KR20210101850A - All-Solid-State Renewable Lithium-Organic Battery Comprising Single-Ion Conducting Polymer Electrolytes - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an all-solid-state lithium-organic battery, and more specifically, to an all-solid-state renewable lithium-organic battery comprising a single ion conductive polymer electrolyte. The all-solid-state renewable lithium-organic battery according to an embodiment of the present invention is characterized by using a solid electrolyte comprising polymer nanoparticles having lithium ions bonded to a surface thereof. In the all-solid-state lithium-organic battery according to an embodiment of the present invention, an initial discharge capacity of 352 mAh g^-1, which is close to the theoretical capacity of 397 mAh g^-1 of P4VC, has been obtained, and high electrochemical stability and excellent charge/discharge rate (794 mA g^-1) have been shown.

Description

단일 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하는 전고체상 신재생 리튬-유기 전지{All-Solid-State Renewable Lithium-Organic Battery Comprising Single-Ion Conducting Polymer Electrolytes}All-Solid-State Renewable Lithium-Organic Battery Comprising Single-Ion Conducting Polymer Electrolytes

본 발명은 전고상 리튬-유기 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단일 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하는 전고체상 신재생 리튬-유기 전지에 관한 것이다. The present invention relates to an all-solid-state lithium-organic battery, and more particularly, to an all-solid-state renewable lithium-organic battery comprising a single ion conductive polymer electrolyte.

리튬 전지가 현대인의 삶의 모든 측면에서 사용됨에 따라 차세대 전지 기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 높은 방전 용량, 높은 에너지 밀도, 긴 사이클 수명 및 빠른 충전 시간과 같은 기술적 문제[1,2] 외에도 양극 물질의 독성을 포함한 환경적인 요인에 대한 우려가 제기되고 있다.[7-9] As lithium batteries are used in all aspects of modern life, the demand for next-generation battery technology is increasing. In addition to technical issues such as high discharge capacity, high energy density, long cycle life and fast charging time [1,2] , concerns have been raised about environmental factors including the toxicity of cathode materials. [7-9]

최근까지 대부분의 연구는 전기적, 전기화학적 특성을 조절할 수 있는 산화-환원 활성 유기물질의 분자 설계를 중점적으로 이루어졌다.[4,9-11] 이러한 유기 물질에는 밴드갭(band-gap) 에너지가 낮은 컨쥬게이트 퀴논(conjugated quinone) 뿐만 아니라[4,9,12-14], 다중 산화-환원 반응이 가능한 N-헤테로 방향족 분자[7,15] 및 빠른 전하 이동 속도를 가지는 유기 라디칼[16]이 포함된다. 광범위한 유기 전극 재료 중에서 퀴논계 재료는 광범위한 화학 구조로 인해 특히 관심이 집중되었다. 그럼에도 불구하고 액체전해질에서의 산화-환원 중간체의 용해는 오랫동안 해결되지 않은 문제점으로 남아있었으며, 이는 전지의 열악한 사이클 안정성과 밀접한 관련이 있다.[17] Until recently, most research has focused on molecular design of redox-active organic materials that can control electrical and electrochemical properties. [4,9-11] These organic materials include not only conjugated quinones with low band-gap energy, but also [4,9,12-14] , N-hetero capable of multiple oxidation-reduction reactions. aromatic molecules [7,15] and organic radicals with fast charge transfer rates [16] are included. Among a wide range of organic electrode materials, quinone-based materials have attracted particular attention due to their wide range of chemical structures. Nevertheless, the dissolution of oxidation-reduction intermediates in liquid electrolytes remained an unresolved problem for a long time, which is closely related to the poor cycle stability of batteries. [17]

따라서, 유기 활물질의 용해를 억제하기 위한 전략으로 화학적 또는 물리적 구속에 많은 노력이 기울여졌다.[18] 고분자 기반의 활물질은 작은 유기 분자보다 확산 속도가 느리기 때문에 유일한 해결책으로 등장했다.[19] 이러한 노력으로 인해 일부 유기 양극 활물질에서 1000 사이클 이상의 장기적 안정성과 300 mAh g-1 이상의 높은 방전 용량이 최근 입증되었다.[14,19,20] 그럼에도 불구하고 액체전해질에 대한 유기물의 높은 용해도는 대부분의 리튬-유기 전지의 중요한 단점으로 남아있다.Therefore, much effort has been devoted to chemical or physical restraint as a strategy for inhibiting the dissolution of organic active materials. [18] Polymer-based active materials have emerged as the only solution because the diffusion rate is slower than that of small organic molecules. [19] Due to these efforts, long-term stability of more than 1000 cycles and high discharge capacity of 300 mAh g -1 or more have been recently demonstrated in some organic cathode active materials. [14,19,20] Nevertheless, the high solubility of organics in liquid electrolytes remains an important disadvantage of most lithium-organic batteries.

이와 관련하여, 고체 또는 준고체 고분자 전해질의 사용은 활물질의 손실을 피하기 위한 실용적인 방법으로 여겨져 왔다.[21,22] 이를 위해, 무기 전해질(고체 산화물 및 황화물 기반 전해질)은 고체임에도 불구하고 높은 전도성을 나타내기 때문에 유망한 후보이다.[23,24] 그러나, 고유한 단일 이온 전도 특성을 지닌 무기 전해질의 우수한 전하 전달 속도에도 불구하고[25] 높은 비용, 높인 밀도, 유연성 부족 및 재료의 제한된 가공성은 다양한 형태 구성을 가지는 차세대 전지 제조에 치명적인 단점으로 남아있다.[26] In this regard, the use of solid or semi-solid polyelectrolytes has been regarded as a practical way to avoid loss of active material. [21,22] For this purpose, inorganic electrolytes (solid oxide and sulfide-based electrolytes) are promising candidates because they exhibit high conductivity despite being solid. [23,24] However, despite the excellent charge transfer rate of inorganic electrolytes with intrinsic single-ion conduction properties [25], the high cost, high density, lack of flexibility, and limited processability of materials allow the fabrication of next-generation batteries with various morphological configurations. remains a fatal flaw in [26]

리튬염을 도핑한 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide(PEO)) 기반의 고분자 전해질은 다른 고분자 전해질보다 높은 리튬 이온 전도성을 나타내기 때문에 수십년에 걸쳐 상당한 관심을 받았다.[27-30] 그러나 이 분야의 노력에도 불구하고 보고된 이온 전도도는 일반적으로 실온에서 10-7-10-4 S cm-1 범위에 있으며 기계적 특성은 온도에 매우 민감하므로[29,31,32] 실제 응용에 적합하지 않다. 따라서, 전지 실험에 성공한 대부분의 고분자 전해질은 과량의 액체 첨가제를 함유하는 겔 고분자 전해질이다.[33,34] 어떠한 경우에도, 고체상 또는 준고체상의 전해질을 이용하였을 때 장기 사이클 특성을 보이는 리튬-유기 전지는 아직 달성되지 않았으며 이러한 결과의 요인은 분자 수준에서 산화-환원 중간체의 용해 또는 확산이 일어나기 때문이다.[34,35] Polyelectrolytes based on polyethylene oxide (PEO) doped with lithium salts have received considerable attention over the past several decades because they exhibit higher lithium ion conductivity than other polyelectrolytes. [27-30] However, despite efforts in this field, the reported ionic conductivities are generally in the range of 10 -7 -10 -4 S cm -1 at room temperature, and their mechanical properties are very sensitive to temperature [29,31,32] ] Not suitable for practical applications. Therefore, most of the polyelectrolytes that have been successful in cell experiments are gel polyelectrolytes containing an excess of liquid additives. [33,34] In any case, lithium-organic batteries exhibiting long-term cycle characteristics when using solid or semi-solid electrolytes have not yet been achieved, and a factor in these results is the dissolution or diffusion of oxidation-reduction intermediates at the molecular level. because this happens [34,35]

리튬-유기 전지의 또 다른 중요한 장애물은 제한된 속도 성능이다. 이는 유기 전극 물질의 전하 이동 속도가 무기 물질에 비해 본질적으로 열악하기 때문이다.[36,37] 이러한 문제는, 전해질-전극 계면에서 큰 전하 전달 저항을 갖는 고체 전해질과 유기 전극 물질이 결합되었을 때 더욱 심각해진다.[37] 또한 염이 도핑된 PEO 기반 전해질의 경우, 리튬 전이 개수는 일반적으로 0.3보다 낮은 값이기 때문에 높은 전류밀도에서 상당한 분극 현상을 초래한다.[38] 단일 이온 전도성 고분자 전해질은 이러한 문제를 해결할 수 있지만, 단일 이온 전도성 고분자는 이중 이온 전도성 고분자보다 수십 배 낮은 전도도를 가진다.[39-46] Another important hurdle for lithium-organic batteries is their limited rate performance. This is because the charge transfer rate of the organic electrode material is inherently inferior to that of the inorganic material. [36,37] This problem becomes more serious when a solid electrolyte having a large charge transfer resistance at the electrolyte-electrode interface and an organic electrode material are combined. [37] In addition, in the case of the salt-doped PEO-based electrolyte, the lithium transition number is generally lower than 0.3, resulting in significant polarization at high current densities. [38] Single ion conductive polymer electrolytes can solve this problem, but single ion conductive polymers have a conductivity that is several orders of magnitude lower than double ion conductive polymers. [39-46]

의심할 여지 없이, 높은 전도도와 리튬 전이 개수를 가지는 새로운 고체 전해질의 개발은 리튬-유기 전지 기술의 급진적인 발전으로 이어질 것이다. 그럼에도 불구하고, 이 주제는 많은 관심을 받지 않았으며 고성능 전고체 리튬-유기 전지의 예는 거의 없다. 기계적 안정성, 높은 방전 용량 및 우수한 충방전 속도 성능을 나타내는 전고체 리튬-유기 전지는 매우 어려운 과제로 남아있다.Undoubtedly, the development of new solid electrolytes with high conductivity and lithium transition number will lead to radical development of lithium-organic battery technology. Nevertheless, this topic has not received much attention and there are few examples of high-performance all-solid-state lithium-organic batteries. All-solid-state lithium-organic batteries exhibiting mechanical stability, high discharge capacity and excellent charge/discharge rate performance remain very difficult tasks.

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[56] N. Patil, A. Aqil, F. Ouhib, S. Admassie, O. Ingans, C. Jrme, C. Detrembleur, Adv. Mater. 2017, 29, 1703373. [57] Q. Zhang, K. Liu, F. Ding, W. Li, X. Liu, J. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 29820. [58] M. Doyle, J. Electrochem. Soc. 1995, 142, 3465. [1] Q. Lu, Y.-B. He, Q. Yu, B. Li, YV Kaneti, Y. Yao, F. Kang, Q.-H. Yang, Adv. Mater. 2017, 29, 1604460. [2] H. Kang, H. Kim, MJ Park, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1802423. [3] S. Renault, D. Brandell, K. Edstrφm, ChemSusChem 2014, 7, 2859. [4] J. Lee, MJ Park, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602279. [5] P. Hu, X. He, M.-F. Ng, J. Ye, C. Zhao, S. Wang, K. Tan, A. Chaturvedi, H. Jiang, C. Kloc, W. Hu, Y. Long, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 13513. [6] Y. Liang, Z. Tao, J. Chen, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 742. [7] C. Peng, G.-H. Ning, J. Su, G. Zhong, W. Tang, B. Tian, C. Su, D. Yu, L. Zu, J. Yang, M.-F. Ng, Y.-S. Hu, Y. Yang, M. Armand, KP Loh, Nat. Energy 2017, 2, 17074. [8] Y. Liang, P. Zhang, S. Yang, Z. Tao, J. 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Jang, BM Jung, SB Lee, UH Choi, Chem. Mater. 2017, 29, 440. [55] H. Takeshima, K. Satoh, M. Kamigaito, ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 13681.
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[56] N. Patil, A. Aqil, F. Ouhib, S. Admassie, O. Ingans, C. Jrme, C. Detrembleur, Adv. Mater. 2017, 29, 1703373. [57] Q. Zhang, K. Liu, F. Ding, W. Li, X. Liu, J. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 29820. [58] M. Doyle, J. Electrochem. Soc. 1995, 142, 3465.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 새로운 이차전지용 고체 전해질을 제공하는 것이다. An object to be solved by the present invention is to provide a new solid electrolyte for a secondary battery.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 기계적 안정성, 높은 방전 용량 및 우수한 충방전 속도를 가지는 새로운 고성능의 전고체상 리튬-유기 전지를 제공하는 것이다.Another object to be solved by the present invention is to provide a novel high-performance all-solid-state lithium-organic battery having mechanical stability, high discharge capacity, and excellent charge/discharge rate.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 이차전지용 고체 전해질에 사용되는 새로운 입자를 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a new particle used in a solid electrolyte for a secondary battery.

용어Terms

본 발명에서 '나노'는 1~999 나노미터를 의미한다. In the present invention, 'nano' means 1 to 999 nanometers.

발명의 요약Summary of the invention

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 In order to solve the above problems, the present invention

표면에 리튬 이온이 결합된 고분자 나노입자를 포함하는 이차 전지용 전해질을 제공한다. Provided is an electrolyte for a secondary battery comprising polymer nanoparticles having lithium ions bonded to a surface thereof.

본 발명에 있어서, 상기 고분자 나노 입자는 리튬이온이 결합될 수 있도록 음이온을 띠는 나노입자일 수 있으며, 바람직하게는 고분자 나노 입자의 표면에 리튬이온이 결합될 수 있는 음이온 관능기를 가지는 고분자 나노입자일 수 있다.In the present invention, the polymer nanoparticles may be nanoparticles having an anion so that lithium ions can be bound, and preferably polymer nanoparticles having an anion functional group to which lithium ions can be bound to the surface of the polymer nanoparticles. can be

본 발명에 있어서, 상기 고분자 나노 입자는 표면에 리튬이온과 결합할 수 있는 다수의 음이온 관능기들이 존재하는 코어-쉘 형상의 고분자 나노입자일 수 있다. In the present invention, the polymer nanoparticles may be core-shell-shaped polymer nanoparticles having a plurality of anionic functional groups capable of binding to lithium ions on the surface.

본 발명에 있어서, 상기 고분자 나노입자에서 리튬이온이 결합될 수 있는 음이온 관능기는 전지의 충방전 과정에서 리튬 이온이 결합되고 해리될 수 있는 한 특별한 제한은 없지만, 바람직하게는 전자가 비편재화되어 있어 리튬 이온의 결합과 해리가 용이한 음이온 관능기가 바람직하다. In the present invention, the anionic functional group to which lithium ions can be bound in the polymer nanoparticles is not particularly limited as long as lithium ions can be bound and dissociated during the charging/discharging process of the battery, but preferably electrons are delocalized. An anionic functional group capable of easily binding and dissociating lithium ions is preferred.

본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 음이온 관능기는 하기 화학식(1)로 표현될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the anionic functional group may be represented by the following formula (1).

Figure pat00004
(1)
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(One)

본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 리튬이온이 결합될 수 있는 코어-쉘 형상의 고분자 나노 입자는 가교된 폴리스티렌 코어와, 하기 화학식(2)로 표현되는 쉘로 이루어질 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the core-shell-shaped polymer nanoparticles to which lithium ions can be bound may include a crosslinked polystyrene core and a shell represented by the following Chemical Formula (2).

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, n은 반복단위이며, 10~100,000의 정수일 수 있다. Here, n is a repeating unit, and may be an integer of 10 to 100,000.

본 발명에 있어서, 상기 표면에 리튬 이온이 결합된 고분자 나노입자는 전해질의 10 중량%이상, 바람직하게는 20 중량% 이상, 보다 바람직하게는 30 중량%이상, 보다 더 바람직하게는 40 중량% 이상 포함될 수 있으며, 가장 바람직하게는 40~60 중량% 의 범위로 사용될 수 있다. 상기 나노입자의 함량이 과다하면, 나노입자의 응집이 이온 전도성 경로를 방해하여 전도성의 급격한 감소를 야기할 수 있다. In the present invention, the polymer nanoparticles to which lithium ions are bonded to the surface are 10 wt% or more, preferably 20 wt% or more, more preferably 30 wt% or more, even more preferably 40 wt% or more of the electrolyte. It may be included, and most preferably, it may be used in an amount of 40 to 60% by weight. If the content of the nanoparticles is excessive, the aggregation of nanoparticles may interfere with the ion conductive pathway and cause a sharp decrease in conductivity.

본 발명에 있어서, 상기 전해질은 나노 입자의 응집에 의한 전도성 감소를 해소할 수 있도록, 충방전 과정에서 Li+ 이온을 전송할 수 있는 물질를 포함할 수 있다. In the present invention, the electrolyte may include a material capable of transporting Li + ions in the charging/discharging process so as to solve the decrease in conductivity due to aggregation of nanoparticles.

본 발명에 있어서, 상기 충방전 과정에서 Li+ 이온을 전송할 수 있는 물질은 전체 전해질이 리튬 이온이 결합된 고분자 나노입자와 함께 유기 전해질을 이룰 수 있도록, 유기 물질에서 선택되는 것이 바람직하다. In the present invention, the material capable of transporting Li + ions in the charging/discharging process is preferably selected from organic materials so that the entire electrolyte forms an organic electrolyte together with the polymer nanoparticles to which lithium ions are bonded.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 유기 물질은 Li+ 이온 전도성 및 우수한 열 안정성을 가지는 숙시노니트릴(SN: succinonitrile)로 이루어질 수 있다.In the practice of the present invention, the organic material may be made of Li + succinonitrile (SN: succinonitrile) having ion conductivity and excellent thermal stability.

본 발명에 있어서, 상기 표면에 리튬이온이 결합된 고분자 나노 입자는 높은 표면적을 가질 수 있도록 직경이 500 nm이하, 바람직하게는 300 nm 이하, 보다 바람직하게는 100 nm 이하의 직경을 가질 수 있다. In the present invention, the polymer nanoparticles to which lithium ions are bonded to the surface may have a diameter of 500 nm or less, preferably 300 nm or less, more preferably 100 nm or less so as to have a high surface area.

본 발명에 실시에 있어서, 상기 전해질이 표면에 리튬이온이 결합된 고분자 나노입자와 숙시노니트릴로 이루어질 경우, 표면에 리튬이온이 결합된 고분자 나노입자는 숙시노니트릴의 결정화를 방지할 수 있도록 30 nm 이하, 보다 바람직하게는 25 nm 이하, 가장 바람직하게는 20 nm 이하의 직경을 가지는 나노입자를 사용하는 것이 좋다.In the practice of the present invention, when the electrolyte is composed of polymer nanoparticles bound to lithium ions on the surface and succinonitrile, the polymer nanoparticles bound to lithium ions on the surface are 30 nm to prevent crystallization of succinonitrile. Hereinafter, it is preferable to use nanoparticles having a diameter of more preferably 25 nm or less, and most preferably 20 nm or less.

본 발명은 일 측면에 있어서, 표면에 리튬 이온이 결합된 고분자 나노입자를 포함하는 전해질과, 및 양극 및 음극을 포함하는 이차전지를 제공한다.In one aspect, the present invention provides an electrolyte including polymer nanoparticles having lithium ions bonded to a surface thereof, and a secondary battery including a positive electrode and a negative electrode.

본 발명에 있어서, 상기 표면에 리튬 이온이 결합된 고분자 나노 입자는 충방전 과정에서 고분자 나노입자의 표면에 결합된 리튬 이온만 이동하고 음이온을 띠는 고분자 나노 입자는 이동하지 않는 단일 이온 전도성 고분자일 수 있다. In the present invention, the polymer nanoparticles bound to the surface with lithium ions are single ion conductive polymers that only move lithium ions bound to the surface of the polymer nanoparticles during charging and discharging and the polymer nanoparticles having an anion do not move. can

본 발명에 있어서, 상기 양극은 산화-환원 과정에서 양극 활물질이 용출되는 것을 방지할 수 있도록, 중간체가 음이온을 띠는 활물질을 사용하는 것이 바람직하다. In the present invention, the positive electrode preferably uses an active material having an anion as an intermediate in order to prevent elution of the positive electrode active material during the oxidation-reduction process.

이론적으로 한정된 것은 아니지만, 단일 이온 전도성 고분자 나노 입자를 포함하는 본원 발명에 따른 전해질은, 충방전 과정에서, 표면에 리튬 이온이 결합된 고분자 나노입자에서 리튬 이온이 해리되어 이동하고, 음이온을 띠는 고분자 나노입자가 남게되며, 이에 따라, 산화-환원 과정에서 음이온을 띠는 활물질들을 사용할 경우, 이온간 반발력에 의해서 전극에서 용출되는 것을 방지할 수 있게 된다. Although not limited in theory, the electrolyte according to the present invention, including single ion conductive polymer nanoparticles, dissociates and moves lithium ions from the polymer nanoparticles having lithium ions bonded to the surface during the charging and discharging process, Polymer nanoparticles remain, and thus, when active materials having an anion are used in the oxidation-reduction process, it is possible to prevent elution from the electrode due to the repulsive force between the ions.

본 발명에 있어서, 상기 양극 활물질은 산화-환원 과정에서 음이온을 띠는한 특별한 제한이 사용할 수 있다. In the present invention, the positive active material may be used with special limitations as long as it has an anion in the oxidation-reduction process.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 양극 활물질은 친경친화적인 전지를 제공할 수 있도록 자연에서 얻을 수 있는 polyvinyl catechol에 기반한 P4VC를 사용할 수 있다. In the practice of the present invention, P4VC based on polyvinyl catechol obtained from nature may be used as the cathode active material to provide an eco-friendly battery.

본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 양극 활물질은 양극에서 용출되는 것을 방지할 수 있도록 다공성 기체 확산 집전체에 흡착될 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the positive electrode active material may be adsorbed to the porous gas diffusion current collector to prevent elution from the positive electrode.

본 발명은 일 측면에서,The present invention in one aspect,

하기 화학식 3으로 표현되는 관능기를 가지는 나노 입자를 제공한다.It provides nanoparticles having a functional group represented by the following formula (3).

Figure pat00006
(3)
Figure pat00006
(3)

본 발명에 있어서, 상기 나노 입자는 유기 나노 입자일 수 있으며, 바람직하게는 하기 화학식(2)로 표현되는 표현되는 쉘을 가지는 코어-쉘 나노 입자일 수 있다.In the present invention, the nanoparticles may be organic nanoparticles, preferably core-shell nanoparticles having a shell represented by the following formula (2).

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, n은 반복 단위이며, 10~100,000의 정수일 수 있다. Here, n is a repeating unit and may be an integer of 10 to 100,000.

본 발명에 있어서, 상기 나노입자는 이를 포함하는 전해질이 향상된 기계적 물성을 가질 수 있도록 가교된 폴리스티렌 코어를 가지는 것이 바람직하다. In the present invention, the nanoparticles preferably have a cross-linked polystyrene core so that an electrolyte including the same can have improved mechanical properties.

본 발명은 고체상 단일 이온 전도성 고분자에 기반한 전해질과, 자연에서 얻을 수 있는 polyvinyl catechol (P4VC)에 기반한 양극 활물질을 포함하는 전고체 리튬-유기 전지를 제시하였다. The present invention proposes an all-solid-state lithium-organic battery comprising an electrolyte based on a solid-state single ion conductive polymer and a cathode active material based on polyvinyl catechol (P4VC), which can be obtained from nature.

본 발명에 따른 전고체 리튬-유기 전지는 단일 이온 전도성 고분자 나노입자를 정확한 크기(표면적)으로 합성함으로써 실온에서 0.2 x 10-3 S cm-1, 90 ℃에서 10-3 S cm-1의 높은 전도도를 얻었으며, 뿐만 아니라 90 ℃의 높은 온도에서도 안정한 20 MPa의 높은 저장탄성률을 얻었다. All-solid lithium according to the invention the organic cell is a single-ion conductive polymer nanoparticles at room temperature by combining the correct size (surface area) 0.2 x 10 -3 S cm -1 , from 90 ℃ 10 -3 S cm -1 in the high Conductivity was obtained, as well as a high storage modulus of 20 MPa, which was stable even at a high temperature of 90 °C.

본 발명에 따른 전고체 리튬-유기 전지는 자연적으로 풍부한 caffeic acid(카페인산)를 사용하여 합성된 P4VC를 양극에 이용함으로써, 환경친화적인 전지를 제공하였다. The all-solid-state lithium-organic battery according to the present invention provided an environmentally friendly battery by using P4VC synthesized using naturally abundant caffeic acid for the positive electrode.

본 발명에 따른 전고체 리튬-유기 전지는 P4VC의 이론 용량인 397 mAh g-1에 가까운 352 mAh g-1의 초기 방전 용량을 얻을 수 있었으며 높은 전기화학적 안정성 및 우수한 충방전 속도 (794 mA g-1)를 보였다.The all-solid-state lithium-organic battery according to the present invention was able to obtain an initial discharge capacity of 352 mAh g -1 close to the theoretical capacity of 397 mAh g -1 of P4VC, and exhibited high electrochemical stability and excellent charge/discharge rate (794 mA g - 1 ) was shown.

도 1은 (a) emulsion polymerization과 2단계의 화학적 변형을 통한 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자의 합성 경로. (b) x-PS/PSS-Na+, x-PS/PS-SO2Cl 및 x-PS/PSTFSI-Li+의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 2는 (a) 직경이 20, 40, 200 nm인 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자의 SEM 이미지 (scale bar: 500 nm). 40 nm 및 200 nm의 직경을 가지는 나노입자의 TEM 현미경 사진이 되어있다. (b) Bright-field TEM 이미지 및 20 nm x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자의 원소 mapping: C (탄소), N (질소), O (산소), F (불소), S (황)이다..
도 3은 (a) homopolymer와 비교하여 나노입자의 크기에 따른 50 wt% 단일 이온 나노입자 전해질의 이온 전도도, (b) DSC thermograms, (c) 나노입자의 유변학적 특성. (d) 상이한 로딩에서 20 nm 나노입자를 포함하는 단일 이온 나노입자 전해질의 유변학적 특성 및 (e) 이온 전도도. (f) 이 연구와 비교하여 문헌에 보고된 다양한 단일 이온 고분자 전해질의 전도도와 기계적 특성간의 상관 관계. 무기 필러를 혼성화하여 얻은 결과는 녹색으로 음영 처리되었음.
도 4는 리튬 호일, 단일 이온 나노입자 전해질 및 P4VC 양극을 결합하여 제작한 리튬-유기 반쪽 전지의 제작도면이다.
도 5는 (a) 39.7 mAh g-1 및 25oC에서 측정된 리튬 호일/단일 이온 나노입자 전해질/P4VC 양극의 정전류 충방전 전압 프로파일. (b) 25oC 에서의 SN 전해질(1 M LiTFSI-SN)와 비교하였을 때, 단일 이온 나노입자 전해질에 기반한 리튬 전지의 방전 용량 및 쿨롱 효율.
도 6은 (a) 25oC에서 측정된 단일 이온 나노입자 전해질 및 SN 전해질을 포함한 리튬 반쪽 전지의 속도 성능. (b) Li/단일 이온 나노입자 전해질/P4VC 및 Li/SN전해질/P4VC 전지의 임피던스 스펙트럼. (c) 794 mA g-1 및 25oC에서 500 사이클 동안 단일 이온 나노입자 전해질 및 P4VC 양극에 기반한 리튬 전지의 긴 사이클 수명. (d) SN 전해질과 비교하여 1 mV s-1 및 25oC에서 단일 이온 나노입자 전해질의 선형주사전위 voltammograms. (e) DV = 0.2 V, 60oC에서 Li/단일 이온 나노입자 전해질/Li 대칭 전지의 분극 실험. 분극 실험 전후 전지의 Nyquist plot이 삽입 되어있다.
도 7은 상이한 크기의 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자의 제타전위 측정도면이다.
도 8은 P4VC의 합성 절차 및 1H 핵자기공명 스펙트럼(1H NMR in DMSO)이며, 특징적인 1H NMR peaks는 스펙트럼에 표시되어 있다.
도 9는 다양한 주사 속도하에서, SN 전해질과 단일 이온 나노입자 전해질의 순환전압전류법 분석이다.
도 10은 0.1 mA cm-2 및 60oC 조건 하에서, SN 전해질과 단일 이온 나노입자 전해질의 Li plating/stripping test.
1 is (a) the synthesis route of x-PS/PSTFSI-Li + nanoparticles through emulsion polymerization and two-step chemical transformation. (b) FT-IR spectra of x-PS/PSS - Na + , x-PS/PS-SO 2 Cl and x-PS/PSTFSI - Li + .
Figure 2 is (a) x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles having a diameter of 20, 40, 200 nm (scale bar: 500 nm). TEM micrographs of nanoparticles with diameters of 40 nm and 200 nm are shown. (b) Bright-field TEM image and 20 nm x-PS/PSTFSI - elemental mapping of Li + nanoparticles: C (carbon), N (nitrogen), O (oxygen), F (fluorine), S (sulfur) ..
Figure 3 shows (a) the ionic conductivity of 50 wt% single-ion nanoparticle electrolyte as a function of nanoparticle size compared to homopolymer, (b) DSC thermograms, and (c) rheological properties of nanoparticles. (d) Rheological properties and (e) ionic conductivity of single ion nanoparticle electrolytes comprising 20 nm nanoparticles at different loadings. (f) Correlation between conductivity and mechanical properties of various single-ion polyelectrolytes reported in the literature compared to this study. Results obtained by hybridizing inorganic fillers are shaded in green.
FIG. 4 is a fabrication diagram of a lithium-organic half-cell manufactured by combining a lithium foil, a single ion nanoparticle electrolyte, and a P4VC positive electrode.
FIG. 5 is (a) constant current charge/discharge voltage profile of lithium foil/single ion nanoparticle electrolyte/P4VC positive electrode measured at 39.7 mAh g −1 and 25 o C. FIG. (b) Discharge capacity and coulombic efficiency of lithium cells based on single-ion nanoparticle electrolytes compared to SN electrolytes (1 M LiTFSI-SN) at 25 °C.
6 shows (a) rate performance of lithium half-cells containing single-ion nanoparticle electrolytes and SN electrolytes measured at 25 °C. (b) Impedance spectra of Li/single-ion nanoparticle electrolyte/P4VC and Li/SN electrolyte/P4VC cells. (c) Long cycle life of lithium cells based on single ion nanoparticle electrolyte and P4VC positive electrode for 500 cycles at 794 mA g −1 and 25 o C. (d) Linear scanning potential voltammograms of single-ion nanoparticle electrolytes at 1 mV s −1 and 25 o C compared to SN electrolytes. (e) Polarization experiment of Li/single-ion nanoparticle electrolyte/Li symmetric cell at DV = 0.2 V, 60 o C. Nyquist plots of the cells before and after the polarization experiment are inserted.
7 is a zeta potential measurement diagram of x-PS/PSTFSI-Li+ nanoparticles of different sizes.
8 is a synthetic procedure of P4VC and a 1H nuclear magnetic resonance spectrum (1H NMR in DMSO), and characteristic 1H NMR peaks are indicated in the spectrum.
9 is a cyclic voltammetry analysis of an SN electrolyte and a single ion nanoparticle electrolyte under various scanning rates.
10 is a Li plating / stripping test of SN electrolyte and single ion nanoparticle electrolyte under 0.1 mA cm -2 and 60 o C conditions.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니며, 본 발명을 예시하기 위한 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. The following examples are not intended to limit the present invention, but to illustrate the present invention.

도 1(a)는 단일 이온 전도성 고분자 나노입자의 합성 경로를 나타낸다. 과량의 sodium styrene sulfonate 존재하에 styrene과 divinylstyrene을 emulsion polymerization함으로써, 가교된 polystyrene (PS) core와 polystyrene sulfonate (PSS) shell 구조의 고분자 나노입자(x-PS/PSS-Na+)를 얻을 수 있다. 나노입자 합성에 이어, sodium sulfonate 그룹은 sulfonyl chloride 그룹으로 치환되며(x-PS/PS-SO2Cl), sulfonyl(trifluoromethanesulfonyl)imide로 치환된다. 그 결과, 표면에 CF3(SO2)N- 음이온을 가지는 고분자 나노입자의 양이온을 Li+으로 치환함으로써(x-PS/PSTFSILi-Li+) Li+ 전도 특성을 제공한다.Figure 1 (a) shows the synthesis route of single ion conductive polymer nanoparticles. By emulsion polymerization of styrene and divinylstyrene in the presence of an excess of sodium styrene sulfonate, polymer nanoparticles (x-PS/PSS - Na + ) having a crosslinked polystyrene (PS) core and polystyrene sulfonate (PSS) shell structure can be obtained. Following nanoparticle synthesis, the sodium sulfonate group is substituted with a sulfonyl chloride group (x-PS/PS-SO 2 Cl) and sulfonyl(trifluoromethanesulfonyl)imide. As a result, by replacing the cation of the polymer nanoparticles having a CF 3 (SO 2 )N - anion on the surface with Li + (x-PS/PSTFSILi - Li + ), Li + conduction properties are provided.

나노입자 표면에서의 치환 반응은 푸리에 변환 적외선 분광법 (FT-IR)에 의해 확인되었다. 도 1(b)에서 볼 수 있듯이, 2단계 표면 개질 과정에서 2800-3010 cm-1에 해당하는 PS 주쇄의 CH2 stretching vibration은 변하지 않고, 방향족 고리 구조의 C=C 결합에 해당하는 peaks이 1430-1680 cm-1에서 관찰된다. SO2Cl 그룹을 부착할 때, 전기 음성적 치환기가 S+-O-보다 S=O를 안정화시키기 때문에 S=O의 symmetric stretching vibration이 청색이동된다. 나노입자의 표면을 CF-3(SO2)N-Li+으로 개질한 후, 1376 cm-1에서 관찰되는 sulfonyl chloride의 asymmetric vibration peak은 사라지며, 다른 S=O peaks도 적색이동한다. 또한 C-F에 해당하는 stretching vibration들이 1185 cm-1와 1052cm-1에서 나타나며, 이는 sulfonamide가 나노입자의 표면에 성공적으로 도입되었음을 의미한다. The substitution reaction at the nanoparticle surface was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). As can be seen in Figure 1(b), in the two-step surface modification process, the CH 2 stretching vibration of the PS main chain corresponding to 2800-3010 cm -1 does not change, and the peaks corresponding to the C = C bond of the aromatic ring structure are 1430. It is observed at -1680 cm -1 . When attaching the SO 2 Cl group, the symmetric stretching vibration of S=O is blue shifted because the electronegative substituent stabilizes S=O rather than S + -O -. After the surface of the nanoparticles was modified with CF-3 (SO 2 )N - Li + , the asymmetric vibration peak of sulfonyl chloride observed at 1376 cm -1 disappeared, and other S=O peaks also shifted red. Also it occurs at a stretching vibration 1052cm -1 to 1185 cm -1 and for the CF, which means that the sulfonamide has been successfully introduced to the surface of the nanoparticles.

CF3(SO2)N-은 부피가 크고 전자가 비편재화 되어 Li+의 해리를 촉진하는 것으로 예측된다.[40,44] 또한 유기 양극 활물질의 산화-환원 중간체가 음전하를 가지기 때문에 나노입자 표면과 정전기적 반발력을 가질 수 있으며 이는 전해질에 활물질이 용해되는 것을 지연시킬 수 있다. Li+의 해리 정도와 리튬 이온 전도도는 나노입자의 표면적에 영향을 받을 수 있기 때문에, 시약들의 molar ratio를 제어하여 세 가지의 상이한 크기를 가지는 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자를 제조하였다.CF 3 (SO 2 )N is expected to be bulky and to promote dissociation of Li + due to electron delocalization. [40,44] In addition, since the oxidation-reduction intermediate of the organic positive electrode active material has a negative charge, it may have an electrostatic repulsive force with the nanoparticle surface, which may delay dissolution of the active material in the electrolyte. Since the degree of dissociation of Li + and lithium ion conductivity can be affected by the surface area of the nanoparticles, x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles having three different sizes were prepared by controlling the molar ratio of the reagents.

x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자의 형태 및 크기는 주사 전자 현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 조사되었다. 도 2(a)의 SEM 이미지에서 볼 수 있듯이, 세 가지 상이한 크기의 나노입자 샘플은 모든 균일한 크기 분포를 가지고 있다. TEM 이미지 또한 이들 샘플에서 나노입자가 대략 20, 40, 200 nm의 크기를 갖는 구형임을 나타낸다. x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자의 core-shell 형태는 전자 에너지 손실 분광법(EELS)에 의해 설명되었다. 20 nm의 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자의 대표 이미지는 도 2(b)에 나와 있으며, 원자가 풍부한 특정 영역이 밝게 보인다. 탄소상에서 알 수 있듯이, core에는 주로 PS 사슬이 포함되어 있지만 PSTFSI 사슬로 구성된 shell 구조에서는 TFSI- 음이온의 산소, 불소, 질소 및 황 원자로 인해 예상될 수 있는 mapping 이미지를 보였다. Shell의 두께는 3-4 nm로 관측되었다.The morphology and size of x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). As can be seen from the SEM image of Fig. 2(a), the three different sized nanoparticle samples all had a uniform size distribution. TEM images also show that the nanoparticles in these samples are spherical with sizes of approximately 20, 40, and 200 nm. The core-shell morphology of x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles was described by electron energy loss spectroscopy (EELS). A representative image of x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles at 20 nm is shown in Fig. 2(b), in which certain atom-rich regions appear bright. As can be seen from the carbon phase, the core mainly contains PS chains, but the shell structure composed of PSTFSI chains showed a mapping image that could be expected due to oxygen, fluorine, nitrogen and sulfur atoms of TFSI-anions. The thickness of the shell was observed to be 3-4 nm.

상이한 크기를 가지는 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자의 제타전위 및 전기 영동 이동성(electrophoretic mobility)은 Zetasizer를 사용하여 측정되었다. 나노입자의 응집을 배제하기 위해, 나노입자 희석 용액(에탄올 용매 하에 0.04 wt%)을 제조하였다. 도 7에 표시된 것처럼 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자는 직경이 20, 40, 200 nm인 나노입자에 대해 제타전위가 -32, -31, -42 mV인 음의 표면전하를 가진다. 각 전기 영동 이동성 측정으로부터 Kohlrausch 법칙에 따라 x-PS/PSTFSI-Li+의 Li+ 농도를 계산하였다.[47] 이 때, 나노입자 표면의 Li+ 농도는 LiTFSI의 무한 희석 용액(infinite dilute solution)을 참조로 계산할 수 있었다. 본 연구진은 나노입자의 크기가 Li+ 농도를 결정하는데 결정적인 요소는 아니며 50 wt%의 나노입자를 포함하는 전해질에 대해 Li+의 농도가 1.2-1.4 mol L-1범위에 있는 것으로 추정하였다. 선형의 단일 이온 전도성 고분자인 PSTFSI-Li+ homopolymer (Mw=1000 kg mol-1)의 경우, 동일한 50 wt%의 농도에서 3.1 mol L-1의 Li+농도를 갖는 것으로 계산되었다. The zeta potential and electrophoretic mobility of x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles having different sizes were measured using a Zetasizer. To exclude aggregation of nanoparticles, a diluted nanoparticle solution (0.04 wt% in ethanol solvent) was prepared. As shown in FIG. 7 , the x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles have negative surface charges with zeta potentials of -32, -31, and -42 mV for nanoparticles with a diameter of 20, 40, and 200 nm. From each electrophoretic mobility measurement, the Li + concentration of x-PS/PSTFSI - Li + was calculated according to Kohlrausch's law. [47] In this case, the Li + concentration on the surface of the nanoparticles could be calculated with reference to an infinite dilute solution of LiTFSI. We estimate that the size of the nanoparticles is not a decisive factor in determining the Li + concentration, and that the Li + concentration is in the range of 1.2-1.4 mol L -1 for the electrolyte containing 50 wt% of the nanoparticles. In the case of PSTFSI - Li + homopolymer (Mw=1000 kg mol -1 ), a linear single ion conductive polymer, it was calculated to have a Li + concentration of 3.1 mol L -1 at the same concentration of 50 wt%.

그럼에도 불구하고, 나노입자의 크기는 고체상 고분자의 Li+ 전도도를 향상시키는데 결정적인 요인이었다. 본 연구진은 succinonitrile (SN)과 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자를 혼합하여 단일 이온 나노입자 전해질(Single-ion NP electrolyte)을 제조하였다. SN는 준고체상에서의 높은 Li+ 전도성 및 우수한 열 안정성을 가진 고체이다.[48,49] 직경이 20, 40, 200 nm인 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자를 50 wt%의 농도로 포함하는 단일 이온 나노입자 전해질의 이온 전도도 데이터는 도 3(a)에 나타나있다. 작은 나노입자의 사용은 SN의 결정성을 억제하면서 Li+ 전도도를 향상시켰으며 실온에서 0.2 x 10-3 S cm-1의 가장 높은 전도도를 가져왔다. 또한 전도도는 90 ℃에서 10-3 S cm-1로 증가하였다. 대조적으로, 40 nm 및 200 nm 나노입자를 포함하는 단일 이온 나노입자 전해질의 전도도는 낮았으며 냉각시 전도도의 급격한 감소가 관찰되었다. 이러한 현상은 더 큰 나노입자의 낮은 표면적에 기인하며, 이는 SN의 결정성을 완전히 방해할 수 없고 분자간 상호작용의 가능성을 감소시킨다.Nevertheless, the size of the nanoparticles was a decisive factor in improving the Li + conductivity of the solid polymer. We prepared a single-ion NP electrolyte by mixing succinonitrile (SN) and x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles. SN is a solid with high Li + conductivity in the semi-solid phase and good thermal stability. [48,49] Ion conductivity data of a single ion nanoparticle electrolyte containing x-PS/PSTFSI- Li + nanoparticles with a diameter of 20, 40, and 200 nm at a concentration of 50 wt% is shown in FIG. 3(a). have. The use of small nanoparticles improved the Li + conductivity while suppressing the crystallinity of SN and resulted in the highest conductivity of 0.2 x 10 -3 S cm -1 at room temperature. Also, the conductivity increased to 10 -3 S cm -1 at 90 °C. In contrast, the conductivity of single ion nanoparticle electrolytes containing 40 nm and 200 nm nanoparticles was low and a sharp decrease in conductivity was observed upon cooling. This phenomenon is due to the lower surface area of the larger nanoparticles, which cannot completely interfere with the crystallinity of the SN and reduces the possibility of intermolecular interactions.

50 wt%의 농도에서 선형 PSTFSI-Li+ homopolymer를 포함하는 유사한 전해질 또한 상당히 높은 Li+ 농도(3.1 mol L-1)로 인해 제한된 SN의 결정성을 나타냈다. 그러나, 전도도는 전체 온도 범위에 걸쳐 20 nm 나노입자를 포함하는 단일 이온 나노입자 전해질의 전도도보다 2배 낮았다. 이러한 관측은 무작위로 꼬인(coiled) homopolymer보다 덜 구불한 이온 전도 경로로 인해, close-packed 되어있는 나노입자의 표면을 따라 일어나는 Li+의 수송이 훨씬 효율적임을 의미한다. 단일 이온 전도성 고분자에 관한 대다수의 문헌이 선형 고분자 사슬에 관한 것을 고려할 때, 우리의 접근 방식은 특히 주목할 만하다.[39-41,44,45,50,51] A similar electrolyte containing a linear PSTFSI - Li + homopolymer at a concentration of 50 wt % also exhibited limited SN crystallinity due to a significantly higher Li + concentration (3.1 mol L -1 ). However, the conductivity was twice that of the single ion nanoparticle electrolyte containing 20 nm nanoparticles over the entire temperature range. These observations imply that the transport of Li+ along the surface of the close-packed nanoparticles is much more efficient than that of the randomly coiled homopolymer, due to the less tortuous ion conduction path. Our approach is particularly noteworthy, given that the majority of literature on single ion-conducting polymers concerns linear polymer chains. [39-41,44,45,50,51]

전해질의 상이한 열적 특성은 도 3(b)에 도시된 바와 같이 시차 주사 열량 측정(differential scanning calorimetry)에 의해 확인되었다. 20 nm 나노입자를 포함하는 단일 이온 나노입자 전해질에서는 SN의 결정성이 관찰되지 않았다. 선형 PSTFSI-Li+ homopolymer가 포함된 전해질에 대해서도 SN의 결정성의 상당한 억제가 관찰되었다. 그러나, 40 nm 및 200 nm 나노입자를 포함한 단일 이온 나노입자 전해질의 경우, SN의 결정화가 발생하였고 결정화도는 나노입자의 크기에 의존하였다.Different thermal properties of the electrolyte were confirmed by differential scanning calorimetry as shown in Fig. 3(b). Crystallinity of SN was not observed in single ion nanoparticle electrolytes containing 20 nm nanoparticles. Significant inhibition of the crystallinity of SN was also observed for electrolytes containing linear PSTFSI - Li + homopolymer. However, in the case of single-ion nanoparticle electrolytes containing 40 nm and 200 nm nanoparticles, crystallization of SN occurred and the degree of crystallinity depended on the size of the nanoparticles.

향상된 이온 전도도 외에도 20 nm 나노입자를 포함하는 단일 이온 나노입자 전해질은 도 3(c)에서 볼 수 있듯이 25-90 ℃의 온도범위에서 우수한 기계적 특성을 나타내며, 이는 나노입자들 사이의 넓은 접촉면에 의한 결과이다.[52] 20 nm 및 40 nm 나노입자를 포함하는 전해질의 경우, 전해질의 탄성은 90 ℃까지 변하지 않으나, 200 nm 나노입자를 가지는 전해질의 경우, SN의 융용 전이(melting transition)시 전해질의 저장탄성률이 급격히 감소하며 이와 관련하여, 도 3(a)과 도 3(b)의 높은 합치도를 확인할 수 있다. 흥미롭게도, 모든 단일 이온 나노입자 전해질은 선형 homopolymer와 비교할 때, 개선된 기계적 특성을 나타내며 이는 전해질막 내 나노입자가 밀집적으로 패킹된 형태에 의해 발생한 것이라 합리화될 수 있다. 이 발견은 기능성 나노입자의 합리적인 설계를 통하여, 단일 이온 전도성 고분자 전해질의 우수한 이온 수송 특성과 기계적 안정성을 동시에 향상시킬 수 있음을 강조한다.In addition to the improved ionic conductivity, the single-ion nanoparticle electrolyte containing 20 nm nanoparticles exhibits excellent mechanical properties in the temperature range of 25-90 ° C, as shown in FIG. It is the result. [52] In the case of an electrolyte containing 20 nm and 40 nm nanoparticles, the elasticity of the electrolyte does not change up to 90 °C, but in the case of an electrolyte having 200 nm nanoparticles, the storage modulus of the electrolyte during the melting transition of SN is rapidly reduced, and in this regard, it can be seen that the high degree of agreement between FIGS. 3(a) and 3(b). Interestingly, all single-ion nanoparticle electrolytes exhibit improved mechanical properties when compared to linear homopolymers, which can be rationalized due to the densely packed morphology of nanoparticles in the electrolyte membrane. This finding emphasizes that the excellent ion transport properties and mechanical stability of single ion conductive polymer electrolytes can be simultaneously improved through the rational design of functional nanoparticles.

단일 이온 나노입자 전해질은 SN과 나노입자의 단순한 혼성화(hybridization)에 의해 제조 되었으므로, 나노입자의 로딩양을 변화시켜 Li+ 농도를 조정하고 나노입자의 충전 밀도를 조절함으로써 이온 전도도 및 기계적 특성을 추가로 제어할 수 있다. 도 3(d)는 25oC에서 상이한 양의 20 nm 나노입자를 포함하는 단일 이온 나노입자 절해질의 대표적 주파수-의존적 저장탄성률(frequency-dependent moduli)을 나타낸다. 나노입자의 로딩량이 증가함에 따라 전해질막은 보다 탄성이 되고(G'/G'' 비율의 증가), 탄성은 최대 90 ℃의 온도의 영향을 받지 않는다. 저장탄성률의 향상은 나노입자의 양을 50 wt%에서 60 wt%로 증가시킬 때, 비교적 작았지만 40 wt%로 로딩량을 감소시킬 때는 차수의 감소를 보였다. 이 거동은 나노입자의 close-packing이 50 wt%일 때 형성되고 더 높은 나노입자 농도에서 얻어진 높은 기계적 강도는 가교된 PS core에 의해 좌우됨을 나타낸다. SN와 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자의 유사한 부피 질량 밀도에 기초하여, 나노입자의 close-packing은 ~74 wt%로 예상된다. 그러나 무정형의 SN 존재하에서, PSTFSI-Li+ 사슬이 팽창하므로 고분자 나노입자에 의해 점유된 실제 부피는 중량 분율에 기초하여 예측된 것보다 더 클 것이다. Since the single ion nanoparticle electrolyte was prepared by simple hybridization of SN and nanoparticles, ionic conductivity and mechanical properties were added by adjusting the Li + concentration by changing the loading amount of nanoparticles and controlling the packing density of nanoparticles. can be controlled with Figure 3(d) shows representative frequency-dependent storage moduli of single ion nanoparticle cleavage containing different amounts of 20 nm nanoparticles at 25 °C. As the loading of nanoparticles increases, the electrolyte membrane becomes more elastic (increasing the G'/G'' ratio), and the elasticity is not affected by temperatures up to 90 °C. The improvement of the storage modulus was relatively small when the amount of nanoparticles was increased from 50 wt% to 60 wt%, but showed a decrease in the order when the loading amount was decreased to 40 wt%. This behavior is formed when the close-packing of nanoparticles is 50 wt% and indicates that the high mechanical strength obtained at higher nanoparticle concentration is dominated by the cross-linked PS core. Based on similar bulk mass densities of SN and x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles, close-packing of nanoparticles is expected to be ~74 wt%. However, in the presence of amorphous SN, the actual volume occupied by the polymer nanoparticles will be larger than predicted based on the weight fraction as the PSTFSI - Li + chains expand.

도 3(e)는 나노입자의 로딩이 다른 단일 이온 나노입자 전해질의 온도 의존적 이온전도도를 보여준다. 나노입자의 함량을 60 wt%로 증가시키면 전도성 상의 부피분율이 감소하고 과량의 나노입자의 응집이 이온 전도성 경로를 방해하기 때문에 전도성의 급격한 감소를 초래한다. 또한 낮은 Li+ 농도로 인한 SN의 결정화가 40 wt% 나노입자 로딩에서 완전히 억제되지 않는 것으로 밝혀졌다. 3(e) shows the temperature-dependent ionic conductivity of single-ion nanoparticle electrolytes with different loadings of nanoparticles. When the content of nanoparticles is increased to 60 wt %, the volume fraction of the conductive phase is reduced and the aggregation of excessive nanoparticles interferes with the ion conductive pathway, resulting in a sharp decrease in conductivity. It was also found that crystallization of SN due to the low Li + concentration was not completely inhibited at 40 wt% nanoparticle loading.

대표적인 단일 이온 전해질에 대한 문헌 값과 단일 이온 나노입자 전해질의 전도도-저장탄성률 plot을 비교한 결과(도 3(f)), 고체 전해질 영역에서 이 연구의 중요한 발전을 보여준다.[41-46] 특히, 단일 이온 나노입자 전해질이 모두 유기임에도 불구하고 유기-무기 하이브리드에 비해 개선된 Li+ 이온 수송 특성과 우수한 기계적 특성을 나타낸다.[43,53,54] 전지 성능에서, 설명한 바와 같이 최적의 특성을 가지는 20 nm 나노입자의 50 wt% 단일 이온 나노입자 전해질에 중점을 두었다. 유기 전극 재료와 결합된 단일 이온 나노입자 전해질의 전지 성능을 평가하기 위해, reversible addition fragmentation transfer (RAFT) 중합을 통해 합성된 vinyl catechol기반 P4VC 양극 활물질을 합성하였다.[55] 합성 절차 및 1H 핵자기공명 (1H NMR) 스펙트럼은 도 8에 나타나있다. P4VC의 분자량을 3 kg mol-1로 최적화하여 작은 소구체를 수득함으로써 전해질 내로의 분자 확산을 억제하면서 본질적으로 절연성 고분자에서 빠른 Li+ 수송을 보장하였다. Comparing the literature values for a representative single-ion electrolyte with the conductivity-storage modulus plot of the single-ion nanoparticle electrolyte (Fig. 3(f)), it shows an important development of this study in the solid electrolyte field. [41-46] In particular, although single-ion nanoparticle electrolytes are all organic, they exhibit improved Li + ion transport properties and superior mechanical properties compared to organic-inorganic hybrids. [43,53,54] In cell performance, we focused on a 50 wt% single-ion nanoparticle electrolyte of 20 nm nanoparticles with optimal properties as described. To evaluate the cell performance of single-ion nanoparticle electrolytes combined with organic electrode materials, a vinyl catechol-based P4VC cathode active material synthesized through reversible addition fragmentation transfer (RAFT) polymerization was synthesized. [55] The synthesis procedure and 1 H nuclear magnetic resonance ( 1 H NMR) spectrum are shown in FIG. 8 . By optimizing the molecular weight of P4VC to 3 kg mol -1 to obtain small globules, the molecular diffusion into the electrolyte was suppressed while essentially ensuring fast Li + transport in the insulating polymer.

0.4 mg cm-2의 로딩에서 다공성 기체 확산 집전체 내로 P4VC를 침윤시킴으로써 유기 양극을 제조하였다. P4VC의 이론적 용량은 2개의 산화-환원 활성 부위가 모두 전기화학 반응에 참여한다는 가정하에 397 mAh g-1로 계산되었다. 리튬-유기 반쪽 전지는 도 4와 같이 리튬 호일, 단일 이온 나노입자 전해질 및 P4VC 양극을 조립하여 제작하였다.An organic positive electrode was prepared by infiltrating P4VC into a porous gas diffusion current collector at a loading of 0.4 mg cm -2 . The theoretical capacity of P4VC was calculated as 397 mAh g −1 under the assumption that both redox active sites participate in the electrochemical reaction. A lithium-organic half-cell was fabricated by assembling a lithium foil, a single ion nanoparticle electrolyte, and a P4VC positive electrode as shown in FIG. 4 .

도 5(b)에서 볼 수 있듯이, 전지는 76%의 쿨롱 효율(QE)로 각 269, 352 mAh g-1의 초기 방전 및 충전 용량을 전달할 수 있다. 열악한 QE는 리튬 금속 표면에서의 기생반응으로 인한 고체-전해질 계면(SEI) 형성에 기인할 수 있다.[57] 낮은 QE는 또한 -OH 그룹이 -OLi 그룹으로 완전히 산화되지 않는 P4VC의 비가역적 구조 전이에 기인한다.[56] QE값은 초기 5 사이클 내에서 >90%로 빠르게 증가하여 278 mAh g-1의 방전 용량(이론적 용량의 70%)을 제공한다. 지속적인 사이클링으로, 40사이클 후 용량은 165 mAh g-1에서 안정된 값에 도달하며 99%이상의 높은 QE값을 가진다. 100 cycle후, 전지는 약 137 mAh g-1의 가역적 방전 용량을 보인다. 이러한 결과는 SN 전해질(1 M LiTFSI-SN)을 포함한 리튬 전지의 경우와 뚜렷한 대조를 이룬다. 여기서 용량은 수십 사이클 내에서 낮은 QE 값으로 급격히 감소하며, 영구적이고 제어할 수 없는 SEI의 형성을 나타낸다.As can be seen in FIG. 5( b ), the battery can deliver initial discharge and charge capacities of 269 and 352 mAh g −1 , respectively, with a coulombic efficiency (QE) of 76%. Poor QE can be attributed to solid-electrolyte interface (SEI) formation due to parasitic reactions on the lithium metal surface. [57] The low QE is also due to the irreversible structural transition of P4VC where the -OH group is not completely oxidized to the -OLi group. [56] The QE value increases rapidly to >90% within the first 5 cycles, giving a discharge capacity of 278 mAh g-1 (70% of the theoretical capacity). With continuous cycling, the capacity after 40 cycles reaches a stable value at 165 mAh g -1 and has a high QE value of over 99%. After 100 cycles, the battery shows a reversible discharge capacity of about 137 mAh g -1 . These results are in sharp contrast to the case of lithium batteries with SN electrolyte (1 M LiTFSI-SN). Here, the capacity decreases rapidly to low QE values within tens of cycles, indicating the formation of a permanent and uncontrollable SEI.

단일 이온 나노입자 전해질 및 P4VC 양극을 포함하는 리튬-유기 전지의 추가적인 특징은 개선된 충방전 속도 성능이었다. 79.4, 119.1, 198.5, 397 및 794 mA g-1의 상이한 충방전 속도에 따른 방전 용량이 도 6(a)에 도시되어 있다. 흥미롭게도, 전지는 794 mA g-1의 높은 전류 밀도에서 100 mAh g-1 이상의 안정적인 방전 용량을 제공할 수 있으며, 39.7 mA g-1의 낮은 속도로 추가 사이클링을 하였을 때, 원래 용량의 복원을 확인할 수 있다. 대조적으로, SN 전해질에 기초한 리튬 전지의 속도 성능은 열악하며 증가된 전류 밀도에서 빠른 용량 감소가 관찰된다. 또한 전지를 낮은 충방전 속도로 복귀시킨 후에도 복원되지 않는 용량을 보인다. An additional feature of lithium-organic cells comprising a single ion nanoparticle electrolyte and a P4VC positive electrode was improved charge-discharge rate performance. The discharge capacities according to different charge/discharge rates of 79.4, 119.1, 198.5, 397 and 794 mA g -1 are shown in FIG. 6(a) . Interestingly, the battery can provide a stable discharge capacity of over 100 mAh g -1 at a high current density of 794 mA g -1 , and upon further cycling at a low rate of 39.7 mA g -1 , the original capacity was restored. can be checked In contrast, the rate performance of lithium cells based on SN electrolytes is poor and a rapid capacity loss is observed at increased current density. Also, it shows a capacity that is not restored even after returning the battery to a low charge/discharge rate.

개선된 속도 성능은 다양한 주사 속도에서 순환전압전류법(cyclic voltammetry)에 의해 평가될 때, 양극에서 높은 리튬 확산 계수(DLi+) 및 낮은 분극과 밀접한 관련이 있음에 주목해야 한다. 도 6(b)에서 볼 수 있듯이, 단일 이온 나노입자 전해질의 DLi+ 값은 Randles-Sevcik 방정식을 사용하여 음극 peak와 양극 peak 모두에 대해 SN 전해질보다 3-5배 놓은 것으로 추정되었다.[4] CV는 도 9에 제공된다. It should be noted that the improved rate performance is closely related to the high lithium diffusion coefficient (D Li+ ) and low polarization in the anode when evaluated by cyclic voltammetry at various scan rates. As can be seen in Fig. 6(b), the D Li+ value of the single-ion nanoparticle electrolyte was estimated to be 3-5 times higher than that of the SN electrolyte for both the negative and positive peaks using the Randles-Sevcik equation. [4] CV is provided in FIG. 9 .

단일 이온 나노입자 전해질 및 P4VC 양극으로 제조된 리튬-유기 전지는 또한 높은 충방전 속도에서 긴 사이클 수명을 보여주었다. 794 mA g-1에서 사이클링된 리튬 전지에 대한 대표적인 데이터가 도 6(c)에 도시되어 있다. 500 사이클 후에도 100 mAh g-1의 안정적이고 높은 방전 용량이 얻어졌으며, 용량 감소는 60 사이클에서 500 사이클동안 명목적으로 0%에 해당하였다. 높은 전도도를 보이며, 열적으로 안정하고, 기계적으로 안정한 단일 이온 나노입자 전해질의 사진이 도 6(c)의 삽입되어 있으며 P4VC의 산화-환원 메커니즘 또한 보여진다. Lithium-organic cells made with single-ion nanoparticle electrolyte and P4VC positive electrode also showed long cycle life at high charge/discharge rates. Representative data for a lithium cell cycled at 794 mA g −1 is shown in FIG. 6(c). A stable and high discharge capacity of 100 mAh g -1 was obtained even after 500 cycles, and the capacity reduction was nominally 0% from 60 cycles to 500 cycles. A photograph of a single ion nanoparticle electrolyte that exhibits high conductivity, is thermally stable, and is mechanically stable is inset in FIG. 6(c), and the oxidation-reduction mechanism of P4VC is also shown.

나노입자 표면에서 음이온의 공유 테더딩으로 인해 단일 이온 나노입자 전해질에서 음이온 고갈은 근본적으로 방지되며 이는 선형주사전위법(스테인리스 스틸: 작업 전극, 리튬 호일: 상대 전극, 기준 전극)을 측정하였을 때, Li+/Li 대비 6.0 V까지 안정한 전기화학적 창을 제공한다. (도 6(d)) 비교를 위해 SN 전해질의 voltammogram 또한 함께 보여진다. 높은 양극 전압에서 단일 이온 나노입자 전해질의 전기화학적 안정성은 고전압 리튬 전지에 대한 잠재적 적용 가능성을 나타낸다.Due to the covalent tethering of anions on the nanoparticle surface, anion depletion is fundamentally prevented in single-ion nanoparticle electrolytes, which is measured by the linear scanning potential method (stainless steel: working electrode, lithium foil: counter electrode, reference electrode). Provides a stable electrochemical window up to 6.0 V versus Li + /Li. (Fig. 6(d)) The voltammogram of the SN electrolyte is also shown for comparison. The electrochemical stability of single-ion nanoparticle electrolytes at high anode voltages represents a potential application for high-voltage lithium batteries.

단일 이온 나노입자 전해질의 tLi+ 값은 분극 실험에 의해 평가되었다. DV = 0.2 V, 60oC에서 초기 전류와 정상상태의 전류는 각 3.35 μA와 2.93 μA이었다. (도 6(e)) 도 6(e)의 삽입 이미지에서 볼 수 있듯이, 분극 실험 전후의 전기화학적 임피던스 측정을 조합함으로써 tLi+ 값은 0.87로 계산되었다.[58] tLi+의 값은 이론값인 1이 아니며 이는 무정형 SN 매트릭스에서 단일 이온 나노입자의 국소적인 움직임으로 인하였다. The t Li+ values of single ion nanoparticle electrolytes were evaluated by polarization experiments. At DV = 0.2 V and 60 o C, the initial and steady-state currents were 3.35 μA and 2.93 μA, respectively. (FIG. 6(e)) As can be seen in the inset image of FIG. 6(e), the t Li+ value was calculated to be 0.87 by combining the electrochemical impedance measurements before and after the polarization experiment. [58] The value of t Li+ is not the theoretical value of 1, which is due to the local movement of single-ion nanoparticles in the amorphous SN matrix.

또한 60 ℃ 및 0.1 mA cm-2의 일정한 전류 밀도에서 대칭 전지의 정전류 Li plating/stripping test를 수행하였다.(도 10) 단일 이온 나노입자 전해질에 기초한 전지에 대해 수십 시간에 걸쳐 안정적인 과전위가 관찰되었다. 대조적으로, SN 전해질을 포함하는 전지는 몇 시간 내 과전위가 급격하게 증가하여 전지의 단락을 초래하였다. 리튬 금속 표면상의 x-PS/PSTFSI-Li+의 밀집된 정렬은 리튬 덴드라이트의 성장을 효과적으로 억제하여 리튬 금속 기반 전지의 안전한 작동을 가능하게 하는 것이 추측되었다. 본 연구의 결과는 빠르게 충전되고 자연 친화적이며 신뢰할 수 있는 에너지 저장 기술을 위한 새로운 플랫폼을 제공할 수 있다. In addition, a constant current Li plating/stripping test of a symmetrical battery was performed at 60 °C and a constant current density of 0.1 mA cm -2 (Fig. 10). Stable overpotentials were observed over several tens of hours for a battery based on a single-ion nanoparticle electrolyte. became In contrast, the cell containing the SN electrolyte rapidly increased the overpotential within a few hours, resulting in a short circuit of the cell. It was speculated that the dense alignment of x-PS/PSTFSI - Li + on the lithium metal surface effectively inhibited the growth of lithium dendrites, enabling the safe operation of lithium metal-based batteries. The results of this study may provide a new platform for fast-charging, eco-friendly and reliable energy storage technology.

3. 결론3. Conclusion

본 연구에서 조사된 전고체 리튬-유기 전지는 향상된 전기 화학적 안정성, 우수한 충방전 속도 성능 및 긴 사이클 수명을 포함하여 몇 가지 유리한 특징을 제공하였다. 이 성공의 열쇠는 전해질(나노입자의 크기 및 충전 밀도가 조절된 단일 이온 나노입자 전해질)과 전극 활물질(최적화된 분자량을 갖는 polyvinyl catechol)에 대한 합성의 노력에 있다. 단일 이온 전도성 나노입자와 SN의 혼성화는 10-3 S cm-1정도의 높은 전도도, 0.87의 높은 리튬 전이 개수 및 넓은 온도 범위에서 10 MPa 이상의 탁월한 기계적 강도를 제공하였다. 놀랍게도, 단일 이온 나노입자 전해질을 갖는 리튬 전지는 500 사이클 동안 794 mA g-1의 높은 전류밀도에서 100 mAh g-1이상의 안정적인 방전 용량을 나타냈다. 유리하게, 단일 이온 나노입자 전해질은 기본적으로 음이온의 고갈을 피하고 전해질/전극 계면에서의 전하를 지닌 나노입자의 고밀도 array를 제공한다. 따라서, 본 연구의 결과는 고온에서도 리튬 금속 전지의 안전한 작동을 위해 단일 이온 나노입자 전해질의 큰 잠재력을 강조한다.The all-solid-state lithium-organic battery investigated in this study provided several advantageous features, including improved electrochemical stability, good charge-discharge rate performance and long cycle life. The key to this success lies in the efforts to synthesize the electrolyte (single ion nanoparticle electrolyte with controlled nanoparticle size and packing density) and electrode active material (polyvinyl catechol with optimized molecular weight). Hybridization of single ion conductive nanoparticles with SN provided high conductivity of the order of 10 −3 S cm −1 , a high lithium transition number of 0.87, and excellent mechanical strength of over 10 MPa over a wide temperature range. Surprisingly, the lithium battery with single ion nanoparticle electrolyte exhibited a stable discharge capacity of over 100 mAh g -1 at a high current density of 794 mA g -1 for 500 cycles. Advantageously, single-ion nanoparticle electrolytes essentially avoid depletion of anions and provide a high-density array of charged nanoparticles at the electrolyte/electrode interface. Therefore, the results of this study highlight the great potential of single-ion nanoparticle electrolytes for the safe operation of lithium metal batteries even at high temperatures.

4. 실험4. Experiment

Materials:Materials:

Styrene (> 99.9%), sodium dodecyl sulfate (SDS, > 99.9%), sodium styrene sulfonate (> 90%), sodium polystyrene sulfonate (> 90%), potassium persulfate (KPS, > 99.0%), N,N-dimethylformamide (DMF, 99.8%), anhydrous acetonitrile (99.8%), 4-dimethylaminopyridine (DMAP, 99.0%), triethylamine (TEA, > 99.0%), sodium bicarbonate (> 99.5%), hydrochloric acid (HCl, 11M), dioxane (> 99.5%), lithium perchlorate (99.99%), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI, 98.0%), succinonitrile (99.0%), multi-walled CNT는 Sigma-Aldrich에서 구입하였다. Divinylbenzene (DIB, > 50%), oxalyl chloride (> 98.0%), trifluoromethylsulfonamide (TFSA, > 98.0%)는 Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. 에서 구입하였다. Super P (> 99%), N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP, 99.5%), 3,4-Dihydroxycinnamic acid (caffeic acid, > 98%), chlorotriethylsilane (TESCl, 99.8%), 2-(dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methylpropionic acid (TTCA, chain transfer agent, >98%, HPLC)는 Alfa Aesar에서 구입하였다. n-hexane (95%), tetrahydrofuran (THF, 99.5%), Azobis(isobutyronitrile) (AIBN, 98%)는 SAMCHUN에서 구입하였다.Styrene (> 99.9%), sodium dodecyl sulfate (SDS, > 99.9%), sodium styrene sulfonate (> 90%), sodium polystyrene sulfonate (> 90%), potassium persulfate (KPS, > 99.0%), N,N - dimethylformamide (DMF, 99.8%), anhydrous acetonitrile (99.8%), 4-dimethylaminopyridine (DMAP, 99.0%), triethylamine (TEA, > 99.0%), sodium bicarbonate (> 99.5%), hydrochloric acid (HCl, 11M), dioxane (> 99.5%), lithium perchlorate (99.99%), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI, 98.0%), succinonitrile (99.0%), and multi-walled CNTs were purchased from Sigma-Aldrich. Divinylbenzene (DIB, > 50%), oxalyl chloride (> 98.0%), trifluoromethylsulfonamide (TFSA, > 98.0%) were obtained from Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. was purchased from Super P (> 99%), N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP, 99.5%), 3,4-Dihydroxycinnamic acid (caffeic acid, > 98%), chlorotriethylsilane (TESCl, 99.8%), 2-(dodecylthiocarbonothioylthio) -2-methylpropionic acid (TTCA, chain transfer agent, >98%, HPLC) was purchased from Alfa Aesar. n-hexane (95%), tetrahydrofuran (THF, 99.5%), and Azobis(isobutyronitrile) (AIBN, 98%) were purchased from SAMCHUN.

x-PS/PSTFSIx-PS/PSTFSI -- LiLi ++ 의 합성synthesis of ::

여기에는 20 nm 나노입자의 합성 절차가 대표적인 예시로 설명되어 있다. styrene 28.8 mmol, DIB 7.7 mmol 및 SDS 1.7 mmol을 100 mL의 증류수에 분산시킨 후, KPS 0.14 mmol을 첨가하였다. 70 ℃에서 30분간 혼합물을 교반한 후, 6.6 mmol의 sodium styrene sulfonate 및 0.07 mmol의 KPS을 추가로 첨가하였다. 15분 동안 교반한 후, 43.6 mmol의 sodium styrene sulfonate를 1시간동안 첨가하고 70 ℃에서 16시간동안 중합을 계속 하였다. 나노입자의 -SO3 -Na+ 표면을 무수의 acetonitrile 용매 조건에서 oxalyl chloride/DMF를 이용하여 -SO2Cl로 개질하였다. TFSI- 로 표면개질된 나노입자를 얻기 위해, 2 g의 나노입자, 1.5 g의 TFSA, 4 mL의 TEA 및 0.5 g의 DMAP을 0 ℃, acetonitrile 용매 조건에서 혼합하였다. 16시간의 반응 후, 60 ℃에서 과량의 lithium perchlorate와 양이온치환하여 x-PS/PSTFSI-Li+ 나노입자를 수득하였다.Here, the synthesis procedure of 20 nm nanoparticles is described as a representative example. After dispersing 28.8 mmol of styrene, 7.7 mmol of DIB and 1.7 mmol of SDS in 100 mL of distilled water, 0.14 mmol of KPS was added. After stirring the mixture at 70 °C for 30 minutes, 6.6 mmol of sodium styrene sulfonate and 0.07 mmol of KPS were further added. After stirring for 15 minutes, 43.6 mmol of sodium styrene sulfonate was added for 1 hour, and polymerization was continued at 70° C. for 16 hours. -SO 3 nanoparticle-a Na + surface using oxalyl chloride / DMF in acetonitrile solvent in anhydrous conditions were modified to -SO 2 Cl. TFSI - and mixed with the surface to obtain the modified nanoparticles, 0 ℃ the DMAP and 2 g of nanoparticles, 1.5 g of TFSA, 4 mL of TEA and 0.5 g of, in acetonitrile solvent conditions. After 16 hours of reaction, x-PS/PSTFSI - Li + nanoparticles were obtained by cation exchange with excess lithium perchlorate at 60 °C.

단일 이온 전도성 나노입자의 합성 상세 설명Synthesis Details of Single Ion Conductive Nanoparticles ::

단일 이온 전도성 나노입자는 emulsion 중합에 이어 2단계의 표면 개질에 의해 합성되었다. 여기서는 대표적인 샘플로서 20 nm 나노입자의 합성 절차만 설명한다. Single ion conductive nanoparticles were synthesized by emulsion polymerization followed by two-step surface modification. Here, only the synthesis procedure of 20 nm nanoparticles as a representative sample is described.

1) Styrene 3.0 g (28.8 mmol), DIB 1.0 g (7.7 mmol), SDS 0.5 g을 증류수 100 mL에 분산시킨 후, KPS 수용액(2.5 mL 증류수에 40 mg KPS (0.14 mmol)을 녹인 용액)을 한 방울씩 떨어뜨렸다. 70 ℃에서 30분동안 혼합물을 교반한 후, sodium styrene sulfonate 수용액(7.5 mL 증류수에 1.37 g (6.6 mmol) sodium styrene sulfonate 녹인 용액)을 첨가한 후, KPS용액(2.5 mL의 증류수에 20 mg (0.07 mmol) KPS 녹인 용액)을 추가로 첨가하였다. 15분동안 교반한 후, 50 mL의 증류수에 9 g (43.6 mmol)의 sodium styrene sulfonate 과량을 녹인 수용액을 1시간동안 한 방울씩 첨가하였다. 그 후, 곧이어 KPS 수용액(2.5 mL 증류수에 40 mg (0.14 mmol)의 KPS녹인 용액)을 첨가하였다. -SO3 -Na+ 표면의 shell과 가교된 core를 가지는 나노입자를 수득하기 위해 70 ℃에서 16시간동안 중합을 계속하였다. 상기 언급된 시약의 농도를 제어함으로써 다양한 직경의 상이한 나노입자를 제조하였다. 2) 나노입자의 -SO3 -Na+ 표면은 먼저 -SO2Cl로 개질되었다. oxalyl chloride 1.0 mL 및 DMF 0.05 mL를 무수 acetonitrile 20 mL에 첨가하고, 혼합물을 5시간동안 교반하였다. 이미 준비된 나노입자 2 g을 혼합물에 천천히 첨가한 뒤, 상온에서 하루 동안 교반하였다. 3) 생성된 혼합물을 0 ℃까지 천천히 냉각시킨 뒤, 1.5 g의 TFSA, 4 mL TEA, 0.5 g DMAP을 15 mL의 무수 acetonitrile에 녹인 용액을 0 ℃의 나노입자 혼합물에 천천히 떨어뜨린다. 16시간의 반응 후, 생성물을 methanol과 증류수를 이용하여 20,000 rpm에서 원심분리하여 정제하였다.1) Styrene 3.0 g (28.8 mmol), DIB 1.0 g (7.7 mmol), and SDS 0.5 g were dispersed in 100 mL of distilled water, and then KPS aqueous solution (a solution of 40 mg KPS (0.14 mmol) in 2.5 mL of distilled water) was added. dropped drop by drop. After stirring the mixture at 70 °C for 30 minutes, sodium styrene sulfonate aqueous solution (1.37 g (6.6 mmol) sodium styrene sulfonate dissolved in 7.5 mL distilled water) was added, and KPS solution (20 mg (0.07 in 2.5 mL of distilled water) was added. mmol) KPS solution) was further added. After stirring for 15 minutes, an aqueous solution in which an excess of 9 g (43.6 mmol) of sodium styrene sulfonate was dissolved in 50 mL of distilled water was added dropwise over 1 hour. Thereafter, an aqueous KPS solution (a solution of 40 mg (0.14 mmol) of KPS dissolved in 2.5 mL distilled water) was added thereto. -SO 3 - Na + in order to obtain nanoparticles having a shell and a crosslinked core of polymerized surface was continued for 16 hours at 70 ℃. Different nanoparticles of various diameters were prepared by controlling the concentrations of the above-mentioned reagents. 2) -SO 3 nanoparticle - Na + surface were first modified by -SO 2 Cl. 1.0 mL of oxalyl chloride and 0.05 mL of DMF were added to 20 mL of anhydrous acetonitrile, and the mixture was stirred for 5 hours. After slowly adding 2 g of the prepared nanoparticles to the mixture, the mixture was stirred at room temperature for one day. 3) After slowly cooling the resulting mixture to 0 °C, a solution of 1.5 g of TFSA, 4 mL TEA, and 0.5 g DMAP in 15 mL of anhydrous acetonitrile is slowly dropped into the nanoparticle mixture at 0 °C. After 16 hours of reaction, the product was purified by centrifugation at 20,000 rpm using methanol and distilled water.

P4VC의 합성Synthesis of P4VC ::

0.11 mol의 caffeic acid 및 50 mL의 TEA를 150 mL의 DMF용매 및 25 ℃ 조건에서 균일하게 혼합하였다. 혼합물을 1시간동안 100oC로 가열하고 0 ℃로 냉각시켜 4-vinyl catechol을 수득하였다. bis(triethylsilyl)-protected 4-vinylcatechol을 준비한 이후, dioxane, AIBN, TTCA를 이용하여 RAFT 중합을 수행하였다. RAFT 말단기를 제거하고 캡핑 부분을 가수분해 함으로써, 분자량이 조절된 P4VC를 수득하였다. 0.11 mol of caffeic acid and 50 mL of TEA were uniformly mixed with 150 mL of DMF solvent at 25 °C. The mixture was heated to 100 ° C for 1 hour and cooled to 0 °C to obtain 4-vinyl catechol. After preparing bis(triethylsilyl)-protected 4-vinylcatechol, RAFT polymerization was performed using dioxane, AIBN, and TTCA. By removing the RAFT end group and hydrolyzing the capping moiety, P4VC with controlled molecular weight was obtained.

Poly(4-vinyl catechol) (P4VC)의 합성 상세 설명Synthesis details of Poly(4-vinyl catechol) (P4VC) ::

1) 25 ℃의 온도에서 20 g (0.11 mol)의 caffeic acid과 50 mL의 TEA를 150 mL의 DMF에 10분동안 균일하게 혼합하였다. 혼합물을 100 ℃에서 1시간동안 가열한 뒤, 4-vinyl catechol을 얻기 위해 0 ℃로 냉각시켰다. 2) 37 mL의 TESCI를 조심스럽게 반응기에 떨어뜨린 후 0 ℃에서 2시간동안 교반 하였다. 반응기의 온도가 실온으로 돌아간 후, 반응을 12시간동안 계속 하였으며 이어, 생성된 혼합물을 n-hexane으로 희석하고, HCl 수용액, NaHCO3 수용액 및 증류수로 반복하여 세척하였다. 생성물을 회전 증발 농축기를 이용하여 수득하고 n-hexane을 용리액으로 사용하여 silica gel 컬럼으로 정제하였다. 생성물을 진공 건조하여 25 g의 bis(triethylsilyl)-protected 4-vinylcatechol (TES2VC)을 수득하였다. 3) 얻어진 TES2VC을 RAFT 중합을 이용하여 중합하였다. 3 g (8.2 mmol)의 TES2VC, 120 mg (0.33 mmol)의 TTCA, 22 mg (0.13 mmol)의 AIBN 및 0.9 mL의 dioxane을 Schlenk 플라스크에서 혼합한 뒤, 3회의 freeze-pump-thaw 과정을 반복하였다. 이 과정에서 dioxane은 염기성 aluminum oxide에 통과시켜 활성화시킨 후 사용하였다. 플라스크를 75oC의 수조에 위치시킨 후, 24시간동안 반응을 계속하였다. 그 후, n-hexane에 생성물을 녹인 후, methanol에 침전을 반복하여 정제하였다. 60 ℃의 진공에서 건조시킨 2.76 g의 고분자와 1.08 g (6.6 mmol)의 AIBN을 40 mL의 dioxane에 녹여 RAFT 말단을 제거하였다. 세 번의 freeze-pump-thaw 과정을 반복한 후, 반응기를 70oC의 수조에 위치시킨 후, 생성물을 회전 농축 증발기를 이용하여 농축시키고 methol에 여러 번 침전시켰다. THF 용리액 중의 PS 표준을 사용하여 분자 배제 크로마토그래피(size exclusion chromatography)를 통해 고분자의 분자량 분포는 1.12의 다분산지수를 가지는 것으로 측정되었다. 고분자의 중합도는 1H 핵자기공명(1H NMR, Bruker 300 및 500)의 말단기 분석을 통해 계산되었다. 4) 2 g의 고분자를 100 mL의 THF에 녹인 후 25 ℃에서 하룻밤 동안 2.5 mL의 11 M HCl 수용액과 함께 반응시켰다. 정제하지 않은 생성물을 ethyl acetate로 희석하고 NaHCO3 수용액으로 세척 후, 증류수로 반복 세척하였다. 유기층을 농축시킨 후 n-hexane에서 반복적으로 침전시켜 510 mg의 P4VC를 수득하였다. 1) At a temperature of 25 °C, 20 g (0.11 mol) of caffeic acid and 50 mL of TEA were uniformly mixed in 150 mL of DMF for 10 minutes. The mixture was heated at 100 °C for 1 hour and then cooled to 0 °C to obtain 4-vinyl catechol. 2) After carefully dropping 37 mL of TESCI into the reactor, it was stirred at 0 °C for 2 hours. After the temperature of the reactor returned to room temperature, the reaction was continued for 12 hours, and then the resulting mixture was diluted with n-hexane, and washed repeatedly with HCl aqueous solution, NaHCO 3 aqueous solution and distilled water. The product was obtained using a rotary evaporator, and purified by silica gel column using n-hexane as an eluent. The product was vacuum dried to obtain 25 g of bis(triethylsilyl)-protected 4-vinylcatechol (TES2VC). 3) The obtained TES2VC was polymerized using RAFT polymerization. 3 g (8.2 mmol) of TES2VC, 120 mg (0.33 mmol) of TTCA, 22 mg (0.13 mmol) of AIBN and 0.9 mL of dioxane were mixed in a Schlenk flask, and the freeze-pump-thaw process was repeated three times. . In this process, dioxane was used after activation by passing it through basic aluminum oxide. After placing the flask in a 75 ° C water bath, the reaction was continued for 24 hours. Thereafter, the product was dissolved in n-hexane and purified by repeated precipitation in methanol. 2.76 g of polymer and 1.08 g (6.6 mmol) of AIBN dried in vacuum at 60° C. were dissolved in 40 mL of dioxane to remove the RAFT end. After repeating the freeze-pump-thaw process three times, the reactor was placed in a water bath at 70 o C, and the product was concentrated using a rotary concentration evaporator and precipitated in methol several times. The molecular weight distribution of the polymer was determined to have a polydispersity index of 1.12 through size exclusion chromatography using a PS standard in THF eluent. The degree of polymerization of the polymer was calculated through end group analysis of 1 H nuclear magnetic resonance ( 1 H NMR, Bruker 300 and 500). 4) After dissolving 2 g of a polymer in 100 mL of THF, it was reacted with 2.5 mL of 11 M HCl aqueous solution at 25 °C overnight. The crude product was diluted with ethyl acetate, washed with NaHCO 3 aqueous solution, and washed repeatedly with distilled water. After the organic layer was concentrated, it was repeatedly precipitated in n-hexane to obtain 510 mg of P4VC.

P4VC 양극의 제조Fabrication of P4VC Anode ::

P4VC 양극을 제조하기 위해, 먼저 합성된 P4VC (3K), Super P 및 multi-walled CNT를 막자사발을 이용하여 혼합하였다. 균질한 슬러리를 얻기 위해, NMP에 4 wt%로 용해된 polyvinylidene difluoride (PVDF, Solvay)용액을 혼합물에 첨가하고 균질하게 혼합하였다. 이 과정에서, P4VC (3K), Super P, multi-walled CNT 및 P4VC의 질량비는 각 20:30:10:40이었다. 적절한 점도의 슬러리를 제조 한 뒤, 닥터 블레이드 기술을 사용하여 알루미튬 호일 대신 다공성 GDL (210 μm, TGP-G-303, Toray)위에 슬러리를 캐스팅하였다. 제조된 양극을 60 ℃에서 24시간동안 건조시킨 후, 추가적으로 진공 건조시켰다. 모든 양극은 디스크 커터(MTI)를 이용하여 직경 10 mm로 절단되었다. To prepare a P4VC anode, first, synthesized P4VC (3K), Super P, and multi-walled CNT were mixed using a mortar. To obtain a homogeneous slurry, a solution of polyvinylidene difluoride (PVDF, Solvay) dissolved in NMP at 4 wt% was added to the mixture and mixed homogeneously. In this process, the mass ratios of P4VC (3K), Super P, multi-walled CNT and P4VC were 20:30:10:40, respectively. After preparing a slurry of appropriate viscosity, the slurry was cast on porous GDL (210 μm, TGP-G-303, Toray) instead of aluminum foil using a doctor blade technique. The prepared positive electrode was dried at 60° C. for 24 hours, and then further vacuum dried. All anodes were cut to a diameter of 10 mm using a disk cutter (MTI).

단일 이온 나노입자 전해질의 제조Preparation of Single Ion Nanoparticle Electrolytes ::

Ar 환경에서 미리 준비된 단일 이온 나노입자와 SN를 methanol에 분산시킨 후, solvent casting을 수행하였다. 생성된 필름을 스테인리스 스틸 몰드(직경 1.2 cm 및 두께 250 μm)에 넣고 70 ℃에서 가압하여 동일한 두께의 전해질 막을 제조하였다. After dispersing pre-prepared single ion nanoparticles and SN in methanol in an Ar environment, solvent casting was performed. The resulting film was placed in a stainless steel mold (1.2 cm in diameter and 250 μm in thickness) and pressurized at 70° C. to prepare an electrolyte membrane of the same thickness.

대조군 전해질(SN 전해질)의 제조:Preparation of Control Electrolyte (SN Electrolyte):

단일 이온 나노입자 전해질의 대조군인 LiTFSI-SN 액체 전해질은 SN에 1M LiTFSI를 용해시켜 제조하였다. LiTFSI-SN는 액체 전해질이므로, 하룻밤 동안 Celgard 2400에 함침시킨 후 반쪽 전지의 제조에 사용하였다.LiTFSI-SN liquid electrolyte, a control of single ion nanoparticle electrolyte, was prepared by dissolving 1 M LiTFSI in SN. Since LiTFSI-SN is a liquid electrolyte, it was impregnated in Celgard 2400 overnight and then used for the production of half cells.

반쪽 전지의 제조:Preparation of half cell:

반쪽 전지를 제조하기 위해, 고순도의 Ar으로 채워진 글로브 박스에서 리튬 호일, 전해질 및 P4VC 양극을 조립함으로써 코인형(CR2032, MTI) 전지를 제조하였다. 이 절차에서, 리튬염이 없는 소량의 EMC/TEGDME (EMC; 99%, Sigma-Aldrich, TEGDME;> 99%, Sigma-Aldrich) 혼합 용매를 사용하여 음극 표면을 적셨다. To prepare a half-cell, a coin-type (CR2032, MTI) battery was prepared by assembling a lithium foil, an electrolyte, and a P4VC positive electrode in a glove box filled with high-purity Ar. In this procedure, a small amount of EMC/TEGDME (EMC; 99%, Sigma-Aldrich, TEGDME; >99%, Sigma-Aldrich) mixed solvent without lithium salt was used to wet the negative electrode surface.

단일 이온 전도성 나노입자 및 단일 이온 나노입자 전해질의 특성 분석:Characterization of Single Ion Conductive Nanoparticles and Single Ion Nanoparticle Electrolytes:

FT-IR 분광 실험은 KBr 펠렛을 이용하여 진행하였다. (Two IR spectrometer, PerkinElmer) Zetasizer (Malvern Zetasizer, Malvern Panalytical)을 이용하여 Zeta 전위 및 전기 영동 이동성을 측정하였다. 전자 에너지 손실 분광법이 장착된 투과 전자 현미경(TEM, JEOL JEM-2200FS 200 keV에서 작동)과 주사 전자 현미경(SEM, XL30S FEG)을 조합하여 core-shell 구조의 나노입자 형태 및 크기를 조사하였다. 단일 이온 나노입자 전해질의 열적 특성은 10oC min-1의 가열/냉각 속도에서 시차 주사 열량 측정법(DSC, Q20, TA Instruments)을 사용하여 측정하였다. 응력 제어 레오미터(DHR-2, TA Instruments)과 직경 0.8 cm의 geometry를 이용하여 0.5 rad s-1에서 1oC min-1의 속도로 반복 가열/냉각하여 고분자 전해질막의 유변학적 특성을 측정하였다. 주파수 주사실험은 0.1 rad s-1에서 100 rad s-1의 범위에서 수행되었다. 모든 유변학적 측정은 0.1%의 작은 변형으로 0.5 mm의 간격 및 0.8 cm의 직경에서 수행되었다.FT-IR spectroscopy was performed using KBr pellets. (Two IR spectrometer, PerkinElmer) Zeta potential and electrophoretic mobility were measured using a Zetasizer (Malvern Zetasizer, Malvern Panalytical). A transmission electron microscope equipped with electron energy loss spectroscopy (TEM, JEOL JEM-2200FS operated at 200 keV) and a scanning electron microscope (SEM, XL30S FEG) were combined to investigate the morphology and size of core-shell structured nanoparticles. The thermal properties of single ion nanoparticle electrolytes were measured using differential scanning calorimetry (DSC, Q20, TA Instruments) at a heating/cooling rate of 10 o C min -1 . Using a stress control rheometer (DHR-2, TA Instruments) and a geometry of 0.8 cm in diameter, the rheological properties of the polymer electrolyte membrane were measured by repeated heating/cooling at a rate of 1 o C min -1 at 0.5 rad s -1 . . The frequency scan experiment was performed in the range of 0.1 rad s -1 to 100 rad s -1. All rheological measurements were performed at a spacing of 0.5 mm and a diameter of 0.8 cm with a small strain of 0.1%.

전기화학적 특성 분석: Electrochemical characterization:

단일 이온 나노입자 전해질의 이온 수송 특성을 평가하기 위해, 스테인리스 스틸 대칭 전지를 이용하여 전기화학적 임피던스 실험을 수행하였다. (VersaSTAT3, Princeton Applied Research) 단일 이온 나노입자 전해질의 전기 화학적 안정성은 리튬 호일, 전해질, 스테인리스 스틸의 샌드위치 전지를 이용하여 1 mV s-1 및 25℃의 조건에서 선형주사전위법에 의해 조사되었고 주사된 전위 창은 0-6 V였다. 리튬 금속과 접촉하는 단일 이온 나노입자 전해질의 전기화학적 안정성 관점에서 리튬 대칭 전지를 이용한 정전류 Li plating/stripping test을 수행하였고 실험의 조건은 60 ℃, 0.1 mA cm-2, 충방전 사이클의 시간은 1시간이었다. 또한, 대칭 전지를 이용하여 tLi+를 계산하기 위해 △V= 0.2 V, 60oC 조건에서 분극 실험을 수행하였다. 전지 성능의 평가를 위해, 사이클러(WBCS3000, Wonatech)를 이용하여 1.5-4.0 V의 전위 창에서 반쪽 전지의 순환전압전류법 분석 및 정전류 충방전 실험을 수행하였다.To evaluate the ion transport properties of single-ion nanoparticle electrolytes, electrochemical impedance experiments were performed using a stainless steel symmetrical cell. (VersaSTAT3, Princeton Applied Research) The electrochemical stability of single-ion nanoparticle electrolytes was investigated using a lithium foil, electrolyte, and stainless steel sandwich cell at 1 mV s −1 and 25° C. by linear scanning potential method. The applied potential window was 0-6 V. Was performed at a constant current Li plating / stripping test using a lithium battery from the symmetrical electrochemical stability point of view of a single ion nanoparticles electrolyte in contact with the lithium metal conditions experiment 60 ℃, 0.1 mA cm -2, the time of charge and discharge cycle was 1 It was time. In addition, in order to calculate t Li+ using a symmetric battery, a polarization experiment was performed at ΔV = 0.2 V and 60 o C conditions. For the evaluation of battery performance, cyclic voltammetry analysis and constant current charging/discharging experiments were performed on the half-cell in a potential window of 1.5-4.0 V using a cycler (WBCS3000, Wonatech).

Claims (21)

리튬 이온이 결합된 고분자 나노입자를 포함하는 이차 전지용 전해질.An electrolyte for a secondary battery comprising polymer nanoparticles to which lithium ions are bound. 제1항에 있어서,
상기 고분자 나노 입자는 표면에 리튬이온이 결합되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
According to claim 1,
The polymer nanoparticles are electrolytes for secondary batteries, characterized in that lithium ions are bonded to the surface.
제1항에 있어서,
상기 고분자 나노입자는 리튬이온이 결합되는 음이온 관능기를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
According to claim 1,
The polymer nanoparticles are electrolytes for secondary batteries, characterized in that they have an anionic functional group to which lithium ions are bound.
제1항에 있어서,
상기 고분자 나노 입자는 코어-쉘 형상인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
According to claim 1,
The polymer nanoparticles are electrolyte for a secondary battery, characterized in that the core-shell shape.
제1항에 있어서,
상기 고분자 나노입자는 하기 화학식 1로 표현되는 음이온 관능기를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
Figure pat00008
According to claim 1,
The polymer nanoparticle is an electrolyte for a secondary battery, characterized in that it has an anionic functional group represented by the following formula (1).
Figure pat00008
제1항에 있어서, 상기 고분자 나노 입자는 하기 화학식(2)로 표현되는 쉘을 가지는 코어-쉘 형태인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
Figure pat00009

여기서, n은 반복 단위이며, 10~100,000의 자연수일 수 있다.
The electrolyte for a secondary battery according to claim 1, wherein the polymer nanoparticles are in a core-shell type having a shell represented by the following formula (2).
Figure pat00009

Here, n is a repeating unit and may be a natural number of 10 to 100,000.
제1항에 있어서,
상기 전해질은 표면에 리튬 이온이 결합된 고분자 나노입자를 60 중량% 이하 또는 미만으로 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
According to claim 1,
The electrolyte is an electrolyte for a secondary battery, characterized in that it contains less than or equal to 60% by weight of the polymer nanoparticles bonded to lithium ions on the surface.
제1항에 있어서,
상기 전해질은 유기 전해질인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
According to claim 1,
The electrolyte is an electrolyte for a secondary battery, characterized in that the organic electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 전해질은 단일 이온성 전해질인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
According to claim 1,
The electrolyte is an electrolyte for a secondary battery, characterized in that the single ionic electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 전해질은 표면에 리튬이온이 결합된 고분자 나노 입자와, Li+ 이온을 전송할 수 있는 유기 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
According to claim 1,
The electrolyte is an electrolyte for a secondary battery, characterized in that the polymer nanoparticles are bonded to the surface of lithium ions, and an organic material capable of transporting Li + ions.
제10항에 있어서,
Li+ 이온을 전송할 수 있는 물질은 숙시노니트릴인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
11. The method of claim 10,
The electrolyte for a secondary battery, characterized in that the material capable of transporting Li + ions is succinonitrile.
제1항에 있어서,
상기 전해질은 표면에 리튬이온이 결합된 고분자 나노 입자 40~60 중량%와 숙시노니트릴 40~60 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
According to claim 1,
The electrolyte is an electrolyte for a secondary battery, characterized in that it consists of 40 to 60% by weight of polymer nanoparticles bonded to the surface of lithium ions and 40 to 60% by weight of succinonitrile.
제1항에 있어서,
상기 표면에 리튬이온이 결합된 고분자 나노 입자는 크기가 30 nm 이하인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전해질.
According to claim 1,
The electrolyte for a secondary battery, characterized in that the size of the polymer nanoparticles to which lithium ions are bonded to the surface is 30 nm or less.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전해질을 포함하는 이차 전지.A secondary battery comprising the electrolyte according to any one of claims 1 to 13. 제14항에 있어서,
상기 이차 전지는 적어도 하나이 전극이 산화-환원 과정에서 음이온을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
15. The method of claim 14,
The secondary battery is a secondary battery, characterized in that at least one electrode forms anions in the oxidation-reduction process.
제14항에 있어서,
상기 이차 전지는 적어도 하나의 전극이 폴리(4-비닐카테콜)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
15. The method of claim 14,
In the secondary battery, at least one electrode comprises poly(4-vinylcatechol).
제16항에 있어서,
상기 전극은 다공성 기체 확산 집전체에 폴리(4-비닐카테콜)이 결합된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
17. The method of claim 16,
The electrode is a secondary battery, characterized in that poly (4-vinyl catechol) is bonded to a porous gas diffusion current collector.
하기 화학식 3으로 표현되는 관능기를 가지는 나노 입자.
Figure pat00010
(3)
Nanoparticles having a functional group represented by the following formula (3).
Figure pat00010
(3)
제18항에 있어서,
상기 입자는 고분자 나노 입자인 것을 특징으로 나노 입자.
19. The method of claim 18,
Nanoparticles, characterized in that the particles are polymer nanoparticles.
제18항에 있어서,
상기 고분자 나노 입자는 하기 화학식(2)로 표현되는 표현되는 쉘을 가지는 코어-쉘 형태의 나노입자인 것을 특징으로 하는 나노 입자.
Figure pat00011

여기서, n은 반복단위이며, 10~100,000의 정수.
19. The method of claim 18,
The polymer nanoparticles are nanoparticles, characterized in that the core-shell type nanoparticles having a shell represented by the following formula (2).
Figure pat00011

Here, n is a repeating unit, and an integer from 10 to 100,000.
제17항에 있어서,
상기 고분자 나노입자는 가교된 폴리스티렌 코어를 가지는 것을 특징으로 하는 나노입자.
18. The method of claim 17,
The polymer nanoparticles are nanoparticles, characterized in that having a cross-linked polystyrene core.
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