KR101305432B1 - 트리스(트리메틸실릴)보레이트의 합성방법 - Google Patents

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김경철
김경환
이성홍
최한글
박자영
전지웅
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Abstract

본 발명은 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법에 관한 것으로서, 반응 용기에 붕산(Boric acid)과 용매를 투입하는 단계(단계 1); 상기 반응 용기에 BSA(Bis(trimethylsilyl)acetamide)를 투입하는 단계(단계 2); 상기 혼합액을 반응시킨 후 필터 처리하여 반응물을 회수하는 단계(단계 3); 및 상기 반응물의 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하는 단계(단계 4); 를 포함하여 제조하는 것을 기술적 특징으로 하며, trimethylsilanol(TMS)과 같은 부산물이 적게 합성되고 미반응 붕산(Boric acid)이 포함되지 않으므로 수율 80%, 순도 99.94%로 합성할 수 있으며, 중금속의 함량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Description

트리스(트리메틸실릴)보레이트의 합성방법{Synthetic Method of Tris(trimethylsilyl) Borate}
본 발명은 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 순도를 높이고 불순 중금속의 함량을 최소화할 수 있는 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
리튬이온 이차전지는 일반적으로 음극 활물질과 탄소 재료와 양극 활물질로 리튬 코발트 산화물이나 리튬 망간 산화물 등의 금속 산화물을 사용하며, 음극과 양극 사이에 폴리올레핀계 다공성 분리막을 넣고, LiPF6 등의 리튬염이 함유된 비수성 전해액을 넣어서 제조된다. 충전 시에는 양극 활물질의 리튬이온이 방출되어 음극의 탄소층으로 삽입이 되며, 방전 시에는 반대로 탄소층의 리튬이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입니 된다. 비수성 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬이온을 이동시키는 매질 역할을 하며, 전지의 작동 전압 범위에서 안정해야 하고, 충분히 빠른 속도로 이온을 전달할 수 있는 성능을 가져야 한다.
상기한 리튬염 함유 비수성 전해액은 LiPF6 등의 비수계 전해질에 용해되기 쉬운 리튬염이 환형 카보네이트 용매에 용해된 상태로 사용될 수 있는 바, 이러한 비수성 전해액에 리튬이온을 충분히 해리시킬 수 있는 극성이 큰 환상 카르보네이트만을 사용하는 사용하는 경우에는 점도가 커져서 이온 전도도가 작아지는 문제점이 발생한다.
따라서, 비수성 전해액의 점도를 줄이기 위하여 극성은 작지만 점도가 낮은 선형 카르보네이트를 섞은 혼합 전해액을 사용하는 것에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 선형 카르보네이트로는 디메틸 카르보네이트(DMC), 디에틸 카르보네이트(DEC), 에틸메틸 카르보네이트(EMC) 등을 대표적으로 들 수 있는데, 이들 중 어는점이 -55℃로 가장 낮은 EMC는 사용시 우수한 저온 및 수명 성능을 나타낸다. 상기 환형 카르보네이트로는 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 부틸렌 카르보네이트(BC) 등을 들 수 있는데, 이들 중 PC는 어는점이 -49℃로 낮아서 저온 성능은 좋지만, 음극으로 용량이 큰 흑연화 탄소를 사용하는 경우에 충전 시 음극과 급격하게 반응하므로 많은 양을 사용하는 것이 어렵기 때문에, 음극에서 안정한 보호막을 형성하는 EC가 주로 사용된다.
상기한 바와 같이, 종래의 리튬이온 이차전지는 저온성능을 강화시키기 위해 비수성 전해액을 구성하는 유기용매로서 비점이 낮은 유기용매를 사용하여 선형 또는 환형 카보네이트 및 이의 혼합액에 LiPF6 염이 혼합된 상태의 비수성 전해액을 사용해 왔으며, 상기한 구성의 비수성 전해액은 상온 및 고온에서도 가장 안정된 전지 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.
그러나, 비수성 전해액에 함유된 리튬염으로 일반적으로 사용되는 LiPF6는 저온에서 리튬이온과 PF6 음이온 간의 해리도가 저하되어 이를 사용한 이차전지의 전지 저항이 급격히 증가하여 출력이 저하되는 단점을 가지고 있다.
한편, 리튬 이차전지를 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등에서 사용할 경우, 겨울철과 같은 낮은 기온에서도 작동될 수 있어야 하는 바, 저온에서의 우수한 출력 특성이 요구된다.
따라서, 상온과 고온에서 안정된 전지 특성을 보이는 종래의 비수성 전해액의 구성을 유지하면서도 저온에서의 성능이 저하되는 것을 막기 위하여 전해액에 별도의 물질을 첨가하는 방향으로의 연구가 요구되며, 저온 성능을 향상시키기 위하여는 저온에서 전지의 저항이 증가하는 것을 막고 이에 따른 출력 특성이 저하되는 것을 막을 수 있는 방향으로 진행되는 것이 바람직하다.
대한민국등록특허공보 제10-0801592호(2008.02.11.)에는 성능 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 숙신산 및 트리메틸실릴 보레이트를 포함하는 비수성전해액 및 이를 포함하는 리튬 2차 전지가 개시되어 있다.
상기와 같은 장점으로 인해 리튬 이차전지 전해질 첨가제로서 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 수요가 증가하는 추세이며, 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.
KR 10-0801592 B1 2008.02.11.
본 발명의 목적은 순도를 높이고 불순 중금속의 함량을 최소화할 수 있는 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 제공한다.
본 발명은 반응 용기에 붕산(Boric acid)과 용매를 투입하는 단계(단계 1); 상기 반응 용기에 BSA(Bis(trimethylsilyl)acetamide)를 투입하는 단계(단계 2); 상기 혼합액을 반응시킨 후 필터 처리하여 반응물을 회수하는 단계(단계 3); 및 상기 반응물의 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하는 단계(단계 4); 를 포함하는 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법을 제공한다.
상기 단계 1에서, 상기 용매는 DMSO(dimethyl sulfoxide)를 사용하며, 반응 용기에 붕산(Boric acid) 67g과 DMSO 134g을 투입하고 5℃까지 냉각한다.
상기 단계 2는, 상기 반응 용기에 BSA (Bis(trimethylsilyl)acetamide) 330.7g을 5~10℃를 유지하며 투입한다.
상기 단계 3은, 상기 혼합액을 15~20℃에서 1시간 동안 반응시킨 후 필터 처리하여 층분리를 한 후 아래층은 제거하고 위층에 있는 반응물을 회수한다.
본 발명에 따른 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법은, trimethylsilanol(TMS)과 같은 부산물이 적게 합성되고 미반응 붕산(Boric acid)이 포함되지 않으므로 수율 80%, 순도 99.94%로 합성할 수 있으며, 중금속의 함량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성 반응의 메카니즘을 설명하는 화학반응식.
도 2는 본 발명의 합성방법으로 합성된 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 GC 분석 결과.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성 반응의 메카니즘을 설명하는 화학반응식이다.
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB; Tris(trimethylsilyl)Borate)의 합성방법을 설명한다.
본 발명의 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법은,
반응 용기에 붕산(Boric acid)과 용매를 투입하는 단계(단계 1);
상기 반응 용기에 BSA(Bis(trimethylsilyl)acetamide)를 투입하는 단계(단계 2);
상기 혼합액을 반응시킨 후 필터 처리하여 반응물을 회수하는 단계(단계 3); 및
상기 반응물의 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하는 단계(단계 4);
를 포함한다.
상기 단계 1에서, 상기 용매는 DMSO(dimethyl sulfoxide)를 사용하는 것이 바람직하고, 반응 용기에 붕산(Boric acid) 67g과 DMSO 134g을 투입하고 5℃까지 냉각하는 것이 바람직하다.
상기 단계 2에서, 상기 반응 용기에 BSA (Bis(trimethylsilyl)acetamide) 330.7g을 5~10℃를 유지하며 투입하는 것이 바람직하다.
상기 단계 3에서, 상기 혼합액을 15~20℃에서 1시간 동안 반응시킨 후 필터 처리하여 층분리를 한 후 아래층은 제거하고 위층에 있는 반응물을 회수하는 것이 바람직하다.
상기 단계 4에서, 상기 반응물에 물을 넣어 재층분리를 한 후, 40~45℃에서 6시간 동안 vacuum 처리하여 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법은 순도를 높이고 불순 중금속의 함량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실험예 1]
반응 용기에 붕산(Boric acid) 67g과 용매 DMSO 134g을 투입하였다. 상기 반응 용기에 BSA(Bis(trimethylsilyl)acetamide)를 투입하였다. 상기 혼합액을 반응시킨 후 필터 처리하여 반응물을 회수하였다. 상기 반응물의 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하였다. 상기 BSA의 투입량과 반응시간을 달리하면서 수득량을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
No. DMSO Boric acid BSA 반응시간
(hr)
수득량
(g)
온도(℃) 투입량(g) 온도(℃) 투입량(g) 온도(℃) 투입량(g)
1 10 134 10 67 10 220.5 1 99.7
2 10 134 10 67 10 220.5 2 100.2
3 10 134 10 67 10 220.5 3 99.9
4 10 134 10 67 10 220.5 4 100.1
5 10 134 10 67 10 220.5 5 100.1
6 10 134 10 67 10 330.7 1 150.8
7 10 134 10 67 10 330.7 2 150.6
8 10 134 10 67 10 330.7 3 150.6
9 10 134 10 67 10 330.7 4 150.7
10 10 134 10 67 10 330.7 5 150.6
11 10 134 10 67 10 440.9 1 150.5
12 10 134 10 67 10 440.9 2 150.7
13 10 134 10 67 10 440.9 3 150.3
14 10 134 10 67 10 440.9 4 150.2
15 10 134 10 67 10 440.9 5 150.3
상기 실험을 통해, BSA를 220.5g 투입시 반응이 진행되지 않았지만 추가했을 시 반응이 진행되는 것을 확인했으며, BSA를 440.9g 투입하는 경우에는 수득량은 비슷하나 impurity가 많이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 반응시간은 1시간 반응시켜도 충분하며 그 이상으로 반응시켜도 수율이 더 이상 향상되지 않는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 2]
반응 용기에 붕산(Boric acid) 67g과 용매 DMSO 134g을 투입하였다. 상기 반응 용기에 BSA(Bis(trimethylsilyl)acetamide) 330.7g을 투입하였다. 상기 혼합액을 1시간 동안 반응시킨 후 필터 처리하여 반응물을 회수하였다. 상기 반응물의 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하였다. 상기 BSA의 투입 온도를 달리하면서 수득량을 측정하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
No.
DMSO Boric acid BSA 반응시간
(hr)
수득량
(g)
온도(℃) 투입량(g) 온도(℃) 투입량(g) 온도(℃) 투입량(g)
1 10 134 10 67 0 330.7 1 149.9
2 10 134 10 67 5 330.7 1 150.8
3 10 134 10 67 10 330.7 1 150.8
4 10 134 10 67 15 330.7 1 145.9
5 10 134 10 67 20 330.7 1 141.1
6 10 134 10 67 25 330.7 1 133
7 10 134 10 67 30 330.7 1 129.7
8 10 134 10 67 40 330.7 1 101.2
9 10 134 10 67 50 330.7 1 80.3
10 10 134 10 67 60 330.7 1 69
상기 실험을 통해, BSA의 투입온도가 5~10℃인 경우에 최적의 수율로 합성되는 것을 확인할 수 있으며, 투입온도가 15℃ 이상인 경우에는 부산물이 많이 발생하는 것을 확인하였다.
[실험예 3]
반응 용기에 붕산(Boric acid) 67g과 용매 DMSO를 투입하였다. 상기 반응 용기에 BSA(Bis(trimethylsilyl)acetamide) 330.7g을 투입하였다. 상기 혼합액을 1시간 동안 반응시킨 후 필터 처리하여 반응물을 회수하였다. 상기 반응물의 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하였다. 상기 DMSO의 투입량을 달리하면서 수득량을 측정하여, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
No.
DMSO Boric acid BSA 반응시간
(hr)
수득량
(g)
온도(℃) 투입량(g) 온도(℃) 투입량(g) 온도(℃) 투입량(g)
1 10 94 10 67 10 330.7 1 150.3
2 10 114 10 67 10 330.7 1 150.3
3 10 134 10 67 10 330.7 1 150.7
4 10 154 10 67 10 330.7 1 150.5
5 10 174 10 67 10 330.7 1 150.6
상기 실험을 통해 DMSO를 134g 투입하는 경우에 최적의 수율로 합성되는 것을 확인할 수 있으며, 적거나 많이 투입되면 수율이 다소 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 4]
반응 용기에 붕산(Boric acid)과 용매 DMSO 134g을 투입하였다. 상기 반응 용기에 BSA 330.7g(Bis(trimethylsilyl)acetamide)을 투입하였다. 상기 혼합액을 반응시킨 후 필터 처리하여 반응물을 회수하였다. 상기 반응물의 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하였다. 상기 붕산(Boric acid)의 투입량과 투입온도를 달리하면서 수득량을 측정하여, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
No.
DMSO Boric acid BSA 반응시간
(hr)
수득량
(g)
온도(℃) 투입량(g) 온도(℃) 투입량(g) 온도(℃) 투입량(g)
1 10 134 10 47 10 330.7 1 111.3
2 10 134 10 57 10 330.7 1 139.7
3 10 134 10 67 10 330.7 1 150.8
4 10 134 10 77 10 330.7 1 150.8
5 10 134 10 87 10 330.7 1 150.6
6 10 134 0 67 10 330.7 1 150.6
7 10 134 10 67 10 330.7 1 150.8
8 10 134 20 67 10 330.7 1 143.1
9 10 134 30 67 10 330.7 1 131.8
10 10 134 40 67 10 330.7 1 125.4
상기 실험을 통해 붕산(Boric acid)을 67g 투입하는 경우에 최적의 수율로 합성되는 것을 확인할 수 있으며, 적게 투입하면 수율이 감소하고 많이 투입하면 부산물이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 붕산(Boric acid)의 투입온도가 10℃ 보다 높아질수록 수율이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
반응 용기에 붕산(Boric acid) 67g과 용매 DMSO 134g을 투입하고 5℃까지 냉각하였다. 상기 반응 용기에 BSA 330.7g(Bis(trimethylsilyl)acetamide)을 5~10℃를 유지하며 천천히 투입하였다. 상기 혼합액을 15~20℃에서 1시간 동안 반응시킨 후 필터 처리하여 층분리를 한 후 아래층은 제거하고 위층에 있는 반응물을 회수하였다. 상기 반응물에 물을 넣어 재층분리를 한 후, 40~45℃에서 6시간 동안 vacuum 처리하여 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하였다.
상기 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 수득량은 150.8g으로 수율이 80%이었다.
[실험예 5]
실시예 1에서 합성한 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 순도를 알아보기 위해 Gas Chromatography(GC)를 이용하여 분석하여, 도 2에 나타내었다. 도 2의 결과를 살펴보면, 실시예 1에서 합성한 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 순도는 99.94%인 것을 알 수 있다.
[실험예 6]
실시예 1에서 합성한 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 중금속 함유 정도를 파악하기 위해 ICP-MASS 장비를 이용하여 분석하여 표 5에 나타내었다.
구분 실시예 1 기준치
나트륨(Na) 0.7 ppm 30 ppm 이하
납(Pb) 2.9 ppm 25 ppm 이하
칼륨(K) 0.1 ppm 26 ppm 이하
칼슘(Ca) 0.1 ppm 17 ppm 이하
철(Fe) 0.04 ppm 22 ppm 이하
상기 표 5를 살펴보면, 실시예 1에서 합성한 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)은 중금속이 기준치 이하 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법은, trimethylsilanol(TMS)과 같은 부산물이 적게 합성되고 미반응 붕산(Boric acid)이 포함되지 않으므로 수율 80%, 순도 99.94%로 합성할 수 있으며, 중금속의 함량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 반응 용기에 붕산(Boric acid)과 용매를 투입하는 단계(단계 1);
    상기 반응 용기에 BSA(Bis(trimethylsilyl)acetamide)를 투입하는 단계(단계 2);
    상기 혼합액을 반응시킨 후 필터 처리하여 반응물을 회수하는 단계(단계 3); 및
    상기 반응물의 불순물을 제거하여 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)를 수득하는 단계(단계 4);
    를 포함하는 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단계 1에서,
    상기 용매는 DMSO(dimethyl sulfoxide)를 사용하며, 반응 용기에 붕산(Boric acid) 67g과 DMSO 134g을 투입하고 5℃까지 냉각하는 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 단계 2는,
    상기 반응 용기에 BSA (Bis(trimethylsilyl)acetamide) 330.7g을 5~10℃를 유지하며 투입하는 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 단계 3은,
    상기 혼합액을 15~20℃에서 1시간 동안 반응시킨 후 필터 처리하여 층분리를 한 후 아래층은 제거하고 위층에 있는 반응물을 회수하는 트리스(트리메틸실릴)보레이트(TMSB)의 합성방법.
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