KR20200083367A - Gel polymer electrolyte and electrochemical device comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 일 실시예는 겔 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전기화학 소자에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a gel polymer electrolyte and an electrochemical device comprising the same.
최근 에너지 저장 및 변환 기술에 관한 관심이 증대되면서, 다양한 종류의 전기화학 소자에 대한 관심이 집중되고 있다.Recently, as interest in energy storage and conversion technology has increased, interest in various types of electrochemical devices has been focused.
전기화학 소자에서 액체 전해질이 널리 사용되나, 누액 가능성이 있을 뿐만 아니라, 용매의 휘발성 및 불안정성으로 인해 고온, 고전압 등의 조건에서 그 구동이 불안정해지는 문제가 있다. Liquid electrolytes are widely used in electrochemical devices, but there is a problem that the driving becomes unstable under conditions such as high temperature and high voltage due to the volatile and instability of the solvent, as well as the possibility of leakage.
이러한 문제를 해결하기 위해, 액체 전해질을 대체하여 겔 폴리머 전해질을 적용하는 기술이 연구되고 있다.To solve this problem, a technique of applying a gel polymer electrolyte in place of a liquid electrolyte has been studied.
그러나, 일반적으로 알려진 겔 폴리머 전해질은, 기존의 액체 전해질과 대비하여, 전기 화학적 특성이 열위하게 나타나는 한계가 있다. 이에, 리튬 이온 전지보다도 고출력특성이 요구되는 수퍼커패시터에는, 일반적으로 알려진 겔 폴리머 전해질이 더욱 부적합하다.However, the gel polymer electrolyte, which is generally known, has a limitation in that electrochemical properties are inferior to conventional liquid electrolytes. Thus, a generally known gel polymer electrolyte is more unsuitable for supercapacitors that require higher output characteristics than lithium ion batteries.
본 발명의 일 실시예에서는 높은 구동 전압에서의 수명특성 안정화와 동시에 고온에서의 내구성을 확보할 수 있는 겔 고분자 전해질 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공한다.An embodiment of the present invention provides a gel polymer electrolyte and an electrochemical device including the same, which can secure the durability at high temperature while stabilizing life characteristics at a high driving voltage.
본 발명의 일 실시예에 의한 겔 고분자 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 디아크릴레이트 또는 디메타아크릴레이트, 또는 이들의 중합체 또는 공중합체를 포함한다.The gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention includes a diacrylate or dimethacrylate represented by Formula 1 below, or a polymer or copolymer thereof.
[화학식 1][Formula 1]
(화학식 1에서, R1 내지 R4는 각각 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 5의 알킬기를 나타내고, n은 2 내지 10의 정수를 나타낸다.) (In the formula (1), R 1 to R 4 each represents hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and n represents an integer of 2 to 10.)
R1 및 R2는 각각 수소 또는 메틸기이고, R3 및 R4는 수소일 수 있다.R 1 and R 2 are each a hydrogen or methyl group, and R 3 and R 4 may be hydrogen.
n은 2 내지 8의 정수 일 수 있다.n may be an integer from 2 to 8.
화학식 1로 표시되는 디아크릴레이트 또는 디메타아크릴레이트의 중합체 또는 공중합체를 1 내지 7 중량% 포함할 수 있다. It may contain 1 to 7% by weight of a polymer or copolymer of diacrylate or dimethacrylate represented by the formula (1).
겔 고분자 전해질은 유기 용매 및 전해질염을 더 포함할 수 있다.The gel polymer electrolyte may further include an organic solvent and an electrolyte salt.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자는 전술한 겔 고분자 전해질을 포함한다.The electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes the gel polymer electrolyte described above.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자는 양극 및 음극; 양극 및 상기 음극 사이에 개재되고, 상기 겔 고분자 전해질을 포함하는 세퍼레이터를 포함하고, 양극 및 음극 중 적어도 어느 한 전극의 표면에 형성된 고분자 막이 형성될 수 있다.An electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes an anode and a cathode; A polymer film interposed between the positive electrode and the negative electrode, including a separator including the gel polymer electrolyte, and a polymer film formed on the surface of at least one of the positive electrode and the negative electrode may be formed.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자는 양극 및 음극; 양극 및 상기 음극 사이에 개재되고, 겔 고분자 전해질을 포함하는 세퍼레이터를 포함하고, 양극 및 음극 중 적어도 어느 한 전극의 전극 활물질에 고분자 전해질이 함침 될 수 있다.An electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes an anode and a cathode; A polymer electrolyte may be impregnated between the positive electrode and the negative electrode, including a separator comprising a gel polymer electrolyte, and an electrode active material of at least one of the positive electrode and the negative electrode.
본 발명의 일 실시예에서 겔 고분자 전해질을 사용함으로써, 높은 구동 전압에서의 수명특성 안정화와 동시에 고온에서의 내구성을 확보할 수 있다.By using a gel polymer electrolyte in one embodiment of the present invention, it is possible to secure durability at high temperature while stabilizing life characteristics at a high driving voltage.
본 발명의 일 실시예에서 겔 고분자 전해질은 고출력이 요구되는 슈퍼 커패시터(super capacitor)에도 적용 가능함은 물론, 리튬 이온 전지에 적용되어 그 성능을 개선시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the gel polymer electrolyte may be applied to a super capacitor requiring high power, and applied to a lithium ion battery to improve its performance.
도 1은 실험예 1에서 충방전 율속에 대한 초기 커패시턴스를 측정한 그래프이다.
도 2는 실험예 1에서 충방전 율속에 대한 후기 커패시턴스를 측정한 그래프이다.
도 3은 실험예 1에서 커패시턴스 감소량을 측정한 그래프이다.
도 4는 실험예 1에서 충방전 율속에 대한 중량% 별 커패시턴스를 측정한 그래프이다.
도 5는 실험예 2에서 벌크 저항을 측정한 그래프이다.
도 6는 실험예 2에서 계면 저항을 측정한 그래프이다.
도 7은 실험예 2에서 ESR을 측정한 그래프이다.
도 8은 실험예 3에서 음극 활물질의 탈리 상태를 촬영한 사진이다.1 is a graph measuring the initial capacitance for charge/discharge rate in Experimental Example 1.
FIG. 2 is a graph measuring late capacitance for charge/discharge rate in Experimental Example 1.
3 is a graph measuring capacitance reduction in Experimental Example 1.
FIG. 4 is a graph measuring capacitance by weight% with respect to charge/discharge rate in Experimental Example 1.
5 is a graph measuring bulk resistance in Experimental Example 2.
6 is a graph measuring the interface resistance in Experimental Example 2.
7 is a graph measuring ESR in Experimental Example 2.
8 is a photograph of the desorption state of the negative electrode active material in Experimental Example 3.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.In the present specification, when a part “includes” a certain component, this means that other components may be further included rather than excluding other components, unless otherwise specified. The terms "about", "substantially", and the like, as used throughout this specification, are used in or at a value close to that value when manufacturing and material tolerances specific to the stated meaning are given, and are understood herein. To help, accurate or absolute figures are used to prevent unconscionable abusers from unduly using the disclosed disclosure. The term “~(steps)” or “steps of” to the extent used throughout this specification does not mean “steps for”.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.In the present specification, the term "combination of these" included in the expression of the marki form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the elements described in the expression of the marki form, the components It means to include one or more selected from the group consisting of.
본 명세서에서 "치환"이란 별도의 정의가 없는 한, 화합물 중 적어도 하나의 수소가 C1 내지 C30 알킬기; C1 내지 C10 알콕시기; 실란기; 알킬실란기; 알콕시실란기; 에틸렌옥실기 로 치환된 것을 의미한다."Substitution" in the present specification, unless otherwise defined, at least one hydrogen of the compound is a C1 to C30 alkyl group; C1 to C10 alkoxy groups; Silane group; Alkyl silane groups; Alkoxysilane group; Means substituted with ethyleneoxyl group.
본 명세서에서 "헤테로"란 별도의 정의가 없는 한, N, O, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 원자를 의미한다. As used herein, "hetero" means an atom selected from the group consisting of N, O, S, and P, unless otherwise defined.
상기 알킬기는 C1 내지 C20의 알킬기 일 수 있으며, 구체적으로 C1 내지 C6인 저급 알킬기, C7 내지 C10인 중급 알킬기, C11 내지 C20의 고급 알킬기일 수 있다. The alkyl group may be a C1 to C20 alkyl group, specifically, a C1 to C6 lower alkyl group, a C7 to C10 intermediate alkyl group, or a C11 to C20 higher alkyl group.
예를 들어, C1 내지 C4 알킬기는 알킬쇄에 1 내지 4 개의 탄소원자가 존재하는 것을 의미하며 이는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 이루어진 군에서 선택됨을 나타낸다.For example, a C1 to C4 alkyl group means that there are 1 to 4 carbon atoms in the alkyl chain, which are methyl, ethyl, propyl, iso-propyl, n-butyl, iso-butyl, sec-butyl and t-butyl. It is selected from the group consisting of.
전형적인 알킬기에는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등이 있다. Typical alkyl groups include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, pentyl group, hexyl group, cyclopropyl group, cyclobutyl group, cyclopentyl group, and cyclohexyl group. .
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "공중합"이란 블록 공중합, 랜덤 공중합, 그래프트 공중합 또는 교호 공중합을 의미할 수 있고, "공중합체"란 블록 공중합체, 랜덤 공중합체, 그래프트 공중합체 또는 교호 공중합체를 의미할 수 있다.Unless otherwise defined herein, “copolymerization” may mean block copolymerization, random copolymerization, graft copolymerization, or alternating copolymerization, and “copolymer” is a block copolymer, random copolymer, graft copolymer, or alternating copolymerization. It can mean coalescence.
위와 같은 정의를 기반으로, 본 발명의 구현예들을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이들은 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Based on the above definition, embodiments of the present invention will be described in detail. However, these are presented as examples, and the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of claims to be described later.
본 발명의 일 실시예에 의한 겔 고분자 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 디아크릴레이트 또는 디메타아크릴레이트, 또는 이들의 중합체 또는 공중합체 (이하, "전해질 첨가제"라고도 함)를 포함한다.The gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention includes a diacrylate or dimethacrylate represented by Formula 1 below, or a polymer or copolymer thereof (hereinafter, also referred to as “electrolyte additive”).
[화학식 1][Formula 1]
(화학식 1에서, R1 내지 R4는 각각 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 5의 알킬기를 나타내고, n은 2 내지 10의 정수를 나타낸다.)(In the formula (1), R 1 to R 4 each represents hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and n represents an integer of 2 to 10.)
본 발명의 일 실시예에서는 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트기가 분자당 2개인 모노머를 사용한다. 이처럼 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트기가 분자당 2개인 모노머를 사용함으로써, 충분한 겔화를 유도시켜 겔 고분자 전해질로서의 물리적성능을 향상시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, a monomer having two acrylate or methacrylate groups per molecule is used. As such, by using a monomer having two acrylate or methacrylate groups per molecule, sufficient gelation can be induced to improve physical performance as a gel polymer electrolyte.
본 발명의 일 실시예에서는 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트기 간의 연결기로서, 치환 또는 비치환된 폴리(에틸렌 옥시기)를 사용한다. 치환 또는 비치환된 폴리(에틸렌 옥시기)는 고분자 전해질의 이온전도도를 향상시킬 수 있는 점에서 유리하다.In one embodiment of the present invention, a substituted or unsubstituted poly(ethylene oxy group) is used as a linking group between acrylate or methacrylate groups. The substituted or unsubstituted poly(ethylene oxy group) is advantageous in that it can improve the ionic conductivity of the polymer electrolyte.
화학식 1에서, R1 내지 R4는 각각 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 5의 알킬기를 나타낸다. 구체적으로 R1 및 R2는 각각 수소 또는 메틸기이고, R3 및 R4는 수소일 수 있다.In the formula (1), R 1 to R 4 each represents hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 5 carbon atoms. Specifically, R 1 and R 2 are each a hydrogen or methyl group, and R 3 and R 4 may be hydrogen.
화학식 1에서, n은 2 내지 10의 정수를 나타낸다. n이 너무 짧을 경우, 즉 1일 경우, 동일 중량 함량 대비 고분자의 유동성이 저하되어 이온전도도가 낮아질 수 있다. n이 너무 길 경우, 활물질간, 더 나아가 활물질 기공 사이 첨가제가 함침이 되지 않을 수 있으므로 모노머 및 고분자의 적절한 전기화학 성능 유도가 일어나기 어려울 수 있다. 더욱 구체적으로 n은 2 내지 8의 정수 일 수 있다. n이 서로 상이한 디아크릴레이트 또는 디메타아크릴레이트, 또는 이들의 중합체 또는 공중합체를 포함하는 경우, 이 들의 수평균을 n으로 판단한다.In the formula (1), n represents an integer of 2 to 10. When n is too short, that is, when 1, the fluidity of the polymer is reduced compared to the same weight content, which may lower the ionic conductivity. If n is too long, it may be difficult to induce proper electrochemical performance of monomers and polymers because additives between active materials and even between active material pores may not be impregnated. More specifically, n may be an integer from 2 to 8. When n contains different diacrylates or dimethacrylates, or polymers or copolymers thereof, the number average of these is judged as n.
본 발명의 일 실시예에 의한 겔 고분자 전해질은 화학식 1로 표시되는 디아크릴레이트 또는 디메타아크릴레이트를 1 내지 7 중량% 포함할 수 있다. 디아크릴레이트 또는 디메타아크릴레이트 첨가제가 너무 적게 포함되면, 전술한 첨가 효과를 적절히 얻을 수 없다. 첨가제가 전해질 내에 너무 많이 포함되면, 전해질을 통한 전자의 교류를 방해하여 전기화학 소자의 특성이 저하될 수 있다. 더욱 구체적으로 겔 고분자 전해질은 첨가제를 3 내지 5 중량% 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 디아크릴레이트 또는 디메타아크릴레이트, 또는 이들의 중합체 또는 공중합체가 2종 이상 포함될 수 있으며, 이 경우, 각각의 함량의 합이 전술한 범위에 해당할 수 있다.The gel polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention may include 1 to 7% by weight of diacrylate or dimethacrylate represented by Chemical Formula 1. If too little diacrylate or dimethacrylate additive is included, the above-described addition effect cannot be adequately obtained. If the additive is contained too much in the electrolyte, it may interfere with the exchange of electrons through the electrolyte and deteriorate the properties of the electrochemical device. More specifically, the gel polymer electrolyte may contain 3 to 5% by weight of additives. In one embodiment of the present invention, diacrylate or dimethacrylate, or two or more of these polymers or copolymers may be included, and in this case, the sum of the respective contents may fall within the above-described range.
겔 고분자 전해질은 유기 용매를 더 포함할 수 있다. 유기 용매는 전해질염을 용해 또는 해리시키기 위해 사용하는 것으로서, 통상적인 전해질의 유기 용매로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않으며, 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르, 설폭사이드, 아세토니트릴, 락탐, 케톤 및 이들의 할로겐 유도체 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 등이 있고, 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄 등이 있다. 상기 에스테르의 예로는 메틸 포메이트, 에틸 포메이트, 프로필 포메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있다. 또한, 상기 설폭사이드로는 디메틸설폭사이드 등이 있고, 상기 락탐으로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등이 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있다. 또한, 이들의 할로겐 유도체도 사용 가능하며, 이상의 예시된 전해질 유기 용매에만 한정하는 것은 아니다. 또한, 이들 유기 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The gel polymer electrolyte may further include an organic solvent. The organic solvent is used to dissolve or dissociate the electrolyte salt, and is not particularly limited as long as it is used as an organic solvent of a conventional electrolyte. Cyclic carbonate, linear carbonate, lactone, ether, ester, sulfoxide, acetonitrile, lactam , Ketone and their halogen derivatives, respectively, or may be used by mixing two or more kinds. Examples of cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), fluoroethylene carbonate (FEC), and examples of linear carbonates include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC) ), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), and methyl propyl carbonate (MPC). Examples of lactones are gamma-butyrolactone (GBL), and examples of ethers are dibutyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1, 2-diethoxy ethane. Examples of such esters include methyl formate, ethyl formate, propyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, methyl pivalate, and the like. In addition, the sulfoxide is dimethyl sulfoxide and the like, the lactam is N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and the like, and the ketone is polymethylvinyl ketone. In addition, these halogen derivatives can also be used, and are not limited to the above-exemplified electrolyte organic solvents. In addition, these organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
겔 고분자 전해질은 전해질염을 더 포함할 수 있다. 전해질염은 유기 용매에 해리되어 전기화학 소자 내에서 이온 전도의 성분으로 작용하며, 양극과 음극 사이에서 양이온의 이동을 촉진하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, SBPBF4(spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate), TEABF4, EMIBF4, TEMABF4, LIPF6, LiBF4, LiTFSI, LiBETI, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단, x, y는 자연수), LiCl, LiI, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 겔 고분자 전해질 내 전해질염의 함량은, 전해질 내의 전해 용매(L)에 대한 몰수(mol)로, 0.5 내지 3.0 M일 수 있다. 이 경우, 겔 고분자 전해질은 겔 형태로서 적절한 점도를 가질 수 있으며, 전해질염이 유기 용매에 용해되어 양이온의 효과적인 이동에 기여할 수 있다.The gel polymer electrolyte may further include an electrolyte salt. The electrolyte salt dissociates in an organic solvent to act as a component of ion conduction in the electrochemical device, and may serve to promote the movement of cations between the anode and the cathode. For example, SBPBF 4 (spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate), TEABF 4 , EMIBF 4 , TEMABF 4 , LIPF 6 , LiBF 4 , LiTFSI, LiBETI, LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 SO 2 )(where x, y are natural numbers) , LiCl, LiI, or a combination thereof. The content of the electrolyte salt in the gel polymer electrolyte is the number of moles (mol) relative to the electrolytic solvent (L) in the electrolyte, and may be 0.5 to 3.0 M. In this case, the gel polymer electrolyte may have an appropriate viscosity in the form of a gel, and the electrolyte salt may be dissolved in an organic solvent to contribute to effective movement of cations.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자는 전술한 겔 고분자 전해질을 포함한다.The electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes the gel polymer electrolyte described above.
본 발명의 일 실시예에서 전기화학 소자는 수퍼커패시터(supercapacitor, SC) 또는 리튬 이온 전지일 수 있다. 수퍼커패시터에는 전기이중층 커패시터(electrostatic double-layer capacitor), 슈도커패시터(electrochemical pseudocapacitor), 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor) 등이 있다.In one embodiment of the present invention, the electrochemical device may be a supercapacitor (SC) or a lithium ion battery. Supercapacitors include an electrostatic double-layer capacitor, an electrochemical pseudocapacitor, and a hybrid capacitor.
이하에서는 전기화학 소자의 각 구성에 대해 구체적으로 설명한다. 이하에서는 수퍼커패시터를 예로 들어 설명하나, 통상의 기술자라면, 전해질 첨가제를 첨가하는 기술적 사상을 리튬 이온 전지로도 용이하게 전용할 수 있다.Hereinafter, each configuration of the electrochemical device will be described in detail. Hereinafter, a supercapacitor will be described as an example, but a person skilled in the art can easily convert the technical idea of adding an electrolyte additive into a lithium ion battery.
커패시터는 양극 및 음극을 포함하는 전극 및 겔 고분자 전해질을 포함한다.The capacitor includes an electrode including a positive electrode and a negative electrode, and a gel polymer electrolyte.
전극 활물질로 적용될 수 있는 양극과 음극 활물질로는, 이중층 용량을 가지는 모든 탄소 재료가 가능하고, 예를 들어 활성탄, 활성탄소 섬유, 카본에어로겔, 전도성 고분자, 금속산화물, 천연섬유, 비정질 카본, 플라렌(fullerene), 나노 튜브 및 그래핀 (graphene) 등을 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.As a positive electrode and a negative electrode active material that can be applied as an electrode active material, any carbon material having a double layer capacity is possible, for example, activated carbon, activated carbon fiber, carbon aerogel, conductive polymer, metal oxide, natural fiber, amorphous carbon, flaren (fullerene), nanotubes and graphene (graphene), etc. may be used, but is not limited thereto.
수퍼 커패시터의 두 전극은, 전술한 겔 고분자 전해질 첨가제 및 전해질이 함침된 세퍼레이터에 의해 물리적으로 분리됨과 동시에, 이온성(ionically) 연결이 이루어질 수 있다.The two electrodes of the supercapacitor may be physically separated by the above-described gel polymer electrolyte additive and the separator impregnated with the electrolyte, and at the same time, an ionic connection may be made.
본 발명의 일 실시예에서 양극 및 음극 중 적어도 어느 한 전극의 표면에 고분자 막 또는 고분자가 형성 및 함침됨으로써 전극에서의 활물질 박리를 막고 고전압에서의 작동이 원활하게 이루어진다.In an embodiment of the present invention, a polymer film or a polymer is formed and impregnated on the surface of at least one of the positive electrode and the negative electrode to prevent peeling of the active material from the electrode and smoothly operate at high voltage.
즉, 양극 및 음극 중 적어도 어느 한 전극의 표면에 고분자막이 형성되거나, 양극 및 음극 중 적어도 어느 한 전극의 전극 활물질에 고분자 전해질이 함침될 수 있다.That is, a polymer film may be formed on the surface of at least one of the positive electrode and the negative electrode, or a polymer electrolyte may be impregnated in the electrode active material of at least one of the positive electrode and the negative electrode.
이러한 고분자 막 또는 고분자 전해질은 양극 또는 음극 중 한 극에만 형성 및 함침되거나, 양극 및 음극 모두에 고분자 막 또는 고분자가 형성 및 함침될 수 있다. 전극의 표면이란 전해질 방향으로의 표면을 의미한다.The polymer membrane or the polymer electrolyte may be formed and impregnated only in one of the anode or cathode, or the polymer membrane or polymer may be formed and impregnated in both the anode and the cathode. The surface of the electrode means the surface in the direction of the electrolyte.
고분자 막 또는 고분자 전해질은 화학식 1로 표시되는 전해질 첨가제가 중합 또는 공중합한 고분자를 포함할 수 있다. 전해질 첨가제 내의 2중 결합이 끊어지면서, 연속적인 첨가 반응이 일어나 탄소 사슬이 길어져 고분자가 형성되게 된다.The polymer membrane or the polymer electrolyte may include a polymer obtained by polymerizing or copolymerizing an electrolyte additive represented by
겔 고분자 전해질에 대해서는 전술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.Since the gel polymer electrolyte has been described above, overlapping descriptions are omitted.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자의 제조 방법은 아래의 4가지 방법이 있을 수 있다.The method of manufacturing an electrochemical device according to an embodiment of the present invention may be the following four methods.
방법 1: 전극 및 세퍼레이터를 조립하여 조립체를 제조하는 단계; 조립체를 전해질 첨가제를 포함하고, 전해질염을 포함하지 않는 전해질에 함침하는 단계; 밀봉 및 큐어링하는 단계; 조립체 해채 후 전해질을 주액하는 단계; 밀봉하는 단계를 포함할 수 있다.Method 1: assembling the electrode and separator to produce an assembly; Impregnating the assembly with an electrolyte containing an electrolyte additive and no electrolyte salt; Sealing and curing; Injecting the electrolyte after disassembling the assembly; And sealing.
방법 2: 전극 및 세퍼레이터를 조립하여 조립체를 제조하는 단계; 전해질 첨가제 및 전해질염을 포함하는 전해질을 주액하는 단계; 밀봉 및 큐어링하는 단계를 포함할 수 있다.Method 2: assembling the electrode and separator to produce an assembly; Injecting an electrolyte containing an electrolyte additive and an electrolyte salt; Sealing and curing.
방법 3: 전극 상에 전해질 첨가제 및 전해질염을 포함하는 전해질을 도포하거나 함침하는 단계; 전극 및 세퍼레이터를 조립하여 조립체를 제조하는 단계; 밀봉 및 큐어링하는 단계를 포함할 수 있다.Method 3: coating or impregnating an electrolyte containing an electrolyte additive and an electrolyte salt on the electrode; Manufacturing an assembly by assembling the electrode and the separator; Sealing and curing.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
비교예 1Comparative Example 1
1.0M 농도의 SBPBF4(spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate)을 용해시킨 아세토나이트릴 용매를 기본 전해질로 사용하였다.Acetonitrile solvent in which SBPBF 4 (spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate) at a concentration of 1.0 M was dissolved was used as a basic electrolyte.
비교예 2Comparative Example 2
비교예 1의 전해질에 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(ethylene glycol dimethacrylate) 5중량% 첨가 하여 전해질을 제조하였다.5% by weight of ethylene glycol dimethacrylate was added to the electrolyte of Comparative Example 1 to prepare an electrolyte.
비교예 3Comparative Example 3
비교예 1의 전해질에 폴리 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 (poly ethylene glycol dimethacrylate, n = 13) 5중량% 첨가하여 전해질을 제조하였다.An electrolyte was prepared by adding 5% by weight of polyethylene glycol dimethacrylate (n = 13) to the electrolyte of Comparative Example 1.
실시예 1Example 1
비교예 1의 전해질에 디에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(diethylene glycol dimethacrylate) 5중량% 첨가하여 전해질을 제조하였다.An electrolyte was prepared by adding 5 wt% of diethylene glycol dimethacrylate to the electrolyte of Comparative Example 1.
실시예 2Example 2
비교예 1의 전해질에 폴리 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 (poly ethylene glycol dimethacrylate, n = 4 ~ 5) 5중량% 첨가하여 전해질을 제조하였다.An electrolyte was prepared by adding 5% by weight of polyethylene glycol dimethacrylate (n = 4 to 5) to the electrolyte of Comparative Example 1.
실시예 3Example 3
비교예 1의 전해질에 폴리 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 (poly ethylene glycol dimethacrylate, n = 8 ~ 9) 5중량% 첨가하여 전해질을 제조하였다.An electrolyte was prepared by adding 5% by weight of polyethylene glycol dimethacrylate (n = 8 to 9) to the electrolyte of Comparative Example 1.
전지의 제조Battery Manufacturing
두 개의 활성 탄소(Activated carbon) 전극 사이에, 셀룰로오스 세퍼레이터를 개재하고, 파우치셀로 조립하였다.Between two activated carbon electrodes, a cellulose separator was interposed and assembled into a pouch cell.
cell에 비교예 1 내지 2 및 실시예 1에서 제조한 전해질을 주입하고, 12시간 동안 60의 열을 가하여 겔화하였다.Inject the electrolyte prepared in Comparative Examples 1 and 2 and Example 1 into the cell, 60 for 12 hours Gelation was performed by adding heat.
실험예 1 : 전해질 별 충방전 성능 측정Experimental Example 1: Measurement of charge and discharge performance by electrolyte
제조된 cell을 20℃에서 각 율별 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 A g-1 율로 CC(constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 내지 3.0 V 충방전을 각 율 별 5회씩 실험 실시 하였다. 초기 20 oC에서 각 율 별 5회째 사이클 용량을 측정하여 도 1에 나타내었으며, 제조한 cell을 65 oC에서 3.0 V CV(constant voltage; potentiostat) charge로 48시간동안 방치한 뒤의 cell을 20 oC에서 각 율 별 5회째 사이클 용량을 측정하여 도 2에 나타내었다. The prepared cells were tested at a rate of 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 A g -1 for each rate at 20°C CC (constant current; galvanostatic) charge, CC discharge, 0 to 3.0 V charging and discharging 5 times for each rate Was conducted. The 5th cycle capacity at each rate at the initial 20 o C was measured and shown in FIG. 1, and the prepared cell was left at 65 o C with a 3.0 V CV (constant voltage; potentiostat) charge for 48 hours, and then the cell was 20. In FIG. 2, the fifth cycle capacity for each rate was measured in C.
도 1에 나타나듯이, 실시예 1 내지 3과 비교예 2 및 비교예 3은 비교예 1 대비 초기 커패시턴스가 미세하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. n의 개수가 비교적 큰 비교예 3의 경우, n의 개수가 적은 비교예 2와 실시예 1 내지 3 보다 커패시턴스 감소량이 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 기존의 겔 폴리머 전해질이 갖고 있는 액상 전해질 대비 커패시턴스 감소 현상이 비교적 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 1, it can be seen that in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2 and 3, the initial capacitance was slightly decreased compared to Comparative Example 1. In the case of Comparative Example 3 in which the number of n is relatively large, it can be seen that the amount of capacitance reduction is larger than Comparative Example 2 in which the number of n is small and Examples 1 to 3. In addition, it can be seen that the capacitance reduction phenomenon is relatively small compared to the liquid electrolyte of the existing gel polymer electrolyte.
도 2에 나타나듯이, 고온 48시간 3.0 V 방치 후, 실시예 1 내지 3의 용량이 고율에서 비교예 1 대비 약 900 % 개선된 커패시턴스를 확인할 수 있다. 또한 비교예 2 대비 약 30 % 개선된 커패시턴스를 확인할 수 있다.As shown in Fig. 2, after leaving 3.0 V for 48 hours at a high temperature, it can be seen that the capacitances of Examples 1 to 3 were improved by about 900% compared to Comparative Example 1 at high rates. In addition, it can be seen that the capacitance improved by about 30% compared to Comparative Example 2.
cell들의 초기 20 oC에서의 커패시턴스 대비 65 oC 48시간 3.0 V 방치 후 후기 20 oC에서의 커패시턴스 감소량을 도 3에 나타내었다. The amount of decrease in the capacitance at 20 o C in the late stages is shown in FIG. 3 after the 3.0 V for 48 hours at 65 o C compared to the capacitance at the initial 20 o C of the cells.
도 3에 나타나듯이, 3.2 A g-1에서의 커패시턴스 감소량이 비교예 1은 약 95 %나 되는 반면 실시예 1 내지 3은 그의 절반인 약 50 % 로, 커패시턴스 감소가 억제되는 모습을 확인할 수 있으며, 비교예 2 대비는 약 12 % 억제 효과가 있음을 확인할 수 있다.As shown in Figure 3, the amount of reduced capacitance at 3.2 A g -1 is about 95% in Comparative Example 1, while Examples 1 to 3 are about 50%, half of which, it can be seen that the reduction in capacitance is suppressed. , Comparative Example 2 can be confirmed that the inhibitory effect is about 12%.
도 4에 나타나듯이, 5중량%의 cell인 실시예 1은 비교예 1대비 충방전 속도 별 커패시턴스 감소가 거의 나타나지 않았으나, 10 내지 15 중량%의 비교예 4 내지 5의 경우, 충방전 속도 별 커패시턴스 감소가 비교예 1 보다 매우 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 4, in Example 1, which is a 5% by weight cell, there was almost no decrease in capacitance by charge/discharge rate compared to Comparative Example 1, but in case of Comparative Examples 4 to 5 by 10-15% by weight, capacitance by charge/discharge rate It can be seen that the decrease is much larger than Comparative Example 1.
실험예 2 : EIS 저항 평가Experimental Example 2: EIS resistance evaluation
제조한 cell을 초기 65℃, 0V에서의 EIS의 각 저항 성분과, 3.0V를 48시간 동안 정전압 시험을 하고 난 후에 후기 65℃ 0V에서의 EIS 각 저항 성분들의 값들을 비교하여 도 5 내지 도 7에 나타내었다. After the prepared cell was subjected to a constant voltage test of the initial resistance of 65°C and EIS at 0V and 3.0V for 48 hours, the values of each resistance component of EIS at 65°C and 0V were compared, and FIGS. 5 to 7 were compared. It is shown in.
벌크 저항 및 ESR의 경우, 비교예 1 내지 3과 실시예 1 내지 3에서 큰 차이가 나타나지 않았으나, 계면 저항에서 매우 큰 차이를 확인할 수 있었다.In the case of bulk resistance and ESR, a large difference was not seen in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3, but a very large difference in interface resistance was confirmed.
이를 통해 비교예 1에서의 저항의 증가 요인으로, 계면 저항의 큰 증가에 의한 것임을 확인할 수 있었다.Through this, it was confirmed that the increase in resistance in Comparative Example 1 was due to a large increase in interface resistance.
실험예 3 : 활물질 탈리 억제 평가Experimental Example 3: Active material desorption inhibition evaluation
제조한 cell을 65℃, 3.0V, 48시간 동안 정전압 시험 후의 음극 상태를 촬영하여 도 8에 나타내었다. 도 8에 나타나듯이, 비교예 1의 경우 거의 모든 활물질이 탈리됨을 확인할 수 있었다. 이는 비교예 1의 성능 열화 원인중 하나일 것으로 확인된다. 실시예 1 내지 3이 비교예 1에 비해 탈리가 적게 일어남을 확인할 수 있었다.The prepared cell was photographed in a negative electrode state after a constant voltage test for 65°C, 3.0V, and 48 hours, and shown in FIG. 8. As shown in Figure 8, in the case of Comparative Example 1, it was confirmed that almost all active materials were desorbed. This is confirmed to be one of the causes of performance degradation of Comparative Example 1. It was confirmed that Examples 1 to 3 had less tally than Comparative Example 1.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various different forms, and a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains may have other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that can be carried out. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (8)
[화학식 1]
(화학식 1에서, R1 내지 R4는 각각 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 5의 알킬기를 나타내고, n은 2 내지 10의 정수를 나타낸다.)A gel polymer electrolyte comprising a diacrylate or dimethacrylate represented by Formula 1 below, or a polymer or copolymer thereof.
[Formula 1]
(In the formula (1), R 1 to R 4 each represents hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and n represents an integer of 2 to 10.)
상기 R1 및 R2는 각각 수소 또는 메틸기이고, 상기 R3 및 R4는 수소인 겔 고분자 전해질.According to claim 1,
The R 1 and R 2 are each a hydrogen or methyl group, and the R 3 and R 4 are hydrogen gel polymer electrolyte.
상기 n은 2 내지 8의 정수인 겔 고분자 전해질.According to claim 1,
The n is an integer of 2 to 8 gel polymer electrolyte.
화학식 1로 표시되는 디아크릴레이트 또는 디메타아크릴레이트 또는 이들의 중합체 또는 공중합체를 1 내지 7 중량% 포함하는 겔 고분자 전해질. According to claim 1,
A gel polymer electrolyte comprising 1 to 7% by weight of diacrylate or dimethacrylate represented by Formula 1 or a polymer or copolymer thereof.
상기 겔 고분자 전해질은 유기 용매 및 전해질염을 더 포함하는 겔 고분자 전해질.According to claim 1,
The gel polymer electrolyte is a gel polymer electrolyte further comprising an organic solvent and an electrolyte salt.
양극 및 음극;
상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되고, 상기 겔 고분자 전해질을 포함하는 세퍼레이터를 포함하고,
상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 한 전극의 표면에 고분자 막이 형성된 전기화학 소자.The method of claim 6,
Anode and cathode;
Interposed between the positive electrode and the negative electrode, comprising a separator comprising the gel polymer electrolyte,
An electrochemical device in which a polymer film is formed on the surface of at least one of the positive electrode and the negative electrode.
양극 및 음극; 및
상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되고, 상기 겔 고분자 전해질을 포함하는 세퍼레이터를 포함하고,
상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 한 전극의 전극 활물질에 고분자 전해질이 함침된 전기화학 소자.The method of claim 6,
Anode and cathode; And
Interposed between the positive electrode and the negative electrode, comprising a separator comprising the gel polymer electrolyte,
An electrochemical device in which a polymer electrolyte is impregnated into an electrode active material of at least one of the positive electrode and the negative electrode.
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