KR20080000902A - Lithium battery using solvent-soluble modified polyimide - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 리튬전지의 음극의 개략도1 is a schematic diagram of a negative electrode of a lithium battery according to the present invention;
*도면의 주요부호에 대한 설명** Description of the major symbols in the drawings *
1 : 리튬포일 2 : 가용성 폴리이미드 피막1: lithium foil 2: soluble polyimide coating
3 : 도전성 카본층3: conductive carbon layer
본 발명은 가용성 변성폴리이미드를 이용한 리튬전지(Li/SOCl2)에 관한 것으로, 리튬전지의 음극 포일 표면에 높은 절연성을 보여주는 PEI와 PAI, PEIEs를 용제로 희석하여 리튬표면에 도포한 후 이를 건조하여 피막을 형성시켜 제조하여 리튬전지(Li/SOCl2)가 가지고 있는 저장 성능을 극대화하고 극한 상황에서의 장기 저장 후 사용시 전압지연 현상의 단점을 해결한 리튬전지에 관한 것이다. The present invention relates to a lithium battery (Li / SOCl 2 ) using a soluble modified polyimide, dilute PEI, PAI, PEIEs showing high insulation on the surface of the negative electrode foil of a lithium battery with a solvent and apply it to a lithium surface and dry it The present invention relates to a lithium battery which is manufactured by forming a film to maximize the storage performance of a lithium battery (Li / SOCl 2 ) and solves the shortcomings of a voltage delay phenomenon when used after long-term storage under extreme conditions.
일반적으로 리튬 전지는 크기는 작고, 중량은 가벼우면서도, 에너지 밀도는 높아 소형이면서도 일반 망간 전지 또는 니켈 카드늄 전지에 비하여 용량이 크고, 고전압을 얻을 수 있어 각종 전자 기기의 전원으로 널리 쓰이고 있다.In general, lithium batteries are small in size, light in weight, high in energy density, small in size, have a larger capacity than general manganese batteries or nickel cadmium batteries, and are widely used as power sources for various electronic devices.
단점으로는 Li/SOCl2의 음극 표면에 티오닐 클로라이드(SOCl2)와 리튬(Li)이 반응하여 리튬염 피막이 형성되는데 이 부동태 피막은 전지를 전자 기기에 장착한 후, 오랜 시간 방치되었을 때 전원이 자연 소모되는 자가 방전(Self-Discharge) 현상을 억제시켜 주도록 하기 위한 것으로, 리튬 전지의 성능 강화를 위해 필수적인 것이지만, 전지가 장시간 방치된 후 전지를 재 사용할 경우 정상 전압이 출력될 때까지 일정 시간이 지연되는 전압지연 현상이라는 단점을 수반하고 있다.Disadvantages are the lithium salt film formed by reaction of thionyl chloride (SOCl 2 ) and lithium (Li) on the cathode surface of Li / SOCl 2. This passivation film is used when the battery is left unattended for a long time. This is to suppress the self-discharge phenomenon, which is naturally consumed. It is essential for enhancing the performance of lithium batteries. However, if the battery is used for a long time and the battery is reused, the battery can be discharged for a certain period of time. It is accompanied by a disadvantage of this delayed voltage delay phenomenon.
작동 개시 순간 필요한 전압을 얻지 못하는 전압 지연 현상은 전자 기기의 원활한 동작을 방해하기 때문에 이 현상을 줄이거나 없애기 위한 많은 노력을 기울여 왔다. Many efforts have been made to reduce or eliminate this phenomenon because voltage delays that fail to achieve the required voltage at the start of operation can interfere with the smooth operation of electronic devices.
종래에는 리튬이온전지에서 고분자 물질(주로 테프론 계열) 혹은 폴리이미드 등에 전기전도성 충진재를 첨가하고 반응성이 없는 유기 용제를 첨가하여 슬러리형 전해액을 사용하여 리튬 전지를 제조하였다. 비충전식 Li/SOCl2전지에 있어서는 리튬과 SOCl2가 반응이 끝나는 시점에 전지의 수명이 다하게 되므로 그 사용시간을 증가시키기 위해 음극으로 사용되는 리튬에 알킬 시아노아크릴레이트(alkyl Cyanoacrylate)로 코팅 후 반응시켜 고분자 피막을 형성하는 방법, 여기서 더 진보한 방법으로 아릴 시아노아크릴레이트를 이용하여 일반 알킬 시아노 아크릴레이트의 선상반응방식에서 아릴에 의한 2차 가교가 일어나게 하여 내열성 및 접착성을 증가시켜 티오닐클로라이드에 대한 내용제성을 증가시킨 방법을 사용하고 있다. 이 리한 방법으로 제조된 리튬 전지는 다소 개선이 되었으나 60±2℃에서 40일 저장 후 그 온도에서 용량 방전할 때 전지 내부에서 압력이 매우 증가하여 위험하였다. Conventionally, a lithium battery was manufactured using a slurry electrolyte by adding an electrically conductive filler to a polymer material (usually Teflon-based) or polyimide in a lithium ion battery, and adding an inactive organic solvent. In non-rechargeable Li / SOCl 2 batteries, the life span of the battery is reached at the end of the reaction between lithium and SOCl 2 , so that the lithium used as the negative electrode to increase the use time is coated with alkyl cyanoacrylate. After the reaction to form a polymer film, in a more advanced method, by using the aryl cyanoacrylate in the linear reaction method of the general alkyl cyano acrylate secondary crosslinking by aryl occurs to increase the heat resistance and adhesion To increase the solvent resistance to thionyl chloride. Lithium battery prepared by this method was somewhat improved, but the pressure inside the battery was very dangerous when the capacity discharge at that temperature after storage for 40 days at 60 ± 2 ℃ was dangerous.
이는 시아노아크릴에 있는 알킬기의 탄소수가 작을수록 가수분해가 빠르게 진행되는 것을 확인하였고, 가교가 일어난 아릴기가 존재 시에는 분해 속도가 지연되어 전지의 성능개선이 이루어졌다. 이는 유리 표면에 메틸, 에틸, n-프로필, n-부틸, 2-에틸헥실, n-옥틸시아노아크릴레이트를 제조하여 이를 표면 코팅한 후 경화과정을 거친 후 필름을 얻은 후 이를 0.5% NaOH 수용액 40℃의 조건에서 7일, 15일, 30일 동안 가수분해된 것을 질량분석(MS)과 고압액상크로마토그래피(HPLC)를 이용한 분석에서 확인하였다. 이러한 결과들을 토대로 여기에 측쇄로 붙어 있는 작용기의 에스테르 결합이 고온에서는 분해가 촉진되는 것으로 사료된다. 또한 이유는 밝혀지지 않았지만 영하 20도에서는 작동하는 전지가 영하 32℃에서는 건전지의 역할이 이루어지지 않는 단점들을 보여 주었다. 이는 아직 정확하지는 않지만 영하20℃까지는 피막의 결정성이 비정질에 가깝다가 영하 32℃로 내려가면 피막의 결정성이 증가되어 이온의 통로를 막아 나타나는 현상으로 사료된다.This confirmed that the hydrolysis proceeds faster as the carbon number of the alkyl group in the cyanoacryl is small, and in the presence of the aryl group in which crosslinking occurs, the decomposition rate is delayed, thereby improving performance of the battery. It is prepared by methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, 2-ethylhexyl, n-octylcyanoacrylate on the glass surface, surface coating, curing, and then obtaining a film to obtain a 0.5% NaOH aqueous solution. Hydrolysis of 7 days, 15 days, and 30 days at 40 ° C. was confirmed by analysis using mass spectrometry (MS) and high pressure liquid chromatography (HPLC). Based on these results, it is thought that the ester bond of the functional group attached to the side chain is accelerated at high temperature. In addition, although the reasons are unknown, the battery operated at minus 20 degrees showed the disadvantage that the battery does not play at minus 32 ℃. This is not yet accurate, but it is thought that the crystallinity of the film is close to amorphous up to minus 20 ℃ and then decreases to minus 32 ℃, which increases the crystallinity of the film and blocks the passage of ions.
이에 본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, Li/SOCl2의 음극 리튬 포일의 표면에 절연체인 PAI, PEI, PEIEs를 도포하여 자가 방전률을 최소화 하고 방전시간은 기존 제품보다 50%이상 향상되고 저온 및 고온에서 안정된 Li/SOCl2전지를 제조하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to improve the above problems, by applying PAI, PEI, PEIEs, which are insulators on the surface of Li / SOCl 2 anode lithium foil to minimize the self-discharge rate and the discharge time is improved by more than 50% And a stable Li / SOCl 2 battery at low and high temperatures.
리튬 전지의 음극은 두께 0.3~1.5㎜의 리튬 포일(Foil)을 사용하여 제조하며 리튬의 두께는 0.4~0.8mm가 적당하였다. 리튬 포일 표면에 폴리이미드 피막을 형성하기 위해 용제와 함께 고형분함량 8%에서 40%로 용액을 제조하여 리튬 포일 표면에 분사법으로 코팅한 후, 70℃ 이하에서 4시간 열풍 건조 후 70℃ 이하에서 12시간 이상 진공 건조시켜 음극을 제작한다. 코팅의 두께는 5~50㎛가 가장 적당하였으며 1㎛이하와 100㎛이상에서는 효과가 나타나지 않았다. The negative electrode of the lithium battery was manufactured using a lithium foil having a thickness of 0.3 to 1.5 mm, and a lithium thickness of 0.4 to 0.8 mm was appropriate. In order to form a polyimide film on the surface of the lithium foil, a solution was prepared from a solid content of 8% to 40% with a solvent and coated on the surface of the lithium foil by spraying, followed by hot air drying at 70 ° C. or lower for 4 hours and then at 70 ° C. or lower. Vacuum drying for more than 12 hours to produce a cathode. The coating thickness of 5 ~ 50㎛ was the most suitable, the effect was less than 1㎛ and more than 100㎛.
양극은 PTFE 바인더에 아세틸렌 블랙, 캡젠블랙을 2-프로판올과 함께 배합, 건조, 분쇄공정을 하여 전도성 카본파우더를 제조한 후 이를 이용하여 양극을 제조한다.The positive electrode was prepared by mixing, drying and pulverizing acetylene black and capzen black in a PTFE binder with 2-propanol to produce a conductive carbon powder, and then using the same.
전도성 카본파우더에서 불소수지, 아세틸렌블랙, 캡젠블랙의 배합 비는 1:(1~4):(3~10)정도 배합 시 적당하였으며, 1 : (2~3) : (4~8)이 전기 용량이 가장 증가하였다. The mixing ratio of fluororesin, acetylene black and capzen black in the conductive carbon powder was suitable for mixing 1: (1 ~ 4) :( 3 ~ 10), and 1: 1: (2 ~ 3): (4 ~ 8) The dose increased most.
제조된 음극과 양극 그리고 분리막을 이용하여 감아 전지 케이스에 삽입한 후 전해액을 주입함으로서 전지를 완성하였다. 양극의 두께는 0.3~1.5mm정도가 적당하였다. 특히 0.5~0.8mm가 적당하다.The battery was completed by incorporating the prepared negative electrode, the positive electrode and the separator into a battery case and injecting an electrolyte solution. The thickness of the anode was about 0.3-1.5 mm. Especially 0.5 ~ 0.8mm is suitable.
용제의 혼합비는 변성폴리이미드(PAI, PEI, PEIEs)를 용해시킬 수 있는 DMF, DMAc, NMP, DMSO등의 비양자성 용매와 m-Cresol등의 유기용제에 공비혼합 효과를 이용하여 고비점 용제를 빠르게 제거할 수 있으며 리튬을 산화시키지 않는 Dioxane, THF, MC, Chloroform, Acetone, Acetonitrile, Hexane등을 고비점 용제 대비 10~200%사용하였다. 혹은 용해성이 우수한 이미드는 MC나 클로로포를을 단독으로 혹은 기타 저비점 용제를 상용하기도 하였다. 그러나 저비점 용제만 단독으로 사용시 코팅 피막을 제조하는데 오차가 심하게 발생하였다. 이는 건조시간이 너무 빨라서 생기는 원인으로 고비점 용제를 혼합하여 사용하는 것이 물성 유지에 적당하였다. 모든 용제는 사용 전에 수분을 30ppm이하로 조절한 후 사용하였고 불활성 대기하에서 실험을 수행하였다.The mixing ratio of solvent is azeotropic solvents such as DMF, DMAc, NMP, DMSO that can dissolve modified polyimide (PAI, PEI, PEIEs) and organic solvents such as m-Cresol, Dioxane, THF, MC, Chloroform, Acetone, Acetonitrile, Hexane, etc., which can be removed quickly and do not oxidize lithium, were used in 10 ~ 200% of high boiling point solvents. In addition, imides having excellent solubility have often used MC or chlorophore alone or other low boiling point solvents. However, when only the low boiling point solvent was used alone, errors were severely produced in preparing the coating film. This is caused by too fast drying time, it is suitable to use a mixture of high boiling point solvent to maintain physical properties. All solvents were used after adjusting the water to 30 ppm or less before use, and the experiment was performed under an inert atmosphere.
도 1은 본 발명에 따른 리튬전지의 음극의 개략도로서, 리튬포일(1)은 중간층으로 음극으로 사용하며, 0.3~1.2mm로 구성되고, PAI혹은 PEI 피막(2)는 절연층으로 사용되며, 5 ~ 50 ㎛로 구성되고, 도전성카본층(3)은 양쪽의 가장 바같 부분으로 양극으로 사용하며, 0.3~1.5mm로 구성된다.1 is a schematic view of a negative electrode of a lithium battery according to the present invention, the lithium foil (1) is used as a negative electrode as an intermediate layer, composed of 0.3 ~ 1.2mm, PAI or PEI film (2) is used as an insulating layer, It consists of 5-50 micrometers, and the conductive carbon layer 3 is used as an anode by the most bar part of both sides, and is comprised by 0.3-1.5 mm.
리튬 메탈(1)에서 단자를 내어 음극으로 하고 도전성 카본층(3)에서 단자를 내어 양극으로 한다. 이것을 분리막을 위에 올려놓은 다음 동그랗게 말은 후 스테인리스 원통 캔 넣고 양 단자를 바깥으로 연결시킨 다음 이후 조작을 하여 밀봉, 전해액 투입 등을 수행하여 전지를 완성한다.The terminal is taken out of the lithium metal 1 to be a cathode, and the terminal is taken out of the conductive carbon layer 3 to be an anode. Put this membrane on top of it, roll it in a circle, insert a stainless steel can, connect both terminals to the outside, and then operate it to complete the battery by sealing and adding electrolyte.
실시 예1 Example 1
Trimelliric anhydride chloride 혹은 Trimelliric anhydride 에 oxyphenylenediamine에 용제는 NMP를 이용하여 폴리아믹산을 제조하고 이를 다시 가열하여 PAI를 합성하였다. 이를 정제, 건조, 분쇄 공정을 거친 후 이를 불활성 대기하에서 DMAc 우선 용해 시키고 DMAc를 빠르게 제거 하기 위해 THF 단독 혹은 그 첨가물을 첨가하였다. 건조는 70℃ 이하에서 수행하였다. 건조 온도가 불활성 대기하에서도 70℃가 넘을 경우 전지의 물성이 현저히 떨어지는 단점이 발견되었다. 코팅 후에 1차로 70℃ 이하에서 열풍건조 4시간 시행 후 그 다음 70℃ 이하에서 12시간이상 진공 건조하였다. 코팅방식은 침전법으로 제조한 것보다 분사법으로 제조한 것이 제조 전지의 물성이 일정하였다. PTFE 30J, 켑젠블랙, 아세틸렌블랙을 1:6:2 의 비율로 IPA하에서 혼합, 건조, 분쇄 후 제조된 전도성 카본 파우더를 상기에서 제조된 리튬 메탈에 0.5~4mm층을 만든 후 압착공정을 거친 후, 이를 원통형으로 말아 스테인리스 원통에 넣은 후 음극 단자를 빼내고 전해액 3mm이하의 주입 구에 알루미늄 염과 리튬염을 1.2M 농도가 되게 SOCl2에 첨가한 전해액을 넣은 후 스프링 서스볼을 가지고 이를 밀봉되게 하였다. 제조 후 약 1 주일 안정화 시킨 후 국방부 품질규격 DKS 6135-4003과 미국방품질규격 BA-6813, 6818, 6821AK에 의해 평가하였다.Solvents in oxyphenylenediamine in Trimelliric anhydride chloride or Trimelliric anhydride prepared polyamic acid using NMP and heated again to synthesize PAI. After purification, drying, and grinding, it was first dissolved in DMAc under an inert atmosphere, and THF alone or its additives were added to rapidly remove DMAc. Drying was carried out at 70 ° C or lower. When the drying temperature is higher than 70 ℃ even under inert atmosphere, it was found that the physical properties of the battery is significantly reduced. After coating, hot air drying was performed for 4 hours at 70 ° C. or lower, followed by vacuum drying at 70 ° C. or lower for 12 hours or more. As for the coating method, the physical properties of the manufactured battery were consistent with those produced by the spray method rather than those prepared by the precipitation method. After mixing, drying and pulverizing PTFE 30J, Schengen black, and acetylene black under IPA in a ratio of 1: 6: 2, a conductive carbon powder prepared after the 0.5 to 4 mm layer on the lithium metal prepared above was subjected to a pressing process. After rolling the cylinder into a cylindrical cylinder, the negative electrode terminal was removed, and the electrolyte containing 3 M or less of electrolyte was added to SOCl 2 so that the aluminum salt and the lithium salt were 1.2M concentration, and then sealed with a spring susball. . After stabilization for about one week after the production was evaluated by the Department of Defense quality standards DKS 6135-4003 and US defense quality standards BA-6813, 6818, 6821AK.
실시 예2 Example 2
트리메리틱산무수물과 디옥시테트라히드로퓨란-3-메틸시클로헥산-1,2-디카르복실산이무수물을 9:1로 첨가하고 여기에 옥시디페닐아민을 정량적으로 넣어 폴리아믹산을 제조하고 이를 다시 가열하여 지환족이 첨가된 PAI를 합성하였다. 이를 정제, 건조, 분쇄 공정을 거친 후 나머지 공정은 실시 예 1과 동일하게 실시한다.Trimeric acid anhydride and dioxytetrahydrofuran-3-methylcyclohexane-1,2-dicarboxylic dianhydride are added 9: 1, and oxydiphenylamine is quantitatively added to prepare a polyamic acid. By heating, alicyclic PAI was added. After the purification, drying, and grinding processes, the remaining processes are performed in the same manner as in Example 1.
실시 예3 Example 3
4-클로로프타릭산 무수물과 비시클로[2,2,2]옥타-7-엔-2,3,5,6-테트라카르복 시 디산무수물을 9:1의 비율로 혼합하고 와 메타페닐렌디아민을 정량적으로 첨가하여 전구물질을 만들고 이것에 bisphenol A의 양쪽의 OH기를 Na로 치환시킨 다음 반응하여 PEI를 합성한 이를 정제, 건조, 분쇄 공정을 거친 후 나머지 공정은 실시 예 1과 동일하게 실시한다. 다만, 용제는 MC를 사용하였다.4-chlorophthalic anhydride and bicyclo [2,2,2] octa-7-ene-2,3,5,6-tetracarboxylic diacid anhydride are mixed in a ratio of 9: 1 and metaphenylenediamine Was added quantitatively to form a precursor, and then substituted with OH groups on both sides of bisphenol A to Na and reacted to synthesize PEI, followed by purification, drying, and grinding. . However, the solvent used MC.
실시 예 4 Example 4
4-클로로프타릭산 무수물과 옥시페닐렌디아민을 이용하여 전구물질을 만들고 이것에 bisphenol A의 OH기를 Na로 치환시킨 다음 반응하여 PEI를 합성한 이를 정제, 건조, 분쇄 공정을 거친 후 나머지 공정은 실시 예 1과 동일하게 실시한다.Precursor was prepared using 4-chlorophthalic anhydride and oxyphenylenediamine, and then substituted OH group of bisphenol A with Na, followed by reaction to synthesize PEI, followed by purification, drying and grinding. It carried out similarly to Example 1.
실시 예 5Example 5
트리메리틱산무수물 10당량에 옥시페닐렌디아민 7당량을 먼저넣어 반응시킨 후 여기에 비스페놀A 3당량을 넣고 반응하여 전구물질을 만들고 이것에 촉매와 열을 가하여 폴리에테르이미드를 합성하였고 이를 정제, 건조, 분쇄 공정을 거친 후 나머지 공정은 실시 예 1과 동일하게 실시한다.After reacting with 10 equivalents of trimellitic anhydride, 7 equivalents of oxyphenylenediamine was first reacted. Then, 3 equivalents of bisphenol A was added to react to form a precursor, and a catalyst and heat were added thereto to synthesize polyetherimide. After the grinding process, the rest of the process is carried out in the same manner as in Example 1.
실시 예 6Example 6
트리메리틱산무수물 10당량에 비스아미노페닐메탄 7당량을 먼저 넣어 반응시킨 후 여기에 비스페놀A 3당량을 넣고 반응하여 전구물질을 만들고 이것에 촉매와 열을 가하여 폴리에테르이미드를 합성하였고 이를 정제, 건조, 분쇄 공정을 거친 후 나머지 공정은 실시 예 1과 동일하게 실시한다.After reacting with 10 equivalents of trimellitic anhydride, 7 equivalents of bisaminophenylmethane was first reacted, and 3 equivalents of bisphenol A were added thereto to react to form a precursor, followed by the addition of a catalyst and heat to synthesize polyetherimide. After the grinding process, the rest of the process is carried out in the same manner as in Example 1.
비교 실시 예1Comparative Example 1
에틸시아노 아크릴레이트에 에틸아세테이트와 톨루엔 혼합용액(1:1)으로 희 석 후 코팅한 후 경화시켜서 피막을 제조한 후 이후 공정은 실시 예 1과 동일하게 실시한다.After dilution with ethyl acetate and toluene mixed solution (1: 1) in ethyl cyano acrylate, the coating was cured to prepare a film, and then the process was performed in the same manner as in Example 1.
비교 실시 예2Comparative Example 2
아릴시아노 아크릴레이트에 에틸아세테이트와 톨루엔 혼합용액(1:1)으로 희석 후 코팅한 후 경화시켜서 피막을 제조한 후 이후 공정은 실시 예 1과 동일하게 실시한다.After diluting with arylcyano acrylate with a mixture of ethyl acetate and toluene (1: 1), coating and curing to prepare a film, the process is carried out in the same manner as in Example 1.
본 발명의 실시 예 1,2,3,4,5,6는 전지(cell)1,2,3,4,5,6으로 표시되고, 종래의 방법에 따라 제조된 비교 예1,2는 전지(cell) 7,8으로 표시한다.Examples 1, 2, 3, 4, 5, and 6 of the present invention are represented by cells 1, 2, 3, 4, 5, and 6, and Comparative Examples 1 and 2 prepared according to a conventional method are batteries. (cell) 7,8.
[표 1]은 리튬 전지의 음극을 이루는 리튬포일 표면에 가용성폴리이미드를 코팅하였을 경우 아릴시아노아크릴레이트를 코팅한 제조한 기존 제품보다 상온, 저온, 고온에서 모두 전압 지연 현상이 현저히 감소되었을 뿐만 아니라 방전시간도 최소 60%이상 더 많이 나옴을 보여주고 있다.[Table 1] shows that when the soluble polyimide is coated on the surface of the lithium foil that forms the negative electrode of the lithium battery, the voltage retardation phenomenon is significantly reduced at room temperature, low temperature, and high temperature than the conventional products manufactured by coating arylcyanoacrylate. It also shows that the discharge time is more than 60% more.
[표1] 물성 비교표[Table 1] Property comparison table
(도포 두께는 20㎛로 동일(편차는 10%이내)(The coating thickness is the same at 20㎛ (deviation within 10%)
지연 시간은 0.5A, 방전조건에서 측정, 고온(54±3℃)에서 4주간 저장 후 2 시간 실온으로 냉각 후 측정Delay time is 0.5A, measured under discharge condition, stored for 4 weeks at high temperature (54 ± 3 ℃), then cooled to room temperature for 2 hours
고온 용량 측정은 60±2℃에서 40일간 저장 후 그 온도에서 강제 방전하여 측정High temperature capacity measurement is carried out after 40 days storage at 60 ± 2 ℃
저온 용량 측정은 영하 32±2℃에서 12시간 저장 후 그 온도에서 강제 방전하여 측정Low temperature capacity measurement is carried out after 12 hours storage at minus 32 ± 2 ℃ and forced discharge at that temperature
비교1의 고온에서는 제조 샘플 10개 모두 내부 압력으로 인해 전해액 누수, 저온에서는 방전이 안됨At the high temperature of Comparative 1, all 10 manufactured samples leak electrolyte due to internal pressure, but no discharge at low temperature
용량평가는 국방부 품질규격에 의해 0.5A, 2.5V이상의 유효 전압을 측정)Capacity evaluation measures effective voltage of 0.5A, 2.5V or more according to Ministry of Defense quality standard.)
표1은 제조된 전지를 72±2℃에서 45일간 저장 후 상온에서 24시간 방치 후 강제 방전 시 전압지연시간을 나타내고 있다. 이는 기존 비교 2에 비하여 전압지연 현상이 PAI, PEI, PEIEs를 사용하였을 경우 매우 개선되어 1초 이내에 전압지연 현상이 사라지는 것을 보여주고 있다. 이는 폴리이미드의 좋은 내용제성으로 인해 시아노아크릴의 단점으로 거두되는 에스테르가 분해되어 초기에 SOCl2와 반응이 일어나 이로 인해 리튬염인 부동태 피막이 형성되는 것을 막아줌에 기인하는 것으로 사료되고, 또한 구조가 내부에 에스터나 아마이드 구조가 있어 구조가 비정질 형태를 취하고 있기 쉽고 이에 대한 영향으로 사료된다. 미는 X-Ray분석에 의하면 대체적으로 결정도가 떨어질수록 물성이 좋아지는 것으로 나타나고 있다. 아직 왜 전압 구동 시 절연성이 우수한 폴리이미드의 피막이 깨져 전류가 흐르는 것에 대한 이유는 현시점에서는 미지이다. Table 1 shows the voltage delay time at the time of forced discharge after storing the prepared battery for 45 days at 72 ± 2 ℃ and left at room temperature for 24 hours. This shows that the voltage delay phenomenon is greatly improved when PAI, PEI, and PEIEs are used compared to the conventional comparison 2, and the voltage delay disappears within 1 second. It is believed that this is due to the decomposition of the ester, which is a disadvantage of cyanoacryl due to the good solvent resistance of the polyimide, and the reaction with SOCl 2 at an early stage, thereby preventing the formation of a passivation film of lithium salt. It has an ester or amide structure inside, which is likely to be in an amorphous form and is considered to be an effect on it. X-ray analysis shows that the better the crystallinity, the better the physical properties. The reason for the current flow due to the breakdown of the polyimide film having excellent insulation during voltage driving is still unknown at this time.
또한 제조된 전지들의 상온(21±2℃에서 2일간 저장 후 저장온도에서 강제 방전시험)에서 성능에서는 기존 제품 Cell 8에 비하여 70%이상의 성능 향상을 보여주고 있다.In addition, the performance of the manufactured batteries at room temperature (forced discharge test at storage temperature after storage for 2 days at 21 ± 2 ℃) shows a performance improvement of more than 70% compared to Cell 8.
그리고 리튬 음극의 폴리이미드의 도포 유무에 따라 전지의 극저온(-32±2℃에서 12시간 저장 후 저장 온도에서 방전 시험) 성능의 변화를 보여주고 있다. 기존 에틸시아노 아크릴레이트 처리할 경우 Cell 7가 방전이 되지 않고 아릴시아노아크릴레이트로 처리된 Cell 8에 비하면 저온에서의 기존 제품과 비교하면 약 110% 이상의 성능 향상을 보여주고 있다. 이러한 용량 증가 현상은 상기 폴리이미드의 장점에 의해 나타난 결과로 판단된다. And it shows the change of performance of cryogenic temperature (discharge test at storage temperature after 12 hours storage at -32 ± 2 ℃) depending on the presence or absence of polyimide of lithium anode. In the case of conventional ethyl cyano acrylate treatment, Cell 7 is not discharged, and compared with Cell 8 treated with arylcyano acrylate, it shows about 110% improvement in performance compared to existing products at low temperature. This capacity increase phenomenon is judged as a result of the advantage of the polyimide.
마지막으로 리튬 음극의 폴리이미드의 도포 유무에 따라 전지의 극고온(60±2℃에서 40일간 저장 후 그 온도에서 강제 방전) 성능의 변화를 보여준다. 이는 기존 아릴시아노 아크릴레이트 처리할 경우와 비교하면 약 60%이상의 성능 향상을 보여주고 있다.Finally, it shows the change of the battery's ultra-high temperature (forced discharge at that temperature after 40 days storage at 60 ± 2 ℃) depending on the presence or absence of polyimide on the lithium anode. This shows about 60% improvement in performance compared to the conventional arylcyano acrylate treatment.
바람직하게는 사용된 PEI는 화학식 1로 표시되며,Preferably the PEI used is represented by Formula 1,
여기서 디아민은 폴리옥시알킬렌디아민(분자량 4천이하), 폴리프로필렌디아민( 분자량 1천이하), 폴리(테트라 메닐렌에테르)디아민, 코폴리(프로필렌에테르-에티렌에테르)디아민 또는 이들의 혼합물, 비스아미노 알킬케트라하이드로퓨란등의 알킬 족 디아민과 화학식 2에서 보여주는 방향족 디아민을 포함하고,Wherein diamine is polyoxyalkylenediamine (molecular weight 4000 or less), polypropylenediamine (molecular weight 1000 or less), poly (tetra menyleneether) diamine, copoly (propyleneether-ethyleneether) diamine or mixtures thereof, Alkyl group diamines, such as bisamino alkyl ketrahydrofuran, and aromatic diamine shown by General formula (2) are included,
화학식 3에서 표현되는 표현되는 R'에서 사용되는 지방족화합물들로는 저분자량의 디올(부탄디올, 헥산디올, 부텐디올, 사이크롤헥산디메탄올등), 고분자량의 디올(폴리 에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 분자량 4천이하) 혹은 디카르복시산 에스테르 형성반응 유도체, 알리사이크릭 디올, 고분자량의 불포화 디올(분자량 4천이하), 트리카르복시산 혹은 무수물과의 유도체 그리고 R'로 표현되는 방향족 디올에는 화학식3에 표시되고, 방향족산무수물들은 화학식 4에 표시되고, 방향족 산무수물과 방향족 디아민을 각각 최소 1개 이상 포함하고 상기의 화합물들을 최소 1개 이상 포함한다.The aliphatic compounds used in R 'represented by the formula (3) include low molecular weight diols (butanediol, hexanediol, butenediol, cyclohexanedimethanol, etc.) and high molecular weight diols (polyethylene glycol, polypropylene glycol molecular weight 4). Transition) or dicarboxylic acid ester-forming derivatives, alicyclic diols, high molecular weight unsaturated diols (molecular weight 4,000 or less), derivatives with tricarboxylic acids or anhydrides and aromatic diols represented by R 'are represented by Formula 3, The aromatic acid anhydrides are represented by Formula 4, and include at least one aromatic acid anhydride and at least one aromatic diamine, and at least one compound of the foregoing.
[화학식 1][Formula 1]
여기서 x+y=1, 0≤y < 0.6Where x + y = 1, 0≤y <0.6
[화학식 2][Formula 2]
= -알콕시, -CN, -폴리에테르류, -알칸류, -시클로알칸류, -아마이드결합에 의한 알칸류등과의 결합, -에스테르 결합에 의한 알칸류등과의 결합, = -Alkoxy, -CN, -polyethers, -alkanes, -cycloalkanes, -alkanes by amide bonds, alkanes by ester bonds, etc.,
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
또한, 사용된 PAI는 화학식 5로 표시되며,In addition, the PAI used is represented by the formula (5),
여기서 디아민은 폴리옥시알킬렌디아민(분자량 4천이하), 폴리프로필렌디아민(분자량 1천이하), 폴리(테트라 메틸렌에테르) 디아민, 코폴리(프로필렌에테르-에티렌에테르)디아민 또는 이들의 혼합물, 비스아미노 알킬켄트라하이드로퓨란 등의 알킬 족 디아민과 화학식 6에서 보여주는 R, R', R"에서의 방향족 디아민을 적어도 1가지 이상 포함하고, 그리고 산무수물은 화학식 7에서 표현되는 R""로 표현되는 것과 같이 알리사이클릭디산무수물과 방향족 산무수물이 포함된 것을 상기와 하기식의 다가 산무수물과 상기 아민과 하기식의 디아민을 각각 최소 1개 이상 포함하고, 상기 화합물들을 최소 1개 이상 포함한다.Wherein diamine is polyoxyalkylenediamine (molecular weight 4000 or less), polypropylenediamine (molecular weight 1000 or less), poly (tetramethylene ether) diamine, copoly (propyleneether-ethyleneether) diamine or mixtures thereof, bis Alkyl group diamines such as amino alkylkentrahydrofuran and at least one aromatic diamine in R, R 'and R "shown in formula (6), and the acid anhydride is represented by R" " As described above, an alicyclic diacid anhydride and an aromatic acid anhydride are included, and the polyhydric acid anhydride of the above and the following formulas, the amine and the diamine of the following formulas each include at least one, and at least one of the compounds.
[화학식 5][Formula 5]
여기서 n+m=1, 0≤ m < 0.6Where n + m = 1, 0≤ m <0.6
[화학식 6][Formula 6]
[화학식 7][Formula 7]
마지막으로 사용된 PEIEs는 화학식 8로 표시되며,The last PEIEs used are represented by Formula 8,
여기서 디아민은 폴리옥시알킬렌디아민(분자량 4천이하), 폴리프로필렌디아민( 분자량 1천이하), 폴리(테트라 메닐렌에테르)디아민, 코폴리(프로필렌에테르-에티렌에테르)디아민 또는 이들의 혼합물, 비스아미노 알킬트라하이드로퓨란등의 알킬족 디아민과 화학식9에서 보여주는 방향족 디아민을 포함하고, Wherein diamine is polyoxyalkylenediamine (molecular weight 4000 or less), polypropylenediamine (molecular weight 1000 or less), poly (tetra menyleneether) diamine, copoly (propyleneether-ethyleneether) diamine or mixtures thereof, Alkyl group diamines, such as bisamino alkyl trihydrofuran, and aromatic diamine shown by General formula (9) are included,
화학식 8에서 표현되는 R'에서 사용되는 지방족화합물들로는 저분자량의 디올(부탄디올, 헥산디올, 부텐디올, 사이크롤헥산디메탄올등), 고분자량의 디올(폴리 에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 분자량 4천이하) 혹은 디카르복시산 에스테르 형성반응 유도체, 알리사이크릭 디올, 고분자량의 불포화 디올(분자량 4천이하), 트리카르복시산 혹은 무수물과의 유도체를 포함하며, 그리고 R'로 표현되는 방향족 디올은 화학식 10로 표시되며, 여기서 청구항 6과 7에서 사용한 방향족 디산무수물은 내열성에 문제가 되지 않으면 제거가 가능하며 화학식9에서와 같이 표시되는 방향족 디아민은 최소 1개 이상 포함하는 것이 바람직하다.Aliphatic compounds used in R 'represented by Formula 8 include low molecular weight diols (butanediol, hexanediol, butenediol, cyclohexanedimethanol, etc.) and high molecular weight diols (polyethylene glycol, polypropylene glycol molecular weight of 4,000 or less). Or dicarboxylic acid ester-forming derivatives, alicyclic diols, high molecular weight unsaturated diols (molecular weight 4,000 or less), tricarboxylic acids or derivatives with anhydrides, and aromatic diols represented by R ' Here, the aromatic diacid anhydride used in claims 6 and 7 can be removed if the heat resistance is not a problem, it is preferable to include at least one aromatic diamine represented by the formula (9).
[화학식 8][Formula 8]
여기서 x+y=1, 0.3≤ y < 0.7Where x + y = 1, 0.3≤ y <0.7
[화학식 9] [Formula 9]
= -알콕시, -CN, -폴리에테르류, -알칸류, -시클로알칸류, -아마이드결합에 의한 알칸류등과의 결합, -에스테르 결합에 의한 알칸류등과의 결합, = -Alkoxy, -CN, -polyethers, -alkanes, -cycloalkanes, -alkanes by amide bonds, alkanes by ester bonds, etc.,
[화학식 10][Formula 10]
상기와 같은 본 발명은 음극 표면을 변성폴리이미드로 코팅함으로서 자가방 전율을 0.2%이하로 낮출 수 있고 기존 제품보다 방전시간을 최소 30%이상 증가시켜 용량을 증가시킬 수 있고, 초기 전압지연 현상을 1초미만으로 유지할 수 있는 현저한 효과를 안출한 발명이다.As described above, the present invention can reduce the self-discharge rate to 0.2% or less by increasing the capacity of the negative electrode by increasing the discharge time by at least 30% than the existing product by coating the surface of the negative electrode with modified polyimide. It is the invention which produced the remarkable effect which can be maintained in less than 1 second.
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