KR102618538B1 - Lithium metal battery including lithium metal anode, method of protecting the lithium metal anode, and protective layer prepared according to the method - Google Patents

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Abstract

리튬 금속 음극; 상기 리튬 금속 음극 상부에 배치되며, i)고분자와, ii)1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 보호막; 양극; 및 상기 보호막과 양극 사이에 개재된 액체 전해질을 포함하며,상기 1족 원소 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제중에서 선택된 하나 이상은 액체 전해질의 유기용매에 불용성인 리튬금속전지가 제시된다.Lithium metal cathode; A protective film disposed on the lithium metal anode and comprising at least one selected from i) a polymer, ii) a metal salt containing a Group 1 or Group 2 element, and a nitrogen-containing additive; anode; and a liquid electrolyte interposed between the protective film and the anode, wherein at least one selected from metal salts containing the Group 1 or Group 2 elements and nitrogen-containing additives is insoluble in the organic solvent of the liquid electrolyte. .

Description

리튬 금속 음극을 포함한 리튬금속전지, 상기 리튬 금속 음극을 보호하는 방법 및 그 방법에 따라 제조된 보호막 {Lithium metal battery including lithium metal anode, method of protecting the lithium metal anode, and protective layer prepared according to the method}Lithium metal battery including lithium metal anode, method of protecting the lithium metal anode, and protective layer prepared according to the method }

리튬 금속 음극을 포함한 리튬금속전지, 상기 리튬 금속 음극을 보호하는 방법 및 그 방법에 따라 제조된 보호막을 제시한다.A lithium metal battery including a lithium metal anode, a method for protecting the lithium metal anode, and a protective film manufactured according to the method are presented.

리튬이차전지는 현재 상용화된 이차 전지 중 에너지 밀도가 가장 높은 고성능 이차 전지로서 예를 들어 전기자동차와 같은 다양한 분야에서 사용될 수 있다. Lithium secondary batteries are high-performance secondary batteries with the highest energy density among currently commercialized secondary batteries and can be used in various fields, such as electric vehicles.

리튬이차전지의 음극으로는 리튬 금속 박막이 이용될 수 있다. 이러한 리튬 금속 박막을 음극으로 이용하는 경우 리튬의 높은 반응성으로 인하여 충방전시 액체 전해질과의 반응성이 높다. 또는 리튬 음극 박막 상에 덴드라이트가 형성되어 리튬 금속 박막을 채용한 리튬이차전지의 수명 및 안정성이 저하될 수 있어 이에 대한 개선이 요구된다.A lithium metal thin film can be used as the negative electrode of a lithium secondary battery. When such a lithium metal thin film is used as a negative electrode, it has high reactivity with the liquid electrolyte during charging and discharging due to the high reactivity of lithium. Alternatively, dendrites may be formed on the lithium negative electrode thin film, which may reduce the lifespan and stability of lithium secondary batteries using lithium metal thin films, so improvements are required.

한 측면은 리튬 금속 음극 표면 상에서 리튬 덴드라이트의 형성이 억제된 리튬금속전지를 제공하는 것이다.One aspect is to provide a lithium metal battery in which the formation of lithium dendrites is suppressed on the surface of a lithium metal anode.

다른 측면은 상기 리튬금속전지의 리튬 금속 음극을 보호하는 방법을 제공한다. Another aspect provides a method of protecting the lithium metal cathode of the lithium metal battery.

또 다른 측면은 상술한 방법에 따라 제조된 보호막을 제공한다.Another aspect provides a protective film prepared according to the method described above.

한 측면에 따라 according to one side

리튬 금속 음극;Lithium metal cathode;

상기 리튬 금속 음극 상부에 배치되며, i)고분자와, ii)1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 보호막;A protective film disposed on the lithium metal anode and comprising at least one selected from i) a polymer, ii) a metal salt containing a Group 1 or Group 2 element, and a nitrogen-containing additive;

양극; 및 anode; and

상기 보호막과 양극 사이에 개재된 액체 전해질을 포함하며,It includes a liquid electrolyte interposed between the protective film and the anode,

상기 1족 원소 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상은 액체 전해질의 유기용매에 불용성인 리튬금속전지가 제공된다.A lithium metal battery is provided in which at least one selected from metal salts containing the Group 1 or Group 2 elements and nitrogen-containing additives is insoluble in the organic solvent of the liquid electrolyte.

다른 측면에 따라 i)고분자와, ii) 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상을 혼합하여 보호막 형성용 조성물을 얻는 단계;According to another aspect, obtaining a composition for forming a protective film by mixing i) a polymer and ii) one or more selected from the group consisting of a metal salt containing a group 1 or group 2 element and a nitrogen-containing additive;

상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 음극에 공급하는 단계; 및Supplying the composition for forming a protective film to a lithium metal anode; and

상기 결과물을 건조하여 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 상술한 리튬 금속 애노드를 보호하는 방법이 제공된다.A method of protecting the above-described lithium metal anode is provided, including the step of drying the resultant to form a protective film.

또 다른 측면에 따라 상술한 방법에 따라 제조된 보호막이 제공된다.According to another aspect, a protective film manufactured according to the above-described method is provided.

일구현예에 따른 리튬금속전지는 리튬 금속 음극 표면에서 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 효과적으로 억제하며 리튬 전착밀도가 증가되고 리튬 금속 음극과 보호막 사이의 계면저항이 감소될 뿐만 아니라 리튬 이온 이동도가 증가된다. 그 결과 율속 성능 및 수명이 향상된 리튬금속전지를 제작할 수 있다.The lithium metal battery according to one embodiment effectively suppresses the growth of lithium dendrites on the surface of the lithium metal anode, increases the lithium electrodeposition density, reduces the interfacial resistance between the lithium metal anode and the protective film, and increases lithium ion mobility. do. As a result, it is possible to produce a lithium metal battery with improved rate performance and lifespan.

도 1은 일구현예에 따른 리튬금속전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 다른 일구현예에 따른 리튬금속전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에서 0.1C 충전후 리튬 금속 음극 표면을 나타낸 전자주사현미경 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에서 0.1C 충전후 리튬 금속 음극의 단면을 나타낸 전자주사현미경 사진이다.
도 5는 실시예 2에 따라 제조된 리튬금속전지 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 임피던스 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 4에 따라 제조된 리튬금속전지에서 사이클수에 따른 방전용량 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1, 비교예 1 및 4에 따라 제조된 리튬금속전지에서 사이클수에 따른 쿠울롱 효율 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 보호막의 응력-변형 선도(stress-strain curve)를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지의 율속 성능을 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 2의 보호막 및 비교예 1의 리튬 금속 박막을 이용한 대칭셀에 대한 셀 전압 변화를 나타낸 것이다.
Figure 1 schematically shows the structure of a lithium metal battery according to an embodiment.
Figure 2 schematically shows the structure of a lithium metal battery according to another embodiment.
Figures 3a and 3b are scanning electron micrographs showing the surface of the lithium metal anode after charging at 0.1 C in the lithium metal battery manufactured according to Example 2 and Comparative Example 1, respectively.
Figures 4a and 4b are scanning electron micrographs showing the cross-section of the lithium metal anode after charging at 0.1 C in the lithium metal battery manufactured according to Example 2 and Comparative Example 1, respectively.
Figure 5 shows the results of impedance analysis for the lithium metal battery manufactured according to Example 2 and the lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 1.
Figure 6 shows the change in discharge capacity according to the number of cycles in the lithium metal batteries manufactured according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 4.
Figure 7 shows the change in Coulomb efficiency according to the number of cycles in lithium metal batteries manufactured according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 4.
Figure 8 shows a stress-strain curve of the protective film manufactured according to Example 1.
Figure 9 shows the rate performance of the lithium metal battery manufactured according to Example 2 and Comparative Example 1.
Figure 10 shows the change in cell voltage for a symmetric cell using the protective film of Example 2 and the lithium metal thin film of Comparative Example 1.

첨부된 도면들을 참조하면서 이하에서 예시적인 리튬금속전지, 그 제조방법 및 상기 리튬금속전지의 리튬 금속 음극을 보호하는 방법과 그 방법에 따라 제조된 보호막에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Referring to the attached drawings, an exemplary lithium metal battery, a manufacturing method thereof, a method for protecting a lithium metal anode of the lithium metal battery, and a protective film manufactured according to the method will be described in more detail below.

리튬 금속 음극; 상기 리튬 금속 음극 상부에 배치되며, i)고분자와, ii)1족, 또는 2족 원소를 포함하는 금속 염 및 질소 함유 첨가제를 포함하는 보호막; 양극; 및 상기 보호막과 양극 사이에 개재된 액체 전해질을 포함하며, 상기 1족 원소 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상은 액체 전해질의 유기용매에 불용성인 리튬금속전지가 제공된다.Lithium metal cathode; A protective film disposed on the lithium metal anode, i) a polymer, ii) a metal salt containing a group 1 or group 2 element, and a nitrogen-containing additive; anode; and a liquid electrolyte interposed between the protective film and the anode, wherein at least one selected from metal salts containing the Group 1 or Group 2 elements and nitrogen-containing additives is insoluble in the organic solvent of the liquid electrolyte. .

상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염은 Cs, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, 및 Mg 중에서 선택된 하나 이상을 함유하는 금속염이다. 이러한 금속염의 예는 Cs 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드{CsTFSI: Cs(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)}, CsNO3, CsPF6, Cs 비스(플루오로술포닐)이미드{CsFSI: Cs(bis(fluorosulfonyl)imide)}, CsAsF6, CsClO4, CsBF4, RbTFSI, RbNO3, RbPF6, RbFSI, RbAsF6, RbClO4, RbBF4, KTFSI, KNO3, KPF6, KFSI, KAsF6, KClO4, KBF4, NaTFSI, NaNO3, NaPF6, NaFSI, NaAsF6, NaClO4, NaBF4, Ba(TFSI)2, Ba(NO3)2, Ba(PF6)2, Ba(FSI)2, Ba(AsF6)2, Ba(ClO4)2, Ba(BF4)2, Sr(TFSI)2, Sr(NO3)2, Sr(PF6)2, Sr(FSI)2, Sr(AsF6)2, Sr(ClO4)2, Sr(BF4)2, Ca(TFSI)2, Ca(NO3)2, Ca(PF6)2, Ca(FSI)2, Ca(AsF6)2, Ca(ClO4)2, Ca(BF4)2, Mg(TFSI)2, Mg(NO3)2, Mg(PF6)2, Mg(FSI)2, Mg(AsF6)2, Mg(ClO4)2 및 Mg(BF4)2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 여기에서 TFSI는 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 (bis(trifluoromethanesulfonyl) imide)를 나타내고, FSI는 비스플루오로술포닐이미드를 나타낸다.The metal salt containing the Group 1 or Group 2 element is a metal salt containing one or more elements selected from Cs, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, and Mg. Examples of such metal salts include Cs bis(trifluoromethylsulfonyl)imide {CsTFSI: Cs(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)}, CsNO 3 , CsPF 6 , Cs bis(fluorosulfonyl)imide {CsFSI: Cs (bis(fluorosulfonyl)imide)}, CsAsF 6 , CsClO 4 , CsBF 4 , RbTFSI, RbNO 3 , RbPF 6 , RbFSI, RbAsF 6 , RbClO 4 , RbBF 4 , KTFSI, KNO 3 , KPF 6 , KFSI, KAsF 6 , KClO 4 , KBF 4 , NaTFSI, NaNO 3 , NaPF 6 , NaFSI, NaAsF 6 , NaClO 4 , NaBF 4 , Ba(TFSI) 2 , Ba(NO 3 ) 2 , Ba(PF 6 )2, Ba(FSI) 2 , Ba(AsF 6 ) 2 , Ba(ClO 4 ) 2 , Ba(BF 4 ) 2 , Sr(TFSI) 2 , Sr(NO 3 ) 2 , Sr(PF 6 )2, Sr(FSI) 2 , Sr( AsF 6 ) 2 , Sr(ClO 4 ) 2 , Sr(BF 4 ) 2 , Ca(TFSI) 2 , Ca(NO 3 ) 2 , Ca(PF 6 )2, Ca(FSI) 2 , Ca(AsF 6 ) 2 , Ca(ClO 4 ) 2 , Ca(BF 4 ) 2 , Mg(TFSI) 2 , Mg(NO 3 ) 2 , Mg(PF 6 )2, Mg(FSI) 2 , Mg(AsF 6 ) 2 , Mg It is at least one selected from the group consisting of (ClO 4 ) 2 and Mg(BF 4 ) 2 . Here, TFSI represents bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, and FSI represents bisfluorosulfonylimide.

TFSI FSITFSI FSI

1족 원소 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상이 액체 전해질의 유기용매에 불용성이라는 의미는 예를 들어 "25℃에서 액체 전해질의 유기용매에서 질소 함유 첨가제의 용해도는 액체 전해질의 유기용매 리터당 100 part per million(ppm) 미만이라는 것이다.Meaning that one or more of the metal salts containing a Group 1 element or a Group 2 element and the nitrogen-containing additive are insoluble in the organic solvent of the liquid electrolyte, for example, "the solubility of the nitrogen-containing additive in the organic solvent of the liquid electrolyte at 25° C. is This means that it is less than 100 parts per million (ppm) per liter of organic solvent in the electrolyte.

리튬 금속 음극은 단위중량당 전기용량이 커서 이를 이용하면 고용량 전지를 구현하는 것이 가능하다. 그런데 리튬 금속 음극의 경우 리튬 이온의 전착/탈착(deposition/dissolution) 과정 중에서 덴드라이트 구조가 형성 및 성장하여 양극 및 음극 사이의 단락을 유발할 수 있다. 그리고 리튬 금속 음극은 전해질에 대한 반응성이 높아서 전해질과의 부반응을 유발할 수 있고 이로 인하여 전지의 사이클 수명이 저하될 수 있다. 또한 리튬금속전지의 충방전이 반복됨에 따라 전지 부피 및 두께 변화가 발생되며 이러한 변화로 음극으로부터 리튬 탈착이 일어난다 이를 보완하기 위해서는 리튬 금속 음극 표면을 보완할 수 있는 보호막이 요구된다. Lithium metal anodes have a large electrical capacity per unit weight, making it possible to create high-capacity batteries using them. However, in the case of a lithium metal anode, a dendrite structure is formed and grows during the deposition/dissolution process of lithium ions, which may cause a short circuit between the anode and the cathode. Additionally, the lithium metal anode has high reactivity to the electrolyte, which may cause side reactions with the electrolyte, which may reduce the cycle life of the battery. In addition, as the charging and discharging of a lithium metal battery is repeated, changes in battery volume and thickness occur, and these changes cause lithium desorption from the anode. To compensate for this, a protective film that can complement the surface of the lithium metal anode is required.

리튬 금속 음극을 갖는 리튬금속전지에서는 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하기 위하여 액체 전해질에 세슘염과 같은 첨가제를 첨가하거나 음극 보호막으로서 고분자 전해질을 이용하는 방법이 제안되었다. In a lithium metal battery with a lithium metal cathode, a method of adding an additive such as cesium salt to the liquid electrolyte or using a polymer electrolyte as a cathode protective film has been proposed to suppress the growth of lithium dendrites.

그런데 세슘염과 같은 첨가제를 액체 전해질에 첨가하는 경우 세슘염이 액체 전해질에 용해하지 않아 실제 전지 시스템에 적용하기가 곤란하다. 세슘염은 리튬 이온의 이동을 방해하거나 또는 양극에서 전기화학반응에 참여하여 셀 성능을 저하시킨다. However, when additives such as cesium salt are added to the liquid electrolyte, the cesium salt does not dissolve in the liquid electrolyte, making it difficult to apply it to an actual battery system. Cesium salts impede the movement of lithium ions or participate in electrochemical reactions at the anode, thereby reducing cell performance.

그리고 리튬 금속 음극 보호막을 이용하면, 고분자 전해질로 인하여 보호막과 리튬 음극 사이의 계면 저항이 증가되어 리튬금속전지의 셀 성능이 저하될 수 있다.Additionally, when a lithium metal cathode protective film is used, the interfacial resistance between the protective film and the lithium anode increases due to the polymer electrolyte, which may deteriorate the cell performance of the lithium metal battery.

이에 본 발명자들은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 많은 연구끝에 리튬 금속 음극의 표면에 i)고분자와 ii) 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 보호막을 배치한 리튬금속전지를 제공한다.Accordingly, in order to solve the above-mentioned problem, the present inventors, after much research, placed a protective film containing at least one selected from i) a polymer and ii) a metal salt containing a group 1 or 2 element and a nitrogen-containing additive on the surface of a lithium metal anode. Provides a lithium metal battery.

상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상은 액체 전해질의 유기용매에 불용성이다. 예를 들어 25℃에서 액체 전해질의 유기용매에서 질소 함유 첨가제의 용해도는 액체 전해질의 유기용매 리터당 100 part per million per liter (ppm/L) 미만, 예를 들어 75 ppm/L 미만, 구체적으로 50 ppm/L이라는 것이다. At least one selected from the metal salt containing the Group 1 or Group 2 element and the nitrogen-containing additive is insoluble in the organic solvent of the liquid electrolyte. For example, at 25°C, the solubility of the nitrogen-containing additive in the organic solvent of the liquid electrolyte is less than 100 parts per million per liter (ppm/L) per liter of the organic solvent of the liquid electrolyte, for example, less than 75 ppm/L, specifically 50 ppm. It is /L.

이러한 용해도 특성으로 리튬 금속 음극 표면에 국한되어 안정적으로 존재하고 상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상의 이동성이 제한되어 이를 함유한 보호막을 채용하는 경우 전극 간의 리튬 이온의 이동을 방해하지 않는다.Due to these solubility characteristics, it is limited to the surface of the lithium metal cathode and exists stably, and the mobility of one or more selected from metal salts and nitrogen-containing additives containing the Group 1 or 2 elements is limited, so when a protective film containing them is adopted, lithium ions between electrodes does not impede the movement of

또한 상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염의 금속은 리튬과 비교하여 큰 원자 크기를 갖고 있어 이를 보호막에 함유하면 금속의 입체 장애(steric hindrance) 효과로 인하여 리튬 금속 음극 표면 상에 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 억제할 수 있다. 그리고 상기 금속염의 금속 양이온(예를 들어 Cs 또는 루비듐 이온)은 리튬 이온의 환원전위에 비하여 작은 유효 환원전위(effective reduction potential)를 갖고 있어 리튬 전착(lithium deposition) 공정 중 금속염은 환원되거나 또는 도포되는 과정이 없이 금속 양이온은 리튬 금속 음극 표면에 돌기(protuberance)의 초기 성장 팁(initial growth tip) 주위에 양전하의 정전기적 쉴드를 형성한다. 이러한 양전하의 정전기적 쉴드가 형성되면 리튬 금속 음극 표면에 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 상술한 바와 같이 금속염이 리튬의 환원전위에 비하여 작은 유효 환원전위(effective reduction potential)를 가지기 위해서는 금속염의 함량이 중요하다. 금속염의 함량은 보호막의 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 100 중량부 범위로 제어된다. In addition, the metal salt containing the Group 1 or 2 element has a larger atomic size than lithium, so when it is included in the protective film, lithium dendrites are formed on the surface of the lithium metal cathode due to the steric hindrance effect of the metal. can inhibit growth. In addition, the metal cation (e.g., Cs or rubidium ion) of the metal salt has an effective reduction potential that is smaller than that of lithium ions, so the metal salt is reduced or applied during the lithium deposition process. Without processing, metal cations form a positive electrostatic shield around the initial growth tips of protuberances on the surface of the lithium metal cathode. When this positive electrostatic shield is formed, the growth of lithium dendrites on the surface of the lithium metal cathode can be effectively suppressed. As described above, the content of the metal salt is important for the metal salt to have an effective reduction potential that is smaller than that of lithium. The content of the metal salt is controlled in the range of 0.1 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer of the protective film.

또한 상기 보호막은 기계적 강도 및 유연성이 매우 우수하여 리튬 덴드라이트의 형성을 억제하는 효과가 매우 우수하고 리튬 금속 음극과 보호막 사이에 높은 이온 전도성을 갖는 이온 전도성 피막을 형성한다. 상기 이온 전도성 피막은 보호막의 이온 전도도 및 리튬 이온 이동도를 높임으로써 리튬 금속 음극과 보호막 사이의 계면저항을 감소킨다. 이온 전도성 피막은 예를 들어 질화리튬(Li3N)을 함유한다. In addition, the protective film has excellent mechanical strength and flexibility, so it is very effective in suppressing the formation of lithium dendrites and forms an ion conductive film with high ion conductivity between the lithium metal anode and the protective film. The ion conductive film reduces the interfacial resistance between the lithium metal anode and the protective film by increasing the ionic conductivity and lithium ion mobility of the protective film. The ion-conducting coating contains, for example, lithium nitride (Li 3 N).

또한 상기 보호막은 리튬의 전/탈착 과정을 화학적으로 개선하여 종래의 보호막을 형성한 경우와 비교하여 리튬 금속 음극의 전착 모폴로지(morphology)를 개선하여 리튬 금속 음극 표면에서의 전착밀도가 증가되어어 리튬 이온 이동도를 향상시킨다. 그리고 상술한 바와 같이 리튬 금속 음극 표면의 보호막에 상기 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상이 국한되도록 존재하여 상기 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상이 액체 전해질에 분산되거나 양극쪽으로 접근하여 양극과의 반응이 일어나는 것을 차단할 수 있다. 그 결과, 율속 성능 및 수명이 향상된 리튬금속전지를 제조할 수 있다.In addition, the protective film improves the electrodeposition morphology of the lithium metal anode compared to the case of forming a conventional protective film by chemically improving the lithium deposition/desorption process, thereby increasing the electrodeposition density on the surface of the lithium metal anode. Improves ion mobility. And, as described above, at least one selected from the metal salt and nitrogen-containing additive is present to be confined to the protective film on the surface of the lithium metal negative electrode, so that the one or more selected from the metal salt and nitrogen-containing additive is dispersed in the liquid electrolyte or approaches the anode to form a contact with the anode. It can block the reaction from occurring. As a result, a lithium metal battery with improved rate performance and lifespan can be manufactured.

보호막안에 함유된 질소 함유 첨가제는 비제한적인 예로서 무기 나이트레이트(inorganic nitrate), 유기 나이트레이트(organic nitrate), 무기 나이트라이트(inorganic nitrite), 유기 나이트라이트(organic nitrite), 유기 니트로 화합물, 유기 니트로소 화합물(Organic nitroso compound), N-O 화합물 및 질화리튬(Li3N)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있다. Nitrogen-containing additives contained in the protective film include, but are not limited to, inorganic nitrate, organic nitrate, inorganic nitrite, organic nitrite, organic nitro compound, and organic nitrate. One or more selected from the group consisting of nitroso compounds (organic nitroso compounds), NO compounds, and lithium nitride (Li 3 N).

상기 무기 나이트레이트는 예를 들어 리튬 나이트레이트, 포타슘 나이트레이트, 세슘 나이트레이트, 바륨 나이트레이트 및 암모늄 나이트레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, 상기 유기 나이트레이트는 예를 들어 C1 내지 C20 디알킬 이미다졸륨 나이트레이트, 구아니딘 나이트레이트, 에틸 나이트라이트, 프로필 나이트라이트, 부틸 나이트라이트, 펜틸 나이트라이트, 및 옥틸 나이트라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 그리고 유기 나이트라이트는 예를 들어 에틸 나이트라이트, 프로필 나이트라이트, 부틸 나이트라이트, 펜틸 나이트라이트, 및 옥틸 나이트라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.The inorganic nitrate is, for example, one or more selected from the group consisting of lithium nitrate, potassium nitrate, cesium nitrate, barium nitrate, and ammonium nitrate, and the organic nitrate is, for example, a C1 to C20 dialkyl nitrate. It is one or more selected from the group consisting of dazolium nitrate, guanidine nitrate, ethyl nitrite, propyl nitrite, butyl nitrite, pentyl nitrite, and octyl nitrite. And the organic nitrite is, for example, one or more selected from the group consisting of ethyl nitrite, propyl nitrite, butyl nitrite, pentyl nitrite, and octyl nitrite.

상기 유기 니트로 화합물은 예를 들어 니트로메탄, 니트로프로판, 니트로부탄, 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔 및 니트로피리딘으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있다. 그리고 상기 N-O 화합물은 예를 들어 피리딘 N-옥사이드, C1 내지 C20 알킬피리딘 N-옥사이드, 및 테트라메틸 피페리딘 N-옥실(TEMPO)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.The organic nitro compound may include, for example, one or more selected from the group consisting of nitromethane, nitropropane, nitrobutane, nitrobenzene, dinitrobenzene, nitrotoluene, dinitrotoluene, and nitropyridine. And the N-O compound is, for example, one or more selected from the group consisting of pyridine N-oxide, C1 to C20 alkylpyridine N-oxide, and tetramethyl piperidine N-oxyl (TEMPO).

다른 일구현예에 따른 보호막에서 질소 함유 첨가제는 LiNO3 및 Li3N 중에서 선택된 하나 이상이고, 상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염이 세슘비스트리플루오로메틸술포닐이미드(CsTFSI), CsNO3, CsPF6, CsFSI, CsAsF6, CsClO4, 및CsBF4 중에서 선택된 하나 이상고, 예를 들어 CsTFSI일 수 있다.In the protective film according to another embodiment, the nitrogen-containing additive is at least one selected from LiNO 3 and Li 3 N, and the metal salt containing the Group 1 or 2 element is cesium bistrifluoromethylsulfonylimide (CsTFSI), It may be one or more selected from CsNO 3 , CsPF 6 , CsFSI, CsAsF 6 , CsClO 4 , and CsBF 4 , for example, CsTFSI.

상기 보호막에서 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 100 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30중량부이다. 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상의 함량이 상기 범위일 때 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 효과 및 리튬 금속 음극 표면과 보호막의 계면저항이 감소되고 리튬의 이온 이동도가 개선된 리튬금속전지를 제작할 수 있다.In the protective film, the content of at least one selected from a metal salt containing a group 1 or 2 element and a nitrogen-containing additive is 0.1 to 100 parts by weight, for example, 0.1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer. When the content of one or more selected from metal salts containing Group 1 or 2 elements and nitrogen-containing additives is within the above range, the effect of suppressing the growth of lithium dendrite, the interfacial resistance of the surface of the lithium metal cathode and the protective film is reduced, and the ion mobility of lithium is reduced. An improved lithium metal battery can be produced.

보호막은 일구현예에 의하면, 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염만을 포함할 수 있다. 이 때 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 100 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30 중량부이다,According to one embodiment, the protective film may include only a metal salt containing a Group 1 or Group 2 element. At this time, the content of the metal salt containing a group 1 or 2 element is 0.1 to 100 parts by weight, for example, 0.1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer.

다른 일구현예에 의하면, 보호막은 질소 함유 첨가제만을 함유할 수 있다. 이 때 질소 함유 첨가제의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 100 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30 중량부, 구체적으로 1 내지 30 중량부이다.According to another embodiment, the protective film may contain only nitrogen-containing additives. At this time, the content of the nitrogen-containing additive is 0.1 to 100 parts by weight, for example, 0.1 to 30 parts by weight, specifically 1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer.

보호막은 예를 들어 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제를 모두 함유할 수 있다. 이 때 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 99.99 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30 중량부이고, 예를 들어 1 내지 30 중량부이고, 질소 함유 첨가제의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 99.99 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30 중량부, 구체적으로 1 내지 30 중량부이다.The protective film may contain, for example, both a metal salt containing a Group 1 or Group 2 element and a nitrogen-containing additive. At this time, the content of the metal salt containing a Group 1 or Group 2 element is 0.01 to 99.99 parts by weight, for example, 0.1 to 30 parts by weight, for example, 1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer, and contains nitrogen. The content of the additive is 0.01 to 99.99 parts by weight, for example, 0.1 to 30 parts by weight, specifically 1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer.

일구현예에 따른 보호막에서 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제의 혼합중량비는 1:9 내지 9:1, 예를 들어 1:2 내지 2:1, 구체적으로 1:1이다. 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제의 혼합중량비가 상기 범위일 때 리튬 금속 음극 표면에서의 전착밀도와 전해질에서 리튬 이온 이동도 특성이 우수하여 리튬금속전지의 율속 성능 및 수명 특성이 개선된다.In the protective film according to one embodiment, the mixing weight ratio of the metal salt containing a group 1 or 2 element and the nitrogen-containing additive is 1:9 to 9:1, for example, 1:2 to 2:1, specifically 1:1. . When the mixing weight ratio of the metal salt containing a group 1 or 2 element and the nitrogen-containing additive is in the above range, the electrodeposition density on the surface of the lithium metal anode and the lithium ion mobility characteristics in the electrolyte are excellent, resulting in the rate performance and lifespan characteristics of the lithium metal battery. This is improved.

보호막은 고분자를 포함한다. 상기 고분자는 호모폴리머, 블록 공중합체와 그래프트 공중합체 중에서 선택된 하나 이상의 고분자 또는 그 혼합물을 들 수 있다. 고분자는 예를 들어 액체 전해질의 유기용매에 용해되지 않는 특성을 가질 수 있다. 이러한 특성을 갖는 고분자를 이용하면 종래의 폴리에틸렌계 보호막과 달리 카보네이트계 유기용매를 함유한 액체 전해질에 대한 내화학성이 우수하다. 그리고 보호막에 크랙 발생 등으로 인하여 전지 내부에 단락이 발생되는 것을 억제하는 효과가 매우 우수하다.The protective film contains polymers. The polymer may include one or more polymers selected from homopolymers, block copolymers, and graft copolymers, or mixtures thereof. For example, the polymer may have the characteristic of being insoluble in the organic solvent of the liquid electrolyte. Using a polymer with these characteristics provides excellent chemical resistance to liquid electrolytes containing carbonate-based organic solvents, unlike conventional polyethylene-based protective films. In addition, the effect of suppressing short circuits inside the battery due to cracks in the protective film is very excellent.

상기 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리프로필메타크릴레이트, 폴리프로필아크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리펜틸메타크릴레이트, 폴리펜틸아크릴레이트, 폴리시클로헥실메타크릴레이트, 폴리시클로헥실아크릴레이트, 폴리헥실메타크릴레이트, 폴리헥실아크릴레이트, 폴리글리시딜아크릴레이트, 폴리글리시딜메타크릴레이트 및 폴리아크릴로니트릴 중에서 선택된 하나 이상을 들 수 있다.The polymers include polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl methacrylate, polyethyl acrylate, polypropyl methacrylate, polypropyl acrylate, polybutyl acrylate, and polybutyl methacrylate. , polypentyl methacrylate, polypentyl acrylate, polycyclohexyl methacrylate, polycyclohexyl acrylate, polyhexyl methacrylate, polyhexyl acrylate, polyglycidyl acrylate, polyglycidyl methacrylate and polyacrylonitrile.

보호막에 함유된 고분자는 제1고분자 블록과 제2고분자 블록을 포함하는 블록 공중합체이다. 제1고분자 블록은 폴리스티렌, 수소화된 폴리스티렌, 폴리메타크릴레이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리비닐피리딘, 폴리비닐사이클로헥산, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(4-메틸-1-펜텐), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 폴리(이소부틸 메타크릴레이트), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리디메틸실록산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리말레산, 폴리말레산무수물, 폴리메타크릴산, 폴리(터트부틸비닐에테르), 폴리(사이클로헥실 메타크릴레이트), 폴리(사이클로헥실 비닐 에테르), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리디비닐벤젠 중에서 선택된 하나 이상이거나 또는 상술한 고분자를 구성하는 반복단위를 2종 이상 포함하는 고분자이다.The polymer contained in the protective film is a block copolymer containing a first polymer block and a second polymer block. The first polymer block is polystyrene, hydrogenated polystyrene, polymethacrylate, poly(methyl methacrylate), polyvinylpyridine, polyvinylcyclohexane, polyimide, polyamide, polyethylene, polybutylene, polypropylene, poly( 4-methyl-1-pentene), poly(butylene terephthalate), poly(isobutyl methacrylate), poly(ethylene terephthalate), polydimethylsiloxane, polyacrylonitrile, polymaleic acid, polymaleic anhydride , polymethacrylic acid, poly(tertbutyl vinyl ether), poly(cyclohexyl methacrylate), poly(cyclohexyl vinyl ether), polyvinylidene fluoride, polydivinylbenzene, or one or more of the above-mentioned polymers. It is a polymer that contains two or more types of repeating units.

제2고분자 블록은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리2-에틸헥실 아크릴레이트, 폴리부틸 메타크릴레이트, 폴리2-에틸헥실메타크릴레이트, 폴리데실아크릴레이트 및 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리이미드, 폴리아민, 폴리아미드, 폴리(C1-C20 알킬카보네이트), 폴리니트릴, 폴리포스파진(polyphosphazines), 폴리올레핀, 폴리디엔(polydienes), 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리이소부틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.제1 고분자 블록은 블록 공중합체의 기계적 물성과 관련된 영역이며. 제2고분자 블록은 블록 공중합체의 이온 전도도, 강도, 및/또는 연성과 관련된 영역이다. The second polymer block is polyethylene oxide, polypropylene oxide, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polydimethylsiloxane, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, poly 2-ethyl Hexyl acrylate, polybutyl methacrylate, poly2-ethylhexyl methacrylate, polydecyl acrylate and polyethylene vinyl acetate, polyimide, polyamine, polyamide, poly(C1-C20 alkylcarbonate), polynitrile, polyphosphide. It may be one or more selected from the group consisting of polyphosphazines, polyolefins, polydienes, polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyurethane, polyethylene, polybutylene, polyisobutylene, and polypropylene. First The polymer block is the region related to the mechanical properties of block copolymers. The second polymer block is the region associated with the ionic conductivity, strength, and/or ductility of the block copolymer.

블록 공중합체는 i)구조 도메인; 및 ii)이온 전도성 도메인, 고무상 도메인 및 하드 도메인중 에서 선택된 하나 이상을 포함하는 블록 공중합체일 수 있다. 이러한 블록 공중합체는 강도 및 유연성이 우수하여 리튬 금속 음극 표면상에 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 물리적으로 억제하는 기능이 매우 우수하다. 본 명세서에서 “구조 도메인”은 블록 공중합체의 기계적 물성과 관련된 영역이다. 그리고 본 명세서에서 “이온 전도성 도메인”은 블록 공중합체의 이온 전도도와 관련된 영역이고, “하드 도메인”은 블록 공중합체가 높은 기계적 강도를 나타내는 데 기여하는 영역으로서 소수성 및 결정성을 갖고 있고, 액체 전해질을 담지할 수 있어 보호막이 분리막 특성을 보유하게 된다. 그리고 “고무상 도메인”은 블록 공중합체의 우수한 강도, 연성 및 탄성을 동시에 확보하고 카보네이트계 유기용매를 함유하는 액체 전해질에 대한 안정성이 매우 우수하다. The block copolymer has i) a structural domain; and ii) a block copolymer containing one or more selected from the group consisting of an ion conductive domain, a rubber domain, and a hard domain. This block copolymer has excellent strength and flexibility, and has an excellent ability to physically inhibit the growth of lithium dendrites on the surface of the lithium metal anode. In this specification, “structural domain” is a region related to the mechanical properties of a block copolymer. And in this specification, the “ion conductive domain” is a region related to the ionic conductivity of the block copolymer, and the “hard domain” is a region that contributes to the block copolymer exhibiting high mechanical strength, has hydrophobicity and crystallinity, and is a liquid electrolyte. It can support the protective film and retains the characteristics of a separator. And the “rubber domain” simultaneously secures the excellent strength, ductility, and elasticity of the block copolymer and has excellent stability against liquid electrolytes containing carbonate-based organic solvents.

상기 블록 공중합체에서 구조 도메인은 블록 공중합체의 제1고분자 블록을 포함하며, 이온 전도성 도메인, 고무상 도메인 및 하드 도메인 중에서 선택된 하나 이상은 상기 블록 공중합체의 i)이온 전도성 블록, ii) 고무상 블록 및 iii)하드 블록 중에서 선택된 하나 이상의 제2고분자 블록을 포함한다. 그리고 상기 제1고분자 블록은 복수개의 구조 반복단위를 포함하며, 상기 제2고분자 블록은 복수개의 이온 전도성 반복단위, 복수개의 고무상 반복단위 및 복수개의 올레핀계 반복단위 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다. 상기 이온 전도성 블록은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리2-에틸헥실 아크릴레이트, 폴리부틸 메타크릴레이트, 폴리2-에틸헥실메타크릴레이트, 폴리데실아크릴레이트 및 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리이미드, 폴리아민, 폴리아미드, 폴리(C1-C20 알킬카보네이트), 폴리니트릴, 및 폴리포스파진(polyphosphazines)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. In the block copolymer, the structural domain includes a first polymer block of the block copolymer, and at least one selected from an ion conductive domain, a rubber domain, and a hard domain is i) an ion conductive block, and ii) a rubber phase of the block copolymer. block and iii) one or more second polymer blocks selected from hard blocks. And the first polymer block includes a plurality of structural repeating units, and the second polymer block includes one or more selected from a plurality of ion conductive repeating units, a plurality of rubber-like repeating units, and a plurality of olefinic repeating units. The ion conductive block is polyethylene oxide, polypropylene oxide, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polydimethylsiloxane, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, poly 2-ethyl Hexyl acrylate, polybutyl methacrylate, poly2-ethylhexyl methacrylate, polydecyl acrylate and polyethylene vinyl acetate, polyimide, polyamine, polyamide, poly(C1-C20 alkylcarbonate), polynitrile, and poly It may be one or more selected from the group consisting of phosphazines.

일구현예에 따른 블록 공중합체에서 고무상 블록은 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리이소부틸렌 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, 하드 블록은 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리이소부틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.In the block copolymer according to one embodiment, the rubber block is at least one selected from the group consisting of polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyisobutylene, and polyurethane, and the hard block is polyethylene, polybutylene, and polyisobutyl. It is at least one selected from the group consisting of lene and polypropylene.

일구현예에 따른 블록 공중합체의 제1 고분자 블록의 중량평균분자량은 10,000 Daltons 이상이고, 예를 들어 10,000 내지 500,000 Daltons, 구체적으로 15,000 내지 400,000 Daltons이다. 그리고 제2 고분자 블록의 중량평균분자량은 10,000 Daltons 이상이고, 예를 들어 10,000 내지 500,000 Daltons, 구체적으로 15,000 내지 400,000 Daltons이다. 이러한 중량 평균분자량을 갖는 제1고분자 블록 및 제2고분자 블록을 함유한 블록 공중합체를 이용하면 연성, 탄성 및 강도가 우수한 보호막을 얻을 수 있다.The weight average molecular weight of the first polymer block of the block copolymer according to one embodiment is 10,000 Daltons or more, for example, 10,000 to 500,000 Daltons, specifically 15,000 to 400,000 Daltons. And the weight average molecular weight of the second polymer block is 10,000 Daltons or more, for example, 10,000 to 500,000 Daltons, specifically 15,000 to 400,000 Daltons. By using a block copolymer containing a first polymer block and a second polymer block having such a weight average molecular weight, a protective film with excellent ductility, elasticity, and strength can be obtained.

블록 공중합체에서 제1 고분자 블록의 함량은 블록 공중합체의 총 중량 100 중량부를 기준으로 하여 20 내지 50 중량부, 예를 들어 22 내지 30 중량부, 구체적으로 25 내지 30 중량부이다. 이러한 제1고분자 블록을 이용하면 강도와 같은 기계적 물성이 우수한 보호막을 얻을 수 있다. The content of the first polymer block in the block copolymer is 20 to 50 parts by weight, for example, 22 to 30 parts by weight, specifically 25 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the block copolymer. Using this first polymer block, a protective film with excellent mechanical properties such as strength can be obtained.

일구현예에 따른 블록 공중합체는 이중블록 공중합체(A-B) 및 트리블록 공중합체(A-B-A' 또는 B-A-B’) 중에서 선택된 하나 이상이고, 상기 블록 A 및 A'는 구조 도메인을 구성하는 복수개의 제1고분자 블록이고, 블록 B 및 B’은 제2고분자 블록이다.The block copolymer according to one embodiment is at least one selected from a diblock copolymer (A-B) and a triblock copolymer (A-B-A' or B-A-B'), and the blocks A and A' are a plurality of blocks constituting the structural domain. It is the first polymer block, and blocks B and B' are the second polymer blocks.

보호막안에 함유된 고분자가 블록 공중합체인 경우, 예를 들어 i)폴리스티렌 제1블록과 ii)폴리이소프렌, 폴리부타디엔 중에서 선택된 하나 이상의 제2블록을 포함하는 블록 공중합체, i)폴리스티렌 제1블록과 ii)폴리이소프렌, 폴리부타디엔 중에서 선택된 하나 이상의 제2블록과 iii)폴리스티렌 제3블록을 포함하는 블록 공중합체; i)폴리스티렌 및 폴리메틸메타크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상의 제1블록과 ii)폴리에틸렌 및 폴리부틸렌중에서 선택된 하나 이상의 제2블록을 포함하는 블록 공중합체, i)폴리스티렌 및 폴리메틸메타크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상의 제1블록과 ii)폴리에틸렌 및 폴리부틸렌중에서 선택된 하나 이상의 제2블록과 iii)폴리스티렌 및 폴리메틸메타크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상의 제3블록을 포함하는 블록 공중합체; i)폴리스티렌 제1블록과 ii)(폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 및 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 중에서 선택된 하나의 반응 생성물과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 제2블록)을 함유하는 블록 공중합체; i) 폴리스티렌 제1블록과 ii)(폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 및 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 중에서 선택된 하나의 반응 생성물과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 제2블록)과 iii)폴리스티렌 제3블록을 함유하는 블록 공중합체; i)폴리스티렌 제1블록과 ii)(트리메틸올프로판 트리아크릴레이트와 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 중에서 선택된 하나의 반응 생성물과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 제2블록)을 함유하는 블록 공중합체; i)폴리스티렌 제1블록과 ii)(트리메틸올프로판 트리아크릴레이트와 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 중에서 선택된 하나의 반응 생성물과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 제2블록)과 iii)폴리스티렌 제3블록을 함유하는 블록 공중합체; i)폴리스티렌 제1블록과 ii)(폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 및 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 중에서 선택된 하나와 아크릴기를 갖는 POSS(polyhedral oligomeric silsesquioxane)의 반응 생성물과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 제2블록)을 함유하는 블록 공중합체;i)폴리스티렌 제1블록과 ii)(폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 및 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 중에서 선택된 하나와 아크릴기를 갖는 POSS의 반응 생성물과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 제2블록)과 iii)폴리스티렌 제3블록을 함유하는 블록 공중합체; i)폴리스티렌 제1블록과 ii)(트리메틸올프로판 트리아크릴레이트와 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 중에서 선택된 하나와 아크릴기를 갖는 POSS의 반응 생성물과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 제2블록)을 함유하는 블록 공중합체; 또는 i)폴리스티렌 제1블록과 ii)(트리메틸올프로판 트리아크릴레이트와 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 중에서 선택된 하나와 아크릴기를 갖는 POSS의 반응 생성물과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 제2블록)과 iii)폴리스티렌 제3블록을 함유하는 블록 공중합체;를 포함한다.When the polymer contained in the protective film is a block copolymer, for example, i) a first block of polystyrene and ii) a block copolymer containing at least one second block selected from polyisoprene and polybutadiene, i) a first block of polystyrene and ii) ) a block copolymer comprising at least one second block selected from polyisoprene and polybutadiene and iii) a third block of polystyrene; i) a block copolymer comprising at least one first block selected from polystyrene and polymethyl methacrylate and ii) at least one second block selected from polyethylene and polybutylene, i) one selected from polystyrene and polymethyl methacrylate A block copolymer comprising the above first block, ii) at least one second block selected from polyethylene and polybutylene, and iii) at least one third block selected from polystyrene and polymethyl methacrylate; A block copolymer containing i) a first polystyrene block and ii) (a second block containing polyethylene oxide and a reaction product selected from polyethylene glycol diacrylate and polyethylene glycol dimethacrylate); A block containing i) a first block of polystyrene, ii) (a second block comprising polyethylene oxide and a reaction product selected from polyethylene glycol diacrylate and polyethylene glycol dimethacrylate) and iii) a third block of polystyrene. coalescence; A block copolymer containing i) a first block of polystyrene and ii) (a second block containing polyethylene oxide and a reaction product selected from trimethylolpropane triacrylate and trimethylolpropane trimethacrylate); Containing i) a first polystyrene block and ii) (a second block containing polyethylene oxide and a reaction product selected from trimethylolpropane triacrylate and trimethylolpropane trimethacrylate) and iii) a third polystyrene block. block copolymer; Contains i) a first polystyrene block and ii) (a second block containing polyethylene oxide and a reaction product of one selected from polyethylene glycol diacrylate and polyethylene glycol dimethacrylate and POSS (polyhedral oligomeric silsesquioxane) having an acrylic group) A block copolymer comprising: i) a first polystyrene block and ii) (a second block containing a reaction product of one selected from polyethylene glycol diacrylate and polyethylene glycol dimethacrylate with POSS having an acrylic group and polyethylene oxide) and iii) ) Block copolymer containing polystyrene third block; A block containing i) a first block of polystyrene and ii) (a second block containing a reaction product of one selected from trimethylolpropane triacrylate and trimethylolpropane trimethacrylate with POSS having an acrylic group and polyethylene oxide). coalescence; or i) a first polystyrene block and ii) (a second block containing a reaction product of one selected from trimethylolpropane triacrylate and trimethylolpropane trimethacrylate with POSS having an acrylic group and polyethylene oxide) and iii) polystyrene. It includes a block copolymer containing a third block.

상술한 제1블록, 제2블록 및 제3블록을 포함하는 블록 공중합체에서 제1블록 및 제3블록의 총함량은 블록 공중합체의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 20 내지 35 중량부, 예를 들어 22 내지 30 중량부, 구체적으로 25 내지 30 중량부이고, 제2블록의 함량은 블록 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 65 내지 80 중량부, 예를 들어 70 내지 78 중량부, 구체적으로 72 내지 75 중량부이다. 상술한 블록 공중합체에서 제1고분자 블록와 제2 고분자 블록의 혼합 중량비는 1:1 내지 1:9, 예를 들어 1:1 내지 1:7, 구체적으로 1:1 내지 1:4이다. 상기 혼합비가 상기 범위일 때 보호막의 연성 및 인장탄성율이 저하됨이 없이 보호막의 기계적 물성이 우수하고 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다.In the block copolymer containing the above-described first block, second block, and third block, the total content of the first block and third block is 20 to 35 parts by weight, for example, based on 100 parts by weight of the total weight of the block copolymer. For example, 22 to 30 parts by weight, specifically 25 to 30 parts by weight, and the content of the second block is 65 to 80 parts by weight, for example, 70 to 78 parts by weight, specifically 72 to 72 parts by weight, based on 100 parts by weight of the block copolymer. It is 75 parts by weight. In the above-described block copolymer, the mixing weight ratio of the first polymer block and the second polymer block is 1:1 to 1:9, for example, 1:1 to 1:7, specifically 1:1 to 1:4. When the mixing ratio is in the above range, the mechanical properties of the protective film are excellent without deteriorating the ductility and tensile modulus of the protective film, and lithium dendrite growth can be effectively suppressed.

다른 일구현예에 의하면, 블록 공중합체는 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 중에서 선택된 하나 이상의 제1블록과 폴리이소프렌, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌 중에서 선택된 하나 이상의 제2블록을 포함한다.According to another embodiment, the block copolymer includes one or more first blocks selected from polystyrene, polymethyl methacrylate, and polyacrylonitrile, and one or more second blocks selected from polyisoprene, polyethylene, and polybutylene.

또 다른 일구현예에 의하면, 블록 공중합체는 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 중에서 선택된 하나 이상의 제1블록과 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리실록산 중에서 하나 이상의 제2블록을 포함한다.According to another embodiment, the block copolymer includes at least one first block selected from polystyrene, polymethyl methacrylate, and polyacrylonitrile, and at least one second block selected from polyethylene oxide and polysiloxane.

블록 공중합체는 예를 들어, 폴리스티렌-b-폴리이소프렌-폴리스티렌 블록 공중합체 등이 있다.Block copolymers include, for example, polystyrene-b-polyisoprene-polystyrene block copolymers.

일구현예에 따른 보호막에 함유된 블록 공중합체의 중량평균분자량은 1만 내지 50만 달톤 범위일 수 있다.The weight average molecular weight of the block copolymer contained in the protective film according to one embodiment may range from 10,000 to 500,000 daltons.

일구현예에 따른 리튬금속전지에서 액체 전해질은 리튬염과 유기용매를 함유한다. 여기에서 유기용매는 카보네이트계 화합물, 글라임계 화합물, 디옥소란계 화합물 등이 있다. 카보네이트계 화합물은 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 또는 에틸메틸 카보네이트가 있다. 상기 글라임계 화합물은 폴리(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르, 테트라(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르, 트리(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르, 폴리(에틸렌 글리콜) 디라우레이트, 폴리(에틸렌 글리콜) 모노아크릴레이트 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트로부터 선택된 1종 이상이 있다.In a lithium metal battery according to one embodiment, the liquid electrolyte contains lithium salt and an organic solvent. Here, the organic solvent includes carbonate-based compounds, glyme-based compounds, and dioxolane-based compounds. Carbonate-based compounds include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, fluoroethylene carbonate, diethyl carbonate, or ethylmethyl carbonate. The glyme-based compounds include poly(ethylene glycol) dimethyl ether, tetra(ethylene glycol) dimethyl ether, tri(ethylene glycol) dimethyl ether, poly(ethylene glycol) dilaurate, poly(ethylene glycol) monoacrylate, and poly(ethylene). There is at least one type selected from glycol) diacrylate.

디옥소란계 화합물의 예로는 3-디옥소란, 4,5-디에틸-디옥소란, 4,5-디메틸-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥소란 및 4-에틸-1,3-디옥소란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 있다. 상기 유기용매는 예를 들어 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 1,2-디메톡시에탄(DME), 1,2-디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, 감마부티로락톤, 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(1,1,2,2-Tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether) 중에서 선택된 하나 이상이 있다.Examples of dioxolane compounds include 3-dioxolane, 4,5-diethyl-dioxolane, 4,5-dimethyl-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, and 4-ethyl There is at least one selected from the group consisting of -1,3-dioxolane. The organic solvent is, for example, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, gammabutyrolactone, and 1 ,1,2,2-Tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (1,1,2,2-Tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl There is one or more selected from ether).

액체 전해질의 유기용매는 예를 들어 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시에탄, 디메틸렌글리콜디메틸에테르, 트리메틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜디메틸에테르, 숙시노니트릴, 술포레인, 디메틸술폰, 에틸메틸술폰, 디에틸술폰, 아디포나이트릴, 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다. 일구현예에 따른 보호막안에 함유된 고분자는 상술한 유기용매에 불용성이다. Organic solvents of the liquid electrolyte include, for example, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, fluoroethylene carbonate, 1,2-dimethoxy ethane, 1,2-diethoxyethane, dimethylene glycol dimethyl ether, Trimethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, succinonitrile, sulfolane, dimethyl sulfone, ethyl methyl sulfone, diethyl sulfone, adiponitrile, and 1, It includes one or more selected from 1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether. The polymer contained in the protective film according to one embodiment is insoluble in the above-mentioned organic solvent.

리튬염은 예를 들어 LiSCN, LiN(CN)2, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiPF6, LiCF3SO3, LiC(CF3SO2)3, LiN(SO2C2F5)2, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2F)2, LiAlO2, LiAlCl4, LiCl, LiI, LiSbF6, LiPF3(CF2CF3)3, LiPF3(CF3)3, 및 LiB(C2O4)2 중에서 선택된 하나 이상을 들 수 있다. 액체 전해질에서 리튬염의 함량은 예를 들어 0.01 내지 2.0M일 수 있다. Lithium salts are for example LiSCN, LiN(CN) 2 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , LiN(SO 2 F) 2 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiCl, LiI, LiSbF 6 , LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 , and One or more selected from LiB(C 2 O 4 ) 2 may be mentioned. The content of lithium salt in the liquid electrolyte may be, for example, 0.01 to 2.0 M.

상기 보호막은 무기 입자, 이온성 액체, 고분자 이온성 액체 및 올리고머 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다. The protective film may further include one or more selected from inorganic particles, ionic liquid, polymer ionic liquid, and oligomer.

보호막은 리튬염을 더 포함할 수 있다. 리튬염의 함량은 보호막의 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 70 중량부, 예를 들어 15 내지 60 중량부, 구체적으로 20 내지 50 중량부이다. 리튬염의 함량이 상기 범위일 때 보호막의 이온전도도가 매우 우수하다.The protective film may further include a lithium salt. The content of the lithium salt is 10 to 70 parts by weight, for example, 15 to 60 parts by weight, specifically 20 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer of the protective film. When the lithium salt content is within the above range, the ionic conductivity of the protective film is very excellent.

일구현예에 따른 보호막의 연신율(elongation)은 25℃에서 500% 이상, 예를 들어 600% 이상, 구체적으로 1000 내지 1500%이다. 이러한 연신율을 충족하는 보호막은 연성이 우수하여 리튬 금속 표면에서 덴드라이트가 성장하는 것을 억제할 수 있고 리튬 금속 음극의 부피 변화를 효율적으로 억제할 수 있다. The elongation of the protective film according to one embodiment is 500% or more, for example, 600% or more, specifically 1000 to 1500% at 25°C. A protective film that satisfies this elongation has excellent ductility and can suppress the growth of dendrites on the surface of lithium metal and efficiently suppress changes in the volume of the lithium metal anode.

무기입자로는 SiO2, 케이지 구조의 실세스퀴옥산, TiO2, ZnO, Al2O3, BaTiO3, 및 금속-유기 골격 구조체(Metal-Orgainc Framework: MOF)로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 이와 같이 무기 입자를 더 포함하면 기계적 물성이 개선된 보호막을 제조할 수 있다. 무기 입자의 평균 입경은 1㎛ 이하, 예를 들어 1 내지 500nm, 구체적으로 1 내지 100nm 이하일 수 있다. 예를 들어, 무기입자의 입경은 1nm 내지 100nm, 예를 들어, 10nm 내지 100nm, 구체적으로 30nm 내지 70nm일 수 있다. 무기 입자의 입경이 상기 범위일 때 이온 전도도 저하 없이 성막성이 우수하고 기계적 물성이 우수한 보호막을 제조할 수 있다.As inorganic particles, one or more types selected from SiO 2 , cage-structured silsesquioxane, TiO 2 , ZnO, Al 2 O 3 , BaTiO 3 , and metal-organic framework (MOF) can be used. there is. In this way, by further including inorganic particles, a protective film with improved mechanical properties can be manufactured. The average particle diameter of the inorganic particles may be 1 μm or less, for example, 1 to 500 nm, specifically 1 to 100 nm or less. For example, the particle size of the inorganic particles may be 1 nm to 100 nm, for example, 10 nm to 100 nm, specifically 30 nm to 70 nm. When the particle size of the inorganic particles is within the above range, a protective film with excellent film forming properties and excellent mechanical properties can be manufactured without reducing ionic conductivity.

상기 케이지 구조의 실세스퀴옥산은 예를 들어 폴리헤드랄 올리고메릭 실세스퀴옥산(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane: POSS)일 수 있다. 이러한 POSS에서 존재하는 실리콘은 8개 이하, 예를 들어 6개 또는 8개로 존재한다. 케이지 구조의 실세스퀴옥산은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The cage-structured silsesquioxane may be, for example, polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS). In this POSS, there are no more than 8 pieces of silicon, for example, 6 or 8 pieces. Cage-structured silsesquioxane may be a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

SikO1 .5k (R1)a(R2)b(R3)c Si k O 1.5k (R 1 ) a (R 2 ) b ( R 3 ) c

상기 화학식 1 중 R1, R2, 및 R3 은 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알콕시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 C4-C30의 탄소고리기, 또는 실리콘 함유 작용기일 수 있다.In Formula 1 above, R 1 , R 2 , and R 3 are independently hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkoxy group, or a substituted or unsubstituted C2-C30 alkyl group. Alkenyl group, substituted or unsubstituted C2-C30 alkynyl group, substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, substituted or unsubstituted C6-C30 aryloxy group, substituted or unsubstituted C2 It may be a -C30 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted C4-C30 carbon ring group, or a silicon-containing functional group.

상기 화학식 1 중, 0<a<20, 0<b<20, 0<c<20, k=a+b+c이고,단 a, b 및 c가 6≤k≤20 범위가 되도록 선택된다.In Formula 1, 0<a<20, 0<b<20, 0<c<20, k=a+b+c, provided that a, b, and c are selected to be in the range of 6≤k≤20.

케이지 구조의 실세스퀴옥산은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다. Cage-structured silsesquioxane may be a compound represented by Formula 2 below or a compound represented by Formula 3 below.

[화학식 2] [Formula 2]

상기 화학식 2 중, R1-R8는 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알콕시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 C4-C30의 탄소고리기, 또는 실리콘 함유 작용기 일 수 있다.In Formula 2, R 1- R 8 are independently hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkoxy group, or a substituted or unsubstituted C2-C30 alkenyl group, substituted or unsubstituted C2-C30 alkynyl group, substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, substituted or unsubstituted C6-C30 aryloxy group, substituted or unsubstituted It may be a C2-C30 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted C4-C30 carbon ring group, or a silicon-containing functional group.

[화학식 3] [Formula 3]

상기 화학식 3 중, R1-R6는 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알콕시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 C4-C30의 탄소고리기, 또는 실리콘 함유 작용기 일 수 있다.In Formula 3, R 1 -R 6 are independently hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkoxy group, or a substituted or unsubstituted C2-C30 alkenyl group, substituted or unsubstituted C2-C30 alkynyl group, substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, substituted or unsubstituted C6-C30 aryloxy group, substituted or unsubstituted It may be a C2-C30 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted C4-C30 carbon ring group, or a silicon-containing functional group.

일구현예에 의하면, 상기 화학식 2의 R1-R8 및 화학식 3의 R1-R6은 이소부틸기이다. 예를 들어 케이지 구조의 실세스퀴옥산은 예를 들어 옥타이소부틸-t8-실세스퀴옥산일 수 있다.According to one embodiment, R 1- R 8 in Formula 2 and R 1- R 6 in Formula 3 are isobutyl groups. For example, the cage-structured silsesquioxane may be, for example, octisobutyl-t8-silsesquioxane.

보호막에 무기입자가 함유되는 경우 무기입자의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 40 중량부, 예를 들어 3 내지 30 중량부, 구체적으로 5 내지 20 중량부이다. 무기 입자의 함량이 상기 범위일 때 기계적 물성과 이온 전도도가 우수한 보호막을 제조할 수 있다.When the protective film contains inorganic particles, the content of the inorganic particles is 1 to 40 parts by weight, for example, 3 to 30 parts by weight, specifically 5 to 20 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer. When the content of inorganic particles is within the above range, a protective film with excellent mechanical properties and ionic conductivity can be manufactured.

금속-유기 골격 구조체는 2족 내지 15족의 금속 이온 또는 2족 내지 15족의 금속 이온 클러스터가 유기 리간드와 화학결합으로 형성된 다공성 결정성 화합물이다. 유기 리간드는 배위 결합, 이온결합 또는 공유결합과 같은 화학결합이 가능한 유기 그룹을 의미하며, 예를 들어 상술한 금속 이온과 결합할 수 있는 사이트가 2개 이상인 유기 그룹인 것이 금속 이온과 결합하여 안정적인 구조체를 형성할 수 있다.The metal-organic framework structure is a porous crystalline compound formed by chemical bonds between group 2 to 15 metal ions or group 2 to 15 metal ion clusters with organic ligands. Organic ligand refers to an organic group capable of chemical bonding such as a coordination bond, ionic bond, or covalent bond. For example, an organic group that has two or more sites that can bind to the metal ion described above is stable by combining with a metal ion. A structure can be formed.

상기 2족 내지 15족 금속 이온은 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 오스듐(Os), 카드뮴(Cd), 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 스트론듐(Sr), 철(Fe), 망간(Mn), 크롬(Cr), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 하프늄(Hf), Nb, 탄탈륨(Ta), Re, 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 인듐(In), 탈륨(Tl), 실리콘(Si), Ge, 주석(Sn), 납(Pb), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi) 중에서 선택된 하나 이상이고, 상기 유기 리간드는 방향족 디카르복실산, 방향족 트리카르복실산, 이미다졸계 화합물, 테트라졸계, 1,2,3-트리아졸, 1,2,4-트리아졸, 피라졸, 방향족 술폰산(sulfonic acid), 방향족 인산(phosphoric acid), 방향족 술핀산(sulfinic acid), 방향족 포스핀산(phosphinic acid), 비피리딘, 아미노기, 이미노기, 아미드기, 디티오카르복실산기(-CS2H), 디티오카르복실레이트 (-CS2 -), 피리딘기, 피라진기 중에서 선택된 하나 이상의 작용기를 갖는 화합물 중에서 선택된 하나 이상에서 유래된 그룹이다. The Group 2 to Group 15 metal ions include cobalt (Co), nickel (Ni), molybdenum (Mo), tungsten (W), ruthenium (Ru), osmium (Os), cadmium (Cd), beryllium (Be), Calcium (Ca), Barium (Ba), Strondium (Sr), Iron (Fe), Manganese (Mn), Chromium (Cr), Vanadium (V), Aluminum (Al), Titanium (Ti), Zirconium (Zr) ), copper (Cu), zinc (Zn), magnesium (Mg), hafnium (Hf), Nb, tantalum (Ta), Re, rhodium (Rh), iridium (Ir), palladium (Pd), platinum (Pt) , silver (Ag), scandium (Sc), yttrium (Y), indium (In), thallium (Tl), silicon (Si), Ge, tin (Sn), lead (Pb), arsenic (As), antimony ( Sb), at least one selected from bismuth (Bi), and the organic ligand is aromatic dicarboxylic acid, aromatic tricarboxylic acid, imidazole-based compound, tetrazole-based compound, 1,2,3-triazole, 1,2, 4-triazole, pyrazole, aromatic sulfonic acid, aromatic phosphoric acid, aromatic sulfinic acid, aromatic phosphinic acid, bipyridine, amino group, imino group, amide group, dithi It is a group derived from one or more compounds having one or more functional groups selected from the group consisting of ocarboxylic acid group (-CS 2 H), dithiocarboxylate (-CS 2 - ), pyridine group, and pyrazine group.

상술한 방향족 디카르복실산 또는 방향족 트리카르복실산으로는 벤젠디카르복실산, 벤젠트리카르복실산, 비페닐디카르복실산, 터페닐디카르복실산 등을 들 수 있다.Examples of the above-mentioned aromatic dicarboxylic acid or aromatic tricarboxylic acid include benzenedicarboxylic acid, benzenedicarboxylic acid, biphenyldicarboxylic acid, and terphenyldicarboxylic acid.

상술한 유기 리간드는 구체적으로 하기 화학식 4로 표시되는 화합물로부터 유래된 그룹일 수 있다.The above-mentioned organic ligand may be a group derived from a compound specifically represented by the following formula (4).

[화학식 4][Formula 4]

금속-유기 골격 구조체는 예를 들어 Ti8O8(OH)4[O2C-C6H4-CO2]6, Cu (bpy)(H2O) 2(BF4)2(bpy){bpy= 4, 4'-bipyridine}, Zn4O(O2C-C6H4-CO2)3 (Zn-terephthalic acid-MOF, Zn-MOF) 또는 Al(OH){O2C-C6H4-CO2}을 들 수 있다.Metal-organic framework structures are, for example, Ti 8 O 8 (OH) 4 [O 2 CC 6 H 4 -CO 2 ] 6, Cu (bpy)(H 2 O) 2 (BF 4 ) 2 (bpy){bpy = 4, 4'-bipyridine}, Zn 4 O(O 2 CC 6 H 4 -CO 2 ) 3 (Zn-terephthalic acid-MOF, Zn-MOF) or Al(OH){O 2 CC 6 H 4 -CO 2 } can be mentioned.

상기 이온성 액체는 상온 이하의 융점을 갖고 있고 이온만으로 구성되는 상온에서 액체 상태의 염 또는 상온 용융염을 말한다. 이온성 액체는 i)암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸리움(triazolium)계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과, ii) BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, HSO4 -, ClO4 -, CH3SO3 -, CF3CO2 -, Cl-, Br-, I-, SO4 2-, CF3SO3 -, (FSO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, 및 (CF3SO2)2N- 중에서 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하는 화합물 중에서 선택된 하나이다.The ionic liquid refers to a salt in a liquid state at room temperature or a room temperature molten salt that has a melting point below room temperature and consists only of ions. Ionic liquids include i) ammonium-based, pyrrolidinium-based, pyridinium-based, pyrimidinium-based, imidazolium-based, piperidinium-based, pyrazolium-based, oxazolium-based, pyridazinium-based, phosphonium-based, sulfonium-based, and triazolium-based At least one cation selected from the triazolium system and mixtures thereof, ii) BF 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , SbF 6 - , AlCl 4 - , HSO 4 - , ClO 4 - , CH 3 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , Cl - , Br - , I - , SO 4 2- , CF 3 SO 3 - , (FSO 2 ) 2 N - , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N - , (C 2 F 5 SO 2 )(CF 3 SO 2 )N - , and (CF 3 SO 2 ) 2 N - It is one selected from compounds containing one or more anions selected from among.

무기 입자는 다양한 형태를 가질 수 있다. 무기 입자는 예를 들어 구형, 타원형,큐빅형, 입방체형(cubical shape), 사면체형(tetrahedral shape), 피라미드형(pyramidal shape), 8면체형(octahedral shape), 원통형(cylindrical shape), 다각형 기둥형(polygonal pillar-like shape), 원뿔(conical shape), 원주형(columnar shape), 관형(tubular shape), 나선형(helical shape), 깔대기형(funnel shape), 덴드라이트형(dendrite shape), 그 밖의 여러가지 다양한 일반적인 규칙적 형상(various common regular shape) 또는 불규칙적인 형상(irregular shapes)을 가질 수 있다.Inorganic particles can have various forms. Inorganic particles may have, for example, spherical, oval, cubic, cubic, tetrahedral, pyramidal, octahedral, cylindrical, or polygonal shapes. polygonal pillar-like shape, conical shape, columnar shape, tubular shape, helical shape, funnel shape, dendrite shape, etc. It can have a variety of common regular shapes or irregular shapes.

이온성 액체는 예를 들어 N-메틸-N-프로필피롤리디움 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), N-부틸-N-메틸피롤리디움 비스(3-트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 이온성 액체의 함량은 보호막에 함유된 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 40 중량부, 예를 들어 7 내지 30 중량부, 구체적으로 10 내지 20 중량부이다. 이온성 액체의 함량이 상기 범위일 때 이온 전도도 및 기계적 물성이 우수한 보호막을 얻을 수 있다.Ionic liquids include, for example, N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, N-butyl-N-methyl Pyrrolidium bis(3-trifluoromethylsulfonyl)imide, 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and 1-ethyl-3-methylimidazolium bis. It is at least one selected from the group consisting of (trifluoromethylsulfonyl)imide. The content of the ionic liquid is 5 to 40 parts by weight, for example, 7 to 30 parts by weight, specifically 10 to 20 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer contained in the protective film. When the content of the ionic liquid is within the above range, a protective film with excellent ionic conductivity and mechanical properties can be obtained.

보호막이 이온성 액체와 리튬염을 함유하는 경우, 이온성 액체(IL)/리튬 이온(Li)의 몰비(IL/Li)는 0.1 내지 2.0, 예를 들어 0.2 내지 1.8, 구체적으로 0.4 내지 1.5일 수 있다. 이러한 몰비를 갖는 보호막은 리튬 이온 이동도 및 이온 전도도가 우수할 뿐만 아니라 기계적 물성이 우수하여 리튬 금속 음극 표면에 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다.When the protective film contains an ionic liquid and a lithium salt, the molar ratio of ionic liquid (IL)/lithium ion (Li) (IL/Li) is 0.1 to 2.0, for example 0.2 to 1.8, specifically 0.4 to 1.5 days. You can. A protective film having such a molar ratio not only has excellent lithium ion mobility and ion conductivity, but also has excellent mechanical properties and can effectively suppress lithium dendrite growth on the surface of the lithium metal anode.

고분자 이온성 액체는 이온성 액체 모노머를 중합하여 얻은 것을 사용하는 것도 가능하고 고분자형으로 얻어진 화합물을 이용할 수 있다. 이러한 고분자 이온성 액체는 유기용매에 대한 용해성이 높고 전해질에 부가하면 이온 전도도를 더 개선할 수 있는 이점이 있다.The polymer ionic liquid can be obtained by polymerizing ionic liquid monomers, or a compound obtained in polymer form can be used. These polymer ionic liquids have high solubility in organic solvents and have the advantage of further improving ionic conductivity when added to electrolytes.

상술한 이온성 액체 모노머를 중합하여 고분자 이온성 액체를 얻는 경우에는 중합 반응이 완료된 결과물을 세척 및 건조과정을 거친 후 음이온 치환 반응을 통하여 유기용매에 대한 용해도를 부여할 수 있는 적절한 음이온을 갖도록 제조된다. When obtaining a high-molecular ionic liquid by polymerizing the above-mentioned ionic liquid monomer, the polymerization reaction product is washed and dried, and then manufactured to have an appropriate anion that can provide solubility in an organic solvent through an anion substitution reaction. do.

일구현예에 의한 고분자 이온성 액체는 i)암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸리움계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과, ii) BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, HSO4 -, ClO4 -, CH3SO3 -, CF3CO2 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, Cl-, Br-, I-, CF3SO3 -, (C2F5SO2)2N-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, NO3 -, Al2Cl7 -, (CF3SO2)3C-, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, SF5CF2SO3 -, SF5CHFCF2SO3 -, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO- 중에서 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 반복단위를 함유할 수 있다. The polymer ionic liquid according to one embodiment is i) ammonium-based, pyrrolidinium-based, pyridinium-based, pyrimidinium-based, imidazolium-based, piperidinium-based, pyrazolium-based, oxazolium-based, pyridazinium-based, phospho At least one cation selected from nium-based, sulfonium-based, triazolium-based and mixtures thereof, and ii) BF 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , SbF 6 - , AlCl 4 - , HSO 4 - , ClO 4 - , CH 3 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , Cl - , Br - , I - , CF 3 SO 3 - , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N - , (C 2 F 5 SO 2 )(CF 3 SO 2 )N - , NO 3 - , Al 2 Cl 7 - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , SF 5 CF 2 SO 3 - , SF 5 CHFCF 2 SO 3 - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (O(CF 3 ) 2 C 2 (CF 3 ) 2 O) 2 PO - It may contain a repeating unit containing one or more anions selected from among.

다른 일구현예에 따르면, 이온성 액체 모노머는 비닐기, 알릴기, 아크릴레이트기, 메타아크릴레이트기 등과 같이 중합가능한 관능기를 가지고 있으면서 암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸륨계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과 상술한 음이온을 가질 수 있다. According to another embodiment, the ionic liquid monomer has a polymerizable functional group such as a vinyl group, an allyl group, an acrylate group, a methacrylate group, etc., and an ammonium-based, pyrrolidinium-based, pyridinium-based, pyrimidinium-based, It may have one or more cations selected from imidazolium-based, piperidinium-based, pyrazolium-based, oxazolium-based, pyridazinium-based, phosphonium-based, sulfonium-based, triazolium-based and mixtures thereof, and the anions described above.

상기 이온성 액체 모노머의 예로는 1-비닐-3-에틸이미다졸리움 브로마이드, 하기 화학식 5 또는 6으로 표시되는 화합물이 있다.Examples of the ionic liquid monomer include 1-vinyl-3-ethylimidazolium bromide and compounds represented by the following formula (5) or (6).

[화학식 5][Formula 5]

[화학식 6][Formula 6]

상술한 고분자 이온성 액체의 예로는 하기 화학식 7로 표시되는 화합물 또는 화학식 8로 표시되는 화합물이 있다. Examples of the above-mentioned polymer ionic liquid include a compound represented by the following formula (7) or a compound represented by the formula (8).

[화학식 7][Formula 7]

상기 화학식 7 중, R1 및 R3는 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 C4-C30의 탄소고리기이다. 상기 화학식 10에서 R2는 단순히 화학결합을 나타내거나 C1-C3의 알킬렌기, C6-C30의 아릴렌기, C2-C30의 헤테로아릴렌기, 또는 C4-C30의 탄소고리기를 나타내고,In Formula 7, R 1 and R 3 are independently hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C2-C30 alkenyl group, or a substituted or unsubstituted C2-C30 An alkynyl group, a substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C2-C30 heteroaryl group, or a substituted or unsubstituted C4-C30 carbocyclic group. In Formula 10, R 2 simply represents a chemical bond or a C1-C3 alkylene group, a C6-C30 arylene group, a C2-C30 heteroarylene group, or a C4-C30 carbon ring group,

X-는 이온성 액체의 음이온을 나타내고, X - represents the anion of the ionic liquid,

n은 500 내지 2800이다.n is 500 to 2800.

[화학식 8][Formula 8]

상기 화학식 8 중 Y-는 화학식 7에서 X-와 동일하게 정의되며,In Formula 8, Y - is defined the same as X - in Formula 7,

n은 500 내지 2800이다. n is 500 to 2800.

화학식 8에서 Y-는 예를 들어 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(TFSI), 비스(플루오로술포닐)이미드, BF4, 또는 CF3SO3이다.Y - in Formula 8 is, for example, bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI), bis(fluorosulfonyl)imide, BF 4 , or CF 3 SO 3 .

고분자 이온성 액체는 예를 들어 폴리(1-비닐-3-알킬이미다졸리움)(여기서,알킬은 C1-C20 알킬기임), 폴리(1-알릴-3-알킬이미다졸리움), 폴리(1-메타크릴로일록시-3-알킬이미다졸리움)(poly(1-methacryloyloxy-3-alkylimidazolium) 중에서 선택된 양이온과, CH3COO-, CF3COO-, CH3SO3 -, CF3SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, (CF3SO2)3C-, (CF3CF2SO2)2N-, C4F9SO3 -, C3F7COO- 및 (CF3SO2)(CF3CO)N- 중에서 선택된 음이온을 포함한다.Polymeric ionic liquids include, for example, poly(1-vinyl-3-alkylimidazolium), where alkyl is a C1-C20 alkyl group, poly(1-allyl-3-alkylimidazolium), poly(1 - A cation selected from poly(1-methacryloyloxy-3-alkylimidazolium), CH 3 COO - , CF 3 COO - , CH 3 SO 3 - , CF 3 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - , C 4 F 9 SO 3 - , It includes an anion selected from C 3 F 7 COO - and (CF 3 SO 2 )(CF 3 CO)N - .

상기 화학식 8로 표시되는 화합물은 폴리디알릴디메틸암모늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 들 수 있다.The compound represented by Formula 8 includes polydiallyldimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.

또 다른 일구현예에 의하면, 고분자 이온성 액체는 저분자량 고분자, 열적으로 안정한 이온성 액체 및 리튬염을 포함할 수 있다. 저분자량 고분자는 에틸렌옥사이드 사슬을 가질 수 있다. 저분자량 고분자는 글라임일 수 있다. 여기에서 글라임은 예를 들어 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(폴리글라임), 테트라에틸렌글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르(트라이글라임)가 있다.According to another embodiment, the polymer ionic liquid may include a low molecular weight polymer, a thermally stable ionic liquid, and a lithium salt. Low molecular weight polymers may have ethylene oxide chains. Low molecular weight polymers may be glymes. Here, the glyme includes, for example, polyethylene glycol dimethyl ether (polyglyme), tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), and triethylene glycol dimethyl ether (triglyme).

저분자량 고분자의 중량평균분자량은 75 내지 2000, 예를 들어 250 내지 500이다. 그리고 열적으로 안정한 이온성 액체는 상술한 이온성 액체에서 정의된 바와 같다. The weight average molecular weight of the low molecular weight polymer is 75 to 2000, for example 250 to 500. And the thermally stable ionic liquid is as defined in the above-mentioned ionic liquid.

올리고머는 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디에틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 올리고머의 중량평균분자량은 200 내지 2,000이고, 상기 올리고머의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 50 중량부, 예를 들어 3 내지 30 중량부, 구체적으로 5 내지 25 중량부이다. 이와 같이 올리고머를 부가하는 경우 보호막의 성막성, 기계적 물성 및 이온 전도도 특성이 더 우수하다.The oligomer is at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol dimethyl ether and polyethylene glycol diethyl ether. The weight average molecular weight of the oligomer is 200 to 2,000, and the content of the oligomer is 5 to 50 parts by weight, for example, 3 to 30 parts by weight, specifically 5 to 25 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer. When oligomers are added in this way, the protective film has better film forming properties, mechanical properties, and ionic conductivity properties.

상기 보호막의 이온 전도도는 약 25℃에서 1 X 10-4S/cm 이상, 예를 들어 5×10-4 S/cm 이상, 구체적으로 1×10-3 S/cm 이상일 수 있다. 상기 보호막의 인장탄성율은 약 25℃에서 10 MPa 이상, 예를 들어 10 내지 80Mpa, 구체적으로 10 내지 50 MPa이다. 그리고 보호막의 연신율은 약 25℃에서 500% 이상, 예를 들어 600% 이상, 구체적으로 1200% 이상 또는 1300% 이다. 상기 보호막은 25℃에서도 전지 성능에 필요한 연성, 탄성과 같은 기계적 물성과 이온 전도도를 동시에 확보할 수 있다. 보호막의 연신율이 상기 범위일 때 리튬 금속 음극의 부피 변화를 억제하는 기능이 우수하다. 만약 보호막의 연신율이 상기 범위보다 작은 경우에는, 리튬 금속 음극 표면에 형성된 덴드라이트로 인해 공격을 받은 부분은 깨져서 쇼트(short)가 형성될 가능성이 높다. 일구현예에 따른 보호막은 상술한 인장탄성율과 연성을 보유함에 띠라 음극 부피 변화를 억제하고 이를 통하여 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다. The ionic conductivity of the protective film may be 1 The tensile modulus of the protective film is 10 MPa or more, for example, 10 to 80 MPa, specifically 10 to 50 MPa at about 25°C. And the elongation of the protective film is 500% or more, for example, 600% or more, specifically 1200% or more or 1300% at about 25°C. The protective film can simultaneously secure mechanical properties such as ductility and elasticity necessary for battery performance and ionic conductivity even at 25°C. When the elongation of the protective film is within the above range, the function of suppressing the volume change of the lithium metal anode is excellent. If the elongation of the protective film is less than the above range, there is a high possibility that the area attacked by the dendrites formed on the surface of the lithium metal anode will break and form a short. The protective film according to one embodiment has the above-described tensile modulus and ductility, thereby suppressing changes in cathode volume and thereby effectively suppressing dendrite growth.

일구현예에 따른 보호막은 25 ℃ 에서의 인장강도(tensile strength)가 2.0 The protective film according to one embodiment has a tensile strength of 2.0 at 25°C.

MPa 이상이다. 그리고 임피던스 측정에서 얻어지는 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)에서 도출되는 리튬 금속과 상기 보호막사이의 계면저항이 리튬금속 단독(bare lithium metal)에 비하여 25 ℃ 에서 10% 이상 감소한다. 이와 같이 일구현예에 따른 보호막을 사용하는 경우, 리튬 금속 단독인 경우에 비하여 계면저항이 감소되어 계면특성이 우수하다. 또한 보호막은 리튬 금속 대비 0.0 Volts(V) 내지 6.0V 의 전압 범위에서 산화전류(oxidation current) 또는 환원전류(reduction current)가 0.05 mA/cm2 이하이다. It is more than MPa. And the interfacial resistance between lithium metal and the protective film derived from the Nyquist plot obtained from impedance measurement decreases by more than 10% at 25 ° C. compared to bare lithium metal. In this way, when the protective film according to one embodiment is used, the interfacial resistance is reduced compared to the case of lithium metal alone, and the interfacial characteristics are excellent. Additionally, the protective film has an oxidation current or reduction current of 0.05 mA/cm 2 or less in a voltage range of 0.0 Volts (V) to 6.0 V compared to lithium metal.

일구현예에 따른 리튬금속전지에서는 리튬 금속 음극 표면에서의 리튬전착밀도는 0.2 내지 0.4grams per cubic centimeter (g/cc) , 예를 들어 0.26 내지 0.32g/cc이다.In a lithium metal battery according to one embodiment, the lithium deposition density on the surface of the lithium metal anode is 0.2 to 0.4 grams per cubic centimeter (g/cc), for example, 0.26 to 0.32 g/cc.

도 1 및 도 2는 일구현예에 따른 리튬금속전지의 구조를 나타낸 것이다.Figures 1 and 2 show the structure of a lithium metal battery according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 리튬 금속 음극 (10) 상부에 일구현예에 따른 보호막 (11)이 형성되어 있고, 상기 보호막 (11)과 양극 (13) 사이에는 액체 전해질 (12)이 배치된다. 보호막 (11)안에 함유된 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상 (14)을 함유하며, 이 물질은 액체 전해질 (12)의 유기용매에 불용성 특성을 갖는다. 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상 (14)은 도 1에 나타난 바와 같이 보호막 (11)에서 리튬 금속 음극 (10)에 인접된 영역에 존재할 수 있다. 다른 일구현예에 의하면, 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상 (14)은 보호막에 전체적으로 분포되며 그 함량은 리튬 금속 음극 (10)에 가까운 영역에 갈수록 증가할 수 있다. 도 1에서 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상 (14)은 리튬 금속 음극 (10)에 인접된 위치에 존재하는 것으로 나타나 있으나, 이러한 위치로만 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.Referring to FIG. 1, a protective film 11 according to one embodiment is formed on the lithium metal anode 10, and a liquid electrolyte 12 is disposed between the protective film 11 and the anode 13. It contains at least one (14) selected from a metal salt containing a Group 1 or Group 2 element contained in the protective film (11) and a nitrogen-containing additive, and this material has the property of being insoluble in the organic solvent of the liquid electrolyte (12). One or more (14) selected from metal salts containing Group 1 or Group 2 elements and nitrogen-containing additives may be present in the area adjacent to the lithium metal anode 10 in the protective film 11, as shown in FIG. 1. According to another embodiment, at least one (14) selected from metal salts containing Group 1 or Group 2 elements and nitrogen-containing additives is distributed throughout the protective film, and its content increases toward the area close to the lithium metal anode (10). You can. In Figure 1, one or more (14) selected from metal salts containing Group 1 or Group 2 elements and nitrogen-containing additives are shown to be present in a position adjacent to the lithium metal anode (10), but this means that it is limited to only these positions. That is not the case.

도 2를 참조하여, 리튬 금속 음극(20) 상부에 보호막 (21)이 형성되어 있다. 보호막 (21) 상부에는 액체 전해질 (22a)과 고체 전해질 (22b)이 순차적으로 적층된 2층 구조를 가질 수 있다. 액체 전해질 (22a)은 도 2에 나타난 바와 같이 보호막 (21)과 인접되도록 배치될 수 있지만 액체 전해질과 고체 전해질의 적층 순서는 바뀔 수도 있다. 그리고 상기 고체 전해질 (22b) 상부에는 양극 (23)이 배치된다. 전해질(22)은 액체 전해질(22a)와 고체 전해질(22b)로 이루어진다.Referring to FIG. 2, a protective film 21 is formed on the lithium metal anode 20. The upper part of the protective film 21 may have a two-layer structure in which a liquid electrolyte (22a) and a solid electrolyte (22b) are sequentially stacked. The liquid electrolyte 22a may be disposed adjacent to the protective film 21 as shown in FIG. 2, but the stacking order of the liquid electrolyte and the solid electrolyte may be changed. And an anode 23 is disposed on top of the solid electrolyte 22b. The electrolyte 22 consists of a liquid electrolyte 22a and a solid electrolyte 22b.

도 2의 고체 전해질(22b) 대신 겔 전해질이 사용될 수도 있다. A gel electrolyte may be used instead of the solid electrolyte 22b in FIG. 2.

일구현예에 따른 리튬금속전지는 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다. 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터에는 리튬염과 유기용매를 함유한 전해질이 더 부가될 수 있다.The lithium metal battery according to one embodiment may further include a separator. The separator may be polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, or a multilayer film of two or more layers thereof, such as a polyethylene/polypropylene two-layer separator, a polyethylene/polypropylene/polyethylene three-layer separator, or a polypropylene/polyethylene/polypropylene separator. A mixed multilayer film such as a three-layer separator may be used. An electrolyte containing lithium salt and an organic solvent may be further added to the separator.

도 1 및 도 2의 양극 (13), (23)은 다공성 양극일 수 있다. 다공성 양극은 기공을 함유하고 있거나 또는 의도적으로 양극의 형성을 배제하지 않아 양극 내부로 모세관 현상 등에 의하여 액체 전해질이 침투될 수 있는 양극도 포함한다. The anodes 13 and 23 in FIGS. 1 and 2 may be porous anodes. A porous anode also includes an anode that contains pores or does not intentionally exclude the formation of an anode and thus allows a liquid electrolyte to penetrate into the anode due to capillary action or the like.

예를 들어 다공성 양극은 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매를 포함하는 양극 활물질 조성물을 코팅 및 건조하여 얻어지는 양극을 포함한다. 이렇게 얻어진 양극은 양극 활물질 입자 사이에 존재하는 기공을 함유할 수 있다. 이러한 다공성 양극에는 액체 전해질이 함침될 수 있다.For example, a porous positive electrode includes a positive electrode obtained by coating and drying a positive electrode active material composition including a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and a solvent. The positive electrode obtained in this way may contain pores existing between positive electrode active material particles. This porous anode may be impregnated with a liquid electrolyte.

다른 일구현예에 따르면, 양극은 액체 전해질, 겔 전해질, 또는 고체 전해질을 더 포함할 수 있다. 액체 전해질, 겔 전해질 및 고체 전해질은 당해 기술분야에서 리튬금속전지의 전해질로 사용할 수 있는 것으로서 충방전 과정에서 양극 활물질과 반응하여 양극 활물질을 열화시키지 않는 것이라면 모두 가능하다.According to another embodiment, the positive electrode may further include a liquid electrolyte, a gel electrolyte, or a solid electrolyte. Liquid electrolytes, gel electrolytes, and solid electrolytes can be used as electrolytes for lithium metal batteries in the art, as long as they do not react with the positive electrode active material and deteriorate it during the charging and discharging process.

일구현예에 따른 보호막은 고전압용 리튬금속전지 보호막으로서 적절하다. The protective film according to one embodiment is suitable as a protective film for a high-voltage lithium metal battery.

여기에서 "고전압"은 충전전압이 4.0V 내지 5.5V 범위인 경우를 말한다. Here, “high voltage” refers to the case where the charging voltage is in the range of 4.0V to 5.5V.

이하, 일구현예에 따른 리튬금속전지의 제조방법을 살펴보기로 한다.Hereinafter, we will look at a manufacturing method of a lithium metal battery according to an embodiment.

고분자, 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상 및 유기용매를 혼합하여 보호막 형성용 조성물을 얻는다. 이어서 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 음극 상부에 도포하고 이를 건조하여 리튬 금속 표면 상에 보호막을 형성한다. 여기에서 건조는 예를 들어 25 내지 60℃에서 실시할 수 있다.A composition for forming a protective film is obtained by mixing a polymer, a metal salt containing a Group 1 or Group 2 element, at least one selected from nitrogen-containing additives, and an organic solvent. Next, the composition for forming a protective film is applied to the top of the lithium metal anode and dried to form a protective film on the lithium metal surface. Here, drying can be performed at, for example, 25 to 60°C.

상기 유기용매는 당해 기술분야에서 통상적으로 사용된 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 테트라하이드로퓨란, N-메틸피롤리돈, 아세토니트릴, 벤조니트릴, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N, N-디메틸포름아미드, N, N-디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸 에테르 중에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다. 유기용매의 함량은 예를 들어 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 4,000 중량부, 예를 들어 500 내지 2,000 중량부이다.The organic solvent may be any solvent commonly used in the art. For example, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, acetonitrile, benzonitrile, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N, N-dimethyl Formamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, diethylene glycol, One or more selected from dimethyl ether may be used. The content of the organic solvent is, for example, 100 to 4,000 parts by weight, for example, 500 to 2,000 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer.

상기 보호막 형성용 조성물에는 무기 입자, 이온성 액체, 고분자 이온성 액체, 및 올리고머 중에서 선택된 하나 이상을 더 부가할 수 있다. One or more selected from inorganic particles, ionic liquid, polymer ionic liquid, and oligomer may be further added to the composition for forming a protective film.

상술한 보호막 형성용 조성물의 도포방법은 보호막 형성시 통상적으로 이용가능한 방법이라면 모두 다 사용가능하다. 예를 들어 스핀코팅, 롤 코팅, 커튼 코팅, 압출, 캐스팅, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 닥터블래이드 등의 방법이 이용될 수 있다. Any method of applying the composition for forming a protective film described above can be used as long as it is a commonly used method for forming a protective film. For example, methods such as spin coating, roll coating, curtain coating, extrusion, casting, screen printing, inkjet printing, and doctor blade may be used.

상기 과정에 따라 제조된 보호막은 리튬에 대하여 0V 내지 6.0V 전압 범위, 예를 들어 2.0 내지 5.0V, 구체적으로 4.0V 내지 5.0V 전압 범위에서 전기화학적으로 안정할 수 있다. 일구현예에 의한 보호막은 전기화학적으로 안정한 넓은 전압창(voltage window)을 가짐에 의하여 고전압에서 작동되는 전기화학장치에 적용될 수 있다.The protective film prepared according to the above process may be electrochemically stable for lithium in a voltage range of 0V to 6.0V, for example, 2.0 to 5.0V, specifically 4.0V to 5.0V. The protective film according to one embodiment can be applied to an electrochemical device operating at high voltage by having a wide voltage window that is electrochemically stable.

보호막은 리튬에 대하여 0V 근처에서 리튬의 부착/탈착 외에 다른 부반응에 기인한 전류밀도가 0.05 mA/cm2 이하, 예를 들어 0.001 내지 0.02 mA/cm2, 구체적으로 0.001 내지 0.01 mA/cm2 일 수 있다. 예를 들어, 상기 보호막은 리튬에 대하여 5.0V 근처에서 산화 반응에 기인한 전류밀도가 0.05 mA/cm2 이하, 예를 들어 0.001 내지 0.02 mA/cm2 mA/cm2, 예를 들어 0.001 내지 0.04 mA/cm2, 구체적으로 0.001 내지 0.02 mA/cm2일 수 있다.The protective film has a current density of 0.05 mA/cm 2 or less due to side reactions other than attachment/desorption of lithium near 0V, for example, 0.001 to 0.02 mA/cm 2 , specifically 0.001 to 0.01 mA/cm 2 day. You can. For example, the protective film has a current density due to oxidation reaction near 5.0V for lithium of 0.05 mA/cm 2 or less, for example, 0.001 to 0.02 mA/cm 2 mA/cm 2 , for example, 0.001 to 0.04. mA/cm 2 , specifically, may be 0.001 to 0.02 mA/cm 2 .

일구현예에 따른 리튬금속전지는 액체 전해질 이외에 고체 전해질, 겔 전해질, 고분자 이온성 액체(polymer ionic liquid) 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하여 혼합 전해질(mixed electrolyte) 타입일 수 있다. 리튬금속전지는 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이 고체 전해질 및 겔 전해질 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하면 보호막의 전도도 및 기계적 물성을 더 개선할 수 있다.The lithium metal battery according to one embodiment may be a mixed electrolyte type, further comprising at least one selected from a solid electrolyte, a gel electrolyte, and a polymer ionic liquid in addition to the liquid electrolyte. The lithium metal battery may further include a separator. As described above, if one or more selected from solid electrolytes and gel electrolytes are further included, the conductivity and mechanical properties of the protective film can be further improved.

상기 겔 전해질은 겔 형태를 갖는 전해질로서 당해기술분야에서 주지된 것이라면 모두 다 사용가능하다. 겔 전해질은 예를 들어 고분자와 고분자 이온성 액체를 함유할 수 있다. 여기에서 고분자는 예를 들어 고체 그래프트(블록) 코폴리머 전해질일 수 있다.The gel electrolyte is an electrolyte in a gel form and can be used as long as it is well known in the art. Gel electrolytes may contain, for example, polymers and polymeric ionic liquids. The polymer here may be, for example, a solid graft (block) copolymer electrolyte.

고체 전해질은 유기 고체 전해질 또는 무기 고체 전해질일 수 있다. The solid electrolyte may be an organic solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 고분자, 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, polyester sulfides, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polymers containing ionic dissociation groups, etc. can be used

상기 무기 고체 전해질로는, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2, Cu3N, LiPON, Li2S.GeS2.Ga2S3, Li2O.11Al2O3, (Na,Li)1+xTi2-xAlx(PO4)3 (0.1≤x≤0.9), Li1 + xHf2 - xAlx(PO4)3 (0.1≤x≤0.9), Na3Zr2Si2PO12, Li3Zr2Si2PO12, Na5ZrP3O12, Na5TiP3O12, Na3Fe2P3O12, Na4NbP3O12, Na-Silicates, Li0 . 3La0 . 5TiO3, Na5MSi4O12 (M은 Nd, Gd, Dy 등의 희토류 원소) Li5ZrP3O12, Li5TiP3O12, Li3Fe2P3O12, Li4NbP3O12, Li1 + x(M,Al,Ga)x(Ge1-yTiy)2 -x(PO4)3(X≤0.8, 0≤Y≤1.0, M은 Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 또는 Yb), Li1 +x+ yQxTi2 - xSiyP3 - yO12 (0<x≤0.4, 0<y≤0.6, Q 는 Al 또는 Ga), Li6BaLa2Ta2O12, Li7La3Zr2O12, Li5La3Nb2O12, Li5La3M2O12 (M은 Nb, Ta), Li7 + xAxLa3 - xZr2O12 (0<x<3, A는 Zn) 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 - Li 2 S-SiS 2 , Cu 3 N, LiPON, Li 2 S.GeS 2 .Ga 2 S 3 , Li 2 O.11Al 2 O 3 , (Na,Li) 1+x Ti 2-x Al x (PO 4 ) 3 (0.1≤x≤0.9), Li 1 + x Hf 2 - x Al x (PO 4 ) 3 (0.1≤x≤0.9), Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Li 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Na 5 ZrP 3 O 12 , Na 5 TiP 3 O 12 , Na 3 Fe 2 P 3 O 12 , Na 4 NbP 3 O 12 , Na-Silicates, Li 0 . 3 La 0 . 5 TiO 3 , Na 5 MSi 4 O 12 (M is a rare earth element such as Nd, Gd, Dy, etc.) Li 5 ZrP 3 O 12 , Li 5 TiP 3 O 12 , Li 3 Fe 2 P 3 O 12 , Li 4 NbP 3 O 12 , Li 1 + x (M, Al,Ga) x (Ge 1-y Ti y ) 2 -x (PO 4 ) 3 (X≤0.8, 0≤Y≤1.0, M is Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm or Yb), Li 1 +x+ y Q x Ti 2 - x Si y P 3 - y O 12 (0<x≤0.4, 0<y≤0.6, Q is Al or Ga), Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 5 La 3 Nb 2 O 12 , Li 5 La 3 M 2 O 12 (M is Nb, Ta), Li 7 + x A x La 3 - x Zr 2 O 12 (0<x<3, A is Zn), etc. can be used.

상기 리튬 금속 음극은 리튬 금속 박막 전극 또는 리튬 금속 합금 전극이다.The lithium metal negative electrode is a lithium metal thin film electrode or a lithium metal alloy electrode.

리튬 금속 합금은 리튬과, 리튬과 합금 가능한 금속/준금속, 그 합금 또는 그 Lithium metal alloy refers to lithium, metals/metalloids that can be alloyed with lithium, alloys thereof, or metalloids capable of alloying with lithium.

산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속/준금속, 그합금 또는 그 산화물은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. It may contain oxides. For example, the metal/metalloid that can be alloyed with lithium, its alloy, or its oxide is Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y alloy (where Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 to Group 16 elements, transition metals, rare earth elements, or a combination thereof, but not Si), Sn-Y alloy (Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 to Group 16 element, a transition metal, a rare earth element, or these It may be a combination element of , but not Sn), etc. The element Y includes Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, It may be Se, Te, Po, or a combination thereof.

양극을 제조하기 위한 양극 활물질로서 리튬코발트산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬철인산화물, 및 리튬망간산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 이용 가능한 모든 양극 활물질이 사용될 수 있다.The positive electrode active material for manufacturing the positive electrode may include, but is not necessarily limited to, one or more selected from the group consisting of lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate, and lithium manganese oxide. All positive electrode active materials available in the art can be used.

예를 들어, LiaA1 - bBbD2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 및 0≤b≤0.5이다); LiaE1 - bBbO2 -cDc(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiE2 - bBbO4 - cDc(상기 식에서, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiaNi1 -b- cCobBcDα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 - αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 - αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0≤f≤2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≤f≤2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표 현되는 화합물을 사용할 수 있다.For example, Li a A 1 - b B b D 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, and 0≤b≤0.5); Li a E 1 -b B b O 2 -c D c (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiE 2 - b B b O 4 - c D c (in the above formula, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); Li a Ni 1 -b- c Co b B c D α (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); Li a Ni 1 -b- c Co b B c O 2 - α F α (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni 1 -b- c Mn b B c D α (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); Li a Ni 1 -b- c Mn b B c O 2 - α F α (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni b E c G d O 2 (In the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (In the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1); Li a NiG b O 2 (In the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a CoG b O 2 (In the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a MnG b O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiIO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); A compound represented by any of the chemical formulas of LiFePO 4 can be used.

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.

상기 양극 활물질은 예를 들어 하기 화학식 9로 표시되는 화합물, 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물 또는 화학식 11로 표시되는 화합물이 이용될 수 있다. For example, the positive electrode active material may be a compound represented by the following Chemical Formula 9, a compound represented by the following Chemical Formula 10, or a compound represented by the Chemical Formula 11.

[화학식 9][Formula 9]

LiaNibCocMndO2 Li a Ni b Co c Mn d O 2

상기 화학식 9 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5이다.In Formula 9, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5.

[화학식 10][Formula 10]

Li2MnO3 Li 2 MnO 3

[화학식 11][Formula 11]

LiMO2 LiMO 2

상기 화학식 11 중, M은 Mn, Fe, Co, 또는 Ni이다.In Formula 11, M is Mn, Fe, Co, or Ni.

하기 방법에 따라 양극이 준비된다.An anode is prepared according to the following method.

양극 활물질, 결합제 및 용매가 혼합된 양극 활물질 조성물이 준비된다. A positive electrode active material composition is prepared by mixing a positive electrode active material, a binder, and a solvent.

양극 활물질 조성물에는 도전제가 더 부가될 수 있다. A conductive agent may be further added to the positive electrode active material composition.

상기 양극 활물질 조성물이 금속 집전체상에 직접 코팅 및 건조되어 양극판이 제조된다. 다르게는, 상기 양극 활물질 조성물이 별도의 지지체상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 양극판이 제조될 수 있다.A positive electrode plate is manufactured by coating and drying the positive electrode active material composition directly on a metal current collector. Alternatively, the positive electrode active material composition may be cast on a separate support, and then the film peeled from the support may be laminated on a metal current collector to produce a positive electrode plate.

집전체로는 니켈, 알루미늄, 티타늄, 구리, 금, 은, 백금, 알루미늄 합금 또는 스테인레스 스틸, 탄소계 물질을 플라즈마 스프레이 또는 아크 스프레이하여 얻은 막, 활성화된 카본파이버, 니켈, 알루미늄, 아연, 구리, 주석, 납, 그 합금 또는 전도성 물질을 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체(SEBS)와 같은 수지 또는 러버에 분산하여 얻은 전도성막을 이용한다. 집전체는 예를 들어 알루미늄, 니켈 또는 스테인레스 스틸이 사용된다. 알루미늄은 박막으로 제조하기가 용이하고 가격이 저렴하여 집전체로서 적합하다. 집전체의 형상은 제한되지 않으며, 평판형(flat plate shape), 메시형, 네트형, 펀치형, 엠보싱형 또는 그 조합물 형태, 예를 들어 메시형 평판(mesh shape flat plate)일 수 있다. 예를 들어 집전체는 에칭에 의하여 형성된 비평탄화된 표면을 가질 수 있다. Current collectors include nickel, aluminum, titanium, copper, gold, silver, platinum, aluminum alloy or stainless steel, films obtained by plasma spraying or arc spraying of carbon-based materials, activated carbon fiber, nickel, aluminum, zinc, copper, A conductive film obtained by dispersing tin, lead, their alloys, or conductive materials in a resin or rubber such as styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS) is used. The current collector is, for example, aluminum, nickel, or stainless steel. Aluminum is suitable as a current collector because it is easy to manufacture into a thin film and is inexpensive. The shape of the current collector is not limited, and may be a flat plate shape, mesh shape, net shape, punch shape, embossed shape, or a combination thereof, for example, a mesh shape flat plate. For example, the current collector may have a non-flat surface formed by etching.

상기 바인더는, 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 양극 활물질의 총중량 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부로 첨가된다. 이러한 바인더의 비제한적인 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. 그 함량은 양극 활물질의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 2 내지 5 중량부를 사용한다. 바인더의 함량이 상기 범위일 때 집전체에 대한 활물질층의 결착력이 양호하다.The binder is a component that assists the bonding of the active material and the conductive agent and the bonding to the current collector, and is added in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode active material. Non-limiting examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, and tetrafluoride. Examples include ethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, fluorine rubber, and various copolymers. The content is 2 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode active material. When the binder content is within the above range, the binding force of the active material layer to the current collector is good.

상기 도전제로는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. The conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.

상기 도전제의 함량은 양극 활물질의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부, 예를 들어 2 내지 5 중량부를 사용한다. 도전제의 함량이 상기 범위일 때 최종적으로 얻어진 양극의 전도도 특성이 우수하다.The content of the conductive agent is 1 to 10 parts by weight, for example, 2 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode active material. When the content of the conductive agent is within the above range, the conductivity characteristics of the finally obtained positive electrode are excellent.

상기 용매의 비제한적 예로서, N-메틸피롤리돈 등을 사용한다.As a non-limiting example of the solvent, N-methylpyrrolidone and the like are used.

상기 용매의 함량은 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 2000 중량부를 사용한다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 활물질층을 형성하기 위한 작업이 용이하다.The content of the solvent is 100 to 2000 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material. When the solvent content is within the above range, it is easy to form an active material layer.

일구현예에 의한 리튬금속전지는 용량 및 수명 특성이 우수하여 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지팩 또는 전지모듈에 단위전지로도 사용될 수 있다. 그리고 일구현예에 의한 리튬금속전지는 전압, 용량, 에너지 밀도가 높아 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 풍력이나 태양광 등의 발전설비의 축전지, 전기 자동차, 무정전 전원장치, 가정용 축전지 등의 분야에서 널리 이용되고 있다.The lithium metal battery according to one embodiment has excellent capacity and lifespan characteristics, so it can be used not only in battery cells used as power sources for small devices, but also in medium-to-large battery packs containing a number of battery cells used as power sources for medium-to-large devices. It can also be used as a unit cell in a battery module. In addition, lithium metal batteries according to one embodiment have high voltage, capacity, and energy density, so they are widely used in fields such as mobile phones, laptop computers, storage batteries for power generation facilities such as wind or solar power, electric vehicles, uninterruptible power supplies, and household storage batteries. It is becoming.

상기 중대형 디바이스의 예로는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차 전동 공구 전력저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the medium-to-large devices include electric vehicles (electric vehicles), including electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), and electric bicycles ( Examples include, but are not limited to, power storage devices for electric two-wheeled vehicles (e-bikes), electric scooters (E-scooters), power tools, etc.

다른 측면에 따라 i)고분자와, ii) 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상을 혼합하여 보호막 형성용 조성물을 얻는 단계; 상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 음극에 공급하는 단계; 및 상기 결과물을 건조하여 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 일구현예에 따른 리튬금속전지의 리튬 금속 음극을 보호하는 방법이 제공된다. According to another aspect, obtaining a composition for forming a protective film by mixing i) a polymer and ii) one or more selected from the group consisting of a metal salt containing a group 1 or group 2 element and a nitrogen-containing additive; Supplying the composition for forming a protective film to a lithium metal anode; A method of protecting a lithium metal anode of a lithium metal battery according to one embodiment is provided, including the step of drying the resulting product to form a protective film.

또 다른 측면에 따라 상술한 방법에 따라 제조된 보호막이 제공된다.According to another aspect, a protective film manufactured according to the above-described method is provided.

본 명세서에서 알킬은 완전 포화된 분지형 또는 비분지형 (또는 직쇄 또는 선형) 탄화수소를 말한다. Alkyl as used herein refers to a fully saturated branched or unbranched (or straight-chain or linear) hydrocarbon.

“알킬”의 비제한적인 예로는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, iso-아밀, n-헥실, 3-메틸헥실, 2,2-디메틸펜틸, 2,3-디메틸펜틸, n-헵틸 등을 들 수 있다. Non-limiting examples of “alkyl” include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, n-pentyl, isopentyl, neopentyl, iso-amyl, n-hexyl, 3 -Methylhexyl, 2,2-dimethylpentyl, 2,3-dimethylpentyl, n-heptyl, etc.

“알킬”중 하나 이상의 수소 원자는 할로겐 원자, 할로겐 원자로 치환된 C1-C20의 알킬기(예: CCF3, CHCF2, CH2F, CCl3 등), C1-C20의 알콕시, C2-C20의 알콕시알킬, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 히드라진기, 히드라존기, 카르복실기나 그의 염, 술포닐기, 설파모일(sulfamoyl)기, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 또는 C1-C20의 알킬기, C2-C20 알케닐기, C2-C20 알키닐기, C1-C20의 헤테로알킬기, C6-C20의 아릴기, C6-C20의 아릴알킬기, C6-C20의 헤테로아릴기, C7-C20의 헤테로아릴알킬기, C6-C20의 헤테로아릴옥시기, C6-C20의 헤테로아릴옥시알킬기 또는 C7-C20의 헤테로아릴알킬기로 치환될 수 있다.Among “alkyl”, at least one hydrogen atom is a halogen atom, a C1-C20 alkyl group substituted with a halogen atom (e.g. CCF 3 , CHCF 2 , CH 2 F, CCl 3, etc.), C1-C20 alkoxy, C2-C20 alkoxy Alkyl, hydroxy group, nitro group, cyano group, amino group, amidino group, hydrazine group, hydrazone group, carboxyl group or its salt, sulfonyl group, sulfamoyl group, sulfonic acid group or its salt, phosphoric acid or its salt, or C1- C20 alkyl group, C2-C20 alkenyl group, C2-C20 alkynyl group, C1-C20 heteroalkyl group, C6-C20 aryl group, C6-C20 arylalkyl group, C6-C20 heteroaryl group, C7-C20 hetero It may be substituted with an arylalkyl group, a C6-C20 heteroaryloxy group, a C6-C20 heteroaryloxyalkyl group, or a C7-C20 heteroarylalkyl group.

용어 “할로겐 원자”는 불소, 브롬, 염소, 요오드 등을 포함한다. The term “halogen atom” includes fluorine, bromine, chlorine, iodine, etc.

“알케닐”은 적어도 하나의 탄소-탄소 이중결합을 갖는 분지형 또는 비분지형 탄화수소를 말한다. 알케닐기의 비제한적인예로는 비닐, 알릴, 부테닐, 이소프로페닐, 이소부테닐 등을 들 수 있고, 상기 알케닐중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환될 수 있다.“Alkenyl” refers to a branched or unbranched hydrocarbon having at least one carbon-carbon double bond. Non-limiting examples of alkenyl groups include vinyl, allyl, butenyl, isopropenyl, and isobutenyl, and at least one hydrogen atom of the alkenyl group may be substituted with the same substituent as in the case of the alkyl group described above. .

“알키닐”은 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중결합을 갖는 분지형 또는 비분지형 탄화수소를 말한다. 상기 “알키닐”의 비제한적인 예로는 에티닐, 부티닐, 이소부티닐, 프로피닐 등을 들 수 있다. “Alkynyl” refers to a branched or unbranched hydrocarbon having at least one carbon-carbon triple bond. Non-limiting examples of “alkynyl” include ethynyl, butynyl, isobutynyl, propynyl, etc.

“알키닐”중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환될 수 있다. One or more hydrogen atoms of “alkynyl” may be substituted with the same substituent as in the case of the alkyl group described above.

“아릴”은 방향족 고리가 하나 이상의 탄소고리에 융합된 그룹도 포함한다. “아릴”의 비제한적인 예로서, 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸 등이 있다. “Aryl” also includes groups in which an aromatic ring is fused to one or more carbon rings. Non-limiting examples of “aryl” include phenyl, naphthyl, tetrahydronaphthyl, etc.

또한 “아릴”기중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.Additionally, one or more hydrogen atoms in the “aryl” group may be replaced with the same substituent as in the case of the alkyl group described above.

“헤테로아릴”은 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 탄소인 모노사이클릭(monocyclic) 또는 바이사이클릭(bicyclic) 유기 화합물을 의미한다. 상기 헤테로아릴기는 예를 들어 1-5개의 헤테로원자를 포함할 수 있고, 5-10 고리 멤버(ring member)를 포함할 수 있다. 상기 S 또는 N은 산화되어 여러가지 산화 상태를 가질 수 있다.“Heteroaryl” refers to a monocyclic or bicyclic organic compound containing one or more heteroatoms selected from N, O, P or S, and the remaining ring atoms are carbon. The heteroaryl group may include, for example, 1-5 heteroatoms and 5-10 ring members. The S or N may be oxidized and have various oxidation states.

헤테로아릴의 예로는 티에닐, 푸릴, 피롤릴, 이미다졸릴, 피라졸릴, 티아졸릴, 이소티아졸릴, 1,2,3-옥사디아졸릴, 1,2,4-옥사디아졸릴, 1,2,5-옥사디아졸릴, 1,3,4-옥사디아졸릴기, 1,2,3-티아디아졸릴, 1,2,4-티아디아졸릴, 1,2,5-티아디아졸릴, 1,3,4-티아디아졸릴, 이소티아졸-3-일, 이소티아졸-4-일, 이소티아졸-5-일, 옥사졸-2-일, 옥사졸-4-일, 옥사졸-5-일, 이소옥사졸-3-일, 이소옥사졸-4-일, 이소옥사졸-5-일, 1,2,4-트리아졸-3-일, 1,2,4-트리아졸-5-일, 1,2,3-트리아졸-4-일, 1,2,3-트리아졸-5-일, 테트라졸릴, 피리딜-2-일, 피리딜-3-일, 피라진-2일, 피라진-4-일, 피라진-5-일, 피리미딘-2-일, 피리미딘-4-일, 또는 피리미딘-5-일을 들 수 있다.Examples of heteroaryl include thienyl, furyl, pyrrolyl, imidazolyl, pyrazolyl, thiazolyl, isothiazolyl, 1,2,3-oxadiazolyl, 1,2,4-oxadiazolyl, 1,2 ,5-oxadiazolyl, 1,3,4-oxadiazolyl group, 1,2,3-thiadiazolyl, 1,2,4-thiadiazolyl, 1,2,5-thiadiazolyl, 1, 3,4-thiadiazolyl, isothiazol-3-yl, isothiazol-4-yl, isothiazol-5-yl, oxazol-2-yl, oxazol-4-yl, oxazol-5 -yl, isoxazol-3-yl, isoxazol-4-yl, isoxazol-5-yl, 1,2,4-triazol-3-yl, 1,2,4-triazol-5 -yl, 1,2,3-triazol-4-yl, 1,2,3-triazol-5-yl, tetrazolyl, pyridyl-2-yl, pyridyl-3-yl, pyrazine-2-yl , pyrazin-4-yl, pyrazin-5-yl, pyrimidin-2-yl, pyrimidin-4-yl, or pyrimidin-5-yl.

용어 “헤테로아릴”은 헤테로방향족 고리가 하나 이상의 아릴, 지환족(cyclyaliphatic), 또는 헤테로사이클에 융합된 경우를 포함한다. The term “heteroaryl” includes instances where a heteroaromatic ring is fused to one or more aryl, cycloaliphatic, or heterocycles.

화학식에서 사용되는 “탄소고리”기는 포화 또는 부분적으로 불포화된 비방향족(non-aromatic) 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 트리사이클릭 탄화수소기를 말한다.The “carbon ring” group used in chemical formulas refers to a saturated or partially unsaturated, non-aromatic monocyclic, bicyclic or tricyclic hydrocarbon group.

모노사이클릭 탄화수소의 예로서, 사이클로펜틸, 사이클로펜테닐, 사이클로헥실, 사이클로헥세닐 등이 있다. 바이사이클릭 탄화수소의 예로서, bornyl, decahydronaphthyl, bicyclo[2.1.1]hexyl, bicyclo[2.2.1]heptyl, bicyclo[2.2.1]heptenyl, 또는 bicyclo[2.2.2]octyl이 있다. 그리고 트리사이클릭 탄화수소의 예로서, 아다만틸(adamantyl) 등이 있다. Examples of monocyclic hydrocarbons include cyclopentyl, cyclopentenyl, cyclohexyl, and cyclohexenyl. Examples of bicyclic hydrocarbons include bornyl, decahydronaphthyl, bicyclo[2.1.1]hexyl, bicyclo[2.2.1]heptyl, bicyclo[2.2.1]heptenyl, or bicyclo[2.2.2]octyl. And examples of tricyclic hydrocarbons include adamantyl and the like.

“헤테로고리”는 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 고리로서 5 내지 20개, 예를 들어 5 내지 10개의 탄소 원자를 함유할 수 있다. 여기에서 헤테로원자로는 황, 질소, 산소 및 붕소 중에서 선택된 하나이다. A “heterocycle” is a ring containing at least one heteroatom and may contain 5 to 20 carbon atoms, for example 5 to 10 carbon atoms. Here, the heteroatom is one selected from sulfur, nitrogen, oxygen, and boron.

예를 들어, 용어 "치환된 C1-C30 알킬"은 C6-C30 아릴기로 치환된 C1-C30 알킬기를 나타내며, 치환된 알킬기에서 탄소 총수(total number of carbon atoms)는 C7-C60이다.For example, the term “substituted C1-C30 alkyl” refers to a C1-C30 alkyl group substituted with a C6-C30 aryl group, where the total number of carbon atoms in the substituted alkyl group is C7-C60.

알콕시, 아릴옥시, 헤테로아릴옥시는 각각 본 명세서에서 산소 원자에 결합된 알킬, 아릴 및 헤테로아릴을 의미한다.Alkoxy, aryloxy, and heteroaryloxy herein refer to alkyl, aryl, and heteroaryl bonded to an oxygen atom, respectively.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 한정되는 것이 아니다.This is explained in more detail through the following examples and comparative examples. However, the examples are for illustrative purposes only and are not limited to these.

실시예Example 1: 리튬금속전지의 제조 1: Manufacturing of lithium metal battery

폴리스티렌-b-폴리이소프렌-b-폴리스티렌 블록 공중합체(available from Polymer Source) 를 무수 테트라하이드로퓨란에 부가하여 5 중량%의 블록 공중합체 함유 혼합물을 얻었다. 상기 블록 공중합체에서 폴리스티렌 블록, 폴리이소프렌 블록 및 폴리스티렌 블록의 혼합 중량비는 약 11:78:11 중량비였고, 블록 공중합체의 중량평균분자량은 약 100,000 Daltons이었다. Polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene block copolymer (available from Polymer Source) was added to anhydrous tetrahydrofuran to obtain a mixture containing 5% by weight of block copolymer. In the block copolymer, the mixed weight ratio of polystyrene block, polyisoprene block, and polystyrene block was about 11:78:11, and the weight average molecular weight of the block copolymer was about 100,000 Daltons.

상기 블록 공중합체 함유 혼합물에 Li3N 5중량%, CsTFSI 5 중량%, Al2O3(평균입경: 약 10nm) 200 중량%를 부가하여 보호막 형성용 조성물을 얻었다. 여기에서 Li3N의 함량은 상기 블록 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 약 5중량부였고, CsTFSI의 함량은 블록 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 약 5 중량부였다. A composition for forming a protective film was obtained by adding 5% by weight of Li 3 N, 5% by weight of CsTFSI, and 200% by weight of Al 2 O 3 (average particle diameter: about 10 nm) to the mixture containing the block copolymer. Here, the content of Li3N was about 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the block copolymer, and the content of CsTFSI was about 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the block copolymer.

상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 상부에 닥터 블레이드로 약 3㎛의 두께로 코팅하였다. 상기 코팅된 결과물을 약 25℃에서 건조하여 리튬 금속 음극 상에 보호막(두께: 약 3㎛)이 형성된 리튬 금속 음극을 제조하였다.The composition for forming a protective film was coated with a doctor blade to a thickness of about 3 μm on a lithium metal thin film (thickness: about 20 μm). The coated result was dried at about 25°C to prepare a lithium metal anode with a protective film (thickness: about 3㎛) formed on the lithium metal anode.

이와 별도로 LiCoO2, 도전제(Super-P; Timcal Ltd.), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride: PVdF) 및 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 양극 조성물을 얻었다. 양극 조성물에서 LiCoO2, 도전제 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)의 혼합 중량비는 97:1.5:1.5이었다.Separately, a positive electrode composition was obtained by mixing LiCoO 2 , a conductive agent (Super-P; Timcal Ltd.), polyvinylidene fluoride (PVdF), and N-methylpyrrolidone. The mixing weight ratio of LiCoO 2 , conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVDF) in the positive electrode composition was 97:1.5:1.5.

상기 양극 조성물을 알루미늄 호일(두께: 약 15㎛) 상부에 코팅하고 25℃에서 건조한 다음, 건조된 결과물을 진공, 약 110℃에서 건조시켜 양극을 제조하였다. 양극의 단위면적당 방전용량은 약 3.5mAh/cm2이었다. The positive electrode composition was coated on aluminum foil (thickness: about 15㎛) and dried at 25°C, and the dried result was dried in a vacuum at about 110°C to prepare a positive electrode. The discharge capacity per unit area of the positive electrode was about 3.5 mAh/cm 2 .

상기 과정에 따라 얻은 양극과 리튬 금속 음극(두께: 약 20㎛) 사이에 폴리에틸렌 세퍼레이터(기공도: 약 48%)를 개재하여 리튬금속전지(코인셀)를 제조하였다. 여기에서 상기 양극과 리튬 금속 음극 사이에는 액체 전해질을 부가하였다. 액체 전해질로는 2:8: 부피비의 1.2-디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether: TTE)의 혼합 용매에 1.0M LiN(SO2F)2(이하, LiFSI)가 용해된 전해액을 이용하였다.A lithium metal battery (coin cell) was manufactured by interposing a polyethylene separator (porosity: about 48%) between the positive electrode obtained according to the above process and the lithium metal negative electrode (thickness: about 20㎛). Here, a liquid electrolyte was added between the positive electrode and the lithium metal negative electrode. Liquid electrolytes include 1.2-dimethoxyethane (DME) and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (1,1,2) in a 2:8 volume ratio. An electrolyte solution containing 1.0M LiN(SO 2 F) 2 (hereinafter referred to as LiFSI) dissolved in a mixed solvent of ,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE) was used.

실시예Example 2: 리튬금속전지의 제조 2: Manufacturing of lithium metal battery

보호막 형성용 조성물 제조시 Li3N 대신 LiNO3를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that LiNO 3 was used instead of Li 3 N when preparing the composition for forming a protective film.

실시예Example 3: 리튬금속전지의 제조 3: Manufacturing of lithium metal battery

보호막 형성용 조성물 제조시 Li3N 및 CsTFSI의 함량이 각각 블록 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 0.05 중량부 및 0.05 중량부인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.When preparing the composition for forming a protective film, a lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the contents of Li 3 N and CsTFSI were 0.05 parts by weight and 0.05 parts by weight, respectively, based on 100 parts by weight of the block copolymer. Manufactured.

실시예Example 4: 리튬금속전지의 제조 4: Manufacturing of lithium metal battery

보호막 형성용 조성물 제조시 Li3N 및 CsTFSI의 함량이 각각 블록 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 50 중량부 및 50 중량부인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.When preparing the composition for forming a protective film, a lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the contents of Li 3 N and CsTFSI were 50 parts by weight and 50 parts by weight, respectively, based on 100 parts by weight of the block copolymer. Manufactured.

실시예Example 5: 리튬금속전지의 제조 5: Manufacturing of lithium metal battery

보호막 형성용 조성물 제조시 LiNO3 및 CsTFSI의 함량이 각각 블록 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 0.05 중량부 및 0.05 중량부인 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that when preparing the composition for forming a protective film, the contents of LiNO 3 and CsTFSI were 0.05 parts by weight and 0.05 parts by weight, respectively, based on 100 parts by weight of the block copolymer. did.

실시예Example 6: 리튬금속전지의 제조 6: Manufacturing of lithium metal battery

보호막 형성용 조성물 제조시 LiNO3 및 CsTFSI의 함량이 각각 블록 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 50 중량부 및 50 중량부인 것을 제외하고는, 실시예 와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in the Example, except that when preparing the composition for forming a protective film, the contents of LiNO 3 and CsTFSI were 50 parts by weight and 50 parts by weight, respectively, based on 100 parts by weight of the block copolymer. .

실시예Example 7: 리튬금속전지의 제조 7: Manufacturing of lithium metal battery

보호막 형성용 조성물 제조시 CsTFSI의 함량을 증가하여 Li3N와 CsTFSI의 혼합중량비를 1:2로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that when preparing the composition for forming a protective film, the content of CsTFSI was increased and the mixing weight ratio of Li 3 N and CsTFSI was changed to 1:2.

실시예Example 8: 리튬금속전지의 제조 8: Manufacturing of lithium metal battery

보호막 형성용 조성물 제조시 LiNO3와 CsTFSI의 혼합중량비를 1:2로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the mixing weight ratio of LiNO 3 and CsTFSI was changed to 1:2 when preparing the composition for forming a protective film.

실시예Example 9-10: 리튬금속전지의 제조 9-10: Manufacturing of lithium metal batteries

보호막 형성용 조성물 제조시 Li3N 대신 에틸 나이트레이트(ethyl nitrate) 및 니트로메탄을 각각 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that ethyl nitrate and nitromethane were used instead of Li 3 N when preparing the composition for forming a protective film.

실시예Example 11: 리튬금속전지의 제조 11: Manufacturing of lithium metal batteries

보호막 형성용 조성물 제조시 Li3N를 부가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that Li 3 N was not added when preparing the composition for forming a protective film.

실시예Example 12: 리튬금속전지의 제조 12: Manufacturing of lithium metal batteries

보호막 형성용 조성물 제조시 CsTFSI 를 부가하지 않고 Li3N 대신 LiNO3를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that CsTFSI was not added and LiNO 3 was used instead of Li 3 N when preparing the composition for forming a protective film.

실시예Example 13: 리튬금속전지의 제조 13: Manufacturing of lithium metal batteries

보호막 형성용 조성물 제조시 폴리스티렌-b-폴리이소프렌-b-폴리스티렌 블록 공중합체 대신 폴리비닐알콜을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that polyvinyl alcohol was used instead of polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene block copolymer when preparing the composition for forming a protective film.

실시예Example 14: 리튬금속전지의 제조 14: Manufacturing of lithium metal batteries

보호막 형성용 조성물 제조시 Al2O3 대신 SiO2를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that SiO 2 was used instead of Al 2 O 3 when preparing the composition for forming a protective film.

실시예Example 15: 리튬금속전지의 제조 15: Manufacturing of lithium metal batteries

보호막 형성용 조성물 제조시 Li3N 대신 피리딘 N-옥사이드를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that pyridine N-oxide was used instead of Li 3 N when preparing the composition for forming a protective film.

실시예Example 16: 리튬금속전지의 제조 16: Manufacturing of lithium metal batteries

보호막 형성용 조성물 제조시 CsTFSI 대신 NaTFSI를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that NaTFSI was used instead of CsTFSI when preparing the composition for forming a protective film.

실시예Example 17: 리튬금속전지의 제조 17: Manufacturing of lithium metal batteries

보호막 형성용 조성물 제조시 CsTFSI 대신 Mg(TFSI)2를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that Mg(TFSI) 2 was used instead of CsTFSI when preparing the composition for forming a protective film.

비교예Comparative example 1: 리튬금속전지의 제조 1: Manufacturing of lithium metal battery

LiCoO2, 도전제(Super-P; Timcal Ltd.), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride: PVdF) 및 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 양극 조성물을 얻었다. 양극 조성물에서 LiCoO2, 도전제 및 PVDF의 혼합중량비는 97:1.5:1.5이었다.A positive electrode composition was obtained by mixing LiCoO 2 , a conductive agent (Super-P; Timcal Ltd.), polyvinylidene fluoride (PVdF), and N-methylpyrrolidone. The mixing weight ratio of LiCoO 2 , conductive agent, and PVDF in the positive electrode composition was 97:1.5:1.5.

상기 양극 조성물을 알루미늄 호일(두께: 약 15㎛) 상부에 코팅하고 25℃에서 건조한 다음, 건조된 결과물을 진공, 약 110℃에서 건조시켜 양극을 제조하였다.The positive electrode composition was coated on aluminum foil (thickness: about 15㎛) and dried at 25°C, and the dried result was dried in a vacuum at about 110°C to prepare a positive electrode.

상기 과정에 따라 얻은 양극과 리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 사이에 세퍼레이터로서 폴리프로필렌 세퍼레이터(두께: 12㎛, 기공도: 48%)을 사용하고, 액체 전해질로 사용하여 리튬금속전지를 제조하였다. 액체 전해질로는 2:8 부피비의 1.2-디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(TTE)의 혼합용매에 1M LiFSI가 용해된 것을 사용하였다. A lithium metal battery was manufactured by using a polypropylene separator (thickness: 12㎛, porosity: 48%) as a separator between the positive electrode obtained according to the above process and a lithium metal thin film (thickness: about 20㎛), and using it as a liquid electrolyte. did. The liquid electrolyte is a mixed solvent of 1.2-dimethoxyethane (DME) and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE) at a volume ratio of 2:8. 1M LiFSI dissolved was used.

비교예Comparative example 2: 리튬금속전지의 제조 2: Manufacturing of lithium metal battery

폴리에틸렌옥사이드 20mol과 리튬 비스트리플루오로메틸술포닐이미드(LiTFSI) 1mol, CsTFSI 1mol을 혼합하여 고분자 전해질(두께: 200㎛)을 제조하였다.A polymer electrolyte (thickness: 200 μm) was prepared by mixing 20 mol of polyethylene oxide, 1 mol of lithium bistrifluoromethylsulfonylimide (LiTFSI), and 1 mol of CsTFSI.

상기 고분자 전해질을 리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 상부에 적층하여 리튬 금속 음극을 제조하였다.A lithium metal anode was manufactured by stacking the polymer electrolyte on top of a lithium metal thin film (thickness: about 20㎛).

이와 별도로 LiCoO2, 도전제(Super-P; Timcal Ltd.), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride: PVdF) 및 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 양극 조성물을 얻었다. 양극 조성물에서 LiCoO2, 도전제 및 PVDF의 혼합 중량비는 97:1.5:1.5이었다.Separately, a positive electrode composition was obtained by mixing LiCoO 2 , a conductive agent (Super-P; Timcal Ltd.), polyvinylidene fluoride (PVdF), and N-methylpyrrolidone. The mixing weight ratio of LiCoO 2 , conductive agent, and PVDF in the positive electrode composition was 97:1.5:1.5.

상기 양극 조성물을 알루미늄 호일(두께: 약 15㎛) 상부에 코팅하고 25℃에서 건조한 다음, 건조된 결과물을 진공, 약 110℃에서 건조시켜 양극을 제조하였다.The positive electrode composition was coated on aluminum foil (thickness: about 15㎛) and dried at 25°C, and the dried result was dried in a vacuum at about 110°C to prepare a positive electrode.

상기 과정에 따라 얻은 양극과 리튬 금속 음극 사이에 폴리에틸렌/폴리프로필렌 세퍼레이터를 개재하여 리튬금속전지(코인셀)를 제조하였다. 여기에서 상기 양극과 리튬 금속 음극 사이에는 액체 전해질을 부가하였다. 액체 전해질로는 2:8 부피비의 1,2-디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(TTE)의 혼합 용매에 1M LiFSI가 용해된 전해액을 이용하였다.A lithium metal battery (coin cell) was manufactured by interposing a polyethylene/polypropylene separator between the positive electrode obtained according to the above process and the lithium metal negative electrode. Here, a liquid electrolyte was added between the positive electrode and the lithium metal negative electrode. The liquid electrolyte is a mixture of 1,2-dimethoxyethane (DME) and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE) in a 2:8 volume ratio. An electrolyte solution containing 1M LiFSI dissolved in a solvent was used.

상기 비교예 2에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 충방전 과정을 실시하면 리튬 덴드라이트의 형성을 억제하는 효과가 미미하여 보호막과 리튬 금속 음극 표면 사이의 계면저항이 증가되었다. 그리고 리튬 이온 이동도가 매우 작아서 평가예 조건에서 셀용량이 구현되지 않았다.When the charging and discharging process was performed on the lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 2, the effect of suppressing the formation of lithium dendrites was minimal, and the interfacial resistance between the protective film and the lithium metal negative electrode surface increased. And because the lithium ion mobility was very small, the cell capacity was not realized under the evaluation example conditions.

비교예Comparative example 3: 리튬금속전지의 제조 3: Manufacturing of lithium metal battery

액체 전해질에 Li3N 및 CsTFSI를 부가하고 액체 전해질로서 2:6:2 부피비의 에틸렌 카보네이트, 디에틸카보네이트 및 플루오로에틸렌카보네이트의 혼합 용매에 1.3M LiPF6가 용해된 리튬염을 부가하여 얻은 전해액을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다. 여기에서 Li3N 및 CsTFSI의 함량은 각각 액체 전해질 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 약 5 중량부였다.An electrolyte solution obtained by adding Li 3 N and CsTFSI to a liquid electrolyte and adding 1.3M LiPF 6 dissolved in a lithium salt mixed solvent of ethylene carbonate, diethyl carbonate, and fluoroethylene carbonate at a volume ratio of 2:6:2 as the liquid electrolyte. A lithium metal battery was manufactured according to the same method as Comparative Example 1, except that . Here, the contents of Li 3 N and CsTFSI were each about 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the liquid electrolyte.

비교예 3에 따라 액체 전해질에 Li3N 및 CsTFSI를 부가하면 Li3N 및 CsTFSI이 액체 전해질의 카보네이트계 유기용매에 대한 잘 용해되지 않았다. 그 결과 비교예 3에 따라 제조된 리튬금속전지는 초기충전조차 제대로 이루어지지 않아서 수명그래프를 얻는 것이 불가능하였다. When Li 3 N and CsTFSI were added to the liquid electrolyte according to Comparative Example 3, Li 3 N and CsTFSI did not dissolve well in the carbonate-based organic solvent of the liquid electrolyte. As a result, the lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 3 was not even initially charged properly, making it impossible to obtain a lifespan graph.

비교예Comparative example 4: 리튬금속전지의 제조 4: Manufacturing of lithium metal battery

폴리스티렌-b-폴리이소프렌-b-폴리스티렌 블록 공중합체(available from Polymer Source)를 무수 테트라하이드로퓨란에 부가하여 5 중량%의 블록 공중합체 함유 혼합물을 얻었다. 상기 블록 공중합체에서 폴리스티렌 블록, 폴리이소프렌 블록 및 폴리스티렌 블록의 혼합 중량비는 약 11:78:11 중량비였고, 블록 공중합체의 중량평균분자량은 약 100,000 Daltons이었다. Polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene block copolymer (available from Polymer Source) was added to anhydrous tetrahydrofuran to obtain a mixture containing 5% by weight of block copolymer. In the block copolymer, the mixed weight ratio of polystyrene block, polyisoprene block, and polystyrene block was about 11:78:11, and the weight average molecular weight of the block copolymer was about 100,000 Daltons.

상기 블록 공중합체 함유 혼합물에 Al2O3(평균입경: 약 10nm) 200 중량%를 부가하여 리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 상부에 닥터 블레이드로 코팅하고, 약 25℃에서 건조시켜 리튬 금속 박막 상에 보호막(두께: 약 3㎛)이 형성된 리튬 금속 음극을 제조하였다.200% by weight of Al 2 O 3 (average particle diameter: about 10 nm) was added to the block copolymer-containing mixture, coated on top of a lithium metal thin film (thickness: about 20 μm) with a doctor blade, and dried at about 25°C to form lithium metal. A lithium metal anode with a protective film (thickness: about 3㎛) formed on the thin film was manufactured.

이와 별도로 LiCoO2, 도전제(Super-P; Timcal Ltd.), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride: PVdF) 및 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 양극 조성물을 얻었다. 양극 조성물에서 LiCoO2, 도전제 및 PVDF의 혼합 중량비는 97:1.5:1.5이었다. 상기 양극 조성물을 알루미늄 호일(두께: 약 15㎛) 상부에 코팅하고 25℃에서 건조한 다음, 건조된 결과물을 진공, 약 110℃에서 건조시켜 양극을 제조하였다. 양극의 단위면적당 방전용량은 약 3.5mAh/cm2이었다. Separately, a positive electrode composition was obtained by mixing LiCoO 2 , a conductive agent (Super-P; Timcal Ltd.), polyvinylidene fluoride (PVdF), and N-methylpyrrolidone. The mixing weight ratio of LiCoO 2 , conductive agent, and PVDF in the positive electrode composition was 97:1.5:1.5. The positive electrode composition was coated on aluminum foil (thickness: about 15㎛) and dried at 25°C, and the dried result was dried in a vacuum at about 110°C to prepare a positive electrode. The discharge capacity per unit area of the positive electrode was about 3.5 mAh/cm 2 .

상기 과정에 따라 얻은 양극과 리튬 금속 음극 사이에 폴리에틸렌 분리막(두께: 12um, 기공도: 48%)을 개재하여 리튬금속전지를 제조하였다. 여기에서 상기 양극과 음극 사이에는 액체 전해질을 부가하였다. 액체 전해질로는 2:8 부피비의 1.2-디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(TTE)의 혼합 용매에 1M LiFSI가 용해된 전해액을 이용하였다.A lithium metal battery was manufactured by interposing a polyethylene separator (thickness: 12um, porosity: 48%) between the positive electrode obtained according to the above process and the lithium metal negative electrode. Here, a liquid electrolyte was added between the anode and the cathode. The liquid electrolyte is a mixed solvent of 1.2-dimethoxyethane (DME) and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE) at a volume ratio of 2:8. An electrolyte solution containing 1M LiFSI was used.

평가예Evaluation example 1: 주사전자현미경 1: Scanning electron microscope

실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 25℃에서 0.1C rate의 전류로 전압이 4.40 Volts (V)(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전을 실시한 후 리튬 금속 음극 표면의 상태를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 분석하였다. The lithium metal battery manufactured according to Example 2 and Comparative Example 1 was subjected to constant current charging at a current of 0.1C rate at 25°C until the voltage reached 4.40 Volts (V) (vs. Li), and then the lithium metal negative electrode surface The condition was analyzed using a scanning electron microscope (SEM).

상술한 주사전자현미경 분석 결과를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 도 3a는 실시예 2에 따라 제조된 리튬금속전지에서 리튬 금속 음극 표면을 나타낸 것이고, 도 3b는 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에서 리튬 금속 음극 표면을 나타낸 것이다. The results of the above-described scanning electron microscope analysis are shown in Figures 3A and 3B. Figure 3a shows the surface of a lithium metal anode in a lithium metal battery manufactured according to Example 2, and Figure 3b shows the surface of a lithium metal anode in a lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 1.

이를 참조하면, 실시예 2에 따라 제조된 리튬금속전지는 비교예 1의 리튬금속전지와 비교하여 리튬 금속 표면에서 리튬 덴드라이트 형성이 감소된 것을 확인할 수 있었다.Referring to this, it was confirmed that the lithium metal battery manufactured according to Example 2 had reduced lithium dendrite formation on the lithium metal surface compared to the lithium metal battery of Comparative Example 1.

또한 상기 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 25℃에서 0.1C rate(0.38mA/cm2)의 전류로 전압이 4.40V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전을 실시한 후 이어서 정전압 모드에서 4.40V를 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 1회 충전을 실시한 후 리튬 금속 음극 표면의 단면 상태를 SEM을 이용하여 분석을 실시하였다.In addition, the lithium metal battery manufactured according to Example 2 and Comparative Example 1 was subjected to constant current charging at 25°C at a current of 0.1C rate (0.38mA/cm 2 ) until the voltage reached 4.40V (vs. Li). After this, the current was cut off at a rate of 0.05C while maintaining 4.40V in constant voltage mode. After one charge, the cross-sectional state of the surface of the lithium metal anode was analyzed using SEM.

분석 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 도 4a는 실시예 2에 따라 제조된 리튬금속전지에서 리튬 금속 음극 단면을 나타낸 것이고, 도 4b는 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에서 리튬 금속 음극 단면을 나타낸 것이다. The analysis results are shown in Figures 4A and 4B. Figure 4a shows a cross-section of a lithium metal anode in a lithium metal battery manufactured according to Example 2, and Figure 4b shows a cross-section of a lithium metal anode in a lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 1.

이를 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에서 충전 후 리튬 금속 음극의 두께는 약 58.9㎛인데 반하여, 실시예 2에 따라 제조된 리튬금속전지에서 충전후 리튬 금속 음극의 두께는 약 29.1㎛로 매우 감소하였다. 이와 같이, 실시예 2의 리튬슴속전지가 비교예 1의 리튬금속전지에 비하여 충방전 시 리튬금속전지의 부피변화가 작게 나타났다.Referring to this, the thickness of the lithium metal anode after charging in the lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 1 is about 58.9㎛, whereas the thickness of the lithium metal anode after charging in the lithium metal battery manufactured according to Example 2 is about 29.1㎛. It was greatly reduced to ㎛. In this way, the volume change of the lithium metal battery of Example 2 during charging and discharging was smaller than that of the lithium metal battery of Comparative Example 1.

평가예Evaluation example 2: 2: 리튬전착밀도Lithium electrodeposition density

실시예 2, 11, 12, 16, 17 및 비교예 1, 4에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 25℃에서 0.1C rate(0.38mA/cm2)의 전류로 전압이 4.40V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전을 실시한 후 이어서 정전압 모드에서 4.40V를 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 1회 충전을 실시한 후, 리튬 금속 음극 표면에서의 전착밀도를 조사하였다.For the lithium metal batteries manufactured according to Examples 2, 11, 12, 16, and 17 and Comparative Examples 1 and 4, the voltage was 4.40V (vs. Li) with a current of 0.1C rate (0.38mA/cm 2 ) at 25°C. ), and then cut-off at a current of 0.05C rate while maintaining 4.40V in constant voltage mode. After one charge, the electrodeposition density on the surface of the lithium metal anode was examined.

상기 전착밀도 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The electrodeposition density evaluation results are shown in Table 1 below.

구분division 리튬전착밀도(g/cc)Lithium electrodeposition density (g/cc) 실시예 2Example 2 0.31-0.320.31-0.32 실시예 11Example 11 0.27-0.300.27-0.30 실시예 12Example 12 0.26-0.280.26-0.28 실시예 16Example 16 0.26-0.270.26-0.27 실시예 17Example 17 0.27-0.290.27-0.29 비교예 1Comparative Example 1 0.18-0.190.18-0.19 비교예 4Comparative Example 4 0.24-0.250.24-0.25

표 1을 참조하여, 실시예 2, 11, 12, 16, 17에 따라 제조된 리튬금속전지에서 전착밀도가 비교예 1, 4의 경우에 비하여 증가되었다. 이로부터 실시예 2, 11, 12, 16, 17에 따라 제조된 리튬금속전지가 비교예 1, 4의 경우에 비하여 리튬 덴드라이트 억제기능이 더 우수함을 알 수 있었다.Referring to Table 1, the electrodeposition density in the lithium metal batteries manufactured according to Examples 2, 11, 12, 16, and 17 was increased compared to Comparative Examples 1 and 4. From this, it was found that the lithium metal batteries manufactured according to Examples 2, 11, 12, 16, and 17 had a better lithium dendrite suppression function than those of Comparative Examples 1 and 4.

평가예Evaluation example 3: 임피던스 측정 3: Impedance measurement

실시예 2에 따라 제조된 리튬금속전지 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 임피던스 분석기(Solartron 1260A Impedance/Gain-Phase Analyzer)를 사용하여 2-프로브(probe)법에 따라 25℃에서 저항을 측정하였다. 진폭 ±10mV, 주파수 범위는 0.1Hz 내지 1MHz 였다.The lithium metal battery manufactured according to Example 2 and the lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 1 were analyzed at 25°C according to the 2-probe method using an impedance analyzer (Solartron 1260A Impedance/Gain-Phase Analyzer). Resistance was measured. The amplitude was ±10 mV and the frequency range was 0.1 Hz to 1 MHz.

상기 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지의 제조 후 경과시간이 24시간일 때 임피던스 측정 결과에 대한 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)을 도 5에 나타내었다. 도 5에서 전극의 계면저항은 반원의 위치 및 크기로 결정된다. 반원의 좌측 x축 절편과 우측 x축 절편의 차이는 전극에서의 계면저항을 나타낸다. A Nyguist plot for the impedance measurement results when the elapsed time after manufacturing the lithium metal battery manufactured according to Example 2 and Comparative Example 1 was 24 hours is shown in FIG. 5. In Figure 5, the interfacial resistance of the electrode is determined by the position and size of the semicircle. The difference between the left x-axis intercept and the right x-axis intercept of the semicircle represents the interfacial resistance at the electrode.

도 5에서 나타난 바와 같이, 실시예 2에 따라 제조된 리튬금속전지는 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지의 계면저항과 비교하여 계면저항이 약간 감소된 것을 알 수 있었다.As shown in Figure 5, the interfacial resistance of the lithium metal battery manufactured according to Example 2 was found to be slightly reduced compared to the interfacial resistance of the lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 1.

평가예Evaluation example 4: 4: 충방전charge/discharge 특성(방전용량) Characteristics (discharge capacity)

1)실시예 1, 14, 15 및 비교예 1, 41) Examples 1, 14, 15 and Comparative Examples 1 and 4

실시예 1, 14 및 15에 따라 제조된 리튬금속전지 및 비교예 1, 4에 따라 제조된 리튬금속전지에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 25℃에서 0.1C rate의 전류로 전압이 4.40V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 이어서 정전압 모드에서 4.40V를 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 이어서, 방전시에 전압이 3.0V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C rate의 정전류로 방전하였다(화성단계, 1st 사이클). 이러한 충방전 과정을 2회 더 실시하여 화성 과정을 완료하였다.For the lithium metal batteries manufactured according to Examples 1, 14, and 15 and the lithium metal batteries manufactured according to Comparative Examples 1 and 4, the voltage was 4.40V ( vs. Li), and then cut-off at a current of 0.05C rate while maintaining 4.40V in constant voltage mode. Subsequently, the discharge was performed at a constant current of 0.1C rate until the voltage reached 3.0V (vs. Li) (formation stage, 1 st cycle). This charging and discharging process was performed two more times to complete the chemical conversion process.

상기 화성 단계를 거친 리튬금속전지를 상온(25℃)에서 리튬 금속 대비 4.4 V의 전압 범위에서 0.7C의 정전류로 충전을 실시한 다음, 0.5C로 3.0V의 컷오프 전압(cut-off voltage)에 도달할 때까지 0.5 rate로 정전류 방전을 수행하였다. 상술한 충방전 과정을 실시하여 충방전 과정을 총 100회 반복적으로 실시하였다. 용량 유지율은 하기 식 1로부터 계산된다.The lithium metal battery that has undergone the above chemical conversion step is charged at room temperature (25°C) with a constant current of 0.7C in a voltage range of 4.4V relative to lithium metal, and then reaches a cut-off voltage of 3.0V at 0.5C. Constant current discharge was performed at a rate of 0.5 until discharge occurred. The charging and discharging process described above was performed repeatedly a total of 100 times. The capacity maintenance rate is calculated from Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

용량유지율(%)= (100th 사이클 방전용량/1st 사이클 방전용량)×100Capacity maintenance rate (%) = (100th cycle discharge capacity/1st cycle discharge capacity) × 100

실시예 1에 따라 제조된 리튬금속전지, 비교예 1 및 비교예 4에 따라 제조된 리튬금속전지의 충방전 특성 평가 결과는 상기 100회 사이클 반복하는 동안 방전용량 변화는 및 쿠울롱 효율은 각각 도 6 및 7에 나타난 바와 같다. The results of evaluating the charge and discharge characteristics of the lithium metal battery manufactured according to Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 4 are as follows. The discharge capacity change and Coulomb efficiency during the 100 cycle repetitions are shown in Figures. As shown in 6 and 7.

도 6 및 도 7로부터 실시예 1에 따라 제조된 리튬금속전지는 비교예 1, 비교예 4에 따라 제조된 리튬금속전지에 비하여 용량 유지율이 개선됨을 알 수 있었다. From Figures 6 and 7, it was found that the capacity retention rate of the lithium metal battery manufactured according to Example 1 was improved compared to the lithium metal battery manufactured according to Comparative Examples 1 and 4.

또한 실시예 14 및 15에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 상기 실시예 1에 따라 제조된 리튬금속전지 및 비교예 1, 4에 따라 제조된 리튬금속전지의 용량 유지율과 동일한 방법에 따라 실시하여 용량 유지율을 평가하였다. In addition, the lithium metal batteries manufactured according to Examples 14 and 15 were performed according to the same method as the capacity retention rate of the lithium metal batteries manufactured according to Example 1 and the lithium metal batteries manufactured according to Comparative Examples 1 and 4 to determine the capacity. Retention rate was evaluated.

평가 결과, 실시예 14 및 15에 따라 제조된 리튬금속전지는 실시예 1에 따라 제조된 리튬금속전지와 거의 동등한 수준을 나타냈다.As a result of the evaluation, the lithium metal batteries manufactured according to Examples 14 and 15 showed almost the same level as the lithium metal batteries manufactured according to Example 1.

평가예Evaluation example 5: 5: 인장탄성율Tensile modulus and 연신율elongation

상기 실시예 1에 따라 제조된 보호막 형성용 조성물을 기재상에 캐스팅하고 캐스팅한 결과물에서 테트라히드로퓨란(THF)을 아르곤 글러브 박스 내에서 24시간 동안에 걸쳐 약 25℃에서 서서히 증발시켰고 진공 하에 25℃에서 24시간 동안 건조시켜 막 형태의 보호막을 제조하였다. 이 때 보호막의 두께는 약 50㎛이었다.The composition for forming a protective film prepared according to Example 1 was casted on a substrate, tetrahydrofuran (THF) from the casting result was slowly evaporated at about 25°C over 24 hours in an argon glove box, and evaporated under vacuum at 25°C. A protective film in the form of a film was prepared by drying for 24 hours. At this time, the thickness of the protective film was about 50㎛.

상기 보호막에 대하여 인장탄성율(tensile modulus)를 DMA800 (TA Instruments사)를 이용하여 측정하고, 보호막 시편은 ASTM standard D412 (Type V specimens)을 통하여 준비하였다. 인장탄성율은 영률(Young’s modulus)이라고도 부른다.The tensile modulus of the protective film was measured using DMA800 (TA Instruments), and protective film specimens were prepared using ASTM standard D412 (Type V specimens). Tensile modulus is also called Young’s modulus.

상기 보호막을 25 oC, 약 30%의 상대습도에서 분당 5 mm의 속도로 응력에 대한 변형 변화를 측정하였다. 측정 결과는 도 8에 나타내었다. 응력-변형 선도(stress-strain curve)의 기울기로부터 인장탄성율을 얻었고 변형 수치로부터 연신율을 얻었다. The change in strain against stress of the protective film was measured at a rate of 5 mm per minute at 25 o C and a relative humidity of about 30%. The measurement results are shown in Figure 8. The tensile modulus was obtained from the slope of the stress-strain curve, and the elongation was obtained from the strain value.

평가 결과, 실시예 1에 따라 제조된 보호막은 인장탄성율 및 연신율 특성이As a result of the evaluation, the protective film prepared according to Example 1 had tensile modulus and elongation characteristics

이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 이러한 특성을 갖는 실시예 1에 따라 제조된 보호막을 이용하면 리튬 금속 음극의 부피변화 및 리튬 덴드라이트 성장이 효과적으로 억제될 수 있다.I could see that this was excellent. Therefore, by using the protective film prepared according to Example 1 having these characteristics, the volume change of the lithium metal anode and the growth of lithium dendrite can be effectively suppressed.

평가예Evaluation example 6: 6: 충방전charge/discharge 특성( characteristic( 율속rate 성능) Performance)

1)실시예 2 및 비교예 11) Example 2 and Comparative Example 1

실시예 2 및 비교예 1에서 각각 제조된 리튬금속전지에 대하여 25℃에서 0.1C rate의 전류로 전압이 4.4V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 이어서 정전압 모드에서 4.4V를 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 이어서, 방전시에 전압이 3.0V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C rate의 정전류로 방전하였다. 이러한 충방전 과정을 2회 더 실시하여 화성 과정을 완료하였다.The lithium metal batteries manufactured in Example 2 and Comparative Example 1 were charged at a constant current of 0.1C rate at 25°C until the voltage reached 4.4V (vs. Li), and then maintained at 4.4V in constant voltage mode. While doing so, a cut-off was made at a current of 0.05C rate. Subsequently, the discharge was performed at a constant current of 0.1C rate until the voltage reached 3.0V (vs. Li). This charging and discharging process was performed two more times to complete the chemical conversion process.

이어서, 하기 표 2의 조건에 따라 각각 정전류(A1) 및 정전압(4.4V, 0.05C cut-off) 조건에서 충전시킨 후 10분간 휴지(rest)하였다. 이어서, 하기 표 2의 조건에 따라 정전류(A2) 조건 하에 3.0V가 될 때까지 방전시켰다. 이와 같이 다른 전류 조건에서 충방전을 실시하여 상기 리튬금속전지의 율속 성능(rate capability)을 평가하였다.Next, it was charged under constant current (A1) and constant voltage (4.4V, 0.05C cut-off) conditions according to the conditions in Table 2 below, and then rested for 10 minutes. Subsequently, it was discharged until 3.0V under constant current (A2) conditions according to the conditions in Table 2 below. In this way, charging and discharging were performed under different current conditions to evaluate the rate capability of the lithium metal battery.

조건 1Condition 1 조건 2Condition 2 조건 3Condition 3 조건 4Condition 4 조건 5Condition 5 조건 6Condition 6 전류 A1(C)Current A1(C) 0.20.2 0.70.7 0.70.7 0.70.7 0.70.7 0.70.7 전류 A2 (C)Current A2 (C) 0.20.2 0.20.2 0.50.5 1.01.0 1.51.5 2.02.0

실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지의 율속 성능을 도 9에 나타내었다.The rate performance of the lithium metal battery manufactured according to Example 2 and Comparative Example 1 is shown in Figure 9.

도 9를 참조하여, 실시예 2에 따라 제조된 리튬금속전지는 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지와 바교하여 율속 성능이 개선된다는 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 9, it was found that the rate performance of the lithium metal battery manufactured according to Example 2 was improved when compared to the lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 1.

2) 실시예 2, 11, 12, 비교예 1, 비교예 42) Examples 2, 11, 12, Comparative Example 1, Comparative Example 4

실시예 2, 11, 12에 따라 제조된 리튬금속전지 및 비교예 1, 4에 따라 제조Lithium metal batteries manufactured according to Examples 2, 11, and 12 and Comparative Examples 1 and 4

된 리튬금속전지에 대하여 25℃에서 0.1C rate의 전류로 전압이 4.4V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 이어서 정전압 모드에서 4.4V를 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 이어서, 방전시에 전압이 3.0V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C rate의 정전류로 방전하였다. 이러한 충방전 과정을 2회 더 실시하여 화성 과정을 완료하였다. 이어서, 정전류(0.7C) 및 전전압(4.4V, 0.05C cut-off) 조건에서 충전시킨 후 10분간 휴지(rest)하였다. 이어서, 정전류 (0.2C 또는 1.5C) 조건 하에 3.0V가 될 때까지 방전시켰다. 즉, 방전 속도를 각각 0.2C 및 1.5C로 변화시킴에 따라 상기 리튬금속전지의 율속 성능(rate capability)을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. C-rate는 셀의 방전 속도로서, 셀의 총 용량을 총 방전시간으로 나누어 얻어진 값을 의미한다. 하기 표 3에서 율속 성능은 하기 식 2에 의해 계산된다.A lithium metal battery is charged at a constant current of 0.1C rate at 25°C until the voltage reaches 4.4V (vs. Li), then maintained at 4.4V in constant voltage mode and cut off at a current of 0.05C rate. -off). Subsequently, the discharge was performed at a constant current of 0.1C rate until the voltage reached 3.0V (vs. Li). This charging and discharging process was performed two more times to complete the chemical conversion process. Next, it was charged under constant current (0.7C) and full voltage (4.4V, 0.05C cut-off) conditions and rested for 10 minutes. Then, it was discharged to 3.0V under constant current (0.2C or 1.5C) conditions. That is, the rate capability of the lithium metal battery was evaluated by changing the discharge rate to 0.2C and 1.5C, respectively. The results are shown in Table 2 below. C-rate is the discharge rate of the cell, which is a value obtained by dividing the total capacity of the cell by the total discharge time. In Table 3 below, the rate performance is calculated by Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

율속 성능(%) = [(1.5C에서의 방전용량)/(0.2C에서의 방전용량)]×00Rate performance (%) = [(discharge capacity at 1.5C)/(discharge capacity at 0.2C)]×00

구분division 율속 성능(%)(1.5C/0.2C)Rate performance (%) (1.5C/0.2C) 실시예 2Example 2 94.2594.25 실시예 11Example 11 9292 실시예 12Example 12 94.2594.25 비교예 1Comparative Example 1 9191 비교예 4Comparative Example 4 9191

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 2, 11, 12에 따라 제조된 리튬금속전지는 비교예 1 및 비교예 4의 리튬금속전지와 비교하여 율속 성능이 개선됨을 알 수 있었다.As shown in Table 3, it was found that the rate performance of the lithium metal batteries manufactured according to Examples 2, 11, and 12 was improved compared to the lithium metal batteries of Comparative Examples 1 and 4.

평가예Evaluation example 7: 7: 리튬 이온 전달Lithium ion delivery 상수 a constant

1)실시예 2, 11, 12, 비교예 1 및 4 1) Examples 2, 11, 12, Comparative Examples 1 and 4

상기 실시예 2, 11, 12에서 사용된 보호막을 리튬 금속 박막 사이에 개재하고 전해질을 부가하여 Li/Li 대칭셀(symmetric cell)을 각각 제조하였다. 상기 전해질로는 액체 전해질로는 2:8 부피비의 1,2-디메톡시에탄DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(TTE)의 혼합 용매에 1.0M LiFSI가 용해된 전해액을 이용하였다.Li/Li symmetric cells were manufactured by interposing the protective film used in Examples 2, 11, and 12 between lithium metal thin films and adding an electrolyte. The liquid electrolyte includes 1,2-dimethoxyethane DME) and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE) at a volume ratio of 2:8. ) An electrolyte solution containing 1.0M LiFSI dissolved in a mixed solvent was used.

상기 대칭셀과 비교를 위하여 비교예 1의 리튬 금속 박막과 비교예 4의 리튬 금속 음극을 각각 이용하고 이를 전해질과 함께 조립하여 대칭셀을 제조하였다. For comparison with the symmetric cell, the lithium metal thin film of Comparative Example 1 and the lithium metal anode of Comparative Example 4 were used and assembled together with an electrolyte to manufacture a symmetric cell.

상기 대칭셀을 25℃에서 리튬 이온 전달 상수(lithium ion transference number)(tLi+)를 측정하여 그 결과의 일부를 하기 표 4에 나타내었다.The lithium ion transference number (t Li+ ) of the symmetric cell was measured at 25°C, and some of the results are shown in Table 4 below.

리튬 이온 전달 상수는 하기 식 2에 의하여 계산될 수 있다. 리튬 이온 전달 상수 계산에 필요한 값들은 리튬 대칭셀에 대한 임피던스 및 인풋 전압에 대하여 시간에 따라 감소하는 전류값(current decay)을 측정하여 사용하였다 (Electrochimica Acta 93 (2013) 254).The lithium ion transfer constant can be calculated by Equation 2 below. The values needed to calculate the lithium ion transfer constant were used by measuring the current decay over time with respect to the impedance and input voltage for the lithium symmetric cell (Electrochimica Acta 93 (2013) 254).

[식 3][Equation 3]

식 3 중, io는 초기 전류, iss는 정류상태(steady state) 전류, R0는 초기 저항, Rss는 정류상태 저항이고, △V는 전압 차이이다.In equation 3, i o is the initial current, iss is the steady state current, R 0 is the initial resistance, R ss is the steady state resistance, and △V is the voltage difference.

구분division 리튬이온전달상수(tLi +)Lithium ion transfer constant (t Li + ) 실시예 2Example 2 0.75-0.800.75-0.80 실시예 11Example 11 0.67-0.700.67-0.70 실시예 12Example 12 0.74-0.760.74-0.76 비교예 1Comparative Example 1 0.56-0.580.56-0.58 비교예 4Comparative Example 4 0.62-0.650.62-0.65

표 4를 참조하여, 실시예 2, 11 및 12의 보호막은 비교예 1 및 4의 경우에 비하여 리튬 이온 전달 상수가 증가된 것으로 보아 리튬 이온 이동율이 향상됨을 알 수 있었다.Referring to Table 4, it was found that the lithium ion transfer constant of the protective films of Examples 2, 11, and 12 was increased compared to Comparative Examples 1 and 4, indicating that the lithium ion transfer rate was improved.

평가예Evaluation example 8: 셀 전압 8: Cell voltage

상기 실시예 2에 따라 제조된 보호막을 리튬 금속 박막 사이에 개재하고 전해질을 부가하여 Li/Li 대칭셀(symmetric cell)을 각각 제조하였다. 상기 전해질로는 2:8 부피비의 1,2-디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(TTE)의 혼합 용매에 1.0M LiFSI가 용해된 전해액을 이용하였다.Li/Li symmetric cells were manufactured by interposing the protective film prepared according to Example 2 between lithium metal thin films and adding an electrolyte. The electrolyte is a mixture of 1,2-dimethoxyethane (DME) and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE) at a volume ratio of 2:8. An electrolyte solution containing 1.0M LiFSI dissolved in a solvent was used.

상기 대칭셀과 비교를 위하여 비교예 1에서 사용된 리튬 금속 박막과 전해질을 조립하여 대칭셀을 제조하였다. For comparison with the symmetric cell, a symmetric cell was manufactured by assembling the lithium metal thin film and electrolyte used in Comparative Example 1.

상기 각각의 대칭셀에 대하여 리튬-리튬 셀이므로 1C/1C의 정전류로 충방전을 실시하였다. 이 때, 전압범위는 -1 ~ 1 V 이었다.For each symmetric cell above Since it is a lithium-lithium cell, charging and discharging was performed at a constant current of 1C/1C. At this time, the voltage range was -1 to 1 V.

상기 대칭셀의 시간에 따른 셀 전압 변화를 조사하여 도 10에 나타내었다.The cell voltage change over time of the symmetric cell was investigated and shown in FIG. 10.

도 10에 나타난 바와 같이, 실시예 2에 따라 제조된 보호막을 채용한 대칭셀은 비교예 1의 리튬 금속 박막을 이용한 대칭셀과 비교하여 시간 경과에 따른 셀 전압 변화의 감소가 작다는 것을 알 수 있었다. As shown in Figure 10, it can be seen that the symmetrical cell employing the protective film manufactured according to Example 2 has a small decrease in cell voltage change over time compared to the symmetrical cell using the lithium metal thin film of Comparative Example 1. there was.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 일구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. In the above, an embodiment has been described with reference to the drawings and examples, but this is merely an example, and those skilled in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible. will be. Therefore, the scope of protection of the present invention should be determined by the appended claims.

10, 20: 리튬 금속 음극 11, 21: 보호막
12, 22a: 액체 전해질 22b: 고체 전해질
22: 전해질 13, 23: 양극
10, 20: lithium metal cathode 11, 21: protective film
12, 22a: liquid electrolyte 22b: solid electrolyte
22: electrolyte 13, 23: anode

Claims (23)

리튬 금속 음극;
상기 리튬 금속 음극 상부에 배치되며, 고분자, 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제를 포함하는 보호막;
양극; 및
상기 보호막과 양극 사이에 개재된 액체 전해질을 포함하며,
상기 1족 원소 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제는 액체 전해질의 유기용매에 불용성이며,
상기 1족 원소 또는 2족 원소를 함유하는 금속염은 Cs, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, 및 Mg 중에서 선택된 하나 이상을 함유하는 금속염인, 리튬금속전지.
Lithium metal cathode;
a protective film disposed on the lithium metal anode and including a polymer, a metal salt containing a Group 1 or Group 2 element, and a nitrogen-containing additive;
anode; and
It includes a liquid electrolyte interposed between the protective film and the anode,
The metal salt and nitrogen-containing additive containing the Group 1 element or Group 2 element are insoluble in the organic solvent of the liquid electrolyte,
A lithium metal battery, wherein the metal salt containing the Group 1 element or the Group 2 element is a metal salt containing one or more selected from Cs, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, and Mg.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 1족 원소 또는 2족 원소를 함유하는 금속염은 Cs 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드{CsTFSI: Cs(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)}, CsNO3, CsPF6, Cs 비스(플루오로술포닐)이미드{CsFSI: Cs(bis(fluorosulfonyl)imide)}, CsAsF6, CsClO4, CsBF4, RbTFSI, RbNO3, RbPF6, RbFSI, RbAsF6, RbClO4, RbBF4, KTFSI, KNO3, KPF6, KFSI, KAsF6, KClO4, KBF4, NaTFSI, NaNO3, NaPF6, NaFSI, NaAsF6, NaClO4, NaBF4, Ba(TFSI)2, Ba(NO3)2, Ba(PF6)2, Ba(FSI)2, Ba(AsF6)2, Ba(ClO4)2, Ba(BF4)2, Sr(TFSI)2, Sr(NO3)2, Sr(PF6)2, Sr(FSI)2, Sr(AsF6)2, Sr(ClO4)2, Sr(BF4)2, Ca(TFSI)2, Ca(NO3)2, Ca(PF6)2, Ca(FSI)2, Ca(AsF6)2, Ca(ClO4)2, Ca(BF4)2, Mg(TFSI)2, Mg(NO3)2, Mg(PF6)2, Mg(FSI)2, Mg(AsF6)2, Mg(ClO4)2 및 Mg(BF4)2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, TFSI는 비스트리플루오로메틸술포닐이미드 를 나타내고, FSI는 비스플루오로술포닐이미드를 나타내는 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
The metal salt containing the Group 1 element or the Group 2 element is Cs bis(trifluoromethylsulfonyl)imide {CsTFSI: Cs(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)}, CsNO 3 , CsPF 6 , Cs bis(fluorosulfonyl)imide Ponyl) imide {CsFSI: Cs(bis(fluorosulfonyl)imide)}, CsAsF 6 , CsClO 4 , CsBF 4 , RbTFSI, RbNO 3 , RbPF 6 , RbFSI, RbAsF 6 , RbClO 4 , RbBF 4 , KTFSI, KNO 3 , KPF 6 , KFSI, KAsF 6 , KClO 4 , KBF 4 , NaTFSI, NaNO 3 , NaPF 6 , NaFSI, NaAsF 6 , NaClO 4 , NaBF 4 , Ba(TFSI) 2 , Ba(NO 3 ) 2 , Ba(PF 6 )2, Ba(FSI) 2 , Ba(AsF 6 ) 2 , Ba(ClO 4 ) 2 , Ba(BF 4 ) 2 , Sr(TFSI) 2 , Sr(NO 3 ) 2 , Sr(PF 6 )2, Sr(FSI) 2 , Sr(AsF 6 ) 2 , Sr(ClO 4 ) 2 , Sr(BF 4 ) 2 , Ca(TFSI) 2 , Ca(NO 3 ) 2 , Ca(PF 6 )2, Ca(FSI) ) 2 , Ca(AsF 6 ) 2 , Ca(ClO 4 ) 2 , Ca(BF 4 ) 2 , Mg(TFSI) 2 , Mg(NO 3 ) 2 , Mg(PF 6 )2, Mg(FSI) 2 , At least one selected from the group consisting of Mg(AsF 6 ) 2 , Mg(ClO 4 ) 2 and Mg(BF 4 ) 2 , TFSI represents bistrifluoromethylsulfonylimide, and FSI represents bisfluorosulfonyl Lithium metal battery representing imide.
제1항에 있어서,
상기 질소 함유 첨가제는 무기 나이트레이트(inorganic nitrate), 유기 나이트레이트(organic nitrate), 무기 나이트라이트(inorganic nitrite), 유기 나이트라이트(organic nitrite), 유기 니트로 화합물, 유기 니트로소 화합물, N-O 화합물 및 질화리튬(Li3N)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
The nitrogen-containing additive includes inorganic nitrate, organic nitrate, inorganic nitrite, organic nitrite, organic nitro compound, organic nitroso compound, NO compound and nitride. At least one lithium metal battery selected from the group consisting of lithium (Li 3 N).
제4항에 있어서,
상기 무기 나이트레이트가 리튬 나이트레이트, 포타슘 나이트레이트, 세슘 나이트레이트, 바륨 나이트레이트 및 암모늄 나이트레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
상기 유기 나이트레이트가 C1 내지 C20 디알킬 이미다졸륨 나이트레이트, 구아니딘 나이트레이트, 에틸 나이트라이트, 프로필 나이트라이트, 부틸 나이트라이트, 펜틸 나이트라이트, 및 옥틸 나이트라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
유기 나이트라이트는 에틸 나이트라이트, 프로필 나이트라이트, 부틸 나이트라이트, 펜틸 나이트라이트, 및 옥틸 나이트라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
상기 유기 니트로 화합물은 니트로메탄, 니트로프로판, 니트로부탄, 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔 및 니트로피리딘으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
상기 N-O 화합물이 피리딘 N-옥사이드, C1 내지 C20 알킬피리딘 N-옥사이드, 및 테트라메틸 피페리딘 N-옥실(TEMPO)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 인 리튬금속전지.
According to paragraph 4,
The inorganic nitrate is at least one selected from the group consisting of lithium nitrate, potassium nitrate, cesium nitrate, barium nitrate, and ammonium nitrate,
The organic nitrate is at least one selected from the group consisting of C1 to C20 dialkyl imidazolium nitrate, guanidine nitrate, ethyl nitrite, propyl nitrite, butyl nitrite, pentyl nitrite, and octyl nitrite,
The organic nitrite is one or more selected from the group consisting of ethyl nitrite, propyl nitrite, butyl nitrite, pentyl nitrite, and octyl nitrite,
The organic nitro compound is at least one selected from the group consisting of nitromethane, nitropropane, nitrobutane, nitrobenzene, dinitrobenzene, nitrotoluene, dinitrotoluene, and nitropyridine,
A lithium metal battery wherein the NO compound is at least one selected from the group consisting of pyridine N-oxide, C1 to C20 alkylpyridine N-oxide, and tetramethyl piperidine N-oxyl (TEMPO).
제1항에 있어서,
상기 보호막에서 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 100 중량부인 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
A lithium metal battery in which the content of a metal salt containing a group 1 or 2 element and a nitrogen-containing additive in the protective film is 0.1 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer.
제1항에 있어서,
상기 보호막에서 상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 99.99 중량부이고,
상기 질소 함유 첨가제의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 99.99 중량부인 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
The content of the metal salt containing the Group 1 or Group 2 element in the protective film is 0.01 to 99.99 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer,
A lithium metal battery in which the content of the nitrogen-containing additive is 0.01 to 99.99 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer.
제1항에 있어서,
상기 보호막에서 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제의 혼합중량비는 1:9 내지 9:1인 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
A lithium metal battery in which the mixing weight ratio of the metal salt containing a Group 1 or Group 2 element and the nitrogen-containing additive in the protective film is 1:9 to 9:1.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 호모폴리머, 블록 공중합체, 및 그래프트 공중합체 중에서 선택된 하나 이상의 고분자 또는 그 혼합물인 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
A lithium metal battery wherein the polymer is one or more polymers selected from homopolymers, block copolymers, and graft copolymers, or a mixture thereof.
제9항에 있어서,
상기 호모폴리머가 폴리비닐알콜, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리프로필메타크릴레이트, 폴리프로필아크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리펜틸메타크릴레이트, 폴리펜틸아크릴레이트, 폴리시클로헥실메타크릴레이트, 폴리시클로헥실아크릴레이트, 폴리헥실메타크릴레이트, 폴리헥실아크릴레이트, 폴리글리시딜아크릴레이트, 폴리글리시딜메타크릴레이트 및 폴리아크릴로니트릴 중에서 선택된 하나 이상인 리튬금속전지.
According to clause 9,
The homopolymer is polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl methacrylate, polyethyl acrylate, polypropyl methacrylate, polypropyl acrylate, polybutyl acrylate, and polybutyl methacrylate. rate, polypentyl methacrylate, polypentyl acrylate, polycyclohexyl methacrylate, polycyclohexyl acrylate, polyhexyl methacrylate, polyhexyl acrylate, polyglycidyl acrylate, polyglycidyl methacrylate A lithium metal battery comprising at least one selected from polyacrylonitrile and polyacrylonitrile.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 제1고분자 블록과 제2고분자 블록을 포함하는 블록 공중합체이며,
상기 제1고분자 블록은 폴리스티렌, 수소화된 폴리스티렌, 폴리메타크릴레이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리비닐피리딘, 폴리비닐사이클로헥산, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(4-메틸-1-펜텐), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 폴리(이소부틸 메타크릴레이트), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리디메틸실록산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리말레산, 폴리말레산무수물, 폴리메타크릴산, 폴리(터트부틸비닐에테르), 폴리(사이클로헥실 메타크릴레이트), 폴리(사이클로헥실 비닐 에테르), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리디비닐벤젠 중에서 선택된 하나 이상이거나 또는 상술한 고분자를 구성하는 반복단위를 2종 이상 포함하는 고분자이고,
상기 제2고분자 블록은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리2-에틸헥실 아크릴레이트, 폴리부틸 메타크릴레이트, 폴리2-에틸헥실메타크릴레이트, 폴리데실아크릴레이트, 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리이미드, 폴리아민, 폴리아미드, 폴리(C1-C20 알킬카보네이트), 폴리니트릴, 폴리포스파진(polyphosphazines), 폴리올레핀, 폴리디엔(polydienes), 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리이소부틸렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
The polymer is a block copolymer containing a first polymer block and a second polymer block,
The first polymer block is polystyrene, hydrogenated polystyrene, polymethacrylate, poly(methyl methacrylate), polyvinylpyridine, polyvinylcyclohexane, polyimide, polyamide, polyethylene, polybutylene, polypropylene, poly (4-methyl-1-pentene), poly(butylene terephthalate), poly(isobutyl methacrylate), poly(ethylene terephthalate), polydimethylsiloxane, polyacrylonitrile, polymaleic acid, polymaleic acid Anhydride, polymethacrylic acid, poly(tertbutyl vinyl ether), poly(cyclohexyl methacrylate), poly(cyclohexyl vinyl ether), polyvinylidene fluoride, polydivinylbenzene, or one or more of the above-mentioned It is a polymer that contains two or more types of repeating units that make up the polymer,
The second polymer block is polyethylene oxide, polypropylene oxide, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polydimethylsiloxane, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, poly 2- Ethylhexyl acrylate, polybutyl methacrylate, poly2-ethylhexyl methacrylate, polydecyl acrylate, polyethylene vinyl acetate, polyimide, polyamine, polyamide, poly(C1-C20 alkyl carbonate), polynitrile, poly. A lithium metal battery comprising at least one selected from the group consisting of polyphosphazines, polyolefins, polydienes, polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyisobutylene, polyurethane, polyethylene, polybutylene, and polypropylene.
제1항에 있어서,
상기 리튬 금속 음극과 보호막 사이에 이온 전도성 피막이 더 포함되는 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
A lithium metal battery further comprising an ion conductive film between the lithium metal negative electrode and the protective film.
제1항에 있어서,
상기 보호막에서 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제의 함량은 액체 전해질에서 리튬 금속 음극에 인접된 영역으로 갈수록 증가하는 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
A lithium metal battery in which the content of a metal salt containing a group 1 or 2 element and a nitrogen-containing additive in the protective film increases from the liquid electrolyte to the area adjacent to the lithium metal negative electrode.
제1항에 있어서,
상기 보호막이 무기 입자, 이온성 액체, 고분자 이온성 액체 및 올리고머 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
A lithium metal battery wherein the protective film further includes at least one selected from inorganic particles, ionic liquid, polymer ionic liquid, and oligomer.
제14항에 있어서,
상기 무기입자는 SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3, BaTiO3, 케이지 구조의 실세스퀴옥산 및 금속-유기 골격 구조체(Metal-Orgainc Framework: MOF)로부터 선택된 하나 이상인 리튬금속전지.
According to clause 14,
The inorganic particles are one or more selected from SiO 2 , TiO 2 , ZnO, Al 2 O 3 , BaTiO 3 , cage-structured silsesquioxane, and a metal-organic framework (MOF). Lithium metal battery.
제14항에 있어서,
상기 무기입자의 함량은 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 40 중량부인 리튬금속전지.
According to clause 14,
A lithium metal battery in which the content of the inorganic particles is 1 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer.
제14항에 있어서,
상기 이온성 액체가 i)암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계 및 트리아졸리움(triazolium)계 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과,
ii)BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, HSO4 -, ClO4 -, CH3SO3 -, CF3CO2 -, Cl-, Br-, I-, SO4 2-, PF6 -, CF3SO3 -, (FSO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, 및 (CF3SO2)2N- 중에서 선택된 적어도 하나로부터 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하는 화합물 중에서 선택된 하나 이상인 리튬금속전지.
According to clause 14,
The ionic liquid is i) ammonium-based, pyrrolidinium-based, pyridinium-based, pyrimidinium-based, imidazolium-based, piperidinium-based, pyrazolium-based, oxazolium-based, pyridazinium-based, phosphonium-based, sulfonium-based and At least one cation selected from the triazolium system,
ii)BF 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , SbF 6 - , AlCl 4 - , HSO 4 - , ClO 4 - , CH 3 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , Cl - , Br - , I - , SO 4 2- , PF 6 - , CF 3 SO 3 - , (FSO 2 ) 2 N - , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N - , (C 2 F 5 SO 2 )(CF 3 SO 2 ) A lithium metal battery comprising at least one compound containing at least one anion selected from N - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - .
제1항에 있어서,
상기 액체 전해질이 리튬염과 유기용매를 포함하며,
상기 유기용매가 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시에탄, 디메틸렌글리콜디메틸에테르, 트리메틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜디메틸에테르, 숙시노니트릴, 술포레인, 디메틸술폰, 에틸메틸술폰, 디에틸술폰, 아디포나이트릴, 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
The liquid electrolyte contains lithium salt and an organic solvent,
The organic solvent is ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, fluoroethylene carbonate, 1,2-dimethoxy ethane, 1,2-diethoxyethane, dimethylene glycol dimethyl ether, and trimethylene glycol dimethyl ether. , triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, succinonitrile, sulfolane, dimethyl sulfone, ethyl methyl sulfone, diethyl sulfone, adiponitrile, and 1,1,2,2 -A lithium metal battery containing at least one selected from tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether.
제1항에 있어서,
상기 보호막의 두께가 1 내지 20㎛인 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
A lithium metal battery wherein the protective film has a thickness of 1 to 20 μm.
제1항에 있어서,
상기 질소 함유 첨가제가 LiNO3 및 Li3N 중에서 선택된 하나 이상이고,
상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염이 세슘비스트리플루오로메틸술포닐이미드(CsTFSI), CsNO3, CsPF6, CsFSI, CsAsF6, CsClO4, 및 CsBF4중에서 선택된 하나 이상인 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
The nitrogen-containing additive is at least one selected from LiNO 3 and Li 3 N,
A lithium metal battery in which the metal salt containing the Group 1 or Group 2 element is at least one selected from cesium bistrifluoromethylsulfonylimide (CsTFSI), CsNO 3 , CsPF 6 , CsFSI, CsAsF 6 , CsClO 4 , and CsBF 4 .
제1항에 있어서,
상기 리튬금속전지가 세퍼레이터, 고체 전해질, 겔 전해질 및 고분자 이온성 액체(polymer ionic liquid) 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 리튬금속전지.
According to paragraph 1,
A lithium metal battery wherein the lithium metal battery further includes one or more selected from a separator, a solid electrolyte, a gel electrolyte, and a polymer ionic liquid.
고분자, 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제를 혼합하여 보호막 형성용 조성물을 얻는 단계;
상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 음극에 공급하여 보호막 형성용 조성물이 공급된 리튬 금속 음극을 얻는 단계; 및
상기 보호막 형성용 조성물이 공급된 리튬 금속 음극을 건조하여 보호막을 형성하는 단계;를 포함하는 제1항, 제3항 내지 제21항중 어느 한 항의 리튬금속전지의 리튬 금속 음극을 보호하는 방법.
Obtaining a composition for forming a protective film by mixing a polymer, a metal salt containing a group 1 or 2 element, and a nitrogen-containing additive;
supplying the composition for forming a protective film to a lithium metal anode to obtain a lithium metal anode supplied with the composition for forming a protective film; and
A method of protecting a lithium metal anode of a lithium metal battery according to any one of claims 1, 3 to 21, comprising the step of drying the lithium metal anode supplied with the composition for forming a protective film to form a protective film.
제22항의 방법에 따라 제조된 보호막. A protective film manufactured according to the method of claim 22.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102268175B1 (en) 2017-03-15 2021-06-22 주식회사 엘지에너지솔루션 Negative electrode for lithium secondary battery, method for preparing the same and lithium secondary battery comprising the same
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KR102148508B1 (en) 2017-07-26 2020-08-26 주식회사 엘지화학 Lithium Metal Electrode and Method for Preparing the Same
WO2019055303A2 (en) * 2017-09-15 2019-03-21 Sion Power Corporation Protective membrane for electrochemical cells
CN111201645B (en) 2017-10-16 2023-07-25 株式会社Lg新能源 Lithium electrode and lithium secondary battery comprising same
WO2019093851A1 (en) * 2017-11-13 2019-05-16 주식회사 엘지화학 Negative electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same
KR102315390B1 (en) 2017-11-13 2021-10-20 주식회사 엘지화학 A negative electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same
KR102464823B1 (en) * 2017-12-04 2022-11-07 주식회사 엘지에너지솔루션 Anode for lithium metal battery, manufacturing method of the same, lithium metal battery including the same
KR102305481B1 (en) 2017-12-04 2021-09-27 주식회사 엘지에너지솔루션 Lithium Metal Electrode, Method for Preparing the Same and Lithium Secondary Battery
KR102244917B1 (en) 2018-07-30 2021-04-27 주식회사 엘지화학 Lithium metal electrode and lithium secondary battery comprising the same
WO2020060293A1 (en) * 2018-09-21 2020-03-26 주식회사 엘지화학 Composition for gel polymer electrolyte and lithium secondary battery comprising gel polymer electrolyte formed therefrom
KR102415166B1 (en) 2019-01-11 2022-06-29 주식회사 엘지에너지솔루션 Lithium Metal Electrode and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR102488680B1 (en) * 2019-03-08 2023-01-17 주식회사 엘지에너지솔루션 Negative Electrode for Lithium Secondary Battery, Method for Preparing the Same and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR20200132708A (en) 2019-05-17 2020-11-25 한양대학교 산학협력단 Metal secondary battery including metal electrode having dendrite- and oxygen-proof protective layer thereon
CN110808358B (en) * 2019-11-03 2022-11-18 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 Polyurethane-protected metal cathode with rigid framework confinement function and preparation method thereof
KR20210114653A (en) 2020-03-11 2021-09-24 한양대학교 산학협력단 Surface treatment method of lithium metal and lithium metal battery comprising the lithium metal surface-treated thereby
KR20210114654A (en) 2020-03-11 2021-09-24 한양대학교 산학협력단 Surface coating method of lithium metal and lithium metal battery comprising the lithium metal coated thereby
KR20210114655A (en) 2020-03-11 2021-09-24 한양대학교 산학협력단 Method for treating surface of lithium metal and lithium metal battery comprising the lithium metal surface-treated thereby
KR20210115979A (en) 2020-03-17 2021-09-27 한양대학교 산학협력단 Additive for electrolyte, the electrolyte and lithium metal battery comprising the same
CN112117492A (en) * 2020-10-16 2020-12-22 江苏师范大学 Organic ester electrolyte additive, electrolyte containing additive, lithium metal battery and application
KR20220086820A (en) 2020-12-17 2022-06-24 한국전기연구원 Method for manufacturing a three-dimensional porous electrode in which a thin protective layer is formed through an electrodeposition coating, a three-dimensional porous electrode manufactured from the method, and a lithium secondary battery containing the same
KR20220169605A (en) * 2021-06-21 2022-12-28 주식회사 엘지에너지솔루션 Negative electrode for lithium secondary battery, method for preparing the same and lithium seconday battery comprising the same
CN114628775A (en) * 2021-07-08 2022-06-14 万向一二三股份公司 LATP composite positive plate with low interface internal resistance, preparation method and all-solid-state lithium ion battery
CN114551790B (en) * 2021-07-08 2024-01-05 万向一二三股份公司 Three-electrode all-solid-state lithium ion battery and preparation method thereof
CN114914401A (en) * 2022-03-16 2022-08-16 宁德新能源科技有限公司 Lithium metal battery and application thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070117007A1 (en) * 2005-11-23 2007-05-24 Polyplus Battery Company Li/air non-aqueous batteries
US20110033755A1 (en) * 2008-04-21 2011-02-10 Seeo, Inc Protected lithium metal electrodes for rechargeable batteries

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9577289B2 (en) * 2012-12-17 2017-02-21 Sion Power Corporation Lithium-ion electrochemical cell, components thereof, and methods of making and using same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070117007A1 (en) * 2005-11-23 2007-05-24 Polyplus Battery Company Li/air non-aqueous batteries
US20110033755A1 (en) * 2008-04-21 2011-02-10 Seeo, Inc Protected lithium metal electrodes for rechargeable batteries

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