KR102428546B1 - 헤테로고리형 이온성 액체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 아제파늄 작용화된 양이온을 포함하는 이온성 액체 화합물에 관한 것이다. 전기 에너지 저장 장치용 전기화학 전지 전해질은 이온성 액체 화합물, 비양성자성 유기 용매, 알칼리 금속 염 및 첨가제를 포함한다.

Description

헤테로고리형 이온성 액체
상호 참조
본 출원은 2016년 4월 22일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/326,283호의 출원일의 이익을 주장하며, 이는 본원에 그 전체가 참고로 인용된다.
발명의 분야
본 개시내용은 양이온이 적어도 하나의 아제파늄 작용성 모이어티를 갖는 이온성 액체 화합물, 보다 구체적으로 전기화학 전지용 고성능 불연성인 넓은 작동 온도 범위의 전해질 포뮬레이션에서의 이온성 액체 화합물의 용도에 관한 것이다.
실온 이온성 액체(IL)의 합성 및 전기화학적 분석에서의 최근의 진보는 차세대 Li 이온 배터리용 전해질로서 물질의 이러한 독특한 부류의 장래성을 확립했다. IL은 용융점이 100℃ 미만인 유기 염이고, 일반적으로 벌키한 양이온 및 무기 음이온으로 이루어진다. 큰 양이온 크기는 전하의 비편재화 및 스크리닝을 가능하게 하며, 격자 에너지의 감소 및 이로 인한 용융점 또는 유리 전이 온도의 감소를 유도한다. IL은 독특한 물리화학적 특성, 예컨대 무시해도 될 정도의 증기압, 불연성, 우수한 실온 이온 전도성, 넓은 전기화학적 창, 및 바람직한 화학 및 열 안정성을 가진다. 이러한 특성들은 리튬 배터리를 위한 IL계 전해질을 제공하는 데 바람직하다. 전극 화학물질의 구체적인 조합을 보완하기 위해 맞춤형으로 또는 명시적으로 설계된 IL을 생성하기 위해 조합될 수 있는 양이온 및 음이온 화학물질의 광범위한 범위는 또한 배터리 안정성에 관한 문제를 해결할 수 있는 크게 사용되지 않은 물질의 라이브러리를 제공한다.
최근에, 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸 카보네이트(DEC)와 같은 유기 용매와 혼합된 이온성 액체 및 리튬 염이 열 안정적 Li 이온 전해질로서 조사되었다(Montanino et al., J Power Sources, 194, 601, 2009). 이온성 액체의 종래 전해질과의 블렌딩은 열 안정적인 불연성 전해질을 산출한다. 하지만, 이 작업은 이온성 액체 존재 하에서 그래파이트 애노드 보호의 중대한 문제를 해결하지 않았다.
그래파이트 기저면 내로의 Li 이온의 삽입(intercalation)은 약 0.1 V vs Li/Li+에서 발생하며, 이는 유기 전해질의 열역학적 안정성을 넘어선다. 상기 공정 중에, 그래파이트 전극은 낮은 전위로 캐소드 극성화(cathodically polarize)되며, 전해질 중 전해질 용매, 염 음이온 및 불순물은 환원되어 불용성 생성물을 형성하고 이는 애노드의 표면 상에 침착되어 부동화층을 형성한다. 상기 공정은 대부분 작동 배터리의 초기 몇 사이클 중에 일어난다. 따라서, 고체 전해질 계면(SEI; solid electrolyte interface) 층(Peled et al., Journal of The Electrochemical Society, 126, 2047, 1979)으로 공지된 것과 같은, 형성된 부동화층은, Li 이온 배터리의 성능에 결정적이다. SEI 층의 성질 및 거동은 Li 이온 배터리의 사이클 수명, 방전 용량비, 품질 수명 및 안정성에 영향을 미친다. IL이 높은 전압에서 안정하지만, 이의 캐소드 안정성은 열악하다. 따라서, 과제 중 하나는 그래파이트 애노드의 이용을 가능하게 하도록 IL의 캐소드 안정성 창을 넓히는 것이다.
전해질 용매로서 순수한 이미다졸륨계 IL을 이용하는 것은 열악한 캐소드 안정성, 1 V vs Li/Li+에 의해 제한된다(Choi et al., Angewandte Chemie International Edition, 51, 9994, 2012). 보다 캐소드적으로 안정한 암모늄 양이온계 IL은 Li 이온 삽입 전위보다 높은 전위에서 IL 양이온의 그래파이트 구조 내로의 공삽입(co-intercalation)으로 어려움을 겪는다(M. Ishikawa, ECS Transcations, 50(26), 317, 2013; Y. An et al., RSC Advances, 2, 4097, 2012). 최근의 연구는 피롤리디늄 및 피페리디늄 양이온계 IL이 이들의 보다 대중적인 이미다졸륨 대응물(counterpart)에 비해 낮은 환원 전위를 나타낸다는 것을 보여준다. 이러한 양이온은 또한 유사한 공삽입 거동을 나타낸다. Maolin 등(Journal of Chemical Physics, 128, 134504, 2008)은, 그래파이트 표면 상의 IL의 분자 역학(MD; molecular dynamic) 시뮬레이션을 이용하여, 이미다졸륨 양이온 상의 부틸 기가 그래파이트 표면에 대해 평행하게 정렬됨을 보고하였다.
Salem 및 Abu-Lebdeh(Journal of The Electrochemical Society 161, A1593, 2014)은 상이한 고리 크기의 고리형 암모늄 양이온(피롤리디늄, 피페리디늄 및 아제파늄)을 갖는 이온성 액체들의 비교를 보고하였다. Salem 및 Abu-Lebdeh의 개시내용은 고리 크기와 전기화학적 안정성에 관한 것이다. 하지만, 상기 저자들은 고리 크기와 상응하는 Li 이온 전지의 전해질 성능 사이의 어떠한 연관성도 밝혀내지 못 했다. 유사하게, Belhocine 등(Green Chemistry 13, 3137, 2011)은 알킬 치환된 및 에테르 작용기 치환된 아제파늄 양이온계 이온성 액체를 개시하나, 공용매와 조합된 전해질로서 합성 이온성 액체를 이용하는 것을 고려하지 않았다.
이러한 결과는 고체 전극 표면 상의 이온성 액체의 계면 특성을 이해하는 것의 중요성을 나타낸다. 그러므로, 그래파이트 또는 전극의 다른 애노드 표면에서 보다 안정하고 규칙적인(well-regulated) 층을 형성하기 위한 신규한 이온성 액체를 혼입할 필요가 있다.
본 개시내용의 한 양태에 있어서, 비양성자성 유기 용매, 알칼리 금속 염, 첨가제 및 아제파늄 작용성 모이어티를 포함하는 이온성 화합물을 포함하는, 전기 에너지 저장 장치의 전해질이 제공된다.
본 개시내용의 또 다른 양태에 있어서, 비양성자성 유기 용매, 알칼리 금속 염, 첨가제 및 아제파늄 작용성 모이어티를 포함하는 이온성 화합물을 포함하는, 전기 에너지 저장 장치의 전해질이 제공되며, 여기서 비양성자성 유기 용매는 열린 사슬 또는 고리형 카보네이트, 카르복실산 에스테르, 니트라이트, 에테르, 술폰, 술폭사이드, 케톤, 락톤, 디옥솔란, 글라임, 크라운 에테르, 실록산, 인산 에스테르, 포스페이트, 포스파이트 모노포스파젠 또는 폴리포스파젠 또는 이들의 혼합물이다.
본 개시내용의 또 다른 양태에 있어서, 비양성자성 유기 용매, 알칼리 금속 염, 첨가제 및 아제파늄 작용성 모이어티를 포함하는 이온성 화합물을 포함하는, 전기 에너지 저장 장치의 전해질이 제공되며, 여기서 알칼리 금속 염의 양이온은 리튬, 나트륨, 알루미늄 또는 마그네슘이다.
본 개시내용의 또 다른 양태에 있어서, 비양성자성 유기 용매, 알칼리 금속 염, 첨가제 및 아제파늄 작용성 모이어티를 포함하는 이온성 화합물을 포함하는, 전기 에너지 저장 장치의 전해질이 제공되며, 여기서 첨가제는 황 함유 화합물, 인 함유 화합물, 붕소 함유 화합물, 규소 함유 화합물, 질소 함유 헤테로고리 화합물, 불포화 탄소-탄소 결합 함유 화합물, 카르복실산 무수물 또는 이들의 혼합물이다.
본 개시내용의 또 다른 양태에 있어서, 하기 화학식에 따른 양이온 및 음이온을 포함하는 이온성 액체 화합물이 제공되며:
Figure 112018115155955-pct00001
여기서 R1은 C1-C16 알킬, 알케닐, 알콕시, 아릴, 알키닐, 알킬실록시, 알킬할라이드, 실릴, 에스테르, 카보닐, 페닐 또는 퍼플루오로 기를 포함하는 군으로부터 선택되고;
L은 C1-C16 알킬, 알케닐, 알콕시, 아릴, 알키닐, 알킬실록시, 알킬할라이드, 티오에테르, 술폭사이드, 아조, 아미노, 실릴, 에스테르, 카보닐, 페닐 또는 퍼플루오로 기를 포함하는 링커이고;
R2는 할라이드, 산소, 질소, 황, 인, 일부 또는 전부 할로겐화된 알킬, 케톤, 카보닐, 알켄, 아릴, 니트릴, 실란, 술폰, 티올, 페놀, 히드록실, 아민, 이미드, 알데히드, 카르복실산, 알킨, 카보네이트 또는 무수물을 포함하는 작용성 모이어티를 나타내며, 모이어티의 탄소 또는 수소 원자 중 임의의 원자는 할라이드, 산소, 질소, 황, 인, 에스테르, 케톤, 카보닐, 알켄, 아릴, 니트릴, 실란, 술폰, 티올, 페놀, 히드록실, 아민, 이미드, 알데히드, 카르복실산, 알킨, 카보네이트 또는 무수물로 추가로 치환되며;
X-는 할라이드, 알루미네이트, 아르세나이드, 시아나이드, 티오시아네이트, 니트라이트, 벤조에이트, 클로레이트, 클로라이트, 크로메이트, 술페이트, 술파이트, 실리케이트, 티오술페이트, 옥살레이트, 아세테이트, 포르메이트, 히드록시드, 니트레이트, 포스페이트, 이미드, 보레이트 또는 포스파진을 포함하는 이온성 화합물의 음이온을 나타낸다.
본 개시내용의 또 다른 양태에 있어서,
a) 비양성자성 유기 용매 시스템;
b) 알칼리 금속 염;
c) 첨가제; 및
d) 하기 화학식에 따른 양이온 및 음이온을 포함하는 이온성 액체 화합물
을 포함하는, 전기 에너지 저장 장치의 전해질이 제공되며,
Figure 112018115155955-pct00002
여기서 R1은 C1-C16 알킬, 알케닐, 알콕시, 아릴, 알키닐, 알킬실록시, 알킬할라이드, 실릴, 에스테르, 카보닐, 페닐 또는 퍼플루오로 기를 포함하는 군으로부터 선택되고;
L은 C1-C16 알킬, 알케닐, 알콕시, 아릴, 알키닐, 알킬실록시, 알킬할라이드, 티오에테르, 술폭사이드, 아조, 아미노, 실릴, 에스테르, 카보닐, 페닐 또는 퍼플루오로 기를 포함하는 링커이고;
R2는 할라이드, 산소, 질소, 황, 인, 일부 또는 전부 할로겐화된 알킬, 케톤, 카보닐, 알켄, 아릴, 니트릴, 실란, 술폰, 티올, 페놀, 히드록실, 아민, 이미드, 알데히드, 카르복실산, 알킨, 카보네이트 또는 무수물을 포함하는 작용성 모이어티를 나타내며, 모이어티의 탄소 또는 수소 원자 중 임의의 원자는 할라이드, 산소, 질소, 황, 인, 에스테르, 케톤, 카보닐, 알켄, 아릴, 니트릴, 실란, 술폰, 티올, 페놀, 히드록실, 아민, 이미드, 알데히드, 카르복실산, 알킨, 카보네이트 또는 무수물로 추가로 치환되며;
X-는 할라이드, 알루미네이트, 아르세나이드, 시아나이드, 티오시아네이트, 니트라이트, 벤조에이트, 클로레이트, 클로라이트, 크로메이트, 술페이트, 술파이트, 실리케이트, 티오술페이트, 옥살레이트, 아세테이트, 포르메이트, 히드록시드, 니트레이트, 포스페이트, 이미드, 보레이트 또는 포스파진을 포함하는 이온성 화합물의 음이온을 나타낸다.
본 개시내용의 상기 및 다른 양태들은 하기 구체적인 내용 및 여기에 첨부된 청구범위의 검토 하에 명백해질 것이다.
도 1은 표 1의 이온성 액체 포함 전해질 조성물에 대한 그래파이트 애노드의 비가역적 용량 감소 %의 바 그래프이고;
도 2는 에스테르 기로 작용화된 고리형 암모늄 양이온에 대한 시차 주사 열량측정 시험 결과를 도시한다.
본 개시내용은 전기화학 전지용 고성능 불연성인 넓은 작동 온도 범위의 전해질 포뮬레이션으로서 아제파늄계 이온성 액체 및 카보네이트 에스테르의 용도에 관한 것이다.
본 개시내용은 이온성 액체에 관한 것이며, 양이온은 하나 이상의 아제파늄 작용성 모이어티를 가진다. 본 개시내용은 추가로 아제파늄 작용화된 양이온의 합성 방법 및 전기화학 전지용 이온성 액체 중 이러한 작용화된 양이온의 용도를 포함한다. 전기화학 전지에서 사용되는 다른 이온성 액체와 구별되는 본 발명의 화합물의 한 중요 기능은 본 발명의 화합물이 종래 화합물보다 더 넓은 온도 범위에 걸쳐 작동할 수 있다는 것이다. 본 발명의 화합물은 또한 Li 이온 배터리 중 음극에 대한 개선된 전기화학적 안정성을 제공한다. 본 발명의 화합물은 Li 이온 배터리 및 리튬 금속 배터리의 전기화학적 전압 안정성 및 열 안정성을 개선할 수 있다.
양이온과 그래파이트 표면 사이의 강한 상호작용 및 열악한 캐소드 전기화학적 안정성으로 인해, 보다 긴 알킬 꼬리 및 더 많은 이미다졸륨 고리 또는 방향족 고리를 포함하는 이온성 액체는 그래파이트 표면에서 보다 안정하고 규칙적인 층을 제공하도록 적용된다.
본 개시내용의 한 실시양태는 아제파늄 양이온 작용성 모이어티를 부가하여 Li 이온 배터리의 음극에 대한 전기화학적 안정성을 개선하고, 하기 나타낸 것과 같은 작용성 아제파늄계 이온성 액체를 포함하는 전해질 포뮬레이션을 생성한다:
Figure 112018115155955-pct00003
여기서 R1은 C1-C16 알킬, 알케닐, 알콕시, 아릴, 알키닐, 알킬실록시, 알킬할라이드, 실릴, 에스테르, 카보닐, 페닐 또는 퍼플루오로 기이고; L은 C1-C16 알킬, 알케닐, 알콕시, 아릴, 알키닐, 알킬실록시, 알킬할라이드, 티오에테르, 술폭사이드, 아조, 아미노, 실릴, 에스테르, 카보닐, 페닐 또는 퍼플루오로 기인 링커이고; R2는 할라이드, 산소, 질소, 황, 인, 알칸, 에스테르, 일부 또는 전부 할로겐화된 알킬, 케톤, 카보닐, 알콕시알칸, 알켄, 아릴, 니트릴, 실란, 술폰, 티올, 페놀, 히드록실, 아민, 이미드, 알데히드, 카르복실산, 알킨, 카보네이트 또는 무수물과 같은 작용성 모이어티를 나타내며, 모이어티의 탄소 또는 수소 원자 중 임의의 원자는 할라이드, 산소, 질소, 황, 인, 알칸, 에스테르, 에테르, 케톤, 카보닐, 알콕시알칸, 알켄, 아릴, 니트릴, 실란, 술폰, 티올, 페놀, 히드록실, 아민, 이미드, 알데히드, 카르복실산, 알킨, 카보네이트 또는 무수물로 추가로 치환되며; X-는 이온성 화합물의 음이온을 나타내고 할라이드, 알루미네이트, 아르세나이드, 시아나이드, 티오시아네이트, 니트라이트, 벤조에이트, 클로레이트, 클로라이트, 크로메이트, 술페이트, 술파이트, 실리케이트, 티오술페이트, 옥살레이트, 아세테이트, 포르메이트, 히드록시드, 니트레이트, 포스페이트, 이미드, 보레이트 또는 포스파진을 포함한다.
이온성 액체 화합물의 적합한 음이온, X-는, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 디시안아미드, 헥사할로포스페이트(편리하게는 헥사플루오로포스페이트 또는 헥사클로로포스페이트), 테트라할로보레이트(테트라플루오로보레이트 또는 테트라클로로보레이트), 카보네이트, 술포네이트 또는 카복실레이트를 포함한다.
전해질 조성: 본 개시내용에 있어서, 전해질은 열 안정적 이온성 액체, 알칼리 금속 염, 폴리머 및 비양성자성 용매를 포함하며, 이는 모두 전기화학 전지에서 사용된다. 이온성 액체는 유기 양이온 및 무기/유기 음이온을 포함하며, 유기 양이온은 N-알킬-N-알킬-피롤리디늄, N-알킬-N-알킬-피리디늄, N-알킬-N-알킬-술포늄, N-알킬-N-알킬-암모늄, N-알킬-N-알킬-피페리디늄 등이고, 음이온은 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 비스(펜타플루오로에틸술포닐)이미드, 트리플루오로아세테이트 등이다. 전해질 중의 폴리머는 150 g/mol 내지 10,000,000 g/mol 범위의 다양한 분자량을 갖는 폴리(에틸렌 글리콜) 유도체를 포함한다. 적합한 비양성자성 용매는 카보네이트, 에테르, 아세트아미드, 아세토니트릴, 대칭적 술폰, 1,3-디옥솔란, 디메톡시에탄, 글라임, 실록산 및 이들의 블렌드를 포함한다. 알칼리 금속 염은 LiBF4, LiNO3, LiPF6, LiAsF6, 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(펜타플루오로에틸술포닐)이미드, 리튬 트리플루오로아세테이트 또는 유사한 화합물일 수 있다. 대안적으로, 비양성자성 유기 용매는 열린 사슬 또는 고리형 카보네이트, 카르복실산 에스테르, 니트라이트, 에테르, 술폰, 케톤, 락톤, 디옥솔란, 글라임, 크라운 에테르, 실록산, 인산 에스테르, 포스페이트, 포스파이트, 모노포스파젠 또는 폴리포스파젠 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 전해질은 이온성 액체에 추가로 리튬 염을 포함한다. 예를 들어, Li[CF3CO2]; Li[C2F5CO2]; Li[ClO4]; Li[BF4]; Li[AsF6]; Li[PF6]; Li[PF2(C2O4)2; Li[PF4C2O4]; Li[CF3SO3]; Li[N(CP3SO2)2]; Li[C(CF3SO2)3]; Li[N(SO2C2F5)2]; 리튬 알킬 플루오로포스페이트; Li[B(C2O4)2]; Li[BF2C2O4]; Li2[B12Z12-jHj]; Li2[B10X10 - j'Hj '] 또는 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물을 포함하는 다양한 리튬 염이 이용될 수 있고, 여기서 Z는 독립적으로 각 발생에서 할로겐이고, j는 0 내지 12의 정수이고 j'는 1 내지 10의 정수이다. 대안적으로, 알칼리 금속 염은 리튬, 나트륨, 알루미늄 또는 마그네슘일 수 있다.
리튬 이온 배터리용 포뮬레이션과 같은 본 발명의 전해질의 일부 적용예에서, 비양성자성 용매는 본 발명의 이온성 액체와 조합되어 점도를 감소시키고 전도성을 증가시킨다. 비양성자성 용매는 교환 가능한 양성자가 부족하며 고리형 탄산 에스테르, 선형 탄산 에스테르, 인산 에스테르, 포스페이트, 포스파이트, 모노포스파젠 또는 폴리포스파젠, 올리고에테르 치환된 실록산/실란, 고리형 에테르, 사슬 에테르, 락톤 화합물, 사슬 에스테르, 니트릴 화합물, 아미드 화합물, 술폰 화합물 등을 포함한다. 이러한 용매는 단일로, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물로 사용될 수 있다. 전해질 시스템 형성을 위한 비양성자성 용매 또는 캐리어의 예는 디메틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 비스(트리플루오로에틸) 카보네이트, 비스(펜타플루오로프로필) 카보네이트, 트리플루오로에틸 메틸 카보네이트, 펜타플루오로에틸 메틸 카보네이트, 헵타플루오로프로필 메틸 카보네이트, 퍼플루오로부틸 메틸 카보네이트, 트리플루오로에틸 에틸 카보네이트, 펜타플루오로에틸 에틸 카보네이트, 헵타플루오로프로필 에틸 카보네이트, 퍼플루오로부틸 에틸 카보네이트 등, 플루오르화 올리고머, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 디메톡시에탄, 트리글라임, 디메틸비닐렌 카보네이트, 테트라에틸렌글리콜, 디메틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 트리페닐 포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 헥사플루오로시클로트리포스파젠, 2-에톡시-2,4,4,6,6-펜타플루오로-1,3,5,2λ5,4λ5,6λ5트리아자트리포스피닌, 트리페닐 포스파이트, 술폴란, 디메틸 술폭사이드, 에틸 메틸 술폰, 에틸비닐 술폰, 알릴 메틸 술폰, 디비닐 술폰, 플루오로페닐메틸 술폰 및 감마-부티로락톤을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 전해질은 추가로 전극을 열화로부터 보호하기 위해 전극 안정화 첨가제를 포함한다. 따라서, 본 기술의 전해질은 음극의 표면 상에 환원 또는 중합되어 음극의 표면 상에 부동화 피막을 형성하는 전극 안정화 첨가제를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 전해질은 양극의 표면 상에 산화 또는 중합되어 양극의 표면 상에 부동화 피막을 형성할 수 있는 전극 안정화 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본 기술의 전해질은 추가로 두 종류의 전극 안정화 첨가제의 혼합물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 전극 안정화 첨가제는 적어도 하나의 산소 원자 및 적어도 하나의 아릴, 알케닐 또는 알키닐 기를 포함하는 치환된 또는 비치환된 선형, 분지형 또는 고리형 탄화수소이다. 이러한 전극 안정화 첨가제로부터 형성된 부동화 피막은 또한 치환된 아릴 화합물 또는 치환된 또는 비치환된 헤테로아릴 화합물로부터 형성될 수 있고, 여기서 첨가제는 적어도 하나의 산소 원자를 포함한다. 두 첨가제의 조합이 또한 이용될 수 있다. 일부 이러한 실시양태에서, 한 첨가제는 금속 이온의 침출을 방지하기 위한 캐소드 상의 부동화 피막을 형성하는 것에 대해 선택적이며 다른 첨가제는 애노드에서 금속 이온의 환원을 방지하거나 감소시키도록 애노드 표면을 부동화하는 것에 대해 선택적일 수 있다. 대안적으로, 첨가제는 황 함유 화합물, 인 함유 화합물, 붕소 함유 화합물, 규소 함유 화합물, 질소 함유 헤테로고리 화합물, 불포화 탄소-탄소 결합 포함 화합물, 카르복실산 무수물 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
대표적인 전극 안정화 첨가제는 글리옥살 비스(디알릴 아세탈), 테트라(에틸렌 글리콜) 디비닐 에테르, 1,3,5-트리알릴-1,3,5-트리아진-2,4,6(1H,3H,5H)-트리온, 1,3,5,7-테트라비닐-1,3,5,7-테트라메틸시클로테트라실록산, 2,4,6-트리알릴옥시-1,3,5-트리아진, 1,3,5-트리아크릴로일헥사히드로-1,3,5-트리아진, 1,2-디비닐 푸로에이트, 1,3-부타디엔 카보네이트, 1-비닐아제티딘-2-온, 1-비닐아지리딘-2-온, 1-비닐피페리딘-2-온, 1 비닐피롤리딘-2-온, 2,4-디비닐-1,3-디옥산, 2 아미노-3 비닐시클로헥산온, 2-아미노-3-비닐시클로프로판온, 2 아미노-4-비닐시클로부탄온, 2-아미노-5-비닐시클로펜탄온, 2-아릴옥시-시클로프로판온, 2-비닐-[1,2]옥사제티딘, 2 비닐아미노시클로헥산올, 2-비닐아미노시클로프로판온, 2 비닐옥세탄, 2-비닐옥시-시클로프로판온, 3-(N-비닐아미노)시클로헥산온, 3,5-디비닐 푸로에이트, 3-비닐아제티딘-2-온, 3 비닐아지리딘 2 온, 3 비닐시클로부탄온, 3 비닐시클로펜탄온, 3 비닐옥사지리딘, 3 비닐옥세탄, 3-비닐피롤리딘-2-온, 2-비닐-1,3-디옥솔란, 아크롤레인 디에틸 아세탈, 아크롤레인 디메틸 아세탈, 4,4 디비닐-3 디옥솔란 2-온, 4 비닐테트라히드로피란, 5-비닐피페리딘-3-온, 알릴글리시딜 에테르, 부타디엔 모노옥사이드, 부틸 비닐 에테르, 디히드로피란-3-온, 디비닐 부틸 카보네이트, 디비닐 카보네이트, 디비닐 크로토네이트, 디비닐 에테르, 디비닐 에틸렌 카보네이트, 디비닐 에틸렌 실리케이트, 디비닐 에틸렌 술페이트, 디비닐 에틸렌 술파이트, 디비닐 메톡시피라진, 디비닐 메틸포스페이트, 디비닐 프로필렌 카보네이트, 에틸 포스페이트, 메톡시-o-터페닐, 메틸 포스페이트, 옥세탄-2-일-비닐아민, 옥시라닐비닐아민, 비닐 카보네이트, 비닐 크로토네이트, 비닐 시클로펜탄온, 비닐 에틸-2-푸로에이트, 비닐 에틸렌 카보네이트, 비닐 에틸렌 실리케이트, 비닐 에틸렌 술페이트, 비닐 에틸렌 술파이트, 비닐 메타크릴레이트, 비닐 포스페이트, 비닐-2-푸로에이트, 비닐실로프로판온, 비닐에틸렌 옥사이드, 베타-비닐-감마-부티로락톤, 숙신산 무수물, 말레산 무수물, 1,3-프로판 술톤, 1,3-프로펜 술톤, 1,3,2-디옥사티올란-2,2-디옥사이드, 4-플루오로-1,3-디옥솔란-2-온, 트리스(트리메틸실릴) 포스파이트, 트리페닐 포스파이트, 트리페닐 포스페이트, 3,3,3-트리플루오로프로필)트리메톡시실란, 트리메틸실릴 트리플루오로메탄술포네이트, 트리스(트리메틸실릴) 보레이트, 트리프로필 포스페이트, 또는 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극 안정화 첨가제는 F, 알킬옥시, 알케닐옥시, 아릴옥시, 메톡시, 알릴옥시 기 또는 이들의 조합으로 치환된 시클로트리포스파젠일 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 (디비닐)-(메톡시)(트리플루오로)시클로트리포스파젠, (트리비닐)(디플루오로)(메톡시)시클로트리포스파젠, (비닐)(메톡시)(테트라플루오로)시클로트리포스파젠, (아릴옥시)(테트라플루오로)(메톡시)시클로트리포스파젠, (디아릴옥시)(트리플루오로)(메톡시)시클로트리포스파젠 화합물, 또는 이러한 화합물 중 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극 안정화 첨가제는 비닐 에틸렌 카보네이트, 비닐 카보네이트, 또는 1,2-디페닐 에테르, 또는 이러한 화합물 중 임의의 둘 이상의 혼합물이다.
다른 대표적인 전극 안정화 첨가제는 페닐, 나프틸, 안트라세닐, 피롤릴, 옥사졸릴, 푸라닐, 인돌릴, 카르바졸릴, 이미다졸릴 또는 티오페닐, 플루오르화 카보네이트, 술톤, 술파이드, 무수물, 실란, 실록시, 포스페이트, 및 포스파이트 기를 갖는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극 안정화 첨가제는 페닐 트리플루오로메틸 술파이드, 플루오로에틸렌 카보네이트, 1,3,2-디옥사티올란 2,2-디옥사이드, 1-프로펜 1,3-술톤, 1,3-프로판술톤, 1,3-디옥솔란-2-온, 4-[(2,2,2-트리플루오로에톡시)메틸], 1,3-디옥솔란-2-온, 4-[[2,2,2-트리플루오로-1-(트리플루오로메틸)에톡시]메틸]-, 메틸 2,2,2-트리플루오로에틸 카보네이트, 노나플루오로헥실트리에톡시실란, 옥타메틸트리실록산, 메틸트리스(트리메틸실록시)실란, 테트라키스(트리메틸실록시)실란, (트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로옥틸)트리에톡시실란, 트리스(1H.1H-헵타플루오로부틸)포스페이트, 3,3,3-트리플루오로프로필트리스(3,3,3-트리플루오로프로필디메틸실록시)실란, (3,3,3-트리플루오로프로필)트리메톡시실란, 트리메틸실릴 트리플루오로메탄술포네이트, 트리스(트리메틸실릴) 보레이트, 트리프로필 포스페이트, 비스(트리메틸실릴메틸)벤질아민, 페닐트리스(트리메틸실록시)실란, 1,3-비스(트리플루오로프로필)테트라메틸디실록산, 트리페닐 포스페이트, 트리스(트리메틸실릴)포스페이트, 트리스(1H.1H,5H-옥타플루오로펜틸)포스페이트, 트리페닐 포스파이트, 트리라우릴 트리티오포스파이트, 트리스(2,4-디-tert-부틸페닐) 포스파이트, 트리-p-톨릴 포스파이트, 트리스(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필)포스페이트, 숙신산 무수물, 1,5,2,4-디옥사디티안 2,2,4,4-테트라옥사이드, 트리프로필 트리티오포스페이트, 아릴옥스피롤, 아릴옥시 에틸렌 술페이트, 아릴옥시 피라진, 아릴옥시-카르바졸 트리비닐포스페이트, 아릴옥시-에틸-2-푸로에이트, 아릴옥시-o-터페닐, 아릴옥시-피리다진, 부틸-아릴옥시-에테르, 디비닐 디페닐 에테르, (테트라히드로푸란-2-일)-비닐아민, 디비닐 메톡시비피리딘, 메톡시-4-비닐비페닐, 비닐 메톡시 카르바졸, 비닐 메톡시 피페리딘, 비닐 메톡시피라진, 비닐 메틸 카보네이트-알릴아니솔, 비닐 피리다진, 1-디비닐이미다졸, 3-비닐테트라히드로푸란, 디비닐 푸란, 디비닐 메톡시 푸란, 디비닐피라진, 비닐 메톡시 이미다졸, 비닐메톡시 피롤, 비닐-테트라히드로푸란, 2,4-디비닐 이소옥사졸, 3,4 디비닐-1-메틸 피롤, 아릴옥시옥세탄, 아릴옥시-페닐 카보네이트, 아릴옥시-피페리딘, 아릴옥시-테트라히드로푸란, 2-아릴-시클로프로판온, 2-디아릴옥시-푸로에이트, 4-알릴아니솔, 아릴옥시-카르바졸, 아릴옥시-2-푸로에이트, 아릴옥시-크로토네이트, 아릴옥시-시클로부탄, 아릴옥시-시클로펜탄온, 아릴옥시-시클로프로판온, 아릴옥시-시클로포스파젠, 아릴옥시-에틸렌 실리케이트, 아릴옥시-에틸렌 술페이트, 아릴옥시-에틸렌 술파이트, 아릴옥시-이미다졸, 아릴옥시-메타크릴레이트, 아릴옥시-포스페이트, 아릴옥시-피롤, 아릴옥시퀴놀린, 디아릴옥시시클로트리포스파젠, 디아릴옥시 에틸렌 카보네이트, 디아릴옥시 푸란, 디아릴옥시 메틸 포스페이트, 디아릴옥시-부틸 카보네이트, 디아릴옥시-크로토네이트, 디아릴옥시-디페닐 에테르, 디아릴옥시-에틸 실리케이트, 디아릴옥시-에틸렌 실리케이트, 디아릴옥시-에틸렌 술페이트, 디아릴옥시에틸렌 술파이트, 디아릴옥시-페닐 카보네이트, 디아릴옥시-프로필렌 카보네이트, 디페닐 카보네이트, 디페닐 디아릴옥시 실리케이트, 디페닐 디비닐 실리케이트, 디페닐 에테르, 디페닐 실리케이트, 디비닐 메톡시디페닐 에테르, 디비닐 페닐 카보네이트, 메톡시카르바졸, 또는 2,4-디메틸-6-히드록시-피리미딘, 비닐 메톡시퀴놀린, 피리다진, 비닐 피리다진, 퀴놀린, 비닐 퀴놀린, 피리딘, 비닐 피리딘, 인돌, 비닐 인돌, 트리에탄올아민, 1,3-디메틸 부타디엔, 부타디엔, 비닐 에틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 이미다졸, 비닐 이미다졸, 피페리딘, 비닐 피페리딘, 피리미딘, 비닐 피리미딘, 피라진, 비닐 피라진, 이소퀴놀린, 비닐 이소퀴놀린, 퀴녹살린, 비닐 퀴녹살린, 비페닐, 1,2-디페닐 에테르, 1,2-디페닐에탄, o-터페닐, N-메틸 피롤, 나프탈렌 또는 이러한 화합물 중 임의의 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
다른 실시양태에서, 본 기술의 전해질은 비양성자성 겔 폴리머 캐리어/용매를 포함한다. 적합한 겔 폴리머 캐리어/용매는 폴리에테르, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리이미드, 폴리포스파진, 폴리아크릴로니트릴, 폴리실록산, 폴리에테르 그래프트된 폴리실록산, 상기의 유도체, 상기의 코폴리머, 상기의 가교된 및 네트워크 구조물, 상기의 블렌드 등을 포함하며, 여기에 적합한 이온성 전해질 염이 첨가된다. 다른 겔-폴리머 캐리어/용매는 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리실록산, 술포네이트화 폴리이미드, 퍼플루오르화 멤브레인(나피온 수지), 디비닐 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜-비스-(메틸 아크릴레이트), 폴리에틸렌 글리콜-비스(메틸 메타크릴레이트), 상기의 유도체, 상기의 코폴리머 및 상기의 가교된 및 네트워크 구조물로부터 유도된 폴리머 매트릭스로부터 제조된 것들을 포함한다.
본 발명의 작용성 이온성 액체 및 염 포함 전해질 용액은 유기 용매 중 전기 전도도 및 용해도가 높고, 전기화학 장치용 전해질 용액으로서의 용도에 적합하다. 전기화학 장치의 예는 전기 이중층 커패시터, 이차 전지, 안료 감광제형 태양 전지, 전기변색 장치, 콘덴서 등이며, 그럼에도 불구하고 이러한 목록은 제한적이지 않다. 이러한 IL은 전기 이중층 커패시터 및 이차 전지, 예컨대 리튬 이온 배터리인 전기화학 장치로서 특히 적합하다.
본 개시내용은 하기 구체적인 실시예를 참고하여 추가로 설명될 것이다. 이러한 실시예가 설명의 목적으로 제공되며 본 개시내용 또는 하기 청구범위를 제한하도록 의도되지 않음이 이해될 것이다.
실시예 1. 본 실시예에서, 본 개시내용에 따른 화합물의 예시인 AZ13COO1-TFSI의 합성이 보여진다. 제1 단계는 N-메틸부티레이트 아제판의 합성을 기술하며, 그후 제2 단계는 전구체로서 N-메틸부티레이트 아제판을 이용하는 AZ13COO1-TFSI의 합성을 기술한다. 그후 두 비교 화합물 Pyr13COO1(비교예 A) 및 PP13COO1(비교예 B)의 합성이 기술된다.
AZ 13 COO1 - TFSI의 합성
단계 1: N- 메틸부티레이트 아제판의 합성
Figure 112018115155955-pct00004
Figure 112018115155955-pct00005
자석 교반 바가 구비된 250 mL 플라스크에, 아제판, 무수 아세토니트릴(20 mL), 메틸-4-브로모부티레이트 및 탄산칼륨을 첨가했다. 약간의 온도 상승이 관찰되었다. 혼합물을 실온에서 교반하였고 전체 반응 시간은 4일이었다.
반응이 진행됨에 따라, 탄산칼륨이 유리된 HBr을 포촉(scavenge)하여 브롬화칼륨(4.8 g) 및 중탄산칼륨(4.0 g)을 생성하면서 탄산칼륨이 천천히 소모되었다.
DCM(10 mL)을 첨가하고 고형물을 진공 여과에 의해 수집하였다. 유기상을 탈이온수(10 mL)로 세척하고 분리한 후, MgSO4 상에서 건조하고 여과하였고, 용매를 회전 증발기를 이용하여 스트립핑하였다. 수득: 담색 오일, 7.9 g, (>99%).
특성화 . FTIR: C=O, 1737, C-O, 1177 cm-1.
H + NMR: (CDCl3) δ ppm 3.67 (s, 3H), 2.61 (t, 4H), 2.48 (t, 2H), 2.34 (t, 2H), 1.77 (q, 2H), 1.62-1.58 (m, 8H).
단계 2: AZ 13 COO1 - TFSI의 합성
Figure 112018115155955-pct00006
Figure 112018115155955-pct00007
4차화반응 . 자석 교반 바, 수냉 콘덴서, N2 주입구 및 서모커플이 구비된 250 mL 3구 플라스크에, N-메틸부티레이트 아제판(NB2-76-1) 및 아세토니트릴을 첨가하였다.
실온에서 교반하면서, 요오드화메틸을 혼합물에 첨가하고 발열반응의 증거에 대해 초기 온도를 모니터링하였다. 온도를 32℃에서 유지하였다.
혼합물은 맑은 담황색 용액을 생성하였다. 전체 반응 시간은 약 2시간이었다.
혼합물을 실온으로 냉각하고 용매를 황색 오일로 회전 증발기를 이용하여 스트립핑하였다. 혼합물을 고진공 하에 펌핑하여 용매를 추가로 제거하고 40℃에서 16시간 동안 냉각하였으며; 이는 황색 고형물을 생성하였다. 고형물을 무수 아세톤(60 mL)에 분산시키고 백색 결정이 되게 하였다 고형물을 진공 여과에 의해 수집하고 무수 아세톤(10 mL)으로 세정하였다. 황색 색상의 모액을 전부 제거하였다. 수득: 백색 고형물, 12.0 g (88%). 이전 반응으로부터의 조합된 수득: 14.5 g. H + NMR: (CDCl3) δ ppm 3.79 (t, 2H), 3.70 (m, 7H), 3.37 (s, 3H), 2.60 (t, 2H), 2.14 (m, 2H), 2.02 (m, 4H), 1.80 (m, 4H).
복분해 . 자석 교반 바가 구비된 100 mL 뚜껑 있는 병에, 단계 1 유래의 요오드화물 및 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 두개의 별도 용액으로서 첨가하고, 각각을 30 mL 탈이온수에 용해시켰다. 두 용액을 배합할 때, 탁한 침전물이 빠르게 형성되고 짙은 담색 층이 바닥 위에 침적되었다. 혼합물을 16시간 동안 실온에서 교반하였다.
수층을 디캔팅하고, DCM(20 mL)을 첨가하고 전체 혼합물을 분별 깔때기 내로 부었다. 유기층을 DI수(2x20 mL)로 세척하고, 분리한 후 MgSO4 상에서 건조하였다. 용매를 회전 건조기에 의해 스트립핑하고, 진공 오븐(5 mbar, 60℃)에 의해 고진공 하에 펌핑하였다. 수득: 담백색 오일, 16.6 g (95%).
특성화. FTIR : C=O, 1733, C-O, 1177 cm-1, 할로겐화은 시험: 음성, 칼 피셔: 85 ppm
H+ NMR: (CDCl3) δ ppm 3.70 (s, 3H), 3.50 (t, 2H), 3.48-3.36 (m, 4H), 3.06 (s, 3H), 2.48 (t, 2H), 2.06 (m, 2H), 1.92 (m, 4H), 1.74 (m, 4H). F-NMR: (CDCl3) δ ppm -78.91 (s).
비교예 A:
Pyr 13 COO1 TFSI의 합성
Figure 112018115155955-pct00008
Figure 112018115155955-pct00009
4차화반응 . 자석 교반 바, 수냉 콘덴서, N2 주입구 및 서모커플이 구비된 500 mL 3구 플라스크에, 1-메틸 피롤리딘 및 아세토니트릴을 첨가하였다.
실온에서 교반하면서, 메틸-4-브로모부티레이트를 혼합물에 첨가하고 발열반응의 증거에 대해 초기 온도를 모니터링하였다. 온도 증가는 관찰되지 않았다.
혼합물을 오일조에서 가열하여 초기 온도가 약 60℃가 되게 하였다. 혼합물은 맑은 황색 용액을 형성하였다. 전체 반응 시간은 약 7시간이었다.
혼합물을 실온으로 냉각하고 용매를 황색 오일로 회전 증발기에 의해 스트립핑하였다. 유리 막대로 모결정을 교반하고 40℃에서 냉각하여 황색 고형물을 생성하였다. 고형물을 무수 아세톤(60 mL)에 분산시켰고 백색 결정이 되었다. 고형물을 진공 여과에 의해 수집하고 황색 색상의 모액을 전부 제거하였다. 수득: 백색 고형물, 77.0 g(88%).
복분해. 자석 교반 바가 구비된 500 mL 둥근 바닥 플라스크에, 단계 1 유래의 브롬화물 및 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드[TFSI일 수 있음]를 두개의 별도 용액으로서 첨가하고, 각각을 100 mL 탈이온수에 용해시켰다. 두 용액을 배합하고, 탁한 침전물이 빠르게 형성되었으며, 이후 짙은 담색 층이 바닥 위에 침적되었다. 혼합물을 4시간 동안 실온에서 교반하였다.
수층을 디캔팅하고, DCM(100 mL)을 첨가하고 전체 혼합물을 분별 깔때기 내로 부었다. 유기층을 DI수(2x40 mL)로 세척하고, 분리한 후 MgSO4 상에서 건조하고 18시간 동안 활성화된 탈색 탄소에서 교반하였다. 혼합물을 MgSO4의 베드 상에서 여과하고 용매를 회전 건조기에 의해 스트립핑하였다. 수득: 맑은 무색 오일, 124.8 g (93%).
특성화 . FTIR: C=O, 1733, C-O 1177 cm-1, 할로겐화은 시험: 음성, 점도: 143.9 cP @ 25℃ (5.0 rpm), 71.8 cP @ 40℃ (5.0 rpm), 23.5 cP @ 70℃ (5.0 rpm), 밀도 =1.4346 g/mL.
H + NMR: (CDCl3) (트랜스 이성질체) δ ppm 3.70 (s, 3H), 3.55 (m, 4H), 3.41 (m, 2H), 3.09 (s, 3H), 2.48 (t, 2H), 2.28 (m, 4H), 2.07 (m, 2H). (시스 이성질체) δ ppm 3.66 (s, 3H), 3.51 (m, 4H), 3.35 (m, 2H), 3.04 (s, 3H), 2.43 (t, 2H), 2.24 (m, 4H), 2.07 (m, 2H).
비교예 B:
PP 13 COO1 TFSI의 합성
Figure 112018115155955-pct00010
Figure 112018115155955-pct00011
4차화반응 . 자석 교반 바, 수냉 콘덴서, N2 주입구 및 서모커플이 구비된 500 mL 3구 플라스크에, N-메틸 피페리딘 및 아세토니트릴을 첨가하였다. 실온에서 교반하면서, 메틸-4-브로모부티레이트를 혼합물에 첨가하고 발열반응의 증거에 대해 초기 온도를 모니터링하였다. 온도 증가는 관찰되지 않았다.
혼합물을 초기 온도가 약 60℃가 될 때까지 오일조를 이용해 가열하였다. 혼합물은 맑은 황색 용액을 형성하였다. 전체 반응 시간은 약 7시간이었다.
혼합물을 실온으로 냉각하고 용매를 황색 오일로 회전 증발기를 이용하여 스트립핑하였다. 혼합물을 고진공 하에 펌핑하여 추가로 용매를 제거하였다. 40℃에서 16시간 동안 냉각하여 황색 고형물을 생성하였다. 고형물을 무수 아세톤(60 mL)에 분산시켰고 백색 결정이 되었다. 고형물을 진공 여과에 의해 수집하고 무수 아세톤(10 mL)으로 세정하였다. 황색 색상의 모액을 전부 제거하였다. 수득: 백색 고형물, 51.8 g(92%).
복분해 . 자석 교반 바가 구비된 250 mL 뚜껑 있는 병에, 단계 1 유래의 브롬화물 및 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 두개의 별도 용액으로서 첨가하고, 각각을 50 mL 탈이온수에 용해시켰다. 두 용액을 배합할 때, 탁한 침전물이 빠르게 형성되었고 짙은 담황색 층이 바닥 위에 침적되었다. 혼합물을 3시간 동안 실온에서 교반하였다.
오일은 백색 고형물로 결정화되었다. DCM(80 mL)을 첨가하고 전체 혼합물을 분별 깔때기 내로 부었다. 유기층을 탈이온수(2x40 mL)로 세척하고, 분리한 후 MgSO4 상에서 건조하고 활성화된 탈색 탄소로 처리하였다. 그후 혼합물을 실온에서 5일 동안 교반하였다. 혼합물을 MgSO4의 베드 상에서 여과하고 용매를 회전 건조기에 의해 스트립핑하였다. 오일은 실온에서 백색 고형물로 결정화되었다. 고형물을 2시간 동안 고진공 하에 및 16시간 동안 진공 오븐(5 mbar, 60℃)에 의해 펌핑하였다. 수득: 담색 오일(RT에서 백색 고형물로 결정화됨) 82.0 g (92%).
특성화. FTIR: C=O, 1733,C-O, 1177 cm-1, 할로겐화은 시험: 음성, 칼 피셔: 25.4 ppm.
H + NMR: (CDCl3) δ ppm 3.70 (s, 3H), 3.39 (m, 6H), 3.07 (s, 3H), 2.48 (t, 2H), 2.03 (m, 2H), 1.91 (m, 4H), 1.73 (m, 2H). F 19 NMR: (CDCl3) δ ppm -79.0 (s).
실시예 2.
전기화학적 안정성. 상기 실시예 1로부터, 합성된 아제파늄 양이온계 이온성 액체(AZ13COO1-TFSI)를, 하기 절차에 나타난 바와 같이 피롤리디늄(Pyr13COO1-TFSI; 비교예 A) 및 피페리디늄(PP13COO1-TFSI; 비교예 B) 양이온계 이온성 액체와 비교하였다.
건조 아르곤 충전된 글로브 박스에서 모든 전해질 성분들을 바이알에서 배합하고 염의 완전한 용해를 보장하도록 24시간 동안 교반하여 전해질 포뮬레이션을 제조하였다. 이온성 액체를 에틸렌 카보네이트 "EC" 및 에틸 메틸 카보네이트 "EMC"의 3:7 중량 혼합물을 포함하는 베이스 전해질 포뮬레이션에 첨가하고 1 M 리튬 헥사플루오로포스페이트 "LiPF6"가 그 안에 용해되었다. 제조된 전해질 포뮬레이션을 하기 표 1에 요약하였다.
전해질 비교
전해질 베이스 이온성 액체 첨가제 (16 중량%)
1 1 M Li PF6; EC:EMC; 3:7 w/w 없음
2 1 M Li PF6; EC:EMC; 3:7 w/w
Figure 112018115155955-pct00012
비교예 A
3 1 M Li PF6; EC:EMC; 3:7 w/w
Figure 112018115155955-pct00013
비교예 B
4 1 M Li PF6; EC:EMC; 3:7 w/w
Figure 112018115155955-pct00014
실시예 1
제조된 전해질 포뮬레이션을 활성 물질로서 그래파이트 및 리튬 금속 애노드를 포함하는 CR2032 코인 전지 중 전해질로서 이용하였다. 각 전지에 60 마이크로 리터의 전해질 포뮬레이션을 첨가하고 봉인 전에 1시간 동안 전지에서 소킹(soak)하게 하였다. 이후 전지를, 최초 사이클에 대해 C/20 속도로, 이후로는 C/2로 1.5 V로 충전하고 0.005 V로 방전하였다. 초기 사이클 용량 감소 또는 비가역적 용량 감소(iCL)는 방전 용량 및 충전 용량 대 방전 용량에 100을 곱한 비율로 나타낸다. iCL은 그래파이트 애노드에 대한 전해질의 안정성을 의미한다. 더 높은 iCL은 그래파이트 전극에 대한 전해질의 더 큰 반응성을 시사한다. 도 1은 표 1에 나타낸 전해질 조성에 대한 평균 iCL 값들을 비교한다. 아제파늄 양이온 함유 이온성 액체는 임의의 이온성 액체 첨가제가 없는 베이스 라인 전해질에 비해 iCL에서 무시해도 될 정도의 변화를 보였다. 이는 음극에 대한 아제파늄 이온성 액체의 전기화학적 안정성을 시사한다. 그러므로, 실시예 1의 아제파늄 양이온(AZ13COO1-TFSI)은 이전에 공지된 양이온에 비해 리튬-이온 배터리의 전기화학적 안정성을 개선하였다.
시차 주사 열량측정법(DSC)을 이용하여 다양한 고리 크기(피롤리디늄, 피페리디늄 및 아제파늄)를 갖는 작용성 이온성 액체의 상 전이를 측정하였다. 도 2는 에스테르 기로 작용화된 상이한 고리 크기의 고리형 암모늄 양이온에 대한 DSC 시험 결과를 도시한다. 도 2에 나타난 바와 같이, 아제파늄 양이온계 이온성 액체(AZ13COO1-TFSI; 실시예 1)는, 피롤리디늄(Pyr13COO1-TFSI; 비교예 A) 및 피페리디늄(PP13COO1-TFSI; 비교예 B) 양이온계 이온성 액체에 비해 결정화 또는 용융(도시된 피크와 밸리에 의해 나타냄)을 보이지 않았다. 그러므로, 실시예 1의 아제파늄 양이온(AZ13COO1-TFSI)은 이전에 공지된 양이온에 비해 리튬-이온 배터리의 작동 온도 범위를 확대시킴으로써 전해질의 열 안정성을 개선하였다.
다양한 실시양태가 본원에서 상세히 나타나고 기술되었으나, 관련계 당업자에게는 다양한 변경, 추가, 치환 등이 본 개시내용의 사상으로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있으며 따라서 하기의 청구범위에 정의된 바와 같이 본 개시내용의 범위 내에 있다고 여겨진다는 것이 명백할 것이다.

Claims (5)

  1. 하기 화학식에 따른 양이온 및 음이온으로 구성되는 이온성 액체 화합물:
    Figure 112022030865819-pct00015

    여기서 R1은 C1-C16 알킬, 알콕시, 에스테르, 또는 카보닐 기에서 선택되고;
    L은 C1-C16 알킬, 알콕시, 에스테르, 또는 카보닐 기에서 선택된 링커이고;
    R2는 케톤, 카보닐, 알데히드, 카르복실산, 카보네이트, 에스테르 또는 무수물에서 선택된 작용성 모이어티를 나타내고;
    X-는 할라이드, 알루미네이트, 아르세나이드, 시아나이드, 티오시아네이트, 니트라이트, 벤조에이트, 클로레이트, 클로라이트, 크로메이트, 술페이트, 술파이트, 실리케이트, 티오술페이트, 옥살레이트, 아세테이트, 포르메이트, 히드록시드, 니트레이트, 포스페이트, 이미드, 보레이트 또는 포스파진에서 선택된 이온성 화합물의 음이온을 나타낸다.
  2. a) 비양성자성 유기 용매;
    b) 알칼리 금속 염;
    c) 첨가제; 및
    d) 하기 화학식에 따른 양이온 및 음이온으로 구성된 이온성 화합물
    으로 구성된, 전기 에너지 저장 장치의 전해질:
    Figure 112022030865819-pct00016

    여기서 R1은 C1-C16 알킬, 알콕시, 에스테르, 또는 카보닐 기에서 선택되고;
    L은 C1-C16 알킬, 알콕시, 에스테르, 또는 카보닐 기에서 선택된 링커이고;
    R2는 에스테르, 케톤, 카보닐, 알데히드, 카르복실산, 카보네이트 또는 무수물에서 선택된 작용성 모이어티를 나타내고;
    X-는 할라이드, 알루미네이트, 아르세나이드, 시아나이드, 티오시아네이트, 니트라이트, 벤조에이트, 클로레이트, 클로라이트, 크로메이트, 술페이트, 술파이트, 실리케이트, 티오술페이트, 옥살레이트, 아세테이트, 포르메이트, 히드록시드, 니트레이트, 포스페이트, 이미드, 또는 보레이트 포스파진에서 선택된 이온성 화합물의 음이온을 나타낸다.
  3. 제2항에 있어서, 비양성자성 유기 용매는 열린 사슬 또는 고리형 카보네이트, 카르복실산 에스테르, 니트라이트, 에테르, 술폰, 술폭사이드, 케톤, 락톤, 디옥솔란, 글라임, 크라운 에테르, 실록산, 인산 에스테르, 포스페이트, 포스파이트 모노포스파젠 또는 폴리포스파젠 또는 이들의 혼합물인 전해질.
  4. 제2항에 있어서, 알칼리 금속 염의 양이온은 리튬, 나트륨, 알루미늄 또는 마그네슘에서 선택되는 것인 전해질.
  5. 제2항에 있어서, 첨가제는 황 함유 화합물, 인 함유 화합물, 붕소 함유 화합물, 규소 함유 화합물, 질소 함유 헤테로고리 화합물, 불포화 탄소-탄소 결합 함유 화합물, 카르복실산 무수물 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 것인 전해질.
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