KR100368438B1 - Polymer electrolyte having multilayer structure, method for preparing the same and lithium secondary battery employing the same - Google Patents
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Abstract
다층 구조의 고분자 전해질, 이의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 이차 전지가 개시된다. 본 발명의 고분자 전해질은 기계적 강도 및 이온전도도가 우수한 제1 전해질층 및 리튬금속과의 계면안정성이 우수한 제2 전해질층을 포함한다. 기계적 강도 및 이온전도도가 우수한 제1 전해질층과 리튬금속과의 안정성이 우수한 제2 전해질층으로 이루어진 다층 구조의 고분자 전해질을 이용하여 리튬이차전지를 제조함으로써, 상기 고분자 전해질의 기계적 안정성 및 계면 안정성을 동시에 향상시킬 수 있으므로, 리튬금속 및 카본 음극을 사용하는 리튬이차전지의 안정된 충방전 특성을 얻을 수 있고, 고용량을 갖는 리튬이차전지를 용이하게 제조할 수 있다.A polymer electrolyte having a multilayer structure, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery using the same are disclosed. The polymer electrolyte of the present invention includes a first electrolyte layer having excellent mechanical strength and ion conductivity and a second electrolyte layer having excellent interfacial stability with lithium metal. By manufacturing a lithium secondary battery using a multi-layered polymer electrolyte composed of a first electrolyte layer having excellent mechanical strength and ion conductivity and a second electrolyte layer having excellent stability of lithium metal, mechanical stability and interfacial stability of the polymer electrolyte are improved. Since it can improve simultaneously, the stable charging / discharging characteristic of the lithium secondary battery using a lithium metal and a carbon negative electrode can be acquired, and the lithium secondary battery which has a high capacity can be manufactured easily.
Description
본 발명은 고분자 전해질, 이의 제조방법 및 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬금속에 우수한 계면 안정성을 나타내는 전해질층과 우수한 기계적 강도 및 이온전도도를 갖는 전해질층으로 이루어진 다층 구조를 갖는 고분자 전해질, 이의 제조방법 및 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery using the same. More particularly, the present invention relates to a polymer electrolyte having a multilayer structure including an electrolyte layer exhibiting excellent interfacial stability to lithium metal and an electrolyte layer having excellent mechanical strength and ion conductivity. The present invention relates to a polymer electrolyte, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery using the same.
일반적으로 고분자 리튬이차전지는 양극, 고분자 전해질, 음극으로 구성되어 있다. 이러한 구성성분은 전지의 수명, 충방전 용량, 온도특성, 안정성 등 이차전지의 다양한 요구조건을 충족시키도록 선택된다.In general, the polymer lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a polymer electrolyte, and a negative electrode. These components are selected to meet the various requirements of the secondary battery, such as battery life, charge and discharge capacity, temperature characteristics, stability.
기존의 이차전지에 사용되는 양극으로는 리튬(Li) 이온의 층간 탈/삽입이 가능한 층상구조를 이루는 리튬복합산화물(LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2)이 있으며, 최근에는 전도성 고분자와 디설파이드(disulfide)계 화합물을 이용한 고분자 양극이 각광을 받고 있다.The anodes used in the conventional secondary batteries include lithium composite oxides (LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 ) which form a layered structure that can be intercalated / deintercalated of lithium (Li) ions, and recently, conductive polymers and disulfides. Polymer anodes using (disulfide) compounds are in the spotlight.
리튬이차전지에 사용되는 음극으로는 메소카본 마이크로비드(mesocarbon microbead; MCMB), 메소상 카본섬유(mesophase carbon fiber; MPCF)등의 흑연(graphite) 또는 코크(coke) 등의 탄소계열의 재료들 또는 리튬 금속이 통상적으로 사용된다.As a negative electrode used in a lithium secondary battery, carbon-based materials such as graphite or coke, such as mesocarbon microbead (MCMB), mesophase carbon fiber (MPCF), or Lithium metal is commonly used.
이 중 고분자 전해질은 우수한 이온전도도와 열적, 전기화학적 안정성 그리고 우수한 기계적 강도와 전극과의 접착성이 요구되며, 전해액의 누액의 문제가 없으며, 전지의 제조가 용이한 특성을 가지는 리튬 이차전지의 핵심 구성요소이다.Among them, polymer electrolytes require excellent ionic conductivity, thermal and electrochemical stability, excellent mechanical strength and adhesion to electrodes, and there is no problem of leakage of electrolyte solution. Component.
전해질은 유기용매, 리튬염 및 고분자 세퍼레이터로 구성된다.The electrolyte is composed of an organic solvent, a lithium salt, and a polymer separator.
현재 사용되거나 개발되고 있는 고분자 전해질에 일반적으로 사용되는 유기용매로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등의 액상의 주 유기용매와 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 등의 액상 조 유기 용매가 사용된다.The organic solvents generally used in the polymer electrolytes currently used or developed include liquid main organic solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate, and liquid crude organic solvents such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate.
또한, 리튬염으로는 육플루오르화 인산 리튬(LiPF6), 육플루오르화 비산 리튬(LiAsF6) 등이 사용되며, 이러한 리튬염들을 수용할 수 있는 전해질로는 폴리비닐리덴디플루오라이드(polyvinylidene difluoride; PVdF)계열, 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile; PAN)계열, 폴리에틸렌 옥사이드 계열 또는 이들의 공중합체 또는 혼합체가 사용되고 있고, 주로 다공성 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 세퍼레이터가 사용되고 있다.In addition, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium hexafluorophosphate (LiAsF 6 ), and the like are used as lithium salts, and polyvinylidene difluoride may be used as an electrolyte that can accommodate such lithium salts. PVdF) series, polyacrylonitrile (PAN) series, polyethylene oxide series or copolymers or mixtures thereof are used, and porous polyethylene and polypropylene separators are mainly used.
그러나, 기존에 사용되고 있는 카본 음극은 리튬메탈보다 우수한 안정성을 나타내지만, 용량은 리튬메탈에 비하여 매우 낮아 고밀도의 리튬 이차전지의 제조에 한계가 있다.However, although the carbon anodes used in the prior art show better stability than lithium metal, the capacity is very low compared to lithium metal, and thus there is a limitation in manufacturing a high density lithium secondary battery.
한편, 리튬메탈 또한, 유기 전해액 및 고분자와의 반응으로 인하여 리튬의 활성이 줄어들고 덴드라이트의 생성으로 말미암아 단락이 발생하는 문제점이 있다.On the other hand, lithium metal also has a problem in that the activity of the lithium is reduced due to the reaction with the organic electrolyte and the polymer and short circuit due to the generation of dendrites.
이에 따라 다층 구조를 가지는 고분자 전해질의 제조방법이 미합중국 특허 제5,853,916호에 개시되어 있다.Accordingly, a method of manufacturing a polymer electrolyte having a multilayer structure is disclosed in US Pat. No. 5,853,916.
그러나, 상기 고분자 전해질은 다층 구조의 고분자 전해질이 각각 non-gelling 층과 gelling 층으로 구성됨으로써, 상기 고분자 전해질과 양극 및 음극의계면 접착성이 저하되는 문제점이 있다.However, the polymer electrolyte has a problem in that interfacial adhesion between the polymer electrolyte, the positive electrode and the negative electrode is deteriorated because the polymer electrolyte having a multilayer structure is composed of a non-gelling layer and a gelling layer, respectively.
또한, 미합중국 특허 제5,716,421호 및 제5,834,135호에는 다공성 세퍼레이터와 겔형 고분자 전해질의 다층 구조를 가지는 고분자 전해질의 제조방법이 개시되어 있으나, 상기 고분자 전해질도 상술한 바와 같이 상기 고분자 전해질과 양극 및 음극의 계면 접착성 및 각 고분자 전해질 간의 접착성이 저하되는 문제점이 있다.In addition, US Pat. Nos. 5,716,421 and 5,834,135 disclose a method for preparing a polymer electrolyte having a multilayer structure of a porous separator and a gel polymer electrolyte, but the polymer electrolyte also has an interface between the polymer electrolyte and the positive electrode and the negative electrode as described above. There is a problem that the adhesion and the adhesion between each polymer electrolyte is lowered.
따라서, 리튬메탈과의 안정성이 우수하면서 덴드라이트의 생성으로 인한 단락을 방지할 정도의 기계적 강도를 나타내는 고분자 전해질의 개발이 시급한 실정이다.Therefore, there is an urgent need to develop a polymer electrolyte that has excellent stability with lithium metal and exhibits mechanical strength that is sufficient to prevent a short circuit due to generation of dendrites.
따라서, 본 발명의 목적은 이온 전도도, 기계적 강도 및 리튬메탈과의 안정성이 우수한 고분자 전해질, 이의 제조방법 및 이를 이용한 리튬이차전지를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte having excellent ion conductivity, mechanical strength, and stability with lithium metal, a method for preparing the same, and a lithium secondary battery using the same.
도 1은 본 발명에 따른 리튬이차전지의 구조를 설명하기 위한 개략도이다.1 is a schematic view for explaining the structure of a lithium secondary battery according to the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 고분자 전해질을 이용하여 구성된 리튬이차전지의 충방전 특성을 나타낸 것이다.2 shows charge and discharge characteristics of a lithium secondary battery constructed using a polymer electrolyte prepared according to Example 1 of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 고분자 전해질을 이용하여 구성된 리튬이차전지의 0.2C rate에서의 주기(cycle) 특성을 나타낸 것이다.3 shows cycle characteristics at a 0.2C rate of a lithium secondary battery constructed using a polymer electrolyte prepared according to Example 1 of the present invention.
도 4는 종래의 리튬이차전지의 충방전시 전압형상을 조사한 결과를 나타낸 것이다.Figure 4 shows the results of examining the voltage shape during the charge and discharge of the conventional lithium secondary battery.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of the drawings>
2 : 양극 4 : 제1 전해질층2: anode 4: first electrolyte layer
6 : 음극 8 : 제2 전해질층6: cathode 8: second electrolyte layer
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기계적 강도 및 이온전도도가 우수한 제1 전해질층 및 리튬금속과의 계면안정성이 우수한 제2 전해질층을 포함하는 고분자 전해질을 제공한다.In order to achieve the above object of the present invention, the present invention provides a polymer electrolyte comprising a first electrolyte layer excellent in mechanical strength and ionic conductivity and a second electrolyte layer excellent in interfacial stability with lithium metal.
상기 제1 전해질층은 폴리아크릴로나이트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에스테르, 폴리아마이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌계의 고분자, 이들의 혼합물 및 이들의 공중합체로부터 선택된 어느 하나의 고분자와 리튬염이 용해된 전해액이 1:2∼10의 비율로 혼합되어 형성되며, 상기 제2 전해질층은 폴리아크릴로나이트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드계의 고분자, 이들의 혼합물 및 이들의 공중합체로부터 선택된 어느 하나의 고분자와 리튬염이 용해된 전해액이 1:2∼10의 비율로 혼합되어 형성된다.The first electrolyte layer is polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, polyester, polyamide, polyethylene, polypropylene-based polymers, mixtures thereof and copolymers thereof Any one selected from the polymer and the electrolyte solution in which the lithium salt is dissolved are formed by mixing in a ratio of 1: 2 to 10, wherein the second electrolyte layer is polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride , Polyethylene oxide, a polypropylene oxide-based polymer, a mixture thereof, and a copolymer selected from any one of polymers and a lithium salt-dissolved electrolyte are formed by mixing at a ratio of 1: 2 to 10.
폴리비닐리덴플루오라이드계 고분자는 다량의 전해액과 리튬염을 함유하면서도 우수한 기계적 강도를 유지하는 특성을 나타내고, 폴리아크릴레이트계 고분자는 전해액과의 친화성이 우수하여 전극과 전해질과 잘 접착되는 특성을 나타낸다. 또한, 상기 폴리아크릴레이트계 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드와 균일하게 혼합되는 특성을 나타내며 폴리비닐리덴플루오라이드계 고분자의 우수한 기계적 물성을 저해하지 않으면서 전해질과 전극간의 접착력을 향상시키는 데 효과적이다.The polyvinylidene fluoride polymer exhibits excellent mechanical strength while containing a large amount of electrolyte and lithium salt, and the polyacrylate polymer has good affinity with the electrolyte, and thus has good adhesion with the electrode and the electrolyte. Indicates. In addition, the polyacrylate-based polymer exhibits a property of uniformly mixing with polyvinylidene fluoride and is effective in improving adhesion between the electrolyte and the electrode without inhibiting the excellent mechanical properties of the polyvinylidene fluoride-based polymer.
또한, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드계 고분자를 사용하여 형성된 전해질은 음극을 사용되는 리튬금속과 우수한 안정성을 갖는다.In addition, an electrolyte formed using polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, and polypropylene oxide-based polymer has excellent stability with lithium metal using a negative electrode.
따라서, 상기 물질들을 사용하여 각각의 특성을 갖는 다층 구조의 전해질을 제조함으로써, 리튬금속과의 안정성, 높은 이온전도도, 전기화학적 안정성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 만족시킬 수 있는 고분자 전해질을 얻을 수 있고, 이러한 고분자 전해질을 사용하여 리튬이차전지를 제조함으로써, 안정된 충방전 특성 및 고용량을 갖는 리튬이차전지를 얻을 수 있다.Thus, by preparing an electrolyte having a multi-layered structure having each characteristic using the above materials, it is possible to obtain a polymer electrolyte that can satisfy the stability, high ionic conductivity, electrochemical stability and excellent mechanical properties with lithium metal at the same time, By manufacturing a lithium secondary battery using such a polymer electrolyte, a lithium secondary battery having stable charge and discharge characteristics and a high capacity can be obtained.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 고분자 전해질은 제1 전해질층 및 제2 전해질층을 포함한다.The polymer electrolyte of the present invention includes a first electrolyte layer and a second electrolyte layer.
상기 제1 전해질층은 양극과 접착되며, 상기 제2 전해질층은 음극과 접착을 이룬다.The first electrolyte layer is bonded to the positive electrode, and the second electrolyte layer is attached to the negative electrode.
상기 제1 전해질층은 다량의 전해액과 리튬염을 함유하면서도 우수한 기계적 강도를 유지하는 특성을 나타내므로, 제2 전해질층과 리튬금속 계면에서 성장되어오는 덴드라이트에 의한 단락을 방지하며, 우수한 이온전도도에 의한 셀 저항의 감소 및 우수한 기계적 강도에 의한 공정상의 용이성을 부여하게 된다.Since the first electrolyte layer contains a large amount of electrolyte solution and lithium salt and maintains excellent mechanical strength, the first electrolyte layer prevents short circuit caused by dendrites grown at the interface between the second electrolyte layer and the lithium metal, and has excellent ion conductivity. By the reduction of the cell resistance by the excellent mechanical strength is given to the process ease.
또한, 제2 전해질층은 리튬금속과 접촉하면서 리튬금속음극에 리튬이온이 흡착 및 탈착되는 과정에서의 계면 박리를 최소화하면서, 리튬의 덴드라이트 생성을 억제하는 작용을 하게된다.In addition, the second electrolyte layer serves to suppress the generation of lithium dendrites while minimizing interfacial peeling during the process of adsorbing and desorbing lithium ions onto the lithium metal cathode while being in contact with the lithium metal.
이러한 상기 제1 전해질층에 사용되는 고분자로는 폴리아크릴로나이트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에스테르, 폴리아마이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌계의 고분자, 이들의 혼합물 및 이들의 공중합체 등이 사용되며, 상술한 고분자에 리튬염이 용해된 전해액을 상기 고분자 중량의 2∼10배의 비로 첨가하여 약 20∼200℃의 온도로 가열하여 균일한 용액을 제조한 후, 닥터 블레이드 방법을 사용하여 제막하여 상기 제1 전해질층을 제조한다.As the polymer used in the first electrolyte layer, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, polyester, polyamide, polyethylene, polypropylene-based polymer, these A mixture, a copolymer thereof, and the like are used. An electrolyte solution in which lithium salt is dissolved in the above-described polymer is added at a ratio of 2 to 10 times the weight of the polymer, and heated to a temperature of about 20 to 200 ° C. to prepare a uniform solution. Thereafter, the film is formed using a doctor blade method to produce the first electrolyte layer.
상기 전해액으로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC) 및감마-카프로락톤(γ-BL) 등 또는 이들이 혼합물이 사용되며, 상기 고분자 혼합물과 상기 전해액과의 비율은 약 1:2∼10을 가지는 것이 바람직하다.The electrolyte may be ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), gamma-caprolactone (γ-BL), or a mixture thereof. It is preferably used, and the ratio of the polymer mixture and the electrolyte is preferably about 1: 2 to 10.
상기 리튬염으로는 각각 농도가 0.2∼4M인 과염소산리튬(LiCl04), 트리플루오르 메탄산 술폰화 리튬(LiCF3SO3), 보론 플루오르화 리튬(LiBF4), 육플루오르화 인산 리튬(LiPF6), 육플루오르화 비산 리튬(LiAsF6) 등의 리튬염 또는 이들의 혼합물이 사용된다.Examples of the lithium salts include lithium perchlorate (LiCl0 4 ), lithium trifluoromethane sulfonate (LiCF 3 SO 3 ), boron lithium fluoride (LiBF 4 ), and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) each having a concentration of 0.2 to 4 M. ), Lithium salts such as lithium hexafluoride arsenate (LiAsF 6 ), or mixtures thereof.
또한, 상기 제1 전해질층은 상기 고분자, 리튬염, 및 전해액의 혼합물에 테트라하이드로퓨란(THF) 및 아세톤 등의 공용매를 상기 전해액 중량의 1.5∼3배의 비율로 첨가하여 상온에서 120℃의 범위 내에서 가열하여 닥터 블레이드 법으로 코팅하여 제조할 수도 있다.In addition, the first electrolyte layer is a mixture of tetrahydrofuran (THF) and acetone to the mixture of the polymer, the lithium salt, and the electrolyte at a ratio of 1.5 to 3 times the weight of the electrolyte, and at 120 ° C. It can also manufacture by heating in the range and coating by a doctor blade method.
이 때, 상기 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드 등은 제1 전해질층 및 제2 전해질층으로써 모두 사용될 수 있으나, 이 경우 전해액의 성분에 따라 그 특성이 달라진다.In this case, the polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and the like may be used as both the first electrolyte layer and the second electrolyte layer, but in this case, its properties vary depending on the components of the electrolyte solution.
즉, 상기 제1 전해질층의 고분자 성분으로써 폴리아크릴로나이트릴 또는 폴리비닐리덴플루오라이드 등을 사용하는 경우에는 기계적 강도 및 이온 전도도를 향상시키기 위하여, 전해액으로써 프로필렌 카보네이트나 감마-카프로락톤을 사용하는 것이 바람직하다.That is, when polyacrylonitrile or polyvinylidene fluoride is used as the polymer component of the first electrolyte layer, propylene carbonate or gamma-caprolactone is used as the electrolyte to improve mechanical strength and ionic conductivity. It is preferable.
또한, 상기 제1 전해질층에는 상기 제2 전해질층과의 균일한 계면 접착을 위하여 상기 제1 전해질층을 이루는 전체 고분자 함량의 20%미만의 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리프로필렌 옥사이드를 첨가할 수도 있다.In addition, polymethyl methacrylate, polyethylene oxide or polypropylene oxide of less than 20% of the total polymer content of the first electrolyte layer is added to the first electrolyte layer for uniform interfacial adhesion with the second electrolyte layer. You may.
상기 제2 전해질층에 사용되는 고분자로는 폴리아크릴로나이트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드계의 고분자, 이들의 혼합물 및 이들의 공중합체 등이 사용되며, 상술한 고분자에 리튬염이 용해된 전해액을 상기 고분자 중량의 2∼10배의 비로 첨가하여 약 20∼200℃의 온도로 가열하여 균일한 용액을 제조한 후, 닥터 블레이드 방법을 사용하여 제막하여 상기 제2 전해질층을 제조한다.As the polymer used in the second electrolyte layer, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polypropylene oxide-based polymers, mixtures thereof and copolymers thereof may be used. After adding the electrolyte solution in which the lithium salt is dissolved in the above-mentioned polymer at a ratio of 2 to 10 times the weight of the polymer, and heating it to a temperature of about 20 to 200 ° C. to prepare a uniform solution, a film was formed using a doctor blade method. To prepare the second electrolyte layer.
이 때, 사용되는 상기 전해액 및 상기 리튬염은 상술한 제1 전해질층에 사용된 전해액 및 리튬염과 동일하며, 상술한 제1 전해질층의 제조방법에 기재된 바와 같이 테트라하이드로퓨란(THF) 및 아세톤 등의 공용매를 상기 전해액 중량의 1.5∼3배의 비율로 첨가하여 상온에서 120℃의 범위 내에서 가열하여 닥터 블레이드 법으로 코팅하여 제조할 수도 있다.In this case, the electrolyte solution and the lithium salt used are the same as the electrolyte solution and lithium salt used in the above-mentioned first electrolyte layer, and tetrahydrofuran (THF) and acetone as described in the method for producing the above-mentioned first electrolyte layer. Cosolvents, such as these, may be added at a ratio of 1.5 to 3 times the weight of the electrolyte solution, and heated at room temperature within a range of 120 ° C. to coat the same by a doctor blade method.
또한, 상기 제2 전해질층의 고분자 성분으로써, 폴리아크릴로나이트릴을 사용하는 경우에는 리튬금속과의 계면안정성을 향상시키기 위하여, 전해액으로써 에틸렌 카보네이트를 사용하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 상기 전해액에 디메틸 카보네이트 또는 메틸에틸 카보네이트를 더 첨가하는 것이 바람직하다.In addition, when polyacrylonitrile is used as the polymer component of the second electrolyte layer, ethylene carbonate is preferably used as the electrolyte solution in order to improve interfacial stability with lithium metal. More preferably, dimethyl carbonate or methylethyl carbonate is further added to the electrolyte solution.
이 때, 사용되는 상기 에틸렌 카보네이트의 함량은 기계적 강도를 유지하기 위하여 전해액 총량을 기준으로 약 30∼80중량%정도가 포함되는 것이 바람직하며, 디메틸 카보네이트 또는 메틸에틸 카보네이트의 함량은 20∼70중량%정도가 된다.At this time, the content of the ethylene carbonate used is preferably contained about 30 to 80% by weight based on the total amount of the electrolyte in order to maintain mechanical strength, the content of dimethyl carbonate or methylethyl carbonate is 20 to 70% by weight It is about.
이 때, 상기 에틸렌 카보네이트의 함량이 40중량%이하가 되는 경우에는 기계적 강도 및 저온충방전 용량을 향상시키기 위하여 전해액 총량을 기준으로 하여 약 20∼40중량%의 프로필렌 카보네이트 또는 감마-카프로락톤을 첨가하는 것이 바람직하며, 이 경우 기계적 강도의 향상과 저온충방전 용량 향상에 유리하다.At this time, when the content of the ethylene carbonate is 40% by weight or less, about 20 to 40% by weight of propylene carbonate or gamma-caprolactone is added based on the total amount of the electrolyte in order to improve mechanical strength and low temperature charge and discharge capacity. In this case, it is advantageous to improve the mechanical strength and to improve the low-temperature charge and discharge capacity.
또한, 상기 제2 전해질층의 고분자 성분으로써, 폴리메틸메타크릴레이트를 사용하는 경우에는 상기 제2 전해질층에 우수한 접착성을 부여하기 위하여 전해액으로써 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 및 감마-카프로락톤 등을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, in the case of using polymethyl methacrylate as the polymer component of the second electrolyte layer, ethylene carbonate, propylene carbonate, gamma-caprolactone, and the like are used as electrolyte to impart excellent adhesion to the second electrolyte layer. It is desirable to.
상기 제1 전해질층 및 상기 제2 전해질층의 성능을 향상시키기 위하여, 상기 각 고분자 혼합물에 대하여 약 2∼50%의 산화규소(SiO2), 제올라이트(zeolite) 및 산화알루미늄(Al2O3)을 첨가하는 것도 가능하다.In order to improve the performance of the first electrolyte layer and the second electrolyte layer, about 2 to 50% of silicon oxide (SiO 2 ), zeolite and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with respect to each polymer mixture. It is also possible to add.
상술한 바와 같이 상기 제1 전해질층 및 상기 제2 전해질층을 형성한 후에는 상기 제1 전해질층 상에 상기 제2 전해질층을 접착시켜 고분자 전해질을 제조한다.As described above, after the first electrolyte layer and the second electrolyte layer are formed, the polymer electrolyte is prepared by adhering the second electrolyte layer on the first electrolyte layer.
이와 같이 고분자 전해질을 제조하는 방법으로는 상기 제1 전해질층 상에 제2 전해질층을 코팅하여 형성하는 방법이 사용될 수도 있다.As such, a method of manufacturing the polymer electrolyte by coating a second electrolyte layer on the first electrolyte layer may be used.
즉, 상기 제1 전해질층 상에 제2 전해질층을 코팅하여 형성하는 방법은 상술한 방법으로 제1 전해질층을 우선 형성하고, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드계의 고분자, 이들의 혼합물 및 이들의 공중합체 등으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자에 리튬염이 용해된 전해액을 상기 고분자 중량의 2∼10배의 비로 첨가하여 상온(약 25℃)에서 혼합한 후, 상기 혼합용액을 약 80℃에서 한시간 동안 가열하고, 다시 약 120℃에서 20분간 가열하여 균질한 제2 전해질 용액을 제조한 후, 상기 용액을 상기 제1 전해질층 상에 직접 코팅한다.That is, in the method of coating and forming the second electrolyte layer on the first electrolyte layer, the first electrolyte layer is first formed by the aforementioned method, and polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, and polyvinylidene fluoride are formed. , At least one polymer selected from polyethylene oxide, polypropylene oxide-based polymers, mixtures thereof, copolymers thereof, and the like, in which an electrolyte solution in which lithium salt is dissolved is added at a ratio of 2 to 10 times the weight of the polymer. ℃)), the mixed solution was heated at about 80 ℃ for one hour, and then heated at about 120 ℃ for 20 minutes to prepare a homogeneous second electrolyte solution, the solution on the first electrolyte layer Direct coating
상기 코팅하는 방법은 닥터 블레이드 방법을 이용하여 상기 제1 전해질층 상에 제2 전해질층을 형성하는 방법과, 상기 제1 전해질층을 제2 전해질 용액에 dip coating하여 양면에 제2 전해질층이 형성된 고분자 전해질을 얻는 방법이 사용될 수 있다.The coating method includes a method of forming a second electrolyte layer on the first electrolyte layer by using a doctor blade method, and a second electrolyte layer formed on both surfaces by dip coating the first electrolyte layer on a second electrolyte solution. A method of obtaining a polymer electrolyte can be used.
하기 표 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질에 대한 상온에서의 이온전도도를 나타낸 것이다.Table 1 shows the ionic conductivity at room temperature for the polymer electrolyte according to the present invention.
상기와 같이 제1 전해질층 및 제2 전해질층으로 이루어진 고분자 전해질은 우수한 이온전도 특성을 나타내었으며, 상기 제1 전해질층의 우수한 기계적 강도에 의해 상기 고분자 전해질이 2배로 연신된 경우에도 끊어지지 않는 우수한 기계적 강도를 나타내었다.As described above, the polymer electrolyte composed of the first electrolyte layer and the second electrolyte layer exhibited excellent ion conducting properties, and the polymer electrolyte of the first electrolyte layer did not break even when the polymer electrolyte was drawn twice by the excellent mechanical strength. Mechanical strength is shown.
상기와 같이 제조된 고분자 전해질을 이용하여 리튬이차전지를 제조하는 방법은 다음과 같다.A method of manufacturing a lithium secondary battery using the polymer electrolyte prepared as described above is as follows.
도 1은 본 발명에 따른 리튬이차전지의 구조를 설명하기 위한 개략도이다1 is a schematic view for explaining the structure of a lithium secondary battery according to the present invention.
도 1을 참조하면, 활물질, 도전제, 바인더 및 용매를 혼합하여 형성된 양극(2)을 제1 전해질층(4)의 일측면에 부착하고, 리튬금속 음극(6)을 제2 전해질층(8)의 일측면에 부착한다.Referring to FIG. 1, the positive electrode 2 formed by mixing an active material, a conductive agent, a binder, and a solvent is attached to one side of the first electrolyte layer 4, and the lithium metal negative electrode 6 is attached to the second electrolyte layer 8. Attach to one side of).
이어서, 상기 양극(2) 및 상기 음극(4) 중 상기 제1 전해질층(4) 및 상기 제2 전해질층(8)으로 구성된 고분자 전해질이 형성되지 않은 면에 각각 탭을 부착하고, 상기 결과물을 케이스에 적재한 후, 일정량의 액체 전해액을 상기 케이스의 내부에 주입하여 리튬이차전지를 제조한다.Subsequently, a tab is attached to a surface of the positive electrode 2 and the negative electrode 4 on which a polymer electrolyte composed of the first electrolyte layer 4 and the second electrolyte layer 8 is not formed, and the resulting product is attached. After loading in a case, a predetermined amount of liquid electrolyte is injected into the case to manufacture a lithium secondary battery.
이하 본 발명의 수지 조성물을 하기 실시예로서 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Although the resin composition of this invention is demonstrated concretely as an Example below, the scope of the present invention is not restrict | limited by these Examples.
실시예 1Example 1
폴리아크릴로나이트릴 1g과 1M의 육플루오르화 인산 리튬(LiPF6)이 용해된 에틸렌 카보네이트(EC)/프로필렌 카보네이트(PC)(중량비 2:1)의 혼합 용액 7g을 상온에서 혼합한 후, 약 80℃에서 한시간 동안 가열하고, 약 120℃에서 20분간 가열하여 제1 전해질 용액을 제조하였다. 이를 닥터 블레이드 방법을 이용하여 100㎛의 두께로 제막하여 제1 전해질층을 제조하였다.After mixing 1 g of polyacrylonitrile and 7 g of a mixed solution of ethylene carbonate (EC) / propylene carbonate (PC) (weight ratio 2: 1) in which 1 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved, the mixture was mixed at room temperature. Heated at 80 ° C. for one hour and heated at about 120 ° C. for 20 minutes to prepare a first electrolyte solution. This was formed into a film with a thickness of 100 μm using a doctor blade method to prepare a first electrolyte layer.
폴리메틸메타크릴레이트 1g과 1M의 육플루오르화 인산 리튬(LiPF6)이 용해된 에틸렌 카보네이트(EC)/프로필렌 카보네이트(PC)(중량비 2:1)의 혼합 용액 7g을 상온에서 혼합한 후, 약 80℃에서 한시간 동안 가열하고, 약 120℃에서 15분간 가열하여 제2 전해질 용액을 제조하였다. 이를 50㎛의 두께로 상기 제1 전해질층 상에직접 코팅하여 제1 전해질층과 제2 전해질층이 순차적으로 적층된 고분자 전해질을 제조하였다.After mixing 1 g of polymethyl methacrylate and 7 g of a mixed solution of ethylene carbonate (EC) / propylene carbonate (PC) (weight ratio 2: 1) in which 1 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved, the mixture was mixed at room temperature. A second electrolyte solution was prepared by heating at 80 ° C. for one hour and heating at about 120 ° C. for 15 minutes. This was directly coated on the first electrolyte layer with a thickness of 50 μm to prepare a polymer electrolyte in which the first electrolyte layer and the second electrolyte layer were sequentially stacked.
실시예 2Example 2
상술한 실시예 1과 동일한 방법으로 제1 전해질층을 제조하고, 상술한 실시예 2와 동일한 방법으로 제2 전해질 용액을 제조한 후, 상기 제2 전해질 용액을 닥터 블레이드 방법을 이용하여 제막하여 제2 전해질층을 제조한 다음, 상기 제1 전해질층 및 상기 제2 전해질층을 접착시켜 고분자 전해질을 제조하였다.The first electrolyte layer was prepared in the same manner as in Example 1, the second electrolyte solution was prepared in the same manner as in Example 2, and the second electrolyte solution was formed into a film by using a doctor blade method. 2 prepared an electrolyte layer, and then a polymer electrolyte was prepared by adhering the first electrolyte layer and the second electrolyte layer.
실시예 3Example 3
폴리비닐클로라이드 0.7g과 폴리메틸메타크릴레이트 0.3g의 혼합물에 1M의 육플루오르화 인산 리튬(LiPF6)이 용해된 에틸렌 카보네이트(EC)/디메틸 카보네이트(DMC)(중량비 1:1)의 혼합 용액 5g과 THF 5g을 상온에서 혼합한 후, 상술한 실시예 1과 동일한 방법으로 제1 전해질층을 제조하였다.A mixed solution of ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) (weight ratio 1: 1) in which 1 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in a mixture of 0.7 g of polyvinyl chloride and 0.3 g of polymethylmethacrylate. After mixing 5 g and 5 g of THF at room temperature, a first electrolyte layer was prepared in the same manner as in Example 1 above.
폴리비닐리덴플루오라이드 0.3g과 폴리아크릴로나이트릴 0.7g의 혼합물에 1M의 육플루오르화 인산 리튬(LiPF6)이 용해된 에틸렌 카보네이트(EC)/디메틸 카보네이트(DMC)(중량비 1:1)의 혼합 용액 5g을 상온에서 혼합한 후, 120℃에서 30분간 혼합하여 균일하고 점성이 높은 상태의 제2 전해질 용액을 얻었다.Ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) (1: 1 weight ratio) in which 1 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in a mixture of 0.3 g of polyvinylidene fluoride and 0.7 g of polyacrylonitrile. After mixing 5 g of the mixed solution at room temperature, the mixture was mixed at 120 ° C. for 30 minutes to obtain a second electrolyte solution having a uniform and high viscosity.
이어서, 상기 제1 전해질층 상에 상기 제2 전해질 용액을 닥터 블레이드 방법을 이용하여 직접 코팅하여 제1 전해질층 및 제2 전해질층이 순차적으로 적층된 고분자 전해질을 제조하였다.Subsequently, the second electrolyte solution was directly coated on the first electrolyte layer using a doctor blade method to prepare a polymer electrolyte in which the first electrolyte layer and the second electrolyte layer were sequentially stacked.
실시예 4Example 4
폴리비닐리덴플루오라이드 761(Atochem사 제품) 0.3g과 폴리아크릴로나이트릴 0.7g의 혼합물에 1M의 육플루오르화 인산 리튬(LiPF6)이 용해된 에틸렌 카보네이트(EC)/디메틸 카보네이트(DMC)/프로필렌 카보네이트(PC)(중량비 2:0.5/0.5)의 혼합 용액 7g을 상온에서 혼합하고, 이를 120℃의 온도로 가열하여 균질의 제1 전해질 용액을 제조한 후, 이를 상술한 실시예 1과 동일한 방법으로 제1 전해질층을 제조하였다.Ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / in which 1 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in a mixture of 0.3 g of polyvinylidene fluoride 761 (manufactured by Atochem) and 0.7 g of polyacrylonitrile. 7 g of a mixed solution of propylene carbonate (PC) (weight ratio 2: 0.5 / 0.5) was mixed at room temperature, heated to a temperature of 120 ° C. to prepare a homogeneous first electrolyte solution, and the same as in Example 1 described above. The first electrolyte layer was prepared by the method.
폴리메틸메타크릴레이트 3g과 1M의 육플루오르화 인산 리튬(LiPF6)이 용해된 에틸렌 카보네이트(EC)/디메틸 카보네이트(DMC)(중량비 1:1)의 혼합 용액 18g을 혼합하여 제2 전해질 용액을 형성한 후, 상기 제1 전해질층을 상기 제2 전해질 용액에 dip coating하여 제1 전해질층의 양면에 제2 전해질층이 코팅된 고분자 전해질을 제조하였다.A second electrolyte solution was prepared by mixing 3 g of polymethylmethacrylate and 18 g of a mixed solution of ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) (weight ratio 1: 1) in which 1 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved. After the formation, the first electrolyte layer was dip coated on the second electrolyte solution to prepare a polymer electrolyte coated with a second electrolyte layer on both surfaces of the first electrolyte layer.
비교예Comparative example
종래의 방법에 따라 폴리메틸메타크릴레이트 1g과 1M의 육플루오르화 인산 리튬(LiPF6)이 용해된 에틸렌 카보네이트(EC)/프로필렌 카보네이트(PC)(중량비 2:1)의 혼합 용액 4g을 상온에서 혼합한 후, 80℃에서 한시간 동안 가열하고, 120℃에서 15분간 가열하여 전해질 용액을 제조하였다. 이어서 상기 전해질 용액을 닥터 블레이드 방법으로 이용하여 200㎛의 두께로 제막하여 전해질을 제조하였다.According to the conventional method, 4 g of a mixed solution of ethylene carbonate (EC) / propylene carbonate (PC) (weight ratio 2: 1) in which 1 g of polymethyl methacrylate and 1 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) are dissolved is added at room temperature. After mixing, the mixture was heated at 80 ° C. for one hour and heated at 120 ° C. for 15 minutes to prepare an electrolyte solution. Subsequently, the electrolyte solution was formed into a film having a thickness of 200 μm using the doctor blade method to prepare an electrolyte.
성능평가Performance evaluation
상기 실시예 1에 따라 제조된 고분자 전해질의 상기 제1 전해질층에 코발트산 리튬(LiCoO2) 양극을 접착시키고, 상기 제2 전해질층에 리튬금속 음극을 접착시켜 제조한 전지를 이용하여 0.2 rate로 양극을 기준으로 전극용량 및 사이클 수명을 조사한 결과를 도 2 및 도 3에 도시하였다.A lithium cobalt (LiCoO 2 ) positive electrode was attached to the first electrolyte layer of the polymer electrolyte prepared according to Example 1, and a lithium metal negative electrode was attached to the second electrolyte layer at a rate of 0.2%. The results of the investigation of the electrode capacity and cycle life based on the anode are shown in FIGS. 2 and 3.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 고분자 전해질을 이용하여 구성된 리튬이차전지의 충방전 특성을 나타낸 것이다.2 shows charge and discharge characteristics of a lithium secondary battery constructed using a polymer electrolyte prepared according to Example 1 of the present invention.
도 2에 나타난 바에 따르면, 0.2C rate로 충방전시키는 경우 일반적인 리튬이차전지와 유사한 정상적인 충방전 특성을 나타냄을 알 수 있다.As shown in Figure 2, it can be seen that when charging and discharging at a 0.2C rate shows a normal charge and discharge characteristics similar to a typical lithium secondary battery.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 고분자 전해질을 이용하여 구성된 리튬이차전지의 0.2C rate에서의 주기(cycle) 특성을 나타낸 것이다.3 shows cycle characteristics at a 0.2C rate of a lithium secondary battery constructed using a polymer electrolyte prepared according to Example 1 of the present invention.
도 3에 나타난 바에 따르면, 일정한 방전용량을 나타냄을 알 수 있다.As shown in Figure 3, it can be seen that a constant discharge capacity.
또한, 상기 비교예에 따라 제조된 고분자 전해질의 일측면에 코발트산 리튬(LiCoO2) 양극을 접착시키고, 상기 고분자 전해질의 타측면에 리튬금속 음극을 접착시켜 제조한 전지를 이용하여 충방전시 전압형상을 조사한 결과를 도 4에 나타내었다.In addition, a voltage during charge and discharge using a battery prepared by adhering a lithium cobalt (LiCoO 2 ) positive electrode to one side of the polymer electrolyte prepared according to the comparative example, and by attaching a lithium metal negative electrode to the other side of the polymer electrolyte The result of examining the shape is shown in FIG.
도 4에 나타난 바에 따르면, 정전류 충전/방전시 셀 전압이 사이클이 진행됨에 따라 감소하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, it can be seen that the cell voltage decreases as the cycle progresses during constant current charge / discharge.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기계적 강도와 이온전도도가 우수한제2 전해질층과 리튬금속과의 계면 안정성이 우수한 제2 전해질층으로 이루어진 고분자 전해질을 형성하여 리튬이차전지를 제조함으로써, 상기 고분자 전해질의 기계적 안정성 및 계면 안정성을 동시에 향상시킬 수 있으므로, 리튬금속 및 카본 음극을 사용하는 리튬이차전지의 안정된 충방전 특성을 얻을 수 있고, 고용량을 갖는 리튬이차전지를 용이하게 제조할 수 있다.As described above, according to the present invention, the polymer electrolyte is formed by forming a polymer electrolyte including a second electrolyte layer having excellent mechanical stability and ionic conductivity and a second electrolyte layer having excellent interfacial stability between lithium metal. Since the mechanical stability and the interfacial stability can be improved simultaneously, stable charge and discharge characteristics of the lithium secondary battery using the lithium metal and the carbon negative electrode can be obtained, and a lithium secondary battery having a high capacity can be easily manufactured.
이에 더하여 상기 고분자 전해질은 리튬이차전지 외에도 캐패시터(capacitor)의 전해질 및 센서(sensor)의 전해질로서 다양하게 응용될 수 있다.In addition to the lithium secondary battery, the polymer electrolyte may be variously applied as an electrolyte of a capacitor and an electrolyte of a sensor.
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