KR100400215B1 - Polymer matrix, polymer solid electrolyte containing the matrix, and lithium secondary battery employing the electrolyte - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A polymer matrix, a polymer solid electrolyte containing the matrix, and a lithium secondary battery employing the electrolyte are provided, to improve the ion conductivity at a room temperature, the affinity of a polymer matrix to an electrolyte solution and the binding force to an electrode for reducing the interface resistance between an electrode and an electrolyte. CONSTITUTION: The polymer matrix comprises a trimethylolpropane derivative represented by (H2C=CR1-CO2CH2)3CC2H5; a hydrophilic polymer; and a binding polymer, wherein R1 is H or CH3. Preferably the binding polymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide, poly(vinyl chloride), poly(vinyl acetate) and poly(vinyl fluoride); and the hydrophilic polymer is represented by -(CH2-CR2H)n-, wherein R2 is 2-pyrrolidinonyl, OCOCH3, OCOCH=CH2, C6H5, CN or SO2CH=CH2; and n is 10-2,000. The polymer solid electrolyte comprises the polymer matrix; and an electrolyte solution contained in the polymer matrix.

Description

고분자 매트릭스, 이를 포함하고 있는 고분자 고체 전해질 및 이 고분자 고체 전해질을 채용하고 있는 리튬 2차전지A polymer matrix, a polymer solid electrolyte containing the same, and a lithium secondary battery employing the polymer solid electrolyte

본 발명은 리튬 2차전지에 관한 것으로서, 전자기기용 전원으로 많이 사용되는 리튬 2차전지의 고분자 고체 전해질 구성요소인 고분자 매트릭스, 이를 포함하고 있는 고분자 고체 전해질 및 이를 채용하고 있는 리튬 2차전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lithium secondary battery, comprising a polymer matrix as a polymer solid electrolyte component of a lithium secondary battery, which is widely used as a power source for electronic devices, a polymer solid electrolyte including the same, and a lithium secondary battery employing the same. will be.

고분자 고체 전해질의 이온전도도는 전지 충방전시 내부저항에 큰 영향을 줄 뿐만 아니라 전지의 효율 및 율속에 매우 중요한 영향을 미친다. 따라서 전해질은 기본적으로 전지의 단락을 방지할 수 있어야 하고 다량의 전해액을 함습하여 높은 이온전도도를 유지하여야 하며 리튬 이온의 원활한 이동이 가능하여야 한다.The ionic conductivity of the polymer solid electrolyte not only greatly affects the internal resistance during battery charging and discharging, but also has a very important effect on the efficiency and rate of the battery. Therefore, the electrolyte should basically be able to prevent the short circuit of the battery, to maintain a high ion conductivity by moistening a large amount of electrolyte solution and to be able to move the lithium ions smoothly.

미국 특허 제4758483호, 제4792504호 및 제4908284호는 고분자 고체 전해질을 구성하는 고분자 매트릭스의 구체적인 예로서 폴리에틸렌옥사이드(PEO)의 가교체를 개시하고 있다. 이 가교체는 제조하기가 용이하여 대량생산이 가능하지만 이러한 고분자 매트릭스를 포함하는 고분자 고체 전해질은 실온에서의 이온전도도가 10-5S/cm 이하로 낮다. 따라서, 실온에서는 사용이 불가능하고 60℃ 이상의 온도에서만 사용가능하다. 즉 고온용 전해질로는 사용할 수 있지만 일반적인 전자기기가 사용되는 상온에서는 사용이 불가능하다는 단점을 가지고 있어서 아직까지도 실용화가 곤란하였다.U.S. Pat.Nos.4758483,4792504 and 4908284 disclose crosslinks of polyethylene oxide (PEO) as specific examples of the polymer matrix constituting the polymer solid electrolyte. The crosslinked product is easy to manufacture and can be mass-produced, but the polymer solid electrolyte containing such a polymer matrix has a low ionic conductivity of 10 −5 S / cm or less at room temperature. Therefore, they cannot be used at room temperature and can only be used at temperatures above 60 ° C. That is, although it can be used as a high-temperature electrolyte, it has a disadvantage that it cannot be used at room temperature where general electronic devices are used, and it is still difficult to practically use.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(trimethylolpropane triacrylate: TMPTA)와 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone: PVP)을 포함하는 물질로 이루어지는 고분자 매트릭스와 그 안에 함유된 전해액을 구비하고 있는 고분자 고체 전해질이 제안되었다. 이 전해질은 상온에서의 이온전도도는 우수하지만, 유연성이 부족하여 가공하기가 어렵고 전극에 대한 전해질의 밀착성이 부족하여 계면저항이 증가되는 문제점이 있다.In order to solve the above problems, a polymer matrix comprising a material comprising trimethylolpropane triacrylate (TMPTA) and polyvinylpyrrolidone (PVP) and an electrolyte solution contained therein Solid electrolytes have been proposed. Although the electrolyte has excellent ion conductivity at room temperature, it is difficult to process due to lack of flexibility, and there is a problem in that the interface resistance is increased due to insufficient adhesion of the electrolyte to the electrode.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 이온전도성과 유연성이 우수한 고분자 매트릭스를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to solve the above problems to provide a polymer matrix excellent in ion conductivity and flexibility.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 고분자 매트릭스를 포함함으로써 상온에서의 이온전도도가 우수할 뿐만 아니라 유연성이 우수하고 전극-전해질간의 계면저항을 감소시킬 수 있는 고분자 고체 전해질을 제공하는 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a polymer solid electrolyte which is excellent in ionic conductivity at room temperature as well as excellent in flexibility and can reduce the interfacial resistance between electrode and electrolyte by including the polymer matrix.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 고분자 고체 전해질을 채용함으로써 내부저항이 감소되어 고전류밀도에서의 동작이 원할하게 이루어질 수 있는 리튬 2차전지를 제공하는 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a lithium secondary battery capable of smoothly operating at a high current density by reducing the internal resistance by employing the polymer solid electrolyte.

상기 첫번째 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체, 친수성 폴리머 및 결합성 폴리머를 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스를 제공한다.In order to achieve the first object, the present invention provides a polymer matrix comprising a material comprising a trimethylolpropane derivative represented by the formula (1), a hydrophilic polymer and a binding polymer.

<화학식 1><Formula 1>

Figure kpo00001
Figure kpo00001

상기식중, R1은 수소 또는 메틸기이다.In said formula, R <1> is hydrogen or a methyl group.

상기 결합성 폴리머는 유리전이온도가 낮고 상온에서 유연한 특성을 가지고 있는 물질로서, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리염화비닐, 폴리비닐아세테이트 및 폴리비닐플루오라이드중에서 선택된다.The binding polymer is a material having low glass transition temperature and flexible characteristics at room temperature, and is selected from polyethylene oxide, polyvinyl chloride, polyvinylacetate, and polyvinyl fluoride.

상기 두번째 과제는 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체, 친수성 폴리머 및 결합성 폴리머를 포함하는 물질로 이루어지는 고분자 매트릭스; 및The second object is a polymer matrix made of a material comprising a trimethylolpropane derivative represented by the formula (1), a hydrophilic polymer and a binding polymer; And

상기 고분자 매트릭스안에 함유된 전해액;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질에 의하여 이루어진다.It is made by a polymer solid electrolyte comprising a; electrolyte contained in the polymer matrix.

<화학식 1><Formula 1>

Figure kpo00002
Figure kpo00002

상기식중, R1은 수소 또는 메틸기이다.In said formula, R <1> is hydrogen or a methyl group.

본 발명의 세번째 과제는 상기 고분자 고체 전해질을 채용하고 있는 리튬 2차전지에 의하여 이루어진다.A third object of the present invention is achieved by a lithium secondary battery employing the polymer solid electrolyte.

본 발명의 고분자 매트릭스는 화학식 1의 트리메틸올프로판 유도체, 폴리비닐피롤리돈과 같은 친수성 폴리머 및 폴리에틸렌옥사이드와 같은 결합성 폴리머를 포함하는 물질로 이루어진다. 이를 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 고분자 매트릭스는 화학식 1로 표시되는 소수성의 트리메틸올프로판 유도체를 중합함으로써 형성된 망목구조의 호모폴리머와, 상기 호모폴리머의 망목구조안에 함유된 친수성 폴리머 및 결합성 폴리머로 이루어진다.The polymer matrix of the present invention consists of a material comprising a trimethylolpropane derivative of formula (1), a hydrophilic polymer such as polyvinylpyrrolidone and a binding polymer such as polyethylene oxide. In more detail, the polymer matrix is composed of a homopolymer of a network structure formed by polymerizing a hydrophobic trimethylolpropane derivative represented by Formula 1, and a hydrophilic polymer and a binding polymer contained in the network structure of the homopolymer.

또는 고분자 매트릭스는 화학식 1로 표시되는 소수성의 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머와의 공중합체로 이루어져 있고, 상기 공중합체로 된 망목구조안에 함유된 결합성 폴리머로 이루어진다.Alternatively, the polymer matrix is composed of a copolymer of a hydrophobic trimethylolpropane derivative represented by the formula (1) and a hydrophilic polymer, and is composed of a binding polymer contained in a network of the copolymer.

또는 일부는 화학식 1의 트리메틸올프로판 유도체의 호모폴리머(homopolymer)와, 상기 호모폴리머의 망목구조 사이에 존재하는 친수성 폴리머 및 결합성 폴리머로 이루어지고, 나머지 일부는 화학식 1로 표시되는 소수성의 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머와의 공중합체로 이루어져 있고, 상기 공중합체로 된 망목구조안에 함유된 결합성 폴리머로 이루어진다.Or part of the homopolymer of the trimethylolpropane derivative of Formula 1 and a hydrophilic polymer and a binding polymer present between the network structure of the homopolymer, and the other part of the hydrophobic trimethylol of Formula 1 It consists of a copolymer of a propane derivative and a hydrophilic polymer, and consists of a binding polymer contained in a network of the copolymer.

상기 결합성 폴리머의 함량은 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머와의 총중량에 대하여 10 내지 30중량%인 것이 바람직하다. 여기에서, 결합성 폴리머의 함량이 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머와의 총중량에 대하여 30중량%를 초과하면, 결합성은 증가하지만 강도가 저하되어 고분자 매트릭스로서의 형상 유지가 곤란하고, 10중량% 미만이면 목적하는 결합성 향상 및 전도도 증가에 전혀 기여하지 못하여 바람직하지 못하다.The amount of the binder polymer is preferably 10 to 30% by weight based on the total weight of the trimethylolpropane derivative and the hydrophilic polymer. Here, when the content of the binding polymer exceeds 30% by weight relative to the total weight of the trimethylolpropane derivative and the hydrophilic polymer, the binding property is increased but the strength is lowered, so that it is difficult to maintain the shape as the polymer matrix, and when the content is less than 10% by weight. It is undesirable because it does not contribute at all to the desired improvement in binding and increase in conductivity.

상기 화학식 1의 트리메틸프로판 유도체와 친수성 폴리머와의 혼합중량비는 1:1 내지 1:10인 것이 바람직하다. 여기에서 트리메틸프로판 유도체의 함량이 상기 범위를 초과하면 전해질의 전기화학적 특성이 저하된다. 반면, 트리메틸올프로판 유도체의 함량이 상기 범위 미만이면 전해질의 기계적 강도가 저하되어 바람직하지 못하다.It is preferable that the mixing weight ratio of the trimethylpropane derivative of Formula 1 and the hydrophilic polymer is 1: 1 to 1:10. When the content of the trimethylpropane derivative exceeds the above range, the electrochemical properties of the electrolyte are lowered. On the other hand, when the content of the trimethylolpropane derivative is less than the above range, the mechanical strength of the electrolyte is lowered, which is not preferable.

트리메틸올프로판 유도체는 화학식 1로부터 알 수 있듯이 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(trimethylolpropane triacrylate: TMPTA) 또는 트리메틸올올프로판 트리메타크릴레이트(trimethylolpropane trimethacrylate: TMPTMA)이다.The trimethylolpropane derivative is trimethylolpropane triacrylate (TMPTA) or trimethylolpropane trimethacrylate (TMPTMA), as can be seen from the formula (1).

상기 친수성 폴리머는 특별히 제한되지는 않으나. 화학식 2의 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 여기에는 폴리비닐피롤리돈{poly(vinyl pyrrolidone)}, 폴리비닐아세테이트{poly(vinyl acetate)}, 폴리비닐아크릴레이트{poly(vinyl acrylate)}, 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐술폰{poly(vinyl sulfone)} 등이 속한다.The hydrophilic polymer is not particularly limited. Preference is given to using compounds of the formula (2). These include polyvinylpyrrolidone {poly (vinyl pyrrolidone)}, polyvinyl acetate {poly (vinyl acetate)}, polyvinyl acrylate {poly (vinyl acrylate)}, polystyrene, polyacrylonitrile And polyvinyl sulfone {poly (vinyl sulfone)} and the like.

또한, 친수성 폴리머의 중량평균분자량은 1×104내지 1×105인 것이 바람직한데, 그 중에서도 중량평분자량이 5×104인 폴리비닐피롤리돈이 가장 바람직하다.In addition, the weight average molecular weight of the hydrophilic polymer is preferably 1 × 10 4 to 1 × 10 5 , among which polyvinylpyrrolidone having a weight basis molecular weight of 5 × 10 4 is most preferred.

Figure kpo00003
Figure kpo00003

상기식중, R2는 2-피롤리디노닐(2-pyrrolidinonyl), OCOCH3, OCOCH=CH2, C6H5, CN 및 SO2CH=CH2로 이루어진 군으로부터 선택되고;In the formula, R 2 is selected from the 2-pyrrolidino carbonyl (2-pyrrolidinonyl), OCOCH 3 , OCOCH = CH 2, C 6 H 5, the group consisting of CN and SO 2 CH = CH 2;

n은 10 내지 2000의 수이다n is a number from 10 to 2000

본 발명의 고분자 고체 전해질은 상술한 고분자 매트릭스와, 상기 고분자 매트릭스안에 함유된 전해액을 포함하고 있다. 이 때 상기 고분자 매트릭스안에 함유되어 있는 친수성 폴리머는 리튬 이온이 해리되어 있는 전해액 함습을 용이하게 함으로써 전해질의 이온전도도를 높여주는 역할을 하며, 결합성 폴리머는 전극에 대한 결합력을 높여주고 전해질의 유연성을 개선시키는 역할을 한다.The polymer solid electrolyte of the present invention contains the above-described polymer matrix and the electrolyte solution contained in the polymer matrix. In this case, the hydrophilic polymer contained in the polymer matrix serves to increase the ion conductivity of the electrolyte by facilitating the electrolyte solution in which the lithium ions are dissociated, and the binding polymer increases the bonding strength to the electrode and the flexibility of the electrolyte. To improve.

본 발명의 고분자 고체 전해질에 있어서, 고분자 매트릭스와 전해액의 중량비를 적절하게 조정하는 것이 중요하다. 바람직하기로는, 고분자 매트릭스는 5 내지 60중량%, 전해액은 40 내지 95중량%이다. 여기에서 고분자 매트릭스가 전해질 총중량을 기준으로 하여 5중량% 미만이면 전해질의 기계적 강도가 저하되고, 60중량%를 초과하면 전해질의 기계적 강도는 향상되지만 전해질의 이온전도도가 저하되어 바람직하지 못하다.In the polymer solid electrolyte of the present invention, it is important to appropriately adjust the weight ratio of the polymer matrix and the electrolyte solution. Preferably, the polymer matrix is 5 to 60% by weight and the electrolyte is 40 to 95% by weight. If the polymer matrix is less than 5% by weight based on the total weight of the electrolyte, the mechanical strength of the electrolyte is lowered. If the polymer matrix is more than 60% by weight, the mechanical strength of the electrolyte is improved, but the ion conductivity of the electrolyte is lowered.

본 발명에 따른 고분자 고체 전해질의 제조방법을 설명하기로 한다.The manufacturing method of the polymer solid electrolyte according to the present invention will be described.

먼저 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체와 화학식 2의 친수성 폴리머를 1:1 내지 1:10 중량비로 혼합하고, 여기에 결합성 고분자, 이온성 무기염, 용매, 중합개시제 등을 첨가하여 고분자 고체 전해질 조성물을 준비한다. 후공정에서 유기전해액이 쉽게 함침될 수 있도록 상기 조성물에 가소제를 첨가하기도 한다. 이 때 가소제로는 프탈산디부틸 등을 사용한다.First, the trimethylolpropane derivative represented by Chemical Formula 1 and the hydrophilic polymer of Chemical Formula 2 are mixed at a weight ratio of 1: 1 to 1:10, and a binder polymer, an ionic inorganic salt, a solvent, a polymerization initiator, and the like are added to the polymer solid. Prepare the electrolyte composition. A plasticizer may be added to the composition so that the organic electrolyte can be easily impregnated in a later step. At this time, dibutyl phthalate or the like is used as the plasticizer.

상기 고분자 고체 전해질 조성물을 닥터 블래이드(doctor blade)나 바코터기(bar coater) 등의 수단을 사용하여 테프론박막, 마일라막(mylar film) 등과 같은 지지체위에 도포한 다음, 이를 중합하여 본 발명에 따른 고분자 고체 전해질을 완성한다.The polymer solid electrolyte composition is applied onto a support such as a Teflon thin film, a mylar film, etc. using a means such as a doctor blade or a bar coater, and then polymerized to polymer the polymer according to the present invention. Complete the solid electrolyte.

여기에서 고분자 고체 전해질은, 상술한 바와 같이 별도의 지지체상에 도포하여 제조할 수 있을 뿐만 아니라 전극 상부에 고분자 고체 전해질 조성물을 직접 도포하여 제조하는 것도 가능하다.Here, the polymer solid electrolyte may be prepared by applying a polymer solid electrolyte composition directly on the electrode, as well as by coating on a separate support as described above.

본 발명에 있어서, 전해액의 용매로는 비수용성 용매, 특히 유전상수와 극성이 커서 해리되기가 용이한 비수용성 용매를 사용한다.In the present invention, as the solvent of the electrolytic solution, a non-aqueous solvent, particularly a non-aqueous solvent that is large in polarity with the dielectric constant and easily dissociated, is used.

상기 비수용성 용매로는 화학식 1과 2의 고분자 매트릭스 형성용 화합물 등과의 혼합시 상분리특성이 나타나지 않는 것이라면 모두 사용가능하다. 그 중에서도 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate: PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate: EC), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 1,3-디옥소란(1,3-dioxolane), 디메톡시에탄(dimethoxyethane), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate) 및 디에틸카보네이트(diethylcarbonate), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran: THF), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide) 및 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(polyethyleneglycol dimethylether)중에서 선택된 적어도 1종의 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 용매의 함량은 고분자 고체 전해질에서 사용하는 통상적인 수준이다.The non-aqueous solvent may be used as long as it does not exhibit phase separation when mixed with a compound for forming a polymer matrix of Formulas 1 and 2. Among them, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane (1,3-dioxolane), dimethoxyethane ( using at least one solvent selected from dimethoxyethane, dimethylcarbonate and diethylcarbonate, tetrahydrofuran (THF), dimethylsulfoxide and polyethyleneglycol dimethylether. It is preferable. And the content of the solvent is the usual level used in the polymer solid electrolyte.

무기염으로는 유기용매중에서 해리되어 리튬 이온을 내는 리튬 화합물이라면 특별히 제한되지는 않으며, 그 구체적인 예로서 과염소산 리튬(lithium perchlorate, LiClO4), 사불화붕산 리튬(lithium tetrafluoroborate, LiBF4), 육불화인산 리튬(lithium hexafluorophosphate, LiPF6), 삼불화메탄술폰산 리튬(lithium trifluoromethansulfonate, LiCF3SO3) 및 리튬 비스트리플루오로메탄술포닐아미드(lithium bistrifluoromethansulfonylamide. LiN(CF3SO2)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 이온성 리튬염을 사용한다. 이러한 무기염을 함유하는 유기전해액이 고분자 매트릭스안에 투입되면 전류의 방향에 따라 리튬 이온을 이동시키는 경로로서 작용하게 된다. 그리고 무기염의 함량은 고분자 고체 전해질에서 사용하는 통상적인 수준이다.The inorganic salt is not particularly limited as long as it is a lithium compound that dissociates in an organic solvent to give lithium ions, and specific examples thereof include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and hexafluoride. Group consisting of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium trifluoromethansulfonate (LiCF 3 SO 3 ) and lithium bistrifluoromethansulfonylamide.LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) At least one ionic lithium salt selected from is used. When the organic electrolyte solution containing such an inorganic salt is introduced into the polymer matrix, it acts as a path for moving lithium ions along the direction of the current. And the content of the inorganic salt is the usual level used in the polymer solid electrolyte.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 고분자 고체 전해질을 채용한 리튬 2차전지 및 그 제조방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a lithium secondary battery employing a polymer solid electrolyte and a method of manufacturing the same according to an exemplary embodiment of the present invention will be described.

먼저, 본 발명에 따른 고분자 고체 전해질 조성물, 즉, 상기 화학식 1의 트리메틸올프로판 유도체와, 친수성 폴리머와, 결합성 폴리머와, 중합개시제와, 무기염 및 용매로 이루어진 전해액을 포함하고 있는 조성물에 리튬망간산화물, 리튬니켈산화물, 리튬코발트산화물 등과 같은 리튬 양극 활물질중에서 선택된 하나 및 도전제를 첨가한 다음, 충분히 혼합한다.First, lithium is contained in a polymer solid electrolyte composition according to the present invention, that is, a composition containing an electrolyte consisting of a trimethylolpropane derivative of Formula 1, a hydrophilic polymer, a binding polymer, a polymerization initiator, an inorganic salt, and a solvent. One selected from a lithium cathode active material such as manganese oxide, lithium nickel oxide, lithium cobalt oxide, and the like and a conductive agent are added, followed by sufficient mixing.

상기 반응 혼합물을 양극 집전체 상부에 코팅한 다음, 열을 가하여 콤포지트 양극층을 형성한다.The reaction mixture is coated on top of the positive electrode current collector and then heated to form a composite positive electrode layer.

한편, 음극 집전체상에 카본 분말과 상기 고분자 고체 전해질 조성물의 혼합물을 코팅하고 열을 가하여 콤포지트 음극층을 형성한다.On the other hand, a mixture of the carbon powder and the polymer solid electrolyte composition is coated on a negative electrode current collector and heat is applied to form a composite negative electrode layer.

상기 콤포지트 음극층, 고분자 고체 전해질층 및 콤포지트 양극층을 포갠 다음, 열처리 또는 소정압력을 가하여 접합함으로써 본 발명에 따른 리튬 2차전지를 완성한다.The composite negative electrode layer, the polymer solid electrolyte layer, and the composite positive electrode layer are stacked, and then bonded by applying a heat treatment or a predetermined pressure to complete the lithium secondary battery according to the present invention.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited only to the following Examples.

<실시예 1><Example 1>

깨끗한 유리병에 PVP 6g, PEO 1g 및 TMPTA 3g을 부가한 다음, 여기에 LiPF6의 EC/PC 용액(1M, EC/PC의 부피비=1:1) 15g와 아세토니트릴 2.5㎖를 넣어 충분히 혼합하였다. 상기 혼합물에 BEE 0.1g을 부가하고 재혼합한 다음, 이를 닥터 블래이드를 이용하여 테프론 기판위에 약 100㎛ 두께로 캐스팅을 실시하였다.6 g of PVP, 1 g of PEO, and 3 g of TMPTA were added to a clean glass bottle, and 15 g of an EC / PC solution of LiPF 6 (1M, volume ratio of EC / PC = 1: 1) and 2.5 ml of acetonitrile were mixed well. . 0.1 g of BEE was added to the mixture and remixed, which was then cast to a thickness of about 100 μm on a Teflon substrate using a doctor blade.

상기 결과물을 건조한 다음, 자외선(350㎚)을 조사하여 약 5분동안 광중합시켜서 고분자 고체 전해질을 완성하였다.The resultant was dried and irradiated with ultraviolet (350 nm) to photopolymerize for about 5 minutes to complete the polymer solid electrolyte.

<실시예 2><Example 2>

PVP 6g, PEO 1g 및 TMPTA 3g 대신, PVP 5g, PEO 2g 및 TMPTA 3g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.It was carried out in the same manner as in Example 1, except that 5 g PVP, 2 g PEO and 3 g TMPTA were used instead of 6 g PVP, 1 g PEO and 3 g TMPTA.

<실시예 3><Example 3>

PVP 6g, PEO 1g 및 TMPTA 3g 대신, PVP 4g, PEO 3g 및 TMPTA 3g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.Instead of using PVP 6g, PEO 1g and TMPTA 3g, PVP 4g, PEO 3g and TMPTA 3g were used in the same manner as in Example 1.

<비교예 1>Comparative Example 1

PVP 6g, PEO 1g 및 TMPTA 3g 대신, PVP 7g 및 TMPTA 3g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.It carried out according to the same method as Example 1, except that 7 g of PVP and 3 g of TMPTA were used instead of 6 g of PVP, 1 g of PEO and 3 g of TMPTA.

<비교예 2>Comparative Example 2

PVP 4g, PEO 3g 및 TMPTA 3g 대신, PEO 7g 및 TMPTA 3g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was conducted except that instead of PVP 4g, PEO 3g and TMPTA 3g, 7g PEO and 3g TMPTA were used.

상기와 같은 방법으로 제조된 고분자 고체 전해질의 이온전도도 및 유연성을다음과 같이 평가하였다.Ion conductivity and flexibility of the polymer solid electrolyte prepared by the above method were evaluated as follows.

(1) 이온전도도(1) ion conductivity

시료로서 실시예 1-3 및 비교예 1-2에 따라 제조된 고분자 고체 전해질로부터 직경 13mm의 겔형 필름을 준비하였다. 이 시료를 2매의 스테인레스 원판사이에 고정시킨 뒤 교류 임피던스법을 이용하여 상온에서의 이온전도도를 측정하였다.As a sample, a gel film having a diameter of 13 mm was prepared from the polymer solid electrolyte prepared according to Example 1-3 and Comparative Example 1-2. After fixing this sample between two stainless discs, ion conductivity was measured at normal temperature using the alternating current impedance method.

(2) 유연성(2) flexibility

겔형의 필름을 직경 5mm의 스테인레스봉에 감은 다음, 다시 원래의 상태로 환원시켰다. 이러한 과정을 약 10회정도 반복한 후의 필름의 외관을 육안으로 조사하였다.The gel-like film was wound on a stainless rod 5 mm in diameter and then returned to its original state. The appearance of the film after repeating this process about 10 times was visually investigated.

상기 실시예 1-3 및 비교예 1-2에 따라 제조된 고분자 고체 전해질의 이온전도도 및 유연성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.Ion conductivity and flexibility of the polymer solid electrolyte prepared according to Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2 were measured and shown in Table 1 below.

구분division 이온전도도(S/cm)Ion Conductivity (S / cm) 유연성flexibility 실시예 1Example 1 3.1×10-3 3.1 × 10 -3 매우 양호함Very good 실시예 2Example 2 2.8×10-3 2.8 × 10 -3 매우 양호함Very good 실시예 3Example 3 2.2×10-3 2.2 × 10 -3 매우 양호함Very good 비교예 1Comparative Example 1 3.2×10-3 3.2 × 10 -3 불량Bad 비교예 2Comparative Example 2 7.4×10-4 7.4 × 10 -4 불량Bad

상기 표 1로부터, 고분자 매트릭스 제조시 PVP, PEO 및 TMPTA의 3성분을 사용하는 경우(실시예 1-3)에는 이온전도도와 유연성이 모두 우수함을 알 수 있었다. 반면, PVP와 TMPTA만을 사용한 경우(비교예 1)에는 이온전도도는 우수하지만, 유연성이 불량하였고, PEO 및 TMPTA 만을 사용한 경우(비교예 2)에는 이온전도도와 유연성 특성이 모두 불량하였다.From Table 1, it can be seen that when the three components of PVP, PEO and TMPTA are used in preparing the polymer matrix (Examples 1-3), both ionic conductivity and flexibility are excellent. On the other hand, when only PVP and TMPTA were used (Comparative Example 1), the ion conductivity was excellent, but the flexibility was poor, and when only PEO and TMPTA were used (Comparative Example 2), both the ion conductivity and the flexibility characteristics were poor.

한편, 상기 실시예 1-3 및 비교예 1-2에 따른 전해질과 콤포지트 전극간의 계면저항을 측정하였다. 그 결과, 실시예 1-4에 따른 전해질의 계면저항이 비교예의 경우에 비하여 감소됨을 알 수 있었다. 이는 콤포지트 전극에 대한 실시예 1-4의 전해질의 결합력이 비교예의 경우에 비하여 증가되기 때문이다.Meanwhile, the interfacial resistance between the electrolyte and the composite electrode according to Example 1-3 and Comparative Example 1-2 was measured. As a result, it was found that the interface resistance of the electrolyte according to Example 1-4 was reduced as compared with the case of the comparative example. This is because the binding force of the electrolyte of Example 1-4 to the composite electrode is increased as compared with the case of the comparative example.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 갖는다.According to the present invention, the following effects are obtained.

첫째, 상온에서의 이온전도도가 매우 우수하므로 리튬 2차전지의 실용화를 앞당길 수 있다.First, since the ion conductivity at room temperature is very excellent, it can accelerate the practical use of the lithium secondary battery.

둘째, 본 발명의 고분자 매트릭스는 전해액에 대한 친화력이 우수하고 신축성을 가지므로 유연한 구조를 이루게 된다. 따라서 이러한 고분자 매트릭스를 포함하는 고분자 고체 전해질은 원하는 모양으로 가공하기가 매우 용이하다.Second, since the polymer matrix of the present invention has excellent affinity for the electrolyte and has elasticity, a flexible structure is achieved. Therefore, the polymer solid electrolyte including the polymer matrix is very easy to be processed into a desired shape.

셋째, 전극에 대한 결합력이 향상되어 전극-전해질간의 계면저항을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 높은 전류밀도로 작동할 수 있는 전지를 제조할 수 있다.Third, the bonding force to the electrode can be improved to reduce the interface resistance between the electrode and the electrolyte. As a result, a battery capable of operating at a high current density can be produced.

넷째, 본 발명의 고분자 매트릭스는 균일한 기공 분포를 가지고 있어서 전지 전면적에 걸쳐 균일한 반응 특성을 나타낼 수 있다. 그 결과, 장시간 안정적으로 사용할 수 있다.Fourth, the polymer matrix of the present invention has a uniform pore distribution and can exhibit uniform reaction characteristics over the entire battery area. As a result, it can be used stably for a long time.

Claims (22)

화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체, 친수성 폴리머 및 결합성 폴리머를 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.A polymer matrix comprising a substance comprising a trimethylolpropane derivative represented by the formula (1), a hydrophilic polymer and a binding polymer. <화학식 1><Formula 1>
Figure kpo00004
Figure kpo00004
상기식중, R1은 수소 또는 메틸기이다.In said formula, R <1> is hydrogen or a methyl group.
제1항에 있어서, 상기 결합성 고분자가 폴리에틸렌옥사이드, 폴리염화비닐, 폴리비닐아세테이트 및 폴리비닐플루오라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.The polymer matrix of claim 1, wherein the binding polymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide, polyvinyl chloride, polyvinylacetate, and polyvinyl fluoride. 제1항에 있어서, 상기 결합성 고분자의 함량이 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머의 총중량을 기준으로 하여 10 내지 30중량%인 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.The polymer matrix according to claim 1, wherein the content of the binding polymer is 10 to 30% by weight based on the total weight of the trimethylolpropane derivative represented by Formula 1 and the hydrophilic polymer. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체는 망상(network)구조를 갖는 호모폴리머(homopolymer)이고,According to claim 1, wherein the trimethylolpropane derivative represented by Formula 1 is a homopolymer having a network (network) structure, 상기 친수성 폴리머와 결합성 폴리머는 상기 호모폴리머의 망상구조내에 존재하는 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.Wherein said hydrophilic polymer and the associative polymer are present in the network of said homopolymer. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머는 공중합되고,The method of claim 1, wherein the trimethylolpropane derivative represented by Formula 1 and the hydrophilic polymer is copolymerized, 상기 공중합체로 된 망목구조내에 결합성 폴리머가 존재하는 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.The polymer matrix, characterized in that the binding polymer is present in the network of the copolymer. 제1항에 있어서, 일부는 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체는 망상(network)구조를 갖는 호모폴리머(homopolymer)이고, 상기 친수성 폴리머와 결합성 폴리머는 상기 호모폴리머의 망상구조내에 존재하거나,The method of claim 1, wherein a part of the trimethylolpropane derivative represented by the formula (1) is a homopolymer having a network (network), the hydrophilic polymer and the binding polymer is present in the network structure of the homopolymer or , 나머지 일부는 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머가 공중합되어 있고, 상기 공중합체로 된 망목구조내에 결합성 폴리머가 존재하는 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.The remainder of the polymer matrix is characterized in that the trimethylolpropane derivative represented by the formula (1) is copolymerized with a hydrophilic polymer, and a binding polymer is present in the copolymer network structure. 제1항에 있어서, 상기 친수성 폴리머가 화학식 2의 화합물인 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.2. The polymer matrix of claim 1, wherein the hydrophilic polymer is a compound of formula (2). 〈화학식 2〉<Formula 2>
Figure kpo00005
Figure kpo00005
상기식중, R2는 2-피롤리디노닐(2-pyrrolidinonyl), OCOCH3, OCOCH=CH2, C6H5, CN 및 SO2CH=CH2로 이루어진 군으로부터 선택되고;In the formula, R 2 is selected from the 2-pyrrolidino carbonyl (2-pyrrolidinonyl), OCOCH 3 , OCOCH = CH 2, C 6 H 5, the group consisting of CN and SO 2 CH = CH 2; n은 10 내지 2000의 수이다n is a number from 10 to 2000
제1항에 있어서, 상기 친수성 폴리머의 중량평균분자량이 1×104내지 1×105인 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.The polymer matrix according to claim 1, wherein the weight average molecular weight of the hydrophilic polymer is 1 × 10 4 to 1 × 10 5 . 제1항에 있어서, 상기 친수성 폴리머가 폴리비닐피롤리돈인 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.The polymer matrix of claim 1 wherein the hydrophilic polymer is polyvinylpyrrolidone. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머의 혼합중량비가 1:1 내지 1:10인 것을 특징으로 하는 고분자 매트릭스.The polymer matrix according to claim 1, wherein the mixed weight ratio of the trimethylolpropane derivative represented by Chemical Formula 1 and the hydrophilic polymer is 1: 1 to 1:10. 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체, 친수성 폴리머 및 결합성 폴리머를 포함하는 물질로 이루어지는 고분자 매트릭스; 및A polymer matrix made of a material containing a trimethylolpropane derivative represented by Formula 1, a hydrophilic polymer and a binding polymer; And 상기 고분자 매트릭스안에 함유된 전해액;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.An electrolyte solution contained in the polymer matrix. <화학식 1><Formula 1>
Figure kpo00006
Figure kpo00006
상기식중, R1은 수소 또는 메틸기이다.In said formula, R <1> is hydrogen or a methyl group.
제11항에 있어서, 상기 결합성 고분자가 폴리에틸렌옥사이드, 폴리염화비닐, 폴리비닐아세테이트 및 폴리비닐플루오라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.12. The polymer solid electrolyte of claim 11, wherein the binding polymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide, polyvinyl chloride, polyvinylacetate, and polyvinyl fluoride. 제11항에 있어서, 상기 결합성 고분자의 함량이 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머의 총중량을 기준으로 하여 10 내지 30중량%인 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.12. The polymer solid electrolyte of claim 11, wherein the content of the binding polymer is 10 to 30% by weight based on the total weight of the trimethylolpropane derivative represented by Formula 1 and the hydrophilic polymer. 제11항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체는 망상(network)구조를 갖는 호모폴리머(homopolymer)이고,The method of claim 11, wherein the trimethylolpropane derivative represented by Formula 1 is a homopolymer having a network (network) structure, 상기 친수성 폴리머와 결합성 폴리머는 상기 호모폴리머의 망상구조내에 존재하는 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.Wherein said hydrophilic polymer and the associative polymer are present in the network structure of said homopolymer. 제11항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머는 공중합되고,The method of claim 11, wherein the trimethylolpropane derivative represented by Formula 1 and the hydrophilic polymer is copolymerized, 상기 공중합체로 된 망목구조내에 결합성 폴리머가 존재하는 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질,A polymer solid electrolyte, characterized in that the binding polymer is present in the network structure of the copolymer, 제11항에 있어서, 일부는 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체는 망상(network)구조를 갖는 호모폴리머(homopolymer)이고, 상기 친수성 폴리머와 결합성 폴리머는 상기 호모폴리머의 망상구조내에 존재하거나,The method of claim 11, wherein a part of the trimethylolpropane derivative represented by the formula (1) is a homopolymer having a network (network), the hydrophilic polymer and the binding polymer is present in the network structure of the homopolymer or , 나머지 일부는 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머가 공중합되어 있고, 상기 공중합체로 된 망목구조내에 결합성 폴리머가 존재하는 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.The remainder of the polymer solid electrolyte is characterized in that the trimethylolpropane derivative represented by the formula (1) is copolymerized with a hydrophilic polymer, and a binding polymer is present in the network structure of the copolymer. 제11항에 있어서, 상기 친수성 폴리머가 화학식 2의 화합물인 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.12. The polymer solid electrolyte of claim 11, wherein the hydrophilic polymer is a compound of formula (2). <화학식 2><Formula 2>
Figure kpo00007
Figure kpo00007
상기식중, R2는 2-피롤리디노닐(2-pyrrolidinonyl), OCOCH3, OCOCH=CH2, C6H5, CN 및 SO2CH=CH2로 이루어진 군으로부터 선택되고;In the formula, R 2 is selected from the 2-pyrrolidino carbonyl (2-pyrrolidinonyl), OCOCH 3 , OCOCH = CH 2, C 6 H 5, the group consisting of CN and SO 2 CH = CH 2; n은 10 내지 2000의 수이다n is a number from 10 to 2000
제11항에 있어서, 상기 친수성 폴리머의 중량평균분자량이 1×104내지 1×105인 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.12. The polymer solid electrolyte of claim 11, wherein the weight average molecular weight of the hydrophilic polymer is 1 × 10 4 to 1 × 10 5 . 제11항에 있어서, 상기 친수성 폴리머가 폴리비닐피롤리돈인 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.12. The polymer solid electrolyte according to claim 11, wherein the hydrophilic polymer is polyvinylpyrrolidone. 제11항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 트리메틸올프로판 유도체와 친수성 폴리머의 혼합중량비가 1:1 내지 1:10인 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.The polymer solid electrolyte of claim 11, wherein the mixed weight ratio of the trimethylolpropane derivative represented by Chemical Formula 1 and the hydrophilic polymer is 1: 1 to 1:10. 제11항에 있어서, 상기 고분자 매트릭스는 전해질의 중량을 기준으로 하여 5 내지 60중량%이고, 전해액은 40 내지 95중량%인 것을 특징으로 하는 고분자 고체 전해질.The polymer solid electrolyte of claim 11, wherein the polymer matrix is 5 to 60 wt% based on the weight of the electrolyte, and the electrolyte is 40 to 95 wt%. 제11항 내지 제21항중 어느 한 항에 따른 고분자 고체 전해질을 채용하고 있는 리튬 2차전지.A lithium secondary battery employing the polymer solid electrolyte according to any one of claims 11 to 21.
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