KR20220051018A - 전기화학 디바이스를 위한 전해질 제형 - Google Patents

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KR20220051018A
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정우 이
제임스 로이어
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사우스 8 테크놀로지스, 인코포레이티드
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Abstract

염의 용해도를 증가시키고, 전압 한계를 증가시키며, 액화 가스 전해질의 가연성 (flammability)을 저하시키기 위한 화학적 첨가제가 기재되어 있다.

Description

전기화학 디바이스를 위한 전해질 제형
1.0 관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2019년 9월 30일자로 출원된 미국 가출원 제62/908515호, 2019년 10월 7일자로 출원된 미국 가출원 제62/911505호 및 2019년 10월 7일자로 출원된 미국 가출원 제62/911508호에 대한 우선권을 청구한다. 이들 출원은 각각 그 전문이 참조로 포함된다.
본 출원은 또한 2019년 10월 28일자로 출원된 미국 출원 제16/666155호, 2019년 5월 15일자로 출원된 PCT/US2019/032413호, 2018년 5월 18일자로 출원된 미국 가출원 제62/673,792호, 2019년 10월 28일자로 출원된 미국 출원 제16/666131호, 2019년 5월 15일자로 출원된 PCT/US2019/032414호, 2019년 5월 18일자로 출원된 미국 가출원 제62/673,752호, 2018년 10월 22일자로 출원된 미국 가출원 제62/749,046호, 2014년 3월 28일자로 출원된 미국 가출원 제61/972,101호, 2013년 11월 15일자로 출원된 미국 가출원 제61/905,057호, 2014년 11월 17일자로 출원된 PCT/US14/066015호, 2016년 5월 13일자로 출원된 미국 출원 제15/036,763호, 2020년 2월 18일자로 출원된 미국 출원 제16/793190호, 2017년 4월 27일자로 출원된 PCT/US17/29821호, 2018년 11월 28일자로 출원된 미국 출원 제16/305,034호, 2016년 5월 27일자로 출원된 미국 가출원 제62/342838호, 2020년 4월 1일자로 출원된 PCT/US2020/026086호 및 2019년 2월 4일자로 출원된 미국 가출원 제62/800955호에 관한 것이다. 이들 출원 각각의 내용은 그 전문이 본 출원에 참조로 포함된다.
2.0 연방정부 지원 R & D에 대한 진술서
본 발명은 미국 국립과학 재단 (National Science Foundation: NSF)이 부여한 승인 1831087하에 정부 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명에 대해 일정 권한을 갖는다.
3.0 발명의 분야
본 발명의 구현예는 전기화학 에너지 디바이스, 예컨대 배터리 및 전기화학 커패시터 (electrochemical capacitor)에 사용하기 위한 전해질의 조성물 및 화학적 제형에 관한 것이다. 상기 조성물을 이용하는 디바이스 및 상기 조성물의 사용 방법이 또한 제공된다.
4.0 배경기술
전기화학 에너지 저장 디바이스, 예컨대 배터리 및 이중층 커패서티는 양 및 음 전극 사이에 전하를 나르기 위해 이온 전도성 전해질 (ionically conducting electrolyte) 용액을 이용한다. 통상적으로, 이들 전해질은 +20　C의 표준 실온 및 표준 압력 (대략 1.01325 bar)에서 액체이다. 전해질 용액은 디바이스의 개선된 전기화학적 안정성을 위해 일정 양의 용매 및 염과 부가 성분들, 또는 첨가제의 혼합물을 사용한다. 통상의 첨가제 성분은 그 중에서도, 비닐 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 리튬 비스(옥살레이토)보레이트, 및 프로판 술톤을 포함한다. 상기 첨가제는 전극의 표면 변형, 안전성 측면 또는 다른 유용한 방법으로 도움을 준다. 염의 용해도는 일반적으로 첨가제의 함수보다는 오히려, 1차 용매의 함수이다. 또한, 셀 전압은 통상 모든 전해질 성분에 의해, 그러나 대부분 용매 및 임의의 첨가제에 의해 엄격하게 제한된다. 마지막으로, 전해질 가연성 (flammability)은 통상 리튬 배터리의 작동에 관한 안전성 문제이다.
5.0 발명의 요약
본 개시내용의 구현예는 화학적 제형, 전해질 조성물, 이를 사용하는 전기화학 디바이스, 및 이의 사용 방법에 관한 것이다. 일부 기재된 구현예는 액화 가스 용매를 포함하는 전해질에 대한 신규 제형에 관한 것이다.
일 구현예는 하나 이상의 액화 가스 용매, 하나 이상의 염, 및 하나 이상의 첨가제를 포함하는 이온 전도성 전해질; 이온 전도성 전해질을 둘러싸고, 액화 가스 용매에 가압 상태를 제공하도록 구조화된 하우징 (housing); 및 이온 전도성 전해질과 접하는 적어도 두 개의 전도성 전극을 포함하는 재충전가능한 전기화학 디바이스 (rechargeable electrochemical device)에 관한 것이다.
일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 압축 압력이 적용되는 온도에서 액화 가스 용매의 증기압과 동일하거나 이보다 큰 압축 압력하에 놓임으로써, 액화 가스 용매를 액체 상으로 유지할 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 293.15 K의 실온에서 100 kPa의 대기압보다 높은 증기압을 갖는다.
일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄, 디플루오로메탄, 술푸릴 플로라이드, 티오닐 플루오라이드, 이산화탄소, 1,1-디플루오로에탄, 클로로메탄, 아산화질소, 디메틸 에테르, 질소, 아르곤 및 이들의 임의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄 및 이산화탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄 및 술푸릴 플루오라이드를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄 및 디플루오로메탄을 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄, 디플루오로메탄 및 이산화탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄, 술푸릴 플루오라이드 및 이산화탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄 및 클로로메탄을 포함한다. 일부 구현예에서, 술푸릴 플루오라이드 대 플루오로메탄의 비는 1:9보다 낮다. 일부 구현예에서, 술푸릴 플루오라이드 대 이산화탄소의 비는 약 1:1이다.
일부 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 유기 포스페이트 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 트리메틸 포스페이트를 포함한다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 트리에틸 포스페이트를 포포함한다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 트리프로필 포스페이트이다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 디메틸 에틸 포스페이트이다.
일부 구현예에서, 재충전가능한 전기화학 디바이스는 하나 이상의 리튬 염을 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 리튬 염에 대한 하나 이상의 첨가제의 몰 비는 약 0.01, 0.2, 0.5, 0.7, 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2, 2.2, 2.4, 2.6, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10이다.
다른 구현예는 재충전가능한 리튬 이온 또는 리튬 금속 배터리에 관한 것이다. 재충전가능한 리튬 배터리는 이온 전도성 전해질을 포함할 수 있다. 이온 전도성 전해질은 액화 가스 용매를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 이온 전도성 전해질은 유기포스페이트 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된, 하나 이상의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 재충전가능한 리튬 이온 배터리는 또한 두 개의 전도성 전극 및 이온 전도성 전해질을 둘러싸는 하우징을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 293.15 K의 실온에서 100 kPa의 대기압보다 높은 증기압을 갖는다. 이러한 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 압축 압력이 적용되는 온도에서 액화 가스 용매의 증기압과 동일하거나 이보다 큰 압축 압력하에 놓임으로써, 액화 가스 용매를 액체 상으로 유지할 수 있다.
본 명세서에 기술된 대안적 또는 부가의 구현예는 전술한 설명 또는 본 명세서의 어딘가에 임의 설명의 특징중 하나 이상을 포함하는 전해질 조성물을 제공한다.
본 명세서에 기술된 대안적 또는 부가의 구현예는 전술한 설명 또는 본 명세서의 어딘가에 임의 설명의 특징중 하나 이상을 포함하는 디바이스를 제공한다.
본 명세서에 기술된 대안적 또는 부가의 구현예는 전술한 설명 또는 본 명세서의 어딘가에 임의 설명의 특징중 하나 이상을 포함하는 전해질 조성물 또는 디바이스의 사용 방법을 제공한다.
당업계의 숙련가에게 분명할 수 있는 바와 같은, 부가의 측면, 대안 및 변화가 또한 본 명세서에 기재되어 있고, 특히 본 발명의 일부로서 포함되는 것으로 고려된다. 본 발명은 단지 본 출원 또는 관련 출원으로 특허청에서 허용된 바와 같이 청구범위에 제시되고, 특정 실시예의 하기 요약 설명은 어떤 식으로든, 법적 보호 범위를 제한하거나, 한정하거나 달리 정립하지 않는다.
6.0 도면의 간단한 설명
도 1은 리튬 금속 애노드 (anode), 리튬 닉켈-코발트-망간 옥사이드 (NMC622) 캐소드 (cathode) 및 9:1의 몰 비인 CH3F:CO2 중 1.0 M LiTFSI, 1.0 M 트리에틸포스페이트로 구성된 전해질을 사용한 배터리 코인 셀 (battery coin cell)의 성능을 예시한다.
도 2는 리튬 금속 애노드, 리튬 닉켈-코발트-망간 옥사이드 (NMC622) 캐소드 및 9:1의 몰 비인 CH3F:CO2 중 1.0 M LiFSI, 1.2 M 트리에틸포스페이트로 구성된 전해질을 사용한 배터리 코인 셀의 성능을 예시한다.
도 3은 리튬 금속 애노드, 리튬 닉켈-코발트-망간 옥사이드 (NMC622) 캐소드 및 9:1의 몰 비인 CH3F:CO2 중 1.0 M LiTFSI, 1.0 M 트리메틸포스페이트로 구성된 전해질을 사용한 배터리 코인 셀의 성능을 예시한다.
도 4는 전해질 용액 1 (CH3F (FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리에틸 포스페이트 (TEP)), 전해질 용액 2 (CH3F (FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리메틸 포스페이트 (TMP)) 및 전해질 용액 3 (CH3F (FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 2-메틸 테트라하이드로푸란 (2MeTHF))을 포함한, 다양한 액화 가스 전해질 용액의 전해 전도성 (electrolytic conductivity)을 예시한다.
도 5는 전해질 용액 1 (CH3F (FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리에틸 포스페이트 (TEP)), 전해질 용액 2 (CH3F (FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리메틸 포스페이트 (TMP)) 및 전해질 용액 3 (CH3F (FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 2-메틸 테트라하이드로푸란 (2MeTHF))을 포함한, 다양한 액화 가스 전해질 용액의 전해질 압력을 예시한다.
도 6은 리튬 금속 애노드 및 리튬 닉켈-코발트-망간 옥사이드 (NMC622) 캐소드 (제1 셀은 9:1의 몰 비인 CH3F:CO2 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 2-메틸 테트라하이드로푸란을 갖는 전해질 1을 사용했고, 제2 셀은 9:1의 몰 비인 CH3F:CO2 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리에틸 포스페이트를 갖는 전해질 2를 사용했다)로 구성된 두 개의 배터리 코인 셀의 성능을 예시한다. 인셋은 전해질 2의 순환 스펙트라를 나타낸다.
도 7은 실온에서 4개의 상이한 전해질 용액을 함유하는 코인 셀의 누설 전류 (leakage current) 측정을 예시한다. 코인 셀은 리튬 금속 애노드 및 리튬 닉켈-망간-코발트 옥사이드 (NMC622) 캐소드로 구성되었다. 4개의 전해질은 9:1의 몰 비인 CH3F 및 CO2의 혼합물 중 1.0 M LiTFSI 염 및 1.0 M 첨가제를 가졌다. 시험된 4개의 첨가제는 2M2-테트라하이드로푸란, 디메틸 에테르, 트리메틸 포스페이트 및 트리에틸 포스페이트였다.
6.0 상세한 설명
본 발명을 수행하기 위해 본 발명자에 의해 시도된 임의의 최상의 방식을 포함한, 본 발명의 일부 특정 예를 본 명세서에서 참조한다. 이들 특정 구현예의 예가 첨부된 도면에 예시되어 있다. 본 발명은 이들 특정 구현예와 함께 기술되어 있지만, 그들은 본 발명을 기술되거나 예시된 구현예로 제한하고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다. 그와 반대로, 그들은 첨부된 특허청구범위에서 정의된 바와 같은 본 발명의 취지 및 범위 내에 포함될 수 있는 대안, 변형 및 등가물을 포함시키고자 한다.
하기의 설명에서, 수많은 특정 상세는 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 본 발명의 특별한 예시 구현예는 이들 특정 상세 중 일부 또는 모두없이 실행될 수 있다. 다른 경우에, 당업계의 숙련가에게 잘-알려진 공정 작동은 본 발명을 불필요하게 불분명하게 하지 않도록 상세히 기술하지 않았다. 본 발명의 다양한 기술 및 메카니즘이 명확성을 위해 종종 단수 형태로 기술될 것이다. 그러나, 일부 구현예는 달리 언급되지 않는 한, 기술의 다중 반복 또는 다중 메카니즘을 포함함을 주목해야 한다. 유사하게, 본 명세서에 제시되고 기술된 방법들의 다양한 단계는 특정 구현예에서, 제시된 순서로 반드시 수행되지 않거나, 전혀 수행되지 않는다. 따라서, 본 명세서에서 논의된 방법의 일부 실행은 제시되거나 기술된 것들 보다 더 많거나 적은 단계를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 기술 및 메카니즘은 종종 둘 이상의 실체 사이에 관련성, 관계 또는 상호작용을 기술할 것이다. 실체 사이의 관련성 또는 관계는 다양한 다른 실체 또는 공정이 임의의 두 실체 사이에 발생되거나 일어날 수 있기 때문에, 반드시 직접적인, 방해하지 않는 관련성을 의미하지는 않음을 주지해야 한다. 결과적으로, 제시된 관련성은 달리 제시되지 않는 한, 반드시 직접적인 방해하지 않는 관련성을 의미하지 않는다.
특정 첨가제는 액화 가스 용매에서 염의 용해도를 증가시킬 수 있다고 알려져 있다. 이들 첨가제는 통상 에테르 또는 니트릴 계였다 (참조: PCT/US2019/032414). 그러나, 전기화학 디바이스 내에 이들 첨가제 연구를 통해, 셀의 전압 안정성은 상기 첨가제의 예기치 않은 분해로 인해 저하됨을 나타냈다. 또한, 이들 첨가제는 상당히 가연성이고, 잠재적 화재 및 안전성 위험에 원인이 될 수 있다. 마지막으로, 일부 염은 이들 에테르 또는 니트릴 계 첨가제와 덜 가용성이고, 염을 가용화시키기 위해 더 큰 몰 비의 첨가제를 필요로 하는 것으로 나타났다. 예를 들어, 플루오로메탄 중 1M THF는 1M LiTFSI를 완전히 가용화시킬 것이지만, LiPF6 또는 LiFSI 유형 염은 완전히 가용화시키지 못할 것이다. 낮은 가연성의 고 전압 안정성인 첨가제를 발견하는 것이 상당히 바람직하고, 이는 또한 낮은 첨가제-대-염 비를 가지면서 다양한 염의 용해도를 증가시킬 수 있다. 또한, 첨가제는 염을 가용화시키고, 상 분리 없이 액화 가스 전해질 내에 균일한 용액을 형성하여 고성능 전해질을 유지하는 것이 중요하다.
다양한 첨가제의 상당한 실험을 통해, 기재된 첨가제는 상기 요건에 부합됨을 발견하였다. 예를 들면, 트리메틸 포스페이트는 놀랍게도 전해질 첨가제로서 셀에서 사용된 경우 높은 전압 안정성을 유지하는 것으로 보여진다. 개별 전해질 성분이 특정 전압 안정성을 나타낼 수 있지만, 성분들을 완전 전해질로 혼합하면 종종 전압 안정성 특성을 몇 배 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 단지 실험을 통해서만, 전해질 혼합물의 전압 안정성을 결정할 수 있고, 트리메틸 포스페이트는 도 7에 제시된 바와 같이, 매우 높은 전압 안정성을 유지함을 보이는 것이 놀라운 것이다. 또한 이들 포스페이트는 더 낮은 첨가제-대-염 비를 가지면서 다양한 염을 가용화시킴을 나타낸다. 이는 액화 가스 용매 중 리튬 양이온의 결합이 강하고, 제시된 염 유형 또는 염의 양을 용해시키는데 그만큼의 첨가제가 필요치 않음을 나타내는 것이다. 또한, 트리에틸 포스페이트는 기재된 액화 가스 전해질 용액의 가연성을 상당히 감소시킨다. 마지막으로, 플루오로메탄 중 트리메틸 포스페이트 및 리튬-계 염의 용액은 상 분리 없이 균일하게 분산됨을 나타낸다. 이는 배터리 디바이스의 적절한 작동에 있어 중요하다. 앞서, 상 분리는 다양한 액화 가스 용매를 갖는 전해질에서 일어날 수 있음을 보여줬다. 첨가제가 용매와의 양호한 혼화성뿐만 아니라 염에 대한 양호한 결합을 갖는 전해질에서만 광범위한 온도 범위에 따라 상 분리가 일어나지 않는다. 포스페이트-유형 화합물 (예: 트리메틸 포스페이트 또는 트리에틸 포스페이트)은 배터리 디바이스 내에서 이들 전해질 조성물의 실험, 형성 및 연구 없이 이들을 상당히 바람직한 품질로 유지하는 것이 이전에는 당업계의 숙련가에게 명백하지 않았었다.
일 구현예는 이온 전도성 전해질을 포함하고, 1종 이상의 첨가제를 갖는 전기화학 디바이스이다. 이온 전도성 전해질은 하나 이상의 염을 포함할 수 있다. 하나 이상의 첨가제는 +20℃의 표준 실온 및 표준 압력 (대략 1.01325 bar)에서 액체, 고체 또는 가스일 수 있다. 하나 이상의 염은 +20℃의 표준 실온 및 표준 압력 (대략 1.01325 bar)에서 액체, 고체 또는 가스일 수 있다.
전술한 패러그랩의 이온 전도성 전해질은 또한 하나 이상의 용매 용액을 포함할 수 있다. 하나 이상의 용매는 액화 가스 용매, 액체 용매 또는 고체 용매로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 당업계의 숙련가는 실온에서 고체이고 다른 액체 또는 액체들과 혼합된 경우 액체 용액을 형성할 수 있는 용매를 지칭하는 것으로서 용어 "고체 용매"를 이해할 것이다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 용매의 용액은 하나 이상의 액화 가스 용매의 용액일 수 있다. 각각의 액화 가스 용매 용액은 전해질을 하우징하는 역학적으로 강성인 용기 안에 있으면서 +20℃의 표준 실온 및 표준 압력 (대략 1.01325 bar)에서 액체-유일 상으로, 또는 혼합된 가스-및-액체 상으로 존재한다. 높은 증기압 전해질의 특성으로 인하여, 전해질의 일부 액체 성분은 전해질 하우징 내의 용적이 허용한다면 증기 성분으로 변할 수 있다. 하나 이상의 액체 성분은 액체 및 증기 상태 모두에서 동일하거나 동일하지 않은 비로 하나 이상의 증기 성분과 혼합될 수 있다. 이러한 혼합비는 임의의 온도 또는 압력에서 일어날 수 있다. 액화 가스 용매의 임의 단일 성분이 실온에서 대기압보다 높은 증기압을 가질 수 있지만, 임의 수의 액화 가스 용매, 임의 수의 첨가제, 임의 수의 용매, 및 임의 수의 염의 혼합물은 또한 실온에서 대기압 미만으로 전 용액의 증기압을 저하시킬 수 있다. 하나 이상의 액화 가스 용매의 용액은 실온에서 대기압보다 높거나 낮은 증기압을 가질 수 있다.
이온 전도성 전해질은 하나 이상의 첨가제 (또는 첨가제 성분들)을 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 첨가제 성분은 +20℃의 표준 실온 및 표준 압력 (대략 1.01325 bar)에서 액체, 고체 또는 가스일 수 있다. 일 구현예에서, 첨가제는 액화 가스 용매 용액 중 염, 예컨대 LiTFSI 염을 갖는 플루오로메탄에 대해 등몰 비로 트리메틸 포스페이트를 포함한다. 다른 구현예에서, 첨가제는 첨가제 대 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6) 염의 2:1 몰 비로 트리메틸 포스페이트를 포함한다.
전기화학 디바이스의 일부 상기 구현예는 이온 전도성 전해질을 둘러싸고, 하나 이상의 염 및 액화 가스 용매와 같은 하나 이상의 용매 용액에 가압 상태를 제공하도록 구조화된 하우징, 및 이온 전도성 전해질과 접하는 한 쌍의 전극을 추가로 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 이온 전도성 전해질은 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 (LiTFSI) 염을 포함할 수 있다. 상기 이온 전도성 전해질은 플루오로메탄, 디플루오로메탄, 이산화탄소, 술푸릴 플루오라이드 또는 이들의 조합을 포함하는, 하나 이상의 액화 가스 용매 용액을 포함할 수 있다. 상기 일부 구현예에서, 이온 전도성 전해질은 유기포스페이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전기화학 디바이스는 그들의 전문이 참조로 포함된, PCT/US2014/066015, PCT/US2017/029821, PCT/US2019/032413, 및 PCT/US2019/032414에 기술된 바와 같은 전기화학 에너지 저장 디바이스이다. 일부 구현예에서, 전기화학 디바이스는 재충전가능한 배터리 또는 전기화학 커패시터이다. 일부 구현예에서, 재충전가능한 배터리는 리튬 이온 배터리 또는 리튬 금속 배터리일 수 있다. 일부 다른 구현예에서, 배터리는 나트륨 배터리, 마그네슘 배터리, 알루미늄 배터리, 칼륨 배터리 또는 아연 배터리이다. 다른 구현예에서, 셀은 전기화학 커패시터 디바이스 또는 하이브리드 커패시터 디바이스이다.
당업계의 숙련가는 "이온 전도성 전해질"과 관련하여 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "하나 이상의 염", "하나 이상의 용매" ("액화 가스 용매" 및 "액체 용매" 포함), 및 "하나 이상의 첨가제"는 하나 또는 복수의 전해질 성분을 지칭하는 것으로 이해할 것이다.
일부 구현예에서, 이온 전도성 전해질은 용매 및 염으로 구성될 수 있으며, 이때 용매는 표준 상태하에 가스상태인 물질 만을 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 물질은 플루오로메탄, 디플루오로메탄 및 이산화탄소를 포함했다. 일부 구현예에서, 개선된 염 용해도, 개선된 전압 안정성, 또는 보다 낮은 가연성과 관련된 바와 같은 유용한 용도를 제공하는 부가의 첨가제가 사용된다. 구현예는 전해질 염 성분의 용해도를 증가시키는, 물질 첨가제에 관한 것이다. 상기 첨가제 없이, 염의 용해도는 제한될 수 있다. 그러나, 증가된 염 용해도가 관찰된 일부 첨가제는 낮은 전압 안정성을 나타낼 수 있다. 높은 전압 안정성은 셀 디바이스 내에 함유된 에너지를 최대화시키기 위해 바람직하다. 첨가제가 또한 더 낮은 가연성 성분을 갖는 것이 또한 바람직하다. 여기서, 첨가제는 전반적인 용매 용액에 부가 성분으로서 처리될 수 있다. 첨가제는 또한 전해질 용액의 전해 전도성을 제한할 수 있다. 양호한 용해도를 나타내는 특정 첨가제의 선택은 높은 전해 전도성을 유발하며, 이는 셀 디바이스의 성능을 개선할 것이다.
염 용해도, 전해 전도성 및 전압 안정성을 개선하기 위해 액화 가스 전해질에 사용될 수 있는 첨가제가 본 명세서에 기재되어 있다. 일부 구현예에서, 첨가제는 1차 용매로서 플루오로메탄 또는 디플루오로메탄 및 리튬 계 염과 함께 사용된다. 일부 구현예에서, 다른 액화 가스 용매, 예컨대 플루오로메탄, 디플루오로메탄, 트리플루오로메탄, 플루오로에탄, 테트라플루오로에탄, 펜타플루오로에탄, 1,1-디플루오로에탄, 1,2-디플루오로에탄, 1,1,1-트리플루오로에탄, 1,1,2-트리플루오로에탄, 1,1,1,2-테트라플루오로에탄, 1,1,2,2-테트라플루오로에탄, 펜타플루오로에탄, 클로로메탄, 클로로에탄, 티오닐 플루오라이드, 티오닐 클로라이드 플루오라이드, 포스포릴 플루오라이드, 포스포릴 클로라이드 플루오라이드, 술푸릴 플루오라이드, 술푸릴 클로라이드 플루오라이드, 1-플루오로프로판, 2-플루오로프로판, 1,1-디플루오로프로판, 1,2-디플루오로프로판, 2,2-플루오로프로판, 1,1,1-트리플루오로프로판, 1,1,2-트리플루오로프로판, 1,2,2-트리플루오로프로판, 플루오로에틸렌, 시스-1,2-플루오로에틸렌, 1,1-플루오로에틸렌, 1-플루오로프로필렌, 2-프로필렌, 염소, 클로로메탄, 브롬, 요오드, 암모니아, 메틸 아민, 디메틸 아민, 트리메틸 아민, 분자 산소, 분자 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 이산화황, 디메틸 에테르, 메틸 비닐 에테르, 디플루오로 에틸렌, 아산화질소, 이산화질소, 산화질소, 이황화탄소, 플루오르화수소, 염화수소 또는 이들의 임의 조합은 또한 이들 첨가제와 함께 액화 가스 용매로서 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 디플루오로메탄일 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 클로로메탄일 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄일 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 1,1-디플루오로에탄일 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 술푸릴 플루오라이드일 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 티오닐 클로라이드 또는 티오닐 플루오라이드일 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄, 디플루오로메탄, 술푸릴 플루오라이드, 클로로메탄, 이산화탄소, 1,1-디플루오로에탄 및 이들의 임의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 전해질은 단일 액화 가스 용매 또는 하나 이상의 첨가제와 하나 이상의 염뿐만 아니라 액화 가스 용매의 조합을 포함한다. 이들 첨가제는 +20℃의 표준 실온 및 표준 압력 (대략 1.01325 bar)에서 가스, 액체 또는 고체일 수 있다. 게다가, 임의의 가스상 첨가제가 또한 1차 용매로서 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 1차 용매 또는 1차 용매 혼합물의 양은 액화 가스 전해질의 총 중량을 기준으로 하여, 약 10중량%, 약 20중량%, 약 30중량%, 약 40중량%, 약 50중량%, 약 60중량%, 약 70중량%, 약 80중량%, 약 90중량%, 약 95중량%, 약 98중량% 또는 약 99중량% 보다 크다. 일부 구현예에서, 1차 용매의 양은 액화 가스 전해질의 총 중량을 기준으로 하여, 약 99중량%, 약 98중량%, 약 95중량%, 약 90중량%, 약 80중량%, 약 70중량%, 약 60중량%, 약 50중량%, 약 40중량%, 약 30중량% 또는 약 20중량% 미만이다. 일부 구현예에서, 첨가제의 양은 액화 가스 전해질의 총 중량을 기준으로 하여, 약 80중량%, 약 70중량%, 약 60중량%, 약 50중량%, 약 40중량%, 약 30중량%, 약 20중량%, 약 10중량%, 약 5중량%, 약 2중량% 또는 약 1중량% 미만이다.
일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 2개의 용매를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 3개의 용매를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 4개 이상의 용매를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄, 술푸릴 플루오라이드 및 이산화탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄 및 이산화탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 디플루오로메탄 및 이산화탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 술푸릴 플루오라이드 및 이산화탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 플루오로메탄, 디플루오로메탄 및 이산화탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 할로겐화 탄화수소 및 술푸릴 할라이드를 포함한다. 일부 구현예에서, 액화 가스 용매는 할로겐화 탄화수소, 술푸릴 할라이드 및 이산화탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 염에 대한 첨가제의 몰 비는 약 0.01, 약 0.05, 약 0.1, 약 0.2, 약 0.30, 약 0.5, 약 0.7, 약 0.9, 약 0.95, 약 0.98, 약 1.0, 약 1.05, 약 1.1, 약 1.5, 약 2, 약 3, 약 5, 약 10, 또는 약 100 보다 크다. 일부 구현예에서, 약 0.9, 약 0.95, 또는 약 0.98과 같은, 염과 비교하여 더 낮은 몰 농도의 첨가제를 갖는 것이 전해질에서 첨가제 물질의 대부분이 일반적으로 전해질의 이온에 결합되거나 배위됨으로써, 셀의 전기화학 안정성을 증가시킴을 보장하기 위해 유용할 수 있다. 염에 결합된 임의의 첨가제 또는 용매 분자는 일반적으로 염과의 상호작용으로부터 전압 안정성의 증가를 경험하고, 이는 전반적인 셀 성능을 증진시킴을 주지하는 것이 중요하다. 따라서, 전해질 용액에서 둘 사이의 몰 비를 적절히 조절함으로써 염에 대한 첨가제의 결합을 보장하는 것이 중요하다. 일부 구현예에서, 염에 대한 첨가제의 몰 비는 0.8, 0.85, 0.9, 0.95, 0.98, 0.99, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9. 3.0 미만이다. 일부 구현예에서, 염에 대한 첨가제의 몰 비는 약 0.8, 약 0.85, 약 0.9, 약 0.95, 약 0.98, 약 0.99, 약 1.0, 약 1.1, 약 1.2, 약 1.3, 약 1.4, 약 1.5, 약 1.6, 약 1.7, 약 1.8, 약 1.9, 약 2.0, 약 2.1, 약 2.2, 약 2.3, 또는 약 2.4 미만이다. 일부 구현예에서, 염에 대한 첨가제의 몰 비는 약 0.5 내지 약 1.0, 약 0.8 내지 약 0.98, 약 0.9 내지 약 1.0, 약 0.9 내지 약 0.98, 약 1 내지 약 1.5, 약 1.5 내지 약 2, 약 2 내지 약 2.5, 약 1.9 내지 약 2.1, 또는 약 2 내지 약 2.2의 범위이다. 일부 구현예에서, 약 1.1, 약 1.2, 또는 약 2.0의 비와 같은, 염에 대한 첨가제의 더 높은 몰 농도를 갖는 것은 개선된 성능을 위해 염의 최대 용해도를 보장하기 위해 유용할 수 있다. 일부 구현예에서, 다중 첨가제가 사용되며, 이들 각각은 약 0.01, 약 0.05, 약 0.1, 약 0.2, 약 0.30, 약 0.5, 약 0.7, 약 0.9, 약 0.95, 약 0.98, 약 1.0, 약 1.05, 약 1.1, 약 1.5, 약 2, 약 3, 약 5, 약 10, 또는 약 100 보다 큰 염에 대한 몰 비를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 전해질 용액 중 염 농도는 용액 리터당 약 0.1, 약 0.3, 약 0.5, 약 0.8, 약 1.0, 약 1.3, 약 1.5, 약 1.8, 약 2.0, 약 3.0, 약 4.0, 약 5.0, 또는 약 8.0 몰보다 크다.
일부 구현예에서, 액화 가스 전해질은 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 전해질은 1종의 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 액화 가스 전해질은 2종 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 첨가제는 비사이클릭 카보네이트, 사이클릭 카보네이트, 비-사이클릭 에테르, 사이클릭 에테르, 니트릴 화합물, 유기포스페이트 또는 이들의 임의 조합일 수 있다. 일부 구현예에서, 1종 이상의 첨가제는 트리메틸 포스페이트를 포함한다. 다른 구현예에서, 1종 이상의 첨가제는 트리에틸 포스페이트를 포함한다.
일 구현예에서, 첨가제는 하기 화학식의 유기포스페이트 화합물일 수 있다.
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상기 식에서, R1, R2, R3은 수소, 불소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 페닐, 알릴, 디메틸아미드, 디에틸아미드 및 이들의 임의 조합 중 임의로 이루어진 군일 수 있다.
하나 이상의 액체 성분, 하나 이상의 고체 성분 또는 하나 이상의 염 성분의 임의 조합과 함께 하나 이상의 액화 가스 성분으로 구성된 액화 가스 전해질을 사용하는 예시적인 전기화학 디바이스에서, 전극은 삽입 (intercalation) 유형의 두 전극, 예컨대 흑연, 탄소, 활성탄, 리튬 티타네이트, 이황화티탄, 이황화몰리브덴, 리튬 철 포스페이트, 리튬 코발트 포스페이트, 리튬 닉켈 포스페이트, 리튬 코발트 옥사이드, 리튬 닉켈 망간 옥사이드, 리튬 닉켈 망간 코발트 옥사이드, 리튬 닉켈 코발트 알루미늄 옥사이드, 또는 예컨대 황, 산소, 이산화탄소, 질소, 아산화질소, 이산화황, 티오닐 플루오라이드, 티오닐 클로라이드 플루오라이드, 술푸릴 플루오라이드, 술푸릴 클로라이드 플루오라이드의 화학물질과의 화학반응 전극, 또는 리튬, 나트륨, 마그네슘, 주석, 알루미늄, 아연 금속 또는 리튬, 나트륨, 주석, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 또는 이들의 임의 조합을 포함한 금속 합금과의 금속 전극의 임의 조합으로 구성된다. 이들 성분은 전극의 구조적 완전성을 유지하기 위해 폴리비닐리덴 플루오라이드, 카복시메틸 셀룰로스, 스티렌-부타디엔 고무 또는 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함한, 다양한 결합제 중합체 성분과 조합될 수 있다.
게다가, 하나 이상의 액화 가스 용매 용액 또는 전해질은 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 (LiTFSI), 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6), 리튬 퍼클로레이트 (LiClO4), 리튬 헥사플루오로아르세네이트 (LiAsF6), 리튬 테트라클로로알루미네이트 (LiAlCl4), 리튬 테트라갈륨알루미네이트, 리튬 비스(옥살레이토)보레이트 (LiBOB), 리튬 헥사플루오로스태네이트, 리튬 디플루오로(옥살레이토)보레이트 (LiDFOB), 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드 (LiFSI), 리튬 알루미늄 플루오라이드 (LiAlF3), 질산리튬 (LiNO3), 리튬 클로로알루미네이트, 리튬 테트라플루오로보레이트 (LiBF4), 리튬 테트라클로로알루미네이트, 리튬 디플루오로포스페이트, 리튬 테트라플루오로(옥살레이토)포스페이트, 리튬 디플루오로비스(옥살레이토)포스페이트, 리튬 보레이트, 리튬 옥솔레이트, 리튬 티오시아네이트, 리튬 테트라클로로갈레이트, 염화리튬, 브롬화리튬, 요오드화리튬, 탄산리튬, 플루오르화리튬, 산화리튬, 수산화리튬, 질화리튬, 초산화리튬, 리튬 아지드, 리튬 델테이트, 디-리튬 스퀘어레이트, 리튬 크로코네이트 이수화물, 디리튬 로디조네이트, 리튬 옥살레이트, 디-리튬 케토말로네이트, 리튬 디-케토숙시네이트 또는 나트륨 또는 마그네슘 대신 치환된 양하전된 리튬과의 상응하는 임의 염 또는 이들의 임의 조합을 포함한, 하나 이상의 염과 합해질 수 있다. 추가의 유용한 염은 음으로 하전된 음이온, 예컨대 아세테이트, 비스(플루오로술포닐)이미드, 비스(옥살레이트)보레이트, 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 브로마이드, 클로라이드, 디시안아미드, 디에틸 포스페이트, 헥사플루오로포스페이트, 황산수소, 요오다이드, 메탄술포네이트, 메틸-포포네이트, 테트라클로로알루미네이트, 테트라플루오로보레이트 및 트리플루오로메탄술포네이트와 쌍을 이룬, 양으로 하전된 양이온, 예컨대 테트라메틸암모늄, 테트라에틸암모늄, 테트라프로필암모늄, 테트라부틸암모늄, 트리에틸메틸암모늄 암모늄, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄, 1,1-디메틸피롤리디늄 및 1,1-디에틸피롤리디늄, N,N-디에틸-N-메틸-N(2메톡시에틸)암모늄, N,N-디에틸-N-메틸-N-프로필암모늄, N,N-디메틸-N-에틸-N-(3-메톡시프로필)암모늄, N,N-디메틸-N-에틸-N-벤질암모늄, N,N-디메틸-N-에틸-N-페닐에틸암모늄, N-에틸-N,N-디메틸-N-(2-메톡시에틸)암모늄, N-트리부틸-N-메틸암모늄, N-트리메틸-N-헥실암모늄, N-트리메틸-N-부틸암모늄, N-트리메틸-N-프로필암모늄, 1,3-디메틸이미다졸륨, 1-(4-술포부틸)-3-메틸이미다졸륨, 1-알릴-3H-아미다졸륨, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨, 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨, 3-메틸-1-프로필이미다졸륨, H-3-메틸이미다졸륨, 트리헥실(테트라데실)포스포늄, N-부틸-N-메틸피페리디늄, N-프로필-N-메틸피페리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 1-메틸-1-(2-메톡시에틸)피롤리디늄, 1-메틸-1-(3-메톡시프로필)피롤리디늄, 1-메틸-1-옥틸피롤리디늄, 1-메틸-1-펜틸피롤리디늄, 또는 N-메틸피롤리디늄과의 염을 포함한다.
6.1 실시예 1
리튬 금속 애노드 및 리튬 닉켈-망간-코발트 옥사이드 (NMC622) 캐소드로 구성된 배터리 코인 셀을 조립했다. 전해질은 9:1의 몰 비인 플루오로메탄 (CH3F) 및 이산화탄소 (CO2)의 혼합물 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리에틸포스페이트 (TEP)를 사용했다. 셀은 1-충방전률 (C rate)로 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 V의 다양한 충전 전압으로 순환시켰다. 셀 성능은 도 1에 제시되어 있다.
6.2 실시예 2
리튬 금속 애노드 및 리튬 닉켈-망간-코발트 옥사이드 (NMC622) 캐소드로 구성된 배터리 코인 셀을 조립했다. 전해질은 9:1의 몰 비인 CH3F 및 CO2의 혼합물 중 1.0 M LiFSI 및 1.2 M 트리에틸 포스페이트 (TEP)를 사용했다. 셀은 1-충방전률로 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 V의 다양한 충전 전압으로 순환시켰다. 셀 성능은 도 2에 제시되어 있다.
6.3 실시예 3
리튬 금속 애노드 및 리튬 닉켈-망간-코발트 옥사이드 (NMC622) 캐소드로 구성된 배터리 코인 셀을 조립했다. 전해질은 9:1의 몰 비인 플루오로메탄 (CH3F) 및 이산화탄소 (CO2)의 혼합물 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리메틸포스페이트 (TMP)를 사용했다. 셀은 1-충방전률로 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 V의 다양한 충전 전압으로 순환시켰다. 셀 성능은 도 3에 제시되어 있다.
6.4 실시예 4
전해 전도성 측정은 3개의 전해질 용액에서 이루어졌다. 전해질 용액 1은 플루오로메탄 (CH3F, FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리에틸 포스페이트 (TEP)를 함유했다. 전해질 용액 2는 플루오로메탄 (CH3F, FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리메틸 포스페이트 (TMP)를 함유했다. 전해질 용액 3은 플루오로메탄 (CH3F, FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 2-메틸 테트라하이드로푸란 (2MeTHF)를 함유했다. 유기포스페이트 첨가제를 함유하는 용액은 도 4에 제시된 바와 같이, 2MeTHF 첨가제에 비해 전도성이 우수했다.
6.5 실시예 5
전해 전도성 측정은 3개의 전해질 용액에서 이루어졌다. 전해질 용액 1은 플루오로메탄 (CH3F, FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리에틸 포스페이트 (TEP)를 함유했다. 전해질 용액 2는 플루오로메탄 (CH3F, FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리메틸 포스페이트 (TMP)를 함유했다. 전해질 용액 3은 플루오로메탄 (CH3F, FM) 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 2-메틸 테트라하이드로푸란 (2MeTHF)를 함유했다. 염 및 첨가제의 혼합물은 상이한 전해질 또는 순수한 플루오로메탄 용매 사이에 액화 가스 전해질 용액의 전반적인 압력에 영향이 거의 없었던 것으로 보여진다. 압력 데이터는 도 5에 제시되어 있다.
6.6 실시예 6
리튬 금속 애노드 및 리튬 닉켈-망간-코발트 옥사이드 (NMC622) 캐소드로 구성된 2개의 배터리 코인 셀을 조립했다. 제1 셀은 9:1의 몰 비인 CH3F:CO2 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 2-메틸 테트라하이드로푸란을 갖는 전해질 1을 사용했다. 제2 셀은 9:1의 몰 비인 CH3F:CO2 중 1.0 M LiTFSI 및 1.0 M 트리에틸 포스페이트를 갖는 전해질 2를 사용했다. 셀은 1-충방전률로 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 V의 다양한 충전 전압으로 순환시켰다. 이 첨가제의 낮은 안성정으로 인해 전해질 1에 대한 용량의 확실한 열화가 존재한다. 전해질 2는 심지어 높은 충전 전압에서도 안정하게 잔류한다. 셀 성능 데이터는 도 6에 제시되어 있다.
6.7 실시예 7
상이한 전해질을 사용한 4개의 코인 셀을 조립했고, 누설 전류는 실온에서 전압의 함수로서 측정했다. 더 높은 누설 전류는 전해질 첨가제의 보다 빠른 분해 또는 불량한 전압 안정성을 나타낸다. 코인 셀은 리튬 금속 애노드 및 리튬 닉켈-망간-코발트 옥사이드 (NMC622) 캐소드로 구성되었다. 4개의 전해질은 9:1의 몰 비인 CH3F 및 CO2의 혼합물 중 1.0 M LiTFSI 염 및 1.0 M 첨가제를 가졌다. 시험된 4개의 첨가제는 2Me-테트라하이드로푸란, 디메틸 에테르, 트리메틸 포스페이트 및 트리에틸 포스페이트였다. 이들 셀의 성능이 도 7에 제시되어 있다. 예상밖으로, 트리메틸 포스페이트 및 트리에틸 포스페이트는 4.4 및 4.5 V의 증가된 전압에서 우수한 안정성을 가진 반면, 에테르-계 첨가제는 이들 전압에서 불량한 안정성을 가진 것으로 밝혀졌다. 이러한 놀라운 결과는 단지 실험으로부터 측정될 수 있는데, 이는 이론 또는 모델링을 통해 이러한 높은 전압 안정성을 유도하는 어떠한 방법도 없기 때문이다. 캐소드 표면에 표면-전해질-계면 (surface-electrolyte-interphase: SEI)을 생성하는 독특한 화학이 형성됨으로써, 심지어 높은 전압에서도 매우 인상적인 안정성을 허용함은 액화 가스 용매 및 첨가제의 조합을 통해서이다. 낮은 누설 전류는 이러한 사실을 추가로 보강한다. 도 6 및 7은 모두 이들 발견을 보강한다. 포스페이트 화합물 첨가제에 의한 이들 예상밖의 결과는 앞서 기재된 에테르-형 첨가제에 비해 훨씬 우수하다.
6.8 실시예 8
다양한 전해질을 함유하는 유리 창호 (glass window)가 있는 스테인레스 스틸 셀을 조립했다. 창호는 다양한 전해질 제형에서 염의 용해도를 확인할 수 있도록 한다. 하기 표 1은 다양한 전해질에 대해 관찰된 용해도를 나타낸다. 예상밖으로 트리메틸 포스페이트 및 트리에틸 포스페이트는 플루오로메탄 중 다양한 염에 대해 우수한 용해도를 가짐을 발견하였다. 액화 가스 용매, 첨가제 및 염의 다양한 조합에서 빈번한 상 분리가 존재함을 주지하는 것이 중요하다. 이상적인 첨가제는 염에 대한 양호한 친화성 또는 결합 및 용매 시스템과의 높은 혼화성을 나타낼 것이다. 이들 독특한 조합으로 일반적으로 염에 대한 높은 용해도를 갖고, 광범위한 온도 범위에 걸쳐 상 분리가 없는 혼합물을 수득할 것이다. 대조적으로, 다양한 염과 함께 시험된 에테르 및 카보네이트는 이러한 특성의 독특한 조합을 나타내지 못한다. 포스페이트 화합물의 예상밖의 성능은 실험을 통해서만 결정될 수 있으며, 이는 이들 놀라운 발견을 유도했다.
표 1: 관찰된 용해도
+20℃에서 플루오로메탄 기반 액화 가스 용매 중 모든 것
Figure pct00002
Figure pct00003
상기 기술된 바와 같고 포함된 예시 도면에 제시된 바와 같음을 포함한 본 발명의 예시적인 구현예 및 적용이 본 명세서에 기술되어 있음에도 불구하고, 본 발명을 이들 예시적 구현예 및 적용으로 또는 예시적 구현예 및 적용이 작동되거나 본 명세서에 기술된 방식으로 제한하고자 함은 아니다. 실제로, 당업계의 통상의 숙련가에게 분명한 바와 같이 상기 예시적 구현예의 많은 변화 및 변형이 가능하다. 본 발명은 생성된 디바이스, 시스템 또는 방법이 이들 또는 임의의 관련 특허출원을 기반으로 특허청에서 허용된 특허청구범위 중 어느 것의 범위 내에 속하는 한, 임의의 디바이스, 구조, 방법 또는 작용성을 포함할 수 있다.

Claims (10)

  1. 에너지 저장 디바이스 (energy storage device)로,
    압축 가스 용매 및 하나 이상의 고체 또는 액체 염의 혼합물을 포함하는 이온 전도성 전해질 (ionically conducting electrolyte)로, 상기 압축 가스 용매는 293.15 K의 실온에서 100 kPa보다 높은 증기압을 갖는 제1 성분을 적어도 포함하고, 상기 제1 성분은 플루오로메탄, 디플루오로메탄, 트리플루오로메탄, 플루오로에탄, 1,1 디플루오로에탄, 트리플루오로에탄, 테트라플루오로에탄, 펜타플루오로에탄, 플루오로에틸렌, 디플루오로에틸렌, 트리플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌, 클로로메탄, 클로로에탄, 클로로에텐, 포화 할로겐화 탄화수소, 불포화 할로겐화 탄화수소, 아산화질소, 이산화탄소 및 이들의 이성체로 이루어진 군으로부터 선택되며;
    293.15 K의 실온에서 100 kPa보다 높은 압력에서 압축 가스 용매를 유지하기 위한 가압 조건하에 상기 이온 전도성 전해질을 둘러싸는 하우징 (housing);
    상기 이온 전도성 전해질과 접하는 적어도 두 개의 전도성 전극; 및
    유기포스페이트 화합물로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 포함하는, 에너지 저장 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 첨가제가 트리메틸 포스페이트를 포함하는, 재충전가능한 전기화학 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 첨가제가 트리에틸 포스페이트를 포함하는, 재충전가능한 전기화학 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 염이 하나 이상의 리튬 염을 포함하는, 재충전가능한 전기화학 디바이스.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 리튬 염에 대한 상기 하나 이상의 첨가제의 상기 몰 비가 약 0.01 내지 약 10의 범위인, 재충전가능한 전기화학 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 디바이스가 재충전가능한 배터리 또는 전기화학 커패시터 (electrochemical capacitor)인, 재충전가능한 전기화학 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리가 리튬 이온 배터리, 리튬 금속 배터리, 나트륨 배터리, 마그네슘 배터리, 아연 배터리 또는 칼륨 배터리인, 재충전가능한 전기화학 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전극이 흑연, 탄소, 활성탄, 리튬 티타네이트, 이황화티탄, 이황화몰리브덴, 리튬 철 포스페이트, 리튬 코발트 포스페이트, 리튬 닉켈 포스페이트, 리튬 코발트 옥사이드, 리튬 닉켈 망간 옥사이드, 리튬 닉켈 망간 코발트 옥사이드 및 리튬 닉켈 코발트 알루미늄 옥사이드 중 하나 이상을 포함하는, 재충전가능한 전기화학 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전극이 금속 전극이고, 리튬 금속, 나트륨 금속, 또는 리튬, 나트륨, 주석, 아연, 칼륨, 마그네슘, 알루미늄, 또는 이들의 임의 조합을 포함한 금속 합금 중 하나 이상을 포함하는, 재충전가능한 전기화학 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 염이 LiTFSI, LiFSI, LiPF6, LiBOB, LiBF4, LiDFOB, LiNO3, 또는 이들의 임의 조합으로 구성되는, 재충전가능한 전기화학 디바이스.
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