode prepared from Example 1 shows that the surface of the thin film is very smooth. In addition, as shown in FIG. 2, only the current collector-based peaks were observed in the X-ray diffraction pattern and the silicon oxide thin film (SiO x ) was observed. Since no peak is observed, it can be seen that the prepared silicon oxide thin film (SiO x ) is amorphous. As shown in FIG. 3, it was confirmed that the silicon oxide thin film (SiO x ) was amorphous even in the Raman spectral spectrum.
[실시예 2] [Example 2]
리튬 이온 이차전지의 제조Fabrication of Lithium Ion Secondary Battery
리튬 메탈을 상대전극으로 하고 상기 실시예 1에서 제조된 음극을 작업전극으로 사용하고, 전해액으로 1M LiPF6이 녹아 있는 에틸렌 카보네이트(EC) 50 wt%와 디에틸 카보네이트(DEC) 50 wt%의 혼합용액에 실란 첨가제인 트리스(2-메톡시에톡시)바이닐실란 (CH2=CHSi(OCH2CH2OCH2)3) 5wt%를 첨가하여 리튬 이차전지를 제조하였다.A lithium metal is used as a counter electrode, and a cathode prepared in Example 1 is used as a working electrode. A mixture of 50 wt% of ethylene carbonate (EC) and 50 wt% of diethyl carbonate (DEC) in which 1M LiPF 6 is dissolved as an electrolyte is used. Tris (2-methoxyethoxy) vinylsilane as silane additive in solution 5 wt% of (CH 2 = CHSi (OCH 2 CH 2 OCH 2 ) 3 ) was added to manufacture a lithium secondary battery.
상기에서 제조한 리튬 이온 이차전지의 사이클 특성을 35 ㎂/㎠ 전류밀도로 리튬에 대해 0.1 -1.5 V vs. Li/Li+ 구간에서 정전류 방식으로 충전과 방전을 실시하여 평가하였다.The cycle characteristics of the lithium ion secondary battery prepared above were 0.1 -1.5 V vs. lithium at 35 mA / cm 2 current density. Charging and discharging were performed by the constant current method in the Li / Li + section.
도 6에서 보이는 바와 같이 200 사이클에서 최대방전용량 대비 72 %의 용량유지성을 보이며, 1658 - 1194 mAh/g 용량을 보임을 알 수 있다.
As shown in Figure 6 it can be seen that the capacity retention of 72% compared to the maximum discharge capacity at 200 cycles, showing a capacity of 1658-1194 mAh / g.
[실시예 3][Example 3]
리튬 이온 이차전지의 제조Fabrication of Lithium Ion Secondary Battery
실시예 1에서, 전해액으로 1M LiTFSI와 TFSI를 포함하는 N-메틸-N-프로필피롤리디늄(N-methyl-N-propylpyrrolidinium)인 상온 이온성 액체 전해질을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 리튬 이온 이차전지와 동일한 방법으로 제조하였다.In Example 1, except for using a room temperature ionic liquid electrolyte of N-methyl-N-propylpyrrolidinium containing 1M LiTFSI and TFSI as the electrolyte solution It manufactured by the same method as a lithium ion secondary battery.
또한 실시예 3에서 제조한 리튬 이온 이차전지의 전기화학적 특성을 실시예 1에서와 동일하게 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.In addition, the electrochemical characteristics of the lithium ion secondary battery prepared in Example 3 were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in FIG. 7.
도 7의 결과로 볼 때 본 발명의 SiOx 박막 음극은 피롤리디늄계 상온 이온성 액체 전해질에서 매우 안정한 충방전 성능을 보임을 알 수 있다. 200 사이클에서 최대방전용량 대비 88 %의 용량유지성을 보이며, 1058 - 930 mAh/g 용량을 보인다. As a result of Figure 7 it can be seen that the SiO x thin film cathode of the present invention shows a very stable charge and discharge performance in a pyrrolidinium-based room temperature ionic liquid electrolyte. At 200 cycles, it has 88% capacity retention compared to the maximum discharge capacity and 1058-930 mAh / g capacity.
[실시예 4]Example 4
비정질 SiO Amorphous SiO 0.40.4 박막 음극 제조 Thin film cathode manufacturing
실시예 1에서 비정질 Si 분말과 비정질 SiO2 분말(몰 비율 50:50) 혼합물로 제작된 타깃대신 Si 분말과 비정질 SiO 분말(몰 비율 50:50) 혼합물을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 비정질 실리콘 산화물 박막 음극과 동일한 방법으로 제조하였다.The amorphous silicon of Example 1 was used in Example 1 except that a mixture of Si powder and amorphous SiO powder (molar ratio 50:50) was used instead of the target prepared from the mixture of amorphous Si powder and amorphous SiO 2 powder (molar ratio 50:50). It was prepared in the same manner as the oxide thin film cathode.
리튬 이온 이차전지의 제조Fabrication of Lithium Ion Secondary Battery
실시예 2의 비정질 SiO0 .85 박막 음극 대신 실시예 4에서 제조한 비정질 SiO0.4 박막 음극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 리튬 이온 이차전지와 동일한 방법으로 제조하여 실시예 1의 동일한 방법으로 전지성능을 평가하였다.Example 2 Amorphous SiO 0 .85 to manufacture a thin film instead of the cathode the same manner as that of the lithium ion secondary battery of Example 1, except that the amorphous SiO 0.4 negative electrode with a thin film prepared in Example 4 in the same manner of Example 1 Battery performance was evaluated.
그 결과를 도 6에 나타내었으며 도 6에서 보이는 바와 같이 200 사이클에서 최대방전용량 대비 53 %의 용량유지성을 보이며, 1863 - 997 mAh/g용량을 보임을 알 수 있다.
The results are shown in FIG. 6, and as shown in FIG. 6, the capacity retention was 53% compared to the maximum discharge capacity at 200 cycles, and the capacity was 1863-997 mAh / g.
[실시예 5] [Example 5]
비정질 SiOAmorphous SiO 1 One 박막 음극 제조Thin film cathode manufacturing
실시예 1에서 증착시 아르곤 분위기가 아닌 산소분위기를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 비정질 실리콘 산화물 박막 음극과 동일한 방법으로 제조하였다.In Example 1 A deposition was performed in the same manner as the amorphous silicon oxide thin film cathode of Example 1, except that an oxygen atmosphere was used instead of an argon atmosphere.
리튬 이온 이차전지의 제조Fabrication of Lithium Ion Secondary Battery
실시예 1의 비정질 SiO0 .85 박막 음극 대신 실시예 5에서 제조한 비정질 SiO1 박막 음극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 리튬 이온 이차전지와 동일한 방법으로 제조하여 실시예 1의 동일한 방법으로 전지성능을 평가하였다.Example 1 with the amorphous SiO 0 .85 thin film instead of the negative electrode in Example 5 by the same procedure of Example 1 is prepared in the same manner as the lithium ion secondary battery of Example 1, except for using the amorphous SiO thin film 1 produced in the cathode Battery performance was evaluated.
그 결과를 도 6에 나타내었으며 도 6에서 보이는 바와 같이 200 사이클에서 최대방전용량 대비 84 %의 용량유지성을 보이며, 1206 - 1017 mAh/g 용량을 보임을 알 수 있다.
The results are shown in FIG. 6 and show 84% capacity retention compared to the maximum discharge capacity at 200 cycles and 1206-1017 mAh / g capacity as shown in FIG. 6.
[실시예 6] [Example 6]
비정질 SiOAmorphous SiO 1.31.3 박막 음극 제조Thin film cathode manufacturing
비정질 Si 분말과 비정질 SiO2 분말(몰 비율 50:50) 혼합물로 제작된 타깃대신 비정질 Si 분말과 비정질 SiO2 분말(몰 비율 33:67) 혼합물로 제작된 타깃과 증착시 산소분위기를 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 비정질 실리콘 산화물 박막 음극과 동일한 방법으로 제조하였다.Instead of a target made of a mixture of amorphous Si powder and amorphous SiO 2 powder (molar ratio 50:50), a target made of a mixture of amorphous Si powder and amorphous SiO 2 powder (molar ratio 33:67) and an oxygen atmosphere during deposition It was prepared in the same manner as the amorphous silicon oxide thin film cathode of Example 1 except that it was used.
리튬 이온 이차전지의 제조Fabrication of Lithium Ion Secondary Battery
실시예 1의 비정질 SiO0.85 박막 음극 대신 실시예 6에서 제조한 비정질 SiO1.3 박막 음극을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 리튬 이온 이차전지와 동일한 방법으로 제조하였다. 또한 실시예 1의 동일한 방법으로 전지성능을 평가하여 그 결과를 도 6에 나타내었다. It was prepared in the same manner as in the lithium ion secondary battery of Example 1 except for using the amorphous SiO 1.3 thin film anode prepared in Example 6 instead of the amorphous SiO 0.85 thin film anode of Example 1. In addition, the battery performance was evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in FIG. 6.
도 6에서 보이는 바와 같이 200 사이클에서 최대방전용량 대비 78 %의 용량유지성을 보이며, 1069 - 847 mAh/g 용량을 보임을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, it can be seen that the capacity retention of 78% compared to the maximum discharge capacity at 200 cycles and a capacity of 1069-847 mAh / g is shown.
[실시예 7] [Example 7]
리튬 이온 이차전지의 제조Fabrication of Lithium Ion Secondary Battery
실시예 6에서 제조한 비정질 SiO1.3 박막 음극과 전해액으로 1M LiTFSI와 TFSI를 포함하는 N-메틸-N-프로필피롤리디늄(N-methyl-N-propylpyrrolidinium)인 상온 이온성 액체 용매 50wt%와 비수용성 에틸메틸카보네이트 (EMC) 용매 50wt% 혼합액인 전해질을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 리튬 이온 이차전지와 동일한 방법으로 제조하였다.50 wt% of the room temperature ionic liquid solvent N-methyl-N-propylpyrrolidinium containing 1M LiTFSI and TFSI as the amorphous SiO 1.3 thin film anode and electrolyte prepared in Example 6 A lithium ion secondary battery of Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that an electrolyte of 50 wt% of a water-soluble ethyl methyl carbonate (EMC) solvent was used.
또한 실시예 7에서 제조한 리튬 이온 이차전지의 전기화학적 특성을 실시예 1에서와 동일하게 측정하여 그 결과를 도 8에 나타내었다.In addition, the electrochemical characteristics of the lithium ion secondary battery prepared in Example 7 were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in FIG. 8.
도 8의 결과로 볼 때 본 발명의 SiOx 음극 박막은 피롤리디늄계 상온 이온성 액체 용매와 카보네이트계 용매의 혼합 전해질에서는 이온성 액체 용매 전해질에서 보다는 충방전 성능이 당소 감소하는 편이나, 200 사이클에서 최대방전용량 대비 48 %의 용량유지성을 보이며 913 - 440 mAh/g 용량을 보인다. As a result of FIG. 8, the SiO x anode thin film of the present invention has a slightly reduced charge / discharge performance in the mixed electrolyte of a pyrrolidinium-based room temperature ionic liquid solvent and a carbonate solvent than in an ionic liquid solvent electrolyte. The cycle maintains 48% of the maximum discharge capacity and 913-440 mAh / g capacity.
Claims (17)
상기 비정질 실리콘 산화물 박막은 비정질인 Si와 비정질인 SiO 또는 SiO2 중 선택되는 어느 하나와의 혼합물로 형성된 SiOx (0.3 ≤ x ≤ 1.5)인 박막이며;
하기 화학식의 실란계 화합물을 함유하는 전해질을 포함하는 리튬이온 이차전지.
Si-(R)y(OR')4-y
[상기 화학식에서 R은 비닐기이며, R'은 알킬기 또는 알콕시기가 치환된 알킬기이며, y는 1내지 3에서 선택되는 정수이다.]A cathode comprising an amorphous silicon oxide thin film,
The amorphous silicon oxide thin film is SiO x (0.3 ≦ x ≦ 1.5) formed from a mixture of amorphous Si and any one selected from amorphous SiO or SiO 2 ;
Lithium ion secondary battery comprising an electrolyte containing a silane-based compound of the formula.
Si- (R) y (OR ') 4-y
[In the formula, R is a vinyl group, R 'is an alkyl group substituted with an alkyl group or an alkoxy group, y is an integer selected from 1 to 3.]
상기 실란계 화합물은 전해질의 2 ~ 10 wt%로 포함하는 리튬이온 이차전지.13. The method of claim 12,
The silane-based compound is a lithium ion secondary battery containing 2 to 10 wt% of the electrolyte.
전해질은 LiTFSI, LiPF6 및 LiFSI에서 선택되는 하나인 리튬염과 비수용성 카보네이트계 용매 또는 이미다졸리움계, 피롤리디늄계 및 피페리디늄계중에서 선택되는 하나인 상온 이온성 액체용매로 이루어진 전해질을 포함하는 리튬이온 이차전지. 13. The method of claim 12,
The electrolyte includes an electrolyte comprising a lithium salt which is one selected from LiTFSI, LiPF 6 and LiFSI and a non-aqueous carbonate solvent or a room temperature ionic liquid solvent which is one selected from imidazolium based, pyrrolidinium based and piperidinium based Lithium-ion secondary battery.
상기 상온 이온성 액체용매 100중량부에 대하여 비수용성 카보네이트계 용매를 5 내지 70 중량부로 포함하는 혼합용매인 리튬이온 이차전지. 16. The method of claim 15,
Lithium ion secondary battery which is a mixed solvent containing 5 to 70 parts by weight of a non-aqueous carbonate solvent based on 100 parts by weight of the room temperature ionic liquid solvent.
비수용성 카보네이트계 용매는 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트 및 에틸메틸카보네이트로부터 선택되는 하나 또는 둘이상의 혼합물인 리튬이온 이차전지. 17. The method of claim 16,
The water-insoluble carbonate-based solvent is a lithium ion secondary battery which is one or more mixtures selected from dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate.
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