KR101299666B1 - Electrolyte for lithium air rechargeable battery and lithium air rechargeable battery using the same - Google Patents

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KR101299666B1 KR1020110132225A KR20110132225A KR101299666B1 KR 101299666 B1 KR101299666 B1 KR 101299666B1 KR 1020110132225 A KR1020110132225 A KR 1020110132225A KR 20110132225 A KR20110132225 A KR 20110132225A KR 101299666 B1 KR101299666 B1 KR 101299666B1
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Abstract

리튬 공기 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지에 관한 것으로서, 구체적으로 하기 화학식 1로 표현되는 화합물, 하기 화학식 2로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합; 비수성 유기 용매; 및 리튬염을 포함하는 리튬 공기 전지용 전해질에 관한 것이다.
[화학식 1]

Figure 112011098146958-pat00019

[화학식 2]
Figure 112011098146958-pat00020

(상기 화학식에서, 치환기의 정의는 명세서에 정의한 바와 같다.)A lithium air battery electrolyte and a lithium air battery including the same, specifically, a compound represented by the following Chemical Formula 1, a compound represented by the following Chemical Formula 2, or a combination thereof; Non-aqueous organic solvent; And it relates to an electrolyte for lithium air battery containing a lithium salt.
[Formula 1]
Figure 112011098146958-pat00019

(2)
Figure 112011098146958-pat00020

(In the above formula, the definition of the substituent is as defined in the specification.)

Description

리튬 공기 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지{ELECTROLYTE FOR LITHIUM AIR RECHARGEABLE BATTERY AND LITHIUM AIR RECHARGEABLE BATTERY USING THE SAME}ELECTROLYTE FOR LITHIUM AIR RECHARGEABLE BATTERY AND LITHIUM AIR RECHARGEABLE BATTERY USING THE SAME

본 발명은 리튬 공기 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte for a lithium air battery and a lithium air battery including the same.

전자제품의 급속한 발전과 소비자들의 고성능 전력원에 대한 높은 기대로 인해 에너지 소모가 높은 제품이 많이 등장하고 있다. 그러나 현재 연료 전지 또는 배터리 기술은 아직 이러한 요구를 충족시켜 주지 못하고 있다. 최근에는 리튬 이온전지가 가장 널리 사용되는 2차 전지이자, 가장 발전가능성이 높은 것으로 간주되고 있다. 그러나 리튬 이온 전지는 광범위한 연구에도 불구하고, 아직 해결해야 할 문제점이 많이 있으며, 상대적으로 낮은 이론적 에너지 단위 밀도, 리튬의 천연 매장량 등 여러 가지 한계점도 도출되고 있다. 따라서 리튬 이온 2차 전지를 대체할 수 있는 고성능을 발휘하면서 제조원가도 절감할 수 있는 차세대 2차 전지에 대한 필요성이 대두되고 있다.Due to the rapid development of electronic products and high expectations of high performance electric power sources of consumers, many products with high energy consumption are appearing. However, current fuel cell or battery technologies have not yet met this demand. Recently, lithium ion batteries are considered to be the most widely used secondary batteries and the most likely to be developed. However, lithium ion batteries, despite extensive research, still have many problems to be solved, and various limitations such as relatively low theoretical energy unit density and natural reserves of lithium have been derived. Therefore, there is a need for a next-generation secondary battery capable of reducing manufacturing costs while exhibiting high performance to replace a lithium ion secondary battery.

이 중 가장 실현가능성이 높은 전지가 리튬 공기 2차 전지이다. 리튬 공기 2차 전지는 금속을 연료로 사용하기 때문에 연료전지의 해결과제인 수소의 발생과 저장에 관련된 문제를 제거할 수 있고, 공기극에서는 공기 중의 산소를 연료로 이용하는 충·방전이 가능한 주목받는 전지로서, 향후 리튬 공기 전지를 대체할 수 있는 차세대 2차 전지로 기대되고 있다.The most feasible of these is a lithium air secondary battery. Lithium-air secondary batteries use metals as fuels, which can eliminate problems related to the generation and storage of hydrogen, which is a challenge for fuel cells, and attract attention in batteries that can be charged and discharged using oxygen in the air as fuel. As a next generation, it is expected to be the next generation secondary battery that can replace the lithium air battery.

그러나, 리튬 공기 2차 전지의 공기극에서는 방전 과정에서 전해액에 녹지 않는 과산화리튬(Li2O2)가 생성되고, 이러한 생성물은 그 다음의 충전 반응시 리튬과 산소를 발생시키는 산화반응(oxygen evolution reaction, OER)이 원활하게 일어나는 것을 방해하기 때문에, 전지의 충방전 특성이 저하된다는 문제점이 있었다. However, in the air electrode of the lithium air secondary battery, lithium peroxide (Li 2 O 2 ) which is insoluble in the electrolyte during the discharge process is formed, and this product produces an oxidation reaction that generates lithium and oxygen in the subsequent charging reaction. OER) prevents the smooth from occurring, there is a problem that the charge and discharge characteristics of the battery is reduced.

본 발명의 일 구현예는 공기극에서 발생되는 과산화리튬(Li2O2)를 산화분해시켜, 공기극에서의 전기 화학반응의 가역성을 증가시키는 리튬 공기 전지용 전해질을 제공한다. One embodiment of the present invention provides an electrolyte for a lithium air battery that oxidatively decomposes lithium peroxide (Li 2 O 2 ) generated in the cathode, thereby increasing the reversibility of the electrochemical reaction in the cathode.

본 발명의 다른 구현예는 충방전 특성이 우수한 리튬 공기 전지를 제공하는 것이다. Another embodiment of the present invention is to provide a lithium air battery excellent in charge and discharge characteristics.

본 발명의 일 구현예는, 하기 화학식 1로 표현되는 화합물, 화학식 2로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합, 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함하는 리튬 공기 전지용 전해질을 제공한다. One embodiment of the present invention, a compound represented by the following formula (1), a compound represented by the formula (2) or a combination thereof, a non-aqueous organic solvent and a lithium salt containing an electrolyte for a lithium air battery.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112011098146958-pat00001
Figure 112011098146958-pat00001

[화학식 2] (2)

Figure 112011098146958-pat00002
Figure 112011098146958-pat00002

상기 화학식 1 및 2에 있어서, X는 B, Al, Ga 또는 In이며, R1 내지 R3는 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 헤테로아릴기이며, R4 내지 R6는 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3이며,In Chemical Formulas 1 and 2, X is B, Al, Ga or In, R 1 to R 3 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, or A substituted or unsubstituted C6 to C30 heteroaryl group, R 4 to R 6 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted group A substituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 heteroaryl group, or

[화학식 3] (3)

Figure 112011098146958-pat00003
Figure 112011098146958-pat00003

상기 화학식 3에서, R7 내지 R10은 각각 독립적으로 수소원자 또는 할로겐 원자이며, R11은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기이며, n은 1 내지 10의 정수이다. In Formula 3, R 7 to R 10 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom, R 11 is a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group, n is an integer of 1 to 10.

상기 화학식 1은 하기 화학식 4로 표현되는 화합물일 수 있다. Formula 1 may be a compound represented by the following formula (4).

[화학식 4] [Formula 4]

Figure 112011098146958-pat00004
Figure 112011098146958-pat00004

상기 화학식 4에서, X는 B, Al, Ga 또는 In이며, R12 내지 R26은 각각 독립적으로 수소원자 또는 할로겐 원자이다. In Formula 4, X is B, Al, Ga or In, and R 12 to R 26 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom.

상기 화학식 2는 하기 화학식 5로 표현되는 화합물일 수 있다. Formula 2 may be a compound represented by the following formula (5).

[화학식 5] [Chemical Formula 5]

Figure 112011098146958-pat00005

Figure 112011098146958-pat00005

상기 화학식 5에서, X는 B, Al, Ga 또는 In이며, R27 내지 R29는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알릴기이다. In Formula 5, X is B, Al, Ga or In, and R 27 to R 29 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group or a substituted or unsubstituted C1 to C20 allyl group.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 트리스(펜타플루오로페닐)보론(TPFPB)일 수 있다. The compound represented by Chemical Formula 1 may be tris (pentafluorophenyl) boron (TPFPB).

상기 화학식 2로 표현되는 화합물은 트리스(디에틸렌 글리콜 메틸에테르)보론(DEGMEB) 또는 트리스(트리에틸렌 글리콜 메틸에테르(TEGMEB)일 수 있다. The compound represented by Formula 2 may be tris (diethylene glycol methyl ether) boron (DEGMEB) or tris (triethylene glycol methyl ether (TEGMEB).

상기 화학식 1로 표현되는 화합물, 화학식 2로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합은 전해질 총량에 대하여 1 내지 50 중량%로 포함될 수 있다. The compound represented by Chemical Formula 1, the compound represented by Chemical Formula 2, or a combination thereof may be included in an amount of 1 to 50 wt% based on the total amount of the electrolyte.

상기 비수성 유기 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디에틸카보네이트(DEC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), γ-부틸로락톤(GBL) 글루타로니트릴(GN), 아니포니트릴(AN) 및 이들의 조합에서 선택되는 1 이상일 수 있다. The non-aqueous organic solvent is ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone (GBL) glutaronitrile (GN), annionitrile (AN) and combinations thereof.

상기 비수성 유기 용매는 글루타로니트릴(GN) 또는 아디포니트릴(AN)일 수 있다. The non-aqueous organic solvent may be glutaronitrile (GN) or adiponitrile (AN).

상기 전해질은 트리스(디에틸렌 글리콜 메틸에테르)보론(DEGMEB)과 디메틸 카보네이트(DMC)를 4:1의 부피비로 포함할 수 있다. The electrolyte may include tris (diethylene glycol methyl ether) boron (DEGMEB) and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 4: 1.

상기 전해질은 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate), 비닐 에틸렌 카보네이트(vinyl ethylene carbonate), 모노플루오로에틸렌카보네이트(monofluoroehtylene carbonate), 디플루오로에틸렌카보네이트(difluoroehtylene carbonate), 무수 숙신산(succinic anhydride), 1,3-프로판 설톤(1,3-propane sultone) 및 이들의 조합에서 선택되는 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. The electrolyte is vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, monofluoroehtylene carbonate, difluoroehtylene carbonate, succinic anhydride, 1,3 It may further comprise an additive selected from propane sultone and combinations thereof.

상기 첨가제는 전해질 총량에 대하여 1 내지 10 중량%으로 포함될 수 있다. The additive may be included in an amount of 1 to 10% by weight based on the total amount of the electrolyte.

본 발명의 다른 구현예는 전술한 전해질; 공기극; 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 리튬 공기 전지를 제공한다. Another embodiment of the present invention is the electrolyte described above; Air electrode; Provided is a lithium air battery including a negative electrode and a separator.

상기 리튬 공기 전지용 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지는 충방전 특성이 및 수명 특성이 우수하다. The lithium air battery including the lithium air battery electrolyte is excellent in charge and discharge characteristics and life characteristics.

도 1은 실시예 및 비교예에 따른 리튬 공기 전지의 초기 충방전 그래프를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예에 따른 리튬 공기 전지의 충방전 특성을 그래프를 나타낸 것이다.
1 shows an initial charge and discharge graph of a lithium air battery according to Examples and Comparative Examples.
2 is a graph showing charge and discharge characteristics of a lithium air battery according to an embodiment.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 이하에서 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.  다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, “알킬기”란 C1 내지 C30 알킬기를 의미하고, "아릴기"란 C6 내지 C30 아릴기를 의미하고, “아릴알킬기”란 C7 내지 C30 아릴알킬기를 의미하며, "알킬렌기"란 C1 내지 C20 알킬렌기를 의미하고, “알콕실렌기”란 C1 내지 C20 알콕실렌기를 의미한다.  &Quot; Aryl group " means a C6 to C30 aryl group, " arylalkyl group " means a C7 to C30 arylalkyl group, and " Alkylene group "means a C1 to C20 alkylene group, and the " alkoxysilylene group " means a C1 to C20 alkoxysilylene group.

또한 본 명세서에서 “치환된”이란, 별도의 정의가 없는 한, 본 발명의 작용기 중의 하나 이상의 수소 원자가 할로겐 원자(F, Cl, Br, 또는 I), 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 이미노기(=NH, =NR, R은 탄소수 1 내지 10의 알킬기임), 아미노기(-NH2, -NH(R'), -N(R")(R"'), R' 내지 R"'는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기임), 아미디노기, 히드라진 또는 히드라존기, 카르복실산기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 헤테로아릴기 및 치환 또는 비치환 탄소수 2 내지 30의 헤테로사이클로알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 치환기로 치환된 것을 의미한다. As used herein, the term "substituted" means that at least one hydrogen atom of the functional group of the present invention is a halogen atom (F, Cl, Br, or I), a hydroxyl group, a nitro group, a cyano group, = NH, = NR, R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms), an amino group (-NH2, -NH (R '), -N (R ") A substituted or unsubstituted C1 to C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C1 to C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C2 to C30 alkoxy group, Substituted or unsubstituted heteroaryl group having from 3 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having from 3 to 30 carbon atoms, and a substituted or unsubstituted heterocycloalkyl group having from 2 to 30 carbon atoms.

리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
The lithium secondary battery can be classified into a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, and a lithium polymer battery depending on the type of the separator and electrolyte used. The lithium secondary battery can be classified into a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, Depending on the size, it can be divided into bulk type and thin type. Since the structure and manufacturing method of these batteries are well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 일 구현예는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물, 하기 화학식 2로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합, 비수성 유기 용매, 및 리튬염을 포함하는 리튬 공기 전지용 전해질을 제공한다. One embodiment of the present invention provides a compound represented by the following formula (1), a compound represented by the following formula (2) or a combination thereof, a non-aqueous organic solvent, and an electrolyte for a lithium air battery comprising a lithium salt.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112011098146958-pat00006
Figure 112011098146958-pat00006

[화학식 2] (2)

Figure 112011098146958-pat00007
Figure 112011098146958-pat00007

상기 화학식 1 및 2에 있어서, X는 B, Al, Ga 또는 In이며, R1 내지 R3는 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 헤테로아릴기이며, R4 내지 R6는 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3이며,In Chemical Formulas 1 and 2, X is B, Al, Ga or In, R 1 to R 3 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, or A substituted or unsubstituted C6 to C30 heteroaryl group, R 4 to R 6 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted group A substituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 heteroaryl group, or

[화학식 3] (3)

Figure 112011098146958-pat00008
Figure 112011098146958-pat00008

상기 화학식 3에서, R7 내지 R10은 각각 독립적으로 수소원자 또는 할로겐 원자이며, R11은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기이며, n은 1 내지 10의 정수이다. In Formula 3, R 7 to R 10 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom, R 11 is a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group, n is an integer of 1 to 10.

상기 화학식 1 로 표현되는 화합물 또는 하기 화학식 2로 표현되는 화합물 은 B, Al, Ga 또는 In 등의 전자부족원소를 포함한다. 상기 전자부족원소라 함은 공유결합에 관여하는 원자가전자껍질이 전자로 채워지는 상태가 완전하지 않는 화합물 즉, 원자의 원자가가 옥테트 룰(Octet rule)을 만족하지 못하는 상태로 존재하는 원소를 말한다. 상기 전자부족원소를 포함하는 화합물이란, 상기 전자부족원소를 구성 원소로 함유하는 화합물을 말한다. 상기 전자부족원소를 포함하는 화합물은 엔탈피적으로 안정한 상태로 존재하기 위하여, 주위의 전자를 쉽게 받아들이므로, 다른 화합물을 산화시키는 산화제로 기능할 수 있다. Compound represented by the formula (1) or a compound represented by the formula (2) is B, Al, And electron deficient elements such as Ga or In. The electron deficient element refers to a compound in which the valence electron shell involved in the covalent bond is not completely filled with electrons, that is, an element in which the valence of the atom does not satisfy the Octet rule. . The compound containing the said electron lack element means the compound containing the said electron lack element as a structural element. The compound containing the electron lack element can easily function as an oxidizing agent for oxidizing other compounds because it easily accepts the surrounding electrons in order to exist in an enthalpy stable state.

일 구현예로, 상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 하기 화학식 4로 표현될 수 있다. In one embodiment, the compound represented by Formula 1 may be represented by the following formula (4).

[화학식 4] [Formula 4]

Figure 112011098146958-pat00009
Figure 112011098146958-pat00009

상기 화학식 4에서, X는 B, Al, Ga 또는 In이며, R12 내지 R26은 각각 독립적으로 수소원자 또는 할로겐 원자이다. In Formula 4, X is B, Al, Ga or In, and R 12 to R 26 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom.

또 다른 구현예로, 상기 화학식 2로 표현되는 화합물은 하기 화학식 5로 표현될 수 있다. In another embodiment, the compound represented by Chemical Formula 2 may be represented by the following Chemical Formula 5.

[화학식 5] [Chemical Formula 5]

Figure 112011098146958-pat00010
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상기 화학식 5에서, R27 내지 R29는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알릴기이다. In Formula 5, R 27 to R 29 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group or a substituted or unsubstituted C1 to C20 allyl group.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 대표적으로 하기 화학식 6으로 표현되는 트리스(펜타플루오로페닐)보론(TPFPB)일 수 있다. The compound represented by Chemical Formula 1 may be tris (pentafluorophenyl) boron (TPFPB) represented by Chemical Formula 6, below.

[화학식 6] [Formula 6]

Figure 112011098146958-pat00011
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상기 화학식 2로 표현되는 화합물은 대표적으로 하기 화학식 7로 표현되는 트리스(디에틸렌 글리콜 메틸에테르)보론(DEGMEB)일 수 있으며, 또는 트리스(트리에틸렌 글리콜 메틸에테르(tris(triethylene glycol methylether)borane, TEGMEB) 등 일 수 있다The compound represented by Chemical Formula 2 may be tris (diethylene glycol methyl ether) boron (DEGMEB), which is typically represented by Chemical Formula 7, or tris (triethylene glycol methylether) borane, TEGMEB Can be

[화학식 7]  [Formula 7]

Figure 112011098146958-pat00012
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상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 화합물은 충방전 과정 중, 공기극에서 생성되는 Li2O2 또는 Li2O를 산화시켜, 산소 발생 반응(OER: oxygen evolution reation)을 촉진한다. 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 화합물이 전해질 내에서 작용하는 메커니즘은 구체적으로 다음과 같다. The compound represented by Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 oxidizes Li 2 O 2 or Li 2 O generated at the cathode during charging and discharging, thereby promoting oxygen evolution reaction (OER). The mechanism in which the compound represented by Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 acts in the electrolyte is specifically as follows.

리튬 공기 전지의 방전 시, 공기극에서는 산소가 리튬과 반응하여, Li2O2 또는 Li2O를 생성되며, 이러한 반응은 하기 식 1 및 식 2로 나타낼 수 있다.During discharge of the lithium air battery, oxygen reacts with lithium in the air electrode to generate Li 2 O 2 or Li 2 O, and this reaction may be represented by the following Equations 1 and 2 below.

(식 1): 2 Li+ + O2 + 2e- → Li2O2 (Formula 1): 2 Li + + O 2 + 2e - → Li 2 O 2

(식 2): 4 Li+ + O2 + 4e- → 2Li2O (Equation 2): 4 Li + + O 2 + 4e - → 2Li 2 O

상기 공기극에서 Li2O2 또는 Li2O가 계속 생성되면, 공극극과 산소가 반응하는 면적이 줄어들고 결국 충방전 가역 용량이 감소하여, 결국 리튬 공기 전지의 충방전 특성이 저하되는 문제점이 있다. 그러나, 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 화합물을 포함하는 전해질은 Li2O2 또는 Li2O의 산화반응을 촉진함으로써, Li2O2 또는 Li2O를 매우 용이하게 분해하여 가역 용량이 저하되는 것을 방지한다. If Li 2 O 2 or Li 2 O is continuously generated in the cathode, the area in which the void and oxygen react is reduced, and thus the charge / discharge reversible capacity is reduced, resulting in a decrease in charge and discharge characteristics of the lithium air battery. However, the above formula (I) or an electrolyte containing a compound represented by the following formula (2) is Li 2 O 2, or by promoting an oxidation reaction of Li 2 O, Li 2 O 2 or the reversible capacity decreased to very easily decompose Li 2 O Prevent it.

일 구현예로, TPFPB를 포함하는 전해질을 사용한 리튬 공기 전지에 있어서, 공기극 표면에 생성되었던 Li2O2 또는 Li2O는 충전시 하기 식 3과 같이 산화 분해되어 산소 및 전자가 생성되는데, In one embodiment, in a lithium air battery using an electrolyte containing TPFPB, Li 2 O 2 or Li 2 O generated on the surface of the cathode is oxidized and decomposed as shown in Equation 3 below to generate oxygen and electrons.

(식 3): Li2O2 → 2Li- + 2e- + O2 (oxygen evolution reation)(Equation 3): Li 2 O 2 → 2Li - + 2e - + O 2 (oxygen evolution reation)

이러한 전자 및 산소는 하기와 같이 TPFPB와의 배위결합을 통하여 전해질 내에서 안정화될 수 있다. These electrons and oxygen can be stabilized in the electrolyte through coordination bonds with TPFPB as follows.

Figure 112011098146958-pat00013
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따라서, 상기 식 3의 산화환원 분해 반응에서 평형반응은 오른쪽으로 촉진되고, 리튬 공기 전지의 가역 용량 및 충방전 특성이 개선될 수 있다.Therefore, in the redox decomposition reaction of Equation 3, the equilibrium reaction is promoted to the right, and the reversible capacity and charge / discharge characteristics of the lithium air battery can be improved.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물, 화학식 2로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합은 전해질 총량에 대하여 1 내지 50 중량%로 포함될 수 있다. 예를 들면 3 내지 30 중량% 또는 5 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 리튬 공기 전지의 가역 용량이 증가하고, 충방전 특성이 현저히 개선되는 효과를 가진다. The compound represented by Chemical Formula 1, the compound represented by Chemical Formula 2, or a combination thereof may be included in an amount of 1 to 50 wt% based on the total amount of the electrolyte. For example, it may be included in 3 to 30% by weight or 5 to 10% by weight. When the numerical range is satisfied, the reversible capacity of the lithium air battery is increased, and the charge and discharge characteristics are remarkably improved.

상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.

상기 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 글루타로니트릴(GN), 아디포니트릴(AN) 등의 R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류, 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류, 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. As the non-aqueous organic solvent, a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based or aprotic solvent may be used. Examples of the carbonate solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), methyl ethyl carbonate (MEC) EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC) may be used. As the ester solvent, methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, dimethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate ,? -butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, and the like can be used. Examples of the ether solvent include dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, and tetrahydrofuran. As the ketone solvent, cyclohexanone may be used have. In addition, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, and the like may be used as the alcohol solvent, and as the aprotic solvent, R-CN such as glutaronitrile (GN) and adiponitrile (AN) (R is C2 to C20). A linear, branched, or cyclic hydrocarbon group, which may include a double bond aromatic ring or ether bond), amides such as dimethylformamide, and dioxolane such as 1,3-dioxolane And sulfolane may be used.

일 구현예로, 상기 비수성 유기 용매는 글루타로니트릴(GN) 또는 아디포니트릴(AN)일 수 있으며, 상기 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있다. In one embodiment, the non-aqueous organic solvent may be glutaronitrile (GN) or adiponitrile (AN), and the non-aqueous organic solvent may be used alone or in admixture of one or more.

또한, 상기 비수성 유기 용매를 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.In addition, the mixing ratio in the case of mixing one or more of the non-aqueous organic solvents can be appropriately adjusted according to the desired battery performance, which can be widely understood by those skilled in the art.

또한, 상기 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다. In the case of the carbonate-based solvent, it is preferable to use a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate. In this case, when the cyclic carbonate and the chain carbonate are mixed in a volume ratio of about 1: 1 to about 1: 9, the performance of the electrolytic solution may be excellent.

상기 비수성 유기용매는 상기 카보네이트계 용매에 상기 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 카보네이트계 용매와 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 약 1:1 내지 약 30:1의 부피비로 혼합될 수 있다.The non-aqueous organic solvent may further include the aromatic hydrocarbon-based organic solvent in the carbonate-based solvent. In this case, the carbonate-based solvent and the aromatic hydrocarbon-based organic solvent may be mixed in a volume ratio of about 1: 1 to about 30: 1.

상기 리튬염은 상기 비수성 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 공기극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 상기 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) 또는 이들의 조합을 들 수 있으며, 이들을 지지(supporting) 전해염으로 포함한다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt is a substance that is dissolved in the non-aqueous organic solvent, acts as a source of lithium ions in the battery to enable operation of the basic lithium secondary battery, and promotes the movement of lithium ions between the cathode and the cathode. to be. The lithium salt Representative examples are LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6 , LiAsF 6, LiC 4 F 9 SO 3, LiClO 4, LiAlO 2, LiAlCl 4, LiN (C x F 2x + 1 SO 2) (C y F 2y +1 SO 2) (where, x and y are natural numbers), LiCl, LiI, LiB ( C 2 O 4) 2 ( lithium bis oxalate reyito borate (lithium bis (oxalato) borate; LiBOB) , or in a combination thereof The concentration of the lithium salt is preferably within the range of 0.1 to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity Can exhibit excellent electrolyte performance, and lithium ions can effectively migrate.

상기 전해질은 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. The electrolyte may further comprise an additive.

상기 첨가제는 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate), 비닐 에틸렌 카보네이트(vinyl ethylene carbonate), 모노플루오로에틸렌카보네이트(monofluoroehtylene carbonate), 디플루오로에틸렌카보네이트(difluoroehtylene carbonate), 무수 숙신산(succinic anhydride), 1,3-프로판 설톤(1,3-propane sultone) 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다.The additive is vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, monofluoroehtylene carbonate, difluoroehtylene carbonate, succinic anhydride, 1,3 -Propane sultone and combinations thereof.

상기 첨가제는 전해질 총량에 대하여, 전해질 총량에 대하여 0.1 내지 10 중량% 포함될 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 음극 계면을 안정화하여 리튬 공기 전지의 수명 특성이 개선된다. The additive may be included in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the total amount of the electrolyte, based on the total amount of the electrolyte. When the numerical range is satisfied, the lifetime characteristics of the lithium air battery are improved by stabilizing the negative electrode interface.

본 발명의 다른 구현예는, 전술한 전해질; 공기극; 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 리튬 공기 전지를 제공한다. Another embodiment of the present invention, the above-described electrolyte; Air electrode; Provided is a lithium air battery including a negative electrode and a separator.

상기 공기극은 전류 집전체 및 공기극층을 포함함다. The cathode includes a current collector and a cathode layer.

상기 집전체로는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 스테인리스 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 집전체의 형상으로는 박 형상, 판 형상, 메쉬(또는 그리드) 형상, 폼(또는 스펀지) 형상 등을 들 수 있으며, 이 중 좋게는 집전 효율이 우수한 폼(또는 스펀지) 형상을 들 수 있다.The current collector may be aluminum (Al), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), stainless steel, etc., but is not limited thereto. Examples of the shape of the current collector include a foil shape, a plate shape, a mesh (or grid) shape, a foam (or sponge) shape, and the like, and among these, a foam (or sponge) shape excellent in current collection efficiency may be mentioned. .

상기 공기극층은 도전재, 촉매 및 바인더 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다. The cathode layer may further include at least one of a conductive material, a catalyst, and a binder.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하다. 상기 도전재의 구체적인 예로는 탄소계 물질, 금속 분말, 금속 섬유 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 탄소계 물질로는 다공질 구조를 가지고 큰 비표면적을 가지는 것이 좋은데, 이러한 예로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브 또는 이들의 조합을 들 수 있으며, 상기 금속 분말 및 금속 섬유로는 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속을 사용한 것일 수 있다. 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 함께 혼합하여 사용할 수도 있다. The conductive material is used to impart conductivity to the electrode. Any conductive material may be used as long as it is an electron conductive material without causing chemical change in the battery. Specific examples of the conductive material may include a carbon-based material, a metal powder, a metal fiber, or a combination thereof. The carbonaceous material may have a porous structure and a large specific surface area. Examples of the carbon-based material may include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, carbon nanotube, or a combination thereof. As the metal powder and the metal fiber, a metal such as copper, nickel, aluminum, or silver may be used. Moreover, you may use together 1 type, or 1 or more types of conductive materials, such as a polyphenylene derivative.

상기 도전재는 상기 공기극층 총량에 대하여 5 내지 70 중량% 포함될 수 있으며, 예를 들면 30 내지 50 중량% 포함될 수 있다. 상기 도전재가 상기 함량 범위 내로 포함될 경우 충방전시 안정한 리튬 공기 전지를 구현할 수 있다. The conductive material may be included in the amount of 5 to 70% by weight, for example, 30 to 50% by weight based on the total amount of the cathode layer. When the conductive material is included in the content range, it is possible to implement a stable lithium air battery during charging and discharging.

상기 촉매는 상기 도전재에 담지되어 공기극 표면에 형성된 과산화리튬(Li2O2)등의 분해를 도와주는 역할을 하며, 구체적인 예로는 사산화삼코발트(Co3O4), 이산화망간(MnO2), 이산화세륨(CeO2), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 삼산화이철(Fe2O3), 사산화삼철(Fe3O4), 일산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 페로브스카이트(perovskite)계 촉매 또는 이들의 조합을 들 수 있다.The catalyst is supported on the conductive material to help the decomposition of lithium peroxide (Li 2 O 2 ) formed on the surface of the cathode, such as tricobalt tetraoxide (Co3O4), manganese dioxide (MnO2), cerium dioxide (CeO2) , Platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), ferric trioxide (Fe2O3), triiron tetraoxide (Fe3O4), nickel monoxide (NiO), copper oxide (CuO), perovskite-based catalyst or A combination of these.

상기 촉매는 상기 공기극층 총량에 대하여 1 내지 40 중량%로 포함될 수 있다. 상기 촉매가 상기 함량 범위 내로 포함될 경우 공기극 활물질의 원활한 분해가 이루어짐에 따라 충방전시 안정한 리튬 공기 전지를 구현할 수 있다.The catalyst may be included in 1 to 40% by weight based on the total amount of the cathode layer. When the catalyst is included in the content range, it is possible to implement a stable lithium air battery at the time of charging and discharging according to the smooth decomposition of the cathode active material.

상기 바인더는 공기극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 공기극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 구체적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌 공중합체 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder adheres well to the cathode active material particles and also adheres the cathode active material to the current collector, and specific examples thereof include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, Carboxylated polyvinylchloride, polyvinylfluoride, polymers including ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride and hexafluoropropylene Copolymer polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, and the like, but is not limited thereto.

상기 바인더는 상기 공기극층 총량에 대하여 5 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더가 상기 함량 범위 내로 포함될 경우 충방전시 안정한 리튬 공기 전지를 구현할 수 있다.The binder may be included in an amount of 5 to 30 wt% based on the total amount of the cathode layer. When the binder is included in the content range, it is possible to implement a stable lithium air battery during charging and discharging.

상기 공기극은 리튬 공기 전지 제작시 공기 중에 노출시켜 설계한다. 공기극을 공기 중에 노출시킴에 따라 공기극 활물질이 분해되어 생긴 산소가 전지 외부로 빠져나갈 수 있으므로, 분해되어 생긴 산소로 인해 전해액이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 또한 작은 스파크 등이 일어날 때 산소로 인해 폭발할 수 있는데 이를 방지할 수도 있으며, 산소로 인한 전지의 부피 팽창을 막을 수도 있다. The air electrode is designed by exposing to air when manufacturing a lithium air battery. By exposing the cathode to the air, oxygen generated by the decomposition of the cathode active material may escape to the outside of the battery, thereby preventing oxidation of the electrolyte due to the oxygen generated by the decomposition. In addition, when a small spark occurs, it can be exploded due to oxygen, which can be prevented, and can also prevent the volume expansion of the battery due to oxygen.

상기 음극은 집전체 및 상기 집전체 위에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함한다.The negative electrode includes a current collector and a negative active material layer formed on the current collector, and the negative active material layer includes a negative active material.

상기 음극 활물질로는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 또는 전이 금속 산화물을 포함한다. The negative electrode active material includes a material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions, a lithium metal, an alloy of lithium metal, a material capable of doping and dedoping lithium, or a transition metal oxide.

상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.As a material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions, any carbonaceous anode active material commonly used in lithium ion secondary batteries can be used as the carbonaceous material. Typical examples thereof include crystalline carbon , Amorphous carbon, or a combination thereof. Examples of the crystalline carbon include graphite such as natural graphite or artificial graphite in the form of amorphous, plate-like, flake, spherical or fibrous type. Examples of the amorphous carbon include soft carbon (soft carbon) Or hard carbon, mesophase pitch carbide, fired coke, and the like.

상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 또는 Sn의 금속과의 합금이 사용될 수 있다.Examples of the lithium metal alloy include lithium and a metal such as Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Alloys may be used.

상기 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질로는 Si, SiOx(0 < x < 2), Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 Q 및 R의 구체적인 원소로는, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 또는 이들의 조합을 들 수 있다.Examples of a material capable of doping and undoping lithium include Si, SiOx (0 <x <2), and Si-Q alloys (wherein Q is an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 to 16 element, a transition metal, and a rare earth element). Or a combination thereof, not Si), Sn, SnO 2, Sn-R (wherein R is an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 to 16 element, a transition metal, a rare earth element, or a combination thereof, and not Sn) These etc. can also be mentioned, Moreover, at least 1 and SiO2 can also be mixed and used. Specific elements of Q and R include Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, or a combination thereof is mentioned.

상기 전이 금속 산화물로는 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등을 들 수 있다. Examples of the transition metal oxide include vanadium oxide, lithium vanadium oxide, and the like.

상기 음극 활물질 층은 또한 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수도 있다.The negative electrode active material layer also includes a binder, and may optionally further include a conductive material.

상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to adhere the anode active material particles to each other and to adhere the anode active material to the current collector. Typical examples thereof include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl chloride, Such as polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymers comprising ethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, Styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, and the like may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.The conductive material is used for imparting conductivity to the electrode. Any material can be used as long as it does not cause any chemical change in the battery. Examples of the conductive material include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, , Carbon-based materials such as carbon fibers; Metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal-based materials such as metal fibers; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Or a mixture thereof may be used.

상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The current collector may be a copper foil, a nickel foil, a stainless steel foil, a titanium foil, a nickel foil, a copper foil, a polymer substrate coated with a conductive metal, or a combination thereof.

상기 음극과 상기 공기극은 각각 활물질, 도전재 및 결착제를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The cathode and the cathode are each prepared by mixing an active material, a conductive material and a binder in a solvent to prepare an active material composition, and applying the composition to a current collector. The method of manufacturing the electrode is well known in the art, and therefore, a detailed description thereof will be omitted herein. N-methylpyrrolidone may be used as the solvent, but is not limited thereto.

리튬 이차 전지의 종류에 따라 공기극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재할 수 도 있다. 상기 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다. 또한 유리섬유(glass fiber)도 사용될 수 있다.Depending on the type of lithium secondary battery, a separator may exist between the cathode and the anode. The separator may be polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or a multilayer film of two or more thereof. The separator may be a polyethylene / polypropylene double layer separator, a polyethylene / polypropylene / polyethylene triple layer separator, a polypropylene / It is needless to say that a mixed multilayer film such as a propylene three-layer separator and the like can be used. Glass fibers may also be used.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. The following embodiments are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.

리튬 공기 전지 제조Lithium air battery manufacturers

실시예Example

(( 공기극의Air pole 제조) Produce)

생성된 과산화리튬의 분해 효과를 보이기 위하여 공기극 제조시 과산화리튬(Li2O2)을 포함시키되, 상기 과산화리튬(Li2O2), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 카본 블랙(super P)을 각각 40:50:10의 중량비로 혼합하여, 이를 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 분산시켜 공기극 슬러리를 제조하였다. 균일하게 혼합된 상기 공기극 슬러리를 알루미늄 집전체에 코팅하여 110℃에서 1시간 동안 건조하여 공기극을 제조하였다. Lithium peroxide (Li 2 O 2 ) is included in the preparation of the cathode to show the decomposition effect of the produced lithium peroxide, the lithium peroxide (Li 2 O 2 ), polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon black (super P) The mixture was mixed at a weight ratio of 40:50:10, and it was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a cathode slurry. The cathode slurry uniformly mixed was coated on an aluminum current collector and dried at 110 ° C. for 1 hour to prepare an cathode.

(음극의 제조)(Preparation of negative electrode)

600 마이크론 두께의 호일 타입의 리튬 금속을 구리 집전체에 라미네이팅(laminating)하여 음극을 제조하였다. A negative electrode was prepared by laminating a 600 micron-thick foil-type lithium metal onto a copper current collector.

(전해질의 제조) (Manufacture of electrolyte)

에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸 메틸 카보네이트(EMC)를 3:7의 부피로 혼합된 유기 용매에 1M의 LiPF6 의 용해시키고, 플루오로 에틸렌카보네이트 (FEC)를 전해질 총량에 대해 3 중량% 첨가하였다. 그 후, 트리스(펜타플루오로페닐)보론(TPFPB), 를 전해질 총량에 대해 5 중량% 첨가하여 전해질을 제조하였다.
Ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were dissolved in 1 M LiPF 6 in a mixed organic solvent in a volume of 3: 7, and fluoro ethylene carbonate (FEC) was added 3% by weight relative to the total amount of electrolyte. Thereafter, tris (pentafluorophenyl) boron (TPFPB) was added to the total amount of the electrolyte by 5% by weight to prepare an electrolyte.

(리튬 공기 전지의 제조) (Manufacture of lithium air battery)

상기 제조된 공극극, 음극 및 전해질과 다공성 폴리에틸렌막의 세퍼레이터를 사용하여 2032 코인 풀셀 타입의 리튬 공기 전지를 제작하였다.
A 2032 coin full cell type lithium air battery was fabricated by using the above-described pore, negative electrode, and electrolyte and separator of porous polyethylene membrane.

(( 비교예Comparative Example )  )

트리스(트리에틸렌 글리콜 메틸에테르(TEGMEB)를 첨가하지 않은 전해질을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의하여, 리튬 공기 전지를 제조하였다.
A lithium air battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that an electrolyte without using tris (triethylene glycol methyl ether (TEGMEB) was used.

실험예Experimental Example : 리튬 공기 전지의  : Of lithium air battery 충방전Charging and discharging 특성 평가  Property evaluation

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 코인풀셀에 주입하여 리튬 공기 전지를 상온에서 정전류조건으로 0.03C 속도로 리튬전극대비 4.0V까지 충전을 실시하였으며 방전은 정전류 하에서 0.03C 속도로 2.0V까지 실시하여 초기 충방전 한 뒤, 그 후 동일한 조건으로 충방전하였다.Injecting the coin-full cell prepared in the above Examples and Comparative Examples, the lithium air battery was charged up to 4.0V with respect to the lithium electrode at a constant current condition of 0.03C at room temperature and discharged to 2.0V at 0.03C at constant current. After initial charging and discharging, charging and discharging were performed under the same conditions.

상기 실험 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다. The experimental results are shown in FIGS. 1 and 2.

도 1은 실시예 및 비교예에 따른 리튬 공기 전지의 초기 충방전 그래프를 나타낸 것이다. 도 1에서 알 수 있듯이, 실시예의 경우, 과산화리튬(Li2O2)이 분해되는 환원전압이 비교예에 비하여, 0.6V 정도 낮은 것을 알 수 있다. 이는 과산화리튬을 포함하는 공기극에서는 분극에 의한 과전압이 발생하지 않기 때문이다. 이는 화학식 1 또는 2로 표현되는 화합물을 포함하는 전해질을 사용한 리튬 공기 전지에 있어서, 충방전 시에 형성된 과산화리튬이 낮은 충전 전압에서 분해될 수 있음을 시사한다.
1 shows an initial charge and discharge graph of a lithium air battery according to Examples and Comparative Examples. As can be seen in Figure 1, in the case of the embodiment, it can be seen that the reduction voltage at which lithium peroxide (Li 2 O 2 ) is decomposed as low as 0.6V, compared to the comparative example. This is because overvoltage due to polarization does not occur in the air electrode containing lithium peroxide. This suggests that in a lithium air battery using an electrolyte containing a compound represented by the formula (1) or (2), lithium peroxide formed during charging and discharging can be decomposed at a low charging voltage.

도 2는 실시예에 따른 리튬 공기 전지의 3 사이클 이후부터의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 실시예에 따른 리튬 공기 전지는 용량 저하 없이 충방전 특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 그러나, 비교예에 따른 리튬 공기 전지의 경우, 공기극 표면에 형성된 과산화리튬이 분해되지 않아 프리사이클(precycle) 후 충방전 실험을 지속할 수 없었다. 이로부터 트리스(펜타플루오로페닐)보론(TPFPB)을 포함하는 전해질을 사용한 리튬 공기 전지의 충방전 특성이 우수함을 알 수 있다. 2 is a graph showing charge and discharge characteristics after three cycles of the lithium air battery according to the embodiment. As shown in FIG. 2, the lithium air battery according to the embodiment was found to have excellent charge and discharge characteristics without deterioration in capacity. However, in the lithium air battery according to the comparative example, the lithium peroxide formed on the surface of the cathode was not decomposed, and thus the charge / discharge experiment could not be continued after precycle. This shows that the charge and discharge characteristics of a lithium-air battery using an electrolyte containing tris (pentafluorophenyl) boron (TPFPB) are excellent.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, And falls within the scope of the invention.

Claims (12)

하기 화학식 1로 표현되는 화합물, 하기 화학식 2로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합, 비수성 유기 용매, 및 리튬염을 포함하는 리튬 공기 전지용 전해질;
공기극;
음극; 및
세퍼레이터를 포함하는 리튬 공기 전지.
[화학식 1]
Figure 112013025248559-pat00014

[화학식 2]
Figure 112013025248559-pat00015

(상기 화학식 1 및 2에 있어서,
X는 B, Al, Ga 또는 In이며,
R1 내지 R3는 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 헤테로아릴기이며,
R4 내지 R6는 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3이며,
[화학식 3]
Figure 112013025248559-pat00016

상기 화학식 3에서,
R7 내지 R10은 각각 독립적으로 수소원자 또는 할로겐 원자이며,
R11은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기이며,
n은 1 내지 10의 정수이다.)
An electrolyte for a lithium air battery comprising a compound represented by Chemical Formula 1, a compound represented by Chemical Formula 2 or a combination thereof, a non-aqueous organic solvent, and a lithium salt;
Air electrode;
cathode; And
A lithium air battery comprising a separator.
[Formula 1]
Figure 112013025248559-pat00014

(2)
Figure 112013025248559-pat00015

(In the above formulas (1) and (2)
X is B, Al, Ga or In,
R 1 to R 3 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C6 to C30 heteroaryl group,
R 4 to R 6 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 heteroaryl group or the following formula (3),
(3)
Figure 112013025248559-pat00016

In Formula 3,
R 7 to R 10 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom,
R 11 is a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group,
n is an integer from 1 to 10.)
제1항에 있어서,
상기 화학식 1이 하기 화학식 4로 표현되는 화합물인 리튬 공기 전지.
[화학식 4]
Figure 112013025248559-pat00017

(상기 화학식 4에서,
X는 B, Al, Ga 또는 In이며,
R12 내지 R26은 각각 독립적으로 수소원자 또는 할로겐 원자이다.)
The method of claim 1,
Lithium air battery is a compound represented by Formula 1 is represented by the following formula (4).
[Chemical Formula 4]
Figure 112013025248559-pat00017

(In the formula 4,
X is B, Al, Ga or In,
R 12 to R 26 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom.)
제1항에 있어서,
상기 화학식 2가 하기 화학식 5로 표현되는 화합물인 리튬 공기 전지.
[화학식 5]
Figure 112013025248559-pat00018

(상기 화학식 5에서,
X는 B, Al, Ga 또는 In이며,
R27 내지 R29는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알릴기이다.)
The method of claim 1,
The lithium air battery of the formula 2 is a compound represented by the following formula (5).
[Chemical Formula 5]
Figure 112013025248559-pat00018

(In the above formula (5)
X is B, Al, Ga or In,
R 27 to R 29 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group or a substituted or unsubstituted C1 to C20 allyl group.)
제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표현되는 화합물이 트리스(펜타플루오로페닐)보론(TPFPB)인리튬 공기 전지.
The method of claim 1,
A lithium air battery, wherein the compound represented by Formula 1 is tris (pentafluorophenyl) boron (TPFPB).
제1항에 있어서,
상기 화학식 2로 표현되는 화합물이 트리스(디에틸렌 글리콜 메틸에테르)보론(DEGMEB) 또는 트리스(트리에틸렌 글리콜 메틸에테르(TEGMEB)인 리튬 공기 전지.
The method of claim 1,
The compound represented by the formula (2) is tris (diethylene glycol methyl ether) boron (DEGMEB) or tris (triethylene glycol methyl ether (TEGMEB) lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표현되는 화합물, 화학식 2로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합은 전해질 총량에 대하여 1 내지 50 중량%로 포함되는 것인 리튬 공기 전지.
The method of claim 1,
The compound represented by the formula (1), the compound represented by the formula (2) or a combination thereof will be included in 1 to 50% by weight based on the total amount of the electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 비수성 유기 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디에틸카보네이트(DEC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), γ-부틸로락톤(GBL) 글루타로니트릴(GN), 아디포니트릴(AN) 및 이들의 조합에서 선택되는 1 이상인 리튬 공기 전지.
The method of claim 1,
The non-aqueous organic solvent is ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone (GBL) A lithium air battery that is at least one selected from glutaronitrile (GN), adiponitrile (AN), and combinations thereof.
제7항에 있어서,
상기 비수성 유기 용매가 글루타로니트릴(GN) 또는 아디포니트릴(AN)인 리튬 공기 전지.
The method of claim 7, wherein
The non-aqueous organic solvent is glutaronitrile (GN) or adiponitrile (AN).
제1항에 있어서,
상기 전해질이 트리스(디에틸렌 글리콜 메틸에테르)보론(DEGMEB)과 디메틸 카보네이트(DMC)를 4:1의 부피비로 포함하는 리튬 공기 전지.
The method of claim 1,
The electrolyte comprises a tris (diethylene glycol methyl ether) boron (DEGMEB) and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 4: 1.
제1항에 있어서,
상기 전해질은 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate), 비닐 에틸렌 카보네이트(vinyl ethylene carbonate), 모노플루오로에틸렌카보네이트(monofluoroehtylene carbonate), 디플루오로에틸렌카보네이트(difluoroehtylene carbonate), 무수 숙신산(succinic anhydride), 1,3-프로판 설톤(1,3-propane sultone) 및 이들의 조합에서 선택되는 첨가제를 추가로 포함하는 리튬 공기 전지.
The method of claim 1,
The electrolyte is vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, monofluoroehtylene carbonate, difluoroehtylene carbonate, succinic anhydride, 1,3 A lithium air battery further comprising an additive selected from propane sultone and combinations thereof.
제10항에 있어서,
상기 첨가제는 전해질 총량에 대하여 1 내지 10 중량%인 리튬 공기 전지.
The method of claim 10,
The additive is a lithium air battery of 1 to 10% by weight based on the total amount of the electrolyte.
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