KR102528259B1 - A novel phase-convertible magnesium solid-state electrolyte and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 마그네슘 염; 및 (b) 숙시노니트릴(succinonitrile);을 포함하는 새로운 상변이 마그네슘 고체 전해질 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 고체상에서 마그네슘 이온의 전도도가 매우 높고, 화학적ㅇ열적 안정성이 우수하며, 형상에 관계없이 모든 유형의 전극에 널리 적용할 수 있는 새로운 상변이 마그네슘 고체 전해질 및 이를 포함하는 전고체전지를 제공할 수 있다.
The present invention relates to (a) a magnesium salt; and (b) succinonitrile.
According to the present invention, a new phase-change magnesium solid electrolyte that has very high conductivity of magnesium ions in the solid phase, excellent chemical and thermal stability, and can be widely applied to all types of electrodes regardless of shape, and an all-solid-state battery including the same can provide.

Description

신규 상변이 마그네슘 고체전해질 및 그 제조방법{A novel phase-convertible magnesium solid-state electrolyte and preparation method thereof}A novel phase-convertible magnesium solid-state electrolyte and preparation method thereof}

본 발명은 신규 상변이 마그네슘 고체전해질 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 숙시노니트릴의 가역적 상변이를 이용한 새로운 개념의 상변이 마그네슘 고체전해질을 제조함으로써, 이를 안정성이 우수한 마그네슘 전고체전지의 고속 이온전도체로 적용할 수 있는 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a novel phase-change magnesium solid electrolyte and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a magnesium all-solid-state battery with excellent stability by preparing a new concept phase-change magnesium solid electrolyte using a reversible phase change of succinonitrile. It relates to a technology that can be applied as a high-speed ion conductor of

액체전해질 층을 통해 두 전극에서 리튬 이온을 가역적이고 교대로 인터칼레이션(intercalation)하는 것은 현대 배터리 기술에서 활용되는 핵심 기능이다. 그러나 현재의 배터리 기술이 이미 달성 가능한 최대 에너지 밀도에 도달함에 따라 에너지 밀도가 높고 더 안전하고 저렴한 배터리에 대한 수요가 계속 증가하면서 새롭고 혁신적인 소재를 사용한 차세대 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 그 유망한 후보로서 마그네슘(Mg) 배터리는 높은 체적 용량(3,832 mAh cm-3) 및 비교적 낮은 환원 전위(-2.37 V vs standard hydrogen electrode)와 같은 매력적인 특성으로 인해 큰 관심을 받고 있다. 중량 용량보다는 높은 체적 용량이 고정식 에너지 ????저장 시스템(energy storage system, ESS)의 핵심 기준이라는 점을 고려할 때, Mg 배터리의 대용량은 차세대 배터리에 큰 장점이 된다. 2가 Mg2+ 이온은 단일 양이온 당 2개의 전자를 전달할 수 있으므로 잠재적으로 기존 리튬 이온 배터리에 비해 더 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 또한 무독성의 Mg는 가격이 비교적 저렴하고 자연계에 풍부하기 때문에 리튬 이온 배터리 시대에 더 매력적이다.The reversible and alternating intercalation of lithium ions from the two electrodes through the liquid electrolyte layer is a key function utilized in modern battery technology. However, with current battery technology already reaching the maximum achievable energy density, the demand for higher energy density, safer and cheaper batteries continues to grow, driving the development of next-generation technologies using new and innovative materials. As a promising candidate, magnesium (Mg) batteries are attracting great attention due to their attractive properties such as high volumetric capacity (3,832 mAh cm −3 ) and relatively low reduction potential (−2.37 V vs standard hydrogen electrode). Considering that volumetric capacity rather than gravimetric capacity is a key criterion for stationary energy storage systems (ESS), the large capacity of Mg batteries is a great advantage for next-generation batteries. Divalent Mg 2+ ions can transfer two electrons per single cation, potentially providing higher energy densities compared to conventional lithium-ion batteries. In addition, non-toxic Mg is relatively inexpensive and abundant in nature, making it more attractive in the age of lithium-ion batteries.

그러나 금속성 Mg는 전해질과 접촉할 때 표면에 이온절연 층을 형성하기 쉽기 때문에 Mg 기반 배터리의 실제 응용은 어려움을 겪고 있다. 본래 Mg-상용성 전해질을 개발하는데 많은 노력을 기울여왔다. 예를 들어, 유기 마그네슘과 유기 염화알루미늄 화합물로 구성된 그리냐르 시약 기반 전해질은 반응성 염화물 화합물이 오염 물질을 제거하고 부동태화(passivating) 층의 형성을 방지하는 데 효과적이기 때문에 널리 연구되어 왔다. 하지만 배터리 패키지 또는 셀 구성 요소는 이러한 고반응성 전해질에 취약하므로 누출, 휘발 및 전해질 폭발과 같은 중요한 안전 문제는 해결되지 않은 심각한 문제로 남아있다. Mg 배터리의 주요 목표가 대규모 배터리 시스템(예를 들어, ESS)이라는 점을 고려할 때 심각한 폭발 사고를 예방하기 위해 높은 수준의 안전이 우선적으로 보장되어야 한다.However, practical application of Mg-based batteries is difficult because metallic Mg tends to form an ionic insulating layer on its surface when in contact with an electrolyte. Originally, many efforts have been devoted to developing Mg-compatible electrolytes. For example, Grignard reagent-based electrolytes composed of organic magnesium and organic aluminum chloride compounds have been widely studied because the reactive chloride compounds are effective in removing contaminants and preventing the formation of passivating layers. However, since battery packages or cell components are vulnerable to these highly reactive electrolytes, important safety issues such as leakage, volatilization and electrolyte explosion remain serious unresolved issues. Considering that the main target of Mg batteries is large-scale battery systems (e.g., ESS), a high level of safety must be ensured first to prevent serious explosion accidents.

또한, 의심할 여지없이 높은 화학적 및 열적 안정성을 가진 고체전해질(solid electrolyte, SE)은 훨씬 향상된 안전 수준을 제공하기 위한 유망한 선택이 될 것이다. 따라서 차세대 배터리의 주요 연구 방향은 현재 액체전해질과 비슷한 이온전도도를 가진 고체전해질의 개발이다. 리튬-이온 전도성 고체전해질은 이미 액체전해질의 전도도를 따라 잡았지만, Mg2+ 이온전도체의 개발은 주로 호스트 물질과의 강한 정전기 결합에 의한 Mg2+ 이온의 느린 확산으로 인해 지연되고 있다(도 1의 a 내지 c 참조). 예를 들어, 이온 확산을 위해 기존의 양이온 호핑(hopping)을 사용하는 다가 이온전도 호스트는 실온에서 실질적으로 허용되는 전도도를 달성하기가 어려웠다. 또한, 거친 고체 표면에서도 항상 등각 접촉을 형성하는 액체전해질과는 달리, 단단한 고체 입자들 간의 불가피한 접촉 불량으로 인한 높은 계면저항은 고체전해질을 사용하는 차세대 배터리에서 중요한 문제이다. 따라서 전도성이 높은 고체전해질로 효율적인 전고체 Mg 배터리를 구현함에 있어서는, 고유한 전도 메커니즘을 기반으로 빠른 확산 채널을 가진 새로운 이온전도 호스트를 설계하고 고체입자들 사이의 까다로운 접촉저항을 해결해야 할 필요가 있다.In addition, solid electrolytes (SE), which undoubtedly have high chemical and thermal stability, will be a promising option to provide a much improved level of safety. Therefore, the main research direction for next-generation batteries is the development of solid electrolytes with ion conductivity similar to that of current liquid electrolytes. Lithium-ion conductive solid electrolytes have already caught up with the conductivity of liquid electrolytes, but the development of Mg 2+ ion conductors has been delayed mainly due to the slow diffusion of Mg 2+ ions by strong electrostatic bonding with the host material (Fig. 1). see a through c). For example, multivalent ionic conducting hosts that use conventional cation hopping for ion diffusion have been difficult to achieve practically acceptable conductivity at room temperature. In addition, unlike liquid electrolytes, which always form conformal contact even on rough solid surfaces, high interfacial resistance due to unavoidable poor contact between hard solid particles is an important problem in next-generation batteries using solid electrolytes. Therefore, in realizing an efficient all-solid-state Mg battery with a high-conductivity solid electrolyte, it is necessary to design a new ion conduction host with a fast diffusion channel based on a unique conduction mechanism and solve the difficult contact resistance between solid particles. there is.

그러므로 본 발명자 등은 숙시노니트릴(N≡C-CH2-CH2-C≡N, SN)의 가역적 상전이를 이용하는 새로운 개념의 상변이 마그네슘 고체 전해질(phase-convertible magnesium solid-state electrolyte, PCE)을 제조하고, 이를 안정성이 우수한 마그네슘 전고체전지의 고속 이온전도체로 적용할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. Therefore, the inventors of the present invention developed a new concept of phase-convertible magnesium solid-state electrolyte (PCE) using the reversible phase transition of succinonitrile (N≡C-CH 2 -CH 2 -C≡N, SN). was produced, and the present invention was completed with attention to the fact that it could be applied as a high-speed ion conductor of a magnesium all-solid-state battery with excellent stability.

특허문헌 1. 공개특허공보 제10-2019-0048265호Patent Document 1. Patent Publication No. 10-2019-0048265 특허문헌 2. 등록특허공보 제10-1946266호Patent Document 2. Patent Registration No. 10-1946266

비특허문헌 1. Aurbach, D. et al., Nature 407, 724-727 (2000)Non-Patent Document 1. Aurbach, D. et al., Nature 407, 724-727 (2000) 비특허문헌 2. Manthiram, A. et al., Nat. Rev. Mater. 2, 1-16 (2017)Non-Patent Document 2. Manthiram, A. et al., Nat. Rev. Mater. 2, 1-16 (2017)

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고체상에서 마그네슘 이온의 전도도가 매우 높고, 화학적·열적 안정성이 우수하며, 형상에 관계없이 모든 유형의 전극에 널리 적용할 수 있는 새로운 상변이 마그네슘 고체전해질을 제공하고자 하는 것이다.Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is that the conductivity of magnesium ions in the solid phase is very high, chemical and thermal stability is excellent, and it can be widely applied to all types of electrodes regardless of shape. A possible new phase change is to provide a magnesium solid electrolyte.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 액체-고체 상전이를 활용함으로써 용매 또는 가압과정이 필요하지 않은 안전하고 간단한 공정으로 새로운 상변이 마그네슘 고체전해질을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to provide a method for preparing a new phase-change magnesium solid electrolyte by using a liquid-solid phase transition and using a safe and simple process that does not require a solvent or a pressurization process.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) 마그네슘 염; 및 (b) 숙시노니트릴(succinonitrile);을 포함하는 상변이 마그네슘 고체전해질을 제공한다.The present invention for achieving the object as described above, (a) a magnesium salt; and (b) succinonitrile.

상기 마그네슘 염은 마그네슘 비스(트리플루오로메탄술폰이미드)인 것일 수 있다.The magnesium salt may be magnesium bis(trifluoromethanesulfonimide).

상기 마그네슘 염의 몰백분율은 1 내지 5 mol%인 것일 수 있다.The molar percentage of the magnesium salt may be 1 to 5 mol%.

상기 상변이 마그네슘 고체전해질은 요오드 첨가제를 더욱 포함하는 것일 수 있다.The phase change magnesium solid electrolyte may further include an iodine additive.

또한, 본 발명은 상기 상변이 마그네슘 고체전해질을 포함하는 전고체전지를 제공한다. In addition, the present invention provides an all-solid-state battery including the phase-change magnesium solid electrolyte.

또한, 본 발명은 (I) 마그네슘 염을 용융된 숙시노니트릴(succinonitrile)에 부가하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 (II) 상기 혼합물을 60℃ 이상에서 교반하는 단계;를 포함하는 상변이 마그네슘 고체전해질의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (I) adding a magnesium salt to molten succinonitrile to form a mixture; and (II) stirring the mixture at 60° C. or higher.

상기 (I) 단계에서 요오드 첨가제를 더욱 부가하는 것일 수 있다.In step (I), an iodine additive may be further added.

본 발명에 따르면, 고체상에서 마그네슘 이온의 전도도가 매우 높고, 화학적·열적 안정성이 우수하며, 형상에 관계없이 모든 유형의 전극에 널리 적용할 수 있는 새로운 상변이 마그네슘 고체전해질을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a new phase-change magnesium solid electrolyte that has very high conductivity of magnesium ions in the solid phase, excellent chemical and thermal stability, and can be widely applied to all types of electrodes regardless of shape.

특히, 본 발명에 따른 상변이 마그네슘 고체전해질에 요오드 첨가제가 추가로 포함되는 경우에는 마그네슘 금속 표면에서 계면저항을 크게 줄임으로써 마그네슘 이온의 전도성을 더욱 향상시키므로 전고체전지의 전해질로 응용이 기대된다. In particular, when the iodine additive is additionally included in the phase change magnesium solid electrolyte according to the present invention, the conductivity of magnesium ions is further improved by greatly reducing the interfacial resistance on the surface of the magnesium metal, so it is expected to be applied as an electrolyte for an all-solid-state battery.

도 1은 본 발명에 따른 상변이 마그네슘 고체전해질(PCE)과 종래 액체전해질 및 무기 고체전해질의 특성을 비교한 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예로부터 상이한 농도의 Mg(TFSI)2 염을 사용하여 제조한 상변이 마그네슘 고체 전해질(PCE)의 특성을 분석한 데이터[(a) FT-IR 스펙트럼, (b) 실물 이미지, (c) 시차주사열량 분석(DSC) 그래프, (d) 0 mol% 및 1 mol% SN 전해질의 X-선 회절(XRD) 패턴 그래프, (e) 1 mol% SN 전해질의 온도 의존성 상전이 실물 이미지].
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상변이 마그네슘 고체전해질(PCE, 1 mol% SN)의 마그네슘 이온 전도 특성을 조사한 데이터[(a) SUS│PCE│SUS 대칭 셀을 사용한 실온에서의 니퀴스트(Nyquist) 플롯(삽도는 등가 회로를 나타냄), (b) PCE 이온전도도(Arrhenius 플롯)의 온도 의존성, (c) 종래 공지된 마그네슘 고체전해질과 PCE의 특성 비교, (d) 3개의 숙시노니트릴 분자를 갖는 마그네슘 이온의 형태 및 결합 에너지, (e) 평균제곱변위 곡선, (f) 이론적으로 계산한 이온전도도의 온도 의존성(Arrhenius 플롯, 삽도는 SN에서 마그네슘 이온의 계산된 온도 의존 확산계수를 나타냄)].
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 상변이 마그네슘 고체전해질(PCE)을 Mo6S8 전극에 함침하는 공정 및 그 Mo6S8 전극의 모폴로지를 분석한 데이터[(a) 모놀리식(monolithic) PCE의 제조 개략도, (b) 가열과정 전후의 Mo6S8 전극에 대한 PCE의 습윤 특성을 나타낸 실물 이미지, (c) 1 mol% SN 전해질이 없는 Mo6S8 전극의 단면을 촬영한 주사전자현미경(SEM) 이미지, (d) 1 mol% SN 전해질이 있는 Mo6S8 전극의 단면을 촬영한 주사전자현미경(SEM) 이미지, (e) (d)의 흰색 점선 박스 영역의 에너지 분산형 X-선 분광(EDS) 분석 및 그에 상응하는 EDS의 기본 매핑 결과].
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상변이 마그네슘 고체전해질(PCE)을 갖는 Mo6S8 전극의 전기화학적 특성을 나타낸 데이터[(a) Mo6S8│PCE│SUS 비대칭 셀에 의하여 구성된 정밀 접촉 및 불량 접촉 상태의 Mo6S8 전극에 대한 니퀴스트 플롯 비교(폐쇄원: 초기, 개방원:24시간 후, 삽도는 불량 접촉 및 정밀 접촉에 대한 개략적인 이미지를 나타냄), (b) Mg│PCE│Mo 에 의하여 구성된 셀을 사용하여 실온에서 요오드 첨가제가 있는 1 mol% SN 전해질(1 mol%+I2)과 요오드 첨가제가 없는 1 mol% SN 전해질(1 mol%)에 대한 니퀴스트 플롯, (c) (b)의 회색 점선 원 영역에서 확대한 니퀴스트 플롯, (d) Mg│PCE+I2│Mo6S8 셀에서 Mg 스트리핑 및 증착의 전압 프로파일].
1 is a conceptual diagram comparing the characteristics of a phase change magnesium solid electrolyte (PCE) according to the present invention and a conventional liquid electrolyte and an inorganic solid electrolyte.
Figure 2 is data analyzing the characteristics of phase change magnesium solid electrolytes (PCE) prepared using different concentrations of Mg (TFSI) 2 salts from Examples of the present invention [(a) FT-IR spectrum, (b) real Image, (c) differential scanning calorimetry (DSC) graph, (d) X-ray diffraction (XRD) pattern graph of 0 mol% and 1 mol% SN electrolytes, (e) temperature-dependent phase transition of 1 mol% SN electrolyte image].
3 is data investigating magnesium ion conduction characteristics of a phase-change magnesium solid electrolyte (PCE, 1 mol% SN) according to an embodiment of the present invention [(a) Nyquist at room temperature using a SUS│PCE│SUS symmetrical cell ( Nyquist) plot (inset shows an equivalent circuit), (b) temperature dependence of PCE ionic conductivity (Arrhenius plot), (c) comparison of the properties of previously known magnesium solid electrolytes and PCE, (d) three succinonitrile molecules Shape and binding energy of magnesium ion with (e) mean square displacement curve, (f) theoretically calculated temperature dependence of ionic conductivity (Arrhenius plot, inset shows the calculated temperature dependent diffusion coefficient of magnesium ion in SN) ].
4 is a process of impregnating a Mo 6 S 8 electrode with a phase change magnesium solid electrolyte (PCE) according to an embodiment of the present invention and data analyzing the morphology of the Mo 6 S 8 electrode [(a) monolithic (monolithic) ) Schematic diagram of the manufacture of PCE, (b) real image showing the wetting characteristics of PCE on the Mo 6 S 8 electrode before and after the heating process, (c) scan of the cross section of the Mo 6 S 8 electrode without 1 mol% SN electrolyte (d) Scanning electron microscope (SEM) image of a cross section of a Mo 6 S 8 electrode with 1 mol% SN electrolyte, (e) Energy dispersion of the white dotted box area in (d) X-ray spectroscopy (EDS) analysis and corresponding EDS basic mapping results].
Figure 5 is data showing the electrochemical characteristics of the Mo 6 S 8 electrode having a phase change magnesium solid electrolyte (PCE) according to an embodiment of the present invention [(a) Mo 6 S 8 │PCE│SUS precision constructed by asymmetric cells Comparison of Nyquist plots for Mo 6 S 8 electrodes in contact and poor contact conditions (closed circle: initial, open circle: after 24 hours, insets show schematic images for poor and fine contact), (b) Mg Nyquist plots for 1 mol% SN electrolyte with iodine additive (1 mol%+I 2 ) and 1 mol% SN electrolyte without iodine additive (1 mol%) at room temperature using a cell constructed by │PCE│Mo , (c) Magnified Nyquist plot in the gray dotted circle region in (b), (d) Mg│PCE+I 2 │Mo 6 S 8 voltage profile of Mg stripping and deposition in the cell].

이하에서는 본 발명에 따른 신규 상변이 마그네슘 고체전해질 및 그 제조방법에 관하여 실시예 및 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a novel phase-change magnesium solid electrolyte and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with examples and accompanying drawings.

먼저, 본 발명에서는 (a) 마그네슘 염; 및 (b) 숙시노니트릴(succinonitrile);을 포함하는 상변이 마그네슘 고체전해질을 제공한다.First, in the present invention (a) a magnesium salt; and (b) succinonitrile.

구체적으로, 본 발명은 숙시노니트릴(succinonitrile, SN)의 가역적 상전이를 이용하는 새로운 개념의 상변이 고체전해질(phase-convertible electrolyte, PCE)에 관한 것인바, 숙시노니트릴은 다소 회전 자유도를 가지면서 상호작용이 약한 분자로 구성된 플라스틱 결정체로 알려져 있다. 숙시노니트릴 결정의 높은 극성과 높은 입체배좌 장애(conformational disorder)는 Mg2+ 염을 용해하고 고체 상태에서 이온 이송을 용이하게 한다. 또한 실온 이상에서의 가역적인 고체-액체 전이로 인하여 PCE의 모놀리식 구조는 간단한 가열 및 냉각 공정을 통해 기존의 액체전해질과 같은 고체 전극과 등각 접촉을 형성할 수 있다. 모놀리식 PCE는 낮은 이온 전도성과 접촉 불량 문제의 현재 이슈를 동시에 해결할 것으로 예상된다. 또한, 숙시노니트릴의 높은 열적 및 전기화학적 안정성은 미래의 전고체 Mg 이온 배터리에 대한 높은 수준의 안전성을 보장할 수 있다.Specifically, the present invention relates to a phase-convertible electrolyte (PCE) of a new concept using the reversible phase transition of succinonitrile (SN), wherein succinonitrile has a degree of rotational freedom and It is known as a plastic crystal composed of weakly functioning molecules. The high polarity and high conformational disorder of succinonitrile crystals dissolve Mg 2+ salts and facilitate ion transport in the solid state. In addition, due to the reversible solid-liquid transition above room temperature, the monolithic structure of PCE can form conformal contact with a solid electrode like a conventional liquid electrolyte through a simple heating and cooling process. Monolithic PCE is expected to simultaneously solve the current issues of low ionic conductivity and poor contact. In addition, the high thermal and electrochemical stability of succinonitrile can ensure a high level of safety for future all-solid-state Mg-ion batteries.

따라서 모놀리식 구조의 3차원 방향 이온 확산을 통한 고속 양이온 전달 특성 때문에 Mg 이온 전도 호스트에 대해 상변이 가능한 결정질 숙시노니트릴이 선택된 것이다. 도 1의 d 및 e에서 보는 바와 같이, 실온에서 플라스틱 결정상(즉, 고체상)의 숙시노니트릴 분자는 trans 및 gauche 유형의 두 가지 형태와 중앙 C-C 단일결합의 회전(즉, trans 및 gauche 유형 사이의 상호 변환)을 가질 수 있고, 숙시노니트릴 매트릭스에 용해된 양이온 확산을 유발할 수 있다. 특히, 숙시노니트릴 분자들 사이의 약한 상호 작용 및 낮은 회전 에너지 장벽과 같은 고유의 특성은 주로 용해된 양이온의 동적 운동에 기여한다. 더욱 중요하게는, 숙시노니트릴 기반 전해질의 모놀리식 특성은 양이온 확산을 위한 균질하고 유리한 환경을 제공할 수 있기 때문에 높은 이온전도성을 제공하는데 중요하다. 지금까지, 숙시노니트릴 기반 전해질은 1가 이온(특히, 리튬 이온)에 대해서만 연구되었지만, 숙시노니트릴은 또한 이온전도에 유리하고 고유한 특성이 Mg2+와 같은 다가 양이온을 포함한 모든 유형의 양이온에 잠재적으로 적용될 수 있기 때문에 훨씬 더 도전적인 다가 이온전도체로 유망하다. 이와 관련하여, 숙시노니트릴의 높은 극성이 다가 Mg 염을 용해하고 높은 Mg2+ 이온전도를 나타낼 수 있는 경우, 상변이를 통한 모놀리식 숙시노니트릴 기반 Mg2+ 이온 전해질의 실현 가능성은 충분하다.Therefore, crystalline succinonitrile capable of phase change was selected for the Mg ion-conducting host because of its monolithic structure and high-speed cation transport through 3-dimensional ion diffusion. As shown in Figure 1d and e, the succinonitrile molecule in the plastic crystalline phase (i.e. solid phase) at room temperature has two conformations of the trans and gauche types and rotation of the central CC single bond (i.e. between the trans and gauche types). mutual conversion), and can induce diffusion of cations dissolved in the succinonitrile matrix. In particular, inherent properties such as weak interactions between succinonitrile molecules and low rotational energy barriers mainly contribute to the dynamic motion of dissolved cations. More importantly, the monolithic nature of succinonitrile-based electrolytes is important for providing high ionic conductivity as they can provide a homogeneous and favorable environment for cation diffusion. So far, succinonitrile-based electrolytes have been studied only for monovalent ions (especially lithium ions), but succinonitrile is also advantageous for ion conduction and has unique properties for all types of cations, including multivalent cations such as Mg 2+ . It is promising as a much more challenging polyvalent ion conductor because it can potentially be applied to In this regard, if the high polarity of succinonitrile can dissolve polyvalent Mg salts and exhibit high Mg 2+ ionic conductivity, the feasibility of monolithic succinonitrile-based Mg 2+ ion electrolyte through phase transition is sufficient. do.

또한, 상기 (a) 마그네슘 염으로서는 마그네슘 비스(트리플루오로메탄술폰이미드)를 바람직하게 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, magnesium bis(trifluoromethanesulfonimide) can be preferably used as the magnesium salt (a), but is not limited thereto.

또한, 상기 마그네슘 염의 몰백분율은 1 내지 5 mol%인 것일 수 있는바, 여기서 마그네슘 염의 몰백분율이 1 mol%라는 의미는 '숙시노니트릴의 1 mol% Mg 염'을 의미하며, 실온에서 고체전해질을 얻을 수 있는 점을 고려하면 마그네슘 염의 몰백분율은 1 mol%인 것이 가장 바람직하다.In addition, the molar percentage of the magnesium salt may be 1 to 5 mol%, where the molar percentage of the magnesium salt is 1 mol% means '1 mol% Mg salt of succinonitrile', and a solid electrolyte at room temperature Considering the fact that can be obtained, the mole percentage of the magnesium salt is most preferably 1 mol%.

또한, 상기 상변이 마그네슘 고체 전해질은 요오드(I2) 첨가제를 더욱 포함하는 것일 수 있는바, 마그네슘 금속 표면에서 계면저항을 크게 줄임으로써 마그네슘 이온의 전도성을 크게 향상시키므로 전고체전지의 전해질로 응용이 기대된다.In addition, the phase-change magnesium solid electrolyte may further include an iodine (I 2 ) additive, which greatly improves the conductivity of magnesium ions by greatly reducing the interfacial resistance on the surface of the magnesium metal, so that it can be applied as an electrolyte for an all-solid-state battery. It is expected.

그러므로 본 발명에서는 상술한 바와 같은 상변이 마그네슘 고체전해질을 포함하는 전고체전지를 제공할 수 있다.Therefore, the present invention can provide an all-solid-state battery including the above-described phase-change magnesium solid electrolyte.

또한, 본 발명에서는 (I) 마그네슘 염을 용융된 숙시노니트릴(succinonitrile)에 부가하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 (II) 상기 혼합물을 60℃ 이상에서 교반하는 단계;를 포함하는 상변이 마그네슘 고체전해질의 제조방법을 제공한다.Further, in the present invention, (I) adding a magnesium salt to molten succinonitrile to form a mixture; and (II) stirring the mixture at 60° C. or higher.

종래 고체전해질을 제조하기 위한 용액 기반 방법은 주로 N-메틸포름아미드(NMF), 히드라진 및 헥산과 같은 용해제를 사용하여 고체 입자를 고체전해질의 용액 상으로 분산 또는 용해시켰다. 그런데 이러한 용매는 대부분 독성이 있으며, 추가적인 용매 건조 단계를 이용해야 하므로 실제 적용이 제한된다. 또한, 입자들 사이의 빈 공간을 치밀하게 채우기 위해 펠릿화 또는 가압공정도 필요하다.A conventional solution-based method for preparing a solid electrolyte mainly disperses or dissolves solid particles into a solution phase of a solid electrolyte using a dissolving agent such as N-methylformamide (NMF), hydrazine, and hexane. However, most of these solvents are toxic, and practical applications are limited because an additional solvent drying step must be used. In addition, a pelletizing or pressing process is also required to densely fill the empty space between the particles.

그러나 본 발명에 따른 상변이 마그네슘 고체전해질의 제조방법은 용매 또는 가압과정이 필요하지 않은 상변이 전해질(PCE)의 액체-고체 상전이를 활용함으로써 간단하고 안전한 공정으로 상변이 마그네슘 고체 전해질을 제조할 수 있다. 또한, 용융된 PCE의 고유 특성으로 인하여 변형이 쉽고 화학적으로 안정적이며 형상에 관계없이 모든 유형의 전극에 널리 적용할 수 있는 효과를 갖는다.However, the method for producing a phase-change magnesium solid electrolyte according to the present invention utilizes the liquid-solid phase transition of a phase-change electrolyte (PCE) that does not require a solvent or a pressurization process, thereby producing a phase-change magnesium solid electrolyte in a simple and safe process. there is. In addition, due to the unique properties of molten PCE, it is easy to deform and chemically stable, and has an effect that can be widely applied to all types of electrodes regardless of shape.

상기 (I) 단계에서 요오드 첨가제를 더욱 부가할 수 있는 것인바, 요오드(I2) 첨가제가 부가된 상변이 마그네슘 고체전해질은 마그네슘 금속 표면에서 계면저항을 크게 줄임으로써 마그네슘 이온의 전도성을 크게 향상시키는데 기여한다.In the step (I), an iodine additive may be further added, and the phase-change magnesium solid electrolyte to which the iodine (I 2 ) additive is added significantly improves the conductivity of magnesium ions by greatly reducing the interfacial resistance at the magnesium metal surface. contribute

이하에서는 구체적인 실시예 및 시험예를 첨부된 도면의 다양한 데이터와 함께 서술한다.Hereinafter, specific examples and test examples are described together with various data of the accompanying drawings.

[실시예] 상변이 마그네슘-이온 전해질(PCE)의 제조[Example] Preparation of phase change magnesium-ion electrolyte (PCE)

마그네슘(II) 비스(트리플루오로메탄술폰이미드) 염[Mg(TFSI)2, Solvionic, 99.5%] 및 숙시노니트릴(Sigma-Aldrich, 99%)은 사용 전에 건조하였다. 상기 마그네슘(II) 비스(트리플루오로메탄술폰이미드) 염을 용융된 숙시노니트릴(succinonitrile, SN)에 부가하여 혼합물을 형성하였다. 이어서 상기 혼합물을 60℃ 이상에서 밤새 교반하여 다양한 농도의 PCE를 제조하였다[Mg(TFSI)2의 몰백분율 1 mol%(1 mol% SN), 3 mol%(3 mol% SN), 5 mol%(5 mol% SN)]. 또한, 선택적으로 요오드(I2) 첨가제(Sigma-Aldrich, ≥99.8%)를 0.1M의 몰 농도로 부가한 PCE도 같은 방법으로 제조하였다.Magnesium(II) bis(trifluoromethanesulfonimide) salt [Mg(TFSI) 2, Solvionic, 99.5%] and succinonitrile (Sigma-Aldrich, 99%) were dried prior to use. The magnesium(II) bis(trifluoromethanesulfonimide) salt was added to molten succinonitrile (SN) to form a mixture. Then, the mixture was stirred at 60° C. or higher overnight to prepare PCE of various concentrations [molar percentage of Mg(TFSI) 2 1 mol% (1 mol% SN), 3 mol% (3 mol% SN), 5 mol% (5 mol% SN)]. In addition, PCE to which an iodine (I 2 ) additive (Sigma-Aldrich, ≥99.8%) was optionally added at a molar concentration of 0.1 M was prepared in the same manner.

한편, 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 Mo6S8 전극을 제조하였는바, Mo6S8, 탄소 및 폴리비닐리덴플루오라이드(80:10:10 중량%)를 과량의 1-메틸-2-피롤리돈(NMP) 하에서 슬러리로 형성하여 몰리브덴 호일을 코팅하였다. 코팅액을 밤새 건조한 다음, 80℃ 진공오븐에 넣었다. 그 다음 Mo6S8 전극을 펀칭하여 12 mm 디스크로 조립하였다. On the other hand, Mo 6 S 8 electrodes were prepared to evaluate electrochemical properties, and Mo 6 S 8 , carbon and polyvinylidene fluoride (80:10:10% by weight) were mixed with an excess of 1-methyl-2-p. Molybdenum foil was coated by forming into a slurry under Rolidone (NMP). After drying the coating solution overnight, it was placed in a vacuum oven at 80°C. Mo 6 S 8 electrodes were then punched and assembled into 12 mm disks.

[시험예] 기기분석 및 특성평가 방법[Test Example] Instrument analysis and characteristic evaluation method

분말 X-선 회절 패턴은 3°mm-1(2θ)의 스캔 속도에서 CuKα 방사선과 함께 Dmax2500/PC를 사용하여 얻었다. SDT-Q600에 대해 열중량 분석(TGA)과 시차주사열량 분석(DSC)을 수행하여 각각 공기 및 N2 대기 하에서 PCE의 열적 특성을 평가하였다(승온속도 10℃ min-1). 푸리에(Fourier) 변환 적외선 스펙트럼은 4,000 ~ 400cm-1 범위의 Nicolet iS10을 사용하여 측정하였다. 주사전자현미경(SEM) 이미지와 에너지 분산 X-선 분광(EDS)은 Regulus 8230을 사용하여 얻었다. X-선 광전자 분광법(XPS)은 Nexsa를 사용하여 수행하였다. VMP3를 사용하여 50 mHz ~ 1 MHz의 주파수 범위와 10mV의 적용된 진폭에서 전기화학적 임피던스 분광법을 수행하였으며, 0.1 mV s-1의 스위프(sweep) 속도에서 순환전압전류법에 의해 측정하였다. 정전류 주기 측정은 WBCS 3000을 사용하여 0.01 mA cm-2(주기 당 1시간)의 전류밀도 하에서 평가하였다.Powder X-ray diffraction patterns were obtained using Dmax2500/PC with CuK α radiation at a scan rate of 3° mm −1 (2 θ ). Thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) were performed on SDT-Q600 to evaluate the thermal properties of PCE under air and N 2 atmospheres (heating rate 10° C. min -1 ). A Fourier transform infrared spectrum was measured using a Nicolet iS10 in the range of 4,000 to 400 cm -1 . Scanning electron microscopy (SEM) images and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were obtained using a Regulus 8230. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed using Nexsa. Electrochemical impedance spectroscopy was performed using VMP3 in the frequency range of 50 mHz to 1 MHz and applied amplitude of 10 mV, and was measured by cyclic voltammetry at a sweep rate of 0.1 mV s -1 . Constant current cycle measurement was evaluated under a current density of 0.01 mA cm -2 (1 hour per cycle) using WBCS 3000.

또한, 분자의 전자 구조 및 에너지론(energetics)은 밀도 범함수 이론을 이용하여 DMol3 프로그램으로 모델링하였다. 교환 및 상관 에너지는 일반화된 구배 근사화(gradient approximation)로 처리되었으며 Perdew-Burke-Ernzerhof 함수는 전자 간의 교환 상관 상호작용을 설명하는데 이용하였다. 5.0 ㅕ의 글로벌 궤도 차단을 선택하여 모든 계산에 이용하였다. 고품질로 설정된 이중수치 분극 기반(double-numeric polarised basis)을 채택하였고, 결합에너지는 다음 방정식으로 계산하였다:In addition, the electronic structure and energetics of the molecule were modeled with the DMol3 program using the density functional theory. The exchange and correlation energies were treated by a generalized gradient approximation, and the Perdew-Burke-Ernzerhof function was used to describe the exchange-correlation interaction between electrons. A global trajectory cutoff of 5.0 ㅕ was selected and used for all calculations. A high-quality set double-numeric polarized basis was adopted, and the binding energy was calculated by the following equation:

Figure 112020134033190-pat00001
Figure 112020134033190-pat00001

상기 식에서, In the above formula,

Figure 112020134033190-pat00002
Figure 112020134033190-pat00003
,
Figure 112020134033190-pat00004
Figure 112020134033190-pat00005
Figure 112020134033190-pat00006
Figure 112020134033190-pat00007
은 각각 SN과 상호 작용하는 Mg2+의 기저 상태, Mg2+의 흡착종 및 SN 분자의 총 전자에너지이다.
Figure 112020134033190-pat00002
Figure 112020134033190-pat00003
,
Figure 112020134033190-pat00004
Figure 112020134033190-pat00005
and
Figure 112020134033190-pat00006
Figure 112020134033190-pat00007
are the total electron energies of the ground state of Mg 2+ interacting with SN, the adsorbed species of Mg 2+ and the SN molecule, respectively.

기하학적 최적화를 포함한 모든 분자 모델링 절차는 PACKMOL을 사용하여 구현하였다. SN에서 이온의 이동성을 예측하기 위한 생성 작업(runs)은 샌디아 국립 연구소(Sandia National Research Laboratories)에서 제공한 대규모 원자/분자 대량 병렬 시뮬레이션(Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulation) 프로그램을 이용하여 구현하였다. ab-inito 계산에서 파라미터화한 폴리머 일관 포스필드(force field)를 이용하여 모든 분자 간 상호작용 및 분자 내 상호작용을 설명하였다. Mg2+와 SN 사이의 상호작용을 설명하는데 사용되는 PCFF 포스필드는 gauche 및 trans 형태에서 Mg2+ 및 N 원자의 반데르 발스 전위 및 쿨롱 상호작용 매개 변수를 구별하지 않는다. 그럼에도 불구하고 PCFF 포스필드는 gauche-trans 전이의 형태적 변화를 설명할 수 있다. 따라서 MD 시뮬레이션 부분은 SN 및 Mg2+ 이온 이동성의 형태 변화에 중점을 둔다. NPT 과정에서 시간 t에서 Mg2+ 이온의 MSD는 다음과 같이 주어진다: All molecular modeling procedures including geometrical optimization were implemented using PACKMOL. The runs for predicting the mobility of ions in the SN were performed using the Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulation program provided by Sandia National Research Laboratories. implemented. All intermolecular and intramolecular interactions were accounted for using the polymer coherent force field parameterized in the ab-inito calculations. The PCFF force field used to describe the interaction between Mg 2+ and SN does not differentiate between the van der Waals potential and Coulomb interaction parameters of Mg 2+ and N atoms in the gauche and trans conformations. Nevertheless, the PCFF force field can explain the morphological changes of the gauche-trans transition. Therefore, the MD simulation part focuses on the morphological changes of SN and Mg 2+ ion mobility. The MSD of Mg 2+ ions at time t in the NPT process is given by:

Figure 112020134033190-pat00008
Figure 112020134033190-pat00008

상기 식에서,

Figure 112020134033190-pat00009
는 시간 t에서 i 번째 원자의 현재 위치를 나타낸다. In the above formula,
Figure 112020134033190-pat00009
denotes the current position of the ith atom at time t.

온도에 따른 MSD 곡선의 변화를 통해 온도 변화를 겪는 분자 시스템의 상대적 확산성을 추정할 수 있다. Mg 이온의 이온 전도도는 넌스트-아인스타인(Nernst-Einstein) 관계식

Figure 112020134033190-pat00010
Figure 112020134033190-pat00011
를 통해 계산되었으며, 여기서 σ는 등방성 이온 전도도이고, N은 cm3 당 양이온 수이고, e는 전자 전하이고, k b 는 볼츠만 상수이고, D는 음이온의 확산계수이다. The change of the MSD curve with temperature can be used to estimate the relative diffusivity of a molecular system undergoing a temperature change. The ionic conductivity of Mg ions is determined by the Nernst-Einstein relation
Figure 112020134033190-pat00010
Figure 112020134033190-pat00011
where σ is the isotropic ionic conductivity, N is the number of cations per cm 3 , e is the electronic charge, k b is the Boltzmann constant, and D is the anion diffusion coefficient.

[기기분석 및 특성평가 결과][Results of device analysis and characteristic evaluation]

도 2에는 본 발명의 실시예로부터 상이한 농도의 Mg(TFSI)2 염을 사용하여 제조한 상변이 마그네슘 고체 전해질(PCE)의 특성을 분석한 데이터[(a) FT-IR 스펙트럼, (b) 실물 이미지, (c) 시차주사열량 분석(DSC) 그래프, (d) 0 mol% 및 1 mol% SN 전해질의 X-선 회절(XRD) 패턴 그래프, (e) 1 mol% SN 전해질의 온도 의존성 상전이 실물 이미지]를 나타내었다.Figure 2 shows data analyzing the characteristics of the phase change magnesium solid electrolyte (PCE) prepared using different concentrations of Mg (TFSI) 2 salt from the examples of the present invention [(a) FT-IR spectrum, (b) real Image, (c) differential scanning calorimetry (DSC) graph, (d) X-ray diffraction (XRD) pattern graph of 0 mol% and 1 mol% SN electrolytes, (e) temperature-dependent phase transition of 1 mol% SN electrolyte image] was shown.

먼저, 고체상의 상이한 염 몰백분율에 따른 각 PCE의 화학적 특성은 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR)을 이용하여 조사하였다(도 2의 a 참조). 1 mol%(SN의 1 mol% Mg 염) 샘플의 표기법에서 알 수 있듯이, Mg2+ 염을 첨가한 후 TFSI 음이온의 스트레칭 진동과 관련된 신호가 식별되었다. 1061, 1142 및 1354 cm-1에서의 피크는 S-N-S 진동, SO2의 대칭 및 비대칭 스트레칭 진동과 각각 일치하였다. 염을 첨가한 후, 순수한 SN(0 mol%)의 특징적인 피크는 변하지 않았으며, 이는 Mg(TFSI)2가 부반응 없이 SN에 안정적으로 용해될 수 있음을 나타낸다. 5 mol%의 염을 첨가한 후에도 스펙트럼의 큰 변화가 관찰되지 않아 SN에서 Mg 도펀트의 높은 상용성을 나타냈다. First, the chemical properties of each PCE according to the different salt molar percentages of the solid phase were investigated using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) (see Fig. 2a). As indicated by the notation of the 1 mol% (1 mol% Mg salt of SN) sample, signals related to the stretching oscillations of the TFSI anion were identified after addition of the Mg 2+ salt. The peaks at 1061, 1142 and 1354 cm −1 coincided with SNS vibrations, symmetric and asymmetric stretching vibrations of SO 2 , respectively. After adding the salt, the characteristic peak of pure SN (0 mol%) was unchanged, indicating that Mg(TFSI) 2 can be stably dissolved in SN without side reactions. Even after adding 5 mol% of the salt, no significant change in the spectrum was observed, indicating high compatibility of the Mg dopant in the SN.

PCE의 물리적 거동이 염 농도에 따라 크게 다르다는 점은 흥미롭다. 모든 SN 전해질은 염 농도에 관계없이 70℃의 승온에서 투명해 보이지만 고화과정(즉, 실온까지 냉각) 후에 농도 의존적 특징을 보여준다(도 2의 b 참조). 0 mol%(순수한 SN) 및 1 mol% SN은 모두 실온에서 완전 고체상이나, 3 mol% SN은 주로 고체상으로 구성되지만 일부 액체와 혼합된다. 5 mol% SN의 경우, 고체상으로 거의 전환되지 않고 원래의 액체 상태를 유지한다. 이 온도 의존적 상전이 거동은 Mg 염과 SN이 공융(eutectic) 시스템을 구성하며, 또한 Mg 염을 추가하면 SN의 T m이 감소하기 때문이다. It is interesting to note that the physical behavior of PCE varies greatly with salt concentration. All SN electrolytes appear transparent at an elevated temperature of 70 °C regardless of the salt concentration, but show concentration-dependent characteristics after solidification (i.e., cooling to room temperature) (see Fig. 2b). Both 0 mol% (pure SN) and 1 mol% SN are completely solid at room temperature, while 3 mol% SN consists primarily of a solid phase but is mixed with some liquids. In the case of 5 mol% SN, it hardly converts to the solid phase and maintains the original liquid state. This temperature-dependent phase transition behavior is because Mg salt and SN form a eutectic system, and the T m of SN decreases when Mg salt is added.

각 SN의 T m을 신중하게 비교하기 위해 시차주사열량 분석(DSC)을 수행하였는바(도 2의 c 참조), Mg 염의 농도가 0에서 5 mol%로 증가함에 따라 각 SN의 T m은 각각 59℃에서 37℃로 점차 감소하였다. 또한 모든 PCE는 플라스틱 결정 전이온도(T pc)에 해당하는 -32℃ 주변의 흡열피크를 가지며, 용해된 염이 gauche-trans 전이의 활성화 장벽에 영향을 미치기 때문에 T pc는 염 농도가 증가할 때 점진적으로 음의 이동을 나타냈다. 요컨대, 용융된 SN은 Mg(TFSI)2 염을 안정적으로 용해시킬 수 있으며, 염의 농도는 PCE의 열적 거동에 큰 영향을 미친다. 실온에서 고체 상태의 전해질을 얻기 위해서는 1 mol% SN을 가장 바람직하게 선택한다.Differential scanning calorimetry (DSC) was performed to carefully compare the T m of each SN (see Fig. 2 c). As the concentration of Mg salt increased from 0 to 5 mol%, the T m of each SN was It decreased gradually from 59 °C to 37 °C. In addition, all PCEs have an endothermic peak around -32 ℃ corresponding to the plastic crystal transition temperature ( T pc ), and since dissolved salts affect the activation barrier of the gauche-trans transition, T pc increases when the salt concentration increases. showed a gradual negative shift. In short, molten SN can stably dissolve the Mg(TFSI) 2 salt, and the concentration of the salt has a great influence on the thermal behavior of PCE. To obtain a solid-state electrolyte at room temperature, 1 mol% SN is the most preferred choice.

또한, 고체상에서 순수한 SN(0 mol% SN) 및 PCE(1 mol% SN)의 결정구조는 X-선 회절(XRD)을 이용하여 조사하였다(도 2의 d 참조). 0 mol% SN은 플라스틱 결정상의 전형적인 특성을 나타냈다. 19°및 28°에서 2개의 우세한 피크는 각각 입방체 구조의(110) 및 (200) 평면에 해당했으며, XRD 패턴에서 약 20°~ 30°의 넓은 혹(hump) 영역은 플라스틱 결정상의 고도한 회전장애를 나타낸다. 1 mol% SN은 0 mol% SN의 플라스틱 결정상으로 일관된 XRD 패턴을 나타냈으며, 큰 변화는 관찰되지 않았다. 용융된 SN에 Mg2+ 염이 안정적으로 용해되었고 Mg2+ 염을 용해한 후에도 SN 호스트의 소성 결정 특성이 보존되었음을 알 수 있다. 그러나 1 mol% SN은 순수한 SN에 비해 28ㅀ에서 비교적 강렬한 피크를 가지며, 이는 염과 SN 분자 간의 상호작용에 의한 SN의 염 유도 국소적 순서(local ordering)를 보여주는 종래 결과와 일치한다. 1 mol% SN은 60℃로의 간단한 가열과 실온까지의 냉각(도 2의 e 참조)을 통해 각각 쉽게 액화 및 고화될 수 있으며, 적당히 상승된 온도에서 변형 가능한 액상 PCE를 사용하여 고체 전극과 밀접한 접촉을 형성할 수 있다.In addition, the crystal structures of pure SN (0 mol% SN) and PCE (1 mol% SN) in the solid phase were investigated using X-ray diffraction (XRD) (see Fig. 2d). 0 mol% SN exhibited typical properties of a plastic crystalline phase. The two dominant peaks at 19° and 28° corresponded to the (110) and (200) planes of the cubic structure, respectively, and the wide hump region from about 20° to 30° in the XRD pattern indicates the highly rotated plastic crystal phase. indicate a disability. 1 mol% SN showed a consistent XRD pattern with the plastic crystal phase of 0 mol% SN, and no significant change was observed. It can be seen that the Mg 2+ salt was stably dissolved in the molten SN and the plastic crystal properties of the SN host were preserved even after dissolving the Mg 2+ salt. However, 1 mol% SN has a relatively intense peak at 28° compared to pure SN, which is consistent with previous results showing salt-induced local ordering of SN by the interaction between salt and SN molecules. 1 mol% SN can be easily liquefied and solidified by simple heating to 60 °C and cooling to room temperature (see Fig. 2e), respectively, and is in close contact with a solid electrode using a transformable liquid PCE at moderately elevated temperatures. can form

추가적으로, SN의 열적 및 전기화학적 안정성을 조사하여 Mg 이온 배터리에서 고체전해질로서의 적용 가능성을 확인하였다. 고 가연성 유기용매(테트라하이드로푸란, THF)와는 대조적으로, SN은 다소 낮은 가연성을 나타냈으며, 공기 중 100℃ 이상에서 열적으로 안정하였다. 특히, 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry, CV) 시험에서 최대 6V까지 현저한 산화전류가 관찰되지 않았으며, 이는 Mg 배터리의 안전한 호스트로 SN을 사용하는 것이 합리적이라는 것을 증명한다.Additionally, the thermal and electrochemical stability of SN was investigated to confirm its applicability as a solid electrolyte in Mg ion batteries. In contrast to highly flammable organic solvents (tetrahydrofuran, THF), SN showed rather low flammability and was thermally stable above 100 °C in air. In particular, no significant oxidation current was observed up to 6 V in cyclic voltammetry (CV) tests, which proves the rationality of using SN as a safe host for Mg batteries.

도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 상변이 마그네슘 고체전해질(PCE, 1 mol% SN)의 마그네슘 이온 전도 특성을 조사한 데이터[(a) SUS│PCE│SUS 대칭 셀을 사용한 실온에서의 니퀴스트(Nyquist) 플롯(삽도는 등가 회로를 나타냄), (b) PCE 이온전도도(Arrhenius 플롯)의 온도 의존성, (c) 종래 공지된 마그네슘 고체전해질과 PCE의 특성 비교, (d) 3개의 숙시노니트릴 분자를 갖는 마그네슘 이온의 형태 및 결합 에너지, (e) 평균제곱변위 곡선, (f) 이론적으로 계산한 이온전도도의 온도 의존성(Arrhenius 플롯, 삽도는 SN에서 마그네슘 이온의 계산된 온도 의존 확산계수를 나타냄)]를 도시하였다.3 shows the data of examining the magnesium ion conduction characteristics of the phase-change magnesium solid electrolyte (PCE, 1 mol% SN) according to an embodiment of the present invention [(a) Nyquist at room temperature using a SUS│PCE│SUS symmetrical cell ( Nyquist) plot (inset shows an equivalent circuit), (b) temperature dependence of PCE ionic conductivity (Arrhenius plot), (c) comparison of the properties of previously known magnesium solid electrolytes and PCE, (d) three succinonitrile molecules Shape and binding energy of magnesium ion with (e) mean square displacement curve, (f) theoretically calculated temperature dependence of ionic conductivity (Arrhenius plot, inset shows the calculated temperature dependent diffusion coefficient of magnesium ion in SN) ] was shown.

PCE의 이온전도도를 평가하기 위해 먼저 차단 대칭 셀을 제조하고 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 이용하여 임피던스를 측정하였다(도 3의 a 및 b 참조). PCE(1 mol% SN)의 니퀴스트(Nyquist) 플롯은 차단 전극의 전형적인 EIS 프로파일을 나타내며, 이온전도도는 실온에서 2.808 x 10-5 S cm-1로 측정되었다(도 3의 a 참조). 다가 이온에 대해 실온에서 10-5 S cm-1 이상의 높은 전도도는 거의 달성되지 않았다. 온도에 따른 이온전도도를 기반으로(도 3의 b 참조), 고체 상태 PCE에서 이온 전도에 대한 활성화 에너지(E a)를 유도할 수 있다. 아레니우스(Arrhenius) 플롯에서, E a는 0.674eV로 계산되었으며, 이는 종래 공지된 것보다 상당히 낮은 값으로, SN이 다가 Mg2+ 이온에 대한 유망한 이온전도성 호스트로 작동함을 확인하고 있다. 이와 같이 높은 이온전도도는 고온 소결공정 없이 상온에서 달성되었다는 점에 유의해야 한다. 이온전도도는 유리 극세사 필터(GF/F)에 용융된 전해질을 습윤시키고 실온에서 냉각함으로써 측정하였다(도 3b의 삽도 참조). 특히, 본 발명에 따른 PCE는 가장 낮은 열처리 온도에서도 거의 가장 높은 전도도를 나타냈다. PCE는 보로하이드라이드계 전해질, 액정계 전해질 및 인산염계 고체전해질(도 3의 c 참조)과 같은 Mg2+ 전도에 대해 종래 고체전해질보다 우수한 이온전도성을 나타낸다. 인산염계 고체전해질(도 3의 c에서 R5, R6 및 R7)은 실온에서 상당히 높은 이온전도도(> 10-5 S cm-1)를 나타낼 수 있지만, 이러한 재료에 필요한 고온 소결 (> 750℃, 도 3의 c에서 적색 막대)은 전해질의 실제 적용을 제한한다. PCE의 높은 이온전도도 외에도 전압 윈도우는 높은 전기 화학적 안정성을 보장하기에 충분히 넓다(도 3의 c에서 청색 막대). 높은 이온전도도, 간단한 제조공정, 넓은 전기화학적 윈도우 및 높은 화학적 안정성과 같은 독특한 특성은 고급 Mg2+ 이온 전도성 고체전해질에 사용되는 PCE의 큰 장점이다.In order to evaluate the ionic conductivity of PCE, first, a blocking symmetric cell was prepared and the impedance was measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) (see a and b in FIG. 3). A Nyquist plot of PCE (1 mol% SN) shows a typical EIS profile of the blocking electrode, and the ionic conductivity was measured as 2.808 x 10 -5 S cm -1 at room temperature (see Fig. 3a). Conductivities higher than 10 −5 S cm −1 at room temperature for multivalent ions have rarely been achieved. Based on the ionic conductivity with temperature (see b in FIG. 3), the activation energy ( E a ) for ion conduction in the solid-state PCE can be derived. In the Arrhenius plot, E a was calculated to be 0.674 eV, which is significantly lower than previously known values, confirming that SN acts as a promising ionoconductive host for multivalent Mg 2+ ions. It should be noted that such a high ionic conductivity was achieved at room temperature without a high-temperature sintering process. The ionic conductivity was measured by wetting the molten electrolyte on a glass microfiber filter (GF/F) and cooling it at room temperature (see the inset of FIG. 3B). In particular, the PCE according to the present invention showed almost the highest conductivity even at the lowest heat treatment temperature. PCE exhibits better ion conductivity than conventional solid electrolytes for Mg 2+ conduction such as borohydride-based electrolytes, liquid crystal-based electrolytes, and phosphate-based solid electrolytes (see FIG. 3 c). Phosphate-based solid electrolytes (R5, R6 and R7 in FIG. 3c) can exhibit significantly high ionic conductivity (> 10 -5 S cm -1 ) at room temperature, but the high temperature sintering (> 750 °C, The red bars in Fig. 3 c) limit the practical application of the electrolyte. In addition to the high ionic conductivity of PCE, the voltage window is wide enough to ensure high electrochemical stability (blue bar in Fig. 3c). The unique properties such as high ionic conductivity, simple fabrication process, wide electrochemical window and high chemical stability are the great advantages of PCE used in advanced Mg 2+ ion conducting solid electrolytes.

또한, Mg2+ 이온이 SN에서 어떻게 용해되고 SN 분자와 조화를 이루는지를 근본적으로 이해하기 위해, 'ab initio' 계산은 밀도 범함수 이론(DFT)에 의해 수행되었다. Mg2+ 이온과 SN 분자들의 배치를 비롯하여 그들 사이의 결합에너지를 계산하였는바(도 3의 d 참조). 1가 리튬 이온은 -3.33 eV의 결합 에너지를 보였지만, 2가 Mg2+ 이온은 강한 쿨롱 상호작용으로 인해 SN과 더 강하게 상호작용하였다. 결합에너지는 trans 배치의 수에 의해 크게 영향을 받는다. 3개의 gauche 배치를 갖는 Mg2+의 결합에너지는 -15.93 eV이지만, gauche 리간드가 trans 배치로 변환함에 따라 점차적으로 증가한다. 3개의 trans와의 결합에너지는 -17.95 eV에 해당하며, 이는 trans와의 결합이 Mg2+ 이온에 대한 gauche보다 더 유리하다는 것을 시사한다(도 3의 d 참조). 다시 말하면, Mg2+ 이온과의 상호작용은 전환을 위한 활성화 에너지 감소로 인해 gauche의 trans로의 배치 전이를 촉진할 수 있다. 또한, Mg2+ 이온에 의해 영향을 받는 배치 전이는 Mg2+ 이온에 인접한 gauche 분자의 배치 전이 시뮬레이션을 이용하여 시각적으로 제공될 수도 있는데, SN 분자의 용이한 회전이 양이온을 전도하는데 유익하다는 점을 고려할 때, 이 결과는 SN 호스트가 고체상에서도 고속 이온 전도를 가능하게 한다는 것을 근본적으로 뒷받침한다.In addition, in order to fundamentally understand how Mg 2+ ions dissolve in SN and coordinate with SN molecules, ' ab initio ' calculations were performed by density functional theory (DFT). The arrangement of Mg 2+ ions and SN molecules and binding energy between them were calculated (see d in FIG. 3). Monovalent lithium ions showed a binding energy of -3.33 eV, but divalent Mg 2+ ions interacted more strongly with SNs due to strong Coulomb interactions. The binding energy is greatly affected by the number of trans configurations. The binding energy of Mg 2+ with three gauche configurations is -15.93 eV, but it gradually increases as the gauche ligand converts to the trans configuration. The binding energy with three trans corresponds to -17.95 eV, suggesting that the binding with trans is more favorable than gauche for Mg 2+ ion (see d in FIG. 3). In other words, interaction with Mg 2+ ions can promote the configurational transition of gauche to trans due to the reduced activation energy for the transition. In addition, the configurational transitions affected by Mg 2+ ions can also be visually provided using simulations of configurational transitions of gauche molecules adjacent to Mg 2+ ions, where the easy rotation of SN molecules is beneficial for conducting positive ions. Considering , this result fundamentally supports that the SN host enables high-speed ionic conduction even in the solid phase.

또한, SN 호스트에서 Mg2+ 이온의 유체 운동은 Mg(TFSI)2와 SN 사이의 다양한 분자 비(99 내지 1)에서 분자 동적 시뮬레이션에 기반하여 추가로 조사하였다. 비정질 셀과의 주기 경계 조건을 적용하였고, 셀은 에너지 최소화에 의해 가장 낮은 에너지로 되었다. 그 후, 셀은 25K 간격으로 250K ~ 350K 범위의 다양한 온도에서 반복되는 1,000ps로 등온-등압(NPT) 조화(ensemble)에서 평형화되었다. 도 3의 e는 Mg2+ 이온의 평균 제곱 변위(MSD)를 나타내며, Mg2+ 이온의 운동능력(MSD)은 유도 계산에 의해 산출하였다. 계산 결과를 기반으로 이온전도도는 실온에서 1.17 x 10-4 S cm-1로 추정되었다(도 3의 f 참조). 계산된 계수는 이온전도에 대한 활성화 에너지를 계산할 수 있는 아레니우스 거동을 대략적으로 따른다. 0.487 eV의 획득된 활성화 에너지는 trans 형태의 SN 분자와 강하게 상호작용하는 Mg2+ 이온을 나타낸다(도 3의 f의 삽도 참조). 이온전도도와 활성화 에너지 장벽 모두의 이론값은 실험값에서 약간의 편차를 나타내며, 이는 DFT 계산에서보다 MD 시뮬레이션에서 N과 Mg2+ 간의 약한 상호작용에 기인할 수 있다. 그러나 상기 계산 결과는 Mg2+ 이온이 SN 호스트에서 어떻게 빠르게 확산되는지에 대한 기본적인 근거라 할 수 있다.In addition, the fluid motion of Mg 2+ ions in the SN host was further investigated based on molecular dynamic simulations at various molecular ratios (99 to 1) between Mg(TFSI) 2 and SN. A periodic boundary condition with an amorphous cell was applied, and the cell became the lowest energy by energy minimization. The cell was then equilibrated in an isothermal-isobaric (NPT) ensemble with repeated 1,000 ps at various temperatures ranging from 250 K to 350 K at 25 K intervals. 3e shows the mean square displacement (MSD) of Mg 2+ ions, and the kinetic ability (MSD) of Mg 2+ ions was calculated by inductive calculation. Based on the calculation results, the ionic conductivity was estimated to be 1.17 x 10 -4 S cm -1 at room temperature (see f in Fig. 3). The calculated coefficient roughly follows the Arrhenius behavior from which the activation energy for ionic conduction can be calculated. The obtained activation energy of 0.487 eV indicates that the Mg 2+ ion strongly interacts with the SN molecule in the trans form (see the inset of f in FIG. 3 ). The theoretical values of both the ionic conductivity and the activation energy barrier show slight deviations from the experimental values, which can be attributed to the weaker interaction between N and Mg 2+ in the MD simulations than in the DFT calculations. However, the above calculation result can be regarded as a basic basis for how Mg 2+ ions rapidly diffuse in the SN host.

도 4에는 본 발명의 실시예에 따른 상변이 마그네슘 고체전해질(PCE)을 Mo6S8 전극에 함침하는 공정 및 그 Mo6S8 전극의 모폴로지를 분석한 데이터[(a) 모놀리식(monolithic) PCE의 제조 개략도, (b) 가열과정 전후의 Mo6S8 전극에 대한 PCE의 습윤 특성을 나타낸 실물 이미지, (c) 1 mol% SN 전해질이 없는 Mo6S8 전극의 단면을 촬영한 주사전자현미경(SEM) 이미지, (d) 1 mol% SN 전해질이 있는 Mo6S8 전극의 단면을 촬영한 주사전자현미경(SEM), (e) (d)의 흰색 점선 박스 영역의 에너지 분산형 X-선 분광(EDS) 분석 및 그에 상응하는 EDS의 기본 매핑 결과]를 도시하였다.4 shows a process of impregnating a Mo 6 S 8 electrode with a phase change magnesium solid electrolyte (PCE) according to an embodiment of the present invention and data analyzing the morphology of the Mo 6 S 8 electrode [(a) monolithic (monolithic) ) Schematic diagram of the manufacture of PCE, (b) real images showing the wetting characteristics of PCE on the Mo 6 S 8 electrode before and after the heating process, (c) scan of the cross section of the Mo 6 S 8 electrode without 1 mol% SN electrolyte Electron microscope (SEM) image, (d) Scanning electron microscope (SEM) image of a cross-section of Mo 6 S 8 electrode with 1 mol% SN electrolyte, (e) Energy dispersive X in the white dotted box area in (d) -ray spectroscopy (EDS) analysis and the corresponding basic mapping result of EDS] are shown.

벌크 PCE의 높은 전도도 외에도, 특히 고체전해질과 활성물질 사이의 등각 접촉을 유도하는 것은 고속 성능의 고체 상태 배터리를 달성하는데 필수적이다. SN은 약 60℃에서 비교적 낮은 T m을 가지고 있으므로, T m 이상의 온화한 가열조건은 PCE를 용이하게 액화시킬 수 있다. 실온으로 냉각한 후, 자연적으로 플라스틱 결정 고체상으로 다시 상변환 한다. PCE의 단순한 액체-고체 상전이는 액체상의 코팅이 전극과 완벽한 등각 접촉을 형성할 수 있기 때문에 본 발명의 중요한 기술적 사상이다. 도 4의 a에 개략적으로 도시된 바와 같이, T m 이상의 온화한 가열에 의해 용융된 PCE는 전극에 직접 떨어졌고, 액상 PCE는 자연적으로 전극에 침투하였다. 습윤공정은 PCE가 전극의 빈 공간을 완전히 차지하여 전극 입자와의 등각 접촉을 형성할 수 있게 한다. 마지막으로, 실온으로의 자연냉각은 전극과의 긴밀한 접촉을 유지하면서 PCE의 고화를 유발한다. 이 접근 방식은 선호하는 계면접촉을 유도하기 위해 고체전해질의 솔루션 프로세스를 다루는 종래 결과에 비해 상당한 이점이 있다. In addition to the high conductivity of the bulk PCE, inducing conformal contact between the solid electrolyte and the active material, in particular, is essential to achieve solid-state batteries with high-speed performance. Since SN has a relatively low T m at about 60 °C, mild heating conditions above T m can easily liquefy PCE. After cooling to room temperature, it spontaneously undergoes a phase transformation back to the plastic crystalline solid phase. The simple liquid-solid phase transition of PCE is an important technical idea of the present invention because the liquid-phase coating can form perfect conformal contact with the electrode. As schematically shown in Fig. 4a, PCE melted by mild heating above T m directly fell onto the electrode, and liquid PCE naturally penetrated into the electrode. The wetting process allows the PCE to completely occupy the empty space of the electrode and form conformal contact with the electrode particle. Finally, natural cooling to room temperature induces solidification of the PCE while maintaining intimate contact with the electrode. This approach has significant advantages over previous results dealing with solution processes of solid electrolytes to induce favorable interfacial contacts.

PCE의 액체-고체 상전이를 통한 PCE와 전극 사이의 밀접한 접촉 형성을 추가로 확인하기 위해, 수많은 내부 기공을 갖는 Mo6S8 음극에 대한 PCE의 습윤성을 시험하였다(도 4의 b 참조). 용융된 PCE를 Mo6S8 전극에 적하한 직후 구형 소적(droplet)을 형성하였다. T m 이상으로 가열하면 PCE 소적은 내부 Mo6S8 입자들 사이에 빈 공간을 채워 다공성 전극으로 쉽게 침투하였다. 높은 유동성으로 인해, 용융된 PCE는 쉽게 공극을 차지하고 전극을 덮을 수 있다(도 4의 b 참조). 주사전자현미경(SEM) 및 에너지 분산 X-선 분광법(EDS) 분석을 이용하여 PCE와 Mo6S8 전극 사이의 계면특성을 조사하였다(도 4의 c 내지 e 참조). 순수한 Mo6S8 전극(도 4의 c 참조)은 음극 입자들 사이에 보이는 공극을 포함하였지만, PCE에 의해 습윤된 Mo6S8 전극의 경우 공극 공간이 크게 감소하였다(도 4의 d 참조). EDS 원소 매핑 결과, PCE가 전극 내부를 성공적으로 차지하고 전극 입자를 균일하게 덮고 있음을 확인하였다(도 4의 e 참조). 또한, Mo6S8에 대한 PCE의 화학적 안정성은 XRD를 사용하여 시험하였는바. Mo6S8의 특징적인 피크는 PCE와 접촉한 후에도 변하지 않았으며, 다른 검출 가능한 피크만이 SN 분자와 관련이 있었는데, 이는 PCE가 Mo6S8과 상용성이 있다는 것을 의미한다.To further confirm the close contact formation between the PCE and the electrode through the liquid-solid phase transition of the PCE, the wettability of the PCE on the Mo 6 S 8 cathode having numerous internal pores was tested (see Fig. 4b). Immediately after the molten PCE was dropped onto the Mo 6 S 8 electrode, spherical droplets were formed. When heated above T m , the PCE droplets easily penetrated the porous electrode by filling the voids between the inner Mo 6 S 8 particles. Due to its high fluidity, the molten PCE can easily occupy the voids and cover the electrodes (see Fig. 4b). Interfacial characteristics between PCE and Mo 6 S 8 electrodes were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis (see c to e in FIG. 4 ). The pure Mo 6 S 8 electrode (see Fig. 4c) contained visible voids between the cathode particles, but the void space was greatly reduced in the case of the Mo 6 S 8 electrode wetted by PCE (see Fig. 4 d ). . As a result of EDS elemental mapping, it was confirmed that the PCE successfully occupied the inside of the electrode and uniformly covered the electrode particles (see Fig. 4e). In addition, the chemical stability of PCE for Mo 6 S 8 was tested using XRD. The characteristic peak of Mo 6 S 8 did not change after contact with PCE, and only other detectable peaks were associated with SN molecules, indicating that PCE is compatible with Mo 6 S 8 .

도 5에는 본 발명의 실시예에 따른 상변이 마그네슘 고체전해질(PCE)을 갖는 Mo6S8 전극의 전기화학적 특성을 나타낸 데이터[(a) Mo6S8│PCE│SUS 비대칭 셀에 의하여 구성된 정밀 접촉 및 불량 접촉 상태의 Mo6S8 전극에 대한 니퀴스트 플롯 비교(폐쇄원: 초기, 개방원:24시간 후, 삽도는 불량 접촉 및 정밀 접촉에 대한 개략적인 이미지를 나타냄), (b) Mg│PCE│Mo 에 의하여 구성된 셀을 사용하여 실온에서 요오드 첨가제가 있는 1 mol% SN 전해질(1 mol%+I2)과 요오드 첨가제가 없는 1 mol% SN 전해질(1 mol%)에 대한 니퀴스트 플롯, (c) (b)의 회색 점선 원 영역에서 확대한 니퀴스트 플롯, (d) Mg│PCE+I2│Mo6S8 셀에서 Mg 스트리핑 및 증착의 전압 프로파일]를 도시하였다.5 shows the electrochemical characteristics of the Mo 6 S 8 electrode having a phase-change magnesium solid electrolyte (PCE) according to an embodiment of the present invention [(a) Mo 6 S 8 │PCE│Precision constructed by an asymmetric cell Comparison of Nyquist plots for Mo 6 S 8 electrodes in contact and poor contact conditions (closed circle: initial, open circle: after 24 hours, insets show schematic images for poor and fine contact), (b) Mg Nyquist plots for 1 mol% SN electrolyte with iodine additive (1 mol%+I 2 ) and 1 mol% SN electrolyte without iodine additive (1 mol%) at room temperature using a cell constructed by │PCE│Mo , (c) Nyquist plot enlarged in the gray dotted circle region of (b), (d) voltage profile of Mg stripping and deposition in Mg│PCE+I 2 │Mo 6 S 8 cell].

계면의 전기화학적 특성에 영향을 미치는 액체 처리된 PCE의 효과는 시간에 따른 EIS를 이용하여 조사하였다(도 5의 a 참조). 두 가지 상이한 셀 배치를 마련하였는바, "불량 접촉" 셀은 Mo6S8 전극을 펠릿형 PCE인 사전 고화된 PCE에 직접 배치하여 조립하였다. 대조적으로, "정밀 접촉" 셀은 충분한 양의 액체 PCE를 강제로 전극에 미리 침지시켜 제조한 다음, 전극 물질과의 정밀한 접촉을 유지하면서 고화시켰다. 흥미롭게도, 정밀 접촉(청색 실선, 1.59kΩ)과 불량 접촉(적색 실선, 1.03kΩ)의 초기 저항은 비슷하였다. 그러나 그들은 실온에서 24시간 동안 방치한 후 크게 달라졌다. 불량 접촉의 계면저항은 약 789%(적색 점선, 9.16kΩ)까지 크게 증가했지만, 정밀 접촉의 계면저항은 약 26%(청색 점선, 1.17kΩ)까지 감소하였다. 두 셀의 차별적인 배치는 상이한 거동을 설명할 수 있다. 정밀 접촉은 방치하는 동안 전극을 더 습윤시켜 "더 정밀한 접촉"으로 진전하였다. 그러나 사전 고화된 PCE에 전극을 배치하는 것만으로는 접촉이 개선되지 않고 기존 접촉이 상실되었다. 이러한 결과는 친밀한 접촉의 형성이 고속 고체전해질을 달성하는데 얼마나 중요한지를 보여준다. The effect of liquid-treated PCE on the electrochemical properties of the interface was investigated using time-dependent EIS (see Fig. 5a). Two different cell arrangements were prepared, a “bad contact” cell was assembled by placing Mo 6 S 8 electrodes directly on pre-solidified PCE, which is pelletized PCE. In contrast, "precise contact" cells were prepared by forcibly pre-immersing an electrode in a sufficient amount of liquid PCE, which was then solidified while maintaining precise contact with the electrode material. Interestingly, the initial resistances of the good contact (solid blue line, 1.59 kΩ) and poor contact (solid red line, 1.03 kΩ) were similar. However, they changed significantly after being left at room temperature for 24 hours. The interfacial resistance of the defective contact greatly increased to about 789% (red dotted line, 9.16 kΩ), but the interface resistance of the precise contact decreased by about 26% (blue dotted line, 1.17 kΩ). The differential arrangement of the two cells can explain the different behavior. Precision contact progressed to “more precise contact” by further wetting the electrodes while standing. However, simply placing the electrode on the pre-solidified PCE did not improve the contact and lost the original contact. These results show how important the formation of intimate contacts is in achieving high-speed solid electrolytes.

또한, Mg 금속에 대한 PCE의 화학적 상용성은 비-차단 비대칭 셀을 사용하여 평가하였다(도 5의 b 및 c 참조). SN은 산화안정성이 높음에도 불구하고, PCE는 Mg 금속표면에 이온절연 층이 형성되어 영향을 받았을 수 있는 Mg 금속과의 계면 저항성이 높다는 것을 나타냈다. 절연 층을 유발하는 요소를 확인하기 위해, Mg 금속을 0 mol% 및 1 mol%의 상이한 염 농도를 갖는 SN에 침지하고, 그 결과 얻어진 표면을 X-선 광전자 분광법(XPS)을 이용하여 분석하였는바. 0 mol% SN(순수 SN)에 침지된 Mg 금속은 Mg 피크를 제외하고는 감지할 수 없는 신호를 보였지만, 1 mol% SN(즉, PCE)에 저장된 샘플은 S 및 F 원소의 뚜렷한 피크를 나타냈다. S 및 F 원소의 유일한 소스는 TFSI- 음이온이며, Mg 금속은 TFSI- 음이온과의 반응을 통해 표면에 부동태화(passivation) 층을 형성하는 경향이 있다는 것은 잘 알려져 있다. TFSI-는 일반적으로 높은 이온전도도를 기반으로 반대 음이온으로 사용되었지만 Mg 금속과의 비-상용성을 해결해야 한다.In addition, the chemical compatibility of PCE to Mg metal was evaluated using a non-blocking asymmetric cell (see FIG. 5 b and c). Despite the high oxidation stability of SN, PCE showed high interfacial resistance with Mg metal, which may have been affected by the formation of an ion insulating layer on the Mg metal surface. To identify the factors causing the insulating layer, Mg metal was immersed in SN with different salt concentrations of 0 mol% and 1 mol%, and the resulting surface was analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). bar. Mg metal immersed in 0 mol% SN (pure SN) showed undetectable signals except for the Mg peak, whereas samples stored in 1 mol% SN (i.e. PCE) showed distinct peaks of elements S and F. . It is well known that the only source of elements S and F is TFSI - anions, and Mg metal tends to form a passivation layer on the surface through reaction with TFSI - anions. TFSI - has been generally used as a counter anion based on its high ionic conductivity, but its incompatibility with Mg metal must be addressed.

아울러 바람직하지 않은 부반응을 완화하기 위해, Mg 금속표면에 Mg2+ 이온 전도성 MgI2 층을 형성하여 계면저항을 줄이는 데 효과적인 요오드 첨가제를 사용한 경우, 실제로 높은 계면 저항이 요오드 첨가제의 도움으로 현저하게 감소한다(도 5의 b 및 c 참조). 또한, Mg 금속|PCE+I2|Mo의 셀 구성에서 Mo 기판에 Mg 금속의 실제 증착이 관찰되었으며, 이는 PCE의 Mg2+ 이온 채널이 활성 상태임을 의미한다. PCE 층을 통한 가역적 Mg2+ 이온 전달을 증명하기 위해 정전류 사이클링 측정을 Mg|PCE|Mo6S8 셀로 수행하였다(도 5의 d 참조). Mo6S8에서 Mg2+ 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션에 대한 큰 과전압이 기준 전해질(요오드가 없는 1 mol% SN)에서 관찰되었으며, 이는 사이클링 시 점차 증가하였다. 큰 과전압은 금속 Mg에서 TFSI 음이온의 분해로 인해 발생하는 이온절연 층의 형성에서 비롯된 것임을 보여준다. 이 결과는 요오드 첨가제가 포함된 전해질과는 대조적으로 과전압이 현저히 감소하여 반복된 사이클링 후에도 억제되었다. 이는 EIS 결과와 일치하며(도 5의 b 및 c 참조), 요오드 첨가제가 Mg 금속 표면에서 큰 저항을 줄이는 데 도움이 될 수 있음을 나타낸다. 결과적으로 PCE는 2가 Mg2+ 이온에 대해 우수한 이온 전달 능력을 제공할 수 있으며, 모놀리식 호스트의 고유한 상변이 특성은 전고체전지에서 정밀 접촉을 유도하는 데 매우 바람직한 특징이다.In addition, in order to mitigate undesirable side reactions, when an iodine additive effective in reducing the interfacial resistance is used by forming a Mg 2+ ion conductive MgI 2 layer on the surface of the Mg metal, the actually high interfacial resistance is significantly reduced with the help of the iodine additive. (see b and c in FIG. 5). In addition, actual deposition of Mg metal on the Mo substrate was observed in the cell configuration of Mg metal|PCE+I 2 |Mo, indicating that the Mg 2+ ion channels in PCE are active. To prove the reversible Mg 2+ ion transport through the PCE layer, galvanostatic cycling measurements were performed with the Mg|PCE|Mo 6 S 8 cell (see Fig. 5d). A large overpotential for the intercalation and deintercalation of Mg 2+ ions in Mo 6 S 8 was observed in the reference electrolyte (1 mol% SN without iodine), which gradually increased upon cycling. It is shown that the large overpotential originates from the formation of an ionic insulating layer caused by the decomposition of TFSI anions in metallic Mg. This result, in contrast to the electrolyte containing the iodine additive, significantly reduced the overpotential and was suppressed even after repeated cycling. This is consistent with the EIS results (see b and c in Fig. 5), indicating that the iodine additive can help reduce the large resistivity on the Mg metal surface. As a result, PCE can provide excellent ion transport capability for divalent Mg 2+ ions, and the unique phase transition characteristics of monolithic hosts are highly desirable for inducing precision contact in all-solid-state batteries.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고체상에서 마그네슘 이온의 전도도가 매우 높고, 화학적·열적 안정성이 우수하며, 형상에 관계없이 모든 유형의 전극에 널리 적용할 수 있는 새로운 상변이 마그네슘 고체전해질을 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, a new phase-change magnesium solid electrolyte has very high conductivity of magnesium ions in the solid phase, excellent chemical and thermal stability, and can be widely applied to all types of electrodes regardless of shape. can provide

특히, 상변이 마그네슘 고체전해질에 요오드 첨가제가 추가로 포함되는 경우에는 마그네슘 금속 표면에서 계면저항을 크게 줄임으로써 마그네슘 이온의 전도성을 더욱 향상시키므로 전고체전지의 전해질로 응용이 기대된다.In particular, when an iodine additive is additionally included in the phase-change magnesium solid electrolyte, the conductivity of magnesium ions is further improved by significantly reducing the interfacial resistance on the surface of the magnesium metal, so it is expected to be applied as an electrolyte for an all-solid-state battery.

Claims (7)

(a) 마그네슘 염;
(b) 숙시노니트릴(succinonitrile); 및
(c) 요오드 첨가제;를 포함하는 상변이 마그네슘 고체 전해질.
(a) a magnesium salt;
(b) succinonitrile; and
(c) an iodine additive; a phase change magnesium solid electrolyte comprising a.
제1항에 있어서,
상기 마그네슘 염은 마그네슘 비스(트리플루오로메탄술폰이미드)인 것을 특징으로 하는 상변이 마그네슘 고체 전해질.
According to claim 1,
The magnesium salt is a phase change magnesium solid electrolyte, characterized in that magnesium bis (trifluoromethanesulfonimide).
제2항에 있어서,
상기 마그네슘 염의 몰백분율은 1 내지 5 mol%인 것을 특징으로 하는 상변이 마그네슘 고체 전해질.
According to claim 2,
Phase change magnesium solid electrolyte, characterized in that the molar percentage of the magnesium salt is 1 to 5 mol%.
삭제delete 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 따른 상변이 마그네슘 고체 전해질을 포함하는 전고체전지.An all-solid-state battery comprising the phase-change magnesium solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3. (I) 마그네슘 염을 용융된 숙시노니트릴(succinonitrile)에 부가하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
(II) 상기 혼합물을 60℃ 이상에서 교반하는 단계;를 포함하는 상변이 마그네슘 고체 전해질의 제조방법으로서,
상기 (I) 단계에서 요오드 첨가제를 더욱 부가하는 것을 특징으로 하는 상변이 마그네슘 고체 전해질의 제조방법.
(I) adding a magnesium salt to molten succinonitrile to form a mixture; and
(II) stirring the mixture at 60 ° C. or higher; A method for producing a phase-change magnesium solid electrolyte comprising,
A method for producing a phase change magnesium solid electrolyte, characterized in that in step (I) further adding an iodine additive.
삭제delete
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015513381A (en) * 2012-02-16 2015-05-11 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー Electrochemical magnesium cell and manufacturing method thereof
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015513381A (en) * 2012-02-16 2015-05-11 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー Electrochemical magnesium cell and manufacturing method thereof
WO2019221010A1 (en) * 2018-05-14 2019-11-21 日立化成株式会社 Method for manufacturing battery member for secondary battery, and secondary battery

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