KR101864812B1 - Magnesium salts - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 일반식: Mg2 +(Lx)6(PF6)2의 염에 관한 것으로서, 이 일반식에서, L은 각각 다이클로로메탄, 사이클릭 에테르; 또는 일반식 R-C≡N의 니트릴로부터 선택되는 리간드이다. 염의 제조 방법은, Mg 금속을 제공하는 단계, Mg 금속을, 제1 리간드 용액(L1)을 포함하는 제1의 건조 용액 내에서 활성화하는 단계, 활성화된 Mg 금속과 L1의 건조 용액을 제2 리간드 용액(L2)을 포함하는 제2의 건조 용액 내에서 NOPF6로 처리하는 단계, 처리된 Mg 금속 용액을 진공 하에 가열하여 잔류 용매를 제거하는 단계, 및 잔류 고체를 재결정화하여 염을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서, Lx는 L1과 L2의 혼합물을 포함한다. 본 염은 전해질에서 염으로서, 또는 전지 또는 배터리에서 전해질에 대한 첨가제로서 사용될 수 있다.The present invention relates to a salt of the general formula: Mg 2 + (L x ) 6 (PF 6 ) 2 , wherein L is dichloromethane, cyclic ether; Or a nitrile of the general formula RC≡N. The method of preparing a salt comprises the steps of providing a Mg metal, activating the Mg metal in a first drying solution comprising a first ligand solution (L 1 ), adding a dried solution of the activated Mg metal and L 1 2 ligand solution comprising: a step, the treated Mg metal solution treated as NOPF 6 in a dry solution of claim 2 comprising the (L 2) removing the remaining solvent by heating under vacuum and the salt was recrystallized the residual solid Wherein L x comprises a mixture of L 1 and L 2 . The salt may be used as a salt in an electrolyte or as an additive to an electrolyte in a battery or battery.

Description

마그네슘 염{MAGNESIUM SALTS}Magnesium salt {MAGNESIUM SALTS}

본 발명은 마그네슘 헥사플루오로포스페이트의 염에 관한 것이다. 부가적으로, 본 발명은 마그네슘 헥사플루오로포스페이트 염의 제조 방법, 및 전지 또는 배터리에서 전해질로서의 마그네슘 헥사플루오로포스페이트 염의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a salt of magnesium hexafluorophosphate. Additionally, the present invention relates to a process for the preparation of magnesium hexafluorophosphate salts and the use of magnesium hexafluorophosphate salts as electrolytes in batteries or batteries.

리튬-이온 배터리는 현재 다양한 전자 기기들에서 사용된다. 리튬-이온 전지의 사용은, 단기간에 상당한 충전 용량의 저하 없이 재충전되는 리튬-이온 전지의 능력 때문에, 다른 배터리 기술들보다 압도적이다. 또한, 리튬-이온 배터리의 에너지 밀도로 인해, 리튬-이온 배터리는 랩탑 컴퓨터 및 휴대폰과 같은 휴대용 제품에 사용될 수 있다. 그러나, 리튬 배터리는 시간 경과에 따라 충전 용량이 저하되는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 열 폭주(thermal runaway) 및 과열 위험의 문제가 광범위하게 보고되고 있다.Lithium-ion batteries are currently used in a variety of electronic devices. The use of a lithium-ion battery is overwhelming than other battery technologies due to the ability of the lithium-ion battery to be recharged without a significant reduction in charge capacity in the short term. In addition, due to the energy density of lithium-ion batteries, lithium-ion batteries can be used in portable products such as laptop computers and mobile phones. However, lithium batteries have been known to have a reduced charge capacity over time. Moreover, problems of thermal runaway and overheating have been extensively reported.

LiBF4, LiClO4, LiNTF2, LiPF6, LiAsF6 및 LiSbF6뿐만 아니라 다른 것들을 비롯한, 매우 다양한 리튬 염들을 이용해 많은 리튬-이온 전해질 시스템들이 개발 및 연구되어 왔다. LiPF6는, 다른 어떤 리튬 염도 갖고 있지 않은 것으로 확인된 몇몇 특성들의 균형으로 인해, 리튬-이온 전지에서 바람직한 전해질이다. 그러나, 지각에는 리튬이 상대적으로 덜 풍부하고, 현재 리튬의 가격이 다른 알칼리 금속 및 알칼리 토금속과 비교하여 높기 때문에, 리튬 전지를 장기간 사용하는 것에 대한 우려들이 존재하고 있다.Many lithium-ion electrolyte systems have been developed and studied using a wide variety of lithium salts, including LiBF 4 , LiClO 4 , LiNTF 2 , LiPF 6 , LiAsF 6 and LiSbF 6 as well as others. LiPF 6 is the preferred electrolyte in lithium-ion cells due to the balance of some properties that have been found not to have any other lithium salts. However, there are concerns over the long-term use of lithium batteries, as lithium is relatively less abundant in the crust and the current price of lithium is higher than other alkali and alkaline earth metals.

제1 측면에서, 본 발명은 하기 일반식 (i)의 염을 제공한다:In a first aspect, the invention provides a salt of general formula (i)

Mg2 +(L)x(PF6)2 (i)Mg 2 + (L) x (PF 6 ) 2 (i)

상기 일반식 (i)에서, x는 1 내지 6의 수를 나타내고; L은 각각 하기 화합물: 할로메탄, 사이클릭 크라운 에테르; 또는 일반식 R-C≡N의 니트릴 중 하나로부터 선택되는 리간드를 나타낸다.In the above general formula (i), x represents a number of 1 to 6; L are each the following compounds: halomethane, cyclic crown ether; Or a nitrile of the general formula R-C? N.

마그네슘과 같은 알칼리 토금속은 전기화학 전지 및 배터리에서 전해질 용액으로서 사용될 수 있다고 이론적으로 인식되어 왔다. 마그네슘은 지각에 매우 풍부하며, 따라서 다른 알칼리 금속 및 알칼리 토금속보다 1톤 당 가격이 저렴하다. 또한, 마그네슘은 리튬보다 높은 충전 용량을 가진다. 더욱이, 마그네슘-이온 전지에서, 마그네슘 금속은, 마그네슘 금속 상에 덴드라이트(dendrite)가 형성되지 않기 때문에 열 폭주의 위험 없이, 금속 애노드로서 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 정보에도 불구하고, 마그네슘은, 광범위한 전압 범위에서 안정하고 또한 복수의 전극들과 상용성인 전해질을 형성하기 어렵기 때문에, 전해질로서 또는 애노드용 물질로서 광범위하게 적용되지 않았다.It has been theoretically recognized that alkaline earth metals such as magnesium can be used as an electrolyte solution in electrochemical cells and batteries. Magnesium is very abundant in the crust, and therefore cheaper per tonne than other alkali and alkaline earth metals. Magnesium also has a higher charge capacity than lithium. Moreover, in a magnesium-ion battery, the magnesium metal can be used as a metal anode without the danger of thermal runaway because no dendrite is formed on the magnesium metal. However, despite this information, magnesium has not been widely applied as an electrolyte or as an anode material because it is stable in a wide voltage range and difficult to form an electrolyte compatible with a plurality of electrodes.

전술한 바와 같이, 리튬 헥사플루오로포스페이트 염은 리튬-이온 전지에서 바람직한 전해질이다. 그러나, 마그네슘-이온 배터리에서 마그네슘 헥사플루오로포스페이트계 전해질의 사용에 대한 장벽은, 알칼리 토금속 헥사플루오로포스페이트 염의 합성이 리튬 헥사플루오로포스페이트 염의 합성과 비교 시, 비용이 많이 들며 문제(종종 저 순도의 물질을 생성함)가 더 많을 수 있다는 사실이다. 더욱이, MgPF6에서 PF6 - 음이온은 마그네슘 금속 애노드와 반응하여, 부동태화(passivating) MgF2 층을 형성하는 것으로 주장된다. 그러나, 본 발명의 마그네슘 헥사플루오로포스페이트 염은 상대적으로 온화한 조건에서 용액 내에서 쉽게 합성될 수 있으며, 또한, 생성되는 염은 애노드에서의 부동태화 발생 없이 코인 전지 배터리에서 전해질로서 사용될 수 있다는 것이 확인되었다.As described above, lithium hexafluorophosphate salts are preferred electrolytes in lithium ion batteries. However, the barrier to the use of magnesium hexafluorophosphate based electrolytes in magnesium-ion batteries is that the synthesis of alkaline earth metal hexafluorophosphate salts is costly and often problematic (often with low purity < RTI ID = 0.0 > Of the material) can be more. Furthermore, PF 6 in MgPF 6 - anion is reacted with magnesium metal anode, passivated (passivating) MgF 2 Layer. ≪ / RTI > However, it has been confirmed that the magnesium hexafluorophosphate salt of the present invention can be easily synthesized in a solution under relatively mild conditions and that the resulting salt can be used as an electrolyte in a coin battery battery without occurrence of passivation at the anode .

명세서 전체에서 사용되는 용어 염은 상기 주어진 일반식에 속하는 리간드 (L)과의 복합 마그네슘 염을 포함하고자 한다. 리간드 또는 리간드들의 혼합물의 선택은 마그네슘 헥사플루오로포스페이트 염의 합성 시, 보다 안정한 반응 혼합물이 생성되게 할 수 있다. x가 1보다 큰 경우, 리간드는 각각 독립적으로 할로메탄, 사이클릭 크라운 에테르 또는 니트릴 화합물로부터 선택될 수 있다. 합성 동안 반응 혼합물을 간략화하는 면에서, x가 1보다 큰 경우, L은 하기 화합물: 할로메탄, 사이클릭 크라운 에테르; 또는 일반식 R-C≡N의 니트릴 중 오직 하나로부터 선택되는 리간드를 나타낼 수 있다. 즉, L은 2 이상의 할로메탄, 사이클릭 크라운 에테르, 또는 2 이상의 일반식 R-C≡N의 니트릴을 포함할 수 있다.The term salt used throughout the specification is intended to include the complex magnesium salt with a ligand (L) belonging to the general formula given above. The choice of ligand or mixture of ligands can result in a more stable reaction mixture in the synthesis of the magnesium hexafluorophosphate salt. When x is greater than 1, the ligands may each independently be selected from halomethane, cyclic crown ethers, or nitrile compounds. In the sense of simplifying the reaction mixture during synthesis, when x is greater than 1, L is selected from the following compounds: halomethane, cyclic crown ether; Or a nitrile of the general formula R-C? N. That is, L may include two or more halomethanes, cyclic crown ethers, or nitriles of two or more of the general formula R-C? N.

할로메탄은 CH2Cl2, CHCl3, CCl4와 같은 염소화된 메탄일 수 있다. 클로로메탄은 합성용의 안정하고 비용 효과적인 건조 용매를 나타낸다. 다이클로로메탄(CH2Cl2)은 특히, 이의 저 비점 및 용매화 특징으로 인해, 마그네슘 염의 합성을 위한 리간드 및 용매로서 적합하다.The halomethane can be chlorinated methane, such as CH 2 Cl 2 , CHCl 3 , CCl 4 . Chloromethane represents a stable and cost effective drying solvent for synthesis. Dichloromethane (CH 2 Cl 2 ) is particularly suitable as a ligand and solvent for the synthesis of magnesium salts due to its low boiling and solubilization characteristics.

사이클릭 크라운 에테르는 하기: [12]-크라운-4, [18]-크라운-6, [24]-크라운-8 중 하나로부터 선택되는 전형적인 사이클릭 크라운 에테르를 포함할 수 있다. 사이클릭 크라운 에테르는 마그네슘 양이온을 격리시키는 데 사용될 수 있다. 여러자리(multidentate) 리간드의 사용은, 마그네슘 양이온이 용액 내에 유지되지만, 저하된 반응성을 가지며 마그네슘이 전극 표면 상에 도금되는 것을 저해할 수 있기 때문에, 바람직할 수 있다. 이들 사이클릭 크라운 폴리에테르는 원하는 마그네슘 염 합성을 방해하지 않으면서, CH2Cl2, CHCl3, CCl4와 같은 할로메탄계 용매와 조합하여 사용될 수 있다.The cyclic crown ether can include a typical cyclic crown ether selected from one of the following: [12] -crown-4, [18] -crown-6, [24] -crown-8. Cyclic crown ethers can be used to sequester magnesium cations. The use of a multidentate ligand may be desirable because the magnesium cation is retained in the solution but has a reduced reactivity and can inhibit the magnesium from plating on the electrode surface. These cyclic crown polyethers can be used in combination with halomethane-based solvents such as CH 2 Cl 2 , CHCl 3 , and CCl 4 without interfering with the desired magnesium salt synthesis.

니트릴에 대한 일반식의 측면에서, 그리고 x가 6인 경우, R은 각각 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, t부틸, 펜틸, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 펜틸렌, 톨루엔, 나프탈렌 또는 페닐로부터 독립적으로 선택되는 유기 기를 나타낼 수 있다. 입체적으로 크기가 큰(sterically bulky) 리간드는 마그네슘 양이온의 용매화를 방지할 수 있다. 따라서, 일반식의 경우, R은 바람직하게는, 입체적 방해가 낮은 것으로 간주되는 니트릴을 제공할 기(group)를 나타낼 수 있다.In terms of the general formula for nitrile and when x is 6 R is independently selected from methyl, ethyl, propyl, butyl, t- butyl, pentyl, ethylene, propylene, butylene, pentylene, toluene, May represent an organic group that is selected. Sterically bulky ligands can prevent solvation of the magnesium cation. Thus, in the case of a general formula, R may preferably represent a group that will provide a nitrile that is considered to have low steric hindrance.

L은 각각 동일한 니트릴일 수 있다. 이는, 동일한 니트릴 용액이 활성화 단계와 처리 단계 둘 다에 사용될 수 있기 때문에, 염의 합성을 보다 간단하게 만든다. 염의 경우, L은 최소한으로 입체적으로 방해된 니트릴인 아세토니트릴일 수 있다. 부가된 이점으로서, 아세토니트릴의 사용은, 고 진공 하에서의 탈용매화가 다른 용매들을 사용하는 경우보다 더 쉽게 달성될 수 있기 때문에, 마그네슘 양이온의 양호한 용매화뿐만 아니라 낮은 제조 비용을 제공한다. 그런 다음, 이러한 탈용매화된 염은 예를 들어, 에테르(예, THF, 다이에틸 에테르) 또는 다른 공여자 용매를 사용하여 재용매화될 수 있다.L may each be the same nitrile. This makes the synthesis of the salt simpler since the same nitrile solution can be used in both the activation step and the treatment step. For salts, L may be acetonitrile, which is at least sterically hindered nitrile. As an added benefit, the use of acetonitrile provides low solubility as well as good solvation of the magnesium cation, since desolvation under high vacuum can be achieved more easily than with other solvents. This desolvated salt may then be redissolved, for example, using an ether (e. G., THF, diethyl ether) or other donor solvent.

제2 측면에서, 본 발명은 하기 일반식 (ii)의 염의 제조 방법을 제공한다: In a second aspect, the invention provides a process for preparing a salt of general formula (ii)

Mg2 +(Ly)x(PF6)2 (ii)Mg 2 + (L y ) x (PF 6 ) 2 (ii)

상기 일반식 (ii)에서, x는 1 내지 6의 수를 나타내며; Ly는 하기 화합물: 할로메탄, 사이클릭 크라운 에테르; 또는 일반식 R-C≡N의 니트릴 중 하나로부터 독립적으로 선택되는 리간드를 나타내고; Ly는 화합물 L1과 L2의 혼합물을 포함하며; 상기 방법은, Mg 금속을 제공하는 단계, Mg 금속을, 제1 화합물(L1)을 포함하는 제1의 건조 용액 내에서 세정 및 활성화하는 단계, 활성화된 Mg 금속과 제1 화합물 L1의 용액을 제2 화합물(L2)을 포함하는 제2의 건조 용액 내에서 NOPF6로 처리하는 단계, 잔류 용매를 제거하는 단계, 및 잔류 고체를 재결정화하여 식 (ii)의 염을 형성하는 단계를 포함한다.In the above formula (ii), x represents a number of 1 to 6; L y is selected from the following compounds: halomethane, cyclic crown ether; Or a nitrile of the general formula RC≡N; L y comprises a mixture of compounds L 1 and L 2 ; The method comprises the steps of providing a Mg metal, cleaning and activating the Mg metal in a first drying solution comprising a first compound (L 1 ), contacting the activated Mg metal with a solution of the first compound L 1 With NOPF 6 in a second drying solution comprising a second compound (L 2 ), removing the residual solvent, and recrystallizing the residual solid to form the salt of formula (ii) .

잔류 용매는 진공 하에서의 증발 또는 가열에 의한 증발과 같은 증발에 의해 제거될 수 있다.The residual solvent can be removed by evaporation under vacuum or evaporation such as by heating.

제3 측면에서, 본 발명은 상기 식 (i) 또는 식 (ii)에 따른 염을 포함하는 전해질을 제공한다. 본 전해질은 종래의 전해질에 첨가제로서 염을 포함할 수 있거나, 또는 염은 순수한 용액 내에서 사용되어, 적절한 용매와 함께 전해질 그 자체를 형성할 수 있다.In a third aspect, the present invention provides an electrolyte comprising a salt according to formula (i) or formula (ii). The electrolyte may contain a salt as an additive to a conventional electrolyte, or the salt may be used in a pure solution to form the electrolyte itself with an appropriate solvent.

제4 측면에서, 본 발명은 상기 식 (i) 또는 식 (ii)에 따른 전해질을 포함하는 전지 또는 배터리를 제공한다. 본 발명의 염은 전기화학 전지 또는 배터리에서 리튬 염의 사용 시 관찰되는 동일한 단점들 중 일부를 가지지 않는다. 또한, 본 발명의 염은 다수의 전지 또는 배터리 시스템에서 전해질 내에서 사용될 수 있다. 보다 상세하게는, 전지 또는 배터리는 예를 들어, 리튬 전지 또는 리튬-이온 전지일 수 있다. 그러나, 본 발명의 염을 사용하는 전지 또는 배터리는 보다 일반적으로, 금속계 또는 금속-이온계 전지 또는 배터리로서 기술될 수 있다. 다른 금속 또는 금속-이온계 전지 또는 배터리의 예로는, 마그네슘, 칼슘 또는 알루미늄 금속 또는 이온을 포함할 수 있다. 본 발명의 염을 금속 전지 또는 배터리에서 전해질 내에서 사용하는 경우, 마그네슘, 칼슘 또는 알루미늄과 같은 금속은 염 분해의 위험 없이 금속 애노드로서 사용될 수 있다. 또 다른 이점은, 본 발명의 염이 금속 또는 금속-이온계 전지 또는 배터리에서 사용되는 알루미늄 집전 장치의 부식을 감소시키거나 제한하는 면에서 유용할 수 있다는 것이다.In a fourth aspect, the present invention provides a battery or battery comprising an electrolyte according to formula (i) or (ii). The salts of the present invention do not have some of the same disadvantages observed in the use of lithium salts in electrochemical cells or batteries. In addition, the salts of the present invention may be used in electrolytes in many cell or battery systems. More specifically, the battery or battery may be, for example, a lithium battery or a lithium-ion battery. However, a battery or battery using the salt of the present invention may more generally be described as a metal-based or metal-ion based battery or battery. Examples of other metal or metal-ion based batteries or batteries may include magnesium, calcium or aluminum metal or ions. When the salts of the present invention are used in electrolytes in metal batteries or batteries, metals such as magnesium, calcium or aluminum can be used as metal anodes without the risk of salt decomposition. Another advantage is that the salt of the present invention may be useful in reducing or limiting the corrosion of aluminum current collectors used in metal or metal-ion based batteries or batteries.

본 발명을 보다 쉽게 이해할 수 있기 위해, 이하 본 발명의 구현예가 첨부되는 도면을 참조로 하여, 예로써 기술될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명의 염의 X-선 결정 구조이며;
도 2는 본 발명의 염의 1H NMR 스펙트럼이며;
도 3은 본 발명의 염의 13C NMR 스펙트럼이며;
도 4는 본 발명의 염의 19F NMR 스펙트럼이며;
도 5는 본 발명의 염의 31P NMR 스펙트럼이며;
도 6은, 25℃에서, 유리상 탄소 작업 전극, Mg 참조 전극 및 상대 전극을 포함하는 3개의 전극 전지에서 25 mVs-1의 속도로, 1:1 THF-CH3CN 중의 0.12 M Mg(CH3CN)6(PF6)2 용액의 사이클링(cycling) 시, 사이클릭 볼타모그램(cyclic voltammogram)이며;
도 7은, 백금, 스테인리스강, 유리상 탄소 및 알루미늄 작업 전극 상에서 25 mVs-1의 속도로, 1:1 THF-CH3CN 중의 0.12 M Mg(CH3CN)6(PF6)2 용액의 스캐닝 시, 선형 스위프(linear sweep) 볼타모그램이며;
도 8은, 25℃에서, 대칭적인 3개의 전극 Mg|Mg|Mg 플러디드 전지(flooded cell)(덧붙임: Mg 도금을 나타내는 영역의 확장)에서, 50 mV·s-1의 속도로, 1:1 THF-CH3CN 중의 0.12 M Mg(CH3CN)6(PF6)2 용액의 사이클링 시, 사이클릭 볼타모그램이며;
도 9는, 25℃에서, 대칭적인 3개의 전극 Mg|Mg|Mg 플러디드 전지에서, 50 mV·s-1의 속도로, 1:1 THF-CH3CN 중의 0.71 M Mg(CH3CN)6(PF6)2 용액의 사이클링 시, 사이클릭 볼타모그램이며;
도 10은, C/100이 속도로 사이클링 시, Mg 애노드, Mo3S4 캐소드 및 Al 집전 장치에서, 1:1 THF-CH3CN 중 0.71 M Mg(CH3CN)6(PF6)2 용액을 함유하는 코인 전지의 3개의 정전류적(galvanostatic) 방전-충전 사이클을 도시한 것이고;
도 11은, C/100이 속도로 사이클링 시, Mg 애노드, Mo3S4 캐소드 및 탄소 필름 집전 장치에서, 1:1 THF-CH3CN 중 0.71 M Mg(CH3CN)6(PF6)2 용액을 함유하는 코인 전지의 3개의 정전류적 방전-충전 사이클을 도시한 것이다.
For a better understanding of the present invention, an embodiment of the invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
1 is an X-ray crystal structure of the salt of the present invention;
Figure 2 is a 1 H NMR spectrum of the salt of the present invention;
Figure 3 is a 13 C NMR spectrum of the salt of the present invention;
4 is a 19 F NMR spectrum of the salt of the present invention;
5 is a 31 P NMR spectrum of a salt of the present invention;
FIG. 6 is a graph showing the relative dielectric constants of 0.12 M Mg (CH 3) in 1: 1 THF-CH 3 CN at a rate of 25 mVs -1 in three electrode cells comprising a glassy carbon working electrode, a Mg reference electrode, CN) 6 (PF 6 ) 2 is cyclic voltammogram at the time of cycling of the solution;
7 is a speed of 25 mVs -1 on platinum, stainless steel, aluminum, and glassy carbon working electrode, 1: 1 THF-CH 3 CN in 0.12 M Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6) 2 A linear sweep voltamogram at the time of scanning the solution;
8 is a graph showing the relative dielectric constant at 25 ° C at a rate of 50 mV · s -1 in a symmetrical three electrode Mg | Mg | Mg flooded cell (extension: extension of the region showing Mg plating) 0.12 M Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6 ) 2 in THF-CH 3 CN When cycling the solution, is a cyclic voltammogram;
9 is a graph showing the relative dielectric constants of 0.71 M Mg (CH 3 CN) in 1: 1 THF-CH 3 CN at 50 mV s -1 in a symmetric three electrode Mg | Mg | 6 (PF 6 ) 2 When cycling the solution, is a cyclic voltammogram;
10 is a graph showing the relationship between the concentration of 0.71 M Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6 ) 2 in 1: 1 THF-CH 3 CN in an Mg anode, a Mo 3 S 4 cathode and an Al current collector at a C / Lt; / RTI > illustrates three galvanostatic discharge-charge cycles of a coin cell containing a solution;
FIG. 11 shows the results of a comparison of 0.71 M Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6 ) in 1: 1 THF-CH 3 CN in a Mg anode, a Mo 3 S 4 cathode and a carbon film current collector at a C / 2 < / RTI > solution of a coin cell.

이하, 본 발명은 하기 실시예를 참조로 예시될 것이다.Hereinafter, the present invention will be illustrated with reference to the following examples.

실시예Example 1 -  One - Mg(CHMg (CH 33 CN)CN) 66 (PF(PF 66 )) 22 of 합성 synthesis

Sigma Aldrich 사의 마그네슘 분말(>99%) 형태의 마그네슘 금속을, 용액의 색상이 무색으로 될 때까지, 약 10 mg의 I2로 세정 및 활성화시켰다. 생성되는 혼합물을 실온에서 건조 N2의 분위기 하에 CH3CN 및 NOPF6(ACROS Organics 사로부터 구매함)의 건조 용액 내에서 적가방식으로(dropwise) 용매화하였다. NOPF6 용액을 첨가한 후, 반응 혼합물은 무색 기체(NO)를 발생시켰으며, 이를 건조 N2 하에 반응 플라스크로부터 배출시켰다. 용액을 45℃로 밤새 온건하게 가열하였다. 반응식은 하기 (1)로 주어진다.Magnesium metal in the form of a magnesium powder (> 99%) from Sigma Aldrich was cleaned and activated with about 10 mg of I 2 until the color of the solution became colorless. The resulting mixture was solvated dropwise in a dry solution of CH 3 CN and NOPF 6 (purchased from ACROS Organics) under an atmosphere of dry N 2 at room temperature. After addition of the NOPF 6 solution, the reaction mixture generated colorless gas (NO), which was drained from the reaction flask under dry N 2 . The solution was heated gently at 45 < 0 > C overnight. The reaction formula is given by the following (1).

Figure 112016014626280-pat00001
Figure 112016014626280-pat00001

용매를 제거한 후, 황백색 고체를 가열된 아세토니트릴로부터 2회 재결정화하여, Mg(CH3CN)6(PF6)2의 백색 결정질 분말을 52%의 수율로 수득하였다.After removal of the solvent, the screen twice recrystallized from acetonitrile and heat the yellow-white solid, a white crystalline powder of Mg (CH 3 CN) 6 ( PF 6) 2 was obtained in 52% yield.

실시예Example 2 -  2 - Mg(CHMg (CH 33 CN)CN) 66 (PF(PF 66 )) 22 of 특정화 Specification

단일 결정을, Et2O를 Mg(CH3CN)6(PF6)2의 CH3CN 용액 내에 분산시킴으로써 수득하였다. Bruker D8 Quest CCD 회절계로 수집한 데이터에서 X-선 분석을 수행하고, 복합체가 원하는 염임을 확인하였다(도 1).A single crystal was obtained by dispersing Et 2 O in a CH 3 CN solution of Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6 ) 2 . X-ray analysis was performed on the data collected with the Bruker D8 Quest CCD diffractometer and the complex was confirmed to be the desired salt (Fig. 1).

Mg(CH3CN)6(PF6)2의 백색 결정질 분말의 1H, 13C, 19F 및 31P NMR 스펙트럼을 각각 도 2 내지 도 5에 도시한다. 특히, 19F 및 31P NMR 스펙트럼은 각각 PF6 - 음이온의 특징인 더블릿(doublet) 및 헵테트(heptet)를 나타내었다. 다르게 명시되지 않는 한, NMR 스펙트럼을 Bruker 500 MHz AVIII HD Smart Probe 분광계(500 MHz에서 1H, 31P 202 MHz, 13C 125 MHz, 19F 471 MHz) 또는 Bruker 400 MHz AVIII HD Smart Probe 분광계(400 MHz에서 1H, 31P 162 MHz, 13C 101 MHz, 19F 376 MHz) 상에서 298.0 K에서 기록하였다. 화학적 이동(δ, ppm)은 1H 및 13C의 경우 잔류 용매 신호, 31P의 경우 외부 85% H3PO419F의 경우 CCl3F에 대해 주어진다. 1 H, 13 C, 19 F and 31 P NMR spectra of a white crystalline powder of Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6 ) 2 are shown in FIGS. 2 to 5, respectively. In particular, the 19 F and 31 P NMR spectra showed doublet and heptet, respectively, characteristic of PF 6 - anions. Unless otherwise indicated, NMR spectra were recorded on a Bruker 500 MHz AVIII HD Smart Probe spectrometer ( 1 H, 31 P 202 MHz, 13 C 125 MHz, 19 F 471 MHz at 500 MHz) or a Bruker 400 MHz AVIII HD Smart Probe spectrometer 1 H at 31 MHz, 31 P 162 MHz, 13 C 101 MHz, 19 F 376 MHz). The chemical shifts (δ, ppm) are given for the residual solvent signals for 1 H and 13 C, for 85 P 3 H 4 PO 4 for 31 P and for CCl 3 F for 19 F.

Mg(CH3CN)6(PF6)2의 벌크 순도(bulk purity)를 원소 분석(C, H 및 N)에 의해 확인하였다. 원소 미세분석 데이터는 캠브리지 대학교, 화학과의 미세분석 서비스로부터 수득하였다. 부가적으로, 1의 IR 스펙트럼은 2299 cm-1에서 예상된 C≡N 스트레칭 밴드(stretching band)를 나타낸다. FT-IR 분광학적 측정은 PerkinElmer 유니버셜 ATR 샘플링 악세서리를 사용하여 수행하였다.The bulk purity of Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6 ) 2 was confirmed by elemental analysis (C, H and N). Elemental microanalytical data were obtained from microanalysis services at the University of Cambridge, Chemistry. Additionally, the IR spectrum of 1 represents the expected C? N stretching band at 2299 cm -1 . FT-IR spectroscopic measurements were performed using the PerkinElmer Universal ATR sampling accessories.

실시예Example 3 - 전해질 염으로서의  3 - as an electrolyte salt Mg(CHMg (CH 33 CN)CN) 66 (PF(PF 66 )) 22 of 용도 Usage

하기 보고된 모든 사이클릭 볼타메트리 및 선형 스위프 볼타메트리 실험은 건조 용매를 사용하여 건조 아르곤 분위기 하에 글러브박스(MBraun)에서 수행하엿다. 사이클릭 볼타메트리 및 선형 스위프 볼타메트리를 IVIUM CompactStat를 사용하여 수행하였다.All reported cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry experiments reported below were carried out in a glove box (MBraun) under a dry argon atmosphere using a dry solvent. Cyclic voltametry and linear sweep voltametry were performed using IVIUM CompactStat.

도 6은 THF-CH3CN과 1:1의 비율로 존재하는 0.12 M Mg(CH3CN)6(PF6)2 용액의 사이클릭 볼타메트리를 도시한 것이다. 전해질을, 유리상 탄소 작업 전극(Alvatek Limited 사로부터 구매함), Mg 참조 전극 및 상대 전극(Sigma Aldrich 사의 마그네슘 리본(99.9%))을 사용하여, 25 mVs-1의 속도로 20회 이상의 사이클 동안, -0.5 V 및 1.5 V vs Mg 사이에서 가역적으로 사이클링시켰다. 전해질은 도금/박리 전류(stripping current)에서 단지 중간 정도로만 손실된 채, 20회 이상의 사이클 동안 사이클링될 수 있었으며, 작은 박리 과전압(약 0.25 V vs Mg) 및 0 V vs Mg/Mg2 +에서 도금 개시를 나타내었다. 광범위한 특징은 약 0 V vs Mg/Mg2 +에서 관찰되었으며, 이는 다시, 양전위(positive potential)가 높은 표면적의 유리상 탄소 전극으로부터 발생하는 용량 효과(capacitive effect)의 결과인 것으로 생각된다. 6 shows the cyclic voltammetry of a 0.12 M Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6 ) 2 solution present in a ratio of 1: 1 with THF-CH 3 CN. The electrolyte was applied for 20 or more cycles at a rate of 25 mVs -1 using a glass carbon working electrode (purchased from Alvatek Limited), a Mg reference electrode and a counter electrode (magnesium ribbon (99.9%) from Sigma Aldrich) -0.5 V and 1.5 V vs Mg. The electrolyte could be cycled for more than 20 cycles with only a moderate loss in plating / stripping current, and a small delamination overvoltage (about 0.25 V vs. Mg) and a plating start at 0 V vs Mg / Mg 2 + Respectively. Extensive features were observed at about 0 V vs Mg / Mg 2 + , which again appears to be the result of a capacitive effect resulting from a surface-area glassy carbon electrode with a high positive potential.

최적화된 Mg(PF6)2 전해질의 전기화학 안정성은, 백금(Pt)(Alfa Aesar 사로부터 구매한 백금 와이어(99.95%)), 유리상 탄소(GC), 스테인리스강(ss)(Advent Research materials 사로부터 구매한 스테인리스강 316) 및 알루미늄(Al) 작업 전극(Dexmet corp. 사로부터 구매함)을 사용하여 선형 스위프 볼타메트리(LSV)를 수행함으로써 더 연구하였다(결과는 도 7에 도시됨). Pt 전극 및 GC 전극 상에서, 전해질 산화의 개시는 약 3 V vs Mg/Mg2 +에서 발생한 한편, ss 전극 상에서, 산화는 약 1.5 V의 전압 vs Mg/Mg2 +에서 발생한다. 사실상, Al 작업 전극을 사용하여 4 V vs Mg/Mg2 +로 스캐닝 시 어떠한 전류도 관찰되지 않으며, 이는, Al 표면이 부동태화됨을 제시한다. 1 : 1 THF-CH3CN 전해질 용매 혼합물은, 동일한 조건 하에 순수한 CH3CN 중의 0.12 M 전해질 용액보다 GC 상에서 우수한 전기화학 안정성 및 도금-박리 가역성을 나타내는 것으로 확인되었다.The electrochemical stability of the optimized Mg (PF 6 ) 2 electrolyte was investigated using platinum Pt (99.95% platinum wire purchased from Alfa Aesar), glassy carbon (GC), stainless steel (ss) (Results are shown in FIG. 7) by performing linear swept voltametry (LSV) using an aluminum (Al) working electrode (purchased from Dexmet Corp.). On the Pt and GC electrodes, the onset of electrolyte oxidation occurs at about 3 V vs. Mg / Mg 2 + , while on the ss electrode, oxidation occurs at a voltage of about 1.5 V vs Mg / Mg 2 + . In fact, no current is observed when scanning with 4 V vs. Mg / Mg 2 + using an Al working electrode, suggesting that the Al surface is passivated. 1: 1 THF-CH 3 CN electrolyte solvent mixture, excellent electrochemical stability, and plated on GC than 0.12 M electrolyte solution in pure CH 3 CN under the same condition was confirmed to exhibit a reversible separation.

실시예Example 4 - Mg-이온 전지에서 전해질로서의  In the 4 - Mg - ion battery, Mg(CHMg (CH 33 CN)CN) 66 (PF(PF 66 )) 22 of 용도 Usage

Mg를 작업 전극으로서 사용하여 대칭 전지(Mg|Mg|Mg)에서 전해질로서의 Mg(CH3CN)6(PF6)2 염의 용도에 관한 연구를 수행하였다. 배터리 사이클링을 Arbin BT2043 배터리 시험 시스템에서 수행하였다. THF-CH3CN과 1:1 비율로 존재하는 0.12 M Mg(CH3CN)6(PF6)2 용액 및 0.71 M Mg(CH3CN)6(PF6)2 용액 둘 다 10회의 사이클 동안 50 mV·s-1의 속도로 -0.5 V 및 1.5 V vs Mg 사이에서 사이클링시켰다. 도 8 및 도 9는 0.12 M 전해질 용액 및 0.71 M 전해질 용액의 볼타모그램을 도시한 것이다. 이들 용액은 도금 전류 밀도가 거의 상실되지 않거나 전혀 상실되지 않은 채, 10회의 사이클 동안 Mg의 가역적인 도금 및 박리를 나타내었다. 이들 과정의 가역성은 사실상 전류 밀도의 약화를 나타내지 않으며, 이는, Mg 전극이 절연 필름 또는 부동태화 필름을 포함하지 않음을 제시한다.Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6 ) 2 salt as an electrolyte in a symmetric cell (Mg | Mg | Mg) was studied using Mg as a working electrode. Battery cycling was performed on the Arbin BT2043 battery test system. THF-CH 3 CN and 1: 0.12 to 1 ratio exists, M Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6) 2 Solution and 0.71 M Mg (CH 3 CN) 6 (PF 6) 2 Both solutions were cycled between -0.5 V and 1.5 V vs Mg at a rate of 50 mV · s -1 for 10 cycles. Figures 8 and 9 show the voltammograms of a 0.12 M electrolyte solution and a 0.71 M electrolyte solution. These solutions exhibited reversible plating and exfoliation of Mg for 10 cycles with little or no loss of plating current density. The reversibility of these processes does not in fact indicate a weakening of the current density, suggesting that the Mg electrode does not comprise insulating or passivating film.

상기 결과로부터, Mg(PF6)2계 전해질은 GC 전극뿐만 아니라 Mg 전극을 사용하여, Mg의 가역적인 도금 및 박리를 촉진할 수 있는 것으로 이해된다. 이러한 새로운 전해질에 대한 추가적인 연구를 원형 코인 전지 배터리에서 수행하였다. 0.71 M 전해질 용액을, Mg 애노드 및 Chevrel 상 캐소드(phase cathode)(Mo3S4)를 사용하여 수행되는 코인 전지에서 사용하였다. 스테인리스강 상에서 이러한 전해질의 반응성이 관찰되었기 때문에, 미반응성 탄소 필름 집전 장치를 이용하여, 가능한 부반응을 제한하였다. C/100로 사이클링된 코인 전지는 가역적인 충전-방전 프로파일(각각 도 10 및 도 11에서 Al 집전 장치 및 탄소 필름(Goodfellow Cambridge Limited 사로부터 구매한 탄소 충진된 폴리에틸렌) 집전 장치를 사용하여 나타남)을 나타내었다. 이들 전지는 3회 이상의 사이클 동안 사이클링될 수 있었으며, 각각 Al 전지 및 탄소 필름 전지의 경우, 용량이 다소 감소되긴 하지만 51 mAhg-1 및 53 mAhg-1의 최대 가역 용량에 도달할 수 있었다. 이러한 관찰된 감소는 많은 Mg-이온 시스템의 경우 흔한 것으로 이해된다.From the above results, it can be understood that the Mg (PF 6 ) 2 based electrolyte can promote reversible plating and peeling of Mg using a Mg electrode as well as a GC electrode. Additional studies on these new electrolytes have been performed on circular coin battery batteries. A 0.71 M electrolyte solution was used in a coin cell carried out using a Mg anode and a phase cathode (Mo 3 S 4 ) on a Chevrel. Since the reactivity of these electrolytes was observed on stainless steel, the possible side reactions were limited using an unreactive carbon film current collector. A coin cell cycled at C / 100 has a reversible charge-discharge profile (shown using Al current collectors and carbon films (carbon-filled polyethylene sold by Goodfellow Cambridge Limited) collectors in Figures 10 and 11, respectively) Respectively. These cells could be cycled for more than three cycles and reached maximum reversible capacities of 51 mAhg -1 and 53 mAhg -1 , respectively, for Al and carbon film cells, albeit with somewhat reduced capacities. This observed reduction is common in many Mg-ion systems.

Claims (17)

일반식 (i)의 염:
Mg2+(L)x(PF6)2 (i)
상기 일반식 (i)에서,
x는 1 내지 6의 수를 나타내고;
L은 각각 하기 화합물들 중 하나로부터 선택되는 리간드를 나타냄:
할로메탄,
사이클릭 크라운 에테르, 또는
니트릴 화합물.
The salt of general formula (i)
Mg 2+ (L) x (PF 6 ) 2 (i)
In the above general formula (i)
x represents a number from 1 to 6;
L represents a ligand selected from one of the following compounds:
Halogen methane,
Cyclic crown ether, or
Nitrile compound.
제1항에 있어서,
x는 1보다 크고,
L은 하기 화합물들 중 오직 하나로부터 선택되는 리간드를 나타내는 것을 특징으로 하는, 염:
할로메탄,
사이클릭 크라운 에테르, 또는
니트릴 화합물.
The method according to claim 1,
x is greater than 1,
≪ / RTI > wherein L represents a ligand selected from only one of the following compounds:
Halogen methane,
Cyclic crown ether, or
Nitrile compound.
제1항에 있어서,
x는 6이며,
리간드 L은 일반식 R-C≡N의 니트릴 화합물이고,
R은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, t부틸, 펜틸, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 펜틸렌, 톨루엔, 나프탈렌 또는 페닐로부터 독립적으로 선택되는 유기 기를 나타내는 것을 특징으로 하는, 염.
The method according to claim 1,
x is 6,
The ligand L is a nitrile compound of the general formula RC≡N,
Wherein R represents an organic group independently selected from methyl, ethyl, propyl, butyl, t- butyl, pentyl, ethylene, propylene, butylene, pentylene, toluene, naphthalene or phenyl.
제3항에 있어서,
R은 L로 표시되는 각각의 리간드에서와 동일한 것을 특징으로 하는, 염.
The method of claim 3,
And R is the same as in each ligand represented by L.
제1항에 있어서,
각각의 리간드 L은 아세토니트릴인 것을 특징으로 하는, 염.
The method according to claim 1,
Wherein each ligand L is acetonitrile.
제1항에 있어서,
x는 1이고,
L은 [12]-크라운-4, [18]-크라운-6, [24]-크라운-8 중 하나로부터 선택되는 사이클릭 크라운 에테르인 것을 특징으로 하는, 염.
The method according to claim 1,
x is 1,
L is a cyclic crown ether selected from one of [12] -crown-4, [18] -crown-6, [24] -crown-8.
제1항에 있어서,
상기 할로메탄은 다이클로로메탄인 것을 특징으로 하는, 염.
The method according to claim 1,
≪ / RTI > wherein said halomethane is dichloromethane.
일반식 (i)의 염의 제조 방법으로서,
Mg2+(Ly)x(PF6)2 (i)
상기 일반식 (i)에서,
x는 1 내지 6의 수를 나타내며,
Ly는 하기 화합물들 중 하나로부터 독립적으로 선택되는 리간드를 나타내고:
할로메탄,
사이클릭 크라운 에테르, 또는
니트릴 화합물;
Ly는 제1 화합물과 제2 화합물의 혼합물을 포함하며;
상기 방법은,
Mg 금속을 제공하는 단계,
상기 Mg 금속을, 제1 화합물을 포함하는 제1의 건조 용액 내에서 세정 및 활성화하는 단계,
활성화된 Mg 금속과 제1 화합물의 용액을 제2 화합물을 포함하는 제2의 건조 용액 내에서 NOPF6로 처리하는 단계,
잔류 용매를 제거하는 단계, 및
잔류 고체를 재결정화하여 식 (i)의 염을 형성하는 단계를 포함하는, 제조 방법.
As a method for producing a salt of the general formula (i)
Mg 2+ (L y ) x (PF 6 ) 2 (i)
In the above general formula (i)
x represents a number of 1 to 6,
L y represents a ligand independently selected from one of the following compounds:
Halogen methane,
Cyclic crown ether, or
Nitrile compounds;
L y comprises a mixture of a first compound and a second compound;
The method comprises:
Providing a Mg metal,
Cleaning and activating the Mg metal in a first drying solution comprising a first compound,
Treating the solution of the activated Mg metal and the first compound with NOPF 6 in a second drying solution comprising the second compound,
Removing the residual solvent, and
Recrystallizing the remaining solid to form the salt of formula (i).
제8항에 있어서,
x는 1보다 크고,
Ly는 하기 화합물들 중 오직 하나로부터 선택되는 리간드를 나타내는 것을 특징으로 하는, 제조 방법:
할로메탄,
사이클릭 크라운 에테르, 또는
니트릴 화합물.
9. The method of claim 8,
x is greater than 1,
L y represents a ligand selected from only one of the following compounds:
Halogen methane,
Cyclic crown ether, or
Nitrile compound.
제8항에 있어서,
x는 6이며,
상기 제1 화합물 및 상기 제2 화합물은 각각 일반식 R-C≡N의 니트릴 화합물이고,
R은 독립적으로 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, t부틸, 펜틸, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 펜틸렌, 톨루엔, 나프탈렌 또는 페닐로부터 선택되는 유기 기를 나타내는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
9. The method of claim 8,
x is 6,
Wherein the first compound and the second compound are each a nitrile compound of the general formula RC? N,
Wherein R represents independently an organic group selected from methyl, ethyl, propyl, butyl, t- butyl, pentyl, ethylene, propylene, butylene, pentylene, toluene, naphthalene or phenyl.
제10항에 있어서,
상기 제1 화합물 및 상기 제2 화합물은 동일한 니트릴 화합물인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the first compound and the second compound are the same nitrile compound.
제10항에 있어서,
상기 제1 화합물 및 상기 제2 화합물은 둘 다 아세토니트릴인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the first compound and the second compound are both acetonitrile.
제8항에 있어서,
x는 1이고,
Ly는 [12]-크라운-4, [18]-크라운-6, [24]-크라운-8 중 하나로부터 선택되는 사이클릭 크라운 에테르인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
9. The method of claim 8,
x is 1,
L y is a cyclic crown ether selected from one of [12] -crown-4, [18] -crown-6, [24] -crown-8.
제8항에 있어서,
상기 할로메탄이 다이클로로메탄인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Lt; RTI ID = 0.0 > dichloromethane. ≪ / RTI >
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 염, 또는 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에서 정의된 바와 같은 방법에 따라 제조되는 염을 포함하는, 전해질.An electrolyte comprising a salt according to any one of claims 1 to 7 or a salt prepared according to a process as defined in any one of claims 8 to 14. 제15항에 따른 전해질을 포함하는, 전지 또는 배터리.A battery or battery comprising the electrolyte according to claim 15. 제16항에 있어서,
상기 전지 또는 배터리가 마그네슘 전지 또는 배터리, 또는 마그네슘-이온 전지 또는 배터리인 것을 특징으로 하는, 전지 또는 배터리.
17. The method of claim 16,
Wherein the battery or the battery is a magnesium battery or a battery, or a magnesium-ion battery or a battery.
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