KR20210112924A - Composite electrolyte for lithium metal battery, preparing method thereof, and lithium metal battery comprising the same - Google Patents

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조병규
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Abstract

Provided are a composite electrolyte for a lithium metal battery including a lithium negative electrode, which inhibits growth of lithium dendrites, a manufacturing method thereof, and a lithium metal battery including the same. According to the present invention, the complex electrolyte comprises: a separator; a polymer electrolyte disposed on the separator and including a cross-linked polymer including a first monomer having at least two double bonds and a second monomer having one or more double bonds, lithium salt, and a nitrile-based compound; and a coating film disposed on the polymer electrolyte and including a cross-linked polymer of a first monomer having two or more double bonds and a second monomer having one or more double bonds. The first monomer contains at least three or more repeating units represented by chemical formula 1 and one selected from a group represented by chemical formula 2, which is bonded to both ends of the repeating unit.

Description

리튬금속전지용 복합전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬금속전지 {Composite electrolyte for lithium metal battery, preparing method thereof, and lithium metal battery comprising the same}Composite electrolyte for lithium metal battery, manufacturing method thereof, and lithium metal battery comprising same

리튬금속전지용 복합전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬금속전지에 관한 것이다.It relates to a composite electrolyte for a lithium metal battery, a manufacturing method thereof, and a lithium metal battery including the same.

리튬이차전지는 현재 상용화된 이차 전지 중 에너지 밀도가 가장 높은 고성능 이차 전지로서 예를 들어 전기자동차와 같은 다양한 분야에서 사용될 수 있다. A lithium secondary battery is a high-performance secondary battery having the highest energy density among currently commercialized secondary batteries, and may be used in various fields, such as, for example, an electric vehicle.

리튬이차전지의 고분자 전해질은 고분자 매트릭스내에 이온전도성이 높은 액체 전해질을 포함한 것으로서 우수한 리튬 이온 전도성을 가지며 반고체 타입의 전해질임에도 불구하고 상온에서 전기화학성능의 구현이 가능하다.The polymer electrolyte of a lithium secondary battery contains a liquid electrolyte with high ion conductivity in a polymer matrix, has excellent lithium ion conductivity, and can realize electrochemical performance at room temperature despite being a semi-solid electrolyte.

그러나 고분자 전해질은 고온의 상태에서 고분자의 유리전이온도(Tg) 온도 이상의 영역에 도달하면 고체와 액체의 중간 영역의 성상을 띄거나 내부에 액체 전해질과 같은 물질이 포집된 경우 액체 전해질의 누액이 발생할 수 있다. 누액된 액체 전해질은 리튬 금속 음극과의 부반응을 야기 시킬 수 있다. However, when the polymer electrolyte reaches a region above the glass transition temperature (Tg) temperature of the polymer at a high temperature, it takes on the properties of an intermediate region between a solid and a liquid, or when a material such as a liquid electrolyte is collected inside, leakage of the liquid electrolyte may occur. can The leaked liquid electrolyte may cause a side reaction with the lithium metal anode.

리튬 금속 음극은 액체 전해질과의 반응성이 매우 커서 리튬 금속 음극을 이용한 리튬 금속 전지에서는 전기화학 반응 중 리튬 금속 음극 표면에 부산물들로 인한 계면 저항이 급속하게 증가되고, 덴드라이트의 수직성장을 일으켜 단락이 발생하여 전지의 수명이 저하되거나 단락으로 인한 폭발로 안전성 측면에서 심각한 문제가 발생하게 될 수 있다. 따라서 리튬 금속 음극을 이용한 리튬금속전지에서 내구성이 확보되어 고온 환경에서도 내부에 함유된 액체 전해질의 누액 염려가 없는 고분자 전해질이 요구된다. Since the lithium metal anode has very high reactivity with the liquid electrolyte, in a lithium metal battery using a lithium metal anode, the interfacial resistance due to by-products on the surface of the lithium metal anode during the electrochemical reaction rapidly increases, causing vertical growth of dendrites and short circuit. This may cause a serious problem in terms of safety due to a decrease in battery life or an explosion due to a short circuit. Therefore, there is a need for a polymer electrolyte that has durability in a lithium metal battery using a lithium metal anode and does not have a risk of leakage of the liquid electrolyte contained therein even in a high-temperature environment.

한 측면은 신규한 리튬금속전지용 복합전해질 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.One aspect is to provide a novel composite electrolyte for a lithium metal battery and a method for manufacturing the same.

다른 측면은 상술한 복합전해질을 포함하여 성능이 개선된 리튬금속전지를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a lithium metal battery with improved performance, including the composite electrolyte described above.

한 측면에 따라 리튬 음극을 포함하는 리튬금속전지용 복합전해질이며,According to one aspect, it is a composite electrolyte for a lithium metal battery including a lithium negative electrode,

상기 복합 전해질이 i)세퍼레이터와, ii)상기 세퍼레이터 상에 적어도 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머의 가교 고분자; 리튬염; 및 니트릴계 화합물을 포함하는 고분자 전해질과, The composite electrolyte comprises: a cross-linked polymer comprising i) a separator, ii) a first monomer having at least two double bonds and a second monomer having one or more double bonds on the separator; lithium salt; And a polymer electrolyte comprising a nitrile-based compound,

상기 고분자 전해질 상부에 배치되며, 2개 이상의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머의 가교 고분자를 함유한 코팅막을 포함하며,It is disposed on the polymer electrolyte and comprises a coating film containing a crosslinked polymer of a first monomer having two or more double bonds and a second monomer having one or more double bonds,

상기 제1모노머가 적어도 3개 이상의 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유하며, 상기 반복단위의 양 말단에 하기 화학식 2로 표시되는 그룹 중에서 선택된 하나가 결합된 화합물인 리튬금속전지용 복합전해질이 제공된다.A composite electrolyte for a lithium metal battery is provided, wherein the first monomer contains at least three or more repeating units represented by Chemical Formula 1, and one selected from the group represented by Chemical Formula 2 is bonded to both ends of the repeating unit. .

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
,
Figure pat00001
,

화학식 1 중, E는 에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 알칸디올(alkanediol), 에톡실레이티드 알칸디올(ethoxylated alkanediol), 프로폭실레이티드 알칸디올(propoxylated alkanediol), 트리메틸올프로판, 에톡실레이티드 트리메틸올프로판, 프로폭실레이티드 트리메틸올프로판, 디트리메틸올프로판, 에톡실레이티드 디트리메틸올프로판, 프로폭실레이티드 디트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨, 에톡실레이티드 펜타에리트리톨, 프로폭실레이티드 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 에톡실레이티드 디펜타에리트리톨, 프로폭실레이티드 디펜타에리트리톨, 비스페놀A, 에톡실레이티드 비스페놀A, 프로폭실레이티드 비스페놀A 및 이들의 조합에서 선택되는 그룹으로부터 유도되는 잔기(residue)이고, In Formula 1, E is ethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, polypropylene glycol, diethylene glycol, alkanediol, ethoxylated alkanediol, propoxylated alkanediol , trimethylolpropane, ethoxylated trimethylolpropane, propoxylated trimethylolpropane, ditrimethylolpropane, ethoxylated ditrimethylolpropane, propoxylated ditrimethylolpropane, pentaerythritol, ethoxyl Lated pentaerythritol, propoxylated pentaerythritol, dipentaerythritol, ethoxylated dipentaerythritol, propoxylated dipentaerythritol, bisphenol A, ethoxylated bisphenol A, propoxylate It is a residue derived from the group selected from bisphenol A and combinations thereof,

각 반복단위의 n은 독립적으로, 1 내지 20의 정수이고,n of each repeating unit is independently an integer from 1 to 20,

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
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Figure pat00006
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Figure pat00007
,
Figure pat00008
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화학식 2 중, R은 독립적으로 수소 원자, C1-C10 알킬기, C6-C20 아릴기 또는 그 조합이다.In Formula 2, R is independently a hydrogen atom, a C1-C10 alkyl group, a C6-C20 aryl group, or a combination thereof.

다른 측면에 따라 양극; 리튬 음극; 및 이들 사이에 개재된 상술한 복합전해질;을 함유하는 리튬금속전지가 제공된다.Anode according to another aspect; lithium negative electrode; and the above-mentioned composite electrolyte interposed therebetween; is provided.

또 다른 측면에 따라 세퍼레이터에 적어도 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머; 리튬염; 및 니트릴계 화합물을 포함하는 고분자 전해질 조성물을 도포 및 경화하여 세퍼레이터 상에 고분자 전해질을 형성하는 제1단계; 및According to another aspect, the separator includes a first monomer having at least two double bonds and a second monomer having one or more double bonds; lithium salt; and a first step of forming a polymer electrolyte on a separator by applying and curing a polymer electrolyte composition including a nitrile-based compound; and

상기 고분자 전해질의 적어도 일면에, 2개 이상의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머의 가교 고분자를 함유한 코팅막을 형성하여 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 복합전해질을 제조하는 제2단계를 포함하는 리튬금속전지용 복합전해질의 제조방법이 제공된다.On at least one surface of the polymer electrolyte, a coating film containing a crosslinked polymer of a first monomer having two or more double bonds and a second monomer having one or more double bonds is formed to form a coating film according to any one of claims 1 to 12. There is provided a method for manufacturing a composite electrolyte for a lithium metal battery comprising a second step of preparing the composite electrolyte.

일구현예에 따른 리튬금속전지용 복합전해질은 고온에서 리튬과의 반응성이 적어 부반응의 염려가 작아 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있다. 이러한 복합전해질을 이용하면 안전성이 확보되고 장수명에 유리한 리튬금속전지를 제조할 수 있다.The composite electrolyte for a lithium metal battery according to an exemplary embodiment has a low reactivity with lithium at high temperatures, so there is less concern about side reactions, and thus the growth of lithium dendrites can be suppressed. By using such a composite electrolyte, it is possible to manufacture a lithium metal battery that is safe and has a long lifespan.

도 1은 일구현예에 따른 복합전해질의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 각각 각각 상기 제작예 1의 Li-Li 대칭셀 및 비교제작예 1의 Li-Li 대칭셀을 해체한 다음 표면 특성을 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 1 내지 3의 복합전해질을 채용한 Li-Li 대칭셀에 있어서, 시간 경과에 따른 방전전압 특성 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 일구현예에 따른 리튬금속전지의 구조를 나타낸 것이다.
1 schematically shows the structure of a composite electrolyte according to an embodiment.
2 and 3 are photographs showing the surface characteristics after disassembling the Li-Li symmetric cell of Preparation Example 1 and the Li-Li symmetric cell of Comparative Preparation Example 1, respectively.
4 is a graph showing the change in discharge voltage characteristics over time in the Li-Li symmetric cell employing the composite electrolyte of Examples 1 to 3;
5 shows the structure of a lithium metal battery according to an embodiment.

첨부된 도면들을 참조하면서 이하에서 예시적인 리튬금속전지용 복합전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬금속전지에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, an exemplary composite electrolyte for a lithium metal battery, a manufacturing method thereof, and a lithium metal battery including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

리튬 음극을 포함하는 리튬금속전지용 복합전해질이 제공된다. A composite electrolyte for a lithium metal battery including a lithium negative electrode is provided.

상기 복합 전해질은 i)세퍼레이터와, ii)상기 세퍼레이터 상에 적어도 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머의 가교 고분자; 리튬염; 및 니트릴계 화합물을 포함하는 고분자 전해질과, 상기 고분자 전해질 상부에 배치되며, 2개 이상의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머의 가교 고분자를 함유한 코팅막을 포함한다. The composite electrolyte comprises: i) a separator; ii) a cross-linked polymer of a first monomer having at least two double bonds and a second monomer having one or more double bonds on the separator; lithium salt; and a polymer electrolyte comprising a nitrile compound, and a coating film disposed on the polymer electrolyte and containing a crosslinked polymer of a first monomer having two or more double bonds and a second monomer having one or more double bonds. .

제1모노머는 적어도 3개 이상의 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유하며, 상기 반복단위의 양 말단에 하기 화학식 2로 표시되는 그룹 중에서 선택된 하나가 결합된 화합물이다. The first monomer is a compound containing at least three or more repeating units represented by the formula (1), and one selected from the group represented by the following formula (2) is bonded to both ends of the repeating unit.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00009
,
Figure pat00009
,

화학식 1 중, E는 에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 알칸디올(alkanediol), 에톡실레이티드 알칸디올(ethoxylated alkanediol), 프로폭실레이티드 알칸디올(propoxylated alkanediol), 트리메틸올프로판, 에톡실레이티드 트리메틸올프로판, 프로폭실레이티드 트리메틸올프로판, 디트리메틸올프로판, 에톡실레이티드 디트리메틸올프로판, 프로폭실레이티드 디트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨, 에톡실레이티드 펜타에리트리톨, 프로폭실레이티드 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 에톡실레이티드 디펜타에리트리톨, 프로폭실레이티드 디펜타에리트리톨, 비스페놀A, 에톡실레이티드 비스페놀A, 프로폭실레이티드 비스페놀A 및 이들의 조합에서 선택되는 그룹으로부터 유도되는 잔기(residue)이고, 각 반복단위의 n은 독립적으로, 1 내지 20의 정수이고,In Formula 1, E is ethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, polypropylene glycol, diethylene glycol, alkanediol, ethoxylated alkanediol, propoxylated alkanediol , trimethylolpropane, ethoxylated trimethylolpropane, propoxylated trimethylolpropane, ditrimethylolpropane, ethoxylated ditrimethylolpropane, propoxylated ditrimethylolpropane, pentaerythritol, ethoxyl Lated pentaerythritol, propoxylated pentaerythritol, dipentaerythritol, ethoxylated dipentaerythritol, propoxylated dipentaerythritol, bisphenol A, ethoxylated bisphenol A, propoxylate It is a residue derived from a group selected from tide bisphenol A and combinations thereof, and n of each repeating unit is independently an integer from 1 to 20;

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00010
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Figure pat00011
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Figure pat00012
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Figure pat00013
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Figure pat00015
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Figure pat00016
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Figure pat00010
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Figure pat00011
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Figure pat00012
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Figure pat00013
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Figure pat00014
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Figure pat00015
,
Figure pat00016
,

화학식 2 중, R은 독립적으로 수소 원자, C1-C10 알킬기, C6-C20 아릴기 또는 그 조합이다.In Formula 2, R is independently a hydrogen atom, a C1-C10 alkyl group, a C6-C20 aryl group, or a combination thereof.

제1모노머를 구성하는 3개 이상의 화학식 1로 표시되는 반복단위는 서로 동일하거나 또는 상이하게 선택된다. 즉 제1모노머는 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하되 화학식 1의 E가 서로 동일하거나 또는 상이하게 선택될 수 있다.Three or more repeating units represented by Formula 1 constituting the first monomer are selected to be the same as or different from each other. That is, the first monomer includes a repeating unit represented by Formula 1, but E of Formula 1 may be selected to be the same as or different from each other.

상기 가교 고분자는 제1모노머와 제2모노머의 화학적 및/또는 물리적 결합을 통하여 망상 구조를 갖는다. The crosslinked polymer has a network structure through chemical and/or physical bonding of the first monomer and the second monomer.

제1모노머는 말단에 이중결합을 2개 이상 가지며 중량평균분자량이 500 이상, 예를 들어 1,000 내지 1,000,000의 올리고머로서 반복적인 폴리알킬렌옥사이드, 폴리이소시아네이트, 폴리올 등의 구조를 포함하는 구조이다. 올리고머의 중량평균분자량은 예를 들어 10,000 내지 50,000, 20,000 내지 30,000, 또는 25,000이다. The first monomer has two or more double bonds at the terminal and is an oligomer having a weight average molecular weight of 500 or more, for example, 1,000 to 1,000,000, and has a structure including a structure of repetitive polyalkylene oxide, polyisocyanate, polyol, and the like. The weight average molecular weight of the oligomer is, for example, 10,000 to 50,000, 20,000 to 30,000, or 25,000.

제2모노머는 이중결합을 1개 가지고 있으며, 탄소기 4개 이상 10개 이하의 알킬렌 아크릴레이트로서, 제 1모노머와 함께 랜덤 공중합 가교에 참여하여 고분자 전해질의 구조를 형성한다.The second monomer has one double bond and is an alkylene acrylate having 4 to 10 carbon groups and participates in random copolymerization and crosslinking together with the first monomer to form a structure of a polymer electrolyte.

상기 가교 고분자는 세퍼레이터 상에 존재하며 구체적으로 세퍼레이터의 내부 및 표면 상에 존재할 수 있다. 세퍼레이터의 내부는 세퍼레이터내의 기공을 포함한다. 가교 고분자의 중량평균분자량은 예를 들어 1만 내지 60만, 2만 내지 50만, 3만 내지 40만, 5만 내지 20만 또는 5만 내지 15만일 수 있다.The cross-linked polymer is present on the separator, and specifically may be present on the inside and the surface of the separator. The inside of the separator includes pores in the separator. The weight average molecular weight of the crosslinked polymer may be, for example, 10,000 to 600,000, 20,000 to 500,000, 30,000 to 400,000, 50,000 to 200,000, or 50,000 to 150,000.

일반적인 리튬금속전지용 고분자 전해질은 액체 전해질의 누액이 발생할 수 있고 누액된 액체 전해질은 리튬 금속 음극과의 반응성이 매우 커서 부반응을 야기 시킬 수 있다. 그 결과, 전기화학 반응 중 리튬 금속 음극 표면에 부산물들로 인한 계면 저항이 급속하게 증가되거나 단락이 발생하여 전지의 수명이 저하될 수 있다. Polymer electrolytes for general lithium metal batteries may cause leakage of liquid electrolytes, and the leaked liquid electrolytes have very high reactivity with lithium metal anodes, which may cause side reactions. As a result, the interfacial resistance due to by-products on the surface of the lithium metal negative electrode during the electrochemical reaction may rapidly increase or a short circuit may occur, thereby reducing the lifespan of the battery.

이에 본 발명자들은 상술한 문제점을 해결하여 리튬 금속 음극을 이용한 리튬금속전지에서 내구성이 확보되어 고온 환경에서도 내부에 함유된 액체 전해질의 누액 염려가 없는 복합전해질에 대한 본원발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors of the present invention have completed the present invention for a composite electrolyte that has no risk of leakage of the liquid electrolyte contained therein even in a high-temperature environment because durability is secured in a lithium metal battery using a lithium metal anode by solving the above problems.

도 1은 일구현예에 따른 복합전해질의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.1 schematically shows the structure of a composite electrolyte according to an embodiment.

도 1을 참조하여, 복합전해질은 고분자 전해질(11)과 그 상에 배치된 코팅막(12) 및 코팅막 (13)을 함유한 구조를 갖는다. 고분자 전해질(11)은 세퍼레이터, 가교 고분자, 리튬염 및 니트릴계 화합물을 함유한다. 그리고 상기 코팅막(12) 및 코팅막(13)은 서로 동일하거나 또는 상이한 조성 및/또는 두께를 가질 수 있다. Referring to FIG. 1 , the composite electrolyte has a structure containing a polymer electrolyte 11 and a coating film 12 and a coating film 13 disposed thereon. The polymer electrolyte 11 contains a separator, a crosslinked polymer, a lithium salt, and a nitrile-based compound. And the coating film 12 and the coating film 13 may have the same or different composition and/or thickness from each other.

고분자 전해질(11)의 두께는 5 내지 100㎛, 20 내지 60㎛, 또는 25 내지 45㎛이다. 상기 코팅막(12)와 코팅막(13)의 총두께는 5 내지 100㎛, 예를 들어 20 내지 60㎛이다.The thickness of the polymer electrolyte 11 is 5 to 100 μm, 20 to 60 μm, or 25 to 45 μm. The total thickness of the coating film 12 and the coating film 13 is 5 to 100 μm, for example, 20 to 60 μm.

일구현예에 따른 리튬금속전지용 복합전해질을 구성하는 고분자 전해질은 세퍼레이터에 랜덤공중합 가교구조와 리튬염이 도핑된 이온전도성이 높은 액체 전해질을 포집할 수 있는 구조를 갖는다. 액체 전해질은 가교 구조내에 함유되어 바깥으로 새어나오지 않도록 차단되는 효과를 얻을 수 있다. 이를 통해 고온환경에서의 누액을 막을 수 있고 고분자 구조의 내구성을 확보하여 고온환경에서도 내부에 포함된 액체 전해질의 누액의 우려가 없다. 또한 리튬 금속과의 부반응을 개선하는 효과로 전기화학반응의 안정성을 향상시킬 수 있다. The polymer electrolyte constituting the composite electrolyte for a lithium metal battery according to an embodiment has a structure capable of collecting a liquid electrolyte with high ionic conductivity doped with a lithium salt and a random copolymer cross-linked structure in a separator. The liquid electrolyte is contained in the cross-linked structure to obtain the effect of blocking it from leaking out. Through this, it is possible to prevent leakage in a high-temperature environment, and by securing the durability of the polymer structure, there is no risk of leakage of the liquid electrolyte contained therein even in a high-temperature environment. In addition, it is possible to improve the stability of the electrochemical reaction with the effect of improving the side reaction with lithium metal.

상기 액체 전해질은 니트릴계 화합물을 함유하여 고분자 전해질은 플라스틱 크리스탈 전해질 형태를 갖고 있어 고분자 전해질 및 이를 채용한 복합전해질의 이온 전도성이 우수하다. 여기에서 용어 "플라스틱 크리스탈 전해질"은 전해질을 구성하는 화학분자의 배향 또는 자유도가 온도 영역에 따라 변화되는 특성을 갖는다. Since the liquid electrolyte contains a nitrile-based compound and the polymer electrolyte has a plastic crystal electrolyte form, the polymer electrolyte and the composite electrolyte employing the same have excellent ion conductivity. As used herein, the term "plastic crystal electrolyte" has a property that the orientation or degree of freedom of chemical molecules constituting the electrolyte changes depending on the temperature range.

니트릴계 화합물이 숙시노니트릴(succinonitrile), 글루타로니트릴(glutaronitrile), 아디포니트릴(adiponitrile), 피멜로니트릴(pimelonitrile), 수베로니트릴(suberonitrile) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The nitrile-based compound may include succinonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, pimelonitrile, suberonitrile, or a combination thereof.

복합 전해질은 상술한 바와 같이 제1모노머와 제2모노머의 가교 고분자를 함유하여 일반적인 플라스틱 크리스탈 전해질의 유동성을 보완할 수 있고 가교 고분자가 가교결합을 함유하여 열에 대하여 변형이 쉽게 일어나지 않아 복합전해질에 열을 가한 경우에도 연화가 발생되지 않아 열안정성이 확보된다.As described above, the composite electrolyte contains a crosslinked polymer of the first and second monomers to supplement the fluidity of a general plastic crystal electrolyte. Heat stability is ensured because softening does not occur even when added.

또한 일구현예에 따른 복합전해질은 고온에서 보관한 경우 구조의 변화없이 고분자 전해질을 함유하며 이를 이용하면 리튬 금속과 복합전해질의 반응성이 억제된다. 그리고 일구현예에 따른 복합전해질은 고온에서 리튬과의 반응성이 적어 부반응의 염려가 작고 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하여 안전성이 확보됨과 동시에 장수명이 유리한 리튬금속전지이다. 이러한 리튬금속전지는 모바일용 및 자동차 전지에 사용되어 안정성이 확보되며 리튬금속을 사용하여 고용량 전지를 구현할 수 있다.In addition, the composite electrolyte according to an embodiment contains a polymer electrolyte without a change in structure when stored at a high temperature, and when this is used, the reactivity between the lithium metal and the composite electrolyte is suppressed. In addition, the composite electrolyte according to one embodiment is a lithium metal battery having low reactivity with lithium at high temperature, so there is little concern about side reactions, and safety is secured by inhibiting the growth of lithium dendrites, and a long lifespan is advantageous. These lithium metal batteries are used in mobile and automobile batteries to ensure stability, and high-capacity batteries can be implemented using lithium metal.

제1모노머와 가교되는 제2모노머는 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물, 화학식 7로 표시되는 화합물, 화학식 8로 표시되는 화합물 또는 그 조합이다.The second monomer cross-linked with the first monomer is a compound represented by the following formula (6), a compound represented by formula (7), a compound represented by formula (8), or a combination thereof.

[화학식 6][Formula 6]

Figure pat00017
Figure pat00017

화학식 6 중, R은 수소, C1-C10 알킬기 또는 C6-C20 아릴기이며, L1은 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, 또는 그 조합이며, A는 서로 독립적으로 화학결합을 나타내거나 또는 -CH2-를 나타내며,In Formula 6, R is hydrogen, a C1-C10 alkyl group, or a C6-C20 aryl group, and L 1 is hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, or its a combination, and A represents, independently of each other, a chemical bond or -CH 2 -,

[화학식 7][Formula 7]

Figure pat00018
Figure pat00018

화학식 7 중, L1은 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, -CH2CH2NHC(=O)OL2, -(CH2)kOC(=O)L3, 또는 -(CH2)kO(=O)NH-(CH2)O(C=O)(C=CH2)R, 또는 그 조합이며, R은 수소, C1-C10 알킬기 또는 C6-C20 아릴기이며, k는 1 내지 5의 정수이고, In Formula 7, L 1 is hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, —CH 2 CH 2 NHC(=O)OL 2 , —(CH 2 ) k OC(=O)L 3 , or -(CH 2 ) k O(=O)NH-(CH 2 )O(C=O)(C=CH 2 )R, or a combination thereof, R is hydrogen; C1-C10 alkyl group or C6-C20 aryl group, k is an integer of 1 to 5;

L2 및 L3은 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, 또는 그 조합이며,L 2 and L 3 are each independently hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, or a combination thereof,

[화학식 8][Formula 8]

Figure pat00019
Figure pat00019

화학식 8 중, L1은 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, 또는 그 조합이다.In Formula 8, L 1 is hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, or a combination thereof.

상기 제1모노머는 예를 들어 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 또는 화학식 3-1로 표시되는 화합물이다.The first monomer is, for example, a compound represented by Formula 3 or a compound represented by Formula 3-1.

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00020
Figure pat00020

[화학식 3-1][Formula 3-1]

Figure pat00021
Figure pat00021

화학식 3 및 3-1중, EG는 에틸렌글리콜로부터 유도되는 잔기이며, DEG는 디에틸렌글리콜으로부터 유도되는 잔기이며, TMP는 트리메틸올프로판으로부터 유도되는 잔기이며, a, b 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 7의 정수, 1 내지 5의 정수, 또는 2 내지 4의 정수이고, l, m 및 n은 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수, 또는 1 내지 10의 정수이다.In Formulas 3 and 3-1, EG is a residue derived from ethylene glycol, DEG is a residue derived from diethylene glycol, TMP is a residue derived from trimethylolpropane, and a, b and c are each independently 1 an integer of 7 to 7, an integer of 1 to 5, or an integer of 2 to 4, and l, m and n are each independently an integer of 1 to 20, or an integer of 1 to 10.

화학식 3 및 3-1 중, EG는 예를 들어 -(OCH2CH2)-이고, DEG는 예를 들어 -(CH2OCH2)-이다. 그리고 화학식 3 및 3-1에서 TMP는 예를 들어 -C{(CH2O)k(CH3CH2)}z-이며, k는 1 내지 10, 1 내지 8, 또는 1 내지 5의 수이고 z은 1 내지 10, 1 내지 10, 1 내지 8, 또는 1 내지 5의 수이다.In Formulas 3 and 3-1, EG is, for example, -(OCH 2 CH 2 )-, and DEG is, for example, -(CH 2 OCH 2 )-. And in Formulas 3 and 3-1, TMP is, for example, -C{(CH 2 O) k (CH 3 CH 2 )} z -, k is a number from 1 to 10, 1 to 8, or 1 to 5; z is a number from 1 to 10, from 1 to 10, from 1 to 8, or from 1 to 5.

제1모노머로서 하기 화학식 4로 표시되는 화합물 또는 화학식 5로 표시되는 화합물이 사용될 수 있다.As the first monomer, a compound represented by Formula 4 or a compound represented by Formula 5 may be used.

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00022
Figure pat00022

화학식 4중, EG는 에틸렌글리콜로부터 유도되는 잔기이며, DEG는 디에틸렌글리콜으로부터 유도되는 잔기이며, TMP는 트리메틸올프로판으로부터 유도되는 잔기이며, l, m 및 n은 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이고, In Formula 4, EG is a residue derived from ethylene glycol, DEG is a residue derived from diethylene glycol, TMP is a residue derived from trimethylolpropane, and l, m, and n are independently integers from 1 to 20. ego,

[화학식 5][Formula 5]

Figure pat00023
Figure pat00023

화학식 5 중, EG는 에틸렌글리콜로부터 유도되는 잔기이며, DEG는 디에틸렌글리콜으로부터 유도되는 잔기이며, TMP는 트리메틸올프로판으로부터 유도되는 잔기이며, l, m 및 n은 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이다. In Formula 5, EG is a residue derived from ethylene glycol, DEG is a residue derived from diethylene glycol, TMP is a residue derived from trimethylolpropane, and l, m, and n are independently integers from 1 to 20. am.

화학식 4 및 5에서 EG는 예를 들어 -(OCH2CH2)-이며, DEG는 예를 들어 -(CH2OCH2)-이며, TMP는 예를 들어 -C{(CH2O)k(CH3CH2)}z-이며, k는 1 내지 10, 1 내지 8, 또는 1 내지 5의 수이고 z은 1 내지 10, 1 내지 10, 1 내지 8, 또는 1 내지 5의 수이다.In formulas 4 and 5, EG is for example -(OCH 2 CH 2 )-, DEG is for example -(CH 2 OCH 2 )-, and TMP is for example -C{(CH 2 O) k ( CH 3 CH 2 )} z -, k is a number from 1 to 10, 1 to 8, or 1 to 5 and z is a number from 1 to 10, 1 to 10, 1 to 8, or 1 to 5.

상기 제2모노머는 예를 들어 하기 화학식 9로 표시되는 화합물(헥실아크릴레이트), 부틸아크릴레이트, 펜틸아크릴레이트, 프로필아크릴레이트 또는 그 조합물과 같은 선형아크릴레이트이다.The second monomer is, for example, a linear acrylate such as a compound (hexyl acrylate) represented by the following formula (9), butyl acrylate, pentyl acrylate, propyl acrylate, or a combination thereof.

[화학식 9][Formula 9]

Figure pat00024
Figure pat00024

상기 코팅막은 리튬염을 더 포함할 수 있다. The coating layer may further include a lithium salt.

상기 리튬염은 예를 들어 LiPF6, LiBF4, LiFSI, LiTFSI 등의 염을 포함한다. FSI는 bis(fluorosulfonyl)imide이고 TFSI는 bis(trifluoromethanesulfonyl)imide를 나타낸다. 코팅막이 리튬염을 더 포함하는 경우 복합전해질의 이온전도도가 더 개선될 수 있다.The lithium salt includes, for example, salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiFSI, and LiTFSI. FSI stands for bis(fluorosulfonyl)imide and TFSI stands for bis(trifluoromethanesulfonyl)imide. When the coating layer further includes a lithium salt, the ionic conductivity of the composite electrolyte may be further improved.

복합전해질은 상기 가교 고분자를 함유하여 사슬 이동성이 향상되어 리튬 이온의 이동이 원할해져 이온 전도성이 개선될 수 있다. Since the composite electrolyte contains the cross-linked polymer, chain mobility is improved and lithium ions move smoothly, so that ion conductivity can be improved.

복합전해질을 구성하는 세퍼레이터는 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 세퍼레이터의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 20㎛이다. 세퍼레이터의 구체적인 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막을 들 수 있다.As the separator constituting the composite electrolyte, an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 μm, and the thickness is generally 5 to 20 μm. Specific examples of the separator include polyethylene, polypropylene, polyimide, or a multilayer film of two or more layers thereof, a polyethylene/polypropylene two-layer separator, a polyethylene/polypropylene/polyethylene three-layer separator, and polypropylene/polyethylene/polypropylene 3 and mixed multilayer films such as layer separators and the like.

상기 세퍼레이터에는 리튬염과 유기용매를 함유한 전해질이 더 부가될 수 있다.An electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent may be further added to the separator.

복합전해질 및/또는 고분자 전해질은 리튬염을 용해할 수 있는 유기용매를 더 포함할 수 있다. 유기용매는 카보네이트계 화합물, 에테르계 화합물, 글라임계 화합물, 에스테르계 화합물 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함한다.The composite electrolyte and/or the polymer electrolyte may further include an organic solvent capable of dissolving the lithium salt. The organic solvent further includes at least one selected from a carbonate-based compound, an ether-based compound, a glyme-based compound, and an ester-based compound.

상기 카보네이트계 용매는 예를 들어 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 또는 에틸메틸 카보네이트가 있다.The carbonate-based solvent is, for example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, fluoroethylene carbonate, diethyl carbonate, or ethylmethyl carbonate.

글라임계 용매는 예를 들어 폴리(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르(poly(ethylene glycol) dimethyl ether; PEGDME, polyglyme), 테트라(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르(tetra(ethylene glycol) dimethyl ether; TEGDME, tetraglyme), 트리(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르(tri(ethylene glycol) dimethyl ether, triglyme), 폴리(에틸렌 글리콜) 디라우레이트(poly(ethylene glycol) dilaurate; PEGDL), 폴리(에틸렌 글리콜) 모노아크릴레이트(poly(ethylene glycol) monoacrylate; PEGMA), 및 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate; PEGDA)로부터 선택된 1종 이상을 들 수 있다.The glyme solvent is, for example, poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME, polyglyme), tetra(ethylene glycol) dimethyl ether (TEGDME, tetraglyme), tri (ethylene glycol) dimethyl ether (tri(ethylene glycol) dimethyl ether, triglyme), poly(ethylene glycol) dilaurate (PEGDL), poly(ethylene glycol) monoacrylate (poly(ethylene glycol) ) monoacrylate; PEGMA), and poly(ethylene glycol) diacrylate (poly(ethylene glycol) diacrylate; PEGDA).

디옥소란계 화합물의 예로는 3-디옥소란, 4,5-디에틸-디옥소란, 4,5-디메틸-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥소란 및 4-에틸-1,3-디옥소란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 있다.Examples of the dioxolane-based compound include 3-dioxolane, 4,5-diethyl-dioxolane, 4,5-dimethyl-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane and 4-ethyl There is at least one selected from the group consisting of -1,3-dioxolane.

상기 유기용매는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, 감마부티로락톤 등이 있다. The organic solvent includes 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, gamma butyrolactone, and the like.

일구현예에 따른 복합전해질에서 고분자 전해질과 코팅막의 두께비는 1:0.1 내지 1:5, 1:0.12 내지 1:3, 1:0.2 내지 1:2.5, 1:0.3 내지 1:2, 또는 1:1.5 내지 1:2이다. 고분자 전해질과 코팅막의 두께비가 상기 범위일 때 이온 전도도 및 강도가 우수한 복합전해질을 얻을 수 있고 이 복합전해질을 채용한 리튬금속전지의 수명 저하 없이 고온 저장 특성이 개선된다.In the composite electrolyte according to an embodiment, the thickness ratio of the polymer electrolyte and the coating film is 1:0.1 to 1:5, 1:0.12 to 1:3, 1:0.2 to 1:2.5, 1:0.3 to 1:2, or 1: 1.5 to 1:2. When the thickness ratio of the polymer electrolyte and the coating film is within the above range, a composite electrolyte having excellent ionic conductivity and strength can be obtained, and high-temperature storage characteristics are improved without deterioration of the lifespan of a lithium metal battery employing the composite electrolyte.

상기 복합전해질의 이온 전도도는 약 25℃ 또는 60℃에서 1 X 10-6S/cm 이상, 1 X 10-4S/cm 이상, 예를 들어 5×10-4 S/cm 이상, 구체적으로 1×10-3 S/cm 이상, 예를 들어 1 X 10-6S/cm 내지 1 X 10-4S/cm 일 수 있다. The ionic conductivity of the composite electrolyte is 1 X 10 -6 S/cm or more, 1 X 10 -4 S/cm or more, for example 5×10 -4 S/cm or more, specifically 1 at about 25° C. or 60° C. ×10 -3 S/cm or more, for example, may be 1 X 10 -6 S/cm to 1 X 10 -4 S/cm.

일구현예에 따른 복합전해질은 찌름강도가 100 gf 이상, 100 내지 300gf, 예를 들어 150 내지 250gf이다. The composite electrolyte according to one embodiment has a puncture strength of 100 gf or more, 100 to 300 gf, for example, 150 to 250 gf.

이하, 일구현예에 따른 복합전해질의 제조방법을 살펴보기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a composite electrolyte according to an embodiment will be described.

먼저 세퍼레이터에 적어도 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머; 리튬염; 및 니트릴계 화합물을 포함하는 고분자 전해질 조성물을 도포 및 경화하여 세퍼레이터 상에 고분자 전해질을 형성한다.First, a first monomer having at least two double bonds and a second monomer having one or more double bonds in a separator; lithium salt; and coating and curing a polymer electrolyte composition including a nitrile-based compound to form a polymer electrolyte on the separator.

제1모노머와 제2모노머의 혼합중량비는 95:5(19:1) 내지 20:80(1:4), 예를 들어 10:1 내지 1:1, 8:1 내지 2:1, 5:1 내지 4:1, 또는 70:30(2.3:1)이다. 제1모노머와 제2모노머의 혼합중량비가 상기 범위일 때 이온 전도도 및 강도가 우수한 복합전해질을 얻을 수 있고 이 복합전해질을 채용한 리튬금속전지의 수명 저하 없이 고온 저장 특성이 개선된다.The mixing weight ratio of the first monomer and the second monomer is 95:5 (19:1) to 20:80 (1:4), for example, 10:1 to 1:1, 8:1 to 2:1, 5: 1-4:1, or 70:30 (2.3:1). When the mixing weight ratio of the first monomer and the second monomer is within the above range, a composite electrolyte having excellent ionic conductivity and strength can be obtained, and high-temperature storage characteristics are improved without deterioration of the lifespan of a lithium metal battery employing the composite electrolyte.

상기 고분자 전해질 조성물은 예를 들어 제1모노머와 제2모노머를 혼합하여 제1혼합물을 얻고, 이와 별도로 리튬염과 니트릴계 화합물을 혼합하여 제2혼합물을 제조하고 상기 제1혼합물과 제2혼합물을 혼합하는 단계에 따라 얻을 수 있다. 제1혼합물과 제2혼합물은 예를 들어 20 내지 70℃, 또는 30 내지 65℃의 온도에서 혼합하면 보다 균일한 조성을 갖는 고분자 전해질 조성물을 얻을 수 있다.For the polymer electrolyte composition, for example, a first mixture is obtained by mixing a first monomer and a second monomer, and a second mixture is prepared by separately mixing a lithium salt and a nitrile-based compound, and the first mixture and the second mixture are mixed. It can be obtained according to the step of mixing. When the first mixture and the second mixture are mixed at a temperature of, for example, 20 to 70°C, or 30 to 65°C, a polymer electrolyte composition having a more uniform composition can be obtained.

상기 고분자 전해질 조성물에서 니트릴계 화합물의 함량은 제1모노머 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 70 중량부이다. 그리고 리튬염의 함량은 제1모노머 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 50 중량부이다.The content of the nitrile-based compound in the polymer electrolyte composition is 10 to 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the first monomer. And the content of the lithium salt is 10 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the first monomer.

고분자 전해질 조성물에는 열 또는 광에 의한 중합개시제를 포함할 수 있다. The polymer electrolyte composition may include a polymerization initiator by heat or light.

고분자 전해질의 양 면에 코팅막을 형성하는 방법은 예를 들어 하기 2가지 제조방법이 있다.A method of forming a coating film on both surfaces of the polymer electrolyte includes, for example, the following two manufacturing methods.

첫번째 제조방법에 의하면, 이형필름을 이용하여 코팅막/고분자 전해질/코팅막을 형성한 후 이형필름을 제거하여 목적하는 복합전해질을 형성할 수 있다.According to the first manufacturing method, a desired composite electrolyte can be formed by forming a coating film/polymer electrolyte/coating film using a release film and then removing the release film.

두번째 제조방법에 따르면, 상기 고분자 전해질의 양면에 코팅막 조성물을 도포 및 경화하여 목적하는 복합 전해질을 제조할 수 있다.According to the second manufacturing method, a desired composite electrolyte can be prepared by coating and curing the coating film composition on both sides of the polymer electrolyte.

첫번째 제조방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.The first manufacturing method will be described in more detail as follows.

이형 필름 상에 적어도 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머 및 리튬염을 포함하는 코팅막 조성물을 도포하고, 상기 결과물 상부에 고분자 전해질을 적층한 다음 상기 코팅막 조성물을 도포하고 경화반응을 실시한다. 이어서 상기 결과물로부터 이형 필름을 제거하여 고분자 전해질 및 상기 고분자 전해질의 양 면에 배치된 코팅막을 포함하는 복합전해질을 제조할 수 있다.A coating film composition comprising a first monomer having at least two double bonds and a second monomer having one or more double bonds and a lithium salt is applied on a release film, and a polymer electrolyte is laminated on the resultant, and then the coating film composition is applied and the curing reaction is carried out. Then, the release film is removed from the resultant to prepare a composite electrolyte including a polymer electrolyte and a coating film disposed on both sides of the polymer electrolyte.

상기 경화는 열 또는 광을 가하는 중합 반응에 의하여 실시될 수 있다. The curing may be carried out by a polymerization reaction applying heat or light.

코팅막 조성물에는 열 또는 광에 의한 중합개시제를 포함할 수 있다. The coating film composition may include a polymerization initiator by heat or light.

열중합 개시제로는 과황산염계 개시제, 아조계 개시제, 과산화수소 및 아스코르빈산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. As the thermal polymerization initiator, at least one selected from the group consisting of a persulfate-based initiator, an azo-based initiator, hydrogen peroxide, and ascorbic acid may be used.

광중합 개시제는 예를 들어 아세토 페논계 화합물; 벤조페논계 화합물; 티오크산톤계 화합물; 벤조인계 화합물; 트리아진계 화합물 등을 사용할 수 있다. 중합개시제의 함량은 예를 들어 전체 조성물 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 10 중량부, 예를 들어 0.2 내지 5 중량부로 사용된다.The photopolymerization initiator is, for example, an acetophenone-based compound; benzophenone compounds; thioxanthone-based compounds; benzoin compounds; A triazine-based compound or the like can be used. The content of the polymerization initiator is, for example, 0.01 to 10 parts by weight, for example, 0.2 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total composition weight.

이형필름은 코팅막 형성용 조성물 등을 지지하는 역할을 하는 것으로서 비제한적인 예로서 폴리에틸렌테레프탈레이트막, 마일라막 등을 사용할 수 있다. The release film serves to support the composition for forming a coating film, and as a non-limiting example, a polyethylene terephthalate film, a mylar film, and the like may be used.

두번째 제조방법에 의하면, 상기 제1단계에 따라 얻은 고분자 전해질의 적어도 일 면에 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머를 포함하는 코팅막 조성물을 도포 및 경화반응을 실시하여 복합전해질을 제조한다. 코팅막 조성물은 예를 들어 고분자 전해질의 양면에 도포될 수 있다.According to the second manufacturing method, a coating film composition comprising a first monomer having two double bonds and a second monomer having one or more double bonds is applied to at least one surface of the polymer electrolyte obtained according to the first step and curing reaction to prepare a composite electrolyte. The coating film composition may be applied to both sides of the polymer electrolyte, for example.

리튬금속전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 복합전해질을 포함하고 이들을 수용하는 전지 케이스를 포함한다. A lithium metal battery includes a battery case including a positive electrode, a negative electrode, and a composite electrolyte interposed therebetween, and accommodating them.

예를 들어, 상기 리튬금속전지는 다음과 같은 방법에 의하여 제조될 수 있다.For example, the lithium metal battery may be manufactured by the following method.

먼저 양극이 준비된다. 예를 들어, 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매가 혼합된 양극 활물질 조성물이 준비된다. 상기 양극 활물질 조성물이 금속 집전체 위에 직접 코팅되어 양극판이 제조된다. 다르게는, 상기 양극 활물질 조성물이 별도의 지지체 상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 양극판이 제조될 수 있다. 상기 양극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다.First, an anode is prepared. For example, a positive electrode active material composition in which a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and a solvent are mixed is prepared. The positive electrode active material composition is directly coated on a metal current collector to manufacture a positive electrode plate. Alternatively, the positive electrode active material composition may be cast on a separate support, and then a film peeled from the support may be laminated on a metal current collector to manufacture a positive electrode plate. The positive electrode is not limited to the above-listed shapes and may be in a shape other than the above-mentioned shapes.

상기 양극 활물질은 리튬 복합 산화물로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. The positive active material is a lithium composite oxide, and any one commonly used in the art may be used without limitation.

양극을 제조하기 위한 양극 활물질로서 리튬코발트산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬철인산화물, 및 리튬망간산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 이용 가능한 모든 양극 활물질이 사용될 수 있다.As a positive electrode active material for manufacturing a positive electrode, it may include at least one selected from the group consisting of lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate, and lithium manganese oxide, but is not necessarily limited thereto and any positive active material available in the art may be used.

양극 활물질은 예를 들어, 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합에서 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는, LiaA1-bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1-bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bBbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:The positive active material may be, for example, one or more of a complex oxide of lithium and a metal selected from cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof, and specific examples thereof include Li a A 1-b B b D 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, and 0 ≤ b ≤ 0.5); Li a E 1-b B b O 2-c D c (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE 2-b B b O 4-c D c (wherein 0 ≤ b ≤ 0.5 and 0 ≤ c ≤ 0.05); Li a Ni 1-bc Co b B c D α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α F α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α F 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B c D α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α F α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α F 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a MnG b O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiIO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); A compound represented by any one of the formulas of LiFePO 4 may be used:

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.

물론 상기 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, a compound having a coating layer on the surface of the compound may be used, or a mixture of the compound and a compound having a coating layer may be used. The coating layer may include a coating element compound of oxide or hydroxide of the coating element, oxyhydroxide of the coating element, oxycarbonate of the coating element, or hydroxycarbonate of the coating element. The compound constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. As the coating element included in the coating layer, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or a mixture thereof may be used. In the coating layer forming process, any coating method may be used as long as the compound can be coated by a method that does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material (eg, spray coating, dipping, etc.) by using these elements in the compound. Since the content can be well understood by those engaged in the field, a detailed description thereof will be omitted.

상기 양극 활물질은 예를 들어 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물, 하기 화학식 11로 표시되는 화합물 또는 화학식 12로 표시되는 화합물이 이용될 수 있다. As the cathode active material, for example, a compound represented by the following Chemical Formula 10, a compound represented by the following Chemical Formula 11, or a compound represented by the Chemical Formula 12 may be used.

[화학식 10][Formula 10]

LiaNibCocMndO2 Li a Ni b Co c Mn d O 2

화학식 10 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5이고, b,c 및 d의 합은 1이고, b, c 및 d가 동시에 0인 경우는 제외하며,In Formula 10, when 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, the sum of b, c and d is 1, and b, c and d are 0 at the same time is excluded,

[화학식 11][Formula 11]

Li2MnO3 Li 2 MnO 3

[화학식 12][Formula 12]

LiMO2 LiMO 2

상기 화학식 12 중, M은 Mn, Fe, Co, 또는 Ni이다.In Formula 12, M is Mn, Fe, Co, or Ni.

상기 도전제로는 카본 블랙, 그래파이트 미립자 천연 그래파이트, 인조 그래파이트, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 탄소섬유; 카본나노튜브, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 또는 금속 튜브; 폴리페닐렌 유도체와 같은 전도성 고분자 등이 사용될 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 도전제로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.Examples of the conductive agent include carbon black, graphite fine particles, natural graphite, artificial graphite, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber; metal powder or metal fibers or metal tubes such as carbon nanotubes, copper, nickel, aluminum, and silver; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives may be used, but are not limited thereto, and any conductive agent may be used in the art.

상기 바인더로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 카르복시메틸 셀룰로오즈-스티렌-부타디엔 러버(carboxymethyl cellulose-styrene-butadiene rubber: SMC/SBR) 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머 또는 그 혼합물이 사용될 수 있다. 바인더는 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.Examples of the binder include vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyimide, polyethylene, polyester, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene (PTFE), A carboxymethyl cellulose-styrene-butadiene rubber (SMC/SBR) copolymer, a styrene-butadiene rubber-based polymer, or a mixture thereof may be used. The binder is not limited thereto, and any binder that can be used as a binder in the art may be used.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.As the solvent, N-methylpyrrolidone, acetone, or water may be used, but the solvent is not limited thereto and any solvent that can be used in the art may be used.

상기, 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매의 함량은 리튬금속전지에서 통상적으로 사용되는 수준이다. 리튬금속전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전제, 바인더 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The content of the positive electrode active material, the conductive agent, the binder and the solvent is a level commonly used in a lithium metal battery. At least one of the conductive agent, the binder, and the solvent may be omitted depending on the use and configuration of the lithium metal battery.

다음으로 리튬 음극으로서 리튬 금속 박막 또는 리튬 합금 박막을 준비한다. Next, a lithium metal thin film or a lithium alloy thin film is prepared as a lithium negative electrode.

리튬 금속 음극은 리튬 금속 박막 또는 리튬 금속 합금 박막을 사용할 수 있다. 리튬 금속 박막 또는 리튬 금속 합금 박막의 두께는 100㎛ 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지는 두께 100㎛ 이하의 리튬 금속 박막 또는 리튬 금속 합금 박막에 대하여도 안정적인 사이클 특성이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지에서 리튬 금속 박막 또는 리튬 금속 합금 박막의 두께는 80㎛ 이하, 예를 들어 60㎛ 이하, 구체적으로 0.1 내지 60㎛일 수 있다. As the lithium metal anode, a lithium metal thin film or a lithium metal alloy thin film may be used. The thickness of the lithium metal thin film or the lithium metal alloy thin film may be 100 μm or less. For example, the lithium battery may have stable cycle characteristics even with respect to a lithium metal thin film or a lithium metal alloy thin film having a thickness of 100 μm or less. For example, in the lithium battery, the thickness of the lithium metal thin film or the lithium metal alloy thin film may be 80 μm or less, for example 60 μm or less, specifically 0.1 to 60 μm.

리튬금속전지는 전해질로서 일구현예에 따른 복합전해질을 사용한다.The lithium metal battery uses a composite electrolyte according to an embodiment as an electrolyte.

일구현예에 따른 리튬금속전지에서 상술한 전해질 이외에 통상적으로 사용되는 액체 전해질, 고체 전해질, 겔 전해질, 및 고분자 이온성 액체(polymer ionic liquid) 중에서 선택된 하나 이상을 더 사용할 수 있다. In addition to the above-described electrolyte in the lithium metal battery according to an embodiment, one or more selected from a liquid electrolyte, a solid electrolyte, a gel electrolyte, and a polymer ionic liquid may be further used.

다른 일구현예에 의하면, 상기 리튬금속전지는 액체 전해질과, 고체 전해질, 겔 전해질 및 고분자 이온성 액체(polymer ionic liquid) 중에서 선택된 하나 이상과, 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.According to another embodiment, the lithium metal battery may further include a liquid electrolyte, at least one selected from a solid electrolyte, a gel electrolyte, and a polymer ionic liquid, and a separator.

액체 전해질은 유기용매, 이온성 액체 및 리튬염 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함한다. 유기용매는 리튬금속전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 비제한적인 예로서 카보네이트계 화합물, 글라임계 화합물, 디옥소란계 화합물 등이 있다.The liquid electrolyte further includes at least one selected from an organic solvent, an ionic liquid, and a lithium salt. Any organic solvent can be used as long as it is commonly used in lithium metal batteries, and non-limiting examples include a carbonate-based compound, a glyme-based compound, and a dioxolane-based compound.

겔 전해질은 겔 형태를 갖는 전해질로서 당해기술분야에서 주지된 것이라면 모두 다 사용가능하다. The gel electrolyte may be used as long as it is well known in the art as an electrolyte having a gel form.

겔 전해질은 예를 들어 고분자와 고분자 이온성 액체를 함유할 수 있다. The gel electrolyte may contain, for example, a polymer and a polymeric ionic liquid.

상기 고분자는 예를 들어 고체 그래프트(블록) 코폴리머 전해질일 수 있다.The polymer may be, for example, a solid graft (block) copolymer electrolyte.

이온성 액체는 상온 이하의 융점을 갖고 있고 이온만으로 구성되는 상온에서 액체 상태의 염 또는 상온 용융염을 말한다. 이온성 액체는 예를 들어 N-메틸-N-프로필피롤디니움 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 N-부틸-N-메틸피롤리디움 비스(3-트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.An ionic liquid has a melting point below room temperature and refers to a salt in a liquid state at room temperature or a molten salt at room temperature composed of only ions. Ionic liquids are for example N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide N-butyl-N-methylpyrrolidium bis(3-trifluoromethylsulfonyl)imi de, at least one selected from the group consisting of 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide and 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide am.

고체 전해질은 유기 고체 전해질 또는 무기 고체 전해질일 수 있다. The solid electrolyte may be an organic solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 고분자, 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polymers containing ionic dissociation groups, etc. can be used

상기 무기 고체 전해질로는, Cu3N, Li3N, LiPON, Li3PO4.Li2S.SiS2, Li2S.GeS2.Ga2S3,(Na,Li)1+xTi2-xAlx(PO4)3(0.1≤x≤0.9), Li1+xHf2-xAlx(PO4)3(0.1≤x≤0.9), Na3Zr2Si2PO12, Li3Zr2Si2PO12, Na5ZrP3O12, Na5TiP3O12, Na3Fe2P3O12, Na4NbP3O12, NLi0.3La0.5TiO3, Na5MSi4O12 (M은 Nd, Gd, Dy 등의 희토류 원소임) Li5ZrP3O12, Li5TiP3O12, Li3Fe2P3O12, Li4NbP3O12, Li1+x(M,Al,Ga)x(Ge1-yTiy)2-x(PO4)3(0≤X≤0.8, 0≤Y≤1.0, M은 Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 또는 Yb), Li1+x+yQxTi2-xSiyP3-yO12 (0<x≤0.4, 0<y≤0.6, Q 는 Al 또는 Ga), Li6BaLa2Ta2O12, Li7La3Zr2O12, Li5La3Nb2O12, Li5La3M2O12 (M은 Nb 또는 Ta), Li7+xAxLa3-xZr2O12 (0<x<3, A는 Zn) 등이 사용될 수 있다. The inorganic solid electrolyte, Cu 3 N, Li 3 N , LiPON, Li 3 PO 4 .Li 2 S.SiS 2, Li 2 S.GeS 2 .Ga 2 S 3, (Na, Li) 1 + x Ti 2-x Al x (PO 4 ) 3 (0.1≤x≤0.9), Li 1+x Hf 2-x Al x (PO 4 ) 3 (0.1≤x≤0.9), Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Li 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Na 5 ZrP 3 O 12 , Na 5 TiP 3 O 12 , Na 3 Fe 2 P 3 O 12 , Na 4 NbP 3 O 12 , NLi 0.3 La 0.5 TiO 3 , Na 5 MSi 4 O 12 (M is a rare earth element such as Nd, Gd, Dy) Li 5 ZrP 3 O 12 , Li 5 TiP 3 O 12 , Li 3 Fe 2 P 3 O 12 , Li 4 NbP 3 O 12 , Li 1+x (M,Al,Ga) x (Ge 1-y Ti y ) 2-x (PO 4 ) 3 (0≤X≤0.8, 0≤Y≤1.0, M is Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy , Ho, Er, Tm or Yb), Li 1+x+y Q x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0<x≤0.4, 0<y≤0.6, Q is Al or Ga), Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 5 La 3 Nb 2 O 12 , Li 5 La 3 M 2 O 12 (M is Nb or Ta), Li 7+x A x La 3-x Zr 2 O 12 (0<x<3, A is Zn) and the like may be used.

일구현예에 의한 고분자 이온성 액체는 i)암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸늄계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과, ii) BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, HSO4 -, ClO4 -, CH3SO3 -, CF3CO2 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, Cl-, Br-, I-, SO4 -, CF3SO3 -, (C2F5SO2)2N-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, NO3 -, Al2Cl7 -, (CF3SO2)3C-, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, SF5CF2SO3 -, SF5CHFCF2SO3 -, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO- 중에서 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 반복단위를 함유할 수 있다. Polymeric ionic liquids according to one embodiment are i) ammonium-based, pyrrolidinium-based, pyridinium-based, pyrimidinium-based, imidazolium-based, piperidinium-based, pyrazolium-based, oxazolium-based, pyridazinium-based, phospho At least one cation selected from nium-based, sulfonium-based, triazolium-based and mixtures thereof, and ii) BF 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , SbF 6 - , AlCl 4 - , HSO 4 - , ClO 4 - , CH 3 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , Cl - , Br - , I - , SO 4 - , CF 3 SO 3 - , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N - , (C 2 F 5 SO 2 )(CF 3 SO 2 )N - , NO 3 - , Al 2 Cl 7 - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , SF 5 CF 2 SO 3 - , SF 5 CHFCF 2 SO 3 - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (O(CF 3 ) 2 C 2 (CF 3 ) 2 O ) 2 PO - may contain a repeating unit comprising at least one anion selected from among.

일구현예에 의한 리튬금속전지는 용량 및 수명 특성이 우수하여 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지팩 또는 전지모듈에 단위전지로도 사용될 수 있다.The lithium metal battery according to one embodiment has excellent capacity and lifespan characteristics, so it can be used in a battery cell used as a power source for a small device, as well as a medium or large battery pack including a plurality of battery cells used as a power source for a medium or large device. It can also be used as a unit cell in a battery module.

도 5에서 보여지는 바와 같이 일구현예에 따른 리튬금속전지(51)는 양극(53), 리튬 음극(52) 및 일구현예에 따른 복합전해질(54)을 포함한다. 상술한 양극(53), 음극(52) 및 복합전해질(54)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(55)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(55)에 일구현예에 따른 전해질이 주입되고 캡(cap) 어셈블리로 밀봉되어 리튬금속전지(51)가 완성된다. 상기 전지케이스는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬금속전지는 대형박막형전지일 수 있다. 상기 리튬금속전지는 리튬이온전지일 수 있다.As shown in FIG. 5 , a lithium metal battery 51 according to an embodiment includes a positive electrode 53 , a lithium negative electrode 52 , and a composite electrolyte 54 according to an embodiment. The above-described positive electrode 53 , negative electrode 52 , and composite electrolyte 54 are wound or folded and accommodated in the battery case 55 . Next, the electrolyte according to an embodiment is injected into the battery case 55 and sealed with a cap assembly to complete the lithium metal battery 51 . The battery case may have a cylindrical shape, a prismatic shape, or a thin film type. For example, the lithium metal battery may be a large-sized thin-film battery. The lithium metal battery may be a lithium ion battery.

상기 리튬금속전지는 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 중대형 디바이스에 사용될 수 있다. 중대형 디바이스의 예로는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차 전동 공구 전력저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거, 전동 공구 등에 사용될 수 있다.Since the lithium metal battery has excellent lifespan characteristics and high rate characteristics, it can be used in medium and large-sized devices. Examples of mid-to-large devices include electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like. -bike) and an electric two-wheeled vehicle power tool power storage device including an electric scooter (E-scooter), but is not limited thereto. In addition, it can be used in fields requiring a large amount of power storage. For example, it can be used for electric bicycles, power tools, and the like.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 한정되는 것이 아니다.It will be described in more detail through the following examples and comparative examples. However, the examples are for illustrative purposes and are not limited thereto.

(복합전해질의 제조)(Production of composite electrolyte)

실시예 1Example 1

화학식 4-1로 표시되는 화합물(DRIC) 및 헥실아크릴레이트를 5:2 중량비로 혼합하고 여기에 LiTFSI를 3M로 용해시킨 숙시노니트릴(SN)을 부가 및 혼합하였다. SN에 LiTFSI를 용해시킬 때는 60℃의 오븐에서 SN을 액화시킨 후에 LiTFSI를 부가한 후 용해하였다. 여기에서 LiTFSI을 3M로 용해시킨 SN과, 화학식 4-1로 표시되는 화합물 및 헥실아크릴레이트의 총함량은 3:1 중량비로 혼합하고 중합개시제인 2,2'-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴)를 부가 및 혼합하여 고분자 전해질 조성물을 얻었다. 여기에서 중합개시제의 함량은 화학식 4-1로 표시되는 화합물 및 헥실아크릴레이트의 총합 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 중량부이다.The compound (DRIC) represented by Formula 4-1 and hexyl acrylate were mixed in a 5:2 weight ratio, and succinonitrile (SN) in which LiTFSI was dissolved in 3M was added and mixed. When dissolving LiTFSI in SN, after liquefying SN in an oven at 60° C., LiTFSI was added and then dissolved. Here, the total content of SN in which LiTFSI is dissolved in 3M, the compound represented by Formula 4-1, and hexyl acrylate are mixed in a 3:1 weight ratio, and 2,2'-azobis(2,4-dimethyl) as a polymerization initiator Valeronitrile) was added and mixed to obtain a polymer electrolyte composition. Here, the content of the polymerization initiator is 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the total of the compound represented by Formula 4-1 and hexyl acrylate.

<화학식 4-1><Formula 4-1>

Figure pat00025
Figure pat00025

화학식 4-1중, EG는 에틸렌글리콜로부터 유도되는 잔기로서 -(OCH2CH2)-이며, DEG는 디에틸렌글리콜으로부터 유도되는 잔기로서 -(CH2OCH2)-이며, TMP는 트리메틸올프로판으로부터 유도되는 잔기로서, -C(CH2O)(CH3CH2)-이며, L은 5이고, m은 5이고, n은 5이다.In Formula 4-1, EG is a residue derived from ethylene glycol -(OCH 2 CH 2 )-, DEG is a residue derived from diethylene glycol -(CH 2 OCH 2 )-, and TMP is trimethylolpropane As a residue derived from, -C(CH 2 O)(CH 3 CH 2 )-, L is 5, m is 5, and n is 5.

상기 고분자 전해질 조성물을 부직포 분리막(Hirose社, 두께: 35um)에 닥터블레이드 방식으로 코팅한 후 UV를 조사하여 경화를 실시하였다. 이어서 결과물을 건조하여 부직포 분리막의 내부 및 표면 상에 고분자 전해질을 약 두께 40 um로 형성하였다. The polymer electrolyte composition was coated on a nonwoven fabric separator (Hirose, thickness: 35um) by a doctor blade method, and then cured by UV irradiation. Then, the resultant was dried to form a polymer electrolyte with a thickness of about 40 um on the inside and surface of the nonwoven membrane.

이와 별도로 헥실아크릴레이트 85 중량부에 LITFSI 15 중량부를 25

Figure pat00026
에서 부가 및 용해한 다음 여기에 상기 화학식 4-1로 표시되는 화합물 및 중합개시제인 2,2'-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴를 부가 및 혼합하여 코팅막 조성물을 얻었다. 코팅막 조성물에서 화학식 4-1로 표시되는 화합물(DRIC) 및 헥실아크릴레이트의 혼합비는 5:2 중량비이고, 중합개시제의 함량은 화학식 4-1의 화합물 100 중량부 대비 0.1 중량부이다.Separately, 15 parts by weight of LITFSI to 85 parts by weight of hexyl acrylate 25 parts by weight
Figure pat00026
After addition and dissolution in the above formula 4-1 and 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), which is a polymerization initiator, were added and mixed thereto to obtain a coating film composition. In the coating film composition, formula 4 The mixing ratio of the compound (DRIC) represented by -1 and the hexyl acrylate is 5:2 by weight, and the content of the polymerization initiator is 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the compound of Formula 4-1.

이형필름인 PET 필름 위에 코팅막 조성물을 도포하고 이 상부에 고분자 전해질을 적층한 다음, 코팅막 조성물을 도포하였다. 이어서 상기 결과물 상부에 이형 필름인 PET 필름을 적층하였다. 이어서 상기 결과물에 UV을 조사하여 경화를 실시하고 이형필름을 제거함으로쏘 코팅막(두께: 30㎛)/고분자 전해질(두께: 40㎛)/코팅막(두께: 30㎛)의 적층 구조를 갖는 복합전해질을 제조하였다.A coating film composition was applied on a PET film, which is a release film, and a polymer electrolyte was laminated thereon, and then the coating film composition was applied. Then, a PET film, which is a release film, was laminated on the resulting product. Then, the resultant is cured by irradiating UV and removing the release film to obtain a composite electrolyte having a laminate structure of coating film (thickness: 30 µm)/polymer electrolyte (thickness: 40 µm)/coating film (thickness: 30 µm) prepared.

실시예 2-3Example 2-3

코팅막 및 고분자 전해질의 두께를 하기 표 1과 같이 변화시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 복합전해질을 제조하였다.A composite electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the coating film and the polymer electrolyte was changed as shown in Table 1 below.

비교예 1Comparative Example 1

화학식 4-1로 표시되는 화합물(DRIC) 및 헥실아크릴레이트를 5:2 중량비로 혼합하고 여기에 LiTFSI 를 3M 용해시킨 숙시노니트릴(SN)을 부가 및 혼합하였다. SN에 LiTFSI를 용해시킬 때는 60℃의 오븐에서 SN을 액화시킨 후에 LiTFSI를 부가한 후 용해하였다. 여기에서 LiTFSI을 3M로 용해시킨 SN과, 실시예 1에서 사용된 화학식 4-1로 표시되는 화합물 및 헥실아크릴레이트의 총함량은 3:1 중량비로 혼합하고 중합개시제인 2,2'-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴를 부가 및 혼합하여 고분자 전해질 조성물을 얻었다. 중합개시제의 함량은 화학식 4-1로 표시되는 화합물 및 헥실아크릴레이트의 총합 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 중량부이다.The compound (DRIC) represented by Formula 4-1 and hexyl acrylate were mixed in a weight ratio of 5:2, and succinonitrile (SN) in which LiTFSI was dissolved in 3M was added and mixed. When dissolving LiTFSI in SN, after liquefying SN in an oven at 60° C., LiTFSI was added and then dissolved. Here, the total content of SN in which LiTFSI was dissolved in 3M, the compound represented by Formula 4-1 and hexyl acrylate used in Example 1 were mixed in a 3:1 weight ratio, and 2,2'-azobis as a polymerization initiator was mixed. (2,4-dimethylvaleronitrile was added and mixed to obtain a polymer electrolyte composition. The content of the polymerization initiator was 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the total of the compound represented by Formula 4-1 and hexyl acrylate.

상기 고분자 전해질 조성물을 부직포 분리막(Hirose社, 두께: 35 um)에 닥터블레이드 방식으로 코팅한 후 UV를 조사하여 경화를 실시하였다. 이어서 결과물을 건조하여 부직포 분리막의 내부 및 표면 상에 고분자 전해질을 약 두께 40 um 로 형성하였다. The polymer electrolyte composition was coated on a nonwoven fabric separator (Hirose, thickness: 35 um) by a doctor blade method, and then cured by UV irradiation. Then, the resultant was dried to form a polymer electrolyte having a thickness of about 40 um on the inside and the surface of the nonwoven separator.

비교예 2Comparative Example 2

PVdF계 바인더인 KF9300을 아세톤, DMAc 혼합 용매에 용해시킨 7 중량% 용액과, 21216 바인더를 아세톤에 용해시킨 10 중량% 용액을 각각 제조하였다. 알루미나(LS235, 일본경금속)를 아세톤에 25 중량%로 첨가 후 3시간 동안 비즈밀 분산을 하여 알루미나 분산액을 제조하였다. 위의 KF9300, 21216 바인더의 중량비가 5/5가 되도록, 바인더 고형분과 알루미나 고형분의 중량비가 1/6 비율이 되도록 바인더 용액 및 알루미나 분산액을 혼합하였으며, 전체 고형분이 11 중량%가 되도록 아세톤을 첨가하여 코팅액을 제조하였다. 두께가 12 ㎛인 폴리에틸렌 원단(SK社)의 코팅액을 사용하여 총 두께 16 ㎛ 정도의 코팅 분리막을 제작하였다.A 7 wt% solution in which KF9300, a PVdF-based binder, was dissolved in acetone and DMAc mixed solvent, and a 10 wt% solution in which 21216 binder was dissolved in acetone were prepared, respectively. Alumina (LS235, Japan Light Metals) was added to acetone in an amount of 25% by weight and then dispersed with beads milling for 3 hours to prepare an alumina dispersion. The binder solution and the alumina dispersion were mixed so that the weight ratio of the binder solid content to the alumina solid content was 1/6 so that the weight ratio of the above KF9300 and 21216 binders was 5/5, and acetone was added so that the total solid content was 11% by weight. A coating solution was prepared. A coating separator having a total thickness of about 16 μm was manufactured using a coating solution of a polyethylene fabric (SK) having a thickness of 12 μm.

비교예 3Comparative Example 3

알루미나가 코팅된 부직포 대신 부직포를 사용한 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 전해질을 제조하였다.An electrolyte was prepared in the same manner as in Comparative Example 2, except that a nonwoven fabric was used instead of the alumina-coated nonwoven fabric.

구분division 복합전해질의 총두께(㎛)Total thickness of composite electrolyte (㎛) 고분자전해질의 두께(㎛)Polyelectrolyte thickness (㎛) 코팅막의 총두께(㎛)Total thickness of coating film (㎛) 실시예1Example 1 100100 6060 4040 실시예2Example 2 4545 55 4040 실시예3Example 3 140140 5050 4040 비교예1Comparative Example 1 100100 100100 -- 비교예2Comparative Example 2 4040 100100 -- 비교예3Comparative Example 3 4040 100100 --

(셀의 제조)(Preparation of cells)

제작예 1Production example 1

실시예 1 내지 3의 복합 전해질 및 비교예 1 내지 3의 전해질의 내구성 및 이온전도성을 셀 특성으로 확인하기 위한 방식으로 복합 전해질의 상부 및 하부에 하부에 50um 두께의 리튬 금속(Li metal) 을 대면하여 Li-Li 대칭셀(symmetric cell) 을 제조하였다.In a manner to confirm the durability and ionic conductivity of the composite electrolytes of Examples 1 to 3 and the electrolytes of Comparative Examples 1 to 3 as cell characteristics, 50 μm thick lithium metal (Li metal) was placed on the upper and lower portions of the composite electrolyte Thus, a Li-Li symmetric cell was prepared.

제작예 2 내지 제작예 3Production Examples 2 to 3

실시예 1의 고분자 전해질 대신 실시예 2 내지 실시예 3의 고분자 전해질을 각각 이용한 것을 제외하고는, 제작예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Li-Li 대칭셀을 제조하였다.A Li-Li symmetric cell was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, except that the polymer electrolyte of Examples 2 to 3 was used instead of the polymer electrolyte of Example 1.

비교제작예 1 내지 비교제작예 3Comparative Production Example 1 to Comparative Production Example 3

실시예 1의 고분자 전해질 대신 비교예 1 내지 비교예 3의 고분자 전해질을 각각 이용한 것을 제외하고는, 제작예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Li-Li 대칭셀을 제조하였다.A Li-Li symmetric cell was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the polymer electrolytes of Comparative Examples 1 to 3 were respectively used instead of the polymer electrolyte of Example 1.

평가예 1: 찌름 강도 평가Evaluation Example 1: Pricking strength evaluation

상기 실시예 1 내지 3의 복합전해질 및 비교예 1 내지 3에서 전해질의 찌름 강도를 측정하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to measure the puncture strength of the composite electrolytes of Examples 1 to 3 and the electrolytes of Comparative Examples 1 to 3, the following experiment was performed.

상기 실시예 및 비교예들에서 제조된 분리막 각각을 가로 (MD) 50 mm Х 세로 (TD) 50 mm로 서로 다른 10 개의 지점에서 재단한 10 개의 시편을 제작한 다음, GATO 테크 G5 장비를 이용하여 10 cm의 직경을 갖는 구멍 위에 시편을 올려 놓은 후 직경이 약 1 mm의 탐침으로 누르면서 뚫어지는 힘을 측정하였다. 상기 각 시편의 찌름 강도를 각각 세 차례씩 측정한 다음 평균값을 계산하였다. Each of the separators prepared in Examples and Comparative Examples was cut at 10 different points to have a width (MD) 50 mm Х length (TD) 50 mm, and 10 specimens were prepared, and then using the GATO Tech G5 equipment After placing the specimen on a hole having a diameter of 10 cm, the force of piercing was measured while pressing it with a probe having a diameter of about 1 mm. The puncture strength of each specimen was measured three times, and then the average value was calculated.

평가예 2: 고온 이온 전도도Evaluation Example 2: High-temperature ionic conductivity

실시예 1 내지 3의 복합전해질 및 비교예 1 내지 3의 전해질에 대하여 60

Figure pat00027
에서 solartron 社 multistate analyzer를 이용하여 이온전도도를 측정하였다.60 for the composite electrolytes of Examples 1 to 3 and the electrolytes of Comparative Examples 1 to 3
Figure pat00027
ion conductivity was measured using a solartron multistate analyzer.

평가예 3: 고온 저장성Evaluation Example 3: High Temperature Storage

제작예 1 내지 3의 Li-Li 대칭 셀 및 비교제작예 1 내지 3의 Li-Li 대칭셀을 60℃의 오븐에서 48시간 보관한 후, 셀을 해체하여 표면 특성 확인하여 고온 저장성을 평가하였다. After the Li-Li symmetric cells of Preparation Examples 1 to 3 and the Li-Li symmetric cells of Comparative Preparation Examples 1 to 3 were stored in an oven at 60° C. for 48 hours, the cells were disassembled and surface properties were checked to evaluate high-temperature storage properties.

고온 저장성은 Pass와 Fail로 구분하며 Pass는 고분자 전해질의 형태가 변하지 않고 리튬 금속 표면이 손상되지 않은 경우이고 Fail은 고분자 전해질이 녹아서 변형이 생기면 리튬 금속 표면의 색상이 노랗게 변한 경우이다.High-temperature storage is divided into Pass and Fail. Pass is when the shape of the polymer electrolyte does not change and the lithium metal surface is not damaged, and Fail is when the color of the lithium metal surface turns yellow when the polymer electrolyte is melted and deformed.

도 2 및 도 3은 각각 상기 제작예 1의 셀 및 비교제작예 1의 셀을 해체한 다음 표면 특성을 나타낸 사진이다.2 and 3 are photographs showing the surface characteristics after disassembling the cell of Preparation Example 1 and the cell of Comparative Preparation Example 1, respectively.

평가예 4: 수명 특성Evaluation Example 4: Lifetime Characteristics

실시예 1 내지 3의 복합 전해질 및 비교예 1 내지 3의 전해질의 내구성 및 이온전도성을 셀 특성으로 확인하기 위한 방식으로 복합 전해질의 상부 및 하부에 하부에 50um 두께의 리튬 금속(Li metal) 을 대면하여 Li-Li 대칭셀(symmetric cell)을 제조하였다.In a manner to confirm the durability and ionic conductivity of the composite electrolytes of Examples 1 to 3 and the electrolytes of Comparative Examples 1 to 3 as cell characteristics, 50 μm thick lithium metal (Li metal) was placed on the upper and lower portions of the composite electrolyte Thus, a Li-Li symmetric cell was prepared.

Li-Li 대칭 셀의 구동 조건은 60℃, 충방전 조건은 후술하는 바와 같다.The driving condition of the Li-Li symmetric cell is 60° C., and the charging/discharging conditions are as described later.

60℃에서 0.05mA의 정전류로 1시간 동안 충방전을 2회 반복하고, 0.1mA의 정전류로 1시간동안 충방전을 2회 반복하였다. 이어서 다시 0.05mA의 정전류로 1시간 동안 충방전을 47회 반복적으로 실시하여 총 51사이클을 실시하였다. Charging and discharging were repeated twice for 1 hour at a constant current of 0.05 mA at 60°C, and charging and discharging were repeated twice for 1 hour at a constant current of 0.1 mA. Then, charging and discharging were repeatedly performed 47 times for 1 hour at a constant current of 0.05 mA, for a total of 51 cycles.

수명 특성은 51회 사이클 방전용량이 1회 사이클 방전용량 대비 80% 이상인 경우를 “양호”로 나타냈다. As for the lifespan characteristics, the case where the discharge capacity of 51 cycles was 80% or more compared to the discharge capacity of one cycle was indicated as “good”.

상기 복합전해질의 찌름강도 및 고온 전도도와 Li-Li 대칭 셀의 고온저장성 및 수명에 대한 평가 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Table 2 below shows the evaluation results of the puncture strength and high-temperature conductivity of the composite electrolyte, and the high-temperature storage and lifespan of the Li-Li symmetric cell.

구분division 찌름강도(gf)Puncture strength (gf) 고온저장성high temperature storage 수명(%)life span(%) 실시예1(제작예1)Example 1 (Production Example 1) 200200 PassPass 양호Good 실시예2(제작예2)Example 2 (Production Example 2) 151151 PassPass 양호Good 실시예3(제작예3)Example 3 (Production Example 3) 248248 PassPass 양호Good 비교예1(비교제작예1)Comparative Example 1 (Comparative Production Example 1) 9696 FailFail 양호Good 비교예2(비교제작예2)Comparative Example 2 (Comparative Production Example 2) 7474 FailFail 양호Good 비교예3(비교제작예3)Comparative Example 3 (Comparative Production Example 3) 147147 FailFail 양호Good

표 2를 참조하여, 실시예 1 내지 3의 복합전해질은 비교예 1 내지 3의 전해질과 비교하여 찌름강도가 개선되는 것을 알 수 있었다. 특히 실시예 1 내지 3의 복합전해질은 150gf 이상의 수준으로 PET계열의 부직포 분리막의 찌름강도(ir 130gf)보다 더 높은 수준의 찌름강도를 나타냈다.Referring to Table 2, it can be seen that the composite electrolytes of Examples 1 to 3 have improved puncture strength compared to the electrolytes of Comparative Examples 1 to 3. In particular, the composite electrolytes of Examples 1 to 3 exhibited a puncture strength higher than that of the PET-based non-woven fabric separator (ir 130 gf) at a level of 150 gf or more.

그리고 제작예 1 내지 제작예 3의 Li-Li 대칭셀은 비교제작예 1 내지 3의 Li-Li 대칭셀과 비교하여 고온 저장성이 크게 향상되었다. In addition, the Li-Li symmetric cells of Preparation Examples 1 to 3 have significantly improved high-temperature storage properties compared to the Li-Li symmetric cells of Comparative Preparation Examples 1 to 3.

평가예 5: 전압 프로파일Evaluation Example 5: Voltage Profile

실시예 1 내지 3의 복합 전해질 및 비교예 1 내지 3의 전해질의 내구성 및 이온전도성을 셀 특성으로 확인하기 위한 방식으로 복합 전해질의 상부 및 하부에 하부에 50um 두께의 리튬 금속(Li metal)을 대면하여 Li-Li 대칭셀을 제조하였다.In a manner to check the durability and ionic conductivity of the composite electrolytes of Examples 1 to 3 and the electrolytes of Comparative Examples 1 to 3 as cell characteristics, 50 μm thick lithium metal (Li metal) is placed on the upper and lower portions of the composite electrolyte Thus, a Li-Li symmetric cell was prepared.

Li-Li 대칭셀의 구동 조건은 60℃, 충방전 조건은 후술하는 바와 같다.The driving condition of the Li-Li symmetric cell is 60° C., and the charging/discharging conditions are as described later.

60℃에서 0.05mA의 정전류로 1시간 동안 충방전을 2회 반복하고, 0.1mA의 정전류로 1시간동안 충방전을 2회 반복하였다. 이어서 다시 0.05mA의 정전류로 1시간 동안 충방전을 47회 반복적으로 실시하여 총 51사이클을 실시하였다. Charging and discharging were repeated twice for 1 hour at a constant current of 0.05 mA at 60°C, and charging and discharging were repeated twice for 1 hour at a constant current of 0.1 mA. Then, charging and discharging were repeatedly performed 47 times for 1 hour at a constant current of 0.05 mA, for a total of 51 cycles.

상기 평가 조건을 도 4에 나타내었다.The evaluation conditions are shown in FIG. 4 .

도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 복합전해질을 채용한 대칭셀은 시간이 경과되더라도 방전전압 특성이 개선됨을 알 수 있었다. As shown in FIG. 4 , it was found that the discharge voltage characteristics of the symmetric cells employing the composite electrolytes of Examples 1 to 3 were improved over time.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 일구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. In the above, one embodiment has been described with reference to the drawings and embodiments, but this is only an example, and those of ordinary skill in the art can understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. will be. Accordingly, the protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

51: 리튬금속전지 52: 리튬 음극
53: 양극 54: 복합전해질
55: 전지케이스
51: lithium metal battery 52: lithium negative electrode
53: positive electrode 54: composite electrolyte
55: battery case

Claims (16)

리튬 음극을 포함하는 리튬금속전지용 복합전해질이며,
상기 복합 전해질이 i)세퍼레이터와, ii)상기 세퍼레이터 상에 적어도 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머의 가교 고분자; 리튬염; 및 니트릴계 화합물을 포함하는 고분자 전해질과,
상기 고분자 전해질의 적어도 일면에 배치되며, 2개 이상의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머의 가교 고분자를 함유한 코팅막을 포함하며,
상기 제1모노머는 적어도 3개 이상의 화학식 1로 표시되는 반복단위를 함유하며, 상기 반복단위의 양 말단에 하기 화학식 2로 표시되는 그룹 중에서 선택된 하나가 결합된 화합물인 리튬금속전지용 복합전해질:
[화학식 1]
Figure pat00028
,
화학식 1 중, E는 에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 알칸디올(alkanediol), 에톡실레이티드 알칸디올(ethoxylated alkanediol), 프로폭실레이티드 알칸디올(propoxylated alkanediol), 트리메틸올프로판, 에톡실레이티드 트리메틸올프로판, 프로폭실레이티드 트리메틸올프로판, 디트리메틸올프로판, 에톡실레이티드 디트리메틸올프로판, 프로폭실레이티드 디트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨, 에톡실레이티드 펜타에리트리톨, 프로폭실레이티드 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 에톡실레이티드 디펜타에리트리톨, 프로폭실레이티드 디펜타에리트리톨, 비스페놀A, 에톡실레이티드 비스페놀A, 프로폭실레이티드 비스페놀A 및 이들의 조합에서 선택되는 그룹으로부터 유도되는 잔기(residue)이고, 각 반복단위의 n은 독립적으로, 1 내지 20의 정수이고,
[화학식 2]
Figure pat00029
,
Figure pat00030
,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
,
Figure pat00033
,
Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
화학식 2 중, R은 독립적으로 수소 원자, C1-C10 알킬기, C6-C20 아릴기 또는 그 조합이다.
It is a composite electrolyte for a lithium metal battery including a lithium negative electrode,
The composite electrolyte comprises: a cross-linked polymer comprising i) a separator, ii) a first monomer having at least two double bonds and a second monomer having one or more double bonds on the separator; lithium salt; And a polymer electrolyte comprising a nitrile-based compound,
It is disposed on at least one surface of the polymer electrolyte and comprises a coating film containing a crosslinked polymer of a first monomer having two or more double bonds and a second monomer having one or more double bonds,
The first monomer contains at least three or more repeating units represented by the formula (1), and is a compound in which one selected from the group represented by the following formula (2) is bonded to both ends of the repeating unit, a composite electrolyte for a lithium metal battery:
[Formula 1]
Figure pat00028
,
In Formula 1, E is ethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, polypropylene glycol, diethylene glycol, alkanediol, ethoxylated alkanediol, propoxylated alkanediol , trimethylolpropane, ethoxylated trimethylolpropane, propoxylated trimethylolpropane, ditrimethylolpropane, ethoxylated ditrimethylolpropane, propoxylated ditrimethylolpropane, pentaerythritol, ethoxyl Lated pentaerythritol, propoxylated pentaerythritol, dipentaerythritol, ethoxylated dipentaerythritol, propoxylated dipentaerythritol, bisphenol A, ethoxylated bisphenol A, propoxylate It is a residue derived from a group selected from tide bisphenol A and combinations thereof, and n of each repeating unit is independently an integer from 1 to 20;
[Formula 2]
Figure pat00029
,
Figure pat00030
,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
,
Figure pat00033
,
Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
In Formula 2, R is independently a hydrogen atom, a C1-C10 alkyl group, a C6-C20 aryl group, or a combination thereof.
제1항에 있어서, 상기 코팅막의 두께는 5㎛ 내지 100㎛인 리튬금속전지용 복합전해질.The composite electrolyte for a lithium metal battery according to claim 1, wherein the coating film has a thickness of 5 μm to 100 μm. 제1항에 있어서, 상기 제1모노머가 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 또는 화학식 3-1로 표시되는 화합물인 리튬금속전지용 복합전해질:
[화학식 3]
Figure pat00036

[화학식 3-1]
Figure pat00037


화학식 3 및 3-1 중, EG는 에틸렌글리콜로부터 유도되는 잔기이며,
DEG는 디에틸렌글리콜으로부터 유도되는 잔기이며, TMP는 트리메틸올프로판으로부터 유도되는 잔기이며,
a, b 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 7의 정수이고, l, m 및 n은 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이다.
The composite electrolyte for a lithium metal battery according to claim 1, wherein the first monomer is a compound represented by Formula 3 or a compound represented by Formula 3-1:
[Formula 3]
Figure pat00036

[Formula 3-1]
Figure pat00037


In Formulas 3 and 3-1, EG is a residue derived from ethylene glycol,
DEG is a residue derived from diethylene glycol, TMP is a residue derived from trimethylolpropane,
a, b and c are each independently an integer from 1 to 7, and l, m and n are each independently an integer from 1 to 20.
제1항에 있어서, 상기 제1모노머가 하기 화학식 4로 표시되는 화합물 또는 화학식 5로 표시되는 화합물인 리튬금속전지용 복합전해질:
[화학식 4]
Figure pat00038


화학식 4중, EG는 에틸렌글리콜로부터 유도되는 잔기이며,
DEG는 디에틸렌글리콜으로부터 유도되는 잔기이며, TMP는 트리메틸올프로판으로부터 유도되는 잔기이며,
l, m 및 n은 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이고,
[화학식 5]
Figure pat00039

화학식 5 중, EG는 에틸렌글리콜로부터 유도되는 잔기이며, DEG는 디에틸렌글리콜으로부터 유도되는 잔기이며, TMP는 트리메틸올프로판으로부터 유도되는 잔기이며,
l, m 및 n은 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이다.
The composite electrolyte for a lithium metal battery according to claim 1, wherein the first monomer is a compound represented by the following formula (4) or a compound represented by formula (5):
[Formula 4]
Figure pat00038


In Formula 4, EG is a residue derived from ethylene glycol,
DEG is a residue derived from diethylene glycol, TMP is a residue derived from trimethylolpropane,
l, m and n are each independently an integer from 1 to 20,
[Formula 5]
Figure pat00039

In Formula 5, EG is a residue derived from ethylene glycol, DEG is a residue derived from diethylene glycol, TMP is a residue derived from trimethylolpropane,
l, m and n are each independently an integer from 1 to 20.
제1항에 있어서, 상기 제2모노머는 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물, 화학식 7로 표시되는 화합물, 화학식 8로 표시되는 화합물 또는 그 조합인 리튬금속전지용 복합전해질.
[화학식 6]
Figure pat00040

화학식 6 중, R은 수소, C1-C10 알킬기 또는 C6-C20 아릴기이며, L1은 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, 또는 그 조합이며, A는 서로 독립적으로 화학결합을 나타내거나 또는 -CH2-를 나타내며,
[화학식 7]
Figure pat00041

화학식 7 중, L1은 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, -CH2CH2NHC(=O)OL2, -(CH2)kOC(=O)L3, 또는 -(CH2)kO(=O)NH-(CH2)O(C=O)(C=CH2)R, 또는 그 조합이며, R은 수소, C1-C10 알킬기 또는 C6-C20 아릴기이며, k는 1 내지 5의 정수이고,
L2 및 L3은 서로 독립적으로 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, 또는 그 조합이며,
[화학식 8]
Figure pat00042

화학식 8 중, L1은 수소, 치환된 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, 또는 그 조합이다.
The composite electrolyte for a lithium metal battery according to claim 1, wherein the second monomer is a compound represented by Formula 6, a compound represented by Formula 7, a compound represented by Formula 8, or a combination thereof.
[Formula 6]
Figure pat00040

In Formula 6, R is hydrogen, a C1-C10 alkyl group, or a C6-C20 aryl group, and L 1 is hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, or its a combination, and A represents, independently of each other, a chemical bond or -CH 2 -,
[Formula 7]
Figure pat00041

In Formula 7, L 1 is hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, —CH 2 CH 2 NHC(=O)OL 2 , —(CH 2 ) k OC(=O)L 3 , or -(CH 2 ) k O(=O)NH-(CH 2 )O(C=O)(C=CH 2 )R, or a combination thereof, R is hydrogen; C1-C10 alkyl group or C6-C20 aryl group, k is an integer of 1 to 5;
L 2 and L 3 are each independently hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, or a combination thereof,
[Formula 8]
Figure pat00042

In Formula 8, L 1 is hydrogen, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, or a combination thereof.
제1항에 있어서, 상기 제2모노머는 하기 화학식 9로 표시되는 화합물, 부틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 펜틸 아크릴레이트 또는 그 조합물인 리튬금속전지용 복합전해질.
[화학식 9]
Figure pat00043
The composite electrolyte for a lithium metal battery according to claim 1, wherein the second monomer is a compound represented by the following Chemical Formula 9, butyl acrylate, propyl acrylate, pentyl acrylate, or a combination thereof.
[Formula 9]
Figure pat00043
제1항에 있어서, 상기 세퍼레이터가 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리이미드, 또는 그 조합인 리튬금속전지용 복합전해질.The composite electrolyte for a lithium metal battery according to claim 1, wherein the separator is polypropylene, polyethylene, polyimide, or a combination thereof. 제1항에 있어서, 상기 니트릴계 화합물이 숙시노니트릴(succinonitrile), 글루타로니트릴(glutaronitrile), 아디포니트릴(adiponitrile), 피멜로니트릴(pimelonitrile), 수베로니트릴(suberonitrile) 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 리튬금속전지용 복합전해질.According to claim 1, wherein the nitrile-based compound succinonitrile (succinonitrile), glutaronitrile (glutaronitrile), adiponitrile (adiponitrile), pimelonitrile (pimelonitrile), suberonitrile (suberonitrile) or a combination thereof A composite electrolyte for a lithium metal battery that includes. 제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질과 코팅막의 두께비는 1:0.1 내지 1:5인 리튬금속전지용 복합전해질.The composite electrolyte for a lithium metal battery according to claim 1, wherein a thickness ratio of the polymer electrolyte and the coating film is 1:0.1 to 1:5. 제1항에 있어서, 제1모노머와 제2모노머의 혼합중량비는 95:5 내지 20:80인 리튬금속전지용 복합전해질.The composite electrolyte for a lithium metal battery according to claim 1, wherein the mixing weight ratio of the first monomer and the second monomer is 95:5 to 20:80. 제1항에 있어서, 상기 코팅막이 리튬염을 더 포함하는 리튬금속전지용 복합전해질.The composite electrolyte for a lithium metal battery according to claim 1, wherein the coating layer further comprises a lithium salt. 양극; 리튬 음극; 및 이들 사이에 개재된 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 복합전해질;을 함유하는 리튬금속전지.anode; lithium negative electrode; and the composite electrolyte of any one of claims 1 to 11 interposed therebetween. 제12항에 있어서, 상기 리튬금속전지가 전고체이차전지인 리튬금속전지.The lithium metal battery according to claim 12, wherein the lithium metal battery is an all-solid-state secondary battery. 세퍼레이터에 적어도 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머; 리튬염; 및 니트릴계 화합물을 포함하는 고분자 전해질 조성물을 도포 및 경화하여 세퍼레이터 상에 고분자 전해질을 형성하는 제1단계; 및
상기 고분자 전해질의 적어도 일면에, 2개 이상의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머의 가교 고분자를 함유한 코팅막을 형성하여 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 복합전해질을 제조하는 제2단계를 포함하는 리튬금속전지용 복합전해질의 제조방법.
a first monomer having at least two double bonds and a second monomer having one or more double bonds in the separator; lithium salt; and a first step of forming a polymer electrolyte on a separator by applying and curing a polymer electrolyte composition including a nitrile-based compound; and
On at least one surface of the polymer electrolyte, a coating film containing a crosslinked polymer of a first monomer having two or more double bonds and a second monomer having one or more double bonds is formed to form a coating film according to any one of claims 1 to 11 A method for manufacturing a composite electrolyte for a lithium metal battery, comprising the second step of preparing the composite electrolyte.
제14항에 있어서,
상기 제2단계가, 이형 필름 상에 적어도 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머를 포함하는 코팅막 조성물을 도포하고, 상기 결과물 상부에 고분자 전해질을 적층한 다음 상기 코팅막 조성물을 도포하고 경화반응을 실시하는 단계; 및
상기 결과물로부터 이형 필름을 제거하여 복합전해질을 제조하는 단계를 포함하는 리튬금속전지용 복합전해질의 제조방법.
15. The method of claim 14,
In the second step, a coating film composition including a first monomer having at least two double bonds and a second monomer having one or more double bonds is applied on a release film, and a polymer electrolyte is laminated on the resultant applying the coating film composition and performing a curing reaction; and
A method for manufacturing a composite electrolyte for a lithium metal battery comprising the step of preparing a composite electrolyte by removing the release film from the resultant.
제14항에 있어서,
상기 제2단계가, 제1단계에 따라 얻은 고분자 전해질의 적어도 일 면에 2개의 이중결합을 갖는 제1모노머와 1개 이상의 이중결합을 갖는 제2모노머를 포함하는 코팅막 조성물을 도포 및 경화반응을 실시하여 복합전해질을 제조하는 단계를 포함하는 리튬금속전지용 복합전해질의 제조방법.
15. The method of claim 14,
In the second step, a coating film composition comprising a first monomer having two double bonds and a second monomer having one or more double bonds on at least one surface of the polymer electrolyte obtained according to the first step is applied and cured. A method for producing a composite electrolyte for a lithium metal battery comprising the step of preparing a composite electrolyte by carrying out the method.
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