KR20190086148A - Solvent for solid electrolytes synthesis including onium composite and solid electrolytes synthesis method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 습식 방법으로 고체전해질을 제조할 수 있도록 피롤리디늄 양이온을 이용한 오늄염 화합물을 포함하는 고체전해질 합성용 용매에 관한 것이다.The present invention relates to a solvent for synthesizing a solid electrolyte comprising an onium salt compound using a pyrrolidinium cation so that a solid electrolyte can be produced by a wet process.
오늘날 충방전이 가능한 이차전지는 전기자동차나 전력저장시스템 등에 사용되는 대용량 전력저장전지와 휴대폰, 캠코더, 노트북 등과 같은 휴대전자기기의 소형 고성능 에너지원으로 널리 이용되고 있다.BACKGROUND ART [0002] Today, rechargeable secondary batteries are widely used as large-capacity power storage batteries used in electric vehicles and power storage systems, and portable high-performance energy sources in portable electronic devices such as mobile phones, camcorders, and notebook computers.
이차전지로서의 리튬이온전지는 니켈-망간 전지나 니켈-카드뮴 전지에 비해단위면적당 용량이 크고, 자기방전율이 낮으며, 메모리 효과가 없어 사용의 편리성에서 장점을 가진다.The lithium ion battery as a secondary battery has a larger capacity per unit area, a lower self-discharge rate than the nickel-manganese battery or the nickel-cadmium battery, and has advantages in ease of use because there is no memory effect.
리튬이온전지는 탄소계 음극, 유기용매를 함유하는 전해질 및 리튬산화물 양극으로 구성되어, 양극 및 음극에서 발생하는 화학반응을 이용하여 충전시에는 양극에서 리튬이온이 빠져나와 전해질을 통해 탄소계 음극으로 이동하고, 방전시에는 충전 과정의 역으로 진행되는 것을 특징으로 한다. 즉, 리튬이온이 양극과 음극을 오고 가는 원리를 이용하여 충방전을 여러 번 할 수 있는 대표적인 이차전지이다.The lithium ion battery is composed of a carbon-based cathode, an electrolyte containing an organic solvent, and a lithium-oxide cathode. The lithium-ion battery uses a chemical reaction occurring in the anode and the cathode to discharge lithium ions from the anode, And proceeds to the reverse of the charging process at the time of discharging. That is, it is a representative secondary battery which can perform charging and discharging several times by using the principle that lithium ions come and going between the positive electrode and the negative electrode.
그러나, 상기 리튬이온전지는 유기용매를 함유하는 액체전해질을 사용하기 때문에 휘발성이 높은 유기용매의 사용에 따른 누출, 충격 등에 의한 전지의 안정성에 있어서 여러가지 문제점이 있다.However, since the lithium ion battery uses a liquid electrolyte containing an organic solvent, there are various problems in the stability of the battery due to leak, impact, etc. due to use of highly volatile organic solvent.
따라서, 리튬이온전지의 안전성 확보를 위해, 액체전해질 대신 고체전해질을 이용한 전고체 전지(All-Solid Battery)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Therefore, in order to secure the safety of a lithium ion battery, all solid batteries using solid electrolytes instead of liquid electrolytes have been actively studied.
상기 전고체 전지는 고체전해질을 사용하기 때문에 액체전해질에서 발생하는 발화 등의 문제가 없으며, 바이폴라구조로 제조할 수 있으므로 부피에너지밀도를 향상시킬 수 있다는 등의 많은 장점을 가진다.Since the pre-solid battery uses a solid electrolyte, there is no problem of ignition or the like generated in the liquid electrolyte, and it can be manufactured in a bipolar structure, so that it has many advantages such that the volume energy density can be improved.
종래의 전고체 전지는 건식 공정에 의해 제조되었는데, 이는 고체전해질 분말, 양극활물질 분말, 음극활물질 분말을 각각 적층하여 셀을 만드는 공정이다. 건식 공정은 굉장히 간단하게 전고체 전지를 제조할 수 있다는 장점이 있으나, 분말을 가압하여 만드는 방법이므로 대형화하기 어렵다는 한계가 있었다.A conventional all-solid-state cell is manufactured by a dry process, which is a process of forming a cell by stacking a solid electrolyte powder, a cathode active material powder and an anode active material powder. The dry process has a merit that it is possible to manufacture a pre-solid battery very simply, but it has a limitation in that it is difficult to increase the size because it is a method of producing powder by pressurizing.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0130820호는 용매, 바인더, 고체전해질을 포함하는 슬러리를 기재에 코팅하여 고체전해질 시트를 제조한 후, 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 기판에 코팅하여 전극을 형성하는 이차전지의 제조방법을 개시하고 있으나, 고체전해질이 포함된 슬러리를 기재에 코팅하는 방법이므로 박막으로 제조하기 어렵고, 습식 공정으로만 이루어져 있으므로 공정이 복잡하며 고체전해질과 전극의 접촉이 고르게 이루어지지 않아 전지 용량 등의 성능이 그리 좋지 못하다는 단점이 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0130820 discloses a method for producing a solid electrolyte sheet by coating a slurry containing a solvent, a binder and a solid electrolyte on a substrate to form a solid electrolyte sheet and then coating a slurry containing the electrode active material on the substrate to form an electrode However, since it is a method of coating a slurry containing a solid electrolyte on a substrate, it is difficult to manufacture the thin film, and since it is formed only by a wet process, the process is complicated and the contact between the solid electrolyte and the electrode is not uniform Battery capacity and the like are not so good.
본 발명의 목적은 습식 방법으로 고체전해질을 제조할 수 있도록 피롤리디늄양이온을 이용한 오늄염 화합물을 포함하는 고체전해질 합성용 용매를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a solvent for synthesizing a solid electrolyte containing an onium salt compound using a pyrrolidinium cation so that a solid electrolyte can be produced by a wet process.
또한, 본 발명의 다른 목적은 피롤리디늄 양이온을 이용한 오늄염 화합물을 포함하는 고체전해질 합성용 용매를 이용하여 고체전해질을 합성하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for synthesizing a solid electrolyte using a solvent for synthesizing a solid electrolyte containing an onium salt compound using a pyrrolidinium cation.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 고체전해질을 합성하는 방법으로 합성된 고체전해질을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a solid electrolyte synthesized by a method of synthesizing the solid electrolyte.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 고체전해질을 포함하는 리튬이차전지를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a lithium secondary battery including the solid electrolyte.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고체전해질 합성용 용매는 하기 [화학식 1]로 표시되는 오늄염 화합물을 포함할 수 있다;In order to achieve the above object, the solvent for synthesizing a solid electrolyte of the present invention may include an onium salt compound represented by the following formula (1);
[화학식 1][Chemical Formula 1]
Q+ㆍA- Q + A -
상기 화학식 1에서, Q+는 오늄 이온을 나타내고, A-는 TFSI-(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion), NO3-, PF6- 및 AsF6-로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상임.In the above formula (1), Q + represents an onium ion, and A - is one or more selected from the group consisting of TFSI - (bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion),
상기 Q+는 제4급 암모늄 양이온이며, 상기 A-는 TFSI-(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion)일 수 있다.The Q + is a quaternary ammonium cation, and A - may be TFSI - (bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion).
상기 Q+는 피롤리디늄 양이온이며, 상기 A-는 TFSI-(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion)일 수 있다.Wherein Q + is a pyrrolidinium cation, and A < - > is TFSI - (bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion).
상기 고체전해질 합성용 용매는 300 ℃ 이하의 온도에서 습식으로 고체전해질의 합성반응을 수행할 수 있다.The solvent for synthesizing the solid electrolyte may be subjected to the synthesis reaction of the solid electrolyte in a wet state at a temperature of 300 ° C or lower.
상기 고체전해질 합성용 용매는 100 ℃를 기준으로 5 내지 8 cP의 점도의 점도를 보이므로 습식으로 고체전해질의 합성반응을 수행할 수 있다.Since the solvent for synthesizing the solid electrolyte exhibits a viscosity of 5 to 8 cP based on 100 ° C, the synthesis reaction of the solid electrolyte can be carried out in a wet state.
또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고체전해질을 합성하는 방법은 상기 [화학식 1]로 표시되는 오늄염 화합물을 포함하는 용매 하에서 300 ℃ 이하의 반응 온도로 수행할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of synthesizing a solid electrolyte according to the present invention, which comprises performing a reaction at a reaction temperature of 300 ° C or lower in a solvent containing an onium salt compound represented by the general formula (1).
상기 Q+가 피롤리디늄 양이온인 경우, 하기 [반응식 1]에 따라 [화학식 3]의 염 화합물과 [화학식 4]의 리튬염 화합물을 20 내지 27 ℃에서 20 내지 30시간 동안 교반하여 하기 [화학식 2]로 표시되는 피롤리딘염 화합물을 제조할 수 있다;When the above Q + is a pyrrolidinium cation, the salt compound of Formula 3 and the lithium salt compound of Formula 4 are reacted at 20 to 27 ° C for 20 to 30 hours according to
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
[화학식 3] [화학식 4] [화학식 2][Chemical Formula 3] < EMI ID =
상기 반응식 1에서, R은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기이며, 상기 X-는 Cl-, Br- 및 I-로 이루어진 군에서 선택된 1종임. In the
상기 R은 중수소 원자, 시아노기, 할로겐 원자, 히드록시기, 니트로기, 탄소수 1 내지 40의 알킬기, 탄소수 1 내지 40의 알콕시기, 탄소수 1 내지 40의 알킬아미노기, 탄소수 6 내지 40의 아릴아미노기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로아릴아미노기, 탄소수 1 내지 40의 알킬실릴기, 탄소수 6 내지 40의 아릴실릴기, 탄소수 6 내지 40의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 아릴옥시기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로아릴기, 게르마늄기, 인 및 보론으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 치환될 수 있다.R is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, an alkylamino group having 1 to 40 carbon atoms, an arylamino group having 6 to 40 carbon atoms, an alkylamino group having 3 to 3 carbon atoms, a halogen atom, a cyano group, a halogen atom, An aryloxy group having 6 to 40 carbon atoms, an aryloxy group having 3 to 40 carbon atoms, a heteroaryl group having 3 to 40 carbon atoms, an aryloxy group having 3 to 40 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 40 carbon atoms, , Germanium groups, phosphorus, and boron.
상기 [화학식 3]의 염 화합물은 하기 [반응식 2]에 따라 [화학식 5]의 화합물과 [화학식 6]의 화합물을 -3 내지 1 ℃에서 48 내지 72시간 동안 교반하여 제조될 수 있다;The salt compound of formula (3) may be prepared by stirring the compound of formula (5) and the compound of formula (6) at -3 to 1 ° C for 48 to 72 hours according to the following scheme 2:
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
[화학식 5] [화학식 6] [화학식 3].[Chemical Formula 5] < EMI ID = 6.1 >
또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고체전해질은 상기 고체전해질을 합성하는 방법으로 합성된 것일 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of synthesizing a solid electrolyte according to the present invention.
또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬이차전지는 상기 고체전해질을 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including the solid electrolyte.
본 발명의 오늄염 화합물을 포함하는 고체전해질 합성용 용매를 이용하여 제조된 고체전해질은 기존의 용융염 전해질에 비해 사용 온도범위를 넓힐 수 있고, 액체 상태 전극 활물질의 용융 시 활물질이 넘치는 것을 막을 수 있으며, 기존의 용융염 전해질 사용 시 발생했던 전해질 누설 및 단락 등의 문제를 해결 할 수 있는 효과가 있다.The solid electrolyte prepared using the solid electrolyte synthesis solvent containing the onium salt compound of the present invention can widen the use temperature range compared with the conventional molten salt electrolyte and can prevent the active material from overflowing when the liquid electrolyte electrode active material is melted. And it has an effect of solving problems such as electrolyte leakage and short-circuit which occurred when using the existing molten salt electrolyte.
또한, 상기 고체전해질은 기존의 수계 전해질 또는 유기 전해질보다 비교적 고온에서도 사용 가능하기 때문에 고체전해질의 이온전도도 증가에 따른 출력 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, since the solid electrolyte can be used at a relatively higher temperature than the conventional aqueous electrolyte or the organic electrolyte, the output characteristics of the solid electrolyte can be improved as the ion conductivity of the solid electrolyte increases.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 1 step에 따라 화합물이 제조되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 2 step에 따라 화합물이 제조되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 출발물질인 [화학식 7]의 화합물과 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 9] 화합물의 1H NMR을 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 [화학식 9] 화합물을 용매로 하여 고체전해질을 합성시 합성하기 전과 후의 [화학식 9] 화합물에 대한 1H NMR을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 [화학식 9] 화합물을 용매로 하여 고체전해질을 합성시 합성하기 전과 후의 [화학식 9] 화합물에 대한 19F NMR을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 [화학식 9] 화합물을 용매로 하여 고체전해질을 합성시 합성하기 전과 후의 [화학식 9] 화합물에 대한 31P NMR을 측정한 그래프이다.1 is a diagram showing a process of preparing a compound according to one step of an embodiment of the present invention.
2 is a view illustrating a process of preparing a compound according to two steps of an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the 1 H NMR measurement of the compound of formula (7) as a starting material and the compound of formula (9) prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing 1 H NMR measurement of a compound represented by Formula 9 before and after synthesis of a solid electrolyte using a compound of Formula 9 prepared according to an embodiment of the present invention as a solvent. FIG.
FIG. 5 is a graph showing 19 F NMR measurement of a compound of the formula (9) before and after synthesis of a solid electrolyte using a compound of the formula (9) prepared according to an embodiment of the present invention as a solvent.
FIG. 6 is a graph of 31 P NMR measurement of a compound of the formula (9) before and after synthesis of a solid electrolyte using a compound of the formula (9) prepared according to an embodiment of the present invention as a solvent.
본 발명은 습식 방법으로 고체전해질을 제조할 수 있도록 피롤리디늄 양이온을 이용한 오늄염 화합물을 포함하는 고체전해질 합성용 용매에 관한 것이다.
The present invention relates to a solvent for synthesizing a solid electrolyte comprising an onium salt compound using a pyrrolidinium cation so that a solid electrolyte can be produced by a wet process.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 고체전해질 합성용 용매는 하기 [화학식 1]로 표시되는 오늄염 화합물(이온성 액체)을 포함한다.The solvent for synthesizing a solid electrolyte of the present invention includes an onium salt compound (ionic liquid) represented by the following formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
Q+ㆍA- Q + A -
상기 화학식 1에서, Q+는 오늄 이온, 바람직하게는 암모늄 양이온, 더욱 바람직하게는 피롤리디늄 양이온이다. 또한, 상기 A-는 TFSI-(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion), NO3-, PF6- 및 AsF6-로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상, 바람직하게는 TFSI-(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion)이다.In the above formula (1), Q + is an onium ion, preferably an ammonium cation, more preferably a pyrrolidinium cation. In addition, the A - is TFSI - a (bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion) - (bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion), NO3 -, PF6 - and
본 발명의 고체전해질 합성용 용매는 300 ℃ 이하의 온도, 바람직하게는 100 내지 300 ℃에서 습식으로 고체전해질의 합성반응을 수행할 수 있다. 반응온도가 상기 하한치 미만인 경우에는 용매의 점도가 높아져 분산이 어려워 용매로 사용할 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 열분해가 진행되어 고체전해질의 합성을 수행할 수 없다.The solvent for synthesizing the solid electrolyte of the present invention can be subjected to the synthesis reaction of the solid electrolyte by a wet process at a temperature of 300 ° C or less, preferably 100 to 300 ° C. When the reaction temperature is lower than the above lower limit, the viscosity of the solvent is increased and it is difficult to use as a solvent because it is difficult to disperse. When the reaction temperature is higher than the upper limit, pyrolysis proceeds and the solid electrolyte can not be synthesized.
또한, 본 발명의 고체전해질 합성용 용매는 100 ℃를 기준으로 5 내지 8 cP의 점도를 보이므로 분산이 용이하여 고체전해질의 합성이 가능하다. 만약, 오늄염 화합물을 상기 양이온 및 음이온이 아닌 다른 양이온 및 음이온을 사용하는 경우에는 100 ℃를 기준으로 점도가 30 cP 이상으로 높아지거나 수율이 낮아질 수 있다.
In addition, since the solvent for synthesizing a solid electrolyte of the present invention exhibits a viscosity of 5 to 8 cP based on 100 ° C, it is easy to disperse and thus a solid electrolyte can be synthesized. If a cation and an anion other than the cation and anion are used as the onium salt compound, the viscosity may be increased to 30 cP or lower or the yield may be lowered at 100 ° C.
또한, 본 발명은 상기 [화학식 1]로 표시되는 오늄염 화합물을 포함하는 용매 하에서 350 ℃ 이하의 반응 온도로 고체전해질을 합성하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for synthesizing a solid electrolyte at a reaction temperature of 350 DEG C or lower in a solvent containing an onium salt compound represented by the above formula (1).
상기 [화학식 1]로 표시되는 오늄염 화합물에서 Q+가 피롤리디늄 양이온인 경우에는 하기 반응식 1 및 2의 합성과정으로 합성된다.In the case where Q + is a pyrrolidinium cation in the onium salt compound represented by the above formula (1), it is synthesized by the synthesis process of the following reaction formulas (1) and (2).
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
[화학식 5] [화학식 6] [화학식 3][Chemical Formula 5] < EMI ID =
상기 [반응식 2]는 상기 [화학식 3]의 염 화합물을 합성하는 것으로서, 상기 [화학식 5]의 화합물과 [화학식 6]의 화합물을 -3 내지 1 ℃에서 48 내지 72시간 동안 교반하여 제조한다. 이때, 상기 X-는 Cl-, Br- 및 I-로 이루어진 군에서 선택된 1종이다.
The
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
[화학식 3] [화학식 4] [화학식 2][Chemical Formula 3] < EMI ID =
상기 [반응식 1]은 상기 [화학식 3]의 염 화합물과 [화학식 4]의 리튬염 화합물을 20 내지 27 ℃에서 20 내지 30시간 동안 교반하여 음이온 교환 반응을 수행함으로써 하기 [화학식 2]로 표시되는 피롤리딘염 화합물을 제조한다. 이때 상기 Li+ A-는 물을 용매로 사용하여 합성을 수행하는 것이 바람직하다. 용매로 물을 사용하는 경우에는 중간체 및 Li+ A-가 물에 대한 용해도가 높아 단일 상 용액(one phase solution)을 형성하지만 반응이 끝난 이후 합성된 [화학식 2]로 표시되는 피롤리딘염 이온성 액체는 A-의 하이드로포빅(hydrophobic)한 특성으로 인하여 바닥에 액체 상태로 분리되어 [화학식 2]로 표시되는 피롤리딘염 이온성 액체의 분리가 용이하다.[Reaction Scheme 1] is a process for producing a lithium salt represented by the following
상기 [반응식 1]에서 R은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기이며, 상기 X-는 Cl-, Br- 및 I-로 이루어진 군에서 선택된 1종이다. 이때, R은 중수소 원자, 시아노기, 할로겐 원자, 히드록시기, 니트로기, 탄소수 1 내지 40의 알킬기, 탄소수 1 내지 40의 알콕시기, 탄소수 1 내지 40의 알킬아미노기, 탄소수 6 내지 40의 아릴아미노기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로아릴아미노기, 탄소수 1 내지 40의 알킬실릴기, 탄소수 6 내지 40의 아릴실릴기, 탄소수 6 내지 40의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 아릴옥시기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로아릴기, 게르마늄기, 인 및 보론으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 치환될 수 있다.
In the
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.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 or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.
실시예 1. [화학식 9]로 표시되는 오늄염 화합물의 합성Example 1 Synthesis of Onium Salt Compound Represented by Formula 9
1 step: 알킬레이션(alkylation)1 step: alkylation
도 1에 따라 합성하였고, [화학식 7]의 화합물 1 당량과 브로모부탄 1.1 당량을 아세토나이트릴에 용해시킨 후 0 ℃ 하에서 48시간 동안 교반하여 알킬레이션(alkylation) 반응을 수행하였다. 반응이 완료되면 생성물이 침전되어 고체상태로 얻어지는데 상기 고체 생성물에 대한 순도를 높이기 위하여 잔류 반응물 및 부반응물 제거를 위하여 에틸아세테이트 및 디에틸에테르로 2번씩 세척하여 흰색 고체인 [화학식 8]의 화합물을 정제 및 분리하였다. 1, 1 equivalent of the compound of the formula (7) and 1.1 equivalents of bromobutane were dissolved in acetonitrile, and the mixture was stirred at 0 ° C for 48 hours to carry out an alkylation reaction. When the reaction is completed, the product is precipitated to obtain a solid state. To increase the purity of the solid product, the product is washed twice with ethyl acetate and diethyl ether to remove residual reactants and side products, thereby obtaining a compound of the formula Was purified and separated.
2 step: 음이온 교환 반응2 step: anion exchange reaction
도 2에 따라 합성하였고, 상기 [화학식 8]의 화합물 1 당량과 LiTFSI 1 당량을 혼합하여 상온에서 24시간 동안 교반함으로써 음이온 교환 반응을 수행하였다. 상기 LiTFSI는 용매로 물을 사용하여 합성을 수행하였으며, 이 경우에는 중간체 및 LiTFSI가 물에 대한 용해도가 높아 단일 상 용액(one phase solution)을 형성하지만 반응이 끝난 이후 합성된 피롤리딘염 이온성 액체는 LiTFSI의 하이드로포빅(hydrophobic)한 특성으로 인하여 바닥에 액체 상태로 분리되므로 이를 분리하여 [화학식 9]의 화합물(BMPyrr TFSI)을 수득하였다.The anion exchange reaction was carried out by mixing 1 equivalent of the compound of the formula 8 with 1 equivalent of LiTFSI and stirring at room temperature for 24 hours. The LiTFSI was synthesized by using water as a solvent. In this case, the intermediate and LiTFSI form a single phase solution due to high solubility in water, but the pyrrolidine ionic liquid (BMPyrr TFSI) of formula (9) was obtained by separating into a liquid state at the bottom due to the hydrophobic property of LiTFSI.
[화학식 9][Chemical Formula 9]
<시험예><Test Example>
시험예 1. 수율 측정Test Example 1. Yield Measurement
실시예 및 비교예에 따라 제조된 오늄염 화합물(이온성 액체)의 수율을 측정하였다. 수율은 이온성 액체를 DCM(dichloromethane)으로 추출(extraction)하여 확보하며 잔류 반응물을 제거하기 위하여 물로 두 번 추가적인 추출을 진행한 다음 추출된 생성물을 Al2O3을 이용하여 컬럼 크로마토그래피로 분리한 후 감압 증류하여 잔류 DCM이 제거된 오늄-TFSI계 물질을 확보하였다. 이후 진공 오븐에서 건조하여 최종 생성물을 확보하여 수율을 측정하였다.The yields of the onium salt compounds (ionic liquids) prepared according to Examples and Comparative Examples were measured. The yield was obtained by extracting the ionic liquid with dichloromethane (DCM) and further extraction with water twice to remove the residual reactants. The extracted product was then separated by column chromatography using Al 2 O 3 Followed by vacuum distillation to obtain an onium-TFSI-based material from which residual DCM was removed. The product was then dried in a vacuum oven to ensure final product and yield was determined.
[화학식 9]의 화합물Example 1
The compound of the formula [9]
위 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 오늄염 화합물은 수율이 52%이므로 수율이 높은 것을 확인하였다.
As shown in Table 1, the yield of the onium salt compound prepared according to Example 1 of the present invention was 52%, and thus the yield was high.
시험예 2. 1H NMR 측정Test Example 2. 1H NMR measurement
도 3 및 표 2는 출발물질인 [화학식 7]의 화합물과 실시예 1에 따라 제조된 [화학식 9] 화합물의 1H NMR을 측정한 그래프이다.3 and Table 2 are graphs showing 1 H NMR measurement of the compound of
[화학식 7]의 화합물Starting material
The compound of formula (7)
[화학식 9]의 화합물Example 1
The compound of the formula [9]
위 도 3 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 1H NMR 분석 시 알킬레이션 및 음이온 교환 반응에 따라 화학적 이동(chemical shift) 값에 대한 큰 변화가 나타나는 것을 확인하였다. 1 step에서 알킬레이션이 일어나면 피롤리디늄의 C1 위치에 존재하는 H의 chemical shift값이 다운필드(downfield) 영역으로 크게 증가하는 경향을 보였다. 일반적으로 주변의 화학적 환경에서 전자의 결핍이 일어나는 경우 downfield 방향으로 chemical shift값이 바뀌게 되는 것을 감안하였을 때 합성은 성공적으로 진행된 것으로 판단된다.
As shown in FIG. 3 and Table 2, it was confirmed that a large change in the chemical shift value was observed by 1 H NMR analysis according to the alkylation and anion exchange reaction. When the alkylation occurs in one step, the chemical shift value of H present at the C1 position of pyrrolidinium tends to increase to the downfield region. Generally, when the absence of electrons occurs in the surrounding chemical environment, the synthesis shifts successfully, considering that the chemical shift value changes in the downfield direction.
시험예Test Example 3. 열 안정성 확인_ 3. Confirm thermal stability _ TGATGA , , DSCDSC 분석 analysis
TGA 분석 결과 피롤리디늄계 이온성 액체인 [화학식 9]의 화합물은 높은 T d 값을 나타내는 것을 확인하였다. 구체적으로, [화학식 9]의 화합물은 약 300 ℃에서 열분해가 진행되는 거동을 확인하였으며, 이에 300 ℃ 이하의 온도에서 습식으로 고체전해질의 합성이 가능하다는 것을 확인하였다.As a result of TGA analysis, it was confirmed that the compound of formula (9), which is a pyrrolidinium ionic liquid, has a high T d value. Specifically, the compound of formula (9) confirmed the progress of pyrolysis at about 300 ° C, and it was confirmed that the solid electrolyte can be synthesized wet at a temperature of 300 ° C or less.
또한, DSC 분석 결과 [화학식 9]의 화합물이 측정 가능한 온도 범위(-50~100 ℃)에서는 액체 상태로 안정하게 존재하는 것을 확인하였으며, 이온성 액체의 경우 끓는점이 없다는 것을 고려하였을때 -50 ℃ 이상의 온도에서 열분해 온도(T d )까지 액체 상태로 존재한다는 것을 시사한다.
Further, DSC analysis showed that the compound of formula (9) stably exists in a liquid state at a measurable temperature range (-50 to 100 ° C), and when it is considered that there is no boiling point in the case of an ionic liquid, (T d ) at the above-mentioned temperature range.
시험예Test Example 4. 점도 측정 4. Viscosity measurement
[화학식 9] 화합물의 점도를 측정한 결과, 상온에서는 43.1 cP의 점도를 보이며 100 ℃에서는 5.6 cP의 점도를 보이므로 고온으로 갈수록 점도가 감소하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 상온에서 비교적 높은 점도를 보여 고체전해질의 합성 시 분산에 어려움을 겪을 것으로 예측되지만 100 ℃ 이상의 고온으로 합성하는 경우 용매의 점도가 낮아져 분산에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단된다.
The viscosity of the compound was measured to be 43.1 cP at room temperature and 5.6 cP at 100 ° C, indicating that the viscosity tended to decrease with increasing temperature. It is expected that it will be difficult to disperse in the synthesis of the solid electrolyte at room temperature. However, when it is synthesized at a high temperature of 100 ° C or higher, the viscosity of the solvent is low and it is considered that the dispersion will not be greatly affected.
시험예 5. 고체전해질(LiTest Example 5. A solid electrolyte (Li 33 PSPS 44 ) 합성 전/후의 용매에 대한 NMR 측정) NMR measurement for solvent before / after synthesis
[화학식 9] 화합물을 용매로 하여 Li2S 및 P2S5를 혼합한 다음 열을 가하여 고체전해질(Li3PS4)을 합성한 후 [화학식 9] 화합물(용매)에 대한 1H, 19F, 31P에 해당하는 원소를 분석하였다. (Li 3 S 4 ) was synthesized by mixing Li 2 S and P 2 S 5 with the compound as a solvent and then applying heat to the compound to synthesize a solid electrolyte (Li 3 PS 4 ) Elements corresponding to 31P were analyzed.
도 4 및 표 3은 실시예 1에 따라 제조된 [화학식 9] 화합물을 용매로 하여 고체전해질을 합성시 합성하기 전과 후의 [화학식 9] 화합물에 대한 1H NMR을 측정한 그래프이다.4 and Table 3 are graphs showing 1 H NMR measurement of the compound of Formula 9 before and after the synthesis of the solid electrolyte using the compound of Formula 9 prepared in Example 1 as a solvent.
[화학식 9]의 화합물Before solid electrolyte synthesis
The compound of the formula [9]
[화학식 9]의 화합물After solid electrolyte synthesis
The compound of the formula [9]
위 도 4 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 1H NMR의 경우에 [화학식 9] 화합물을 용매로 하여 고체전해질을 합성시 합성하기 전 피크와 합성 후의 피크간의 특이한 변화는 확인되지 않았다.
As shown in FIG. 4 and Table 3, in the case of 1H NMR, no specific change was observed between the peak before and after the synthesis in the synthesis of the solid electrolyte using the compound of the formula (9) as a solvent.
도 5 및 표 4는 실시예 1에 따라 제조된 [화학식 9] 화합물을 용매로 하여 고체전해질을 합성시 합성하기 전과 후의 [화학식 9] 화합물에 대한 19F NMR을 측정한 그래프이다.5 and Table 4 are graphs of 19 F NMR measurement of the compound of the formula (9) before and after the synthesis of the solid electrolyte using the compound of the formula (9) prepared in Example 1 as a solvent.
[화학식 10]의 화합물Before solid electrolyte synthesis
The compound of the formula [10]
[화학식 10]의 화합물After solid electrolyte synthesis
The compound of the formula [10]
위 도 5 및 표 4에 나타낸 바와 같이, 19F NMR의 경우에 [화학식 9] 화합물을 용매로 하여 고체전해질을 합성시 합성하기 전 피크와 합성 후의 피크간의 특이한 변화는 확인되지 않았다.
As shown in Fig. 5 and Table 4, in the case of 19F NMR, no specific change was observed between the peak and the synthesized peak before synthesis of the solid electrolyte using the compound of the formula (9) as a solvent.
도 6 및 표 5는 실시예 1에 따라 제조된 [화학식 9] 화합물을 용매로 하여 고체전해질을 합성시 합성하기 전과 후의 [화학식 9] 화합물에 대한 31P NMR을 측정한 그래프이다.6 and Table 5 are graphs of 31P NMR measurement of the compound of Formula 9 before and after synthesis of the solid electrolyte using the compound of Formula 9 prepared in Example 1 as a solvent.
[화학식 10]의 화합물Before solid electrolyte synthesis
The compound of the formula [10]
[화학식 10]의 화합물After solid electrolyte synthesis
The compound of the formula [10]
위 도 6 및 표 5에 나타낸 바와 같이, 31P NMR의 경우에 새로운 피크가 관찰되었는데 고체전해질 합성에 필요한 P2S5 반응물과 고체전해질에서 오는 것으로 예측되는 Li3PS4에 해당하는 피크가 관찰되는 것을 확인하였다.As shown in Fig. 6 and Table 5, a new peak was observed in the case of 31P NMR, and a peak corresponding to Li 3 PS 4 , which is expected to come from the P 2 S 5 reactant for solid electrolyte synthesis and the solid electrolyte, is observed Respectively.
본 발명의 오늄염 화합물을 포함하는 용매에서 합성된 고체전해질은 계면 접촉 저항 및 전극 내부 저항을 동시에 감소시켜 출력 특성을 향상시킬 수 있으며, 전지의 소형/경량화 및 작동 시간을 증대시킬 수 있는 리튬이차전지를 제공할 수 있다.
The solid electrolyte synthesized in the solvent containing the onium salt compound of the present invention can improve the output characteristic by simultaneously reducing the interface contact resistance and the internal resistance of the electrode, and it is possible to reduce the lithium ion A secondary battery can be provided.
Claims (12)
[화학식 1]
Q+ㆍA-
상기 화학식 1에서, Q+는 오늄 이온을 나타내고, A-는 TFSI-(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion), NO3-, PF6- 및 AsF6-로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상임.1. A solid electrolyte synthesis solvent comprising an onium salt compound represented by the following formula (1):
[Chemical Formula 1]
Q + A -
In the above formula (1), Q + represents an onium ion, and A - is one or more selected from the group consisting of TFSI - (bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion), NO 3 - , PF 6 - and AsF 6 - .
[화학식 1]
Q+ㆍA-
상기 화학식 1에서, Q+는 오늄 이온을 나타내고, A-는 TFSI-(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion), NO3-, PF6- 및 AsF6-로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상임.A method of synthesizing a solid electrolyte at a reaction temperature of 300 ° C or less in a solvent containing an onium salt compound represented by the following formula (1);
[Chemical Formula 1]
Q + A -
In the above formula (1), Q + represents an onium ion, and A - is one or more selected from the group consisting of TFSI - (bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion), NO 3 - , PF 6 - and AsF 6 - .
[반응식 1]
[화학식 3] [화학식 4] [화학식 2]
상기 반응식 1에서, R은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기이며, 상기 X-는 Cl-, Br- 및 I-로 이루어진 군에서 선택된 1종임. 8. The method of claim 7, wherein when Q + is a pyrrolidinium cation, the salt compound of Formula 3 and the lithium salt compound of Formula 4 are reacted at 20 to 27 ° C for 20 to 30 hours Followed by stirring to produce a pyrrolidine salt compound represented by the following formula (2): < EMI ID = 1.0 >
[Reaction Scheme 1]
[Chemical Formula 3] < EMI ID =
In the above Reaction Scheme 1, R is a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, and X - is one selected from the group consisting of Cl - , Br - and I - .
[반응식 2]
[화학식 5] [화학식 6] [화학식 3].The process according to claim 8, wherein the salt compound of formula (3) is prepared by stirring the compound of formula (5) and the compound of formula (6) at -3-1 ° C for 48-72 hours according to the following scheme A method of synthesizing a solid electrolyte characterized by:
[Reaction Scheme 2]
[Chemical Formula 5] < EMI ID = 6.1 >
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-
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