KR101206262B1 - Secondary battery using eutectic mixture electroyte and tin alloy anode - Google Patents

Secondary battery using eutectic mixture electroyte and tin alloy anode Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 구비하는 이차 전지에 있어서, 상기 전해질은 공융혼합물(eutectic mixture)을 포함하며, 상기 음극은 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 공융혼합물의 전위창 영역에 해당되는 주석 함유 화합물을 음극활물질로 포함하는 것이 특징인 이차 전지 및 상기 공융혼합물을 포함하는 이차 전지용 전해질을 제공한다.The present invention provides a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, wherein the electrolyte includes an eutectic mixture, and the negative electrode has a potential window area of a eutectic mixture with respect to lithium (Li / Li + ). It provides a secondary battery comprising a tin-containing compound corresponding to the negative electrode active material and an electrolyte for a secondary battery comprising the eutectic mixture.

본 발명에 따른 이차 전지는 공융혼합물 함유 전해질 및 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 상기 공융혼합물의 전위창 영역에 포함되는 주석 함유 화합물을 포함하는 음극을 병용(竝用)함으로써, 공융혼합물을 전지용 전해질로 사용시 발생되는 전해액 분해 및 이로 인한 전지의 성능 저하를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 공융혼합물의 열적, 화학적 안정성, 높은 전도도, 넓은 전위창을 통해 전지의 안전성과 성능 향상을 동시에 제공할 수 있다.In the secondary battery according to the present invention, a eutectic mixture is prepared by using a eutectic mixture-containing electrolyte and a negative electrode containing a tin-containing compound having a potential (Li / Li + ) relative to lithium in the potential window region of the eutectic mixture. It is possible to solve the decomposition of electrolyte solution and the degradation of the battery caused by using it as a battery electrolyte, and also to improve the safety and performance of the battery through thermal, chemical stability, high conductivity, and wide potential window of eutectic mixture. .

리튬 이차 전지, 전해질, 공융혼합물, 아미드 계열 화합물, 주석 Lithium Secondary Battery, Electrolyte, Eutectic Mixture, Amide Group Compound, Tin

Description

공융혼합물 전해질과 주석 합금 음극을 이용한 이차 전지{SECONDARY BATTERY USING EUTECTIC MIXTURE ELECTROYTE AND TIN ALLOY ANODE}Secondary battery using eutectic mixture electrolyte and tin alloy negative electrode {SECONDARY BATTERY USING EUTECTIC MIXTURE ELECTROYTE AND TIN ALLOY ANODE}

도 1은 동전형(coin type) 이차 전지의 단면 구조도이다.1 is a cross-sectional structural view of a coin type secondary battery.

도 2는 주석 합금(TCO: tin-based amorphous composite oxide) 계열 물질을 음극활물질로 사용한 음극과 공융혼합물 함유 전해질을 병용(竝用)하는 실시예 1의 리튬 이차 전지의 용량 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the capacity change of the lithium secondary battery of Example 1 in which a negative electrode using a tin-based amorphous composite oxide (TCO) -based material as a negative electrode active material and an electrolyte containing a eutectic mixture are used in combination.

도 3은 주석 합금(TCO: tin--sed amorphous composite oxide) 계열 물질을 음극활물질로 사용한 음극과 공융혼합물 함유 전해질을 병용(竝用)하는 실시예 2의 리튬 이차 전지의 용량 변화를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing a capacity change of the lithium secondary battery of Example 2 in which a negative electrode using a tin-sed amorphous composite oxide (TCO) -based material as a negative electrode active material and an electrolyte containing a eutectic mixture are used in combination; .

도 4는 주석(tin)산화물을 음극활물질로 사용한 음극과 공융혼합물 함유 전해질을 병용하는 비교예 1의 리튬 이차 전지의 용량 변화를 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the capacity change of the lithium secondary battery of Comparative Example 1 using a negative electrode and a eutectic mixture containing electrolyte using a tin oxide as a negative electrode active material.

도 5은 통상적인 흑연 탄소를 음극활물질로 사용한 음극과 공융혼합물 함유 전해질을 병용하는 비교예 2의 리튬 이차 전지의 용량 변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the capacity change of the lithium secondary battery of Comparative Example 2 using a negative electrode and a eutectic mixture-containing electrolyte in combination with a conventional graphite carbon as a negative electrode active material.

도 6은 주석 합금(TCO) 계열 물질을 음극활물질로 사용한 음극과 이온성 액체 전해질을 병용하는 비교예 3의 리튬 이차 전지의 용량 변화를 그래프이다.6 is a graph showing the capacity change of the lithium secondary battery of Comparative Example 3 using a negative electrode and an ionic liquid electrolyte using a tin alloy (TCO) based material as a negative electrode active material.

<도면 부호의 설명>&Lt; Description of reference numerals &

1 : 양극, 2 : 음극, 3 : 분리막과 전해질, 4 : 스페이서, 1: anode, 2: cathode, 3: separator and electrolyte, 4: spacer,

5 : 동전 캔 용기, 6 : 동전 캔 뚜껑, 7 : 봉합용 고무5: coin can container, 6: coin can lid, 7: seal rubber

본 발명은 공융혼합물 함유 전해질과 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 상기 공융혼합물의 전위 영역에 해당되는 음극을 사용하여 안전성과 성능이 동시에 향상된 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery having improved safety and performance at the same time by using a eutectic mixture-containing electrolyte and a negative electrode having a potential (Li / Li + ) relative to lithium in the potential region of the eutectic mixture.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차에까지 적용 분야가 확대되면서 에너지 저장에 대한 연구개발이 구체화되고 있다. 이러한 측면에서 가장 주목을 끄는 분야가 전기화학 소자이며, 그 중에서 특히 충-방전이 가능한 이차 전지가 관심을 끌고 있다. 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 진행되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the field of application extends to mobile phones, notebook PCs, and even electric vehicles, research and development on energy storage is becoming concrete. In this respect, the most interesting field is an electrochemical device, and among them, a rechargeable battery capable of charging and discharging is drawing attention. Recently, research and development on the design of new electrodes and batteries have been conducted in order to improve the capacity density in developing such batteries.

현재 적용되고 있는 2차 전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이온 전지는 Ni-MH, ni-Cd, 황산-납 이차 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. 일반적으로 리튬 이온 전지에 있어서 양극에는 리튬 금속산화물, 음극에는 탄소 재료나 리튬 금속 합금, 전해질로는 유기 용매에 리튬염을 녹인 용액을 사용한다. 현재 널리 사용되는 유 기 용매로는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메톡시에탄, 감마부틸로락톤, N,N-디메틸포름아미드, 테트라하이드로푸란 또는 아세틸니트릴 등이 있다. 그러나, 이러한 유기 용매는 일반적으로 휘발하기 쉽고 인화성이 높아 리튬 이온 이차 전지에 적용함에 있어서 과충전, 과방전, 단락 및 고온시 안전성에 문제가 있다.Lithium-ion batteries, developed in the early 1990s, are widely used in the field of secondary batteries, which have higher operating voltage and higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, ni-Cd, and sulfuric acid-lead secondary batteries. I am getting it. In general, in a lithium ion battery, a lithium metal oxide is used for the positive electrode, a carbon material or a lithium metal alloy for the negative electrode, and a solution in which lithium salt is dissolved in an organic solvent as the electrolyte is used. Currently widely used organic solvents include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethoxyethane, gamma butyrolactone, N, N-dimethylformamide, tetrahydrofuran or acetylnitrile. However, such organic solvents generally have high flammability and high flammability, and thus have problems in safety during overcharge, overdischarge, short circuit, and high temperature in application to lithium ion secondary batteries.

최근 이러한 문제를 해결하고자, 일본 특허 제11-86905호, 제11-260400호 및 제2002-110225호에서는 불연성 이온성 액체를 리튬 이온 전지의 전해질로 사용하고자 하는 많은 시도가 있었다. 이 액체는 음극에서 리튬 이온보다 높은 전압에서 환원되거나, 리튬 이온과 함께 이미다졸륨, 암모늄 양이온이 함께 음극에 삽입되는 문제가 존재하였다. 결국 이미다졸륨이나 암모늄 계열의 이온성 액체를 단독으로 리튬 이차 전지의 액체 전해질로 적용한 결과, 충-방전 사이클에서 이차 전지의 용량 감소가 매우 크기 때문에 실제 이차 전지에 적용하기에는 적합하지 않았다. 또, 이온성 액체와 카본 계열 음극과의 반응, 높은 점도 등의 문제점으로 인해 아직 실용화되지 못하고 있다. In order to solve this problem in recent years, there have been many attempts to use nonflammable ionic liquids as electrolytes for lithium ion batteries in Japanese Patent Nos. 11-86905, 11-260400 and 2002-110225. This liquid was reduced at a higher voltage than lithium ions at the cathode, or imidazolium and ammonium cations were inserted together with the lithium ions to the cathode. As a result, when the imidazolium or ammonium-based ionic liquid was applied alone as a liquid electrolyte of a lithium secondary battery, the capacity reduction of the secondary battery in the charge-discharge cycle was very large, and thus it was not suitable for application to an actual secondary battery. In addition, due to problems such as the reaction between the ionic liquid and the carbon-based negative electrode, high viscosity, it has not been put to practical use yet.

따라서, 기존의 유기 전해질과 이온성 액체의 단점을 극복하기 위하여, 전극 물질을 개질하거나 새로운 전극 물질을 찾고자 하는 시도가 이루어지고 있으며, 첨가제를 포함한 새로운 전해질을 개발하려는 시도들이 이루어지고 있다.Therefore, in order to overcome the disadvantages of the existing organic electrolytes and ionic liquids, attempts have been made to modify electrode materials or to find new electrode materials, and attempts have been made to develop new electrolytes including additives.

본 발명자들은 전술한 문제점을 고려하여, 경제적이며 열적 및 화학적 안정성을 갖는 공융혼합물을 전지용 전해질의 구성 성분으로 사용하는 경우, 기존 유기 용매를 전해질로 사용할 경우 발생하는 전해질 증발 및 인화 등의 안전성 문제점 뿐만 아니라, 일반적인 이온성 액체를 사용할 경우 발생하는 물질 자체의 높은 환원전위로 인한 분해 문제, 두 개의 양이온 존재로 인한 리튬 이온의 삽입 방해 효과, 고가의 합성 과정 및 정제가 복잡한 문제들이 해결되어 전지의 안전성이 향상됨과 동시에 공융혼합물의 우수한 전도도, 넓은 전기화학적 창으로 인해 전지의 성능이 동시에 향상된다는 것을 발견하였다.In view of the above-described problems, the inventors of the present invention have not only safety problems such as evaporation and ignition of electrolytes that occur when an organic solvent is used as an electrolyte when an eutectic mixture having economical and thermal and chemical stability is used as a component of a battery electrolyte. In addition, the problem of decomposition due to the high reduction potential of the material itself when using the general ionic liquid, the interference effect of the insertion of lithium ions due to the presence of two cations, the complex synthesis process and the purification of the complex problems are solved. At the same time, it was found that due to the excellent conductivity of eutectic mixtures and the wide electrochemical window, the performance of the cell was simultaneously improved.

그러나, 공융혼합물을 포함하는 전해질과 통상적인 음극재인 탄소재를 병용(竝用)하는 경우, 공융혼합물의 전위창을 벗어나는 전위에서 발생하는 음극의 전기 화학 반응으로 인해 전해질의 분해 및 이로 인한 전지의 성능 저하가 필수적으로 초래된다는 것을 인식하였다.However, when the electrolyte containing the eutectic mixture is used in combination with the carbon material, which is a conventional negative electrode material, the electrolyte is decomposed due to the electrochemical reaction of the negative electrode occurring at the potential outside the potential window of the eutectic mixture, and thus It was recognized that performance degradation is necessarily incurred.

이에, 본 발명은 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 전술한 공융혼합물의 전위창에 해당되는 주석 함유 화합물의 음극활물질로 된 음극과 공융혼합물 함유 전해질을 병용(竝用)하여 안전성과 성능 향상이 동시에 도모된 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention improves safety and performance by using a cathode and a eutectic mixture-containing electrolyte in combination with a cathode active material of a tin-containing compound having a potential (Li / Li + ) relative to lithium as described above in the potential window of the eutectic mixture. At the same time, an object of the present invention is to provide a secondary battery.

본 발명은 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 구비하는 이차 전지에 있어서, 상기 전해질은 공융혼합물을 포함하며, 음극은 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 공융혼합물의 전위창 영역에 해당되는 주석 함유 화합물을 음극활물질로 포함하는 것이 특징인 이차 전지, 바람직하게는 리튬 이차 전지 및 상기 공융혼합물이 포함된 이차 전지용 전해질을 제공한다.The present invention provides a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, wherein the electrolyte includes a eutectic mixture, and the negative electrode contains tin in which a potential (Li / Li + ) relative to lithium corresponds to a potential window region of the eutectic mixture. It provides a secondary battery, preferably a lithium secondary battery and a secondary battery electrolyte containing the eutectic mixture, characterized in that the compound comprises a negative electrode active material.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 이차 전지의 구성 요소로서, 공융혼합물 함유 전해질과 상기 공융혼합물의 전기화학적 창 영역에 해당되는 리튬 전위(Li/Li+)를 갖는 주석(tin) 함유 화합물을 음극활물질로 병용(竝用)하는 것을 특징으로 한다.The present invention, as a component of the secondary battery, using a eutectic mixture-containing electrolyte and a tin-containing compound having a lithium potential (Li / Li + ) corresponding to the electrochemical window region of the eutectic mixture as a negative electrode active material (竝 用It is characterized by.

공융혼합물은 이미 알려진 이온성 액체(ionic liquid: IL)와 마찬가지로 높은 전기 전도도, 넓은 전기화학적 창, 비가연성, 액체로서의 넓은 온도 범위, 높은 용매화 능력, 비배위 결합성 등을 보유하기 때문에, 기존의 유동성 유기 용매를 대체할 수 있는 환경친화성 용매로서의 물리 화학적 특성을 갖는다. 게다가 상기 이온성 액체에 비해 합성이 용이하고 난연성, 높은 이온 농도, 넓은 전기화학적 창(0.5 ~ 5.5 V)을 가지므로, 보다 넓은 응용 범위를 가질 것으로 예측할 수 있다. 그러나, 전술한 공융혼합물을 단독 사용하는 전해질과 음극재인 탄소재를 병용(竝用)하여 이차 전지를 구성하는 경우, 공융혼합물의 전위창을 벗어나는 전위, 예컨대 0 내지 0.5 V 범위에서 발생하는 음극의 전기 화학 반응으로 인해 전해질의 분해 및 이로 인한 이차 전지의 성능 저하가 필수적으로 초래된다.Eutectic mixtures, like the known ionic liquids (IL), have high electrical conductivity, wide electrochemical window, non-flammability, wide temperature range as liquid, high solvation capability, non-coordinated binding properties, etc. It has physicochemical properties as an environmentally friendly solvent that can replace the flowable organic solvent of. In addition, since it is easier to synthesize than the ionic liquid and has a high flame retardancy, a high ion concentration, and a wide electrochemical window (0.5 to 5.5 V), it can be expected to have a wider application range. However, when the secondary battery is constructed by using the above-mentioned eutectic mixture alone and the carbon material, which is the negative electrode material, in combination with the potential outside the potential window of the eutectic mixture, for example, in the range of 0 to 0.5 V, Due to the electrochemical reaction, decomposition of the electrolyte and thereby deterioration of the secondary battery are inevitably caused.

즉, 전지의 충방전 중 음극이나 양극에서 전해질의 전위창을 벗어나는 전기 화학 반응이 일어나면 전해질의 분해가 초래된다. 예컨대, 음극재로서 리튬 대비 전위가 0 내지 0.5 V 미만인 탄소재와 전기화학적 창이 0.5 V 이상인 공융혼합물을 전해질로서 병용하는 경우, 초기 충전시 전해질인 공융혼합물의 전위창을 벗어나는 음극의 환원 반응으로 인해 공융혼합물이 분해됨으로써 전지의 초기 용량 및 수명 특성 감소가 급격히 발생하게 된다.That is, when the electrochemical reaction occurs outside the potential window of the electrolyte at the negative electrode or the positive electrode during charge and discharge of the battery, decomposition of the electrolyte is caused. For example, when a carbon material having a potential of less than 0 to 0.5 V relative to lithium and a eutectic mixture having an electrochemical window of 0.5 V or more are used as an electrolyte as a negative electrode material, the reduction reaction of the negative electrode outside the potential window of the eutectic mixture as an electrolyte during initial charging is performed. As the eutectic mixture decomposes, the initial capacity and life characteristics of the battery decrease rapidly.

이에, 본 발명에서는 전술한 전지의 초기 용량 및 수명 특성 감소는 초기 충전시 공융혼합물의 분해와 연관이 있다는 것을 인식하고, 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 상기 공융혼합물의 전위창 영역에 해당되는 주석 함유 화합물, 바람직하게는 주석 합금(TCO: tin-based amorphous oxide) 계열 물질을 음극활물질로 병용(竝用)함으로써, 전해질 분해 및 이로 인한 전지의 성능 저하를 근본적으로 해결할 수 있다. 또한, 상기 주석 함유 화합물은 0.5 V에서 환원반응이 일어나므로 종래 탄소재 사용시 나타나는 전해질의 환원 분해 및 그로 인한 용량 감소를 막을 수 있으며, 이론용량도 탄소보다 1.5 배 이상 커서 고용량을 도모할 수 있다는 장점이 있다. Accordingly, in the present invention, it is recognized that the above-described reduction in initial capacity and life characteristics of the battery is associated with decomposition of the eutectic mixture during initial charging, and the potential (Li / Li + ) relative to lithium corresponds to the potential window region of the eutectic mixture. By using a tin-containing compound, preferably a tin-based amorphous oxide (TCO) -based material as a negative electrode active material, it is possible to fundamentally solve the decomposition of the electrolyte and the resulting degradation of the battery. In addition, since the tin-containing compound has a reduction reaction at 0.5 V, it is possible to prevent the reduction decomposition of the electrolyte and the decrease in capacity due to the conventional carbon material, and the theoretical capacity is also 1.5 times larger than carbon, thereby achieving high capacity. There is this.

본 발명의 음극활물질은 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 전술한 공융혼합물의 전위창 영역에 해당되는 주석 함유 화합물이라면 특별히 제한되지 않는다. 보다 상세하게는 리튬 대비 전위가 공융혼합물의 전위창 영역 내에 포함되도록 0.5 V 이상의 전위(Li/Li+)를 갖는 주석 함유 화합물을 사용할 수 있다. 상기 주석 함유 화합물은 공융혼합물의 전위창 영역 내인 0.5 V 이상에서 전기 화학 반응이 일어나기 때문에, 0 내지 0.5 V의 리튬 대비 전위를 갖는 종래 탄소재와 달리 공융혼합물 함유 전해질과 병용하더라도 전해질이 분해되지 않아 전지의 성능이 향상될 수 있다.The negative electrode active material of the present invention is not particularly limited as long as it has a tin-containing compound corresponding to the potential window region of the above-described eutectic mixture with respect to lithium (Li / Li + ). More specifically, it is possible to use tin-containing compounds having a potential (Li / Li + ) of 0.5 V or more so that the potential relative to lithium is included in the potential window region of the eutectic mixture. Since the tin-containing compound has an electrochemical reaction at 0.5 V or more within the potential window region of the eutectic mixture, the electrolyte does not decompose even when used in combination with an eutectic mixture-containing electrolyte unlike a conventional carbon material having a potential relative to lithium of 0 to 0.5 V. The performance of the battery can be improved.

상기 주석 함유 화합물은 (ⅰ) 주석, (ⅱ) 13족 또는 15족 원소로부터 각각 1종씩 2종 이상 선택된 원소를 포함하는 산화물 형태의 주석 합금(TCO: tin-based amorphous composite oxide) 계열 물질, 또는 (ⅲ) 상기 (ⅰ)의 주석 또는 상기 (ⅱ)의 주석 합급(TCO) 계열 물질에 칼코게나이드 화합물 또는 금속산화물이 포함된 화합물인 것이 바람직하다.The tin-containing compound may be an oxide-type tin alloy (TCO: tin-based amorphous composite oxide) -based material containing at least two elements selected from (i) tin, (ii) group 13 and group 15 elements, or (Iii) It is preferable that it is a compound which contains the chalcogenide compound or the metal oxide in the tin of (i) or the tin alloy (TCO) type | system | group material of said (ii).

즉, 상기 주석 합금(TCO) 계열 물질은, 이방성인 Sn-O가 균일하게 분산되어 있고, B2O3, P2O5, Al2O3 등이 불규칙적인 그물 구조를 형성하면서 상기 Sn-O 주위를 둘러싸고 있는 비정질 구조이다. 이러한 구조의 주석 합금(TCO) 계열 물질은 Sn이 Li과 반응하더라도 불규칙적인 그물 구조와 Li이 반응하지 않기 때문에 종래 산화주석과 달리 충전시 발생하는 음극활물질의 부피 변화를 억제할 수 있어 사이클 특성이 우수하다. That is, in the tin alloy (TCO) -based material, Sn-O, which is anisotropic, is uniformly dispersed, and B 2 O 3 , P 2 O 5 , Al 2 O 3, etc. form an irregular network structure and the Sn-O It is an amorphous structure surrounding O. Since the tin alloy (TCO) -based material having such a structure does not react with Li even when Sn reacts with Li, unlike the conventional tin oxide, the tin alloy (TCO) -based material can suppress the volume change of the negative electrode active material generated during charging and thus cycle characteristics are improved. great.

특히, 본 발명의 음극활물질로는 상기 주석 또는 주석 합금(TCO) 계열 물질에 칼코게나이드 화합물, 금속산화물 또는 이들의 혼합물이 각각 1종 이상 포함된 주석 함유 화합물을 사용할 수 있다. 일반적인 Sn-O 결합 함유 화합물의 경우 하기 반응식 1과 같이 Li+과의 반응에 의해 SnO2나 SnO 등의 주석 함유 화합물이 환원되어 Li2O를 형성하기 때문에 첫 번째 사이클에서 비가역 용량이 커져 전지의 수명이 저하될 수 있다. In particular, as the negative electrode active material of the present invention, a tin-containing compound containing at least one chalcogenide compound, a metal oxide, or a mixture thereof in the tin or tin alloy (TCO) -based material may be used. In the case of a general Sn-O bond-containing compound, tin-containing compounds such as SnO 2 or SnO are reduced by the reaction with Li + to form Li 2 O as shown in Scheme 1 below, and thus, irreversible capacity increases in the first cycle. Life may be reduced.

SnO2 + 2 Li+ + 2 e- → SnO + Li2O SnO 2 + 2 Li + + 2 e - → SnO + Li 2 O

SnO + 2 Li+ + 2 e- → Sn + Li2O SnO + 2 Li + + 2 e - → Sn + Li 2 O

Sn + x Li+ + x e- → LixSn Sn + x Li + + xe - → Li x Sn

반면, 상기 주석 또는 주석 합금(TCO) 계열 물질에 상기 칼코게나이드 화합물, 금속산화물 또는 이들의 혼합물 1종 이상을 도입한 후, 약 500 내지 2000 ℃의 온도에서 가열하면, 칼코게나이드 화합물, 금속산화물 등에 의해 Sn-O 결합이 없는 주석 함유 화합물을 얻을 수 있다. 이러한 Sn-O 결합이 없는 주석 함유 화합물을 음극활물질로 사용할 경우, 첫번째 충전시 전해질 내에 존재하는 리튬 이온과의 반응에 의해 Li2O가 형성되지 않아 전극의 수명 및 초기 충방전 효율의 향상이 도모될 뿐만 아니라, 전술한 음극활물질의 부피 변화를 억제하는 효과도 동시에 얻을 수 있다.On the other hand, after introducing one or more of the chalcogenide compounds, metal oxides or mixtures thereof into the tin or tin alloy (TCO) -based material, and heated at a temperature of about 500 to 2000 ℃, chalcogenide compounds, metal A tin-containing compound having no Sn-O bond can be obtained by an oxide or the like. When the tin-containing compound without Sn-O bond is used as a negative electrode active material, Li 2 O is not formed by reaction with lithium ions present in the electrolyte during the first charge, thereby improving the lifespan and initial charge and discharge efficiency of the electrode. In addition, the effect of suppressing the volume change of the above-described negative electrode active material can be obtained at the same time.

상기 칼코게나이드 화합물은 당 업계에서 알려진 것이라면 특별한 제한이 없으며, 일례로 주기율표 16족 원소로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 화합물일 수 있고, 바람직하게는 S, Se, Te로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 화합물이다. 상기 금속산화물은 MgO 및 CaO로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 금속산화물이 바람직하나, 이에 제한되지 않으며, 통상적인 금속산화물을 사용할 수 있다. The chalcogenide compound is not particularly limited as long as it is known in the art, and may be, for example, a compound containing at least one element selected from Group 16 elements of the periodic table, preferably 1 selected from the group consisting of S, Se, and Te. It is a compound containing an element or more of species. The metal oxide is preferably one metal oxide selected from the group consisting of MgO and CaO, but is not limited thereto, and conventional metal oxides may be used.

본 발명의 주석 함유 화합물은 하기 화학식 1로 표기될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The tin-containing compound of the present invention may be represented by the following Chemical Formula 1, but is not limited thereto.

SnBaPbAlcSdSeeTefCalMgmOn SnB a P b Al c S d Se e Te f Ca l Mg m O n

상기 화학식 1에서, a, b, c, d, e, f, l, m 및 n은 각각 독립적으로 0 이상 내지 1 이하의 실수이다(단, a=b=c=d=e=f=l=m=n=0인 경우는 제외됨).In Formula 1, a, b, c, d, e, f, l, m, and n are each independently a real number of 0 or more and 1 or less, provided that a = b = c = d = e = f = l except where = m = n = 0).

본 발명의 전지용 전해질을 구성하는 성분은 공융혼합물(共融混合物, eutectic mixture)이다. The component constituting the battery electrolyte of the present invention is an eutectic mixture.

공융혼합물은 일반적으로 두 가지 이상의 물질이 혼합되어 용융 온도가 낮아지는 물질을 본 발명에서 지칭하는 것으로서, 특히 상온에서 액상인 혼합염을 말한다. 여기서 상온이란 상한이 100 ℃, 경우에 따라서는 60 ℃을 의미한다.The eutectic mixture generally refers to a substance in which two or more substances are mixed to lower the melting temperature, and particularly refers to a mixed salt that is liquid at room temperature. Normal temperature means 100 degreeC here and 60 degreeC in some cases.

상기 공융혼합물을 이루는 구성 성분 중 하나는 분자 내 2개의 극성기인 카르보닐기와 아민기가 존재하는 아미드(amide)기 함유 화합물이 바람직하나, 분자 내 2개 이상의 극성 작용기, 예컨대 산성 작용기와 염기성 작용기를 동시에 갖는 화합물이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 극성 작용기들은 이온화 가능한 염(salt)의 양이온과 음이온 사이의 결합을 약화시켜주는 착화제 역할 수행을 통해 공융혼합물을 형성함으로써, 이들의 용융 온도가 감소하게 된다. 전술한 작용기 이외에, 이온화가 가능한 염의 양이온과 음이온의 결합을 약화시킬 수 있는 서로 다른 2개의 극성 작용기를 분자 내 포함하여 공융혼합물을 형성할 수 있는 화합물 역시 본 발명의 범주에 속한다.One of the components constituting the eutectic mixture is preferably an amide group-containing compound having two polar groups, a carbonyl group and an amine group in the molecule, but having two or more polar functional groups such as an acidic functional group and a basic functional group at the same time. The compound is not particularly limited. The polar functional groups form a eutectic mixture by acting as a complexing agent that weakens the bond between the cation and the anion of the ionizable salt, thereby reducing their melting temperature. In addition to the aforementioned functional groups, compounds that can form eutectic mixtures by including two different polar functional groups in the molecule, which can weaken the binding of the cation and anion of the ionizable salt, are also within the scope of the present invention.

상기 아미드기 함유 화합물은 아미드기를 함유하는 선형, 환형 또는 이들의 혼합 형태의 구조가 가능하며, 이들의 비제한적인 예로는 탄소수 1 내지 10의 알킬 아미드, 알케닐아미드, 아릴아미드 또는 알아릴아미드 화합물 등이 있다. 1차, 2차 또는 3차 아미드 화합물 모두 사용 가능하다. 특히, 보다 넓은 전위창을 나타내는 환형 아미드가 바람직한데, 이는 아민기의 수소 수가 작아 고전압에서도 안정하기 때문에 쉽게 분해되지 않기 때문이다. 사용 가능한 아미드 계열 화합물의 구체적인 예로는 아세트아미드, N-에틸아세트아미드, 우레아, 메틸우레아, 카프로락탐, N-메틸카프로락탐, N-에틸우레탄, N-메틸옥사졸리디논, N-헥실옥사졸리디논, 발레르락탐, 트리플로로아세트아미드, 메틸카바메이트, N-메틸메틸카바메이트, N,N-디메틸메틸카바메이트, 에틸카바메이트, 부틸카바메이트, 포름아미드, 포메이트 또는 이들의 혼합물 등이 있다.The amide group-containing compound may be a linear, cyclic or mixed form of a structure containing an amide group, and non-limiting examples thereof include alkyl amides, alkenylamides, arylamides or allylamide compounds having 1 to 10 carbon atoms. Etc. Both primary, secondary or tertiary amide compounds can be used. In particular, cyclic amides having a wider potential window are preferred because they do not readily decompose because the number of hydrogens in the amine groups is small and stable at high voltages. Specific examples of the amide-based compound that can be used include acetamide, N-ethylacetamide, urea, methylurea, caprolactam, N-methylcaprolactam, N-ethylurethane, N-methyloxazolidinone and N-hexyloxazolidinone , Valerolactam, trifluoroacetamide, methyl carbamate, N-methylmethylcarbamate, N, N-dimethylmethylcarbamate, ethyl carbamate, butyl carbamate, formamide, formate, or mixtures thereof. .

본 발명의 공융혼합물을 이루는 구성 성분 중 다른 하나는 이온화가 가능한 리튬 함유 염(salt)이 모두 사용 가능하다. 리튬염의 비제한적인 예로는 리튬 나이트레이트, 리튬 아세테이트, 리튬 하이드록사이드, 리튬 설페이트, 리튬 알콕시드, 리튬 할로겐화물, 리튬 옥사이드, 리튬 카보네이트, 리튬 옥살레이트 등이 있다. 특히 LiN(CN)2, LiClO4, Li(CF3)3PF3, Li(CF3)4PF2, Li(CF3)5PF, Li(CF3)6P, Li(CF3CF2SO2)2N, Li(CF3SO2)2N, LiCF3SO3, LiCF3CF2(CF3)2CO, Li(CF3SO2)3C, LiCF3(CF2)7SO3, LiCF3CO2, LiCH3CO2 또는 이들의 혼합물 등이 바람직하다.As another component of the eutectic mixture of the present invention, any ionizable lithium-containing salt may be used. Non-limiting examples of lithium salts include lithium nitrate, lithium acetate, lithium hydroxide, lithium sulfate, lithium alkoxide, lithium halide, lithium oxide, lithium carbonate, lithium oxalate and the like. Specifically LiN (CN) 2 , LiClO 4 , Li (CF 3 ) 3 PF 3 , Li (CF 3 ) 4 PF 2 , Li (CF 3 ) 5 PF, Li (CF 3 ) 6 P, Li (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO, Li (CF 3 SO 2 ) 3 C, LiCF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiCH 3 CO 2 or mixtures thereof are preferred.

본 발명의 공융혼합물은 하기 화학식 2 또는 화학식 3과 같이 표기될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:The eutectic mixture of the present invention may be represented by the following Chemical Formula 2 or Chemical Formula 3, but is not limited thereto:

Figure 112007043632672-pat00001
Figure 112007043632672-pat00001

상기 화학식 2에서, R1, R2 및 R은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 탄소수가 1 내지 20의 알킬기, 알킬아민기, 알케닐기 또는 아릴기이고; X는 수소, 탄소, 규소, 산소, 질소, 인 및 황 중에서 선택되며(단, X가 수소인 경우에는 m=0이며, X가 산소 또는 황인 경우에는 m=1이고, X가 질소 또는 인인 경우에는 m=2이며, X가 탄소 또는 규소인 경우에는 m=3 이고, 이때 R은 각각 독립적임), Y는 리튬과 염(salt)을 형성할 수 있는 음이온(anion)이다.In Formula 2, R 1 , R 2 and R are each independently hydrogen, halogen, alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, alkylamine group, alkenyl group or aryl group; X is selected from hydrogen, carbon, silicon, oxygen, nitrogen, phosphorus and sulfur, provided that m = 0 if X is hydrogen, m = 1 if X is oxygen or sulfur, and X is nitrogen or phosphorus M = 2, and when X is carbon or silicon, m = 3, wherein R is each independently), and Y is anion capable of forming a salt with lithium.

Figure 112007043632672-pat00002
Figure 112007043632672-pat00002

상기 화학식 3에서, R1 및 R은 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 알킬아민기, 알케닐기, 아릴기 또는 알릴기이고; X는 수소, 탄소, 규소, 산소, 질소, 인 및 황 중에서 선택되며(단, X가 수소인 경우에는 m=0, n=0이고, X가 산소 또는 황인 경우에는 m=0이며, X가 질소 또는 인인 경우에는 m=1이고, X가 탄소 또는 규소인 경우에는 m=2이고, 이때의 R은 각각 독립적임); n은 0 내지 10의 정수이며, 이때 n이 1 이상인 경우 X는 수소를 제외한 탄소, 규소, 산소, 질소, 인, 황 중에서 선택되고; Y는 리튬과 염(salt)을 형성할 수 있는 음이온(anion)이다.In Formula 3, R 1 and R are hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkylamine group, an alkenyl group, an aryl group or an allyl group; X is selected from hydrogen, carbon, silicon, oxygen, nitrogen, phosphorus and sulfur, provided that m = 0 and n = 0 if X is hydrogen, m = 0 if X is oxygen or sulfur and X is M = 1 when nitrogen or phosphorus, m = 2 when X is carbon or silicon, and each R is independent); n is an integer from 0 to 10, wherein when n is 1 or more, X is selected from carbon, silicon, oxygen, nitrogen, phosphorus, sulfur except hydrogen; Y is anion that can form a salt with lithium.

상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표기되는 화합물에서, 리튬염의 음이온인 Y는 리튬과 염(salt)을 형성할 수 있는 음이온(anion)이기만 하면 특별한 제한이 없으며, 이들의 비제한적인 예로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, RSO3 -, RCOO-; PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, (CF3SO3 -)2, (CF2CF2SO3 -)2, (CF3SO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN-, (CF3CF2SO2)2N- 등이 있다. In the compound represented by Formula 2 or Formula 3, Y, which is an anion of lithium salt, is not particularly limited as long as it is anion capable of forming a salt with lithium, and non-limiting examples thereof include F , Cl -, Br -, I - , NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, RSO 3 -, RCOO -; PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, (CF 3 SO 3 -) 2, (CF 2 CF 2 SO 3 -) 2, (CF 3 SO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, ( SF 5) 3 C -, ( CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 -, SCN - and the like -, (CF 3 CF 2 SO 2) 2 N.

전술한 바와 같이, 공융혼합물의 구성 성분인 아미드기 함유 화합물과 리튬염(LiY)은 하기 반응식 2와 같이 아미드 화합물 내 존재하는 카르보닐기(-C=O)와 리튬염의 Li 양이온(Li+)이 배위결합을 하고, 리튬염의 음이온(Y-)과 아미드 화합물 내 아민기(-NH2)가 수소 결합을 형성함으로써 Li-Y의 결합이 도모된다. 그 결과 고체 상태로 존재하던 아미드기 함유 화합물과 리튬염의 용융점이 낮아지면서 상온에서 액상 형태인 공융혼합물을 형성하게 되는 것이다. As described above, the amide group-containing compound and the lithium salt (LiY), which are constituents of the eutectic mixture, are coordinated with the carbonyl group (-C = O) and Li cation (Li + ) of the lithium salt in the amide compound as shown in Scheme 2 below. A bond of Li-Y is achieved by forming a hydrogen bond between the anion (Y ) of the lithium salt and the amine group (—NH 2 ) in the amide compound. As a result, the melting point of the amide group-containing compound and the lithium salt, which existed in the solid state, is lowered to form a eutectic mixture in liquid form at room temperature.

Figure 112007043632672-pat00003
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본 발명에 따른 공융혼합물의 용융 온도는 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 100 ℃ 이하, 더욱 바람직하게는 상온에서 액체 상태로 존재하는 것이다. 또한, 상기 공융혼합물의 점도(viscosity) 역시 특별한 제한은 없으나, 100 cP 이하가 바람직하다.The melting temperature of the eutectic mixture according to the present invention is not particularly limited, but is preferably in a liquid state at 100 ° C. or lower, more preferably at room temperature. In addition, the viscosity (viscosity) of the eutectic mixture is also not particularly limited, 100 cP or less is preferred.

본 발명의 공융혼합물은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 이의 일 실시예를 들면 아미드기 함유 화합물과 리튬염을 상온에서 혼합하여 70 ℃ 이하의 적당한 온도를 가해 반응시킨 후 정제함으로써 제조될 수 있다. 이때, 아미드 계열 화합물과 리튬염의 몰%비는 1:1 내지 8:1이 적절하며, 특히 2:1 내지 6:1이 바람직하다.The eutectic mixture of the present invention may be prepared according to a conventional method known in the art, for example, an amide group-containing compound and a lithium salt are mixed at room temperature, reacted by adding a suitable temperature of 70 ° C. or lower, and then purified. It can be manufactured by. At this time, the mole% ratio of the amide compound and the lithium salt is suitably 1: 1 to 8: 1, and particularly preferably 2: 1 to 6: 1.

상기와 같은 공융혼합물을 전해질 성분으로 구비하는 경우, 1) 공융혼합물이 보유하는 기본 물성, 예컨대 공융혼합물 자체의 물적 안정도로 인해 종래 유기 용매 및 이온성 액체에 비해 더 넓은 전위창을 나타내므로 적용하는 이차 전지의 사용 전압 범위를 확장할 수 있다. When the eutectic mixture is provided as an electrolyte component, 1) due to the physical properties of the eutectic mixture, for example, due to the physical stability of the eutectic mixture itself, it exhibits a wider potential window than conventional organic solvents and ionic liquids. The operating voltage range of the secondary battery can be extended.

2) 또한, 본 발명의 전해질에 포함된 공융혼합물은 기존 용매에 비해 증기압이 없어 전해질의 증발 및 고갈 문제가 없으며, 난연성을 보유하여 전기 화학 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한 공융혼합물 자체가 매우 안정한 형태이므로 전지 내에서의 부반응 억제를 구현할 수 있으며, 높은 전도도를 통해 성능 향상을 도모할 수 있다. 2) In addition, the eutectic mixture contained in the electrolyte of the present invention has no vapor pressure as compared to the conventional solvent, there is no problem of evaporation and exhaustion of the electrolyte, and it is possible to improve the safety of the electrochemical device by having flame retardancy. In addition, since the eutectic mixture itself is a very stable form, it is possible to realize side reaction suppression in the battery, and to improve performance through high conductivity.

3) 추가적으로, 상기 공융혼합물의 구성 성분으로 자체 내 리튬염이 함유되어 있으므로, 리튬 이온이 양(兩) 전극활물질로 삽입 및 탈리되어야 하는 리튬 이차 전지의 경우에도 별도의 리튬염 추가가 요구되지 않는다는 장점이 있다. 3) In addition, since a lithium salt is contained in the eutectic mixture as a constituent of the eutectic mixture, an additional lithium salt is not required even in the case of a lithium secondary battery in which lithium ions should be inserted and detached into a positive electrode active material. There is an advantage.

4) 나아가, 종래 이온성 액체를 리튬 이차 전지의 전해질로 사용하는 경우 충방전 사이클에서 이차 전지의 초기 용량 및 세번째 사이클 이후의 이차 전지의 용량 감소가 매우 크게 발생하는 문제점이 있었다. 이차 전지의 초기 용량 및 사이클 진행 이후의 용량 감소는 초기 충전시 음극 표면에 형성되는 비활성막인 SEI(solid electrolyte interface) 막과 연관이 있는데, 탄소재를 사용하는 경우 이온성 액체 자체의 높은 환원 전위로 인해 음극에서 리튬 이온보다 높은 전압에서 환원 분해된다. 또한 이온성 액체는 자체 내 리튬 이온 보다 크기가 큰 2개 이상의 유기 양이온, 예컨대 이미다졸륨 및 암모늄 양이온이 포함되어 있는데, 이들 유기 양이온은 리튬 이온 보다 이동 속도가 빨라 음극에 먼저 도달하여 둘러싸게 된다. 이로 인해 음극 내부로 삽입되려는 리튬 이온의 원활한 이동을 방해할 뿐만 아니라, 리튬 이온과 상기 유기 양이온들이 함께 음극에 삽입되는 문제점이 있었다.4) Furthermore, when the conventional ionic liquid is used as the electrolyte of the lithium secondary battery, there is a problem in that the initial capacity of the secondary battery and the capacity decrease of the secondary battery after the third cycle are very large in the charge / discharge cycle. The initial capacity of the secondary battery and the decrease in capacity after the cycle is associated with a solid electrolyte interface (SEI) membrane, which is an inert film formed on the surface of the anode during initial charging. Due to the reduction decomposition at a higher voltage than lithium ions at the cathode. In addition, the ionic liquid contains two or more organic cations larger than lithium ions in itself, such as imidazolium and ammonium cations, which travel faster than lithium ions and reach and surround the cathode first. . This not only prevents the smooth movement of lithium ions to be inserted into the negative electrode, but also causes a problem that lithium ions and the organic cations are inserted together in the negative electrode.

이에 비해, 본 발명에서는 높은 전위창을 갖는 공융혼합물 뿐만 아니라 상기 공융혼합물의 전위창 영역에 리튬 전위가 해당되는 주석 함유 화합물을 음극재로 병용(竝用)함으로써 전해질 분해를 피할 수 있다. 또한, 공융혼합물 자체 내 양이온(cation)으로 리튬 이온(Li+)만이 존재하여 리튬 이온의 음극 삽입 방해 효과가 근본적으로 해결될 뿐만 아니라, 리튬 이온의 원활한 이동이 이루어져 전지의 성능 향상이 도모될 수 있다.In contrast, in the present invention, electrolyte decomposition can be avoided by using not only a eutectic mixture having a high potential window but also a tin-containing compound corresponding to a lithium potential in the potential window region of the eutectic mixture as a negative electrode material. In addition, since only lithium ions (Li + ) exist as cations in the eutectic mixture itself, the interference effect of the negative electrode insertion of lithium ions is fundamentally solved, and smooth movement of lithium ions can be achieved to improve battery performance. have.

<공융혼합물을 포함하는 전해질>Electrolyte Containing Eutectic Mixture

본 발명에 따라 공융혼합물을 포함하는 전해질은 형태에 상관 없이 모두 적용 가능하나, 바람직하게는 2가지의 실시 양태, 즉 액체 또는 젤 폴리머 전해질 형태로 적용 가능하다. The electrolyte comprising the eutectic mixture according to the present invention can be applied regardless of the form, but preferably in two embodiments, liquid or gel polymer electrolyte.

1) 본 발명에 따른 전해질의 첫번째 실시 양태는 공융혼합물 함유 액체 형태(liquid type)의 전해질로서, 전술한 아미드기 함유 화합물 및 리튬 함유 이온결합성 염으로 이루어진 공융혼합물을 단독으로 사용하여 이루어질 수 있다. 이때 당 업계에 알려진 통상적인 전해질 첨가제 성분을 추가로 포함할 수 있다. 1) The first embodiment of the electrolyte according to the present invention is an electrolyte in the form of a eutectic mixture-containing liquid, which may be made by using a eutectic mixture composed of the aforementioned amide group-containing compound and a lithium-containing ion-bonding salt alone. . At this time it may further comprise a conventional electrolyte additive component known in the art.

2) 본 발명에 따른 전해질의 두번째 실시 양태는 공융혼합물을 함유하는 젤 폴리머 형태의 전해질이다. 상기 젤 폴리머는 공융혼합물을 지지해주는 역할을 수행하게 되므로, 전해질 누출 문제점을 해결하고 소자의 박막화 및 필름 형태의 가공을 가능하게 한다는 장점이 있다. 2) A second embodiment of the electrolyte according to the invention is an electrolyte in the form of a gel polymer containing a eutectic mixture. Since the gel polymer plays a role of supporting the eutectic mixture, there is an advantage in that the electrolyte leakage problem is solved and the device can be thinned and processed in the form of a film.

상기 젤 폴리머 전해질은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조 가능 하며, 이의 바람직한 실시 형태로는 하기 3가지 형태가 적용 가능하다. 이때에도 전술한 전해질 첨가제 성분을 포함할 수 있다.The gel polymer electrolyte may be prepared according to conventional methods known in the art, and the following three forms may be applied to the preferred embodiment thereof. In this case, the above-described electrolyte additive component may also be included.

① 첫째는 공융혼합물 존재하에 단량체(monomer)의 중합 반응을 진행시켜 젤 폴리머 전해질을 형성하는 것이다. 이러한 단량체의 중합반응에 의한 젤 폴리머 형성은 전기 화학 소자 내부에서 In - Situ 중합 반응에 의해서 이루어질 수 있으며, 또는 젤 폴리머 전해질 형성 이후, 이를 전기 화학 소자 내부에 투입할 수도 있다. ① First, the polymerization of monomers is carried out in the presence of eutectic mixtures to form gel polymer electrolytes. The gel polymer may be formed by polymerization of such monomers by In - Situ polymerization in the electrochemical device, or after formation of the gel polymer electrolyte, it may be introduced into the electrochemical device.

전술한 젤 폴리머 전해질은 (i) 아미드기 함유 화합물 및 리튬 함유 이온결합성 염으로 구성되는 공융혼합물; 및 (ii) 중합 반응에 의해 젤 폴리머를 형성할 수 있는 단량체(monomer)를 함유하는 전해질 전구체 액(pre-gel)을 중합시켜 형성될 수 있다.The above-mentioned gel polymer electrolyte includes (i) a eutectic mixture composed of an amide group-containing compound and a lithium-containing ion-bonding salt; And (ii) polymerizing an electrolyte precursor liquid (pre-gel) containing a monomer capable of forming a gel polymer by a polymerization reaction.

단량체(monomer)는 중합반응에 의해 젤 폴리머를 형성할 수 있기만 하다면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 이의 비제한적인 예로는 비닐 모노머 등이 있다. 비닐 모노머는 공융혼합물과 혼합되어 젤 폴리머를 형성하는 경우 투명한 중합이 가능하며, 중합조건이 매우 간단하다는 장점이 있다.The monomer may be used without particular limitation as long as it can form the gel polymer by polymerization, and non-limiting examples thereof include vinyl monomers. When the vinyl monomer is mixed with the eutectic mixture to form a gel polymer, transparent polymerization is possible, and the polymerization conditions are very simple.

사용 가능한 비닐 모노머의 비제한적인 예로는 아크릴로니트릴, 메틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 메타크릴로니트닐, 메틸스티렌, 비닐에스테르류, 염화비닐, 염화비닐리덴, 아크릴아마이드, 테트라플루오로에틸렌, 비닐아세테이트, 메틸비닐케톤, 에틸렌, 스티렌, 파라메톡시스티렌, 파라시아노스티렌 등이 있다. 또한, 상기 단량체는 중합시 부피 수축이 적고, 전기 화학 소자 내에서 In-situ 중합이 가능한 것이 바람직하다.Non-limiting examples of vinyl monomers that can be used include acrylonitrile, methyl methacrylate, methyl acrylate, methacrylonitrile, methyl styrene, vinyl esters, vinyl chloride, vinylidene chloride, acrylamide, tetrafluoroethylene , Vinyl acetate, methyl vinyl ketone, ethylene, styrene, paramethoxy styrene, paracyano styrene and the like. In addition, it is preferable that the monomer has a low volume shrinkage during polymerization and is capable of in-situ polymerization in an electrochemical device.

전술한 단량체(monomer)의 중합 반응은 일반적으로 열 조사를 통해 이루어지게 되므로, 상기 전해질 전구체 액은 중합 개시제를 포함할 수 있다.Since the polymerization reaction of the above-described monomer (monomer) is generally made through heat irradiation, the electrolyte precursor liquid may include a polymerization initiator.

개시제(initiator)는 열에 의해 분해되어 라디칼(radical)을 형성하고, 자유라디칼 중합에 의해 모노머와 반응하여 젤 폴리머 전해질을 형성한다. 또한, 개시제를 사용하지 않고 모노머의 중합을 진행할 수도 있다. 일반적으로 자유라디칼 중합은 반응성이 강한 일시적인 분자들 또는 활성점이 형성되는 개시반응, 활성연쇄말단에 단량체가 부가되어 다시 사슬 끝에 활성점이 형성되는 성장반응, 활성점을 다른 분자들에게 이동시키는 연쇄이동반응, 활성연쇄 중심이 파괴되는 정지반응의 과정을 거치게 된다.Initiators decompose by heat to form radicals, and react with monomers by free radical polymerization to form gel polymer electrolytes. Moreover, superposition | polymerization of a monomer can also be advanced, without using an initiator. In general, free radical polymerization is a reaction of initiation where active molecules or active points are formed, a growth reaction in which monomers are added at the end of an active chain to form an active point at the end of a chain, and a chain transfer reaction that moves an active point to other molecules. In addition, the reaction chain undergoes a stop reaction in which the active chain center is destroyed.

사용 가능한 열중합 개시제의 비제한적인 예로는 Benzoyl peroxide, Acetyl peroxide, Dilauryl peroxide, Di-tert-butyl peroxide, Cumyl hydroperoxide, Hydrogen peroxide 등의 유기과산화물류나 히드로과산화물류, 2,2-Azobis(2-cyanobutane), 2,2-Azobis(Methylbutyronitrile), AIBN(Azobis(iso-butyronitrile), AMVN (Azobisdimethyl-Valeronitrile) 등의 아조화합물류, 알킬화은류와 같은 유기금속 등이 있다.Non-limiting examples of thermal polymerization initiators that can be used include organic peroxides such as Benzoyl peroxide, Acetyl peroxide, Dilauryl peroxide, Di-tert-butyl peroxide, Cumyl hydroperoxide, Hydrogen peroxide, and hydroperoxides, 2,2-Azobis (2- azo compounds such as cyanobutane), 2,2-Azobis (Methylbutyronitrile), AIBN (Azobis (iso-butyronitrile), AMVN (Azobisdimethyl-Valeronitrile), and organic metals such as alkylated silvers.

본 발명의 젤 폴리머 전해질을 형성하는 전해질 전구체 액의 혼합 비율은 무게비로 (공융혼합물)x: (중합반응에 의해 젤 폴리머를 형성할 수 있는 모노머)y: (중합개시제)z 일 때, x는 0.5~0.95, y는 0.05~0.5, z는 0.00~0.05 이며 x + y + z = 1 인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 x는 0.7~0.95이며, y는 0.05~0.3이며 z는 0.00~0.01이다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. The mixing ratio of the electrolyte precursor liquid to form the gel polymer electrolyte of the present invention is a weight ratio of (eutectic mixture) x: (monomer capable of forming the gel polymer by polymerization) y: (polymerization initiator) z, x is 0.5-0.95, y are 0.05-0.5, z is 0.00-0.05, and it is preferable that x + y + z = 1. More preferably, x is 0.7-0.95, y is 0.05-0.3, and z is 0.00-0.01. However, the present invention is not limited thereto.

상기 젤 폴리머 형성용 전해질 전구체 액은 전술한 성분들 이외에, 당 업계에 알려진 기타 첨가제 등을 선택적으로 함유할 수 있다.The electrolyte precursor liquid for gel polymer formation may optionally contain other additives known in the art, in addition to the above components.

본 발명에 따른 In-Situ 중합 반응은 상기에 기재된 바와 같이, 열을 통해 중합반응이 개시됨으로써 젤 폴리머 전해질 형성이 완성된다. 이때 젤 폴리머의 중합 정도는 반응 인자, 즉 열 중합의 경우 중합 시간과 중합 온도에 따라 달라지게 된다. 따라서, 반응 인자인 중합 시간, 중합 온도 조절을 통해 젤 폴리머 중합 정도를 적절히 조절할 수 있다. 이때 중합시간은 개시제의 종류와 중합 온도에 따라 달라지는데, 바람직하게는 중합시 젤 폴리머 전해질이 누출되지 않을 정도이며, 전해질이 과중합되어 부피가 수축되지 않도록 하는 것이 요구된다. 일례로 중합 시간은 대략 20~60분 정도 소요되며, 열 중합온도는 40 내지 80 ℃ 정도이다. In-Situ polymerization according to the present invention, as described above, the polymerization is initiated through heat to complete the formation of the gel polymer electrolyte. At this time, the degree of polymerization of the gel polymer will depend on the reaction factors, that is, the polymerization time and polymerization temperature in the case of thermal polymerization. Therefore, the degree of gel polymer polymerization can be appropriately controlled by controlling the polymerization time and polymerization temperature which are reaction factors. At this time, the polymerization time depends on the type of initiator and the polymerization temperature. Preferably, the gel polymer electrolyte does not leak during the polymerization, and it is required that the electrolyte is not polymerized to shrink the volume. For example, the polymerization time takes about 20 to 60 minutes, the thermal polymerization temperature is about 40 to 80 ℃.

② 둘째는 공융혼합물의 주입을 통해 이미 형성된 폴리머 또는 젤 폴리머에 상기 공융혼합물이 함침된 형태이다. ② Second, the eutectic mixture is impregnated with the polymer or gel polymer already formed through the injection of the eutectic mixture.

사용 가능한 폴리머의 비제한적인 예로는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴 디플루라이드, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 등이 있다. 또한 당 업계에 알려진 통상적인 젤 폴리머가 모두 사용 가능하다. 이러한 함침 방법을 사용할 경우 전술한 In-Situ 방법에 비해 제조 공정이 단순화될 수 있다는 장점이 있다.Non-limiting examples of polymers that can be used include polymethylmethacrylate, polyvinylidene difluoride, polyvinyl chloride, polyethylene oxide, polyhydroxyethylmethacrylate, and the like. In addition, all conventional gel polymers known in the art can be used. Using this impregnation method has an advantage that the manufacturing process can be simplified compared to the In-Situ method described above.

③ 셋째는 폴리머와 공융혼합물을 용매에 용해시킨 후 용매를 제거함으로써, 젤 폴리머 전해질을 형성하는 것이다. 이때, 공융혼합물은 전술한 성분의 폴리머 매트릭스 내부에 함유된 형태가 된다. ③ Third, the polymer and eutectic mixture are dissolved in a solvent and then the solvent is removed to form a gel polymer electrolyte. At this time, the eutectic mixture is in the form contained in the polymer matrix of the aforementioned components.

사용 가능한 용매로는 특별한 제한은 없으며, 일례로 전지에 사용되는 일반 유기 용매를 사용할 수도 있다. 이들의 비제한적인 예로는 Toluene, Acetone, Acetonitrile, THF, 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤(GBL) 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 상기 유기 용매는 인화성으로 인해 이차 전지의 안전성을 저해할 수 있으므로, 가능하면 소량 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 리튬 이차 전지에 주로 이용되는 난연성 첨가제로 인산 에스테르를 이용할 수도 있으며, 이의 비제한적인 예로는 인산 트리메틸, 인산 트리에틸, 인산 에틸디메틸, 인산 트리프로필, 인산 트리부틸 또는 이들의 혼합물 등이 있다.There is no restriction | limiting in particular as a solvent which can be used, For example, the general organic solvent used for a battery can also be used. Non-limiting examples of these include Toluene, Acetone, Acetonitrile, THF, Propylene carbonate (PC), Ethylene carbonate (EC), Diethyl carbonate (DEC), Dimethyl carbonate (DMC), Dipropyl carbonate (DPC), Dimethyl sulfoxide , Acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethylmethyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone (GBL), or mixtures thereof. . Since the organic solvent may impair the safety of the secondary battery due to flammability, it is preferable to use a small amount if possible. In addition, a phosphate ester may be used as a flame retardant additive mainly used in lithium secondary batteries, and non-limiting examples thereof include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, ethyl dimethyl phosphate, tripropyl phosphate, tributyl phosphate, and mixtures thereof. .

상기 용매 제거 방법 역시 특별한 제한이 없으며, 통상적인 방법에 따라 가열을 통해 이루어지게 된다. 세번째 실시 형태의 경우 젤 폴리머 전해질 형성시 용매를 제거하는 후처리 공정이 필요할 수 있다. 그러나, 용매 제거를 완전하게 도모하지 않아 젤 폴리머 전해질 내 용매의 일부를 포함하게 함으로써, 전해질의 리튬 이온 전도성 향상을 도모할 수도 있다. The solvent removal method is also not particularly limited, and is made through heating according to a conventional method. In the third embodiment, a post-treatment process may be required to remove the solvent when forming the gel polymer electrolyte. However, it is also possible to improve the lithium ion conductivity of the electrolyte by not including solvent removal completely so that a part of the solvent in the gel polymer electrolyte is included.

<공융혼합물 함유 전해질을 구비한 이차 전지>Secondary Battery with Electrolyte-Containing Electrolyte

본 발명의 이차 전지는 도 1에 도시된 바와 같이 음극, 양극, 전해질 및 분리막으로 구성될 수 있다.The secondary battery of the present invention may be composed of a negative electrode, a positive electrode, an electrolyte and a separator as shown in FIG.

본 발명에서는 충전과 방전을 통해 지속적인 전기 화학 반응을 하는 모든 소 자를 이차 전지로 지칭하는 것이다. 특히 리튬 이차 전지가 바람직하며, 이들의 비제한적인 예로는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등이 있다.In the present invention, all the batteries which have a continuous electrochemical reaction through charge and discharge are referred to as secondary batteries. Particularly preferred are lithium secondary batteries, and non-limiting examples thereof include lithium metal secondary batteries, lithium ion secondary batteries, lithium polymer secondary batteries or lithium ion polymer secondary batteries.

본 발명의 이차 전지를 제조하는 방법은 당 업계에 알려진 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 이의 일 실시예를 들면, 상기 양(兩) 전극 사이에 분리막을 개재(介在)하여 조립한 후, 공융혼합물을 포함하는 전해질을 주입하여 제조된다. The method for manufacturing the secondary battery of the present invention can be used a conventional method known in the art, for example, after the assembly between the positive electrode through the separator, the eutectic mixture It is prepared by injecting an electrolyte comprising a.

이때, 본 발명에 따른 양극과 음극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법에 따라 각각 전극활물질 즉, 양극활물질과 음극활물질을 포함하는 전극 슬러리를 제조하고, 제조된 전극 슬러리를 각 전류 집전체에 도포한 후 용매나 분산매를 건조 등으로 제거하고, 집전체에 활물질을 결착시킴과 더불어 활물질간을 결착시켜 제조할 수 있다. 이때 선택적으로 도전제 및/또는 바인더를 소량 첨가할 수 있다. At this time, the positive electrode and the negative electrode according to the present invention to prepare an electrode slurry comprising an electrode active material, that is, a positive electrode active material and a negative electrode active material in accordance with conventional methods known in the art, and apply the prepared electrode slurry to each current collector Thereafter, the solvent or the dispersion medium may be removed by drying to bind the active material to the current collector, and the active material may be bound to each other. In this case, a small amount of a conductive agent and / or a binder may be optionally added.

상기 전극활물질 중 음극활물질로는 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 전해질 성분으로 사용하는 공융혼합물의 전위창 영역에 포함되는 주석 함유 화합물, 바람직하게는 주석 합금(TCO) 계열 물질을 사용 가능하다.As the negative electrode active material of the electrode active material, a tin-containing compound, preferably a tin alloy (TCO) -based material, included in the potential window region of the eutectic mixture where lithium potential (Li / Li + ) is used as an electrolyte component may be used. .

상기 주석 함유 화합물은 주석 또는 주석산화물에 13족 원소 함유 화합물, 15족 원소 함유 화합물을 각각 혼합 및 소결하고, 또는 추가적으로 칼코게나이드 및/또는 금속산화물을 각각 혼합 및 소결하여 제조될 수 있다. 제조방법의 바람직한 일례를 들면, SnO, B2O3, P2O5, Al2O3를 몰비 Sn:B:P:Al = 5:3:3:2로 혼합한 후 이 혼합물을 분쇄하고, 상기 혼합 분말을 알루미나 도가니에 넣고, 아르곤 조건하에서 및 1100 ℃ 의 온도에서 10 시간 이상 열처리한다. 상기 열처리 후에 용융 상태가 된 생성물을 10 내지 20 ℃/분 속도로 서서히 냉각한 후, 생성된 노란 색깔의 투명 고체를 다시 분말화하여 음극활물질로 이용할 수 있다.The tin-containing compound may be prepared by mixing and sintering tin or tin oxide with a group 13 element-containing compound and a group 15 element-containing compound, respectively, or additionally mixing and sintering chalcogenide and / or metal oxide, respectively. As a preferred example of the preparation method, SnO, B 2 O 3 , P 2 O 5 , Al 2 O 3 are mixed in a molar ratio Sn: B: P: Al = 5: 3: 3: 2 and then the mixture is ground. The mixed powder is placed in an alumina crucible and heat-treated under argon conditions and at a temperature of 1100 ° C. for at least 10 hours. After the heat treatment, the molten product is slowly cooled at a rate of 10 to 20 ° C./minute, and the resulting yellow colored transparent solid may be powdered again to be used as a negative electrode active material.

상기 전극활물질 중 양극활물질로는 리튬 금속산화물 또는 칼코게나이드 화합물 등, 당 업계의 통상적인 양극활물질이면 사용 가능하다. 상기 리튬 금속산화물은 알카리 금속, 알카리 토금속, 13족 원소, 14 족 원소, 15족 원소, 전이금속 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 원소를 포함하는 리튬 함유 산화물로서, 이들의 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCrO2, LiFePO4, LiFeO2, LiCoPO4, LiNiPO4, LiMnPO4, LiCoVO4, LiCrxMn2-xO4, LiNiVO4, LiNixMn2-xO4, Li2-xCoMn3O8 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 또한, 상기 칼코게나이드 화합물의 비제한적인 예로는 TiS2, SeO2, MoS2, FeS2, MnO2, NbSe3, V2O5, V6O13, CuCl2 또는 이들의 혼합물 등이 있다.The positive electrode active material of the electrode active material can be used if it is a conventional cathode active material such as lithium metal oxide or chalcogenide compound. The lithium metal oxide is a lithium-containing oxide including at least one element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, group 15 elements, transition metals and rare earth elements, and examples thereof include LiCoO. 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCrO 2 , LiFePO 4 , LiFeO 2 , LiCoPO 4 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , LiCoVO 4 , LiCr x Mn 2-x O 4 , LiNiVO 4 , LiNi x Mn 2-x O 4 , Li 2-x CoMn 3 O 8, or mixtures thereof. In addition, non-limiting examples of the chalcogenide compound include TiS 2 , SeO 2 , MoS 2 , FeS 2 , MnO 2 , NbSe 3 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , CuCl 2, or mixtures thereof. .

분리막은 양(兩) 전극의 내부 단락을 차단하고 전해액을 함침하는 역할을 하는 다공성 물질을 사용할 수 있다. 이들의 비제한적인 예로는 폴리에티렌계, 폴리프로필렌계, 폴리카보네이트계 다공성 분리막 또는 상기 다공성 분리막에 무기물 재료가 첨가된 복합 다공성 분리막 등이 있다.The separator may use a porous material that blocks internal short circuits of both electrodes and impregnates the electrolyte. Non-limiting examples thereof include a polystyrene-based, polypropylene-based, polycarbonate-based porous separator or a composite porous separator in which an inorganic material is added to the porous separator.

한편, 전해질에는 공융혼합물 이외에 과충전 방지 및 부동화막 형성을 위한 첨가제를 포함할 수 있다. Meanwhile, the electrolyte may include additives for preventing overcharge and forming a passivation layer in addition to the eutectic mixture.

즉, 전지의 충-방전 중 음극이나 양극에서 전해질의 전위창을 벗어나는 전기 화학 반응이 일어나면 전해질의 분해가 초래되어 전지의 성능이 저하될 수가 있다. 이에, 본 발명에서는 첨가제를 전해질에 첨가함으로써, 전해질의 분해를 방지하는 부동화막 즉, 보호막을 형성할 수 있다. 상기 보호막은 초기 충-방전 사이클에서 리튬 이온은 통과할 수 있고 전해질의 분해를 방지하는 역할을 한다. 상기 부동화막 형성 첨가제의 비제한적인 예로는 12-크라운-4, 18-크라운-6, 카테콜카보네이트, 비닐렌카보네이트, 에틸렌설파이트, 메틸클로로포르메이트, 수시니마이드, 메틸신나메이트 등이 있다.That is, when an electrochemical reaction occurs outside the potential window of the electrolyte at the negative electrode or the positive electrode during charge-discharge of the battery, decomposition of the electrolyte may occur, thereby degrading the performance of the battery. Thus, in the present invention, by adding an additive to the electrolyte, a passivation film, that is, a protective film, which prevents decomposition of the electrolyte can be formed. The protective film may pass through lithium ions in an initial charge-discharge cycle and serve to prevent decomposition of the electrolyte. Non-limiting examples of the passivation film forming additives include 12-crown-4, 18-crown-6, catecholcarbonate, vinylene carbonate, ethylene sulfite, methylchloroformate, susinimide, methyl cinnamate, and the like. .

또, 본 발명에 따른 전해질에는 양극에서 과전류의 흐름에 의한 과전압을 방지하는 과전류 소비 첨가제를 첨가할 수 있다. 상기 과전압 방지 첨가제의 비제한적인 예로는 요오드, 부틸페로센, 트리시아노벤젠, 테트라시나노퀴노디메탄, 벤젠 유도체, 피로카보네이트, 시클로헥실벤젠 등이 있다.In addition, to the electrolyte according to the present invention, an overcurrent consumption additive may be added to prevent overvoltage caused by the flow of overcurrent at the anode. Non-limiting examples of the overvoltage protection additives include iodine, butyl ferrocene, tricyanobenzene, tetrashinanoquinomethane, benzene derivatives, pyrocarbonate, cyclohexylbenzene, and the like.

전술한 구성 요소 이외에도 이차 전지의 나머지 공간을 채우기 위한 전도성 탄력 물질을 추가 사용할 수도 있다.In addition to the aforementioned components, a conductive elastic material may be further used to fill the remaining space of the secondary battery.

상기의 방법으로 제작된 이차 전지, 바람직하게는 리튬 이차 전지의 외형은 특별한 제한이 없으며, 일례로 캔으로 된 원통형, 각형 또는 파우치(pouch)형일 수 있다.The shape of the secondary battery, preferably the lithium secondary battery, manufactured by the above method is not particularly limited, and may be, for example, a cylindrical, square or pouch type of can.

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 자세히 설명할 것이다. 그러나, 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited thereto.

[실시예 1 ~ 4. 이차 전지의 제조][Examples 1 to 4. Preparation of Secondary Battery]

실시예 1Example 1

1-1. 음극활물질의 제조1-1. Preparation of Cathode Active Material

Sn, B2O3, P2O5, Al2O3, S, CaO를 몰비 Sn:B:P:Al:S:Ca = 5:2:2:2:1:1로 혼합하였다. 상기 혼합물을 Ar이 채워진 석영관에 넣고, 1000 ℃에서 용융한 후, 서서히 냉각하여 주석 합금(TCO) 계열 물질을 제조하였다.Sn, B 2 O 3 , P 2 O 5 , Al 2 O 3 , S, CaO were mixed in a molar ratio Sn: B: P: Al: S: Ca = 5: 2: 2: 2: 1: 1. The mixture was placed in an Ar filled quartz tube, melted at 1000 ° C., and then cooled slowly to prepare a tin alloy (TCO) based material.

1-2. 공융혼합물 함유 전해질의 제조1-2. Preparation of Eutectic Mixture Containing Electrolyte

정제된 N,N-디메틸메틸카바메이트 6 g과 LiPF6 3 g을 둥근 바닥 플라스크에 넣고, 상온 질소분위기에서 12시간 동안 서서히 교반시켜 공융혼합물 9 g을 얻었다. 상기 공융혼합물을 0.3 torr 진공상태에서 수분 20 ppm 이하로 낮춰 전해질을 제조하였다. 6 g of purified N, N-dimethylmethylcarbamate and 3 g of LiPF 6 were placed in a round bottom flask, and stirred slowly for 12 hours in a room temperature nitrogen atmosphere to obtain 9 g of a eutectic mixture. The eutectic mixture was prepared by lowering the eutectic mixture to 20 ppm or less in 0.3 torr vacuum.

1-3. 이차 전지의 제조1-3. Fabrication of Secondary Battery

양극활물질로 LiCoO2, 도전제로 인조흑연, 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드를 94:3:3의 중량비로 혼합하고, 얻어진 혼합물에 N-메틸피롤리돈을 가하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 알루미늄 포일에 도포하고, 130 ℃에서 2시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다.LiCoO 2 as a positive electrode active material, artificial graphite as a conductive agent, polyvinylidene fluoride as a binder was mixed in a weight ratio of 94: 3: 3, and N-methylpyrrolidone was added to the obtained mixture to prepare a slurry. The prepared slurry was applied to aluminum foil, and dried at 130 ° C. for 2 hours to prepare a positive electrode.

음극활물질로 실시예 1-1에서 제조된 주석 합금(TCO) 계열 물질 분말, 인조 흑연 및 바인더를 94:3:3의 중량비로 혼합하고, N-메틸피롤리돈을 가하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 구리 포일에 도포하고, 130℃에서 2시간 동안 건조하여 음극을 제조하였다.As a negative electrode active material, the tin alloy (TCO) -based material powder, artificial graphite, and binder prepared in Example 1-1 were mixed at a weight ratio of 94: 3: 3, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a slurry. The prepared slurry was applied to a copper foil and dried at 130 ° C. for 2 hours to prepare a negative electrode.

상기와 같이 제조된 양극 및 음극을 1 ㎠로 준비하고, 그 사이에 분리막을 개재(介在)시켰다. 여기에 실시예 1-2에서 제조된 공융혼합물 함유 전해액을 주입하여 최종적으로 도 1과 같이 이차 전지를 완성하였다.A positive electrode and a negative electrode prepared as described above were prepared in 1 cm 2, and a separator was interposed therebetween. Injecting the eutectic mixture-containing electrolyte solution prepared in Example 1-2 to finally complete the secondary battery as shown in FIG.

실시예 2Example 2

2-1. 음극활물질의 제조2-1. Preparation of Cathode Active Material

SnO, B2O3, Sn2P2O7, Al2O3를 몰비 Sn:B:P:Al = 5:2:2:2로 혼합하는 것 외에는 실시예 1-1과 동일한 방법을 수행하여 주석 합금 계열 물질을 제조하였다.The same method as in Example 1-1 was carried out except that SnO, B 2 O 3 , Sn 2 P 2 O 7 , and Al 2 O 3 were mixed in a molar ratio Sn: B: P: Al = 5: 2: 2: 2. To prepare a tin alloy-based material.

2-2. 이차 전지의 제조2-2. Fabrication of Secondary Battery

음극활물질로 실시예 2-1에서 제조된 주석 합금(TCO) 계열 물질 분말을 사용한 것 이외에, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 이차 전지를 제조하였다.A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the tin alloy (TCO) -based material powder prepared in Example 2-1 was used as the negative electrode active material.

실시예 3Example 3

양극으로 LiCoO2를 사용하는 대신 LiMn2O4를 사용하면서 그 외의 조건은 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. LiMn 2 O 4 was used instead of LiCoO 2 as the positive electrode, and other conditions were carried out in the same manner as in Example 1, to prepare a lithium secondary battery.

실시예 4Example 4

양극으로 LiCoO2를 사용하는 대신 LiNi0.5Mn1.5O4를 사용하면서 그 외의 조건은 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was used instead of LiCoO 2 as the positive electrode, and the other conditions were performed in the same manner as in Example 1, to prepare a lithium secondary battery.

비교예 1Comparative Example 1

음극활물질로 SnO2, 도전제로 아세틸렌 블랙, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)를 85:10:5의 중량비로 혼합하여 음극을 제조하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary material was prepared in the same manner as in Example 1 except that SnO 2 was used as a negative electrode active material, acetylene black as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder was mixed at a weight ratio of 85: 10: 5 to prepare a negative electrode. The battery was prepared.

비교예 2Comparative Example 2

음극활물질로서 실시예 1 내지 실시예 2에서 제조된 주석 합금(TCO) 대신에 통상적인 탄소재를 사용한 것 이외에 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a conventional carbon material was used instead of the tin alloy (TCO) prepared in Examples 1 to 2 as the negative electrode active material.

비교예 3Comparative Example 3

전해질로서 실시예 1-2에서 제조된 공융혼합물 대신에 이온성 액체 EMI-BF4를 사용한 것 이외에 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the ionic liquid EMI-BF 4 was used instead of the eutectic mixture prepared in Example 1-2 as the electrolyte.

실험예 1. 이차 전지의 특성 분석Experimental Example 1. Characterization of Secondary Battery

본 발명에 따라 공융혼합물 함유 전해질과 주석 합금(TCO) 계열 음극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지의 특성을 하기와 같이 분석하였다.According to the present invention, the characteristics of the lithium secondary battery including the eutectic mixture-containing electrolyte and the tin alloy (TCO) -based negative electrode active material were analyzed as follows.

공융혼합물 함유 전해질과 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 공융혼합물의 전위창 영역에 해당되는 주석 합금 계열 음극활물질(실시예 1-1 및 실시예 2-1)로 형성된 음극을 병용(竝用)하는 실시예 1 및 실시예 2의 리튬 이차 전지를 사용하였으며, 이의 대조군으로 주석산화물 음극과 공융혼합물 함유 전해질을 병용하는 비교예 1의 리튬 이차 전지, 통상적인 탄소재 음극과 공융혼합물 함유 전해질을 병용하는 비교예 2의 리튬 이차 전지 및 주석 합금 계열 음극활물질(실시예 1-1)로 형성된 음극과 이온성 액체(EMI-BF4) 전해질을 병용하는 비교예 3의 리튬 이차 전지를 사용하였다.The eutectic mixture containing electrolyte and the negative electrode formed of a tin alloy-based negative electrode active material (Examples 1-1 and 2-1) having a potential (Li / Li + ) relative to lithium in the potential window region of the eutectic mixture are used in combination. The lithium secondary batteries of Examples 1 and 2 were used, and as a control thereof, the lithium secondary battery of Comparative Example 1 using a tin oxide anode and an eutectic mixture-containing electrolyte in combination with a conventional carbon material anode and an eutectic mixture-containing electrolyte was used. The lithium secondary battery of Comparative Example 3 using a lithium secondary battery of Comparative Example 2 in combination and a negative electrode formed from a tin alloy series negative electrode active material (Example 1-1) and an ionic liquid (EMI-BF 4 ) electrolyte in combination was used.

실험 결과, 실시예 1에서 제조된 이차 전지의 특성은 20회의 충-방전에서 96%의 방전 용량이 얻어졌고, 충-방전 효율도 99%였고(도 2 참조), 실시예 2에서 제조된 이차 전지의 특성은 1회의 충방전에서 65%의 방전 용량이 얻어졌고, 그 후부터는 충방전 효율 99%의 사이클을 유지하였다(도 3 참조). 위에서 언급한 음극의 작동 전위가 리튬 전위에 대해 약 0.5 V, 양극의 작동 전위가 약 3.8 V, 그리고 공융혼합물의 전위창이 0.5 ~ 5.5 V 이므로, 이 요소들로 이차 전지를 구성할 때 작동 전압은 약 3.3 V를 나타내고, 우수한 에너지 밀도를 나타내며, 과충전, 단락, 열 충격에 안정함을 알 수 있었다. As a result of the experiment, the characteristics of the secondary battery prepared in Example 1 obtained a discharge capacity of 96% at 20 charge-discharge cycles, the charge-discharge efficiency was 99% (see FIG. 2), and the secondary battery prepared in Example 2 As for the characteristic of the battery, the discharge capacity of 65% was obtained in one charge / discharge, and after that, the cycle of 99% of charge / discharge efficiency was maintained (refer FIG. 3). Since the operating potential of the negative electrode mentioned above is about 0.5 V relative to the lithium potential, the operating potential of the positive electrode is about 3.8 V, and the potential window of the eutectic mixture is 0.5 to 5.5 V, the operating voltage when constructing secondary batteries with these elements is It was found that about 3.3 V, excellent energy density, and stable to overcharge, short circuit and thermal shock.

반면에, 음극활물질로서 주석산화물을 사용한 비교예 1의 이차 전지의 특성은 1회의 충방전에서의 방전 용량이 실시예 1이나 실시예 2에 비해 보다 낮은 대략 50%을 나타내었고, 그 후부터는 충방전 효율 90%의 사이클을 유지하였다(도 4 참조). 또, 음극활물질로서 통상적인 탄소재를 사용한 비교예 2의 이차 전지의 특성은 1회 충방전 이후부터 급격한 사이클 저하가 이루어졌으며, 5회 충-방전에서부터 거의 0 %의 방전 용량이 얻어졌다. 충-방전 효율도 대략 70 % 이하였다(도 5 참조). 또한, 전해질로서 이온성 액체 EMI-BF4를 사용한 비교예 3의 이차 전지의 특성은 6회 충-방전에서부터 거의 0 %의 방전 용량이 얻어졌다. 충-방전 효율도 대략 70 % 이하였다(도 6 참조). 이는 전해질 성분인 공융혼합물의 전위창을 벗어나는 전위에서 발생하는 음극재인 탄소재의 전기 화학 반응으로 전지의 성능 저하가 필수적으로 초래된다는 것을 입증하는 것이다.On the other hand, the characteristics of the secondary battery of Comparative Example 1 using tin oxide as the negative electrode active material showed that the discharge capacity in one charge / discharge was about 50% lower than that of Example 1 or Example 2, and thereafter, the charge / discharge thereafter. A cycle of 90% efficiency was maintained (see FIG. 4). In addition, in the characteristics of the secondary battery of Comparative Example 2 using a conventional carbon material as the negative electrode active material, a rapid cycle was lowered after one charge and discharge, and a discharge capacity of almost 0% was obtained from five charge and discharge cycles. The charge-discharge efficiency was also about 70% or less (see FIG. 5). In addition, the characteristics of the secondary battery of Comparative Example 3 using the ionic liquid EMI-BF 4 as the electrolyte showed a discharge capacity of almost 0% from six charge-discharge cycles. The charge-discharge efficiency was also about 70% or less (see FIG. 6). This proves that the performance of the battery is inevitably caused by the electrochemical reaction of the carbon material, the negative electrode material, which occurs at the potential beyond the potential window of the eutectic mixture as the electrolyte component.

따라서, 공융혼합물 함유 전해질 및 상기 공융혼합물의 전위창 영역에 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 포함되는 주석 합금(TCO) 계열 음극을 병용하는 리튬 이차 전지는 안전성뿐만 아니라 성능면에서도 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.Therefore, a lithium secondary battery using a eutectic mixture-containing electrolyte and a tin alloy (TCO) -based negative electrode containing a potential (Li / Li + ) relative to lithium in the potential window region of the eutectic mixture is excellent in terms of safety as well as performance. I could confirm it.

본 발명에서는 공융혼합물 함유 전해질 및 리튬 대비 전위가 상기 공융혼합물의 전위창 영역에 포함되는 주석 함유 화합물을 포함하는 음극을 병용(竝用)함으로써, 공융혼합물을 전지용 전해질로 사용시 발생되는 전해액 분해 및 이로 인한 전지의 성능 저하를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 공융혼합물의 열적, 화학적 안정성, 높은 전도도, 넓은 전위창을 통해 전지의 안전성과 성능 향상을 동시에 제공할 수 있다.In the present invention, by using a eutectic mixture-containing electrolyte and a negative electrode containing a tin-containing compound contained in the potential window region of the eutectic mixture in combination with the eutectic mixture, decomposition of the electrolytic solution generated when the eutectic mixture is used as a battery electrolyte Not only can the performance degradation of the battery be solved, but also the thermal and chemical stability of the eutectic mixture, high conductivity, and a wide potential window can simultaneously provide the safety and performance of the battery.

Claims (17)

양극, 음극, 전해질 및 분리막을 구비하는 이차 전지에 있어서, In a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte and a separator, 상기 전해질은 공융혼합물(eutectic mixture)을 포함하며, 음극은 리튬 대비 전위(Li/Li+)가 공융혼합물의 전위창 영역에 해당되는 주석 함유 화합물을 음극활물질로 포함하되,The electrolyte includes an eutectic mixture, and the negative electrode includes a tin-containing compound having a potential (Li / Li + ) relative to lithium in the potential window region of the eutectic mixture, as a negative electrode active material. 상기 주석 함유 화합물을 포함하는 음극활물질은 리튬 대비(Li/Li+) 0.5 V 이상의 전위를 갖고,The negative electrode active material including the tin-containing compound has a potential of 0.5 V or more relative to lithium (Li / Li + ), 상기 주석 함유 화합물은 13족 또는 15족 원소로부터 각각 1종씩 2종 이상 선택된 원소를 포함하는 산화물 형태의 주석 합금(TCO: tin-based amorphous composite oxide) 계열 화합물, 또는 상기 주석 합급(TCO) 계열 화합물에 칼코게나이드 화합물 또는 금속산화물이 포함된 화합물인 것이 특징인 이차 전지. The tin-containing compound is a tin-based amorphous composite oxide (TCO) -based compound containing at least two elements selected from the group 13 or group 15 elements, respectively, or the tin alloy (TCO) -based compound A secondary battery characterized in that the chalcogenide compound or a compound containing a metal oxide. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 주석 함유 화합물은 주석 합금(TCO) 계열 물질에 칼코게나이드 화합물 또는 금속 산화물을 각각 혼합 및 소결하여 제조된 것이 특징인 이차 전지. The secondary battery of claim 1, wherein the tin-containing compound is prepared by mixing and sintering a chalcogenide compound or a metal oxide with a tin alloy (TCO) -based material, respectively. 제1항에 있어서, 상기 공융혼합물은 아미드기 함유 화합물과 이온화 가능한 리튬염에 의해 형성된 것인 이차 전지.The secondary battery of claim 1, wherein the eutectic mixture is formed of an amide group-containing compound and an ionizable lithium salt. 제1항에 있어서, 상기 공융혼합물은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표기되는 것이 특징인 이차 전지:The secondary battery of claim 1, wherein the eutectic mixture is represented by the following Chemical Formula 2 or Chemical Formula 3: [화학식 2][Formula 2]
Figure 112007043632672-pat00004
Figure 112007043632672-pat00004
(상기 화학식 2에서, R1, R2 및 R은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 탄소수가 1 내지 20의 알킬기, 알킬아민기, 알케닐기 또는 아릴기이고; X는 수소, 탄소, 규소, 산소, 질소, 인 및 황 중에서 선택되며(단, X가 수소인 경우에는 m=0이며, X가 산소 또는 황인 경우에는 m=1이고, X가 질소 또는 인인 경우에는 m=2이며, X가 탄소 또는 규소인 경우에는 m=3 이고, 이때 R은 각각 독립적임), Y는 리튬과 염(salt)을 형성할 수 있는 음이온(anion)임); (In Formula 2, R 1 , R 2 and R are each independently hydrogen, halogen, alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, alkylamine group, alkenyl group or aryl group; X is hydrogen, carbon, silicon, oxygen, Selected from nitrogen, phosphorus and sulfur, provided that m = 0 if X is hydrogen, m = 1 if X is oxygen or sulfur, m = 2 if X is nitrogen or phosphorus and X is carbon or M = 3 for silicon, where R is independent of each other, Y is anion capable of forming salts with lithium; [화학식 3](3)
Figure 112007043632672-pat00005
Figure 112007043632672-pat00005
(상기 화학식 3에서, R1 및 R은 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 알킬아민기, 알케닐기, 아릴기 또는 알릴기이고; X는 수소, 탄소, 규소, 산소, 질소, 인 및 황 중에서 선택되며(단, X가 수소인 경우에는 m=0, n=0이고, X가 산소 또는 황인 경우에는 m=0이며, X가 질소 또는 인인 경우에는 m=1이고, X가 탄소 또는 규소인 경우에는 m=2이고, 이때의 R은 각각 독립적임); n은 0 내지 10의 정수이며, 이때 n이 1 이상인 경우 X는 수소를 제외한 탄소, 규소, 산소, 질소, 인, 황 중에서 선택되고; Y는 리튬과 염(salt)을 형성할 수 있는 음이온(anion)임).(In Formula 3, R 1 and R are hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkylamine group, an alkenyl group, an aryl group or an allyl group; X is hydrogen, carbon, silicon, oxygen, nitrogen, phosphorus and sulfur M = 0, n = 0 if X is hydrogen, m = 0 if X is oxygen or sulfur, m = 1 if X is nitrogen or phosphorus, and X is carbon or silicon M is 2 and R is independent of each other; n is an integer of 0 to 10, wherein when n is 1 or more, X is selected from carbon, silicon, oxygen, nitrogen, phosphorus, sulfur, except hydrogen; Y is anion capable of forming salts with lithium.
제6항에 있어서, 상기 아미드기 함유 화합물은 아세트아미드, N-에틸아세트아미드, 우레아, 메틸우레아, 카프로락탐, N-메틸카프로락탐, N-에틸우레탄, N-메틸옥사졸리디논, N-헥실옥사졸리디논, 발레르락탐, 트리플로로아세트아미드, 메틸 카바메이트, N-메틸메틸카바메이트, N,N-디메틸메틸카바메이트, 에틸카바메이트, 부틸카바메이트, 포름아미드 및 포메이트로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 특징인 이차 전지.The compound of claim 6, wherein the amide group-containing compound is acetamide, N-ethylacetamide, urea, methylurea, caprolactam, N-methylcaprolactam, N-ethylurethane, N-methyloxazolidinone, N-hexyl From the group consisting of oxazolidinone, valelactam, trifluoroacetamide, methyl carbamate, N-methylmethyl carbamate, N, N-dimethylmethyl carbamate, ethyl carbamate, butyl carbamate, formamide and formate A secondary battery characterized by at least one selected. 제6항에 있어서, 상기 리튬염의 음이온은 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, RSO3 -, RCOO-; PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, (CF3SO3 -)2, (CF2CF2SO3 -)2, (CF3SO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 특징인 이차 전지.The method of claim 6, wherein the lithium salt anion is F -, Cl -, Br - , I -, NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, RSO 3 -, RCOO -; PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, (CF 3 SO 3 -) 2, (CF 2 CF 2 SO 3 -) 2, (CF 3 SO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, ( SF 5) 3 C -, ( CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 -, SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2) 2 N - secondary battery is characterized by at least one member selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 액체형(liquid type)인 것이 특징인 이차 전지. The secondary battery of claim 1, wherein the electrolyte is a liquid type. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 (i) 공융혼합물; 및 (ii) 중합반응에 의해 젤 폴리머를 형성할 수 있는 단량체(monomer)를 함유하는 전해질 전구체 액을 중합시켜 형성된 젤 폴리머형인 것이 특징인 이차 전지.The method of claim 1, wherein the electrolyte is (i) a eutectic mixture; And (ii) a gel polymer type formed by polymerizing an electrolyte precursor solution containing a monomer capable of forming a gel polymer by a polymerization reaction. 제11항에 있어서, 상기 단량체는 아크릴로니트릴, 메틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 메타크릴로니트닐, 메틸스티렌, 비닐에스테르류, 염화비닐, 염화비닐리덴, 아크릴아마이드, 테트라플루오로에틸렌, 비닐아세테이트, 비닐크로라이드, 메틸비닐케톤, 에틸렌, 스티렌, 파라메톡시스티렌 및 파라시아노스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 특징인 이차 전지.The method of claim 11, wherein the monomer is acrylonitrile, methyl methacrylate, methyl acrylate, methacrylonitrile, methyl styrene, vinyl esters, vinyl chloride, vinylidene chloride, acrylamide, tetrafluoroethylene, A secondary battery characterized by at least one member selected from the group consisting of vinyl acetate, vinyl chloride, methyl vinyl ketone, ethylene, styrene, paramethoxy styrene, and paracyano styrene. 제11항에 있어서, 상기 전해질 전구체 액은 중합개시제 또는 광개시제를 추가로 포함하는 것이 특징인 이차 전지.The secondary battery of claim 11, wherein the electrolyte precursor liquid further comprises a polymerization initiator or a photoinitiator. 제11항에 있어서, 상기 전해질은 전지 내부에서 In - situ 중합하여 제조된 것이 특징인 이차전지. 12. The method of claim 11, wherein the electrolyte in the battery is In - situ the characteristics that the secondary battery produced by polymerization. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 공융혼합물(eutectic mixture)이 폴리머 또는 젤 폴리머에 함침된 것이 특징인 이차전지.The secondary battery of claim 1, wherein the electrolyte is impregnated with a eutectic mixture in a polymer or a gel polymer. 제15항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴 디플루라이드, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 특징인 이차 전지. The secondary battery of claim 15, wherein the polymer is selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, polyvinylidene difluoride, polyvinyl chloride, polyethylene oxide, and polyhydroxyethyl methacrylate. 제1항에 있어서, 상기 이차 전지는 리튬 이차 전지인 것이 특징인 이차 전 지.The secondary battery of claim 1, wherein the secondary battery is a lithium secondary battery.
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