KR20140065712A - 리튬 금속 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬금속전지 - Google Patents

리튬 금속 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬금속전지 Download PDF

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Abstract

리튬염, 유기용매 및 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 관한 것이다.
[화학식 1]
Figure pat00005

Description

리튬 금속 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬금속전지{ELECTROLYTE FOR LITHIUM METAL BATTERY AND LITHIUM METAL BATTERY INCLUDING THE SAME}
리튬 금속 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬금속전지에 관한 것이다.
전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 발전함에 따라 고성능 및 고안전성의 이차 전지에 대한 수요가 최근 급격히 증가하고 있다. 특히, 전기, 전자 제품의 경박단소 및 휴대화 추세에 따라 핵심 부품인 이차 전지도 경량화 및 소형화가 요구되고 있다. 또한, 자동차의 대량 보급에 따른 대기 오염 및 소음 등의 환경 공해 문제 및 석유 고갈에 따른 새로운 형태의 에너지 수급원의 필요성이 대두됨에 따라 이를 해결할 수 있는 전기 자동차의 개발 필요성이 증가되어 왔으며 이들의 동력원으로서 고출력, 고에너지 밀도를 갖는 전지의 개발이 요구되고 있다.
이와 같은 요구에 부응하여 최근 각광을 받고 있는 고성능의 차세대 첨단 신형 전지 중의 하나가 리튬 금속 전지이다.
상기 리튬 금속 전지는 음극으로 리튬 금속이나 리튬 합금을 사용하는 전지로서, 이론적으로 매우 높은 에너지 용량을 가지기 때문에 매력적인 소재 중의 하나이다.
그러나 리튬 금속 전지는 리튬 금속의 높은 화학적/전기화학적 반응성으로 인해 전해질과 반응하여 표면에 두꺼운 저항층을 형성할 수 있다. 상기 두꺼운 저항층은 전지의 저항을 높여 충방전시 용량을 감소시킬 수 있다.
뿐만 아니라 리튬 금속 전지는 리튬 전극 표면의 불균일한 전류 분포로 인해 특정 부위에만 리튬이 증착되어 수지상 석출물인 리튬 덴드라이트(dendrite)를 형성할 수 있다. 상기 리튬 덴드라이트는 세퍼레이터를 통과하여 양극에 도달하여 전지를 단락시키거나 전지의 폭발 위험성이 있다.
따라서 리튬 금속과 전해질 사이의 계면을 안정화시키는 것이 중요하다.
일 구현예는 음극 표면에 리튬 덴드라이트 형성을 억제하는 동시에 안정한 고체 전해질 계면층(SEI layer)을 형성하여 전지 성능을 개선할 수 있는 리튬 금속 전지용 전해질을 제공한다.
다른 구현예는 상기 전해질을 포함하는 리튬 금속 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 리튬염, 유기용매 및 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 상기 전해질의 총 함량에 대하여 약 0.01 내지 10중량%로 포함될 수 있다.
상기 유기용매는 에테르기를 포함하는 선형 또는 환형 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 에테르기를 포함하는 선형 또는 환형 유기용매는 디부틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸 에테르(tetraethyleneglycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌글리콜 디메틸 에테르(diethyleneglycol dimethyl ether), 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 트리에틸렌글리콜디메틸 에테르, 테트라히드로퓨란 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 에테르기를 포함하는 선형 또는 환형 화합물은 상기 유기용매의 총 함량에 대하여 약 50 내지 95 부피%로 포함될 수 있다.
상기 유기용매는 불소함유 유기용매를 더 포함할 수 있다.
상기 불소함유 유기용매는 모노플루오로에틸렌 카보네이트, 디플루오로에틸렌카보네이트, 플루오로프로필렌 카보네이트 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 불소함유 유기용매는 상기 유기용매의 총 함량에 대하여 약 5 내지 50부피%로 포함될 수 있다.
상기 리튬염은 LiTFSI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2y +1SO2)(x 및 y는 자연수임), LiCl 및 LiI로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 양극 활물질을 포함하는 양극, 리튬 금속 및 리튬 합금 중 적어도 하나를 포함하는 음극, 그리고 상기 전해질을 포함하는 리튬 금속 전지를 제공한다.
상기 양극 활물질은 황 원소 및 황 함유 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 양극은 주위 공기에 노출될 수 있다.
음극 표면에 리튬 덴드라이트 형성을 억제하는 동시에 안정한 고체 전해질 계면층(SEI layer)을 형성하여 전지의 안정성을 높이고 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 금속 전지의 구조를 보여주는 개략도이고,
도 2는 실시예 1과 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지의 사이클 횟수에 따른 충전 특성을 보여주는 그래프이고,
도 3은 실시예 1과 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지의 사이클 횟수에 따른 방전 특성을 보여주는 그래프이고,
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지의 사이클에 따른 쿨롱 효율을 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
이하 일 구현예에 따른 리튬 금속 전지용 전해질에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 리튬 금속 전지용 전해질은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물, 리튬염 및 유기 용매를 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 환원 분해성이 매우 높은 물질로, 리튬 금속 표면에서 먼저 환원분해되어 안정한 보호피막(SEI layer)을 형성할 수 있다. 따라서 음극으로 리튬 금속 또는 리튬 합금이 사용되는 리튬 금속 전지에서 리튬 금속과 전해질의 접촉에 의한 전해질 분해반응을 억제할 수 있고 이에 따라 전해질 분해반응에 의해 저항이 높아져 전지의 충방전시 용량이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
또한 리튬 금속 전지 중 리튬 설퍼 전지의 경우, 상기 보호피막(SEI layer)이 설퍼를 포함하는 양극으로부터 생성된 폴리설파이드가 리튬 금속과 반응하는 것을 방지하여 전지의 과충전 현상을 효과적으로 억제하여 전지의 안정성을 높일 수 있다.
상기 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 금속 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다.
상기 리튬염의 구체적인 예로는 LiTFSI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(x 및 y는 자연수임), LiCl 및 LiI로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 리튬염의 농도는 약 0.1M 내지 약 2.0M 범위 내에서 사용될 수 있다. 리튬염의 농도가 상기 범위로 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 유기 용매는 에테르기를 포함하는 선형 또는 환형 유기 용매를 포함할 수 있다. 상기 에테르기를 포함하는 선형 또는 환형 유기용매는 예컨대 디부틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸 에테르(tetraethyleneglycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌글리콜 디메틸 에테르(diethyleneglycol dimethyl ether), 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 트리에틸렌글리콜 디메틸 에테르, 테트라히드로퓨란 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 테트라에틸렌글리콜 디메틸 에테르일 수 있다.
상기 에테르기를 포함하는 선형 또는 환형 유기 용매는 상기 유기 용매의 총 함량에 대하여 약 50 내지 95 부피%로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함됨으로써 리튬염의 해리와 해리된 리튬이온의 원활한 이동을 확보할 수 있다.
상기 유기 용매는 불소함유 유기용매를 더 포함할 수 있다. 상기 불소함유 유기용매는 예컨대 모노플루오로에틸렌 카보네이트, 디플루오로에틸렌카보네이트, 플루오로프로필렌 카보네이트 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 불소함유 유기용매는 상기 유기 용매의 총 함량에 대하여 약 5 내지 50 부피%로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함됨으로써 불소함유 유기용매의 환원분해에 의해 리튬금속 표면에 균일하고 안정한 보호막을 형성할 수 있다.
상기 유기 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 케톤계, 알코올계 및 비양성자성 용매로부터 선택되는 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 카보네이트계 용매로는 예컨대 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 메틸프로필 카보네이트(methylpropyl carbonate, MPC), 에틸프로필 카보네이트(ethylpropyl carbonate, EPC), 메틸에틸 카보네이트(methylethyl carbonate, MEC), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC) 등의 사슬형 카보네이트 화합물; 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate, BC) 등의 환형 카보네이트 화합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 사슬형 카보네이트 화합물 및 상기 환형 카보네이트 화합물을 혼합하여 사용하는 경우, 유전율을 높이는 동시에 점성이 작은 용매로 제조될 수 있어서 좋다. 이 경우 환형 카보네이트 화합물 및 사슬형 카보네이트 화합물은 약 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 에스테르계 용매로는 예컨대 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, n-프로필아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기 용매는 단독 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
이하 상술한 전해질을 사용한 리튬 금속 전지의 일 예에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 금속 전지의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 리튬 금속 전지(1)는 양극(2), 음극(3) 및 상기 양극(2)과 음극(3) 사이에 위치하는 세퍼레이터(4)로 이루어진 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 둘러싸는 케이스(5)를 포함한다. 상기 양극(2)과 상기 음극(3) 사이에는 전술한 전해액이 주입된다.
물론, 일 구현예에 따른 리튬 금속 전지가 이 형상으로 한정되는 것은 아니며, 일 구현예에 따른 전해액을 포함하며 전지로서 작동할 수 있는 원통형, 파우치 등 어떠한 형성도 가능함은 당연하다.
상기 음극은 리튬 금속 및 리튬 합금으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 리튬 합금으로는 리튬과, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속으로 이루어진 합금을 사용할 수 있다.
상기 음극 표면에는 보호피막(SEI layer)이 형성되어 있으며, 상기 보호피막은 전해질의 분해물, 특히 상기 화학식 1로 표현되는 화합물의 환원분해물을 포함할 수 있다.
상기 양극은 집전체 및 상기 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함할 수 있다.
상기 집전체는 예컨대 알루미늄 집전체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 활물질 층은 황 원소 및 황 함유 화합물로부터 선택되는 적어도 하나의 양극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 포함할 수 있다. 이와 같이 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 금속 전지를 리튬 설퍼 전지라고도 한다.
상기 황 함유 화합물은 예컨대 Li2Sn(n=1); 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole), 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 등과 같은 디술파이드 화합물; 유기 황 화합물; 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x=2.5 내지 50, n=2)로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다.
또한 상기 양극은 주위 공기에 노출시켜 리튬 금속 전지를 제작할 수도 있다. 이때 상기 양극 활물질 층은 카본 및 바인더를 포함할 수 있으며, 선택적으로 촉매를 사용할 수도 있다. 양극을 이와 같이 설계한 리튬 금속 전지를 리튬 공기 전지라고도 한다.
또한 리튬 이온 전지에서 일반적으로 사용하는, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)도 양극 활물질로 사용할 수 있음은 물론이다.
또한 상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 구체적인 예로는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 디아세틸셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론, 폴리아미드이미드, 폴리아크릴산 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 세퍼레이터는 단일막 또는 다층막일 수 있으며, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 측면들을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
리튬 금속 전지의 제조
실시예 1
1.3M LiTFSI 리튬염을 테트라에틸렌글리콜 디메틸 에테르(TEGDME) 용매에 첨가한 용액을 준비하고, 상기 용액에 하기 화학식 1로 표현되는 화합물 1중량%를 첨가한 전해질을 준비하였다.
[화학식 1]
Figure pat00003
양극 활물질로 황(S8), 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 도전재로 수퍼-P를 각각 60:20:20의 중량비로 혼합하여, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 활물질 층 조성물을 제조하였다. 상기 양극 활물질 층 조성물을 두께 45 ㎛의 알루미늄 호일에 코팅하여 건조 및 압연 후 양극을 제조하였다.
음극으로서 리튬 금속을 준비하였다.
이어서, 상기 제조된 양극, 음극 및 전해질과 폴리에틸렌 세퍼레이터를 사용하여 권취 및 압축하여 각형 캔에 삽입하여 리튬 금속 전지를 제조하였다.
비교예 1
화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속 전지를 제조하였다.
평가 1: 수명 특성
실시예 1과 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지를 이용하여 2032 코인셀을 준비하고, 이를 이용하여 실시예 1과 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지의 수명 특성을 평가하였다.
상기 수명 특성은 25℃에서 0.1C로 100회 충방전을 실시하여, 각 사이클에 따른 충방전 용량을 측정하였다.
도 2는 실시예 1과 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지의 사이클 횟수에 따른 충전 특성을 보여주는 그래프이고, 도 3은 실시예 1과 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지의 사이클 횟수에 따른 방전 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 실시예 1에 따른 리튬 금속 전지는 100 사이클 동안 안정적인 충전 및 방전 특성을 보이는 반면, 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지는 수 사이클 내에 과충전(overcharge)되어 충방전 안정성이 취약한 것으로 확인되었다.
이로부터 실시예 1에 따른 리튬 금속 전지는 상기 화학식 1로 표현되는 화합물이 음극인 리튬 금속 표면에서 환원 분해되어 리튬 금속 표면에 안정한 보호 피막을 형성함으로써 전해질의 다른 성분의 분해를 억제하는 동시에 양극으로부터 생성된 폴리설파이드가 리튬 금속과 반응하는 것을 방지하여 안정적인 충방전 특성을 보이는 것으로 판단된다.
평가 2: 쿨롱효과
실시예 1 및 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지의 상기 충방전 용량을 사용하여 하기의 관계식에 따라 각 사이클의 쿨롱효율을 계산한다.
[관계식]
쿨롱효율(%) = 방전용량/충전용량 x 100
그 결과는 도 4와 같다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지의 사이클에 따른 쿨롱 효율을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참고하면, 실시예 1에 따른 리튬 금속 전지는 100 사이클 동안 안정적인 쿨롱 효율을 나타내는데 반해 비교예 1에 따른 리튬 금속 전지는 수 사이클 내에 쿨롱 효율이 급락하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
1: 리튬 금속 전지
2: 양극
3: 음극
4: 세퍼레이터
5: 케이스

Claims (14)

  1. 리튬염,
    유기용매, 그리고
    하기 화학식 1로 표현되는 화합물
    을 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질:
    [화학식 1]
    Figure pat00004

  2. 제1항에서,
    상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 상기 전해질의 총 함량에 대하여 0.01 내지 10 중량%로 포함되어 있는 리튬 금속 전지용 전해질.
  3. 제1항에서,
    상기 유기용매는 에테르기를 포함하는 선형 또는 환형 유기용매를 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질.
  4. 제3항에서,
    상기 에테르기를 포함하는 선형 또는 환형 유기용매는 디부틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸 에테르(tetraethyleneglycol dimethyl ether, TEGDME), 디에틸렌글리콜 디메틸 에테르(diethyleneglycol dimethyl ether), 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 트리에틸렌글리콜 디메틸 에테르, 테트라히드로퓨란 또는 이들의 조합을 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질.
  5. 제3항에서,
    상기 에테르기를 포함하는 선형 또는 환형 화합물은 상기 유기용매의 총 함량에 대하여 50 내지 95 부피%로 포함되는 리튬 금속 전지용 전해질.
  6. 제3항에서,
    상기 유기용매는 불소함유 유기용매를 더 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질.
  7. 제6항에서,
    상기 불소함유 유기용매는 모노플루오로에틸렌 카보네이트, 디플루오로에틸렌카보네이트, 플루오로프로필렌 카보네이트 또는 이들의 조합을 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질.
  8. 제6항에서,
    상기 불소함유 유기용매는 상기 유기용매의 총 함량에 대하여 5 내지 50 부피%로 포함되는 리튬 금속 전지용 전해질.
  9. 제1항에서,
    상기 리튬염은 LiTFSI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2y +1SO2)(x 및 y는 자연수임), LiCl 및 LiI로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질.
  10. 양극 활물질을 포함하는 양극,
    리튬 금속 및 리튬 합금 중 적어도 하나를 포함하는 음극, 그리고
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전해질
    을 포함하는 리튬 금속 전지.
  11. 제10항에서,
    상기 양극 활물질은 황 원소 및 황 함유 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 리튬 금속 전지.
  12. 제10항에서,
    상기 양극은 주위 공기에 노출되는 리튬 금속 전지.
  13. 제10항에서,
    상기 음극 표면에 형성되어 있는 보호피막(SEI layer)을 더 포함하는 리튬 이차 전지.
  14. 제13항에서,
    상기 보호피막은 상기 화학식 1로 표현되는 화합물의 환원분해물을 포함하는 리튬 이차 전지.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160024820A (ko) * 2014-08-26 2016-03-07 록히드 마틴 코포레이션 덴드라이트 검출 방법 및 배터리와 덴드라이트 센서용 장치
WO2018097555A1 (ko) * 2016-11-24 2018-05-31 주식회사 엘지화학 리튬 전극의 전처리 방법 및 리튬 금속 전지
KR102288569B1 (ko) * 2020-01-30 2021-08-11 울산과학기술원 리튬 공기 전지 전해질 조성물 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU1796701A (en) * 1999-11-23 2001-06-04 Moltech Corporation Lithium anodes for electrochemical cells
KR100542213B1 (ko) * 2003-10-31 2006-01-10 삼성에스디아이 주식회사 리튬 금속 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지
JP5229527B2 (ja) * 2006-08-25 2013-07-03 ソニー株式会社 二次電池用電解液および二次電池
CN102124601B (zh) * 2008-06-16 2014-02-12 波利普拉斯电池有限公司 含水锂/空气电池组电池

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160024820A (ko) * 2014-08-26 2016-03-07 록히드 마틴 코포레이션 덴드라이트 검출 방법 및 배터리와 덴드라이트 센서용 장치
WO2018097555A1 (ko) * 2016-11-24 2018-05-31 주식회사 엘지화학 리튬 전극의 전처리 방법 및 리튬 금속 전지
US10840541B2 (en) 2016-11-24 2020-11-17 Lg Chem, Ltd. Pretreatment method for lithium electrode, and lithium metal battery
KR102288569B1 (ko) * 2020-01-30 2021-08-11 울산과학기술원 리튬 공기 전지 전해질 조성물 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지

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