KR20160050222A - 리튬 금속 전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 금속 전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전해질 용액은 리튬 전극 상에 보다 안정적인 SEI (solid electrolyte interface) 층이 형성될 수 있도록 하여 보다 향상된 충방전 효율의 발현을 가능케 한다. 나아가, 본 발명에 따른 전해질 용액은 리튬 전극 상에서 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 억제함으로써 전지의 단락(short circuit) 가능성을 낮출 수 있다.

Description

리튬 금속 전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지{ELECTROLYTE SOLUTION FOR LITHIUM METAL BATTERY AND LITHIUM METAL BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 리튬 금속 전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 관한 것이다.
최근 전자 기기 분야와 전기 자동차 분야의 급속한 발전에 따라 고 에너지 밀도를 갖는 이차 전지에 대한 요구가 커지고 있다. 이러한 이차 전지 중 리튬을 음극으로 사용하는 전지를 리튬 금속 전지라 칭한다.
리튬 금속 전지의 구동시 리튬 이온은 리튬 전극 표면에서 환원되는데, 전해질 용액을 구성하는 용매와 리튬염의 조합에 따라 다양한 조성의 SEI (solid electrolyte interface) 층이 리튬 전극의 표면에 형성되고 비가역이 발생된다.
그런데, 리튬 전극의 표면에 형성된 SEI 층이 불안정할 경우 전해질 용액과 리튬 전극의 직접적인 반응이 계속적으로 발생하여 추가적인 비가역이 발생하게 되고, 이는 전지의 충방전 효율 저하로 연계된다. 또한, 불안정한 SEI 층의 형성은 전해질 용액의 고갈을 야기하고, 부산물로 가스가 발생하는 등 전지의 수명을 저하시키는 요인으로 작용한다.
그리고, 리튬 금속 전지는 충방전이 지속됨에 따라 비표면적이 넓은 리튬 덴드라이트(dendrite)가 리튬 전극의 표면에 형성된다. 그런데 리튬 덴드라이트가 리튬 전극 상에서 성장할 경우 전지의 안전에 악영향을 줄 뿐만 아니라, 산소에 의한 전극의 부식 현상을 더욱 가속시키게 된다.
본 발명은 리튬 전극 상에 보다 안정적인 SEI 층의 형성을 가능케 하면서도 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있는 리튬 금속 전지용 전해질 용액을 제공하기 위한 것이다.
그리고, 본 발명은 이러한 전해질 용액을 포함하는 리튬 금속 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면,
비-수계(non-aqueous) 유기 용매;
LiSCN, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiClO4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SFO2)2, 및 LiN(CF3CF2SO2)2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 리튬염; 및
리튬 폴리설파이드 및 리튬 나이트레이트를 포함한 첨가제
를 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질 용액이 제공된다.
그리고, 본 발명에 따르면, 상기 전해질 용액을 포함하는 리튬 금속 전지가 제공된다.
이하, 발명의 구현 예들에 따른 전해질 용액 및 리튬 이온 전제에 대해 상세히 설명하기로 한다.
그에 앞서, 본 명세서 전체에서 명시적인 언급이 없는 한, 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 그리고, 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
I. 전해질 용액
발명의 일 구현 예에 따르면, 비-수계(non-aqueous) 유기 용매; LiSCN, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiClO4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SFO2)2, 및 LiN(CF3CF2SO2)2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 리튬염; 및 리튬 폴리설파이드 및 리튬 나이트레이트를 포함한 첨가제를 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질 용액이 제공된다.
본 발명자들의 계속적인 실험 결과, 리튬 금속 전지용 전해질 용액에 LiTFSI와 같은 리튬염과 함께 첨가제로 리튬 폴리설파이드 및 리튬 나이트레이트를 첨가할 경우, 리튬 전극 상에 보다 안정적인 SEI 층이 형성될 수 있도록 하여 보다 향상된 충방전 효율의 발현을 가능케함이 확인되었다. 나아가, 상기 첨가제를 포함하는 전해질 용액은 리튬 전극 상에서 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 억제함으로써 전지의 단락 가능성을 낮출 수 있고, 이를 통해 전지의 수명이 보다 향상될 수 있음이 확인되었다. 이처럼 첨가제로써 리튬 폴리설파이드 및 리튬 나이트레이트를 동시에 포함하는 전해질 용액을 리튬 금속 전지에 적용함에 따른 효과는, 특히 양극에 황이 포함되지 않는 비 설퍼계 양극을 사용하는 리튬 금속 전지에서 보다 현저한 차이를 나타냄이 확인되었다.
이처럼 첨가제로써 리튬 폴리설파이드 및 리튬 나이트레이트를 동시에 포함하는 전해질 용액을 리튬 금속 전지에 적용함에 따른 효과는, 특히 양극에 황이 포함되지 않는 비 설퍼계 양극을 사용하는 리튬 금속 전지에서 보다 현저한 차이를 나타낸다.
상기 전해질 용액에 있어서, 비-수계(non-aqueous) 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질이다.
발명의 구현 예에 따르면, 상기 비-수계 유기 용매로는 1종 이상의 에테르계 용매가 사용될 수 있다. 여기서, 상기 에테르계 용매는 비환형 에테르(acyclic ethers)와 환형 에테르(cyclic ethers)를 포함하는 것이다.
바람직하게는, 상기 비-수계 유기 용매로는 비환형 에테르와 환형 에테르가 1:0.3 내지 1:0.7, 또는 1:0.4 내지 1:0.7, 또는 1:0.4 내지 1:0.6, 또는 약 1:0.5의 부피비로 사용되는 것이, 충전시 과전압 현상의 개선과 향상된 에너지 밀도의 발현 측면에서 유리할 수 있다. 여기서, 상기 부피비는 에테르계 용매 중 "비환형 에테르의 부피%": "환형 에테르의 부피%"의 비에 대응한다.
비제한적인 예로, 상기 비환형 에테르는 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,2-디에톡시에탄(1,2-diethoxyethane), 1,2-디부톡시에탄(1,2-dibuthoxyethane), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 디에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(diethylene glycol diethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(triethylene glycol dimethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(triethylene glycol diethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether), 및 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(tetraethylene glycol diethyl ether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.
또한, 비제한적인 예로, 상기 환형 에테르는 1,3-디옥소란(1,3-dioxolane), 4,5-디메틸-디옥소란(4,5-dimethyl-dioxolane), 4,5-디에틸-디옥소란(4,5-diethyl-dioxolane), 4-메틸-1,3-디옥소란(4-methyl-1,3-dioxolane), 4-에틸-1,3-디옥소란(4-ethyl-1,3-dioxolane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 2-메틸 테트라하이드로퓨란(2-methyl tetrahydrofuran), 2,5-디메틸 테트라하이드로퓨란(2,5-dimethyl tetrahydrofuran), 2,5-디메톡시 테트라하이드로퓨란(2,5-dimethoxy tetrahydrofuran), 2-에톡시 테트라하이드로퓨란(2-ethoxy tetrahydrofuran), 2-메틸-1,3-디옥소란(2-methoxy-1,3-dioxolane), 2-비닐-1,3-디옥소란(2-vinyl-1,3-dioxolane), 2,2-디메틸-1,3-디옥소란(2,2-dimethyl-1,3-dioxolane), 2-메톡시-1,3-디옥소란(2-methoxy-1,3-dioxolane), 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥소란(2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane), 테트라하이드로파이란(tetrahydropyran), 1,4-디옥산(1,4-dioxane), 1,2-디메톡시 벤젠(1,2-dimethoxy benzene), 1,3-디메톡시 벤젠(1,3-dimethoxy benzene), 1,4-디메톡시 벤젠(1,4-dimethoxy benzene), 및 아이소소바이드 디메틸 에테르(isosorbide dimethyl ether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.
한편, 발명의 구현 예에 따른 전해질 용액에는 상기 비-수계 유기 용매 상에 분산된 리튬염이 포함된다.
상기 리튬염으로는 리튬 금속 전지에 통상적으로 적용 가능한 것이 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 리튬염은 LiSCN, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiClO4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SFO2)2, 및 LiN(CF3CF2SO2)2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.
그리고, 상기 리튬염의 농도는 이온 전도도 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 바람직하게는 0.2 내지 2.0 M, 또는 0.5 내지 1.6 M 일 수 있다. 즉, 전지의 구동에 적합한 이온 전도도의 확보를 위하여, 상기 리튬염의 농도는 0.2 M 이상인 것이 바람직하다. 다만, 리튬염이 과량으로 첨가될 경우 전해질 용액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 떨어질 수 있고, 리튬염 자체의 분해 반응이 증가하여 전지의 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 리튬염의 농도는 2.0 M 이하인 것이 바람직하다.
한편, 발명의 구현 예에 따른 전해질 용액에는 상기 비-수계 유기 용매 상에 전술한 리튬염과 함께 분산된 첨가제가 포함된다. 특히, 상기 첨가제로는 리튬 폴리설파이드와 리튬 나이트레이트가 포함된다.
발명의 구현 예에 따르면, 첨가제로 리튬 폴리설파이드와 리튬 나이트레이트를 포함하는 전해질 용액은, 이러한 첨가제를 포함하지 않는 전해질 용액에 비하여, 리튬 전극 상에 보다 안정적인 SEI (solid electrolyte interface) 층이 형성될 수 있도록 하여 보다 향상된 충방전 효율의 발현을 가능케 한다. 나아가, 상기 전해질 용액은 리튬 전극 상에서 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 억제함으로써 전지의 단락(short circuit) 가능성을 낮출 수 있고, 이를 통해 전지의 수명이 보다 향상될 수 있도록 한다.
상기 첨가제 중 리튬 폴리설파이드로는 Li2S2, Li2S4, Li2S6, Li2S8, Li2S10, 및 Li2S12로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물이 사용될 수 있다.
그리고, 발명의 구현 예에 따르면, 상기 전해질 용액에 포함되는 리튬 폴리설파이드와 리튬 나이트레이트간의 농도비는 특별히 제한되지 않는다.
다만, 상기 전해질 용액에 포함되는 첨가제의 농도는 0.01 내지 1.0 M, 또는 0.05 내지 1.0 M, 또는 0.1 내지 1.0 M, 또는 0.1 내지 0.5 M로 조절되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 첨가제의 첨가에 따른 전지의 성능 향상 효과가 충분히 발현될 수 있도록 하기 위하여, 상기 전해질 용액에 포함되는 첨가제의 농도는 0.01 M 이상인 것이 바람직하다. 다만, 상기 첨가제가 과량으로 첨가될 경우 전해질 용액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 떨어질 수 있고, 전지의 성능이 오히려 저하될 수 있다. 따라서, 상기 첨가제의 농도는 1.0 M 이하인 것이 바람직하다.
II . 상기 전해질 용액을 포함하는 리튬 금속 전지
한편, 발명의 다른 구현 예에 따르면, 전술한 전해질 용액을 포함하는 리튬 금속 전지가 제공된다.
상기 전해질 용액은 리튬 금속을 음극으로 사용하는 다양한 리튬 금속 전지에 적용될 수 있다. 특히, 상기 전해질 용액을 리튬 금속 전지에 적용함에 따른 효과는, 양극에 황이 포함되지 않는 비 설퍼계 양극을 사용하는 리튬 금속 전지에서 보다 현저한 차이를 나타낼 수 있다.
상기 리튬 금속 전지는 케이스, 상기 케이스 내부에 위치하며, 양극과 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 그리고 상기 케이스 내부에 주입된 상기 전해질 용액을 포함한다.
상기 리튬 금속 전지는 음극으로서 상기 리튬 금속을 사용하며, 상기 양극은 비 설퍼계 양극이면 종래에 사용되는 어떠한 양극도 사용이 가능하다.
구체적으로 상기 양극은 양극 활물질, 도전제 및 바인더를 혼합하여 양극 활물질 층 형성용 조성물을 제조한 후, 상기 양극 활물질 층 형성용 조성물을 알루미늄 포일 등의 양극 전류 집전체에 도포한 후 압연하여 제조할 수 있다.
상기 양극 활물질로는 비 설퍼계 양극으로서, 예를 들면 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - yCoyO2, LiCo1-yMnyO2, LiNi1 -yMnyO2(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4, LiMn2 -zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용할 수 있다.
상기 바인더는 전극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 전극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무 및 이들의 다양한 공중합체 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 용매의 바람직한 예로는 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 또는 물 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 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 집전체는 구리, 알루미늄, 스테인리스스틸, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있고, 상기 스테인리스스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금을 바람직하게 사용할 수 있고, 그 외에도 소성 탄소, 도전재로 표면 처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수도 있다.
상기 제조된 양극 활물질층 형성용 조성물을 상기 집전체 도포하는 방법으로는 재료의 특성 등을 감안하여 공지 방법 중에서 선택하거나 새로운 적절한 방법으로 행할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는, 분배와 분산 과정을 하나의 공정으로 실행하는 방법을 사용할 수도 있다. 이 밖에도, 다이캐스팅(die casting), 콤마코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법을 사용할 수도 있다.
상기 세퍼레이터로는 종래에 세퍼레이터로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 일 예로, 상기 전해질 용액은 리튬-공기 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
리튬-공기 전지는 음극으로 리튬을 사용하고, 양극(공기극)의 활물질로 공기 중의 산소를 사용하는 전지 시스템으로서, 리튬-황 전지와 더불어 에너지 밀도가 큰 장점을 갖는다. 공기 중의 산소를 무제한으로 공급받기 때문에 비표면적이 넓은 공기극을 통해서 많은 양의 에너지를 저장할 수 있기 때문이다.
이러한 리튬-공기 전지는, 음극에서는 리튬의 산화 및 환원 반응이 일어나고, 공기극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어나는, 이차 전지와 연료 전지 기술이 복합된 전지 시스템이라고 할 수 있다. 리튬-공기 전지에 있어서, 방전 반응시 리튬 금속의 산화 반응에 의해 리튬 이온과 전자가 생성되고, 리튬 이온은 전해질 용액을 통해 이동하며, 전자는 외부 도선을 따라 공기극으로 이동하게 된다. 외부 공기에 포함된 산소는 공기극으로 유입되어 도선을 따라 이동한 전자에 의해 환원되어 Li2O2가 형성된다. 충전 반응은 이와 반대로 진행된다.
리튬-공기 전지는 전해질 용액의 종류에 따라 전해질 용액을 통해 이동하는 이온의 종류가 달라지게 되고, 반응 부산물의 종류와 작동 전압 등이 달라질 수 있다.
발명의 구현 예에 따르면, 리튬-공기 전지의 음극과 공기극은 통상적인 소재와 구조를 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 음극으로는 리튬 금속 또는 합금이 사용될 수 있다. 공기극으로는 카본블랙과 복합금속산화물 촉매를 포함하는 슬러리를 니켈 폼(nickel foam)과 같은 다공성 집전체에 코팅한 것이 사용될 수 있다. 그리고, 전해질로는 전술한 비-수계 유기 용매, 리튬염 및 첨가제를 포함하는 전해질 용액이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전해질 용액은 리튬 전극 상에 보다 안정적인 SEI(solid electrolyte interface) 층이 형성될 수 있도록 하여 보다 향상된 충방전 효율의 발현을 가능케 한다. 나아가, 본 발명에 따른 전해질 용액은 리튬 전극 상에서 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 억제함으로써 전지의 단락(short circuit) 가능성을 낮출 수 있다.
이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들을 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
음극으로는 150 ㎛ 두께의 리튬 호일이 준비되었고, 세퍼레이터로는 16 ㎛의 폴리에틸렌 필름이 준비되었다.
그리고, 1,2-디메톡시에탄(DME): 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(TEGDME): 1,3-디옥소란(DOL)을 1: 1: 1의 부피비로 포함하는 에테르계 용매에, 리튬염으로 1.0 M의 LiN(CF3SO2)2를 첨가하고, 첨가제로써 0.05 M의 Li2S6과 0.1 M의 LiNO3를 첨가하여 전해질 용액을 준비하였다.
준비된 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재하고, 이를 전지 케이스에 수납한 후 상기 전해질 용액을 주입하여 리튬 금속 전지를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서, 1,2-디메톡시에탄(DME): 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(TEGDME): 1,3-디옥소란(DOL)을 1: 1: 1의 부피비로 포함하는 에테르계 용매에, 리튬염으로 1.0 M의 LiN(CF3SO2)2를 첨가하고, 첨가제로써 0.5 M의 Li2S6과 0.1 M의 LiNO3를 첨가하여 전해질 용액을 준비한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 리튬 금속 전지를 제조하였다.
비교예 1
첨가제인 Li2S6과 LiNO3를 첨가하지 않은 전해질 용액을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속 전지를 제조하였다.
비교예 2
첨가제 중 Li2S6를 첨가하지 않은 전해질 용액을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속 전지를 제조하였다.
시험예 : 리튬 symmetric cell 을 이용한 리튬 금속의 효율 측정
실시예 및 비교예에 따른 각각의 리튬 금속 전지에 대하여 초기 효율(최초 충전 용량 대비 방전 용량의 비)과 15 사이클 효율(15번째 사이클 충전 용량 대비 방전 용량의 비)를 각각 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
초기 효율 (%) 15 사이클 효율 (%)
실시예 1 91.91 88.10
실시예 2 87.41 92.12
비교예 1 측정 불가 측정 불가
비교예 2 82.18 85.38
상기 실험에서, 비교예 1의 경우 불안정한 패시베이션 레이어(passivation layer) 형성에 의해 전압이 불안정하여 효율의 계산이 불가능하였다.
그리고, 상기 표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2에서 제조된 리튬 금속 전지는 비교예 2에서 제조된 리튬 금속 전지에 비하여 초기 효율 및 15 사이클 효율이 우수한 것으로 나타났는데, 이는 실시예 1 및 2에서 제조된 리튬 금속 전지의 경우 Li2S6 와 LiNO3를 함께 첨가함에 따라 리튬 전극 상에 보다 안정적인 SEI 층이 형성되어 충방전 효율이 향상되고, 리튬 전극 상에 리튬 덴드라이트가 성장하는 것이 억제되어 전지의 단락 가능성을 낮아짐에 따라 전지의 수명이 향상되었기 때문이다.

Claims (8)

  1. 비-수계(non-aqueous) 유기 용매;
    LiSCN, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiClO4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SFO2)2, 및 LiN(CF3CF2SO2)2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 리튬염; 및
    리튬 폴리설파이드 및 리튬 나이트레이트를 포함한 첨가제
    를 포함하는 리튬 금속 전지용 전해질 용액.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬 금속 전지는 리튬 금속을 음극으로 사용하고, 양극이 황을 포함하지 않는 것인 전해질 용액.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬염의 농도는 0.2 내지 2.0 M이고, 상기 첨가제의 농도는 0.01 내지 1.0 M인, 리튬 금속 전지용 전해질 용액.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬 폴리설파이드는 Li2S2, Li2S4, Li2S6, Li2S8, Li2S10, 및 Li2S12로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인, 리튬 금속 전지용 전해질 용액.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비-수계 유기 용매는 비환형 에테르(acyclic ethers)와 환형 에테르(cyclic ethers)를 1:0.3 내지 1:0.7의 부피비로 포함하는, 리튬 금속 전지용 전해질 용액.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 비-수계 유기 용매는 비환형 에테르(acyclic ethers)와 환형 에테르(cyclic ethers)를 1:0.3 내지 1:0.7의 부피비로 포함하는, 리튬 금속 전지용 전해질 용액.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 환형 에테르는 1,3-디옥소란(1,3-dioxolane), 4,5-디메틸-디옥소란(4,5-dimethyl-dioxolane), 4,5-디에틸-디옥소란(4,5-diethyl-dioxolane), 4-메틸-1,3-디옥소란(4-methyl-1,3-dioxolane), 4-에틸-1,3-디옥소란(4-ethyl-1,3-dioxolane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 2-메틸 테트라하이드로퓨란(2-methyl tetrahydrofuran), 2,5-디메틸 테트라하이드로퓨란(2,5-dimethyl tetrahydrofuran), 2,5-디메톡시 테트라하이드로퓨란(2,5-dimethoxy tetrahydrofuran), 2-에톡시 테트라하이드로퓨란(2-ethoxy tetrahydrofuran), 2-메틸-1,3-디옥소란(2-methoxy-1,3-dioxolane), 2-비닐-1,3-디옥소란(2-vinyl-1,3-dioxolane), 2,2-디메틸-1,3-디옥소란(2,2-dimethyl-1,3-dioxolane), 2-메톡시-1,3-디옥소란(2-methoxy-1,3-dioxolane), 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥소란(2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane), 테트라하이드로파이란(tetrahydropyran), 1,4-디옥산(1,4-dioxane), 1,2-디메톡시 벤젠(1,2-dimethoxy benzene), 1,3-디메톡시 벤젠(1,3-dimethoxy benzene), 1,4-디메톡시 벤젠(1,4-dimethoxy benzene), 및 아이소소바이드 디메틸 에테르(isosorbide dimethyl ether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인, 리튬 금속 전지용 전해질 용액.
  8. 제 1 항에 따른 전해질 용액을 포함하는 리튬 금속 전지.
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