KR20180121391A - Negative electrode for lithium metal battery, preparing method thereof and lithium metal battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
리튬금속전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬금속전지를 제시한다.A negative electrode for a lithium metal battery, a method of manufacturing the same, and a lithium metal battery including the same.
리튬이차전지는 현재 상용화된 이차 전지 중 에너지 밀도가 가장 높은 고성능 이차 전지로서 예를 들어 전기자동차와 같은 다양한 분야에서 사용될 수 있다. Lithium secondary batteries are high performance secondary batteries having the highest energy density among currently commercialized secondary batteries and can be used in various fields such as electric vehicles.
리튬이차전지의 음극으로는 리튬 금속 박막이 이용될 수 있다. 이러한 리튬 금속 박막을 음극으로 이용하는 경우 리튬의 높은 반응성으로 인하여 충방전시 액체 전해질과의 반응성이 높다. 또는 리튬 음극 박막 상에 덴드라이트가 형성되어 리튬 금속 박막을 채용한 리튬이차전지의 수명 및 안정성이 저하될 수 있어 이에 대한 개선이 요구된다.As the cathode of the lithium secondary battery, a lithium metal thin film may be used. When such a lithium metal thin film is used as a negative electrode, reactivity with a liquid electrolyte during charging and discharging is high due to high reactivity of lithium. Or a dendrite is formed on the lithium negative electrode thin film, so that the lifetime and stability of the lithium secondary battery employing the lithium metal thin film may be deteriorated, and improvement is required.
한 측면은 신규한 보호막을 구비한 리튬금속전지용 음극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention provides a negative electrode for a lithium metal battery having a novel protective film and a method of manufacturing the same.
다른 측면은 상술한 음극을 포함하여 셀 성능이 개선된 리튬금속전지를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a lithium metal battery including the above-described cathode and having improved cell performance.
또 다른 측면은 신규한 리튬금속전지용 복합 전해질을 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a novel composite electrolyte for a lithium metal battery.
한 측면에 따라 On one side
리튬 금속 또는 리튬 금속 합금을 포함하는 리튬 금속 전극; 및 상기 리튬 금속 전극의 적어도 일부분에 배치된 보호막을 포함하는 리튬금속전지용 음극이며, A lithium metal electrode comprising a lithium metal or a lithium metal alloy; And a protective film disposed on at least a portion of the lithium metal electrode,
상기 보호막은 복수개의 복합입자를 포함하며, Wherein the protective film comprises a plurality of composite particles,
상기 복합입자는 입자 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치되며 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 포함하며, The composite particle comprising a coating film comprising at least one ion conductive material selected from the group consisting of particles and an ion conductive polymer disposed on at least a portion of the particle and having an ion conductive oligomer having an ion conductive unit and an ion conductive unit,
상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(orgnic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 음극이 제공된다.Wherein the particles comprise at least one selected from the group consisting of organic particles, inorganic particles and orgnic-inorganic particles having a size of more than 1 탆 and not more than 100 탆, A negative electrode for a battery is provided.
다른 측면에 따라 양극; 상술한 음극; 및 이들 사이에 개재된 전해질을 포함하는 리튬금속전지가 제공된다.Anodic according to another aspect; The cathode described above; And an electrolyte interposed therebetween are provided.
상기 전해질은 복합 입자를 포함하며, 상기 복합 입자는 입자 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치되며 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 함유하며, 상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(organic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 복합 전해질이다.Wherein the electrolyte comprises a composite particle, the composite particle comprising at least one ion conductive material selected from the group consisting of particles and ion conductive polymers having ion conductive oligomers and ion conductive polymers disposed on at least a portion of the particles and having ion conductive units Wherein the particles are selected from the group consisting of organic particles, inorganic particles and organic-inorganic particles having a size of more than 1 탆 and not more than 100 탆. Or more.
또 다른 측면에 따라 복합입자를 포함하며, 상기 복합입자는 입자 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치되며 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 포함하며, According to another aspect, there is provided a composite particle comprising a particle and at least one ion conductive material selected from an ion conductive polymer having an ion conductive oligomer and an ion conductive polymer disposed on at least a portion of the particle and having an ion conductive unit And a coating film comprising the above-
상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(organic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 복합 전해질을 제공한다.Wherein the particles are selected from the group consisting of lithium metal containing at least one selected from organic particles, inorganic particles and organic-inorganic particles having a size of more than 1 탆 and not more than 100 탆. A composite electrolyte for a battery is provided.
또 다른 측면에 따라 양극, 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금을 포함하는 리튬 금속 음극 및 이들 사이에 개재되며 상술한 복합 전해질을 포함하는 리튬금속전지가 제공된다.According to another aspect there is provided a lithium metal anode comprising a cathode, a lithium metal or a lithium metal alloy, and a lithium metal battery interposed therebetween and comprising the composite electrolyte described above.
또 다른 측면에 따라 복합입자 및 용매를 혼합하여 얻은 보호막 형성용 조성물을 얻는 단계; 및 Obtaining a composition for forming a protective film obtained by mixing a composite particle and a solvent according to another aspect; And
상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 전극 상부에 도포 및 건조하여 보호막을 형성하는 단계를 포함하여 상술한 리튬금속전지용 음극을 제조하며, 상기 복합입자는 입자 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치되며 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 포함하며 상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(organic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 음극의 제조방법이 제공된다.And forming a protective film by coating and drying the composition for forming a protective film on a lithium metal electrode, wherein the composite particle comprises particles and at least a portion of the particles, And at least one ion conductive polymer selected from the group consisting of an ion conductive polymer having an ion conductive polymer and an ion conductive oligomer having an ion conductive unit, wherein the particles have an average particle size of more than 1 mu m and an organic particle having a size of 100 mu m or less there is provided a method of manufacturing a negative electrode for a lithium metal battery comprising at least one selected from the group consisting of an organic particle, an inorganic particle and an organic-inorganic particle.
상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 전극 상부에 도포 및 건조하여 보호막을 형성하는 단계 이후에, 중합성 올리고머 및 용매를 혼합하여 얻은 중합성 올리고머 조성물을 상기 도포 및 건조된 생성물 상부에 도포하고 가교반응을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다.After coating the above protective film forming composition on a lithium metal electrode and drying to form a protective film, a polymerizable oligomer composition obtained by mixing a polymerizable oligomer and a solvent is coated on the coated and dried product, and a crosslinking reaction is carried out The method comprising the steps of:
일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극은 리튬 전착시 전류밀도 균일화 특성 및 리튬 이온 이동도가 향상된 보호막을 구비하고 있다. 이러한 음극을 이용하면 충전시 부피변화가 효과적으로 억제되고 사이클 수명 및 방전용량이 개선된 리튬금속전지를 제작할 수 있다.The negative electrode for a lithium metal battery according to an exemplary embodiment has a protective film having improved current density uniformity and lithium ion mobility during lithium electrodeposition. By using such a cathode, it is possible to manufacture a lithium metal battery in which the volume change during charging is effectively suppressed and the cycle life and the discharge capacity are improved.
도 1a는 일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 도 1a와의 비교를 위하여 보호막안에 함유된 입자 표면에 코팅막을 형성하지 않은 경우를 나타낸 것이다.
도 1c 내지 도 1e, 1o, 1p 및 1q는 일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1f 및 도 1g는 일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극의 보호막에서 리튬 덴드라이트 성장 억제 및 가이드(guide)하는 작용 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1h 내지 도 1l는 일구현예에 따른 리튬금속전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 1m은 일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극에서 보호막 안에 함유된 마이크로스피어의 입경이 약 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하인 경우에서 리튬 금속 전극의 보호 역할을 설명하기 위한 것이다.
도 1n은 리튬금속전지용 음극에서 보호막 안에 함유된 마이크로스피어의 평균입경이 1㎛ 이하인 경우 리튬 금속 전극의 보호 역할을 설명하기 위한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 실시예 1의 보호막 안에 함유된 복합 입자의 투과전자사진현미경(transmission electron microscope: TEM) 사진이다.
도 2c는 도 2a 및 도 2b의 복합입자와의 비교를 위한 것으로서 제조예 1의 복합 입자 형성용 출발물질인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 블록 공중합체 마이크로스피어의 TEM 사진이다.
도 2d는 실시예 1에 따라 제조된 음극의 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진이다. 도 3a 및 도 3b는 실시예 9에 따라 제조된 리튬금속전지에 대한 SEM 사진이다.
도 3c 및 도 3d는 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에 대한 SEM 사진이다.
도 4는 실시예 9 및 실시예 9A에 따라 제조된 리튬금속전지의 셀 수명 그래프이다.
도 5 및 도 6은 각각 실시예 9 및 실시예 9A에 따라 제조된 리튬금속전지의 적층 구조를 나타낸 것이다.
도 7a 내지 도 7c는 평가예 5에 따라 실시된 리튬 전착 시뮬레이션 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8a는 실시예 9C 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지의 제조 후 경과시간이 24시간일 때 임피던스 측정 결과에 대한 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)을 나타낸 것이다.
도 8b는 실시예 9B에 따라 제조된 리튬금속전지의 제조 후 경과시간이 24시간일 때 임피던스 측정 결과에 대한 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)을 나타낸 것이다.
도 8c는 실시예 9B에 따라 제조된 리튬대칭셀의 적층 구조를 나타낸 것이다.
도 9a 내지 도 9c는 일구현예에 따른 보호막에서 입자가 리튬 금속 표면상에 배치된 상태를 나타낸 것이다.
도 10은 다른 일구현예에 따른 리튬금속전지의 구조를 나타낸 것이다.1A is a view for explaining the principle of a cathode for a lithium metal battery according to one embodiment.
FIG. 1B shows a case where a coating film is not formed on the surface of the particles contained in the protective film for comparison with FIG. 1A.
1C to 1E, 1O, 1P, and 1Q schematically illustrate the structure of a cathode for a lithium metal battery according to one embodiment.
FIGS. 1F and 1G are diagrams for explaining the principle of suppressing and guiding lithium dendrite in a protective film of a cathode for a lithium metal battery according to one embodiment.
FIGS. 1 H to IL illustrate schematically the structure of a lithium metal battery according to one embodiment.
FIG. 1M is a view for explaining a protective role of the lithium metal electrode in a case where the particle size of the microspheres contained in the protective film in the anode for a lithium metal battery according to an embodiment is more than about 1 μm and less than 100 μm.
FIG. 1n illustrates the protective role of the lithium metal electrode when the average particle diameter of the microspheres contained in the protective film in the negative electrode for a lithium metal battery is 1 μm or less.
FIGS. 2A and 2B are transmission electron microscope (TEM) photographs of the composite particles contained in the protective film of Example 1. FIG.
FIG. 2C is a TEM photograph of a poly (styrene-b-divinylbenzene) block copolymer microsphere which is a starting material for forming a composite particle of Preparation Example 1 for comparison with the composite particles of FIGS. 2A and 2B.
2 (d) is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cathode prepared according to Example 1. Fig. FIGS. 3A and 3B are SEM photographs of a lithium metal battery manufactured according to Example 9. FIG.
FIGS. 3C and 3D are SEM photographs of a lithium metal battery manufactured according to Comparative Example 1. FIG.
4 is a graph of cell lifetime of a lithium metal battery produced according to Example 9 and Example 9A.
FIGS. 5 and 6 show the laminated structure of the lithium metal battery manufactured according to the ninth embodiment and the example 9A, respectively.
Figs. 7A to 7C show results of lithium electrodeposition simulation analysis conducted according to Evaluation Example 5. Fig.
FIG. 8A shows a Nyguist plot of the impedance measurement results when the elapsed time after the production of the lithium metal battery according to Example 9C and Comparative Example 1 was 24 hours.
8B shows a Nyguist plot of the impedance measurement result when the elapsed time after manufacture of the lithium metal battery manufactured according to Example 9B is 24 hours.
8C shows a laminated structure of a lithium symmetric cell manufactured according to Example 9B.
FIGS. 9A-9C illustrate a state in which particles are disposed on a lithium metal surface in a protective film according to an embodiment. FIG.
10 shows a structure of a lithium metal battery according to another embodiment.
첨부된 도면들을 참조하면서 이하에서 예시적인 리튬금속전지용 음극, 이를 포함한 리튬금속전지 및 리튬금속전지용 복합전해질에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Exemplary cathode for a lithium metal battery, a lithium metal battery including the anode, and a composite electrolyte for a lithium metal battery will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
리튬 금속 또는 리튬 금속 합금을 포함하는 리튬 금속 전극; 및 상기 리튬 금속 전극의 적어도 일부분에 배치된 보호막을 포함하는 리튬금속전지용 음극이며, 상기 보호막은 복수개의 복합입자를 포함한다. 상기 복합입자는 입자 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치되며 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 포함하며, 상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(organic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 음극이 제공된다.상기 보호막의 영률(young's modulus)은 106 Pa 이상, 예를 들어 106 내지 109 Pa 또는 5x106 Pa 내지 5x108 Pa이다.A lithium metal electrode comprising a lithium metal or a lithium metal alloy; And a protective film disposed on at least a portion of the lithium metal electrode, wherein the protective film includes a plurality of composite particles. The composite particle comprising a coating film comprising at least one ion conductive material selected from the group consisting of particles and an ion conductive polymer disposed on at least a portion of the particle and having an ion conductive oligomer having an ion conductive unit and an ion conductive unit, A negative electrode for a lithium metal battery comprising at least one selected from organic particles, inorganic particles and organic-inorganic particles having a size of more than 1 탆 and not more than 100 탆, The Young's modulus of the protective film is 10 6 Pa or more, for example, 10 6 to 10 9 Pa or 5 × 10 6 Pa to 5 × 10 8 Pa.
상기 복합입자들은 상호연결된(interconnected) 구조를 갖는다.The composite particles have an interconnected structure.
본 명세서에서 "상호연결된"의 의미는 복합입자들이 서로 물리적 및/또는 화학적으로 연결 및/또는 결합된 경우를 모두 포함한다. 용어 "상호연결된"는 가교 등을 통하여 연결 및/또는 결합되어 있다는 것을 의미한다. As used herein, the term " interconnected " includes both instances where the multiparticulates are physically and / or chemically linked and / or linked together. The term " interconnected " means connected and / or coupled through bridging or the like.
리튬 금속 또는 리튬 금속 합금은 단위중량당 전기용량이 커서 이를 이용하면 고용량 전지를 구현하는 것이 가능하다. 그런데 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금은 리튬 이온의 탈/부착 과정 중에서 덴드라이트가 성장하여 양극 및 음극 사이의 단락을 유발할 수 있다. 그리고 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금을 포함하는 전극은 전해질에 대한 반응성이 높아서 전해질과의 부반응을 유발할 수 있고 이로 인하여 전지의 사이클 수명 등이 저하될 수 있다. 이를 보완하기 위해서는 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금을 함유한 리튬 금속 전극 표면을 보완할 수 있는 보호막이 요구된다. The lithium metal or the lithium metal alloy has a large electric capacity per unit weight, and it is possible to realize a high capacity battery. However, the lithium metal or the lithium metal alloy may cause a short circuit between the anode and the cathode due to the growth of the dendrite in the process of removing / attaching lithium ions. An electrode including a lithium metal or a lithium metal alloy has a high reactivity to an electrolyte and may cause a side reaction with an electrolyte, thereby deteriorating the cycle life of the battery. In order to compensate for this, a protective film that can complement the surface of a lithium metal electrode containing lithium metal or a lithium metal alloy is required.
이에 본 발명자들은 상술한 문제점을 보완할 수 있는 신규한 리튬금속전지용 보호막을 제공한다. 보호막은 보호막을 구성하는 상호연결된 입자 표면에 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치된 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 함유하여 리튬 전착시 전류밀도 균일화 특성이 개선되고 기계적 물성이 우수하다. 리튬금속전지용 보호막은 특히 고율에서 전류 밀도 균일화 특성이 더 향상된다. Accordingly, the present inventors provide a novel protective film for a lithium metal battery which can overcome the above-described problems. The protective film contains a coating film containing an ion conductive material disposed on at least a part of the particles on the surfaces of the interconnected particles constituting the protective film, thereby improving the current density uniformity characteristic and exhibiting excellent mechanical properties during the lithium electrodeposition. The protective film for a lithium metal battery further improves the current density uniformity characteristic particularly at a high rate.
도 1a는 일구현예에 따른 리튬전지용 음극의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.FIG. 1A schematically shows a structure of a cathode for a lithium battery according to one embodiment.
이를 참조하면, 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금을 포함하는 리튬 금속 전극 (11) 상부에 보호막이 형성되며 상기 보호막 안에는 상호연결된 입자 (13)를 함유한다. 상기 입자(13) 상부에는 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 함유한 코팅막 (14)이 배치된다. 코팅막 (14)은 도 1a에 나타난 바와 같이 입자 (13) 상부에 연속적인 막 형태로 배치할 수도 있고 불연속적인 막 형태로 배치될 수도 있다. 상기 입자 (13)는 비이온 전도성 코어를 형성하며, 코팅막 (14)은 이온 전도성 쉘을 형성함으로써 복합입자 (15a)는 코어-쉘 마이크로스피어(core-shell microsphere) 구조를 갖는다. 도 1a 및 도 1b에서 화살표는 리튬 이온의 이동 방향을 나타낸 것이다.Referring to FIG. 1, a protective film is formed on a
도 1a의 보호막은 입자 (13) 상부에 코팅막이 배치되지 않은 경우(도 1b)와 비교하여 코팅막 (14) 표면을 따라서 이온 전도 경로가 형성될 수 있고 미세기공을 통하여 리튬 이온 이동이 가능하다. 이와 같이 입자 (13)의 코팅막 (14) 표면을 따라 리튬 이온 전도가 가능해짐에 따라 입자 (13)의 표면에 코팅막이 배치되지 않은 경우와 비교하여 리튬 전극 표면에 리튬이 전착될 수 있는 사이트가 균일하게 존재함으로써 리튬이 더욱 고르게 전착될 수 있게 된다. 그리고 보호막과 리튬 금속 전극 (11)의 계면저항이 감소되어 상온에서 보호막의 이온 전도도가 10-3 S/cm 이상, 예를 들어 10-3 S/cm 내지 10 S/cm, 또는 5x10-2 S/cm 내지 1 S/cm으로 우수하다. 그리고 이러한 음극을 이용하면 충전시 부피변화가 효과적으로 억제되고 균일해지는 효과를 얻을 수 있다.The protective film of FIG. 1A can form an ion conduction path along the surface of the
일구현예에 따른 보호막에서 입자는 예를 들어 스티렌-디비닐벤젠 블록 공중합체와 같은 블록 공중합체를 함유하여 상호 연결된 구조(interconnected structure)를 갖고 있고 정렬 특성 및 분산 특성이 매우 우수하다. In the protective layer according to one embodiment, the particles contain a block copolymer such as styrene-divinylbenzene block copolymer and have an interconnected structure and have excellent alignment characteristics and dispersion characteristics.
이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자에서 이온 전도성 유닛은 C1-C30 알킬렌 옥사이드기, -{Si(R)(R')-O-}b- 또는 -(CH2CH2O)a-{Si(R)(R')-O-}b-이고, R 및 R'은 서로 독립적으로 수소 또는 C1-C10 알킬기이다. a 및 b는 서로 독립적으로 1 내지 10의 정수, 예를 들어 1 내지 5의 정수이다. R 및 R'은 예를 들어 메틸기, 에틸기, 프로필기 또는 부틸기가 있다.In an ion conductive polymer having an ion conductive unit having an ion conductive unit and an ion conductive unit, the ion conductive unit is a C1-C30 alkylene oxide group, - {Si (R) (R ') - O-} b- or - 2 CH 2 O) a - {Si (R) (R ') - O-} b -, and R and R' are independently of each other hydrogen or a C 1 -
상기 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질은 예를 들어 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리(에틸렌글리콜-co-프로필렌글리콜-co-에틸렌글리콜), 폴리(프로필렌글리콜-co-에틸렌글리콜-co-프로필렌글리콜), 폴리실록산, 폴리(옥시에틸렌)메타크릴레이트(POEM), 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트(PEGDA), 폴리(프로필렌글리콜)디아크릴레이트(PPGDA), 폴리(에틸렌글리콜)디메타크릴레이트(PEGDMA), 폴리(프로필렌글리콜)디메타크릴레이트(PPGDMA), 폴리(에틸렌글리콜)우레탄 디아크릴레이트(poly(ethyleneglycol)urethane diacrylate), 폴리(에틸렌글리콜)우레탄 디메타크릴레이트 (poly(ethylene glycol)urethane dimethacrylate), 폴리에스테르 디아크릴레이트(polyester diacrylate), 폴리에스테르 디메타크릴레이트(polyester dimethacrylate), 폴리(에틸렌글리콜) 우레탄 트리아크릴레이트(poly(ethyleneglycol)urethane triacrylate), 폴리(에틸렌글리콜) 우레탄 트리메타크릴레이트(poly(ethyleneglycol)urethane trimethacrylate), 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 및 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상에서 파생된 올리머, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 및 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상에서 파생된 고분자, 폴리(에틸렌옥사이드)가 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트)(PEO grafted PMMA), 폴리(프로필렌옥사이드)가 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트)(PPO grafted PMMA), 폴리(부틸렌옥사이드)가 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트)(PBO grafted PMMA), 폴리실록산이 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트)(polysiloxane grafted PMMA), 폴리(에틸렌글리콜)(PEG)이 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트)(PEO grafted PMMA), 폴리(프로필렌글리콜)(PPG)이 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트)(PPG grafted PMMA)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. One or more ion conductive materials selected from the ion conductive oligomer having the ion conductive unit and the ion conductive polymer having the ion conductive unit are, for example, polyethylene glycol, polypropylene glycol, poly (ethylene glycol-co-propylene glycol-co-ethylene glycol ), Poly (propylene glycol-co-ethylene glycol-co-propylene glycol), polysiloxane, poly (oxyethylene) methacrylate (POEM), poly (ethylene glycol) diacrylate (Ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA), poly (propylene glycol) dimethacrylate (PPGDMA), poly (ethyleneglycol) urethane diacrylate) Poly (ethylene glycol) urethane dimethacrylate, polyester diacrylate, poly (ethylene glycol) urethane dimethacrylate, Polyester dimethacrylate, poly (ethyleneglycol) urethane triacrylate, poly (ethyleneglycol) urethane trimethacrylate, trimethyl (meth) acrylate, Trimethylolpropane triacrylate and trimethylolpropane trimethacrylate derived from at least one selected from trimethylolpropane triacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate and trimethylolpropane trimethacrylate, poly (ethylene oxide) Poly (methyl methacrylate) (PPO grafted PMMA) grafted with poly (methyl methacrylate) (PEO grafted PMMA), poly (propylene oxide) grafted poly Methacrylate) (PBO grafted PMMA), polysiloxane grafted poly (methyl methacrylate) Poly (methyl methacrylate) grafted with polysiloxane grafted PMMA, poly (ethylene glycol) (PEG) grafted with PEO grafted PMMA, polypropylene glycol (PPG) (PPG grafted PMMA).
이온 전도성 물질은 예를 들어 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리(에틸렌글리콜-co-프로필렌글리콜-co-에틸렌글리콜), 폴리(프로필렌글리콜-co-에틸렌글리콜-co-프로필렌글리콜) 및 폴리실록산 중에서 선택된 하나 이상을 들 수 있다.The ion conductive material may be selected from, for example, one selected from the group consisting of polyethylene glycol, polypropylene glycol, poly (ethylene glycol-co-propylene glycol-co-ethylene glycol), poly (propylene glycol-co-ethylene glycol-co-propylene glycol) Or more.
상기 이온 전도성 물질의 중량평균분자량은 200 내지 10만 Daltons, 예를 들어 200 내지 1만 Daltons, 예를 들어 200 내지 5,000 Daltons, 예를 들어 200 내지 600 Daltons이다. 이온 전도성 물질의 중량평균분자량이 상술한 범위일 때 입자에 대한 코팅막의 성막성이 우수하다.The weight average molecular weight of the ion conductive material is from 200 to 100,000 Daltons, for example, from 200 to 10,000 Daltons, for example, from 200 to 5,000 Daltons, for example, from 200 to 600 Daltons. When the weight average molecular weight of the ion conductive material is in the range described above, the film-forming property of the coating film to the particles is excellent.
코팅막의 두께는 1㎛ 이하, 예를 들어 500nm 이하, 예를 들어 5 내지 500nm, 예를 들어 10 내지 200nm, 예를 들어 20 내지 100nm이다. 코팅막의 두께가 상술한 범위일 때 음극에서 리튬 이온 이동이 보다 더 자유롭게 이루어질 수 있고, 리튬 금속 전극 상부에 리튬 전착시 전류밀도 균일화 특성이 우수하다..The thickness of the coating film is 1 μm or less, for example, 500 nm or less, for example, 5 to 500 nm, for example, 10 to 200 nm, for example, 20 to 100 nm. When the thickness of the coating film is within the above-mentioned range, lithium ion migration can be made more freely in the cathode, and current density uniformity is excellent when lithium is deposited on the lithium metal electrode.
일구현예에 따른 보호막에서 코팅막의 이온 전도성 물질의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 50중량부, 예를 들어 10 내지 45 중량부, 예를 들어 10 내지 35 중량부, 예를 들어 15 내지 30 중량부이다. 이온 전도성 물질의 함량이 상기 범위일 때 보호막의 기계적 강도가 우수하여 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있고, 리튬 금속 전극 상부에 리튬 전착시 전류밀도 균일화 특성이 우수하다.The content of the ion conductive material in the coating film in the protective film according to one embodiment is 10 to 50 parts by weight, for example, 10 to 45 parts by weight, for example, 10 to 35 parts by weight, for example, 15 to 50 parts by weight, To 30 parts by weight. When the content of the ion conductive material is in the above range, the mechanical strength of the protective film is excellent, thereby effectively suppressing the growth of lithium dendrite, and excellent current density uniformity characteristics upon lithium electrodeposition on the lithium metal electrode.
상기 이온 전도성 물질은 보호막에서 입자를 리튬 금속 전극 상부에 고정화하는 데 도움을 주는 바인더 역할을 수행할 수 있고 보호막의 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 물질이라면 모두 다 사용가능하다. The ion conductive material can serve as a binder to help immobilize the particles on the lithium metal electrode in the protective layer, and any material that can improve the mechanical strength of the protective layer can be used.
코팅막에서 이온 전도성 물질의 전도도는 복합입자를 제외한 나머지 영역의 재료의 전도도에 비하여 5배 이상, 예를 들어 10배 이상, 예를 들어 25배 이상, 예를 들어 100배 이상이다. 전도도 차이는 코팅막의 두께에 따라 달라질 수 있다.The conductivity of the ion conductive material in the coating film is 5 times or more, for example, 10 times or more, for example, 25 times or more, for example, 100 times or more, as compared with the conductivity of the material of the remaining regions except for the composite particles. The difference in conductivity may vary depending on the thickness of the coating film.
일구현예에 따른 코팅막의 두께가 0.2㎛(200nm)인 경우, 이온 전도성 물질의 전도도는 보호막에서 복합입자를 제외한 나머지 영역의 재료의 전도도에 비하여 25배 이상, 예를 들어 25배 내지 100배, 예를 들어 25배 내지 89배인 경우 음극의 전류밀도 균일화 특성이 우수하다. When the thickness of the coating film according to one embodiment is 0.2 μm (200 nm), the conductivity of the ion conductive material is 25 times or more, for example, 25 to 100 times, For example, when the current is 25 to 89 times, the current density uniformity characteristic of the cathode is excellent.
일구현예에 따른 코팅막의 두께가 0.1㎛(100nm)인 경우, 이온 전도성 물질의 전도도는 보호막에서 복합입자를 제외한 나머지 영역의 재료의 전도도에 비하여 50배 이상, 예를 들어 50배 내지 100배, 예를 들어 50배 내지 89배인 경우 음극의 전류밀도 균일화 특성이 우수하다. When the thickness of the coating film according to one embodiment is 0.1 mu m (100 nm), the conductivity of the ion conductive material is 50 times or more, for example, 50 to 100 times greater than the conductivity of the material other than the composite particles in the protective film, For example, 50 to 89 times, the current density uniformity characteristic of the cathode is excellent.
일구현예에 따른 보호막은 리튬염 또는 액체 전해질을 포함한다. The protective film according to one embodiment includes a lithium salt or a liquid electrolyte.
보호막이 액체 전해질을 포함하면 액체 전해질을 통하여 이온 전도성 경로가 형성될 수 있어 음극의 전도도가 개선된다. 이러한 음극을 이용하면 안정적인 사이클 특성이 있는 리튬금속전지를 제작할 수 있다.When the protective film includes a liquid electrolyte, an ion conductive path can be formed through the liquid electrolyte, thereby improving the conductivity of the cathode. By using such a negative electrode, a lithium metal battery having stable cycle characteristics can be manufactured.
액체 전해질은 유기용매, 이온성 액체, 및 리튬염 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다. The liquid electrolyte includes at least one selected from an organic solvent, an ionic liquid, and a lithium salt.
보호막에서 액체 전해질은 보호막의 총부피를 기준으로 하여 30 내지 60 부피%, 예를 들어 35 내지 55부피%, 예를 들어 40 내지 50 부피%를 차지할 수 있다. 액체 전해질은 보호막에서 예를 들어 40 내지 50 부피%를 차지한다. The liquid electrolyte in the protective film may comprise from 30 to 60% by volume, for example from 35 to 55% by volume, for example from 40 to 50% by volume, based on the total volume of the protective film. The liquid electrolyte occupies, for example, 40 to 50% by volume in the protective film.
일구현예에 따른 보호막에서 유기 입자, 무기 입자 및 유무기 입자(particle) 중에서 선택된 하나 이상의 입자의 사이즈는 5 내지 75㎛일 수 있다.The size of at least one particle selected from organic particles, inorganic particles and organic particles in the protective film according to one embodiment may be 5 to 75 탆.
일구현예에 따른 보호막에서 유기 입자, 무기 입자 및 유무기 입자(particle) 중에서 선택된 하나 이상의 입자의 사이즈는 예를 들어 1.1 내지 50㎛, 예를 들어 1.1 내지 25㎛, 예를 들어 1.3 내지 28㎛, 예를 들어 1.5 내지 20㎛, 예를 들어 1.5 내지 10㎛이다.The size of at least one particle selected from among organic particles, inorganic particles and organic particles in the protective film according to one embodiment is, for example, 1.1 to 50 μm, for example, 1.1 to 25 μm, for example, 1.3 to 28 μm For example, 1.5 to 20 占 퐉, for example, 1.5 to 10 占 퐉.
일구현예에 따른 보호막에서 입자는 예를 들어 유기입자일 수 있다.The particles in the protective film according to one embodiment may be, for example, organic particles.
무기입자는 유기입자에 비하여 강도는 더 우수하지만 보호막 제조시 바인더가 필요할 수 있고, 무기 입자의 표면에 존재하는 하이드록시기와 같은 작용기로 인하여 보호막내에서 저항 특성이 유기 입자를 사용한 경우와 비교하여 커질 수 있다. The inorganic particles are more excellent in strength than the organic particles, but a binder may be required in the production of the protective film, and the resistance characteristic in the protective film due to the functional groups such as the hydroxyl groups present on the surface of the inorganic particles becomes larger .
상기 입자는 예를 들어 1:1 중량비의 평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어와 평균입경이 약 8㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 포함하거나, 1:1 중량비의 평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어와 평균입경이 약 1.3㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어 또는 1:1 중량비의 평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어와 평균입경이 약 1.1㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 포함한다.The particles may be, for example, poly (styrene-co-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle size of about 3 탆 in a weight ratio of 1: 1 and poly (styrene-co-divinylbenzene) (Styrene-co-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle size of about 3 mu m and a poly (styrene-co-divinyl) copolymer having an average particle diameter of about 1.3 mu m Benzene copolymer microspheres or poly (styrene-co-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle size of about 3 占 퐉 in a 1: 1 weight ratio and poly (styrene-co-divinylbenzene ) Copolymer microspheres.
일구현예에 의하면, 상기 입자는 모노모달(monomodal) 입경 분포를 갖는 마이크로스피어(microspehere)이다. 모노모달 입경 분포는, 입도분석기(particle diameter analyzer)(Dynamic Light Scattering: DLS, Nicomp 380)를 이용하여 분석할 때, 표준편차가 1% 이상 내지 40% 미만, 예를 들어 2 내지 25%, 예를 들어 3 내지 10%의 범위 이내인 것으로 정의할 수 있다.According to one embodiment, the particles are microspheres having a monomodal particle size distribution. The monododal particle size distribution can be measured by using a particle diameter analyzer (Dynamic Light Scattering: DLS, Nicomp 380), wherein the standard deviation is 1% or more to less than 40%, for example, 2 to 25% For example, within a range of 3 to 10%.
일구현예에 따른 보호막은 상술한 복합 입자, 리튬염 및 액체 전해질 이외에 이온 전도성 고분자 및 이온성 액체 중에서 선택된 하나 이상을 더 함유할 수 있다.The protective film according to one embodiment may further contain at least one selected from an ion conductive polymer and an ionic liquid, in addition to the composite particles, the lithium salt and the liquid electrolyte described above.
상기 이온 전도성 고분자는 예를 들어 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌 유도체, 폴리(에틸렌-co-비닐 아세테이트) 등을 사용한다. As the ion conductive polymer, for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethylene derivatives, poly (ethylene-co-vinyl acetate) and the like are used.
보호막이 이온 전도성 고분자를 함유하는 경우, 복합 입자의 입자의 함량은 이온 전도성 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 100 중량부, 예를 들어 1 내지 50 중량부, 예를 들어 5 내지 30 중량부이다. When the protective film contains an ion conductive polymer, the content of the particles of the composite particles is 1 to 100 parts by weight, for example 1 to 50 parts by weight, for example 5 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the ion conductive polymer .
보호막이 리튬염과 이온 전도성 고분자를 더 포함하는 경우, 리튬염의 함량은 이온 전도성 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 100 중량부, 예를 들어 1 내지 50 중량부, 예를 들어 5 내지 30 중량부이다. When the protective film further comprises a lithium salt and an ion conductive polymer, the content of the lithium salt may be 1 to 100 parts by weight, for example, 1 to 50 parts by weight, for example 5 to 30 parts by weight, to be.
보호막이 이온성 고분자와 이온성 액체를 더 포함하는 경우, 이온성 액체의 함량은 이온 전도성 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 100 중량부, 예를 들어 1 내지 50 중량부, 예를 들어 5 내지 30 중량부이다. When the protective film further comprises an ionic polymer and an ionic liquid, the content of the ionic liquid is 1 to 100 parts by weight, for example, 1 to 50 parts by weight, for example, 5 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the ion- 30 parts by weight.
보호막안에 함유된 이온성 액체, 리튬염 및 유기용매는 리튬금속전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하다.The ionic liquid, the lithium salt, and the organic solvent contained in the protective film can be used as long as they are commonly used in a lithium metal battery.
상기 보호막의 영률(young's modulus)은 106 Pa 이상, 예를 들어 107 Pa 이상 또는 108 Pa 이상이다. 보호막의 영률은 예를 들어 106 내지 1011 Pa, 또는 예를 들어 107 내지 1010 Pa 또는 107 내지 109 Pa로서 보호막의 영률이 매우 우수하여 기계적 물성이 매우 우수하다.Young's modulus of the protective film is 10 6 Pa or more, for example, 10 7 Pa or more or 10 8 Pa or more. The Young's modulus of the protective film, for example from 6 to 10 10 11 Pa, or for example, 10 7 to 10 10 Pa, or 10 7 to 10, the Young's modulus of the protective film is very excellent as a 9 Pa is extremely excellent in the mechanical properties.
영률은 일명 "인장탄성율"과 동일한 의미를 갖는다. 인장탄성율(tensile modulus)은 dynamic mechanical analysis system(DMA800, TA Instruments사)를 이용하여 측정하고, 보호막 시편은 ASTM standard D412 (Type V specimens)을 통하여 준비한다. 그리고 보호막의 인장탄성율은 25 oC, 약 30%의 상대습도에서 분당 5 mm의 속도로 응력에 대한 변형 변화를 측정한다. 이렇게 얻어진 응력-변형 선도(stress-strain curve)의 기울기로부터 인장탄성율을 평가한다.Young's modulus has the same meaning as "tensile modulus". The tensile modulus is measured using a dynamic mechanical analysis system (DMA800, TA Instruments), and the protective film specimen is prepared using ASTM standard D412 (Type V specimens). And the tensile modulus of the protective film is measured at a rate of 5 mm per minute at 25 ° C and a relative humidity of about 30%. The tensile modulus is evaluated from the slope of the thus obtained stress-strain curve.
일구현예에 따른 보호막의 영률은 상술한 영률을 측정하는 방법 및 사용장치를 통상의 기술자가 전지의 보호막을 분리하여 즉 분리된 보호막(isolated protective layer)에 대하여 용이하게 측정할 수 있다.The Young's modulus of the protective film according to one embodiment can easily measure the method of measuring the Young's modulus and the apparatus for using the apparatus according to the present invention by separating the protective film of the battery, that is, the isolated protective layer.
보호막에서 적어도 하나의 입자는 가교 구조를 가질 수 있다. 화학적 또는 물리적으로 가교된 구조를 갖는 입자는, 가교 가능한 작용기를 갖는 고분자로부터 얻어진 가교 고분자로 된 유기 입자, 표면에 존재하는 가교성 작용기에 의하여 가교된 구조를 갖는 무기 입자 등을 포함하는 것으로 정의된다. 가교 가능한 작용기는 가교 반응에 참여하는 작용기로서 예를 들어 아크릴기, 메타크릴기, 비닐기 등을 들 수 있다.At least one of the particles in the protective film may have a crosslinked structure. The particles having a chemically or physically crosslinked structure are defined as including organic particles of a crosslinked polymer obtained from a polymer having a crosslinkable functional group, inorganic particles having a structure crosslinked by a crosslinking functional group present on the surface, and the like . Examples of the crosslinkable functional group include functional groups participating in the crosslinking reaction such as acrylic group, methacrylic group and vinyl group.
가교는 열을 가하거나 또는 UV와 같은 광을 조사하여 진행될 수 있다. 여기에서 열이나 광은 리튬 금속 전극에 부정적인 영향을 미치지 않는 범위에서 가해질 수 있다.Cross-linking may proceed by applying heat or by irradiating light such as UV. Here, heat or light can be applied in a range that does not adversely affect the lithium metal electrode.
화학적으로 가교된 구조를 갖는 입자는 입자를 이루는 물질내에 존재하는 가교 가능한 작용기의 결합이 가능하도록 화학적 방법(즉, 화학 시약(chemical reagents))을 이용하여 가교결합이 형성된다. 그리고 물리적으로 가교된 구조를 갖는 입자는 물리적 방법에 의하여 가교결합이 형성된다. 물리적 방법은 예를 들어, 가교성 관능기의 결합을 가능하도록 즉 화학적 시약에 의하여 가교결합이 형성되지 않은 상태이지만 입자를 구성하는 고분자의 유리전이온도에 도달하도록 열을 가하는 것을 들 수 있다. 가교는 입자 자체 내에서 이루어질 수 있고 또한 보호막에서 인접된 입자들 사이에 진행될 수도 있다.The particles having a chemically crosslinked structure are crosslinked using chemical methods (i.e., chemical reagents) so as to enable bonding of crosslinkable functional groups present in the material constituting the particles. And particles having a physically crosslinked structure are crosslinked by a physical method. Physical methods include, for example, heating to reach the glass transition temperature of the polymer constituting the particles, although the crosslinking is not formed by the chemical reagent so as to enable the bonding of the crosslinkable functional groups. Crosslinking may occur within the particle itself and may also proceed between adjacent particles in the protective film.
리튬 금속 전극의 두께는 100㎛ 이하, 예를 들어, 80㎛ 이하, 또는 50㎛ 이하, 또는 30㎛ 이하, 또는 20㎛ 이하이다. 다른 일구현예에 의하면, 리튬 금속 전극의 두께는 0.1 내지 60㎛이다. 구체적으로 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금의 두께는 1 내지 25㎛, 예를 들어 5 내지 20㎛, 구체적으로 10 내지 20㎛이다. The thickness of the lithium metal electrode is 100 mu m or less, for example, 80 mu m or less, or 50 mu m or less, or 30 mu m or less, or 20 mu m or less. According to another embodiment, the thickness of the lithium metal electrode is 0.1 to 60 占 퐉. Specifically, the thickness of the lithium metal or the lithium metal alloy is 1 to 25 占 퐉, for example, 5 to 20 占 퐉, specifically 10 to 20 占 퐉.
보호막내에 함유된 입자는 구형, 막대형, 타원형, 방사형 등의 타입 또는 이들의 조합 형태를 가질 수 있다. The particles contained in the protective film may have a spherical shape, a rod shape, an elliptical shape, a radial shape, or the like or a combination thereof.
입자가 구형인 경우 예를 들어 평균입경이 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈의 마이크로스피어(microsphere)일 수 있다. 상기 마이크로스피어의 평균입경은 예를 들어 1.5 내지 75㎛, 1.5 내지 50㎛, 또는 1.5 내지 20㎛ 또는 예를 들어 1.5 내지 10㎛일 수 있다. When the particles are spherical, for example, they may be microspheres having an average particle size exceeding 1 탆 and a size of 100 탆 or less. The average particle size of the microspheres may be, for example, 1.5 to 75 占 퐉, 1.5 to 50 占 퐉, or 1.5 to 20 占 퐉 or, for example, 1.5 to 10 占 퐉.
만약 입자의 사이즈가 100㎛를 초과하는 경우에는 보호막의 두께가 두꺼워져 셀 전체 두께가 증가되어 리튬금속전지의 에너지밀도 특성이 저하될 수 있다. 그리고 보호막에서 기공도가 커져서 액체 전해질이 리튬 금속 전극과 접촉하기가 용이해질 수 있다. If the particle size exceeds 100 mu m, the thickness of the protective film becomes thick, and the total thickness of the cell increases, so that the energy density characteristic of the lithium metal battery may be deteriorated. And the porosity in the protective film is increased, so that the liquid electrolyte can be easily contacted with the lithium metal electrode.
입자의 사이즈가 1㎛ 이하인 경우는 이러한 사이즈의 입자를 함유한 보호막을 채용한 리튬금속전지는 리튬전착밀도 특성이 입자의 사이즈가 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하인 경우의 보호막을 채용한 리튬금속전지의 경우에 비하여 저하된다. When the particle size is 1 mu m or less, a lithium metal battery employing a protective film containing particles of this size has a lithium metal electrodeposited density characteristic that a lithium metal battery employing a protective film in which the particle size is more than 1 [ As compared with the case of FIG.
본 명세서에서 "사이즈(size)"는 입자가 구형인 경우, 평균입경을 나타낸다. 입자가 막대형이거나 타원형인 경우, 사이즈는 장축 길이를 나타낸다. 만약 입자가 막대형 타입인 경우에는 가로와 세로축의 비는 예를 들어 1:1 내지 1:30, 예를 들어 1:2 내지 1:25, 예를 들어 1:5 내지 1:20일 수 있다.As used herein, the term " size " refers to the average particle size when the particles are spherical. If the particles are rod-shaped or elliptical, the size indicates the major axis length. If the particles are of the rod-type type, the ratio of the transverse and longitudinal axes can be, for example, from 1: 1 to 1:30, for example from 1: 2 to 1:25, for example from 1: 5 to 1:20 .
본 명세서에서 "평균 입자 사이즈("average particle size)" 또는 "평균 입경(average particle diameter)"은 입경이 최소인 입자부터 최대인 입자를 순서대로 누적한 분포 곡선(distribution curve)에서 입자의 50%에 해당하는 입경(D50)을 의미한다. 여기에서 누적된 입자(accumulated particles)의 총수는 100%이다. 평균 입자 사이즈는 당업자에게 알려진 방법에 따라 측정가능하다. 예를 들어 평균 입자 사이즈는 입자 사이즈 분석기, TEM 또는 SEM 이미지를 이용하여 측정가능하다. 평균 입자 사이즈를 측정하는 다른 방법으로서, 동적 광산란(dynamic light scattering)을 이용한 측정 장치를 이용하는 방법이 있다. 이 방법에 따라 소정의 사이즈 범위를 갖는 입자의 수를 세고, 이로부터 평균 입경이 계산될 수 있다.As used herein, the term " average particle size " or " average particle diameter " means that 50% or more of the particles in a distribution curve, (D50), wherein the total number of accumulated particles is 100%. The average particle size can be measured according to methods known to those skilled in the art. For example, the average particle size is determined by the particle size (TEM) or SEM image. As another method of measuring the average particle size, there is a method using a measuring device using dynamic light scattering. According to this method, The number of particles can be counted, from which the average particle size can be calculated.
본 명세서에서 기공도(porosity)는 물질에서 빈 공간(즉, 보이드(voids) 또는 기공(pores))을 측정한 것으로서, 물질의 총부피를 기준으로 하여 물질에서 보이드의 부피 퍼센트로 정해진다.Porosity is defined herein as the void volume (i.e., voids or pores) measured in a material and is determined by the volume percentage of voids in the material based on the total volume of the material.
도 1m은 일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극에서 보호막안에 함유된 마이크로스피어의 입경이 약 1㎛를 초과하고 100㎛인 경우에 있어서 리튬 금속 전극의 보호 역할을 설명하기 위한 것이고, 도 1n은 일반적인 리튬금속전지용 음극에서 보호막안에 함유된 마이크로스피어의 평균입경이 1㎛ 이하인 경우 리튬 금속 전극의 보호 역할을 설명하기 위한 것이다.FIG. 1M is a view for explaining a protective role of the lithium metal electrode in the case where the particle size of the microspheres contained in the protective film in the negative electrode for a lithium metal battery according to an embodiment is more than about 1 μm and 100 μm, This is to explain the protective role of the lithium metal electrode when the average particle diameter of the microspheres contained in the protective film in the negative electrode for a lithium metal battery is 1 탆 or less.
도 1m을 참조하여, 리튬 금속 전극 (11) 상부에 마이크로스피어 (13a)를 포함하는 보호막 (12)이 적층되어 있다. 리튬 금속 전극 상부에 형성된 보호막안에 함유된 마이크로스피어의 표면코팅분율 및 마이크로스피어의 입자 간격은 리튬 금속 전극의 보호막 기능에 직접적으로 영향을 미치는 인자이다. 본 명세서에서 용어 "표면코팅분율"은 리튬금속전극의 전체 표면적에 대한 보호막을 포함하는 리튬금속전극의 표면 영역(portion)을 나타낸다. 표면코팅분율은 예를 들어 리튬금속전극의 총표면적의 약 80%, 약 85%, 약 90% 또는 약 100%이다.Referring to FIG. 1M, a
리튬 금속 전극 (11)은 예를 들어 리튬 금속이고 도 1l에 나타난 바와 같이 리튬 금속 전극(11)은 두께가 예를 들어 5 내지 50㎛, 예를 들어 10 내지 30㎛, 예를 들어 15 내지 25㎛로 얇고 소프트(soft)한 특성을 갖고 있고 그 표면 단차는 약 ±1㎛이다. 이러한 표면단차를 갖는 리튬 금속 전극의 보호시, 평균입경이 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하인 경우 마이크로스피어 (13a)를 사용하는 것이 리튬 금속 전극을 보호하는 기능이 매우 우수하다. The
이에 비하여, 도 1n에 나타난 바와 같이 리튬 금속 전극 (11) 상부에 적층된 보호막 (12)이 평균입경이 1㎛ 이하인 마이크로스피어를 함유하는 경우, 예를 들어 입경이 5nm 내지 300nm의 마이크로스피어를 함유하는 경우 마이크로스피어의 응집(aggregation) 및 표면코팅 분율이 떨어지게 된다. 그 결과, 보호막에서 기공도가 커지게 되어 액체 전해질이 리튬 금속에 접촉하기가 유리해질 수 있다. In contrast, when the
상기 보호막의 입자는 보호막 형성시 사용되는 고분자라면 모두 다 사용가능하다. The particles of the protective film may be any polymer used for forming a protective film.
일구현예에 의하면, 보호막의 입자는 이온 전도성을 갖는 호모폴리머, 공중합체 및 가교 고분자 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 그 예로는 폴리스티렌, 또는 스티렌계 반복단위를 함유하는 블록 공중합체를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the particles of the protective film may further include at least one selected from a homopolymer having ion conductivity, a copolymer and a crosslinked polymer, and examples thereof include a block copolymer containing polystyrene or a styrene-based repeating unit .
다른 일구현예에 의하면, 보호막의 입자는 액체 전해질에 대한 젖음성(wettability)이 낮은 고분자로 이루어질 수 있다.According to another embodiment, the particles of the protective film may be made of a polymer having a low wettability to a liquid electrolyte.
상기 보호막의 입자는 i)폴리스티렌, 스티렌 반복단위를 함유한 공중합체, 가교성 작용기를 갖는 반복단위를 함유하는 공중합체 및 ii)가교 고분자 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 보호막의 입자는 스티렌계 반복단위를 함유한 고분자(호모폴리머 또는 공중합체)일 수 있다. 이와 같이 스티렌계 반복단위를 갖는 고분자인 경우 소수성(hydrophobicity)을 갖고 있어 리튬 금속 전극에 악영향을 미치지 않고, 전해질 젖음성(wettability)이 거의 없어 리튬 금속 전극과 전해질의 반응성을 최소화시킬 수 있다. The particles of the protective film may include at least one selected from i) a copolymer containing polystyrene, a styrene repeating unit, a copolymer containing a repeating unit having a crosslinkable functional group, and ii) a crosslinking polymer. The particles of the protective film may be a polymer (homopolymer or copolymer) containing a styrene-based repeating unit. In the case of a polymer having a styrenic repeating unit, the polymer has hydrophobicity so that it does not adversely affect the lithium metal electrode and has little electrolyte wettability, so that the reactivity between the lithium metal electrode and the electrolyte can be minimized.
상기 입자들의 적어도 하나는 예를 들어 폴리스티렌, 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(에틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(펜틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(프로필메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(스티렌-에틸렌- 부틸렌-스티렌) 공중합체, 폴리(스티렌-메틸메타크릴레이트) 공중합체, 폴리(스티렌-아크릴로니트릴) 공중합체, 폴리(스티렌-비닐피리딘) 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴-에틸렌-프로필렌-스티렌) 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트-아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리((C1-C9 알킬) 아크릴레이트-아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(C1-C9 알킬 메타크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리((C1-C9) 알킬 아크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(스티렌-(C1-C9 알킬 아크릴레이트) 공중합체 및 폴리(아크릴로니트릴-스티렌-(C1-C9 알킬 아크릴레이트) 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 고분자 A 및 상기 고분자 A의 가교 고분자 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. At least one of the particles is selected from the group consisting of polystyrene, poly (styrene-divinylbenzene) copolymer, poly (methyl methacrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (ethyl methacrylate-divinylbenzene) Poly (propyl methacrylate-divinylbenzene) copolymers, poly (styrene-ethylene-butylene) copolymers, poly Poly (styrene-acrylonitrile) copolymer, poly (styrene-vinylpyridine) copolymer, poly (acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymer Acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymers, poly ((C1-C9 alkyl) acrylate-acrylonitrile- Butadiene-sty (C1-C9 alkyl methacrylate-butadiene-styrene) copolymers, poly ((C1-C9) alkyl acrylate-butadiene-styrene) copolymers, ) Copolymer and at least one polymer A selected from the group consisting of poly (acrylonitrile-styrene- (C1-C9 alkyl acrylate) copolymers and crosslinked polymers of the polymer A).
폴리(C1-C9 알킬 메타크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체의 예로는 폴리(메틸메타크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(에틸메타크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(부틸메타크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체 또는 폴리(헥실메타크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체를 들 수 있고, 폴리(스티렌--C1-C9 알킬 아크릴레이트) 공중합체의 예로는 폴리(스티렌-에틸 아크릴레이트) 공중합체를 들 수 있다.Examples of poly (C1-C9 alkyl methacrylate-butadiene-styrene) copolymers include poly (methyl methacrylate-butadiene-styrene) copolymers, poly (ethyl methacrylate- (Methacrylate-butadiene-styrene) copolymer or a poly (hexyl methacrylate-butadiene-styrene) copolymer. Examples of the poly (styrene-C1-C9 alkyl acrylate) Ethyl acrylate) copolymer.
상기 고분자 A는 가교 가능한 성기를 갖는다.The polymer A has a crosslinkable group.
상기 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체는 하기 화학식 1로 표시된다. The poly (styrene-divinylbenzene) copolymer is represented by the following formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
화학식 1 중, a 및 b는 몰분율이며, 각각 0.01 내지 0.99이며 a 및 b의 합은 1이다. 화학식 1에서 a는 예를 들어 0.95 내지 0.99, 예를 들어 0.96 내지 0.99이며, 구체적으로 0.98 내지 0.99 이고, b는 예를 들어 0.01 내지 0.05, 예를 들어 0.01 내지 0.04이고, 구체적으로 0.01 내지 0.02이다.In the general formula (1), a and b are mole fractions, 0.01 to 0.99, respectively, and the sum of a and b is 1. In formula (1), a is, for example, from 0.95 to 0.99, for example from 0.96 to 0.99, specifically from 0.98 to 0.99, and b is from 0.01 to 0.05, for example from 0.01 to 0.04, .
상기 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체는 하기 화학식 1a로 표시된다. The poly (styrene-divinylbenzene) copolymer is represented by the following formula (1a).
[화학식 1a][Formula 1a]
상기 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체는 하기 화학식 1b로 표시된다. The poly (styrene-divinylbenzene) copolymer is represented by the following formula (1b).
[화학식 1b][Chemical Formula 1b]
폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.The poly (acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymer may be represented by the following general formula (2).
[화학식 2](2)
상기 화학식 2 중, x, y 및 z은 몰분율이며, 서로에 관계없이 0.01 내지 0.99이며, x, y 및 z의 합은 1이다.In
상기 화학식 2에서 x는 0.1 내지 0.35, y는 0.05-0.55, z은 0.2-0.7이다. 예를 들어 x는 0.15-0.35, y는 0.05-0.3, z은 0.4-0.6이다. In
화학식 1로 표시되는 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체 및 화학식 2로 표시되는 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체의 중합도는 2 내지 5,000이고, 예를 들어 5 내지 1,000의 수이다.The degree of polymerization of the poly (styrene-divinylbenzene) copolymer represented by the formula (1) and the poly (acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymer represented by the formula (2) is 2 to 5,000, for example, 5 to 1,000 .
상술한 화학식 1로 표시되는 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체 및 화학식 2로 표시되는 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체는 예를 들어 블록 공중합체일 수 있다.The poly (styrene-divinylbenzene) copolymer represented by Formula 1 and the poly (acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymer represented by
상기 가교 고분자는 고분자가 가교 가능한 작용기를 갖고 있어 이들 간의 가교결합이 형성된 고분자를 말한다. 가교 고분자는 가교성 작용기를 갖는 반복단위를 함유하는 공중합체로부터 얻어진 가교체일 수 있다.The crosslinked polymer refers to a polymer in which a polymer has functional groups capable of crosslinking to form a crosslinking bond therebetween. The crosslinked polymer may be a crosslinked product obtained from a copolymer containing a repeating unit having a crosslinkable functional group.
가교 고분자는 아크릴레이트 작용기를 갖는 폴리에틸렌옥사이드 블록과 폴리스티렌 블록을 갖는 블록 공중합체의 가교체; 또는 C1-C9 알킬 (메타)아크릴레이트((C1-C9 alkyl) (meth)acrylate), C2-C9 알케닐 (메타)아크릴레이트, C1-C12 글리콜 디(메타)아크릴레이트(C1-C12 glycol) di(meth)acrylate)(예를 들어 C1-C12 글리콜 디아크릴레이트), 폴리(C2-C6 알킬렌 글리콜) 디(메타)아크릴레이트(poly(C2-C6 alkylene glycol) di(meth)acrylate)(예를 들어, 폴리(C2-C6 알킬렌 글리콜) 디아크릴레이트) 및 폴리올 폴리(메타)아크릴레이트(예를 들어, 폴리올 폴리아크릴레이트)중에서 선택된 하나의 화합물의 가교체 등을 들 수 있다. 상기 C1-C9 알킬 (메타)아크릴레이트는 예를 들어 헥실 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트가 있고, C2-C9 알케닐 (메타)아크릴레이트의 예로서 알릴 메타크릴레이트(allyl methacrylate)가 있다.The crosslinked polymer is a crosslinked product of a block copolymer having a polyethylene oxide block having an acrylate functional group and a polystyrene block; Or C1-C9 alkyl (meth) acrylate, C2-C9 alkenyl (meth) acrylate, C1-C12 glycol di (meth) acrylate (C1- di (meth) acrylate (for example, C1-C12 glycol diacrylate), poly (C2-C6 alkylene glycol) di (meth) acrylate And crosslinked products of one compound selected from polyol (meth) acrylates (for example, polyol polyacrylate) and polyol (poly (C2-C6 alkylene glycol) diacrylate). Examples of the C1-C9 alkyl (meth) acrylate include hexyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, and allyl methacrylate as an example of C2-C9 alkenyl (meth) acrylate .
글리콜 디아크릴레이트의 예로는 1,4-부탄디올 디아크릴레이트(1,4-butanediol diacrylate), 1,3-부틸렌 글리콜 디아크릴레이트(1,3-butylene glycol diacrylate), 1,6-헥산디올 디아크릴레이트(1,6-hexanediol diacrylate), 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(ethylene glycol diacrylate), 및 네오펜틸 글리콜 디아크릴레이트(neopentyl glycol diacrylate)가 있다. 그리고 폴리알킬렌글리콜 디아크릴레이트는 예를 들어 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 및 폴리프로필렌글리콜 아크릴레이트가 있다. Examples of glycol diacrylates include 1,4-butanediol diacrylate, 1,3-butylene glycol diacrylate, 1,6-hexanediol 1,6-hexanediol diacrylate, ethylene glycol diacrylate, and neopentyl glycol diacrylate. And polyalkylene glycol diacrylates include, for example, diethylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tetraethylene glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, and polypropylene glycol acrylate There is a rate.
폴리올 폴리아크릴레이트는 예를 들어 트리메틸올 프로판 트리아크릴레이트(trimethylol propane triacrylate), 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트(pentaerythritol tetraacrylate), 또는 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(pentaerythritol triacrylate)가 있다.Polyol polyacrylates include, for example, trimethylol propane triacrylate, pentaerythritol tetraacrylate, or pentaerythritol triacrylate.
상기 가교 고분자는 예를 들어 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 또는 상술한 고분자 A의 가교체를 말한다. 여기에서 고분자 A는 가교 가능한 작용기를 갖고 있고 이들의 가교 결합을 통하여 고분자가교체가 제조된다.The crosslinked polymer refers to, for example, a poly (styrene-divinylbenzene) copolymer, poly (methyl methacrylate-divinylbenzene), or a crosslinked product of the polymer A described above. Here, the polymer A has a crosslinkable functional group, and the polymer is replaced by crosslinking thereof.
상술한 공중합체가 스티렌계 반복단위를 함유하는 경우, 스티렌계 반복단위의 함량은 공중합체 중량 100 중량부를 기준으로 하여 65 내지 99 중량부, 80 내지 99 중량부, 90 내지 99 중량부, 예를 들어 96 내지 99 중량부이다.When the above-mentioned copolymer contains a styrene-based repeating unit, the content of the styrene-based repeating unit is 65 to 99 parts by weight, 80 to 99 parts by weight, 90 to 99 parts by weight, based on 100 parts by weight of the copolymer, 96 to 99 parts by weight.
공중합체에서 디비닐벤젠을 함유하는 경우, 디비닐벤젠의 함량은 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 35 중량부, 1 내지 20 중량부, 1 내지 10 중량부, 1 내지 4 중량부, 예를 들어 3 내지 7 중량부, 구체적으로 5 중량부 범위로 사용된다.In the case where the copolymer contains divinylbenzene, the content of divinylbenzene is 1 to 35 parts by weight, 1 to 20 parts by weight, 1 to 10 parts by weight, 1 to 4 parts by weight, In the range of 3 to 7 parts by weight, specifically 5 parts by weight.
상술한 폴리(메틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(에틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(펜틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(프로필메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체에서 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 펜틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 또는 프로필메타크릴레이트 반복단위의 함량은 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 65 내지 99 중량부, 80 내지 99 중량부, 90 내지 99 중량부, 예를 들어 96 내지 99 중량부이다. (Poly (methyl methacrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (methyl methacrylate-divinyl benzene) copolymer, poly (ethyl methacrylate-divinyl benzene) (Meth) acrylate monomer, a repeating unit of repeating units of methyl methacrylate, ethyl methacrylate, pentyl methacrylate, butyl methacrylate, or propyl methacrylate in a poly (propyl methacrylate-divinylbenzene) The content is 65 to 99 parts by weight, 80 to 99 parts by weight, and 90 to 99 parts by weight, for example, 96 to 99 parts by weight, based on 100 parts by weight of the copolymer.
상술한 폴리(스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌) 공중합체, 폴리(스티렌-메틸메타크릴레이트) 공중합체, 폴리(스티렌-아크릴로니트릴) 공중합체, 폴리(스티렌-비닐피리딘) 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴-에틸렌-프로필렌-스티렌) 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트-아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(메타크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(스티렌-(C1-C9 알킬) 아크릴레이트) 공중합체 및 폴리(아크릴로니트릴-스티렌-(C1-C9 알킬) 아크릴레이트) 공중합체에서 스티렌계 반복단위의 함량은 공중합체 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 65 내지 99 중량부, 80 내지 99 중량부, 90 내지 99 중량부, 예를 들어 96 내지 99 중량부이다. 그리고 상술한 공중합체에서 삼원 또는 사원 공중합체인 경우 스티렌계 반복단위를 제외한 나머지 반복단위의 함량은 공중합체에서 스티렌계 반복단위의 함량을 뺀 나머지에서 다양한 비율로 혼합가능하다. 상술한 공중합체는 블록 공중합체, 랜덤 공중합체, 교호 공중합체, 그래프트 공중합체 등을 모두 포함한다. 이러한 공중합체의 중량평균분자량은 1만 내지 20만 달톤이다.(Styrene-acrylonitrile) copolymers, poly (styrene-vinylpyridine) copolymers, poly (styrene-acrylonitrile) copolymers, (Acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymer, poly (acrylonitrile-ethylene-propylene-styrene) copolymer, poly (methyl methacrylate- acrylonitrile- (C1-C9 alkyl) acrylate copolymer in a poly (styrene- (C1-C9 alkyl) acrylate) copolymer and a poly (acrylonitrile-styrene- Is from 65 to 99 parts by weight, from 80 to 99 parts by weight, and from 90 to 99 parts by weight, for example, from 96 to 99 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the copolymer. In the case of the above-mentioned copolymers, the content of the remaining repeating units other than the styrene-based repeating units may be varied in various proportions except for the content of the styrene-based repeating units in the copolymer. The above-mentioned copolymers include all of block copolymers, random copolymers, alternating copolymers, graft copolymers and the like. The weight average molecular weight of such copolymers is from 10,000 to 200,000 daltons.
본 명세서에서 제1반복단위 및 제2반복단위는 상술한 공중합체에서 서로 상이한 첫번째 및 두번째 반복단위를 각각 나타낸다. 제1반복단위를 함유하는 블록의 중량평균분자량은 10,000 Daltons 이상이고, 예를 들어 10,000 내지 500,000 Daltons, 구체적으로 15,000 내지 400,000 Daltons이다. 다른 일구현예에 의하면, 제1반복단위를 함유하는 블록의 중량평균분자량은 20,000 내지 200,000 Daltons이다. 제1반복단위를 함유하는 블록의 함량은 블록 공중합체의 총 중량 100 중량부를 기준으로 하여 20 내지 50 중량부, 예를 들어 20 내지 40 중량부, 예를 들어 22 내지 30 중량부이다. 이러한 제1반복단위를 함유하는 블록을 이용하면 강도와 같은 기계적 물성이 우수한 보호막을 얻을 수 있다.In the present specification, the first repeating unit and the second repeating unit each represent a first and a second repeating unit which are different from each other in the above-mentioned copolymer. The block containing the first repeating unit has a weight average molecular weight of 10,000 Daltons or more, for example, 10,000 to 500,000 Daltons, specifically 15,000 to 400,000 Daltons. According to another embodiment, the weight average molecular weight of the block containing the first repeating unit is 20,000 to 200,000 Daltons. The content of the block containing the first repeating unit is 20 to 50 parts by weight, for example, 20 to 40 parts by weight, for example, 22 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the block copolymer. When a block containing such a first repeating unit is used, a protective film excellent in mechanical properties such as strength can be obtained.
제2반복단위를 함유하는 블록의 중량평균분자량은 10,000 Daltons 이상이고, 예를 들어 10,000 내지 510,000 Daltons, 구체적으로 15,000 내지 400,000 Daltons이다. 다른 일구현예에 의하면, 제2반복단위를 함유하는 블록의 중량평균분자량은 20,000 내지 200,000 Daltons이다. 이러한 중량 평균분자량을 갖는 제2반복단위를 함유하는 블록을 이용하면 연성, 탄성 및 강도가 우수한 보호막을 얻을 수 있다.The weight average molecular weight of the block containing the second repeating unit is at least 10,000 Daltons, for example 10,000 to 510,000 Daltons, specifically 15,000 to 400,000 Daltons. According to another embodiment, the weight average molecular weight of the block containing the second repeating unit is 20,000 to 200,000 Daltons. When a block containing the second repeating unit having such a weight average molecular weight is used, a protective film excellent in ductility, elasticity and strength can be obtained.
본 명세서에서 중량평균분자량은 당해기술분야에서 당업자에게 널리 공지된 방법에 따라 측정가능하다. 예를 들어 중량평균분자량은 겔 투과 크래마토그래피 (GPC) 방법(polystyrene standards 이용)에 따라 측정될 수 있다.The weight average molecular weights herein are measurable according to methods well known to those skilled in the art. For example, the weight average molecular weight can be measured according to the gel permeation chromatography (GPC) method (using polystyrene standards).
상기 블록 공중합체는 이중블록 공중합체(A-B) 및 트리블록 공중합체(A-B-A' 또는 B-A-B’)중에서 선택된 하나 이상이다.The block copolymer is at least one selected from a diblock copolymer (A-B) and a triblock copolymer (A-B-A 'or B-A-B').
보호막의 입자는 폴리비닐피리딘, 폴리비닐사이클로헥산, 폴리글리시딜아크릴레이트, 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드), 폴리올레핀, 폴리(터트부틸 비닐에테르), 폴리사이클로헥실비닐에테르, 폴리비닐플루오라이드, 폴리(스티렌-말레산 무수물) 공중합체, 폴리글리시딜메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 및 고분자 이온성 액체(polymeric ionic liquids(PIL)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. The particles of the protective film may be selected from the group consisting of polyvinylpyridine, polyvinylcyclohexane, polyglycidyl acrylate, poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide), polyolefin, poly (tertbutyl vinyl ether), polycyclohexyl At least one selected from the group consisting of vinyl ether, polyvinyl fluoride, poly (styrene-maleic anhydride) copolymer, polyglycidyl methacrylate, polyacrylonitrile and polymeric ionic liquids (PIL) . ≪ / RTI >
보호막의 입자는 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(에틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(펜틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(프로필메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(메틸아크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(에틸아크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(펜틸아크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(부틸아크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(프로필아크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체 및 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. The particles of the protective film may be selected from the group consisting of a poly (styrene-divinylbenzene) copolymer, a poly (methyl methacrylate-divinylbenzene) copolymer, a poly (ethyl methacrylate-divinylbenzene) Poly (methyl methacrylate-divinylbenzene) copolymers, poly (butyl methacrylate-divinylbenzene) copolymers, poly (propyl methacrylate-divinylbenzene) (Ethyl acrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (pentyl acrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (butyl acrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (propyl acrylate-divinylbenzene) And a poly (acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymer.
보호막의 입자가 상술한 가교 고분자를 포함하는 경우 입자들이 서로 가교결합을 통하여 연결되어 보호막의 기계적 강도가 매우 우수하다. 보호막의 가교 고분자는 가교 고분자의 총부피를 기준으로 하여 10 내지 30%, 예를 들어 12 내지 28%, 예를 들어 15 내지 25%의 가교도를 갖는다.When the particles of the protective film include the above-mentioned crosslinked polymer, the particles are connected to each other through crosslinking, so that the mechanical strength of the protective film is excellent. The crosslinked polymer of the protective film has a degree of crosslinking of 10 to 30%, for example, 12 to 28%, for example, 15 to 25%, based on the total volume of the crosslinked polymer.
상기 보호막의 입자는 상호 연결된 구조일 수 있다. 그리고 보호막을 구성하는 복합입자의 코팅막은 상기 보호막의 입자들 사이에 형성된 기공 구조를 유지하면서 독립적인 상(phase)으로 존재할 수 있다.The particles of the protective film may be interconnected. The coating film of the composite particles constituting the protective film may exist in an independent phase while maintaining the pore structure formed between the particles of the protective film.
첨부된 도면을 참조하여, 일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극의 구조를 살펴보기로 한다. 도 1a 내지 도 1d에서 보호막의 입자는 비제한적인 예로서 마이크로스피어 형태를 갖는다.With reference to the accompanying drawings, a structure of a cathode for a lithium metal battery according to an embodiment will be described. In Figures 1A to 1D, the particles of the protective film have a microsphere shape as a non-limiting example.
도 1a에 나타난 바와 같이, 음극은 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금으로 된 리튬 금속 전극 (11)을 포함하며, 상기 리튬 전극 (11) 상부에 보호막 (12)이 배치되어 있다. 상기 보호막 (12)은 복합 입자(15a)를 함유한다. 복합 입자(15a)는 입자 (13)와 상기 입자 (13) 사이에는 빈 공간이 존재하며 이 공간을 통하여 이온이 전달될 수 있다. 따라서 이러한 보호막을 채용하면 음극의 이온 전도도가 향상될 수 있다. 그리고 빈 공간, 예를 들어 기공 구조를 통하여 리튬 덴드라이트 성장 공간이 제공되어 리튬 덴드라이트 성장을 가이드할 수 있다.As shown in FIG. 1A, the negative electrode includes a
상기 리튬 금속 합금은 리튬 금속과 리튬 금속과 합금 가능한 금속/준금속 또는 그 산화물을 포함한다. 리튬 금속과 합금 가능한 금속/준금속 또는 그 산화물로는 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님), MnOx (0<x≤ 2) 등일 수 있다. The lithium metal alloy includes a metal / metalloid or an oxide thereof capable of being alloyed with a lithium metal and a lithium metal. Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y alloys (Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a
상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬 금속과 합금가능한 금속/준금속의 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물, SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다.The element Y may be at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Se, Te, Po, or a combination thereof. For example, the metal / metalloid oxide that can be alloyed with the lithium metal may be lithium titanium oxide, vanadium oxide, lithium vanadium oxide, SnO 2 , SiO x (0 <x <2), and the like.
도 1c에 나타난 바와 같이, 음극은 집전체 (10) 상부에 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금으로 된 리튬 금속 전극 (11)이 적층되어 있고, 상기 리튬 전극 (11) 상부에는 보호막 (12)이 배치되어 있다. 상기 보호막 (12)은 복합 입자(15a)를 함유한다. 복합 입자 (15a)는 입자 (13)와 상기 입자 (13) 표면상에 배치된 이온 전도성 물질을 함유한 코팅막 (14)을 함유한다. 그리고 도면에는 나타나 있지 않으나 입자 사이의 공간에는 리튬염 또는 액체 전해질이 존재한다. 액체 전해질은 리튬염과 유기용매를 함유할 수 있다.1C, a
이온 전도성 물질을 함유한 코팅막 (14)은 보호막 (12)에 함유되어 보호막 (12)의 강도를 개선하고 바인더 역할을 수행한다. 일구현예에 따른 보호막은 도 1o 및 도 1p에 나타난 바와 같이 보호막에 함유된 입자 (13) 사이는 중합성 올리고머의 가교체 (15)가 존재한다. 중합성 올리고머의 가교체 (15)가 입자 (13) 사이의 빈 공간에 존재하여 보호막 (12)이 일체형 구조를 가짐으로써 우수한 기계적 물성을 가질 수 있다. 따라서 이러한 보호막을 채용하면 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 효과가 매우 향상될 뿐만 아니라 충방전시 리튬의 전착밀도가 개선되고 전도도 특성이 우수하다. The
중합성 올리고머의 가교체 (15)가 이온 전도성을 갖는 경우 이를 통하여 이온이 전달될 수 있다. 따라서 이러한 보호막을 채용하면 음극의 이온 전도도가 개선될 수 있다.When the
본 명세서에서 중합성 올리고머는 중합가능한 모노머까지 포함하는 개념으로 이해된다. 중합성 올리고머의 중량평균분자량은 예를 들어 2,000 이하이다.Polymerizable oligomers are understood herein as including the polymerizable monomers. The weight average molecular weight of the polymerizable oligomer is, for example, 2,000 or less.
상기 중합성 올리고머는 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA), 트리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(TEGDA), 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(TTEGDA), 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA), 디프로필렌 글리콜 디아크릴레이트(DPGDA), 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트(TPGDA), 에톡실레이티드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(ethoxylated trimethylolpropane triacrylate: ETPTA), 아크릴레이트 관능화된 에틸렌 옥사이드(acrylate-functionalized ethylene oxide), 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 에톡실레이티드 네오펜틸 글리콜 디아크릴레이트(ethoxylated neopentyl glycol diacrylate: NPEOGDA), 프로폭실레이티드 네오펜틸 글리콜 디아크릴레이트 (propoxylated neopentyl glycol diacrylate: NPPOGDA), 알릴 메타크릴레이트(ALMA); 트리메틸올 프로판 트리아크릴레이트 (TMPTA), 트리메틸올 프로판 트리메타크릴레이트(TMPTMA), 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(PETA), 에톡시레이티드 프로폭시레이티드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(TMPEOTA)/(TMPPOTA), 프로폭실레이티드 글리세릴 트리아크릴레이트(GPTA)/(GPPOTA), 트리스(2-하이드록시에틸) 이소시아누레이트 트리아크릴레이트(THEICTA), 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트(PETTA), 디펜타에리트리톨 펜타아크릴레이트(DPEPA)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, 상기 중합성 올리고머의 가교체의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 50 중량부이다. 본 명세서에서 올리고머는 적어도 두개의 중합성 관능기를 갖는 물질을 의미한다.The polymerizable oligomer may be selected from the group consisting of diethylene glycol diacrylate (DEGDA), triethylene glycol diacrylate (TEGDA), tetraethylene glycol diacrylate (TTEGDA), polyethylene glycol diacrylate (PEGDA), dipropylene glycol diacrylate (DPGDA), tripropylene glycol diacrylate (TPGDA), ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA), acrylate-functionalized ethylene oxide, 1,6 Ethoxylated neopentyl glycol diacrylate (NPEOGDA), propoxylated neopentyl glycol diacrylate (NPPOGDA), allyl methacrylate (manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.) ALMA); Trimethylolpropane triacrylate (TMPTA), trimethylolpropane trimethacrylate (TMPTMA), pentaerythritol triacrylate (PETA), ethoxylated propoxylated trimethylolpropane triacrylate (TMPEOTA) / TMPPOTA), propoxylated glyceryl triacrylate (GPTA) / (GPPOTA), tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate (THEICTA), pentaerythritol tetraacrylate Pentaerythritol pentaacrylate (DPEPA), and the content of the crosslinked product of the polymerizable oligomer is 10 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the particles. Oligomers as used herein refer to materials having at least two polymerizable functional groups.
일구현예에 따른 보호막은 도 1c에 나타난 바와 같이 입자 (13)들이 단일막 구조를 형성할 수 있다. The protective film according to one embodiment can form the single film structure of the
다른 일구현예에 따른 보호막은 도 1d에 나타난 바와 같이 리튬 전극 (11) 상부에 입자 (13)가 2층으로 적층된 2층막 구조를 갖고 있다. 입자 (13) 표면에는 도 1c와 마찬가지로 이온 전도성 물질을 함유한 코팅막 (14)이존재한다.As shown in FIG. 1D, the protective film according to another embodiment has a two-layered structure in which two
또 다른 일구현예에 따른 보호막은 도 1e에 나타난 바와 같이 보호막 (12)은 사이즈가 서로 다른 입자 (13a), (13b) 및 (13c)가 혼합하여 다층막 구조를 가질 수 있다. 이와 같이 보호막 (12)가 사이즈가 서로 다른 입자 (13a), (13b) 및 (13c)가 혼합한 다층막 구조를 갖는 경우, 기공률을 낮추거나, 팩킹밀도(packing density)를 향상시켜 덴드라이트 성장공간을 억제하거나, 이를 통해 전해질의 리튬메탈 접촉을 최소화 할 수 있다. 그리고 보호막의 두께 향상을 통해 덴드라이트 성장을 억제하는 것이 가능해진다. 1E, the
도 1f 및 도 1g는 일구현예에 따른 리튬 음극의 작용효과를 설명하기 위한 도면이다.FIGS. 1F and 1G are diagrams for explaining the effect of the lithium anode according to one embodiment.
도 1f 및 도 1g에 나타난 바와 같이, 일구현예에 따른 리튬 음극은 리튬 금속 전극 (11) 상부에 SEI(solid-electrolyte interphase)가 형성되고 그 상부에 입자 (13)을 함유한 보호막 (12)이 배치된 구조를 갖는다. 상기 리튬 금속 전극 (11) 및 SEI는 그 두께 등으로 인하여 소프트한 특성을 갖고 있어 입자 (13)에 의하여 눌러진다. 그 결과 리튬 금속 전극 (11) 및 SEI (도 1f의 17, 도 1g의 15b) 상에는 그루브(groove)가 형성된다. 1F and 1G, a lithium anode according to an embodiment includes a solid-electrolyte interphase (SEI) formed on a
그루브의 단차는 예를 들어 최대 ±1um이다. 입자 (13) 사이의 공간에는 중합성 올리고머의 가교체 (14)가 배치된다. 중합성 올리고머의 가교체 (14)로 인하여 보호막 (12)의 기계적 강도가 더 증가될 수 있다.The step of the groove is, for example, a maximum of ± 1 um. A
도 1f 및 도 1g에서 입자(13)는 예를 들어 가교된 폴리스티렌(PS) 마이크로스피어를 사용한다. 입자 (13)가 가해지는 힘에 의하여 리튬 덴드라이트 성장을 억제될 수 있고 입자 (13) 사이의 공간으로 리튬 덴드라이트가 형성되도록 가이드될 수 있다. 이러한 보호막을 이용한 음극을 충전시키면 리튬 전착이 진행되어 도 1g에 나타난 바와 같이 리튬 금속 전극(11) 상부에 리튬 전착층 (16)이 형성되고 그 상부에 SEI (도 1f의 17, 도 1g의 15b)가 적층되어 있고 그 상부에 입자 (13) 및 중합성 올리고머의 가교체 (15)를 함유한 보호막 (12)이 적층된 구조를 갖는다. In Figures 1F and Ig, the
상술한 보호막을 채용하면 리튬 전착 밀도가 매우 향상된다. 그리고 망상 구조 및 기공 구조를 이용하여 덴드라이트 성장 공간이 제공되면서 덴드라이트 성장이 제어됨으로써 양극으로부터 얻어진 부산물을 흡착하는 기능을 갖게 되어 이러한 리튬 음극을 채용한 리튬금속전지는 수명 및 고온 안정성이 향상된다.When the protective film described above is employed, the lithium electrodeposition density is greatly improved. The dendrite growth is controlled by providing a dendrite growth space by using the network structure and the pore structure, thereby having a function of adsorbing by-products obtained from the anode. Thus, the lithium metal battery employing such a lithium anode has improved lifetime and high temperature stability .
보호막의 입자는 예를 들어 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체를 함유할 수 있다. The particles of the protective film may contain, for example, a poly (styrene-divinylbenzene) copolymer.
입자가 가교 고분자로 이루어진 경우 입자간이 서로 화학적으로 연결된 구조를 가질 수 있다. 이와 같이 화학적으로 연결된 구조를 가지면 고강도 마이크로스피어 망상 구조(network structure)를 형성할 수 있다. When the particles are made of a crosslinked polymer, the particles may be chemically linked to each other. Such a chemically connected structure can form a high-strength microsphere network structure.
상기 보호막의 기공도는 25 내지 50%, 예를 들어 28 내지 48%, 예를 들어 30 내지 45%이다. 그리고 보호막의 기공 사이즈 및 기공도는 입자의 사이즈에 따라 정해진다. The porosity of the protective film is 25 to 50%, for example 28 to 48%, for example 30 to 45%. The pore size and porosity of the protective film are determined according to the particle size.
일구현예에 따른 보호막내에서 입자의 응집이 실질적으로 거의 없어 일정한 두께로 형성 가능하다. 상기 보호막의 두께는 1 내지 10㎛, 예를 들어 2 내지 9㎛, 예를 들어 3 내지 8 ㎛이다. 보호막의 두께 편차는 0.1 내지 4㎛, 예를 들어 0.1 내지 3㎛, 예를 들어 0.1 내지 2㎛이다.It is possible to form a uniform thickness because there is substantially no aggregation of particles in the protective film according to one embodiment. The thickness of the protective film is 1 to 10 탆, for example, 2 to 9 탆, for example, 3 to 8 탆. The thickness variation of the protective film is 0.1 to 4 탆, for example, 0.1 to 3 탆, for example, 0.1 to 2 탆.
보호막안에 함유된 리튬염은 예를 들어 LiSCN, LiN(CN)2, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiPF6, LiCF3SO3, LiC(CF3SO2)3, LiN(SO2C2F5)2, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2F)2, LiSbF6, LiPF3(CF2CF3)3, LiPF3(CF3)3, 및 LiB(C2O4)2 중에서 선택된 하나 이상을 들 수 있다.The lithium salt contained in the protective layer is, for example, LiSCN, LiN (CN) 2,
보호막에서 리튬염의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 70 중량부, 예를 들어 15 내지 60 중량부, 예를 들어 20 내지 50 중량부이다. 리튬염의 함량이 상기 범위일 때 보호막의 이온전도도가 매우 우수하다.The content of the lithium salt in the protective film is 10 to 70 parts by weight, for example, 15 to 60 parts by weight, for example, 20 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the particles. The ionic conductivity of the protective film is excellent when the content of the lithium salt is in the above range.
상기 유기용매는 카보네이트계 화합물, 글라임계 화합물, 디옥소란계 화합물 등이 있다. 카보네이트계 화합물은 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 또는 에틸메틸 카보네이트가 있다.Examples of the organic solvent include a carbonate compound, a glycol compound, and a dioxolane compound. The carbonate-based compound includes ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, fluoroethylene carbonate, diethyl carbonate, or ethyl methyl carbonate.
상기 글라임계 화합물은 폴리(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르(poly(ethylene glycol) dimethyl ether; PEGDME, polyglyme), 테트라(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르(tetra(ethylene glycol) dimethyl ether; TEGDME, tetraglyme), 트리(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르(tri(ethylene glycol) dimethyl ether, triglyme), 폴리(에틸렌 글리콜) 디라우레이트(poly(ethylene glycol) dilaurate; PEGDL), 폴리(에틸렌 글리콜) 모노아크릴레이트(poly(ethylene glycol) monoacrylate; PEGMA) 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate; PEGDA)로부터 선택된 1종 이상이 있다.The glycine compound may be selected from the group consisting of poly (ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME, polyglyme), tetra (ethylene glycol) dimethyl ether (TEGDME, tetraglyme) Poly (ethylene glycol) monoacrylate (PEGDL), poly (ethylene glycol) monoacrylate, poly (ethylene glycol) (PEGMA) and poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA).
디옥소란계 화합물의 예로는 1,3-디옥소란, 4,5-디에틸-1,3-디옥소란, 4,5-디메틸-1,3-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥소란 및 4-에틸-1,3-디옥소란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 있다. 상기 유기용매는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 디메틸에테르(DME), 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, 감마부티로락톤, 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(1,1,2,2-Tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether) 등이 있다.Examples of dioxolane-based compounds include 1,3-dioxolane, 4,5-diethyl-1,3-dioxolane, 4,5-dimethyl-1,3-dioxolane, , 3-dioxolane, and 4-ethyl-1,3-dioxolane. The organic solvent may be selected from the group consisting of 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, dimethyl ether (DME), 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, gamma butyrolactone, 1,2,2-
유기용매로는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 감마부티로락톤, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜디메틸에테르, 숙시노니트릴, 술포레인(sulfolane), 디메틸술폰, 에틸메틸술폰, 디에틸술폰, 아디포니트릴, 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르 중에서 선택된 하나 이상을 들 수 있다.Examples of the organic solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, fluoroethylene carbonate, gamma butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, Dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, succinonitrile, sulfolane, dimethyl sulfone, ethyl methyl sulfone, diethyl sulfone, adiponitrile, and 1,1 , 2,2-
일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극을 채용한 리튬금속전지에서 충전을 실시한 리튬 전극 표면에 전착되는 리튬전착층의 두께가 40 ㎛ 이하이고, 상기 음극 상부에 리튬전착층이 배치되며, 리튬전착층의 리튬전착밀도가 0.2 내지 0.5 g/cm3, 예를 들어 0.33 내지 0.48g/cm3(g/cc)이다.In a lithium metal battery employing a negative electrode for a lithium metal battery according to an embodiment, the thickness of the lithium electrodeposited layer deposited on the surface of the charged lithium electrode is 40 占 퐉 or less, the lithium electrodeposited layer is disposed on the negative electrode, Is in the range of 0.2 to 0.5 g / cm 3 , for example, 0.33 to 0.48 g / cm 3 (g / cc).
일구현예에 따른 리튬금속전지에서 리튬 금속을 채용한 리튬금속전지 대비 일구현예에 따른 리튬 음극을 채용한 경우 리튬의 전착밀도 증가율이 전착밀도 증가율이 50% 이상, 예를 들어 50 내지 90%이다. 이와 같이 전착밀도가 크게 우수하다. 이와 같이 전착밀도가 향상되는 것은 리튬 음극이 고강도의 보호막을 채용하기 때문이다. 여기에서 보호막의 영률(young's modulus)은 25℃에서 106 Pa 이상이며, 예를 들어 3 내지 6 GPa이다. In a lithium metal battery according to an embodiment, when the lithium negative electrode according to an embodiment of the present invention is applied to a lithium metal battery employing lithium metal, the increase rate of the electrodeposited density of lithium is 50% or more, for example, 50 to 90% to be. Thus, the electrodeposition density is excellent. The electrodeposited density is improved as described above because the lithium negative electrode employs a protective film having high strength. Here, the Young's modulus of the protective film is 10 6 Pa or more at 25 캜, for example, 3 to 6 GPa.
보호막의 영률이 상기 범위일 때 음극의 부피 변화를 억제하는 기능이 우수하고 리튬 금속 전극 표면에 형성된 덴드라이트로 인해 공격을 받은 부분은 깨져서 쇼트(short)가 형성될 가능성이 낮다. When the Young's modulus of the protective film is in the above range, the function of suppressing the change of the volume of the cathode is excellent, and the attacked part due to the dendrite formed on the surface of the lithium metal electrode is less likely to form a short.
일구현예에 따른 보호막은 25℃에서의 인장강도(tensile strength)가 2.0 The protective film according to one embodiment has a tensile strength at 25 DEG C of 2.0
MPa 이상이다. 그리고 임피던스 측정에서 얻어지는 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)에서 도출되는 리튬 금속 전극과 상기 보호막 사이의 계면저항이 리튬금속 단독(bare lithium metal)에 비하여 25℃에서 10% 이상 감소한다. 이와 같이 일구현예에 따른 보호막을 이용하는 경우, 리튬 금속 전극 단독인 경우에 비하여 계면저항이 감소되어 계면특성이 우수하다. 또한 음극은 리튬 금속 대비 0.0V 내지 6.0V의 전압 범위에서 산화전류(oxidation current) 또는 환원전류(reduction current)가 0.05 mA/cm2 이하이다. MPa or more. The interface resistance between the lithium metal electrode derived from the Nyquist plot obtained from the impedance measurement and the protective film is reduced by 10% or more at 25 DEG C as compared with the bare lithium metal. When the protective film according to one embodiment is used, the interfacial resistance is reduced as compared with the case where only the lithium metal electrode is used, so that the interfacial property is excellent. Also, the cathode has an oxidation current or a reduction current of 0.05 mA / cm 2 or less in a voltage range of 0.0 to 6.0 V versus a lithium metal.
또한 일구현예에 따른 보호막을 이용하면 반복적인 충방전을 실시한 후, 전지의 스웰링 문제점이 거의 없다. Further, when the protective film according to one embodiment is used, there is almost no problem of swelling of the battery after repeated charge and discharge.
일구현예에 따른 보호막에서 액체 전해질이 리튬 금속 전극과 직접적으로 접촉하는 영역은 보호막과 리튬 금속이 직접 접촉되는 영역을 기준으로 하여 30 내지 80%이다. The region where the liquid electrolyte directly contacts the lithium metal electrode in the protective film according to one embodiment is 30 to 80% based on the region where the protective film and the lithium metal are in direct contact.
도 9a 내지 도 9c는 일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극에서 마이크로스피어가 리튬 금속 표면에 배치된 것을 나타낸 것이다.9A to 9C illustrate that the microspheres are disposed on a lithium metal surface in a cathode for a lithium metal battery according to an embodiment.
이를 참조하여, 리튬 금속 전극 (11) 상부에 직경이 3㎛인 마이크로스피어 (13)가 배치된 구조를 나타낸다. 도 9a 내지 도 9c에 의하면 마이크로스피어 (13)가 리튬 금속 전극 (11) 상부에 배치되어 있다. Referring to this, a micro-sphere 13 having a diameter of 3 탆 is disposed on the
도 9a 내지 도 9c에서 리튬 금속 전극 (11)의 길이는 약 5.4㎛이다. 그리고 9A to 9C, the length of the
도 9a, 9b 및 9c에서 a는 예를 들어 각각 약 1.2㎛, 0.9㎛ 및 0.5㎛이다. 이 때 보호막의 액체 전해질이 리튬 금속 전극과 직접 접촉(direct contact)된 영역은 도 9a, 9b 및 9c의 경우 각각 보호막과 리튬 금속이 직접 접촉되는 영역을 기준으로 하여 약 33.3%, 50% 및 72.2%이다. In Figures 9a, 9b and 9c a is for example about 1.2 탆, 0.9 탆 and 0.5 탆, respectively. In the case where the liquid electrolyte of the protective film is in direct contact with the lithium metal electrode, the regions where the protective film and the lithium metal are in direct contact with each other are about 33.3%, 50%, and 72.2% %to be.
일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극의 제조방법에 대하여 살펴보면 다음과 같다. A method of manufacturing a negative electrode for a lithium metal battery according to an embodiment will be described below.
먼저 일구현예에 따른 복합입자 및 용매를 혼합하여 보호막 형성용 조성물을 준비한다. 상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 전극 상부에 도포 및 건조하여 보호막을 형성하여 리튬금속전지용 음극을 제조할 수 있다. First, the composition for forming a protective film is prepared by mixing the composite particles and the solvent according to one embodiment. The composition for forming a protective film may be coated on the upper portion of the lithium metal electrode and dried to form a protective film, thereby preparing a negative electrode for a lithium metal battery.
상기 용매로는 테트라하이드로퓨란, N-메틸피롤리돈, 등을 사용할 수 있다. 용매의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 5000 중량부이다.As the solvent, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone and the like can be used. The content of the solvent is 100 to 5000 parts by weight based on 100 parts by weight of the particles.
상기 보호막 형성용 조성물에는 이온 전도성 고분자를 더 부가할 수 있다. An ion conductive polymer may be further added to the protective film forming composition.
상기 보호막 형성용 조성물에는 이온성 액체, 고분자 이온성 액체 및 리튬염 중에서 선택된 하나 이상을 더 부가할 수 있다.The composition for forming a protective film may further include at least one selected from an ionic liquid, a polymeric ionic liquid, and a lithium salt.
상기 도포방법은 보호막 형성시 통상적으로 이용가능한 방법이라면 모두 다 사용가능하다. 예를 들어 스핀코팅, 롤 코팅, 커튼 코팅, 압출, 캐스팅, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 닥터 블래이드 등의 방법이 이용될 수 있다. The above-mentioned coating method can be used as long as it is a commonly available method for forming a protective film. For example, methods such as spin coating, roll coating, curtain coating, extrusion, casting, screen printing, inkjet printing, doctor blading and the like can be used.
건조는 20 내지 25℃에서 실시한다. 건조가 상술한 바와 같이 낮은 온도에서 진행하여 리튬 금속 전극의 변형이 일어나지 않는다. 그리고 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 전극에 직접 코팅하여 단분산 단층 구조를 갖는 보호막을 형성할 수 있어 막 공정성이 매우 개선된다. 그리고 이러한 보호막은 기계적 강도가 매우 우수하고 이온 전도도가 개선된다. Drying is carried out at 20 to 25 ° C. Drying proceeds at a low temperature as described above, so that deformation of the lithium metal electrode does not occur. A protective film having a monodispersed single layer structure can be formed by directly coating a composition for forming a protective film on a lithium metal electrode, thereby significantly improving the film processability. Such a protective film has excellent mechanical strength and improved ionic conductivity.
상기 건조과정 이후에 압연 공정을 거칠 수 있다. 압연 공정은 통상적인 전지 제조방법과 동일한 공정 조건으로 실시될 수 있다. 압연 공정은 예를 들어 1~1.5kgf/cm2의 압력 등을 이용하여 실시한다.The drying process may be followed by a rolling process. The rolling process can be carried out under the same process conditions as the conventional battery manufacturing process. The rolling process is performed using, for example, a pressure of 1 to 1.5 kgf / cm 2 .
상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 전극 상부에 도포 및 건조하여 보호막을 형성하는 단계 이후에, 중합성 올리고머 및 용매를 혼합하여 얻은 중합성 올리고머 조성물을 상기 도포 및 건조된 생성물 상부에 도포하고 가교반응을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 단계를 거치면 복합 입자 사이에 중합성 올리고머의 가교체가 함유될 수 있다.After coating the above protective film forming composition on a lithium metal electrode and drying to form a protective film, a polymerizable oligomer composition obtained by mixing a polymerizable oligomer and a solvent is coated on the coated and dried product, and a crosslinking reaction is carried out The method comprising the steps of: Through such a step, a cross-linked polymerizable oligomer may be contained between the composite particles.
상기 보호막 형성용 조성물 제조시 이용되는 복합입자는 입자 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치되며 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 포함하며 상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(organic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.The composite particle used in the production of the protective film forming composition comprises at least one ion conductive material selected from the group consisting of particles and an ion conductive polymer having an ion conductive oligomer and an ion conductive polymer disposed on at least a portion of the particle and having an ion conductive unit Wherein the particles comprise at least one selected from the group consisting of organic particles, inorganic particles and organic-inorganic particles having a size of more than 1 탆 and not more than 100 탆, .
복합입자는 하기 과정에 따라 제조될 수 있다.The composite particles can be produced according to the following process.
먼저 이온전도성 물질, 입자 및 용매를 혼합하여 복합입자 조성물을 얻는다. 이 복합입자 조성물로부터 용매를 제거하는 과정을 거치면, 입자 상부에 이온전도성 물질을 함유한 코팅막을 갖는 복합입자를 제조할 수 있다.First, an ion conductive material, particles and a solvent are mixed to obtain a composite particle composition. When the solvent is removed from the composite particle composition, a composite particle having a coating film containing an ion conductive substance on the particle can be produced.
상기 입자는 사이즈가 실질적으로 동일한 마이크로스피어를 사용할 수 있다. The particles may be microspheres of substantially the same size.
보호막은 리튬 금속 대비 0.0V 내지 6.0V의 전압 범위에서 산화전류(oxidation current) 또는 환원전류(reduction current)가 0.05 mA/cm2 이하이다. 상기 보호막은 리튬에 대하여 0V 내지 6.0V 전압 범위, 예를 들어 0V 내지 5.0V 전압 범위, 구체적으로 0V 내지 4.0V에서 전기화학적으로 안정할 수 있다. 일구현예에 의한 보호막은 전기화학적으로 안정한 넓은 전압창(voltage window)을 가짐에 의하여 고전압에서 작동되는 전기화학장치에 적용될 수 있다.The protective film has an oxidation current or a reduction current of 0.05 mA / cm 2 or less in a voltage range of 0.0 to 6.0 V versus lithium metal. The protective film may be electrochemically stable with respect to lithium at a voltage range of 0 V to 6.0 V, for example, a voltage range of 0 V to 5.0 V, specifically, 0 V to 4.0 V. The protective film according to one embodiment can be applied to an electrochemical device operated at a high voltage by having an electrochemically stable wide voltage window.
보호막의 입자는 유기 입자일 수 있다. 유기 입자는 예를 들어 폴리스티렌 또는 폴리(스티렌-디비닐 벤젠) 공중합체를 포함한다. The particles of the protective film may be organic particles. The organic particles include, for example, polystyrene or poly (styrene-divinylbenzene) copolymers.
보호막의 입자는 무기 입자일 수 있다. 상기 무기입자는 예를 들어 SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3, 또는 BaTiO3를 포함한다.The particles of the protective film may be inorganic particles. The above-mentioned inorganic particles include, for example, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2 O 3, or BaTiO 3.
보호막의 입자는 유무기 입자일 수 있다. 유무기 입자는 예를 들어 케이지 구조의 실세스퀴옥산 및 금속-유기 골격 구조체 (Metal-Organic Framework: MOF)로부터 선택된 1종 이상이다. The particles of the protective film may be organic particles. The organic or inorganic particles are at least one selected from, for example, silsesquioxane having a cage structure and metal-organic framework (MOF).
상기 케이지 구조의 실세스퀴옥산은 예를 들어 폴리헤드랄 올리고메릭 실세스퀴옥산(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane: POSS)일 수 있다. 이러한 POSS에서 존재하는 실리콘은 8개 이하, 예를 들어 6개 또는 8개로 존재한다. 케이지 구조의 실세스퀴옥산은 하기 화학식 3로 표시되는 화합물일 수 있다.The silsesquioxane of the cage structure may be, for example, Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS). There are no more than eight silicones present in such POSS, for example six or eight. The silsesquioxane having a cage structure may be a compound represented by the following formula (3).
[화학식 3](3)
SikO1 .5k (R1)a(R2)b(R3)c Si k O 1 .5k (R 1 ) a (R 2) b (R 3) c
상기 화학식 3 중 R1, R2, 및 R3은 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비In the above formula R 1 , R 2 , and R 3 are independently of each other hydrogen,
치환된 C1-C30의 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알콕시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 C4-C30의 탄소고리기, 또는 실리콘 함유 작용기일 수 있다.A substituted or unsubstituted C1-C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkoxy group, a substituted or unsubstituted C2-C30 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C2-C30 alkynyl group, A substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6-C30 aryloxy group, a substituted or unsubstituted C2-C30 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted C4-C30 carbon ring Group, or a silicon-containing functional group.
상기 화학식 3중 0<a<20, 0<b<20, 0<c<20, and k=a+b+c, a, b 및 c는 k의 범위가 6≤k≤20가 되도록 선택된다.In the
상기 케이지 구조의 실세스퀴옥산은 하기 화학식 4로 표시되는 화합물 또는 하기 화학식 5으로 표시되는 화합물일 수 있다. The silsesquioxane of the cage structure may be a compound represented by the following formula (4) or a compound represented by the following formula (5).
[화학식 4] [Chemical Formula 4]
상기 화학식 4 중, R1-R8는 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알콕시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 C4-C30의 탄소고리기, 또는 실리콘 함유 작용기 일 수 있다.In the general formula (4), R 1 to R 8 independently represent hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkoxy group, a substituted or unsubstituted C2-C30 Substituted or unsubstituted C2-C30 alkynyl group, substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, substituted or unsubstituted C6-C30 aryloxy group, substituted or unsubstituted A C2-C30 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted C4-C30 carbon ring group, or a silicon-containing functional group.
[화학식 5] [Chemical Formula 5]
상기 화학식 5 중, R1-R6는 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알콕시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 C4-C30의 탄소고리기, 또는 실리콘 함유 작용기 일 수 있다.In the
일구현예에 의하면, 상기 케이지 구조의 실세스퀴옥산은 화학식 4의 R1-R8, 및 화학식 5의 R1-R6은 이소부틸기이다. 케이지 구조의 실세스퀴옥산은 예를 들어 옥타이소부틸-t8-실세스퀴옥산일 수 있다.According to one embodiment, the silsesquioxane of the cage structure is represented by R 1 -R 8 in
금속-유기 골격 구조체는 2족 내지 15족의 원소 이온 또는 2족 내지 15족의 원소 이온 클러스터가 유기 리간드와 화학결합으로 형성된 다공성 결정성 화합물이다. The metal-organic skeleton structure is a porous crystalline compound in which element clusters of
유기 리간드는 배위 결합, 이온결합 또는 공유결합과 같은 화학결합이 가능한 유기 그룹을 의미하며, 예를 들어 상술한 금속 이온과 결합할 수 있는 사이트가 2개 이상인 유기 그룹인 것이 금속 이온과 결합하여 안정적인 구조체를 형성할 수 있다.The organic ligand means an organic group capable of chemical bonding such as coordination bond, ionic bond or covalent bond. For example, the organic ligand is an organic group having two or more sites capable of binding to the metal ion described above, A structure can be formed.
상기 2족 내지 15족 원소 이온은 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 오스듐(Os), 카드뮴(Cd), 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 스트론듐(Sr), 철(Fe), 망간(Mn), 크롬(Cr), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 하프늄(Hf), Nb, 탄탈륨(Ta), Re, 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 인듐(In), 탈륨(Tl), 실리콘(Si), Ge, 주석(Sn), 납(Pb), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi) 중에서 선택된 하나 이상이고, 상기 유기 리간드는 방향족 디카르복실산, 방향족 트리카르복실산, 이미다졸계 화합물, 테트라졸계, 1,2,3-트리아졸, 1,2,4-트리아졸, 피라졸, 방향족 술폰산(sulfonic acid), 방향족 인산(phosphoric acid), 방향족 술핀산(sulfinic acid), 방향족 포스핀산(phosphinic acid), 비피리딘, 아미노기, 이미노기, 아미드기, 메탄디티오산(-CS2H)기, 메탄디티오산 음이온(-CS2 -)기, 피리딘기, 피라진기 중에서 선택된 하나 이상의 작용기를 갖는 화합물 중에서 선택된 하나 이상에서 유래된 그룹이다. The Group 2 to Group 15 element ions may be selected from the group consisting of cobalt (Co), nickel (Ni), molybdenum (Mo), tungsten (W), ruthenium (Ru), osmium (Os), cadmium (Cd) (Ba), Sr, Fe, Mn, Cr, V, Al, Ti, Zr, Zr, (Pt), copper (Cu), zinc (Zn), magnesium (Mg), hafnium (Hf), Nb, tantalum (Ta), Re, rhodium (Rh), iridium (Ir), palladium , Ag, Sc, Y, In, Thl, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb) and bismuth (Bi), and the organic ligand is at least one selected from aromatic dicarboxylic acid, aromatic tricarboxylic acid, imidazole compound, tetrazole compound, 1,2,3- A sulfonic acid, an aromatic phosphoric acid, an aromatic sulfinic acid, an aromatic phosphinic acid, a bipyridine, an amino group, an imino group, an acyl group, A compound having at least one functional group selected from the group consisting of a methine group, a methane group, a methane group, a methane dithio acid (-CS 2 H) group, a methane dithioate anion (-CS 2 - ) group, a pyridine group and a pyrazine group.
상술한 방향족 디카르복실산 또는 방향족 트리카르복실산으로는 벤젠디카르복실산, 벤젠트리카르복실산, 비페닐디카르복실산, 트리페닐디카르복실산 등을 들 수 있다.Examples of the above aromatic dicarboxylic acid or aromatic tricarboxylic acid include benzene dicarboxylic acid, benzenetricarboxylic acid, biphenyldicarboxylic acid and triphenyldicarboxylic acid.
상술한 유기 리간드는 구체적으로 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물로부터 유래된 그룹일 수 있다.The above-mentioned organic ligands may specifically be a group derived from a compound represented by the following formula (6).
[화학식 6][Chemical Formula 6]
금속-유기 골격 구조체는 예를 들어 Ti8O8(OH)4[O2C-C6H4-CO2]6, Cu (bpy)(H2O) 2(BF4)2(bpy){bpy= 4, 4'-bipyridine}, Zn4O(O2C-C6H4-CO2)3 (Zn-terephthalic acid-MOF, Zn-MOF) 또는 Al(OH){O2C-C6H4-CO2}을 들 수 있다.The metal-organic skeleton structure can be, for example, Ti 8 O 8 (OH) 4 [O 2 CC 6 H 4 -CO 2 ] 6, Cu (bpy) (H 2 O) 2 (BF 4 ) 2 = 4, 4'-bipyridine}, Zn 4 O (
상기 보호막은 i) 케이지 구조의 실세스퀴옥산, 금속-유기 골격 구조체(Metal-Orgainc Framework: MOF), Li1 +x+ yAlxTi2 - xSiyP3 - yO12 (0<x<2, 0=y<3), BaTiO3, Pb(ZrpTi1-p)O3(0≤p≤1) (PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT)(O≤x<1, O=y<1),Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, Na2O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, SiC, Li3PO4, LixTiy(PO4)3(0<x<2,0<y<3), LixAlyTiz(PO4)3(0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), Li1 +x+y (AlpGa1 -p)x(TiqGe1-q)2-xSiyP3-yO12(O≤x≤1, O=y≤=1, O≤p≤1, O≤q≤1), LixLayTiO3(0<x<2, 0<y<3), LixGeyPzSw(0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), LixNy(0<x<4, 0<y<2), LixSiySz(0<x<3,0<y<2, 0<z<4), LixPySz(0≤x<3, 0<y<3, 0<z<7), Li2O, LiF, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2, Li3 + xLa3M2O12(M = Te, Nb, 또는 Zr)(0≤x≤5)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 입자 A를 포함하거나 ;또는 ii)상기 입자 A의 가교체일 수 있다. 입자 A의 가교체는 입자 A가 가교가능한 작용기를 갖고 있고 이들 작용기에 의하여 가교된 구조를 갖는다.The protective film may be formed of a material selected from the group consisting of i) silsesquioxane having a cage structure, metal-organic framework (MOF), Li 1 + x + y Al x Ti 2 - x Si y P 3 - y O 12 (0 <x <2, 0 = y <3), BaTiO 3 , Pb (Zr p Ti 1-p ) O 3 (0 ? P? 1 ) (PZT), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT) (O≤x <1, O = y <1), Pb (Mg 1/3
상기 가교가능한 작용기는 가교될 수 있는 관능기라면 모두 다 사용가능하며, 예로서 아크릴레이트기, 메타크릴레이트기, 에폭시기 등을 들 수 있다. The crosslinkable functional group may be any functional group that can be crosslinked, and examples thereof include an acrylate group, a methacrylate group, and an epoxy group.
입자 표면에 가교가능한 작용기가 존재하는 경우 입자들이 서로 공유결합으로 연결되어 이러한 입자로 이루어진 보호막의 기계적 강도는 더 개선될 수 있다.When a crosslinkable functional group is present on the particle surface, the particles are covalently linked to each other, and the mechanical strength of the protective layer made of such particles can be further improved.
이온성 액체는 상온 이하의 융점을 갖고 있고 이온만으로 구성되는 상온에서 액체 상태의 염 또는 상온 용융염을 말한다. 이온성 액체는 i)암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸륨계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과, ii) BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, HSO4 -, ClO4 -, CH3SO3 -, CF3CO2 -, Cl-, Br-, I-, SO4 2-, CF3SO3 -, (FSO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, and (CF3SO2)2N-중에서 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하는 화합물 중에서 선택된 하나이다.The ionic liquid refers to a salt in a liquid state or a room-temperature molten salt at room temperature, which has a melting point below room temperature and is composed of only ions. The ionic liquid may be selected from the group consisting of i) an ammonium, pyrrolidinium, pyridinium, pyrimidinium, imidazolium, piperidinium, pyrazolium, oxazolium, pyridazinium, phosphonium, And at least one cation selected from the group consisting of BF 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , SbF 6 - , AlCl 4 - , HSO 4 - , ClO 4 - , CH 3 SO 3 - , CF 3 CO 2 -, Cl -, Br -, I -, SO 4 2-, CF 3 SO 3 -, (FSO 2) 2 N -, (C 2
이온성 액체는 예를 들어 N-메틸-N-프로필피롤디니움 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 N-부틸-N-메틸피롤리디움 비스(플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. The ionic liquid includes, for example, N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide N-butyl-N-methylpyrrolidium bis (fluoromethylsulfonyl) -Butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) amide and 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) amide.
이온성 액체의 함량은 보호막의 입자 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 40 중량부, 예를 들어 7.5 내지 30 중량부, 예를 들어 10 내지 20 중량부이다. 이온성 액체의 함량이 상기 범위일 때 이온 전도도 및 기계적 물성이 우수한 보호막을 얻을 수 있다.The content of the ionic liquid is 5 to 40 parts by weight, for example, 7.5 to 30 parts by weight, for example, 10 to 20 parts by weight, based on 100 parts by weight of the particles of the protective film. When the content of the ionic liquid is within the above range, a protective film excellent in ionic conductivity and mechanical properties can be obtained.
보호막이 이온성 액체와 리튬염을 함유하는 경우, 이온성 액체(IL)/리튬 이온(Li)의 몰비(IL/Li)는 0.1 내지 2.0, 예를 들어 0.2 내지 1.8, 구체적으로 0.4 내지 1.5일 수 있다. 이러한 몰비를 갖는 보호막은 리튬 이온 이동도 및 이온 전도도가 우수할 뿐만 아니라 기계적 물성이 우수하여 음극 표면에 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다.(IL / Li) of the ionic liquid (IL) / lithium ion (Li) is 0.1 to 2.0, for example, 0.2 to 1.8, . The protective film having such a molar ratio is excellent in lithium ion mobility and ion conductivity and is excellent in mechanical properties and can effectively suppress the growth of lithium dendrite on the surface of the negative electrode.
고분자 이온성 액체는 이온성 액체 모노머를 중합하여 얻은 것을 사용하는 것도 가능하고 고분자형으로 얻어진 화합물을 이용할 수 있다. 이러한 고분자 이온성 액체는 유기용매에 대한 용해성이 높고 보호막에 부가하면 이온 전도도를 더 개선할 수 있는 이점이 있다.The polymeric ionic liquid may be obtained by polymerizing an ionic liquid monomer, or may be a polymeric compound. Such a polymeric ionic liquid has a high solubility in an organic solvent and has an advantage that ionic conductivity can be further improved when added to a protective film.
상술한 이온성 액체 모노머를 중합하여 고분자 이온성 액체를 얻는 경우에는 중합 반응이 완료된 결과물을 세척 및 건조과정을 거친 후 음이온 치환 반응을 통하여 유기용매에 대한 용해도를 부여할 수 있는 적절한 음이온을 갖도록 제조된다. In the case of obtaining a polymeric ionic liquid by polymerizing the above-mentioned ionic liquid monomer, the polymeric reaction product is washed and dried, and then anion substitution reaction is carried out to obtain an appropriate anion capable of imparting solubility to the organic solvent do.
일구현예에 의한 고분자 이온성 액체는 i)암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸륨계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과, ii) BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, HSO4 -, ClO4 -, CH3SO3 -, CF3CO2 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, Cl-, Br-, I-, SO4 2-, CF3SO3 -, (C2F5SO2)2N-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, NO3 -, Al2Cl7 -, (CF3SO2)3C-, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, SF5CF2SO3 -, SF5CHFCF2SO3 -, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO- 중에서 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 반복단위를 함유할 수 있다. The polymeric ionic liquid according to one embodiment may be selected from the group consisting of i) ammonium, pyrrolidinium, pyridinium, pyrimidinium, imidazolium, piperidinium, pyrazolium, oxazolium, pyridazinium, At least one cation selected from the group consisting of BF 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , SbF 6 - , AlCl 4 - , HSO 4 - , ClO 4 - , CH 3 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , Cl - , Br - , I - , SO 4 2- , CF 3 SO 3 - , 2 F 5 SO 2) 2 N -, (C 2
다른 일구현예에 따르면, 고분자 이온성 액체는 이온성 액체 모노머를 중합하여 제조될 수 있다. 이온성 액체 모노머는 비닐기, 알릴기, 아크릴레이트기, 메타크릴레이트기 등과 중합가능한 관능기를 가지고 있으면서 암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸륨계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과 상술한 음이온을 가질 수 있다. According to another embodiment, the polymeric ionic liquid can be prepared by polymerizing an ionic liquid monomer. The ionic liquid monomer has a functional group capable of polymerizing with a vinyl group, an allyl group, an acrylate group, a methacrylate group and the like, and is preferably an ammonium group, a pyrrolidinium group, a pyridinium group, a pyrimidinium group, an imidazolium group, a piperidinium group, The anion may have at least one cation selected from the group consisting of a pyrazolium series, an oxazolium series, a pyridazinium series, a phosphonium series, a sulfonium series, a triazolium series and mixtures thereof.
상기 이온성 액체 모노머의 예로는 1-비닐-3-에틸이미다졸리움 브로마이드, 하기 화학식 7 또는 8로 표시되는 화합물이 있다.Examples of the ionic liquid monomer include 1-vinyl-3-ethylimidazolium bromide and a compound represented by the following general formula (7) or (8).
[화학식 7](7)
[화학식 8][Chemical Formula 8]
상술한 고분자 이온성 액체의 예로는 하기 화학식 9로 표시되는 화합물 또는 화학식 10로 표시되는 화합물이 있다. Examples of the above polymeric ionic liquid include a compound represented by the following formula (9) or a compound represented by the following formula (10).
[화학식 9][Chemical Formula 9]
상기 화학식 9 중, R1 및 R3는 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C30의 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 C6-C30의 아릴기, 치환된 또는 비치환된 C2-C30의 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 C4-C30의 탄소고리기이다. 상기 화학식 9에서 R2는 단순히 화학결합을 나타내거나 C1-C30의 알킬렌기, C6-C30의 아릴렌기, C2-C30의 헤테로아릴렌기, 또는 C4-C30의 2가 탄소고리기를 나타내고,Wherein R 1 and R 3 are independently selected from the group consisting of hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C2-C30 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C2-C30 A substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C2-C30 heteroaryl group, and a substituted or unsubstituted C4-C30 carbon ring group. In the general formula (9), R 2 is a chemical bond or represents a C1-C30 alkylene group, a C6-C30 arylene group, a C2-C30 heteroarylene group, or a C4-C30 divalent carbon ring group,
X-는 이온성 액체의 음이온을 나타내고, X - represents an anion of the ionic liquid,
n은 500 내지 2800이다.n is 500 to 2800.
[화학식 10][Chemical formula 10]
상기 화학식 10 중 Y-는 화학식 9의 X-와 동일하게 정의되며, n은 500 내지 2800이다. In the
화학식 10에서 Y-는 예를 들어 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(TFSI), 비스(플루오로술포닐)이미드, BF4 -, 또는 CF3SO3 -이다.Y - in formula (10) is, for example, bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (TFSI), bis (fluorosulfonyl) imide, BF 4 - or CF 3 SO 3 - .
고분자 이온성 액체는 예를 들어 폴리(1-비닐-3-알킬이미다졸리움), 폴리(1-알릴-3-알킬이미다졸리움), 폴리(1-(메타크릴로일록시-3-알킬이미다졸리움) 중에서 선택된 양이온과, CH3COO-, CF3COO-, CH3SO3 -, CF3SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, (CF3SO2)3C-, (CF3CF2SO2)2N-, C4F9SO3 -, C3F7COO- 및 (CF3SO2)(CF3CO)N- 중에서 선택된 음이온을 포함한다.Polymeric ionic liquids include, for example, poly (1-vinyl-3-alkylimidazolium), poly (1-allyl-3-alkylimidazolium), poly (1- (methacryloyloxy- and selected from imidazolium) cation, CH 3 COO -, CF 3 COO -, CH 3 SO 3 -, CF 3 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, ( CF 3 SO 2) 3 C - , (CF 3
상기 화학식 10으로 표시되는 화합물은 폴리디알릴디메틸암모늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드를 들 수 있다.The compound represented by the above formula (10) includes polydiallyldimethylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide.
또 다른 일구현예에 의하면, 고분자 이온성 액체는 저분자량 고분자, 이온성 액체 및 리튬염을 포함할 수 있다. 저분자량 고분자는 에틸렌옥사이드 사슬을 가질 수 있다. 저분자량 고분자는 글라임일 수 있다. 여기에서 글라임은 예를 들어 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(폴리글라임), 테트라에틸렌글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르(트라이글라임)가 있다.According to another embodiment, the polymeric ionic liquid may comprise a low molecular weight polymer, an ionic liquid and a lithium salt. The low molecular weight polymer may have an ethylene oxide chain. The low molecular weight polymer may be glyme. Examples of the glyme include polyethylene glycol dimethyl ether (polyglyme), tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), and triethylene glycol dimethyl ether (triglyme).
저분자량 고분자의 중량평균분자량은 75 내지 2000 Daltons, 예를 들어 100 내지 1000 Daltons, 예를 들어 250 내지 500 Daltons이다. 그리고 열적으로 안정한 이온성 액체는 상술한 이온성 액체에서 정의된 바와 같다. 보호막은 올리고머를 더 포함할 수 있다. 올리고머는 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디에틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 올리고머의 중량평균분자량은 200 내지 2,000 Daltons, 예를 들어 300 내지 1800 Daltons, 예를 들어 400 내지 1500Daltons이고, 상기 올리고머의 함량은 보호막의 입자 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 50 중량부, 예를 들어 10 내지 40 중량부, 예를 들어 10 내지 30 중량부이다. 이와 같이 올리고머를 부가하는 경우 보호막의 성막성, 기계적 물성 및 이온 전도도 특성이 더 우수하다.The weight average molecular weight of the low molecular weight polymer is 75 to 2000 Daltons, for example 100 to 1000 Daltons, for example 250 to 500 Daltons. And the thermally stable ionic liquid is as defined in the above ionic liquid. The protective film may further include an oligomer. The oligomer is at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol dimethyl ether and polyethylene glycol diethyl ether. The weight average molecular weight of the oligomer is from 200 to 2,000 Daltons, for example from 300 to 1800 Daltons, for example from 400 to 1500 Daltons, and the oligomer content is from 5 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the protective film, 10 to 40 parts by weight, for example, 10 to 30 parts by weight. When the oligomer is added in this manner, the film forming property, the mechanical property, and the ionic conductivity of the protective film are superior.
상기 보호막의 이온 전도도는 약 25℃에서 1 X 10-3S/cm 이상, 예를 들어 The ionic conductivity of the protective film is preferably 1
5×10-3 S/cm 이상일 수 있다. 5 x 10 < -3 > S / cm or more.
다른 측면에 따라 복합 입자를 포함하며, 상기 복합 입자는 입자 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치된 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 코팅막을 함유하며, 상기 전해질의 영률(young's modulus)은 106 Pa 이상이며, 상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)의 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(orgnic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 복합 전해질이 제공된다.The composite particle according to another aspect, wherein the composite particle comprises a coating film comprising at least one selected from the group consisting of particles and an ion conductive polymer having an ion conductive oligomer having an ion conductive unit disposed on at least a part of the particle and an ion conductive polymer having an ion conductive unit Wherein the Young's modulus of the electrolyte is not less than 10 6 Pa and the particles have an average particle size of more than 1 탆 and less than 100 탆 of an organic particle, There is provided a composite electrolyte for a lithium metal battery comprising at least one selected from the group consisting of inorganic particles and organic or inorganic particles.
복합 전해질은 상술한 복합 입자 이외에 이온 전도성 고분자 및 이온성 액체 중에서 선택된 하나 이상을 함유한다. The composite electrolyte contains at least one selected from an ion conductive polymer and an ionic liquid in addition to the composite particles described above.
이온 전도성 고분자는 예를 들어 리튬금속전지에서 통상적으로 사용되는 호모폴리머, 공중합체 및 가교 고분자(crosslinkedpolymer) 중에서 선택된 이온 전도성 특성을 갖는 고분자라면 모두 다 적용될 수 있다.The ion conductive polymer may be applied to any polymer having ion conductive properties selected from, for example, homopolymers, copolymers and crosslinked polymers commonly used in lithium metal batteries.
이온 전도성 고분자는 예를 들어 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌 유도체, 폴리(에틸렌-co-비닐 아세테이트) 등을 사용한다. As the ion conductive polymer, for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethylene derivatives, poly (ethylene-co-vinyl acetate) and the like are used.
복합 전해질에서 복합 입자의 입자의 함량은 이온 전도성 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 100 중량부, 예를 들어 1 내지 50 중량부, 예를 들어 5 내지 30 중량부이다. The content of the composite particles in the composite electrolyte is 1 to 100 parts by weight, for example, 1 to 50 parts by weight, for example 5 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the ion conductive polymer.
복합 전해질은 일반적인 전해질과 마찬가지로 리튬염과 유기용매 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.The composite electrolyte may further include at least one selected from a lithium salt and an organic solvent, as in a general electrolyte.
복합 전해질이 리튬염을 함유하는 경우, 리튬염의 함량은 이온 전도성 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 100 중량부, 예를 들어 1 내지 50 중량부, 예를 들어 5 내지 30 중량부이다.When the composite electrolyte contains a lithium salt, the content of the lithium salt is 1 to 100 parts by weight, for example, 1 to 50 parts by weight, for example 5 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the ion conductive polymer.
상기 이온성 액체, 리튬염 및 유기용매는 리튬금속전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하다.The ionic liquid, the lithium salt, and the organic solvent can be used as long as they are commonly used in a lithium metal battery.
다른 일구현예에 따르면, 양극, 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금을 포함하는 리튬 금속 음극 및 이들 사이에 개재되며 상술한 복합 전해질을 포함하는 리튬금속전지가 제공된다.According to another embodiment, there is provided a lithium metal anode including a cathode, a lithium metal or a lithium metal alloy, and a lithium metal battery interposed therebetween and including the above-described composite electrolyte.
일구현예에 따른 리튬금속전지는 예들 들어 리튬공기전지, 리튬이온전지, 리튬고분자전지 등을 말한다. The lithium metal battery according to one embodiment refers to, for example, a lithium air battery, a lithium ion battery, a lithium polymer battery or the like.
일구현예에 따른 보호막은 고전압용 리튬이차전지 보호막으로서 적절하다. The protective film according to one embodiment is suitable as a high-voltage lithium secondary battery protective film.
여기에서 "고전압"은 충전전압이 4.0V 내지 5.5V 범위인 경우를 말한다. Here, " high voltage " refers to a case where the charging voltage is in the range of 4.0V to 5.5V.
다른 측면에 따라 양극, 일구현예에 따른 리튬금속전지용 음극 및 이들 사이에 개재된 전해질을 포함한 리튬금속전지가 제공된다. According to another aspect, there is provided a lithium metal battery including an anode, a cathode for a lithium metal battery according to an embodiment, and an electrolyte interposed therebetween.
상기 전해질은 복합 전해질일 수 있다.The electrolyte may be a complex electrolyte.
전해질은 액체 전해질, 고체 전해질, 겔 전해질, 고분자 이온성 액체(polymer ionic liquid), 고체 전해질 중에서 선택된 하나 이상을 포함하여 혼합 전해질(mixed electrolyte) 타입일 수 있다. 리튬금속전지는 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.The electrolyte may be a mixed electrolyte type including at least one selected from a liquid electrolyte, a solid electrolyte, a gel electrolyte, a polymer ionic liquid, and a solid electrolyte. The lithium metal battery may further include a separator.
액체 전해질, 고분자 이온성 액체, 겔 전해질, 및 고체 전해질 중에서 선택된 하나 이상은 양극과 전해질 사이에 개재될 수 있다. 상기 겔 전해질은 겔 형태를 갖는 전해질로서 당해기술분야에서 주지된 것이라면 모두 다 사용 가능하다. 겔 전해질은 예를 들어 고분자와 고분자 이온성 액체를 함유할 수 있다. 여기에서 고분자는 예를 들어 고체 그래프트(블록) 코폴리머 전해질일 수 있다.One or more selected from a liquid electrolyte, a polymeric ionic liquid, a gel electrolyte, and a solid electrolyte may be interposed between the anode and the electrolyte. The gel electrolyte is an electrolyte having a gel form, and any of those known in the art can be used. The gel electrolyte may contain, for example, a polymer and a polymeric ionic liquid. The polymer may be, for example, a solid graft (block) copolymer electrolyte.
고체 전해질은 유기 고체 전해질 또는 무기 고체 전해질일 수 있다. The solid electrolyte can be an organic solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 고분자, 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer including a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, a polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, and an ionic dissociation group Can be used.
상기 무기 고체 전해질로는, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2, Cu3N, LiPON, Li2S.GeS2.Ga2S3, Li2O.11Al2O3, (Na,Li)1+ xTi2 - xAlx(PO4)3 (0.1≤x≤0.9), Li1 + xHf2 - xAlx(PO4)3 (0.1≤x≤0.9), Na3Zr2Si2PO12, Li3Zr2Si2PO12, Na5ZrP3O12, Na5TiP3O12, Na3Fe2P3O12, Na4NbP3O12, Na-Silicates, Li0 . 3La0 . 5TiO3, Na5MSi4O12 (M은 Nd, Gd, Dy 등의 희토류 원소) Li5ZrP3O12, Li5TiP3O12, Li3Fe2P3O12, Li4NbP3O12, Li1 + x(M,Al,Ga)x(Ge1-yTiy)2 -x(PO4)3(x≤0.8, 0≤y≤1.0, M은 Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 또는 Yb), Li1 +x+ yQxTi2 - xSiyP3 - yO12 (0<x≤0.4, 0<y≤0.6, Q 는 Al 또는 Ga), Li6BaLa2Ta2O12, Li7La3Zr2O12, Li5La3Nb2O12, Li5La3M2O12 (M은 Nb, Ta), Li7 + xAxLa3 - xZr2O12 (0<x<3, A는 Zn) 등이 사용될 수 있다.The inorganic solid electrolyte, Li 3 N, LiI, Li 5
일구현예에 따른 보호막은 이온성 액체, 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상, 보론 나이트라이드(boron nitride), 또는 그 혼합물을 포함할 수 있다. The protective film according to one embodiment may include at least one selected from an ionic liquid, a metal salt containing a
상기 1족 원소 또는 2족 원소를 함유하는 금속염은 Cs, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, 및 Mg 중에서 선택된 하나 이상을 함유하는 금속염이고, 상기 질소 함유 첨가제는 무기 나이트레이트(inorganic nitrate), 유기 나이트레이트(organic nitrate), 무기 나이트라이트(inorganic nitrite), 유기 나이트라이트(organic nitrite), 유기 니트로 화합물, 유기 니트로소 화합물, N-O 화합물 및 질화리튬(Li3N)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.The metal salt containing the Group 1 element or the
상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상은 액체 전해질의 유기용매에 불용성이다. 이러한 용해도 특성으로 리튬 금속 음극 표면에 국한되어 안정적으로 존재하고 상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상의 이동성이 제한되어 이를 함유한 보호막을 채용하는 경우 전극 간의 리튬 이온의 이동을 방해하지 않는다.At least one selected from the group consisting of a metal salt containing a group I or II element and a nitrogen-containing additive is insoluble in an organic solvent of a liquid electrolyte. In view of solubility characteristics, when a protective film is used which is stably present only on the surface of a lithium metal anode and is limited in at least one of mobility and a nitrogen-containing additive selected from the group consisting of metal salts containing Group 1 or
또한 상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염의 금속은 리튬과 비교하여 큰 원자 크기를 갖고 있어 이를 보호막에 함유하면 금속의 입체 장애(steric hindrance) 효과로 인하여 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염은 리튬 금속 음극 표면 상에 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 억제할 수 있다. 그리고 상기 금속염의 금속 양이온(예를 들어 Cs 또는 루비듐 이온)은 리튬 이온의 환원전위에 비하여 작은 유효 환원전위(effective reduction potential)를 갖고 있어 리튬 전착(lithium deposition) 공정 중 금속염은 환원되거나 또는 도포되는 과정이 없이 금속 양이온은 리튬 금속 음극 표면에 돌기(protuberance)의 초기 성장 팁(initial growth tip) 주위에 양전하의 정전기적 쉴드를 형성한다. 이러한 양전하의 정전기적 쉴드가 형성되면 리튬 금속 음극 표면에 리튬 덴드라이트가 성장하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 상술한 바와 같이 금속염이 리튬의 환원전위에 비하여 작은 유효 환원전위(effective reduction potential)를 가지기 위해서는 금속염의 함량이 중요하다. 금속염의 함량은 보호막의 입자 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 100 중량부, 예를 들어 1 내지 75 중량부, 예를 들어 10 내지 50 중량부 범위로 제어된다.
In addition, the metal of the metal salt containing the
또한 상기 보호막은 기계적 강도 및 유연성이 매우 우수하여 리튬 덴드라이트의 형성을 억제하는 효과가 매우 우수하고 리튬 금속 음극과 보호막 사이에 높은 이온 전도성을 갖는 이온 전도성 피막을 형성한다. 상기 이온 전도성 피막은 보호막의 이온 전도도 및 리튬 이온 이동도를 높임으로써 리튬 금속 음극과 보호막 사이의 계면저항을 감소킨다. 이온 전도성 피막은 예를 들어 질화리튬(Li3N)을 함유한다. In addition, the protective film is excellent in mechanical strength and flexibility, so that the effect of suppressing the formation of lithium dendrite is excellent, and an ion conductive film having high ion conductivity is formed between the lithium metal anode and the protective film. The ion conductive film reduces the interfacial resistance between the lithium metal cathode and the protective film by increasing the ionic conductivity and the lithium ion mobility of the protective film. The ion conductive film contains, for example, lithium nitride (Li 3 N).
또한 상기 보호막은 리튬의 전/탈착 과정을 화학적으로 개선하여 종래의 보호막을 형성한 경우와 비교하여 리튬 금속 음극의 전착 모폴로지(morphology)를 개선하여 리튬 금속 음극 표면에서의 전착밀도가 증가되어 리튬 이온 이동도를 향상시킨다. 그리고 상술한 바와 같이 리튬 금속 음극 표면의 보호막에 상기 이온성 액체, 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상이 국한되도록 존재하여 상기 이온성 액체, 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상이 액체 전해질에 분산되거나 양극쪽으로 접근하여 양극과의 반응이 일어나는 것을 차단할 수 있다. 그 결과, 율속 성능 및 수명이 향상된 리튬금속전지를 제조할 수 있다.The protective layer chemically improves the electrodeposition process of lithium to improve the electrophoretic morphology of the lithium metal cathode to increase the electrodeposition density on the surface of the lithium metal cathode, Thereby improving mobility. As described above, the ionic liquid, the at least one selected from the group consisting of the metal salt and the nitrogen-containing additive may be localized in the protective film on the surface of the lithium metal negative electrode so that at least one selected from the ionic liquid, metal salt and nitrogen- Or approaches the anode and blocks the reaction with the anode. As a result, it is possible to produce a lithium metal battery with improved rateing performance and life.
보호막안에 함유된 질소 함유 첨가제는 비제한적인 예로서 무기 나이트레이트(inorganic nitrate), 유기 나이트레이트(organic nitrate), 무기 나이트라이트(inorganic nitrite), 유기 나이트라이트(organic nitrite), 유기 니트로 화합물, 유기 니트로소 화합물(Organic nitrso compound), N-O 화합물 및 질화리튬(Li3N)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있다. The nitrogen containing additive contained in the protective film can be, but not limited to, inorganic nitrate, organic nitrate, inorganic nitrite, organic nitrite, organic nitro compound, organic An organic compound, an organic compound, a nitric compound, an NO compound, and lithium nitride (Li 3 N).
상기 무기 나이트레이트는 예를 들어 리튬 나이트레이트, 포타슘 나이트레이트, 세슘 나이트레이트, 바륨 나이트레이트 및 암모늄 나이트레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, 상기 유기 나이트레이트는 예를 들어 디알킬 이미다졸륨 나이트레이트, 구아니딘 나이트레이트, 에틸 나이트라이트, 프로필 나이트라이트, 부틸 나이트라이트, 펜틸 나이트라이트, 및 옥틸 나이트라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 그리고 유기 나이트라이트는 예를 들어 에틸 나이트라이트, 프로필 나이트라이트, 부틸 나이트라이트, 펜틸 나이트라이트, 및 옥틸 나이트라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.The inorganic nitrate is at least one selected from the group consisting of lithium nitrate, potassium nitrate, cesium nitrate, barium nitrate and ammonium nitrate, and the organic nitrate is, for example, a dialkyl imidazolium nitride Is at least one selected from the group consisting of guanidine nitrate, ethylnitrite, propylnitrite, butylnitrite, pentylnitrite, and octylnitrite. And the organic nitrite is at least one selected from the group consisting of ethylnitrite, propylnitrite, butylnitrite, pentylnitrite, and octylnitrite.
상기 유기 니트로 화합물은 예를 들어 니트로메탄, 니트로프로판, 니트로부탄, 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔 및 니트로피리딘으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있다. 그리고 상기 N-O 화합물은 예를 들어 피리딘 N-옥사이드, 알킬피리딘 N-옥사이드, 및 테트라메틸 피페리딘 N-옥실(TEMPO)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.Examples of the organic nitro compound include at least one selected from the group consisting of nitromethane, nitropropane, nitrobutane, nitrobenzene, dinitrobenzene, nitrotoluene, dinitrotoluene and nitropyridine. And the N-O compound is at least one selected from the group consisting of, for example, pyridine N-oxide, alkylpyridine N-oxide, and tetramethylpiperidine N-oxyl (TEMPO).
다른 일구현예에 따른 보호막에서 질소 함유 첨가제는 LiNO3 및 Li3N 중에서 선택된 하나 이상이고, 상기 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염이 세슘비스트리플루오로메틸술포닐이미드(CsTFSI), CsNO3, CsPF6, CsFSI, CsAsF6, CsClO4, 또는 CsBF4이고, 예를 들어 CsTFSI일 수 있다.In the protective film according to another embodiment, the nitrogen-containing additive is at least one selected from LiNO 3 and Li 3 N, and the metal salt containing the group I or II element is cesium bistrifluoromethylsulfonylimide (CsTFSI), and CsNO 3, CsPF 6, CsFSI,
상기 보호막에서 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 100 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30중량부이다. 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상의 함량이 상기 범위일 때 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 효과 및 리튬 금속 음극 표면과 보호막의 계면저항이 감소되고 리튬의 이온 이동도가 개선된 리튬금속전지를 제작할 수 있다.The content of at least one selected from a metal salt containing a group 1 or
보호막은 일구현예에 의하면, 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염만을 포함할 수 있다. 이 때 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 100 중량부, 예를 들어 0.1 내지 50 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30 중량부이다,According to one embodiment, the protective film may comprise only a metal salt containing a group I or II element. The content of the metal salt containing a Group 1 or
다른 일구현예에 의하면, 보호막은 질소 함유 첨가제만을 함유할 수 있다. 이 때 질소 함유 첨가제의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 100 중량부, 예를 들어 0.1 내지 50 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30 중량부이다.According to another embodiment, the protective film may contain only a nitrogen-containing additive. At this time, the content of the nitrogen-containing additive is 0.1 to 100 parts by weight, for example, 0.1 to 50 parts by weight, for example, 0.1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the particles.
보호막은 예를 들어 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제를 모두 함유할 수 있다. 이 때 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 99.99 중량부, 예를 들어 0.05 내지 50 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30 중량부이고, 질소 함유 첨가제의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 99.99 중량부, 예를 들어 0.05 내지 50 중량부, 예를 들어 0.1 내지 30 중량부이다.The protective film may contain, for example, both a metal salt containing a
일구현예에 따른 보호막에서 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제의 혼합중량비는 1:9 내지 9:1, 예를 들어 1:2 내지 2:1, 구체적으로 1:1이다. 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염과 질소 함유 첨가제의 혼합중량비가 상기 범위일 때 리튬 금속 음극 표면에서의 전착밀도와 전해질에서 리튬 이온 이동도 특성이 우수하여 리튬금속전지의 율속 성능 및 수명 특성이 개선된다.The weight ratio of the metal salt containing the Group 1 or
상기 리튬 금속 전극은 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금이고, 상기 리튬 금속 전극과 양극 사이에 유기용매, 이온성 액체 및 리튬염 중에서 선택된 하나 이상을 함유한 액체 전해질이 더 포함될 수 있다.The lithium metal electrode may be lithium metal or a lithium metal alloy, and a liquid electrolyte containing at least one selected from an organic solvent, an ionic liquid and a lithium salt may be further interposed between the lithium metal electrode and the cathode.
리튬금속전지는 일구현예에 따른 음극을 채용하면 용량 유지율이 개선된 리튬금속전지를 제작할 수 있다. 이러한 리튬금속전지는 전압, 용량, 에너지 밀도가 높아 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 풍력이나 태양광 등의 발전설비의 축전지, 전기 자동차, 무정전 전원장치, 가정용 축전지 등의 분야에서 널리 이용되고 있다.When a negative electrode according to an embodiment is employed, a lithium metal battery having improved capacity retention rate can be manufactured. Such a lithium metal battery has high voltage, capacity, and energy density and is widely used in the fields of portable telephones, notebook computers, batteries for power generation facilities such as wind power and solar power, electric vehicles, uninterruptible power supplies, and household batteries.
도 1h 내지 도 1k는 일구현예에 따른 리튬금속전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.FIGS. ≪ RTI ID = 0.0 > 1h-1k < / RTI > schematically illustrate the structure of a lithium metal battery according to one embodiment.
도 1h에 나타난 바와 같이, 리튬금속전지는 양극(21)과 음극(22) 사이에 전해질(24)이 개재되어 있는 구조를 구비한다. 전해질(24)과 음극(22) 사이에는 보호막 (23)이 포함된다. 전해질 (24)는 액체 전해질, 고분자 이온성 액체(polymer ionic liquid), 고체 전해질 및 겔 전해질 중에서 선택된 하나 이상이 더 포함될 수 있다. 리튬금속전지는 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1H, the lithium metal battery has a structure in which an
상술한 보호막 (23)이 음극(22)의 적어도 일부 상에 배치됨에 따라 음극 표면이 기계적으로 안정화되면서 전기화학적으로 안정화될 수 있다. 따라서 리튬금속전지의 충방전시 음극 표면에 덴드라이트가 형성되는 것을 억제할 수 있고 음극과 전해질 사이의 계면 안정성이 향상된다. 따라서 리튬금속전지의 사이클 특성이 향상될 수 있다. As the
상기 전해질 (24)은 도 1i에 나타난 바와 같이 액체 전해질(24a)과 고체 전해질(24b)이 순차적으로 적층된 2층 구조를 가질 수 있다. 여기에서 액체 전해질은 보호막 (23)과 인접되도록 배치될 수 있다. 이러한 리튬금속전지는 음극/보호막/전해질(액체 전해질/고체 전해질)/양극의 적층 순서를 갖는다. The
도 1j를 참조하여, 일구현예에 따른 리튬금속전지는 세퍼레이터 (24c)를 사용할 수 있다. 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 그 조합물로 된 단층막 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터에는 리튬염과 유기용매를 함유한 전해질이 더 부가될 수 있다.Referring to FIG. 1J, the lithium metal battery according to one embodiment may use a
도 1k에 나타난 바와 같이, 일구현예에 따른 리튬금속전지는 액체 전해질 (24a)이 배치될 수 있다. 여기에서 액체 전해질은 보호막 (23)안에 함유될 수 있는 액체 전해질의 조성과 동일하거나 또는 다를 수 있다.As shown in FIG. 1K, the lithium metal battery according to one embodiment may be arranged with the
도 ll는 다른 일구현예에 따른 리튬금속전지 구조의 개략도이다.FIG. 11 is a schematic view of a lithium metal battery structure according to another embodiment.
리튬금속전지 (30)은 양극 (31), 일구현예에 따른 음극 (32)을 포함하고 이들을 수용하는 전지 케이스 (34)을 포함한다. The
도 1h 내지 도 1l에서 양극은 다공성 양극일 수 있다. 다공성 양극은 기공을 함유하고 있거나 또는 의도적으로 양극의 형성을 배제하지 않아 양극 내부로 모세관 현상 등에 의하여 액체 전해질이 침투될 수 있는 양극도 포함한다. In Figs. 1h-l, the anode may be a porous anode. The porous anode includes pores which contain pores or which do not exclude the formation of an anode intentionally so that the liquid electrolyte can be permeated into the inside of the anode by capillary phenomenon or the like.
예를 들어 다공성 양극은 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매를 포함하는 양극 활물질 조성물을 코팅 및 건조하여 얻어지는 양극을 포함한다. 이렇게 얻어진 양극은 양극 활물질 입자 사이에 존재하는 기공을 함유할 수 있다. 이러한 다공성 양극에는 액체 전해질이 함침될 수 있다.For example, the porous anode includes a cathode obtained by coating and drying a cathode active material composition comprising a cathode active material, a conductive agent, a binder and a solvent. The thus obtained positive electrode may contain pores existing between the positive electrode active material particles. Such a porous anode may be impregnated with a liquid electrolyte.
다른 일구현예에 따르면, 양극은 액체 전해질, 겔 전해질, 또는 고체 전해질을 포함할 수 있다. 상기 액체 전해질, 겔 전해질 및 고체 전해질은 당해 기술분야에서 리튬금속전지의 전해질로 사용할 수 있는 것으로서 충방전 과정에서 양극 활물질과 반응하여 양극 활물질을 열화시키지 않는 것이라면 모두 가능하다.According to another embodiment, the anode may comprise a liquid electrolyte, a gel electrolyte, or a solid electrolyte. The liquid electrolyte, the gel electrolyte, and the solid electrolyte can be used as an electrolyte of a lithium metal battery in the related art, and can be any material that does not deteriorate the cathode active material by reacting with the cathode active material during charging and discharging.
일구현예에 따른 리튬금속전지용 복합 전해질은 3차원(3D) 리튬공기전지에도 적용 가능하다. The composite electrolyte for a lithium metal battery according to one embodiment is also applicable to a three-dimensional (3D) lithium air battery.
도 10을 참조하면, 3차원 금속-공기 전지(200)는 두께 방향으로 이격되어 배치되는 복수의 가스 확산층(130a, 130b)을 포함하며, 복수의 가스 확산층(130a, 130b)의 일면(135a, 135b) 및 상기 일면에 대향하는 타면(137a, 137b) 상에 각각 배치된 복수의 제1 양극(120a, 120c) 및 제2 양극(120b, 120d)을 포함하며, 이온 전도성막(110)이 복수의 제1 양극(120a, 120c) 및 제2 양극(120b, 120d)의 일면(125a, 125b, 125c, 125d)과 각각 접촉하도록 반복적으로 180도 절곡되어 배치되며, 음극(100)이 이온 전도성 막(110)과 접촉하도록 이온 전도성막(110)과 동일한 패턴으로 반복적으로 180도 절곡되며 배치되며, 음극(100)이 서로 인접한 복수의 가스 확산층(130a, 130b) 사이에서 180도 절곡되어 서로 포개질 수 있다.10, the three-dimensional metal-
이온 전도성막(110)으로서 일구현예에 따른 복합 전해질이 이용될 수 있다.As the ion
3차원 금속-공기 전지(200)에서 제1 양극(120a, 120c)과 제2 양극(120b, 120d)이 가스 확산층(130a, 130b)의 측면(131a, 131b)에 배치되지 않으므로 이온 전도성 막(110)의 균열 시에 음극(100)과 양극(120a, 120b)의 단락을 방지할 수 있다.Since the
3차원 금속-공기 전지(200)에서 이온 전도성 막(110)의 모든 절곡부(111, 112)와 각각 접촉하도록 배치되는 복수의 강화제 함유 중간층(140a, 140b, 140c)을 포함할 수 있다. 3차원 금속-공기 전지(200)에서 복수의 중간층(140a, 140b, 140c)을 포함함에 의하여 이온 전도성 막(110)의 균열 및 음극(100)과 양극(120a, 120b)의 단락을 방지할 수 있다.A plurality of reinforcing agent-containing
일구현예에 따른 음극을 포함한 리튬금속전지를 구성하는 각 구성요소 및 이러한 구성요소를 갖는 리튬금속전지의 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.The constituent elements constituting the lithium metal battery including the negative electrode according to one embodiment and the method for manufacturing the lithium metal battery having such constituent elements will be described in detail as follows.
양극을 제조하기 위한 양극 활물질로서 리튬코발트산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬철인산화물, 및 리튬망간산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 이용 가능한 모든 양극 활물질이 사용될 수 있다.The positive electrode active material for producing the positive electrode may include at least one selected from the group consisting of lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate, and lithium manganese oxide. And any cathode active material available in the art may be used.
예를 들어, LiaA1 - bBbD2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 및 0≤b≤0.5이다); LiaE1 -bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiE2 - bBbO4 - cDc(상기 식에서, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiaNi1 -b- cCobBcDα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 - αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 - αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0≤f≤2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≤f≤2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표 현되는 화합물을 사용할 수 있다.For example, Li a A 1 - b B b D 2 , where 0.90? A? 1.8, and 0? B? 0.5; Li a E 1 -b B b O 2 -c D c wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0 ? C? 0.05; LiE 2 - b B b O 4 - c D c where 0? B? 0.5, 0 ? C? 0.05; Li a Ni 1 -b- c Co b B c D ? Wherein, in the formula, 0.90 ? A? 1.8, 0 ? B ? 0.5, 0 ? C ? 0.05, 0? Li a Ni 1 -b- c Co b B c O 2 - ? F ? Wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8, 0 ? B ? 0.5, 0 ? C ? 0.05, 0 <? Li a Ni 1 -b- c Mn b B c D ? Wherein, in the formula, 0.90 ? A? 1.8, 0 ? B ? 0.5, 0 ? C ? 0.05, 0? Li a Ni 1 -b- c Mn b B c O 2 - ? F ? Wherein, in the formula, 0.90? A? 1.8, 0 ? B ? 0.5, 0 ? C ? 0.05, 0? Li a Ni b E c G d O 2 wherein 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.9, 0? C? 0.5, and 0.001? D? 0.1; Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 wherein 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.9, 0? C? 0.5, 0? D? 0.5, and 0.001? E? 0.1. Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1.8, and 0.001? B? 0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); Li a MnG b O 2 (in the above formula, 0.90? A? 1.8, and 0.001? B? 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); QO 2; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiIO 2 ; LiNiVO 4; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0 ? F? 2 ); (0≤f≤2) Li (3-f ) Fe 2 (PO 4) 3; A compound represented by any one of the formulas of LiFePO 4 can be used.
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element or a combination thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or combinations thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.
상기 양극 활물질은 예를 들어 하기 화학식 11로 표시되는 화합물, 하기 화학식 12으로 표시되는 화합물 또는 화학식 13으로 표시되는 화합물이 이용될 수 있다. The cathode active material may be, for example, a compound represented by the following formula (11), a compound represented by the following formula (12), or a compound represented by the following formula (13)
[화학식 11](11)
LiaNibCocMndO2 Li a Ni b Co c Mn d O 2
상기 화학식 11 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5이다.In the above formula (11), 0.90? A? 1.8, 0? B? 0.9, 0? C? 0.5, and 0? D?
[화학식 12][Chemical Formula 12]
Li2MnO3 Li 2 MnO 3
[화학식 13][Chemical Formula 13]
LiMO2 LiMO 2
상기 화학식 13 중, M은 Mn, Fe, Co, 또는 Ni이다.In the above formula (13), M is Mn, Fe, Co, or Ni.
하기 방법에 따라 양극이 준비된다.The anode is prepared according to the following method.
양극 활물질, 결합제 및 용매가 혼합된 양극 활물질 조성물이 준비된다. A cathode active material composition in which a cathode active material, a binder and a solvent are mixed is prepared.
양극 활물질 조성물에는 도전제가 더 부가될 수 있다. A conductive agent may further be added to the cathode active material composition.
상기 양극 활물질 조성물이 금속 집전체상에 직접 코팅 및 건조되어 양극판이 제조된다. 다르게는, 상기 양극활물질 조성물이 별도의 지지체상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 양극판이 제조될 수 있다.The positive electrode active material composition is directly coated on the metal current collector and dried to produce a positive electrode plate. Alternatively, the cathode active material composition may be cast on a separate support, and then the film peeled from the support may be laminated on the metal current collector to produce a cathode plate.
상기 바인더는, 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분이다. 이러한 바인더의 비제한적인 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. 그 함량은 양극 활물질의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부, 예를 들어 2 내지 5 중량부를 사용한다. 바인더의 함량이 상기 범위일 때 집전체에 대한 활물질층의 결착력이 양호하다.The binder is a component that assists in bonding between the active material and the conductive agent and bonding to the current collector. Non-limiting examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoro And examples thereof include ethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, fluorine rubber and various copolymers. The content thereof is 1 to 50 parts by weight, for example, 2 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the cathode active material. When the content of the binder is in the above range, the binding force of the active material layer to the current collector is good.
상기 도전제로는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자 등이 사용될 수 있다. The conductive agent is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing a chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbonaceous materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Carbon fluoride; Metal powders such as aluminum and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; And conductive polymers such as polyphenylene derivatives can be used.
상기 도전제의 함량은 양극 활물질의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부, 예를 들어 2 내지 5 중량부를 사용한다. 도전제의 함량이 상기 범위일 때 최종적으로 얻어진 전극의 전도도 특성이 우수하다.The conductive agent is used in an amount of 1 to 10 parts by weight, for example, 2 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the cathode active material. When the content of the conductive agent is in the above range, the conductivity of the finally obtained electrode is excellent.
상기 용매의 비제한적 예로서, N-메틸피롤리돈 등을 사용한다.As a non-limiting example of the solvent, N-methylpyrrolidone or the like is used.
상기 용매의 함량은 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 2000 중량부를 사용한다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 활물질층을 형성하기 위한 작업이 용이하다.The solvent is used in an amount of 100 to 2000 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode active material. When the content of the solvent is within the above range, the work for forming the active material layer is easy.
상기 양극 활물질, 도전제, 결합제 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다. 리튬금속전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전제, 결합제 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The content of the cathode active material, the conductive agent, the binder, and the solvent is a level commonly used in a lithium battery. Depending on the use and configuration of the lithium metal battery, one or more of the conductive agent, the binder and the solvent may be omitted.
음극은 상술한 바와 같이 리튬 금속 박막 또는 리튬 금속 합금 박막일 수 있다. The negative electrode may be a lithium metal thin film or a lithium metal alloy thin film as described above.
리튬 금속 합금은 리튬과, 리튬과 합금 가능한 금속/준금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속/준금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. The lithium metal alloy may comprise lithium and a metal / metalloid capable of alloying with lithium. For example, the metal / metalloid capable of being alloyed with lithium may be at least one selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y alloy (Y is an alkali metal, an alkali earth metal, (Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a
전해질로는 리튬금속전지에서 통상적으로 사용되는 세퍼레이터 및/또는 리튬염 함유 비수 전해질이 사용될 수 있다.As the electrolyte, a separator and / or a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte conventionally used in a lithium metal battery may be used.
세퍼레이터는 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 세퍼레이터의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 20㎛이다. 이러한 세퍼레이터로는, 예를 들어, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 고분자; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 고체 고분자 전해질이 사용되는 경우에는 고체 고분자 전해질이 세퍼레이터를 겸할 수도 있다.The separator is made of an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 mu m and the thickness is generally 5 to 20 mu m. As such a separator, for example, an olefin-based polymer such as polypropylene; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid polymer electrolyte is used as the electrolyte, the solid polymer electrolyte may also serve as a separator.
상기 세퍼레이터의 구체적인 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막을 들 수 있다.Specific examples of the separator may include polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, or a multilayer film of two or more thereof. The separator may be a polyethylene / polypropylene double layer separator, a polyethylene / polypropylene / polyethylene triple layer separator, a polypropylene / / Polypropylene three-layer separator, and the like.
상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있다. The lithium salt-containing nonaqueous electrolyte is composed of a nonaqueous electrolyte and a lithium salt.
비수 전해질로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질, 또는 무기 고체 전해질 사용된다.As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte, an organic solid electrolyte, or an inorganic solid electrolyte is used.
상기 비수 전해액은 유기유매를 포함한다. 이러한 유기용매는 당해 기술분야에서 유기 용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 1,3-디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물 등이다. 그리고 상기 리튬염의 예로는 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, Li(FSO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2y + 1SO2)(단 x 및 y는 자연수), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물이 있다. 그리고 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사메틸포스포아미드(hexamethyl phosphoramide), 니트로벤젠유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N, N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있다.The nonaqueous electrolytic solution includes an organic oil. These organic solvents may be used as long as they can be used as organic solvents in the art. Examples of the solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate , Fluoroethylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, gamma -butyrolactone, 1,3-dioxolane, 4-methyldioxolane, N, Amides, N, N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, diethylene glycol, dimethyl ether or mixtures thereof. And an example wherein the lithium salt is, for example, LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6,
일구현예에 의한 리튬금속전지는 용량 및 수명 특성이 우수하여 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지팩 또는 전지모듈에 단위전지로도 사용될 수 있다.The lithium metal battery according to one embodiment can be used not only for a battery cell used as a power source of a small device because of its excellent capacity and life characteristics, but also as a middle- or large-sized battery pack including a plurality of battery cells used as a power source for a medium- The battery module may also be used as a unit battery.
상기 중대형 디바이스의 예로는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차 전동 공구 전력저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the medium and large-sized devices include an electric vehicle (EV) including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV) E-bike, an electric motorcycle electric power tool electric power storage device including an electric scooter (E-scooter), but the present invention is not limited thereto.
본 명세서에서 알킬은 완전 포화된 분지형 또는 비분지형 (또는 직쇄 또는 선형) 탄화수소를 말한다. As used herein, alkyl refers to fully saturated branched or unbranched (or straight chain or linear) hydrocarbons.
“알킬”의 비제한적인 예로는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, n-헥실, 3-메틸헥실, 2,2-디메틸펜틸, 2,3-디메틸펜틸, n-헵틸 등을 들 수 있다. Non-limiting examples of "alkyl" include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, n- pentyl, 2,2-dimethylpentyl, 2,3-dimethylpentyl, n-heptyl and the like.
“알킬”중 하나 이상의 수소 원자는 할로겐 원자, 할로겐 원자로 치환된 C1-C20의 알킬기(예: CCF3, CHCF2, CH2F, CCl3 등), C1-C20의 알콕시, C2-C20의 알콕시알킬, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 히드라진기, 히드라존기, 카르복실기나 그의 염, 술포닐기, 설파모일(sulfamoyl)기, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 또는 C1-C20의 알킬기, C2-C20 알케닐기, C2-C20 알키닐기, C1-C20의 헤테로알킬기, C6-C20의 아릴기, C6-C20의 아릴알킬기, C6-C20의 헤테로아릴기, C6-C20의 헤테로아릴알킬기, C6-C20의 헤테로아릴옥시기, 또는 C6-C20의 헤테로아릴옥시알킬기로 치환될 수 있다."Alkyl" at least one hydrogen atom of an alkyl group of a halogen atom, halogen-substituted C1-C20 (for example: CCF 3, CHCF 2, CH 2 F, CCl 3 , etc.), an alkoxy of C1-C20 alkoxy, C2-C20 of A carboxyl group or a salt thereof, a sulfonyl group, a sulfamoyl group, a sulfonic acid group or a salt thereof, a phosphoric acid or a salt thereof, or a C1-C4 alkyl group, C20 alkyl group, a C2-C20 alkenyl group, a C2-C20 alkynyl group, a C1-C20 heteroalkyl group, a C6-C20 aryl group, a C6-C20 arylalkyl group, a C6-C20 heteroaryl group, An arylalkyl group, a C6-C20 heteroaryloxy group, or a C6-C20 heteroaryloxyalkyl group.
용어 “할로겐 원자”는 불소, 브롬, 염소, 요오드 등을 포함한다. The term " halogen atom " includes fluorine, bromine, chlorine, iodine and the like.
“알케닐”은 적어도 하나의 탄소-탄소 이중결합을 갖는 분지형 또는 비분지형 탄화수소기를 말한다. 알케닐기의 비제한적인예로는 비닐, 알릴, 부테닐, 이소프로페닐, 이소부테닐 등을 들 수 있고, 상기 알케닐중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환될 수 있다.&Quot; Alkenyl " refers to a branched or unbranched hydrocarbon group having at least one carbon-carbon double bond. Non-limiting examples of the alkenyl group include vinyl, allyl, butenyl, isopropenyl, isobutenyl and the like, and at least one hydrogen atom of the alkenyl may be substituted with the same substituent as the alkyl group described above .
“알키닐”은 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중결합을 갖는 분지형 또는 비분지형 탄화수소기를 말한다. 상기 “알키닐”의 비제한적인 예로는 에티닐, 부티닐, 이소부티닐, 프로피닐 등을 들 수 있다. &Quot; Alkynyl " refers to a branched or unbranched hydrocarbon group having at least one carbon-carbon triple bond. Non-limiting examples of the "alkynyl" include ethynyl, butynyl, isobutynyl, propynyl, and the like.
“알키닐”중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환될 수 있다. At least one hydrogen atom of " alkynyl " may be substituted with the same substituent as in the alkyl group described above.
“아릴”은 방향족 고리가 하나 이상의 탄소 고리에 선택적으로 융합된 그룹도 포함한다. "아릴"의 비제한적인 예로서, 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸 등이 있다. &Quot; Aryl " also includes groups wherein the aromatic ring is optionally fused to one or more carbon rings. Non-limiting examples of " aryl " include phenyl, naphthyl, tetrahydronaphthyl, and the like.
또한 “아릴”기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.Also, at least one hydrogen atom of the " aryl " group may be substituted with the same substituent as the alkyl group described above.
“헤테로아릴”은 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 탄소인 모노사이클릭(monocyclic) 또는 바이사이클릭(bicyclic) 방향족 유기 그룹을 의미한다.. 상기 헤테로아릴기는 예를 들어 1-5개의 헤테로원자를 포함할 수 있고, 5-10 고리 멤버(ring member)를 포함할 수 있다. 상기 S 또는 N은 산화되어 여러가지 산화 상태를 가질 수 있다.&Quot; Heteroaryl " means a monocyclic or bicyclic aromatic organic group having at least one heteroatom selected from N, O, P, or S, and the remaining ring atoms being carbon. The aryl group may contain, for example, 1 to 5 heteroatoms, and may include 5-10 ring members. The S or N may be oxidized to have various oxidation states.
헤테로아릴의 예로는 티에닐, 푸릴, 피롤릴, 이미다졸릴, 피라졸릴, 티아졸릴, 이소티아졸릴, 1,2,3-옥사디아졸릴, 1,2,4-옥사디아졸릴, 1,2,5-옥사디아졸릴, 1,3,4-옥사디아졸릴기, 1,2,3-티아디아졸릴, 1,2,4-티아디아졸릴, 1,2,5-티아디아졸릴, 1,3,4-티아디아졸릴, 이소티아졸-3-일, 이소티아졸-4-일, 이소티아졸-5-일, 옥사졸-2-일, 옥사졸-4-일, 옥사졸-5-일, 이소옥사졸-3-일, 이소옥사졸-4-일, 이소옥사졸-5-일, 1,2,4-트리아졸-3-일, 1,2,4-트리아졸-5-일, 1,2,3-트리아졸-4-일, 1,2,3-트리아졸-5-일, 테트라졸릴, 피리드-2-일, 피리드-3-일, 피라진-2-일, 피라진-4-일, 피라진-5-일, 피리미딘-2-일, 피리미딘-4-일, 또는 피리미딘-5-일을 들 수 있다.Examples of heteroaryl include thienyl, furyl, pyrrolyl, imidazolyl, pyrazolyl, thiazolyl, isothiazolyl, 1,2,3-oxadiazolyl, 1,2,4-oxadiazolyl, , 5-oxadiazolyl, 1,3,4-oxadiazolyl group, 1,2,3-thiadiazolyl, 1,2,4-thiadiazolyl, 1,2,5-thiadiazolyl, Thiadiazolyl, isothiazol-3-yl, isothiazol-4-yl, isothiazol-5-yl, oxazol- Yl, isoxazol-3-yl, 1,2,4-triazol-5-yl, Yl, pyrazin-3-yl, pyrazin-2-yl, pyrid-2-yl, Yl, pyrimidin-2-yl, pyrimidin-4-yl, or pyrimidin-5-yl.
용어 “헤테로아릴”은 헤테로방향족 고리가 하나 이상의 아릴, 지환족(cyclyaliphatic) 또는 헤테로사이클에 선택적으로 융합된 경우를 포함한다. The term " heteroaryl " includes those where the heteroaromatic ring is optionally fused to one or more aryl, cyclyaliphatic, or heterocycle.
화학식에서 사용되는 “탄소고리”기는 포화 또는 부분적으로 불포화된 비방향족(non-aromatic) 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 트리사이클릭 탄화수소기를 말한다.The " carbon ring " group used in the formula refers to a saturated or partially unsaturated non-aromatic monocyclic, bicyclic or tricyclic hydrocarbon group.
모노사이클릭 탄화수소의 예로서, 사이클로펜틸, 사이클로펜테닐, 사이클로헥실, 사이클로헥세닐 등이 있다. 바이사이클릭 탄화수소의 예로서, bornyl, decahydronaphthyl, bicyclo[2.1.1]hexyl, bicyclo[2.2.1]heptyl, bicyclo[2.2.1]heptenyl, 또는 bicyclo[2.2.2]octyl이 있다. 그리고 트리사이클릭 탄화수소의 예로서, 아다만틸(adamantly) 등이 있다. Examples of monocyclic hydrocarbons include cyclopentyl, cyclopentenyl, cyclohexyl, cyclohexenyl, and the like. Examples of bicyclic hydrocarbons are bornyl, decahydronaphthyl, bicyclo [2.1.1] hexyl, bicyclo [2.2.1] heptyl, bicyclo [2.2.1] heptenyl, or bicyclo [2.2.2] octyl. And examples of tricyclic hydrocarbons include adamantly.
“헤테로고리”는 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 고리식 그룹으로서 5 내지 20개, 예를 들어 5 내지 10개의 탄소 원자를 함유할 수 있다. 여기에서 헤테로원자로는 황, 질소, 산소 및 붕소 중에서 선택된 하나이다.&Quot; Heterocycle " may contain from 5 to 20, such as from 5 to 10, carbon atoms as a cyclic group containing at least one heteroatom. Wherein the heteroatom is one selected from sulfur, nitrogen, oxygen and boron.
알콕시, 아릴옥시, 헤테로아릴옥시는 각각 본 명세서에서 산소 원자에 결합된 알킬, 아릴 및 헤테로아릴을 의미한다.Alkoxy, aryloxy, heteroaryloxy means alkyl, aryl and heteroaryl, respectively, attached to an oxygen atom herein.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 한정되는 것이 아니다.Will be explained in more detail through the following examples and comparative examples. However, the embodiments are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting.
제조예Manufacturing example 1: 복합 입자의 제조 1: Preparation of composite particles
에탄올에 에탄올 100중량부를 기준으로 하여 10중량부의 폴리에틸렌글리콜(PEG 200, 중량평균분자량: 200)을 부가하고 나서 여기에 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 블록 공중합체(P(S-DVB) 마이크로스피어(MS)(평균 입경: 약 3㎛)(EPRUI사)를 부가 및 혼합하여 복합 입자 조성물을 얻었다.10 parts by weight of polyethylene glycol (
상기 블록 공중합체에서 폴리스티렌 블록 및 폴리디비닐벤젠 블록의 혼합 중량비는 약 98:2이었고, 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체의 중량평균분자량은 약 100,000 Daltons이었다. The weight ratio of the polystyrene block to the polydivinylbenzene block in the block copolymer was about 98: 2, and the weight average molecular weight of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer was about 100,000 Daltons.
상기 복합 입자 조성물을 로터리 회전증발기를 이용하여 용매를 제거하여 P(S-DVB) MS 상부에 PEG 200을 함유한 코팅막이 배치된 복합 입자를 제조하였다. 복합 입자에서 PEG 200을 함유한 코팅막의 두께는 약 100nm이었고, PEG 200의 함량은 P(S-DVB) MS 100 중량부를 기준으로 하여 약 10 중량부이었다.The composite particle composition was subjected to solvent removal using a rotary rotary evaporator to prepare a composite particle in which a coating
제조예Manufacturing example 2: 복합 입자의 제조 2: Preparation of composite particles
복합 입자 조성물 제조시 폴리에틸렌글리콜(PEG 200, 중량평균분자량: 200) 대신 폴리에틸렌글리콜(PEG 600, 중량평균분자량: 600)을 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 복합 입자를 제조하였다. 복합 입자에서 코팅막의 두께는 약 200nm이었고, PEG 600의 함량은 P(S-DVB) MS 100 중량부를 기준으로 하여 약 20 중량부이었다.The procedure of Production Example 1 was repeated except that polyethylene glycol (PEG 600, weight average molecular weight: 600) was used instead of polyethylene glycol (
제조예Manufacturing example 3: 복합 입자의 제조 3: Preparation of composite particles
복합 입자에서 코팅막의 두께가 약 50nm가 되도록 PEG 200의 함량은 P(S-DVB) MS 100 중량부를 기준으로 하여 약 3 중량부로 변화시킨 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 복합 입자를 제조하였다.The content of
제조예Manufacturing example 4: 복합 입자의 제조 4: Preparation of composite particles
복합 입자에서 코팅막의 두께가 약 200nm가 되도록 PEG 200의 함량은 P(S-DVB) MS 100 중량부를 기준으로 하여 약 30 중량부로 변화시킨 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 복합 입자를 제조하였다.The content of
제조예 5-7: 복합입자의 제조Production Example 5-7: Preparation of composite particles
복합 입자 조성물 제조시, 폴리에틸렌글리콜 대신 폴리실록산, 폴리(옥시에틸렌)메타크릴레이트 및 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트(PEGDA)을 각각 이용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 복합입자를 제조하였다.The procedure of Production Example 1 was repeated except that polysiloxane, poly (oxyethylene) methacrylate and poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) were used instead of polyethylene glycol in the preparation of the composite particle composition, Particles were prepared.
실시예Example 1: 음극의 제조 1: Manufacture of cathode
제조예 1에 따라 얻은 복합 입자를 무수 테트라하이드로퓨란에 부가하여 5 중량%의 복합 입자 함유 혼합물을 얻었다. The composite particles obtained in Production Example 1 were added to anhydrous tetrahydrofuran to obtain a mixture containing 5% by weight of composite particles.
상기 복합 입자 함유 혼합물에 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI){LiN(SO2F)2}을 부가하여 보호막 형성용 조성물을 얻었다. 여기에서 LiFSI의 함량은 상기 복합 입자 제조시 사용된 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 약 30 중량부였다.Lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) {LiN (SO 2 F) 2 } was added to the composite particle-containing mixture to obtain a composition for forming a protective film. Here, the LiFSI content was about 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer used in preparing the composite particles.
상기 보호막 형성용 조성물을 구리 박막 상부에 형성된 리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 상부에 닥터 블레이드로 약 3㎛의 두께로 코팅하였다. 코팅된 결과물을 약 25℃에서 건조시킨 후 진공, 약 40℃에서 약 24시간 동안 건조하였다.The composition for forming a protective film was coated on the upper portion of a lithium metal thin film (thickness: about 20 mu m) formed on the copper thin film with a doctor blade to a thickness of about 3 mu m. The coated product was dried at about 25 DEG C and then dried under vacuum at about 40 DEG C for about 24 hours.
이와 별도로 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA) 및 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논을 테트라하이드로퓨란에 용해하여 30 중량%의 DEGDA 용액을 제조하였다. DEGDA의 함량은 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 블록 공중합체 마이크로스피어 100 중량부를 기준으로 하여 30 중량부이고 -하이드록시-2-메틸프로피오페논의 함량은 DEGDA 용액의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 0.7 중량부이다. 이 용액을 건조과정을 거친 결과물 상부에 캐스팅하였다. 이어서 캐스팅된 결과물을 약 25℃에서 12시간 동안 건조한 후, 약 40℃에서 1시간 동안 UV를 조사하여 리튬 금속 박막 상에 복합 입자(MS 및 MS 상부에 배치된 코팅막)와, 상기 복합 입자 사이의 공간에 배치된 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA)의 가교체를 함유하는 보호막이 형성된 음극을 제조하였다. 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA)의 가교체의 함량은 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 블록 공중합체 마이크로스피어 100 중량부를 기준으로 하여 20 중량부이었다. 실시예 1A: 복합 전해질의 제조 Separately, diethylene glycol diacrylate (DEGDA) and 2-hydroxy-2-methylpropiophenone were dissolved in tetrahydrofuran to prepare a 30 wt% solution of DEGDA. The content of DEGDA is 30 parts by weight based on 100 parts by weight of poly (styrene-b-divinylbenzene) block copolymer microspheres, and the content of hydroxy-2-methylpropiophenone is 100 parts by weight based on the total weight of DEGDA solution And 0.7 parts by weight. The solution was cast on top of the dried product. Subsequently, the cast product was dried at about 25 占 폚 for 12 hours and irradiated with UV at about 40 占 폚 for 1 hour to form composite particles (a coating film disposed on the MS and the MS) on the lithium metal thin film, To prepare a negative electrode having a protective film containing a crosslinked product of diethylene glycol diacrylate (DEGDA) disposed in the space. The content of the crosslinked product of diethylene glycol diacrylate (DEGDA) was 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the poly (styrene-b-divinylbenzene) block copolymer microspheres. Example 1A: Preparation of composite electrolyte
제조예 1에 따라 얻은 복합 입자를 무수 테트라하이드로퓨란에 부가하여 5 중량%의 복합 입자 함유 혼합물을 얻었다. The composite particles obtained in Production Example 1 were added to anhydrous tetrahydrofuran to obtain a mixture containing 5% by weight of composite particles.
폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 아세토니트릴과 혼합하여 5 중량%의 PEO 아세토니트릴 용액을 얻었다. PEO의 아세토니트릴 용액에 상기 복합 입자 함유 혼합물, 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl) imide; LiFSI){LiN(SO2F)2} 및 이온성 액체인 N-메틸-N-프로필피롤리디움 비스(플루오로술포닐)이미드)(N-methyl- N-propyl pyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide: Pyr13FSI)를 부가하여 복합 전해질 형성용 조성물을 얻었다. Polyethylene oxide (PEO) was mixed with acetonitrile to obtain a 5 wt% PEO acetonitrile solution. Containing the composite particles in the acetonitrile solution of PEO mixture, lithium bis (sulfonyl fluorophenyl) imide; N- (Lithium bis (fluorosulfonyl) imide LiFSI) {LiN (SO 2 F) 2} , and the ionic liquid-methyl- (N-methyl-N-propyl pyrrolidinium bis (fluorosulfonyl) imide:
복합 전해질 형성용 조성물에서 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체의 함량은 PEO 100 중량부에 대하여 15 중량부이고, LiFSI의 함량은 PEO 100 중량부를 기준으로 하여 30 중량부이고, Pyr13FSI의 함량은 PEO 100 중량부를 기준으로 하여 40 중량부이다.The content of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer in the composition for forming a composite electrolyte is 15 parts by weight based on 100 parts by weight of PEO, the content of LiFSI is 30 parts by weight based on 100 parts by weight of PEO, The content is 40 parts by weight based on 100 parts by weight of PEO.
상기 복합 전해질 형성용 조성물을 기판에 캐스팅하고 이를 약 40℃에서 건조하고 상기 기판으로부터 복합 전해질을 분리해내어 목적하는 복합 전해질을 형성하였다.The composition for forming a composite electrolyte was cast on a substrate, dried at about 40 캜, and the complex electrolyte was separated from the substrate to form a desired composite electrolyte.
실시예Example 2-3: 음극의 제조 2-3: Preparation of cathode
보호막의 두께가 약 1㎛ 및 8㎛로 각각 변화되도록 보호막의 제조과정이 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 음극을 제조하였다.A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the protective film was changed in thickness so that the thickness of the protective film was changed to about 1 탆 and 8 탆, respectively.
실시예Example 4: 음극의 제조 4: Manufacture of cathode
보호막 형성용 조성물 제조시, 폴리(아크릴로니트릴-b-부타디엔-b-스티렌) 블록 공중합체를 더 부가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다. The procedure of Example 1 was repeated except that a poly (acrylonitrile-b-butadiene-b-styrene) block copolymer was further added during the preparation of the protective film forming composition.
상기 폴리(아크릴로니트릴-b-부타디엔-b-스티렌) 블록 공중합체의 함량은 복합 입자 제조시 사용된 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 2 중량부이었다. 그리고 폴리(아크릴로니트릴-b-부타디엔-b-스티렌) 공중합체의 중량평균분자량은 약 100,000 Daltons이었고, 폴리아크릴로니트릴 블록, 폴리부타디엔 블록 및 폴리스티렌 블록의 혼합중량비는 25:25:50이었다.The content of the poly (acrylonitrile-b-butadiene-b-styrene) block copolymer was 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer used for preparing the composite particles. The weight average molecular weight of the poly (acrylonitrile-b-butadiene-b-styrene) copolymer was about 100,000 Daltons, and the mixing weight ratio of the polyacrylonitrile block, polybutadiene block and polystyrene block was 25:25:50.
실시예Example 5: 음극의 제조 5: Manufacture of cathode
상기 폴리(아크릴로니트릴-b-부타디엔-b-스티렌) 공중합체의 함량은 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 100 중량부를 기준으로 하여 1 중량부로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다.The content of the poly (acrylonitrile-b-butadiene-b-styrene) Except that 1 part by weight of poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer was changed to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer.
실시예Example 6-7: 음극의 제조 6-7: Preparation of cathode
폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어의 평균 입경이 각각 약 1.3㎛ 및 8㎛로 각각 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다.Except that the average particle size of poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres was respectively changed to about 1.3 탆 and 8 탆, respectively.
실시예Example 8: 음극의 제조 8: Manufacture of cathode
스티렌과 디비닐벤젠의 혼합중량비가 98:2(49:1)인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어 대신 혼합중량비가 80:20인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다.(Styrene-b-divinylbenzene) copolymer having a weight ratio of 80:20 instead of poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having a weight ratio of styrene to divinylbenzene of 98: 2 (49: Copolymer microspheres were used in place of the copolymer microspheres.
실시예Example 9: 리튬금속전지의 제조 9: Manufacture of lithium metal battery
실시예 1에 따라 제조된 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 상부에 닥터 블레이드로 약 5㎛의 두께로 코팅하였다. 상기 코팅된 결과물을 약 25℃에서 건조시킨 후, 진공, 약 40℃에서 건조하하였다.The composition for forming a protective film according to Example 1 was coated on the top of a lithium metal thin film (thickness: about 20 mu m) with a doctor blade to a thickness of about 5 mu m. The coated product was dried at about 25 ° C and then dried under vacuum at about 40 ° C.
이와 별도로 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA) 및 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논을 테트라하이드로퓨란에 용해하여 30 중량%의 DEGDA 용액을 제조하였다. DEGDA의 함량은 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 블록 공중합체 마이크로스피어 100 중량부를 기준으로 하여 30 중량부이고, 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논의 함량은 DEGDA 용액의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 약 0.7 중량부이다. 이 용액을 건조과정을 거친 결과물 상부에 캐스팅하였다. 이어서 캐스팅된 결과물을 약 25℃에서 12시간 동안 건조한 후, 약 40℃에서 1시간 동안 UV를 조사하여 리튬 금속 박막 상에 복합 입자(MS 및 MS 상부에 배치된 코팅막)와, 상기 복합 입자 사이의 공간에 배치된 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA)의 가교체를 함유하는 보호막이 형성된 음극을 제조하였다. 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA)의 가교체의 함량은 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 블록 공중합체 마이크로스피어 100 중량부를 기준으로 하여 20 중량부이었다.Separately, diethylene glycol diacrylate (DEGDA) and 2-hydroxy-2-methylpropiophenone were dissolved in tetrahydrofuran to prepare a 30 wt% solution of DEGDA. The content of DEGDA is 30 parts by weight based on 100 parts by weight of poly (styrene-b-divinylbenzene) block copolymer microspheres, and the content of 2-hydroxy-2-methylpropiophenone is 100 parts by weight Based on about 0.7 parts by weight. The solution was cast on top of the dried product. Subsequently, the cast product was dried at about 25 占 폚 for 12 hours and irradiated with UV at about 40 占 폚 for 1 hour to form composite particles (a coating film disposed on the MS and the MS) on the lithium metal thin film, To prepare a negative electrode having a protective film containing a crosslinked product of diethylene glycol diacrylate (DEGDA) disposed in the space. The content of the crosslinked product of diethylene glycol diacrylate (DEGDA) was 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the poly (styrene-b-divinylbenzene) block copolymer microspheres.
이와 별도로, LiNi0 . 6Co0 . 2Al0 . 2O2(NCA), 도전제(Super-P; Timcal Ltd.), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride: PVdF) 및 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 얻었다. 양극 활물질층 형성용 조성물에서 NCA, 도전제 및 PVDF의 혼합 중량비는 97:1.5:1.5이었고 N-메틸피롤리돈의 함량은 NCA 97g일 때 약 137g을 사용하였다.Separately, LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Al 0 . A composition for forming a positive electrode active material layer was obtained by mixing 2 O 2 (NCA), a super-P (Timcal Ltd.), polyvinylidene fluoride (PVdF) and N-methylpyrrolidone. In the composition for forming the cathode active material layer, the mixing weight ratio of NCA, the conductive agent and the PVDF was 97: 1.5: 1.5, and the content of N-methylpyrrolidone was NCA When 97 g was used, about 137 g was used.
상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 알루미늄 호일(두께: 약 15㎛) 상부에 코팅하고 25℃에서 건조한 다음, 건조된 결과물을 진공, 약 110℃에서 건조시켜 양극을 제조하였다.The composition for forming the cathode active material layer was coated on an aluminum foil (thickness: about 15 탆), dried at 25 캜, and dried. The dried product was vacuum dried at about 110 캜 to prepare a positive electrode.
상기 과정에 따라 얻은 양극은 이온성 액체인 N-메틸-N-프로필피롤리디움 비스(플루오로술포닐)이미드)(N-methyl- N-propyl pyrrolidinium bis(fluorosulfonyl) imide: Pyr13FSI)에 함침한 다음, 이 양극과 음극(두께: 약 25㎛) 사이에 실시예 1A에 따라 제조된 복합 전해질 및 폴리에틸렌 세퍼레이터(기공도: 약 48%)를 개재하여 도 5에 나타난 적층 구조를 갖는 리튬금속전지(약 40mAh의 파우치셀)를 제조하였다. The obtained positive electrode was immersed in N-methyl-N-propyl pyrrolidium bis (fluorosulfonyl) imide (N-methyl-N-propyl pyrrolidinium bis (fluorosulfonyl) imide:
상기 양극과 리튬 금속 음극 사이에는 액체 전해질을 부가하여 도 5에 나타난 적층 구조를 갖는 리튬금속전지를 제조하였다. 액체 전해질로는 2:8 부피비의 1.2-디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether: TTE)의 혼합 용매에 1.0M LiN(SO2F)2(이하, LiFSI)가 용해된 전해액을 이용하였다.A liquid electrolyte was added between the positive electrode and the lithium metal cathode to produce a lithium metal battery having the laminated structure shown in FIG. As the liquid electrolyte, 1,2-dimethoxyethane (DME) and 1,1,2,2-
실시예Example 9A: 리튬금속전지의 제조 9A: Manufacture of lithium metal battery
리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 상부에 보호막을 형성하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법에 따라 실시하여 도 6에 나타난 적층 구조를 갖는 리튬금속전지를 제조하였다. 리튬금속전지의 제조과정을 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.A lithium metal battery having the laminated structure shown in Fig. 6 was produced in the same manner as in Example 9, except that a protective film was not formed on the lithium metal thin film (thickness: about 20 mu m). The manufacturing process of the lithium metal battery will be described in more detail as follows.
LiNi0 . 6Co0 . 2Al0 . 2O2(NCA), 도전제(Super-P; Timcal Ltd.), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride: PVdF) 및 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 얻었다. 양극 활물질층 형성용 조성물에서 NCA, 도전제 및 PVDF의 혼합 중량비는 97:1.5:1.5이었고 N-메틸피롤리돈의 함량은 NCA 97g일 때 약 137g을 사용하였다.LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Al 0 . A composition for forming a positive electrode active material layer was obtained by mixing 2 O 2 (NCA), a super-P (Timcal Ltd.), polyvinylidene fluoride (PVdF) and N-methylpyrrolidone. In the composition for forming the cathode active material layer, the mixing weight ratio of NCA, the conductive agent and the PVDF was 97: 1.5: 1.5, and the content of N-methylpyrrolidone was NCA When 97 g was used, about 137 g was used.
상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 알루미늄 호일(두께: 약 15㎛) 상부에 코팅하고 25℃에서 건조한 다음, 건조된 결과물을 진공, 약 110℃에서 건조시켜 양극을 제조하였다.The composition for forming the cathode active material layer was coated on an aluminum foil (thickness: about 15 탆), dried at 25 캜, and dried. The dried product was vacuum dried at about 110 캜 to prepare a positive electrode.
상기 과정에 따라 얻은 양극은 이온성 액체인 N-메틸-N-프로필피롤리디움 비스(플루오로술포닐)이미드)(N-methyl- N-propyl pyrrolidinium bis(fluorosulfonyl) imide: Pyr13FSI)에 함침한 다음, 이 양극과 음극인 리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 사이에 실시예 1A에 따라 제조된 복합 전해질 및 폴리에틸렌 세퍼레이터(기공도: 약 48%)를 개재하여 도 6에 나타난 적층 구조를 갖는 리튬금속전지(약 40mAh의 파우치셀)를 제조하였다. The obtained positive electrode was immersed in N-methyl-N-propyl pyrrolidium bis (fluorosulfonyl) imide (N-methyl-N-propyl pyrrolidinium bis (fluorosulfonyl) imide:
상기 양극과 리튬 금속 음극 사이에는 액체 전해질을 부가하여 도 5에 나타난 적층 구조를 갖는 리튬금속전지를 제조하였다. 액체 전해질로는 2:8 부피비의 1.2-디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether: TTE)의 혼합 용매에 1.0M LiN(SO2F)2(이하, LiFSI)가 용해된 전해액을 이용하였다.A liquid electrolyte was added between the positive electrode and the lithium metal cathode to produce a lithium metal battery having the laminated structure shown in FIG. As the liquid electrolyte, 1,2-dimethoxyethane (DME) and 1,1,2,2-
실시예Example 9B: 9B: 리튬대칭셀의Of the lithium symmetric cell 제조 Produce
제조예 1에 따라 얻은 복합 입자를 무수 테트라하이드로퓨란에 부가하여 5 중량%의 복합 입자 함유 혼합물을 얻었다. The composite particles obtained in Production Example 1 were added to anhydrous tetrahydrofuran to obtain a mixture containing 5% by weight of composite particles.
폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 아세토니트릴과 혼합하여 5 중량%의 PEO 아세토니트릴 용액을 얻었다. PEO의 아세토니트릴 용액에 상기 복합 입자 함유 혼합물(복합 입자 함유 혼합물), 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl) imide; LiFSI){LiN(SO2F)2} 및 이온성 액체인 N-메틸-N-프로필피롤리디움 비스(플루오로술포닐)이미드)(N-methyl- N-propyl pyrrolidinium bis(fluorosulfonyl) imide: Pyr13FSI) 및 트리에틸렌글리콜디메틸에테르(G3)를 부가하여 보호막 형성용 조성물을 얻었다. Polyethylene oxide (PEO) was mixed with acetonitrile to obtain a 5 wt% PEO acetonitrile solution. LiN (SO 2 F) 2 } and ionic (lithium) bis (fluorosulfonyl) imide were added to an acetonitrile solution of PEO, (N-methyl-N-propyl pyrrolidinium bis (fluorosulfonyl) imide:
보호막 형성용 조성물에서 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체의 함량은 PEO 100 중량부에 대하여 15 중량부이고, LiFSI의 함량은 PEO 100 중량부를 기준으로 하여 30 중량부이었고, 이온성 액체의 함량은 PEO 100 중량부에 대하여 50 중량부이고, G3의 함량은 PEO 100 중량부를 기준으로 하여 20 중량부였다. The content of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer in the protective film forming composition was 15 parts by weight based on 100 parts by weight of PEO, the content of LiFSI was 30 parts by weight based on 100 parts by weight of PEO, Was 50 parts by weight based on 100 parts by weight of PEO, and the content of G3 was 20 parts by weight based on 100 parts by weight of PEO.
리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 상부에 상기 보호막 형성용 조성물을 캐스팅하고 이를 약 40℃에서 건조하여 리튬 음극을 형성하였다.The composition for forming a protective film was cast on a lithium metal thin film (thickness: about 20 mu m) and dried at about 40 DEG C to form a lithium negative electrode.
상기 리튬 음극의 보호막 사이에, Li1 . 4Al0 . 4Ge0 . 2Ti1 .4(PO4)3(LAGTP) 전해질을 개재하여 도 8c의 적층구조를 갖는 리튬대칭셀을 제조하였다.Between the protective films of the lithium negative electrode, Li 1 . 4 Al 0 . 4 Ge 0 . 2 Ti 1 .4 (PO 4) to prepare a lithium cell having a symmetrical laminated structure of Figure 8c via the 3 (LAGTP) electrolyte.
실시예Example 9C: 리튬금속전지의 제조 9C: Manufacture of lithium metal battery
LiNi0 . 6Co0 . 2Al0 . 2O2 대신 LiFePO4를 사용하고 리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 상부에 보호막을 형성하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법에 따라 실시하여 도 6에 나타난 적층 구조를 갖는 리튬금속전지를 제조하였다.LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Al 0 . 2 O 2 instead A lithium metal battery having the laminated structure shown in Fig. 6 was produced in the same manner as in Example 9, except that LiFePO 4 was used and a protective film was not formed on the lithium metal thin film (thickness: about 20 탆) Respectively.
실시예Example 10-16: 리튬금속전지의 제조 10-16: Manufacture of Lithium Metal Battery
실시예 1에 따라 얻은 음극 대신 실시예 2 내지 8에 따라 얻은 음극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was produced in the same manner as in Example 9, except that the negative electrode obtained in Examples 2 to 8 was used in place of the negative electrode obtained in Example 1.
실시예Example 17: 리튬금속전지의 제조 17: Manufacture of lithium metal battery
실시예 1A에 따라 제조된 복합 전해질 대신 하기 과정에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was produced in the same manner as in Example 9, except that the electrolyte prepared according to the following procedure was used in place of the composite electrolyte prepared in Example 1A.
폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체(P(S-DVB) 마이크로스피어(MS)((평균 입경: 약 3㎛)(EPRUI사)를 무수 테트라하이드로퓨란에 부가하여 5 중량%의 블록 공중합체 함유 혼합물을 얻었다. (PBR) microspheres (MS) (average particle size: about 3 탆) (EPRUI) were added to anhydrous tetrahydrofuran to prepare a 5% by weight block of poly (styrene-b-divinylbenzene) To obtain a copolymer-containing mixture.
폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 아세토니트릴과 혼합하여 5 중량%의 PEO의 아세토니트릴 용액을 얻었다. PEO의 아세토니트릴 용액에 상기 블록 공중합체 함유 혼합물, 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl) imide; LiFSI){LiN(SO2F)2} 및 이온성 액체인 N-메틸-N-프로필피롤리디움 비스(플루오로술포닐)이미드)(N-methyl-N-propyl pyrrolidinium bis(fluorosulfonyl) imide: Pyr13FSI)를 부가하여 전해질 형성용 조성물을 얻었다. Polyethylene oxide (PEO) was mixed with acetonitrile to obtain an acetonitrile solution of 5 wt% of PEO. LiN (SO 2 F) 2 } and an ionic liquid, such as N-methyl (meth) acrylate, were added to an acetonitrile solution of PEO, lithium bis (N-methyl-N-propyl pyrrolidinium bis (fluorosulfonyl) imide:
전해질 형성용 조성물에서 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체의 함량은 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 100 중량부에 대하여 15 중량부이고, LiFSI의 함량은 PEO 100 중량부를 기준으로 하여 30 중량부이었다.The content of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer in the composition for electrolyte formation was 15 parts by weight based on 100 parts by weight of polyethylene oxide (PEO), and the content of LiFSI was 30 parts by weight based on 100 parts by weight of PEO .
상기 전해질 형성용 조성물을 캐스팅하고 이를 약 40℃에서 건조하여 전해질을 형성하였다.The composition for forming an electrolyte was cast and dried at about 40 DEG C to form an electrolyte.
실시예Example 18: 음극의 제조 18: Manufacture of cathode
폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어의 평균 입경이 약 50㎛로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다.Except that the average particle diameter of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres was changed to about 50 탆, to prepare a negative electrode.
실시예Example 19: 음극의 제조 19: Manufacture of cathode
스티렌과 디비닐벤젠의 혼합중량비가 98:2인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어 대신 스티렌과 디비닐벤젠의 혼합중량비가 95:5인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다.Instead of a poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microsphere having a weight ratio of styrene to divinylbenzene of 98: 2, a poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer having a weight ratio of styrene to divinylbenzene of 95: ) Copolymer Microspheres were used in the same manner as in Example 1 to prepare a negative electrode.
실시예Example 20-21: 리튬금속전지의 제조 20-21: Manufacture of Lithium Metal Battery
실시예 1에 따라 얻은 음극 대신 실시예 18 및 19에 따라 얻은 음극을 각각 사용한 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.A lithium metal battery was produced in the same manner as in Example 9, except that the negative electrodes obtained in Examples 18 and 19 were used in place of the negative electrodes obtained in Example 1, respectively.
실시예Example 22: 음극의 제조 22: Preparation of cathode
평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어 대신 평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어와 평균입경이 약 8㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 1:1 중량비로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다.(Styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle diameter of about 3 占 퐉 and a poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microsphere having an average particle diameter of about 3 占 퐉 and an about 8 占 퐉 Except that the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microsphere was used in a weight ratio of 1: 1.
실시예Example 23: 리튬금속전지의 제조 23: Manufacture of Lithium Metal Battery
평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어 대신 평균 입경이 각각 약 3㎛, 3.09㎛, 2.91㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어의 혼합물(1:1:1 중량비)을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 음극을 제조하였고, 이 음극을 이용하여 실시예 9와 동일하게 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.(Styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle size of about 3 탆, 3.09 탆, and 2.91 탆, respectively, instead of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle size of about 3 탆, (1: 1: 1 weight ratio) was used as a negative electrode, and a lithium metal battery was produced in the same manner as in Example 9 using this negative electrode.
실시예Example 24: 리튬금속전지의 제조 24: Manufacture of lithium metal battery
평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어 대신 평균 입경이 각각 약 3㎛, 2.82㎛, 3.18㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어의 혼합물(1:1:1 중량비)을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 음극을 제조하였고, 이 음극을 이용하여 실시예 9와 동일하게 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.(Styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle size of about 3 탆, 2.82 탆, and 3.18 탆, respectively, instead of poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle size of about 3 탆, (1: 1: 1 weight ratio) was used as a negative electrode, and a lithium metal battery was produced in the same manner as in Example 9 using this negative electrode.
실시예Example 25: 리튬금속전지의 제조 25: Manufacture of lithium metal battery
평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어 대신 평균 입경이 각각 약 3㎛, 2.7㎛, 3.3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어의 혼합물(1:1:1 중량비)을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 음극을 제조하였고, 이 음극을 이용하여 실시예 9와 동일하게 실시하여 리튬금속전지를 제조하였다.(Styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle size of about 3 탆, 2.7 탆 and 3.3 탆, respectively, instead of poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle diameter of about 3 탆, (1: 1: 1 weight ratio) was used as a negative electrode, and a lithium metal battery was produced in the same manner as in Example 9 using this negative electrode.
실시예Example 26: 음극의 제조 26: Manufacture of cathode
평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어 대신 평균입경이 약 8㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어와 평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 9:1 중량비로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다.(Styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle diameter of about 8 占 퐉 and a poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microsphere having an average particle diameter of about 3 占 퐉 (Styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres were used in a ratio of 9: 1 by weight.
실시예Example 27: 음극의 제조 27: Manufacture of cathode
평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어 대신 평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어와 평균입경이 약 1.3㎛인 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 9:1 중량비로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다.(Styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle diameter of about 3 占 퐉 and a poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microsphere having an average particle diameter of about 3 占 퐉 and an average particle diameter of about 1.3 占 퐉 (Styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres were used in a ratio of 9: 1 by weight.
실시예Example 28: 음극의 제조 28: Manufacture of cathode
복합 입자 함유 혼합물 제조시 제조예 1에 따라 얻은 복합 입자 대신 제조예 4에 따라 얻은 복합 입자를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 음극을 제조하였다. A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composite particles obtained in Production Example 4 were used instead of the composite particles obtained in Production Example 1 in the preparation of the composite particle-containing mixture.
비교예Comparative Example 1: 리튬금속전지의 제조 1: Manufacture of Lithium Metal Battery
LiNi0 . 6Co0 . 2Al0 . 2O2(NCA), 도전제(Super-P; Timcal Ltd.), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride: PVdF) 및 N-메틸피롤리돈을 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 얻었다. 양극 활물질층 형성용 조성물에서 LiCoO2, 도전제 및 PVDF의 혼합중량비는 97:1.5:1.5이었다.LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Al 0 . A composition for forming a positive electrode active material layer was obtained by mixing 2 O 2 (NCA), a super-P (Timcal Ltd.), polyvinylidene fluoride (PVdF) and N-methylpyrrolidone. The mixing weight ratio of LiCoO 2 , the conductive agent and the PVDF in the composition for forming the positive electrode active material layer was 97: 1.5: 1.5.
상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 알루미늄 호일(두께: 약 15㎛) 상부에 코팅하고 25℃에서 건조하였다. 이어서 이 결과물을 진공, 약 110℃에서 건조시켜 양극을 제조하였다.The composition for forming the positive electrode active material layer was coated on an aluminum foil (thickness: about 15 탆) and dried at 25 캜. The resultant was then dried under vacuum at about < RTI ID = 0.0 > 110 C < / RTI >
상기 과정에 따라 얻은 양극과 리튬 금속 음극(두께: 약 20㎛) 사이에 폴리에틸렌 세퍼레이터(기공도: 약 48%)를 개재하여 리튬금속전지를 제조하였다. 여기에서 상기 양극과 리튬 금속 음극 사이에는 액체 전해질을 부가하였다. A lithium metal battery was produced through a polyethylene separator (porosity: about 48%) between the anode obtained by the above procedure and a lithium metal anode (thickness: about 20 μm). Here, a liquid electrolyte was added between the positive electrode and the lithium metal negative electrode.
액체 전해질로는 2:8 부피비의 1,2-디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르(1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether: TTE)의 혼합 용매에 1.0M LiN(SO2F)2(이하, LiFSI)가 용해된 전해액을 이용하였다.As the liquid electrolyte, 1,2-dimethoxyethane (DME) and 1,1,2,2-
비교예Comparative Example 2: 음극의 제조 2: Manufacture of cathode
폴리스티렌을 무수 테트라하이드로퓨란에 부가하여 5 중량%의 폴리스티렌 함유 혼합물을 얻었다. 폴리스티렌의 중량평균분자량은 약 100,000 Daltons이었다. Polystyrene was added to anhydrous tetrahydrofuran to obtain a 5 wt% polystyrene-containing mixture. The weight average molecular weight of polystyrene was about 100,000 Daltons.
상기 폴리스티렌 함유 혼합물에 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl) imide; LiFSI){LiN(SO2F)2}을 부가하여 보호막 형성용 조성물을 얻었다. 여기에서 LiFSI의 함량은 상기 폴리스티렌 100 중량부를 기준으로 하여 약 30 중량부였다. Lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) {LiN (SO 2 F) 2 } was added to the polystyrene-containing mixture to obtain a composition for forming a protective film. Here, the content of LiFSI was about 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the polystyrene.
상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 박막(두께: 약 20㎛) 상부에 닥터 블레이드로 약 3㎛의 두께로 코팅하였다.The composition for forming a protective film was coated on the top of a lithium metal thin film (thickness: about 20 mu m) with a doctor blade to a thickness of about 3 mu m.
상기 코팅된 결과물을 약 25℃에서 건조시킨 후 진공, 약 40℃에서 약 24시간 동안 건조하여 리튬 금속 박막 상에 보호막이 형성된 음극을 제조하였다.The coated product was dried at about 25 캜 and then dried under vacuum at about 40 캜 for about 24 hours to prepare a negative electrode having a protective film on the lithium metal thin film.
비교예Comparative Example 3-4: 음극의 제조 3-4: Preparation of cathode
보호막 형성용 조성물 제조시, 폴리(스티렌-b-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스페어의 평균입경이 각각 1㎛ 및 0.2㎛로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 보호막 및 음극을 제조하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that the average particle size of the poly (styrene-b-divinylbenzene) copolymer microspheres was changed to 1 mu m and 0.2 mu m, respectively, Thereby preparing a negative electrode.
평가예Evaluation example 1: 투과전자현미경 분석 1: Transmission electron microscopy analysis
실시예 1에 따라 제조된 보호막의 상태를 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 분석하였다. 상기 TEM 분석시 분석기로서 FEI 사의 Titan cubed 60-300을 이용하였고 분석 결과는 도 2a 내지 2c에 나타난 바와 같다. 도 2a 및 도 2b는 실시예 1의 보호막안에 함유된 복합 입자의 TEM 사진이고, 도 2c는 도 2a 및 도 2b의 복합입자와의 비교를 위한 것으로서 제조예 1에서 복합 입자를 제조하기 위한 출발물질인 P(S-DVB) 마이크로스피어(MS)((평균 입경: 약 3㎛)의 TEM 사진이다.The state of the protective film prepared according to Example 1 was analyzed using a transmission electron microscope (TEM). As the TEM analysis, Titan cubed 60-300 manufactured by FEI Co., Ltd. was used as an analyzer, and the results of the analysis are shown in FIGS. 2A to 2C. FIGS. 2A and 2B are TEM photographs of the composite particles contained in the protective film of Example 1, FIG. 2C is a TEM image for comparison with the composite particles of FIGS. 2A and 2B, P (S-DVB) microsphere (MS) ((average particle diameter: about 3 m)).
이를 참조하면, 실시예 1의 보호막안에 함유된 복합 입자는 입자 표면에 연속적인 코팅막이 약 100nm 두께로 형성된 코어-쉘 마이크로스피어 구조를 갖는다는 것을 알 수 있었다.Referring to this, it can be seen that the composite particles contained in the protective film of Example 1 have a core-shell microsphere structure in which a continuous coating film is formed on the particle surface to a thickness of about 100 nm.
평가예Evaluation example 2: 주사전자현미경 분석 2: Scanning electron microscope analysis
실시예 1에 따라 제조된 음극 표면의 상태를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 분석하였다. 주사전자현미경(SEM)은 Hitachi사의 SU-8030를 이용하였다. 실시예 1에 따라 제조된 음극의 SEM 사진은 도 2d에 나타내었다.The state of the surface of the negative electrode prepared according to Example 1 was analyzed using a scanning electron microscope (SEM). The scanning electron microscope (SEM) was a SU-8030 manufactured by Hitachi. An SEM photograph of the cathode prepared according to Example 1 is shown in FIG. 2d.
이를 참조하면, 보호막은 리튬 음극 표면에 적층되고 있고, 복합 입자가 고르게 정렬되면서 상호연결된 것을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the protective layer was laminated on the surface of the lithium negative electrode, and the composite particles were uniformly aligned and interconnected.
평가예Evaluation example 3: 3: 리튬전착밀도Lithium electrodeposition density 및 And 전자주사현미경Electronic scanning microscope 분석 analysis
1)실시예 9 및 비교예 11) Example 9 and Comparative Example 1
실시예 9, 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 25℃에서 0.1C rate(0.38mA/cm2)의 전류로 전압이 4.40V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전을 실시한 후 이어서 정전압 모드에서 4.40V를 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 1회 충전을 실시한 후, 리튬금속전지에서 리튬 마이크로미터를 이용하여 파우치 외장 두께를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 또한 음극 상부에 형성된 리튬 전착층의 두께를 측정하여 전착밀도 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The lithium metal battery produced according to Example 9 and Comparative Example 1 was subjected to constant current charging until the voltage reached 4.40 V (vs. Li) at a current of 0.1 C rate (0.38 mA / cm 2 ) at 25 ° C. Followed by a cut-off at a current of 0.05 C rate while maintaining 4.40 V in the constant voltage mode. After one charge, the thickness of the pouch exterior was measured using a lithium micrometer in a lithium metal battery and the results are shown in Table 1 below. The thickness of the lithium electrodeposited layer formed on the cathode was measured, and the results of the electrodeposition density evaluation are shown in Table 1 below.
(g/cc)(g/cm3)Lithium electrodeposition density
(g / cc) (g / cm 3)
표 1을 참조하여, 실시예 9의 리튬금속전지는 비교예 1의 경우와 비교하여 파우치 외장 두께 변화가 작게 나타났고 포인트별 균일한 두께 증가가 관찰되었다. 그리고 실시예 9의 리튬금속전지는 비교예 1의 경우와 비교하여 리튬 전착밀도가 증가하였다. Referring to Table 1, the lithium metal battery of Example 9 exhibited a small change in the pouch external thickness as compared with the case of Comparative Example 1, and a uniform thickness increase per point was observed. In the lithium metal battery of Example 9, the lithium electrodeposition density was increased as compared with that of Comparative Example 1.
2) 고율 특성(0.5C)2) High rate characteristic (0.5C)
실시예 9 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 25℃에서 0.5C rate의 전류로 전압이 4.40V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전을 2시간 동안 실시한 후 리튬 전착층이 형성된 리튬 금속 음극 표면의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 분석을 이용하여리튬 전착층의 모폴로지를 분석하였다. 실시예 9의 리튬금속전지에 대한 SEM 사진은 도 3a 및 도 3b에 나타난 바와 같고, 비교예 1의 리튬금속전지에 대한 SEM 사진은 도 3c 및 도 3d에 나타난 바와 같다.The lithium metal battery prepared in Example 9 and Comparative Example 1 was subjected to constant current charging for 2 hours until the voltage reached 4.40 V (vs. Li) at a current of 0.5 C rate at 25 DEG C, The morphology of the lithium electrodeposited layer was analyzed using a scanning electron microscope (SEM) analysis of the cross section of the surface of the formed lithium metal anode. SEM photographs of the lithium metal batteries of Example 9 are shown in FIGS. 3A and 3B, and SEM photographs of the lithium metal batteries of Comparative Example 1 are as shown in FIG. 3C and FIG. 3D.
상술한 1회 충전을 실시한 후, 리튬금속전지에서 마이크로미터를 이용하여 파우치 외장 두께를 측정한 결과, 실시예 9의 리튬금속전지에서 0.5C 충전후 파우치 외장 두께 변화는 약 15㎛로 부피 팽창 정도가 작다는 것을 알 수 있었다. 또한 전착밀도가 약 0.4 g/cm3 이상으로 나타났다. 이에 비하여 비교예 1의 리튬금속전지는 0.5C 충전후 파우치 외장 두께 변화가 약 60㎛로 나타났고 전착밀도는 약 0.13 g/cm3이었다.After the above-described one-time charging, the thickness of the pouch exterior was measured using a micrometer in the lithium metal battery. As a result, in the lithium metal battery of Example 9, the pouch exterior thickness variation after 0.5 C charging was about 15 μm, Was small. Also, the electrodeposited density was about 0.4 g / cm 3 or more. On the other hand, the lithium metal battery of Comparative Example 1 showed a thickness change of about 60 탆 and a density of about 0.13 g / cm 3 after the 0.5 C charge.
3) 실시예 9C3) Example 9C
실시예 9C에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 실시예 9의 리튬금속전지와 동일한 방법에 따라 실시하여 25℃에서 0.1C rate(0.38mA/cm2)의 전류로 전압이 4.40V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전을 실시한 후 이어서 정전압 모드에서 4.40V를 유지하면서 0.05C의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 1회 충전을 실시한 후, 리튬금속전지에서 리튬 마이크로미터를 이용하여 음극 상부에 형성된 리튬 전착층의 두께를 측정하여 전착밀도 평가 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The lithium metal cell produced in accordance with Example 9C was carried out in the same manner as in the lithium metal battery of Example 9, and a voltage of 4.40 V (vs. Li (0.35 mA / cm 2 ) at a current of 0.1 C rate ), Followed by cut-off at a current of 0.05 C while maintaining 4.40 V in the constant voltage mode. After one charge, the thickness of the lithium electrodeposited layer formed on the cathode was measured using a lithium micrometer in the lithium metal battery, and the results of the electrodeposition density evaluation are shown in Table 2 below.
표 2를 참조하여, 실시예 9C의 리튬금속전지는 리튬 전착밀도가 우수하였다. Referring to Table 2, the lithium metal battery of Example 9C was excellent in lithium electrodeposition density.
평가예Evaluation example 4: 4: 충방전Charging and discharging 특성(셀 수명) Characteristics (cell life)
1)실시예 9 및 실시예 9A 1) Examples 9 and 9A
실시예 9 및 실시예 9A에 제조된 리튬금속전지에 대하여 25℃에서 0.1C rate의 전류로 전압이 4.40V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 이어서 정전압 모드에서 4.40V를 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하였다. 이어서, 방전시에 전압이 2.8V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C rate의 정전류로 방전하였다(화성단계, 1st 사이클). 이러한 충방전 과정을 2회 더 실시하여 화성 과정을 완료하였다.The lithium metal battery prepared in Example 9 and Example 9A was charged at a constant current of 0.1 C rate at 25 DEG C until the voltage reached 4.40 V (vs. Li), and then maintained at 4.40 V in the constant voltage mode And cut off at a current of 0.05 C rate. Then, the discharge was performed at a constant current of 0.1 C rate until the voltage reached 2.8 V (vs. Li) during the discharge (Mars phase, 1 st cycle). The charging and discharging process was performed two more times to complete the conversion process.
상기 화성 단계를 거친 리튬금속전지를 상온(25℃)에서 0.7C의 정전류로 리튬 금속 대비 4.4 V의 전압 범위에 이를 때까지 충전을 실시한 다음, 0.5C로 2.8V의 컷오프 전압(cut-off voltage)에 도달할 때까지 정전류 방전을 수행하였다.The lithium metal battery having undergone the above conversion step was charged at a constant current of 0.7 C at a room temperature (25 ° C) until the voltage reached a voltage range of 4.4 V versus lithium metal, and then a cut-off voltage of 2.8 V Lt; RTI ID = 0.0 > of < / RTI >
상술한 충방전 과정을 299회 반복적으로 실시하여 충방전 과정을 총 300회 반복적으로 실시하였다. 용량 유지율은 각각 하기 식 1로부터 계산된다.The charging / discharging process was repeated 299 times, and the charging / discharging process was repeated 300 times in total. The capacity retention ratios are calculated from the following Equation 1, respectively.
[식 1][Formula 1]
용량유지율(%)= (100th 사이클 방전용량/1st 사이클 방전용량)×100Capacity retention rate (%) = (100th cycle discharge capacity / 1st cycle discharge capacity) 占 100
상기 용량유지율 평가 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 MSC는 실시예 9A에 대한 것이고, MSP+MSC는 실시예 9에 대한 것이다.The results of the capacity retention rate evaluation are shown in Fig. The MSC in FIG. 4 is for Example 9A, and the MSP + MSC is for Example 9.
도 4를 참조하여, 실시예 9 및 9A에 따라 제조된 리튬금속전지는 용량 유지율이 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 4, it can be seen that the lithium metal battery manufactured according to Examples 9 and 9A has a very high capacity retention rate.
평가예Evaluation example 5: 리튬 전착 시뮬레이션 5: Simulation of lithium electrodeposition
실시예 1 및 실시예 28에 따라 제조된 음극에 대하여 콤솔 멀티피직스(COMOSOL multiphysics) 모델링 패키지 소프트웨어를 이용하여 리튬전착 시뮬레이션을 실시하였다. 실시예 1의 음극에서는 보호막안에 함유된 복합 입자의 표면에 형성된 코팅막의 두께가 약 100nm이고, 실시예 28의 음극에서는 보호막안에 함유된 복합 입자의 표면에 형성된 코팅막의 두께가 약 200nm이었다.Lithium electrodeposition simulations were performed on the cathodes prepared according to Examples 1 and 28 using COMOSOL multiphysics modeling package software. In the negative electrode of Example 1, the thickness of the coating film formed on the surface of the composite particles contained in the protective film was about 100 nm, and the thickness of the coating film formed on the surface of the composite particles contained in the protective film in Example 28 was about 200 nm.
상기 분석 결과는 도 7a 내지 도 7c에 나타난 바와 같다. The results of the analysis are shown in Figs. 7A to 7C.
도 7a는 실시예 28의 음극에서 리튬 금속 상부에 입자(직경: 약 3㎛)의 표면에 두께가 약 200nm인 코팅막(쉘)을 갖는 복합 입자의 배열을 나타낸 것이고, 도 7b 및 도 7c는 각각 상기 복합 입자의 코팅막의 두께가 약 200nm 및 100nm인 경우에 대한 리튬전착 시뮬레이션 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 7a에서 입자 (73) 상부에 코팅막 (74)가 배치되어 복합 입자를 형성하며, 상기 입자 (73) 사이에는 올리고머의 가교체 (75)가 존재한다. 도 7a에서 A는 덴드라이트 성장이 일어나는 결함(defect) 위치를 나타낸다. 도 7b에서 liion.itot은 Li ion, i(current) tot (total)의 의미로 total Li ion current density를 의미한다.FIG. 7A shows an arrangement of composite particles having a coating film (shell) having a thickness of about 200 nm on the surface of particles (diameter: about 3 μm) on the lithium metal in the cathode of Example 28, and FIGS. 7B and 7C show The results of the lithium electrodeposition simulation analysis are shown in the case where the thickness of the coating film of the composite particles is about 200 nm and 100 nm. 7A, a
도 7b 및 도 7c에서 kappafac는 상기 코팅막의 전도도/올리고머의 전도도(kshell/koligomer)이고 koligomer는 상기 보호막안에 함유된 올리고머(DEGDA)의 가교체의 전도도를 나타내고, kshell는 복합 입자의 코팅막의 전도도를 나타낸다. x축은 복합 입자가 배열된 거리를 나타내고, y축은 보호막의 전류밀도를 나타낸다.In Figure 7b and Figure 7c kappafac denotes the conductivity of the crosslinked form of the conductivity (k shell / k oligomer) and k oligomer is an oligomer (DEGDA) contained in the protective film of the coating conductivity / oligomer, k shell is of composite particles The conductivity of the coating film is shown. The x-axis represents the distance at which the composite particles are arranged, and the y-axis represents the current density of the protective film.
도 7b를 참조하면, kappafac>25인 경우, 도 7a의 A 영역에서 전류밀도가 높아지고 이로 인해 전류분포가 균일해진다는 것을 알 수 있다. 그리고 도 7c를 참조하면, kappafac>50인 경우 복합 입자의 코팅막 두께가 100nm인 경우에도 도 7a의 A 영역에서 전류분포가 균일하면서 전류 밀도 특성이 높다는 것을 알 수 있었다.Referring to FIG. 7B, it can be seen that in the case of kappafac > 25, the current density increases in the region A of FIG. 7A and the current distribution becomes uniform. Referring to FIG. 7C, it can be seen that even when the coating thickness of the composite particle of kappafac> 50 is 100 nm, the current density is uniform and the current density characteristic is high in region A of FIG. 7A.
평가예Evaluation example 6: 계면저항 6: Interface resistance
1)실시예 9C 및 비교예 11) Example 9C and Comparative Example 1
실시예 9C에 따라 제조된 리튬금속전지 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지에 대하여 임피던스 분석기(Solartron 1260A Impedance/Gain-Phase Analyzer)를 사용하여 2-프로브(probe)법에 따라 25℃에서 저항을 측정하였다. 진폭 ±10mV, 주파수 범위는 0.1Hz 내지 1MHz 였다.The lithium metal battery prepared according to Example 9C and the lithium metal battery prepared according to Comparative Example 1 were subjected to a 2-probe method using an impedance analyzer (Solartron 1260A Impedance / Gain-Phase Analyzer) The resistance was measured. The amplitude was ± 10 mV, and the frequency range was 0.1 Hz to 1 MHz.
상기 실시예 9C 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬금속전지의 제조 후 경과시간이 24시간일 때 임피던스 측정 결과에 대한 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)을 도 8a에 나타내었다. 도 8a에서 음극과 전해질의 계면저항은 반원의 위치 및 크기로 결정된다. A Nyguist plot of the impedance measurement results when the elapsed time after the production of the lithium metal battery according to Example 9C and Comparative Example 1 was 24 hours is shown in FIG. In FIG. 8A, the interface resistance between the cathode and the electrolyte is determined by the position and size of the semicircle.
도 8a에서 나타난 바와 같이, 실시예 9c에 따라 제조된 리튬금속전지는 바교예 1의 경우와 비교하여 계면저항이 20% 이상 작다는 것을 알 수 있었다. As shown in FIG. 8A, it can be seen that the lithium metal battery manufactured according to Example 9c has an interfacial resistance of 20% or less as compared with Comparative Example 1.
2)실시예 9B2) Example 9B
실시예 9B에 따라 제조된 리튬대칭셀에 대하여 상술한 실시예 9C 및 비교예 1의 리튬금속전지의 계면저항을 측정하는 방법과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬금속전지의 제조 후 경과시간이 24시간일 때 임피던스 측정 결과에 대한 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)을 도 8b에 나타내었다. The same procedure as in Example 9C and Comparative Example 1 for measuring the interfacial resistance of the lithium symmetric cell produced according to Example 9B was conducted to measure the elapsed time after the production of the lithium metal battery for 24 hours Nyguist plot of the impedance measurement result is shown in FIG. 8B.
이를 참조하면, 실시예 9B에 따라 제조된 리튬금속전지는 음극과 전해질의 계면저항이 작다는 것을 알 수 있었다. Referring to this, it can be seen that the lithium metal battery manufactured according to Example 9B has a small interface resistance between the negative electrode and the electrolyte.
평가예Evaluation example 7: 7: 인장탄성율Tensile modulus
1)실시예 1 및 비교예 21) Example 1 and Comparative Example 2
상기 실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 보호막 형성용 조성물을 기재상에 캐스팅하고 캐스팅한 결과물에서 테트라히드로퓨란(THF)을 아르곤 글러브 박스 내에서 24시간 동안에 걸쳐 약 25℃에서 서서히 증발시켰고 진공 하에 25℃에서 24시간 동안 건조시켜 막 형태의 보호막을 제조하였다. 이 때 보호막의 두께는 약 20㎛이었다.Tetrahydrofuran (THF) was slowly evaporated in an argon glove box over about 24 hours at about 25 DEG C in the result of casting and casting the composition for forming a protective film according to Example 1 and Comparative Example 2 on a substrate, At 25 DEG C for 24 hours to prepare a film-like protective film. At this time, the thickness of the protective film was about 20 mu m.
상기 보호막에 대하여 인장탄성율(tensile modulus)를 DMA800(TA Instruments사)를 이용하여 측정하고, 보호막 시편은 ASTM standard D412 (Type V specimens)을 통하여 준비하였다. 인장탄성율은 영률(Young’s modulus)이라고도 부른다. The tensile modulus of the protective film was measured using DMA800 (TA Instruments), and the protective film specimen was prepared through ASTM standard D412 (Type V specimens). The tensile modulus is also called Young's modulus.
상기 보호막을 25 oC, 약 30%의 상대습도에서 분당 5 mm의 속도로 응력에 대한 변형 변화를 측정하였다. 응력-변형 선도(stress-strain curve)의 기울기로부터 인장탄성율을 얻었다. The deformation of the protective film against stress was measured at a rate of 5 mm per minute at 25 ° C and a relative humidity of about 30%. The tensile modulus was obtained from the slope of the stress-strain curve.
측정 결과, 실시예 1에 따라 제조된 보호막은 인장탄성율이 1X108 Pa 이상으로 비교예 2의 경우와 비교하여 인장탄성율이 향상된다는 것을 알 수 있었다. 이러한 특성을 갖는 실시예 1에 따라 제조된 보호막을 이용하면 리튬 금속 음극의 부피변화 및 리튬 덴드라이트 성장이 효과적으로 억제될 수 있다.As a result of the measurement, it was found that the tensile modulus of the protective film prepared according to Example 1 was more than 1 × 10 8 Pa and the tensile modulus was improved as compared with the case of Comparative Example 2. Using the protective film prepared according to Example 1 having such characteristics, the volume change of the lithium metal anode and the growth of lithium dendrite can be effectively suppressed.
2) 제조예 12) Preparation Example 1
실시예 1의 보호막 제조시 사용된 제조예 1에 따라 얻은 복합입자에 대한 인장탄성율을 측정하였다.The tensile modulus of the composite particles obtained in Production Example 1 used in the production of the protective film of Example 1 was measured.
인장탄성율 측정 결과, 제조예 1에 따라 얻은 복합입자의 인장탄성율은 약 3.9GPa이었다.As a result of measuring the tensile modulus of elasticity, the tensile modulus of the composite particles obtained according to Production Example 1 was about 3.9 GPa.
이와 별도로, 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA) 및 개시제인 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논을 테트라하이드로퓨란에 용해하여 30 중량%의 DEGDA 용액을 제조하였다. 이 용액을 석영 기판 상부에 캐스팅하고 나서, 캐스팅된 결과물을 약 25℃에서 12시간 동안 건조한 후, 약 40℃에서 1시간 동안 UV를 조사하여 기재 상에 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA)의 가교체를 함유하는 막을 제조하였다.Separately, diethylene glycol diacrylate (DEGDA) and initiator 2-hydroxy-2-methylpropiophenone were dissolved in tetrahydrofuran to prepare a 30 wt% solution of DEGDA. This solution was cast on top of a quartz substrate and then the cast product was dried at about 25 DEG C for 12 hours and irradiated with UV at about 40 DEG C for 1 hour to crosslink the diethylene glycol diacrylate (DEGDA) A membrane containing a sieve was prepared.
상기 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA)의 가교체를 함유하는 막의 인장탄성율은 약 500MPa(@ 35℃)이었다. The tensile modulus of the film containing the crosslinked product of diethylene glycol diacrylate (DEGDA) was about 500 MPa (@ 35 DEG C).
상기 결과로부터 실시예 1의 복합입자를 포함한 보호막의 인장탄성율이 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다.From the above results, it can be seen that the tensile modulus of the protective film containing the composite particles of Example 1 is very excellent.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 일구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the exemplary embodiments or constructions. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible in light of the above teachings will be. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be determined by the appended claims.
10: 집전체
11: 리튬 전극
12: 보호막
13: 입자
14: 이온 전도성 고분자 15a: 복합 입자
15b, 17: SEI
16: 리튬 전착층
21: 양극
22: 음극
23: 보호막
24: 전해질
30: 리튬금속전지
34: 케이스10: collector 11: lithium electrode
12: protective film 13: particles
14: ion
15b, 17: SEI 16: Lithium electrodeposition layer
21: anode 22: cathode
23: protective film 24: electrolyte
30: lithium metal battery 34: case
Claims (40)
상기 보호막은 복수개의복합입자를 포함하며,
상기 복합입자는 입자; 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치되며 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 포함하며,
상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(organic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 음극.A lithium metal electrode comprising a lithium metal or a lithium metal alloy; And a protective film disposed on at least a portion of the lithium metal electrode,
Wherein the protective film comprises a plurality of composite particles,
The composite particles include particles; And a coating film comprising at least one ion conductive material selected from an ion conductive polymer having an ion conductive oligomer and an ion conductive polymer disposed on at least a portion of the particle and having an ion conductive unit,
Wherein the particles are selected from the group consisting of lithium metal containing at least one selected from organic particles, inorganic particles and organic-inorganic particles having a size of more than 1 탆 and not more than 100 탆. Cathode for batteries.
상기 보호막의 영률(young's modulus)은 106 Pa 이상인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the Young's modulus of the protective film is 10 < 6 > Pa or more.
상기 이온 전도성 유닛은 C1-C30 알킬렌 옥사이드기, -{Si(R)(R')-O-}b- 또는 -(CH2CH2O)a-{Si(R)(R')-O-}b-이고, R 및 R'은 서로 독립적으로 수소 또는 C1-C10 알킬기이고, a 및 b는 서로 독립적으로 1 내지 10의 정수인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
The ion-conducting unit is C1-C30 alkylene oxide group, - {Si (R) ( R ') - O-} b - or - (CH 2 CH 2 O) a - {Si (R) (R') - O-} b -, R and R 'are each independently hydrogen or a C1-C10 alkyl group, and a and b are independently of each other an integer of 1 to 10.
상기 이온 전도성 물질은 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리(에틸렌글리콜-co-프로필렌글리콜-co-에틸렌글리콜), 폴리(프로필렌글리콜-co-에틸렌글리콜-co-프로필렌글리콜), 폴리실록산, 폴리(옥시에틸렌)메타크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜)디아크릴레이트(PEGDA), 폴리(프로필렌글리콜)디아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜)디메타크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)디메타크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜)우레탄 디아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜)우레탄 디메타크릴레이트, 폴리에스테르 디아크릴레이트, 폴리에스테르 디메타크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 우레탄 트리아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 우레탄 트리메타크릴레이트트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 및 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상에서 파생된 올리머, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 및 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상에서 파생된 고분자, 폴리(에틸렌옥사이드)가 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(프로필렌옥사이드)가 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(부틸렌옥사이드)가 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리실록산이 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(에틸렌글리콜)(PEG)이 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트) 및 폴리(프로필렌글리콜)이 그래프트된 폴리(메틸메타크릴레이트)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the ion conductive material is selected from the group consisting of polyethylene glycol, polypropylene glycol, poly (ethylene glycol-co-propylene glycol-co-ethylene glycol), poly (propylene glycol-co-ethylene glycol-co-propylene glycol), polysiloxane, ) Methacrylate, poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), poly (propylene glycol) diacrylate, poly (ethylene glycol) dimethacrylate, poly (propylene glycol) dimethacrylate, poly ) Urethane diacrylate, poly (ethylene glycol) urethane dimethacrylate, polyester diacrylate, polyester dimethacrylate, poly (ethylene glycol) urethane triacrylate, poly (ethylene glycol) urethane trimethacrylate Trimethylol propane triacrylate and trimethylol propane trimethacrylate. Poly (ethylene oxide) grafted poly (methyl methacrylate), poly (propylene oxide), poly (ethylene oxide) grafted with at least one member selected from the group consisting of trimethylolpropane triacrylate, trimethylolpropane triacrylate and trimethylolpropane trimethacrylate, Grafted poly (methyl methacrylate), poly (butylene oxide) grafted poly (methyl methacrylate), polysiloxane grafted poly (methyl methacrylate), poly (ethylene glycol) (PEG) grafted Wherein the negative electrode is at least one selected from the group consisting of poly (methyl methacrylate) and poly (propylene glycol) grafted poly (methyl methacrylate).
상기 이온 전도성 물질의 중량평균분자량은 200 내지 10만인 리튬금속전지용 음극The method according to claim 1,
Wherein the ion conductive material has a weight average molecular weight of 200 to 100,000,
상기 코팅막의 두께가 1㎛ 이하인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the coating film is 1 占 퐉 or less.
상기 코팅막에서 이온 전도성 물질의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 50 중량부인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein an amount of the ion conductive material in the coating film is 10 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the particles.
상기 코팅막에서 이온 전도성 물질의 전도도는 보호막에서 복합입자를 제외한 나머지 영역의 재료의 전도도에 비하여 5배 이상 큰 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the conductivity of the ion conductive material in the coating layer is at least 5 times greater than the conductivity of the material in the remaining region except for the composite particles in the protective layer.
상기 보호막은 상기 복합 입자 사이에 존재하는 중합성 올리고머의 가교체(a crosslinked material of polymerizable oligomer)를 더 함유하는 리튬금속전지용 음극. The method according to claim 1,
Wherein the protective film further comprises a crosslinked material of a polymerizable oligomer existing between the composite particles.
상기 중합성 올리고머는 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA), 트리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(TEGDA), 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(TTEGDA), 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA), 디프로필렌 글리콜 디아크릴레이트(DPGDA), 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트(TPGDA), 에톡실레이티드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(ethoxylated trimethylolpropane triacrylate: ETPTA), 아크릴레이트 관능화된 에틸렌 옥사이드(acrylate-functionalized ethylene oxide), 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 에톡실레이티드 네오펜틸 글리콜 디아크릴레이트(ethoxylated neopentyl glycol diacrylate: NPEOGDA), 프로폭실레이티드 네오펜틸 글리콜 디아크릴레이트 (propoxylated neopentyl glycol diacrylate: NPPOGDA), 알릴 메타크릴레이트(ALMA); 트리메틸올 프로판 트리아크릴레이트 (TMPTA), 트리메틸올 프로판 트리메타크릴레이트(TMPTMA), 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(PETA), 에톡시레이티드 프로폭시레이티드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(TMPEOTA)/(TMPPOTA), 프로폭실레이티드 글리세릴 트리아크릴레이트(GPTA)/(GPPOTA), 트리스(2-하이드록시에틸) 이소시아누레이트 트리아크릴레이트(THEICTA), 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트(PETTA), 디펜타에리트리톨 펜타아크릴레이트(DPEPA)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
상기 중합성 올리고머의 가교체의 함량은 입자 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 50 중량부인 리튬이차전지용 음극.10. The method of claim 9,
The polymerizable oligomer may be selected from the group consisting of diethylene glycol diacrylate (DEGDA), triethylene glycol diacrylate (TEGDA), tetraethylene glycol diacrylate (TTEGDA), polyethylene glycol diacrylate (PEGDA), dipropylene glycol diacrylate (DPGDA), tripropylene glycol diacrylate (TPGDA), ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA), acrylate-functionalized ethylene oxide, 1,6 Ethoxylated neopentyl glycol diacrylate (NPEOGDA), propoxylated neopentyl glycol diacrylate (NPPOGDA), allyl methacrylate (manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.) ALMA); Trimethylolpropane triacrylate (TMPTA), trimethylolpropane trimethacrylate (TMPTMA), pentaerythritol triacrylate (PETA), ethoxylated propoxylated trimethylolpropane triacrylate (TMPEOTA) / TMPPOTA), propoxylated glyceryl triacrylate (GPTA) / (GPPOTA), tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate (THEICTA), pentaerythritol tetraacrylate Pentaerythritol pentaacrylate (DPEPA), and at least one member selected from the group consisting of
Wherein the content of the crosslinked product of the polymerizable oligomer is 10 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the particles.
상기 보호막은 리튬염 또는 리튬염과 유기용매를 함유하는 액체 전해질을 포함하는 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the protective film comprises a lithium salt or a liquid electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent.
상기 보호막의 입자가 화학적 또는 물리적으로 가교된 구조를 갖는 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the particles of the protective film are chemically or physically crosslinked.
상기 보호막의 입자는 폴리스티렌, 스티렌 반복단위를 함유한 공중합체, 가교성 작용기를 갖는 반복단위를 함유하는 공중합체 및 가교 고분자 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the particles of the protective film comprise at least one selected from the group consisting of polystyrene, a copolymer containing a styrene repeating unit, a copolymer containing a repeating unit having a crosslinkable functional group, and a crosslinked polymer.
상기 보호막의 입자는,
폴리스티렌, 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(에틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(펜틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(프로필메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌) 공중합체, 폴리(스티렌-메틸메타크릴레이트) 공중합체, 폴리(스티렌-아크릴로니트릴) 공중합체, 폴리(스티렌-비닐피리딘) 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴-에틸렌-프로필렌-스티렌) 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트-아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리((C1-C9 알킬) 아크릴레이트-아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리((C1-C9 알킬) 메타크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리((C1-C9 알킬) 아크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(스티렌-(C1-C9 알킬) 아크릴레이트) 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴-스티렌-(C1-C9 알킬) 아크릴레이트) 공중합체 중에서 선택된 하나 이상의 고분자 및 가교 고분자 중에서 선택된 하나 이상인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
The particles of the protective film,
Poly (styrene-divinylbenzene) copolymer, poly (methyl methacrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (ethyl methacrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (pentylmethacrylate-divinylbenzene) Poly (styrene-ethylene-butylene-styrene) copolymer, poly (butyl methacrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (Styrene-acrylonitrile) copolymer, poly (styrene-vinylidene chloride) copolymer, poly (acrylonitrile-butadiene-styrene) Acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymers, poly (methyl methacrylate-acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymers, (C1-C9 alkyl) methacrylate Butadiene-styrene) copolymers, poly ((C1-C9 alkyl) acrylate-butadiene-styrene) copolymers, - (C1-C9 alkyl) acrylate) copolymers, and crosslinking polymers.
상기 보호막의 무기 입자 및 유무기 입자는 i) 케이지 구조의 실세스퀴옥산, 금속-유기 골격 구조체(Metal-Orgainc Framework: MOF), Li1 +x+ yAlxTi2 - xSiyP3 - yO12 (0<x<2, 0=y<3), BaTiO3, Pb(ZrpTi1-p)O3(0≤p≤1)(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT)(O≤x<1, O=y<1),Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, Na2O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, SiC, Li3PO4, LixTiy(PO4)3(0<x<2,0<y<3), LixAlyTiz(PO4)3(0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), Li1 +x+ y(AlpGa1-p)x(TiqGe1-q)2 -xSiyP3-yO12(O≤x≤1, O=y≤=1, O≤p≤1, O≤q≤1), LixLayTiO3(0<x<2, 0<y<3), LixGeyPzSw(0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), LixNy(0<x<4, 0<y<2), LixSiySz(0<x<3,0<y<2, 0<z<4), LixPySz(0≤x<3, 0<y<3, 0<z<7), Li2O, LiF, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2, Li3 + xLa3M2O12(M = Te, Nb, 또는 Zr)(0≤x≤5)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 입자 A를 포함하거나; 또는 ii)상기 입자 A의 가교체인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
The inorganic particles and the organic particles of the protective film may be selected from the group consisting of i) silsesquioxane having a cage structure, metal-organic framework (MOF), Li 1 + x + y Al x Ti 2 - x Si y P 3 - y O 12 (0 <x <2, 0 = y <3), BaTiO 3 , Pb (Zr p Ti 1-p ) O 3 (0 ? P? 1 ) (PZT), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT) (O≤x <1, O = y <1), Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), HfO 2, SrTiO 3, SnO 2 , CeO 2 , Na 2 O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SiC, Li 3 PO 4 , Li x Ti y 4) 3 (0 <x < 2,0 <y <3), Li x Al y Ti z (PO 4) 3 (0 <x <2, 0 <y <1, 0 <z <3), Li 1 x + y + (Al p Ga 1-p ) x (Ti q Ge 1-q ) 2 -x Si y P 3 -y O 12 (O? x? 1, O = y ? = 1, , O≤q≤1), Li x La y TiO 3 (0 <x <2, 0 <y <3), LixGeyPzSw (0 <x <4, 0 <y <1, 0 <z <1, 0 < w <5), Li x N y (0 <x <4, 0 <y <2), Li x Si y S z (0 <x <3,0 <y <2, 0 <z <4), Li x P y S z (0≤x < 3, 0 <y <3, 0 <z <7), Li 2 O, LiF, LiOH, Li 2 CO 3, LiAlO 2, Li 2 O-Al 2 O 3 - At least one particle A selected from the group consisting of SiO 2 -P 2 O 5 -TiO 2 -GeO 2 , Li 3 + x La 3 M 2 O 12 (M = Te, Nb, or Zr) ; Or ii) a cathode for a lithium metal battery, wherein the particle A is crosslinked.
상기 보호막의 유기 입자는 폴리(스티렌-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(에틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(펜틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(프로필메타크릴레이트-디비닐벤젠) 공중합체, 폴리(스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌) 공중합체, 폴리(스티렌-메틸메타크릴레이트) 공중합체, 폴리(스티렌-아크릴로니트릴) 공중합체, 폴리(스티렌-비닐피리딘) 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리(아크릴로니트릴-에틸렌-프로필렌-스티렌) 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트-아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리((C1-C9 알킬) 아크릴레이트-아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리((C1-C9 알킬) 메타크릴레이트-부타디엔-스티렌) 공중합체, 폴리((C1-C9 알킬) 아크릴레이트-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리(스티렌-(C1-C9 알킬) 아크릴레이트) 공중합체 및 폴리(아크릴로니트릴-스티렌-(C1-C9 알킬) 아크릴레이트) 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 블록 공중합체를 포함하는 고분자인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
The organic particles of the protective film may be selected from the group consisting of a poly (styrene-divinylbenzene) copolymer, a poly (methyl methacrylate-divinylbenzene) copolymer, a poly (ethyl methacrylate-divinylbenzene) Poly (butyl methacrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (butyl methacrylate-divinylbenzene) copolymer, poly (propyl methacrylate-divinylbenzene) (Styrene-acrylonitrile) copolymer, a poly (styrene-vinylmethacrylate) copolymer, a poly (styrene-methyl methacrylate) copolymer, (C1-C9 alkyl) acrylate-acrylonitrile-butadiene-styrene) copolymers, poly (methyl methacrylate-acrylonitrile-butadiene- Coalescent, poly ((C1-C9 Butadiene-styrene copolymers, poly ((C1-C9 alkyl) acrylate-butadiene-styrene copolymers, poly (styrene- (C1-C9 alkyl) acrylate) copolymers, and poly (acrylonitrile - styrene- (C1-C9 alkyl) acrylate) copolymer. The negative electrode for a lithium metal battery according to claim 1, wherein the block copolymer is a block copolymer.
상기 보호막은 이온 전도성을 갖는 호모폴리머, 공중합체 및 가교 고분자 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the protective film further comprises at least one selected from homopolymers, copolymers and crosslinked polymers having ionic conductivity.
상기 이온 전도성을 갖는 호모폴리머, 공중합체 및 가교 고분자 중에서 선택된 하나 이상이 폴리스티렌 또는 스티렌계 반복단위를 함유하는 블록 공중합체인 리튬금속전지용 음극.18. The method of claim 17,
Wherein at least one selected from the group consisting of a homopolymer, a copolymer and a crosslinking polymer having ionic conductivity contains a polystyrene or a styrene-based repeating unit.
상기 보호막은 사이즈가 서로 다른 유기 입자, 무기 입자 및 유무기 입자 중에서 선택된 하나 이상의 입자를 포함하는 단층막(single layer) 또는 다층막(multilayer)인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the protective film is a single layer or a multilayer film including at least one particle selected from organic particles, inorganic particles and organic-inorganic particles having different sizes.
상기 입자는 평균입경이 1.1 내지 50㎛인 마이크로스피어(microsphere)인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the particles are microspheres having an average particle diameter of 1.1 to 50 占 퐉.
상기 입자는 평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어와 평균입경이 약 8㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 포함하거나 평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어와 평균입경이 약 1.3㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 포함하거나 또는 평균입경이 약 3㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어와 평균입경이 약 1.1㎛인 폴리(스티렌-co-디비닐벤젠) 공중합체 마이크로스피어를 포함하는 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
The particles include poly (styrene-co-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle diameter of about 3 占 퐉 and poly (styrene-co-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle diameter of about 8 占 퐉, Poly (styrene-co-divinylbenzene) copolymer microspheres having a particle diameter of about 3 占 퐉 and poly (styrene-co-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle diameter of about 1.3 占 퐉, (Styrene-co-divinylbenzene) copolymer microspheres having an average particle size of about 3 mu m and a poly (styrene-co-divinylbenzene) copolymer microsphere having an average particle diameter of about 1.1 mu m.
상기 보호막의 입자는 가교 고분자를 포함하며, 상기 가교 고분자의 가교도(degree of crosslinking)는 10 내지 30%인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the particles of the protective film comprise a crosslinked polymer, and the degree of crosslinking of the crosslinked polymer is 10 to 30%.
상기 보호막의 입자는 상호 연결된 구조인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the particles of the protective film are interconnected structures.
상기 코팅막은 상기 보호막의 입자들 사이에 형성된 기공 구조를 유지하면서 독립적인 상(phase)으로 존재하는 리튬금속전지용 음극The method according to claim 1,
The coating film may be a cathode for a lithium metal battery which exists in an independent phase while maintaining a pore structure formed between the particles of the protective film
상기 보호막의 기공도는 25 내지 50%이고, 상기 보호막의 두께가 1 내지 10㎛인 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the porosity of the protective film is 25 to 50%, and the thickness of the protective film is 1 to 10 탆.
상기 보호막이 이온성 액체, 1족 또는 2족 원소를 함유하는 금속염 및 질소 함유 첨가제 중에서 선택된 하나 이상, 보론 나이트라이드(boron nitride), 또는 그 혼합물을 더 포함하는 리튬금속전지용 음극.The method according to claim 1,
Wherein the protective film further comprises at least one selected from the group consisting of an ionic liquid, a metal salt containing a Group 1 or Group 2 element and a nitrogen-containing additive, boron nitride, or a mixture thereof.
상기 리튬염이 LiSCN, LiN(CN)2, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiPF6, LiCF3SO3, LiC(CF3SO2)3, LiN(SO2C2F5)2, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2F)2, LiSbF6, LiPF3(CF2CF3)3, LiPF3(CF3)3 및 LiB(C2O4)2 중에서 선택된 하나 이상이고,
상기 유기용매가 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 감마부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜디메틸에테르, 숙시노니트릴, 술포레인, 디메틸술폰, 에틸메틸술폰, 디에틸술폰, 아디포니트릴, 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 음극.12. The method of claim 11,
The lithium salt LiSCN, LiN (CN) 2, LiClO 4, LiBF 4, LiAsF 6, LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiC (CF 3 SO 2) 3, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, LiN (SO 2 CF 3) 2, LiN (SO 2 F) 2, LiSbF 6, LiPF 3 (CF 2 CF 3) 3, LiPF 3 (CF 3) 3 , and LiB (C 2 O 4) 2 at least one selected from a ,
Wherein the organic solvent is selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, fluoroethylene carbonate, gamma butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, But are not limited to, dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, succinonitrile, sulfolane, dimethyl sulfone, ethyl methyl sulfone, diethyl sulfone, adiponitrile, And 2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether.
상기 음극 상부에 리튬전착층이 배치되며, 리튬전착층의 리튬전착밀도가 0.2 내지 0.5 g/cm3인 리튬금속전지.29. The method of claim 28,
A lithium electrodeposited layer is disposed on the cathode, and a lithium electrodeposition density of the lithium electrodeposited layer is 0.2 to 0.5 g / cm < 3 >.
상기 리튬전착층의 두께가 40 ㎛ 이하인 리튬금속전지.30. The method of claim 29,
Wherein the thickness of the lithium electrodeposited layer is 40 占 퐉 or less.
상기 전해질이 액체 전해질, 고체 전해질, 겔 전해질, 및 고분자 이온성 액체(polymer ionic liquid) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지.29. The method of claim 28,
Wherein the electrolyte comprises at least one selected from a liquid electrolyte, a solid electrolyte, a gel electrolyte, and a polymer ionic liquid.
상기 리튬금속전지가 세퍼레이터를 포함하는 리튬금속전지.29. The method of claim 28,
Wherein the lithium metal battery comprises a separator.
상기 리튬금속전지는 세퍼레이터를 더 포함하며, 상기 전해질은 액체 전해질이며,
상기 리튬금속전지가 음극, 세퍼레이터, 액체 전해질 및 양극이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 리튬금속전지.29. The method of claim 28,
Wherein the lithium metal battery further comprises a separator, wherein the electrolyte is a liquid electrolyte,
Wherein the lithium metal battery has a structure in which a cathode, a separator, a liquid electrolyte and an anode are sequentially stacked.
상기 전해질이 복합입자를 포함하며, 상기 복합입자는 입자 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치되며 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 포함하며, 상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(orgnic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하며, 전해질의 영률(young's modulus)이 106 Pa 이상인 복합 전해질인 리튬금속전지.29. The method of claim 28,
Wherein the electrolyte comprises a composite particle, wherein the composite particle comprises at least one ion conductive material selected from the group consisting of particles and ion conductive polymers having ion conductive oligomers and ion conductive polymers disposed on at least a portion of the particles and having ion conductive units Wherein the particles are selected from organic particles, inorganic particles and orgnic-inorganic particles having a size of more than 1 탆 and not more than 100 탆. And a Young's modulus of the electrolyte is 10 6 Pa or more.
상기 전해질은 복합입자 사이에 존재하는 중합성 올리고머의 가교체(a crosslinked material of polymerizable oligomer)를 함유하는 리튬금속전지. 35. The method of claim 34,
Wherein the electrolyte comprises a crosslinked material of a polymerizable oligomer present between the composite particles.
상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(orgnic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 복합 전해질.Wherein the composite particle comprises at least one ion conductive material selected from the group consisting of particles and ion conductive polymers disposed on at least a portion of the particles and having an ion conductive oligomer having an ion conductive unit and an ion conductive polymer Coating film,
Wherein the particles comprise at least one selected from the group consisting of organic particles, inorganic particles and orgnic-inorganic particles having a size of more than 1 탆 and not more than 100 탆, Composite electrolyte for batteries.
상기 복합 전해질의 영률(young's modulus)이 106 Pa 이상인 리튬금속전지용 복합 전해질.37. The method of claim 36,
Wherein the Young's modulus of the composite electrolyte is 10 < 6 > Pa or more.
상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 전극 상부에 도포 및 건조하여 보호막을 형성하는 단계를 포함하여 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항의 리튬금속전지용 음극을 제조하며, 상기 복합입자는 입자 및 상기 입자의 적어도 일 부분에 배치되며 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 올리고머 및 이온 전도성 유닛을 갖는 이온 전도성 고분자 중에서 선택된 하나 이상의 이온 전도성 물질을 포함하는 코팅막을 포함하며 상기 입자는 1㎛를 초과하고 100㎛ 이하의 사이즈(size)를 갖는 유기 입자(organic particle), 무기 입자(inorganic particle) 및 유무기 입자(organic-inorganic particle) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬금속전지용 음극의 제조방법.Obtaining a composition for forming a protective film obtained by mixing a composite particle and a solvent; And
27. The negative electrode for a lithium metal battery according to any one of claims 1 to 27, which comprises coating and drying the composition for forming a protective film on a lithium metal electrode to form a protective film, And at least one ion conductive material selected from the group consisting of an ion conductive polymer having an ion conductive unit and an ion conductive polymer having an ion conductive unit and an ion conductive unit disposed in at least a part of the ion conductive unit, A method for manufacturing a negative electrode for a lithium metal battery, the method comprising: at least one of organic particles, inorganic particles, and organic-inorganic particles having a size.
상기 보호막 형성용 조성물을 리튬 금속 전극 상부에 도포 및 건조하여 보호막을 형성하는 단계 이후에,
중합성 올리고머 및 용매를 혼합하여 얻은 중합성 올리고머 조성물을 상기 도포 및 건조된 생성물 상부에 도포하고 가교반응을 실시하는 단계를 더 포함하는 리튬금속전지용 음극의 제조방법.40. The method of claim 39,
After the step of applying the protective film forming composition onto the lithium metal electrode and drying to form a protective film,
Further comprising the step of applying a polymerizable oligomer composition obtained by mixing a polymerizable oligomer and a solvent onto the coated and dried product and performing a crosslinking reaction.
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