KR102639468B1 - 설페이트 또는 설포네이트 용제 중의 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조방법 - Google Patents
설페이트 또는 설포네이트 용제 중의 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 설포네이트 또는 설페이트 용제 중에서 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염을 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염, 및 설포네이트 또는 설페이트 용제를 포함하는 전해액 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 설포네이트 또는 설페이트 용제 중에서 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염을 제조하는 방법에 관한 것이다.
모바일 기기의 대중화, 전기자동차의 상용화 및 전기저장 장치의 수요 증가에 따라 고출력, 고에너지 밀도, 고방전 전압 등의 성능을 갖춘 이차전지가 개발되고 있다. 특히 리튬이온 이차전지는 고에너지 밀도를 가지기 때문에 이동통신기기용 전원, 휴대용 정보단말용 전원 등으로 이용되고, 단말의 보급과 함께 그 시장이 급속하게 성장하고 있다. 이러한 리튬 이차전지는 높은 구동 전압에서 작동되므로 리튬과 반응성이 높은 수계 전해액이 사용될 수 없다. 리튬 이차전지에는 비수계 전해액, 즉 유기전해액이 사용된다.
리튬 이차전지는 비수계 전해액과 함께 음극, 양극 및 분리막을 포함한다.
이차전지에서 비수계 전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬이온 이동을 위한 매질 역할을 하면서 전지의 열적, 전기적, 물리적 안전성을 향상시키는 기능을 하는 것으로 비수계 용매(solvent), 전해질염과 함께 다양한 첨가제(additive)로 이루어져 있다. 첨가제(additive)는 무수히 많이 존재하며 SEI(solid electrolyte interphase) 생성과 관련이 있다. 전해질염으로는 주로 LiPF6가 사용되고 있으나 최근 우수한 저온특성, 순간 고출력, 낮은 저항값 등에서 탁월한 성능을 보유하고 있는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 사용이 늘고 있고 이의 대표적인 물질이 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI)이다.
비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조방법으로서, 캐나다 공개특허공보 25207802 에서는 불화 수소 존재 하, 오토클레이브 중에서, 비스(플루오로설포닐)이미드와 불화 리튬을 반응시키는 것에 의해, 수율 99% 이상으로 비스(플루오로설포닐)이미드 리튬염이 수득된 것이 기재되어 있다. 그러나 이 방법은 불화수소를 사용하여, 반응 용기에 대한 부식성이 높다는 단점이 있다. 한편, 등록특허공보 10-1345271에서는 유기용매에서 암모늄 비스(플루오로설포닐)이미드와 알칼리금속염을 반응시켜 양이온 교환반응에 의하여 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리 금속염을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 이 방법은 유기용매의 제거 과정에 다량의 에너지가 필요하고 또 다양한 불순물이 생성되어 잔류하는 문제가 있다.
이에 본 발명의 과제는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염을 제조함에 있어서, 불화수소를 사용하지 않고, 또한 용매 제거 과정없이 제조된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염과 용매를 전해액으로 사용할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다. 또한 조해성이 있는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염이 수분과 접촉하는 것을 차단하여 수분 흡수가 없는 이차전지 전해액을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 과제는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조가 충분한 속도로 진행되어 부반응이 감소할 수 있도록 하기 위하여 반응물 및 생성물에 대한 용해도가 우수한 용매를 이용하여 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적 달성을 위하여 본 발명은,
설포네이트 및 설페이트 용제류 중에 선택되어지는 1종이상의 용제를 포함하는 반응용액 중에서 비스(플루오로설포닐)이미드(HFSI)와 알칼리금속플로라이드(MF)를 반응시키는 것을 특징으로 하는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 생성된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 고상으로의 회수 공정이 없는 것을 특징으로 하는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법을 제공한다.
상기 비스(플루오로설포닐)이미드에 대한 상기 알칼리금속플로라이드의 몰비는 1.00 초과인 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법은 상기 반응 후의 반응용액을 여과하는 정제공정을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법은 감압 및/또는 가열에 의한 상기 반응용액 중의 휘발성 물질을 제거하는 단계가 포함될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 제조방법으로 제조된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염, 및 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 포함하는 이차전지 비수계 전해액용 조성물을 제공한다.
본 발명은 상기 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조방법에 의해, 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염, 및 설포네이트 또는 설페이트를 포함하는 용액을 얻은 후, 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 회수 및 건조공정을 거치지 않고, 상기 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염, 및 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 포함하는 비수계 전해액용 조성물을 전해액의 조제에 사용하는 것을 특징으로 하는 이차전지 비수계 전해액 제조방법을 제공한다.
본 발명은 본 발명의 제조방법으로 제조된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염, 및 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 포함하는 이차전지 비수계 전해액용 조성물을 포함하는 이차전지 비수계 전해액을 제공한다.
본 발명에 의하면, 반응 후에 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염을 고체로 얻기 위해 용매를 제거하는 과정을 포함하지 않으므로 용매 제거 과정에서 발생하는 부산물의 생성을 저감시킬 수 있고 또한 용매 제거를 위한 에너지 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염 제조 반응이 충분한 속도로 진행되어 부생성물이 저감된 생성물을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명에서 수득되는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염은 비수계 전해액에 사용되는 유기용매를 포함한 용액상으로 수득되기 때문에 그대로, 또는 희석하는 것만으로, 비수계 전해액을 얻을 수 있어서 비수계 전해액 제조 효율성을 높일 수 있다.
또한 비스(플루오로로설포닐)이미드 알칼리금속염을 고체로 회수하지 않고 용액상으로 전해액의 원료로 사용하고 이때의 수분은 50ppm이하여서 이를 이용하여 전해액을 제조하는 경우 전지의 수명을 연장하는 효과가 있다.
이하， 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명자들은 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조가 충분한 속도로 진행되어 부반응이 감소할 수 있도록 하기 위하여 반응물 및 생성물에 대한 용해도가 우수한 용매로, 상기 용매의 제거 없이 생성된 용액을 그대로 전해액으로 사용할 수 있는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염 제조 방법을 제공하고 노력하였다. 그 결과 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조에 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 사용하는 경우 상기 목적이 달성되는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 설포네이트 또는 설페이트 용제류 중에 선택되는 1종이상의 용제를 포함하는 반응용액 중에서 비스(플루오로설포닐)이미드(HFSI)와 알칼리금속플로라이드(MF)를 반응시켜 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은
(a) 설포네이트 또는 설페이트 용제류 중에서 선택되는 1종 이상의 용제 중에서 비스(플루오로설포닐)이미드와 알칼리금속플로라이드를 반응시키는 단계
(b) 단계 (a)의 반응용액을 여과하여 여과액을 얻는 단계를 포함하는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 생성된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 고상으로의 회수 공정이 없는 것을 특징으로 하는 제조 방법을 제공한다.
상기 알칼리금속(M)은 Li, Na, K 또는 Cs 일 수 있고, 바람직하게는 Li이다.
비스(플루오로설포닐)이미드는 시판 중인 것을 사용할 수 있고 공지의 방법으로 합성하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 비스(클로로설포닐)이미드로부터 불소화제를 사용해서 비스(플루오로설포닐)이미드를 합성하는 방법을 들 수 있다. 요소와 플루오로설폰산을 사용해서 비스(플루오로설포닐)이미드를 합성하는 방법도 있다.
본 발명은 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조에 설포네이트 또는 설페이트 용제류 중에서 선택되는 1종 이상의 용제 중에서 비스(플루오로설포닐)이미드(HFSI)와 불소화 시약으로 알칼리금속플로라이드(MF)를 반응시키는 것으로 설포네이트 또는 설페이트 용제류는 알칼리금속플로라이드를 충분한 정도로 용해시킬 수 있어서 반응속도 향상 효과가 있다.
본 발명은 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조를 위하여 비스(플루오로설포닐)이미드(HFSI)에 알칼리금속플로라이드(MF)를 반응시킴으로 부생성물로 HF이 발생하지만 HF는 비점이 낮기 때문에 휘발조작에 의하여 쉽게 제거할 수 있고, 그 결과, 고순도의 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염을 얻을 수 있다.
비스(플루오로설포닐)이미드와 MF와의 반응에서 비스(플루오로설포닐)이미드에 대한 MF의 몰비는 1.0 초과 내지 2.0, 바람직하게는 1.05 내지 1.8, 더욱 바람직하게는 1.1 내지 1.7이다. 비스(플루오로설포닐)이미드에 대한 MF의 몰비가 이 범위로 비스(플루오로설포닐)이미드 대비 MF를 과량 사용하면 반응 후 잔류하는 MF는 여과로 쉽게 제거가 가능한 한편, 생성되는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염에 미반응 비스(플루오로설포닐)이미드가 잔류할 가능성이 충분히 낮아질 수 있다. 따라서 미반응 비스(플루오로설포닐)이미드가 잔류하여 전해액에 포함되어 SEI(solid electrolyte interphase) 막을 파괴하는 것을 방지할 수 있다. 한편, MF를 몰비로 2 이상 사용하는 경우 반응 수율 향상에는 도움이 되지 않으면서 반응 후 MF 제거에 시간이 소요되고 제조원가가 높아지는 단점이 있다.
본 발명의 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조에 사용되는 용제는 설포네이트 및 설페이트 용제류 중에서 선택되어지는 1종이상을 포함한다.
상기 설포네이트 용제류는 하기 화학식 1의 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1~C6의 지방족탄화수소, 불소에 의해 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소 또는 쇄 중의 1개 이상의 탄소가 산소로 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소이고, R1 및 R2는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있다.
상기 설페이트 용제류는 하기 화학식 2의 화합물일 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서 R3 및 R4는 각각 독립적으로 C1~C6의 지방족탄화수소, 불소에 의해 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소 또는 쇄 중의 1개 이상의 탄소가 산소로 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소이고, R3 및 R4는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있다.
상기 지방족탄화수소는 포화 또는 불포화 탄화수소일 수 있다.
상기 화학식 1의 설포네이트 용제류는 바람직하게는 하기 화합물류 A로 이루어진 군에서 선택되는 1종이상일 수 있다.
[화합물류 A]
상기 화학식 2의 설페이트 용제류는 바람직하게는 하기 화합물류 B로 이루어진 군에서 선택되는 1종이상일 수 있다.
[화합물류 B]
본 발명은 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 반응 용매로 사용함으로써 생성되는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염을 충분히 용해시킬 수 있으며 미반응 물질의 제거가 용이하다. MF와 HFSI로부터 MFSI를 제조할 때 제일 중요한 것이 용제 내의 수분 제거인데, 설포네이트 또는 설페이트 화합물은 bp가 높아서 수분제거가 용이하다. 즉, 물과의 bp차이가 커서, 증류에 의한 수분제거가 용이한데, 반응 후 가온하여 잔존하는 HF와 물을 쉽게 제거할 수 있다. 또한 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 반응 용매로 사용함으로써 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조 시 생성되는 부산물이 설파믹산의 생성을 억제할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 반응 용매로 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 사용함으로써 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염 제조 후 반응 용매의 제거 없이 이를 전해액으로 사용할 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 이차전지의 전해액으로 사용하면 음극피막 형성에 참여하여 전지수명을 연장시키고, 양극과 음극의 양 전극을 효과적으로 안정화시키고, 전해액의 전기화학적 안정성을 높여 소모를 억제시킬 수 있으며, 리튬 금속 이차전지의 효율을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 비스(플루오로설포닐)이미드에 대한 설포네이트 또는 설페이트 용제류는 비스(플루오로설포닐)이미드 1 중량 대비 0.7 내지 5중량, 바람직하게는 0.8 내지 3중량, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 2중량일 수 있다. 용제류가 상기 함량으로 사용되는 경우 알칼리금속플로라이드와 HFSI를 충분히 용해시켜 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염 제조반응을 충분히 진행시킬 수 있으며, 반응 후 용매의 제거 없이 적정한 농도의 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염 포함 전해액으로 사용될 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 설포네이트 또는 설페이트계 용제 이외에, 카보네이트계 용제를 추가로 포함할 수 있다. 카보네이트계 용제를 추가로 포함하는 경우 설포네이트 또는 설페이트계 용제, 및 카보네이트계 용제의 중량비는 1: 0.1 내지 1일 수 있다. 카보네이트계 용제가 상기 함량으로 추가되는 경우 설포네이트 또는 설페이트의 수분저하 능력과 HF의 제거 능력 및 설파믹산의 생성을 억제하는 성질을 유지하면서도, 카보네이트의 저가화 가능한 특징을 모두 확보할 수 있다는 장점이 있다.
비스(플루오로설포닐)이미드와 알칼리금속플로라이드의 반응 온도는 0 ℃-200 ℃보다 바람직하게는 10 ℃-100 ℃이다. 반응 온도가 0℃보다 낮으면 반응속도가 저하되고 반응 온도가 상기 보다 높으면 부생성물이 생성될 우려가 있어서 바람직하지 않다. 반응에 필요로 하는 시간은 반응 규모에 따라 상이하지만, 바람직하게는 0.1 시간-48 시간, 보다 바람직하게는 0.5 시간-24 시간이다.
반응은 상압하에서 실시 가능하지만, 감압하에서 실시하면 부생되는 HF가 제거되어 목적물이 합성되기 쉽다. 반응 압력은 특별히 한정되지 않지만, 대기압미만-0.01 atm 가 바람직하고, 0 ℃-100 ℃에서 용매가 환류할 정도의 감압도가 보다 바람직하다.
본 발명의 제조방법은 감압 및/또는 가열에 의한 상기 반응용액 중의 휘발성 물질을 제거하는 단계가 포함될 수 있다. 본 발명에서 부생성물로 생성되는 HF는 19.5℃ 이상에서는 기체로 존재하는 물질로 감압 및 가열에 의하여 제거할 수 있다.
본 발명은 비스(플루오로설포닐)이미드와 알칼리금속플로라이드의 반응 중 또는 반응 이후 생성되는 HF의 원활한 제거를 위하여 질소 가스 버블링을 실시할 수 있다. 질소 가스의 버블링은 반응용액으로부터 배출되는 가스의 pH가 6~8이 될 때까지 버블링을 실시할 수 있다. 상기 pH가 6.5~7.5가 되는 시점에서 질소 가스 버블링을 중단하는 것이 더욱 바람직하며, pH가 6.8~7.2가 되는 시점에서 질소 가스 버블링을 중단하는 것이 더 더욱 바람직하다. 이와 같이 질소 가스 버블링을 실시하는 경우 최종 생성물에서 불소 음이온의 함량을 크게 줄일 수 있다. 비스(플루오로설포닐)이미드와 알칼리금속플로라이드의 반응 이후 질소 가스 버블링을 실시하는 경우 20-70℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 제조방법은 반응 이후 미반응물 등의 제거를 위하여 여과공정을 수행할 수 있다. 본 발명은 먼저 구멍지름 4㎛이상의 필터, 바람직하게는 구멍지름 4-10㎛의 필터로 조대 입자를 제거하고 이후 여과액을 구멍지름 1㎛이하, 바람직하게는 구멍지름 0.5초과 1㎛이하의 필터로 여과함으로써 미세입자를 효율적으로 제거할 수 있다. 상기 여과 단계는 상압, 가압 또는 감압에서 진행할 수도 있지만 0.1기압이하의 압력으로 감압 여과하는 경우 여과 시간을 단축할 수 있다. 반응용액 주입 쪽에서 가압하고 여과액 쪽에서 감압하며 진행할 수도 있다.
본 발명은 추가로 구멍지름 0.5㎛이하의 필터로 여과할 수 있다.
본 발명은 생성된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염을 포함하는 설포네이트 또는 설페이트 용액을 용매 제거 없이 바로 전해액으로 사용될 수 있는 것으로, 반응용액에 미세입자가 잔류하는 경우 이들이 전해액 분산되어 전해액의 탁도를 상승시키고 그 결과 전지 충방전 가능회수가 저하되는 등 수명이 단축될 수 있으므로 상기와 같은 여과공정을 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명은 여과 공정 후 가온하여 잔존하는 HF와 물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 설포네이트 또는 설페이트계 용제는 bp가 높아서 반응 용액을 가온하여도 분해되지 않으며 HF와 물의 제거가 용이하다.
본 발명은 생성된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 고상으로의 회수 공정이 없는 것을 특징으로 하는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 생성된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염을 고상으로 회수하지 않음으로 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염이 건조 중에 수분을 흡수하는 조해성 문제 또는 불필요한 유기용매의 잔류 문제를 해결할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 제조방법으로 제조된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염, 및 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 포함하는 이차전지 비수계 전해액용 조성물을 제공한다.
상기 비수계전해액용 조성물은 카보네이트계 또는 에테르계에서 선택되는 1종 이상의 용제를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 제조방법에 의해, 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염, 및 설포네이트 또는 설페이트를 포함하는 용액을 얻은 후, 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 회수 및 건조공정을 거치지 않고, 상기 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염, 및 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 포함하는 비수계 전해액용 조성물을 전해액의 조제에 사용하는 것을 특징으로 하는 이차전지 비수계 전해액 제조방법을 제공한다.
본 발명의 조성물에 포함되는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염이 비수계 전해액에 사용될 수 있는 설포네이트 또는 설페이트계 용매를 사용하여 제조됨으로써 용매의 제거공정없이 바로 전해액 재료로서 사용할 수 있다. 상기 조성물은 그대로, 또는 희석하는 것만으로 비수계 전해액을 얻을 수 있다.
본 발명의 제조방법에 의해 수득되는 전해액은 일차전지, 리튬이온 이차전지, 연료전지 등의 충전/방전기구를 가지는 전지, 전해 콘덴서, 전기 이중층 커패시터, 태양 전지, 전기 변색 표시 소자 등의 에너지 저장장치를 구성하는 이온 전도체의 재료로서 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 조건 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
실시예 1.
교반장치, 콘덴서 및 온도계가 부착된 PFA(불소 수지제) 반응용기에, 질소분위기 하에 상온에서 LiF 28.6g(1.1mol)와 용매로 디메틸설페이트 308g(HFSI대비 중량비 1.7)을 투입하였다. HFSI[비스(플루오로설포닐)이미드] 181g(1mol)을 투입하였다. 그 후에 반응용액을 25℃, 및 상압 하에서, 5시간 교반해서 반응을 실시했다. 이후, 0.1기압으로 감압하여 1시간 동안 잔존 HF를 제거해주고, 반응 용액을 1차로 구멍지름 5㎛ 필터로 여과하고, 이후 2차로 구멍지름 1㎛ 필터로 여과하여 비스(플루오로설포닐)이미드 리튬염의 디메틸설페이트 용액을 얻었다. LiFSI의 함유량은 F-NMR에 의해 산출하였다. 수득된 LiFSI의 함유량과 반응 후 용액량은 표 1에 나타내었다.
실시예 2.
LiF 31.2g(1.2mmol) 사용하고 용매를 메틸메탄설포네이트 217g(HFSI대비 중량비 1.2)로 하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 해서 LiFSI를 얻었다. 수득된 LiFSI의 함유량과 반응 후 용액량은 표 1에 나타내었다.
실시예 3.
용매를 디에틸설페이트 199g(HFSI대비 중량비 1.1)로 하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 해서 LiFSI를 얻었다. 수득된 LiFSI의 함유량은 표 1에 나타낸 바와 같다.
실시예 4.
LiF 31.2g(1.2mmol) 사용하고 용매를 프로판설톤 271g(HFSI대비 중량비 1.5)로 하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 해서 LiFSI를 얻었다. 수득된 LiFSI의 함유량은 표 1에 나타낸 바와 같다.
실시예 5.
용매를 메톡시에틸메탄설포네이트 326g(HFSI대비 중량비 1.8)로 하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 해서 LiFSI를 얻었다. 수득된 LiFSI의 함유량은 표 1에 나타낸 바와 같다.
| 구분 | 용액량 | LiFSI 함량 |
| 실시예 1 | 492 | 180g |
| 실시예 2 | 405 | 177g |
| 실시예 3 | 383 | 175g |
| 실시예 4 | 457 | 178g |
| 실시예 5 | 538 | 179g |
비교예 1.
용매를 아세토니트릴을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 수행하였다. 수득된 용액을, 50℃에서 대략 50-100hPa로 1시간 감압 증발 건조하고, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드 187g을 얻었다. 생성물에는, 아세토니트릴이 불순물로서 잔존하고 있는 것을 가스크로마토그래피에 의해 확인하였다.
실시예 6. 비수전해액의 제조
실시예 1의 전해액 조성물에 에틸렌카보네이트(EC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC) 3:7 부피비 용매를 혼합하여 LIFSI 0.5M 및 EC 및 EMC 용매 3:7 부피비의 용액을 제조하였다. 상기 용액에 LiPF6를 0.5M의 농도로 첨가하고, 첨가제로서 LiPO2F2를 전해액 전체 100중량%에 대하여 1중량%의 양으로 첨가한 후 혼합하여 비수 전해액을 제조하였다.
비교예 2. 비수전해액 제조
비교예 1의 LiFSI 및 에틸렌카보네이트(EC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC) 3:7 부피비 용매를 혼합하여 LIFSI 0.5M 및 EC 및 EMC 용매 3:7 부피비의 용액을 제조하였다. 상기 용액에 LiPF6를 0.5M의 농도로 첨가하고, 첨가제로서 LiPO2F2를 전해액 전체 100중량%에 대하여 1중량%의 양으로 첨가한 후 혼합하여 비수 전해액을 제조하였다.
실험예. 리튬이차전지 수명특성 확인
양극 활물질인 LiNi/Co/Mn을 사용한 양극재와 음극 활물질인 인조 흑연과 천연 흑연을 1:1 중량비로 사용한 음극재를 사용하여, 통상의 방법으로 1.4 Ah 파우치 전지를 조립하고, 상기 실시예 6 및 비교예 2의 전해액을 각각 6.0 g씩 주입하여 이차 전지를 완성하였다.
(1) 상온 수명유지율
상기 이차전지를 상온(25℃)에서, 4.5V까지 1C 충전 후, 2.75V까지 1C 방전하여 초기용량을 측정하고, 이를 100회 반복한 후의 용량을 측정하여 하기 수학식 1로 수명유지율(%)을 계산하였다.
[수학식 1]
수명유지율=(100회 반복 후 방전용량/초기 방전용량)×100
(2) 고온 수명유지율
상기 이차전지를 고온(45℃)에서, 4.5V까지 1C 충전 후, 2.75V까지 1C 방전하여 초기용량을 측정하고, 이를 100회 반복한 후의 용량을 측정하여 상기 수학식 1로 수명유지율(%)을 계산하였다.
| 전해액 | 상온 수명유지율 (%) | 고온 수명유지율 (%) |
| 실시예 6 | 94.1 | 86.3 |
| 비교예 2 | 91.4 | 81.7 |
본 발명의 전해액의 경우 LiFSI를 고형으로 회수하여 전해액을 제조한 비교예 2의 전해액 대비 전지의 상온 수명유지율이 높고, 고온 수명유지율도 높은 것을 알 수 있다.
Claims (11)
- 설포네이트 및 설페이트 용제류 중에 선택되어지는 1종이상의 용제를 포함하는 반응용액 중에서 비스(플루오로설포닐)이미드(HFSI)와 알칼리금속플로라이드(MF)를 반응시키는 것을 특징으로 하는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법으로,
상기 알칼리금속플로라이드(MF)가 리튬플로라이드(LiF)이고
상기 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)이 비스(플루오로설포닐)이미드 리튬염(LiFSI)인
비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 비스(플루오로설포닐)이미드(HFSI)에 대한 상기 알칼리금속플로라이드(MF)의 몰비가 1.00 초과인 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 비스(플루오로설포닐)이미드(HFSI)와 알칼리금속플로라이드(MF)의 반응 후의 반응용액을 여과하는 정제공정을 포함하는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 생성된 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염의 고상으로의 회수 공정이 없는 것을 특징으로 하는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 설포네이트 용제는 하기 화학식 1의 화합물이고, 설페이트 용제는 하기 화학식 2의 화합물인 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1~C6의 지방족탄화수소, 불소에 의해 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소 또는 쇄 중의 1개 이상의 탄소가 산소로 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소이고, R1 및 R2는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서 R3 및 R4는 각각 독립적으로 C1~C6의 지방족탄화수소, 불소에 의해 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소 또는 쇄 중의 1개 이상의 탄소가 산소로 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소이고, R3 및 R4는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있다. - 청구항 5에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화합물류 A중에서 선택되어지는 1종이상의 화합물이고, 상기 화학식 2의 화합물은 하기 화합물류 B중에서 선택되어지는 1종이상의 화합물인 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법.
[화합물류 A]
[화합물류 B]
- 청구항 1에 있어서, 카보네이트계 용제를 추가로 포함하는 비스(플루오로설포닐)이미드 알칼리금속염(MFSI)의 제조방법.
- 청구항 1의 제조방법으로 제조된 비스(플루오로설포닐)이미드 리튬염, 및 설포네이트 또는 설페이트 용제류를 포함하는 이차전지 비수계 전해액용 조성물
- 청구항 8에 있어서, 카보네이트계 용제를 추가로 포함하는 이차전지 비수계 전해액용 조성물
- 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 설포네이트 용제는 하기 화학식 1의 화합물이고, 설페이트 용제는 하기 화학식 2의 화합물인 이차전지 비수계 전해액용 조성물
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1~C6의 지방족탄화수소, 불소에 의해 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소 또는 쇄 중의 1개 이상의 탄소가 산소로 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소이고, R1 및 R2는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서 R3 및 R4는 각각 독립적으로 C1~C6의 지방족탄화수소, 불소에 의해 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소 또는 쇄 중의 1개 이상의 탄소가 산소로 치환된 C1~C6의 지방족탄화수소이고, R3 및 R4는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있다. - 청구항 8의 이차전지 비수계 전해액용 조성물을 포함하는 이차전지 비수계 전해액
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