KR100669315B1 - Polymer electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same - Google Patents
Polymer electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same Download PDFInfo
- Publication number
- KR100669315B1 KR100669315B1 KR1020030028968A KR20030028968A KR100669315B1 KR 100669315 B1 KR100669315 B1 KR 100669315B1 KR 1020030028968 A KR1020030028968 A KR 1020030028968A KR 20030028968 A KR20030028968 A KR 20030028968A KR 100669315 B1 KR100669315 B1 KR 100669315B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- lithium
- group
- sulfur battery
- electrolyte
- polymer electrolyte
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
- H01M10/0565—Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
- H01M10/0566—Liquid materials
- H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/581—Chalcogenides or intercalation compounds thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/581—Chalcogenides or intercalation compounds thereof
- H01M4/5815—Sulfides
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
본 발명은 리튬-황 전지용 고분자 전해액 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것으로서, 이 전해액은 메타아크릴레이트기를 포함하는 모노머; 탄소수 6 내지 40의 과산화물; 유기 용매; 및 리튬염을 포함하는 전해액을 포함한다.The present invention relates to a polymer electrolyte for lithium-sulfur batteries and a lithium-sulfur battery comprising the same, the electrolyte comprising a monomer comprising a methacrylate group; Peroxides having 6 to 40 carbon atoms; Organic solvents; And an electrolyte containing a lithium salt.
본 발명의 고분자 전해질은 사이클 수명 특성과 안전성이 향상된 리튬-황 전지를 제공할 수 있다.The polymer electrolyte of the present invention can provide a lithium-sulfur battery having improved cycle life characteristics and safety.
고분자전해질,리튬황전지,폴리에스테르폴리올Polymer electrolyte, lithium sulfur battery, polyester polyol
Description
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 리튬-황 전지를 사이클 수명 테스트 실시한 후, 해체하여 얻은 음극의 표면 사진.1 is a surface photograph of a negative electrode obtained by disassembly after a cycle life test of a lithium-sulfur battery prepared according to Example 1 of the present invention.
도 2는 비교예 1에 따라 제조된 리튬-황 전지를 사이클 수명 테스트 실시한 후, 해체하여 얻은 음극의 표면 사진.2 is a surface photograph of a negative electrode obtained by disassembling after a cycle life test of a lithium-sulfur battery prepared according to Comparative Example 1.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬-황 전지의 사이클 수명 테스트 결과를 나타낸 그래프.3 is a graph showing the cycle life test results of the lithium-sulfur battery prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 리튬-황 전지용 고분자 전해질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사이클 수명 특성이 우수한 전지를 제공할 수 있는 리튬-황 전지용 고분자 전해질 및 이를 포함하는 리튬-황 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium-sulfur battery polymer electrolyte and a lithium-sulfur battery including the same, and more particularly, a lithium-sulfur battery polymer electrolyte and a lithium-sulfur battery including the same, which can provide a battery having excellent cycle life characteristics. It is about.
[종래 기술][Prior art]
휴대 전가기기의 발전으로 가볍고 고용량 전지에 대한 요구가 갈수록 증가하고 있다. 이러한 요구를 만족시키는 이차 전지로 황계 물질을 양극 활물질로 사용하는 리튬-황 전지에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.With the development of portable electronic devices, the demand for light and high capacity batteries is increasing. As a secondary battery that satisfies these demands, development of a lithium-sulfur battery using a sulfur-based material as a cathode active material is being actively conducted.
리튬-황 전지는 황-황 결합(Sulfur-Sulfur bond)을 가지는 황 계열 화합물을 양극 활물질로 사용하고, 리튬과 같은 알카리 금속, 또는 리튬 이온 등과 같은 금속 이온의 삽입/탈삽입이 일어나는 탄소계 물질을 음극 활물질로 사용하는 이차 전지이다. 환원 반응시(방전시) S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응시(충전시) S의 산화수가 증가하면서 S-S 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장 및 생성한다.Lithium-sulfur battery uses a sulfur-based compound having a sulfur-sulfur bond as a positive electrode active material, and an alkali metal such as lithium, or a carbon-based material in which insertion / deintercalation of metal ions such as lithium ions occurs It is a secondary battery using as a negative electrode active material. In the reduction reaction (discharged), the SS bond is broken and the oxidation number of S decreases. In the oxidation reaction (charged), the oxidation-reduction reaction of the SS bond is formed by increasing the oxidation number of S and the electrical energy is stored and stored. Create
리튬-황 전지는 음극 활물질로 사용되는 리튬 금속을 사용할 경우 에너지 밀도가 3830mAh/g이고, 양극 활물질로 사용되는 황(S8)을 사용할 경우 에너지 밀도가 1675mAh/g으로, 현재까지 개발되고 있는 전지중에서 에너지 밀도면에서 가장 유망한 전지이다. 또한 양극 활물질로 사용되는 황계 물질은 자체가 값싸고 환경친화적인 물질이라는 장점이 있다.The lithium-sulfur battery has an energy density of 3830 mAh / g when using lithium metal used as a negative electrode active material, and an energy density of 1675 mAh / g when using sulfur (S 8 ) used as a positive electrode active material. Among the most promising cells in terms of energy density. In addition, the sulfur-based material used as the positive electrode active material has the advantage that it is cheap and environmentally friendly material.
그러나 아직 리튬-황 전지 시스템으로 상용화에 성공한 예는 없는 실정이다. 리튬-황 전지가 상용화되지 못한 이유는 우선 황을 활물질로 사용하면 투입된 황의 양에 대한 전지 내 전기화학적 산화환원 반응에 참여하는 황의 양을 나타내는 이용율이 낮아, 이론 용량과 달리 실제로는 극히 낮은 전지 용량을 나타내기 때문이다.However, there are no examples of successful commercialization with lithium-sulfur battery systems. The reason why the lithium-sulfur battery is not commercialized is that when sulfur is used as an active material, the utilization rate indicating the amount of sulfur participating in the electrochemical redox reaction in the battery relative to the amount of sulfur input is low. Because it represents.
또한, 산화환원 반응시에 황이 전해질로 유출되어 전지 수명이 열화되고, 적 절한 전해액을 선택하지 못했을 경우 황의 환원 물질인 리튬 설파이드(Li2S)가 석출되어 더 이상 전기화학반응에 참여하지 못하게 되는 문제점이 있다.In addition, during the redox reaction, sulfur is leaked into the electrolyte, which deteriorates the battery life, and when the proper electrolyte is not selected, lithium sulfide (Li 2 S), which is a reducing substance of sulfur, is precipitated and no longer participates in the electrochemical reaction. There is a problem.
아울러, 음극 활물질로 반응성이 매우 높은 리튬 금속을 사용함에 따라 리튬 금속과 반응하지 않는 적절한 전해액을 선택하지 못했을 경우 충방전시 리튬 금속의 덴드라이트가 발생하여 사이클 수명 특성이 저하될 우려가 있다.In addition, when using a highly reactive lithium metal as a negative electrode active material, when the appropriate electrolyte solution that does not react with the lithium metal is not selected, dendrites of the lithium metal may be generated during charge and discharge may deteriorate cycle life characteristics.
리튬 금속과 전해액의 반응성은 액체 전해액을 사용한 전지보다 고분자 고체 전해질을 사용한 전지에서 감소시킬 수 있을 것으로 예상되나, 리튬-황 전지에서는 고분자 고체 전해질 이용을 시도한 적이 없다. 일반적인 고분자 고체 전해질에 관한 내용은 미국 특허 제 6,329,103 호에 폴리머화가능한 알킬렌 옥사이드 폴리머(polymerizable alkylene oxide polymer)를 사용한 고분자 전해질이 기술되어 있고, 미국 특허 제 5,925,283 호에 최소한 1개의 할로겐-치환 카르보닉-에스테르(비사이클릭 카르보닉-에스테르) 겔 폴리머가 기술되어 있다. 그러나 이러한 종래 연구는 리튬-이온 전지에만 국한되어 있을 뿐, 리튬-황 전지로의 응용은 연구되지 못한 실정이다.It is expected that the reactivity of the lithium metal and the electrolyte may be reduced in the battery using the polymer solid electrolyte rather than the battery using the liquid electrolyte, but the lithium-sulfur battery has not attempted to use the polymer solid electrolyte. For a general polymer solid electrolyte, US Pat. No. 6,329,103 describes a polymer electrolyte using a polymerizable alkylene oxide polymer, and US Pat. No. 5,925,283 describes at least one halogen-substituted carbonic acid. Ester (bicyclic carbonic-ester) gel polymers are described. However, these conventional studies are limited to lithium-ion batteries only, and their application to lithium-sulfur batteries has not been studied.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 리튬 보호 효과가 우수한 리튬-황 전지용 고분자 전해질을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte for lithium-sulfur battery excellent in lithium protection effect.
본 발명의 다른 목적은 사이클 수명 특성이 우수한 전지를 제공할 수 있는 리튬-황 전지용 고분자 전해질을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte for a lithium-sulfur battery that can provide a battery having excellent cycle life characteristics.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 고분자 전해질을 사용한 리튬-황 전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a lithium-sulfur battery using the polymer electrolyte.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 메타크릴레이트기를 포함하는 모노머; 탄소수 6 내지 40의 과산화물; 유기 용매; 및 리튬염을 포함하는 전해액을 포함하는 리튬-황 전지용 고분자 전해질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a monomer containing a methacrylate group; Peroxides having 6 to 40 carbon atoms; Organic solvents; And it provides a polymer electrolyte for a lithium-sulfur battery comprising an electrolyte containing a lithium salt.
본 발명은 또한 상기 고분자 전해질; 황 원소, 황계 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양극 활물질을 포함하는 양극; 및 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 및 리튬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하는 리튬-황 전지를 제공한다. The invention also the polymer electrolyte; A positive electrode comprising at least one positive electrode active material selected from the group consisting of elemental sulfur, sulfur compounds and mixtures thereof; And a negative electrode active material selected from the group consisting of a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions, a material capable of reacting with lithium ions to form a lithium-containing compound, lithium metal and a lithium alloy. It provides a lithium-sulfur battery comprising a negative electrode comprising.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 리튬-황 전지에서 음극 활물질로 사용되는 리튬 금속과의 반응성이 적은 고분자 전해질에 관한 것이다. 즉, 본 발명의 고분자 전해질은 리튬 금속이 전해액과 반응하여 발생되는 리튬 덴드라이트로 인한 사이클 수명 특성 저하의 문제점을 방지할 수 있다. 본 발명의 고분자 전해질은 중합 공정을 전지 조립 전에 전지 외부에서 실시한 겔 상태의 물리겔 고분자 전해질일 수도 있고, 중합 공정을 전지 조립 후에 약 75℃ 정도에서 방치하여 발생되는 전지 내부에서의 중합 반응에 의한 겔 상태의 화학겔 고분자 전해질일 수도 있다.The present invention relates to a polymer electrolyte having low reactivity with lithium metal used as a negative electrode active material in a lithium-sulfur battery. That is, the polymer electrolyte of the present invention can prevent the problem of deterioration in cycle life characteristics due to lithium dendrites generated when lithium metal reacts with the electrolyte solution. The polymer electrolyte of the present invention may be a gel-based physical gel polymer electrolyte in which the polymerization process is performed outside of the battery prior to battery assembly, or may be caused by a polymerization reaction in the battery generated by leaving the polymerization process at about 75 ° C. after battery assembly. The gel may be a chemical gel polymer electrolyte.
본 발명의 고분자 전해질은 메타크릴레이트기를 포함하는 모노머 및 탄소수 6 내지 40의 유기 과산화물을 포함하고, 유기 용매와 리튬염을 포함한다. 본 명세서에서, 유기용매와 리튬염을 전해액이라 한다.The polymer electrolyte of the present invention contains a monomer containing a methacrylate group and an organic peroxide having 6 to 40 carbon atoms, and includes an organic solvent and a lithium salt. In this specification, an organic solvent and a lithium salt are called electrolyte solution.
상기 메타크릴레이트기를 포함하는 모노머로는 모노머 말단에 탄소-탄소 이중 결합을 하나 이상 갖는 화합물로서, 다관능성 아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 디메타크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 디아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 디비닐에테르 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디비닐 에테르 헥산디올 디아크릴레이트, 트리프로필렌글리콜 디아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 모노아크릴레이트, 카프로락톤 아크릴레이트 밑 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 이 중에서, 상기 다관능성 아크릴레이트와 폴리(에틸렌글리콜) 디메타크릴레이트가 바람직하고, 다관능성 아크릴레이트가 가장 바람직하다. 상기 다관능성 아크릴레이트란 세 개 이상의 수산기(-OH)를 갖는 (폴리에스테르)폴리올의 수산기 중, 일부 또는 전부가 (메타)아크릴산 에스테르로 치환되고, (메타)아크릴산 에스테르로 치환되지 않은 나머지 일부 미반응 수산기는 라디칼 반응성이 없는 그룹으로 치환된 폴리(에스테르)(메타)아크릴레이트를 말한다. 이러한 다관능성 아크릴레이트의 예로는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 모노머를 들 수 있다.The monomer including the methacrylate group is a compound having at least one carbon-carbon double bond at the terminal of the monomer, and may be polyfunctional acrylate, poly (ethylene glycol) dimethacrylate, poly (ethylene glycol) diacrylate, poly (Ethylene glycol) divinyl ether ethylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol diacrylate, ethylene glycol divinyl ether hexanediol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, tetraethylene glycol monoacrylate, caprolactone acrylate under Those selected from the group consisting of mixtures thereof can be used. Among these, the said polyfunctional acrylate and poly (ethylene glycol) dimethacrylate are preferable, and polyfunctional acrylate is the most preferable. The polyfunctional acrylate is a hydroxyl group of the (polyester) polyol having three or more hydroxyl groups (-OH), some or all of which is substituted with a (meth) acrylic acid ester, and some remaining unsubstituted with a (meth) acrylic acid ester Reactive hydroxyl groups refer to poly (ester) (meth) acrylates substituted with groups that are not radically reactive. Examples of such polyfunctional acrylates include monomers represented by the following formula (1) or (2).
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
(상기 화학식 1 및 2에서, R1은 H 또는 C1 내지 C6의 알킬기이고, n은 1 내지 100,000의 정수이고, R2는 H 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다)(In the above formula 1 and 2, R 1 is H or C 1 to C 6 alkyl group, n is an integer of 1 to 100,000, R 2 is H or C 1 to C 6 alkyl group)
본 발명의 고분자 전해질에서, 상기 전해액과 상기 모노머의 혼합 비율은 중량비로 10 초과, 200 이하 : 1이 바람직하고, 40 내지 150 : 1이 보다 바람직하며, 60 내지 120 : 1이 가장 바람직하다.In the polymer electrolyte of the present invention, the mixing ratio of the electrolyte solution and the monomer is more than 10, preferably 200 or less: 1, more preferably 40 to 150: 1, and most preferably 60 to 120: 1 in weight ratio.
상기 전해액의 사용량이 상기 모노머 중량의 10배 이하로 사용될 경우에는, 추후 중합 공정에서 완전한 겔이 형성되어 완전한 고체 전해질이 형성되므로 바람직하지 않다. 리튬-황 전지에 사용되는 고분자 전해질은, 리튬 이온 전지와 달리, 액체와 고체의 중간 상태를 유지하면서, 액체 전해액의 특성을 많이 유지하는 것이 전지 특성이 우수하므로 바람직하다. 또한 상기 전해액의 사용량이 상기 폴리머 중량의 200배를 초과하는 경우에는, 액체 전해액이 고분자 매트릭스로부터 빠져나오는(squeeze out) 문제점이 있어 바람직하지 않다.When the amount of the electrolyte used is less than 10 times the weight of the monomer, it is not preferable because a complete gel is formed in a later polymerization process to form a complete solid electrolyte. Unlike the lithium ion battery, the polymer electrolyte used in the lithium-sulfur battery is preferable to maintain the properties of the liquid electrolyte solution while maintaining the intermediate state between the liquid and the solid, because of excellent battery characteristics. In addition, when the amount of the electrolyte used exceeds 200 times the weight of the polymer, there is a problem that the liquid electrolyte squeezes out of the polymer matrix, which is not preferable.
상기 전해액은 유기 용매와 전해염인 리튬염을 포함한다.The electrolyte solution includes an organic solvent and a lithium salt which is an electrolyte salt.
상기 유기 용매로는 단일 용매를 사용할 수도 있고 2이상의 혼합 유기용매를 사용할 수도 있다. 2이상의 혼합 유기 용매를 사용하는 경우 약한 극성 용매 그룹, 강한 극성 용매 그룹, 및 리튬 메탈 보호 용매 그룹 중 두 개 이상의 그룹에서 하나 이상의 용매를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.As the organic solvent, a single solvent may be used, or two or more mixed organic solvents may be used. When using two or more mixed organic solvents, it is preferable to use one or more solvents selected from two or more groups among the weak polar solvent group, the strong polar solvent group, and the lithium metal protective solvent group.
약한 극성 용매는 아릴 화합물, 바이사이클릭 에테르, 비환형 카보네이트 중에서 황 원소를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 작은 용매로 정의되고, 강한 극성 용매는 비사이클릭 카보네이트, 설폭사이드 화합물, 락톤 화합물, 케톤 화합물, 에스테르 화합물, 설페이트 화합물, 설파이트 화합물 중에서 리튬 폴리설파이드를 용해시킬 수 있는 유전 상수가 15보다 큰 용매로 정의되며, 리튬 보호 용매는 포화된 에테르 화합물, 불포화된 에테르 화합물, N, O, S 또는 이들의 조합이 포함된 헤테로 고리 화합물과 같은 리튬 금속에 안정한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 필름을 형성하는 충방전 사이클 효율(cycle efficiency)이 50% 이상인 용매로 정의된다. Weak polar solvents are defined as those having a dielectric constant of less than 15 that can dissolve elemental sulfur among aryl compounds, bicyclic ethers, and acyclic carbonates; strong polar solvents include acyclic carbonates, sulfoxide compounds, lactone compounds, Among ketone compounds, ester compounds, sulfate compounds, and sulfite compounds, a dielectric constant capable of dissolving lithium polysulfide is defined as greater than 15, and lithium protective solvents are saturated ether compounds, unsaturated ether compounds, N, O, It is defined as a solvent having a charge and discharge cycle efficiency (cycle efficiency) of 50% or more to form a SEI (Solid Electrolyte Interface) film stable on lithium metal, such as a heterocyclic compound containing S or a combination thereof.
약한 극성 용매의 구체적인 예로는 자일렌(xylene), 디메톡시에탄, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 톨루엔, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디글라임, 테트라글라임 등이 있다. Specific examples of weak polar solvents include xylene, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, toluene, dimethyl ether, diethyl ether, diglyme, tetraglyme and the like.
강한 극성 용매의 구체적인 예로는 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드(hexamethyl phosphoric triamide), 감마-부티로락톤, 아세토니트릴, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, N-메틸피롤리돈, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 디메틸 포름아마이드, 설포란, 디메틸 아세트아마이드 또는 디메틸 설폭사이드, 디메틸 설페이트, 에틸렌 글리콜 디아세테이트, 디메틸 설파이트, 에틸렌 글리콜 설파이트 등을 들 수 있다. Specific examples of strong polar solvents include hexamethyl phosphoric triamide, gamma-butyrolactone, acetonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, 3-methyl-2-oxazolidone , Dimethyl formamide, sulfolane, dimethyl acetamide or dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfate, ethylene glycol diacetate, dimethyl sulfite, ethylene glycol sulfite and the like.
리튬 보호 용매의 구체적인 예로는 테트라하이드로 퓨란, 에틸렌 옥사이드, 디옥솔란, 3,5-디메틸 이속사졸, 2,5-디메틸 퓨란, 퓨란, 2-메틸 퓨란, 1,4-옥산, 4-메틸디옥솔란 등이 있다.Specific examples of lithium protective solvents include tetrahydrofuran, ethylene oxide, dioxolane, 3,5-dimethyl isoxazole, 2,5-dimethyl furan, furan, 2-methyl furan, 1,4-oxane, 4-methyldioxolane Etc.
상기 전해염인 리튬염으로는 리튬 트리플루오로메탄설폰이미드 또는 리튬 트리플레이트 중 하나 이상 사용할 수 있다. 이때, 리튬염의 농도는 0.6 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하며, 0.7 내지 1.6M 범위 내에서 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 리튬염의 농도가 0.6M 미만이면 전해질의 전도도가 낮아져 전해질 성능이 저하되고, 2.0M을 초과하는 경우에는 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소되는 문제점이 있다.As the lithium salt as the electrolytic salt, one or more of lithium trifluoromethanesulfonimide or lithium triflate may be used. At this time, the concentration of the lithium salt is preferably used in the range of 0.6 to 2.0M, more preferably in the range of 0.7 to 1.6M. If the concentration of the lithium salt is less than 0.6M, the conductivity of the electrolyte is lowered, and the electrolyte performance is lowered. If the concentration of the lithium salt is higher than 2.0M, the viscosity of the electrolyte is increased to reduce the mobility of lithium ions.
본 발명에서와 같이, 세 개 이상의 수산기를 갖는 (폴리에스테르) 폴리올에서 하나 이상의 수산기를 (메타)아크릴산 에스테르로 변환시키고, 나머지 일부의 (메타)아크릴산 에스테르로 치환되지 않은 미반응 수산기를 라디칼 반응성이 없는 비아크릴레이트기로 치환시킨 폴리(에스테르)(메타)아크릴레이트의 중합체를 형성시킴으로서, 중합 반응에 관여하지 않는 아크릴레이트기가 미반응 아크릴기로 남아 리튬-황 전지의 저온이나 고율 수명 특성의 열화를 촉진시키는 요인을 제거할 수 있다.As in the present invention, in the (polyester) polyol having three or more hydroxyl groups, one or more hydroxyl groups are converted into (meth) acrylic acid esters, and the unreacted hydroxyl groups, which are not substituted with some of the (meth) acrylic acid esters, are radically reactive. By forming a polymer of a poly (ester) (meth) acrylate substituted with a non-acrylate group, an acrylate group not involved in the polymerization reaction remains in the unreacted acrylic group to promote deterioration of low temperature and high rate life characteristics of a lithium-sulfur battery. It can eliminate the factor that causes it.
상기 세 개 이상의 수산기를 갖는 폴리에스테르 폴리올은 당해 분야에 알려진 방법, 예를 들어 히드록시카르본산 축중합, 락톤의 개환 중합 또는 글리콜과 디카르본산의 축중합 방법으로 합성된 것은 모두 사용할 수 있고, 또한 시판되는 것을 사용하여도 무방하다. 세 개 이상의 수산기를 갖는 폴리에스테르 폴리올의 구체적인 예로는 트리메틸올(trimethylol), 트리에틸올(triethylol), 트리프로필올(tripropylol) 등의 트리알킬올류, 각종 글리세롤류, 펜타에티트리톨, 디펜타에리트리톨 등의 에리트리톨류 등을 들 수 있다. The polyester polyol having three or more hydroxyl groups may be all synthesized by a method known in the art, for example, hydroxycarboxylic acid condensation polymerization, ring-opening polymerization of lactone, or condensation polymerization of glycol and dicarboxylic acid, Moreover, you may use a commercially available thing. Specific examples of the polyester polyol having three or more hydroxyl groups include trialkylols such as trimethylol, triethylol, and tripropylol, various glycerols, pentaethytitol, and dipenta Erythritol, such as erythritol, etc. are mentioned.
이러한 폴리에스테르 폴리올이 갖고 있는 수산기 중 일부 또는 전부를 (메타)아크릴산 에스테르로 치환한 후, 치환되지 않고 남은 일부 미반응 수산기를 라디칼 반응성이 없는 그룹으로 치환하여 본 발명의 폴리(에스테르)(메타)아크릴레이트 또는 그의 중합체를 제조한다.After substituting some or all of the hydroxyl groups of such polyester polyols with (meth) acrylic acid esters, some unreacted hydroxyl groups, which were left unsubstituted, were replaced with groups having no radical reactivity, thereby making the poly (ester) (meth) of the present invention. Prepare acrylates or polymers thereof.
수산기 중 일부 또는 전부를 (메타)아크릴산 에스테르로 치환하는 방법은 일반적인 에스테르화 반응 조건에서 실시할 수 있다. 예를 들면, 폴리에스테르폴리올과 (메타)아크릴산 할라이드를 염기 촉매의 존재 하에서 축합시키는 방법, 폴리에스테르 폴리올과 (메타)아크릴산을 산 촉매 존재 하에서 축합시키는 방법을 들 수 있다.The method of substituting some or all of the hydroxyl groups by the (meth) acrylic acid ester can be carried out under general esterification reaction conditions. For example, the method of condensing polyester polyol and (meth) acrylic acid halide in presence of a base catalyst, and the method of condensing polyester polyol and (meth) acrylic acid in presence of an acid catalyst are mentioned.
먼저, 폴리에스테르폴리올과 (메타)아크릴산 할라이드를 염기 촉매의 존재 하에서 축합시키는 방법에 대하여 설명한다.First, the method of condensing a polyester polyol and (meth) acrylic-acid halide in presence of a base catalyst is demonstrated.
상기 (메타)아크릴산 할라이드로는 아크릴산클로라이드 또는 (메타)아크릴산 클로라이드가 적당하며, (메타)아크릴산 할라이드의 사용량은 상기 폴리에스테르폴리올의 수산기 1몰에 대하여 0.5 내지 5 당량이 적당하다.As the (meth) acrylic acid halide, acrylic acid chloride or (meth) acrylic acid chloride is suitable, and the amount of the (meth) acrylic acid halide is used in an amount of 0.5 to 5 equivalents based on 1 mole of the hydroxyl group of the polyester polyol.
상기 염기 촉매로는 트리에틸아민, 피리딘, 디메틸아미노피리딘, 디아자비시클로운데센 등의 유기염기 또는 탄산리튬, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 수산화리튬, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 무기염기를 사용할 수 있다. 상기 염기 촉매의 사용량은 상기 (메타)아크릴산 할라이드에 대하여 1.0 내지 5 당량이 적당하다.As the base catalyst, organic bases such as triethylamine, pyridine, dimethylaminopyridine and diazabicyclo undecene or inorganic bases such as lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, lithium hydroxide, sodium hydroxide and potassium hydroxide can be used. The base catalyst is suitably used in an amount of 1.0 to 5 equivalents based on the (meth) acrylic acid halide.
상기 반응은 용매 존재 하 또는 용매없이 실시할 수 있다. 사용가능한 용매로는 디클로로에탄, 클로로포름, 디클로로에탄 등의 할로겐화 탄화수소, 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등의 방향족 탄화수소, 헥산, 헵탄, 데칸, 시클로헥산 등의 포화탄화수소, 디에틸에테르, 디이소프로필에테르, 테트라하이드로퓨란 등의 에테르류를 사용할 수 있다.The reaction can be carried out in the presence or absence of a solvent. Solvents that can be used include halogenated hydrocarbons such as dichloroethane, chloroform and dichloroethane, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, saturated hydrocarbons such as hexane, heptane, decane and cyclohexane, diethyl ether, diisopropyl ether and tetra Ethers, such as hydrofuran, can be used.
상기 반응은 일반적으로 -20 내지 100℃, 바람직하게는 -5 내지 50℃에서 실시할 수 있다. The reaction can generally be carried out at -20 to 100 ° C, preferably at -5 to 50 ° C.
폴리에스테르폴리올과 (메타)아크릴산을 축합하는 방법에서, (메타)아크릴산의 사용량은 폴리에스테르폴리올의 수산기 1몰에 대하여 0.1 내지 10몰이 적당하다. 상기 산 촉매로는 황산, 메탄설폰산, p-톨루엔설폰산, 염산, 인산, 인텅스텐산염, 인몰리브덴산 등을 사용할 수 있다. 산 촉매 사용량은 폴리에스테르폴리올에 대하여 0.01 내지 10 중량%가 바람직하다.In the method of condensing a polyester polyol and (meth) acrylic acid, 0.1-10 mol is suitable for the usage-amount of (meth) acrylic acid with respect to 1 mol of hydroxyl groups of a polyester polyol. As the acid catalyst, sulfuric acid, methanesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, phosphotungstic acid salt, phosphomolybdic acid and the like may be used. The amount of acid catalyst used is preferably 0.01 to 10% by weight based on the polyester polyol.
상기 반응은 불활성 용매, 예를 들면 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등의 방향족 탄화 수소, 또는 헥산, 헵탄, 데칸, 시클로헥산 등의 포화탄화수소를 사용할 수 있고, 반응후 생성되는 물을 공비 제거하는 것이 바람직하다. 용매 사용량은 폴리에스테르폴리올에 대하여 0.1 내지 10 중량부이다. 반응 온도는 50 내지 200℃, 바람직하게는 70 내지 150℃이다.The reaction may use an inert solvent such as aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, or saturated hydrocarbons such as hexane, heptane, decane and cyclohexane, and it is preferable to azeotropically remove the water produced after the reaction. . The amount of the solvent used is 0.1 to 10 parts by weight based on the polyester polyol. Reaction temperature is 50-200 degreeC, Preferably it is 70-150 degreeC.
상술한 방법으로, 폴리에스테르 폴리올에 포함된 수산기의 일부 또는 전부가 (메타)아크릴산 에스테르로 치환된다. 치환된 (메타)아크릴산 에스테르는 - OC(=O)(CH2)nOC(=O)CH=CH2 또는 -OC(CH2)nC(CH 3)=CH2(n은 1 내지 20의 정수임)인 것이 바람직하다.In the above-described method, part or all of the hydroxyl groups contained in the polyester polyol are substituted with (meth) acrylic acid esters. Substituted (meth) acrylic acid esters are -OC (= 0) (CH 2 ) n OC (= 0) CH = CH 2 or -OC (CH 2 ) n C (CH 3 ) = CH 2 (n is from 1 to 20) Is an integer of).
이어서, 치환되지 않고 남은 미반응 수산기를 라디칼 반응성이 없는 그룹으로 치환한다.Subsequently, the unreacted hydroxyl group remaining unsubstituted is substituted with a group having no radical reactivity.
상기 라디칼 반응성이 없는 그룹은 탄소수 1 내지 20의 지방족 탄화수소기, 탄소수 6 내지 20의 방향족 탄화수소기, 탄소수 1 내지 20의 에테르기로서, 특히 -OC(=O)(CH2)2CH3, -O(C=O)Ar(여기서, Ar은 비치환된 또는 치환된 방향족 탄화수소기), -OC(=O)(CH2)nO(CH2)n(CH3)(n은 1 내지 20의 정수임), -O(C=O)(CH2)nOC(=O)(CH2)nCH3(n은 1 내지 20의 정수임) 또는 -O(C=O)CH=CH2인 것이 바람직하다.The radical non-reactive group is an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group having 6 to 20 carbon atoms, or an ether group having 1 to 20 carbon atoms, and particularly -OC (= O) (CH 2 ) 2 CH 3 ,- O (C═O) Ar, wherein Ar is an unsubstituted or substituted aromatic hydrocarbon group, -OC (═O) (CH 2 ) n O (CH 2 ) n (CH 3 ) (n is 1 to 20 ), -O (C = O) (CH 2 ) n OC (= O) (CH 2 ) n CH 3 (n is an integer from 1 to 20) or -O (C = O) CH = CH 2 It is preferable.
그 방법의 일 예를 들면, 얻어진 생성물을 잔존하는 수산기에 상당하는 당량 이상의 라디칼 반응성이 없는 그룹을 포함하는 화합물을 사용하여 잔존 수산기를 에스테르화한다. 상기 라디칼 반응성이 없는 그룹을 포함하는 화합물은 탄소수 1 내지 20의 지방족 탄화수소기를 갖는 카르보닐산 또는 할로겐 화합물, 탄소수 6 내지 20의 방향족 탄화수소기, 탄소수 1 내지 20의 에테르기, 탄소수 1 내지 20의 에스테르기 골격의 카르보닐계 내지는 할로겐 화합물을 사용할 수 있다. 상기 라디칼 반응성이 없는 그룹을 포함하는 화합물의 대표적인 예로는 부틸카르본산을 들 수 있다.As an example of the method, the resulting hydroxyl group is esterified using a compound comprising a group having no radical reactivity equal to or more than the equivalent of the remaining hydroxyl group. The compound containing a group having no radical reactivity may be a carbonyl acid or halogen compound having an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group having 6 to 20 carbon atoms, an ether group having 1 to 20 carbon atoms, or an ester having 1 to 20 carbon atoms. Carbonyl or halogen compounds of the group skeleton can be used. Representative examples of the compound containing a group having no radical reactivity include butylcarboxylic acid.
또는 폴리에스테르 폴리올을 락톤계 화합물과 함께 개환중합시켜 폴리올의 분자 구조를 변경시킨 변성 폴리에스테르 폴리올을 상기 에스테르화 공정에서 사용할 수도 있다. 상기 변성 폴리에스테르 폴리올을 사용하는 경우에는 분자 골격 내에서 반응기로 작용하는 수산기의 길이를 조절할 수 있어, 최종 형성물인 전해질의 물성을 변화시키는데 효과적이다. 상기 락톤계 화합물로는 ε-카프로락톤, γ-카프로락톤 등을 사용할 수 있다. 락톤계 화합물은 폴리에스테르폴리올의 수산기 전체수에 대해 암의 비율로 사용이 가능하다. 따라서 본 발명에서 사용되는 락톤계 화합물의 사용량에 대해서 특별히 한정할 필요는 없지만, 락톤계 화합물이 치환된 변성 폴리에스테르 폴리올의 용해성과 분자의 크기 등을 고려하여 폴리에스테르폴리올의 전체 수산기에 대해 1000몰% 이하, 특히 폴리올의 수산기 1몰에 대해 0.01 내지 10몰이 바람직하다. Alternatively, a modified polyester polyol obtained by ring-opening polymerization of a polyester polyol together with a lactone compound may be used in the esterification step. In the case of using the modified polyester polyol, it is possible to adjust the length of the hydroxyl group acting as a reactor in the molecular backbone, which is effective in changing the physical properties of the electrolyte as a final product. As the lactone compound, ε-caprolactone, γ-caprolactone and the like can be used. The lactone compound can be used in the ratio of arm to the total number of hydroxyl groups of the polyester polyol. Therefore, the amount of the lactone-based compound used in the present invention is not particularly limited, but considering the solubility of the modified polyester polyol in which the lactone-based compound is substituted, the size of the molecule, and the like, it is 1000 mol based on the total hydroxyl groups of the polyester polyol. % Or less, especially 0.01-10 mol is preferable with respect to 1 mol of hydroxyl groups of a polyol.
또한 상기 개환중합 반응을 촉진시키기 위한 촉매로서 유기 티탄계 화합물, 유기 주석계 화합물 및 각종 금속의 유기 카르본산 금속염 등을 사용할 수 있다. 상기 유기 티탄계 화합물로는 테트라프로필티타네이트 등이 있다.As the catalyst for promoting the ring-opening polymerization reaction, an organic titanium compound, an organic tin compound, an organic carboxylic acid metal salt of various metals, or the like can be used. Examples of the organic titanium compound include tetrapropyl titanate.
상기 촉매의 첨가량은 락톤계 화합물 100 중량부에 대해서 0.001 내지 1 중량부가 바람직하다.The amount of the catalyst added is preferably 0.001 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of the lactone compound.
상기 변성 폴리에스테르 폴리올을 사용할 경우에는 변성 폴리에스테르폴리올에, 아크릴산 및 그의 유도체와, 라디칼 반응성이 없는 그룹을 포함하는 화합물을 함께 첨가하여 에스테르화 반응을 실시한다. 상기 아크릴산 및 그의 유도체와, 상기 라디칼 반응성이 없는 그룹을 포함하는 화합물의 사용 몰비를 조정함에 따라 변성 폴리에스테르 폴리올에 포함된 수산기의 일부 또는 전부가 (메타)아크릴산 에스 테르로 치환되고, 나머지 일부 미반응 수산기는 라디칼 반응성이 없는 그룹으로 치환되는 비율을 조절할 수 있다. In the case of using the modified polyester polyol, an esterification reaction is carried out by adding together acrylic acid and its derivatives and a compound containing a group having no radical reactivity to the modified polyester polyol. By adjusting the molar ratio of the compound containing the acrylic acid and its derivatives and the group having no radical reactivity, some or all of the hydroxyl groups contained in the modified polyester polyol are substituted with (meth) acrylic acid ester, and the remaining part The reactive hydroxyl groups can control the rate at which they are substituted with groups that are not radically reactive.
상술한 방법으로 폴리에스테르 폴리올의 수산기 중 일부 또는 전부는 (메타)아크릴산 에스테르로 변환되고, 나머지 일부 미반응 수산기의 (메타)아크릴산 에스테르로 치환되지 않은 미반응 수산기를 라디칼 반응성이 없는 그룹으로 치환된 폴리(에스테르)(메타)아크릴레이트 또는 그 중합체가 제조된다.Some or all of the hydroxyl groups of the polyester polyols are converted into (meth) acrylic acid esters by the above-described method, and the unreacted hydroxyl groups, which are not substituted by the (meth) acrylic acid esters of the remaining unreacted hydroxyl groups, are substituted with groups that are not radically reactive. Poly (ester) (meth) acrylate or its polymer is produced.
상기 폴리(에스테르)(메타)아크릴레이트의 바람직한 예로는 하기 화학식 3으로 나타낼 수 있다.Preferred examples of the poly (ester) (meth) acrylate may be represented by the following formula (3).
[화학식 3][Formula 3]
상기 (메타)아크릴산 에스테르와 라디칼 반응성이 없는 그룹의 몰비는 1 : 0.01 내지 1 : 100이 바람직하다. 상기 (메타)아크릴산 에스테르와 라디칼 반응성이 없는 그룹의 몰비가 1 : 0.01 미만일 경우에는 고분자의 가교도가 증가되어 이온 전도 특성이 감소하게 되며, 1 : 100을 초과하는 경우에는 가교 반응점의 부족 으로 고분자를 형성하지 못하게 되어 바람직하지 않다.As for the molar ratio of the said (meth) acrylic acid ester and the group which is not radically reactive, 1: 01-1: 100 are preferable. When the molar ratio of the group having no radical reactivity with the (meth) acrylic acid ester is less than 1: 0.01, the degree of crosslinking of the polymer is increased, and the ion conduction property is reduced. It is not desirable to form.
본 발명의 고분자 전해질은 또한 탄소수 6 내지 40의 과산화물을 포함한다. 이 과산화물은 폴리에스테르 (메타)아크릴레이트 중합체의 중합반응을 개시하는 역할을 하는 물질로서, 이는 극성 부분(친수성 부분)인 -C(=O)-O-O-C(=O)-과, 비극성 부분(소수성 부분)인 탄소수 6 내지 40의 지방족 또는 방향족 탄화수소기 영역으로 나눌 수 있다. The polymer electrolyte of the present invention also includes a peroxide having 6 to 40 carbon atoms. This peroxide is a substance that initiates the polymerization of the polyester (meth) acrylate polymer, which is a polar portion (hydrophilic portion) -C (= 0) -OOC (= 0) and a nonpolar portion (hydrophobic). Moiety) to an aliphatic or aromatic hydrocarbon group region having 6 to 40 carbon atoms.
또한 상기 탄소수 6 내지 40의 과산화물은 2,2'-아조이소부티로니트릴과 같은 아조벤젠계 개시제를 사용한 경우와 비교하여 극성 용매인 전해액에 대한 용해성이 없는 비활성 가스인 질소(N2) 대신 전해액에 대한 친화성이 우수한 CO2 가스를 발생시키므로 리튬 전지의 초기 충방전 효율을 개선시킨다.In addition, the peroxide having 6 to 40 carbon atoms may be added to the electrolyte instead of nitrogen (N 2 ), which is an inert gas having no solubility in the electrolyte, which is a polar solvent, as compared to the case of using an azobenzene-based initiator such as 2,2'-azoisobutyronitrile. Since the CO 2 gas having excellent affinity is generated, the initial charge and discharge efficiency of the lithium battery is improved.
리튬-황 전지의 초기 충방전 효율은 전극에 형성되는 피막 특히 음극 표면에 형성되는 피막의 형성과 밀접한 관련이 있다. 이 피막의 형태는 전지의 제반 성능과 직결되어 있는데, 초기 충방전의 사이클이 진행된 후의 충전 상태에서 음극 극판의 표면의 형태를 관찰해보면, 전지의 초기 충방전 효율이 우수한 경우에는 음극 극판 표면이 균일하며, 초기 충방전 효율이 불량한 경우에는 음극 극판 표면의 여러 곳에서 다량의 리튬이 석출되는 것을 알 수 있다.The initial charge and discharge efficiency of a lithium-sulfur battery is closely related to the formation of a film formed on the electrode, particularly a film formed on the surface of the negative electrode. The shape of this film is directly related to the overall performance of the battery. When the surface of the negative electrode plate is observed in the state of charge after the initial charge / discharge cycle has progressed, the surface of the negative electrode plate is uniform if the battery has excellent initial charge and discharge efficiency. In addition, when the initial charge and discharge efficiency is poor, it can be seen that a large amount of lithium is precipitated at various places on the surface of the negative electrode plate.
상기 탄소수 6 내지 40의 과산화물의 구체적인 예로는 이소부틸 퍼옥사이드, 라우로닐 퍼옥사이드, 벤조일 퍼옥사이드, m-톨루오일 퍼옥사이드(m-toluoyl peroxide), t-부틸 퍼옥시-2-에틸 헥사노에이트, t-부틸 퍼옥시 바이바레이트, t- 부틸옥시네오데카네이트, 디이소프로필 퍼옥시 디카보네이트, 디에톡시 퍼옥시 디카보네이트, 비스-(4-t-부틸사이클로헥실)퍼옥시 디카보네이트, 디메톡시 이소프로필 퍼옥시 디카보네이트, 디사이클로헥실퍼옥시 디카보네이트 및 3,3,5-트리메틸헥사노일 퍼옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있다. 특히, 라우로일 퍼옥사이드 또는 벤조일 퍼옥사이드가 바람직하다.Specific examples of the peroxide having 6 to 40 carbon atoms include isobutyl peroxide, lauronyl peroxide, benzoyl peroxide, m-toluoyl peroxide, t-butyl peroxy-2-ethyl hexano Eights, t-butyl peroxy bibarate, t-butyloxyneodecanate, diisopropyl peroxy dicarbonate, diethoxy peroxy dicarbonate, bis- (4-t-butylcyclohexyl) peroxy dicarbonate, At least one selected from the group consisting of dimethoxy isopropyl peroxy dicarbonate, dicyclohexylperoxy dicarbonate, and 3,3,5-trimethylhexanoyl peroxide. In particular, lauroyl peroxide or benzoyl peroxide is preferred.
상기 과산화물의 양은 폴리(에스테르)(메타)아크릴레이트 100 중량부를 기준으로 하여 0.3 내지 5 중량부인 것이 바람직하다. 상기 과산화물의 양이 0.3 중량부 미만인 경우에는 중합반응성이 저하되며, 5 중량부를 초과하는 경우에는 중합체의 분자량이 과도하게 커져 고분자 전해질로서의 기계적 물성이 나빠질 수 있다.The amount of the peroxide is preferably 0.3 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the poly (ester) (meth) acrylate. When the amount of the peroxide is less than 0.3 part by weight, the polymerization reactivity is lowered. When the amount of the peroxide is more than 5 parts by weight, the molecular weight of the polymer may be excessively large, resulting in poor mechanical properties as the polymer electrolyte.
상기 폴리(에스테르)(메타)아크릴레이트의 중합체의 중량 평균 분자량은 300 내지 100,000인 것이 바람직하다.It is preferable that the weight average molecular weights of the polymer of the said poly (ester) (meth) acrylate are 300-100,000.
이하, 본 발명의 고분자 전해질을 이용하여 리튬-황 전지를 제조하는 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a lithium-sulfur battery using the polymer electrolyte of the present invention will be described.
메타크릴레이트기를 갖는 모노머와 탄소수 6 내지 40의 유기 과산화물과, 전해액을 혼합하여 고분자 전해질 형성용 조성물을 제조한다.A monomer having a methacrylate group, an organic peroxide having 6 to 40 carbon atoms, and an electrolyte are mixed to prepare a composition for forming a polymer electrolyte.
상기 고분자 전해질 형성용 조성물을 이용하여 필름 형태의 고분자 전해질을 제조할 수도 있고, 상기 조성물을 그대로 전지 케이스에 투입한 후, 전지 내에서 중합시킬 수도 있다. 필름 형태로 제조할 경우에는 5 내지 90㎛의 두께를 갖는 것이 고분자 전해질의 이온 전도도 등의 특성이 우수하여 바람직하다.The polymer electrolyte in the form of a film may be prepared using the composition for forming a polymer electrolyte, or the polymer composition may be polymerized in a battery after the composition is introduced into a battery case as it is. In the case of manufacturing in the form of a film, it is preferable to have a thickness of 5 to 90 μm because of excellent properties such as ion conductivity of the polymer electrolyte.
필름 형태의 고분자 전해질은 상기 조성물을 지지 기판상에 코팅한 다음, 이 를 선택적으로 열처리 또는 UV 조사에 의해 중합 반응을 실시하고, 지지 기판 상에 생성된 필름을 박리하여 제조한다. 여기에서 열처리 온도는 사용되는 라디칼 반응의 개시제의 반감기에 따라 차이가 있으나 40 내지 110℃가 적당하나 보다 바람직하게는 60 내지 85℃가 적당하다. 만약 열중합의 온도가 너무 낮게 되면, 미반응 모노머가 많이 잔류하거나 반응 시간이 길어지게 되어 제조 공정의 비용이 발생하게 된다. 또한, 반응 온도가 너무 높게 되면 리튬염이 분해량이 크게 증가하는 문제점이 발생된다. 이와 같이 필름 형태의 고분자 전해질을 사용하는 경우에는 전지 조립 공정에서 상기 고분자 전해질이 세퍼레이터의 역할도 수행하므로 별도의 세퍼레이터가 요구되지 않는다.The polymer electrolyte in the form of a film is prepared by coating the composition on a supporting substrate, then performing a polymerization reaction by selectively heat treatment or UV irradiation, and peeling off the film produced on the supporting substrate. Here, the heat treatment temperature is different depending on the half-life of the initiator of the radical reaction used, but 40 to 110 ℃ is suitable, but more preferably 60 to 85 ℃. If the temperature of the thermal polymerization is too low, a large amount of unreacted monomer remains or the reaction time becomes long, resulting in the cost of the manufacturing process. In addition, when the reaction temperature is too high, a problem arises in that the amount of decomposition of lithium salts is greatly increased. As such, when the polymer electrolyte in the form of a film is used, a separate separator is not required since the polymer electrolyte also plays a role of a separator in a battery assembly process.
전지 내에서 중합 반응을 실시하는 화학겔 전해질의 경우에는, 양극과 음극 및 이 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 삽입된 전극군을 전지 케이스에 넣고, 상기 고분자 전해질 형성용 조성물을 주입하여 전지를 제조한다. 이 전지를 70 내지 80℃에서 2 내지 6시간 동안 방치한다. 이때, 고분자 전해질 형성용 조성물의 중합 반응이 일어나서 고분자 전해질이 형성된다. 상기 세퍼레이터로는 폴리에틸렌 세퍼레이터, 폴리프로필렌 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터를 사용할 수 있다.In the case of a chemical gel electrolyte which polymerizes in a battery, a battery is manufactured by inserting a positive electrode, a negative electrode, and an electrode group in which a separator is inserted between the positive electrode and the negative electrode in a battery case, and injecting the polymer electrolyte forming composition. . The battery is left at 70 to 80 ° C. for 2 to 6 hours. At this time, a polymerization reaction of the composition for forming a polymer electrolyte occurs to form a polymer electrolyte. As the separator, a polyethylene separator, a polypropylene separator, a polyethylene / polypropylene two-layer separator, a polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, or a polypropylene / polyethylene / polypropylene three-layer separator may be used.
상기 양극에서 양극 활물질로는 무기 황(S8, elemental sulfur), Li2Sn (n ≥1), 유기황 화합물 또는 탄소-황 폴리머[(C2Sx)n, 여기에서 x=2.5-50, n ≥ 2]를 사용할 수 있다. 상기 음극에서 음극 활물질로는 리튬 금속 또는 리튬/알루미늄 합금과 같은 리튬 합금 전극을 사용한다. In the positive electrode, the positive electrode active material is inorganic sulfur (S 8 , elemental sulfur), Li 2 S n (n ≧ 1), an organic sulfur compound or a carbon-sulfur polymer [(C 2 S x ) n , where x = 2.5- 50, n ≥ 2] can be used. As the negative electrode active material in the negative electrode, a lithium alloy electrode such as a lithium metal or a lithium / aluminum alloy is used.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(비교 제조예 1 내지 8)(Comparative Preparation Examples 1 to 8)
평균 분자량 330인 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트(PEGDMA)를 전해액인 1M LiN(SO2CF3)2가 용해된 디메톡시에탄/1,3-디옥솔란(80/20 부피비)에 첨가하여 10분 동안 교반하였다. 이 혼합물에 개시제인 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)을 소량 넣고 75℃에서 가열하여 겔화 반응을 4시간 동안 진행시켰다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Poly (ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA) having an average molecular weight of 330 was added to dimethoxyethane / 1,3-dioxolane (80/20 volume ratio) in which 1M LiN (SO 2 CF 3 ) 2 as an electrolyte was dissolved. Stir for 10 minutes. A small amount of azobisisobutyronitrile (AIBN), an initiator, was added to the mixture and heated at 75 ° C. for gelation reaction for 4 hours. The results are shown in Table 1 below.
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 모노머 대비 전해액의 양이 1250% 이하에서는 겔화가 되었고, 1500% 이상에서는 겔화가 되지 않고 점도가 증가하였다.As shown in Table 1, the amount of the electrolyte solution compared to the monomer was gelated at 1250% or less, and the viscosity was increased without gelation at 1500% or more.
상기 비교 제조예 6의 방법으로 제조된 결과물을 디스크 형태의 시편으로 만들어 스테인레스 스틸 전극과 접착시켜 상온에서의 이온 전도도를 측정하였다. 그 결과 2.0 ×10-3(S/cm)의 우수한 이온 전도도를 나타내었다.The result prepared by the method of Comparative Preparation Example 6 was made into a disk-shaped specimen and bonded with a stainless steel electrode to measure the ionic conductivity at room temperature. The result was an excellent ion conductivity of 2.0 × 10 −3 (S / cm).
(제조예 1 내지 7)(Production Examples 1 to 7)
디펜타에리트리톨(dipentaerythritol) 1몰, ε-카프로락톤 2몰 및 톨루엔 용매의 혼합물에 테트라프로필타타네이트 촉매를 상기 디펜타에리트리톨의 0.01 중량%의 양으로 부가하여 50℃에서 반응시켜 말단의 수산기가 "ε-카프로락톤 잔기"로 치환된 디펜타에리트리올 모노머를 합성하였다. 이어서, 상기 모노머 1몰에 아크릴산 4몰과 부틸카르본산 2몰을 반응시켜 상기 모노머의 말단에 존재하는 4개의 수산기(-OH) 대신 -OC(=O)(CH2)5OC(=O)CH2=CH2로 치환되고, 나머지 2개의 수산기(-OH) 대신 -OC(=O)(CH2)3CH3로 치환된 폴리에스테르 헥사아크릴레이트계 화합물(PEHA)을 얻었다. To a mixture of 1 mol of dipentaerythritol, 2 mol of ε-caprolactone, and toluene solvent, a tetrapropyl titanate catalyst was added in an amount of 0.01% by weight of the dipentaerythritol and reacted at 50 DEG C. A dipentaerytriol monomer was synthesized wherein is substituted with an "ε-caprolactone residue". Subsequently, 4 moles of acrylic acid and 2 moles of butylcarboxylic acid are reacted with 1 mole of the monomer to substitute -OC (= O) (CH 2 ) 5 OC (= O) instead of 4 hydroxyl groups (-OH) present at the terminal of the monomer. CH 2 = CH 2 is replaced with, the other two hydroxyl groups (-OH) instead of -OC (= O) (CH 2 ) 3 CH 3 to obtain a polyester hexa acrylate compound (PEHA) substituted.
상기 폴리에스테르 헥사아크릴레이트계 화합물을 전해액 1M LiN(SO2CF3)2 가 용해된 디메톡에탄/1,3-디옥솔란(80/20 부피비)에 넣고 10분간 교반하였다. 이 혼합물에 개시제인 AIBN을 소량 넣고 75℃에서 가열하여 겔화 반응을 4시간 동안 진행시켰다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The polyester hexaacrylate-based compound was added to dimethoxyethane / 1,3-dioxolane (80/20 vol. Ratio) in which electrolyte solution 1M LiN (SO 2 CF 3 ) 2 was dissolved and stirred for 10 minutes. A small amount of initiator AIBN was added to the mixture and heated at 75 ° C. for gelation reaction for 4 hours. The results are shown in Table 2 below.
상기 표 2에 나타낸 것과 같이, 모노머 대비 전해액의 양이 3000% 이하에서는 겔화가 잘 되어서 전해액이 고분자의 매트릭스로부터 빠져나오는 상분리 현상도 보이지 않았고, 4000% 이상에서는 겔화가 되기는 되었으나 전해액이 고분자의 매트릭스로부터 빠져나오는 상분리 현상이 관찰되었다. 즉 미량의 누액 현상이 나타났다. As shown in Table 2, when the amount of the electrolyte solution compared to the monomer is less than 3000%, the gelation is good, so that the phase separation phenomenon from which the electrolyte escapes from the polymer matrix is not observed. Escaped phase separation was observed. That is, a small amount of leakage occurred.
상기 제조예 1 및 4의 이온 전도 특성을 측정하기 위하여 디스크 형태의 시편으로 만들어 스테인레스 스틸 전극과 접착시켜 상온에서의 이온 전도도를 측정하였다. 그 결과 제조예 4는 2.5 ×10-3(S/cm), 제조예 1은 3.4 ×10-3(S/cm)의 우수한 이온 전도도를 나타내었다.In order to measure the ion conduction characteristics of Preparation Examples 1 and 4, disk-shaped specimens were bonded to a stainless steel electrode, and the ion conductivity at room temperature was measured. As a result, Preparation Example 4 exhibited excellent ion conductivity of 2.5 × 10 -3 (S / cm), and Preparation Example 1 of 3.4 × 10 -3 (S / cm).
(비교 제조예 8) : 폴리 에틸렌 글리콜 디비닐 에테르(PEGDVE, 분자량 240)를 모노머로 사용한 경우(Comparative Preparation Example 8): When polyethylene glycol divinyl ether (PEGDVE, molecular weight 240) was used as a monomer
이 경우에는 동일한 조건으로 모노머 대비 전해액의 양을 500-3000%까지 다 양하게 변화시켰으나 모든 조성비에서 겔화가 일어나지 않았다.In this case, the amount of electrolyte to monomer was varied up to 500-3000% under the same conditions, but gelation did not occur at all composition ratios.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
67.5 중량% 원소 황(elemental sulfur), 11.4 중량% 슈퍼-P 도전재, 21.1 중량% 폴리에틸렌 옥사이드 바인더를 아세토니트릴 용매에서 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 카본-코팅된 Al 전류 집전체에 코팅하였다. 코팅된 전류 집전체를 압연하여 양극판을 제조하였다. 제조된 양극판을 상온에서 2시간 이상 건조한 후 다시 50℃에서 12시간 이상 건조하였다.A positive electrode active material slurry was prepared by mixing 67.5 wt% elemental sulfur, 11.4 wt% Super-P conductive material, and 21.1 wt% polyethylene oxide binder in an acetonitrile solvent. This slurry was coated on a carbon-coated Al current collector. The coated current collector was rolled to prepare a positive electrode plate. The prepared positive electrode plate was dried at room temperature for at least 2 hours, and then dried at 50 ° C. for at least 12 hours.
상기 양극판을 파우치의 안쪽에 넣고, 이 양극판 위에 세퍼레이터를 덮었다. 이 세퍼레이터 위에 리튬 호일 음극을 덮은 후, 파우치를 전해액 주입구만 남기고 봉인하였다. 상기 전해액 주입구로 1M LiN(SO2CF3)2가 용해된 디메톡시에탄/1,3-디옥솔란(80/20 부피비) 전해액을 첨가하였다. 상기 전해액 주입구를 봉인하여 리튬-황 전지(설계 용량: 황의 질량당 용량을 838mAh/g)를 제조하였다.The positive plate was placed inside the pouch and the separator was covered on the positive plate. After covering the lithium foil negative electrode on this separator, the pouch was sealed, leaving only the electrolyte injection hole. Dimethoxyethane / 1,3-dioxolane (80/20 vol. Ratio) electrolyte in which 1M LiN (SO 2 CF 3 ) 2 was dissolved was added to the electrolyte inlet. The electrolyte injection port was sealed to prepare a lithium-sulfur battery (design capacity: 838 mAh / g capacity per mass of sulfur).
(비교예 2 내지 7)(Comparative Examples 2 to 7)
전해액 주입구로 고분자 전해질 형성용 조성물을 주입한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다. 상기 고분자 전해질 형성용 조성물은 PEGDMA와 AIBN을 하기 표 3에 나타낸 조성대로 액체 전해액에 첨가하여 제조한 것을 사용하였다. 상기 액체 전해액으로는 1M LiN(SO2CF3)2가 용해된 디메톡시에탄/1,3-디옥솔란(80/20 부피비) 용액을 사용하였다. Except for injecting the composition for forming the polymer electrolyte into the electrolyte injection hole was carried out in the same manner as in Comparative Example 1. The polymer electrolyte composition was prepared by adding PEGDMA and AIBN to the liquid electrolyte according to the composition shown in Table 3 below. As the liquid electrolyte solution, a dimethoxyethane / 1,3-dioxolane (80/20 volume ratio) solution in which 1M LiN (SO 2 CF 3 ) 2 was dissolved was used.
상기 비교예 1 내지 7의 방법으로 제조된 전지를 다음 조건으로 충방전하여 율별 특성과 수명 특성을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The battery manufactured by the method of Comparative Examples 1 to 7 was charged and discharged under the following conditions to measure the rate-specific characteristics and the life characteristics. The results are shown in Table 3 below.
1회 0.1C 방전(종지 조건 1.5V)0.1C discharge once (final condition 1.5V)
2회 0.2C 충전(종지 조건: 설계 용량의 120% 혹은 2.8V)Two 0.2C charges (end condition: 120% of design capacity or 2.8V)
0.1C 방전(종지 조건 1.5V)0.1C discharge (end condition 1.5V)
3회: 0.2C 충전(종지 조건: 설계 용량의 120% 혹은 2.8V)3 times: 0.2C charge (end condition: 120% of design capacity or 2.8V)
0.2C 방전(종지 조건 1.5V)0.2C discharge (final condition 1.5V)
4회(수명 1회): 0.2C 충전(종지 조건: 설계 용량의 120% 혹은 2.8V)4 times (1 life): 0.2C charge (end condition: 120% of design capacity or 2.8V)
0.5C 방전(종지 조건 1.5V)0.5C discharge (end condition 1.5V)
5회 이상: 4회 조건 반복5 or more: 4 conditions repeated
상기 표 3에서 보면, 액체 전해액만을 사용한 비교예 1의 전지에 비해서, 화학겔을 사용한 상기 비교예 2 내지 7의 전지가 용량과 수명이 모두 떨어지는 성능을 보여주어서 기대한 수명 향상에 대한 효과를 보지 못했다.In Table 3, compared to the battery of Comparative Example 1 using only the liquid electrolyte, the cells of Comparative Examples 2 to 7 using the chemical gel showed the performance of both the capacity and the life is reduced, the effect on the expected life improvement I couldn't.
(비교예 8 내지 11)(Comparative Examples 8 to 11)
전해액 주입구로 고분자 전해질 형성용 조성물을 주입한 것을 제외하고는 상 기 비교예 1과 동일하게 실시하였다. 상기 고분자 전해질 형성용 조성물은 PEGDMA와 AIBN을 하기 표 4에 나타낸 조성대로 액체 전해액에 첨가하여 제조한 것을 사용하였다. 상기 액체 전해액으로는 1M LiN(SO2CF3)2가 용해된 디메톡시에탄/1,3-디옥솔란(80/20 부피비) 용액을 사용하였다. Except for injecting a composition for forming a polymer electrolyte into the electrolyte injection hole was carried out in the same manner as in Comparative Example 1. The polymer electrolyte composition was prepared by adding PEGDMA and AIBN to the liquid electrolyte according to the composition shown in Table 4 below. As the liquid electrolyte solution, a dimethoxyethane / 1,3-dioxolane (80/20 volume ratio) solution in which 1M LiN (SO 2 CF 3 ) 2 was dissolved was used.
상기 비교예 1 내지 4, 6, 8 내지 11의 방법으로 제조된 전지를 0.2C 충전(종지 조건: 설계 용량의 120% 또는 2.8V)와 0.5C 방전(종지 조건 1.5V) 조건으로 100회 충방전을 실시한 뒤, 전지를 해체한 후 리튬 전극을 대기 중에 노출시킨 후 자연 발화 현상을 관찰하여, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.The batteries prepared by the methods of Comparative Examples 1 to 4, 6, 8 and 11 were charged 100 times under 0.2C charging (end condition: 120% or 2.8V of design capacity) and 0.5C discharge (end condition 1.5V). After discharging, the battery was dismantled, and then the lithium electrode was exposed to the air, followed by spontaneous ignition. The results are shown in Table 4 below.
화학겔을 사용한 비교예 2 내지 4, 6, 8 내지 11의 전지가 액체 전해액을 사용한 비교예 1의 전지에 비하여 자연 발화 현상이 크게 개선되었음을 알 수 있다. 이는 리튬 표면에 고분자 필름의 막이 형성되어 수분과 리튬 표면의 접촉을 차단하기 때문으로 판단된다.It can be seen that the batteries of Comparative Examples 2 to 4, 6, 8 to 11 using the chemical gels were greatly improved in spontaneous ignition phenomenon compared to the batteries of Comparative Example 1 using the liquid electrolyte. This is because the film of the polymer film is formed on the lithium surface to block the contact between the moisture and the lithium surface.
(실시예 1 내지 2)(Examples 1 and 2)
PEGDMA 대신 상기 실험예 1에서 제조된 PEHA을 사용하고, 그 사용량을 하기 표 5에 나타낸 것과 같이 변경한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일하게 실시하였다.PEHA prepared in Experimental Example 1 was used instead of PEGDMA, and the same procedure as in Comparative Example 2 was conducted except that the amount thereof was changed as shown in Table 5 below.
상기 실시예 1 내지 2의 방법으로 제조된 리튬-황 전지를 상술한 충방전 조건과 동일하게 충방전을 실시하였다. 그 결과를 하기 표 5에 나타내었으며, 비교예 1의 결과도 함께 나타내었다.Charge-discharge was performed in the same manner as the charge-discharge conditions described above for the lithium-sulfur battery prepared by the method of Examples 1 to 2. The results are shown in Table 5 below, and the results of Comparative Example 1 are also shown.
상기 표 5에서 알 수 있듯이, 실시예 1의 전지는 액체 전해액만 사용한 비교예 1에 비해서 충방전 사이클에 따른 용량 감소 현상이 대폭 개선되었으며, 즉 사이클 수명 특성이 매우 우수하다. 실시예 1과 실시예 2를 비교하면, 전해액의 양이 높은 실시예 1이 실시예 2에 비하여 충방전 사이클에 따른 용량 감소 현상을 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다. As can be seen in Table 5, the battery of Example 1 has significantly improved the capacity reduction phenomenon according to the charge and discharge cycle compared to Comparative Example 1 using only the liquid electrolyte, that is, the cycle life characteristics are very excellent. Comparing Example 1 and Example 2, it can be seen that Example 1, which has a higher amount of electrolyte, can significantly reduce the capacity reduction phenomenon caused by the charge / discharge cycle compared to Example 2.
실시예 1과 비교예 1을 비교하면, 실시예 1은 0.1C와 0.2C에서 용량이 비교예 1과 거의 비슷하게 나오고, 0.5C에서만 약간 떨어진다. 그러나 수명 테스트에서는 300회에서 56%로 비교예 1의 39%보다 17% 더 수명이 우수함을 볼 수 있다. 더구나 실시예 1은 수명이 진행될수록 수명 감소율이 더욱 작아져서 400회에서는 51%로 300회에서 400회까지의 100회동안 용량 감소가 5%에 불과한 우수한 수명 특성을 보여주었다. 이 결과는 폴리에스테르 헥사아크릴레이트계 화합물을 사용한 화학겔 전지에서 음극인 리튬의 부식이 억제되었기 때문으로 판단되며, 이는 수명 테스트 종료 후 전지를 해체한 음극의 상태를 보면 쉽게 생각할 수 있다.Comparing Example 1 with Comparative Example 1, Example 1 showed a capacity almost similar to Comparative Example 1 at 0.1C and 0.2C, and dropped only slightly at 0.5C. However, in the life test, it can be seen that the service life is 17% better than the 39% of Comparative Example 1 from 300 to 56%. In addition, Example 1 shows that the life reduction rate is smaller as the life progresses, showing excellent life characteristics of only 51% at 400 times and a capacity reduction of only 5% at 100 times from 300 to 400 times. This result is judged to be due to the suppression of corrosion of lithium as a negative electrode in a chemical gel battery using a polyester hexaacrylate-based compound, which can be easily considered by looking at the state of the negative electrode dismantled after the end of the life test.
사이클 수명 테스트 종료 후, 상기 실시예 1 및 비교예 1의 전지를 해체하여 얻은 음극의 표면 사진을 도 1 및 도 2에 각각 나타내었다. 수명 400회 후의 실시예 1의 음극은 상당히 깨끗한 상태이고(도 1), 수명 300회 후의 비교예 1의 음극은 리튬이 덴드라이트 형성등 많이 손상된 상태임(도 2)을 볼 수 있다.After completion of the cycle life test, the surface photographs of the negative electrodes obtained by disassembling the batteries of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. It can be seen that the negative electrode of Example 1 after 400 times of life is considerably clean (FIG. 1), and that the negative electrode of Comparative Example 1 after 300 times of life is in a state in which lithium is damaged such as dendrite formation (FIG. 2).
(실시예 3 내지 6 및 참조예 1)(Examples 3 to 6 and Reference Example 1)
PEGDMA 대신 상기 실험예 1에서 제조된 PEHA을 사용하고, 그 사용량을 하기 표 6에 나타낸 것과 같이 변경한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일하게 실시하였다.PEHA prepared in Experimental Example 1 was used instead of PEGDMA, and the same amount as in Comparative Example 2 was used except that the amount thereof was changed as shown in Table 6 below.
화학겔을 사용한 실시예 1 내지 6의 전지가 액체 전해액을 사용한 비교예 1의 전지에 비해 자연 발화 현상이 크게 개선되었다. 이는 리튬 표면에 고분자 필 름의 막이 형성되어 수분과 리튬 표면의 접촉을 차단하기 때문으로 판단된다.The spontaneous ignition phenomenon was greatly improved in the batteries of Examples 1 to 6 using the chemical gel compared with the batteries of Comparative Example 1 using the liquid electrolyte. This is because a film of polymer film is formed on the lithium surface to block the contact between moisture and the lithium surface.
또한 실시예 1 내지 비교예 1의 전지 수명 특성을 표 6에 나타내었다. 충방전 조건은 0.2C 충전(종지 조건: 설계 용량의 120% 또는 2.8V)와 0.5C 방전(종지 조건 1.5V)으로 300회 이상을 실시하였다. 그 결과를 표 7 및 도 2에 나타내었다.In addition, the battery life characteristics of Examples 1 to Comparative Example 1 are shown in Table 6. Charging and discharging conditions were performed 300 times or more by 0.2C charging (end condition: 120% or 2.8V of design capacity) and 0.5C discharge (end condition 1.5V). The results are shown in Table 7 and FIG.
화학겔을 사용한 실시예 1의 전지가 1회 용량은 액체 전해액을 사용한 비교예 1의 전지보다 다소 떨어지지만, 수명 특성은 비교예 1보다 매우 우수함을 알 수 있다.The battery of Example 1 using a chemical gel was slightly inferior to the battery of Comparative Example 1 using a liquid electrolyte, but it was found that the life characteristics were much better than that of Comparative Example 1.
이는 화학겔 전지에서는 전해액 용매의 활발한 움직임이 크게 억제되어 양극 활물질인 폴리 설파이드가 양극 합제에서 빠져나와 음극으로 이동하는 것이 크게 억제되고, 또한 전해액 용매 자체가 리튬을 부식시키는 것 또한 크게 억제하기 때문으로 생각된다. 이는 수명 종료 후 셀을 해체한 음극의 상태를 보면 쉽게 생각할 수 있다.This is because the active movement of the electrolyte solvent is greatly suppressed in the chemical gel battery, and thus the polysulfide, which is the positive electrode active material, is largely suppressed from moving out of the positive electrode mixture and moved to the negative electrode, and the electrolyte solvent itself also significantly inhibits lithium corrosion. I think. This can easily be considered by looking at the state of the cathode which disassembled the cell after the end of life.
본 발명의 고분자 전해질은 사이클 수명 특성이 향상된 리튬-황 전지를 제공할 수 있다.The polymer electrolyte of the present invention can provide a lithium-sulfur battery with improved cycle life characteristics.
Claims (31)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003279998A JP2004071560A (en) | 2002-08-07 | 2003-07-25 | Polymer electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same |
US10/635,122 US20040029016A1 (en) | 2002-08-07 | 2003-08-06 | Polymer electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same |
CNB031272754A CN1330042C (en) | 2002-08-07 | 2003-08-07 | Polymer electrolyte for lithium-sulphur cell and lithium-sulphur cell containing the same |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020020046580 | 2002-08-07 | ||
KR20020046580 | 2002-08-07 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20040014163A KR20040014163A (en) | 2004-02-14 |
KR100669315B1 true KR100669315B1 (en) | 2007-01-15 |
Family
ID=37321367
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020030028968A KR100669315B1 (en) | 2002-08-07 | 2003-05-07 | Polymer electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100669315B1 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102657130B1 (en) * | 2017-09-08 | 2024-04-15 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Thermosetting electrolyte composition for lithium-sulfur battery, gel polymer electrolyte perpared therefrom, and lithium-sulfur battery comprising the same |
KR102320327B1 (en) | 2017-11-08 | 2021-11-01 | 주식회사 엘지화학 | Method for improving a lifetime of lithium-sulfur battery |
KR102415166B1 (en) * | 2019-01-11 | 2022-06-29 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Lithium Metal Electrode and Lithium Secondary Battery Comprising the Same |
CN114824648A (en) * | 2022-03-18 | 2022-07-29 | 扬州大学 | PW 12 @ PDADMAC/WMCNT modified polypropylene diaphragm and application thereof in lithium-sulfur battery |
-
2003
- 2003-05-07 KR KR1020030028968A patent/KR100669315B1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20040014163A (en) | 2004-02-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4234460B2 (en) | Polymer electrolyte and lithium battery using the same | |
US9837685B2 (en) | Gel polymer electrolyte composition, gel polymer electrolyte and electrochemical device comprising the same | |
US7205073B2 (en) | Electrolyte for lithium battery and lithium battery comprising same | |
US6013393A (en) | Ionic conductive polymer gel and lithium-ion battery using the same | |
JP4068826B2 (en) | Gel-type polymer electrolyte and use thereof | |
JP2003268053A (en) | Binder resin for battery and electrode and battery comprising the same | |
KR100642082B1 (en) | Binder composition for lithium ion secondary cell electrode and use of it | |
JP2004103573A (en) | Electrolyte for lithium cell and lithium cell containing it | |
CN103038224A (en) | Ether compound, electrolyte composition for non-aqueous battery, binder composition for non-aqueous battery electrode, slurry composition for non-aqueous battery electrode, electrode for non-aqueous battery and non-aqueous battery | |
JP4889067B2 (en) | Non-aqueous battery and electrode paste and electrode used in the battery | |
JPH11288738A (en) | Solid electrolytic battery and its manufacture | |
JP3580523B2 (en) | Ion conductive polymer gel electrolyte and battery containing the gel electrolyte | |
JP4526793B2 (en) | Non-aqueous electrolyte excellent in safety and lithium battery using the same | |
JP2004071560A (en) | Polymer electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same | |
JP5463257B2 (en) | Lithium secondary battery | |
KR100669315B1 (en) | Polymer electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising same | |
JP4071746B2 (en) | Polymer electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same | |
JPH0629043A (en) | Secondary battery | |
JP2010245034A (en) | Electrolyte for lithium secondary battery | |
KR20220009899A (en) | Composition for solid polymer electrolyte, solid polymer electrolyte formed therefrom and lithium secondary battery comprising the same electrolyte | |
KR100627271B1 (en) | A lithium secondary battery having improved cell performance | |
KR101129485B1 (en) | Electrolyte comprising eutectic mixture with perfluoro ether compound and electrochemical device containing the same | |
JP3614658B2 (en) | Polymerizable compound, polymer solid electrolyte using the same, and use thereof | |
KR100997613B1 (en) | Electrolyte comprising eutectic mixture and electrochemical device containing the same | |
KR102665811B1 (en) | Composition for solid polymer electrolyte, solid polymer electrolyte formed therefrom and lithium secondary battery comprising the same electrolyte |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
J201 | Request for trial against refusal decision | ||
E801 | Decision on dismissal of amendment | ||
B601 | Maintenance of original decision after re-examination before a trial | ||
J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20051223 Effective date: 20061129 |
|
S901 | Examination by remand of revocation | ||
GRNO | Decision to grant (after opposition) | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |