KR102351971B1 - Mellitic triimide as electrode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은 리튬이차전지용 전극활물질 및 그것을 이용한 리튬이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 리튬이차전지용 전극활물질은 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자를 기반으로 하는 유기화합물을 이용하여 제조된다.
상기의 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자 기반의 유기화합물로 제조된 리튬이차전지용 전극활물질은 안정적인 산화환원이 가능하고, 비용량이 우수함과 동시에 환원전위의 조절이 용이하며, 우수한 용해저항성을 갖는 리튬이차전지를 제공한다.The disclosed content relates to an electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery using the same, and more specifically, the electrode active material for a lithium secondary battery is manufactured using an organic compound based on a single molecule of mellitic triimide derivative.
The electrode active material for a lithium secondary battery prepared from the organic compound based on the melittic triimide derivative monomolecular is stable redox, has excellent specific capacity, and at the same time is easy to control the reduction potential, and has excellent dissolution resistance. provides the
Description
개시된 내용은 리튬이차전지용 전극활물질 및 그것을 이용한 리튬이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안정적인 산화환원이 가능하며 비용량이 우수한 유기 화합물을 활용한 신규 전극활물질, 우수한 용해저항성을 갖는 신규 전극활물질 및 그것을 이용한 리튬이차전지에 관한 것이다.The disclosed content relates to an electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery using the same, and more particularly, a novel electrode active material using an organic compound capable of stable oxidation-reduction and excellent specific capacity, a novel electrode active material having excellent dissolution resistance, and the same It relates to a lithium secondary battery used.
최근에는 휴대전화나 랩탑 컴퓨터 등과 같은 휴대 전자기기를 비롯해 다방면에서 리튬이차전지가 사용되고 있는데, 특히 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요원인 중 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차의 구동원으로서 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부는 상용화 단계에 있다.Recently, lithium secondary batteries are being used in various fields including portable electronic devices such as mobile phones and laptop computers. In particular, as interest in environmental issues grows, fossil fuels such as gasoline and diesel vehicles, which are one of the main causes of air pollution, are used. Research on lithium secondary batteries having high energy density and discharge voltage as a driving source of an electric vehicle that can replace the vehicle being used is being actively conducted, and some of them are in the commercialization stage.
기존에는 금속산화물 기반의 리튬 이차전지가 많은 발전을 이루며 상업적으로 성공해왔지만 Energy Storage System(ESS), Electric Vehicle 산업의 성장으로 더욱 높은 수치의 에너지밀도가 요구되고 있는 시점에서 금속산화물 리튬 이차 전지의 이론용량 한계와 한정된 양의 희귀금속을 이용해야 된다는 점 그리고 중금속 사용에 따른 환경 문제가 대두되고 있다.In the past, metal oxide-based lithium secondary batteries have been commercially successful with many developments, but at a time when higher energy density is required due to the growth of the Energy Storage System (ESS) and Electric Vehicle industries, the The theoretical capacity limit, the need to use a limited amount of rare metals, and environmental problems due to the use of heavy metals are emerging.
한편 리튬이차전지를 이러한 전기자동차의 구동원으로 사용하기 위해서는 높은 출력과 더불어 넓은 구간의 충전상태(SOC: State Of Charge)에서 안정적으로 출력을 유지할 수 있어야 한다.Meanwhile, in order to use a lithium secondary battery as a driving source for such an electric vehicle, it must be able to maintain high output and stably output in a wide range of state of charge (SOC).
고용량 리튬이차전지의 양극재로서, 기존의 대표적 양극물질인 LiCoO2의 경우 에너지 밀도의 증가와 출력 특성의 실용 한계치에 도달하고 있고, 특히 고에너지 밀도 응용 분야에 사용될 경우 그 구조적 불안정성으로 인하여 고온 충전상태에서 구조 변성과 더불어 구조 내의 산소를 방출하여 전지 내의 전해질과 발열 반응을 일으켜 전지폭발의 주원인이 된다. 이러한 LiCoO2의 안전성 문제를 개선하기 위하여 층상 결정구조의 LiMnO2, 스피넬 결정구조의 LiMn2O4 등 리튬함유 망간산화물과 LiNiO2 등 리튬함유 니켈산화물의 사용이 고려되어 왔으며, 최근에는 고용량의 재료로서 층상 구조의 리튬망간산화물에 필수 전이금속으로 망간(Mn)을 다른 전이 금속들(리튬 제외)보다 다량으로 첨가하는 리튬망간산화물(이하, "Mn-rich"로도 약칭함)에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.As a cathode material for a high-capacity lithium secondary battery, LiCoO 2 , which is a typical conventional cathode material, has reached the practical limit of an increase in energy density and output characteristics. In the state, the oxygen in the structure is released along with the structural change, causing an exothermic reaction with the electrolyte in the battery, which is the main cause of battery explosion. In order to improve the safety problem of LiCoO 2 , the use of lithium-containing manganese oxide such as LiMnO 2 having a layered crystal structure, LiMn 2 O 4 having a spinel crystal structure, and lithium-containing nickel oxide such as LiNiO 2 has been considered, and recently, high-capacity materials have been considered. A lot of research has been done on lithium manganese oxide (hereinafter also abbreviated as “Mn-rich”), which adds manganese (Mn) as an essential transition metal in a layered structure lithium manganese oxide in a larger amount than other transition metals (except lithium). is in progress
또한, 상기의 리튬망간산화물 외에도 더 좋은 성능을 내면서 낮은 가격으로 생산이 가능한 유기화합물 기반의 활물질을 리튬 이차 전지에 적용하고자 하는 연구가 증대되고 있고 현재도 활발하게 연구가 이루어지고 있는데, 희귀금속들에 비해 비교적 저렴하고 친환경적인 유기화합물 활물질에 대한 연구들이 진행되어져 왔고 일부 물질군의 경우는 상업화에 근접하기도 하였다.In addition, in addition to the above lithium manganese oxide, research to apply an organic compound-based active material that can be produced at a low price with better performance to a lithium secondary battery is increasing, and research is being actively conducted now. Researches have been conducted on organic compound active materials that are relatively inexpensive and eco-friendly, and some material groups have come close to commercialization.
가장 대표적인 유기화합물 활물질은 카르보닐 물질군으로 벤조퀴논의 경우 500mAh/g에 달하는 높은 이론 용량을 갖지만, 분자량이 매우 작아서 전해질에 잘 용해되어서 상용화 되기에는 무리가 있다. 에너지 밀도 측면에서 보아도 아직까지 금속산화물 활물질을 대체할 만한 수준에 이르지 못하였기 때문에 새로운 활물군에 관한 연구가 필요하며, 더 발전된 고성능의 이차전지가 점차 요구되고 있는 만큼 더 높은 에너지 밀도의 전지가 요구되고 있다.The most representative organic compound active material is a group of carbonyl materials, and although benzoquinone has a high theoretical capacity of 500 mAh/g, it has a very small molecular weight, so it is difficult to be commercialized because it dissolves well in an electrolyte. In terms of energy density, research on a new active material group is needed because it has not yet reached a level that can replace metal oxide active materials. is becoming
다이이미드계 화합물의 경우, 2개의 전자를 주고받으며 안정적인 산화환원을 할 수 있음이 알려져 있다. 그러나 이미드의 산화환원 전압구간이 Li/Li+와 비교하였을 때 2~3V의 차이에 불과하여 에너지 밀도 측면에서 기존의 금속산화물 기반의 활물질보다 용량 측면에서 부족하다.In the case of a diimide-based compound, it is known that stable oxidation-reduction can be performed by exchanging two electrons. However, since the redox voltage range of the imide is only 2~3V compared to Li/Li + , it is insufficient in terms of capacity compared to the existing metal oxide-based active materials in terms of energy density.
개시된 내용은 안정적인 산화환원이 가능하고, 비용량이 우수함과 동시에 환원전위의 조절이 용이하며, 우수한 용해저항성을 갖는 전극활물질 및 그것을 이용한 리튬이차전지를 제공하는 것이다.Disclosed is to provide an electrode active material capable of stable oxidation-reduction, excellent specific capacity, easy control of reduction potential, and excellent dissolution resistance, and a lithium secondary battery using the same.
하나의 일 실시예로서 이 개시의 내용은 하기 화학식 1로 표기되는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극활물질에 대해 기술하고 있다.As one embodiment, the disclosure describes an electrode active material for a lithium secondary battery, which includes a single molecule of a melittic triimide derivative represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서 R은 각각 같거나 다른 치환기이며, 상기 화학식 1에서 R은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알케닐기, 알카이닐기, 카르보닐기, 시클로알킬기, 아릴기, 아르알킬기, 헤테로고리기, 헤테로아릴기, 알콕시기, 아실기, 히드록시기, 알킬카르보닐기, 알콕시카르보닐기로 이루어진 그룹 중에서 선택될 수 있다.In Formula 1, R is the same or different substituents, and in
바람직하기로는, 상기 전극활물질은 다공성 탄소 재료를 더 포함할 수 있다.Preferably, the electrode active material may further include a porous carbon material.
더욱 바람직하기로는, 상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자와 다공성 탄소 재료는 무게비가 1:0.5 내지 2로 이루어질 수 있다.More preferably, the monomolecular melic triimide derivative and the porous carbon material may have a weight ratio of 1:0.5 to 2.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자와 다공성 탄소 재료는 무게비가 1:2로 이루어질 수 있다.Even more preferably, the weight ratio of the monomolecular melic triimide derivative and the porous carbon material may be 1:2.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 다공성 탄소 재료는 CMK-3로 이루어질 수 있다.Even more preferably, the porous carbon material may be made of CMK-3.
다른 실시예로서 이 개시의 내용은 상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자가 코팅된 알루미늄 호일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극에 대해 기술하고 있다.As another embodiment, the disclosure describes an electrode for a lithium secondary battery comprising an aluminum foil coated with a single molecule of the melic triimide derivative.
바람직하기로는, 상기 리튬이차전지용 전극은 상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자, Super-P 및 폴리비닐리덴플루오라이드를 다이메틸폼아마이드에 혼합하여 혼합물을 제조한 후에, 상기 혼합물을 알루미늄 호일에 코팅하고, 건조하여 제조될 수 있다.Preferably, the electrode for the lithium secondary battery is prepared by mixing the melic triimide derivative single molecule, Super-P and polyvinylidene fluoride in dimethylformamide to prepare a mixture, and then coating the mixture on aluminum foil, , can be prepared by drying.
또 다른 실시예로서 이 개시의 내용은 상기 리튬이차전지용 전극, 리튬 금속으로 이루어진 반대전극, 다공성 폴리프로필렌 막으로 이루어진 전극 분리막 및 전해액으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지에 대해 기술하고 있다.As another embodiment, the content of this disclosure describes a lithium secondary battery comprising the electrode for the lithium secondary battery, a counter electrode made of lithium metal, an electrode separator made of a porous polypropylene membrane, and an electrolyte.
바람직하기로는, 상기 전해액은 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME)에 2M의 리튬 비스(트리플루오로메테인)설폰이미드(LiTFSi)가 녹아있는 용액으로 이루어질 수 있다.Preferably, the electrolyte solution may consist of a solution in which 2M lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide (LiTFSi) is dissolved in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME).
개시된 리튬이차전지용 전극활물질 및 그것을 이용한 리튬이차전지는 안정적인 산화환원이 가능하고, 비용량이 우수함과 동시에 환원전위의 조절이 용이하며, 우수한 용해저항성을 갖는 전극활물질 및 그것을 이용한 리튬이차전지를 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.The disclosed electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery using the same are capable of stable oxidation-reduction, excellent specific capacity, easy to control reduction potential, and excellent dissolution resistance. show the effect.
도 1은 개시된 화학식 4가 나타내는 피로멜리틱 디이미드 유도체 단분자 및 화학식 2가 나타내는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 용액에서의 일정속도로 변화하는 전압에 따른 전류를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 개시된 실시예 1 내지 3을 통해 제조된 리튬이차전지의 특성을 평가하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 개시된 실시예 2 및 비교예 1을 통해 제조된 리튬이차전지의 특성을 평가하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 개시된 실시예 4를 통해 제조된 리튬이차전지의 특성을 평가하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 개시된 화학식 1이 나타내는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자를 메커니즘 분석하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 개시된 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 이론비용량을 디이미드 유도체 단분자의 이론비용량과 비교하고, 디이미드 유도체 단분자와 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 산화환원 반응 메커니즘을 분석하여 나타낸 것이다.1 is a graph showing the measurement of current according to a voltage varying at a constant rate in a solution of a single molecule of a pyromellitic diimide derivative represented by Formula 4 and a single molecule of a mellitic triimide derivative represented by
2 is a graph showing the evaluation of the characteristics of the lithium secondary battery prepared through the disclosed Examples 1 to 3;
3 is a graph showing the evaluation of the characteristics of the lithium secondary battery prepared through the disclosed Example 2 and Comparative Example 1.
4 is a graph showing the evaluation of the characteristics of the lithium secondary battery prepared through the disclosed Example 4.
5 is a graph showing the mechanism analysis of the melittic triimide derivative monomolecule represented by Chemical Formula 1 disclosed herein.
6 is a comparison of the theoretical specific capacity of the disclosed monomolecular melittic triimide derivative molecule with that of the monomolecular diimide derivative, and analyzing the redox reaction mechanism between the monomolecular diimide derivative and the mellitic triimide derivative. it has been shown
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention and the physical properties of each component will be described in detail, which is intended to describe in detail enough that a person of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily carry out the invention, This does not mean that the technical spirit and scope of the present invention is limited.
개시된 리튬이차전지용 전극활물질은 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자를 기반으로 하는 유기화합물로 제조되며, 상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자는 아래 화학식 1로 표기된다.The disclosed electrode active material for a lithium secondary battery is prepared from an organic compound based on a single mellitic triimide derivative molecule, and the mellitic triimide derivative single molecule is represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서 R은 각각 같거나 다른 치환기이며, 상기 화학식 1에서 R은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기(alkyl group), 알케닐기(alkenyl group), 알카이닐기(alkynyl group), 카르복시기(carboxy group), 카르보닐기(carbonyl group), 시클로알킬기(cycloalkyl group), 아릴기(aryl group), 아르알킬기(aralkyl group), 헤테로고리기(heterocyclic group), 헤테로아릴기(heteroaryl group), 알콕시기(alkoxy group), 아실기(acyl group), 히드록시기(hydroxy group), 알킬카르보닐기(alkylcarbonyl group), 알콕시카르보닐기(alkoxycarbonyl group)로 이루어진 그룹 중에서 선택될 수 있다. 상기 치환기는 탄소 원자 수가 1 내지 20인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In Formula 1, R is the same or different substituents, and in Formula 1, R is each independently hydrogen, halogen, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a carboxy group ), a carbonyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, a heterocyclic group, a heteroaryl group, an alkoxy group ), an acyl group, a hydroxy group, an alkylcarbonyl group, and an alkoxycarbonyl group. The substituent may have 1 to 20 carbon atoms, but is not limited thereto.
예를 들어, 상기 화학식 1에서 상기 R이 모두 수소인 화합물은 분자량이 300이고, 이론비용량이 282 mAh/g이다.For example, in Formula 1, the compound in which R is all hydrogen has a molecular weight of 300 and a theoretical specific capacity of 282 mAh/g.
바람직하기로는, 상기 헤테로고리기는 피리딜기, 피리미딜기, 티오페닐기, 퓨라닐기, 피로릴기 및 이미다졸기로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 화합물일 수 있다.Preferably, the heterocyclic group may be at least one compound selected from the group consisting of a pyridyl group, a pyrimidyl group, a thiophenyl group, a furanyl group, a pyriryl group and an imidazole group.
<반응식 1><
개시된 내용에 사용되는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자는 상기 반응식 1에 나타낸 것처럼, 안정적으로 전자를 주고받으며 산화환원이 가능한 이미드 기능단을 3개 포함하는 트리이미드계 소재로, 페닐고리 하나를 공유하며 C3 대칭인 구조를 가지고 있다. 각각의 이미드기에서 하나의 전자를 주고받아 최대 3개의 전자가 산화환원 반응에 참여 가능하고, 3개의 이미드기가 페닐고리 하나만을 공유하여 산화환원 기능단 외에 구성원소를 최소화하므로 비용량(specific capacity) 측면에서 유리하다.As shown in
또한, 상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자는 전자를 당기는 능력이 우수한 이미드기를 다수 보유하여 최저비점유분자궤도함수(LUMO)가 안정화되므로 높은 환원전위를 가질 수 있다. 특히, 리튬 기반의 전해질 하에서 서로 다른 두 이미드기의 인접한 산소 두 개와 리튬이온이 결합하여 7원자 고리를 형성함으로써 최저비점유분자궤도함수(LUMO)가 안정화되어 환원전위가 더 증가할 수 있다.In addition, the monomolecular melittic triimide derivative possesses a large number of imide groups having excellent electron-attracting ability, thereby stabilizing the lowest unoccupied molecular orbital function (LUMO), and thus may have a high reduction potential. In particular, in a lithium-based electrolyte, the lowest unoccupied molecular orbital function (LUMO) is stabilized and the reduction potential can be further increased by combining two adjacent oxygens of two different imide groups with lithium ions to form a 7-membered ring.
또한, 각 이미드의 N 위치에 치환기를 도입함으로서 환원전위를 조절하여 향상된 성능의 이차전지를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 분자량을 조절하여 물질의 용해저항성을 향상시켜 충방전의 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, by introducing a substituent at the N position of each imide, it is possible to not only provide a secondary battery with improved performance by controlling the reduction potential, but also improve the dissolution resistance of the material by controlling the molecular weight to improve the stability of charging and discharging. have.
상기의 효과를 나타내는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자는 일예로 아래 화학식 2 내지 3과 같은 형태로 제조될 수 있다.The melittic triimide derivative monomolecules exhibiting the above effects may be prepared, for example, in the form of
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2(ETTI)에 나타낸 것처럼, 개시된 리튬이차전지용 전극활물질에 사용되는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자는 N 위치에 에틸기가 도입된 형태로 제조될 수 있다. 상기 화학식 2의 ETTI는 분자량이 369이고, 이론비용량이 217 mAh/g이다.As shown in Formula 2 (ETTI), the mellitic triimide derivative monomolecule used in the disclosed electrode active material for a lithium secondary battery may be prepared in a form in which an ethyl group is introduced at the N-position. ETTI of Formula 2 has a molecular weight of 369 and a specific specific capacity of 217 mAh/g.
이때, 상기와 같은 화학식 2를 나타내는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 합성방법은 아래 반응식 2의 과정을 통해 이루어진다.In this case, the method for synthesizing the monomolecular melittic triimide derivative represented by Chemical Formula 2 as described above is performed through the process of
<반응식 2><
[화학식 3][Formula 3]
이때, 상기와 같은 화학식 3을 나타내는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 합성방법은 아래 반응식 3의 과정을 통해 이루어진다.In this case, the method for synthesizing the monomolecular melittic triimide derivative represented by Chemical Formula 3 as described above is performed through the process of
<반응식 3><
또한, 상기 화학식 3(BZTI)에 나타낸 것처럼, 개시된 리튬이차전지용 전극활물질에 사용되는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자는 N 위치에 벤질기가 도입된 형태로 제조될 수 있다. 상기 화학식 3의 BZTI는 분자량이 555이고, 이론비용량이 145 mAh/g이다.In addition, as shown in Formula 3 (BZTI), the mellitic triimide derivative monomolecule used in the disclosed electrode active material for a lithium secondary battery may be prepared in a form in which a benzyl group is introduced at the N-position. BZTI of Formula 3 has a molecular weight of 555 and a theoretical specific capacity of 145 mAh/g.
상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 비교군으로, 하기 화학식 4로 표기되는 피로멜리틱 디이미드 유도체 단분자를 합성하여 사용하였다.As a comparative group of the monomolecular melittic triimide derivative, a pyromellitic diimide derivative monomolecule represented by the following
[화학식 4][Formula 4]
이때, 상기와 같은 화학식 4을 나타내는 피로멜리틱 디이미드 유도체 단분자의 합성방법은 아래 반응식 4의 과정을 통해 이루어진다.In this case, the method for synthesizing the pyromellitic diimide derivative monomolecule represented by
<반응식 4><
또한, 상기 화학식 4(ETDI)에 나타낸 것처럼, 개시된 리튬이차전지용 전극활물질에 사용되는 피로멜리틱 디이미드 유도체 단분자는 N 위치에 에틸기가 도입된 형태로 제조될 수 있다. 상기 화학식 4의 ETDI는 분자량이 272이고, 이론비용량이 197 mAh/g이다.In addition, as shown in Chemical Formula 4 (ETDI), the pyromellitic diimide derivative monomolecule used in the disclosed electrode active material for a lithium secondary battery may be prepared in a form in which an ethyl group is introduced at the N position. ETDI of
상기 화학식 4가 나타내는 피로멜리틱 디이미드 유도체 단분자 및 상기 화학식 2가 나타내는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 전류에 따른 환원전위를 측정하여 아래 도 1에 나타내었다.The reduction potentials of the monomolecular pyromellitic diimide derivative represented by
이때, 상기 리튬이차전지용 전극활물질은 상기와 같은 화학식 1 내지 3의 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자, 그래핀 및 폴리비닐리덴플루오라이드가 각각 2~6:2~6:1의 중량비로 N-메틸피롤리돈에 혼합하여 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자 기반의 유기화합물 슬러리를 제조한 후에, 상기 유기화합물을 알루미늄 호일에 코팅하고, 105℃ 내지 135℃의 진공오븐에서 7 내지 9시간 동안 건조하여 제조될 수 있다.In this case, the electrode active material for the lithium secondary battery contains N-methyl in a weight ratio of 2 to 6:2 to 6:1, respectively, of the monomolecular melic triimide derivative of
이때, 상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자를 기반으로 하는 유기화합물과 다공성 탄소 재료인 그래핀은 무게비 1:0.5 내지 2로 혼합되며, 무게비가 1:2로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.At this time, the organic compound based on the monomolecular melittic triimide derivative and graphene, which is a porous carbon material, are mixed in a weight ratio of 1:0.5 to 2, and most preferably in a weight ratio of 1:2.
상기의 과정을 통해 제조되는 리튬이차전지용 전극활물질은 다공성탄소 물질인 그래핀에 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자를 기반으로 하는 유기화합물이 침투되어 제조되기 때문에, 우수한 용해저항성을 갖게 된다.The electrode active material for a lithium secondary battery prepared through the above process has excellent dissolution resistance because it is prepared by penetrating graphene, a porous carbon material, with an organic compound based on a monomolecular melittic triimide derivative.
이하에서는, 개시된 리튬이차전지용 전극활물질이 적용된 리튬이차전지용 전극의 제조방법 및 그 전극이 적용된 리튬이차전지의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing an electrode for a lithium secondary battery to which the disclosed electrode active material for a lithium secondary battery is applied and physical properties of a lithium secondary battery to which the electrode is applied will be described with reference to Examples.
<제조예 1> 리튬이차전지용 전극의 제조<Preparation Example 1> Preparation of electrode for lithium secondary battery
상기 화학식 2와 같이 N 위치에 에틸기가 도입된 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자, 그래핀 및 폴리비닐리덴플루오라이드를 각각 6:3:1의 중량비로 N-메틸-2-피롤리돈에 혼합하여 혼합물을 제조한 후에, 상기 혼합물을 닥터블레이드를 이용하여 알루미늄 호일에 코팅하고, 120℃의 진공오븐에서 8시간 동안 건조하여 리튬이차전지용 전극(ETTI 631)을 제조하였다.As shown in
<제조예 2> 리튬이차전지용 전극의 제조<Preparation Example 2> Preparation of electrode for lithium secondary battery
상기 제조예 1과 동일하게 진행하되, 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자, 그래핀 및 폴리비닐리덴플루오라이드를 각각 4:4:2의 중량비로 N-메틸-2-피롤리돈에 혼합하여 리튬이차전지용 전극(ETTI 442)을 제조하였다.Proceed in the same manner as in Preparation Example 1, except that the monomolecular melittic triimide derivative, graphene, and polyvinylidene fluoride were mixed in N-methyl-2-pyrrolidone in a weight ratio of 4:4:2, respectively, and lithium secondary An electrode for a battery (ETTI 442) was manufactured.
<제조예 3> 리튬이차전지용 전극의 제조<Preparation Example 3> Preparation of electrode for lithium secondary battery
상기 제조예 1과 동일하게 진행하되, 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자, 그래핀 및 폴리비닐리덴플루오라이드를 각각 3:6:1의 중량비로 N-메틸-2-피롤리돈에 혼합하여 리튬이차전지용 전극(ETTI 361)을 제조하였다.Proceed in the same manner as in Preparation Example 1, except that the monomolecular melic triimide derivative, graphene, and polyvinylidene fluoride were mixed in N-methyl-2-pyrrolidone in a weight ratio of 3:6:1, respectively, and lithium secondary An electrode for a battery (ETTI 361) was prepared.
<제조예 4> 리튬이차전지용 전극의 제조<Preparation Example 4> Preparation of electrode for lithium secondary battery
상기 제조예 2와 동일하게 진행하되, 상기 화학식 3으로 표기되는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자를 기반으로 하는 유기화합물을 이용하여 리튬이차전지용 전극(BZTI 442)을 제조하였다.An electrode for a lithium secondary battery (BZTI 442) was prepared in the same manner as in Preparation Example 2, except that an organic compound based on a single molecule of the melic triimide derivative represented by
<비교제조예 1> 리튬이차전지용 전극의 제조<Comparative Preparation Example 1> Preparation of electrode for lithium secondary battery
상기 제조예 2와 동일하게 진행하되, 상기 화학식 4로 표기되는 피로멜리틱 디이미드 유도체 단분자를 기반으로 하는 유기화합물을 이용하여 리튬이차전지용 전극(ETDI 442)을 제조하였다.An electrode for a lithium secondary battery (ETDI 442) was prepared in the same manner as in Preparation Example 2, except that an organic compound based on a single molecule of a pyromellitic diimide derivative represented by
<실시예 1><Example 1>
상기 제조예 1을 통해 제조된 리튬이차전지용 전극, 리튬 금속을 반대전극으로 하며, 다공성 폴리프로필렌 막을 전극 분리막으로 하고, 전해액으로는 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME)에 2M의 리튬 비스(트리플루오로메테인)설폰이미드(LiTFSi)가 녹아있는 용액을 사용하여 CR2032 코인형 리튬이차전지를 제조하였다.The electrode for a lithium secondary battery prepared in Preparation Example 1, a lithium metal as a counter electrode, a porous polypropylene membrane as an electrode separator, and 2M lithium bis (trifluoro) in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) as an electrolyte A CR2032 coin-type lithium secondary battery was prepared using a solution in which methane)sulfonimide (LiTFSi) was dissolved.
<실시예 2><Example 2>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 상기 제조예 2를 통해 제조된 리튬이차전지용 전극을 사용하여 CR2032 코인형 리튬이차전지를 제조하였다.A CR2032 coin-type lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the electrode for a lithium secondary battery prepared in Preparation Example 2 was used.
<실시예 3><Example 3>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 상기 제조예 3를 통해 제조된 리튬이차전지용 전극을 이용하여 CR2032 코인형 리튬이차전지를 제조하였다.A CR2032 coin-type lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the electrode for a lithium secondary battery prepared in Preparation Example 3 was used.
<실시예 4><Example 4>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 상기 제조예 4를 통해 제조된 리튬이차전지용 전극을 이용하여 CR2032 코인형 리튬이차전지를 제조하였다.A CR2032 coin-type lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the electrode for a lithium secondary battery prepared in Preparation Example 4 was used.
<비교예 1><Comparative Example 1>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 상기 비교제조예 1을 통해 제조된 리튬이차전지용 전극을 이용하여 CR2032 코인형 리튬이차전지를 제조하였다.A CR2032 coin-type lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the electrode for a lithium secondary battery prepared in Comparative Preparation Example 1 was used.
상기 실시예 1 내지 3을 통해 제조된 리튬이차전지의 비용량 및 율특성을 측정하여 아래 도 2에 나타내었다. 도 2(a)그래프는 제조예 1 내지 3에 따라 제조된 전극의 1.5-3.5V 범위에서 Li/Li+ 대비 초기 정전류 충방전 전압을 0.1C의 전류속도에서 측정한 값을 보여주며, 도 2(b)그래프는 0.1C 전류속도에서 충방전 사이클에 따른 방전시 비용량의 변화를 나타낸다.The specific capacity and rate characteristics of the lithium secondary batteries prepared in Examples 1 to 3 were measured and shown in FIG. 2 below. FIG. 2(a) graph shows the values measured at a current rate of 0.1C for the initial constant current charge/discharge voltage compared to Li/Li+ in the 1.5-3.5V range of the electrodes prepared according to Preparation Examples 1 to 3, and FIG. 2( b) The graph shows the change in specific capacity during discharge according to the charge/discharge cycle at 0.1C current rate.
아래 도 2에 나타난 것을 참고하면, 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 경우 3개의 이미드 기능단 각각에서 1개의 전자를 주고 받아 최대 3개의 전자를 주고 받는 것이 계산되었고 (a)그래프에서 보이듯 충방전 실험에서 각각의 비율이 모두 3번의 평탄 영역(plateau)을 나타내었다. ETTI 전극의 경우 이론비용량이 217mAh/g으로, 4:4:2비율 전극에서 220mAh/g의 비용량을 나타내어 이론비용량에 해당하는 용량이 모두 발현되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 below, in the case of a monomolecular melittic triimide derivative, it was calculated that each of the three imide functional groups exchanged one electron to exchange a maximum of three electrons, and charging and discharging as shown in the graph (a) In the experiment, each ratio exhibited three plateaus. In the case of the ETTI electrode, the theoretical specific capacity is 217 mAh/g, and the 4:4:2 ratio electrode shows a specific capacity of 220 mAh/g, so it can be confirmed that all capacities corresponding to the theoretical specific capacity are expressed.
상기 실시예 2 및 비교예 1을 통해 제조된 리튬이차전지의 특성을 평가하여 아래 도 3에 나타내었다. 도 3(a)그래프는 제조예 2 및 비교제조예 1에 따라 제조된 ETTI 및 ETDI 전극의 1.5-3.5V 범위에서 Li/Li+ 대비 초기 정전류 충방전 전압을 0.1C의 전류속도에서 측정한 값을 보여주며, 도 3(b)그래프는 0.1C 전류속도에서 충방전 사이클에 따른 방전시 비용량의 변화를 나타낸다.The characteristics of the lithium secondary battery prepared in Example 2 and Comparative Example 1 were evaluated and shown in FIG. 3 below. 3(a) is a graph showing the initial constant current charge/discharge voltage of Li/Li+ in the 1.5-3.5V range of the ETTI and ETDI electrodes prepared according to Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 1 at a current rate of 0.1C. 3(b) graph shows the change in specific capacity during discharge according to the charge/discharge cycle at the 0.1C current rate.
아래 도 3에 나타난 것을 참고하면, 도 3(a)에서 ETTI 전극의 경우는 명확하게 3개의 평탄구역을 보이면서 이론비용량에 해당하는 비용량을 모두 발현하였으나 대조군으로 사용된 ETDI 전극의 경우 초기 사이클에서 비용량이 92mAh/g에 불과하여 이론비용량인 197mAh/g의 약 절반을 발현하는 것에 불과하였고, ETDI전극의 경우는 평탄구역이 잘 드러나지 않는다. 비교제조예로 활용된 피로멜리틱 디이미드 전극에 비해서 멜리틱 트리이미드 전극이 이론비용량 대비 실제 활성화비율이 확연하게 크다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3 below, in the case of the ETTI electrode in FIG. 3(a), all specific capacities corresponding to the theoretical specific capacities were expressed while clearly showing three flat regions, but in the case of the ETDI electrode used as a control, the initial cycle In the case of the ETDI electrode, the specific capacity was only 92 mAh/g, indicating only about half of the theoretical specific capacity of 197 mAh/g. It can be seen that the actual activation ratio to the theoretical specific capacity of the mellitic triimide electrode is significantly higher than the pyromellitic diimide electrode used as the comparative preparation example.
방전전압 측면에서도 ETDI전극의 경우는 평균 2.18V의 전압을 보이는 반면에 ETTI전극의 경우는 평균 2.41V 로 증가된 방전전압을 보인다. 이것은 디이미드계보다 트리이미드계의 최저비점유분자오비탈이 낮은 이유와 동시에, 환원반응 시 디이미드의 경우는 단순히 하나의 산소와 리튬이온이 결합을 형성하는 반면에 트리이미드의 경우는 서로 다른 두 이미드기의 인접한 두개의 산소와 리튬이온이 7원자 고리를 만들며 더욱 안정한 상태로 존재할 수 있기 때문이다.In terms of discharge voltage, the ETDI electrode showed an average voltage of 2.18V, while the ETTI electrode showed an increased discharge voltage of 2.41V on average. This is the reason why the lowest unoccupied molecular orbital of the triimide system is lower than that of the diimide system. This is because two adjacent oxygen and lithium ions of the imide group form a 7-membered ring and exist in a more stable state.
상기 실시예 4를 통해 제조된 리튬이차전지의 특성을 평가하여 아래 도 4에 나타내었다. 도 4(a)그래프는 제조예 4에 따라 제조된 BZTI 전극의 1.5-3.5V 범위에서 Li/Li+ 대비 초기 정전류 충방전 전압을 0.1C의 전류속도에서 측정한 값을 보여주며, 도 4(b)그래프는 0.1C 전류속도에서 충방전 사이클에 따른 방전시 비용량의 변화를 나타낸다.The characteristics of the lithium secondary battery prepared in Example 4 were evaluated and shown in FIG. 4 below. FIG. 4(a) graph shows the values measured at a current rate of 0.1C for the initial constant current charge/discharge voltage compared to Li/Li+ in the 1.5-3.5V range of the BZTI electrode manufactured according to Preparation Example 4, FIG. 4(b) ) The graph shows the change in specific capacity during discharge according to the charge/discharge cycle at 0.1C current rate.
아래 도 4에 나타난 것을 참고하면, 멜리틱 트리이미드의 N 위치에 벤질기를 도입한 BZTI는 향상된 분자량으로 인해 용해저항성이 증가하여 사이클 유지력이 증가하였다. 도 4(a)그래프에서 보면 초기 사이클에서 171mAh/g의 비용량을 보이는데 BZTI 전극의 이론용량인 145mAh/g에 비해 다소 증가된 비용량을 보이는 것은 SEI(solid electrolyte interphase) 층의 형성으로 인한 비용량의 증가 때문이고, 두 번째 사이클테스트는 146mAh/g으로 이론용량의 100%가 발현되는 것을 확인하였다. 또한 용해저항성이 향상되어 사이클이 진행되어도 우수한 비용량 유지력을 보였다.Referring to FIG. 4 below, the BZTI introduced with a benzyl group at the N position of the melic triimide increased the dissolution resistance due to the improved molecular weight, thereby increasing the cycle retention. In the graph of FIG. 4(a), a specific capacity of 171 mAh/g is shown in the initial cycle, but the specific capacity slightly increased compared to the theoretical capacity of 145 mAh/g of the BZTI electrode is the ratio due to the formation of the SEI (solid electrolyte interphase) layer. Because of the increase in capacity, the second cycle test confirmed that 100% of the theoretical capacity was expressed at 146mAh/g. In addition, the dissolution resistance was improved, and it showed an excellent specific capacity retention ability even when the cycle progressed.
실시예 2 및 실시예 4의 비용량 유지력을 비교하면, ETTI 전극은 20번째 사이클에서 83mAh/g의 비용량이 발현되었고, BZTI 전극은 20번째 사이클에서 117mAh/g의 비용량이 발현되어 이론용량 대비 80% 이상의 유지력을 나타내었다. BZTI 전극은 향상된 분자량으로 인하여 비용량의 손해가 있으나, 용해저항성의 증가로 인해 사이클 유지력이 우수하다.Comparing the specific capacity retention capacity of Examples 2 and 4, the ETTI electrode exhibited a specific capacity of 83 mAh/g in the 20th cycle, and the BZTI electrode exhibited a specific capacity of 117 mAh/g in the 20th cycle, compared to the theoretical capacity of 80 % or more. BZTI electrode has a loss in specific capacity due to improved molecular weight, but has excellent cycle retention due to increase in dissolution resistance.
멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 메커니즘적인 분석을 진행하였다. 초기 상태(Pristine, 충전이나 방전을 하지 않은 전극), 방전 상태 (Discharged, 완전 방전을 시킨 후의 전극) 그리고 재충전 상태 (Recharged, 완전 방전후 다시 완전 충전을 시킨 전극)의 전극에 대해 각각 FT-IR분석을 하여 도면 5에 나타내었다.A mechanistic analysis of the monomolecular melittic triimide derivative was carried out. FT-IR for each electrode in the initial state (pristine, electrode not charged or discharged), discharged state (discharged, electrode after full discharge), and recharged state (recharged electrode after full discharge and fully charged again) The analysis is shown in FIG. 5 .
아래 도 5에 나타난 것을 참고하면, 왼쪽 부분에는 정전류 충방전 전압의 변화에 따른 축적된 용량을 나타내었고, pristine 상태, discharged 상태, recharged 상태가 각각 어느 부분에 해당하는지를 각각 검정색, 빨간색, 파란색 원으로 표시하였다. 도 5의 오른쪽 부분에는 각각의 상태에서의 FT-IR 결과를 나타내었다.Referring to FIG. 5 below, the left part shows the accumulated capacity according to the change of the constant current charging/discharging voltage, and the pristine state, the discharged state, and the recharged state correspond to which parts each corresponds to black, red, and blue circles, respectively. indicated. The FT-IR results in each state are shown in the right part of FIG. 5 .
Pristine 상태의 경우는 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자의 카르보닐기에 의한 피크가 명확하게 1,720cm-1과 1,773cm-1에서 나타나고, discharged 상태에서는 기존 카르보닐기에 의한 피크가 감소하는 동시에 낮은 파수 영역에서(1,600cm-1) 새로운 큰 피크가 형성되었고, recharged 상태가 되면 discharged 상태에서 생겼던 1,600cm-1 부근에서 보였던 피크가 사라지고 기존의 pristine 상태에서 보였던 카르보닐기에 의한 피크만 나타내는 것을 알 수 있다. pristine 상태에서는 없었던 1,600cm-1 부근에서의 피크는 discharged 상태일 때 트리이미드와 리튬이온의 결합에 의해 크게 나타났다가, recharged 상태가 되었을 때 다시 사라진다. 또한, DFT 계산에서도 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자가 방전상태가 되어 ETTI-3Li 복합체를 형성하였을 때 카르보닐기에 의한 진동이 낮은 파수로 이동하는 것을 확인하였다. 이처럼 ex-situ FT-IR 분석을 통해 멜리틱 트리이미드 전극의 경우 가역적으로 방전 시에 환원되었다가 재충전 시에 다시 산화가 되면서 리튬이차전지의 작동이 이루어진다는 점이 확인되었다.In the case of the pristine state, the peak due to the carbonyl group of the monomolecular melic triimide derivative clearly appears at 1,720 cm -1 and 1,773 cm -1 , and in the discharged state, the peak due to the existing carbonyl group decreases and at the same time, in the low wavenumber region (1,600 cm -1) was formed, a new large peaks, when the recharged state that the peak seen in the vicinity of 1,600cm -1 saenggyeotdeon in the discharged state disappears and it can be seen that represents only peak by carbonyl group looked at existing pristine state. The peak near 1,600 cm -1 , which was not present in the pristine state, appeared largely due to the combination of triimide and lithium ions in the discharged state, and then disappeared again when the recharged state was reached. In addition, in the DFT calculation, it was confirmed that the vibration due to the carbonyl group shifted to a low wave number when the melittic triimide derivative monomolecule was in a discharged state to form an ETTI-3Li complex. As such, it was confirmed through ex-situ FT-IR analysis that the lithium secondary battery operates as the melittic triimide electrode is reversibly reduced during discharging and oxidized again during recharging.
따라서, 개시된 리튬이차전지용 전극활물질 및 그것을 이용한 리튬이차전지는 안정적인 산화환원이 가능함과 동시에 환원전위의 조절이 용이하며, 우수한 용해저항성을 갖는 전극활물질 및 그것을 이용한 리튬이차전지를 제공한다.Accordingly, the disclosed electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery using the same are capable of stable oxidation-reduction and easy control of the reduction potential, and provide an electrode active material having excellent dissolution resistance and a lithium secondary battery using the same.
Claims (10)
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서 R은 각각 같거나 다른 치환기)
An electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that it contains a single molecule of a mellitic triimide derivative represented by the following formula (1).
[Formula 1]
(In Formula 1, each R is the same or different substituents)
상기 화학식 1에서 R은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알케닐기, 알카이닐기, 카르복시기, 카르보닐기, 시클로알킬기, 아릴기, 아르알킬기, 헤테로고리기, 헤테로아릴기, 알콕시기, 아실기, 히드록시기, 알킬카르보닐기, 알콕시카르보닐기로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극활물질.
The method according to claim 1,
In Formula 1, R is each independently hydrogen, halogen, alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, carboxy group, carbonyl group, cycloalkyl group, aryl group, aralkyl group, heterocyclic group, heteroaryl group, alkoxy group, acyl group, hydroxyl group, An electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that it is selected from the group consisting of an alkylcarbonyl group and an alkoxycarbonyl group.
다공성 탄소 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극활물질.
The method according to claim 1,
Electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that it further comprises a porous carbon material.
상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자와 다공성 탄소 재료는 무게비가 1:0.5 내지 2로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극활물질.
4. The method according to claim 3,
The electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the melic triimide derivative monomolecule and the porous carbon material have a weight ratio of 1:0.5 to 2.
상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자와 다공성 탄소 재료는 무게비가 1:1 또는 1:2로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극활물질.
5. The method according to claim 4,
The electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the melittic triimide derivative monomolecule and the porous carbon material have a weight ratio of 1:1 or 1:2.
상기 다공성 탄소 재료는 그래핀인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극활물질.
6. The method according to any one of claims 3-5,
The porous carbon material is an electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that graphene.
An electrode for a lithium secondary battery comprising an aluminum foil coated with the monomolecular melic triimide derivative of claim 1 .
상기 리튬이차전지용 전극은 상기 멜리틱 트리이미드 유도체 단분자, 그래핀 및 폴리비닐리덴플루오라이드를 N-메틸-2-피롤리돈에 혼합하여 혼합물을 제조한 후에, 상기 혼합물을 알루미늄 호일에 코팅하고, 건조하여 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극.
8. The method of claim 7,
The electrode for the lithium secondary battery is prepared by mixing the melic triimide derivative single molecule, graphene, and polyvinylidene fluoride in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a mixture, and then coating the mixture on aluminum foil, , An electrode for a lithium secondary battery, characterized in that manufactured by drying.
A lithium secondary battery comprising the electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 7 to 8, a counter electrode made of lithium metal, an electrode separator made of a porous polypropylene membrane, and an electrolyte.
상기 전해액은 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME)에 2M의 리튬 비스(트리플루오로메테인)설폰이미드(LiTFSi)가 녹아있는 용액으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.10. The method of claim 9,
The electrolyte is a lithium secondary battery, characterized in that consisting of a solution in which lithium bis (trifluoromethane) sulfonimide (LiTFSi) of 2M in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) is dissolved.
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in2_Journal of the American Chemical Society(이태릭). ACS Publications. 2001.6.7., vol.123(제6453면 내지 제6454면) 1부.* |
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