KR20220009899A - Composition for solid polymer electrolyte, solid polymer electrolyte formed therefrom and lithium secondary battery comprising the same electrolyte - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고체 고분자 전해질용 조성물, 이로부터 형성된 고체 고분자 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 리튬 이온의 이동도가 개선되고, 이온 전도도가 향상되며 전기 화학적으로 안정성이 우수한 고체 고분자 전해질용 조성물, 이로부터 형성된 고체 고분자 전해질 및 이를 포함하여 저온에서의 출력 특성이 개선되고 전기화학적 안정성 및 안전성이 뛰어난 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention relates to a composition for a solid polymer electrolyte, a solid polymer electrolyte formed therefrom, and a lithium secondary battery comprising the same, and more particularly, to a solid with improved mobility of lithium ions, improved ionic conductivity, and excellent electrochemical stability. A composition for a polymer electrolyte, a solid polymer electrolyte formed therefrom, and a lithium secondary battery having improved output characteristics at low temperatures and excellent electrochemical stability and safety including the same are provided.
리튬 이온 전지의 에너지 밀도를 높이기 위해서 여러가지 방안들이 강구되고 있고 그중 하나가 음극에 리튬 금속을 사용하는 것이다. 그러나 리튬 금속 음극을 사용한 리튬 이온 전지는 충/방전시 발생되는 리튬 덴드라이트(dendrite) 현상으로 인해서 전지의 성능이 현저하게 저하되는 문제가 있다. 또한 기존의 리튬 이온 전지는 인화성의 액체 전해질을 사용함으로써 전지의 안정성 낮은 문제가 있어 왔다. 이를 개선하기 위해 이온전도도가 높고 전기화학적으로 안정도가 높은 고체전해질을 사용한 전고체 전지(solid-state battery)의 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다.In order to increase the energy density of lithium ion batteries, various methods are being devised, and one of them is to use lithium metal for the negative electrode. However, a lithium ion battery using a lithium metal negative electrode has a problem in that the performance of the battery is significantly reduced due to a lithium dendrite phenomenon that occurs during charging/discharging. In addition, the conventional lithium ion battery has a problem of low stability of the battery by using a flammable liquid electrolyte. To improve this, research on the development of a solid-state battery using a solid electrolyte with high ionic conductivity and high electrochemical stability is being actively conducted.
일반적으로 전고체 전지에서는 고체전해질 형성용 이온전도성 고분자로 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide)를 기본 단위로 하는 호모폴리머 (homopolymer) 또는 코폴리머(copolymer)의 선형 고분자 또는 가교 고분자가 주로 이용되나 이러한 고분자는 결정화가 되기 쉬워 저온에서의 이온전도도가 낮아 전고체전지의 출력특성과 전기화학적인 특성을 저하시키는 문제가 있다.In general, in an all-solid battery, a linear or crosslinked polymer of a homopolymer or copolymer based on ethylene oxide as an ion conductive polymer for forming a solid electrolyte is mainly used, but these polymers are crystallized There is a problem in that the output characteristics and electrochemical characteristics of the all-solid-state battery are deteriorated due to the low ionic conductivity at low temperature.
따라서, 저온에서의 출력 특성이 개선되면서도 이온전도도가 우수한 고체 전해질의 개발이 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is a demand for the development of a solid electrolyte having excellent ionic conductivity while improving output characteristics at low temperatures.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 첫번째 해결하고자 하는 과제는 리튬 이온의 이동도가 개선되고, 이온 전도도가 향상되며, 전기 화학적으로 안정성이 우수한 고체 고분자 전해질용 조성물과 이로부터 형성된 고체 고분자 전해질을 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and the first object of the present invention is to improve lithium ion mobility, ion conductivity, and electrochemical stability of a composition for a solid polymer electrolyte and To provide a solid polymer electrolyte formed therefrom.
본 발명의 두번째 해결하고자 하는 과제는 상술한 고체 고분자 전해질을 도입하여 저온에서의 출력 특성이 우수하면서도 전기 화학적으로 안정성, 안전성이 우수한 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.The second object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having excellent electrochemical stability and safety while having excellent output characteristics at low temperatures by introducing the above-described solid polymer electrolyte.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 리튬염; 하기 화학식 1의 구조를 포함하는 아크릴레이트계 화합물인 제1 단량체; 및 상기 제1 단량체와 가교 가능하고 바이닐기(vinyl group) 또는 아크릴로일기(acryloyl)기를 적어도 2개 이상 포함하는 다관능 화합물인 제2 단량체;를 포함하는 고체 고분자 전해질 조성물을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a lithium salt; a first monomer which is an acrylate-based compound having a structure of Formula 1 below; and a second monomer that is a polyfunctional compound that is crosslinkable with the first monomer and includes at least two vinyl groups or acryloyl groups.
[화학식 1][Formula 1]
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제1 단량체는 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the first monomer may be a compound represented by the following Chemical Formula 1-1.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1-1에 있어서,In Formula 1-1,
R1은 수소, C1~C6의 알킬기, C1~C6의 할로알킬기 또는 C1~C6의 헤테로알킬기,R 1 is hydrogen, C 1 ~ C 6 Alkyl group, C 1 ~ C 6 Haloalkyl group or C 1 ~ C 6 Heteroalkyl group,
R1`는 존재하지 않거나, (CH2CH2O)x, C1~C10의 알킬렌기, C1~C5의 할로알킬렌기, C1~C10의 헤테로알킬렌기, C6~C10의 방향족 고리, C5~C10의 지방족 고리, 또는 아미드기 중 하나이며,R 1` is absent, (CH 2 CH 2 O) x , C 1 ~ C 10 Alkylene group, C 1 ~ C 5 Haloalkylene group, C 1 ~ C 10 Heteroalkylene group, C 6 ~ C 10 of an aromatic ring, a C 5 ~ C 10 aliphatic ring, or an amide group,
상기 x는 1~10의 정수이다.Said x is an integer of 1-10.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제1 단량체는 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the first monomer may be a compound represented by the following Chemical Formula 1-2.
[화학식 1-2][Formula 1-2]
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제2 단량체는 하기 화학식 2-1 내지 2-3 으로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the second monomer may include at least one of compounds represented by the following Chemical Formulas 2-1 to 2-3.
[화학식 2-1][Formula 2-1]
[화학식 2-2][Formula 2-2]
[화학식 2-3][Formula 2-3]
상기 화학식 2-1 내지 2-3에 있어서,In Formulas 2-1 to 2-3,
R2는 각각 독립적으로 수소, C1~C6의 알킬기, C1~C6의 할로알킬기 또는 C1~C6의 헤테로알킬기이고,R 2 are each independently hydrogen, a C 1 ~ C 6 alkyl group, a C 1 ~ C 6 haloalkyl group, or a C 1 ~ C 6 heteroalkyl group,
R2`는 각각 독립적으로 C1~C6의 알킬렌기 또는 C1~C6의 할로알킬렌기이고,R 2` are each independently a C 1 ~ C 6 alkylene group or a C 1 ~ C 6 haloalkylene group,
R2``는 각각 독립적으로 -(OCH2CH2)a1-, -(OCH2CH(CH3))a2- 또는 -(OCH2CH2)a1(OCH2CH(CH3))a2- 이며, 여기서 a1과 a2는 1~10의 정수이다.R 2`` is each independently -(OCH 2 CH 2 ) a1 -, -(OCH 2 CH(CH 3 )) a2 - or -(OCH 2 CH 2 ) a1 (OCH 2 CH(CH 3 )) a2 - where a1 and a2 are integers from 1 to 10.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제2 단량체는 하기 화학식 2-4로 표시되는 화합물일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the second monomer may be a compound represented by the following Chemical Formula 2-4.
[화학식 2-4][Formula 2-4]
상기 화학식 2-4에서, b는 각각 독립적으로 1~5의 정수이다.In Formula 2-4, b is each independently an integer of 1 to 5.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제2 단량체는 하기 화학식 2-5로 표시되는 화합물일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the second monomer may be a compound represented by the following Chemical Formula 2-5.
[화학식 2-5][Formula 2-5]
상기 화학식 2-5에서,In Formula 2-5,
상기 c는 1~5의 정수이고,Wherein c is an integer of 1 to 5,
R3는 각각 독립적으로 수소, C1~C6의 알킬기, C1~C6의 할로알킬기 또는 C1~C6의 헤테로알킬기이다.R 3 is each independently hydrogen, a C 1 ~ C 6 alkyl group, a C 1 ~ C 6 haloalkyl group, or a C 1 ~ C 6 heteroalkyl group.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 리튬염은 양이온으로 Li+를 포함하고, 음이온으로 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, ClO4 -, BF4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the lithium salt contains Li + as a cation, F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , ClO 4 - , BF 4 - , AlO 4 - , AlCl 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - It may include one or more selected from the group consisting of.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 고체 전해질 조성물은 상기 단량체들 가운데 상기 제1 단량체와 상기 제2 단량체를 20:80 내지 80:20의 중량비로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the solid electrolyte composition may include the first monomer and the second monomer among the monomers in a weight ratio of 20:80 to 80:20.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 고체 고분자 전해질 조성물은 상기 제1 단량체 및 제2 단량체의 함량의 합이 전체 조성물 대비 5~50 중량%일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, in the solid polymer electrolyte composition, the sum of the contents of the first monomer and the second monomer may be 5 to 50% by weight based on the total composition.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 고체 고분자 전해질 조성물에서 리튬염의 함량은 전체 조성물 대비 10~40 중량%일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the content of lithium salt in the solid polymer electrolyte composition may be 10 to 40% by weight based on the total composition.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 고체 고분자 전해질 조성물은 가소제 및 광개시제를 더 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the solid polymer electrolyte composition may further include a plasticizer and a photoinitiator.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 가소제는 숙시노니트릴(succinonitrile), 글루타로니트릴(glutaronitrile), 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(polyethylene glycol dimethylether), 테트라에틸렌 글리콜(tetraethylene glycol), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르(tetraethylene glycol dimethylether, 테트라글라임), 디메틸 프탈레이트(dimethyl phthalate), 디에틸프탈레이트(diethyl phthalate), 디부틸프탈레이트(dibutyl phthalate), 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate), 사이클릭 포스페이트(cyclic phosphate), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오르메탄술포닐)이미드[1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], N-메틸-N-프로필피페리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄 술포네이트(1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), N-부틸-N-에틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[N-butyl-Nethylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide] 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the plasticizer is succinonitrile, glutaronitrile, polyethylene glycol dimethylether, tetraethylene glycol, ethylene carbonate ), propylene carbonate, tetraethylene glycol dimethylether (tetraglyme), dimethyl phthalate, diethyl phthalate, dibutyl phthalate, dioctylphthalate (dioctyl phthalate), cyclic phosphate, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1 -Butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethane Sulfonyl) imide [N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide], 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethane sulfonate (1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), N-butyl It may be at least one selected from -N-ethylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [N-butyl-Nethylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide].
본 발명은 또한 상술한 과제를 해결하기 위하여 상기 고체 고분자 전해질 조성물이 경화하여 형성되며, 상기 제1 단량체와 제2 단량체가 랜덤한 순서로 공중합 및 가교되어 3차원 망상 구조를 갖는 랜덤 공중합체를 포함하는 고체 고분자 전해질을 제공한다.The present invention also includes a random copolymer formed by curing the solid polymer electrolyte composition to solve the above problems, and having a three-dimensional network structure in which the first monomer and the second monomer are copolymerized and crosslinked in a random order A solid polymer electrolyte is provided.
또한, 본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 양극; 음극; 및 상기 고체 고분자 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a positive electrode in order to solve the above problems; cathode; and a lithium secondary battery including the solid polymer electrolyte.
본 발명에 따른 고체 고분자 전해질은 결정화가 억제되어 리튬 이온의 이동도가 개선되고, 이온 전도도가 향상되며, 전기 화학적으로 안정성이 우수하여 리튬 이차 전지의 안정성 및 출력 향상에 기여할 수 있다.The solid polymer electrolyte according to the present invention suppresses crystallization to improve lithium ion mobility, improves ion conductivity, and has excellent electrochemical stability, thereby contributing to the improvement of stability and output of a lithium secondary battery.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 저온에서의 출력 특성이 우수하면서도 전기 화학적으로 안정성, 안전성이 우수하여 전기 자동차 등에 사용되기 적합한 특성을 갖는다.The lithium secondary battery according to the present invention has excellent electrochemical stability and safety while having excellent output characteristics at low temperatures, and thus has characteristics suitable for use in electric vehicles and the like.
도 1은 실시예 1에 따라서 제조된 이온전도도 측정용 코인 셀의 임피던스를 측정하여 Nyquist plot을 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1에 따라서 제조된 이온전도도 측정용 코인 셀의 선형주사 전압전류법(LSV)에 따라서 5mV의 스캔율로 6V까지 전기화학적 측정을 한 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing a Nyquist plot by measuring the impedance of a coin cell for measuring ionic conductivity prepared according to Example 1. FIG.
2 is a graph showing the results of electrochemical measurement up to 6V at a scan rate of 5mV according to the linear scanning voltammetry (LSV) of the coin cell for measuring ionic conductivity prepared according to Example 1. FIG.
본 발명의 보다 상세한 설명에 앞서 본 명세서에 사용된 용어의 의미를 정의한다.Before a more detailed description of the present invention, the meaning of the terms used herein is defined.
본 명세서에서, "다관능"이란 반응에 참여하는 작용기가 2개 이상인 특성을 의미하는 것으로, "다관능 단량체"란 중합 반응에 참여할 수 있는 작용기가 2개 이상으로, 분지형 고분자 또는 가교 고분자를 형성할 수 있는 단량체를 의미한다.As used herein, "polyfunctional" refers to a characteristic of two or more functional groups participating in a reaction, and "polyfunctional monomer" refers to two or more functional groups that can participate in a polymerization reaction, a branched polymer or a cross-linked polymer. It means a monomer capable of forming.
본 명세서에서, 별도로 설명되어 있지 않다면, 치환기가 "치환 또는 비치환"되어 있다는 것은 치환된 경우와 치환되지 않은 경우를 모두 포함한다는 의미이며, 치환된 경우에는 치환체가, 알킬(alkyl), 아실(acyl), 시클로알킬(cycloalkyl)(디시클로알킬 및 트리시클로알킬을 포함), 할로알킬(haloalkyl), 아릴(aryl), 헤테로아릴(heteroaryl), 헤테로알리시클릭(heteroalicyclic), 히드록시(hydroxy), 알콕시(alkoxy), 아지드(azid), 아민(amine), 케톤(ketone), 에테르(ether), 아미드(amide), 에스테르(ester), 트리아졸(triazole), 이소시아네이트(isocyanate), 아릴알킬옥시(arylalkyloxy), 아릴옥시(aryloxy), 메르캅토(mercapto), 알킬티오(alkylthio), 아릴티오(arylthio), 시아노(cyano), 할로겐(halogen), 카르보닐(carbonyl), 티오카르보닐(thiocarbonyl), O-카르바밀(Ocarbamyl), N-카르바밀(N-carbamyl), O-티오카르바밀(O-thiocarbamyl), N-티오카르바밀(N-thiocarbamyl), C-아미도(C-amido), N-아미도(N-amido), S-술폰아미도(Ssulfonamido), N-술폰아미도(N-sulfonamido), C-카르복시(C-carboxy), O-카르복시(O-carboxy), 이소시아네이트(isocyanate), 티오시아네이트(thiocyanate), 이소티오시아네이토(isothiocyanate), 니트로(nitro), 실릴(silyl), 트리할로메탄술포닐(trihalomethane sulfonyl), 피롤리디논(pyrrolidinone), 피롤리딘(pyrrolidine), 피페리딘(piperidine), 피페라진(piperazine), 몰포린(morpholine), 알데히드(aldehyde), 인(phosphorus), 황(sulfur), 포스페이트(phosphate), 포스파이트(phosphite), 술페이트(sulfate), 디술파이드(disulfide), 옥시(oxy); 및 히드로카르빌모노-(hydrocarbylmono-) 및 디-(hydrocarbyldi-)치환 아미노 그룹을 포함하는 아미노, 및 이들의 유도체들로부터 개별적으로 그리도 독립적으로 선택된 하나 또는 그 이상의 치환기로 치환된 경우를 포함하며, 이들에 한정됨이 없이 당업계에서 통용되는 다양한 치환기에 의해 치환된 경우를 포괄적으로 포함하는 의미이다.In the present specification, unless otherwise specified, the term "substituted or unsubstituted" of a substituent includes both substituted and unsubstituted cases, and in the case of substituted, the substituent is alkyl, acyl ( acyl), cycloalkyl (including dicycloalkyl and tricycloalkyl), haloalkyl, aryl, heteroaryl, heteroalicyclic, hydroxy , alkoxy, azide, amine, ketone, ether, amide, ester, triazole, isocyanate, arylalkyl Oxy (arylalkyloxy), aryloxy (aryloxy), mercapto (mercapto), alkylthio (alkylthio), arylthio (arylthio), cyano (cyano), halogen (halogen), carbonyl (carbonyl), thiocarbonyl ( thiocarbonyl), O-carbamyl (Ocarbamyl), N-carbamyl (N-carbamyl), O-thiocarbamyl (O-thiocarbamyl), N-thiocarbamyl (N-thiocarbamyl), C- amido (C- amido), N-amido (N-amido), S-sulfonamido (Ssulfonamido), N-sulfonamido (N-sulfonamido), C-carboxy (C-carboxy), O-carboxy (O-carboxy) , isocyanate, thiocyanate, isothiocyanate, nitro, silyl, trihalomethane sulfonyl, pyrrolidinone, pyrrolidine, piperidine, piperazine, morpholine, aldehyde, phosphorus, sulfur, phosphate phosphate, phosphite, sulfate, disulfide, oxy; and hydrocarbylmono- and di- (hydrocarbyldi-) substituted with one or more substituents individually and independently selected from amino groups, including substituted amino groups, and derivatives thereof; It is meant to comprehensively include cases substituted by various substituents commonly used in the art without being limited thereto.
본 명세서에서, "아크릴로일기"는 치환 또는 비치환된 아크릴로일기를 포함하며, 바람직하게는 의 구조를 가지는 것을 의미한다. 상기 R은 수소 또는 C1~C6의 알킬기를 나타낸다.In the present specification, "acryloyl group" includes a substituted or unsubstituted acryloyl group, preferably It means to have a structure of R represents hydrogen or a C1-C6 alkyl group.
본 명세서에서, "알킬기"는 지방족 탄화수소 그룹으로서 하나의 결합팔을 갖는 것을 의미한다. 상기 알킬기는 치환 또는 비치환된 알킬기를 포함하고, 바람직하게는 메틸, 에틸, 프로필, n-부틸, n-펜틸 및 n-헥실기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 나타낸다.As used herein, "alkyl group" means an aliphatic hydrocarbon group having one bond arm. The alkyl group includes a substituted or unsubstituted alkyl group, and preferably represents at least one selected from the group consisting of methyl, ethyl, propyl, n-butyl, n-pentyl and n-hexyl groups.
본 명세서에서, "알킬렌기"는 치환 또는 비치환된 알킬렌기를 의미한다. 상기 알킬기는 바람직하게는 메틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 펜틸렌 및 헥실렌기 중에서 선택된 하나 이상을 나타낸다.As used herein, "alkylene group" refers to a substituted or unsubstituted alkylene group. The alkyl group preferably represents at least one selected from methylene, ethylene, propylene, butylene, pentylene and hexylene groups.
본 명세서에서, "헤테로알킬기"는 알킬기의 탄소 중 하나 이상이 헤테로원자로 치환된 것을 의미한다.As used herein, the term “heteroalkyl group” means that at least one carbon of the alkyl group is substituted with a heteroatom.
본 명세서에서, "헤테로알킬렌기"는 알킬렌기의 탄소 중 하나 이상이 헤테로원자로 치환된 것을 의미한다.As used herein, the term "heteroalkylene group" means that at least one carbon of the alkylene group is substituted with a heteroatom.
본 명세서에서, "헤테로원자"는 탄소 및 수소 이외의 원자를 의미한다.As used herein, "heteroatom" refers to atoms other than carbon and hydrogen.
본 명세서에서, "방향족 고리"는 공유 파이(π) 전자계를 가지고 있는 고리를 의미하며, 카르보시클릭 아릴(carbocyclic aryl)과 헤테로시클릭 아릴(heterocyclic aryl)을 포함한다. 또한, 이 용어는 모노시클릭 또는 융합된 링 폴리시클릭 그룹을 포함한다. 카르보시클릭 아릴의 예로 페닐(phenyl)기가 있으며, 헤테로시클릭 아릴의 예로 피리딘(pyridine), 퓨란(furan), 인돌(indole), 퓨린(purine)이 있다.As used herein, "aromatic ring" refers to a ring having a shared pi (π) electron system, and includes carbocyclic aryl and heterocyclic aryl. The term also includes monocyclic or fused ring polycyclic groups. Examples of carbocyclic aryl include a phenyl group, and examples of heterocyclic aryl include pyridine, furan, indole, and purine.
본 명세서에서, "지방족 고리"는 고리형의 탄소 고리 화합물 중에서 방향족 화합물을 제외한 것이며, 치환 또는 비치환된 고리형 화합물을 포함한다. 또한, 지방족 고리는 포화 지방족 고리와 불포화 지방족 고리를 포함한다.As used herein, the term "aliphatic ring" excludes aromatic compounds from among cyclic carbocyclic compounds, and includes substituted or unsubstituted cyclic compounds. In addition, the aliphatic ring includes a saturated aliphatic ring and an unsaturated aliphatic ring.
본 명세서에서, "할로알킬기"는 알킬기에서 하나 이상의 수소가 할로겐(F, Cl, Br, I) 원자로 치환된 것을 특별히 의미한다.In the present specification, "haloalkyl group" specifically means that one or more hydrogens are substituted with halogen (F, Cl, Br, I) atoms in the alkyl group.
또한, 본 명세서에서, "할로알킬렌기"는 알킬렌기에서 하나 이상의 수소가 할로겐 원자로 치환된 것을 특별히 의미한다.In addition, in this specification, the "haloalkylene group" specifically means that one or more hydrogens are substituted with a halogen atom in the alkylene group.
또한, 본 명세서에서, "아미드기"는 -C(O)NH- 결합을 의미하며, 상기 아미드 결합에서 질소에 결합된 수소는 치환된 것 또는 비치환된 것일 수 있다.In addition, in the present specification, "amide group" refers to a -C(O)NH- bond, and the hydrogen bonded to nitrogen in the amide bond may be substituted or unsubstituted.
또한, 본 명세서에서, 치환기가 "존재하지 않는다"는 것은, 해당 치환기가 없이 양쪽의 원자가 직접 결합되어 있는 형태를 의미하는 것이다. 예를 들어, CH3-A-CH3 형태의 분자에서 치환기 A가 존재하지 않는 경우 상기 분자의 화학식은 CH3-CH3이다.In addition, in the present specification, "there is no substituent" means a form in which both atoms are directly bonded without a corresponding substituent. For example, in a molecule of the form CH3-A-CH3, if there is no substituent A, the molecular formula is CH3-CH3.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
(1) 고체 고분자 전해질 조성물(1) Solid polymer electrolyte composition
본 발명자들은 종래의 전고체 전지용 고체 전해질에 있어서, 결정화가 발생하여 저온에서의 이온 전도도가 현저히 감소하는 등 이차 전지의 출력이 나빠지는 문제점을 해결하기 위하여 연구에 박차를 가하여 본 발명에 이르렀다.The present inventors have spurred research to solve the problem that the output of the secondary battery deteriorates, such as crystallization occurs and the ionic conductivity at a low temperature is significantly reduced in the conventional solid electrolyte for an all-solid-state battery, and reached the present invention.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 하기 화학식 1의 구조를 포함하는 아크릴레이트계 화합물인 제1 단량체; 및The present invention provides a first monomer which is an acrylate-based compound having a structure of the following Chemical Formula 1 in order to solve the above problems; and
상기 제1 단량체와 가교 가능하고 바이닐기(vinyl group) 또는 아크릴로일기(acryloyl)기를 적어도 2개 이상 포함하는 다관능 화합물인 제2 단량체;를 포함하는 고체 고분자 전해질 조성물을 제공하며, 이에 의하여 결정화를 억제하여 리튬 이온 이동도 및 이온 전도도가 향상된 고체 고분자 전해질을 구현할 수 있다.It provides a solid polymer electrolyte composition comprising a; It is possible to realize a solid polymer electrolyte with improved lithium ion mobility and ion conductivity by suppressing the
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에 나타난 것과 같은 고리형 카보네이트(cyclic carbonate) 구조는 친핵성 및 친전자성이 높은 특성을 가지고 있어서, 리튬염을 쉽게 해리시켜 용매화할 수 있다. 또한, 고체 전해질 내에 다수의 환형 카보네이트에 의하여 배위되어 용매화된 리튬 이온이 국부적인 쌍극자 밀도의 변화에 의하여 자유롭게 리튬 이온이 확산될 수 있다.Since the cyclic carbonate structure as shown in Formula 1 has high nucleophilicity and electrophilicity, it can easily dissociate and solvate the lithium salt. In addition, lithium ions coordinated by a plurality of cyclic carbonates in the solid electrolyte and solvated can freely diffuse lithium ions by a change in local dipole density.
또한, 상기 구조를 포함하는 단량체로부터 생성되는 고분자 매트릭스는 펜던트 그룹으로 벌크한 환형 카보네이트를 가짐으로써 종래의 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide) 고분자보다 결정화를 저해할 수 있다.In addition, the polymer matrix generated from the monomer including the structure may inhibit crystallization than conventional polyethylene oxide polymers by having a bulk cyclic carbonate as a pendant group.
따라서, 상기와 같은 조성물로부터 형성된 고체 고분자 전해질은 저온에서의 결정화가 종래의 폴리에틸렌 옥사이드계 고분자 전해질에 비하여 현저히 억제되어 우수한 리튬 이온 이동도, 이온 전도도를 가질 수 있기 때문에 리튬 이차전지의 저온 출력 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.Therefore, the solid polymer electrolyte formed from the composition as described above can have excellent lithium ion mobility and ion conductivity because crystallization at low temperature is significantly suppressed compared to the conventional polyethylene oxide-based polymer electrolyte, thereby improving the low-temperature output characteristics of lithium secondary batteries. There are advantages that can be significantly improved.
또한, 미리 중합된 고분자 또는 폴리머를 투입하는 대신에 단량체들을 미중합된 상태로 투입함으로써 제조 공정을 단순화할 수 있는 장점이 있다.In addition, there is an advantage in that the manufacturing process can be simplified by adding the monomers in an unpolymerized state instead of adding the polymer or polymer previously polymerized.
상기 조성물은 바람직하게는 가소제, 경화제, 유기 용매 및 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.Preferably, the composition may further include a plasticizer, a curing agent, an organic solvent and other additives.
1) 제1 단량체1) first monomer
제1 단량체는 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 포함하는 아크릴레이트계 화합물일 수 있다.The first monomer may be an acrylate-based compound having a structure represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
또한, 상기 제1 단량체는 상기 화학식 1로 표시되는 구조의 유도체를 포함하는 화합물일 수 있다.In addition, the first monomer may be a compound including a derivative having a structure represented by Formula 1 above.
본 발명에 따른 고체 고분자 전해질은 상기 구조를 포함하는 단량체를 포함하여 중합된 고분자를 포함함으로써 저온에서의 결정화가 억제되고 따라서 저온에서의 리튬이온 이동도, 이온 전도도 및 전기화학적 안정성이 우수하다.The solid polymer electrolyte according to the present invention contains a polymer polymerized including the monomer having the structure, so that crystallization at low temperature is suppressed, and thus lithium ion mobility, ion conductivity and electrochemical stability at low temperature are excellent.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제1 단량체는 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the first monomer may be a compound represented by the following Chemical Formula 1-1.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1-1에서,In Formula 1-1,
R1은 수소, C1~C6의 알킬기, C1~C6의 할로알킬기 또는 C1~C6의 헤테로알킬기이고,R 1 is hydrogen, C 1 ~ C 6 Alkyl group, C 1 ~ C 6 Haloalkyl group or C 1 ~ C 6 Heteroalkyl group,
R1`는 존재하지 않거나, (CH2CH2O)x, C1~C10의 알킬렌기, C1~C5의 할로알킬렌기, C1~C10의 헤테로알킬렌기, C6~C10의 방향족 고리, C5~C10의 지방족 고리 또는 아미드기 중 하나이며,R 1` is absent, (CH 2 CH 2 O) x , C 1 ~ C 10 Alkylene group, C 1 ~ C 5 Haloalkylene group, C 1 ~ C 10 Heteroalkylene group, C 6 ~ C 10 of an aromatic ring, a C 5 ~ C 10 of an aliphatic ring, or an amide group,
상기 x는 1~10의 정수이다.Said x is an integer of 1-10.
상기 제1 단량체는 바람직하게는 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물일 수 있다.The first monomer may preferably be a compound represented by the following Chemical Formula 1-2.
[화학식 1-2][Formula 1-2]
상기 제1 단량체는 바람직하게는 전체 조성물 대비 1~40 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 더욱 바람직하게는 3~20 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.The first monomer may preferably be included in an amount of 1 to 40% by weight relative to the total composition. More preferably, it may be included in an amount of 3 to 20% by weight.
만일 상기 제1 단량체의 함량이 1 중량% 미만일 경우 제2 단량체에 의한 가교 밀도가 높아서 고분자 사슬의 유동성이 떨어지고, 리튬염의 높은 용매화를 구현할 수 있는 환형 카보네이트의 함량이 현저하게 감소하기 때문에 이온전도도가 감소하는 문제점이 있을 수 있고, 40 중량%를 초과하는 경우 중합 및 가교에 의하여 형성된 고체 고분자 전해질 막의 기계적 물성이 떨어져서 전지 제조 공정에서의 수율이 감소하고 충/방전 시에 발생하는 덴드라이트(dendrite) 현상에 대한 안정성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다.If the content of the first monomer is less than 1% by weight, the crosslinking density by the second monomer is high, so that the fluidity of the polymer chain is lowered, and the content of the cyclic carbonate that can implement high solvation of lithium salt is significantly reduced, so the ionic conductivity There may be a problem that decreases, and when it exceeds 40% by weight, the mechanical properties of the solid polymer electrolyte membrane formed by polymerization and crosslinking are deteriorated, so that the yield in the battery manufacturing process is reduced, and dendrites generated during charging/discharging are reduced. ), there may be a problem of poor stability for the phenomenon.
2) 제2 단량체2) second monomer
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제1 단량체와 가교 가능하고 바이닐기 또는 아크릴로일기(acryloyl)를 적어도 2개 이상 포함하는 다관능 화합물인 상기 제2 단량체는 하기 화학식 2-1 내지 2-3으로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the second monomer, which is a polyfunctional compound that is crosslinkable with the first monomer and includes at least two vinyl groups or acryloyl groups, is represented by the following Chemical Formulas 2-1 to 2 It may include at least one of the compounds represented by -3.
[화학식 2-1][Formula 2-1]
[화학식 2-2][Formula 2-2]
[화학식 2-3][Formula 2-3]
상기 화학식 2-1 내지 2-3에 있어서,In Formulas 2-1 to 2-3,
R2는 각각 독립적으로 수소, C1~C6의 알킬기, C1~C6의 할로알킬기 또는 C1~C6의 헤테로알킬기이고,R 2 are each independently hydrogen, a C 1 ~ C 6 alkyl group, a C 1 ~ C 6 haloalkyl group, or a C 1 ~ C 6 heteroalkyl group,
R2`는 각각 독립적으로 C1~C6의 알킬렌기 또는 C1~C6의 할로알킬렌기이고,R 2` are each independently a C 1 ~ C 6 alkylene group or a C 1 ~ C 6 haloalkylene group,
R2``는 각각 독립적으로 -(OCH2CH2)a1-, -(OCH2CH(CH3))a2- 또는 -(OCH2CH2)a1(OCH2CH(CH3))a2- 이며, 여기서 a1와 a2는 1~10의 정수이다. a1과 a2는 서로 동일 또는 상이할 수 있다.R 2`` is each independently -(OCH 2 CH 2 ) a1 -, -(OCH 2 CH(CH 3 )) a2 - or -(OCH 2 CH 2 ) a1 (OCH 2 CH(CH 3 )) a2 - where a1 and a2 are integers from 1 to 10. a1 and a2 may be the same as or different from each other.
상기 R2``은 치환기 내의 산소(O) 중에서 R2``의 외부와 결합하는 산소 원자가 R2`과 결합하는 방향으로 결합된 것일 수 있다.The R 2`` may be in a direction in which an oxygen atom bonded to the outside of R 2`` among oxygen (O) in the substituent is bonded to R 2`.
바람직하게는, 상기 제2 단량체는 하기 화학식 2-4로 표시되는 화합물일 수 있다.Preferably, the second monomer may be a compound represented by the following Chemical Formula 2-4.
[화학식 2-4][Formula 2-4]
상기 화학식 2-4에서, b는 각각 독립적으로 1~5의 정수이다.In Formula 2-4, b is each independently an integer of 1 to 5.
상기 제2 단량체는 더욱 바람직하게는 하기 화학식 2-4-1로 표시되는 화합물일 수 있다.The second monomer may be more preferably a compound represented by the following Chemical Formula 2-4-1.
[화학식 2-4-1][Formula 2-4-1]
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제2 단량체는 하기 화학식 2-5로 표시되는 화합물일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the second monomer may be a compound represented by the following Chemical Formula 2-5.
[화학식 2-5][Formula 2-5]
상기 화학식 2-5에서,In Formula 2-5,
상기 c는 1~5의 정수이고,Wherein c is an integer of 1 to 5,
R3는 각각 독립적으로 수소, C1~C6의 알킬기, C1~C6의 할로알킬기 또는 C1~C6의 헤테로알킬기이다.R 3 is each independently hydrogen, a C 1 ~ C 6 alkyl group, a C 1 ~ C 6 haloalkyl group, or a C 1 ~ C 6 heteroalkyl group.
상기 제2 단량체는 바이닐기 또는 아크릴로일기를 2개 이상 포함함으로써 2방향 이상의 중합이 가능하며, 이에 따라서 선형의 고분자가 아닌 분지형, 가교형 또는 망상형의 고분자를 형성할 수 있고 이러한 고분자를 포함하는 고체 고분자 전해질은 우수한 기계적 물성을 갖는 장점이 있다.The second monomer can be polymerized in two or more directions by including two or more vinyl groups or acryloyl groups, and thus can form a branched, cross-linked, or network-type polymer rather than a linear polymer. The solid polymer electrolyte containing it has the advantage of having excellent mechanical properties.
상기 제2 단량체는 바람직하게는 아크릴로일기를 2개 이상 포함하는 다관능 아크릴레이트계 단량체일 수 있다.The second monomer may preferably be a polyfunctional acrylate-based monomer including two or more acryloyl groups.
상술한 바와 같이, 상기 아크릴로일기는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 것일 수 있으며, 예를 들어 메타크릴로일기일 수 있다.As described above, the acryloyl group may be each independently substituted or unsubstituted, for example, a methacryloyl group.
상기 제2 단량체는 바람직하게는 전체 조성물 대비 1~40 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 더욱 바람직하게는 3~20 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.The second monomer may preferably be included in an amount of 1 to 40% by weight relative to the total composition. More preferably, it may be included in an amount of 3 to 20% by weight.
만일 상기 제2 단량체의 함량이 1 중량% 미만일 경우 고체 고분자 전해질의 막에 기계적 성질이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 40 중량%를 초과하는 경우 고체 고분자 전해질의 고분자 사슬이 저온에서 유동성이 저하되어 이온 전도도가 하락하는 문제가 있을 수 있다.If the content of the second monomer is less than 1% by weight, there may be a problem in that the membrane of the solid polymer electrolyte is deteriorated, and if it exceeds 40% by weight, the polymer chain of the solid polymer electrolyte has reduced fluidity at low temperature. There may be a problem of a drop in ionic conductivity.
본 발명에 따른 고체 전해질 조성물은 상기 고체 전해질 조성물은 상기 단량체들 가운데 상기 제1 단량체와 상기 제2 단량체를 20:80 내지 80:20의 중량비로 포함하고 있을 수 있다.The solid electrolyte composition according to the present invention may include the first monomer and the second monomer among the monomers in a weight ratio of 20:80 to 80:20.
만약 상기 단량체 간의 몰비가 80:20보다 제1 단량체 중량비가 더 커지는 경우 고체 고분자 전해질의 막의 기계적 물성이 하락하여 리튬 이온전지 제조 공정에서 수율이 하락하고, 전지의 충방전 시에 발생할 수 있는 덴드라이트에 대한 안정성에 문제가 있을 수 있고, 반대로 20:80보다 제2 단량체 중량비가 더 커지는 경우 다관능인 제2 단량체의 함량이 증가하여 고체 고분자 전해질 조성물이 경화한 후의 경화 밀도 증가로 고분자 사슬이 저온에서 유동성이 낮아져 이온 전도도가 낮아지는 문제가 있을 수 있다.If the molar ratio between the monomers is greater than the weight ratio of the first monomer of 80:20, the mechanical properties of the membrane of the solid polymer electrolyte decrease, resulting in a decrease in the yield in the lithium ion battery manufacturing process, and dendrites that may occur during charging and discharging of the battery If the weight ratio of the second monomer is greater than 20:80, the content of the polyfunctional second monomer increases, resulting in an increase in the curing density after the solid polymer electrolyte composition is cured, resulting in a low polymer chain. There may be a problem in that the fluidity is lowered and the ionic conductivity is lowered.
또한, 상기 제1 단량체, 제2 단량체를 모두 합하여 단량체들이 고체 고분자 전해질 조성물 전체 대비 5~50 중량%로, 바람직하게는 10~40 중량%, 더욱 바람직하게는 12~30 중량%로 포함될 수 있다.In addition, by combining all of the first and second monomers, the monomers may be included in an amount of 5 to 50% by weight, preferably 10 to 40% by weight, more preferably 12 to 30% by weight, based on the total weight of the solid polymer electrolyte composition. .
만일 상기 단량체 전체의 함량이 조성물 전체 대비 5 중량% 미만이면 경화를 진행하더라도 고분자 매트릭스를 구성하는 고분자의 함량이 상대적으로 감소하여 고체 고분자 전해질 막이 제대로 형성되지 않는 문제가 있을 수 있고, 50중량%를 초과하는 경우 상대적으로 낮은 함량의 리튬염 및 가소제로 인하여 전해질의 이온 전도도가 감소하는 문제가 있을 수 있다.If the total content of the monomer is less than 5% by weight relative to the total composition, the content of the polymer constituting the polymer matrix is relatively decreased even after curing, so there may be a problem that the solid polymer electrolyte membrane is not properly formed, and 50% by weight When it exceeds, there may be a problem in that the ionic conductivity of the electrolyte decreases due to the relatively low content of lithium salts and plasticizers.
또한, 상기 제1 단량체, 제2 단량체를 모두 합하여 단량체들이 고체 고분자 전해질 조성물 전체 대비 5~50 중량%로, 바람직하게는 10~40 중량%, 더욱 바람직하게는 12~30 중량%로 포함될 수 있다.In addition, by combining all of the first and second monomers, the monomers may be included in an amount of 5 to 50% by weight, preferably 10 to 40% by weight, more preferably 12 to 30% by weight, based on the total weight of the solid polymer electrolyte composition. .
만일 상기 단량체 전체의 함량이 조성물 전체 대비 5 중량% 미만이면 경화를 진행하더라도 고분자 매트릭스를 구성하는 고분자의 함량이 상대적으로 감소하여 고체 고분자 전해질 막이 제대로 형성되지 않는 문제가 있을 수 있고, 50중량%를 초과하는 경우 상대적으로 낮은 함량의 리튬염 및 가소제로 인하여 전해질의 이온 전도도가 감소하는 문제가 있을 수 있다.If the total content of the monomer is less than 5% by weight relative to the total composition, the content of the polymer constituting the polymer matrix is relatively decreased even after curing, so there may be a problem that the solid polymer electrolyte membrane is not properly formed, and 50% by weight When it exceeds, there may be a problem in that the ionic conductivity of the electrolyte decreases due to the relatively low content of lithium salts and plasticizers.
3) 리튬염3) lithium salt
상기 리튬염은 리튬 이차 전지 내에서 전해질 염으로서 사용되는 것으로서, 이온을 전달하기 위한 매개체로 사용되는 것이다. 통상적으로, 리튬염은 리튬 양이온(Li+)을 포함하고, F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, ClO4 -, BF4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 것일 수 있다.The lithium salt is used as an electrolyte salt in a lithium secondary battery, and is used as a medium for transferring ions. Typically, lithium salts contain lithium cations (Li + ), F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , ClO 4 - , BF 4 - , AlO 4 - , AlCl 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , ( CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - at least one anion selected from the group consisting of may include.
상기 리튬염은 통상적으로 사용 가능한 범위 내에서 적절히 변경할 수 있으나, 최적의 전극 표면의 부식 방지용 피막 형성 효과를 얻기 위하여, 고체 고분자 전해질 조성물 내에 10~40 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.The lithium salt may be appropriately changed within a range that can be used in general, but may be included in an amount of 10 to 40 wt % in the solid polymer electrolyte composition in order to obtain an optimal effect of forming a film for preventing corrosion on the electrode surface.
본 발명의 고체 고분자 전해질 조성물은 상기 범위의 함량으로 리튬염을 포함함으로써, 고체 고분자 전해질 조성물 중에 존재하는 리튬 양이온의 증가로 인해 높은 리튬 양이온(Li+)의 이온 전달 특성(즉, 양이온 수송률(transference number))을 확보할 수 있고, 리튬 이온의 확산 저항 감소 효과를 달성하여 사이클 용량 특성 향상 효과를 구현할 수 있다. 이 때, 리튬염의 함량이 10 중량% 미만인 경우 상대적으로 낮은 리튬 이온의 함량으로 인하여 리튬 이온의 충분한 이온 전도도를 확보하기 어렵다. 또한, 만약, 리튬염의 농도가 40 중량%를 초과하는 경우, 리튬염이 고분자 매트릭스 내에 용매화되지 않고 이온쌍(ion-pair)을 이루는 리튬염이 다량 존재하게 되어 효과상의 큰 증가는 없으며 경제적으로 불리하므로 상기 함량 범위 내에서 목적에 맞게 적절히 조절하는 것이 바람직하다.Ion transfer properties of the solid polymer electrolyte composition of the present invention by incorporating a lithium salt in an amount within the above range, a polymer electrolyte composition, the lithium cationic high lithium cation (Li +) due to the increase of existing in the (i. E., Cation transport rate ( transference number)), and by achieving the effect of reducing the diffusion resistance of lithium ions, the effect of improving cycle capacity characteristics can be realized. At this time, when the content of the lithium salt is less than 10% by weight, it is difficult to secure sufficient ionic conductivity of the lithium ions due to the relatively low content of lithium ions. In addition, if the concentration of the lithium salt exceeds 40% by weight, the lithium salt is not solvated in the polymer matrix and a large amount of lithium salt forming an ion-pair exists in the polymer matrix, so there is no significant increase in effectiveness and economically Since it is disadvantageous, it is preferable to appropriately adjust it for the purpose within the above content range.
4) 가소제4) plasticizer
본 발명에 따른 고체 고분자 전해질 조성물은 그 외에도 가소제를 더 포함할 수 있다.The solid polymer electrolyte composition according to the present invention may further include a plasticizer.
가소제는 고체 고분자 전해질을 형성하는 고분자 사슬 간의 결정성을 낮추어서 저온에서의 리튬이온의 전달을 용이하게 하고, 고체 고분자 전해질의 가공성을 개선하고 기계적 강도를 제어하기 용이하도록 하는 역할을 한다.The plasticizer lowers the crystallinity between the polymer chains forming the solid polymer electrolyte, thereby facilitating the transfer of lithium ions at low temperature, improving the processability of the solid polymer electrolyte, and making it easy to control the mechanical strength.
상기 가소제는 바람직하게는 숙시노니트릴(succinonitrile), 글루타로니트릴(glutaronitrile), 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(polyethylene glycol dimethylether), 테트라에틸렌 글리콜(tetraethylene glycol), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르(tetraethylene glycol dimethylether, 테트라글라임), 디메틸 프탈레이트(dimethyl phthalate), 디에틸프탈레이트(diethyl phthalate), 디부틸프탈레이트(dibutyl phthalate), 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate), 사이클릭 포스페이트(cyclic phosphate), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오르메탄술포닐)이미드[1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], N-메틸-N-프로필피페리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄 술포네이트(1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), N-부틸-N-에틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[N-butyl-Methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide] 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The plasticizer is preferably succinonitrile, glutaronitrile, polyethylene glycol dimethylether, tetraethylene glycol, ethylene carbonate, propylene carbonate ), tetraethylene glycol dimethylether (tetraglyme), dimethyl phthalate (dimethyl phthalate), diethyl phthalate (diethyl phthalate), dibutyl phthalate (dibutyl phthalate), dioctyl phthalate (dioctyl phthalate), cyclic Phosphate (cyclic phosphate), 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide [1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide], 1-butyl-3-methyl Midazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [N -methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), N-butyl-N-ethylpyrrolidinium It may include one or more selected from bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [N-butyl-Methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], but is not necessarily limited thereto.
가소제의 함량은 전체 고체 고분자 전해질 조성물 중에서 10~80 중량%일 수 있다. 만일 가소제의 함량이 10 중량% 미만일 경우 고체 고분자 전해질의 저온에서의 결정성이 높아져서 이온 전도도가 낮아지게 되는 문제가 있을 수 있고, 80 중량%를 초과하는 경우, 고체 고분자 전해질의 기계적 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.The content of the plasticizer may be 10 to 80 wt% in the total solid polymer electrolyte composition. If the content of the plasticizer is less than 10% by weight, there may be a problem in that the crystallinity at low temperature of the solid polymer electrolyte is increased and the ionic conductivity is lowered, and when it exceeds 80% by weight, the mechanical properties of the solid polymer electrolyte are lowered. There may be a problem.
상기 가소제의 함량은 바람직하게는 30~80 중량%, 더욱 바람직하게는 40~70중량%일 수 있다.The content of the plasticizer may be preferably 30 to 80% by weight, more preferably 40 to 70% by weight.
5) 개시제5) Initiator
또한, 본 발명에 따른 고체 고분자 전해질 조성물은 단량체의 가교 반응에 의하여 고체 고분자 전해질을 형성할 수 있다. 중합 반응과 가교 반응이 일어남에 따라 상기 고체 고분자 전해질 조성물은 경화되어 고체상의 고분자 전해질을 형성하게 된다. 상기 고체 고분자 전해질 조성물은 이러한 가교 반응을 촉발하는 개시제를 더 포함할 수 있다. 개시제는 바람직하게는 광 개시제일 수 있고, 가교 반응은 자외선의 조사에 의하여 일어날 수 있다.In addition, the solid polymer electrolyte composition according to the present invention can form a solid polymer electrolyte by a crosslinking reaction of monomers. As polymerization reaction and crosslinking reaction occur, the solid polymer electrolyte composition is cured to form a solid polymer electrolyte. The solid polymer electrolyte composition may further include an initiator for triggering such a crosslinking reaction. The initiator may preferably be a photoinitiator, and the crosslinking reaction may occur by irradiation of ultraviolet rays.
상기 광 개시제의 예에는1-페닐-2-히드록시-2-메틸 프로판-1-온(1-phenyl-2-hydroxy-2-methyl propane-1-one; HMPP), 페닐비스(2,4,6-트리메틸벤조일)포스핀 옥사이드, 클로로아세토페논(chloroacetophenone), 디에톡시아세토페논(Diethoxy Acetophenone), 히드록시아세토페논(Hydroxy acetophenone), 1-히드록시클로로헥실페닐케톤(1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone), α-아미노아세토페논(α-Aminoacetophenone), 벤조인 에테르(Benzoin Ether), 벤질디메틸케탈(Benzyl Dimethyl Ketal), 벤조페논(Benzophenone), 및 옥산톤(Thioxanthone) 등이 있으며, 반드시 이들에 국한되는 것은 아니며, 이들을 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of the photoinitiator include 1-phenyl-2-hydroxy-2-methyl propane-1-one (HMPP), phenylbis (2,4 ,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide, chloroacetophenone, diethoxy acetophenone, hydroxy acetophenone, 1-hydroxychlorohexyl phenyl ketone , α-aminoacetophenone (α-Aminoacetophenone), benzoin ether (Benzoin Ether), benzyl dimethyl ketal (Benzyl Dimethyl Ketal), benzophenone (Benzophenone), and oxanthone (Thioxanthone), etc., necessarily limited to these It is not, and these can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.
또한, 상기 개시제는 상기 단량체 전체 100 중량부를 기준으로 하여 0.001~10 중량부, 구체적으로 0.03~3 중량부로 포함될 수 있다.In addition, the initiator may be included in an amount of 0.001 to 10 parts by weight, specifically 0.03 to 3 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total monomer.
상기 개시제가 0.001~10 중량부 범위 내의 함량으로 포함되어 있을 경우, 경화 전환율을 높여 안정적인 고체 고분자 전해질의 막을 형성할 수 있고, 프리-겔(pre-gel) 반응을 방지하여, 고체 전해질 조성물의 경시 변화를 최소화할 수 있다.When the initiator is included in an amount within the range of 0.001 to 10 parts by weight, it is possible to increase the curing conversion rate to form a stable solid polymer electrolyte membrane, and to prevent a pre-gel reaction, resulting in the aging of the solid electrolyte composition change can be minimized.
본 발명에 따른 고체 고분자 전해질 조성물은 상기 단량체들 간에 가교 반응을 시켜 고체 고분자 전해질을 형성할 수 있다. 바람직하게는 상기 단량체들과 가소제, 리튬염 및 개시제를 포함하고 있는 고체 고분자 전해질 조성물에 UV 광을 조사하여 광중합 및 가교 반응을 시켜 제조할 수 있다.The solid polymer electrolyte composition according to the present invention may form a solid polymer electrolyte by cross-linking between the monomers. Preferably, the solid polymer electrolyte composition containing the monomers, a plasticizer, a lithium salt and an initiator is irradiated with UV light to undergo photopolymerization and crosslinking reaction.
고체 전해질을 제조하기 위하여 상술한 바와 같이 UV 조사에 의하여 고분자 가교 구조체를 형성하는 단계 이후에, 수득한 물질을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the step of forming the polymer crosslinked structure by UV irradiation as described above in order to prepare a solid electrolyte, the step of drying the obtained material may be further included.
상기 건조 단계는 열풍 혹은 진공 건조 조건에서 수 시간 동안 진행될 수 있다.The drying step may be performed for several hours under hot air or vacuum drying conditions.
6) 유기 용매6) organic solvents
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 고체 고분자 전해질 조성물은 점도를 조절할 필요가 있거나 사용하는 단량체간의 용해성을 향상시키기 위해 유기용매를 더 포함할 수 있다. 사용할 수 있는 유기용매는 테트라하이드로 퓨란(Tetrahydrofuran), 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드 (DMF), 아세토니트릴(Acetonitrile), N-메틸-2-피롤리돈 (NMP), 디메틸술폭시드(DMSO), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디클로로메탄 (Dichloromethane), 아세톤(Acetone), 이소프로필알콜(Isopropyl alcohol), 메틸에틸케톤(MEK) 등이 있으며, 반드시 이에 국한된 것은 아니며, 이들 중 1종이상을 선택하여 사용할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the solid polymer electrolyte composition may further include an organic solvent in order to adjust the viscosity or to improve solubility between the monomers used. Organic solvents that can be used include tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethylformamide (DMF), acetonitrile, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide ( DMSO), dimethylacetamide (DMAc), dichloromethane, acetone, isopropyl alcohol, methyl ethyl ketone (MEK), etc., but are not necessarily limited thereto, and at least one of them can be selected to use.
(2) 고체 고분자 전해질(2) solid polymer electrolyte
또한, 본 발명은 상기 고체 고분자 전해질 조성물이 가교 반응에 의하여 경화된 것으로서, 상기 단량체들이 랜덤한 순서로 공중합된 랜덤 공중합체를 포함하는 고체 고분자 전해질을 제공한다.The present invention also provides a solid polymer electrolyte comprising a random copolymer in which the solid polymer electrolyte composition is cured by a crosslinking reaction, and wherein the monomers are copolymerized in a random order.
경화 방법은 특별히 제한되지 않으며, 상술한 바와 같이 당 업계에서 통상적으로 알려진 방법을 통하여 상기 조성물 내의 단량체들을 중합 및 가교시켜 조성물을 경화시킬 수 있다.The curing method is not particularly limited, and as described above, the composition may be cured by polymerizing and crosslinking the monomers in the composition through a method commonly known in the art.
구체적으로, 상기 고체 고분자 전해질 조성물을 필름 또는 전극의 표면에 코팅하고, 상기 고체 고분자 전해질 조성물을 자외선 조사에 의하여 중합 및 가교하여 경화하는 단계를 거쳐 고체 고분자 전해질을 제조할 수 있다.Specifically, the solid polymer electrolyte can be prepared by coating the solid polymer electrolyte composition on the surface of a film or electrode, and curing the solid polymer electrolyte composition by polymerization and crosslinking by UV irradiation.
상기 코팅 방법은 슬롯 다이, 그라비아 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 캐스팅, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 인쇄 등 공지된 코팅 방법을 이용할 수 있다.The coating method may use a known coating method such as slot die, gravure coating, spin coating, spray coating, roll coating, casting, screen printing or inkjet printing.
이러한 방법에 의하여 제조되는 본 발명에 따른 고체 고분자 전해질은 조성물에 포함되어 있는 단량체들의 가교 결합 반응에 의하여 형성된 3차원 망상 구조의 고분자 매트릭스 내부에 리튬염과 가소제가 고르게 분산된 형태를 갖고 있을 수 있다. 따라서, 본 발명의 고분자 고체 전해질은 낮은 온도에서 높은 이온 전도도를 나타낼 수 있다.The solid polymer electrolyte according to the present invention prepared by this method may have a form in which lithium salt and plasticizer are evenly dispersed in a polymer matrix having a three-dimensional network structure formed by cross-linking reaction of monomers included in the composition. . Therefore, the solid polymer electrolyte of the present invention can exhibit high ionic conductivity at low temperatures.
상기 고분자 매트릭스는 상기 제1 단량체와 제2 단량체가 랜덤한 순서로 중합 및 가교되어 3차원의 망상 구조를 형성하고 있는 것일 수 있다. 이러한 구조는 블록 공중합체 형태를 갖는 종래의 고분자 매트릭스에 비하여 고체 고분자 전해질 내의 고분자 사슬 간의 상호작용을 억제시켜 결정성을 낮출 수 있으며, 저온에서의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.The polymer matrix may be one in which the first monomer and the second monomer are polymerized and crosslinked in a random order to form a three-dimensional network structure. This structure can lower crystallinity by inhibiting the interaction between polymer chains in the solid polymer electrolyte and improve ionic conductivity at low temperatures, compared to a conventional polymer matrix having a block copolymer form.
(3) 리튬 이차 전지(3) lithium secondary battery
또한, 본 발명은 양극; 음극; 및 본 발명에 따른 고체 고분자 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the present invention is a positive electrode; cathode; And it provides a lithium secondary battery comprising the solid polymer electrolyte according to the present invention.
상기 리튬 이차 전지는 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 양극 상에 상기 고체 고분자 전해질 조성물을 도포한 후 상기 조성물을 경화하고 음극을 적층하여 제조할 수 있다.The lithium secondary battery may be manufactured according to a conventional method known in the art. For example, it may be prepared by coating the solid polymer electrolyte composition on a positive electrode, curing the composition, and stacking the negative electrode.
1) 양극1) Anode
상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon on the surface of aluminum or stainless steel. , nickel, titanium, silver, etc. may be used.
상기 양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물로서, 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈 또는 알루미늄과 같은 1종 이상의 금속과 리튬을 포함하는 리튬 복합금속 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 리튬 복합금속 산화물은 리튬-망간계 산화물(예를 들면, LiMnO2, LiMn2O4 등), 리튬-코발트계 산화물(예를 들면, LiCoO2 등), 리튬-니켈계 산화물(예를 들면, LiNiO2 등), 리튬-니켈-망간계 산화물(예를 들면, LiNi1-YMnYO2(여기에서, 0<Y<1), LiMn2-zNizO4(여기에서, 0<Z<2) 등), 리튬-니켈-코발트계 산화물(예를 들면, LiNi1-Y1CoY1O2(여기에서, 0<Y1<1) 등), 리튬-망간-코발트계 산화물(예를 들면, LiCo1-Y2MnY2O2(여기에서, 0<Y2<1), LiMn2-z1Coz1O4(여기에서, 0<Z1<2) 등), 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물(예를 들면, Li(NipCoqMnr1)O2(여기에서, 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1=1) 또는 Li(Nip1Coq1Mnr2)O4(여기에서, 0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2) 등), 또는 리튬-니켈-코발트-전이금속(M) 산화물(예를 들면, Li(Nip2Coq2Mnr3MS2)O2(여기에서, M은 Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되고, p2, q2, r3 및 s2는 각각 독립적인 원소들의 원자분율로서, 0<p2<1, 0<q2<1, 0<r3<1, 0<s2<1, p2+q2+r3+s2=1이다)) 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물이 포함될 수 있다.The positive active material is a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium, and specifically, may include a lithium composite metal oxide including lithium and one or more metals such as cobalt, manganese, nickel or aluminum. have. More specifically, the lithium composite metal oxide is a lithium-manganese-based oxide (eg, LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , etc.), a lithium-cobalt-based oxide (eg, LiCoO 2 etc.), lithium-nickel-based oxide (eg, LiNiO 2 , etc.), lithium-nickel-manganese oxide (eg, LiNi 1-Y Mn Y O 2 (here, 0<Y<1), LiMn 2-z Ni z O 4 ( Here, 0<Z<2, etc.), lithium-nickel-cobalt-based oxides (eg, LiNi 1-Y1 Co Y1 O 2 (here, 0<Y1<1), etc.), lithium-manganese-cobalt based oxides (eg, LiCo 1-Y2 Mn Y2 O 2 (here, 0<Y2<1), LiMn 2-z1 Co z1 O 4 (here, 0<Z1<2), etc.), lithium-nickel -Manganese-cobalt oxide (for example, Li(Ni p Co q Mn r1 )O 2 (here, 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1= 1) or Li(Ni p1 Co q1 Mn r2 )O 4 (where 0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2), etc.), or lithium- Nickel-cobalt-transition metal (M) oxide (eg, Li(Ni p2 Co q2 Mn r3 MS 2 )O 2 , where M is Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg and Mo selected from the group consisting of, p2, q2, r3 and s2 are each independent atomic fractions of elements, 0 < p2 < 1, 0 < q2 < 1, 0 < r3 < 1, 0 < s2 < 1, p2 + q2 +r3+s2=1)) and the like, and any one or two or more compounds may be included.
이 중에서도 전지의 용량 특성 및 안정성을 높일 수 있다는 점에서 상기 리튬 복합금속 산화물은 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, 리튬 니켈망간코발트 산화물(예를 들면 Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2, Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2, Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O2 및 Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2 등), 또는 리튬 니켈코발트알루미늄 산화물(예를 들면, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2 등)일 수 있다. Among them, the lithium composite metal oxide is LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , lithium nickel manganese cobalt oxide (for example, Li (Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1 ) in terms of improving the capacity characteristics and stability of the battery. /3 )O 2 , Li(Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.7 Mn 0.15 Co 0.15 )O 2 , and Li(Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 ) )O 2 , etc.), or lithium nickel cobalt aluminum oxide (eg, Li(Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 )O 2 , etc.).
상기 양극 활물질은 양극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 80 중량% 내지 99 중량%로 포함될 수 있다.The positive active material may be included in an amount of 80% to 99% by weight based on the total weight of the solid content in the positive electrode slurry.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in bonding between the active material and the conductive material and bonding to the current collector, and is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the solid content in the positive electrode slurry. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoro roethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene ter monomer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber, fluororubber, various copolymers, and the like.
상기 도전재는 통상적으로 양극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다.The conductive material is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the solid content in the positive electrode slurry.
이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌 블랙(또는 덴카 블랙), 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 또는 서멀 블랙 등의 탄소 분말; 결정구조가 매우 발달된 천연 흑연, 인조흑연, 또는 그라파이트 등의 흑연 분말; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, carbon black, acetylene black (or Denka black), Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, or carbon powder such as thermal black; Graphite powder, such as natural graphite, artificial graphite, or graphite with a highly developed crystal structure; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
상기 용매는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기용매를 포함할수 있으며, 상기 양극 활물질 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리 중의 고형분 농도가 50 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게 70중량% 내지 90 중량%가 되도록 포함될 수 있다.The solvent may include an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and may be used in an amount having a desirable viscosity when the positive active material and optionally a binder and a conductive material are included. For example, it may be included so that the solid content concentration in the slurry including the positive electrode active material, and optionally the binder and the conductive material is 50 wt% to 95 wt%, preferably 70 wt% to 90 wt%.
2) 음극2) cathode
또한, 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 합제층을 형성하여 제조할 수 있다. 상기 음극 합제층은 음극 집전체 상에 음극활물질, 바인더, 도전재 및 용매 등을 포함하는 음극 슬러리를 코팅한 후, 건조 및 압연하여 형성할 수 있다.In addition, the negative electrode may be manufactured by forming a negative electrode mixture layer on the negative electrode current collector. The negative electrode mixture layer may be formed by coating a negative electrode slurry including a negative electrode active material, a binder, a conductive material and a solvent on a negative electrode current collector, drying and rolling.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector generally has a thickness of 3 to 500 μm. Such a negative current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery, and for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel. A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., an aluminum-cadmium alloy, etc. may be used on the surface. In addition, like the positive electrode current collector, the bonding strength of the negative electrode active material may be strengthened by forming fine irregularities on the surface, and may be used in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous body, foam, non-woven body, and the like.
또한, 상기 음극활물질은 리튬 금속, 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 탄소 물질, 금속 또는 이들 금속과 리튬의 합금, 금속 복합 산화물, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 및 전이 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, the negative active material is lithium metal, a carbon material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, a metal or an alloy of these metals and lithium, a metal composite oxide, and lithium doping and de-doping. It may include at least one selected from the group consisting of materials, and transition metal oxides.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 탄소 물질로는, 리튬 이온 이차전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 인편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.As a carbon material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, any carbon-based negative active material generally used in lithium ion secondary batteries may be used without particular limitation, and representative examples thereof include crystalline carbon, Amorphous carbon or these may be used together. Examples of the crystalline carbon include graphite such as amorphous, plate-like, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and examples of the amorphous carbon include soft carbon (low-temperature calcined carbon). or hard carbon, mesophase pitch carbide, and calcined coke.
상기 금속 복합 산화물로는 PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5, LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), 및 SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 로 이루어진 군에서 선택되는 것이 사용될 수 있다.Examples of the metal composite oxide include PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , Bi 2 O 5 , Li x Fe 2 O 3 (0≤x≤1), Li x WO 2 (0≤x≤1), and Sn x Me 1-x Me′ y O z (Me: Mn, Fe , Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, elements of Groups 1, 2, and 3 of the periodic table, halogen; 0<x≤1;1≤y≤3; 1≤z≤8) One selected from the group may be used.
상기 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질로는 Si, SiOx(0<x≤2), Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-Y(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이 금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.Examples of the material capable of doping and dedoping lithium include Si, SiO x (0<x≤2), Si-Y alloy (wherein Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, An element selected from the group consisting of rare earth elements and combinations thereof, but not Si), Sn, SnO 2 , Sn-Y (wherein Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth) It is an element selected from the group consisting of elements and combinations thereof, and is not Sn), and at least one of these and SiO 2 may be mixed and used. The element Y includes Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, It may be selected from the group consisting of Te, Po, and combinations thereof.
상기 전이 금속 산화물로는 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등을 들 수 있다.Examples of the transition metal oxide include lithium-containing titanium composite oxide (LTO), vanadium oxide, and lithium vanadium oxide.
상기 음극 활물질은 음극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 80 중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다.The negative active material may be included in an amount of 80% to 99% by weight based on the total weight of the solids in the negative electrode slurry.
상기 바인더는 도전재, 활물질 및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in bonding between the conductive material, the active material, and the current collector, and is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the solid content in the negative electrode slurry. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoro and roethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene-butadiene rubber, fluororubber, and various copolymers thereof.
상기 도전재는 음극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 음극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다. 이러한 도전재는 양극 제조 시 사용된 도전재와 동일하거나, 상이한 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌 블랙(또는 덴카 블랙), 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 또는 서멀 블랙 등의 탄소 분말; 결정구조가 매우 발달된 천연 흑연, 인조흑연, 또는 그라파이트 등의 흑연 분말; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is a component for further improving the conductivity of the negative electrode active material, and may be added in an amount of 1 to 20 wt % based on the total weight of the solid content in the negative electrode slurry. The conductive material may be the same as or different from the conductive material used in manufacturing the anode, for example, carbon black, acetylene black (or Denka black), Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, or thermal black. carbon powder, such as; Graphite powder, such as natural graphite, artificial graphite, or graphite with a highly developed crystal structure; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
상기 용매는 물 또는 NMP, 알코올 등의 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 음극 활물질 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리 중의 고형분 농도가 50 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게 70 중량% 내지 90 중량%가 되도록 포함될 수 있다.The solvent may include water or an organic solvent such as NMP, alcohol, and the like, and may be used in an amount to have a desirable viscosity when the negative electrode active material and, optionally, a binder and a conductive material are included. For example, it may be included so that the solid content concentration in the slurry including the negative active material, and optionally the binder and the conductive material is 50 wt% to 95 wt%, preferably 70 wt% to 90 wt%.
상기와 같은 양극 음극 및 본 발명에 따른 고체 고분자 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지는 고체 고분자 전해질의 전기화학적 안정성은 유지하면서도 저온에서 전해질의 결정화가 일어나는 것이 억제되어 저온에서도 전지의 출력이 크게 저하되지 않으며 우수한 리튬 이온 이동도, 우수한 이온 전도도를 견지할 수 있는 장점이 있다.The lithium secondary battery including the positive electrode and the solid polymer electrolyte according to the present invention as described above suppresses crystallization of the electrolyte at low temperature while maintaining the electrochemical stability of the solid polymer electrolyte, so that the output of the battery is not significantly reduced even at low temperatures. There is an advantage of maintaining excellent lithium ion mobility and excellent ion conductivity.
이하에서는, 구체적인 실시예를 들어, 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 실시예의 범위로 한정되는 것을 의미하는 것은 아니며, 실시예는 단지 본 발명의 구체적인 적용예로서 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 통상의 기술자는 본 발명의 청구범위에 기재된 범위에서 구성을 변경, 삭제, 또는 부가하여 동일한 기술적 사상을 구현할 수 있음을 이해하여야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, it does not mean that the scope of the present invention is limited to the scope of the embodiment, the embodiment is only for helping understanding as a specific application example of the present invention, those of ordinary skill in the art will It will be understood that the same technical idea may be implemented by changing, deleting, or adding a configuration in the .
<합성예><Synthesis example>
합성예 1: (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl methacrylate(ODMA)의 합성Synthesis Example 1: Synthesis of (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl methacrylate (ODMA)
4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one 10g을 100mL의 dichloromethane에 용해시켰다. 이후, 1.1 당량의 triethylamine 및 methacryloyl chloride를 0℃에서 적하시키고 24시간 동안 상온에서 교반하여 (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl methacrylate(ODMA)를 수득하였다. 화학식은 하기와 같다.10 g of 4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one was dissolved in 100 mL of dichloromethane. Then, 1.1 equivalents of triethylamine and methacryloyl chloride were added dropwise at 0° C. and stirred at room temperature for 24 hours to obtain (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl methacrylate (ODMA). Chemical formula is as follows.
[ODMA의 화학식][Formula of ODMA]
합성예 2: 4-(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)butyl 2-methylprop-2-enoate의 합성Synthesis Example 2: Synthesis of 4-(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)butyl 2-methylprop-2-enoate
250mL의 둥근바닥 플라스크게 4-(oxiran-2-yl)butan-1-ol 10g과 DMF 100mL를 넣고 용해시킨 다음 tetraethylammonium hydroxide를 0.05g 넣고 용해시켰다. 이후, 온도를 70℃로 유지하면서 CO2 기체를 투입시키면서 교반을 5시간 동안 진행하였다. 반응이 종결된 후, 1.1 당량의 triethylamine 및 methacryloyl chloride를 0℃에서 적하시키고, 24시간 동안 상온에서 교반하여 4-(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)butyl-2-methylprop-2-enoate(ODBMPE)를 수득하였다. 그 화학식은 하기와 같다.In a 250 mL round-bottom flask, 10 g of 4-(oxiran-2-yl)butan-1-ol and 100 mL of DMF were added and dissolved, and then 0.05 g of tetraethylammonium hydroxide was added and dissolved. Thereafter, while maintaining the temperature at 70° C., stirring was performed for 5 hours while adding CO 2 gas. After completion of the reaction, 1.1 equivalents of triethylamine and methacryloyl chloride were added dropwise at 0° C., stirred at room temperature for 24 hours, and 4-(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)butyl-2-methylprop- 2-enoate (ODBMPE) was obtained. Its chemical formula is as follows.
[ODBMPE의 화학식][Formula of ODBC]
합성예 3: [(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)formamido]methyl 2-methylprop-2-enoate의 합성Synthesis Example 3: Synthesis of [(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)formamido]methyl 2-methylprop-2-enoate
250mL의 둥근 바닥 플라스크에 2-isocyanatoethyl methacrylate 10g을 THF 100mL에 용해시킨 후, dibutyl tin dilaurate 1 mol%를 넣고 온도를 70℃로 상승시켜서 교반을 지속하고, 2-oxo-1,3-dioxolane-4-carboxylic acid를 6.74g을 천천히 적하하면서 투입하고, 투입을 완료한 후 4시간을 지속적으로 교반하여 반응을 종결시킨다. 이를 통하여 [(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)formamido]methyl 2-methylprop-2-enoate(ODAME)를 수득하였다.After dissolving 10 g of 2-isocyanatoethyl methacrylate in 100 mL of THF in a 250 mL round-bottom flask, 1 mol% of dibutyl tin dilaurate was added, the temperature was increased to 70 ° C, and stirring was continued, 2-oxo-1,3-dioxolane-4 -carboxylic acid is added while slowly dropping 6.74 g, and after completion of the addition, the reaction is terminated by continuously stirring for 4 hours. Through this, [(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)formamido]methyl 2-methylprop-2-enoate (ODAME) was obtained.
[ODAME의 화학식][Formula of ODAME]
합성예 4: 2-[(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methoxy]ethyl 2-methylprop-2-enoate의 합성Synthesis Example 4: Synthesis of 2-[(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methoxy]ethyl 2-methylprop-2-enoate
250mL의 둥근 바닥 플라스크에 2-hydroxyethyl methacrylate 10g을 THF 100mL에 용해시킨 후, 15%의 NaOH 5g을 넣고 교반하였다. 이후, 온도를 70℃로 상승시켜 교반을 지속하고, 4-chloromethyl-1,3-dioxolan-2-one을 1.0 당량을 30mL의 THF에 용해하여 적하시키면서 반응을 진행하였다. 1시간 교반 이후에 상온으로 온도를 낮추고 HCl로서 중화시키면서 반응을 종결시킨다. 이를 통해서 2-[(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methoxy]ethyl-2-methylprop-2-enoate(ODMEME)를 수득하였다. 그 화학식은 하기와 같다.After dissolving 10 g of 2-hydroxyethyl methacrylate in 100 mL of THF in a 250 mL round bottom flask, 5 g of 15% NaOH was added and stirred. Thereafter, stirring was continued by increasing the temperature to 70° C., and 1.0 equivalent of 4-chloromethyl-1,3-dioxolan-2-one was dissolved in 30 mL of THF and the reaction was carried out dropwise. After stirring for 1 hour, the temperature is lowered to room temperature and the reaction is terminated while neutralizing with HCl. Through this, 2-[(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methoxy]ethyl-2-methylprop-2-enoate (ODMEME) was obtained. Its chemical formula is as follows.
[ODMEME의 화학식][Chemical formula of ODMEME]
합성예 5: 2-[4-(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)butyoxyl]ethyl 2-methylprop-2-enoate의 합성Synthesis Example 5: Synthesis of 2-[4-(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)butyoxyl]ethyl 2-methylprop-2-enoate
250mL의 둥근 플라스크에 2-(4-chlorobutyl)oxirane 10g을 THF 100mL에 용해한 후 tetraethylammonium hydroxide를 0.05g 넣고 온도를 70℃로 유지시키면서 CO2 기체를 투입시키면서 교반을 5시간 진행하였다. 이를 통하여 4-(4-chlorobutyl)-1,3-dioxolan-2-one을 제조하였다. 이후, 또 다른 250mL의 둥근 바닥 플라스크를 준비하여 2-(4-chlrorobutyl)oxirane과 같은 당량으로 2-hydroxyethyl methacrylate를 용해한 후 15%의 NaOH를 5g 넣고 교반을 한다. 이후, 온도를 70℃로 상승시켜 교반을 지속하고, 앞서 제조된 4-(4-chlorobutyl)-1,3-dioxolan-2-one을 같은 당량으로 적하시키면서 반응을 진행하였다. 1시간 교반 이후에 상온으로 온도를 낮추고 HCl로 중화시키면서 반응을 종결시킨다. 이를 통해서 2-[4-(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)butyoxyl]ethyl-2-methylprop-2-enoate(ODBEPE)를 수득하였다.After dissolving 10 g of 2-(4-chlorobutyl)oxirane in 100 mL of THF in a 250 mL round flask, 0.05 g of tetraethylammonium hydroxide was added, and while maintaining the temperature at 70° C., CO 2 gas was introduced while stirring was performed for 5 hours. Through this, 4-(4-chlorobutyl)-1,3-dioxolan-2-one was prepared. After that, prepare another 250mL round-bottom flask, dissolve 2-hydroxyethyl methacrylate in the same amount as 2-(4-chlrorobutyl)oxirane, add 5g of 15% NaOH, and stir. Thereafter, stirring was continued by increasing the temperature to 70° C., and the reaction was carried out while dropping the previously prepared 4-(4-chlorobutyl)-1,3-dioxolan-2-one in the same equivalent amount. After stirring for 1 hour, the temperature is lowered to room temperature and the reaction is terminated while neutralizing with HCl. Through this, 2-[4-(2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)butyoxyl]ethyl-2-methylprop-2-enoate (ODBEPE) was obtained.
[ODBEPE의 화학식][Formula of ODBC]
합성예 6: (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 2-methylidenebutanoate의 합성Synthesis Example 6: Synthesis of (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 2-methylidenebutanoate
4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one 10g을 100mL의 dichloromethane에 용해시킨다. 이후에 1.1 당량의 triethylamine 및 2-methylidenebutanoyl chloride를 0℃에서 적하시키고, 24시간 동안 상온에서 교반하여 (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl-2-methylidenebutanoate(ODMI)를 수득하였다.Dissolve 10 g of 4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one in 100 mL of dichloromethane. After that, 1.1 equivalents of triethylamine and 2-methylidenebutanoyl chloride were added dropwise at 0° C. and stirred at room temperature for 24 hours to obtain (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl-2-methylidenebutanoate (ODMI). did
[ODMI의 화학식][Formula of ODMI]
합성예 7: (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 2-(trifluoromethyl)prop-2-enoate의 합성Synthesis Example 7: Synthesis of (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 2-(trifluoromethyl)prop-2-enoate
4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one 10g을 100mL의 dichloromethane에 용해시킨다. 이후에 1.1 당량의 triethylamine 및 2-(trifluoromethyl)acryloyl chloride를 0℃에서 적하시키고 24시간 상온에서 교반하여 (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl-2-(trifluoromethyl)prop-2-enoate(ODTFE)를 수득하였다.Dissolve 10 g of 4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one in 100 mL of dichloromethane. After that, 1.1 equivalents of triethylamine and 2-(trifluoromethyl)acryloyl chloride were added dropwise at 0°C and stirred at room temperature for 24 hours (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl-2-(trifluoromethyl)prop- 2-enoate (ODTFE) was obtained.
[ODTFE의 화학식][Formula of ODTFE]
합성예 8: (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 6-bromo-2-methylidenehexanoate의 합성Synthesis Example 8: Synthesis of (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 6-bromo-2-methylidenehexanoate
4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one 8g을 100mL의 dichloromethane에 용해시킨다. 이후에 1.1 당량의 triethylamine 및 4-bromobut-2-enyl chloride를 0℃에서 적하시키고 24시간 동안 상온에서 교반하여 (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl-6-bromo-2-methylidenehexanoate(ODBMI)를 수득하였다.Dissolve 8 g of 4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one in 100 mL of dichloromethane. After that, 1.1 equivalents of triethylamine and 4-bromobut-2-enyl chloride were added dropwise at 0° C. and stirred at room temperature for 24 hours (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl-6-bromo-2 -methylidenehexanoate (ODBMI) was obtained.
[ODBMI의 화학식][Formula of ODBMI]
합성예 9: 2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl 2-methoxyprop-2-enoate의 합성Synthesis Example 9: Synthesis of 2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl 2-methoxyprop-2-enoate
4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one 8g을 100mL의 dichloromethane에 용해시켰다. 이후에 1.1 당량의 triethylamine 및 2-(methoxymethyl)prop-2-enoyl chloride를 0℃에서 적하시키고 24시간 상온에서 교반하여 2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl 2-methoxyprop-2-enoate(ODMPE)를 수득하였다.8 g of 4-(hydroxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one was dissolved in 100 mL of dichloromethane. After that, 1.1 equivalents of triethylamine and 2-(methoxymethyl)prop-2-enoyl chloride were added dropwise at 0°C, stirred at room temperature for 24 hours, and 2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl 2-methoxyprop-2-enoate (ODMPE) was obtained.
[ODMPE의 화학식][Chemical formula of ODMPE]
<실시예><Example>
실시예 1: 고체 전해질 및 코인 셀의 제조Example 1: Preparation of Solid Electrolyte and Coin Cell
합성예 1에서 제조된 화합물을 제1 단량체로, trimethylolpropane ethoxylate triacrylate를 제2 단량체로 하고, 리튬염으로 LiTFSI, 가소제로 succinonitrile을 투입하되 4 : 11 : 23 : 62의 중량비로 혼합한다. 광개시제로 irgacure 819를 제1 단량체와 제2 단량체의 합의 100 중량부 대비 0.05 중량부를 투입하여 고체 전해질 조성물을 제조하였다.Using the compound prepared in Synthesis Example 1 as a first monomer, trimethylolpropane ethoxylate triacrylate as a second monomer, LiTFSI as a lithium salt, and succinonitrile as a plasticizer were added, but mixed in a weight ratio of 4: 11: 23: 62. A solid electrolyte composition was prepared by adding 0.05 parts by weight of irgacure 819 as a photoinitiator based on 100 parts by weight of the sum of the first and second monomers.
제조된 고체 전해질 조성물을 유리 기판 위에 도포하여 365nm 파장의 UV를 5분을 조사하여 200㎛의 고체 전해질 막을 제조하였다. 이를 유리판에서 박리하고, 이를 리튬 메탈 사이에 적층하여 이온전도도 시험을 위한 2032 코인 셀을 제조하였다. 또한 상기 고체 전해질 막을 리튬 금속과 스테인리스 스틸 사이에 적층하여 ESW(Electrochemical Stability Window) 측정을 위한 코인 셀을 제조하였다.The prepared solid electrolyte composition was applied on a glass substrate and irradiated with UV of 365 nm wavelength for 5 minutes to prepare a 200 μm solid electrolyte membrane. This was peeled from the glass plate, and this was laminated between lithium metal to prepare a 2032 coin cell for ion conductivity test. In addition, the solid electrolyte membrane was laminated between lithium metal and stainless steel to prepare a coin cell for ESW (Electrochemical Stability Window) measurement.
여기서, 제2 단량체인 trimethylolpropane ethoxylate triacrylate의 화학식은 아래와 같다.Here, the chemical formula of the second monomer, trimethylolpropane ethoxylate triacrylate, is as follows.
[trimethylolpropane ethoxylate triacrylate의 화학식][Formula of trimethylolpropane ethoxylate triacrylate]
실시예 2 내지 5: 고체 전해질 및 코인 셀의 제조Examples 2 to 5: Preparation of solid electrolyte and coin cell
실시예 1과 동일하게 실시하여 코인 셀을 제조하되, 제1 단량체, 제2 단량체, 리튬염(LiTFSI), 가소제(succinonitrile)의 혼합 중량비를 표 1에 나타난 바와 같이 변량시켜 제조한 고체 전해질 조성물을 사용하여 코인셀을 제조한 점을 달리 하였다. 이 역시 이온 전도도 측정용 코인 셀과 ESW 측정을 위한 코인 셀로 구분하여 제조하였다.A coin cell was prepared in the same manner as in Example 1, but the mixing weight ratio of the first monomer, the second monomer, lithium salt (LiTFSI), and the plasticizer (succinonitrile) was varied as shown in Table 1 A solid electrolyte composition prepared by The point in which a coin cell was manufactured was different. This was also manufactured by dividing it into a coin cell for ion conductivity measurement and a coin cell for ESW measurement.
실시예 6 내지 10: 고체 전해질 및 코인 셀의 제조Examples 6 to 10: Preparation of Solid Electrolyte and Coin Cell
합성예 2에서 제조된 화합물을 제1 단량체로, poly(ethylene glycol) diacrylate (중량평균분자량: 700g/mol)를 사용하고, 리튬염으로 LiPF6, 가소제로서 glutaronitrile를 표 1과 같은 중량비로 투입하여 고체 전해질 조성물을 제조하였다. 제조된 고체 조성물들을 실시예 1과 같은 방법으로 고체 전해질 막과 이를 이용하여 코인 셀을 제조하였다. 코인 셀은 각각 이온전도도 측정용 코인 셀과 ESW 측정을 위한 코인 셀로 구분하여 제조하였다.The compound prepared in Synthesis Example 2 was used as a first monomer, poly(ethylene glycol) diacrylate (weight average molecular weight: 700 g/mol), LiPF 6 as a lithium salt, and glutaronitrile as a plasticizer were added in the weight ratio as shown in Table 1, A solid electrolyte composition was prepared. A solid electrolyte membrane and a coin cell were manufactured using the prepared solid compositions in the same manner as in Example 1. Each coin cell was manufactured by dividing it into a coin cell for ion conductivity measurement and a coin cell for ESW measurement.
실시예 11 내지 15: 고체 전해질 및 코인 셀의 제조Examples 11 to 15: Preparation of Solid Electrolyte and Coin Cell
합성예 3에서 제조된 화합물을 제1 단량체로, 3-(acryloyloxy)-2-hydroxypropyl methacrylate를 제2 단량체로 하고, 리튬염으로 LiTFSI와 LIBOB를 혼합하고, 가소제로서 succinonitrile를 사용하여 각각 표 1에 나타난 바와 같이 중량비를 조절하여 투입하였다. 광개시제로는 Irgacure 819를 실시예 1과 같은 함량으로 도입하여 고체 전해질 조성물을 제조하였다. 제조된 고체 조성물들을 실시예 1과 같은 방법으로 고체 전해질 막과 이를 이용하여 코인 셀을 제조하였다. 코인 셀은 실시예 1과 마찬가지로 이온전도도 측정용 코인 셀과 ESW 측정을 위한 코인 셀로 구분하여 제조하였다.The compound prepared in Synthesis Example 3 was used as a first monomer, 3-(acryloyloxy)-2-hydroxypropyl methacrylate as a second monomer, LiTFSI and LIBOB were mixed as lithium salts, and succinonitrile was used as a plasticizer in Table 1, respectively. As shown, it was added by adjusting the weight ratio. As a photoinitiator, Irgacure 819 was introduced in the same amount as in Example 1 to prepare a solid electrolyte composition. A solid electrolyte membrane and a coin cell were manufactured using the prepared solid compositions in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the coin cell was prepared by dividing it into a coin cell for measuring ionic conductivity and a coin cell for measuring ESW.
실시예 16 내지 21: 고체 전해질 및 코인 셀의 제조Examples 16-21: Preparation of Solid Electrolyte and Coin Cell
실시예 16은 합성예 4에서 합성된 화합물, 실시예 17은 합성예 5에서 합성된 화합물, 실시예 18은 합성예 6에서 합성된 화합물, 실시예 19는 합성예 7에서 합성된 화합물, 실시예 20은 합성예 8에서 합성된 화합물, 실시예 21은 합성예 9에서 합성된 화합물을 각각 제1 단량체로 하였다. 이들에 대하여 제2 단량체로 trimethylolpropane ethoxylate triacrylate를 사용하고, 리튬염으로는 LiTFSI, 가소제는 succinonitrile을 사용하였으며, 제1 단량체, 제2 단량체, 리튬염 및 가소제의 중량비는 4 : 11 : 23 : 62로 혼합하였고, 광개시제로 irgacure 819를 제1 단량체와 제2 단량체의 중량의 합을 100으로 한 데 대하여 0.05 중량부의 함량으로 투입하여 이들을 중합시켜 고체 전해질 조성물을 제조하였다. 제조된 조성물로부터 실시예 1과 같은 방법으로 고체 전해질막을 제조하였으며, 이를 이용하여 코인 셀을 제조하였다. 코인 셀은 각각 이온 전도도와 ESW 측정을 위한 코인 셀로 구분하여 제조하였다.Example 16 is the compound synthesized in Synthesis Example 4, Example 17 is the compound synthesized in Synthesis Example 5, Example 18 is the compound synthesized in Synthesis Example 6, Example 19 is the compound synthesized in Synthesis Example 7, Example 20, the compound synthesized in Synthesis Example 8, and Example 21, the compound synthesized in Synthesis Example 9 was used as a first monomer, respectively. For these, trimethylolpropane ethoxylate triacrylate was used as the second monomer, LiTFSI was used as the lithium salt, and succinonitrile was used as the plasticizer, and the weight ratio of the first monomer, the second monomer, the lithium salt and the plasticizer was 4: 11: 23: 62. After mixing, irgacure 819 as a photoinitiator was added in an amount of 0.05 parts by weight based on the sum of the weights of the first and second monomers equal to 100, and polymerized to prepare a solid electrolyte composition. A solid electrolyte membrane was prepared from the prepared composition in the same manner as in Example 1, and a coin cell was manufactured using this. Coin cells were separately manufactured into coin cells for ion conductivity and ESW measurement, respectively.
(mS/cm)ionic conductivity
(mS/cm)
안정성
(v)electrochemical
stability
(v)
비교예 1: 고체 전해질 및 코인 셀의 제조Comparative Example 1: Preparation of solid electrolyte and coin cell
2관능기를 가지는 단량체인 poly(ethylene glycol) diacrylate(PEDGA, 중량평균분자량: 700)를 사용하고, 리튬염으로 LiTFSI, 가소제로 succinonitrile를 사용하되, 단량체: 리튬염(LiTFSI) : 가소제(Succinonitrile)의 중량비를 30 : 20 : 50으로 하여 혼합하고, 단량체 100 중량부 대비 광개시제 irgacure 819를 0.05 중량부 투입하고 단량체를 중합시켜 고체 전해질 조성물을 제조하였다. 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 이 고체 전해질 조성물을 이용하여 고체 전해질 막 및 코인 셀을 제조하였다. 코인 셀을 제조하는 데 있어 이온전도도 측정용 및 ESW 측정용 코인 셀을 구분하여 제조하였다.Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEDGA, weight average molecular weight: 700), a monomer having a bifunctional group, is used, LiTFSI is used as a lithium salt, and succinonitrile is used as a plasticizer, but a monomer: lithium salt (LiTFSI): a plasticizer (Succinonitrile) A solid electrolyte composition was prepared by mixing the mixture at a weight ratio of 30:20:50, adding 0.05 parts by weight of photoinitiator irgacure 819 to 100 parts by weight of the monomer, and polymerizing the monomer. A solid electrolyte membrane and a coin cell were manufactured using this solid electrolyte composition in the same manner as in Example 1. In manufacturing the coin cell, a coin cell for measuring ionic conductivity and a coin cell for measuring ESW were separately manufactured.
비교예 2: 고체 전해질 및 코인 셀의 제조Comparative Example 2: Preparation of Solid Electrolyte and Coin Cell
합성예 1에서 제조된 화합물을 단량체로 하고, 리튬염으로 LiTFSI를, 가소제로 succinonitrile을 혼합하되, 단량체 : 리튬염(LiTFSI) : 가소제(succinonitrile)를 25 : 13 : 62의 중량비로 혼합하고, 광개시제를 투입하여 실시예 1과 같은 방법으로 고체 전해질 조성물, 고체 전해질 막 및 코인 셀을 제작하였다. 코인 셀을 제조하는 데 있어 이온전도도 측정용 및 ESW 측정용 코인 셀을 실시예 1과 같이 구분하여 제조하였다.Using the compound prepared in Synthesis Example 1 as a monomer, LiTFSI as a lithium salt and succinonitrile as a plasticizer were mixed, but a monomer: lithium salt (LiTFSI): a plasticizer (succinonitrile) was mixed in a weight ratio of 25: 13: 62, and a photoinitiator was added to prepare a solid electrolyte composition, a solid electrolyte membrane, and a coin cell in the same manner as in Example 1. In manufacturing the coin cell, coin cells for ion conductivity measurement and ESW measurement were separately prepared as in Example 1.
비교예 3: 고체 전해질 및 코인 셀의 제조Comparative Example 3: Preparation of solid electrolyte and coin cell
이온전도성 고분자로 폴리에틸렌옥사이드 (중량평균분자량: 10,000g/mol)와 리튬염으로 LiTFSI, 가소제로 succinonitrile를 사용하고, 중량비를 폴리에틸렌옥사이드 : 리튬염(LiTFSI) : 가소제(succinonitrile)를 20 : 30 : 50로 하여 혼합하여 THF 용제에 용해하여 고체 전해질 조성물을 제조하고, 이를 유리 기판에 캐스팅하였다. 캐스팅된 고체 전해질 조성물을 50℃의 온도 하에서 용제를 휘발시켜 고체 전해질막을 제조하였다.Polyethylene oxide (weight average molecular weight: 10,000 g/mol) as an ion conductive polymer, LiTFSI as a lithium salt, and succinonitrile as a plasticizer are used, and the weight ratio is polyethylene oxide: lithium salt (LiTFSI): plasticizer (succinonitrile) 20: 30: 50 was mixed and dissolved in a THF solvent to prepare a solid electrolyte composition, which was then cast on a glass substrate. The cast solid electrolyte composition was evaporated under a temperature of 50° C. to prepare a solid electrolyte membrane.
제조된 고체 전해질막을 실시예 1과 같은 방법으로 코인 셀을 제조하되, 실시예 1과 같이 이온전도도 측정용 및 ESW 측정용 코인 셀로 구분하여 제조하였다.A coin cell was prepared in the same manner as in Example 1, but the prepared solid electrolyte membrane was divided into coin cells for ion conductivity measurement and ESW measurement as in Example 1.
비교예 4: 고체 전해질 및 코인 셀의 제조Comparative Example 4: Preparation of Solid Electrolyte and Coin Cell
이온 전도성 고분자로서 상기 비교예 3의 폴리에틸렌옥사이드와 2관능의 단량체로 poly(ethylene glycol) diacrylate(PEGDA, 중량평균분자량: 700), 리튬염으로 LiTFSI, 가소제로서 succinonitrile을 사용하였으며, 폴리에틸렌옥사이드 : 2관능 단량체 : 리튬염(LiTFSI) : 가소제(succinonitrile)를 15 : 5 : 30 : 50의 중량비로 혼합하여 THF 용제에 용해하고 광개시제 irgacure 819를 단량체 100 중량부 대비 0.05 중량부로 추가 투입하여, 고체 전해질 조성물을 제조하였다.Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA, weight average molecular weight: 700) as the polyethylene oxide of Comparative Example 3 as an ion conductive polymer and a bifunctional monomer, LiTFSI as a lithium salt, and succinonitrile as a plasticizer were used, and polyethylene oxide: bifunctional Monomer: lithium salt (LiTFSI): plasticizer (succinonitrile) was mixed in a weight ratio of 15: 5: 30: 50, dissolved in THF solvent, and photoinitiator irgacure 819 was additionally added in an amount of 0.05 parts by weight based on 100 parts by weight of the monomer to form a solid electrolyte composition prepared.
상기 고체 전해질 조성물을 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 고체 전해질 막으로 제조하고, 이를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 코인 셀을 제조하되, 이온전도도 측정용 및 ESW 측정용 코인 셀로 구분하여 제조하였다.The solid electrolyte composition was prepared as a solid electrolyte membrane in the same manner as in Example 1, and a coin cell was prepared in the same manner as in Example 1 using this, but the coin cell for ion conductivity measurement and ESW measurement were separately prepared. .
상기 비교예 1 내지 비교예 4에서 사용된 각 물질들 및 그 함량비에 대하여서는 하기 표 2에 나타내었다.Each of the materials used in Comparative Examples 1 to 4 and their content ratios are shown in Table 2 below.
(mS/cm)ionic conductivity
(mS/cm)
(v)ESW
(v)
<시험예><Test Example>
시험예 1: 이온 전도도 측정Test Example 1: Ionic Conductivity Measurement
고분자 고체 전해질의 이온전도도는 임피던스를 측정한 뒤 하기 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다. 측정을 위하여 실시예 1 내지 15 및 비교예 1 내지 4에서 이온 전도도 측정용으로 제조한 코인 셀 샘플을 준비하였다.The ionic conductivity of the polymer solid electrolyte can be obtained by using Equation 1 below after measuring the impedance. For the measurement, coin cell samples prepared for ionic conductivity measurement in Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 4 were prepared.
각각의 코인 셀 샘플을 기판에 접촉시킨 후, 양 전극을 통하여 코인 셀에 교류 전압을 인가하였다. 이 때, 인가되는 조건으로 측정 주파수 1.0 MHz ~ 0.1 Hz의 진동수 범위로 설정하고, BioLogic 社의 VMP3를 이용하여 임피던스를 측정하였다. 측정된 임피던스 궤적의 반원이나 직선이 실수측과 만나는 교점으로부터 벌크 전해질의 저항을 구하고, 샘플의 넓이와 두께로부터 고분자 고체전해질 막의 이온전도도를 하기 수학식 1에 따라서 계산하였다.After each coin cell sample was brought into contact with the substrate, an AC voltage was applied to the coin cell through both electrodes. At this time, the measurement frequency was set to a frequency range of 1.0 MHz to 0.1 Hz as the applied conditions, and the impedance was measured using a VMP3 manufactured by BioLogic. The resistance of the bulk electrolyte was obtained from the intersection point where the semicircle or straight line of the measured impedance trace meets the real side, and the ionic conductivity of the polymer solid electrolyte membrane was calculated from the area and thickness of the sample according to Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
σ: 이온 전도도 (S/cm)σ: ionic conductivity (S/cm)
R: 임피던스 궤적과 실수축과의 교점R: The intersection of the impedance trajectory and the real axis
A: 고체 전해질막의 넓이A: the width of the solid electrolyte membrane
t: 고체 전해질막의 두께t: the thickness of the solid electrolyte membrane
시험예 2: ESW(Electrochemical Stability Window) 측정Test Example 2: ESW (Electrochemical Stability Window) Measurement
실시예 및 비교예에 따라 제조된 ESW 측정용 코인 셀의 스테인리스 스틸 전극을 측정 전극으로 하고, 리튬 금속을 대전극으로 하여, 5mV의 스캔율로 6V까지 선형주사 전압전류법(Linear Sweep Voltammetry, LSV)을 통하여 ESW 측정을 하였다. 그 결과는 각각 표 1 및 2에 나타내었다.Using the stainless steel electrode of the coin cell for ESW measurement prepared according to Examples and Comparative Examples as the measurement electrode, and lithium metal as the counter electrode, the linear scanning voltammetry (LSV) at a scan rate of 5 mV up to 6 V ) to measure ESW. The results are shown in Tables 1 and 2, respectively.
표 1 및 2를 참고하면, 화학식 1에 따른 구조를 포함하는 제1 단량체 없이 2관능 아크릴레이트계 단량체만을 포함하는 비교예 1, 제1 단량체만을 포함하고 이와 가교 가능한 2관능 이상의 단량체를 포함하지 않는 비교예 2, 폴리에틸렌 옥사이드 고분자만을 포함하는 비교예 3 및 폴리에틸렌 옥사이드 고분자와, 이와 가교 가능한 디아크릴레이트 단량체만을 포함하는 비교예 4는 모두 이온 전도도가 1.0 mS/cm 미만으로 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다.Referring to Tables 1 and 2, Comparative Example 1 including only a bifunctional acrylate-based monomer without a first monomer having a structure according to Formula 1, including only the first monomer and not including a bifunctional or higher monomer crosslinkable therewith Comparative Example 2, Comparative Example 3 containing only the polyethylene oxide polymer, and Comparative Example 4 including only the polyethylene oxide polymer and the diacrylate monomer crosslinkable therewith all had significantly low ionic conductivity of less than 1.0 mS/cm.
이에 반하여, 화학식 1에 따른 구조를 포함하는 제1 단량체를 포함하는 실시예 및 가교 가능한 2관능 이상의 단량체를 함께 포함하는 실시예의 고체 전해질을 포함하는 코인 셀들은 모두 이온 전도도가 1.0 mS/cm 이상으로 비교예에 비하여 높은 수치를 나타냈다.In contrast, the coin cells including the solid electrolyte of the embodiment including the first monomer having the structure according to Formula 1 and the solid electrolyte of the embodiment including the cross-linkable bifunctional or higher monomer all had an ionic conductivity of 1.0 mS/cm or more. It showed a higher numerical value than the comparative example.
ESW에 관한 시험예 2에서도 실시예에 따른 단량체를 가교 가능한 2관능 이상의 단량체와 함께 포함하여 중합 및 가교하여 형성한 고체 전해질을 포함하는 코인 셀의 ESW가 이 중 하나라도 결여한 비교예에 따른 고체 전해질을 포함하는 코인 셀에 비하여 우수한 것을 확인할 수 있었다.Also in Test Example 2 regarding ESW, the ESW of a coin cell comprising a solid electrolyte formed by polymerization and crosslinking by including the monomer according to Example together with a cross-linkable bifunctional or higher monomer is a solid according to Comparative Example lacking at least one of them It was confirmed that it was superior to the coin cell containing the electrolyte.
Claims (14)
하기 화학식 1의 구조를 포함하는 아크릴레이트계 화합물인 제1 단량체; 및 상기 제1 단량체와 가교 가능하고 바이닐기(vinyl group) 또는 아크릴로일기(acryloyl)기를 적어도 2개 이상 포함하는 다관능 화합물인 제2 단량체;를 포함하는 고체 고분자 전해질 조성물:
[화학식 1]
lithium salt;
a first monomer which is an acrylate-based compound having a structure of Formula 1 below; and a second monomer that is crosslinkable with the first monomer and is a polyfunctional compound including at least two vinyl groups or acryloyl groups;
[Formula 1]
상기 제1 단량체는 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물:
[화학식 1-1]
상기 화학식 1-1에 있어서,
R1은 수소, C1~C6의 알킬기, C1~C6의 할로알킬기 또는 C1~C6의 헤테로알킬기, R1`는 존재하지 않거나, (CH2CH2O)x, C1~C10의 알킬렌기, C1~C5의 할로알킬렌기, C1~C10의 헤테로알킬렌기, C6~C10의 방향족 고리, C5~C10의 지방족 고리, 또는 아미드기 중 하나이며,
상기 x는 1~10의 정수이다.
According to claim 1,
The first monomer is a solid polymer electrolyte composition, characterized in that the compound represented by the following formula 1-1:
[Formula 1-1]
In Formula 1-1,
R 1 is hydrogen, C 1 ~ C 6 Alkyl group, C 1 ~ C 6 Haloalkyl group or C 1 ~ C 6 heteroalkyl group, R 1 ` is absent, (CH 2 CH 2 O) x , C 1 ~ C 10 Alkylene group, C 1 ~ C 5 Haloalkylene group, C 1 ~ C 10 Heteroalkylene group, C 6 ~ C 10 Aromatic ring, C 5 ~ C 10 Aliphatic ring, or one of the amide group is,
Said x is an integer of 1-10.
상기 제1 단량체는 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물:
[화학식 1-2]
According to claim 1,
The first monomer is a solid polymer electrolyte composition, characterized in that the compound represented by the following formula 1-2:
[Formula 1-2]
상기 제2 단량체는 하기 화학식 2-1 내지 2-3으로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물:
[화학식 2-1]
[화학식 2-2]
[화학식 2-3]
상기 화학식 2-1 내지 2-3에 있어서,
R2는 각각 독립적으로 수소, C1~C6의 알킬기, C1~C6의 할로알킬기 또는 C1~C6의 헤테로알킬기이고,
R2`는 각각 독립적으로 C1~C6의 알킬렌기 또는 C1~C6의 할로알킬렌기이고,
R2``는 각각 독립적으로 -(OCH2CH2)a1-, -(OCH2CH(CH3))a2- 또는 -(OCH2CH2)a1(OCH2CH(CH3))a2- 이며, 여기서 a1과 a2는 1~10의 정수이다.
According to claim 1,
The second monomer is a solid polymer electrolyte composition comprising at least one of the compounds represented by the following Chemical Formulas 2-1 to 2-3:
[Formula 2-1]
[Formula 2-2]
[Formula 2-3]
In Formulas 2-1 to 2-3,
R 2 are each independently hydrogen, a C 1 ~ C 6 alkyl group, a C 1 ~ C 6 haloalkyl group, or a C 1 ~ C 6 heteroalkyl group,
R 2` are each independently a C 1 ~ C 6 alkylene group or a C 1 ~ C 6 haloalkylene group,
R 2`` is each independently -(OCH 2 CH 2 ) a1 -, -(OCH 2 CH(CH 3 )) a2 - or -(OCH 2 CH 2 ) a1 (OCH 2 CH(CH 3 )) a2 - where a1 and a2 are integers from 1 to 10.
상기 제2 단량체는 하기 화학식 2-4로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물:
[화학식 2-4]
상기 화학식 2-4에서, b는 각각 독립적으로 1~5의 정수이다.
According to claim 1,
The second monomer is a solid polymer electrolyte composition, characterized in that the compound represented by the following formula 2-4:
[Formula 2-4]
In Formula 2-4, b is each independently an integer of 1 to 5.
상기 제2 단량체는 하기 화학식 2-5로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물:
[화학식 2-5]
상기 화학식 2-5에서,
상기 c는 1~5의 정수이고,
R3는 각각 독립적으로 수소, C1~C6의 알킬기, C1~C6의 할로알킬기 또는 C1~C6의 헤테로알킬기이다.
According to claim 1,
The second monomer is a solid polymer electrolyte composition, characterized in that the compound represented by the following Chemical Formula 2-5:
[Formula 2-5]
In Formula 2-5,
Wherein c is an integer of 1 to 5,
R 3 is each independently hydrogen, a C 1 ~ C 6 alkyl group, a C 1 ~ C 6 haloalkyl group, or a C 1 ~ C 6 heteroalkyl group.
상기 리튬염은 양이온으로 Li+를 포함하고, 음이온으로 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, ClO4 -, BF4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
According to claim 1,
The lithium salt contains Li + as a cation and F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , ClO 4 - , BF 4 - , AlO 4 - , AlCl as an anion. 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - comprising at least one selected from the group consisting of A solid polymer electrolyte composition, characterized.
상기 고체 고분자 전해질 조성물은 상기 단량체들 가운데 상기 제1 단량체와 상기 제2 단량체를 20:80 내지 80:20의 중량비로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
According to claim 1,
The solid polymer electrolyte composition comprises the first monomer and the second monomer among the monomers in a weight ratio of 20:80 to 80:20.
상기 고체 고분자 전해질 조성물은 상기 제1 단량체 및 제2 단량체의 함량의 합이 전체 조성물 대비 5~50 중량%인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
According to claim 1,
The solid polymer electrolyte composition of the solid polymer electrolyte composition, characterized in that the sum of the content of the first monomer and the second monomer is 5 to 50% by weight based on the total composition.
상기 고체 고분자 전해질 조성물에서 리튬염의 함량은 전체 조성물 대비 10~40 중량%인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
According to claim 1,
The solid polymer electrolyte composition, characterized in that the content of the lithium salt in the solid polymer electrolyte composition is 10 to 40% by weight relative to the total composition.
상기 고체 고분자 전해질 조성물은 가소제 및 개시제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
According to claim 1,
The solid polymer electrolyte composition further comprises a plasticizer and an initiator.
상기 가소제는 숙시노니트릴(succinonitrile), 글루타로니트릴(glutaronitrile), 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(polyethylene glycol dimethylether), 테트라에틸렌 글리콜(tetraethylene glycol), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르(tetraethylene glycol dimethylether, 테트라글라임), 디메틸 프탈레이트(dimethyl phthalate), 디에틸 프탈레이트(diethyl phthalate), 디부틸 프탈레이트(dibutyl phthalate), 디옥틸 프탈레이트(dioctyl phthalate), 사이클릭 포스페이트(cyclic phosphate), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오르메탄술포닐)이미드[1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], N-메틸-N-프로필피페리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄 술포네이트(1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), N-부틸-N-에틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[N-butyl-Nethylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide] 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 조성물.
12. The method of claim 11,
The plasticizer is succinonitrile, glutaronitrile, polyethylene glycol dimethylether, tetraethylene glycol, ethylene carbonate, propylene carbonate, tetra Ethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), dimethyl phthalate (dimethyl phthalate), diethyl phthalate (diethyl phthalate), dibutyl phthalate (dibutyl phthalate), dioctyl phthalate (dioctyl phthalate), cyclic phosphate (cyclic) phosphate), 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl)imide [1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [N-methyl- N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide], 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), N-butyl-N-ethylpyrrolidinium bis(tri A solid polymer electrolyte composition comprising at least one selected from fluoromethanesulfonyl)imide [N-butyl-Nethylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide].
The solid polymer electrolyte composition according to any one of claims 1 to 12 is formed by curing, and the first monomer and the second monomer are copolymerized and crosslinked in a random order to obtain a random copolymer having a three-dimensional network structure. A solid polymer electrolyte comprising.
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