KR20190083108A - Electrolyte system and lithium metal battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium metal secondary battery comprising the same. According to the present invention, an electrolyte system for maintaining energy density and extending battery life of a secondary battery based on a lithium metal negative electrode can be provided. Specifically, the present invention can provide an electrolyte for a lithium secondary battery in which a stable SEI film is formed to stabilize a negative electrode of a lithium metal battery having a high possibility of battery ignition and to suppress lithium dendrite formation and diffusion so that internal short circuit does not occur, and a lithium metal secondary battery comprising the same.

Description

리튬금속 이차전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬금속 이차전지{Electrolyte system and lithium metal battery comprising the same} [0001] The present invention relates to an electrolyte for a lithium metal secondary battery and a lithium metal secondary battery comprising the lithium metal secondary battery,

본 발명은 리튬금속 이차전지용 전해질 시스템 및 이를 포함하는 리튬금속 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolyte system for a lithium metal secondary battery and a lithium metal secondary battery including the same.

리튬이온 전지(LiB)에 관한 최초의 개념은 1962년도에 제시되었으며, 바로 LiB 이차전지가 엑슨사의 M. S. Whittingham에 의해 제안되어 Li-TiS2 전지의 발명으로 이어졌다. 그러나 리튬금속과 TiS2를 각각 음극과 양극으로 사용한 전지 시스템의 상용화는 실패하였으며, 이는 리튬금속 전지(LiM)의 취약한 안전성과 공기와 물에 예민한 TiS2의 높은 제조비용 때문이었다. 그 후에 가역적으로 리튬의 삽입과 탈리가 일어나는 흑연과 양극 산화물(J. O. Besenhard 개발)을 각각 음극과 양극으로 사용하여 이러한 문제들을 해결함으로써 현재와 같은 LiB의 상용화가 성공할 수 있었다. 1991년 처음으로 LiB의 상용 제품이 소니와 아사히 회사에 의해 출시되었으며, 휴대용 전자기기의 성공적인 시장 확산을 리드한 혁신적인 계기를 가져왔다. 이후 LiB는 폭발적으로 많이 사용되었고, 특히 휴대폰, 뮤직플레이어, 스피커, 드론, 자동차 및 미세 센서 등과 같은 일상의 전기 디바이스의 지속적인 혁신과 직결된 전기 에너지 요구를 충족시켜 왔다. 많은 연구자와 과학자들이 증대하는 에너지 요구를 만족시키는 고정형 또는 이동형 에너지 저장 시스템에 대한 새롭고 진보된 에너지 재료, 화학과 물리학을 연구하게 되었다.The first concept of a Li-ion battery (LiB) was presented in 1962, and a LiB secondary battery was proposed by MS Whittingham of Exxon to lead to the invention of a Li-TiS 2 battery. However, commercialization of battery systems using lithium metal and TiS 2 as cathodes and anodes, respectively, failed, due to the poor safety of lithium metal batteries (LiM) and the high manufacturing cost of TiS 2 , which is sensitive to air and water. LiB was successfully commercialized by solving these problems by using graphite and anodic oxide (developed by JO Besenhard), which reversibly intercalate and deintercalate lithium, as cathodes and anodes, respectively. For the first time in 1991, LiB's commercial products were launched by Sony and Asahi, bringing innovative breakthroughs that have led to successful market penetration of portable electronic devices. Since then, LiB has been used explosively and has been meeting the electrical energy needs directly connected with the constant innovation of everyday electrical devices such as cell phones, music players, speakers, drones, automobiles and micro sensors. Many researchers and scientists have been studying new and advanced energy materials, chemistry and physics for fixed or mobile energy storage systems that meet growing energy needs.

최근 들어 상용 LiB 기술의 전개가 LiB의 전기화학적인 성능의 점진적 개선만이 보고되는 포화 상태에 이르고 있기 때문에, 다른 형태와 조성을 갖는 새로운 에너지 저장 재료와 시스템에 대한 연구 및 개발이 반드시 필요하다. 따라서 리튬금속 음극과 전환형 양극을 갖는 리튬-설퍼와 리튬-공기 전지와 같은 이차전지가 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 차세대 전지로 주목받고 있다. 황과 탄소기반 공기 양극은 이론적으로 각각 ~2,600 Wh/kg 및 ~11,400 Wh/kg의 에너지 밀도를 가지며, 기존 LiB의 에너지 밀도(~360 Wh/kg, C/LiCoO2)의 거의 10배에 달하는 높은 값을 나타낸다. 음극 소재의 하나인 리튬금속은 ~3,860 Wh/kg의 높은 이론 에너지 밀도와 함께 매우 낮은 산화환원전위(-3.04 V vs. S.H.E) 및 0.59 g/cm3의 밀도를 갖는 반면에, 흑연 음극소재는 ~372 mAh/g의 이론 에너지 밀도, 약간 높은 산화환원 전위와 밀도를 갖는다. 그러므로 흑연음극을 리튬음극으로 바꾼다면, 기존 LiB의 무게당 에너지 밀도를 크게 증가시킬 수 있다. 장차 리튬-황 및 리튬-공기 전지가 상용화된다면, 리튬금속 음극과 전환형 양극 소재는 높은 에너지 밀도 요구를 극복하는 분야에 희망적인 길을 보여줄 수 있을 것이다.In recent years, research and development of new energy storage materials and systems with different forms and compositions are indispensable, as the development of commercial LiB technology has reached saturation, where only gradual improvement in the electrochemical performance of LiB is reported. Therefore, secondary batteries such as lithium-sulfur batteries and lithium-air batteries having a lithium metal anode and a switching anode have high energy densities and are attracting attention as a next-generation battery. Sulfur and carbon-based air anodes are theoretically energy densities of ~ 2,600 Wh / kg and ~ 11,400 Wh / kg respectively and almost ten times the energy density of existing LiB (~ 360 Wh / kg, C / LiCoO 2 ) High value. Lithium metal, a cathode material, has a very low redox potential (-3.04 V vs. SHE) and a density of 0.59 g / cm 3 with a high theoretical energy density of ~ 3,860 Wh / kg, while the graphite anode material A theoretical energy density of ~ 372 mAh / g, a slightly higher redox potential and density. Therefore, if the graphite cathode is replaced with a lithium cathode, the energy density per weight of the existing LiB can be greatly increased. If lithium-sulfur and lithium-air cells are to be commercialized in the future, lithium metal cathodes and switchable cathode materials will be a promising way to overcome the high energy density requirements.

이렇듯 좋은 장점이 있지만, 리튬금속을 음극으로 하는 배터리의 상용화를 위해서는 몇 가지 힘든 도전을 해결해야 한다. 그 중심에 리튬이온의 전착과 용해의 가역성 확보가 있다. 리튬의 높은 반응성과 불균일한 전착은 열폭주, 전해액 분해, 리튬 손실과 같은 문제를 야기한다. 충전과정에서 일어나는 리튬이온의 불균일한 전착은 가지 모양의 덴드라이트 성장을 일으키며, 이는 SEI (solid electrolyte interface) 필름의 성장, 전해질과 리튬음극의 부반응으로 인해 낮은 쿨롱효율과 리튬표면의 전기화학적인 특성을 급격히 낮추는 문제를 일으킨다. 또한 리튬 덴드라이트 성장으로 인한 단락은 많은 열과 불꽃을 일으켜 가연성 유기물인 전해액의 발화를 일으키는 심각한 안전문제를 가져온다. 그러므로 안전성을 높이기 위해서 덴드라이트 형성과 전해질과의 심한 부반응 억제를 위한 안정적인 SEI를 리튬음극에 형성시키는 게 필요하며, 이는 전해질에 사용되는 염들을 적절히 배합하여 SEI 필름의 구성 물질을 바꿔줌으로서 가능하다. 리튬음극 표면에 얇으면서 강하고 높은 리튬이온 전도도를 갖는 SEI 필름의 형성이 중요하며, 원하는 양극의 특성을 유지해줄 수 있는 전해질 시스템 개발이 리튬금속 전지 개발의 핵심이 된다. Despite these advantages, commercialization of lithium-metal-cathode batteries requires some tough challenges to be solved. And the reversibility of the electrodeposition and dissolution of lithium ions is secured at the center thereof. High reactivity and non-uniform electrodeposition of lithium can cause problems such as thermal runaway, electrolyte decomposition, and lithium loss. Uneven electrodeposition of lithium ions during the charging process causes branch-like dendrite growth, which is due to the growth of solid electrolyte interface (SEI) films, side reactions of the electrolyte and the lithium anode, resulting in lower Coulomb efficiency and electrochemical properties of the lithium surface Which causes a problem of sharply lowering. In addition, the short circuit due to the lithium dendrite growth causes a lot of heat and flame, causing a serious safety problem that causes ignition of the electrolyte, which is a flammable organic matter. Therefore, in order to increase the safety, it is necessary to form a stable SEI on the lithium anode for the formation of dendrites and a severe side reaction with the electrolyte. This is possible by appropriately mixing the salts used in the electrolyte and changing the constituent materials of the SEI film . It is important to form an SEI film that is thin and strong and has high lithium ion conductivity on the surface of the lithium anode. Development of an electrolyte system capable of maintaining the characteristics of the desired anode is a key to the development of a lithium metal battery.

한국 등록특허 제10-15380790호Korean Patent No. 10-15380790 한국 등록특허 제10-10747830호Korean Patent No. 10-10747830 한국 공개특허 제10-2015-0004179호Korean Patent Publication No. 10-2015-0004179 미국 공개특허 제2014-0127577호U.S. Published Patent Application No. 2014-0127577

전기화학적 사이클 도중에 활성이 크고 연한 리튬금속 표면은 불규칙한 표면에서의 국부적인 전류밀도 차이 때문에 충전 과정에서 덴드라이트를 형성하는 경향이 있다. 수지상으로 성장하는 덴드라이트 형성이 확산되면 리튬음극의 표면적이 급격히 증가하며 이로 인해 리튬음극 표면에 SEI 필름이 지속적으로 형성되며, 두꺼운 SEI 필름의 계속적인 형성으로 전해질 고갈과 리튬음극의 리튬이온전도도를 급격히 낮추는 문제가 생긴다. 이러한 리튬 덴드라이트 발생에 의한 불안정한 SEI형성의 억제를 위하여 리튬 트리비스(플루오로설포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI), 리튬 비스(옥살레이트)보레이트(LiBOB), 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 플로라이드(LiF), 염을 에틸렌카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC), 1,2-디메톡시에탄(DME)의 용매에 용해하여 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 비닐렌 카보네이트(VC), 디-2,2,2-트리플루오로에틸 카보네이트(TFEC)를 용매성 첨가제로 추가로 같이 사용하는 전해질을 개발하였으며, 리튬금속 전지의 다양한 양극물질에도 호환하여 사용이 가능하다. 결과적으로 발명된 전해질 시스템을 적용하여 리튬음극 표면에 얇고 견고하며 안정한 SEI를 생성하고 전해질과의 부반응을 억제함으로서 리튬금속 음극 기반 배터리의 사이클 수명 연장과 용량유지율을 향상시킬 수 있도록 하였다.High activity and light lithium metal surfaces during electrochemical cycles tend to form dendrites during charging due to local current density differences on irregular surfaces. As the dendrite formation that grows in dendrites is diffused, the surface area of the lithium anode is rapidly increased, thereby continuously forming the SEI film on the surface of the lithium anode. The continuous formation of the thick SEI film leads to electrolyte depletion and lithium ion conductivity of the lithium anode There is a problem of sharply lowering. In order to suppress the formation of unstable SEI by the generation of lithium dendrite, lithium tris (fluorosulfonyl) imide (LiTFSI), lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI), lithium bis (LiBOB), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium fluoride (LiF) and salts in a solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and 1,2-dimethoxyethane We have also developed electrolytes using fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC) and di-2,2,2-trifluoroethyl carbonate (TFEC) as solvent additives. Compatible with various anode materials. As a result, by applying the invented electrolyte system, it is possible to increase the cycle life and the capacity retention rate of the lithium metal anode based battery by generating a thin, firm and stable SEI on the surface of the lithium anode and suppressing the side reaction with the electrolyte.

본 발명의 일 측면은 (a) LiFSI, LiTFSI, 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 제1 염, (b) LiBOB, LiDFOB 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 제2 염, (c) LiPF6를 포함하는 제3 염, (d) EC 및 DMC의 혼합물로 구성된 용매를 포함하는 리튬금속 이차전지용 전해질로서, (e) FEC 및 VC 중에서 선택된 1종 이상의 제1 용매성 첨가제를 추가로 포함하고, (f) TFEC를 제2 용매성 첨가제로 추가로 포함하며, 상기 제1 용매성 첨가제는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.4 내지 1.5 중량%의 FEC 및 0.01 내지 3.5 중량%의 VC 중에서 선택된 1종 이상이며, 상기 제2 용매성 첨가제의 농도는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 2.5 내지 4.5 중량%인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질에 관한 것이다.(B) a second salt selected from LiBOB, LiDFOB, and mixtures thereof; (c) a third salt comprising LiPF 6 , wherein the second salt is selected from the group consisting of (e) at least one first solvent additive selected from the group consisting of FEC and VC, and (f) at least one additive selected from the group consisting of (D) a mixture of EC and DMC, 2 solvent additive, wherein the first solvent additive is at least one selected from the group consisting of 0.4 to 1.5 wt% FEC and 0.01 to 3.5 wt% VC based on the total weight of the electrolyte, and the second solvent And the concentration of the additive is 2.5 to 4.5 wt% based on the total weight of the electrolyte.

본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 리튬금속 이차전지용 전해질을 포함하는 리튬금속 이차전지에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to a lithium metal secondary battery including an electrolyte for a lithium metal secondary battery according to various embodiments of the present invention.

본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 리튬금속 이차전지용 전해질을 포함하는 전기 디바이스에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to an electric device including an electrolyte for a lithium metal secondary battery according to various embodiments of the present invention.

본 발명의 목표는 리튬금속 음극 기반 이차전지의 에너지 밀도 유지와 전지수명의 연장을 위한 전해질 시스템을 제공하는 것이다. 이 기술의 궁극적인 응용 목표는 미래 무인전기자동차와 전력망 에너지저장 시스템에 사용되는 기존 리튬이온 전지와 더불어 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬금속 전지에 사용되는 전이금속산화물, 황, 및 공기극과 같은 다양한 양극과 함께 리튬금속을 사용하는 것이다. 또한 최근 새롭게 떠오르고 있는 드론과 같은 무인기 분야의 발전에도 기여할 것이다. 본 발명을 통해 관련 이차전지 및 전기화학커패시터 산업의 세계 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망된다. 특히 고밀도 에너지를 가진 물질들을 다룰 때, 최근 안전성에 관한 연구가 핵심 연구 중에 하나로 주목받고 있다. 그 이유는, 제품 상용화에 있어 높은 에너지 밀도 구현에 따른 안전성 저하 때문이다. 최근 스마트폰 발화로 인한 사회적 그리고 기술적인 역풍들로 인해 특히 고에너지 밀도의 배터리 안전성 확보는 불가피하다. 특히 곧 다가올 차세대 전지들은 현존하는 리튬이온 배터리의 에너지 밀도가 실질적으로 최소 2배에서 최대 8배 정도 높기 때문에 전지와 전지를 다루는 시스템의 안전성에 관한 연구와 확인을 반드시 거쳐야 한다. 따라서 본 발명은 전지 발화 가능성이 높은 리튬금속 전지의 음극을 안정화시키고 내부단락이 일어나지 않도록 리튬 덴드라이트 형성과 확산을 억제를 해줄 수 있는 안정한 SEI 필름을 형성시킬 수 있는 리튬금속 전지 전해질에 대한 기술을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide an electrolyte system for maintaining energy density and prolonging battery life of a lithium metal anode-based secondary battery. The ultimate application goal of this technology is to use conventional lithium-ion batteries for future unmanned electric vehicles and power grid energy storage systems, as well as various anodes such as transition metal oxides, sulfur, and air poles used in high- Together they use lithium metal. It will also contribute to the development of the field of unmanned aerial vehicles such as the recently emerging drone. It is expected that the present invention can secure world competitiveness of the related secondary battery and electrochemical capacitor industry. Recently, safety studies have been attracting attention as one of the core researches, especially when dealing with materials with high density energy. The reason for this is the lowering of safety due to the implementation of high energy density in commercialization of products. Due to the recent social and technological ups and downs caused by smartphone firing, it is inevitable to secure battery safety with high energy density. In particular, next-generation batteries, which will be coming soon, must be studied and verified for the safety of systems handling batteries and batteries, since the energy density of existing lithium-ion batteries is practically at least two to eight times higher. Accordingly, the present invention is directed to a lithium metal battery electrolyte capable of stabilizing a negative electrode of a lithium metal battery having a high possibility of battery ignition and forming a stable SEI film capable of inhibiting the formation and diffusion of lithium dendrite so that internal short- .

도 1a 및 1b는 본 발명에 의한 전해질을 구성하고 있는 LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiDFOB, LiPF6, LiF 등의 염과 EC, DMC, VC, FEC, TFEC 등 용매의 분자구조를 보여준다.
도 2는 LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiDFOB, LiPF6 염들을 배합한 EC:DMC (4:6 중량비) 및 DME 전해질을 사용한 코인형 NCM(6/2/2) 양극을 사용한 리튬금속 전지의 특성을 보여준다.
도 3은 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 FEC 첨가비율에 따른 NCM(6/2/2) 양극을 사용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다.
도 4는 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 VC 첨가비율에 따른 NCM(6/2/2) 양극을 사용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다.
도 5는 도 3의 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 FEC 첨가비율에 따른 NCM(6/2/2) 양극을 사용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다.
도 6은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 VC 첨가비율에 따른 NCM(6/2/2) 양극을 사용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다.
도 7은 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 FEC와 VC 첨가용매를 적용한 NCM(6/2/2) 양극을 사용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다.
도 8은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 0.5중량% FEC와 0.5중량% FEC + 2중량% VC 첨가용매를 적용한 NCM(6/2/2) 양극을 사용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다.
도 9는 상기의 LiTFSI, LiBOB, LiPF6 염들과 EC:DMC외 첨가 용매를 넣지 않은 전해질과 첨가용매를 첨가한 전해질들을 적용하여 사이클 후 리튬표면을 SEM이미지를 찍은 것이다.
도 10은 상기의 LiTFSI, LiBOB, LiPF6 염들과 첨가용매를 포함하는 전해질을 적용한 셀을 1C에서 200 사이클 충방전한 다음, 리튬음극 표면을 XPS로 측정한 spectrum이다.
도 11은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 FEC 첨가비율에 따른 NCM(8/1/1) 양극을 사용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다.
도 12는 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1중량% FEC (중량비) 전해질 시스템에서 LiF (0.3 내지 1 M) 농도에 따른 NCM(8/1/1) 양극을 사용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다.
도 13은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC용매에 배합한 전해질에 TFEC 첨가용매의 중량비 0 내지 30 중량%를 첨가하여 NCM(8/1/1) 양극을 사용한 리튬금속 코인 셀 전지의 사이클 특성을 측정한 도면이다.
도 14는 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC, 0 중량% TFEC 전해질을 사용하여 1C 조건에서 20회 충방전한 후, 전지에서 분리한 리튬음극 표면의 XPS narrow scan spectra (C, O, F, B 원소들)를 보여준다.
도 15는 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC, 1 중량% TFEC 전해질을 사용하여 1C 조건에서 20회 충방전한 후, 전지에서 분리한 리튬음극 표면의 XPS narrow scan spectra (C, O, F, B 원소)를 보여준다.
도 16은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC, 3 중량% TFEC 전해질을 사용하여 1C 조건으로 충방전한 후, 전지에서 분리한 리튬음극 표면의 XPS narrow scan spectra (C, O, F, B 원소들)를 보여준다.
도 17은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC, 5 중량% TFEC 전해질을 사용하여 1C 조건에서 20회 충방전한 후, 전지에서 분리한 리튬음극 표면의 XPS narrow scan spectra (C, O, F, B 원소들)를 보여준다.
도 18은 도 14 내지 17의 C 1s와 F 1s 원소들의 narrow scan XPS spectra들을 나열한 것이며 각 피크들의 변화를 보여준다.
FIGS. 1A and 1B show the molecular structures of salts such as LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiDFOB, LiPF 6 , and LiF and solvents such as EC, DMC, VC, FEC and TFEC constituting the electrolyte according to the present invention.
FIG. 2 shows the characteristics of a lithium metal battery using ECM DMC (4: 6 weight ratio) in which LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiDFOB and LiPF 6 salts are mixed and a coin type NCM (6/2/2) anode using DME electrolyte Show.
3 is a graph showing the results of a lithium metal coin using an NCM (6/2/2) anode according to the FEC addition ratio in a 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) Cell battery characteristics.
FIG. 4 is a graph showing the results of a lithium metal coin using an NCM (6/2/2) anode according to VC addition ratio in a 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) Cell battery characteristics.
FIG. 5 is a graphical representation of a lithium metal coin cell using an NCM (6/2/2) anode according to the FEC addition ratio in a 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) It shows the characteristics of the battery.
6 shows the characteristics of a lithium metal coin cell cell using an NCM (6/2/2) anode according to VC addition ratio in a 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) Lt; / RTI >
FIG. 7 is a graph showing the results of a lithium ion battery using an NCM (6/2/2) anode coated with FEC and VC addition solvent in a 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: Metal coin cell battery.
8 is a graph showing the results of an NCM (6/2) application with 0.5 wt% FEC and 0.5 wt% FEC + 2 wt% VC added solvent in a 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: / 2) shows the characteristics of a lithium metal coin cell battery using an anode.
FIG. 9 is a SEM image of a lithium surface after a cycle by applying LiTFSI, LiBOB, and LiPF 6 salts and electrolytes to which EC and DMC are not added, and electrolytes to which an addition solvent is added.
FIG. 10 is a spectrum obtained by charging and discharging a cell to which an electrolyte including LiTFSI, LiBOB, LiPF 6 salts and an additive solvent is applied at 1 C for 200 cycles, and then measuring the surface of the lithium negative electrode by XPS.
11 shows the characteristics of a lithium metal coin cell cell using an NCM (8/1/1) anode according to FEC addition ratio in a 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) Lt; / RTI >
12 is a graph showing the results of an NCM (8/1/2) ratio according to LiF (0.3 to 1 M) concentration in a 1 wt% FEC (weight ratio) electrolyte system of 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC 1) shows the characteristics of a lithium metal coin cell battery using an anode.
FIG. 13 is a graph showing the effect of the addition of a TFEC-added solvent on the electrolyte mixed with 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF 6 salts in EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 wt% FEC, And a cycle characteristic of a lithium metal coin cell battery using an NCM (8/1/1) anode by adding 0 to 30% by weight in weight ratio.
14 is a graph showing the results of a comparison of 1 C (1 C) using 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF and 0.05 M LiPF 6 salts using EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 weight% FEC, 3 weight% VC, 0 weight% TFEC electrolyte (C, O, F, B elements) on the surface of the lithium anode separated from the battery after 20 charge / discharge cycles.
15 is a graph showing the results of a comparison of 1 C (1 C) using 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF 6 salts using EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 wt% FEC, 3 wt% (C, O, F, and B elements) on the surface of the lithium anode separated from the battery after 20 charge / discharge cycles.
Figure 16 shows the results of a 1 C solution of 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF 6 salts using EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 wt% FEC, 3 wt% And XPS narrow scan spectra (C, O, F, B elements) of the surface of the lithium anode separated from the battery.
17 is a graph showing the results of a comparison of 1 C (1 C) using 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF and 0.05 M LiPF 6 salts using EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 wt% FEC, 3 wt% (C, O, F, B elements) on the surface of the lithium anode separated from the battery after 20 charge / discharge cycles.
FIG. 18 is a list of narrow scan XPS spectra of the C 1s and F 1s elements of FIGS. 14-17, showing the variation of each peak.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다. Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면은 (a) LiFSI, LiTFSI, 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 제1 염, (b) LiBOB, LiDFOB 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 제2 염, (c) LiPF6를 포함하는 제3 염, (d) EC 및 DMC의 혼합물로 구성된 용매를 포함하는 리튬금속 이차전지용 전해질로서, (e) FEC 및 VC 중에서 선택된 1종 이상의 제1 용매성 첨가제를 추가로 포함하고, (f) TFEC를 제2 용매성 첨가제로 추가로 포함하며, 상기 제1 용매성 첨가제는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.4 내지 1.5 중량%의 FEC 및 0.01 내지 3.5 중량%의 VC 중에서 선택된 1종 이상이며, 상기 제2 용매성 첨가제의 농도는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 2.5 내지 4.5 중량%인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질에 관한 것이다.(B) a second salt selected from LiBOB, LiDFOB, and mixtures thereof; (c) a third salt comprising LiPF 6 , wherein the second salt is selected from the group consisting of (e) at least one first solvent additive selected from the group consisting of FEC and VC, and (f) at least one additive selected from the group consisting of (D) a mixture of EC and DMC, 2 solvent additive, wherein the first solvent additive is at least one selected from the group consisting of 0.4 to 1.5 wt% FEC and 0.01 to 3.5 wt% VC based on the total weight of the electrolyte, and the second solvent And the concentration of the additive is 2.5 to 4.5 wt% based on the total weight of the electrolyte.

일 구현예에 따르면, 상기 제1 염은 0.2 내지 0.4 M의 LiFSI 및 0.2 내지 0.4 M의 LiTFSI로 구성되거나, 또는 0.3 내지 1 M의 LiTFSI만으로 구성되며, 상기 LiPF6의 농도는 0.03 내지 0.07 M이며, 상기 EC 및 상기 DMC의 혼합 무게비는 3 내지 6 : 7 내지 4이다.According to one embodiment, the primary salt comprises 0.2 to 0.4 M of LiFSI and 0.2 to 0.4 M of LiTFSI, or consists only of 0.3 to 1 M of LiTFSI, and the concentration of LiPF 6 is 0.03 to 0.07 M , The mixing ratio by weight of the EC and the DMC is 3 to 6: 7 to 4.

다른 구현예에 따르면, 상기 제1 염은 0.5 내지 0.7 M의 LiTFSI만으로 구성되고, 상기 제2 염은 0.3 내지 0.5 M의 LiBOB만으로 구성되며, 상기 LiPF6의 농도는 0.04 내지 0.06 M이고, 상기 EC 및 상기 DMC의 혼합 무게비는 3.75 내지 5.25 : 6.25 내지 4.75이다.According to another embodiment, the first salt is composed of only 0.5 to 0.7 M of LiTFSI, the second salt is composed of only 0.3 to 0.5 M of LiBOB, the concentration of LiPF 6 is 0.04 to 0.06 M, the EC And the mixing ratio by weight of the DMC is 3.75 to 5.25: 6.25 to 4.75.

또 다른 구현예에 따르면, 이때 상기 제1 용매성 첨가제는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.3 중량%의 FEC이고, 선택적으로 VC를 0.01 내지 3.5 중량% 포함할 수도 있다. According to another embodiment, the first solventable additive is 0.5 to 1.3 wt.% FEC based on the total weight of the electrolyte, and optionally 0.01 to 3.5 wt.% VC.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 리튬금속 이차전지용 전해질은 LiF 염을 추가로 포함한다. According to another embodiment, the electrolyte for a lithium metal secondary battery further comprises a LiF salt.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 LiF 염의 농도는 0.3 내지 0.5 M이다. According to another embodiment, the concentration of the LiF salt is 0.3 to 0.5 M.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 용매성 첨가제는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.7 내지 1.3 중량%의 FEC이다. According to another embodiment, the first solventable additive is 0.7 to 1.3 wt.% FEC based on the total weight of the electrolyte.

가장 바람직한 구현예에 따르면, (a) LiTFSI, LiFSI, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 제1 염, (b) LiBOB 및 LiPF6의 혼합물로 구성된 제2 염, (c) EC 및 DMC의 혼합물로 구성된 용매를 포함하는 리튬금속 이차전지용 전해질로서, (d) FEC 및 VC 중에서 선택된 1종 이상의 제1 용매성 첨가제를 추가로 포함하고, (f) TFEC를 제2 용매성 첨가제로 추가로 포함하며, 상기 용매성 첨가제는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.4 내지 1.5 중량%의 FEC 및 0.01 내지 3.5 중량%의 VC 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질에 있어서, ① 상기 제1 염은 0.5 내지 0.7 M의 LiTFSI로만 구성되고, ② 상기 제2 염은 0.35 내지 0.45 M의 LiBOB만으로 구성되며, ③ 상기 LiPF6의 농도는 0.04 내지 0.06 M이고, ④ 특히 상기 EC 및 상기 DMC의 혼합 무게비는 3.75 내지 5.25 : 6.25 내지 4.75이며, ⑤ 0.3 내지 0.5 M 농도의 LiF 염을 추가로 포함하고, ⑥ 또한 상기 제1 용매성 첨가제로 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.8 내지 1.2 중량%의 FEC를 포함하고, 선택적으로 VC를 0.01 내지 3.5 중량% 포함하며, ⑦ 상기 제2 용매성 첨가제의 농도는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 2.5 내지 3.5 중량%인 것이 매우 중요하다.According to a most preferred embodiment, (a) a first salt selected from LiTFSI, LiFSI, or a mixture thereof, (b) a second salt consisting of a mixture of LiBOB and LiPF 6 , (c) (D) at least one first solventable additive selected from FEC and VC, (f) further comprising a TFEC as a second solvent additive, wherein the solvent Wherein the first additive is at least one selected from the group consisting of 0.4 to 1.5 wt% of FEC and 0.01 to 3.5 wt% of VC based on the total weight of the electrolyte. (3) the concentration of LiPF 6 is 0.04 to 0.06 M, (4) the mixing ratio by weight of EC and the DMC is 3.75 to 0.75 M, 5.25: 6.25 4. The method of claim 1, further comprising: (e) adding LiF salt in a concentration of 0.3 to 0.5 M; (6) additionally comprising 0.8 to 1.2 wt.% FEC based on the total weight of the electrolyte as the first solvent additive; To 3.5% by weight, and (7) the concentration of the second solventable additive is 2.5 to 3.5% by weight based on the total weight of the electrolyte.

위와 같은 7가지 조건이 충족되는 경우, XPS 분석 등을 통해, TFEC 부식으로 인해 -CF2-CF2와 -CF2-CH2에 대한 피크가 새롭게 형성되며, LiF 기반의 SEI의 물성이 변화됨을 확인하였다. 이는 보론을 포함하는 SEI가 지니는 특성 중에 하나인 치밀하고 단단한 성질을 그대로 유지시키는 동시에 새로운 결합점들인 ??CF2-CF2와 -CF2-CH2 들로부터 더욱 더 탄성적인 SEI로 변화시켜(도 9), SEI의 전기화학적 안정성과유지 특성을 좋게 하고, 계면저항이 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.When the above-mentioned seven conditions are satisfied, a peak for -CF 2 -CF 2 and -CF 2 -CH 2 is newly formed due to TFEC corrosion through XPS analysis and the physical properties of the LiF-based SEI are changed Respectively. This is achieved by maintaining the dense and rigid nature of SEI, including boron, while at the same time changing the new bonding points from CF 2 -CF 2 and -CF 2 -CH 2 to more elastic SEI 9), it was confirmed that the electrochemical stability and retention characteristics of SEI were improved and the interface resistance was kept constant.

위에서 언급한 효과의 향상 및 새로운 효과의 발현은 위 7가지 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않은 경우 관찰되지 않음을 확인하였으며, 또한, 이러한 효과는 리튬금속 그 자체를 음극으로 사용하는 리튬금속 이차전지나 카보네이트 계열의 전해질을 사용하는 리튬-황 이차전지 또는 리튬-공기 이차전지에 대해 위 전해질을 적용했을 때에만 나타나는 것으로서, 탄소재나 실리콘과 함께 음극으로 사용하는 리튬이온 이차전지에 대해서는 이와 같은 효과가 발현되지 않음을 확인하였다. 이는 리튬금속 표면에 직접적으로 SEI가 형성되기 때문으로 보이고, 이와 달리 리튬이온이 삽입 또는 탈리되는 메커니즘을 가진 리튬이온 이차전지의 전극, 예를 들어 흑연, 실리콘, 금속산화물 등의 물질에는 위와 같은 효과가 발현되지 않는 점을 의미한다. It was confirmed that the above-mentioned improvement of the effect and the development of the new effect were not observed when any one of the above seven conditions was not satisfied, and this effect was also confirmed by the lithium metal secondary battery or the carbonate using the lithium metal itself as the cathode This phenomenon occurs only when the above electrolyte is applied to a lithium-sulfur secondary battery or a lithium-air secondary battery using a series of electrolytes, and this effect is exhibited for a lithium ion secondary battery used as a cathode together with a carbon material or silicon Respectively. This is because SEI is directly formed on the surface of the lithium metal. On the other hand, the electrode of a lithium ion secondary battery having a mechanism in which lithium ions are inserted or removed, for example, graphite, silicon, Is not expressed.

특히, LiFSI, LiTFSI, TFEC는 부식작용을 통해서 리튬금속 표면에 리튬 플루오라이드(LiF) 및 ??CF2-CF2와 -CF2-CH2가 적당한 SEI 필름을 형성시켜 리튬이온의 전도율을 높여주는 기능을 한다. 또한 LiPF6에 비해 전기화학적으로도 안정하고, 열 안정성도 더 우수하다. LiBOB 역시 부식작용을 통해 보론과 Li2SOx의 성분을 갖는 SEI를 형성시켜 얇고 강건하면서도 리튬이온 전도율이 높은 SEI 필름을 형성시킨다. LiPF6 염은 리튬음극 표면의 SEI에 폴리카보네이트 성분을 포함시켜, 리튬 덴드라이트 형성과 형상을 제어하여 리튬음극의 전기화학적인 안정성을 향상시킨다. 이를 통해서, 리튬음극 표면에 안정한 SEI 필름을 형성시켜 리튬금속 전지의 수명과 에너지 밀도 유지율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.Particularly, LiFSI, LiTFSI, and TFEC have a function of forming a suitable SEI film of lithium fluoride (LiF) and? CF 2 -CF 2 and -CF 2 -CH 2 on the surface of lithium metal through a corrosive action to increase the conductivity of lithium ion Function. It is also electrochemically stable and has better thermal stability than LiPF 6 . LiBOB also forms SEI with the elements of boron and Li 2 SO x through corrosion, forming a thin and robust SEI film with high lithium ion conductivity. The LiPF 6 salt improves the electrochemical stability of the lithium negative electrode by controlling the formation and shape of the lithium dendrite by including a polycarbonate component in the SEI on the surface of the lithium negative electrode. Through this, it is possible to obtain a stable SEI film on the surface of the lithium anode to improve the lifetime and energy density retention of the lithium metal battery.

위와 같이 용매가 EC와 DMC의 혼합 용매이면서 각 염의 농도와 혼합 용매의 무게비가 모두 위의 조건을 만족하는 경우, LiFSI와 LiTFSI에 의한 양극 집전체인 알루미늄 부식이 차단되고(도 10), 동시에 덴드라이트의 형성이 억제되면서 형성된 소량의 덴드라이트 역시 안정하고 elastic한 SEI 형태의 구조를 확인할 수 있었다(도 9). 이와 같은 이질적 효과뿐만 아니라, 동질의 효과 역시 크게 향상되는바, 위와 같이 용매가 EC와 DMC의 혼합 용매이면서 각각의 첨가 용매와 염의 농도와 혼합 용매의 무게비가 모두 위의 조건을 만족하는 경우, 가장 안정한 SEI가 리튬-전해질 계면에 형성되어 매우 우수한 리튬금속 전지 특성을 나타낸다. When the solvent is a mixed solvent of EC and DMC and the concentration of each salt and the weight ratio of the mixed solvent satisfy both of the above conditions, aluminum corrosion as a positive electrode current collector by LiFSI and LiTFSI is blocked (FIG. 10) A small amount of dendrite formed by suppressing the formation of the dyes was also confirmed as a stable and elastic SEI type structure (FIG. 9). When the solvent is a mixed solvent of EC and DMC, and the concentration of each of the added solvent and the salt and the weight ratio of the mixed solvent satisfy both of the above conditions, A stable SEI is formed at the lithium-electrolyte interface and exhibits a very excellent lithium metal battery characteristic.

반면, 만약 위의 수치 범위 중 어느 하나라도 벗어나게 되면 LiFSI, LiTFSI, LiPF6, LiF 염과 FEC, VC, TFEC 첨가 용매의 변화된 조성 때문에 적합하지 않은 -F 결합체들의 양이 SEI에 포함되어 SEI의 기계적 특성과 전기화학적 특성을 악화시키며, 이는 리튬 음극의 계면 저항을 크게 만든다. 게다가, 만일 주된 염들(LiTFSI, LiBOB)의 농도가 벗어나면 낮은 LiBOB 용해도를 나타내게 되어 용해된 리튬염에 석출하는 전해액의 비안정성을 가져온다. 이와 같이 제안된 조성은 비단 리튬금속 전지의 전기화학적 특성뿐만 아니라 전해액의 안정성도 크게 향상시키는 역할을 한다. 특히, LiDFOB 등과 같은 다른 염 역시 소량이라도 포함되는 경우와 추가 용매인 FEC와 VC의 첨가비율이 상기의 수치를 벗어날 경우 SEI의 안정성이 떨어지며 전지수명이 줄어들고 음극의 저항 증가가 커지는 것을 확인하였다.On the other hand, if any of the above numerical ranges deviates, the amount of -F bonds not included due to the changed composition of LiFSI, LiTFSI, LiPF 6 , LiF salt and FEC, VC, TFEC added solvent is included in SEI, Deteriorates the characteristics and electrochemical characteristics, which makes the interface resistance of the lithium negative electrode large. In addition, if the concentration of the main salts (LiTFSI, LiBOB) is deviated, it exhibits low LiBOB solubility, resulting in the non-stability of the electrolytic solution precipitated in the dissolved lithium salt. The composition thus proposed not only improves the electrochemical characteristics of the lithium metal battery but also improves the stability of the electrolyte solution. In particular, it has been confirmed that when the addition amount of other salts such as LiDFOB is also included in a small amount and the addition ratio of FEC and VC as additional solvents deviate from the above values, the stability of SEI is lowered, battery life is shortened, and the resistance of the cathode increases.

본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 리튬금속 이차전지용 전해질을 포함하는 리튬금속 이차전지에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to a lithium metal secondary battery including an electrolyte for a lithium metal secondary battery according to various embodiments of the present invention.

일 구현예에 따르면, 상기 리튬금속 이차전지 내 양극의 재질은 리튬니켈코발트망간옥사이드, 리튬코발트옥사이드, 리튬망간옥사이드, 리튬니켈코발트옥사이드, 리튬인산철 중에 선택된 1종이다. According to one embodiment, the material of the positive electrode in the lithium metal secondary battery is one selected from the group consisting of lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel cobalt oxide, and lithium iron phosphate.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 양극의 재질은 리튬니켈코발트망간옥사이드이다. According to another embodiment, the material of the anode is lithium nickel cobalt manganese oxide.

본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 리튬금속 이차전지용 전해질을 포함하는 전기 디바이스에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to an electric device including an electrolyte for a lithium metal secondary battery according to various embodiments of the present invention.

일 구현예에 따르면, 상기 전기 디바이스는 통신장치, 운송장치, 에너지 저장장치, 음향장치 중에서 선택된 1종이다. According to one embodiment, the electric device is one selected from a communication device, a transportation device, an energy storage device, and a sound device.

이들 전기 디바이스의 구체적인 예에는 휴대폰, 뮤직 플레이어, 스피커, 드론, 자동차, 센서 등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다. Specific examples of these electrical devices include, but are not limited to, cell phones, music players, speakers, drones, automobiles, sensors, and the like.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구 범위에 속하는 것도 당연하다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다. In addition, the experimental results presented below only show representative experimental results of the embodiments and the comparative examples, and the respective effects of various embodiments of the present invention which are not explicitly described below will be specifically described in the corresponding part.

실시예Example

비교예 1: LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiPFComparative Example 1: LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiPF 66 염과 EC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성 Electrolyte synthesis using salt and EC: DMC solvent

우선 EC를 60 ℃에 녹인 후, DMC와 무게비 4:6으로 수분이 없는 환경에서 교반하면서 15 내지 30 분 동안 섞어, 혼합 용매를 제조하였다. 상기 혼합 용매에, 0.4 M 농도가 되도록 LiBOB 염을 12 내지 24 시간 동안 수분이 없는 환경에서 지속적으로 교반하면서 용해하였다. 여기에, 0.05 M 농도가 되도록 LiPF6 염을 6 내지 12 시간 동안 용해하였다. 추가적으로, 0.3 M 농도가 되도록 LiFSI와 0.3 M 농도가 되도록 LiTFSI 염을 용해하였다.First, the EC was melted at 60 DEG C and mixed with DMC at a weight ratio of 4: 6 in an environment free from water for 15 to 30 minutes with stirring to prepare a mixed solvent. The LiBOB salt was dissolved in the mixed solvent at a concentration of 0.4 M for 12 to 24 hours in a water-free environment with constant stirring. Here, the LiPF 6 salt was dissolved for 6 to 12 hours so as to have a concentration of 0.05 M. In addition, the LiTFSI salt was dissolved to a concentration of 0.3 M and a concentration of LiFSI and 0.3 M, respectively.

이렇게 제조한 (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in EC:DMC(4:6 w/w) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.A lithium metal battery was used in this manner (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 ) in EC: DMC (4: 6 w / w) electrolyte.

비교예 2: LiTFSI, LiBOB, LiPFComparative Example 2: LiTFSI, LiBOB, LiPF 66 염과 EC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성 Electrolyte synthesis using salt and EC: DMC solvent

우선 EC를 60 ℃에 녹인 후, DMC와 무게비 4:6으로 수분이 없는 환경에서 교반하면서 15 내지 30 분 동안 섞어, 혼합 용매를 제조하였다. 상기 혼합 용매에, 0.4 M 농도가 되도록 LiBOB 염을 12 내지 24 시간 동안 수분이 없는 환경에서 지속적으로 교반하면서 용해하였다. 여기에, 0.05 M 농도가 되도록 LiPF6 염을 6 내지 12 시간 동안 용해하였다. 추가적으로, 0.6 M 농도가 되도록 LiTFSI 염을 용해하였다.First, the EC was melted at 60 DEG C and mixed with DMC at a weight ratio of 4: 6 in an environment free from water for 15 to 30 minutes with stirring to prepare a mixed solvent. The LiBOB salt was dissolved in the mixed solvent at a concentration of 0.4 M for 12 to 24 hours in a water-free environment with constant stirring. Here, the LiPF 6 salt was dissolved for 6 to 12 hours so as to have a concentration of 0.05 M. In addition, the LiTFSI salt was dissolved to a concentration of 0.6 M.

이렇게 제조한 (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in EC:DMC(4:6 w/w) 전해질 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The thus prepared (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 ) in EC: DMC (4: 6 w / w) electrolyte electrolyte was used in the lithium metal battery.

비교예 3: LiFSI, LiDFOB, LiPFComparative Example 3: LiFSI, LiDFOB, LiPF 66 염과 EC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성 Electrolyte synthesis using salt and EC: DMC solvent

우선 EC를 60 ℃에 녹인 후, DMC와 무게비 4:6으로 수분이 없는 환경에서 교반하면서 15 내지 30 분 동안 섞어, 혼합 용매를 제조하였다. 상기 혼합 용매에, 0.4 M 농도가 되도록 LiDFOB 염을 3 내지 6 시간 동안 수분이 없는 환경에서 지속적으로 교반하면서 용해하였다. 여기에, 0.05 M 농도가 되도록 LiPF6 염을 6 내지 12 시간 동안 용해하였다. 추가적으로, 0.6 M 농도가 되도록 LiFSI 염을 용해하였다.First, the EC was melted at 60 DEG C and mixed with DMC at a weight ratio of 4: 6 in an environment free from water for 15 to 30 minutes with stirring to prepare a mixed solvent. To the mixed solvent, the LiDFOB salt was dissolved in 0.4 M concentration for 3 to 6 hours in a moisture-free environment with constant stirring. Here, the LiPF 6 salt was dissolved for 6 to 12 hours so as to have a concentration of 0.05 M. In addition, the LiFSI salt was dissolved to a concentration of 0.6 M.

이렇게 제조한 (0.6 M LiFSI + 0.4 M LiDFOB + 0.05 M LiPF6) in EC:DMC(4:6 w/w) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The thus prepared (0.6 M LiFSI + 0.4 M LiDFOB + 0.05 M LiPF 6 ) in EC: DMC (4: 6 w / w) electrolyte was used in the lithium metal battery.

비교예 4: LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiPFComparative Example 4: LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiPF 66 염과 FEC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성 Salt and FEC: Electrolyte synthesis using DMC solvent

FEC를 DMC와 무게비 3:7로 수분이 없는 환경에서 교반하면서 15 내지 30 분 동안 섞어, 혼합 용매를 제조하였다. 상기 혼합 용매에, 0.4 M 농도가 되도록 LiBOB 염을 12 내지 24 시간 동안 수분이 없는 환경에서 지속적으로 교반하면서 용해하였다. 여기에, 0.05 M 농도가 되도록 LiPF6 염을 6 내지 12 시간 동안 용해하였다. 추가적으로, 0.3 M 농도가 되도록 LiFSI와 0.3 M 농도가 되도록 LiTFSI 염을 용해하였다.FEC was mixed with DMC at a weight ratio of 3: 7 for 15 to 30 minutes while stirring in a water-free environment to prepare a mixed solvent. The LiBOB salt was dissolved in the mixed solvent at a concentration of 0.4 M for 12 to 24 hours in a water-free environment with constant stirring. Here, the LiPF 6 salt was dissolved for 6 to 12 hours so as to have a concentration of 0.05 M. In addition, the LiTFSI salt was dissolved to a concentration of 0.3 M and a concentration of LiFSI and 0.3 M, respectively.

이렇게 제조한 (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in FEC:DMC(3:7 w/w) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.A lithium metal battery was used in this manner (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 ) in FEC: DMC (3: 7 w / w) electrolyte.

비교예 5a 및 5b: LiTFSI, LiBOB, LiPFComparative Examples 5a and 5b: LiTFSI, LiBOB, LiPF 66 염과 FEC:DMC 또는 VC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성 Salt and FEC: Electrolyte synthesis using DMC or VC: DMC solvent

FEC와 DMC 또는 VC와 DMC를 각각 무게비 3:7과 3:7로 수분이 없는 환경에서 교반하면서 15 내지 30 분 동안 섞어, 혼합 용매를 제조하였다. 상기 혼합 용매에, 0.4 M 농도가 되도록 LiBOB 염을 12 내지 24 시간 동안 수분이 없는 환경에서 지속적으로 교반하면서 용해하였다. 여기에, 0.05 M 농도가 되도록 LiPF6 염을 6 내지 12 시간 동안 용해하였다. 추가적으로, 0.6 M 농도가 되도록 LiTFSI 염을 용해하였다.Mixed solvents were prepared by mixing FEC and DMC or VC and DMC in a weight ratio of 3: 7 and 3: 7, respectively, for 15 to 30 minutes while stirring in a moisture-free environment. The LiBOB salt was dissolved in the mixed solvent at a concentration of 0.4 M for 12 to 24 hours in a water-free environment with constant stirring. Here, the LiPF 6 salt was dissolved for 6 to 12 hours so as to have a concentration of 0.05 M. In addition, the LiTFSI salt was dissolved to a concentration of 0.6 M.

이렇게 제조한 (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in (FEC:DMC(3:7 w/w) 또는 VC:DMC(3:7 w/w)전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The thus prepared (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6) in (FEC: DMC (3: 7 w / w) or VC: DMC (3: a 7 w / w) the electrolyte used in the lithium metal battery .

비교예 6: LiPFComparative Example 6: LiPF 6 66 염과 EC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성 Electrolyte synthesis using salt and EC: DMC solvent

우선 EC를 60 ℃에 녹인 후, DMC와 무게비 4:6로 수분이 없는 환경에서 교반하면서 15 내지 30 분 동안 섞어, 혼합 용매를 제조하였다. 상기 혼합 용매에, 1 M 농도가 되도록 LiPF6 염을 12 내지 24 시간 동안 수분이 없는 환경에서 지속적으로 교반하면서 용해하였다.First, EC was dissolved at 60 DEG C and mixed with DMC at a weight ratio of 4: 6 in an environment free from water for 15 to 30 minutes with stirring to prepare a mixed solvent. The LiPF 6 salt was dissolved in the mixed solvent so as to have a concentration of 1 M for 12 to 24 hours in a water-free environment with constant stirring.

이렇게 제조한 (1 M LiPF6) in EC:DMC(4:6 w/w) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The thus prepared (1 M LiPF 6 ) in EC: DMC (4: 6 w / w) electrolyte was used for the lithium metal battery.

비교예 7a 내지 7e: LiTFSI, LiBOB, LiPFComparative Examples 7a to 7e: LiTFSI, LiBOB, LiPF 66 , LiF 염과 EC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성, Electrolyte synthesis using LiF salt and EC: DMC solvent

우선 EC를 60 ℃에 녹인 후, DMC와 무게비 4:6으로 수분이 없는 환경에서 교반하면서 15 내지 30 분 동안 섞어, 혼합 용매를 제조하였다. 상기 혼합 용매에, 0.4 M 농도가 되도록 LiBOB 염을 12 내지 24 시간 동안 수분이 없는 환경에서 지속적으로 교반하면서 용해하였다. 여기에, 0.05 M 농도가 되도록 LiPF6 염을 6 내지 12 시간 동안 용해하였다. 추가적으로, 0.6 M 농도가 되도록 LiTFSI 염을 용해하였다. 이에 더하여, 농도가 각각 0.3 M, 0.4 M, 0.5 M, 0.7 M, 1 M 농도가 되도록 LiF 염을 추가로 용해하였다.First, the EC was melted at 60 DEG C and mixed with DMC at a weight ratio of 4: 6 in an environment free from water for 15 to 30 minutes with stirring to prepare a mixed solvent. The LiBOB salt was dissolved in the mixed solvent at a concentration of 0.4 M for 12 to 24 hours in a water-free environment with constant stirring. Here, the LiPF 6 salt was dissolved for 6 to 12 hours so as to have a concentration of 0.05 M. In addition, the LiTFSI salt was dissolved to a concentration of 0.6 M. In addition, LiF salt was further dissolved so that the concentrations were 0.3 M, 0.4 M, 0.5 M, 0.7 M and 1 M, respectively.

이렇게 제조한 (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6 + 0.3 내지 1 M LiF) in EC:DMC(4:6 w/w) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The electrolyte (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 + 0.3 to 1 M LiF) in EC: DMC (4: 6 w / w) electrolyte thus prepared was used in a lithium metal battery.

실시예 1a 및 1b: FEC 용매를 첨가한 전해질 합성Examples 1a and 1b: Electrolyte synthesis with FEC solvent added

상기 비교예 1에서 제조한 전해질에 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 FEC를 각각 0.5 중량% 및 5 중량%를 첨가하여 1시간 동안 수분이 없는 환경에서 교반하여 첨가하였다. FEC was added to the electrolyte prepared in Comparative Example 1 in an amount of 0.5 wt% and 5 wt% based on the total weight of the electrolyte, and the mixture was stirred for 1 hour in an environment free from moisture.

이렇게 제조한 (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in (EC:DMC(4:6 w/w) + 0.5 또는 5 중량% FEC) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The thus prepared (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6) in a (EC:: DMC (4 6 w / w) + 0.5 or 5% by weight FEC) the electrolyte used in the lithium metal battery .

실시예 2a 내지 2e: VC 용매를 첨가한 전해질 합성Examples 2a to 2e: Electrolyte synthesis with addition of VC solvent

상기 비교예 1에서 제조한 전해질에 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 VC를 각각 0.5 중량%, 1 중량%, 2 중량%, 3 중량%, 5 중량%를 첨가하여 1시간 동안 수분이 없는 환경에서 교반하여 첨가하였다. 0.5 wt%, 1 wt%, 2 wt%, 3 wt%, and 5 wt% of VC were added to the electrolyte prepared in Comparative Example 1 based on the total weight of the electrolyte, and stirred for 1 hour in an environment free from moisture Lt; / RTI >

이렇게 제조한 (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in (EC:DMC(4:6 w/w) + 0.5 내지 2 중량% VC) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The electrolyte thus prepared (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 ) in (EC: DMC (4: 6 w / w) + 0.5 to 2 wt% VC) .

실시예 3: FEC + VC 용매를 첨가한 전해질 합성Example 3: Electrolyte synthesis with FEC + VC solvent added

상기 비교예 1에서 제조한 전해질에 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 FEC를 0.5 중량% 및 VC 2 중량%를 첨가하여 1시간 동안 수분이 없는 환경에서 교반하여 첨가하였다. The electrolyte prepared in Comparative Example 1 was added with 0.5 wt% of FEC and 2 wt% of VC, based on the total weight of the electrolyte, and stirred for 1 hour in an environment free from moisture.

이렇게 제조한 (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in (EC:DMC(4:6 w/w) + 0.5 중량% FEC + 2 중량% VC) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The electrolyte thus prepared (0.3 M LiFSI + 0.3 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 ) in (EC: DMC (4: 6 w / w) + 0.5 wt% FEC + 2 wt% Lt; / RTI >

실시예 4a 내지 4i: FEC 용매를 첨가한 전해질 합성Examples 4a to 4i: Electrolyte synthesis with FEC solvent added

상기 비교예 2에서 제조한 전해질에 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 FEC를 각각 0.3 중량%, 0.5 중량%, 0.7 중량%, 1 중량%, 3 중량%, 5 중량%, 7 중량%, 10 중량%, 20 중량%를 첨가하여 1시간 동안 수분이 없는 환경에서 교반하여 첨가하였다. The electrolyte prepared in Comparative Example 2 contained 0.3 wt%, 0.5 wt%, 0.7 wt%, 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 7 wt%, and 10 wt% of FEC, , 20% by weight, and the mixture was stirred for 1 hour in a moisture-free environment.

이렇게 제조한 (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in (EC:DMC(4:6 w/w) + 0.3 내지 20 중량% FEC) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The electrolyte thus prepared (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 ) in (EC: DMC (4: 6 w / w) + 0.3 to 20 wt% FEC) electrolyte was used in the lithium metal battery.

실시예 5: VC 용매를 첨가한 전해질 합성Example 5: Electrolyte synthesis with VC solvent added

상기 비교예 2에서 제조한 전해질에 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 VC를 2 중량%를 첨가하여 1시간 동안 수분이 없는 환경에서 교반하여 첨가하였다. 2% by weight of VC was added to the electrolyte prepared in Comparative Example 2 based on the total weight of the electrolyte, and the mixture was stirred for 1 hour in an environment free from moisture.

이렇게 제조한 (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in (EC:DMC(4:6 w/w) + 2 중량% VC) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The electrolyte thus prepared (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 ) in (EC: DMC (4: 6 w / w) + 2 wt% VC) electrolyte was used in lithium metal batteries.

실시예 6: FEC + VC 용매를 첨가한 전해질 합성Example 6: Electrolyte synthesis with FEC + VC solvent added

상기 비교예 2에서 제조한 전해질에 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 FEC를 0.5 중량% 및 VC 2 중량%를 첨가하여 1시간 동안 수분이 없는 환경에서 교반하여 첨가하였다. To the electrolyte prepared in Comparative Example 2, 0.5 wt% of FEC and 2 wt% of VC were added based on the total weight of the electrolyte, and the mixture was stirred for 1 hour in an environment free from moisture.

이렇게 제조한 (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6) in (EC:DMC(4:6 w/w) + 0.5 중량% FEC + 2 중량% VC) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The electrolyte thus prepared (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 ) in (EC: DMC (4: 6 w / w) + 0.5 wt% FEC + 2 wt% VC) electrolyte was used in lithium metal batteries.

실시예 7a 내지 7e: LiTFSI, LiBOB, LiPFExamples 7a to 7e: LiTFSI, LiBOB, LiPF 66 , LiF 염과 EC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성, Electrolyte synthesis using LiF salt and EC: DMC solvent

상기 실시예 4d에서 제조한 전해질에 각각 농도가 0.3 M, 0.4 M, 0.5 M, 0.7 M, 1 M이 되도록 LiF 염을 추가로 용해하였다. LiF salt was further dissolved in the electrolyte prepared in Example 4d such that the concentration was 0.3 M, 0.4 M, 0.5 M, 0.7 M and 1 M, respectively.

이렇게 제조한 (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6 + 0.3 내지 1 M LiF) in (EC:DMC(4:6 w/w) + 1 중량% FEC) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The electrolyte thus prepared (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 + 0.3 to 1 M LiF) in (EC: DMC (4: 6 w / w) + 1 wt% FEC) .

실시예 2-1: LiTFSI, LiBOB, LiF, LiPFExample 2-1: LiTFSI, LiBOB, LiF, LiPF 66 염과 EC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성 Electrolyte synthesis using salt and EC: DMC solvent

우선 EC를 60 ℃에 녹인 후 DMC와 무게비 4:6으로 수분이 없는 환경에서 교반하면서 15 내지 30 분 동안 섞어, 혼합 용매를 제조하였다. 상기 혼합 용매에, 0.4 M 농도가 되도록 LiBOB 염을 12 내지 24 시간 동안 수분이 없는 환경에서 지속적인 교반을 통하여 용해하였다. 여기에, 0.05 M 농도가 되도록 LiPF6 염을 6 내지 12 시간 동안 용해하였다. 추가적으로, 0.6 M 농도가 되도록 LiTFSI염을 용해하였다. 이에 더하여, 0.4 M 농도가 되도록 LiF 염을 추가로 용해하였다. 여기에, 전해질의 전체 중량을 기준으로 각각 1 중량% 및 3 중량%의 FEC 및 VC를 첨가하여 1 시간 동안 수분이 없는 환경에서 교반하였다.First, EC was melted at 60 DEG C and mixed with DMC at a weight ratio of 4: 6 in an environment free from water for 15 to 30 minutes with stirring to prepare a mixed solvent. To the mixed solvent, the LiBOB salt was dissolved by continuous stirring in a moisture-free environment for 12 to 24 hours so as to have a concentration of 0.4 M. Here, the LiPF 6 salt was dissolved for 6 to 12 hours so as to have a concentration of 0.05 M. In addition, the LiTFSI salt was dissolved to a concentration of 0.6 M. In addition, a LiF salt was further dissolved so as to have a concentration of 0.4 M. Here, 1% by weight and 3% by weight of FEC and VC, respectively, were added based on the total weight of the electrolyte, and the mixture was stirred in a moisture-free environment for 1 hour.

이렇게 제조한 (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6 + 0.4 M LiF) in (EC:DMC(4:6 w/w) + 1 중량% FEC + 3 중량% VC) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.The electrolyte thus prepared (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 + 0.4 M LiF) in (EC: DMC (4: 6 w / w) + 1 wt% FEC + 3 wt% Lt; / RTI >

실시예 2-2a 내지 2-2i: LiTFSI, LiBOB, LiF, LiPFExamples 2-2a to 2-2i: LiTFSI, LiBOB, LiF, LiPF 66 염과 EC:DMC 용매를 사용한 전해질 합성 Electrolyte synthesis using salt and EC: DMC solvent

상기 실시예 2-1에서 제조한 전해질에 전해질 전체 중량을 기준으로 각각 0.5 중량%, 1 중량%, 3 중량%, 5 중량%, 7 중량%, 10 중량%, 15 중량%, 20 중량%, 30 중량%의 TFEC를 첨가하여 2 시간 동안 수분이 없는 환경에서 교반하였다. 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20, and 20 weight percent, based on the total weight of the electrolyte, of the electrolyte prepared in Example 2-1. 30% by weight of TFEC was added and stirred for 2 hours in a moisture free environment.

이렇게 제조한 (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF6 + 0.4 M LiF) in (EC:DMC(4:6 w/w) + 1 중량% FEC + 3 중량% VC + 0.5 내지 30 중량% TFEC) 전해질을 리튬금속 전지에 사용하였다.(EC: DMC (4: 6 w / w) + 1% by weight FEC + 3% by weight VC + 0.5 to 30% by weight of (0.6 M LiTFSI + 0.4 M LiBOB + 0.05 M LiPF 6 + TFEC) electrolyte was used for the lithium metal battery.

개질된 전해질의 리튬금속 전지 전기화학적 분석Electrochemical Analysis of Lithium Metal Cells of Modified Electrolytes

위 제조된 전해질들을 적용한 리튬금속 이차전지의 코인 셀에 정전류 충전과 방전 시험을 실시하여 리튬금속 전지의 전기화학적 특성을 측정하였다. 코인 셀 제조에 리튬금속(1.5 cm 직경, 두께 150 μm의 원판), 두께 25 μm의 PP분리막(직경, 1.8 cm), NCM 양극(8/1/1조성의 3.8 mAh/cm2 로딩, 직경 1.2 cm), 30 μL의 상기 전해질을 사용하여 전기화학적인 특성을 측정하였고, 이 때 가한 전압 범위는 3 내지 4.2 V 이었으며 4.2 V에 도달했을 때 정전압 모드로 전류 값이 0.05 C될 때까지 충전하였다. 전지의 첫 번째 충전과 방전은 포메이션 과정으로 0.1 C로 진행되었으며 그 이후에는 1 C로 지속적인 충방전을 하였다.
The electrochemical characteristics of the lithium metal battery were measured by conducting constant current charging and discharging tests on the coin cell of the lithium metal secondary battery to which the above prepared electrolytes were applied. Lithium metal (1.5 cm diameter, 150 μm thick disc), 25 μm thick PP membrane (diameter 1.8 cm), NCM anode (3.8 mAh / cm 2 loading of 8/1/1 composition, diameter 1.2 cm), and 30 μL of the electrolyte was used to measure the electrochemical characteristics. The applied voltage range was 3 to 4.2 V, and when the voltage reached 4.2 V, the cell was charged to the constant voltage mode until the current value reached 0.05 C. The first charge and discharge of the battery proceeded to 0.1 C in the forming process, and thereafter was continuously charged and discharged at 1 C thereafter.

이하에서는 도면을 참조하여 분석 결과를 상세히 설명한다. Hereinafter, the analysis results will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiDFOB, LiPF6 염들을 배합한 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질을 사용한 코인형 리튬금속 전지의 특성을 보여준다. 1 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1C는 비교 데이터이며 80 사이클에서 전지 수명이 끝나 버린 반면, 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1C와 0.6M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 배합을 가진 전해질 시스템이 다소 안정적인 용량 유지율과 수명특성을 보여주고는 있지만, 본 발명의 실시예에 따른 전해질 시스템에 비해서는 상당히 저조하기는 한 점을 확인할 수 있다. 여기서 사용된 양극은 NCM (6/2/2) 이다.FIG. 2 shows the characteristics of a coin type lithium metal battery using an EC: DMC (4: 6 weight ratio) electrolyte containing LiFSI, LiTFSI, LiBOB, LiDFOB and LiPF 6 salts. 1 M LiPF 6 EC: DMC ( 4: 6 weight ratio) 1C, while the comparison data is lost, the battery life ended in 80 cycles, 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI , 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) electrolyte system having a composition of 1C and 0.6M LiTFSI, 0.4M LiBOB, 0.05M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) shows somewhat stable capacity retention and life characteristics, It is possible to confirm that the electrolyte system according to the present invention is significantly lower than the electrolyte system according to the present invention. The anode used here is NCM (6/2/2).

도 3은 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 FEC 첨가비율에 따른 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다. 1 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1C는 비교 데이터인데, 80 사이클에서 전지 수명이 끝나는 반면, 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비)에 FEC가 첨가된 1C 코인 셀은 다소 향상된 수명 특성을 보여주며, FEC가 0.5 중량% 첨가됐을 때 가장 안정한 용량 유지율을 보여준다. 이는 FEC로부터 형성되는 적당한 양의 LiF 기반의 SEI가 리튬 음극에 형성되며 NCM양극의 SEI도 안정화를 시키기 때문이다. 여기서 사용된 양극은 NCM (6/2/2) 이다.FIG. 3 shows the characteristics of a lithium metal coin cell cell according to FEC addition ratios in 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) electrolyte system. 1 M LiPF 6 EC: DMC ( 4: 6 weight ratio) 1C is the comparison data, on the other hand, the battery life and ending at 80 cycles, 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI , 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio), the FEC-added 1C coin cell exhibits somewhat improved lifetime characteristics and shows the most stable capacity retention rate when 0.5 wt% of FEC is added. This is because an appropriate amount of LiF-based SEI formed from the FEC is formed on the lithium anode and the SEI of the NCM anode is also stabilized. The anode used here is NCM (6/2/2).

도 4는 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 VC 첨가비율에 따른 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다. 1 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1C는 비교 데이터인데, 80 사이클에서 전지 수명이 끝나는 반면, 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비)에 VC가 첨가된 코인 셀은 1C 조건 충방전에서 다소 향상된 수명 특성을 보여주며 VC가 0.5 중량% 혹은 2 중량% 첨가됐을 때 가장 안정한 용량 유지율을 보여준다. 이는 리튬 음극과 NCM양극에서 VC로부터 형성되는 SEI가 전해질과의 부반응을 억제시키고 전기화학적 표면 안정화를 시키기 때문이다. 여기서 사용된 양극은 NCM (6/2/2) 이다.FIG. 4 shows the characteristics of a lithium metal coin cell cell according to VC addition ratio in 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) electrolyte system. 1 M LiPF 6 EC: DMC ( 4: 6 weight ratio) 1C is the comparison data, on the other hand, the battery life and ending at 80 cycles, 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI , 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) showed a somewhat improved lifetime characteristics at 1C condition and showed the most stable capacity retention rate when 0.5 wt% or 2 wt% of VC was added. This is because the SEI formed from the VC at the lithium negative electrode and the NCM suppresses the side reaction with the electrolyte and provides the electrochemical surface stabilization. The anode used here is NCM (6/2/2).

도 5는 도 3의 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 FEC 첨가비율에 따른 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다. 1 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1C는 비교 데이터인데, 80 사이클에서 전지 수명이 끝나는 반면, 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비)에 FEC가 첨가된 코인 셀은 1C 충방전 하에서 다소 향상된 수명 특성을 보여주며 FEC가 0.5 중량% 첨가됐을 때 가장 안정한 용량 유지율을 보여준다. 이는 FEC로부터 형성되는 적당한 양의 LiF 기반의 SEI가 리튬 음극에 형성되며 NCM양극의 SEI도 안정화를 시키기 때문이다. 여기서 사용된 양극은 NCM (6/2/2) 이다.FIG. 5 shows the characteristics of a lithium metal coin cell cell according to the FEC addition ratio in the 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) electrolyte system of FIG. 1 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) 1C is comparative data, while battery life is terminated at 80 cycles, while 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC The coin cell with FEC exhibits somewhat improved lifetime characteristics under 1 C charge and discharge and shows the most stable capacity retention rate when 0.5 wt% of FEC is added. This is because an appropriate amount of LiF-based SEI formed from the FEC is formed on the lithium anode and the SEI of the NCM anode is also stabilized. The anode used here is NCM (6/2/2).

도 6은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 VC 첨가비율에 따른 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다. 1 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1C는 비교 데이터인데, 80 사이클에서 전지 수명이 끝나는 반면, 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비)에 VC가 첨가된 코인 셀은 1C 충방전 조건 하에서 다소 향상된 수명 특성을 보여주며 VC가 2 중량% 첨가됐을 때 가장 안정한 용량 유지율을 보여준다. 이는 리튬 음극과 NCM양극에서 VC로부터 형성되는 SEI가 전해질과의 부반응을 억제시키고 전기화학적 표면 안정화를 시키기 때문이다. 여기서 사용된 양극은 NCM (6/2/2) 이다.FIG. 6 shows the characteristics of a lithium metal coin cell cell according to the VC addition ratio in a 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) electrolyte system. 1 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) 1C is comparative data, while battery life is terminated at 80 cycles, while 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC The coin cell with VC added exhibits somewhat improved lifetime characteristics under 1C charge and discharge conditions and shows the most stable capacity retention rate when 2 wt% of VC is added. This is because the SEI formed from the VC at the lithium negative electrode and the NCM suppresses the side reaction with the electrolyte and provides the electrochemical surface stabilization. The anode used here is NCM (6/2/2).

도 7은 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 최적화된 FEC와 VC 첨가용매를 적용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다. 1 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1C는 비교 데이터인데, 80 사이클에서 전지 수명이 끝나는 반면, 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비)에 최적화된 0.5 중량% FEC와 2 중량% VC 첨가용매를 사용한 코인 셀은 1C 충방전 조건에서도 가장 안정한 수명 특성을 보여주며 첨가용매를 사용하지 않은 전해질 시스템보다 더 안정한 수명특성을 보여준다. 여기서 사용된 양극은 NCM (6/2/2) 이다.FIG. 7 shows the characteristics of a lithium metal coin cell cell using an optimized FEC and VC addition solvent in 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) electrolyte system. 1 M LiPF 6 EC: DMC ( 4: 6 weight ratio) 1C is the comparison data, on the other hand, the battery life and ending at 80 cycles, 0.3 M LiFSI, 0.3 M LiTFSI , 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio), the coin cell with 0.5 wt% FEC and 2 wt% VC additive showed the most stable lifetime characteristics even at 1C charge / discharge condition and showed more stable lifetime characteristics than the electrolyte system without added solvent. The anode used here is NCM (6/2/2).

도 8은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 최적화된 0.5중량% FEC와 0.5중량% FEC + 2중량% VC 첨가용매를 적용한 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다. 1 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1C는 비교 데이터인데, 80 사이클에서 전지 수명이 끝나고 첨가용매들을 넣지 않은 전해질은 400 사이클에서 전지 수명이 끝나는 반면, 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량%)에 최적화된 0.5 중량% FEC와 2 중량% VC 같이 혹은 FEC만 첨가한 용매를 사용한 코인 셀은 1C 충방전 조건에서도 안정한 수명 특성을 보여주며 첨가용매를 사용하지 않은 전해질 시스템보다 더 안정한 수명특성을 보여준다.8 is a graph showing the results of a lithium metal coin applied with 0.5 wt% FEC and 0.5 wt% FEC + 2 wt% VC added solvent optimized in 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) Cell battery characteristics. 1 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) 1C is comparative data. At the end of the battery life at 80 cycles and at the end of the battery life at the end of 400 cycles of the electrolyte without the addition solvent, 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC Coin cell using 0.5 wt% FEC and 2 wt% VC optimized for DMC (4: 6 wt%) or solvent added with FEC shows stable lifetime characteristics even under 1C charge / discharge conditions It shows more stable lifetime characteristics than non-solvent-based electrolyte systems.

도 9는 상기의 LiTFSI, LiBOB, LiPF6 염들과 EC:DMC외 첨가 용매를 넣지 않은 전해질과 첨가 용매를 첨가한 전해질들을 적용하여 사이클 후 리튬표면을 SEM 이미지를 찍은 것이다. 1C에서 충방전을 200 사이클을 진행한 후의 셀들에서 LiTFSI, LiBOB, LiPF6 염들과 EC:DMC외 첨가 용매를 넣지 않은 전해질을 사용한 경우의 셀(a)에서의 고표면적인 리튬 덴드라이트 형성이 첨가용매를 포함하는 전해질(b)보다 높았으며 표면의 조도도 덜 거칠었다. 이는 상기의 염들과 첨가용매의 적절한 배합으로 인하여 형성되는 안정하고 탄성있는 SEI가 리튬음극 표면에 형성되었기 때문이다.FIG. 9 is a SEM image of a lithium surface after a cycle by applying LiTFSI, LiBOB, and LiPF 6 salts and electrolytes to which EC and DMC are not added, and electrolytes to which an addition solvent is added. The high surface area lithium dendrite formation in the cell (a) in the case where LiTFSI, LiBOB, LiPF 6 salts and EC: DMC were not added to the electrolyte after the 200 cycles of charging and discharging at 1C were used, (B) containing the solvent and the roughness of the surface was less coarse. This is because a stable and elastic SEI is formed on the surface of the lithium anode, which is formed by proper combination of the salts and the addition solvent.

도 10은 상기의 LiTFSI, LiBOB, LiPF6 염들과 첨가용매를 포함하는 전해질을 적용한 셀을 1C에서 200 사이클 충방전한 다음, 리튬음극 표면을 XPS로 측정한 스펙트럼이다. LiTFSI, LiBOB, LiPF6 염들과 첨가용매를 포함하는 전해질시스템을 사용하여 장시간동안 사이클 하였음에도 Al이 검출되지 않았으며, 주된 염의 조성으로부터 형성되는 SEI에서 Li (13.99%), B (3.16%), C (26.81%), N (3.41%), O (34%), F (12.41%), S (5.41%)이 검출되었다. 이는 상기의 염들의 적절한 배합으로 인하여 Al 부식이 억제되었음을 알려준다.FIG. 10 is a spectrum obtained by charging and discharging a cell to which an electrolyte including LiTFSI, LiBOB, LiPF 6 salts and an addition solvent is applied at 1 C for 200 cycles, and then measuring the surface of the lithium negative electrode by XPS. (13.99%), B (3.16%), and C (3.16%) in the SEI formed from the main salt composition, even though the electrolyte system including LiTFSI, LiBOB, LiPF 6 salts and an additive solvent was used for a long period of time, (26.81%), N (3.41%), O (34%), F (12.41%) and S (5.41%) were detected. This indicates that Al corrosion was suppressed due to the proper combination of the salts mentioned above.

도 11은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 전해질 시스템에서 FEC 첨가비율에 따른 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다. 1 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1C는 비교 데이터인데, 30 사이클에서 전지 수명이 끝나는 반면, 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비)에 최적화된 1 중량% FEC 첨가용매를 사용한 코인 셀은 1C 충방전 조건에서도 가장 안정한 수명 특성을 보여주며 첨가용매를 사용하지 않은 전해질 시스템보다 더 안정한 수명특성을 보여준다. 여기서 사용된 양극은 NCM (8/1/1) 이다. 상기 양극과는 달리 고 에너지 밀도의 NCM양극을 사용시 최적화된 FEC 첨가비율을 찾기 위한 실험이다.FIG. 11 shows the characteristics of a lithium metal coin cell cell according to FEC addition ratios in a 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) electrolyte system. 1 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) 1C is comparative data, while battery life is ended at 30 cycles, while 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC The coin cell using the optimized 1 wt% FEC addition solvent shows the most stable lifetime characteristics even under the 1C charge / discharge condition and shows more stable lifetime characteristics than the electrolyte system which does not use the additive solvent. The anode used here is NCM (8/1/1). Unlike the above anode, it is an experiment to find the optimum FEC addition ratio when NCM anode of high energy density is used.

도 12는 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1중량% FEC (중량비) 전해질 시스템에서 LiF (0.3 내지 1 M) 농도에 따른 리튬금속 코인 셀 전지의 특성을 보여준다. 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) 1중량% FEC (중량비)에 최적화된 LiF농도는 0.4 M이다. 최적화된 LiF염을 첨가한 용매를 사용한 코인 셀은 1C 충방전 조건에서도 가장 안정한 수명 특성을 보여준다. 여기서 사용된 양극은 NCM (8/1/1)이다. 상기 양극과는 달리 고 에너지 밀도의 NCM양극을 사용 시 최적화된 LiF 첨가비율을 찾기 위한 실험이다.FIG. 12 is a graph showing the change in the concentration of LiF (0.3 to 1 M) in a 1 wt% FEC (weight ratio) electrolyte system of 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC Properties. 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.05 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) The LiF concentration optimized for 1 wt% FEC (weight ratio) is 0.4 M. Coin cells using a solvent with optimized LiF salt show the most stable life characteristics even under 1C charge and discharge conditions. The anode used here is NCM (8/1/1). Unlike the above-mentioned anode, it is an experiment to find a ratio of LiF added optimized when a high energy density NCM anode is used.

도 13은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC용매에 배합한 전해질에 TFEC 첨가용매의 중량비 0 내지 30 중량%를 첨가하여 사이클 특성을 측정한 도면이다. 1 M LiPF6 EC:DMC (4:6 중량비) [Conventional] 1C는 비교 데이터로서, 30 사이클에서 전지 수명이 끝나 버린 반면, 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC, 3 중량% TFEC 배합을 갖는 전해질 시스템은 매우 안정적인 용량 유지율과 수명 특성을 보여준다. 여기서 사용된 양극은 NCM (8/1/1) 이며, TFEC 중량비율 0 내지 30 중량% 중에 3 중량%를 첨가하는 것이 가장 바람직하다.FIG. 13 is a graph showing the effect of the addition of a TFEC-added solvent on the electrolyte mixed with 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF 6 salts in EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 wt% FEC, And 0% by weight to 30% by weight of the total amount of the composition. 1 M LiPF 6 EC: DMC (4: 6 weight ratio) [Conventional] Comparative data shows that 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF and 0.05 M LiPF 6 salts The electrolyte system with EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 wt% FEC, 3 wt% VC, 3 wt% TFEC combination shows very stable capacity retention and life characteristics. The anode used here is NCM (8/1/1), and it is most preferable to add 3 wt% of TFEC in a weight ratio of 0 to 30 wt%.

도 14는 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC, 0 중량% TFEC 전해질을 사용하여 1C 조건에서 20회 충방전한 후, 전지에서 분리한 리튬음극 표면의 XPS narrow scan spectra (C, O, F, B 원소들)를 보여준다. 여기서 사용된 양극은 NCM (8/1/1)이다.14 is a graph showing the results of a comparison of 1 C (1 C) using 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF and 0.05 M LiPF 6 salts using EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 weight% FEC, 3 weight% VC, 0 weight% TFEC electrolyte (C, O, F, B elements) on the surface of the lithium anode separated from the battery after 20 charge / discharge cycles. The anode used here is NCM (8/1/1).

도 15는 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC, 1 중량% TFEC 전해질을 사용하여 1C 조건에서 20회 충방전한 후, 전지에서 분리한 리튬음극 표면의 XPS narrow scan spectra (C, O, F, B 원소)를 보여준다. 여기서 사용된 양극은 NCM (8/1/1)이다.15 is a graph showing the results of a comparison of 1 C (1 C) using 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF 6 salts using EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 wt% FEC, 3 wt% (C, O, F, and B elements) on the surface of the lithium anode separated from the battery after 20 charge / discharge cycles. The anode used here is NCM (8/1/1).

도 16은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC, 3 중량% TFEC 전해질을 사용하여 1C 조건으로 충방전한 후, 전지에서 분리한 리튬음극 표면의 XPS narrow scan spectra (C, O, F, B 원소들)를 보여준다. 여기서 사용된 양극은 NCM (8/1/1)이다.Figure 16 shows the results of a 1 C solution of 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF 6 salts using EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 wt% FEC, 3 wt% And XPS narrow scan spectra (C, O, F, B elements) of the surface of the lithium anode separated from the battery. The anode used here is NCM (8/1/1).

도 17은 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF, 0.05 M LiPF6 염들을 EC:DMC (4:6 중량비), 1 중량% FEC, 3 중량% VC, 5 중량% TFEC 전해질을 사용하여 1C 조건에서 20회 충방전한 후, 전지에서 분리한 리튬음극 표면의 XPS narrow scan spectra (C, O, F, B 원소들)를 보여준다. 여기서 사용된 양극은 NCM (8/1/1)이다.17 is a graph showing the results of a comparison of 1 C (1 C) using 0.6 M LiTFSI, 0.4 M LiBOB, 0.4 M LiF and 0.05 M LiPF 6 salts using EC: DMC (4: 6 weight ratio), 1 wt% FEC, 3 wt% (C, O, F, B elements) on the surface of the lithium anode separated from the battery after 20 charge / discharge cycles. The anode used here is NCM (8/1/1).

도 18은 도 14 내지 17의 C 1s와 F 1s 원소들의 narrow scan XPS spectra들을 나열한 것이며 각 피크들의 변화를 보여준다. FIG. 18 is a list of narrow scan XPS spectra of the C 1s and F 1s elements of FIGS. 14-17, showing the variation of each peak.

TFEC의 중량비율이 높아질수록 LiF에 대한 피크 비율이 달라지고, -CF2-CF2와 -CF2-CH2에 대한 피크가 새롭게 형성되며, 3 중량% TFEC가 들어간 F 1s의 피크 비율이 가장 바람직하다. 또한 C 1s 피크들에서는 TFEC의 중량 비율이 높아질수록, [C-F, C=0, C(O)F, CO3], 즉 F와 C 원소들이 결합한 피크들이 증가하며, 3 중량% TFEC가 들어간 C 1s의 피크 비율이 가장 바람직하다.As the weight ratio of TFEC is increased, the peak ratio to LiF is changed, a peak for -CF 2 -CF 2 and -CF 2 -CH 2 is newly formed, and the peak ratio of F 1s containing 3 wt% TFEC is the most desirable. In the C 1s peaks, the peaks of [CF, C═O, C (O) F, CO 3 ], ie, the combined F and C elements, increase as the weight ratio of TFEC increases, A peak ratio of 1s is most preferable.

이에 대한 이유는 적당한 LiF는 안정한 SEI 층을 형성시키지만 이온전도성을 나쁘게 하기 때문에 LiF가 너무 많이 생성되면, SEI 층의 이온전도성이 떨어지고 너무 딱딱하게 되어 물리적인 특성도 저하하기 때문이다. The reason for this is that proper LiF forms a stable SEI layer but deteriorates ion conductivity, so that when LiF is excessively generated, the ionic conductivity of the SEI layer lowers and becomes too hard, thereby deteriorating physical properties.

한편 적당한 [C-F, C=0, C(O)F, CO3]들의 결합이 있는 SEI 층은 다소의 유연성을 갖기 때문에 적당한 비율의 C와 F의 결합을 가진 SEI 층의 형성이 결과적으로 리튬금속 이차전지의 특성 향상에 커다란 기여를 한다.On the other hand, since the SEI layer with the appropriate combination of [CF, C = O, C (O) F, CO 3 ] has some flexibility, the formation of a SEI layer with a proper ratio of C and F bonds results in lithium metal Thereby making a great contribution to the improvement of the characteristics of the secondary battery.

Claims (11)

(a) LiFSI, LiTFSI, 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 제1 염, (b) LiBOB, LiDFOB 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 제2 염, (c) LiPF6를 포함하는 제3 염, (d) EC 및 DMC의 혼합물로 구성된 용매를 포함하는 리튬금속 이차전지용 전해질로서,
(e) FEC 및 VC 중에서 선택된 1종 이상의 제1 용매성 첨가제를 추가로 포함하고,
(f) TFEC를 제2 용매성 첨가제로 추가로 포함하며,
상기 제1 용매성 첨가제는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.4 내지 1.5 중량%의 FEC 및 0.01 내지 3.5 중량%의 VC 중에서 선택된 1종 이상이며,
상기 제2 용매성 첨가제의 농도는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 2.5 내지 4.5 중량%인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질.
(b) a second salt selected from LiBOB, LiDFOB, and mixtures thereof; (c) a third salt comprising LiPF 6 ; (d) a second salt selected from the group consisting of EC and And a solvent composed of a mixture of DMC,
(e) at least one first solventable additive selected from FEC and VC,
(f) further comprising TFEC as a second solvent additive,
Wherein the first solventable additive is at least one selected from the group consisting of 0.4 to 1.5 wt% of FEC and 0.01 to 3.5 wt% of VC based on the total weight of the electrolyte,
Wherein the concentration of the second solventable additive is 2.5 to 4.5 wt% based on the total weight of the electrolyte.
제1항에 있어서, 상기 제1 염은 0.2 내지 0.4 M의 LiFSI 및 0.2 내지 0.4 M의 LiTFSI로 구성되거나, 또는 0.3 내지 1 M의 LiTFSI만으로 구성되며,
상기 LiPF6의 농도는 0.03 내지 0.07 M이고,
상기 EC 및 상기 DMC의 혼합 무게비는 3 내지 6 : 7 내지 4인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질.
The method of claim 1, wherein the first salt comprises 0.2 to 0.4 M LiFSI and 0.2 to 0.4 M LiTFSI, or 0.3 to 1 M LiTFSI only,
The concentration of LiPF 6 is 0.03 to 0.07 M,
Wherein the EC and the DMC are mixed in a weight ratio of 3 to 6: 7 to 4. 6. The electrolyte for a lithium metal secondary battery according to claim 1,
제2항에 있어서, 상기 제1 염은 0.5 내지 0.7 M의 LiTFSI만으로 구성되고,
상기 제2 염은 0.3 내지 0.5 M의 LiBOB만으로 구성되며,
상기 LiPF6의 농도는 0.04 내지 0.06 M이고,
상기 EC 및 상기 DMC의 혼합 무게비는 3.75 내지 5.25 : 6.25 내지 4.75인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질.
3. The method of claim 2, wherein the first salt comprises only 0.5 to 0.7 M LiTFSI,
The second salt is composed of only 0.3 to 0.5 M of LiBOB,
The concentration of LiPF 6 is 0.04 to 0.06 M,
Wherein the mixed weight ratio of the EC and the DMC is 3.75 to 5.25: 6.25 to 4.75.
제3항에 있어서, 상기 제1 용매성 첨가제로 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.3 중량%의 FEC를 포함하고, 선택적으로 VC를 0.01 내지 3.5 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질. 4. The lithium secondary battery of claim 3, wherein the first solventable additive comprises 0.5 to 1.3% by weight of FEC, based on the total weight of the electrolyte, and optionally 0.01 to 3.5% by weight of VC. Electrolyte. 제4항에 있어서, 상기 리튬금속 이차전지용 전해질은 LiF 염을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질. [6] The electrolyte of claim 4, wherein the electrolyte for the lithium metal secondary battery further comprises a LiF salt. 제5항에 있어서, 상기 LiF 염의 농도는 0.3 내지 0.5 M인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질. The electrolyte for a lithium metal secondary battery according to claim 5, wherein the concentration of the LiF salt is 0.3 to 0.5 M. 제6항에 있어서, 상기 제1 용매성 첨가제로 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.7 내지 1.2 중량%의 FEC를 포함하고, 선택적으로 VC를 0.01 내지 3.5 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질. 7. The lithium secondary battery of claim 6, wherein the first solventable additive comprises 0.7 to 1.2% by weight of FEC based on the total weight of the electrolyte, and optionally 0.01 to 3.5% by weight of VC. Electrolyte. 제1항에 있어서, 상기 제1 염은 0.5 내지 0.7 M의 LiTFSI로만 구성되고,
상기 제2 염은 0.35 내지 0.45 M의 LiBOB만으로 구성되며,
상기 LiPF6의 농도는 0.04 내지 0.06 M이고,
상기 EC 및 상기 DMC의 혼합 무게비는 3.75 내지 5.25 : 6.25 내지 4.75이며,
0.3 내지 0.5 M 농도의 LiF 염을 추가로 포함하고,
상기 제1 용매성 첨가제로 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.8 내지 1.2 중량%의 FEC를 포함하고, 선택적으로 VC를 0.01 내지 3.5 중량% 포함하며,
상기 제2 용매성 첨가제의 농도는 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 2.5 내지 3.5 중량%인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지용 전해질.
2. The method of claim 1, wherein the first salt is comprised of only 0.5 to 0.7 M LiTFSI,
The second salt is composed of only 0.35 to 0.45 M LiBOB,
The concentration of LiPF 6 is 0.04 to 0.06 M,
The mixed weight ratio of the EC and the DMC is 3.75 to 5.25: 6.25 to 4.75,
Further comprising a 0.3 to 0.5 M concentration of LiF salt,
Wherein the first solventable additive comprises from 0.8 to 1.2% by weight of FEC, based on the total weight of the electrolyte, and optionally from 0.01 to 3.5% by weight of VC,
Wherein the concentration of the second solventable additive is 2.5 to 3.5 wt% based on the total weight of the electrolyte.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 리튬금속 이차전지용 전해질을 포함하는 리튬금속 이차전지.
상기 리튬금속 이차전지 내 양극의 재질은 리튬니켈코발트망간옥사이드, 리튬코발트옥사이드, 리튬망간옥사이드, 리튬니켈코발트옥사이드, 리튬인산철 중에 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지.
상기 양극의 재질은 리튬니켈코발트망간옥사이드인 것을 특징으로 하는 리튬금속 이차전지.
A lithium metal secondary battery comprising an electrolyte for a lithium metal secondary battery according to any one of claims 1 to 8.
Wherein the material of the positive electrode in the lithium metal secondary battery is one selected from the group consisting of lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel cobalt oxide, and lithium iron phosphate.
Wherein the material of the anode is lithium nickel cobalt manganese oxide.
제9항에 따른 리튬금속 이차전지를 포함하는 전기 디바이스. An electric device comprising the lithium metal secondary battery according to claim 9. 제10항에 있어서, 상기 전기 디바이스는 통신장치, 운송장치, 에너지 저장장치, 음향장치 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 전기 디바이스. 11. The electrical device of claim 10, wherein the electrical device is selected from a communication device, a transport device, an energy storage device, and a sound device.
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