KR20120078235A - Lewis acid complex-based polymer electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬이차전지용 루이스산 착화합물 기반의 고분자 전해질 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 루이스산 착화합물을 이용하여 높은 전기화학적 안정성과 이온전도도를 동시에 확보할 수 있는 고분자 전해질 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a polymer electrolyte based on a Lewis acid complex for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same. More specifically, the present invention relates to a polymer electrolyte capable of simultaneously securing high electrochemical stability and ion conductivity using a Lewis acid complex. It relates to a lithium secondary battery comprising the same.
리튬이차전지는 휴대용 전자기기의 전원으로 가장 많이 사용되고 있으며 하이브리드 전기자동차, 순수 전기자동차의 개발에 따라 대용량, 고출력화를 목표로 활발하게 연구되고 있다. 하지만 리튬이차전지의 고에너지 밀도화는 동시에 전지의 안전성을 크게 위협하는 요소가 되어 이를 해결하기 위한 다각적인 방안들이 강구되고 있다.Lithium secondary batteries are most commonly used as a power source for portable electronic devices, and are being actively researched for high capacity and high output according to the development of hybrid electric vehicles and pure electric vehicles. However, the high energy density of lithium secondary batteries has been a major threat to battery safety, and various measures have been taken to solve them.
고체 고분자 전해질은 액체전해질에 비해 이온전도도가 낮지만 휘발성 유기용매를 함유하고 있지 않아 리튬이차전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히 박막으로 제조할 경우 이온전도도의 문제를 극복할 수 있는 차세대 전지 시스템이다.The solid polymer electrolyte has a lower ion conductivity than a liquid electrolyte but does not contain a volatile organic solvent, thereby greatly improving the safety of a lithium secondary battery. In particular, it is a next-generation battery system that can overcome the problem of ion conductivity when manufactured in a thin film.
일반적으로 고체 고분자 전해질에는 리튬이온의 이동을 위해 리튬염을 첨가시키는데, 음이온의 활발한 이동은 양극산화와 함께, 분극현상의 원인이 되어 전지성능을 감소시키게 된다. 이를 해결하기 위해 단량체형 단일 이온 전도성 고분자 전해질이 연구되고 있지만 단일이온을 형성할 수 있는 단량체들이 용매에 녹지 않아, 고분자의 합성, 정제, 용매교환, 리튬치환의 4가지 단계를 통해서 합성되고 있다. In general, a lithium salt is added to the solid polymer electrolyte to transfer lithium ions. Active movement of anions, together with anodization, causes polarization and decreases battery performance. In order to solve this problem, a monomeric single ion conductive polymer electrolyte has been studied, but monomers capable of forming a single ion are not dissolved in a solvent, and thus are synthesized through four stages of polymer synthesis, purification, solvent exchange, and lithium substitution.
또한 루이스산을 이용한 것은 루이스산 촉진 전이알루미나 촉매를 공개하고 있는 공개특허 1993-7002067호가 있으나 본 발명과는 전혀 다른 분야이다. In addition, the use of Lewis acid is disclosed in Patent Publication No. 1993-7002067, which discloses a Lewis acid-promoted transition alumina catalyst, is a completely different field from the present invention.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 목적은 단일이온성 단량체에 루이스산을 도입하여 용매에 대한 우수한 용해성을 확보, 간단한 한번의 중합공정으로 단일이온성 고분자 전해질 제조가 가능하도록 하고, 전기화학적 안정성 및 이온전도도가 우수한 리튬이차전지용 고분자 전해질을 제공함에 있다. In order to solve the above problems, an object of the present invention is to introduce a Lewis acid to the monoionic monomer to ensure excellent solubility in the solvent, to enable the production of a monoionic polymer electrolyte in a simple polymerization process, The present invention provides a polymer electrolyte for a lithium secondary battery having excellent chemical stability and ion conductivity.
본 발명의 다른 목적은 상기 고분자 전해질을 포함하는 리튬이차전지를 제공함에 있다.Another object of the present invention to provide a lithium secondary battery comprising the polymer electrolyte.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 루이스산 착화합물을 형성하는 단일이온성 단량체 : 고분자 형성 화합물로 구성된 리튬이차전지용 고분자 전해질을 제공한다. 여기서 착화합물은 고분자 형성 단량체 중량에 대하여 5~50중량%인 것이 바람직한데, 상기에서 착화합물의 함량이 5% 이하일 경우 리튬이온의 농도가 너무 낮아 이온전도도가 나타나지 않으며, 50% 이상일 경우 전체 고분자 전해질의 물성이 딱딱해지기 때문에 전지에 대한 응용이 어렵기 때문이다.In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention provides a polymer electrolyte for a lithium secondary battery composed of a monoionic monomer: polymer forming compound for forming a Lewis acid complex. The complex compound is preferably 5 to 50% by weight based on the weight of the polymer-forming monomer. When the content of the complex compound is 5% or less, the concentration of lithium ions is too low to show ionic conductivity. It is because the application of the battery is difficult because the physical properties become hard.
상기에서 루이스산은 BF3, ZnCl2 등이 될 수 있으며, 단일이온성 단량체와 착체를 형성할 수 있는 것이 바람직하다.The Lewis acid may be BF 3 , ZnCl 2, or the like, and it is preferable that the Lewis acid may form a complex with a monoionic monomer.
상기 단일이온성 단량체는 리튬염으로 리튬메타크릴레이트, 리튬아크릴레이트, 리튬스타이렌설포네이트 등으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 여기서 리튬염을 사용하는 이유는, 리튬염(리튬양이온과 중합이 가능한 상대음이온으로 구성)이 포함된 단량체를 사용하여 고분자로 합성시키면 단량체가 고분자사슬로 사용되어 움직임이 떨어지기 때문에 전해질 내에 움직임이 가능한 이온은 리튬밖에 없기 때문이고, 이것을 단일이온성 고분자 전해질이라고 부르며, 음이온의 이동이 불가능하여 양극에서의 음이온 분해가 원초적으로 차단되며(전기화학적 안정성 향상), 음이온 이동에 의한 분극현상도 막을 수 있다. 결과적으로 리튬염이 포함된 단량체를 사용하는 이유는 전기화학적 안정성 향상과 분극현상 억제에 따른 전지성능향상이 목적이다.The monoionic monomer may be at least one selected from the group consisting of lithium methacrylate, lithium acrylate, lithium styrene sulfonate, and the like as a lithium salt. The reason why the lithium salt is used is that when the polymer is synthesized using a monomer containing a lithium salt (composed of lithium cations and a relative anion that can be polymerized), the monomer is used as a polymer chain, and thus the movement in the electrolyte is reduced. The only possible ion is lithium, which is called a monoionic polyelectrolyte. It is not possible to move anions and thus prevents anion decomposition at the anode (improving electrochemical stability) and prevents polarization due to anion migration. have. As a result, the purpose of using a monomer containing a lithium salt is to improve the battery performance by improving the electrochemical stability and suppressing the polarization phenomenon.
또한, 상기 단일이온성 단량체와 상기 루이스산 첨가비율은 1:1 몰비가 바람직하며 1:2까지도 사용할 수 있는데, 정량적인 착체를 형성하기 위해서는 단량체 1에 대해 루이스산 1 몰비가 첨가되어야 하며, 루이스산이 2배 과량(단량체 1: 루이스산 2)으로 사용되어도 전기화학적 안정성과 이온전도도에 큰 문제가 발생하지 않기 때문에 1:1~1:2까지의 범위까지 사용할 수 있다.In addition, the monoionic monomer and the Lewis acid addition ratio are preferably 1: 1 molar ratio, and may be used up to 1: 2. To form a quantitative complex, a 1 molar ratio of Lewis acid to
상기 루이스산 착체가 형성된 단일이온성 단량체는 하기 화학식 1로 표기될 수 있다.The monoionic monomer in which the Lewis acid complex is formed may be represented by the following Chemical Formula 1.
상기 루이스산과 단일이온성 단량체가 상온에서 결합하여 만들어지는 착체는 이온 결합력이 감소되어 용해도가 크게 증가되며 이를 녹일 수 있는 용매로는 에칠렌카보네이트, 다이에칠카보네이트, 테트라하이드로퓨란, 메탄올 등에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 용매에서 에칠렌카보네이트, 다이에칠카보네이트는 전지에 많이 사용되는 액체전해액이며 테트라하이드로퓨란, 메탄올은 증발이 간편하게 진행되는 범용 용매로서 고분자 중합에 그대로 사용이 가능하고, 리튬메타크릴레이트를 사용할 경우 위의 용매에 녹지 않으나 일단 착체를 형성하게 되면 이온결합력이 감소되어 상온에서도 용매에 즉시 녹으며 간단한 교반을 통해 용해속도를 더욱 증가시킬 수 있다.The complex formed by combining the Lewis acid and the monoionic monomer at room temperature has a decrease in ionic binding force, so that the solubility is greatly increased. It may be more than one species. In the solvent, ethylene carbonate and die carbonate are liquid electrolytes that are frequently used in batteries, and tetrahydrofuran and methanol are general solvents for easy evaporation, and can be used as they are for polymer polymerization. It does not dissolve in the solvent, but once the complex is formed, the ionic bond strength is reduced, so that it immediately dissolves in the solvent even at room temperature, and can be further increased by simple stirring.
상기 용매에서 루이스산 착체와 고분자를 형성하는 단량체는 아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 메타크릴레이트, 폴리(에치엘글리콜) 디메타크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 디아크릴레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.The monomer forming the Lewis acid complex and the polymer in the solvent is composed of acrylate, poly (ethylene glycol) methacrylate, poly (ethglycol) dimethacrylate, poly (ethylene glycol) diacrylate, and combinations thereof. It is preferably selected from the group.
상기 단량체인 아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 디메타크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 디아크릴레이트 등은 고체고분자 전해질에 일반적으로 많이 사용하는 단량체로서 질긴 분자특성으로 인해 기계적 강도를 유지할 수 있고, 낮은 유리전이온도를 가지고 있어서 분자 사슬운동이 활발하게 일어나 리튬이온 전달에 유리하기 때문에 사용한다.The monomers acrylate, poly (ethylene glycol) dimethacrylate, poly (ethylene glycol) diacrylate, and the like are monomers commonly used in solid polymer electrolytes, and can maintain mechanical strength due to their tough molecular properties. It is used because it has a glass transition temperature and molecular chain movement is active, which is advantageous for lithium ion transfer.
상기 루이스산 착체가 형성된 단일이온성 고분자 전해질의 대표적인 구조는 아래의 화학식 2와 같다.A typical structure of the monoionic polymer electrolyte in which the Lewis acid complex is formed is shown in
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 고분자 전해질; 양극 활물질; 음극 활물질을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, the polymer electrolyte; Positive electrode active material; It provides a lithium secondary battery comprising a negative electrode active material.
본 발명의 루이스산 착체가 형성된 단일이온성 단량체는 일반적 용매에 잘 녹기 때문에 간단한 중합으로 고분자 전해질 합성이 가능하다.Since the monoionic monomer in which the Lewis acid complex of the present invention is formed is soluble in a general solvent, the polymer electrolyte can be synthesized by simple polymerization.
본 발명의 리튬이차전지용 고분자 전해질은 단일이온성 리튬염을 사용하기 때문에 전기화학적 안정성이 높고 이온 해리도가 크기 때문에 이온 전도도가 높다.Since the polymer electrolyte for lithium secondary batteries of the present invention uses a monoionic lithium salt, the electrochemical stability is high and the ion dissociation degree is high, thus the ion conductivity is high.
본 발명의 리튬이차전지용 고분자 전해질은 우수한 물리적 안정성을 가지면 전지의 박형화를 가능하게 하고 형상 자유도를 향상시킨다.When the polymer electrolyte for lithium secondary batteries of the present invention has excellent physical stability, it is possible to thin the battery and improve the shape freedom.
도 1은 리튬이차전지의 절개 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 조성물 전위 측정그래프.1 is a cutaway perspective view of a lithium secondary battery.
2 is a composition potential measurement graph according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 실시예를 통해서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention.
실시예 1Example 1
아르곤 가스가 충만한 글로브박스에서 리튬메타크릴레이트 10 mmol에 보론트리풀루오라이드 테트라하이드로퓨란 컴플렉스 10 mmol을 첨가하여 상온에서 5분간 교반시켜 투명한 착화합물을 수득하였다.In a glove box filled with argon gas, 10 mmol of borontripulolide tetrahydrofuran complex was added to 10 mmol of lithium methacrylate and stirred at room temperature for 5 minutes to obtain a clear complex.
실시예 2Example 2
리튬메타크릴레이트 10 mmol과 보론트리풀루오라이드 테트라하이드로퓨란 컴플렉스 20 mmol을 사용하여 상기 실시예 1과 동일하게 투명한 착화합물을 수득하였다. Using 10 mmol of lithium methacrylate and 20 mmol of borontripulolide tetrahydrofuran complex, a transparent complex was obtained in the same manner as in Example 1.
실시예 3Example 3
테트라하이드로퓨란 50 g에 착화합물 2 mmol 및 폴리(에틸렌글리콜) 메타크릴레이트 7.6 mmol을 첨가하고, 라디칼 중합 개시제로서 벤조일 퍼옥사이드(BPO)를 첨가하여 65℃에서 9시간 동안 반응시켜 착화합물과 폴리(에틸렌글리콜) 메타크릴레이트의 공중합체를 수득하였다. 이 때, 착화합물과 폴리(에틸렌글리콜) 메타크릴레이트 공중합체의 수평균분자량은 51,000 g/mol이었다. To 50 g of tetrahydrofuran, 2 mmol of a complex compound and 7.6 mmol of a poly (ethylene glycol) methacrylate were added, and benzoyl peroxide (BPO) was added as a radical polymerization initiator and reacted at 65 ° C. for 9 hours to react the complex with poly (ethylene Glycol) methacrylates were obtained. At this time, the number average molecular weight of the complex compound and the poly (ethylene glycol) methacrylate copolymer was 51,000 g / mol.
상기 혼합물을 80℃에서 72시간 동안 진공 건조시켜 리튬 이차 전지용 고분자 조성물을 제조하였다. The mixture was vacuum dried at 80 ° C. for 72 hours to prepare a polymer composition for a lithium secondary battery.
실시예 4Example 4
착화합물 2 mmol 및 폴리(에틸렌글리콜) 메타크릴레이트 4.6 mmol을 이용하여 상기 실시예 3과 동일하게 리튬 이차 전지용 고분자 조성물을 제조하였다. 착화합물과 폴리(에틸렌글리콜) 메타크릴레이트 공중합체의 수평균분자량은 74,000 g/mol이었다.A polymer composition for a lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 3 using 2 mmol of a complex compound and 4.6 mmol of poly (ethylene glycol) methacrylate. The number average molecular weight of the complex compound and the poly (ethylene glycol) methacrylate copolymer was 74,000 g / mol.
실시예 5Example 5
착화합물 2 mmol 및 폴리(에틸렌글리콜) 메타크릴레이트 4.4 mmol을 이용하여 상기 실시예 3과 동일하게 리튬 이차 전지용 고분자 조성물을 제조하였다. 착화합물과 폴리(에틸렌글리콜) 메타크릴레이트 공중합체의 수평균분자량은 53,000 g/mol이었다.
A polymer composition for a lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 3 using 2 mmol of a complex compound and 4.4 mmol of a poly (ethylene glycol) methacrylate. The number average molecular weight of the complex compound and the poly (ethylene glycol) methacrylate copolymer was 53,000 g / mol.
산화 전위 측정(linear sweep voltammetry)Linear sweep voltammetry
상기 실시예 1에 따라 제조된 고분자 조성물의 산화 전위를 다음과 같은 방법으로 측정하였다. 작동 전극(Working electrode)은 스테인레스 스틸을 사용하고, 참조 전극 및 대극을 리튬 금속을 사용하여, 1 mV/sec 스캔 속도, 60℃ 조건으로 선형 스윕 볼타메트리(linear sweep voltammetry)법으로 측정하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다.The oxidation potential of the polymer composition prepared according to Example 1 was measured by the following method. The working electrode is made of stainless steel, and the reference electrode and the counter electrode are measured by linear sweep voltammetry at 1 mV / sec scan rate and 60 ° C using lithium metal. The results are shown in FIG.
도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따라 제조된 고분자 조성물의 경우 60℃ 조건임에도 불구하고 약 7.0V 까지의 전압에서도 급격한 분해가 일어나지 않으므로, 약 5.7V 정도에서 급격한 분해가 일어나는 액체전해액보다 우수한 전기화학적 안정성을 나타냄을 알 수 있다.As shown in FIG. 2, in the case of the polymer composition prepared according to the embodiment, the rapid decomposition does not occur even at a voltage up to about 7.0V, even though the temperature is 60 ° C., which is superior to that of the liquid electrolyte in which the rapid decomposition occurs at about 5.7V. It can be seen that the chemical stability.
이온전도도 측정Ion Conductivity Measurement
상기 실시예 3, 4, 5에 따라 제조된 고분자 조성물의 상온 이온전도도를 측정하여 결과를 하기 표 1에 기재하였다.The room temperature ion conductivity of the polymer composition prepared according to Examples 3, 4, and 5 was measured, and the results are shown in Table 1 below.
(S/cm, 25℃)Room temperature ion conductivity
(S / cm, 25 ℃)
표 1을 참조하면, 실시예에 따라 제조된 고분자 조성물의 경우 상온에서 고체 형태의 물성과 단일이온성 전도체의 특성을 확보하면서도, 10-5 S/㎝ 이상의 우수한 상온 이온전도도를 갖는다.Referring to Table 1, the polymer composition prepared according to the embodiment has excellent room temperature ionic conductivity of 10 −5 S / cm while securing physical properties of the solid form and the properties of the monoionic conductor at room temperature.
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