KR102240799B1 - Imidazolium functionalized imide based lithium salt, process for preparing the same and electrolyte composition for Li-ion battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신규하게 제조된 이미다졸륨 기능화된 이미드 기반 리튬 염, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리용 전해질 조성물을 제공한다.
본 발명의 이미다졸륨 기능화된 이미드 기반 리튬 염, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해질 조성물 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리는 이미다졸륨 IL 기반 이온성 염의 기능화에 기반한 리튬 이온 배터리 분야에서 고성능 전해질로서 유용하게 사용될 수 있다.
The present invention provides a newly prepared imidazolium functionalized imide-based lithium salt, a method for preparing the same, and an electrolyte composition for a lithium ion battery comprising the same.
The imidazolium functionalized imide-based lithium salt of the present invention, a method for preparing the same, an electrolyte composition comprising the same, and a lithium ion battery comprising the same are used as high-performance electrolytes in the field of lithium ion batteries based on the functionalization of the imidazolium IL-based ionic salt. It can be usefully used.

Description

이미다졸륨 기능화된 이미드 기반 리튬 염, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리용 전해질 조성물{Imidazolium functionalized imide based lithium salt, process for preparing the same and electrolyte composition for Li-ion battery comprising the same}[Imidazolium functionalized imide based lithium salt, process for preparing the same and electrolyte composition for Li-ion battery comprising the same}

본 발명은 이미드 기반 리튬 염, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리용 전해질 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1-메틸이미다졸을 기능기화하여 얻어진 신규한 이미드 유형 리튬 염, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리용 전해질 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to an imide-based lithium salt, a method for preparing the same, and an electrolyte composition for a lithium ion battery comprising the same, and more particularly, a novel imide type lithium salt obtained by functionalizing 1-methylimidazole, and It relates to a manufacturing method and an electrolyte composition for a lithium ion battery comprising the same.

충전식 리튬 이온 배터리(lithium-ion battery, LIB)는 가장 보편적인 전기화학적 에너지 저장 장치로서, 휴대용 전자 기기 및 하이브리드 전기 자동차의 매력적인 동력원이다. 이는 높은 비 용량(Csp), 높은 에너지 밀도(150 - 200 WhKg-1), 수용 가능한 사이클 수명 및 낮은 자체 방전 때문이다. LIB의 성능은 전해질의 화학적 및 전기화학적 성질에 크게 의존하며, 이는 전지 내에서 전하 수송 동역학에 현저히 영향을 미치며, 동시에 전달 가능한 에너지 량과 LIB의 지속 수명에도 영향을 미친다. 높은 안전성, 우수한 이온 전도도(σ), 높은 전기화학적 및 열적 안정성을 지닌 새로운 전해질의 조성은 고성능 LIB를 개발하기 위한 주요 쟁점 중 하나이다. LIB에 사용되는 전해질은 용융 염, 이온성 액체, 고체 이온성 전도체 및 용매에 용해된 염을 포함하여 다양한 형태로 존재할 수 있다.Rechargeable lithium-ion batteries (LIBs) are the most common electrochemical energy storage devices, and are an attractive power source for portable electronic devices and hybrid electric vehicles. This is due to high specific capacity (C sp ), high energy density (150-200 WhKg -1 ), acceptable cycle life and low self-discharge. The performance of LIB is highly dependent on the chemical and electrochemical properties of the electrolyte, which significantly affects the charge transport kinetics within the cell, and at the same time affects the amount of energy that can be transferred and the lifetime of the LIB. The composition of a new electrolyte with high safety, excellent ionic conductivity (σ), and high electrochemical and thermal stability is one of the main issues for developing high-performance LIB. Electrolytes used in LIB can exist in a variety of forms, including molten salts, ionic liquids, solid ionic conductors, and salts dissolved in solvents.

현재까지 대부분의 상업용 LIB는 전해질로서 무기 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 사용하였고, 이는 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC) 및 프로필렌 카보네이트(PC)와 같은 유기 용매의 혼합물에 용해된 형태였다. LiPF6 염-기반 전해질은 비교적 높은 애노드 안정성(EC/DEC 혼합 용매에서 약 4.5 V) 및 높은 σ(EC/DMC 혼합 용매에서 10.7 mS/cm), 및 Al 집전 장치 패시베이션(Al current collector passivation)을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, LiPF6는 60 ℃이상에서 PF5와 LiF로 쉽게 분해된다. 상기 PF5는 애노드와 캐소드 모두에서 일련의 비가역적 반응을 유도하여 전지 성능을 저하시킨다. 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI), 리튬 비스(퍼플루오로에틸설포닐)이미드, 노나플루오로부틸설포닐트리플루오로메틸 설포닐이미드 및 리튬 비스(펜타플루오로에틸설포닐)이미드와 같은 리튬 설포닐 이미드 염 계 전해질은 LiPF6의 한계를 극복하기 위한 대안으로 많은 관심을 받고 있다. 이는 이들의 높은 열적, 화학적 및 전기화학적 안정성, 우수한 σ 및 안전성 때문이다. 특히, LiFSI와 LiTFSI는 높은 산화 안정성과 열 안정성, 낮은 점도, 애노드 표면 상에 안정한 고체-전해질 계면(solid-electrolyte interface, SEI)을 형성하는 우수한 성능과 함께, LiPF6에 상응하는 σ(각각 9.73 및 7.57 mS/cm)에 의해 LIB 적용 분야에서 가장 널리 사용되는 이미드 유형 전해질 염이다. 그러나, 이들 모두는 동작 전압인 3.7 V 이상에서 Al 전류 콜렉터와 높은 반응을 나타내어 LIB의 수명을 연장시킨다. 따라서, 이들 염은 일반적으로 연장된 수명을 손상시키지 않으면서 LIB의 전기화학적 성능을 향상시키기 위해 다른 염과의 공-염 또는 첨가제로 사용된다. 더욱이, LiFSI와 LiTFSI는 애노드 표면에 SEI 층으로서 LiF를 형성하는 우수한 능력을 지니고 있어 Li+ 확산에 유리한 환경을 조성하며 동시에 배터리의 수명을 증가시킨다.To date, most commercial LIBs have used inorganic lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as an electrolyte, which is ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and propylene carbonate (PC). It was in a dissolved form in a mixture of organic solvents. LiPF 6 salt-based electrolyte has relatively high anode stability (about 4.5 V in EC/DEC mixed solvent) and high σ (10.7 mS/cm in EC/DMC mixed solvent), and Al current collector passivation. Show. Nevertheless, LiPF 6 is easily decomposed into PF 5 and LiF above 60 ℃. The PF 5 induces a series of irreversible reactions at both the anode and the cathode to degrade battery performance. Lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiTFSI), lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI), lithium bis (perfluoroethylsulfonyl) imide, nonafluorobutylsulfonyl tri Lithium sulfonyl imide salt based electrolytes such as fluoromethyl sulfonylimide and lithium bis(pentafluoroethylsulfonyl)imide have attracted much attention as an alternative to overcome the limitations of LiPF 6. This is due to their high thermal, chemical and electrochemical stability, good sigma and safety. In particular, LiFSI and LiTFSI have high oxidative stability, thermal stability, low viscosity, and excellent performance of forming a stable solid-electrolyte interface (SEI) on the anode surface, and σ corresponding to LiPF 6 (9.73 each). And 7.57 mS/cm), which is the most widely used imide type electrolyte salt in LIB applications. However, all of them exhibit high reaction with the Al current collector above 3.7 V, which is the operating voltage, thereby extending the life of the LIB. Thus, these salts are generally used as co-salts or additives with other salts to improve the electrochemical performance of LIB without compromising its extended life. Moreover, LiFSI and LiTFSI have excellent ability to form LiF as an SEI layer on the anode surface, creating an environment favorable for Li + diffusion and at the same time increasing the life of the battery.

LiFSI 및 LiTFSI의 상기 주요 사안을 고려하여, 최근에 고전압, 수명의 지속 및 보다 안전한 LIB를 얻기 위해 FSI 및 TFSI 음이온이 이미다졸륨, 피롤리디늄 및 피페리디늄 유형 이온성 액체(IL) 및 양쪽성 이온성 액체(zwitterionic liquid, ZIL) 계 전해질을 설계 및 제형화하는데 광범위하게 사용되고 있다. 이를 위해 여분의 용매를 첨가하거나 첨가하지 않은 상태로 IL 및 ZIL에 최적 양의 LiFSI 또는 LiTFSI 염이 첨가되었다. 예를 들어, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 FSI 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 TFSI IL 계 전해질이 적절한 양의 LiFSI 및 LiTFSI와 각각 혼합되어 개발되었다. 마찬가지로, 1-(2-메톡시에틸)-3-메틸이미다졸륨 TFSI 및 3-(2-(2-메톡시에톡시)에틸)-1-메틸이미다졸륨 TFSI, N-프로필-N-메틸피롤리디늄 FSI 및 N-부틸-N-메틸피롤리디늄 TFSI를 포함한 다른 보고된 IL계 전해질도 LIB에서 긴 사이클 수명을 나타냈다. 이러한 전해질이 가연성 유기 용제가 없어 LIB 적용시 탁월한 안정성과 안전성을 보였지만, 실온에서는 비교적 낮은 σ 및 높은 점도를 나타냈다. 따라서, 이들 IL계 전해질의 전기화학적 성능은 일반적으로 실온에서는 낮다. 또한, 이러한 IL 전해질에 소량의 Li 염이 존재하는 것이 낮은 σ에 대한 또 다른 이유가 될 수 있으며, 이는 단순히 Li 염의 농도를 최적 농도 이상으로 증가시킴으로써 극복될 수 있는 것은 아니다. 그 이유는 높은 농도의 Li-염은 FSI 또는 TFSI 음이온과 IL+ 간의 상호 작용을 증가시켜 궁극적으로 전해질의 점도를 증가시키고 전기화학적 성능뿐만 아니라 σ를 감소시킬 수 있기 때문이다. 따라서, Li+ 이온과 함께 이러한 이미다졸륨, 피롤리디늄 및 피페리디늄 IL을 기반으로 하는 이온성 염을 제조하는 것이 고성능 LIB를 개발하는 매력적인 방법이다.Taking into account the above main issues of LiFSI and LiTFSI, FSI and TFSI anions have recently been used to obtain high voltage, longevity and safer LIB, and both imidazolium, pyrrolidinium and piperidinium type ionic liquids (IL) and both. It is widely used to design and formulate zwitterionic liquid (ZIL) based electrolytes. For this, an optimal amount of LiFSI or LiTFSI salt was added to IL and ZIL with or without extra solvent. For example, 1-ethyl-3-methylimidazolium FSI and 1-ethyl-3-methylimidazolium TFSI IL based electrolytes were developed by mixing with appropriate amounts of LiFSI and LiTFSI, respectively. Similarly, 1-(2-methoxyethyl)-3-methylimidazolium TFSI and 3-(2-(2-methoxyethoxy)ethyl)-1-methylimidazolium TFSI, N-propyl-N- Other reported IL-based electrolytes including methylpyrrolidinium FSI and N-butyl-N-methylpyrrolidinium TFSI also showed long cycle life in LIB. These electrolytes showed excellent stability and safety when LIB was applied because there was no combustible organic solvent, but showed relatively low σ and high viscosity at room temperature. Therefore, the electrochemical performance of these IL-based electrolytes is generally low at room temperature. In addition, the presence of a small amount of Li salt in such an IL electrolyte may be another reason for the low σ, which cannot be overcome simply by increasing the concentration of the Li salt above the optimum concentration. The reason is that high concentrations of Li-salt can increase the interaction between FSI or TFSI anions and IL+, ultimately increasing the viscosity of the electrolyte and reducing σ as well as electrochemical performance. Therefore, the preparation of ionic salts based on these imidazolium, pyrrolidinium and piperidinium ILs with Li + ions is an attractive way to develop high performance LIBs.

대한민국 특허공개 제10-2017-0030116호 (2017.03.17.)Korean Patent Publication No. 10-2017-0030116 (2017.03.17.)

Journal of Fluorine Chemistry 164 (2014) 38-43.Journal of Fluorine Chemistry 164 (2014) 38-43.

본 발명의 발명자들은 우수한 이온 전도도 및 화학적 및 열적 안정성을 갖는 LIB 전해질을 개발하고자 연구하던 중, 1-메틸이미다졸을 기능기화하여 신규한 이미드 유형 염인 리튬(플루오로설포닐)((3-(1-메틸-1H-이미다졸-3-륨-3-일)프로필)설포닐)이미드) 비스(트리플루오로설포닐)이미드[LiFSMIPTFSI]가 EC와 디메틸설폭시드(DMSO) 혼합 용매를 기반으로 하는 LIB용 전해질 염으로서 실온에서 낮은 점도, 높은 Li+ 전도도 및 높은 애노드 안정성을 나타내고, LIB에서 우수한 Csp를 나타내며, 첨가제인 LiFSI 및 LiTFSI의 소량 첨가에 의해 전기화학적 성능이 더욱 향상된다는 것을 발견하였다.The inventors of the present invention were studying to develop a LIB electrolyte having excellent ionic conductivity and chemical and thermal stability, while functionalizing 1-methylimidazole to form a novel imide-type salt, lithium (fluorosulfonyl) ((3 -(1-methyl-1H-imidazol-3-ium-3-yl)propyl)sulfonyl)imide) bis(trifluorosulfonyl)imide [LiFSMIPTFSI] is mixed with EC and dimethylsulfoxide (DMSO) As a solvent-based electrolyte salt for LIB, it exhibits low viscosity, high Li + conductivity and high anode stability at room temperature, shows excellent C sp in LIB, and further improves electrochemical performance by adding a small amount of additives LiFSI and LiTFSI. I found it to be.

따라서, 본 발명은 이미다졸륨 기능화된 이미드 기반 리튬 염, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리용 전해질 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an imidazolium-functionalized imide-based lithium salt, a method for preparing the same, and an electrolyte composition for a lithium ion battery comprising the same.

본 발명의 일 측면에 따라, 하기 화학식 1의 리튬 염이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a lithium salt of Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019051119786-pat00001
Figure 112019051119786-pat00001

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다).(In the above formula, n is an integer of 1 to 5).

일 구현예에서, 상기 리튬 염은 하기 화학식 1a인 리튬 염일 수 있다.In one embodiment, the lithium salt may be a lithium salt represented by Formula 1a below.

[화학식 1a][Formula 1a]

Figure 112019051119786-pat00002
Figure 112019051119786-pat00002

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 리튬 염을 포함하는 전해질 조성물이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided an electrolyte composition comprising the lithium salt.

일 구현예에서, 상기 전해질 조성물에는 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드, 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 첨가제가 추가로 포함될 수 있으며, 상기 첨가제는 리튬 염:첨가제 = 1:0.1 ~ 0.3 몰비로 포함될 수 있다.In one embodiment, the electrolyte composition may further include an additive selected from the group consisting of lithium bis(fluorosulfonyl)imide, lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, and mixtures thereof, and the The additive may be included in a lithium salt: additive = 1:0.1 to 0.3 molar ratio.

일 구현예에서, 상기 전해질 조성물의 용매는 에틸렌 카보네이트, 디메틸설폭시드 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 1종일 수 있다.In one embodiment, the solvent of the electrolyte composition may be one selected from the group consisting of ethylene carbonate, dimethyl sulfoxide, and mixtures thereof.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상기 전해질 조성물을 포함하는 리튬 이온 배터리가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium ion battery comprising the electrolyte composition.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, (a) 하기 화학식 2의 화합물을 염화 티오닐(SOCl2)과 염소화 반응시켜 하기 화학식 3의 화합물을 제조하는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 화학식 3의 화합물을 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)와 반응시켜 하기 화학식 4의 화합물을 제조하는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻어진 화학식 4의 화합물을 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드와 반응시켜 화학식 1의 화합물을 제조하는 단계를 포함하는 제1항의 리튬 염의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) preparing a compound of formula (3) by chlorination reaction of a compound of formula (2) with thionyl chloride (SOCl 2 ); (b) reacting the compound of formula 3 obtained in step (a) with sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) to prepare a compound of formula 4; And (c) reacting the compound of Formula 4 obtained in step (b) with lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide to prepare the compound of Formula 1; do.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019051119786-pat00003
Figure 112019051119786-pat00003

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019051119786-pat00004
Figure 112019051119786-pat00004

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019051119786-pat00005
Figure 112019051119786-pat00005

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112019051119786-pat00006
Figure 112019051119786-pat00006

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)

일 구현예에서, 상기 리튬 염의 제조방법은 (a) 하기 화학식 2a의 화합물을 염화 티오닐(SOCl2)과 염소화 반응시켜 하기 화학식 3a의 화합물을 제조하는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 화학식 3a의 화합물을 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)와 반응시켜 하기 화학식 4a의 화합물을 제조하는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻어진 화학식 4a의 화합물을 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드와 반응시켜 화학식 1a의 화합물을 제조하는 단계를 포함하는 화학식 1a의 리튬 염의 제조방법일 수 있다.In one embodiment, the method of preparing the lithium salt comprises the steps of: (a) chlorinating a compound of the following formula 2a with thionyl chloride (SOCl 2 ) to prepare a compound of the following formula 3a; (b) reacting the compound of formula 3a obtained in step (a) with sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) to prepare a compound of formula 4a; And (c) reacting the compound of Formula 4a obtained in step (b) with lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide to prepare the compound of Formula 1a. have.

[화학식 1a][Formula 1a]

Figure 112019051119786-pat00007
Figure 112019051119786-pat00007

[화학식 2a][Formula 2a]

Figure 112019051119786-pat00008
Figure 112019051119786-pat00008

[화학식 3a][Formula 3a]

Figure 112019051119786-pat00009
Figure 112019051119786-pat00009

[화학식 4a][Formula 4a]

Figure 112019051119786-pat00010
Figure 112019051119786-pat00010

일 구현예에서, 상기 화학식 1a의 리튬 염의 제조방법의 단계(a)의 상기 화학식 2a의 화합물이 1-메틸이미다졸과 1,3-프로판 설톤의 부가 반응에 의하여 제조될 수 있다.In one embodiment, the compound of Formula 2a in step (a) of the method for preparing a lithium salt of Formula 1a may be prepared by an addition reaction of 1-methylimidazole and 1,3-propane sultone.

본 발명의, 신규하게 제조된 이미다졸륨 기능화된 이미드 기반 리튬 염은 LIB용 전해질로 사용시에 광범위한 전기화학적 안정성과 높은 열적 안정성, 우수한 Li+ 전도도 및 낮은 고유 점도를 나타내고, LIB에서 0.1 C에서 비 방전 용량 약 141 mAhg-1을 나타내며, 리튬 비스(플루오로-설포닐)이미드[LiFSI] 또는 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드[LiTFSI] 등의 첨가제와 함께 사용되는 경우에 전해질의 성능이 더욱 강화되어, 0.1 C에서 각각 약 160 및 150 mAhg-1의 비 방전 용량을 나타내고, 충전-방전 사이클 후 우수한 사이클링 안정성(용량 유지 약 98.50 %)을 나타냄으로써, 리튬 이온 배터리용 고성능 전해질로 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다.The newly prepared imidazolium functionalized imide-based lithium salt of the present invention exhibits a wide range of electrochemical stability, high thermal stability, excellent Li + conductivity and low intrinsic viscosity when used as an electrolyte for LIB, and at 0.1 C in LIB. denotes a non-discharge capacity of about 141 mAhg -1, lithium bis (fluoro-sulfonyl) imide [LiFSI] or lithium bis (methylsulfonyl-trifluoromethyl) if already used with additives such as de [LiTFSI] The performance of the electrolyte is further enhanced, showing a specific discharge capacity of about 160 and 150 mAhg -1 at 0.1 C, respectively, and excellent cycling stability (capacity retention about 98.50%) after a charge-discharge cycle, resulting in high performance for lithium ion batteries. It has been found that it can be used as an electrolyte.

따라서, 본 발명의 이미다졸륨 기능화된 이미드 기반 리튬 염, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전해질 조성물 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리는 이미다졸륨 IL 기반 이온성 염의 기능화에 기반한 리튬 이온 배터리 분야에서 고성능 전해질로서 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, the imidazolium functionalized imide-based lithium salt of the present invention, a method for preparing the same, an electrolyte composition containing the same, and a lithium ion battery including the same are high performance in the field of lithium ion batteries based on functionalization of the imidazolium IL-based ionic salt It can be usefully used as an electrolyte.

도 1은 (a) MSIC 및 (b) FSSPMIC의 1H NMR 스펙트럼이다.
도 2는 LiFSMIPTFSI의(a) 19F NMR, (b) 1H NMR 및 (c) FTIR 스펙트럼이다.
도 3은 (a) LiFSMIPTFSI, LiFSI 및 LiTFSI의 TGA 플롯이고, (b) EC 및 DMSO 혼합 용매(75:25 v/v)에서 LiFSI(0.2M) 및 LiTFSI(0.2M) 첨가제 포함 및 미포함 LiFSMIPTFSI(1 M)의 점도 플롯이다.
도 4는 LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질의(a) LSV 플롯(스캔 속도 10 mV/s), (b) 이온 전도도 대 온도 플롯, (c) 측정된 이온 전도도의 아레니우스(Arrhenius) 플롯, (d) 30 ℃에서 EIS 스캔 횟수에 따른 이온 전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 30 ℃에서(a) 0.1 C, (b) 0.2 C 및 (c) 0.3 C에서의 LIB 코인 셀의 CD 플롯이고, (d) CD 사이클의 함수에 따른 비 용량(specific capacity) 및 쿨롱 효율의 변화이다.
도 6은 각각 LIB에 포함된(a-b) LiFSMIPTFSI, (c-d) LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 (e-f) LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질에 기반한 흑연 애노드의 FE-SEM 이미지이다. 상기 애노드는 0.1 C에서 해당 전해질 기반 LIB의 500 CD 사이클 후에 회수되었다.
도 7은 FSO2NCO의 19F NMR 스펙트럼이다.
도 8은 FSO2NH2의(a) 1H NMR, (b) 19F NMR 및 (c) FTIR 스펙트럼이다.
도 9는 CSPMIC의 1H NMR 스펙트럼이다.
도 10은 25 mV/s의 스캔 속도에서의 LiFSI 및 LiTFSI 전해질(각각 1 M)의 LSV 플롯이다.
도 11은 비대칭(a) 더미 셀 및 (b) 코인 셀의 도식화된 도면이다.
도 12는 (a) LiFSMIPTFSI, (b) LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 (c) LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질 기반 더미 셀의 온도 변화에 따른 EIS 스펙트럼으로서, 모든 EIS 스펙트럼은 5 mV의 AC 진폭으로 0.1 Hz ~ 0.1 MHz의 주파수 범위에서 개방 회로 조건 하에서 측정되었다.
도 13은 더미 셀의 EIS 스펙트럼에 맞는 등가 회로 모델을 나타낸다.
도 14는 FSMIPTFSI 음이온에서 음전하 비편재화를 나타낸 모식도이다.
도 15는 30 ℃에서(a) LiFSMIPTFSI, (b) LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 (c) LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질 기반 더미 셀의 연속적인 EIS 스펙트럼으로서, EIS 측정 순서는 다음과 같다: 10 × CV 스캔(0 ~ +6 V 사이의 전위 범위, 스캔 속도 25 mV/s); 0 V(1 분)에서 이완. 이러한 일련의 전기화학적 안정성 시험을 10 회 반복하였다.
도 16은 1 C 및 30 ℃에서 상이한 전해질의 LIB 코인 셀의 CD 플롯이다.
도 17은 (a) 흑연 애노드의 FE-SEM 이미지 및 (b) 그 표면 확대 사진이다.
도 18은 (a) LiFSMIPTFSI 전해질 기반 LIB의 흑연 애노드의 선택된 영역(삽입도는 C, N, O, F 및 S 원소의 wt%를 보여줌), 및 (b-f) 각각 C, O, F, S 및 N의 EDS 원소 매핑을 나타낸다. 흑연 애노드는 500 CD 사이클 후에 회수되었다.
도 19는 (a) LiFSMIPTFSI+LiFSI 전해질 기반 LIB의 흑연 애노드의 선택된 영역(삽입도는 C, N, O, F 및 S 원소의 wt%를 보여줌), 및 (b-f) 각각 C, O, F, S 및 N의 EDS 원소 매핑을 나타낸다. 흑연 애노드는 500 CD 사이클 후에 회수되었다.
도 20은 (a) LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질 기반 LIB의 흑연 애노드의 선택된 영역(삽입도는 C, N, O, F 및 S 원소의 wt%를 보여줌), 및 (b-f) 각각 C, O, F, S 및 N의 EDS 원소 매핑을 나타낸다. 흑연 애노드는 500 CD 사이클 후에 회수되었다.
1 is a 1 H NMR spectrum of (a) MSIC and (b) FSSPMIC.
Figure 2 is (a) 19 F NMR, (b) 1 H NMR and (c) FTIR spectra of LiFSMIPTFSI.
3 is (a) a TGA plot of LiFSMIPTFSI, LiFSI and LiTFSI, (b) LiFSMIPTFSI with and without LiFSI (0.2M) and LiTFSI (0.2M) additives in an EC and DMSO mixed solvent (75:25 v/v) ( 1 M) is a viscosity plot.
4 is a (a) LSV plot (scan rate 10 mV/s) of LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolytes, (b) ionic conductivity versus temperature plot, (c) Arrhenius of measured ionic conductivity. ) Plot, (d) a graph showing the change in ion conductivity according to the number of EIS scans at 30°C.
5 is a CD plot of a LIB coin cell at (a) 0.1 C, (b) 0.2 C and (c) 0.3 C at 30° C., and (d) specific capacity and coulomb as a function of CD cycle. It is a change in efficiency.
6 is an FE-SEM image of a graphite anode based on (ab) LiFSMIPTFSI, (cd) LiFSMIPTFSI+LiFSI, and (ef) LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolyte contained in LIB, respectively. The anode was recovered after 500 CD cycles of the corresponding electrolyte-based LIB at 0.1 C.
7 is a 19 F NMR spectrum of FSO 2 NCO.
8 is a (a) 1 H NMR, (b) 19 F NMR and (c) FTIR spectra of FSO 2 NH 2.
9 is a 1 H NMR spectrum of CSPMIC.
10 is an LSV plot of LiFSI and LiTFSI electrolytes (1 M each) at a scan rate of 25 mV/s.
11 is a schematic diagram of an asymmetric (a) dummy cell and (b) a coin cell.
12 is an EIS spectrum according to the temperature change of (a) LiFSMIPTFSI, (b) LiFSMIPTFSI + LiFSI and (c) LiFSMIPTFSI + LiTFSI electrolyte-based dummy cell, all EIS spectra of 0.1 Hz to 0.1 MHz with an AC amplitude of 5 mV. It was measured under open circuit conditions in the frequency range.
13 shows an equivalent circuit model that fits the EIS spectrum of a dummy cell.
14 is a schematic diagram showing negative charge delocalization in an FSMIPTFSI anion.
Figure 15 is a continuous EIS spectrum of (a) LiFSMIPTFSI, (b) LiFSMIPTFSI + LiFSI and (c) LiFSMIPTFSI + LiTFSI electrolyte-based dummy cell at 30 °C, the EIS measurement sequence is as follows: 10 × CV scan (0 ~ Potential range between +6 V, scan rate 25 mV/s); Relaxation at 0 V (1 min). This series of electrochemical stability tests was repeated 10 times.
16 is a CD plot of LIB coin cells of different electrolytes at 1 C and 30°C.
17 is (a) an FE-SEM image of a graphite anode and (b) an enlarged photograph of the surface thereof.
Figure 18 is (a) selected regions of the graphite anode of the LiFSMIPTFSI electrolyte-based LIB (insertion diagram shows the wt% of C, N, O, F and S elements), and (bf) C, O, F, S and respectively EDS element mapping of N is shown. The graphite anode was recovered after 500 CD cycles.
Figure 19 is (a) selected regions of the graphite anode of the LiFSMIPTFSI + LiFSI electrolyte-based LIB (inset diagram shows the wt% of C, N, O, F and S elements), and (bf) C, O, F, respectively. EDS element mapping of S and N is shown. The graphite anode was recovered after 500 CD cycles.
Figure 20 is (a) selected regions of the graphite anode of the LiFSMIPTFSI + LiTFSI electrolyte-based LIB (inset diagram shows the wt% of C, N, O, F and S elements), and (bf) C, O, F, respectively. EDS element mapping of S and N is shown. The graphite anode was recovered after 500 CD cycles.

본 발명은 하기 화학식 1의 리튬 염을 제공한다.The present invention provides a lithium salt of the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019051119786-pat00011
Figure 112019051119786-pat00011

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다).(In the above formula, n is an integer of 1 to 5).

본 발명의 리튬 염은 1-메틸이미다졸을 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드로 기능기화하여 제조된 이미다졸륨 기능화된 이미드 기반 리튬 염이다. 상기 화학식 1에서 n의 정수 크기에 따라 이미다졸륨 환과 연결된 알킬 사슬의 길이가 조절될 수 있다.The lithium salt of the present invention is an imidazolium functionalized imide-based lithium salt prepared by functionalizing 1-methylimidazole with lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide. In Formula 1, the length of the alkyl chain connected to the imidazolium ring may be adjusted according to the integer size of n.

일 구현예에서, 상기 화학식 1의 리튬 염은 n=3인 경우에는 하기 화학식 1a인 리튬 염이다.In one embodiment, the lithium salt of Formula 1 is a lithium salt of Formula 1a when n=3.

[화학식 1a][Formula 1a]

Figure 112019051119786-pat00012
Figure 112019051119786-pat00012

화학식 1a의 리튬 염은 1-메틸이미다졸을 기능기화하여 3-(3-(N-(플루오로설포닐)설파모일)프로필)-1-메틸-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드[FSSPMIC]을 얻은 후 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드[LiTFSI]와 반응시켜 이에 상응하는 염으로서 합성된 이온성 염인 리튬(플루오로설포닐)((3-(1-메틸-1H-이미다졸-3-륨-3-일)프로필)설포닐)이미드) 비스(트리플루오로설포닐)이미드[LiFSMIPTFSI]이다.The lithium salt of Formula 1a functionalizes 1-methylimidazole to 3-(3-(N-(fluorosulfonyl)sulfamoyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-lium chloride[ FSSPMIC] was obtained and then reacted with lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide [LiTFSI], and the ionic salt synthesized as a corresponding salt, lithium (fluorosulfonyl) ((3-(1-methyl-1H) -Imidazol-3-ium-3-yl)propyl)sulfonyl)imide) bis(trifluorosulfonyl)imide [LiFSMIPTFSI].

본 발명의 이미다졸륨 기능화된 이미드 기반 리튬 염은 (a) 하기 화학식 2의 화합물을 염화 티오닐(SOCl2)과 염소화 반응시켜 하기 화학식 3의 화합물을 제조하는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 화학식 3의 화합물을 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)와 반응시켜 하기 화학식 4의 화합물을 제조하는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻어진 화학식 4의 화합물을 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드와 반응시켜 화학식 1의 화합물을 제조하는 단계를 포함하는 제1항의 리튬 염의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.Imidazolium-functionalized imide-based lithium salt of the present invention comprises the steps of (a) chlorinating a compound of formula 2 with thionyl chloride (SOCl 2 ) to prepare a compound of formula 3; (b) reacting the compound of formula 3 obtained in step (a) with sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) to prepare a compound of formula 4; And (c) reacting the compound of Formula 4 obtained in step (b) with lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide to prepare the compound of Formula 1 Can be manufactured.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019051119786-pat00013
Figure 112019051119786-pat00013

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019051119786-pat00014
Figure 112019051119786-pat00014

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019051119786-pat00015
Figure 112019051119786-pat00015

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112019051119786-pat00016
Figure 112019051119786-pat00016

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)

일 구현예에서, 상기 화학식 1의 리튬 염은 n=3인 경우에 (a) 하기 화학식 2a의 화합물을 염화 티오닐(SOCl2)과 염소화 반응시켜 하기 화학식 3a의 화합물을 제조하는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 화학식 3a의 화합물을 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)와 반응시켜 하기 화학식 4a의 화합물을 제조하는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻어진 화학식 4a의 화합물을 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드와 반응시켜 화학식 1a의 화합물을 제조하는 단계를 포함하는 화학식 1a의 리튬 염의 제조방법에 의해 제조될 수 있다(하기 반응식 1 참조).In one embodiment, when the lithium salt of Formula 1 is n=3, (a) preparing a compound of Formula 3a by chlorinating a compound of Formula 2a with thionyl chloride (SOCl 2 ); (b) reacting the compound of formula 3a obtained in step (a) with sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) to prepare a compound of formula 4a; And (c) reacting the compound of Formula 4a obtained in step (b) with lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide to prepare the compound of Formula 1a. It can be prepared (see Scheme 1 below).

[화학식 1a][Formula 1a]

Figure 112019051119786-pat00017
Figure 112019051119786-pat00017

[화학식 2a][Formula 2a]

Figure 112019051119786-pat00018
Figure 112019051119786-pat00018

[화학식 3a][Formula 3a]

Figure 112019051119786-pat00019
Figure 112019051119786-pat00019

[화학식 4a][Formula 4a]

Figure 112019051119786-pat00020
Figure 112019051119786-pat00020

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112019051119786-pat00021
Figure 112019051119786-pat00021

상기 화학식 1a의 리튬 염의 제조방법에서, 1-메틸-3-(3-설포프로필)-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드[MSIC, 화학식 2a]는 1-메틸이미다졸과 1,3-프로판 설톤 간의 부가 반응을 통하여 제조될 수 있다(반응식 1 참조). 이 후, 제조된 MSIC[화학식 2a]에 질소 대기 하에서 -10 ℃ ~ 10 ℃(예를 들어, 0 ℃)에서 염화 티오닐(SOCl2)을 적가하여 염소화 반응시켜 3-(3-(클로로설포닐)프로필)-1-메틸-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드[CSPMIC, 화학식 3a]를 제조한다[즉, 단계(a)].In the method for preparing the lithium salt of Formula 1a, 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-1H-imidazol-3-lium chloride [MSIC, Formula 2a] is 1-methylimidazole and 1,3- It can be prepared through an addition reaction between propane sultones (see Scheme 1). Thereafter, thionyl chloride (SOCl 2 ) was added dropwise to the prepared MSIC [Chemical Formula 2a] in a nitrogen atmosphere at -10 °C to 10 °C (for example, 0 °C), followed by a chlorination reaction to 3-(3-(chlorosulfuryl). Phonyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-lium chloride [CSPMIC, formula 3a] is prepared [ie, step (a)].

제조된 CSPMIC[화학식 3a]을 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)와 반응시켜 하기 화학식 4a의 화합물을 제조한다[즉, 단계(b)]. 구체적으로, 적절한 용매(예를 들어, 테트라하이드로퓨란, THF) 중의 CSPMIC[화학식 3a] 용액에 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)를 첨가하고 적절한 반응 온도(예를 들어, 25 ℃)에서 교반하여 3-(3-(N-(플루오로설포닐)설파모일)프로필)-1-메틸-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드[FSSPMIC, 화학식 4a]를 제조한다. 이 후, 반응액에서 THF를 증발시킨 후 에틸 아세테이트(EA) 및 물로 FSSPMIC[화학식 4a]을 추출하여 수득한다.The prepared CSPMIC [Chemical Formula 3a] is reacted with sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) to prepare a compound of Formula 4a [ie, step (b)]. Specifically, sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) was added to a solution of CSPMIC [Formula 3a] in a suitable solvent (eg, tetrahydrofuran, THF) and stirred at an appropriate reaction temperature (eg, 25° C.) To prepare 3-(3-(N-(fluorosulfonyl)sulfamoyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-lium chloride [FSSPMIC, Formula 4a]. Thereafter, THF was evaporated from the reaction solution, and FSSPMIC [Chemical Formula 4a] was extracted with ethyl acetate (EA) and water to obtain.

상기 단계에서 얻어진 FSSPMIC[화학식 4a]을 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드(LiTFSI)와 반응시켜 화학식 1a의 화합물을 제조한다[즉, 단계(c)]. 구체적으로, 적절한 용매(예를 들어, 아세톤)에 용해된 FSSPMIC 용액에 LiTFSI를 첨가하고 적절한 반응 온도(예를 들어, 25 ℃)에서 적절한 반응 시간(예를 들어, 3 시간) 동안 질소 대기 하에서 교반하여 리튬(플루오로설포닐)((3-(1-메틸-1H-이미다졸-3-륨-3-일)프로필)설포닐)이미드) 비스(트리플루오로설포닐)이미드[LiFSMIPTFSI, 화학식 1a]를 제조한다. 이 후, 생성물을 물 및 부틸 아세테이트로 추출하고 물을 증발시킨 후 겔형 LiFSMIPTFSI를 수층으로부터 수집하고, 이를 아세토니트릴로 추가로 재결정화하여 최종 생성물인 LiFSMIPTFSI[화학식 1a]을 얻는다.The FSSPMIC [Chemical Formula 4a] obtained in the above step is reacted with lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (LiTFSI) to prepare a compound of Formula 1a [ie, step (c)]. Specifically, LiTFSI was added to the FSSPMIC solution dissolved in an appropriate solvent (eg, acetone) and stirred under a nitrogen atmosphere for an appropriate reaction time (eg, 3 hours) at an appropriate reaction temperature (eg, 25° C.). Lithium(fluorosulfonyl)((3-(1-methyl-1H-imidazol-3-ium-3-yl)propyl)sulfonyl)imide) bis(trifluorosulfonyl)imide [LiFSMIPTFSI , Formula 1a] is prepared. Thereafter, the product was extracted with water and butyl acetate, the water was evaporated, and the gel-like LiFSMIPTFSI was collected from the aqueous layer, which was further recrystallized with acetonitrile to obtain a final product, LiFSMIPTFSI [Formula 1a].

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 리튬 염을 포함하는 전해질 조성물이 제공된다. 본 발명의 이미다졸륨 기반 리튬 염은 리튬이온 배터리(lithium-ion battery, LIB)에 적용하기 위한 전해질로서 사용되며, LIB용 전해질로 사용시에 광범위한 전기화학적 안정성과 높은 열적 안정성, 우수한 Li+ 전도도 및 낮은 고유 점도를 나타낸다. 본 발명의 이미다졸륨 기반 리튬 염으로 제조된 전해질은 LIB에서 0.1 C에서 비 방전 용량 약 141 mAhg-1을 나타내며, 상기 전해질 조성물에 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드[LiFSI] 또는 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드[LiTFSI] 등의 첨가제가 추가로 포함되는 경우에 전해질의 성능이 더욱 강화되어, 0.1 C에서 각각 약 160 및 150 mAhg-1의 비 방전 용량을 나타낸다. 상기 첨가제는 리튬 염:첨가제 = 1:0.1 ~ 0.3 몰비로 포함될 수 있다. 상기 첨가제와 함께 LIB에 사용한 LiFSMIPTFSI 전해질은 500 회의 충전-방전 사이클 후 전해질 중에서 높은 사이클링 안정성을 나타내며, 특히, LiFSI 첨가제 사용시에는 가장 높은 사이클링 안정성(용량 유지 약 98.50 %)을 보인다.According to another aspect of the present invention, there is provided an electrolyte composition comprising the lithium salt. The imidazolium-based lithium salt of the present invention is used as an electrolyte for application to a lithium-ion battery (LIB), and when used as an electrolyte for LIB, a wide range of electrochemical stability and high thermal stability, excellent Li + conductivity and It has a low intrinsic viscosity. The electrolyte prepared with the imidazolium-based lithium salt of the present invention exhibits a specific discharge capacity of about 141 mAhg -1 at 0.1 C in LIB, and lithium bis(fluorosulfonyl)imide [LiFSI] or lithium bis When an additive such as (trifluoromethylsulfonyl)imide [LiTFSI] is further included, the performance of the electrolyte is further enhanced, and the specific discharge capacities of about 160 and 150 mAhg -1 are respectively shown at 0.1 C. The additive may be included in a lithium salt: additive = 1:0.1 ~ 0.3 molar ratio. LiFSMIPTFSI electrolyte used for LIB together with the additives exhibits high cycling stability among the electrolytes after 500 charge-discharge cycles, and in particular, when LiFSI additives are used, the highest cycling stability (capacity maintenance about 98.50%) is shown.

이 때, 상기 전해질 조성물의 용매로서는 에틸렌 카보네이트 또는 디메틸설폭시드 및 이들의 혼합물로 구성된 용매를 사용할 수 있으나, 본 발명의 이미다졸륨 기반 리튬 염의 전해질 성능을 저해하지 않는 한, 상기 용매에 제한되는 것은 아니다. 상기 에틸렌 카보네이트와 디메틸설폭시드는 혼합 용매로서 사용될 수 있으며, 에틸렌 카보네이트:디메틸설폭시드 90:10 ~ 60:40 부피비, 바람직하게는 80:20 ~ 70:30 부피비로 혼합될 수 있다.At this time, as the solvent of the electrolyte composition, a solvent composed of ethylene carbonate or dimethyl sulfoxide and a mixture thereof may be used, but as long as the electrolyte performance of the imidazolium-based lithium salt of the present invention is not impaired, it is limited to the solvent. no. The ethylene carbonate and dimethyl sulfoxide may be used as a mixed solvent, and ethylene carbonate: dimethyl sulfoxide may be mixed in a volume ratio of 90:10 to 60:40, preferably 80:20 to 70:30 by volume.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상기 전해질 조성물을 포함하는 리튬 이온 배터리가 제공된다. 상기 리튬 이온 배터리는 통상적으로 사용되는 리튬 이온 배터리 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium ion battery comprising the electrolyte composition. The lithium ion battery may be manufactured by a commonly used lithium ion battery manufacturing method.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Example>

1. 실험 방법1. Experimental method

(1) 기재(1) description

톨루엔, 테트라하이드로푸란(THF), 아세톤, 설퍼이소시아네이티드 클로라이드(sulfurisocyanatidic chloride), 헥산, 메틸렌 클로라이드(MC), DMSO, 에틸 아세테이트(EA), EC, LiFSI(99.9 %), LiTFSI(99.95 %), LiFePO4, 카본 블랙 및 폴리(비닐리덴 디플루오라이드, PVDF)는 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)에서 구입하여 추가 정제 없이 사용하였다. 트리플루오로스티빈(trifluorostibine), 1,3-프로판 설톤(1,3-propane sultone), 무수 포름산, 1-메틸이미다졸(1-methylimidazole) 및 염산(37 %)은 알파 에이사(Alfa Aesar, Ward Hill, Massachusetts, USA)에서 구입하였다. LiFePO4 코팅된 알루미늄 호일, CMS 흑연 코팅된 Cu 호일 및 셀가드 분리기(celgard separator)는 MTI사(MTI corporation, CA, USA)로부터 구입하였다. 불소-첨가 산화 주석(fluorine-doped tin oxide, FTO) 전극은 필킹턴(Pilkington, 8 Ω/sq., USA)에서 구입하였다.Toluene, tetrahydrofuran (THF), acetone, sulfurisocyanatidic chloride, hexane, methylene chloride (MC), DMSO, ethyl acetate (EA), EC, LiFSI (99.9%), LiTFSI (99.95%) ), LiFePO 4 , carbon black and poly(vinylidene difluoride, PVDF) were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) and used without further purification. Trifluorostibine, 1,3-propane sultone, anhydrous formic acid, 1-methylimidazole, and hydrochloric acid (37%) are used in Alpha Eisa (Alfa). Aesar, Ward Hill, Massachusetts, USA). LiFePO 4 coated aluminum foil, CMS graphite coated Cu foil and Celgard separator were purchased from MTI Corporation (MTI Corporation, CA, USA). A fluorine-doped tin oxide (FTO) electrode was purchased from Pilkington (8 Ω/sq., USA).

(2) 계측 및 측정(2) Measurement and measurement

화합물의 화학 구조를 분석하기 위해 1H NMR(Bruker DRX, 400 MHz) 및 19F NMR(JEOL JNM-ECZ400 s/Li, 400 MHz) 분광기를 사용하였다. NMR 스펙트럼의 측정에는 DMSO-d 6 , 중수소화수(D2O) 및 중수소화 클로로포름(CDCl3)을 용매로 사용하였고, 테트라메틸실란(TMS)을 내부 표준으로 사용하였다. 푸리에 변환 적외선 스펙트럼(Fourier-transform infrared spectra, FTIR)을 분광광도계(Nicolet iS5, ASB1100426, ThermoFisher Scientific, Massachusetts, USA)로 측정하였다. 열중량 분석(TGA)은 Scinco TGA-N 1000 분석기를 사용하여 30 ~ 600 ℃의 온도 범위에서 N2 대기 조건에서 5 ℃/min의 가열 속도로 수행하였다. 전해질의 동적 점도는 점도계(RheoSense, hts-VROCTM)로 측정하였다. 표면 형태학 및 원소 분석을 위해 전계 방출 주사 전자 현미경(field-emission scanning electron microscope, FE-SEM, JEOL 7401F) 및 에너지 분산 X선 분광법(EDS, INCAx-sight7421, Oxford Instruments)을 각각 사용하였다.In order to analyze the chemical structure of the compound, 1 H NMR (Bruker DRX, 400 MHz) and 19 F NMR (JEOL JNM-ECZ400 s/Li, 400 MHz) spectrometers were used. For the measurement of the NMR spectrum, DMSO- d 6 , deuterated water (D 2 O) and deuterated chloroform (CDCl 3 ) were used as solvents, and tetramethylsilane (TMS) was used as an internal standard. Fourier-transform infrared spectra (FTIR) was measured with a spectrophotometer (Nicolet iS5, ASB1100426, ThermoFisher Scientific, Massachusetts, USA). Thermogravimetric analysis (TGA) was performed using a Scinco TGA-N 1000 analyzer at a heating rate of 5° C./min in N 2 atmospheric conditions in a temperature range of 30 to 600° C. The dynamic viscosity of the electrolyte was measured with a viscometer (RheoSense, hts-VROCTM). For surface morphology and elemental analysis, field-emission scanning electron microscope (FE-SEM, JEOL 7401F) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS, INCAx-sight7421, Oxford Instruments) were used, respectively.

LSV(linear sweep voltammetry), CV(cyclic voltammetry) 및 갈바노스탯(galvanostatic) 충전-방전(charge-discharge, CD)을 포함한 모든 전기화학적 측정은 다중 채널 전위차계/갈바노스탯(Ivium-n-Stat, Ivium Technologies, The Netherlands)으로 수행하였다. LSV 및 CV 측정을 위해 작동 전극, 기준 전극 및 보조 전극으로 각각 기존의 백금(Pt), Ag/AgCl[KCl(aq.)으로 포화됨] 및 Pt 와이어를 사용하였다. 코인 셀의 CD 사이클링 테스트는 0-4 V의 전위 범위에서 일정한 전류(0.1, 0.2, 0.3 및 1 C)를 적용하여 수행하였다. C 비율은 활성 캐소드 물질 중량(약 12.80 mg/cm2)을 기준으로 계산하였다. 전기화학적 임피던스 스펙트럼(EIS)은 임피던스 분석기(IM6ex, Zahner-Elektrik GmbH & Co. KG instrument, Germany)로 측정하였다.All electrochemical measurements, including linear sweep voltammetry (LSV), cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic charge-discharge (CD), are multi-channel potentiometer/galvanostat (Ivium-n-Stat, Ivium Technologies, The Netherlands). For LSV and CV measurements, conventional platinum (Pt), Ag/AgCl [ saturated with KCl (aq.) ] and Pt wires were used as working electrodes, reference electrodes, and auxiliary electrodes, respectively. The CD cycling test of the coin cell was performed by applying a constant current (0.1, 0.2, 0.3 and 1 C) in the potential range of 0-4 V. The C ratio was calculated based on the weight of the active cathode material (about 12.80 mg/cm 2 ). The electrochemical impedance spectrum (EIS) was measured with an impedance analyzer (IM6ex, Zahner-Elektrik GmbH & Co. KG instrument, Germany).

EIS 측정을 위한 주파수 범위, 인가 전압 및 AC 진폭은 각각 0.1-105 Hz, 개방 회로 조건 및 5 mV였다. EIS 스펙트럼에 맞추기 위해 Z-view 소프트웨어(버전 3.1, Scribner Associates Inc., U.S.A.)을 사용하였다.The frequency range, applied voltage and AC amplitude for EIS measurements were 0.1-10 5 Hz, open circuit conditions, and 5 mV, respectively. Z-view software (version 3.1, Scribner Associates Inc., USA) was used to fit the EIS spectrum.

2. 리튬 염의 합성2. Synthesis of lithium salt

하기 반응식 1은 LiFSMIPTFSI의 합성을 위한 단계적 반응의 개략도이다.Scheme 1 below is a schematic diagram of a stepwise reaction for the synthesis of LiFSMIPTFSI.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112019051119786-pat00022
Figure 112019051119786-pat00022

(1) 1-메틸-3-(3-설포프로필)-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드[1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-1H-imidazol-3-ium chloride, MSIC, 화학식 2a]의 합성(1) 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-1H-imidazol-3-ium chloride [1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-1H-imidazol-3-ium chloride, MSIC, chemical formula 2a]

하기 반응식 1에 나타난 바와 같이, 1-메틸이미다졸과 1,3-프로판 설톤 사이의 부가 반응을 통해 1-메틸-3-(3-설포프로필)-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드(MSIC)를 합성하였다. 요약하면, 메틸-1,3-프로판 설톤(65.0 mmol)을 1-메틸이미다졸(50.0 mmol)에 적가하고 100 ℃에서 12 시간 동안 교반하였다. 반응 완료 후, 백색의 침전물을 수집하고 톨루엔 및 디에틸 에테르로 수회 세척하였다. 이 후 동량의 진한 염산(37 %)을 침전물에 첨가하고 60 ℃에서 12 시간 추가 교반하였다. MSIC의 생성된 액체를 톨루엔 및 디에틸 에테르로 세척하고 120 ℃에서 12 시간 동안 진공 건조시켰다.As shown in Scheme 1 below, through an addition reaction between 1-methylimidazole and 1,3-propane sultone, 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-1H-imidazol-3-lium chloride ( MSIC) was synthesized. Briefly, methyl-1,3-propane sultone (65.0 mmol) was added dropwise to 1-methylimidazole (50.0 mmol) and stirred at 100° C. for 12 hours. After completion of the reaction, a white precipitate was collected and washed several times with toluene and diethyl ether. After that, the same amount of concentrated hydrochloric acid (37%) was added to the precipitate, followed by stirring at 60° C. for 12 hours. The resulting liquid of MSIC was washed with toluene and diethyl ether and vacuum dried at 120° C. for 12 hours.

(2) 3-(3-(클로로설포닐)프로필)-1-메틸-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드[3-(3-(chlorosulfonyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-ium chloride, CSPMIC, 화학식 3a]의 합성(2) 3-(3-(chlorosulfonyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-lium chloride [3-(3-(chlorosulfonyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3 Synthesis of -ium chloride, CSPMIC, formula 3a]

MSIC와 염화 티오닐(thionyl chloride, SOCl2)의 염소화 반응에 의해 3-(3-(클로로설포닐)프로필)-1-메틸-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드[CSPMIC]를 제조하였다. 구체적으로, 질소 대기 하에서 0 ℃에서 SOCl2(130.0 mmol)를 MSIC(12.5 mmol)에 적가하였다. 이 후, 반응 혼합물을 12 시간 동안 환류시켰다. 이어서, 미 반응 SOCl2는 증발 및 톨루엔 세척(수회)으로 순차적으로 제거하였다. 도 9에 CSPMIC의 1H NMR이 나타나 있고, 상응하는 분석 데이터는 다음과 같다.3-(3-(chlorosulfonyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-lium chloride [CSPMIC] was prepared by chlorination of MSIC and thionyl chloride (SOCl 2 ). Specifically, SOCl 2 (130.0 mmol) was added dropwise to MSIC (12.5 mmol) at 0 °C under a nitrogen atmosphere. After this, the reaction mixture was refluxed for 12 hours. Subsequently, unreacted SOCl 2 was sequentially removed by evaporation and toluene washing (several times). 1 H NMR of CSPMIC is shown in FIG. 9, and corresponding analysis data are as follows.

CSPMIC. 1H NMR(DMSO : 298K) : δ= 9.2(s, H), 7.8(s, H), 7.7(s, H), 4.25-4.35(t, 2H), 3.85(s, 3H), 2.4-2.6(t, 2H), 2.0-2.2(m, 2H) ppm.CSPMIC. 1 H NMR (DMSO: 298K): δ= 9.2(s, H), 7.8(s, H), 7.7(s, H), 4.25-4.35(t, 2H), 3.85(s, 3H), 2.4- 2.6 (t, 2H), 2.0-2.2 (m, 2H) ppm.

(3) 3-(3-(N-(플루오로설포닐) 설파모일)프로필)-1-메틸-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드[3-(3-(N-(fluorosulfonyl)sulfamoyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-ium chloride, FSSPMIC, 화학식 4a]의 합성(3) 3-(3-(N-(fluorosulfonyl) sulfamoyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-lium chloride [3-(3-(N-(fluorosulfonyl)sulfamoyl) Synthesis of propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-ium chloride, FSSPMIC, Formula 4a]

FSSMIC의 합성 이전에, 전구체인 설퍼이소시아네이티드 플루오라이드(FSO2NCO) 및 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)를 반응식 1에 나타난 바와 같이 고순도로 합성하였고, 이를 3-(3-(클로로설포닐)프로필)-1-메틸-1H-이미다졸-3-륨 클로라이드[CSPMIC]와 반응시켰다. FSO2NCO 및 FSO2NH2의 합성 및 특성 분석은 하기에 기재하였다. FSSMIC의 합성을 위해 FSO2NH2(15.0 mmol)를 제조된 상태인 THF 중 CSPMIC 용액에 넣고 25 ℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 반응 완료 후, THF를 증발시키고, EA 및 물을 사용하여 FSSPMIC를 추출하였다. 이 후 황색을 띤 FSSPMIC을 EA 층에서 수집하였다.Prior to the synthesis of FSSMIC, precursors of sulfur isocyanate fluoride (FSO 2 NCO) and sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) were synthesized with high purity as shown in Scheme 1, which was 3-(3-( It was reacted with chlorosulfonyl)propyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-lium chloride [CSPMIC]. The synthesis and characterization of FSO 2 NCO and FSO 2 NH 2 are described below. For the synthesis of FSSMIC, FSO 2 NH 2 (15.0 mmol) was added to the prepared CSPMIC solution in THF and stirred at 25° C. for 24 hours. After completion of the reaction, THF was evaporated, and FSSPMIC was extracted using EA and water. Thereafter, yellowish FSSPMIC was collected in the EA layer.

(3-a) 설퍼이소시아네이티드 플루오라이드(sulfurisocyanatidic fluoride, FSO(3-a) sulfur isocyanate fluoride (sulfurisocyanatidic fluoride, FSO) 22 NCO)의 합성Synthesis of NCO)

설퍼이소시아네이티드계 플루오르화물(FSO2NCO)의 합성을 위해, 설퍼이소시아네이티드 클로라이드(sulfurisocyanatidic chloride, 1 몰)와 삼불화 안티몬(0.33 몰)의 혼합물을 70 ℃에서 48 시간 동안 교반하였다. 이 후 반응 혼합물을 80 ℃에서 증류하여 순수한 무색의 산성 액체인 FSO2NCO를 얻었다. 도 7에 FSO2NCO의 19F NMR 스펙트럼이 나타나 있으며, 해당 분석 데이터는 하기와 같다.For the synthesis of sulfur isocyanate-based fluoride (FSO 2 NCO), a mixture of sulfur isocyanate chloride (sulfurisocyanatidic chloride, 1 mol) and antimony trifluoride (0.33 mol) was stirred at 70° C. for 48 hours. Thereafter, the reaction mixture was distilled at 80° C. to obtain FSO 2 NCO, a pure colorless acidic liquid. Fig. 7 shows a 19 F NMR spectrum of FSO 2 NCO, and the analysis data are as follows.

FSO2NCO. 수율 = 86 %, 19F NMR(CDCl3; 298K) : δ = 62(s, 1F) ppm.FSO 2 NCO. Yield = 86%, 19 F NMR (CDCl3; 298K): δ = 62 (s, 1F) ppm.

(3-b) 설파모일 플루오라이드(sulfamoyl fluoride, FSO(3-b) sulfamoyl fluoride (FSO) 22 NHNH 22 )의 합성) Of the synthesis

선행문헌에 기재된 프로토콜[R. M. S. Alvarez, et al., J. Mol. Str. 657(2003) 291-300.]에 따라 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)를 합성하였다. 요약하면, 건조된 포름산 400 mmol을 0 ℃에서 합성된 FSO2NCO(270 mmol)에 적가하였다.(안전 참고 사항: 포름산은 CO2, CO 및 HF를 발생시키면서 FSO2NCO와 폭력적인 반응을 함). 그 다음, 반응 혼합물을 24 시간 동안 25 ℃에서 교반하였다. 반응이 끝난 후, 70 ℃에서 진공 펌프와 액체 질소를 사용하여 증류함으로써 FSO2NH2를 얻었으며, 이를 감압에서 반복적으로 트랩-대-트랩(trap-to-trap) 증류 방법으로 정제하였다. 도 8에 FSO2NCO의 1H NMR, 19F NMR 및 FTIR 스펙트럼이 나타나 있다. 해당 분석 데이터는 다음과 같이 요약된다.Protocols described in prior literature [RMS Alvarez, et al., J. Mol. Str. 657 (2003) 291-300.], sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) was synthesized. In summary, 400 mmol of dried formic acid was added dropwise to FSO 2 NCO (270 mmol) synthesized at 0° C. (Safety note: Formic acid reacts violently with FSO 2 NCO while generating CO 2 , CO and HF. ). Then, the reaction mixture was stirred at 25° C. for 24 hours. After the reaction was completed, FSO 2 NH 2 was obtained by distillation at 70° C. using a vacuum pump and liquid nitrogen, which was repeatedly purified by a trap-to-trap distillation method under reduced pressure. Fig. 8 shows 1 H NMR, 19 F NMR and FTIR spectra of FSO 2 NCO. The analysis data is summarized as follows.

FSO2NH2. 수율 = 60%, 1H-NMR(DMSO-d 6 ; 298 K): d = 8.12 (s, 2H) ppm, 19F-NMR(DMSO-d 6 ; 298 K): d = 59(s, 1F) ppm. FTIR(KBr disc): n = 3585(-NH2 비대칭 신장), 3565(-NH2 비대칭 신장), 1761(-NH2 def.), 1387(SO2 대칭 신장), 1201(O=S=O 대칭 신장), 900(S-N 신장), 776(S-F 신장) cm-1.FSO 2 NH 2 . Yield = 60%, 1 H-NMR (DMSO- d 6 ; 298 K): d = 8.12 (s, 2H) ppm, 19 F-NMR (DMSO- d 6 ; 298 K): d = 59 (s, 1 F ) ppm. FTIR (KBr disc): n = 3585 (-NH 2 asymmetric elongation), 3565 (-NH 2 asymmetric elongation), 1761 (-NH 2 def.), 1387 (SO 2 symmetric elongation), 1201 (O=S=O Symmetrical height), 900 (SN height), 776 (SF height) cm -1 .

(4) 리튬(플루오로설포닐)((3-(1-메틸-1H-이미다졸-3-륨-3-일)프로필)설포닐)이미드)(비스트리플루오로설포닐)이미드[lithium (fluorosulfonyl)((3-(1-methyl-1H-imidazol-3-ium-3-yl)propyl)sulfonyl)imide)(bistrifluorosulfonyl)imide , LiFSMIPTFSI, 화학식 1a]의 합성(4) Lithium(fluorosulfonyl)((3-(1-methyl-1H-imidazol-3-lium-3-yl)propyl)sulfonyl)imide)(bistrifluorosulfonyl)imide Synthesis of [lithium (fluorosulfonyl)((3-(1-methyl-1H-imidazol-3-ium-3-yl)propyl)sulfonyl)imide)(bistrifluorosulfonyl)imide, LiFSMIPTFSI, Formula 1a]

LiFSMIPTFSI의 합성을 위해, FSSPMIC(25 mmol)을 아세톤(15 mL)에 녹인 용액에 LiTFSI(30 mmol)을 넣고 질소 대기 하에서 25 ℃에서 3 시간 동안 교반하였다(반응식 1). 이 후, 생성물을 물 및 부틸 아세테이트로 추출하였다. 물을 증발시킨 후 수층으로부터 겔형 생성물을 수집하고, 이를 아세토니트릴로 분말 형태로 재결정하여 수율 약 50 %로 LiFSMIPTFSI를 수득하였다. 마지막으로, 합성된 LiFSMIPTFSI 염을 80 ℃의 진공 오븐에서 30 시간 동안 건조시키고 N2 대기 하에서 글로브 박스에 보관하였다.For the synthesis of LiFSMIPTFSI, LiTFSI (30 mmol) was added to a solution in which FSSPMIC (25 mmol) was dissolved in acetone (15 mL), and stirred at 25° C. for 3 hours under a nitrogen atmosphere (Scheme 1). After this time, the product was extracted with water and butyl acetate. After evaporation of water, a gel-like product was collected from the aqueous layer, and it was recrystallized in a powder form with acetonitrile to obtain LiFSMIPTFSI with a yield of about 50%. Finally, the synthesized LiFSMIPTFSI salt was dried in a vacuum oven at 80° C. for 30 hours and stored in a glove box under N 2 atmosphere.

3. 전해질액 및 셀 제작과 성능 평가3. Electrolyte solution and cell fabrication and performance evaluation

(1) 전해질액의 제조(1) Preparation of electrolyte solution

LiFSMIPTFSI(1 M) 전해질 용액의 제조에는 EC와 DMSO의 혼합 용매(75:25 v/v)를 사용하였다. 이는 LIB에 대한 기존의 EC/DEC 또는 EC/디메틸 카보네이트(DMC) 혼합 용매에 대하여 LiFSMIPTFSI의 매우 낮은 용해도 때문이다. LiFSI와 LiTFSI 20 %(0.2 M)를 첨가제로서 제조된 상태의 LiFSMIPTFSI(1M) 전해질 용액에 각각 첨가하였다(이하, LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI로 각각 표기함). 모든 전해질 용액은 불활성 대기 조건 하에서 글러브 박스에서 제조되었다. 더미 및 코인 셀 제작은 하기와 같다.A mixed solvent of EC and DMSO (75:25 v/v) was used to prepare the LiFSMIPTFSI (1 M) electrolyte solution. This is due to the very low solubility of LiFSMIPTFSI in conventional EC/DEC or EC/dimethyl carbonate (DMC) mixed solvents for LIB. LiFSI and LiTFSI 20% (0.2 M) were each added to the LiFSMIPTFSI (1M) electrolyte solution prepared as an additive (hereinafter, referred to as LiFSMIPTFSI + LiFSI and LiFSMIPTFSI + LiTFSI, respectively). All electrolyte solutions were prepared in a glove box under inert atmospheric conditions. Fabrication of the dummy and coin cell is as follows.

(2) 비대칭 더미 셀 및 코인 셀의 제작(2) Fabrication of asymmetric dummy cells and coin cells

도 11(a)에 더미 셀의 개략적인 구조가 나타나 있다. 더미 셀의 제작을 위하여, LiFePO4와 카본 블랙으로 코팅된 불소-첨가 산화 주석(fluorine-doped tin oxide, FTO) 전극을, 썰린 폴리머 필름(Surlyn polymer film, 두께 60 ㎛)을 스페이서 및 실란트로 사용하여 샌드위치시켰다. LiFePO4 막은 LiFePO4의 수제 페이스트를 사용하여 닥터 블레이드 법(doctor blade method)에 의해 FTO 전극(활성 영역: 0.15 cm2, 두께 : 약 10 ㎛) 상에 증착하고 진공 상태에서 90 ℃에서 건조시켰다. 페이스트에서 LiFePO4, 카본 블랙 및 폴리(비닐리덴 디플루오라이드)[poly(vinylidene difluoride), PVDF]는 각각 86, 5 및 9 중량%였다. 상기와 유사하게, 흑연 탄소와 PVDF가 각각 90 중량%와 10 중량%인 페이스트를 사용하여 흑연 막을 FTO 전극(활성 영역: 0.15 cm2, 두께: 약 12 ㎛)에 증착시켰다. 샌드위치 형성 이전에, 두 전극을 15 분 동안 전해질 용액에 침지시켰다. 더미 셀을 조립한 후, 전해질 용액을 FTO 한쪽 측면 상에 미리 뚫어 놓은 구멍을 통해 주입하고 한시적 밀봉으로서 스카치 테이프로 밀봉하였다. 도 5b에 코인 셀의 개략적인 구조가 나타나 있다. 코인 셀의 제작을 위하여, 흑연 코팅된 Cu 호일, LiFePO4 코팅된 Al 호일 및 셀 가드 필름을 각각 애노드, 캐소드 및 분리기로 사용하였다. 전지(cell)를 조립하기 전에 애노드와 캐소드 모두 0.3 mL 전해질 용액에 15 분간 담갔다. 셀을 불활성 대기 조건 하에서 글러브 박스(glove box)에서 조립하였다.Fig. 11(a) shows a schematic structure of a dummy cell. For the fabrication of the dummy cell, a fluorine-doped tin oxide (FTO) electrode coated with LiFePO 4 and carbon black was used as a spacer and a sealant. I made a sandwich. The LiFePO 4 film was deposited on an FTO electrode (active area: 0.15 cm 2 , thickness: about 10 μm) by a doctor blade method using a homemade paste of LiFePO 4 and dried at 90° C. in a vacuum state. In the paste, LiFePO 4 , carbon black and poly(vinylidene difluoride) [poly(vinylidene difluoride), PVDF] were 86, 5 and 9% by weight, respectively. Similar to the above, a graphite film was deposited on an FTO electrode (active area: 0.15 cm 2 , thickness: about 12 μm) using a paste containing 90% by weight and 10% by weight of graphite carbon and PVDF, respectively. Prior to sandwich formation, both electrodes were immersed in the electrolyte solution for 15 minutes. After assembling the dummy cell, the electrolyte solution was injected through a hole previously drilled on one side of the FTO and sealed with scotch tape as a temporary seal. A schematic structure of a coin cell is shown in FIG. 5B. To fabricate a coin cell, a graphite coated Cu foil, a LiFePO 4 coated Al foil, and a cell guard film were used as an anode, a cathode, and a separator, respectively. Before assembling the cell, both the anode and the cathode were immersed in a 0.3 mL electrolyte solution for 15 minutes. The cells were assembled in a glove box under inert atmospheric conditions.

(3) 이온 전도도 측정(3) ion conductivity measurement

전해질의 Li+ 이온 전도도(σ)는 하기 [수식 1]에 따라 측정하였다.Li + ion conductivity (σ) of the electrolyte was measured according to the following [Equation 1].

[수식 1][Equation 1]

Figure 112019051119786-pat00023
Figure 112019051119786-pat00023

여기서, l은 두 개의 비대칭 전극 사이의 거리이고, Rs는 벌크 저항(bulk resistance)이며, a는 전극의 면적이다.Where l is the distance between two asymmetric electrodes, R s is the bulk resistance, and a is the area of the electrode.

(4) 전이수(transference number, t(4) transmission number (t Li+Li+ )의 측정) Of the measurement

더미 셀을 사용하여 전해질의 tLi+를 측정하였다. 더미 셀의 전극 사이에 10 mV의 양극성 분극을 가하고, 시간대전류법(chronoamperometry)으로 정상 전류(steady-state current, Iss)와 초기 전류(initial current, Io)를 측정하였다. 또한 초기 저항(Ro)과 정상 상태 저항(Rss)을 얻기 위해 더미 셀의 EIS 스펙트럼을 분극 전 후에 측정하였다. 마지막으로, 전해질의 tLi+는 하기 [수식 2]에 따라 계산하였다. T Li+ of the electrolyte was measured using a dummy cell. Bipolar polarization of 10 mV was applied between the electrodes of the dummy cell, and steady-state current (I ss ) and initial current (I o ) were measured by chronoamperometry. In addition, the EIS spectrum of the dummy cell was measured before and after polarization to obtain the initial resistance (R o ) and the steady state resistance (R ss ). Finally, t Li+ of the electrolyte was calculated according to the following [Equation 2].

[수식 2][Equation 2]

Figure 112019051119786-pat00024
Figure 112019051119786-pat00024

(5) EIS 스펙트럼의 측정(5) Measurement of EIS spectrum

상이한 온도에 따른 LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질 기반의 더미 셀의 EIS 스펙트럼이 도 12에 나타나 있다. 모든 EIS 스펙트럼은 전극 물질을 통한 Li+ 이동에 대한 저항(RSEI)에 해당하는 고주파수 영역에서 오목한 반원을 나타냈다. 중주파 영역에서 두 번째 반원은 전기화학적 반응 동안 전하 이동 저항(RCT)을 나타내며, 저주파 영역에서 세 번째 반원은 전극에서의 워버그 확산 저항(Warburg diffusion resistance, Zw)에 해당한다. Rs는 전해질을 통한 Li+ 이온의 이동에 의해 유도되는 벌크 저항이다.The EIS spectra of the LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolyte-based dummy cells according to different temperatures are shown in FIG. 12. All EIS spectra showed a concave semicircle in the high frequency region corresponding to the resistance to Li + migration through the electrode material (R SEI ). The second semicircle in the mid-frequency region represents the charge transfer resistance (R CT ) during the electrochemical reaction, and the third semi-circle in the low-frequency region corresponds to Warburg diffusion resistance (Z w ) at the electrode. R s is the bulk resistance induced by the movement of Li + ions through the electrolyte.

4. 결과4. Results

(1) NMR 및 FTIR 특성 분석(1) NMR and FTIR characterization

도 1에 MSIC 및 FSSPMIC의 1H NMR 스펙트럼이 나타나 있다. MSIC의 스펙트럼에서 다른 특징적인 양성자 피크와 함께, 약 4.7 ppm에서의 -SO3H 양성자 피크의 존재로부터, 1-메틸이미다졸과 1,3-프로판설톤 간의 부가 반응이 성공적으로 진행되어 MSIC가 형성되었음을 알 수 있다. FSSPMIC에서 다른 특징적 양성자 피크와 함께 9.9-10.5 ppm에서의 N-H 양성자의 넓은 피크가 나타나, FSO2NH2와 CSPMIC 간의 반응에 의해 FSSPMIC이 성공적으로 합성되었음을 알 수 있다. MSIC 및 FSSPMIC에 대한 1H NMR 스펙트럼으로부터 얻어진 분석 데이터는 다음과 같다. 1 H NMR spectra of MSIC and FSSPMIC are shown. From the presence of the -SO 3 H proton peak at about 4.7 ppm, along with other characteristic proton peaks in the spectrum of MSIC, the addition reaction between 1-methylimidazole and 1,3-propanesultone proceeded successfully, resulting in MSIC. It can be seen that it was formed. In FSSPMIC, a broad peak of NH protons at 9.9-10.5 ppm appeared along with other characteristic proton peaks, indicating that FSSPMIC was successfully synthesized by a reaction between FSO 2 NH 2 and CSPMIC. Analysis data obtained from 1 H NMR spectra for MSIC and FSSPMIC are as follows.

MSIC에 대하여, 1H-NMR (D2O; 298 K): d = 8.65 (s, H), 7.4 (s, H), 7.3 (s, H), 4.7 (s, SO3H), 4.2-4.3 (t, 2H), 3.79 (s, 3H), 2.79-2.81 (t, 2H), 2.15-2.22 (m, 2H) ppm.For MSIC, 1 H-NMR (D 2 O; 298 K): d = 8.65 (s, H), 7.4 (s, H), 7.3 (s, H), 4.7 (s, SO 3 H), 4.2 -4.3 (t, 2H), 3.79 (s, 3H), 2.79-2.81 (t, 2H), 2.15-2.22 (m, 2H) ppm.

FSSPMIC에 대하여, 1H-NMR (DMSO; 298 K): d = 9.9-10.5 (s, N-H), 9.2 (s, H), 7.8 (s, H), 7.7 (s, H), 4.25-4.35 (t, 2H), 3.85 (s, 3H), 2.4-2.6 (t, 2H), 2.0-2.2 (m, 2H) ppm.For FSSPMIC, 1 H-NMR (DMSO; 298 K): d = 9.9-10.5 (s, NH), 9.2 (s, H), 7.8 (s, H), 7.7 (s, H), 4.25-4.35 (t, 2H), 3.85 (s, 3H), 2.4-2.6 (t, 2H), 2.0-2.2 (m, 2H) ppm.

도 2a 및 도 2b는 각각 LiFSMIPTFSI의 19F NMR 및 1H NMR 스펙트럼을 도시한다. 19F NMR 스펙트럼은 F 원자의 두 가지 다른 전자 환경에 대해 약 78.04 및 -126.47 ppm에서 2개 피크를 나타내었다. 높은 강도를 갖는 첫번째 피크는 TFSI 음이온에서 F 원자를 나타내며, 낮은 강도를 갖는 두번째 피크는 리튬(플루오로설포닐)((3-(1-메틸-1H-이미다졸-3-륨-3-일)프로필)설포닐)이미드의 F 원자를 나타낸다. 1H NMR 스펙트럼에서 N-H 양성자의 넓은 피크의 사라짐과 FSSPMIC와 유사한 다른 양성자 피크의 존재는 FSSPMIC의 성공적인 리튬화(lithiation) 및 LiFSMIPTFSI의 형성을 나타낸다. LiFSMIPTFSI에 대한 1H 및 19F NMR 로부터 얻은 분석 데이터는 다음과 같다.2A and 2B show 19 F NMR and 1 H NMR spectra of LiFSMIPTFSI, respectively. The 19 F NMR spectra showed two peaks at about 78.04 and -126.47 ppm for two different electronic environments of the F atom. The first peak with high intensity represents the F atom in the TFSI anion, and the second peak with low intensity is lithium(fluorosulfonyl)((3-(1-methyl-1H-imidazol-3-ium-3-yl) Represents the F atom of )propyl)sulfonyl)imide. The disappearance of the broad peak of the NH proton in the 1 H NMR spectrum and the presence of another proton peak similar to FSSPMIC indicate successful lithiation of FSSPMIC and formation of LiFSMIPTFSI. Analytical data obtained from 1 H and 19 F NMR for LiFSMIPTFSI are as follows.

1H-NMR (DMSO-d 6 ; 298 K): d = 9.2 (s, H), 7.8 (s, H), 7.7 (s, H), 4.25-4.35 (t, 2H), 3.85 (s, 3H), 2.4-2.6 (t, 2H), 2.0-2.2 (m, 2H) ppm. 19F-NMR (DMSO; 298 K): d = 52.04 (s, 2F), -126.47 (s, F) ppm. 1 H-NMR (DMSO- d 6 ; 298 K): d = 9.2 (s, H), 7.8 (s, H), 7.7 (s, H), 4.25-4.35 (t, 2H), 3.85 (s, 3H), 2.4-2.6 (t, 2H), 2.0-2.2 (m, 2H) ppm. 19 F-NMR (DMSO; 298 K): d = 52.04 (s, 2F), -126.47 (s, F) ppm.

도 2c는 LiFSMIPTFSI, LiFSI 및 LiTFSI의 FTIR 스펙트럼을 보여준다. 모든 화합물은 약 1640 및 1190 cm-1에서 각각 S-N 배음(overtone)과 O=S=O(대칭) 피크를 나타냈다. LiFSMIPTFSI는 약 1472, 1580 및 3104 cm-1에서 각각 C=C, C=N, 및 C=H 신장 피크를 나타냈고, 이는 LiFSMIPTFSI의 성공적인 합성을 시사한다.Figure 2c shows the FTIR spectrum of LiFSMIPTFSI, LiFSI and LiTFSI. All compounds exhibited SN overtone and O=S=O (symmetric) peaks at about 1640 and 1190 cm -1, respectively. LiFSMIPTFSI showed C=C, C=N, and C=H elongation peaks at about 1472, 1580 and 3104 cm −1, respectively, suggesting the successful synthesis of LiFSMIPTFSI.

(2) 물리화학적 성질(2) Physical and chemical properties

도 3a는 LiFSMIPTFSI, LiFSI 및 LiTFSI의 TGA 플롯을 나타낸다. LiFSI와 LiFSMIPTFSI는 모두 2 단계 분해 과정을 나타냈다. LiFSI에 대한 200 ~ 340 ℃의 온도 범위에서의 첫 단계 중량 감소는 약 6 % 였고, LiFSMIPTFSI의 경우 210 ~ 390 ℃에서 약 50 %였다. 이 후, LiFSI에 대하여는 475 ℃까지 약 80 %의 급격한 중량 감소가 발생하였지만, LiFSMIPTFSI에 대하여는 600 ℃까지 약 20 %의 중량 감소가 발생하였다. LiFSI와 LiFSMIPTFSI에 대한 이러한 2 단계 중량 감소는 이들의 특정 분해 과정의 느린 반응 속도에 기인할 수 있다. LiTFSI의 분해는 320 ℃에서 발생하는 단일 단계 중량 감소를 따르며 이는 선행문헌과 잘 일치한다[M. Kerner, N. Plylahan, J. Scheers, P. Johansson, Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (2015) 19569-19581]. LiTFSI의 중량 감소는 430 ℃에서 약 88 %였다. 이것은 LiFSMIPTFSI가 LiFSI와 유사한 열 안정성을 갖고, LiTFSI보다 약간 낮음을 나타낸다. 따라서, LIB의 정상 작동 온도(-40 ~ 85 ℃)를 고려하면 LiFSMIPTFSI는 열 저항성 전해질 개발에 유망하다. LiFSI, LiTFSI 및 LiFSMIPTFSI의 잔량(%)은 600 ℃에서 각각 약 11, 12 및 40 %였다. 이는 분해에 의해 유도된 잔류 탄소 종의 형성 때문인 것으로 추정된다. LiFSI 및 LiTFSI에 비해 LiFSMIPTFSI에 대한 높은 잔류 비율은 LiFSI 및 LiTFSI에 비하여 LiFSMIPTFSI의 구조에 높은 비율의 원자성 탄소가 존재하는 것에 기인할 수 있다. 또한, LiFMIPTFSI의 용융 온도(165-169 ℃)를 측정하였는데, 이는 LiFSI(132-145 ℃) 보다 약간 높고 LiTFSI(234 ℃) 보다 훨씬 낮았다.Figure 3a shows the TGA plot of LiFSMIPTFSI, LiFSI and LiTFSI. Both LiFSI and LiFSMIPTFSI exhibited a two-step digestion process. The first step weight loss in the temperature range of 200 to 340 °C for LiFSI was about 6%, and for LiFSMIPTFSI was about 50% at 210 to 390 °C. Thereafter, for LiFSI, a rapid weight reduction of about 80% occurred up to 475°C, but for LiFSMIPTFSI, a weight reduction of about 20% occurred up to 600°C. This two-step weight reduction for LiFSI and LiFSMIPTFSI can be attributed to the slow reaction rate of their particular digestion process. The decomposition of LiTFSI follows a single step weight loss occurring at 320 °C, which is in good agreement with the prior literature [M. Kerner, N. Plylahan, J. Scheers, P. Johansson, Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (2015) 19569-19581]. The weight loss of LiTFSI was about 88% at 430°C. This indicates that LiFSMIPTFSI has similar thermal stability to LiFSI, and is slightly lower than LiTFSI. Therefore, considering the normal operating temperature (-40 ~ 85 ℃) of LIB, LiFSMIPTFSI is promising for the development of heat resistant electrolyte. The remaining amounts (%) of LiFSI, LiTFSI and LiFSMIPTFSI were about 11, 12 and 40% at 600°C, respectively. This is presumed to be due to the formation of residual carbon species induced by decomposition. The high residual ratio for LiFSMIPTFSI compared to LiFSI and LiTFSI may be due to the presence of a high ratio of atomic carbon in the structure of LiFSMIPTFSI compared to LiFSI and LiTFSI. In addition, the melting temperature of LiFMIPTFSI (165-169 °C) was measured, which was slightly higher than LiFSI (132-145 °C) and much lower than LiTFSI (234 °C).

도 3b는 30 내지 80 ℃의 온도 범위에서 전해질의 점도 대 온도 플롯을 나타낸다. LiFSMIPTFSI(1 M)의 점도는 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 30 및 80 ℃에서 각각 약 2.90 및 1.0 cP였다. 온도가 증가함에 따라 점도가 감소하는 것은 LiFSMIPTFSI 분자 사이의 분자간 힘의 감소에 기인 할 수 있다. LiFSMIPTFSI+LiFSI와 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질의 점도는 30 ℃에서 LiFSMIPTFSI 단독 전해질보다 더 높아서 각각 약 3.30 및 4.80 cP였고, 80 ℃에서는 각각 약 1.70 및 2.20 cP였다. 모든 전해질의 넓은 온도 범위에서의 낮은 점도는 LIB에서 Li+ 이온을 전도하는 높은 능력을 나타낸다.3B shows a plot of the viscosity versus temperature of the electrolyte in the temperature range of 30 to 80°C. The viscosity of LiFSMIPTFSI (1 M) decreased with increasing temperature, and was about 2.90 and 1.0 cP at 30 and 80° C., respectively. The decrease in viscosity with increasing temperature can be attributed to the decrease in intermolecular force between LiFSMIPTFSI molecules. The viscosity of the LiFSMIPTFSI+LiFSI and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolytes was higher than that of LiFSMIPTFSI alone electrolyte at 30° C., about 3.30 and 4.80 cP, respectively, and about 1.70 and 2.20 cP at 80° C., respectively. The low viscosity over a wide temperature range of all electrolytes indicates a high ability to conduct Li + ions in the LIB.

(3) 전기화학적 산화 안정성 및 이온 전도도(3) Electrochemical oxidation stability and ionic conductivity

모든 전해질의 전기화학적 산화 안정성은 LSV로 측정하였다. 도 4a는 1.5 ~ 7.0 V(Li/Li+ 대비)의 전위 범위에서 Pt 작동 전극에서 모든 전해질의 LSV 플롯을 나타낸다. 또한, 비교를 위해, 도 10에 LiFSI 및 LiTFSI 전해질(각각 1M)의 LSV 플롯이 나타나있다. LiFSMIPTFSI 전해질의 전기화학적 산화 안정성은 약 5.3 V였고, LiFSMIPTFSI+LiFSI, LiFSMIPTFSI+LiTFSI, LiFSI 및 LiTFSI 전해질에 대하여는 각각 약 6.0, 5.60, 4.75 및 4.65 V였다. LiFSMIPTFSI와 비교하여 LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질에 있어서의 산화 안정성 향상은 LiFSMIPTFSI 및 첨가제(LiFSI 또는 LiTFSI)의 상승 효과에 의해 촉진되는 밴드 갭의 확대에 기인할 수 있다. 이는 또한 LiFSI 및 LiTFSI가 모두 LiFSMIPTFSI의 전기화학적 분해에 대한 효과적인 억제제임을 나타낸다. 이러한 전해질의 산화 안정성 전압은 기존의 LiCoO2 및 LiFePO4 캐소드의 작동 전위(Li/Li+ 대비 각각 약 4 및 3.5V) 보다 훨씬 높다. 따라서, 모든 전해질은 높은 전압 및 안정성을 갖는 LIB의 개발에 유용하게 사용될 것이다.The electrochemical oxidation stability of all electrolytes was measured by LSV. Figure 4a shows the LSV plots of all electrolytes in the Pt working electrode in the potential range of 1.5 to 7.0 V (Li/Li + vs.). In addition, for comparison, LSV plots of LiFSI and LiTFSI electrolytes (1M each) are shown in FIG. 10. The electrochemical oxidation stability of the LiFSMIPTFSI electrolyte was about 5.3 V, and about 6.0, 5.60, 4.75 and 4.65 V for the LiFSMIPTFSI+LiFSI, LiFSMIPTFSI+LiTFSI, LiFSI and LiTFSI electrolytes, respectively. Compared with LiFSMIPTFSI, the improvement of oxidation stability in LiFSMIPTFSI + LiFSI and LiFSMIPTFSI + LiTFSI electrolytes can be attributed to the enlargement of the band gap promoted by the synergistic effect of LiFSMIPTFSI and additives (LiFSI or LiTFSI). It also indicates that both LiFSI and LiTFSI are effective inhibitors of the electrochemical degradation of LiFSMIPTFSI. The oxidation stability voltage of this electrolyte is much higher than that of the conventional LiCoO 2 and LiFePO 4 cathodes (about 4 and 3.5 V compared to Li/Li +, respectively). Therefore, all electrolytes will be usefully used in the development of LIBs having high voltage and stability.

EIS 방법을 적용하여 30 ~ 80 ℃의 온도 범위에서 비대칭 더미 셀(도 11)을 사용하여 전해질의 σ를 측정하였다. σ 및 EIS 스펙트럼의 측정에 대한 내용은 앞에서 설명한 바와 같다. 도 4b에 전해질의 σ 값이 나타나 있고, 유사성 있는 EIS 스펙트럼이 도 12에 나타나 있으며, 이는 도 13에서와 같이 적절한 등가 회로 모델이 적용되었다. LiFSMIPTFSI 전해질의 σ는 30 ℃에서 약 6.10 mS/cm, Li+ 전이수(tLi+)는 약 0.55였으며, 이는 보고된 LiBF4(4.9 mS/cm), LiClO4(8.4 mS/cm) 및 IL 기반 전해질보다 높거나 비슷하다. tLi+ 측정은 앞에서 설명한 바와 같다. LiFSMIPTFSI 전해질의 σ는 온도가 증가함에 따라 증가하였으며, 80 ℃에서 약 7.50 mS/cm였다. 이는 온도에 따른 LiFSMIPTFSI 전해질의 동적 점도 변화와 잘 일치한다. LiFSMIPTFSI 전해질의 높은 σ는, 도 14에 나타난 바와 같이, FSMIPTFSI 음이온의 전하 비편재화에 의해 추가적으로 설명될 수 있다. FSMIPTFSI 음이온의 음성 전하의 비편재화는 안정화를 유도할 수 있고, 동시에 이온 쌍(ion pairing)의 결합 상수(association constant)를 감소시키고 σ를 증가시킬 수 있다.By applying the EIS method, σ of the electrolyte was measured using an asymmetric dummy cell (FIG. 11) in a temperature range of 30 to 80°C. The information on the measurement of σ and EIS spectrum is as described above. The σ value of the electrolyte is shown in Fig. 4b, and the similar EIS spectrum is shown in Fig. 12, and an appropriate equivalent circuit model is applied as in Fig. 13. Σ of LiFSMIPTFSI electrolyte was about 6.10 mS/cm at 30° C., Li + transition number (t Li+ ) was about 0.55, which was reported LiBF 4 (4.9 mS/cm), LiClO 4 (8.4 mS/cm) and IL-based Higher than or similar to electrolytes. Measurement of t Li+ is as described above. Σ of the LiFSMIPTFSI electrolyte increased with increasing temperature, and was about 7.50 mS/cm at 80°C. This is in good agreement with the change of the dynamic viscosity of the LiFSMIPTFSI electrolyte with temperature. The high σ of the LiFSMIPTFSI electrolyte can be further explained by the charge delocalization of the FSMIPTFSI anion, as shown in FIG. 14. The delocalization of the negative charge of the FSMIPTFSI anion can lead to stabilization, and at the same time, can reduce the association constant of ion pairing and increase σ.

LiFSI 및 LiTFSI 첨가제는 모두 LiFSMIPTFSI 전해질의 σ를 향상시켰는데, LiFMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질의 경우 30 ℃에서 각각 약 8.5 및 7.90 mS/cm였고, tLi+는 각각 0.64 및 0.60였다. 80 ℃에서는 약 9.65 및 9.10 mS/cm였다. 이 또한 온도에 따른 점도 변화와 일치한다. 첨가제에 의한 LiFSMIPTFSI 전해질의 σ 향상은 상응하는 전해질로의 Li+ 농도의 순(net) 향상에 기인 할 수 있다. LiFSMIPTFSI+LiFSI 전해질은 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질에 비해 σ의 가장 향상된 향상을 보였고, 이는 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질에 비해 낮은 점도와 높은 tLi+에 기인할 수 있다. 또한, TFSI 음이온에 비해 더 작은 FSI 음이온은 더 빠른 이온 이동을 가능하게 하고 동시에 LiFSMIPTFSI+LiFSI 전해질의 σ를 향상시킬 수 있다. 도 4c는 모든 전해질의 측정된 σ의 아레니우스(Arrhenius) 플롯을 보여준다. LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질에 대한 활성화 에너지(Ea)는 각각 약 2.80, 2.35 및 2.50 kJ/mol이었다. 모든 전해질의 이와 같은 낮은 Ea 값은 Li+와 전해질의 상응하는 음이온 사이의 약한 결합 에너지를 나타내며, LIB에서 높은 σ 및 전기화학적 성능을 얻는 데 유리하다.LiFSI and LiTFSI additives both improved the σ of LiFSMIPTFSI electrolyte, LiFMIPTFSI+LiFSI and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolytes were about 8.5 and 7.90 mS/cm at 30° C., respectively, and t Li+ was 0.64 and 0.60, respectively. At 80° C., they were about 9.65 and 9.10 mS/cm. This also coincides with the change in viscosity with temperature. The σ enhancement of the LiFSMIPTFSI electrolyte by the additive can be attributed to the net enhancement of the Li + concentration to the corresponding electrolyte. The LiFSMIPTFSI+LiFSI electrolyte showed the most improved improvement of σ compared to the LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolyte, which can be attributed to the low viscosity and high t Li+ compared to the LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolyte. In addition, the smaller FSI anion compared to the TFSI anion enables faster ion migration and at the same time improves the σ of LiFSMIPTFSI+LiFSI electrolyte. Figure 4c shows the Arrhenius plot of the measured σ of all electrolytes. The activation energies (E a ) for the LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolytes were about 2.80, 2.35 and 2.50 kJ/mol, respectively. This low E a value of all electrolytes indicates a weak binding energy between Li + and the corresponding anion of the electrolyte, which is advantageous in obtaining high σ and electrochemical performance in LIB.

모든 전해질의 전기화학적 안정성은 30 ℃에서 연속적인 EIS(10 회) 측정으로 σ 값의 변화를 측정하여 조사하였다. 각각의 EIS 스펙트럼은 25 mV/s의 스캔 속도에서 0 내지 7 V(Li/Li+ 대비)의 전위 범위에서 더미 셀의 CV 스위핑(10 사이클) 후에 측정하였다. 도 4d에 EIS 스캔 횟수에 따른 σ 값의 변화가 요약되어 있고, 해당 EIS 스펙트럼은 도 15에 나타나 있다. σ는 LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질의 경우 각각 약 6.56, 7.10 및 8.0 %만 감소하였다. 모든 전해질의 이러한 σ 값의 작은 변화는 안정적인 LIB의 개발에 유망한 우수한 전기화학적 안정성을 보여준다.The electrochemical stability of all electrolytes was investigated by measuring the change in σ value by continuous EIS (10 times) measurement at 30°C. Each EIS spectrum was measured after CV sweeping (10 cycles) of dummy cells in a potential range of 0 to 7 V (relative to Li/Li +) at a scan rate of 25 mV/s. 4D summarizes the change in σ value according to the number of EIS scans, and the corresponding EIS spectrum is shown in FIG. 15. σ decreased by only about 6.56, 7.10 and 8.0% in the case of LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI, and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolytes, respectively. These small changes in σ values of all electrolytes show excellent electrochemical stability promising for the development of stable LIBs.

(4) 전해질의 전기화학적 성능(4) Electrochemical performance of electrolyte

도 5(a-c)는 LiFePO4/전해질/흑연의 장치 구조로, 각각 0.1, 0.2 및 0.3 C에서 모든 LIB의 CD 프로파일을 보여준다. LiFSMIPTFSI 전해질 기반 LIB는 가장 높은 과전압을 보였으나, 과전압은 첨가제 첨가시 감소하였으며 모든 C 속도에서 LiFSMIPTFSI+LiFSI에 대하여 가장 낮다. 이는 LiFSI와 LiTFSI가 LiFSMIPTFSI 전해질에 대하여 우수한 가역성을 갖는 고에너지 효율을 얻기 위한 효과적인 첨가제임을 나타낸다. 이들 LIB의 Csp는 캐소드 물질인 LiFePO4에 기초하여 계산되었다. LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질 기반 LIB의 Csp는 0.1 C에서 각각 141, 160, 150 mAhg-1였다. 0.2 C에서는 각각 약 130, 150 및 141 mAhg-1였고, 0.3 C에서는 각각 약 121, 138 및 129 mAhg-1였다. 모든 전해질 기반 LIB의 Csp는 1 C에서 각각 약 95, 115 및 105 mAhg-1로 측정되었다(도 16). 비교를 위해, 동일한 장치 구조로 EC/DMSO 용매(75:25 v/v)에서 LiFSI(1 M) 및 LiTFSI(1 M)의 전기화학적 성능도 측정하였고, 0.1 C에서 각각 약 126 및 123 mAhg-1의 Csp를 나타내었다. 이는 LiFSMIPTFSI 전해질이 LiFSI 및 LiTFSI 전해질 기반 배터리의 전기화학적 성능을 능가할 수 있음을 나타내며 유망한 대안이 될 수 있다. 순수 LiFSMIPTFSI 전해질 기반 LIB의 Csp는 표 1에 기재된 바의 보고된 다른 LIB보다 높거나 유사하다. LiFSMIPTFSI 전해질 기반 LIB의 Csp는 LiFSI 및 LiTFSI 첨가제의 첨가에 의해 보다 향상되었으며, LiFSI 첨가제가 더 효과적이다. 지금까지의 결과는 상응하는 전해질의 σ, tLi+ 및 점도의 변화가 잘 일치된다.5(ac) shows the device structure of LiFePO 4 /electrolyte/graphite, showing the CD profiles of all LIBs at 0.1, 0.2 and 0.3 C, respectively. LiFSMIPTFSI electrolyte-based LIB showed the highest overvoltage, but the overvoltage decreased with the addition of additives and the lowest for LiFSMIPTFSI+LiFSI at all C rates. This indicates that LiFSI and LiTFSI are effective additives for obtaining high energy efficiency with excellent reversibility to LiFSMIPTFSI electrolyte. The C sp of these LIBs was calculated based on the cathode material LiFePO 4. The C sp of the LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolyte-based LIB was 141, 160, and 150 mAhg −1 at 0.1 C, respectively. At 0.2 C, it was about 130, 150, and 141 mAhg -1 , respectively, and at 0.3 C, it was about 121, 138 and 129 mAhg -1, respectively. The C sp of all electrolyte-based LIBs was measured to be about 95, 115 and 105 mAhg −1 at 1 C, respectively (FIG. 16). For comparison, EC / DMSO solvent at the same device structure (75:25 v / v) in LiFSI (1 M) and the electrochemical performance of LiTFSI (1 M) was also measured, each about 126 at 0.1 C and 123 mAhg - It represents the C sp of 1. This indicates that the LiFSMIPTFSI electrolyte can outperform the electrochemical performance of LiFSI and LiTFSI electrolyte-based batteries and may be a promising alternative. The C sp of pure LiFSMIPTFSI electrolyte based LIB is higher or similar to other reported LIBs as listed in Table 1. The C sp of the LiFSMIPTFSI electrolyte-based LIB was improved by the addition of LiFSI and LiTFSI additives, and the LiFSI additive was more effective. The results so far agree well with the changes in σ, t Li+ and viscosity of the corresponding electrolyte.

하기 표 1은 LIB에 대한 본 발명에서 개발된 전해질과 최근에 보고된 전해질의 비 용량 비교 표이다.Table 1 is a table comparing the specific capacity of the electrolyte developed in the present invention and the recently reported electrolyte for LIB.

Figure 112019051119786-pat00025
Figure 112019051119786-pat00025

도 5d에 0.1 ℃및 30 ℃에서 모든 전해질 기반 LIB의 CD 사이클 수에 대한 Csp 및 쿨롱 효율(η)의 변화가 나타나 있다. LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질 기반 LIB에 대한 Csp는 500 CD 사이클 후에 각각 약 12.2(130.80 mAhg-1), 4.52(169 mAhg-1) 및 9.90 %(145.10 mAhg-1) 감소하였다. 이는 향상된 전기화학적 성능을 얻기 위해 LiFSMIPTFSI 전해질에 대하여 LiFSI가 LiTFSI보다 더 우수한 첨가제임을 나타낸다. LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질 기반 배터리에 있어서 1회 CD 사이클에서 η이 각각 약 90, 92 및 91 %였고, 이는 단조 증가하여 500 CD 사이클 후에 각각 약 95.90, 98.50 및 97.40 %를 나타냈다. CD 사이클 수의 증가에 따른 η의 단조 증가는 상기 전해질에 의해 유도된 애노드 표면 상에 안정한 SEI 층의 형성에 기인할 수 있다. LiFSMIPTFSI 전해질 기반 배터리의 η은 LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질을 기반으로 한 배터리보다 약간 낮았다. 이것은 흑연 애노드 위에 SEI 층을 형성하는 능력이 낮기 때문일 수 있다. Figure 5d shows the change in C sp and Coulomb efficiency (η) for the number of CD cycles of all electrolyte-based LIBs at 0.1°C and 30°C. The C sp for LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolyte-based LIB decreased by about 12.2 (130.80 mAhg -1 ), 4.52 (169 mAhg -1 ) and 9.90% (145.10 mAhg -1 ), respectively, after 500 CD cycles. This indicates that LiFSI is a better additive than LiTFSI for LiFSMIPTFSI electrolyte to obtain improved electrochemical performance. For LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI, and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolyte-based batteries, η in one CD cycle was about 90, 92 and 91%, respectively, which increased monotonically to about 95.90, 98.50 and 97.40%, respectively, after 500 CD cycles. The monotonic increase in η with increasing the number of CD cycles may be due to the formation of a stable SEI layer on the anode surface induced by the electrolyte. The η of LiFSMIPTFSI electrolyte based batteries was slightly lower than those based on LiFSMIPTFSI+LiFSI and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolytes. This may be due to the low ability to form an SEI layer on the graphite anode.

LIB 안정성과 η을 더 조사하기 위해 이러한 전해질 기반 LIB의 셀 계면 안정성(cell interface stability)을 흑연 애노드의 표면 형태를 분석하여 조사하였다. 도 6에 0.1 C에서 500 CD 사이클 후에 회수된, LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI 및 LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질을 기반으로 한 LIB의 흑연 애노드의 FE-SEM 이미지가 나타나 있다. 비교를 위해 순수 흑연의 FE-SEM 이미지(도 17)도 측정하였으며, 이는 매우 매끄러운 표면을 보였다. 이러한 전해질 기반 LIB의 흑연 애노드의 표면에 LiF, Li2S 및 LiyC2Fx 화합물의 치밀하고 안정적인 SEI 층이 형성되었음을 나타냈다. LiFSMIPTFSI+LiFSI 전해질에 의해 유도된 흑연 애노드 상에 형성된 SEI 층의 밀도가 LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiTFSI 전해질에 의해 형성된 SEI 층보다 훨씬 높았다. 이 SEI 층은 전극/전해질 계면의 안정성을 증가시킬 수 있으며, 동시에 LIB의 안정성 및 η을 향상시킨다. 이는 이러한 전해질 기반 LIB의 안정성과 η에서 매우 일치되어 나타난다. 이들 전해질에 의해 구현된 흑연 애노드 표면 상에 SEI 층이 형성되는 것은 EDS 원소 지도에 의해 추가로 검증되었고, 그 결과가 도 18 내지 도 20에 나타나 있다. EDS 원소 지도는 흑연 애노드 표면에 원소 C, O, S, F 및 N의 존재를 명확하게 나타내었으며, 이들 원소의 비율은 LiFSMIPTFSI+LiFSI에서 더 높는 것으로 나타났다.In order to further investigate the LIB stability and η, the cell interface stability of the electrolyte-based LIB was investigated by analyzing the surface morphology of the graphite anode. Fig. 6 shows an FE-SEM image of a graphite anode of LIB based on LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiFSI and LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolytes recovered after 500 CD cycles at 0.1 C. For comparison, an FE-SEM image (FIG. 17) of pure graphite was also measured, which showed a very smooth surface. It was shown that a dense and stable SEI layer of LiF, Li 2 S and Li y C 2 F x compounds was formed on the surface of the graphite anode of this electrolyte-based LIB. The density of the SEI layer formed on the graphite anode induced by LiFSMIPTFSI+LiFSI electrolyte was much higher than that of the SEI layer formed by LiFSMIPTFSI, LiFSMIPTFSI+LiTFSI electrolyte. This SEI layer can increase the stability of the electrode/electrolyte interface, and at the same time improve the stability and η of LIB. This appears to be very consistent with the stability of this electrolyte-based LIB and η. Formation of the SEI layer on the surface of the graphite anode implemented by these electrolytes was further verified by the EDS elemental map, and the results are shown in FIGS. 18 to 20. The EDS elemental map clearly indicated the presence of elements C, O, S, F and N on the graphite anode surface, and the proportion of these elements was found to be higher in LiFSMIPTFSI+LiFSI.

5. 결론5. Conclusion

본 발명에서는 LIB에서의 적용을 위한 전해질 염 LiFSMIPTFSI를 제조하였다. LiFSMIPTFSI 전해질은 우수한 σ, tLi+, 높은 전기화학적 및 열적 안정성 및 낮은 점도를 나타내었으며, 동시에 LiFePO4/전해질/흑연의 장치 구조의 LIB에서 0.1 C에서 약 141 mAhg-1의 Csp를 전도시켰다. LiFSMIPTFSI의 물리화학적 특성인 σ, tLi+ 및 전기화학적 산화 안정성은 LiFSI 및 LiTFSI 첨가제를 첨가함으로써 추가로 향상되었다. 측정 결과, LiFSMIPTFSI에 있어서 LiFSI가 LiTFSI보다 우수한 첨가제임이 확인되었으며, 최대 용량 유지 및 η와 함께 0.1 C에서 약 160 mAhg-1의 Csp를 전도시켰다. 상기 전해질의 전기화학적 성능은 보고된 다른 많은 전해질 기반 LIB에 비해 높거나 비슷한 것으로 나타났다. 그러나, 이러한 전해질 기반 LIB의 안전성은 유기 용매의 사용으로 인해 여전히 큰 관심사이며 추가적인 연구가 필요하다. 본 발명은 다른 전해액 기반의 고성능 전해질 염을 개발하는데 있어서 아이디어를 제공할 것이다.In the present invention, an electrolyte salt LiFSMIPTFSI was prepared for application in LIB. LiFSMIPTFSI electrolyte showed excellent σ, t Li+ , high electrochemical and thermal stability, and low viscosity, and at the same time conducted C sp of about 141 mAhg -1 at 0.1 C in the LIB of the device structure of LiFePO 4 /electrolyte/graphite. The physicochemical properties of LiFSMIPTFSI, σ, t Li+, and electrochemical oxidation stability were further improved by adding LiFSI and LiTFSI additives. As a result of the measurement, it was confirmed that LiFSI is an additive superior to LiTFSI in LiFSMIPTFSI, and C sp of about 160 mAhg -1 was conducted at 0.1 C with maximum capacity maintenance and η. The electrochemical performance of the electrolyte was found to be higher or comparable to that of many other electrolyte-based LIBs reported. However, the safety of these electrolyte-based LIBs is still of great interest due to the use of organic solvents and further studies are required. The present invention will provide an idea in developing high performance electrolyte salts based on other electrolyte solutions.

6. 요약6. Summary

본 발명에서는 리튬 이온 배터리(lithium-ion battery, LIB) 개발을 위한 전해질로서 이미다졸륨 기능화된 이미드 기반 전해질 염, 리튬(플루오로설포닐)((3-(1-메틸-1H-이미다졸-3-륨-3-일)프로필)설포닐)이미드) 비스(트리플루오로설포닐)이미드(LiFSMIPTFSI)를 합성하였다. LiFSMIPTFSI 전해질은 높은 전기화학적 산화 안정성 및 양호한 Li+ 전도도를 나타내며, 동시에 0.1 C에서 141 mAhg-1의 비 방전 용량을 제공한다. 상기 LiFSMIPTFSI 전해질의 전기화학적 성능은 기존의 이미드 염인 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI) 및 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드(LiTFSI))를 첨가제로 첨가함으로써 각각 약 20 % 추가 향상된다. LiFSI 첨가제 포함된 LiFSMIPTFSI 전해질 기반의 LIB는 500회의 충전-방전 사이클 후에 가장 높은 쿨롱 효율(98.50 %)과 함께 최대 용량 유지(약 95.50 %)를 나타낸다.In the present invention, as an electrolyte for the development of a lithium-ion battery (LIB), an imide-based electrolyte salt functionalized with imidazolium, lithium (fluorosulfonyl) ((3-(1-methyl-1H-imidazole) -3-Rium-3-yl)propyl)sulfonyl)imide) bis(trifluorosulfonyl)imide (LiFSMIPTFSI) was synthesized. LiFSMIPTFSI electrolyte shows high electrochemical oxidation stability and good Li + conductivity, and at the same time provides a specific discharge capacity of 141 mAhg -1 at 0.1 C. The electrochemical performance of the LiFSMIPTFSI electrolyte is about each by adding lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) and lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (LiTFSI)), which are conventional imide salts, as additives. An additional 20% improvement. LiFSMIPTFSI electrolyte-based LIB with LiFSI additive shows maximum capacity retention (about 95.50%) with the highest Coulomb efficiency (98.50%) after 500 charge-discharge cycles.

Claims (10)

하기 화학식 1의 리튬 염:
[화학식 1]
Figure 112019051119786-pat00026

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다).
Lithium salt of formula 1:
[Formula 1]
Figure 112019051119786-pat00026

(In the above formula, n is an integer of 1 to 5).
제1항에 있어서, 리튬 염이 하기 화학식 1a인 리튬 염:
[화학식 1a]
Figure 112019051119786-pat00027
.
The lithium salt of claim 1, wherein the lithium salt is of formula 1a:
[Formula 1a]
Figure 112019051119786-pat00027
.
제1항 또는 제2항의 리튬 염을 포함하는 전해질 조성물.An electrolyte composition comprising the lithium salt of claim 1 or 2. 제3항에 있어서, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드, 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 첨가제가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 전해질 조성물.The electrolyte composition of claim 3, further comprising an additive selected from the group consisting of lithium bis(fluorosulfonyl)imide, lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, and mixtures thereof. . 제4항에 있어서, 상기 첨가제가 리튬 염:첨가제 = 1:0.1 ~ 0.3 몰비로 포함되는 것을 특징으로 하는 전해질 조성물.The electrolyte composition according to claim 4, wherein the additive is contained in a lithium salt: additive = 1:0.1 to 0.3 molar ratio. 제3항에 있어서, 용매가 에틸렌 카보네이트, 디메틸설폭시드 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 전해질 조성물.The electrolyte composition according to claim 3, wherein the solvent is one selected from the group consisting of ethylene carbonate, dimethyl sulfoxide, and mixtures thereof. 제3항의 전해질 조성물을 포함하는 리튬 이온 배터리.A lithium ion battery comprising the electrolyte composition of claim 3. (a) 하기 화학식 2의 화합물을 염화 티오닐(SOCl2)과 염소화 반응시켜 하기 화학식 3의 화합물을 제조하는 단계;
(b) 단계(a)에서 얻어진 화학식 3의 화합물을 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)와 반응시켜 하기 화학식 4의 화합물을 제조하는 단계; 및
(c) 단계(b)에서 얻어진 화학식 4의 화합물을 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드와 반응시켜 화학식 1의 화합물을 제조하는 단계
를 포함하는 제1항의 리튬 염의 제조방법:
[화학식 1]
Figure 112019051119786-pat00028

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)
[화학식 2]
Figure 112019051119786-pat00029

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)
[화학식 3]
Figure 112019051119786-pat00030

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다)
[화학식 4]
Figure 112019051119786-pat00031

(상기 식에서 n은 1 내지 5의 정수이다).
(a) preparing a compound of formula 3 by chlorination reaction of the compound of formula 2 with thionyl chloride (SOCl 2 );
(b) reacting the compound of formula 3 obtained in step (a) with sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) to prepare a compound of formula 4; And
(c) reacting the compound of formula 4 obtained in step (b) with lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide to prepare a compound of formula 1
The method for preparing the lithium salt of claim 1 comprising:
[Formula 1]
Figure 112019051119786-pat00028

(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)
[Formula 2]
Figure 112019051119786-pat00029

(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)
[Formula 3]
Figure 112019051119786-pat00030

(In the above formula, n is an integer from 1 to 5)
[Formula 4]
Figure 112019051119786-pat00031

(In the above formula, n is an integer of 1 to 5).
제8항에 있어서,
(a) 하기 화학식 2a의 화합물을 염화 티오닐(SOCl2)과 염소화 반응시켜 하기 화학식 3a의 화합물을 제조하는 단계;
(b) 단계(a)에서 얻어진 화학식 3a의 화합물을 설파모일 플루오라이드(FSO2NH2)와 반응시켜 하기 화학식 4a의 화합물을 제조하는 단계; 및
(c) 단계(b)에서 얻어진 화학식 4a의 화합물을 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드와 반응시켜 화학식 1a의 화합물을 제조하는 단계
를 포함하는 화학식 1a의 리튬 염의 제조방법:
[화학식 1a]
Figure 112019051119786-pat00032

[화학식 2a]
Figure 112019051119786-pat00033

[화학식 3a]
Figure 112019051119786-pat00034

[화학식 4a]
Figure 112019051119786-pat00035
.
The method of claim 8,
(a) preparing a compound of formula 3a by chlorinating the compound of formula 2a with thionyl chloride (SOCl 2 );
(b) reacting the compound of formula 3a obtained in step (a) with sulfamoyl fluoride (FSO 2 NH 2 ) to prepare a compound of formula 4a; And
(c) reacting the compound of formula 4a obtained in step (b) with lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide to prepare a compound of formula 1a
Method for preparing a lithium salt of Formula 1a comprising:
[Formula 1a]
Figure 112019051119786-pat00032

[Formula 2a]
Figure 112019051119786-pat00033

[Formula 3a]
Figure 112019051119786-pat00034

[Formula 4a]
Figure 112019051119786-pat00035
.
제9항에 있어서, 단계(a)의 상기 화학식 2a의 화합물이 1-메틸이미다졸과 1,3-프로판 설톤의 부가 반응에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 화학식 1a의 리튬 염의 제조방법.The method of claim 9, wherein the compound of formula 2a in step (a) is prepared by addition reaction of 1-methylimidazole and 1,3-propane sultone.
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