KR102578412B1 - Electrolyte composition for indium plating of lithium electrode anc manufacturing method of lithium metal anode using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물 및 이를 이용한 리튬 금속 음극의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, 리튬염; 글라임계 용매 또는 글라임계 용매 및 불소계 용매의 혼합 용매를 포함하는, 유기용매; 및 인듐 이온(In3+)을 포함하는 첨가제;를 포함하는, 리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물을 제공한다.The present invention relates to an electrolyte composition for indium plating of a lithium electrode and a method of manufacturing a lithium metal anode using the same. One aspect of the invention is a lithium salt; Organic solvents, including a glyme-based solvent or a mixed solvent of a glyme-based solvent and a fluorine-based solvent; and an additive containing indium ions (In 3+ ). An electrolyte composition for indium plating of a lithium electrode is provided.

Description

리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물 및 이를 이용한 리튬 금속 음극의 제조방법 {ELECTROLYTE COMPOSITION FOR INDIUM PLATING OF LITHIUM ELECTRODE ANC MANUFACTURING METHOD OF LITHIUM METAL ANODE USING THE SAME}Electrolyte composition for indium plating of lithium electrode and method of manufacturing lithium metal anode using same {ELECTROLYTE COMPOSITION FOR INDIUM PLATING OF LITHIUM ELECTRODE ANC MANUFACTURING METHOD OF LITHIUM METAL ANODE USING THE SAME}

본 발명은 리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물 및 이를 이용한 리튬 금속 음극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte composition for indium plating of lithium electrodes and a method of manufacturing a lithium metal anode using the same.

리튬 금속 음극을 사용한 리튬 이차 전지는 처음으로 시도된 재사용 가능한 리튬 이차 전지로서, 높은 단위 중량 당 용량 (3,860 mAhg-1)과 낮은 환원 전위(-3.040 V vs 표준수소전극)를 가진 리튬 금속을 음극으로 사용한다.The lithium secondary battery using a lithium metal negative electrode is the first reusable lithium secondary battery attempted. Lithium metal with high capacity per unit weight (3,860 mAhg -1 ) and low reduction potential (-3.040 V vs. standard hydrogen electrode) is used as the negative electrode. Use it as

리튬 금속 음극을 사용한 리튬 이차 전지는 음극량을 최소화시킬 경우 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다는 장점이 있으나, 충전 및 방전의 과정에서 음극 표면에 형성되는 리튬 수지상에 의해 셀 성능의 지속적인 감소 및 수지상의 지속적인 성장에 따른 안전성 문제가 발생할 수 있는 단점이 존재하여, 이를 대신할 안정적인 탄소계 음극의 개발 이후 사용이 중지되었다.Lithium secondary batteries using lithium metal negative electrodes have the advantage of being able to have high energy density when the amount of negative electrode is minimized, but cell performance continues to decrease due to lithium dendrites formed on the surface of the negative electrode during the charging and discharging process, and the dendrites continue to form. Due to the disadvantage that safety problems may arise due to growth, its use was discontinued after the development of a stable carbon-based cathode to replace it.

그러나 탄소계 소재들의 낮은 용량과 이후 사용된 실리콘 등의 비탄소계 음극의 높은 부피 팽창률 등으로 인한 문제는 중대형 리튬 이차전지 시장에서 요구하는 수준을 만족시키는데 어려움을 만들어냈다.However, problems caused by the low capacity of carbon-based materials and the high volume expansion rate of non-carbon-based anodes such as silicon used subsequently created difficulties in meeting the level required by the mid- to large-sized lithium secondary battery market.

이에 따라 최근 높은 에너지 밀도를 가지고 있는 리튬 금속 음극에 대한 재연구들이 진행되고 있다.Accordingly, re-research on lithium metal anodes with high energy density is currently underway.

그러나 리튬 금속 음극을 사용한 리튬 이차 전지의 성능 향상 및 상용화를 위해서는 리튬 금속의 전기화학적 불안정성을 해소해야 하며 특히, 리튬 금속 표면에 형성되는 수지상 리튬의 성장을 억제할 필요성이 있다.However, in order to improve the performance and commercialize lithium secondary batteries using lithium metal negative electrodes, the electrochemical instability of lithium metal must be resolved, and in particular, there is a need to suppress the growth of dendritic lithium formed on the surface of lithium metal.

따라서 리튬 금속 표면에서 수지상 리튬의 성장을 물리적으로 억제하거나 계면의 안정성을 높여 수지상 리튬의 형성 자체를 억제할 수 있는 안정적인 보호막층 형성 기술의 개발이 필요하다.Therefore, there is a need to develop a stable protective film layer formation technology that can physically inhibit the growth of dendritic lithium on the surface of lithium metal or increase the stability of the interface to inhibit the formation of dendritic lithium itself.

전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.The above-mentioned background technology is possessed or acquired by the inventor in the process of deriving the disclosure of the present application, and cannot necessarily be said to be known technology disclosed to the general public before the present application.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 리튬 금속 음극 표면에 발생하는 리튬 수지상을 억제하여 리튬 금속 전극 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 인듐-리튬 합금 보호막층의 형성 기술을 제공하는 것인다.The present invention is to solve the above-mentioned problems, and the purpose of the present invention is to form a technology for forming an indium-lithium alloy protective film layer that can improve the performance of a lithium metal electrode battery by suppressing lithium dendrites occurring on the surface of a lithium metal negative electrode. is to provide.

즉, 본 발명의 목적은 리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물 및 이를 사용하여 보호막층이 형성된 리튬 금속 음극의 제조방법을 제공하는 것이다. That is, the purpose of the present invention is to provide an electrolyte composition for indium plating of a lithium electrode and a method of manufacturing a lithium metal anode with a protective film layer formed using the same.

본 발명의 다른 목적은, 보호막층이 형성된 리튬 금속 음극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including a lithium metal negative electrode on which a protective film layer is formed.

그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명의 일 측면은, 리튬염; 글라임계 용매 또는 글라임계 용매 및 불소계 용매의 혼합 용매를 포함하는, 유기용매; 및 인듐 이온(In3+)을 포함하는 첨가제;를 포함하는, 리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물을 제공한다.One aspect of the present invention is a lithium salt; Organic solvents, including a glyme-based solvent or a mixed solvent of a glyme-based solvent and a fluorine-based solvent; and an additive containing indium ions (In 3+ ). An electrolyte composition for indium plating of a lithium electrode is provided.

일 실시형태에 따르면, 상기 인듐 이온을 포함하는 첨가제는, 인듐 나이트레이트 (In(NO3)3), 인듐 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 (In(TFSI)3) 및 인듐 플루오라이드 (InF3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the additive containing the indium ion is indium nitrate (In(NO 3 ) 3 ), indium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (In(TFSI) 3 ), and indium fluoride. It may include one or more selected from the group consisting of (InF 3 ).

일 실시형태에 따르면, 상기 인듐 이온을 포함하는 첨가제는, 0.5 중량% 내지 2 중량%로 포함되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the additive containing the indium ion may be included in an amount of 0.5% by weight to 2% by weight.

일 실시형태에 따르면, 상기 리튬염은, LiFSI, LiTFSI, LiBF4, LiBOB, LiPF6, LiFOB, LiClO4, LiSO3CF3, LiDFBP, LiTFOP, LiPO2F2, LiCl, LiBr, LiI, LiB10Cl10, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN 및 LiC(CF3SO2)3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the lithium salt is LiFSI, LiTFSI, LiBF 4 , LiBOB, LiPF 6 , LiFOB, LiClO 4 , LiSO 3 CF 3 , LiDFBP, LiTFOP, LiPO 2 F 2 , LiCl, LiBr, LiI, LiB 10 Cl 10 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiSCN, and LiC(CF 3 SO 2 ) 3 selected from the group consisting of It may contain more than one.

일 실시형태에 따르면, 상기 리튬염의 농도는, 1 M 내지 5 M인 것일 수 있다.According to one embodiment, the concentration of the lithium salt may be 1 M to 5 M.

일 실시형태에 따르면, 상기 글라임계 용매는, 디메틸에테르, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르 및 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the glyme-based solvent includes at least one selected from the group consisting of dimethyl ether, 1,3-dioxolane, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol dimethyl ether. It may be.

일 실시형태에 따르면, 상기 불소계 용매는, 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디플오로에틸렌 카보네이트(DFEC), 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3-테트라 플루오로프로필 에테르, 1,1,2,2-테트라플루오로 에틸-1H,1H,5H-옥타플루오로펜틸 에테르 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,2-트리플루오로에틸 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the fluorine-based solvent is fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetra fluorine Ropropyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoro ethyl-1H,1H,5H-octafluoropentyl ether and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoro. It may include one or more selected from the group consisting of loethyl ether.

일 실시형태에 따르면, 상기 글라임계 용매 및 상기 불소계 용매의 부피비는, 10 : 1 내지 1 : 1 인 것일 수 있다.According to one embodiment, the volume ratio of the glyme-based solvent and the fluorine-based solvent may be 10:1 to 1:1.

본 발명의 다른 측면은, 리튬 금속 음극; 인듐 금속 양극; 및 상기 인듐 도금용 전해질 조성물을 포함하는 전해액;을 포함하는 인듐-리튬 전지를 제조하는 단계; 및 상기 인듐-리튬 전지에 전류를 인가하여 상기 리튬 금속 음극 표면에 인듐-리튬 합금층을 형성시키는 단계;를 포함하는, 리튬 이차 전지용 리튬 금속 음극의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is a lithium metal anode; Indium metal anode; and an electrolyte solution containing the electrolyte composition for indium plating; manufacturing an indium-lithium battery including a; and applying a current to the indium-lithium battery to form an indium-lithium alloy layer on the surface of the lithium metal anode.

일 실시형태에 따르면, 상기 리튬 금속 음극 표면에, LiF를 포함하는 피막층이 동시에 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, a film layer containing LiF may be simultaneously formed on the surface of the lithium metal anode.

본 발명의 또 다른 측면은, 리튬 금속 표면에 보호막층이 형성된 리튬 금속 음극; 양극; 전해액; 및 분리막;을 포함하고, 상기 보호막층은, 인듐-리튬 합금층 및 LIF를 포함하는 피막층을 포함하는 것인, 리튬 이차 전지를 제공한다.Another aspect of the present invention is a lithium metal anode having a protective film layer formed on the surface of the lithium metal; anode; electrolyte; and a separator, wherein the protective film layer includes an indium-lithium alloy layer and a film layer containing LIF.

일 실시형태에 따르면, 상기 보호막층의 두께는, 2 ㎛ 내지 8 ㎛인 것일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the protective film layer may be 2 ㎛ to 8 ㎛.

일 실시형태에 따르면, 상기 전해액은, 리튬염; 및 글라임계 유기 용매;를 포함하는 것인, 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolyte solution includes lithium salt; and a glyme-based organic solvent.

일 실시형태에 따르면, 상기 인듐-리튬 합금층 및 상기 LIF를 포함하는 피막층의 비율은, 1 : 1 내지 5 : 1인 것일 수 있다.According to one embodiment, the ratio of the indium-lithium alloy layer and the coating layer containing the LIF may be 1:1 to 5:1.

일 실시형태에 따르면, 상기 전해액은, 리튬 디플루오로(비스옥살라토)포스페이트 (Lithium difluoro bis(oxalato)phosphate, LiDFBP) 및 리튬 니트레이트 (Lithium nitrate, LiNO3)를 포함하는 기능성 첨가제;를 더 포함하고, 상기 기능성 첨가제는, 상기 전해액 중 1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolyte solution includes a functional additive including lithium difluoro bis(oxalato)phosphate (LiDFBP) and lithium nitrate (LiNO 3 ). Additionally, the functional additive may be included in an amount of 1% to 10% by weight in the electrolyte solution.

본 발명에 따른 리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물은, 인듐 이온(In3+)을 포함하는 기능성 첨가제를 포함함으로써, 리튬 이차 전지용 리튬 금속 전극 표면에 인듐-리튬 합금층을 형성시켜 보호막층이 형성된 리튬 금속 음극을 제조할 수 있는 효과가 있다. 또한, 불소계 용매를 포함함으로써, 리튬 이차 전지용 리튬 금속 전극 표면에 LiF 피막을 형성시킬 수 있는 효과가 있다. The electrolyte composition for indium plating of a lithium electrode according to the present invention includes a functional additive containing indium ions (In 3+ ), thereby forming an indium-lithium alloy layer on the surface of the lithium metal electrode for a lithium secondary battery, thereby forming a protective film layer. It has the effect of producing a lithium metal anode. Additionally, by including a fluorine-based solvent, there is an effect of forming a LiF film on the surface of a lithium metal electrode for a lithium secondary battery.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 리튬 금속 음극은, 표면에 인듐-리튬 합금층을 포함함으로써, 리튬의 전착 및 탈리 반응의 가역성이 향상되고 전해질과의 부반응이 억제되어 리튬 이차 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The lithium metal negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention includes an indium-lithium alloy layer on the surface, thereby improving the reversibility of the electrodeposition and desorption reaction of lithium and suppressing side reactions with the electrolyte, thereby improving the performance of the lithium secondary battery. There is an effect.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 인듐-리튬 합금층으로 도금되는 리튬 음극의 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전지의 가역성 평가 방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 인듐 도금용 전해질 조성물 내 포함된 각 구성 성분의 HOMO/LUMO 에너지를 나타낸 것이다.
도 3은, 인듐 첨가제 적용에 따른 환원 분해 평가를 나타낸 것이다.
도 4는, 도금된 인듐-리튬 합금층에 대한 SEM 이미지 및 EDS 분석 결과이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 금속 음극의 가역성 평가 결과이다.
Figure 1 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a lithium negative electrode plated with an indium-lithium alloy layer and a method for evaluating the reversibility of a battery manufactured using the same according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the HOMO/LUMO energy of each component included in the electrolyte composition for indium plating according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the reduction decomposition evaluation according to the application of indium additive.
Figure 4 shows SEM images and EDS analysis results for the plated indium-lithium alloy layer.
Figure 5 shows the results of reversibility evaluation of a lithium metal anode according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, various changes can be made to the embodiments, so the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all changes, equivalents, or substitutes for the embodiments are included in the scope of rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are for descriptive purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the embodiments belong. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when describing with reference to the accompanying drawings, identical components will be assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the embodiments, the detailed descriptions are omitted.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Additionally, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being "connected," "coupled," or "connected" to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there is no need for another component between each component. It should be understood that may be “connected,” “combined,” or “connected.”

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components including common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless stated to the contrary, the description given in one embodiment may be applied to other embodiments, and detailed description will be omitted to the extent of overlap.

본 발명의 일 측면은, 리튬염; 글라임계 용매 또는 글라임계 용매 및 불소계 용매의 혼합 용매를 포함하는, 유기용매; 및 인듐 이온(In3+)을 포함하는 첨가제;를 포함하는, 리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물을 제공한다.One aspect of the present invention is a lithium salt; Organic solvents, including a glyme-based solvent or a mixed solvent of a glyme-based solvent and a fluorine-based solvent; and an additive containing indium ions (In 3+ ). An electrolyte composition for indium plating of a lithium electrode is provided.

본 발명에 따른 인듐 도금용 전해질 조성물은, 친리튬성을 지닌 인듐 이온을 포함하는 기능성 첨가제를 포함함으로써, 리튬 전극 계면 상에 물리적 및 전기화학적 안정성을 모두 지닌 인듐-리튬 합금 보호막 층을 형성시킬 수 있는 특징이 있다. The electrolyte composition for indium plating according to the present invention includes a functional additive containing indium ions with lithium-friendly properties, thereby forming an indium-lithium alloy protective film layer with both physical and electrochemical stability on the lithium electrode interface. There is a characteristic.

상기 표면에 인듐-리튬 합금층이 형성된 리튬 전극은, 리튬의 전착 및 탈리 반응의 가역성이 증가되고 리튬 수지상을 억제할 수 있는 효과가 있다.A lithium electrode with an indium-lithium alloy layer formed on its surface has the effect of increasing the reversibility of lithium electrodeposition and desorption reactions and suppressing lithium dendrites.

일 실시형태에 따르면, 상기 인듐 이온을 포함하는 첨가제는, 인듐 나이트레이트 (In(NO3)3), 인듐 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 (In(TFSI)3) 및 인듐 플루오라이드 (InF3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the additive containing the indium ion is indium nitrate (In(NO 3 ) 3 ), indium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (In(TFSI) 3 ), and indium fluoride. It may include one or more selected from the group consisting of (InF 3 ).

상기 인듐 이온을 포함하는 첨가제는, 상기 인듐 도금용 전해질 조성물 내 포함된 성분들 중 가장 낮은 LUMO 에너지 준위를 갖는 것일 수 있다.The additive containing indium ions may have the lowest LUMO energy level among the components included in the electrolyte composition for indium plating.

따라서 다른 성분들보다 먼저 리튬 금속 음극 표면 상에 환원되고, 이를 통해 리튬-인튬 합금층 즉, 보호막층을 형성시킬 수 있다.Therefore, it is reduced on the surface of the lithium metal anode before other components, and through this, a lithium-indium alloy layer, that is, a protective film layer, can be formed.

상기 인듐-리튬 함급층은, 리튬 금속 표면의 에너지 장벽(energy barrier)을 낮추어 리튬의 전착 및 탈리 과정에서 리튬 금속의 가역성을 높여주며, 전기화학적으로 불안정한 리튬 금속 음극을 전해액과 물리적으로 단절시킴으로써 전해질과의 부반응으로부터 리튬 금속 음극을 보호하여 준다.The indium-lithium-containing layer lowers the energy barrier on the surface of lithium metal, thereby increasing the reversibility of lithium metal during the electrodeposition and desorption process of lithium, and physically disconnecting the electrochemically unstable lithium metal cathode from the electrolyte solution. Protects the lithium metal cathode from side reactions.

일 실시형태에 따르면, 상기 인듐 이온을 포함하는 첨가제는, 0.5 중량% 내지 2 중량%로 포함되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the additive containing the indium ion may be included in an amount of 0.5% by weight to 2% by weight.

바람직하게는, 0.5 중량% 내지 1.5 중량%로 포함되는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 0.8 중량% 내지 1.2 중량%로 포함되는 것일 수 있다.Preferably, it may be included in 0.5% by weight to 1.5% by weight, and more preferably, it may be included in 0.8% by weight to 1.2% by weight.

만일, 상기 인듐 이온을 포함하는 첨가제가 상기 범위 미만으로 포함될 경우, 리튬 금속 음극 상에 인듐-리튬 합금층을 충분히 형성시키지 못할 수 있다.If the additive containing indium ions is contained below the above range, an indium-lithium alloy layer may not be sufficiently formed on the lithium metal anode.

반면, 상기 인듐 이온을 포함하는 첨가제가 상기 범위를 초과하여 포함될 경우, 상대적으로 LiF 피막층의 형성이 어려워 보호막층의 강도가 저하될 수 있다.On the other hand, when the additive containing the indium ion is included in excess of the above range, it is relatively difficult to form a LiF film layer, and the strength of the protective film layer may be reduced.

일 실시형태에 따르면, 상기 리튬염은, LiFSI, LiTFSI, LiBF4, LiBOB, LiPF6, LiFOB, LiClO4, LiSO3CF3, LiDFBP, LiTFOP, LiPO2F2, LiCl, LiBr, LiI, LiB10Cl10, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN 및 LiC(CF3SO2)3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the lithium salt is LiFSI, LiTFSI, LiBF 4 , LiBOB, LiPF 6 , LiFOB, LiClO 4 , LiSO 3 CF 3 , LiDFBP, LiTFOP, LiPO 2 F 2 , LiCl, LiBr, LiI, LiB 10 Cl 10 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiSCN, and LiC(CF 3 SO 2 ) 3 selected from the group consisting of It may contain more than one.

일 실시형태에 따르면, 상기 리튬염의 농도는, 1 M 내지 5 M인 것일 수 있다.According to one embodiment, the concentration of the lithium salt may be 1 M to 5 M.

바람직하게는, 1 M 내지 3 M인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 1.5 M 내지 3 M인 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 1.5 M 내지 2.5 M인 것일 수 있다.Preferably, it may be 1 M to 3 M, more preferably, it may be 1.5 M to 3 M, and even more preferably, it may be 1.5 M to 2.5 M.

만일, 상기 리튬염의 농도가 상기 범위 미만일 경우, 상기 인듐 도금용 전해질 조성물 내 전도도가 낮아져 도금 속도가 저하될 수 있고, 유기 용매의 분해로 리튬 가역성이 감소될 수 있다.If the concentration of the lithium salt is less than the above range, the conductivity in the electrolyte composition for indium plating may be lowered, thereby reducing the plating speed, and the reversibility of lithium may be reduced due to decomposition of the organic solvent.

반면, 상기 리튬염의 농도가 상기 범위를 초과할 경우, 고점도로 인하여 분리막 젖음(wetting)이 잘 이루어지지 않아 전착이 어려울 수 있다. 또한 상기 인듐 도금용 전해질 조성물 내 인듐 첨가제가 리튬 이온과 접촉하는 빈도가 리튬 금속 음극 표면에 접촉하는 빈도보다 증가하여 리튬 금속 음극 표면에서 인듐 첨가제의 환원이 덜 이루어짐으로써 도금이 충분히 일어나지 않을 수 있다.On the other hand, when the concentration of the lithium salt exceeds the above range, electrodeposition may be difficult due to poor wetting of the separator due to high viscosity. In addition, the frequency of contact of the indium additive in the electrolyte composition for indium plating with lithium ions increases compared to the frequency of contact with the surface of the lithium metal anode, resulting in less reduction of the indium additive on the surface of the lithium metal anode, which may result in insufficient plating.

일 실시형태에 따르면, 상기 유기 용매는, 상기 인듐 도금용 전해질 조성물 전체 부피를 기준으로, 60 중량% 내지 99 중량% 포함될 수 있다.According to one embodiment, the organic solvent may be included in an amount of 60% by weight to 99% by weight based on the total volume of the electrolyte composition for indium plating.

일 실시형태에 따르면, 상기 글라임계 용매는, 디메틸에테르, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르 및 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the glyme-based solvent includes at least one selected from the group consisting of dimethyl ether, 1,3-dioxolane, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol dimethyl ether. It may be.

상기 글라임계 용매는, 쌍극자 모멘트가 높아 리튬 이온 이동도 및 리튬 염 해리도를 향상시킬 수 있으며, 상기 인듐 도금용 전해질 조성물의 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The glyme-based solvent has a high dipole moment, which can improve lithium ion mobility and lithium salt dissociation, and has the effect of improving ion conductivity of the electrolyte composition for indium plating.

일 실시형태에 따르면, 상기 글라임계 용매는, 상기 인듐 도금용 전해질 조성물 전체 부피를 기준으로, 70 부피% 내지 90 부피% 포함될 수 있다.According to one embodiment, the glyme-based solvent may be included in an amount of 70% to 90% by volume based on the total volume of the electrolyte composition for indium plating.

일 실시형태에 따르면, 상기 불소계 용매는, 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디플오로에틸렌 카보네이트(DFEC), 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3-테트라 플루오로프로필 에테르, 1,1,2,2-테트라플루오로 에틸-1H,1H,5H-옥타플루오로펜틸 에테르 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,2-트리플루오로에틸 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the fluorine-based solvent is fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetra fluorine Ropropyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoro ethyl-1H,1H,5H-octafluoropentyl ether and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoro. It may include one or more selected from the group consisting of loethyl ether.

상기 불소계 용매는 불소화 용매로서, 리튬 금속 상에 LiF 피막층을 형성시킴으로써 인듐-리튬 합금층과 함께 보호막층을 이룬다.The fluorine-based solvent is a fluorinated solvent, and forms a protective film layer together with the indium-lithium alloy layer by forming a LiF film layer on lithium metal.

상기 LiF 피막층은 고강도를 가지며, 리튬 금속 표면에서 리튬 수지상의 성장을 물리적으로 억제하여 리튬 금속 음극의 가역성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.The LiF film layer has high strength and has the characteristic of improving the reversibility of the lithium metal anode by physically suppressing the growth of lithium dendrites on the lithium metal surface.

일 실시형태에 따르면, 상기 불소계 용매는, 상기 인듐 도금용 전해질 조성물 전체 부피를 기준으로, 10 부피% 내지 30 부피% 포함될 수 있다.According to one embodiment, the fluorine-based solvent may be included in an amount of 10% to 30% by volume based on the total volume of the electrolyte composition for indium plating.

일 실시형태에 따르면, 상기 글라임계 용매 및 상기 불소계 용매의 부피비는, 10 : 1 내지 1 : 1 인 것일 수 있다.According to one embodiment, the volume ratio of the glyme-based solvent and the fluorine-based solvent may be 10:1 to 1:1.

바람직하게는, 8 : 1 내지 1 : 1 일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 7 : 1 내지 2 : 1 일수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 5 : 1 내지 3 : 1인 것일 수 있다.Preferably, it may be 8:1 to 1:1, more preferably, it may be 7:1 to 2:1, and even more preferably, it may be 5:1 to 3:1.

상기 글라임계 용매 및 상기 불소계 용매의 부피비는, 리튬 금속 상에 형성되는 인듐-리튬 합금층 및 LiF 피막층의 비율을 최적화하여 보호막층의 성능을 극대하는 범위일 수 있다.The volume ratio of the glyme-based solvent and the fluorine-based solvent may be in a range that maximizes the performance of the protective film layer by optimizing the ratio of the indium-lithium alloy layer and the LiF film layer formed on lithium metal.

상기 인듐-리튬 합금층은, 리튬 전극 표면에서 리튬의 전착 및 탈리 반응의 가역성을 증가시키고, 수지상 리튬 형성을 억제하며, 전해액과의 부반응을 억제하는 특징이 있다. The indium-lithium alloy layer has the characteristics of increasing the reversibility of the electrodeposition and desorption reaction of lithium on the surface of the lithium electrode, suppressing the formation of dendritic lithium, and suppressing side reactions with the electrolyte solution.

또한, 상기 LiF 피막층은, 높은 이온 전도성을 갖는 고강도 피막으로 균일한 리튬 전착이 발생하도록 하여 수지상 리튬 형성을 억제한다.In addition, the LiF film layer is a high-strength film with high ion conductivity and suppresses the formation of dendritic lithium by allowing uniform lithium electrodeposition to occur.

따라서 인듐-리튬 합금층 및 LiF 피막층의 시너지 효과가 최대화될 수 있도록 함으로써, 보호막층의 성능을 극대화할 수 있다.Therefore, the performance of the protective film layer can be maximized by maximizing the synergy effect of the indium-lithium alloy layer and the LiF film layer.

상기 보호막 층은, 리튬 전극과 전해액과의 부반응을 억제하고, 리튬의 전착 및 탈리 반응의 가역성을 증가시키며, 수지상 리튬 형성을 억제하여 리튬 금속 이차 전지의 성능 및 안정성을 향상시키는 역할을 한다.The protective film layer suppresses side reactions between the lithium electrode and the electrolyte solution, increases the reversibility of lithium electrodeposition and desorption reactions, and inhibits the formation of dendritic lithium, thereby improving the performance and stability of the lithium metal secondary battery.

여기서, 상기 리튬 전극과 전해액의 부반응은 리튬 전극 표면에서 전해액의 비가역적인 분해 반응을 포함하는 것일 수 있다.Here, the side reaction between the lithium electrode and the electrolyte may include an irreversible decomposition reaction of the electrolyte on the surface of the lithium electrode.

본 발명의 다른 측면은, 리튬 금속 음극; 인듐 금속 양극; 및 상기 인듐 도금용 전해질 조성물을 포함하는 전해액;을 포함하는 인듐-리튬 전지를 제조하는 단계; 및 상기 인듐-리튬 전지에 전류를 인가하여 상기 리튬 금속 음극 표면에 인듐-리튬 합금층을 형성시키는 단계;를 포함하는, 리튬 이차 전지용 리튬 금속 음극의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is a lithium metal anode; Indium metal anode; and an electrolyte solution containing the electrolyte composition for indium plating; manufacturing an indium-lithium battery including a; and applying a current to the indium-lithium battery to form an indium-lithium alloy layer on the surface of the lithium metal anode.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 리튬 금속 음극의 제조방법은, 인듐 도금용 전해질 조성물을 포함하는 전해액을 사용하여 리튬 금속 음극에 인듐을 전착시킴으로써 인듐-리튬 합금층이 형성된 리튬 금속 음극을 제조할 수 있는 효과가 있다.The method for manufacturing a lithium metal negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention can produce a lithium metal negative electrode with an indium-lithium alloy layer formed by electrodepositing indium on a lithium metal negative electrode using an electrolyte solution containing an electrolyte composition for indium plating. It works.

일 실시형태에 따르면, 상기 리튬 금속 음극 표면에, LiF를 포함하는 피막층이 동시에 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, a film layer containing LiF may be simultaneously formed on the surface of the lithium metal anode.

즉, 상기 제조방법에 의해 제조된 리튬 금속 음극은, 표면에 인듐-리튬 합금층 및 LiF를 포함하는 피막층이 동시에 형성되어 보호막층을 이룸으로써, 리튬의 전착 및 탈리 반응의 가역성이 증가되고 리튬 수지상의 성장이 억제되며, 전해액으로부터 보호되어 리튬 이차 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.That is, the lithium metal anode manufactured by the above manufacturing method has an indium-lithium alloy layer and a film layer containing LiF simultaneously formed on the surface to form a protective film layer, thereby increasing the reversibility of the electrodeposition and desorption reaction of lithium and forming a lithium dendrite layer. Its growth is suppressed and it is protected from the electrolyte solution, thereby improving the performance of lithium secondary batteries.

본 발명의 또 다른 측면은, 리튬 금속 표면에 보호막층이 형성된 리튬 금속 음극; 양극; 전해액; 및 분리막;을 포함하고, 상기 보호막층은, 인듐-리튬 합금층 및 LIF를 포함하는 피막층을 포함하는 것인, 리튬 이차 전지를 제공한다.Another aspect of the present invention is a lithium metal anode having a protective film layer formed on the surface of the lithium metal; anode; electrolyte; and a separator, wherein the protective film layer includes an indium-lithium alloy layer and a film layer containing LIF.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지는, 리튬 금속 음극의 향상된 리튬의 전착 및 탈리 반응의 가역성 및 반복적인 충방전 과정에서 발생하는 리튬 수지상의 성장 억제 효과를 바탕으로 성능이 향상된 효과가 있다.The lithium secondary battery according to the present invention has improved performance based on the improved reversibility of the electrodeposition and desorption reaction of lithium in the lithium metal anode and the effect of inhibiting the growth of lithium dendrites occurring during repeated charging and discharging.

상기 인듐-리튬 합금층은, 리튬 금속 음극 표면에서 리튬의 전착 및 탈리 반응의 가역성을 증가시키고, 리튬 수지상의 성장을 물리적으로 억제하며, 리튬 금속 음극과 전해액과의 부반응을 억제시킬 수 있는 효과를 갖는다.The indium-lithium alloy layer has the effect of increasing the reversibility of the electrodeposition and desorption reaction of lithium on the surface of the lithium metal anode, physically inhibiting the growth of lithium dendrites, and suppressing side reactions between the lithium metal anode and the electrolyte solution. have

상기 LiF 피막층은 고강도를 가지며, 리튬 전극 표면에서 리튬 수지상의 성장을 물리적으로 억제하고, 리튬 금속 음극의 가역성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다. 또한, 리튬 이차 전지 전해액 내에서 염분해를 억제할 수 있는 효과가 있다.The LiF film layer has high strength, physically inhibits the growth of lithium dendrites on the surface of the lithium electrode, and improves the reversibility of the lithium metal anode. In addition, it has the effect of suppressing salt decomposition in the lithium secondary battery electrolyte solution.

일 실시형태에 따르면, 상기 보호막층의 두께는, 2 ㎛ 내지 8 ㎛ 인 것일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the protective film layer may be 2 ㎛ to 8 ㎛.

바람직하게는, 상기 보호막층의 두께는 2 ㎛ 내지 6 ㎛인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 3 ㎛ 내지 6 ㎛인 것일 수 있고, 더욱 더 바람직하게는 3 ㎛ 내지 5 ㎛인 것일 수 있다.Preferably, the thickness of the protective film layer may be 2 ㎛ to 6 ㎛, more preferably 3 ㎛ to 6 ㎛, and even more preferably 3 ㎛ to 5 ㎛.

만일 상기 보호막층의 두께가, 상기 범위 미만일 경우, 리튬 수지상 성장 억제 효과 및 전해액과의 부반응 억제효과가 저하될 수 있고, 상기 범위를 초과할 경우, 저항층으로 작용하여 셀 성능을 감소시킬 수 있다.If the thickness of the protective film layer is less than the above range, the effect of inhibiting lithium dendritic growth and side reactions with the electrolyte may be reduced, and if it exceeds the above range, it may act as a resistance layer and reduce cell performance. .

일 실시형태에 따르면, 상기 양극은, 리튬 금속 음극을 포함하는 리튬 이차 전지의 양극 활물질로 사용되는 것을 제한없이 사용할 수 있다. 일례로, 상기 양극은, 구리를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the positive electrode may be used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery including a lithium metal negative electrode without limitation. For example, the anode may contain copper.

일 실시형태에 따르면, 상기 전해액은, 리튬염; 및 글라임계 유기 용매;를 포함하는 것인, 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolyte solution includes lithium salt; and a glyme-based organic solvent.

일 실시형태에 따르면, 상기 전해액은, 첨가제-프리(FREE)인 것이고, 상기 첨가제는, 리튬 금속 표면에 피막을 형성시키는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolyte solution is additive-free, and the additive may form a film on the surface of lithium metal.

즉, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지는, 리튬 금속 상에 보호막층이 형성된 리튬 금속 음극을 사용함으로써, 일반적으로 리튬 음극 표면에 피막층을 형성시키는 기능성 첨가제를 별도로 사용하지 않아도, 리튬 음극의 계면 안정성을 확보할 수 있는 특징을 갖는다.That is, the lithium secondary battery according to the present invention uses a lithium metal negative electrode with a protective film layer formed on the lithium metal, thereby improving the interfacial stability of the lithium negative electrode without separately using a functional additive that generally forms a film layer on the surface of the lithium negative electrode. It has features that can be secured.

일 실시형태에 따르면, 상기 인듐-리튬 합금층 및 상기 LIF를 포함하는 피막층의 비율은, 1 : 1 내지 10 : 1인 것일 수 있다.According to one embodiment, the ratio of the indium-lithium alloy layer and the coating layer containing the LIF may be 1:1 to 10:1.

바람직하게는, 1 : 1 내지 8 : 1 일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 2 : 1 내지 7 : 일수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 3 : 1 내지 5 : 1인 것일 수 있다.Preferably, it may be 1:1 to 8:1, more preferably, it may be 2:1 to 7:1, and even more preferably, it may be 3:1 to 5:1.

상기 비율은, 인듐-리튬 합금층 및 LiF 피막층의 시너지 효과가 최대화될 수 있도록 함으로써, 보호막층의 성능을 극대화할 수 있는 범위이다.The above ratio is a range that can maximize the performance of the protective film layer by maximizing the synergy effect of the indium-lithium alloy layer and the LiF film layer.

상기 보호막 층은, 리튬 전극과 전해액과의 부반응을 억제하고, 리튬의 전착 및 탈리 반응의 가역성을 증가시키며, 수지상 리튬 형성을 억제하여 리튬 금속 이차 전지의 성능 및 안정성을 향상시키는 역할을 한다.The protective film layer suppresses side reactions between the lithium electrode and the electrolyte solution, increases the reversibility of lithium electrodeposition and desorption reactions, and inhibits the formation of dendritic lithium, thereby improving the performance and stability of the lithium metal secondary battery.

일 실시형태에 따르면, 상기 전해액은, 리튬 디플루오로(비스옥살라토)포스페이트 (Lithium difluoro bis(oxalato)phosphate, LiDFBP) 및 리튬 니트레이트 (Lithium nitrate, LiNO3)를 포함하는 기능성 첨가제;를 더 포함하고, 상기 기능성 첨가제는, 상기 전해액 중 1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolyte solution includes a functional additive including lithium difluoro bis(oxalato)phosphate (LiDFBP) and lithium nitrate (LiNO 3 ). Additionally, the functional additive may be included in an amount of 1% to 10% by weight in the electrolyte solution.

바람직하게는, 상기 기능성 첨가제는, 상기 전해액 중 3 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 4 중량% 내지 8 중량%로 포함되는 것일 수 있다.Preferably, the functional additive may be included in 3% to 10% by weight of the electrolyte solution, and more preferably, may be included in 4% to 8% by weight.

상기 기능성 첨가제는, 리튬 금속 음극 표면에 피막을 형성시켜 리튬 금속 음극의 고강도 특성 및 고이온전도성 특성을 보강하는 역할을 수행할 수 있다.The functional additive may form a film on the surface of the lithium metal anode to reinforce the high-strength characteristics and high ionic conductivity characteristics of the lithium metal anode.

이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and comparative examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예> 인듐 도금용 전해질 조성물, 리튬 금속 전극 및 리튬 금속 이차전지의 제조<Example> Preparation of electrolyte composition for indium plating, lithium metal electrode, and lithium metal secondary battery

1) 인듐 도금용 전해질 조성물의 제조1) Preparation of electrolyte composition for indium plating

리튬염, 유기용매, 인듐 이온 첨가제를 혼합하여 인듐 도금용 전해질 조성물을 제조하였다. 또한 성능 비교를 위해 인듐 이온 첨가제를 혼합하지 않은 전해질 조성물을 제조하였다.An electrolyte composition for indium plating was prepared by mixing lithium salt, organic solvent, and indium ion additive. Additionally, for performance comparison, an electrolyte composition without indium ion additives was prepared.

제조된 각 전해질 조성물의 성분 구성을 표 1에 나타내었다.The component composition of each electrolyte composition prepared is shown in Table 1.

인듐 도금용 전해질 조성물Electrolyte composition for indium plating 실시예 1Example 1 2 M LiFSI, DME, 1% In(TFSI)3 2M LiFSI, DME, 1% In(TFSI) 3 실시예 2Example 2 2 M LiFSI, DME/FEC (8/2, v/v), 1% In(TFSI)3 2M LiFSI, DME/FEC (8/2, v/v), 1% In(TFSI) 3 비교예 1Comparative Example 1 2 M LiFSI, DME/FEC (8/2, v/v)2M LiFSI, DME/FEC (8/2, v/v)

2) 리튬 금속 전극의 제조2) Preparation of lithium metal electrode

인듐-리튬 합금층이 형성된 리튬 금속 음극을 제조하기 위해, 인듐 금속 양극, 리튬 금속 음극 및 인듐 도금용 전해질 조성물로 구성된 전지를 제조하였다. 이 후, 인듐 금속 양극에서 리튬 금속 음극으로 인듐 이온이 이동할 수 있도록 충전 전류를 가하여 도금하였다. 즉, 전지에 전류를 인가하여 양극의 산화반응 및 음극의 환원반응을 통해 인듐이 리튬 표면 상에 전착되어 합금층이 형성되었다. In order to manufacture a lithium metal anode with an indium-lithium alloy layer formed, a battery consisting of an indium metal anode, a lithium metal anode, and an electrolyte composition for indium plating was manufactured. Afterwards, plating was performed by applying a charging current to allow indium ions to move from the indium metal anode to the lithium metal cathode. That is, by applying a current to the battery, indium was electrodeposited on the lithium surface through an oxidation reaction of the anode and a reduction reaction of the cathode, forming an alloy layer.

인듐 첨가제의 경우 전해액 내 다른 물질에 비하여 낮은 LUMO를 가지고 있어 우선적으로 리튬 음극 표면 상에 환원된다.Indium additives have a lower LUMO compared to other materials in the electrolyte, so they are preferentially reduced on the surface of the lithium cathode.

3) 리튬 금속 이차 전지의 제조3) Manufacturing of lithium metal secondary battery

표면에 인듐-리튬 합금층이 형성된 리튬 금속 음극, 구리(Cu) 양극, 전해질을 사용하여 리튬 금속 이차 전지를 제조하였다.A lithium metal secondary battery was manufactured using a lithium metal anode with an indium-lithium alloy layer formed on the surface, a copper (Cu) anode, and an electrolyte.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 인듐-리튬 합금층으로 도금되는 리튬 음극의 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전지의 가역성 평가 방법을 나타낸 모식도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a lithium negative electrode plated with an indium-lithium alloy layer and a method for evaluating the reversibility of a battery manufactured using the same according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 인듐 양극, 리튬 음극, 인듐 도금용 전해질 조성물을 사용하여 리튬 표면에 인듐을 전착시킴으로써, 리튬 금속 음극 표면에 인듐-리튬 합금층이 형성된 리튬 금속 전극을 제조할 수 있음을 이해할 수 있다.Referring to FIG. 1, it will be understood that a lithium metal electrode with an indium-lithium alloy layer formed on the surface of the lithium metal cathode can be manufactured by electrodepositing indium on the lithium surface using an indium anode, a lithium cathode, and an electrolyte composition for indium plating. You can.

또한, 제조된 리튬 금속 전극을 회수하여 이를 음극으로 하는 리튬 금속 이차 전지를 제조할 수 있음을 이해할 수 있다. In addition, it can be understood that the manufactured lithium metal electrode can be recovered and a lithium metal secondary battery using it as a negative electrode can be manufactured.

도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 인듐 도금용 전해질 조성물 내 포함된 각 구성 성분의 HOMO/LUMO 에너지를 나타낸 것이다.Figure 2 shows the HOMO/LUMO energy of each component included in the electrolyte composition for indium plating according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 불소계 용매의 경우도 낮은 LUMO 에너지를 가지고 있어 인듐 이온의 전착 과정에서 리튬 금속 표면 상에 함께 환원 분해되어 고강도 LiF 피막을 형성함을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that the fluorine-based solvent also has low LUMO energy and is reduced and decomposed on the lithium metal surface during the electrodeposition process of indium ions to form a high-strength LiF film.

형성된 LiF 피막은 리튬 수지 상의 성장을 물리적으로 억제하여 음극의 가역성을 향상시킬 수 있다. 따라서 인듐-리튬 합금 보호층과 함께 작용하여 리튬의 가역성을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.The formed LiF film can improve the reversibility of the cathode by physically inhibiting the growth of the lithium resin phase. Therefore, it can be seen that the reversibility of lithium can be greatly improved by working together with the indium-lithium alloy protective layer.

<실험예 1> 인듐 첨가제 적용에 따른 환원 분해 평가<Experimental Example 1> Reductive decomposition evaluation according to application of indium additive

실시예 1및 비교예 1을 사용하여 인듐 이온을 포함한 첨가제를 적용한 전해액의 Linear sweep voltammetry를 통한 환원 분해 정도 평가하였다.Using Example 1 and Comparative Example 1, the degree of reductive decomposition of electrolyte solutions containing additives containing indium ions was evaluated through linear sweep voltammetry.

실험 조건은 하기와 같다.The experimental conditions are as follows.

1) 전해질1) Electrolyte

비교예 1 : 2M LiFSI + DME/FEC (8/2, v/v) Comparative Example 1: 2M LiFSI + DME/FEC (8/2, v/v)

실시예 1 : 2M LiFSI + DME/FEC (8/2, v/v) + 1% In(TFSI)3 Example 1: 2M LiFSI + DME/FEC (8/2, v/v) + 1% In(TFSI) 3

2) 분리막2) Separator

폴리에틸렌(PE) (두께 15~16 ㎛, 기공도 41%)Polyethylene (PE) (thickness 15~16 ㎛, porosity 41%)

도 3은, 인듐 첨가제 적용에 따른 환원 분해 평가를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the reduction decomposition evaluation according to the application of indium additive.

도 3을 참조하면, In(TFSI)3 첨가제를 적용할 경우에 2.0 V 이하의 낮은 전위에서의 환원 분해로 인한 전류량이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 3, it can be seen that when the In(TFSI) 3 additive is applied, the amount of current due to reductive decomposition at a low potential of 2.0 V or less is greatly reduced.

이는, 2.5 V 대에서 In(TFSI)3 첨가제의 환원 분해로 인한 인듐-리튬 합금층의 형성에 따른 것으로 생각되었다.This was thought to be due to the formation of an indium-lithium alloy layer due to reductive decomposition of the In(TFSI) 3 additive in the 2.5 V range.

<실험예 2> 리튬 금속 전극의 인듐-리튬 합금층 형성 확인<Experimental Example 2> Confirmation of indium-lithium alloy layer formation on lithium metal electrode

인듐 이온을 포함한 첨가제를 사용한 경우 형성된 인듐-리튬 합금층을 확인하기 위해 Scanning Electron microscope 분석법 및 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 분석법을 수행하였다.Scanning Electron microscope analysis and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy analysis were performed to confirm the indium-lithium alloy layer formed when an additive containing indium ions was used.

실험 조건은 하기와 같다.The experimental conditions are as follows.

1) 셀 형태 : 1T spacer/20 lithium/16 분리막/127 Indium, coin type cell (2032)1) Cell type: 1T spacer/20 lithium/16 separator/127 Indium, coin type cell (2032)

2) 실험 조건 : 상온 1시간 aging, 전류밀도 (0.2 mAcm-2), 용량 (2 mAhcm-2)2) Experiment conditions: 1 hour aging at room temperature, current density (0.2 mAcm -2 ), capacity (2 mAhcm -2 )

3) 전해질 3) Electrolyte

비교예 1 : 2M LiFSI + DME/FEC (8/2, v/v) Comparative Example 1: 2M LiFSI + DME/FEC (8/2, v/v)

실시예 2 : 2M LiFSI + DME/FEC(8/2, v/v) + 1% In(TFSI)3 Example 2: 2M LiFSI + DME/FEC (8/2, v/v) + 1% In(TFSI) 3

도 4는, 도금된 인듐-리튬 합금층에 대한 SEM 이미지 및 EDS 분석 결과이다.Figure 4 shows SEM images and EDS analysis results for the plated indium-lithium alloy layer.

도 4를 참조하면, In(TFSI)3 첨가제를 사용한 인듐 도금용 전해질을 적용한 경우에, 인듐-리튬 셀에서의 인듐 전착 과정 이후 리튬 금속 표면상에 인듐이 훨씬 더 많이 존재함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, when an electrolyte for indium plating using an In(TFSI) 3 additive is applied, it can be seen that much more indium exists on the lithium metal surface after the indium electrodeposition process in the indium-lithium cell.

이는 인듐 첨가제를 적용할 경우 전해액 내 인듐 이온이 리튬 음극과 더 가깝게 존재하기에 더 쉽게 전착 할 수 있기 때문으로 판단되었다.This was believed to be because when an indium additive is applied, indium ions in the electrolyte exist closer to the lithium cathode, making electrodeposition easier.

<실험예 3> 리튬 금속 음극의 가역성 평가(ICE)<Experimental Example 3> Reversibility evaluation of lithium metal anode (ICE)

표면에 인듐-리튬 합금층이 형성된 리튬 금속 음극의 가역성을 평가하였다.The reversibility of a lithium metal anode with an indium-lithium alloy layer formed on its surface was evaluated.

실험 조건은 하기와 같다.The experimental conditions are as follows.

1) 셀 형태 : 1T spacer/20 lithium/16 분리막/Cu, coin type cell (2032)1) Cell type: 1T spacer/20 lithium/16 separator/Cu, coin type cell (2032)

2) 실험 조건 : 상온 1시간 aging, 전류밀도 (0.1 mAcm-2), 용량 (1 mAhcm-2)2) Experiment conditions: 1 hour aging at room temperature, current density (0.1 mAcm -2 ), capacity (1 mAhcm -2 )

3) 전해질 : 2M LiFSI + DME + 5% LiNO3 + 1% LiDFBP 3) Electrolyte: 2M LiFSI + DME + 5% LiNO 3 + 1% LiDFBP

4) 인듐 도금용 전해질4) Electrolyte for indium plating

Pristine : 도금 없음Pristine: No plating

실시예 1 (DME + In(TFSI)3 ): 2M LiFSI + DME + 1% In(TFSI)3 Example 1 (DME + In(TFSI) 3 ): 2M LiFSI + DME + 1% In(TFSI) 3

실시예 2 (DME/FEC + In(TFSI)3) : 2M LiFSI + DME/FEC(8/2) + 1% In(TFSI)3 Example 2 (DME/FEC + In(TFSI) 3 ): 2M LiFSI + DME/FEC(8/2) + 1% In(TFSI) 3

도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 금속 음극의 가역성 평가 결과이다.Figure 5 shows the results of reversibility evaluation of a lithium metal anode according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, In(TFSI)3 첨가제를 포함한 도금 전해액을 통하여 인듐-리튬 합금층이 형성된 리튬 금속 음극의 경우, 도금되지 않은 pristine 리튬 음극에 비하여 초기 가역성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 5, it can be seen that in the case of a lithium metal anode in which an indium-lithium alloy layer is formed through a plating electrolyte containing an In(TFSI) 3 additive, initial reversibility is improved compared to an unplated pristine lithium anode.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the following claims.

Claims (15)

리튬염;
글라임계 용매 또는 글라임계 용매 및 불소계 용매의 혼합 용매를 포함하는, 유기용매; 및
인듐 이온(In3+)을 포함하는 첨가제;
를 포함하고,
상기 리튬염은,
LiFOB, LiSO3CF3, LiDFBP, LiTFOP, LiPO2F2, LiB10Cl10, LiCF3CO2, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN 및 LiC(CF3SO2)3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물.
lithium salt;
Organic solvents, including a glyme-based solvent or a mixed solvent of a glyme-based solvent and a fluorine-based solvent; and
Additives containing indium ions (In 3+ );
Including,
The lithium salt is,
LiFOB, LiSO 3 CF 3 , LiDFBP, LiTFOP, LiPO 2 F 2 , LiB 10 Cl 10 , LiCF 3 CO 2 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiSCN and LiC(CF 3 SO 2 ) 3 Containing one or more selected from the group,
Electrolyte composition for indium plating of lithium electrodes.
제1항에 있어서,
상기 인듐 이온을 포함하는 첨가제는,
인듐 나이트레이트 (In(NO3)3), 인듐 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 (In(TFSI)3) 및 인듐 플루오라이드 (InF3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물.
According to paragraph 1,
The additive containing the indium ion is,
Containing at least one selected from the group consisting of indium nitrate (In(NO 3 ) 3 ), indium bis (trifluoromethanesulfonyl)imide (In(TFSI) 3 ), and indium fluoride (InF 3 ). thing,
Electrolyte composition for indium plating of lithium electrodes.
제1항에 있어서,
상기 인듐 이온을 포함하는 첨가제는,
0.5 중량% 내지 2 중량%로 포함되는 것인,
리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물.
According to paragraph 1,
The additive containing the indium ion is,
Contained from 0.5% to 2% by weight,
Electrolyte composition for indium plating of lithium electrodes.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 리튬염의 농도는, 1 M 내지 5 M인 것인,
리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물.
According to paragraph 1,
The concentration of the lithium salt is 1 M to 5 M,
Electrolyte composition for indium plating of lithium electrodes.
제1항에 있어서,
상기 글라임계 용매는,
디메틸에테르, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르 및 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물.
According to paragraph 1,
The glyme-based solvent is,
Containing at least one selected from the group consisting of dimethyl ether, 1,3-dioxolane, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol dimethyl ether,
Electrolyte composition for indium plating of lithium electrodes.
제1항에 있어서,
상기 불소계 용매는,
플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디플오로에틸렌 카보네이트(DFEC), 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3-테트라 플루오로프로필 에테르, 1,1,2,2-테트라플루오로 에틸-1H,1H,5H-옥타플루오로펜틸 에테르 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,2-트리플루오로에틸 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물.
According to paragraph 1,
The fluorine-based solvent is,
Fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetra fluoropropyl ether, 1,1,2,2 -at least one selected from the group consisting of tetrafluoroethyl-1H,1H,5H-octafluoropentyl ether and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoroethyl ether which includes,
Electrolyte composition for indium plating of lithium electrodes.
제1항에 있어서,
상기 글라임계 용매 및 상기 불소계 용매의 부피비는,
10 : 1 내지 1 : 1인 것인,
리튬 전극의 인듐 도금용 전해질 조성물.
According to paragraph 1,
The volume ratio of the glyme-based solvent and the fluorine-based solvent is,
10:1 to 1:1,
Electrolyte composition for indium plating of lithium electrodes.
리튬 금속 음극; 인듐 금속 양극; 및 제1항의 인듐 도금용 전해질 조성물을 포함하는 전해액;을 포함하는 인듐-리튬 전지를 제조하는 단계; 및
상기 인듐-리튬 전지에 전류를 인가하여 상기 리튬 금속 음극 표면에 인듐-리튬 합금층을 형성시키는 단계;
를 포함하는,
리튬 이차 전지용 리튬 금속 음극의 제조방법.
Lithium metal cathode; Indium metal anode; and an electrolyte solution containing the electrolyte composition for indium plating of claim 1; manufacturing an indium-lithium battery including; and
Applying current to the indium-lithium battery to form an indium-lithium alloy layer on the surface of the lithium metal anode;
Including,
Method for manufacturing lithium metal anode for lithium secondary battery.
제9항에 있어서,
상기 리튬 금속 음극 표면에, LiF를 포함하는 피막층이 동시에 형성되는 것인,
리튬 이차 전지용 리튬 금속 음극의 제조방법.
According to clause 9,
A film layer containing LiF is simultaneously formed on the surface of the lithium metal cathode,
Method for manufacturing lithium metal anode for lithium secondary battery.
리튬 금속 표면에 보호막층이 형성된 리튬 금속 음극;
양극;
제1항의 인듐 도금용 전해질 조성물을 포함하는 전해액; 및
분리막;
을 포함하고,
상기 보호막층은, 인듐-리튬 합금층 및 LIF를 포함하는 피막층을 포함하는 것인,
리튬 이차 전지.
A lithium metal anode with a protective film layer formed on the surface of the lithium metal;
anode;
An electrolyte solution containing the electrolyte composition for indium plating of claim 1; and
separation membrane;
Including,
The protective film layer includes an indium-lithium alloy layer and a film layer containing LIF,
Lithium secondary battery.
제11항에 있어서,
상기 보호막층의 두께는, 2 ㎛ 내지 8 ㎛인 것인,
리튬 이차 전지.
According to clause 11,
The thickness of the protective film layer is 2 ㎛ to 8 ㎛,
Lithium secondary battery.
삭제delete 제11항에 있어서,
상기 인듐-리튬 합금층 및 상기 LIF를 포함하는 피막층의 비율은,
1 : 1 내지 5 : 1인 것인,
리튬 이차 전지.
According to clause 11,
The ratio of the indium-lithium alloy layer and the coating layer containing the LIF is,
1:1 to 5:1,
Lithium secondary battery.
제11항에 있어서,
상기 전해액은, 리튬 디플루오로(비스옥살라토)포스페이트 (Lithium difluoro bis(oxalato)phosphate, LiDFBP) 및 리튬 니트레이트 (Lithium nitrate, LiNO3)를 포함하는 기능성 첨가제;를 더 포함하는 것이고,
상기 기능성 첨가제는, 상기 전해액 중 1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 것인,
리튬 이차 전지.
According to clause 11,
The electrolyte solution further includes a functional additive including lithium difluoro bis(oxalato)phosphate (LiDFBP) and lithium nitrate (LiNO 3 ),
The functional additive is contained in 1% by weight to 10% by weight in the electrolyte solution,
Lithium secondary battery.
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