KR20230019794A - Binder for secondary battery, electrode composition for secondary battery and secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이차전지용 바인더, 이를 포함하는 이차 전지용 전극 조성물 및 이차전지에 관한 것으로, 구체적으로는 분산성, 접착성 및 안정성이 우수한 이차전지용 바인더, 이를 포함하는 이차전지용 전극 조성물 및 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a binder for a secondary battery, an electrode composition for a secondary battery including the same, and a secondary battery, and specifically relates to a binder for a secondary battery having excellent dispersibility, adhesiveness and stability, an electrode composition for a secondary battery including the same, and a secondary battery. .
환경 문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주원인인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 내연기관 차량을 대체 할 수 있는 전기 자동차, 하이브리드 자동차에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 리튬 이차전지는 이러한 전기자동차, 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용되고 있다. 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같은 친환경 차량에 대한 수요가 증가함에 따라 고용량, 고안정성의 리튬 이차전지가 요구되고 있으며, 관련된 연구가 활발히 이루어지고 있다. 리튬 이차전지는, 리튬 이온이 양극에서 캐소드로 삽입되고 탈리되는 과정을 반복하면서 충전과 방전을 진행한다. 리튬 이온의 삽입, 탈리가 반복적으로 진행되면서, 전극 활물질이 팽창, 수축하게 된다. 고용량의 전극 활물질 일수록 팽창과 수축의 정도가 더 커지게 되며, 이 과정에서 전극 활물질과 도전재 사이의 결합이 느슨해지고 입자간의 접촉저항이 증가하게 된다. 그 결과 전극 조성물 내의 옴저항이 상승하여 전지 특성이 저하될 수 있는 문제점이 발생하게 된다. As interest in environmental issues grows, demand for electric vehicles and hybrid vehicles that can replace internal combustion engine vehicles that use fossil fuels, such as gasoline vehicles and diesel vehicles, which are the main causes of air pollution, is explosively increasing. Lithium secondary batteries are used as a power source for electric vehicles and hybrid vehicles. As the demand for eco-friendly vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles increases, lithium secondary batteries with high capacity and high stability are required, and related research is being actively conducted. The lithium secondary battery proceeds with charging and discharging while repeating the process of inserting and deintercalating lithium ions from the positive electrode to the cathode. As the intercalation and desorption of lithium ions proceed repeatedly, the electrode active material expands and contracts. The higher the capacity of the electrode active material, the greater the degree of expansion and contraction, and in this process, the bond between the electrode active material and the conductive material becomes loose and the contact resistance between the particles increases. As a result, the ohmic resistance in the electrode composition increases, causing a problem in that battery characteristics may deteriorate.
이러한 문제를 해결하기 위해서 바인더의 역할이 중요하다. 바인더는 전극활물질과 도전재, 집전체 사이에 결착력이 유지될 수 있을 정도의 충분한 접착력이 요구된다. 또한 바인더의 전해액 스웰링은 리튬 이온 전지의 부피 팽창에 영향을 미치므로 낮은 전해액 스웰링 특성도 요구된다. 전지의 충/방전시 전지의 온도가 급격히 올라가게 되는데, 고온에서도 안정적으로 바인더의 역할을 해야 하므로 고온 안정성 또한 요구된다. 마지막으로 전기화학적 반응에서 쉽게 분해되지 않아야 하므로 전기화학적 안정성 또한 요구된다.In order to solve these problems, the role of the binder is important. The binder requires sufficient adhesive force to maintain binding force between the electrode active material, the conductive material, and the current collector. In addition, electrolyte swelling of the binder affects the volume expansion of the lithium ion battery, so low electrolyte swelling characteristics are also required. When the battery is charged/discharged, the temperature of the battery rises rapidly, and high-temperature stability is also required because it must stably serve as a binder even at high temperatures. Finally, since it should not be easily decomposed in an electrochemical reaction, electrochemical stability is also required.
현재 상용화되어 있는 대표적인 바인더로는 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber: SBR), 카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxy methyl cellulose: CMC) 등이 있으나, 급격한 배터리 수요에 따라 고용량의 배터리와 전극 활물질이 개발되었고 보다 좋은 성능을 가지는 바인더에 대한 필요성이 증가되고 있다.Typical commercially available binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxy methyl cellulose (CMC). Batteries and electrode active materials have been developed and the need for binders with better performance is increasing.
한국공개특허 제2021-0083061호는 N-비닐 이미다졸륨(N-vinyl imidazolium) 이온성 액체 및 N-비닐아세트아미드(N-Vinylacetamide)를 포함하는 리튬 이차전지용 바인더 조성물, 상기 바인더 조성물을 포함하는 양극 활물질 조성물, 및 상기 바인더 조성물 및 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지를 개시하고 있다.Korean Patent Publication No. 2021-0083061 discloses a binder composition for a lithium secondary battery containing N-vinyl imidazolium ionic liquid and N-vinylacetamide, comprising the binder composition Disclosed are a cathode active material composition and a lithium secondary battery including the binder composition and the cathode active material.
본 발명의 일 목적은 분산성, 접착성 및 안정성이 우수한 이차전지용 바인더, 및 이를 포함하는 이차전지용 전극 조성물 및 이차전지를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a binder for a secondary battery having excellent dispersibility, adhesiveness and stability, and an electrode composition for a secondary battery and a secondary battery including the same.
본 발명의 일 실시형태는 하기 화학식 1로 표시되는 병솔형 구조의 이차전지용 바인더를 제공한다.One embodiment of the present invention provides a binder for a secondary battery having a bottle brush type structure represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
상기 A는 치환 또는 비치환된 고리형 화합물, 또는 단일결합이고, A is a substituted or unsubstituted cyclic compound, or a single bond,
상기 R1은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬렌이고, 이때 하나 이상의 -CH2-기는 -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, - S-CS-, -CS-S-, -S-CS-S-, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C12의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고리 로 대체될 수 있으며,R 1 is a substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkylene group, wherein one or more -CH 2 - groups are -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S- CS-, -CS-S-, -S-CS-S-, a substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, or a substituted or unsubstituted C 3 to C 12 heterocyclic ring,
상기 R2은 치환 또는 비치환 된 C1 내지 C20의 알킬, 치환 또는 비치환된 C4 내 지 C12의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고 리, 또는 할로알킬이고, 이때 하나 이상의 -CH2-기는 -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S-CS-, -CS-S-, 또는 -CS-S-로 대체될 수 있으며,Wherein R 2 is a substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkyl, a substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, a substituted or unsubstituted C 3 to C 12 heterocyclic ring, or a haloalkyl , wherein one or more -CH 2 -groups are replaced with -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S-CS-, -CS-S-, or -CS-S- can be,
상기 B 및 D는 각각 독립적으로 C2 내지 C10의 알킬 아크릴레이트, C2 내지 C10의 알킬 메타크릴레이트 , 또는 C1 내지 C10의 아크릴산이고,B and D are each independently C 2 to C 10 alkyl acrylate, C 2 to C 10 alkyl methacrylate, or C 1 to C 10 acrylic acid,
k는 1 내지 1,000의 정수이고, n은 1 내지 100의 정수이다(단, 하기 화합물 1 내지 3은 제외한다).k is an integer from 1 to 1,000, and n is an integer from 1 to 100 (except for
본 발명의 다른 실시형태는 상기 본 발명의 일 실시형태에 따른 병솔형 구 조의 바인더; 및 전극 활물질을 포함하는 이차전지용 전극 조성물을 제공한다.Another embodiment of the present invention is a binder of a bottle brush type structure according to one embodiment of the present invention; And it provides an electrode composition for a secondary battery comprising an electrode active material.
본 발명의 또 다른 실시형태는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 바인더를 포함하는 캐소드; 상기 캐소드에 대향 배치되는 애노드; 및 상기 캐소드 및 애노드 사이에 배치되는 분리막;을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.Another embodiment of the present invention is a cathode comprising a binder according to any one of
본 발명의 일 실시형태에 따른 병솔형 공중합체 바인더는 NMP 용매를 기반으로 한 상용 캐소드 제조 공정과 호환되어 실용성이 우수할 수 있다. 특히, NCM811과 같은 습기에 민감한 Ni이 풍부한 전극 활물질과의 제조공정이 가능하다. The bottle brush type copolymer binder according to an embodiment of the present invention may be compatible with a commercial cathode manufacturing process based on an NMP solvent and may have excellent practicality. In particular, a manufacturing process is possible with an electrode active material rich in Ni, which is sensitive to moisture, such as NCM811.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 균형 잡힌 양친매성을 가져 전극 슬러리를 균일하게 분산시킬 수 있고, 화학적 기능과 구조적 고유성으로 인해 두께 방향으로 잘 조직된 전자/이온 전도 경로를 형성하도록 전극 구조를 형성하며, 전해질에 담근 상태에서도 집전체와의 강한 접착력을 제공할 수 있고, 전극 활물질에서 용해된 중금속 이온의 킬레이트화를 형성할 수 있다.The binder according to one embodiment of the present invention has a balanced amphiphilicity to uniformly disperse the electrode slurry, and the electrode structure to form a well-organized electron / ion conduction path in the thickness direction due to its chemical function and structural uniqueness. formed, can provide strong adhesion with the current collector even in a state of being immersed in the electrolyte, and can form chelation of heavy metal ions dissolved in the electrode active material.
또한 매우 낮은 바인더 함량으로도 안정적인 사이클링 성능을 가질 수 있고, 높은 질량 로딩이 가능하다. 이러한 성능은 이전에 보고된 캐소드 바인더 및 상용 PVdF 바인더로는 달성하기 어려운 효과이다.In addition, stable cycling performance can be obtained even with a very low binder content, and high mass loading is possible. This performance is an effect that is difficult to achieve with previously reported cathode binders and commercial PVdF binders.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더의 효과를 개략적으로 나타내는 그림이다.
도 3는 본 발명의 일 실시형태에 따라 합성된 병솔형 공중합체의 GPC 그래프이다.
도 4는 BBP 필름 및 PVdF 필름의 LSV(Linear Sweep Voltammetry) 프로파일이다.
도 5는 병솔형 공중합체의 측쇄 길이에 따른 BBP 필름과 집전체 사이의 접착력 테스트 결과이다.
도 6은 BBP 필름의 전해질 팽윤 시험 결과이다.
도 7은 측쇄 길이가 4K인 BBP 필름과 PVdF 필름의 특성 비교 결과이다.
도 8은 BBP 바인더 함유 용액은 PVdF 바인더 함유 용액의 자외선 가시분광법(UV-vis) 측정결과이다.
도 9는 BBP 슬러리 및 PVdF 슬러리의 CT(micro-computed tomography) 분석결과이다.
도 10 및 도 11은 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 단면 및 표면에 대한 SEM 이미지이다.
도 12(A)는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 표면 전기 저항 측정결과이고, 도 12(B)는 박리 테스트 후 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드와 Li 금속 사이의 접촉 저항측정결과이다.
도 13은 박리 테스트 후 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 사진 및 이들과 Li 금속 사이의 접촉 저항을 도식적으로 나타낸 그림이다.
도 14는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 GITT(Galvanostatic Intermittent Titration Technique) 분석 결과이다.
도 15는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 초기 충전/방전 프로파일이다.
도 16(A) 및 도 16(B)는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 방전률 용량 및 사이클링 성능을 측정한 결과이다.
도 17은 Li 금속 애노드에 증착된 금속 Ni, Co 및 Mn의 양을 측정한 결과이다.
도 18은 Li 금속 애노드 표면의 SEM이미지이다.
도 19는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드 내의 NCM811 입자의 SEM이미지이다.
도 20은 NCM811 입자의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) F1s 스펙트럼이다.
도 21은 NCM811 입자의 푸리에 변환 패턴을 가지는 TEM 이미지이다.
도 22는 사이클링 테스트 전후의 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 NCM811 입자의 ex-situ XRD 패턴이다.
도 23은 탈리튬화된 NCM811 캐소드의 계면 발열 반응을 나타내는 시차 주사 열량계(DSC)로 조사 결과이다.
도 24는 0.5wt%의 바인더 함량을 가지는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 사진이다.
도 24는 0.5wt%의 바인더 함량을 가지는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 사진이다. 도 25는 BBP 캐소드의 표면 및 단면에 대한 SEM이미지이다.
도 26은 두께에 따른 BBP 캐소드의 단면 형태를 보여준다(즉, areal-mass-loadings).
도 27은 면적당 질량로딩(areal-mass-loadings)이 23mg cm-2(85㎛)인 PVdF 캐소드의 사진이다.
도 28은 BBP 캐소드의 충/방전 프로파일이다.
도 29 및 도 30은 BBP 캐소드의 사이클링 성능 측정결과이다.1 is a schematic diagram schematically illustrating a binder according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically showing the effect of a binder according to an embodiment of the present invention.
3 is a GPC graph of a bottle brush type copolymer synthesized according to an embodiment of the present invention.
4 is a linear sweep voltammetry (LSV) profile of a BBP film and a PVdF film.
5 is a test result of adhesion between a BBP film and a current collector according to the side chain length of a bottle brush type copolymer.
6 is an electrolyte swelling test result of a BBP film.
7 is a comparison result of the characteristics of a BBP film and a PVdF film having a side chain length of 4K.
8 is a UV-vis measurement result of a solution containing a BBP binder and a solution containing a PVdF binder.
9 is a micro-computed tomography (CT) analysis result of BBP slurry and PVdF slurry.
10 and 11 are SEM images of cross-sections and surfaces of a BBP cathode and a PVdF cathode.
12(A) shows surface electrical resistance measurement results of the BBP cathode and PVdF cathode, and FIG. 12(B) shows contact resistance measurement results between the BBP cathode and PVdF cathode and Li metal after the peel test.
13 is a diagram schematically illustrating photographs of a BBP cathode and a PVdF cathode and contact resistance between them and Li metal after a peel test.
14 is a Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT) analysis result of a BBP cathode and a PVdF cathode.
15 is an initial charge/discharge profile of a BBP cathode and a PVdF cathode.
16(A) and 16(B) show the results of measuring the discharge rate capacity and cycling performance of the BBP cathode and the PVdF cathode.
17 is a result of measuring the amount of metal Ni, Co, and Mn deposited on the Li metal anode.
18 is a SEM image of the surface of a Li metal anode.
19 is a SEM image of NCM811 particles in a BBP cathode and a PVdF cathode.
20 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) F1s spectrum of NCM811 particles.
21 is a TEM image having a Fourier transform pattern of NCM811 particles.
22 is an ex-situ XRD pattern of NCM811 particles of BBP cathode and PVdF cathode before and after cycling tests.
23 is a differential scanning calorimeter (DSC) examination result showing the interfacial exothermic reaction of the delithiated NCM811 cathode.
24 is a photograph of a BBP cathode and a PVdF cathode having a binder content of 0.5 wt%.
24 is a photograph of a BBP cathode and a PVdF cathode having a binder content of 0.5 wt%. 25 is a SEM image of the surface and cross section of a BBP cathode.
26 shows the cross-sectional shape of the BBP cathode according to the thickness (ie, areal-mass-loadings).
27 is a photograph of a PVdF cathode having areal-mass-loadings of 23 mg cm −2 (85 μm).
28 is a charge/discharge profile of a BBP cathode.
29 and 30 are measurement results of cycling performance of the BBP cathode.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments and examples set forth herein.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention may have various changes and various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form disclosed, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that there is a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features or steps However, it should be understood that it does not preclude the possibility of existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
본 발명은 이차전지용 바인더, 이를 포함하는 이차전지용 전극 조성물 및 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a secondary battery binder, a secondary battery electrode composition including the same, and a secondary battery.
본 발명의 일 실시형태에 따른 이차전지용 바인더는 주쇄(back bone) 및 상기 주쇄에 연결되어 외부를 향하는 방향으로 배치되는 측쇄(side chain)을 가지는 병솔형(bottle brush) 공중합체로 이해될 수 있다. 본 발명의 명세서에서, 이차전지용 바인더는 ‘바인더’ 또는 ‘병솔형 공중합체’로도 지칭될 수 있다. 또한, 상기 바인더는 이차전지의 전극 제조에 사용되는 바인더로써 이차전지 전극 제조용 바인더로 이해될 수 있다. A binder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention may be understood as a bottle brush copolymer having a back bone and a side chain connected to the back bone and disposed in an outward direction. . In the specification of the present invention, the secondary battery binder may also be referred to as a 'binder' or a 'bottle brush type copolymer'. In addition, the binder may be understood as a binder for manufacturing a secondary battery electrode as a binder used for manufacturing an electrode of a secondary battery.
도 1는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이차전지용 바인더를 개략적으로 나타내는 모식도이다.1 is a schematic diagram schematically illustrating a binder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 이차전지용 바인더는 전체적으로 병솔형(Bottle Brush) 구조를 가지는 공중합체로서, 주쇄(back bone)와 주쇄에 연결되어 외부로 향하여 배치되는 다수 개의 측쇄(side chain)을 가지고 있다.Referring to FIG. 1, a binder for a secondary battery according to an embodiment of the present invention is a copolymer having a bottle brush structure as a whole, and a plurality of side chains connected to the back bone and the main chain and disposed toward the outside. has a side chain.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 병솔형 공중합체는 단위체가 중합된 것으로, 단위체 중 주쇄를 형성하는 부분은 코어부, 측쇄를 형성하는 부분은 쉘부로 이해될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the bottle brush type copolymer is a polymerized unit, and a portion forming a main chain among the units may be understood as a core portion and a portion forming a side chain may be understood as a shell portion.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 주쇄는 소수성을 가지고, 상기 측쇄는 친수성 작용기를 가질 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the main chain may have hydrophobicity and the side chain may have a hydrophilic functional group.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 병솔형 공중합체는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bottle brush type copolymer may be represented by
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In
상기 A는 치환 또는 비치환된 고리형 화합물 또는 단일결합이고, A is a substituted or unsubstituted cyclic compound or a single bond,
상기 R1은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬렌이고, 이때 하나 이상의 -CH2-기는 -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S-CS-, -CS-S-, -S-CS-S-, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C12의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고리로 대체될 수 있으며,R 1 is a substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkylene group, wherein one or more -CH 2 - groups are -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S- CS-, -CS-S-, -S-CS-S-, a substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, or a substituted or unsubstituted C 3 to C 12 heterocyclic ring,
상기 R2은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C12의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고리, 또는 할로알킬이고, 이때 하나 이상의 -CH2-기는 -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S-CS-, -CS-S-, 또는 -S-CS-S-로 대체될 수 있으며,Wherein R 2 is a substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkyl, a substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, a substituted or unsubstituted C 3 to C 12 heterocycle, or a haloalkyl; where one or more -CH 2 -groups are replaced by -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S-CS-, -CS-S-, or -S-CS-S- can be,
상기 B 및 D는 각각 독립적으로 C2 내지 C10의 알킬 아크릴레이트, C2 내지 C10의 알킬 메타크릴레이트, 또는 C1 내지 C10의 아크릴산이고,B and D are each independently C 2 to C 10 alkyl acrylate, C 2 to C 10 alkyl methacrylate, or C 1 to C 10 acrylic acid,
k는 1 내지 1,000의 정수이고, n은 1 내지 100의 정수이다.k is an integer from 1 to 1,000, and n is an integer from 1 to 100.
단, 상기 화학식 1에서, 하기 화합물 1 내지 화합물 3은 제외한다.However, in
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 병솔형 공중합체는 하기 화학식 1-1로 표시될 수 있다. 이는 상기 화학식 1에서 A가 단일결합인 경우로 이해될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bottle brush type copolymer may be represented by the following Chemical Formula 1-1. This can be understood as the case where A in
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1-1에서,In Formula 1-1,
R3은 수소, 중수소, 히드록시, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬, 아민, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C12의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고리, 또는 할로겐이고,R 3 is hydrogen, deuterium, hydroxy, substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkyl, amine, substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, substituted or unsubstituted C 3 to C 12 a heterocyclic ring, or a halogen;
R1, R2, B 및 D, k, n은 상기 화학식 1에서 정의된 바와 같다.R 1 , R 2 , B and D, k, n are as defined in
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 화학식 1에서 A는 치환 또는 비치환된 고리형 화합물일 수 있다. 상기 고리형 화합물은 이에 제한되지 않으며, 오각 고리, 또는 육각 고리를 포함할 수 있다.Also, according to one embodiment of the present invention, A in
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 화학식 1에서 A는 고리형 화합물의 고리 오픈에 의하여 형성된 것일 수 있다. Also, according to one embodiment of the present invention, A in
구체적으로, 화학식 1에서 A는 치환 또는 비치환된 고리형 알켄(cycloalkene)의 ROMP(Ring Opening Metathesis Polymerization)에 의하여 형성된 것일 수 있다. 상기 고리형 알켄은 ROMP(Ring Opening Metathesis Polymerization)이 가능한 화합물이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 하기 화학식 중 어느 하나일 수 있다.Specifically, A in
상기 화학식에서, In the above formula,
R은 할로겐, 히드록시, 카르복시, 아민 또는 알킬이고, R is halogen, hydroxy, carboxy, amine or alkyl;
q는 0 또는 1 내지 6의 정수이다. q is 0 or an integer from 1 to 6;
또한, 상기 화학식(2) 및 (8)의 점선은 치환 또는 비치환된 탄소 고리 또는 헤테로 고리를 의미한다. 상기에 도시되지 않았으나, 하기 화학식(3) 내지 (6)의 화학식도 화학식 (2) 및 (8)과 같이 점선으로 표시되는 탄소 고리 또는 헤테로 고리를 가질 수 있다. 또한 상기 고리형 알켄은 1개 이상의 이중결합을 포함할 수 있다. 또한 는 R1과 연결되는 것을 의미한다. In addition, the dotted lines in Formulas (2) and (8) mean a substituted or unsubstituted carbon ring or hetero ring. Although not shown above, chemical formulas (3) to (6) may also have carbon rings or heterocycles represented by dotted lines, as in formulas (2) and (8). In addition, the cyclic alkene may include one or more double bonds. also means being connected with R 1 .
상기 고리형 알켄(cycloalkene)이 치환기 R 또는 상기 화학식(2) 및 (8)에서 점선으로 표시되는 고리를 가지는 경우 입체장애(Steric hinderance)로 인하여 ROMP가 보다 효과적으로 수행될 수 있다.When the cycloalkene has a substituent R or a ring represented by a dotted line in Formulas (2) and (8), ROMP can be performed more effectively due to steric hinderance.
이에 제한되지 않으나, 상기 화학식(2) 또는 화학식(8)은 하기 화학식을 포함할 수 있다.Although not limited thereto, Formula (2) or Formula (8) may include the following Formula.
상기 고리형 알켄의 ROMP(Ring Opening Metathesis Polymerization)에 의한 화학식 1의 A 부분은 하기 반응식과 같이 표시될 수 있다. 하기 반응식에서 A 부분의 치환기 R과 상기 화학식(2) 및 (8)에서 점선으로 표시되는 고리는 생략되어 있다.Part A of
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 R1은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬렌이고, 이때 하나 이상의 -CH2-기는 -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S-CS-, -CS-S-, -S-CS-S-, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C12의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고리로 대체될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, R 1 is a substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkylene, wherein one or more -CH 2 - groups are -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S-CS-, -CS-S-, -S-CS-S-, substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, substituted or unsubstituted C 3 to C 12 It can be replaced by a heterocycle of
구체적으로, R1은 -CH2-, -CO-O-, -O-CO-, 페닐, 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥실(2,2,6,6-tetramethylpiperidine)-N-oxyl, TEMPO) 등을 포함할 수 있다.Specifically, R 1 is -CH 2 -, -CO-O-, -O-CO-, phenyl, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl(2,2,6,6 -tetramethylpiperidine) -N-oxyl, TEMPO) and the like.
또한, 상기 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬렌은 -CH3, 또는 -CN의 치환기를 가질 수 있다.In addition, the substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkylene may have a substituent of -CH 3 or -CN.
또한, 상기 R2은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C12의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고리, 또는 할로알킬이고, 이때 하나 이상의 -CH2-기는 -O-, -CO-, -CO-O-, 또는 -O-CO-로 대체될 수 있다. 구체적으로, R2은 페닐, F, Br 등 일 수 있다.In addition, R 2 is a substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkyl, a substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, a substituted or unsubstituted C 3 to C 12 heterocycle, or a haloalkyl , wherein one or more -CH 2 - groups may be replaced by -O-, -CO-, -CO-O-, or -O-CO-. Specifically, R 2 may be phenyl, F, Br or the like.
상기 R1 및 R2은 연결기 또는 말단기로써 병솔형 공중합체의 합성 용이성의 관점에서 다양하게 선택될 수 있다.The R 1 and R 2 may be variously selected from the viewpoint of easy synthesis of the bottle brush type copolymer as a linking group or an end group.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 주쇄과 R1 및/또는 R2를 포함하는 연결기 및 말단기는 라디칼중합으로 결합될 수 있으며, 이에 따라 적절하게 R1 및 R2가 선택될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the main chain and the linking group including R 1 and/or R 2 and the terminal group may be bonded through radical polymerization, and accordingly, R 1 and R 2 may be appropriately selected.
상기 B 및 D는 각각 독립적으로 C2 내지 C10의 알킬 아크릴레이트, C2 내지 C10의 알킬 메타크릴레이트, 또는 C1 내지 C10의 아크릴산일 수 있다. B and D may each independently be C 2 to C 10 alkyl acrylate, C 2 to C 10 alkyl methacrylate, or C 1 to C 10 acrylic acid.
상기 k는 1 내지 1,000의 정수이고, n은 1 내지 100의 정수이다. 상기 범위를 벗어나면 병솔형 구조를 형성하기 어려울 수 있다.wherein k is an integer from 1 to 1,000, and n is an integer from 1 to 100. Outside of the above range, it may be difficult to form a bottle brush type structure.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 B 및/또는 D는 아크릴산(-CO-OH)일 수 있다. 폴리 아크릴산 블록에 의해 전극 슬러리의 분산성을 향상시키고, 금속 이온과 킬레이트를 형성할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the B and / or D may be acrylic acid (-CO-OH). The polyacrylic acid block can improve the dispersibility of the electrode slurry and form a chelate with metal ions.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 B 및 D는 병솔형 공중합체의 측쇄을 형성하는 것으로 주쇄에 결합되어 브러쉬 형태로 외부를 향하여 배열될 수 있다. 상기 측쇄 간에는 서로 간극을 형성할 수 있고, 유동성을 가질 수 있다. 상기 유동성은 쉘부의 화학구조 변화를 통해서 제어될 수 있으며, 이에 따라 다양한 물성을 구현할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, B and D form side chains of the bottle brush type copolymer, and may be bonded to the main chain and arranged toward the outside in a brush shape. Gaps may be formed between the side chains and may have fluidity. The fluidity can be controlled through a change in the chemical structure of the shell part, and thus various physical properties can be realized.
본 발명의 일 실시형태에 따른 병솔형 공중합체는 하기 화학식 2-1 내지 2-8 중 어느 하나로 표시되는 화합물일 수 있다.The bottle brush type copolymer according to an embodiment of the present invention may be a compound represented by any one of Chemical Formulas 2-1 to 2-8.
[화학식 2-1][Formula 2-1]
[화학식 2-2][Formula 2-2]
[화학식 2-3][Formula 2-3]
[화학식 2-4][Formula 2-4]
[화학식 2-5][Formula 2-5]
[화학식 2-6][Formula 2-6]
[화학식 2-7][Formula 2-7]
[화학식 2-8] [Formula 2-8]
본 발명의 일 실시형태에 따른 병솔형 공중합체의 분자량은 10 내지 10,000K Da일 수 있고, 구체적으로 10 내지 7,000K Da, 100 내지 7,000K Da, 100 내지 4,000K Da, 100 내지 1,000K Da, 100 내지 400K Da일 수 있다. 병솔형 공중합체의 분자량이 10K Da 미만이면 충분한 접착력을 구현하지 못할 일 우려가 있고, 10,000K Da을 초과하면 서로 응집하려는 성질이 커져 분산성이 저하될 수 있다.The molecular weight of the bottle brush copolymer according to an embodiment of the present invention may be 10 to 10,000K Da, specifically 10 to 7,000K Da, 100 to 7,000K Da, 100 to 4,000K Da, 100 to 1,000K Da, 100 to 400 K Da. If the molecular weight of the bottle brush type copolymer is less than 10K Da, there is a concern that sufficient adhesive strength may not be realized, and if it exceeds 10,000K Da, the property of aggregation with each other increases and dispersibility may be reduced.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더의 제조방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 통상적으로 사용되는 방법으로 합성될 수 있다.이에 제한되지 않으나, 예를 들면, 그래프팅-프롬(Grafting-From), 그래프팅-쓰루(Grafting-Through), 또는 그래프팅-투(Grafting-To) 방법으로 합성될 수 있다. 그래프팅-프롬(Grafting-From)은 주쇄을 먼저 합성한 후, 측쇄을 중합하는 방법이고, 그래프팅-쓰루(Grafting-Through)는 대형 단량체를 먼저 합성한 후, ROMP(ring opening metathesis polymerization)를 통해 주 사슬을 결합하는 방법이며, 그래프팅-투(Grafting-To)는 입체장애(steric interaction)를 극복하면서 높은 그래프팅 밀도(grafting density)를 얻을 수 있는 방법이다. The manufacturing method of the binder according to an embodiment of the present invention is not particularly limited, and may be synthesized by a method commonly used in the art. It is not limited thereto, but, for example, Grafting-From , Grafting-Through, or Grafting-To may be synthesized. Grafting-From is a method of synthesizing the main chain first and then polymerizing the side chain, and Grafting-Through is a method of synthesizing a large monomer first, then ROMP (ring opening metathesis polymerization). As a method of combining chains, Grafting-To is a method of obtaining high grafting density while overcoming steric interactions.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 먼저 ATRP(Atom Transfer Radical Polymerization)를 통해 측쇄을 합성하고, 라디칼 중합(radical coupling) 반응을 통해 측쇄과 고리형 알켄 화합물을 결합시켜 매크로모노머(macromonomer)를 합성할 수 있다. 그 다음 ROMP를 통해 고리형 알켄의 고리를 열어 주쇄을 합성하여 병솔형 공중합체를 합성할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a side chain is first synthesized through ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization), and a macromonomer can be synthesized by combining the side chain and a cyclic alkene compound through a radical coupling reaction. . Then, a bottle-type copolymer can be synthesized by opening the ring of the cyclic alkene through ROMP to synthesize the main chain.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 주쇄의 중합도는 80 내지 200일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the degree of polymerization of the main chain may be 80 to 200.
본 발명의 다른 실시형태는 상기 화학식 1로 표시되는 바인더 및 전극 활물질을 포함하는 이차전지용 전극 조성물에 관한 것이다. 상기 전극 조성물은 도전재를 추가로 포함할 수 있다. Another embodiment of the present invention relates to an electrode composition for a secondary battery including the binder represented by
상기 바인더는 본 발명의 일 실시형태에 따른 병솔형 공중합체로 구체적인 특성은 상술한 바와 같다.The binder is a bottle brush type copolymer according to an embodiment of the present invention, and specific characteristics are as described above.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 병솔형 공중합체(바인더)의 측쇄 길이는 0.1 내지 50K Da일 수 있다. 이에 제한되지 않으나, 구체적으로 0.1 내지 30K, 1 내지 20K, 1 내지 10K, 1 내지 7K, 또는 1 내지 5K Da일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the side chain length of the bottle brush type copolymer (binder) may be 0.1 to 50 K Da. It is not limited thereto, but may be specifically 0.1 to 30K, 1 to 20K, 1 to 10K, 1 to 7K, or 1 to 5K Da.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 측쇄의 친수성 그룹이 집전체와 수소 결합을 형성하기 때문에 전극 활성층과 집전체의 접착력을 향상시킬 수 있다.Since the binder according to one embodiment of the present invention forms a hydrogen bond with the current collector and the hydrophilic group of the side chain, it is possible to improve the adhesion between the electrode active layer and the current collector.
상기 측쇄의 길이가 0.1k Da미만이면 접착력이 충분하지 않을 수 있다. 또한 측쇄 길이가 50k Da을 초과하면 전해질에 의해 팽창될 우려가 있다. If the length of the side chain is less than 0.1 k Da, adhesive strength may not be sufficient. In addition, when the side chain length exceeds 50 kDa, there is a possibility of expansion by the electrolyte.
바인더의 전해질 팽창은 전지 작동 중 접착력을 약화시키고 전극에 존재해야하는 전해질을 건조시켜 전극의 구조적 파괴와 전기 화학적 성능의 손실을 초래하기 때문에 최소화해야 한다.Electrolyte expansion of the binder should be minimized because it weakens the adhesion during battery operation and dries the electrolyte that should exist in the electrode, resulting in structural destruction of the electrode and loss of electrochemical performance.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 바인더의 측쇄 길이를 조절하여 집전체와의 접착력 및 전해질에 의한 팽윤 감소 효과를 모두 얻을 수 있다. According to one embodiment of the present invention, both the adhesion to the current collector and the effect of reducing swelling due to the electrolyte can be obtained by adjusting the length of the side chain of the binder.
또한 본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 전극 슬러리의 균일한 분산을 가능하게 한다. 전극 슬러리의 분산 상태는 최종 전극에서 균일한 전자/이온 네트워크를 구성하는 데 중요한 역할을 한다. In addition, the binder according to one embodiment of the present invention enables uniform dispersion of the electrode slurry. The dispersion state of the electrode slurry plays an important role in constructing a uniform electron/ion network in the final electrode.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더의 효과를 개략적으로 나타내는 그림이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더(BBP)는 전극 슬러리의 더 나은 분산 상태를 제공하고, 집전체와의 강한 접착력, 전해질의 팽윤 감소, 전이 금속 이온의 킬레이트화를 통해 잘 조직된 전자/이온 네트워크를 형성할 수 있다. 이에 따라 셀(cell)의 전기화학적 성능이 향상될 수 있다.2 is a diagram schematically showing the effect of a binder according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the binder (BBP) according to an embodiment of the present invention provides a better dispersion state of the electrode slurry, strong adhesion to the current collector, reduced swelling of the electrolyte, and chelation of transition metal ions. They can form well-organized electron/ion networks. Accordingly, electrochemical performance of the cell may be improved.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 폴리머 백본에 부착된 조밀하게 접목된 측쇄로 구성된 3차원 구조의 병솔형 공중합체이다. 이러한 병솔형 공중합체는 사슬 얽힘을 방지하는 조밀하게 접목된 측쇄의 독특한 구조로 인해 동일한 분자량의 선형 폴리머에 비해 유체 역학적 부피(낮은 회전 반경) 및 점도가 낮다. 이에 따라 본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 슬러리(매트릭스)와 얽히는 선형 폴리머와 달리 원래 모양을 유지하는 데 유리하다. 또한, 바인더의 친수성 측쇄는 전극 활물질 입자와 친화성을 가지며, 소수성 백본은 입자 혼합물의 응집에 입체 장애를 제공하여 슬러리에서 전극 성분의 응집을 방지할 수 있다.The binder according to one embodiment of the present invention is a three-dimensional bottle brush type copolymer composed of densely grafted side chains attached to a polymer backbone. These bottle-type copolymers have lower hydrodynamic volume (lower radius of gyration) and viscosity compared to linear polymers of the same molecular weight due to the unique structure of densely grafted side chains that prevent chain entanglement. Accordingly, the binder according to one embodiment of the present invention is advantageous in maintaining its original shape, unlike linear polymers that are entangled with the slurry (matrix). In addition, the hydrophilic side chain of the binder has affinity with electrode active material particles, and the hydrophobic backbone provides a steric hindrance to aggregation of the particle mixture, thereby preventing aggregation of electrode components in the slurry.
또한 본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 금속 이온을 킬레이트화할 수 있다. NCM811과 같은 고용량/고전압 캐소드 재료를 사용하기 위해서는 전해질로 용해된 전이 금속 이온이 캐소드 활성 재료와의 계면 부반응을 일으키는 것을 방지하고 애노드 전극에 전이 금속 이온이 증착되는 것을 방지해야 한다. Also, the binder according to an embodiment of the present invention may chelate metal ions. In order to use a high-capacity/high-voltage cathode material such as NCM811, it is necessary to prevent interfacial side reactions between transition metal ions dissolved in the electrolyte and deposition of transition metal ions on the anode electrode.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 금속 이온을 킬레이트화하는 능력과 금속 이온 포획 성능이 우수하여 고용량/고전압 캐소스 재료의 바인더로 적합할 수 있다.The binder according to one embodiment of the present invention has excellent ability to chelate metal ions and capture performance of metal ions, and thus may be suitable as a binder for a high-capacity/high-voltage cathode material.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 바인더의 함량은 0.1 내지 20 중량부로 사용될 수 있다. 구체적으로 0.1 내지 15 중량부, 1 내지 10 중량부를 사용할 수 있다. 상기 바인더의 함량이 0.1미만이면 탈리 현상이 발생할 우려가 있고, 20 중량부를 초과하면 저항층으로 작용하여 전기화학적 성능이 손실될 우려가 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 강한 접착력, 우수한 슬러리 분산 능력으로 인해 소량의 바인더 사용으로 우수한 전극 특성을 구현할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the amount of the binder may be 0.1 to 20 parts by weight. Specifically, 0.1 to 15 parts by weight and 1 to 10 parts by weight may be used. If the content of the binder is less than 0.1, there is a risk of detachment, and if it exceeds 20 parts by weight, there is a risk of loss of electrochemical performance by acting as a resistance layer. The binder according to one embodiment of the present invention can implement excellent electrode characteristics with a small amount of the binder due to strong adhesion and excellent slurry dispersion ability.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 전극 활물질은 당해 기술분야에서 이용 가능한 모든 전극 활물질이 사용될 수 있다. 이에 제한되지 않으나, 예를 들면 리튬코발트산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬철인산화물, 및 리튬망간산화물 등일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, all electrode active materials available in the art may be used as the electrode active material. It is not limited thereto, but examples thereof may include lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate, and lithium manganese oxide.
전극 활물질은 예를 들어, LiaA1-bBbD2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다)일 수 있다. 상기 식에 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 조합일 수 있다.The electrode active material may be, for example, Li a A 1-b B b D 2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, and 0 ≤ b ≤ 0.5). 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 may be O, F, S, P, or combinations thereof.
상기 전극 활물질의 함량은 20 내지 99 중량부로 사용될 수 있고, 구체적으로 30 내지 98 중량부, 50 내지 98중량부, 또는 70 내지 98중량부로 사용될 수 있다. 상기 함량이 20 중량부 미만이면 이차전지의 에너지가 손실될 우려가 있고, 99중량부를 초과하면 전극 제조가 어렵거나 전기화학적 성능이 손실될 우려가 있다.The content of the electrode active material may be used as 20 to 99 parts by weight, specifically 30 to 98 parts by weight, 50 to 98 parts by weight, or 70 to 98 parts by weight. If the content is less than 20 parts by weight, energy of the secondary battery may be lost, and if it exceeds 99 parts by weight, electrode manufacturing may be difficult or electrochemical performance may be lost.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 용매는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 N-메틸피롤리돈(NMP), 다이메틸 설폭사이드(DMSO), 아세톤, 물, 그 혼합물 등이 사용될 수 있다. 상기 용매의 함량은 전극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 20 내지 99 중량부를 사용할 수 있다. 상기 용매의 함량 범위에서 전극 슬러리 형성 작업이 용이할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the solvent is not particularly limited, and for example, N-methylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, water, mixtures thereof, and the like may be used. The amount of the solvent may be 20 to 99 parts by weight based on 100 parts by weight of the electrode active material. Formation of the electrode slurry may be facilitated within the range of the solvent content.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 도전재는 이에 제한되지 않으나, 예를 들면 카본블랙, 탄소섬유, 카본나노튜브, 또는 흑연 등의 탄소계 도전재를 사용할 수 있다. 상기 카본블랙은, 예를 들어, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 슈퍼 P, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙 및 서멀 블랙으로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 상기 흑연은 천연 흑연 또는 인조 흑연일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the conductive material is not limited thereto, but for example, a carbon-based conductive material such as carbon black, carbon fiber, carbon nanotube, or graphite may be used. The carbon black may be, for example, one selected from the group consisting of acetylene black, ketjen black, super P, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black. The graphite may be natural graphite or artificial graphite.
상기 도전재의 함량은 0.1 내지 20 중량부로 사용될 수 있다. 구체적으로 0.1 내지 15 중량부, 0.1 내지 10중량부, 또는 1 내지 10중량부를 사용할 수 있다. 상기 도전재의 함량이 0.1 중량부 미만이면 전자전도성 부족으로 전기화학적 성능이 손실될 우려가 있고, 20 중량부를 초과하면 이차전지의 에너지가 손실될 우려가 있다.The content of the conductive material may be used in an amount of 0.1 to 20 parts by weight. Specifically, 0.1 to 15 parts by weight, 0.1 to 10 parts by weight, or 1 to 10 parts by weight may be used. If the content of the conductive material is less than 0.1 parts by weight, electrochemical performance may be lost due to lack of electronic conductivity, and if it exceeds 20 parts by weight, energy of the secondary battery may be lost.
본 발명의 일 실시형태에 따른 전극 조성물로 제조된 전극은 열적 안정성이 확보될 수 있다. 전기화학적 성능과 함께 전극 활물질의 열적 안정성이 확보되어야 실질적인 사용이 가능하다. 이차전지가 고온 조건에 노출되면 탈리튬화된 전극 활물질에서 산소 가스가 방출되어 전극 활물질 표면과 전해질 사이의 계면 부반응(발열 반응 포함)이 가속화 될 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 열 불안정성을 가지는 전극 활물질의 산소 방출 및 계면 발열 반응을 효과적으로 억제할 수 있다.Thermal stability of an electrode made of the electrode composition according to an embodiment of the present invention may be secured. Practical use is possible only when the thermal stability of the electrode active material is secured along with the electrochemical performance. It is known that when a secondary battery is exposed to high-temperature conditions, oxygen gas is released from the delithiated electrode active material, and interfacial side reactions (including exothermic reactions) between the surface of the electrode active material and the electrolyte may be accelerated. The binder according to one embodiment of the present invention can effectively suppress oxygen release and interfacial exothermic reaction of an electrode active material having thermal instability.
또한 본 발명의 일 실시형태에 따른 전극 조성물은 바인더에 의해 고질량 부하(high-mass-loading) 캐소드를 제조할 수 있다. 면적당 질량 로딩(areal-mass-loadings)이 높은 전극을 제조할 수 있다. 이에 제한되지 않으나, 예를 들면, 면적당 질량 로딩(areal-mass-loadings) 15 내지 30mg cm-2을 가지는 전극을 제조할 수 있다. In addition, the electrode composition according to an embodiment of the present invention can manufacture a high-mass-loading cathode by using a binder. Electrodes with high areal-mass-loadings can be fabricated. Although not limited thereto, for example, an electrode having areal-mass-loadings of 15 to 30 mg cm −2 may be manufactured.
또한 본 발명의 일 실시형태에 따른 전극 조성물로 제조된 전극은 초기 효율이 높을 수 있고, 수명 특성이 우수할 수 있다. In addition, an electrode made of the electrode composition according to an embodiment of the present invention may have high initial efficiency and excellent lifespan characteristics.
본 발명의 다른 실시형태는 상기 화학식 1로 표시되는 바인더를 포함하는 캐소드; 상기 캐소드에 대향 배치되는 애노드; 및 상기 캐소드 및 애노스 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. Another embodiment of the present invention is a cathode including a binder represented by
상기 바인더는 본 발명의 일 실시형태에 따른 병솔형 공중합체로 구체적인 특징은 상술한 바와 같다. 또한 상기 캐소드는 상술한 전극 조성물로 제조될 수 있다.The binder is a bottle brush type copolymer according to an embodiment of the present invention, and specific characteristics are as described above. In addition, the cathode may be made of the electrode composition described above.
상기한 캐소드, 애노드 및 분리막은 와인딩되거나 접혀서 전지케이스에 수용될 수 있다. 상기 전지케이스에 전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리로 밀봉되어 리튬 이차전지가 완성될 수 있다. 상기 전지케이스는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. The cathode, anode, and separator may be accommodated in a battery case by being wound or folded. An electrolyte may be injected into the battery case and sealed with a cap assembly to complete a lithium secondary battery. The battery case may be cylindrical, prismatic, or thin film.
상기 분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막을 사용할 수 있다. The separator may use an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength.
분리막의 기공 직경은 이에 제한되지 않으나, 예를 들면 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 5 ~ 20 ㎛인 것을 사용할 수 있다. 이러한 분리막은 이에 제한되지 않으나, 예를 들어, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 고분자; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등을 사용할 수 있다. 전해질로서 고체 고분자 전해질이 사용되는 경우에는 고체 고분자 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The pore diameter of the separator is not limited thereto, but may be, for example, 0.01 to 10 μm and 5 to 20 μm thick. Such a separator is not limited thereto, but includes, for example, olefin-based polymers such as polypropylene; A sheet or non-woven fabric made of glass fiber or polyethylene may be used. When a solid polymer electrolyte is used as the electrolyte, the solid polymer electrolyte may also serve as a separator.
상기 전해액은 전해질염과 비수전해질을 포함할 수 있다. The electrolyte solution may include an electrolyte salt and a non-aqueous electrolyte.
전해질염으로는 이에 제한되지 않으나, 예를 들면, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiPF6, LiSCN, LiBr, LiI, Li2SO4, Li2B10Cl10, NaClO4, NaI, NaSCN, NaBr, KClO4, KSCN 등의 리튬(Li), 나트륨(Na) 또는 칼륨(K)의 1종을 포함하는 무기 이온 염을 사용 할 수 있다. Examples of the electrolyte salt include, but are not limited to, LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiSCN, LiBr, LiI, Li 2 SO 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , NaClO 4 , NaI, NaSCN, An inorganic ion salt containing one of lithium (Li), sodium (Na), or potassium (K) such as NaBr, KClO 4 , or KSCN may be used.
또한 전해질염으로서, 예를 들면, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)(C4F9SO2), LiC(CF3SO2)3, LiC(C2F5SO2)3, (CH3)4NBF4, (CH3) 4NBr, (C2H5)4NClO4, (C2H5)4NI, (C3H7)4NBr, (n-C4H9)4NClO4, (n-C4H9)4NI, (C2H5)4N-말레에이트(maleate), (C2H5)4N-벤조에이트(benzoate), (C2H5)4N-프탈레이트(phthalate), 스테아릴 술폰산 리튬(lithium stearyl sulfate), 옥틸 술폰산 리튬(lithium octyl sulfate), 도데킬벤젠술폰산 리튬(lithium dodecylbenzene sulphonate) 등의 유기 이온 염도 사용 할 수 있다. 상기 전해질염은 단독, 혹은 2종류 이상 혼합해서 사용하는 것도 가능하다. 상기 전해질염의 농도는 일반적인 리튬 이차전지에 적용 가능한 농도라면 되고, 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 전해질염의 농도는 0.5mol/L∼2.0mol/L일 수 있다. Further, as an electrolyte salt, for example, LiCF 3 SO 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , LiC(C 2 F 5 SO 2 ) 3 , (CH 3 ) 4 NBF 4 , (CH 3 ) 4 NBr, (C 2 H 5 ) 4 NClO 4 , (C 2 H 5 ) 4 NI, (C 3 H 7 ) 4 NBr, (nC 4 H 9 ) 4 NClO 4 , (nC 4 H 9 ) 4 NI, (C 2 H 5 ) 4 N-maleate, (C 2 H 5 ) 4 N-benzoate, (C 2 H 5 ) 4 N-phthalate, lithium stearyl sulfate, lithium octyl sulfate, lithium dodecylbenzenesulfonate Organic ionic salts such as (lithium dodecylbenzene sulphonate) can also be used. It is also possible to use the said electrolyte salt individually or in mixture of 2 or more types. The concentration of the electrolyte salt may be any concentration applicable to a general lithium secondary battery, and is not particularly limited. For example, the concentration of the electrolyte salt may be 0.5 mol/L to 2.0 mol/L.
상기 비수전해질로는 이에 제한되지 않으나, 예를 들면, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate),에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 부틸렌 카보네이트(buthylene carbonate), 클로로에틸렌 카보네이트(chloroethylene carbonate) 또는 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate) 등의 환형탄산에스테르(ester)류, γ-부티로락톤(butyrolactone) 또는 γ-발레로 락톤(valerolactone) 등의 환형에스테르류, 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate) 또는에틸 메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate) 등의 쇄상 카보네이트(carbonate)류, 포름산 메틸(methyl formate), 아세트산 메틸(methyl acetate) 또는 부티르산 메틸(methyl butyrate) 등의 쇄상에스테르류, 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran) 또는 그 유도체, 1,3-디옥산(1,3-dioxane), 1,4-디옥산(1,4-dioxane), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,4-디부톡시에탄(1,4-dibutoxyethane) 또는 메틸 디글라임(methyldiglyme) 등의에테르(ether)류, 아세토니트릴(acetonitrile) 또는 벤조니트릴(benzonitrile) 등의 니트릴(nitrile)류, 디옥솔란(dioxolane) 또는 그 유도체,에틸렌 설파이드(ethylene sulfide), 설포란(sulfolane), 술톤(sultone) 또는 이들 유도체 등을 단독으로, 또는 그것들 2종 이상을 혼합해서 사용 할 수 있다. The non-aqueous electrolyte is not limited thereto, but, for example, propylene carbonate (propylene carbonate), ethylene carbonate (ethylene carbonate), butylene carbonate (butylene carbonate), chloroethylene carbonate (chloroethylene carbonate) or vinylene carbonate (vinylene carbonate) ), cyclic esters such as γ-butyrolactone or γ-valerolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate or ethyl Chain carbonates such as methyl carbonate, chain esters such as methyl formate, methyl acetate or methyl butyrate, tetrahydrofuran or derivatives thereof , 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,4-dibutoxy Ethers such as 1,4-dibutoxyethane or methyldiglyme, nitriles such as acetonitrile or benzonitrile, dioxolane or derivatives thereof , Ethylene sulfide, sulfolane, sultone or their derivatives may be used alone or in combination of two or more thereof.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 이러한 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples according to an embodiment of the present invention, but these examples do not limit the scope of the present invention.
[실시예][Example]
합성예 1: PNB-g-PAASynthesis Example 1: PNB-g-PAA
하기와 같은 단계로 병솔형 공중합체(BBP, PNB-g-PAA)를 합성하였다.A bottle-type copolymer (BBP, PNB-g-PAA) was synthesized in the following steps.
[반응식 1][Scheme 1]
1) 노보린 카르복실산 이미드(norbornene carboxylic acid imide) 합성1) Synthesis of norbornene carboxylic acid imide
시스-5-노보린-엑소-2,3-디카르복실 무수물(cis-5-Norbornene-exo-2,3-dicarboxylic anhydride) (1.0 eq., 10 g, 60.9 mmol)과 6-아미노헥산산(6-aminohexanoic acid)(1.0 eq., 8g, 60.9 mmol), 트리에틸아민(triethylamine)(0.1 eq., 0.062g, 0.609mmol) 및 톨루엔(100 mL)을 교반 막대 및 환류 응축기가 있는 둥근 바닥 플라스크(250 mL)에서 혼합하였다. 혼합물을 110℃에서 가열하고 하룻 밤 동안 환류하고, 실온으로 냉각하고, 톨루엔을 감압 하에 회전 증발기로 제거하였다. 남은 생성물을 디클로로메탄(dichloromethane)에 재용해하고, 물(x3)로 세척하고, 염수(brine)(x3)로 세척하고, 유기물층을 황산 마그네슘으로 건조시켰다. 용매를 진공에서 제거하여 백색 또는 약간 회백색 고체 노르보르넨 카르복실산 이미드(norbornene carboxylic acid imide)를 얻었다.(95 % 수율) cis-5-norbornene-exo-2,3-dicarboxylic anhydride (1.0 eq., 10 g, 60.9 mmol) with 6-aminohexanoic acid (6-aminohexanoic acid) (1.0 eq., 8 g, 60.9 mmol), triethylamine (0.1 eq., 0.062 g, 0.609 mmol) and toluene (100 mL) were added to a round bottom with stir bar and reflux condenser. Mixed in a flask (250 mL). The mixture was heated at 110° C. and refluxed overnight, cooled to room temperature, and toluene was removed with a rotary evaporator under reduced pressure. The remaining product was redissolved in dichloromethane, washed with water (x3), washed with brine (x3), and the organic layer was dried over magnesium sulfate. The solvent was removed in vacuo to give a white or off-white solid norbornene carboxylic acid imide (95% yield).
1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm) 6.22 (t, J = 1.8 Hz, 2H), 3.43 - 3.38 (m, 2H), 3.21 (p, J = 1.7 Hz, 2H), 2.61 (d, J = 1.4 Hz, 2H), 2.28 (t, J = 7.4 Hz, 2H), 1.59 (p, J = 7.5 Hz, 2H), 1.51 (ddt, J = 8.9, 7.5, 3.7 Hz, 2H), 1.45 (dp, J = 9.9, 1.6 Hz, 1H), 1.32 - 1.25 (m, 2H), 1.15 (dd, J = 9.7, 1.6 Hz, 1H). 1 H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm) 6.22 (t, J = 1.8 Hz, 2H), 3.43 - 3.38 (m, 2H), 3.21 (p, J = 1.7 Hz, 2H), 2.61 (d, J = 1.4 Hz, 2H), 2.28 (t, J = 7.4 Hz, 2H), 1.59 (p, J = 7.5 Hz, 2H), 1.51 (ddt, J = 8.9, 7.5, 3.7 Hz, 2H), 1.45 ( dp, J = 9.9, 1.6 Hz, 1H), 1.32 - 1.25 (m, 2H), 1.15 (dd, J = 9.7, 1.6 Hz, 1H).
2) exo-norbornenyl-functionalized nitroxide radical 합성2) Synthesis of exo -norbornenyl-functionalized nitroxide radical
둥근 바닥 플라스크에 엑소-노보린 카르복실산 이미드(exo-norbornene carboxylic acid imide)(1.0 eq., 5g, 18 mmol), 4-hydroxy Tempo(1.1 eq., 3.45 g, 20.0 mmol), N-(3-dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC)(1.2 eq., 4.14g, 21.5 mmol) 및 4-dimethylaminopyridine(DMAP)(0.2 eq., 0.43g, 3.52mmol)을 첨가하고, 다음 50ml 무수 DCM를 첨가하였다. 혼합물을 30분 동안 아르곤으로 퍼징하여 탈산소화하고 실온에서 하룻밤 동안 수행하였다. 반응 혼합물을 물(x3)로 세척하고, 염수(brine)(x3)로 세척하고 유기물층을 황산 마그네슘으로 건조시켰다. 유기물층을 감압 하에 회전 증발기를 통해 농축하고 남은 잔류 물을 실리카 겔 크로마토그래피(에틸 아세테이트/헥산, 2:1 v/v)로 정제하여 붉은 오렌지색 고체 생성물을 수득하였다.(수율 80 %)In a round bottom flask, exo-norbornene carboxylic acid imide (1.0 eq., 5 g, 18 mmol), 4-hydroxy Tempo (1.1 eq., 3.45 g, 20.0 mmol), N- (3-dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) (1.2 eq., 4.14 g, 21.5 mmol) and 4-dimethylaminopyridine (DMAP) (0.2 eq., 0.43 g, 3.52 mmol) were added, then 50 ml dry DCM was added. The mixture was deoxygenated by purging with argon for 30 min and overnight at room temperature. The reaction mixture was washed with water (x3), brine (x3) and the organic layer was dried over magnesium sulfate. The organic layer was concentrated using a rotary evaporator under reduced pressure, and the remaining residue was purified by silica gel chromatography (ethyl acetate/hexane, 2:1 v/v) to obtain a reddish-orange solid product (yield: 80%).
1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 6.18 (s, 2H), 4.99 - 4.91 (m, 1H), 3.39 - 3.33 (m, 2H), 3.17 (s, 2H), 2.57 (s, 2H), 2.16 (t, J = 7.5 Hz, 2H), 1.88 - 1.77 (m, 2H), 1.59 - 1.39 (m, 7H), 1.25 - 1.19 (m, 2H), 1.16 (s, 6H), 1.13 (s, 6H), 1.10 (s, 1H). 1 H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 6.18 (s, 2H), 4.99 - 4.91 (m, 1H), 3.39 - 3.33 (m, 2H), 3.17 (s, 2H), 2.57 (s, 2H), 2.16 (t, J = 7.5 Hz, 2H), 1.88 - 1.77 (m, 2H), 1.59 - 1.39 (m, 7H), 1.25 - 1.19 (m, 2H), 1.16 (s, 6H), 1.13 (s, 6H) ), 1.10 (s, 1H).
1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm) 6.49 (s, 2H), 4.32 (q, J = 6.8 Hz, 1H), 3.68 (s, 2H), 3.48 (s, 2H), 2.88 (s, 2H), 2.61 - 1.37 (m, 16H). 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm) 6.49 (s, 2H), 4.32 (q, J = 6.8 Hz, 1H), 3.68 (s, 2H), 3.48 (s, 2H), 2.88 (s, 2H) ), 2.61 - 1.37 (m, 16H).
[반응식 2][Scheme 2]
3) 측쇄 중합 및 ATRP 합성3) side chain polymerization and ATRP synthesis
PtBA-Br.PtBA-Br.
PtBA의 중합은 일반 Cu(0) 매개 ATRP 조건으로 수행하였다. 100 mL Schlenk 튜브에 개시제 메틸 2-브로모프로피오네이트(methyl 2-bromopropionate), CuBr2, Me6Tren을 [I] : [CuBr2] : [Me6Tren] = 1 : 0.05 : 0.1 비율로 첨가하고 터트-부틸 아크릴레이트(tBA) 단량체를 아세톤 용매와 함께 첨가하였다. 용액은 3회의 동결-펌프-해동 주기에 의해 탈기하였다. 마지막 주기 동안 Schlenk 튜브에 아르곤을 채우고 미리 활성화 된 구리선(5cm)이 있는 교반 막대를 동결 반응물에 빠르게 추가하였다. Polymerization of PtBA was performed under normal Cu(0) mediated ATRP conditions. Initiator methyl 2-bromopropionate, CuBr 2 , and Me 6 Tren were mixed in a 100 mL Schlenk tube in a ratio of [I] : [CuBr 2 ] : [Me 6 Tren] = 1 : 0.05 : 0.1. and tert-butyl acrylate (tBA) monomer was added along with acetone solvent. The solution was degassed by 3 freeze-pump-thaw cycles. During the last cycle, the Schlenk tube was filled with argon and a stir bar with a pre-activated copper wire (5 cm) was quickly added to the freezing reaction.
Schlenk 튜브를 아르곤으로 채우고, 밀봉하고, 비우고를 세 번하였다. 중합은 플라스크를 50℃의 미리 설정된 오일 bath에 두면서 시작하였고, > 90 % 전환에 도달하도록 하였다. 플라스크를 액체 질소에 담그고 반응 혼합물을 공기에 노출시켜 중합을 급냉시켰다. 혼합물을 DCM으로 희석하고 중성 알루미나 컬럼을 통해 여과하여 구리 촉매를 제거하였다. 희석된 혼합물을 감압 하에 회전 증발기를 통해 농축시켰다. 마지막으로, 생성물을 차가운 메탄올/물(5 : 5 v/v)에 침전시키고 진공에서 건조시켰다.The Schlenk tube was filled with argon, sealed and emptied three times. Polymerization was initiated by placing the flask in a pre-set oil bath at 50° C. to reach >90% conversion. The polymerization was quenched by immersing the flask in liquid nitrogen and exposing the reaction mixture to air. The mixture was diluted with DCM and filtered through a neutral alumina column to remove the copper catalyst. The diluted mixture was concentrated via a rotary evaporator under reduced pressure. Finally, the product was precipitated into cold methanol/water (5:5 v/v) and dried in vacuo.
NB-PtBA-NRC.NB-PtBA-NRC.
50 mL 둥근 바닥 플라스크에 [PtBA] : [NB-TEMPO] : [CuBr2] : [Me6Tren] = 1 : 1.0 : 1.1 : 1.1의 비율로 PtBA-Br, exo-norbornenyl-functionalized nitroxide radical, CuBr, Me6Tren과 톨루엔/DMSO(5:5 v/v)을 채웠다. 용액을 30 분 동안 아르곤으로 퍼징하여 탈산소화하고 아르곤이 채워진 글로브 박스에서 2시간 동안 실온에서 수행하였다. 혼합물을 DCM으로 희석하고 중성 알루미나 컬럼을 통해 여과하여 구리 촉매를 제거하였다. 희석된 혼합물을 감압 하에 회전 증발기를 통해 농축시켰다. 남은 잔류물을 아세톤으로 희석하고 투석관으로 옮기고 아세톤과 교반하여 미반응 NB-TEMPO를 제거하였다. 투석 후 용매를 제거하고 진공에서 건조시켰다.PtBA-Br, exo -norbornenyl-functionalized nitroxide radical, CuBr, Me 6 in a ratio of [PtBA]:[NB-TEMPO]:[CuBr2]:[Me6Tren] = 1:1.0:1.1:1.1 in a 50 mL round-bottom flask. Tren and toluene/DMSO (5:5 v/v) were charged. The solution was deoxygenated by purging with argon for 30 minutes and carried out in an argon-filled glove box for 2 hours at room temperature. The mixture was diluted with DCM and filtered through a neutral alumina column to remove the copper catalyst. The diluted mixture was concentrated via a rotary evaporator under reduced pressure. The remaining residue was diluted with acetone, transferred to a dialysis tube, and stirred with acetone to remove unreacted NB-TEMPO. After dialysis, the solvent was removed and dried in vacuo.
NB-PtBA (1K)NB-PtBA (1K)
1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm) 6.27 - 6.25 (m, 2H), 4.94 (dq, J = 10.9, 5.6, 4.2 Hz, 1H), 3.63 (d, J = 3.0 Hz, 3H), 3.43 (t, J = 7.4 Hz, 2H), 3.25 (t, J = 2.0 Hz, 2H), 2.65 (s, 2H), 2.27 - 2.16 (m, 9H), 1.61 - 1.07 (m, 147H). 1 H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm) 6.27 - 6.25 (m, 2H), 4.94 (dq, J = 10.9, 5.6, 4.2 Hz, 1H), 3.63 (d, J = 3.0 Hz, 3H), 3.43 (t, J = 7.4 Hz, 2H), 3.25 (t, J = 2.0 Hz, 2H), 2.65 (s, 2H), 2.27 - 2.16 (m, 9H), 1.61 - 1.07 (m, 147H).
NB-PtBA (4K)NB-PtBA (4K)
1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm) 6.31 (d, J = 2.1 Hz, 2H), 3.67 (d, J = 2.3 Hz, 3H), 3.47 (t, J = 7.5 Hz, 2H), 3.29 (s, 2H), 2.69 (s, 2H), 2.25 (qd, J = 16.9, 7.3 Hz, 26H), 1.46 (s, 240H). 1 H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm) 6.31 (d, J = 2.1 Hz, 2H), 3.67 (d, J = 2.3 Hz, 3H), 3.47 (t, J = 7.5 Hz, 2H), 3.29 (s, 2H), 2.69 (s, 2H), 2.25 (qd, J = 16.9, 7.3 Hz, 26H), 1.46 (s, 240H).
NB-PtBA (7K)NB-PtBA (7K)
1H NMR (500 MHz, CHLOROFORM-D) δ 6.27 (d, J = 2.0 Hz, 2H), 3.64 (d, J = 2.2 Hz, 3H), 3.46 - 3.42 (m, 2H), 3.26 (s, 2H), 2.94 (s, 1H), 2.87 (s, 1H), 2.32 - 2.14 (m, 76H), 1.42 (s, 710H). 1H NMR (500 MHz, CHLOROFORM- D ) δ 6.27 (d, J = 2.0 Hz, 2H), 3.64 (d, J = 2.2 Hz, 3H), 3.46 - 3.42 (m, 2H), 3.26 (s, 2H) ), 2.94 (s, 1H), 2.87 (s, 1H), 2.32 - 2.14 (m, 76H), 1.42 (s, 710H).
[반응식 3][Scheme 3]
4) ROMP를 통한 PNB-g-PtBA 합성4) Synthesis of PNB- g -P t BA through ROMP
NB-PtBA를 유리 바이알 A에 첨가하고 무수 DCM을 실온에서 글로브 박스에 첨가 하였다([NB-PtBA] = 0.05 M). G3를 별도의 바이알 B에 첨가하고 DCM에 용해시켰다([G3] = 0.005 M). G3 용액을 기밀 주사기([NB-PtBA]/[G3] = 표적 DP)를 사용하여 바이알 A에 주입하여 NB-PtBA의 ROMP를 시작하였다. 1시간 후, 글러브 박스에서 바이알 A를 제거하고 과량의 에틸 비닐 에테르로 중합을 급냉시켰다. PNB-g-PtBA 병솔형 폴리머를 차가운 메탄올로 침전시키고 진공에서 건조시켰다.NB-PtBA was added to glass vial A and anhydrous DCM was added to a glove box at room temperature ([NB-PtBA] = 0.05 M). G3 was added to separate vial B and dissolved in DCM ([G3] = 0.005 M). ROMP of NB-PtBA was initiated by injecting the G3 solution into vial A using a gas-tight syringe ([NB-PtBA]/[G3] = target DP). After 1 hour, vial A was removed from the glove box and the polymerization was quenched with an excess of ethyl vinyl ether. The PNB-g-PtBA bottle-type polymer was precipitated with cold methanol and dried in vacuo.
[반응식 4][Scheme 4]
5) PNB-g-PtBA의 가수분해 5) Hydrolysis of PNB- g -P t BA
교반 막대가 장착된 유리 바이알에서 PNB-g-PAA를 DCM에 용해시켰다. 과량의 트리플루오로아세트산(TFA)을 용액에 첨가하고 혼합물을 주위 온도에서 교반하였다. PtBA상의 tert-부틸기의 가수분해반응을 24시간 동안 진행하였다. 반응 혼합물을 여과지로 여과하고 과량의 DCM으로 세척하고 진공에서 건조시켰다. 생성된 폴리머 PNB-g-PAA는 흰색 또는 약간 노란색 고체로 얻었다. 이를 바인더(BBP 바인더)로 하여 전극을 제조하였다.PNB-g-PAA was dissolved in DCM in a glass vial equipped with a stir bar. An excess of trifluoroacetic acid (TFA) was added to the solution and the mixture was stirred at ambient temperature. The hydrolysis reaction of the tert-butyl group on PtBA proceeded for 24 hours. The reaction mixture was filtered through filter paper, washed with excess DCM and dried in vacuo. The resulting polymer PNB-g-PAA was obtained as a white or slightly yellow solid. An electrode was prepared using this as a binder (BBP binder).
합성예 2: PVDF-Synthesis Example 2: PVDF- gg -PAA-PAA
하기와 같은 단계로 병솔형 공중합체(BBP, PVDF-g-PAA)를 합성하였다.A bottle-type copolymer (BBP, PVDF-g-PAA) was synthesized in the following steps.
[반응식][reaction formula]
1) ATRP를 통한 PVDF-g-PtBA 합성1) Synthesis of PVDF- g -P t BA through ATRP
PVDF 주쇄의 플루오린기를 기점으로 PtBA 측쇄를 그래프팅하기 위하여 ATRP 중합법을 활용하였다. PVDF와 tBA, CuBr, CuBr2를 1 : 70 : 0.5 : 0.05 몰 비율로 DMF 용매에 녹여 아르곤 purging을 시켜 주었다, 충분히 degassing 된 것을 확인하고 ligand PMDETA를 0.1 몰 비율로 넣어주고 120°C 오일베스에 넣고 12 시간 교반 시켜 주었다. 중합이 끝난 후 alumina column을 통해 촉매와 리간드를 제거해 주었다. 정제 과정을 거친 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. The ATRP polymerization method was used to graft the P t BA side chain from the fluorine group of the PVDF main chain. PVDF, tBA , CuBr, and CuBr 2 were dissolved in a DMF solvent at a molar ratio of 1:70:0.5:0.05 and subjected to argon purging. was added and stirred for 12 hours. After the polymerization was completed, the catalyst and ligand were removed through an alumina column. After the purification process, it was dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
2) PVDF-g-PtBA의 가수분해를 통한 PVDF-g-PAA 합성2) Synthesis of PVDF- g -PAA through hydrolysis of PVDF- g -P t BA
교반 막대가 장착된 유리 바이알에서 PVDF-g-PtBA를 NMP에 용해시켰다. 과량의 트리플루오로아세트산(TFA)을 용액에 첨가하고 혼합물을 주위 온도에서 교반하였다. PtBA상의 tert-부틸기의 가수분해반응을 24시간 동안 진행하였다. 반응 혼합물을 여과지로 여과하고 과량의 DCM으로 세척하고 진공에서 건조시켰다. 생성된 폴리머 PVDF-g-PAA는 고체로 얻었다. PVDF- g -P t BA was dissolved in NMP in a glass vial equipped with a stir bar. An excess of trifluoroacetic acid (TFA) was added to the solution and the mixture was stirred at ambient temperature. The hydrolysis reaction of the tert-butyl group on P t BA proceeded for 24 hours. The reaction mixture was filtered through filter paper, washed with excess DCM and dried in vacuo. The resulting polymer PVDF- g -PAA was obtained as a solid.
합성예 3: PHEMA-BiBB-Synthesis Example 3: PHEMA-BiBB- gg -PAA-PAA
하기와 같은 단계로 병솔형 공중합체(BBP, PHEMA-BiBB-g-PAA)를 합성하였다.A bottle-type copolymer (BBP, PHEMA-BiBB- g -PAA) was synthesized in the following steps.
[반응식 1][Scheme 1]
1) 자유 라디칼 중합법을 통한 Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) 1) Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) through free radical polymerization
(PHEMA) 합성(PHEMA) synthesis
PHEMA 주쇄을 합성하기 위하여 자유 라디칼 중합법을 활용하였다. HEMA와 AIBN을 50 : 1 몰 비율로 toluene 용매에 녹여 아르곤 purging을 시켜 주었다, 충분히 degassing 된 것을 확인하고 90°C 오일베스에 넣고 1 시간 교반 시켜 주었다. 중합이 끝난 후 정제 과정을 거쳐 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. Free radical polymerization was used to synthesize the PHEMA backbone. HEMA and AIBN were dissolved in toluene solvent at a 50:1 molar ratio and argon purged. After confirming that they were sufficiently degassed, they were placed in a 90°C oil bath and stirred for 1 hour. After the polymerization was completed, it was purified and dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
2) ATRP 개시제를 포함한 PHEMA-BiBB 주쇄 합성2) Synthesis of PHEMA-BiBB main chain including ATRP initiator
ATRP 개시제를 갖는 PHEMA-BiBB 주쇄을 준비하기 위해 PHEMA의 수산화기와 triethyl amine을 1 : 1.5 의 몰 비율로 DCM 용매에 녹인 후 0°C에서 2-Bromo-2-methylpropionyl bromide를 1.2 몰 비율로 넣어주었다. 상온에서 하루 동안 교반 시켜 반응 후 증류수로 세 차례 washing해 주었다. 회전증발농축기로 DCM 용매를 제거해 준 다음, n-hexane 용매에 2번 침전 잡아 정제 후, 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. To prepare PHEMA-BiBB main chain with ATRP initiator, PHEMA hydroxyl group and triethyl amine were dissolved in DCM solvent at a molar ratio of 1:1.5, and then 2-Bromo-2-methylpropionyl bromide was added at a molar ratio of 1.2 at 0 °C. After the reaction was stirred at room temperature for one day, it was washed three times with distilled water. After removing the DCM solvent with a rotary evaporator, the mixture was precipitated twice in n -hexane solvent, purified, and dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
[반응식 2][Scheme 2]
1) ATRP를 통한 PHEMA-BiBB-g-PtBA 합성1) Synthesis of PHEMA-BiBB- g -P t BA through ATRP
PHEMA 주쇄에 포함된 BiBB 개시제를 사용하여 ATRP를 통해 PHEMA-BiBB-g-PtBA를 합성하였다. PHEMA-BiBB와 tBA, CuBr, CuBr2를 1 : 70 : 0.5 : 0.05 몰 비율로 toluene 용매에 녹여 아르곤 purging을 시켜 주었다, 충분히 degassing 된 것을 확인하고 ligand PMDETA를 0.1 몰 비율로 넣어주고 70°C 오일베스에 넣고 6 시간 교반 시켜 주었다. 중합이 끝난 후 alumina column을 통해 촉매와 리간드를 제거해 주었다. 정제 과정을 거친 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. PHEMA-BiBB- g -P t BA was synthesized through ATRP using the BiBB initiator included in the PHEMA main chain. PHEMA-BiBB and tBA, CuBr, CuBr 2 were dissolved in a toluene solvent at a molar ratio of 1:70:0.5:0.05 and argon purged. After confirming that they were sufficiently degassed, the ligand PMDETA was added at a molar ratio of 0.1 and 70°C oil It was put in a bath and stirred for 6 hours. After the polymerization was completed, the catalyst and ligand were removed through an alumina column. After the purification process, it was dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
2) PHEMA-BiBB-g-PtBA의 가수분해를 통한 PHEMA-BiBB-g-PAA 합성2) Synthesis of PHEMA-BiBB- g -PAA through hydrolysis of PHEMA-BiBB- g -P t BA
교반 막대가 장착된 유리 바이알에서 PHEMA-BiBB-g-PtBA를 DCM에 용해시켰다. 과량의 트리플루오로아세트산(TFA)을 용액에 첨가하고 혼합물을 주위 온도에서 교반하였다. PtBA상의 tert-부틸기의 가수분해반응을 24시간 동안 진행하였다. 반응 혼합물을 여과지로 여과하고 과량의 DCM으로 세척하고 진공에서 건조시켰다. 생성된 폴리머 PHEMA-BiBB-g-PAA는 고체로 얻었다. PHEMA-BiBB- g -P t BA was dissolved in DCM in a glass vial equipped with a stir bar. An excess of trifluoroacetic acid (TFA) was added to the solution and the mixture was stirred at ambient temperature. The hydrolysis reaction of the tert-butyl group on P t BA proceeded for 24 hours. The reaction mixture was filtered through filter paper, washed with excess DCM and dried in vacuo. The resulting polymer PHEMA-BiBB- g -PAA was obtained as a solid.
합성예 4: PHEMA-CTA1-Synthesis Example 4: PHEMA-CTA1- gg -PAA-PAA
하기와 같은 단계로 병솔형 공중합체(BBP, PHEMA-CTA1-g-PAA)를 합성하였다.A bottle-type copolymer (BBP, PHEMA-CTA1- g -PAA) was synthesized in the following steps.
[반응식 1][Scheme 1]
1) 자유 라디칼 중합법을 통한 Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) 1) Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) through free radical polymerization
(PHEMA) 합성(PHEMA) synthesis
PHEMA 주쇄은 위 합성예 3과 동일한 방법을 통하여 합성하였다. PHEMA main chain was synthesized through the same method as in Synthesis Example 3 above.
2) Trithiocarbonate 기반 RAFT 사슬이동제 (chain transfer agent)를 포함한 PHEMA-CTA1 주쇄 합성2) Synthesis of PHEMA-CTA1 main chain including trithiocarbonate-based RAFT chain transfer agent
Trithiocarbonate 기반 RAFT 사슬 이동제(CTA)를 갖는 PHEMA 주쇄을 준비하기 위해 PHEMA의 수산화기와 trithio carbonate RAFT CTA1 (4-Cyano-4-[(dodecyl sulfanylthiocarbonyl) sulfanyl] pentanoic acid), EDC, DMAP을 1 : 1.5 : 1.5 : 0.3 의 몰 비율로 DCM 용매에 녹여 상온에서 하루 동안 교반 시켜 주었다. 반응이 끝난 후 증류수로 세 차례 washing해 주었다. 회전증발농축기로 DCM 용매를 제거해 준 다음, 정제 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. To prepare a PHEMA main chain with a trithiocarbonate-based RAFT chain transfer agent (CTA), the hydroxyl group of PHEMA and trithio carbonate RAFT CTA1 (4-Cyano-4-[(dodecyl sulfanylthiocarbonyl) sulfanyl] pentanoic acid), EDC, and DMAP were mixed at a ratio of 1 : 1.5 : 1.5. : It was dissolved in DCM solvent at a molar ratio of 0.3 and stirred at room temperature for one day. After the reaction was completed, it was washed three times with distilled water. The DCM solvent was removed using a rotary evaporator, and after purification, the mixture was dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
[반응식 2][Scheme 2]
1) RAFT를 통한 PHEMA-CTA1-g-PtBA 합성1) Synthesis of PHEMA-CTA1- g - PtBA through RAFT
PHEMA 주쇄에 포함된 RAFT CTA를 활용하여 RAFT를 통해 PHEMA-CTA1-g-PtBA를 합성하였다. PHEMA-CTA1, tBA, AIBN을 1 : 70 : 0.1 몰 비율로 toluene 용매에 녹여 아르곤 purging을 시켜 주었다, 충분히 degassing 된 것을 확인하고 70°C 오일베스에 넣고 6 시간 교반 시켜 주었다. 중합이 끝난 후 정제 과정을 거친 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. PHEMA-CTA1- g -P tBA was synthesized through RAFT using RAFT CTA included in the PHEMA main chain. PHEMA-CTA1, tBA, and AIBN were dissolved in toluene solvent at a molar ratio of 1:70:0.1 and subjected to argon purging. After confirming that they were sufficiently degassed, they were put in a 70°C oil bath and stirred for 6 hours. After the polymerization was completed, it was purified and dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
2) PHEMA-CTA1-g-PtBA의 가수분해를 통한 PHEMA-CTA1-g-PAA 합성2) Synthesis of PHEMA-CTA1- g -PAA through hydrolysis of PHEMA-CTA1- g -P t BA
PHEMA-CTA1-g-PAA를 합성하기 위한 PHEMA-CTA1-g-PtBA의 가수분해는 합성예 3과 같은 방법을 통하여 합성하였다. Hydrolysis of PHEMA-CTA1- g - P t BA to synthesize PHEMA-CTA1- g -PAA was synthesized through the same method as in Synthesis Example 3.
합성예 5: PHEMA-CTA2-Synthesis Example 5: PHEMA-CTA2- gg -PAA-PAA
하기와 같은 단계로 병솔형 공중합체(BBP, PHEMA-CTA2-g-PAA)를 합성하였다.A bottle-type copolymer (BBP, PHEMA-CTA2- g -PAA) was synthesized in the following steps.
[반응식 1][Scheme 1]
1) 자유 라디칼 중합법을 통한 Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) 1) Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) through free radical polymerization
(PHEMA) 합성(PHEMA) synthesis
PHEMA 주쇄은 위 합성예 3과 동일한 방법을 통하여 합성하였다. PHEMA main chain was synthesized through the same method as in Synthesis Example 3 above.
2) Dithiocarbonate 기반 RAFT 사슬이동제 (chain transfer agent)를 포함한 PHEMA-CTA2 주쇄 합성2) Synthesis of PHEMA-CTA2 main chain including dithiocarbonate-based RAFT chain transfer agent
Dithiocarbonate 기반 RAFT 사슬 이동제(CTA)를 갖는 PHEMA-CTA2 주쇄을 준비하기 위해 PHEMA의 수산화기와 Dithio carbonate RAFT CTA2 (4-Cyano-4-(phenylcarbonothioylthio)pentanoic acid), EDC, DMAP을 1 : 1.5 : 1.5 : 0.3 의 몰 비율로 DCM 용매에 녹여 상온에서 하루 동안 교반 시켜 주었다. 반응이 끝난 후 증류수로 세 차례 washing해 주었다. 회전증발농축기로 DCM 용매를 제거해 준 다음, 정제 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. To prepare PHEMA-CTA2 main chain with dithiocarbonate-based RAFT chain transfer agent (CTA), PHEMA's hydroxyl group and dithio carbonate RAFT CTA2 (4-Cyano-4-(phenylcarbonothioylthio)pentanoic acid), EDC, and DMAP were mixed at a ratio of 1:1.5:1.5:0.3 It was dissolved in DCM solvent at a molar ratio and stirred at room temperature for one day. After the reaction was completed, it was washed three times with distilled water. The DCM solvent was removed using a rotary evaporator, and after purification, the mixture was dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
[반응식 2][Scheme 2]
1) RAFT를 통한 PHEMA-CTA2-g-PtBA 합성1) Synthesis of PHEMA-CTA2- g - PtBA through RAFT
PHEMA 주쇄에 포함된 RAFT CTA를 활용하여 RAFT를 통해 PHEMA-CTA2-g-PtBA를 합성하였다. PHEMA-CTA2, tBA, AIBN을 1 : 70 : 0.1 몰 비율로 toluene 용매에 녹여 아르곤 purging을 시켜 주었다, 충분히 degassing 된 것을 확인하고 70°C 오일베스에 넣고 6 시간 교반 시켜 주었다. 중합이 끝난 후 정제 과정을 거친 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. PHEMA-CTA2- g -P tBA was synthesized through RAFT using RAFT CTA included in the PHEMA main chain. PHEMA-CTA2, tBA, and AIBN were dissolved in toluene solvent at a molar ratio of 1:70:0.1 and subjected to argon purging. After confirming that they were sufficiently degassed, they were put in a 70°C oil bath and stirred for 6 hours. After the polymerization was completed, it was purified and dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
2) PHEMA-CTA2-g-PtBA의 가수분해를 통한 PHEMA-CTA2-g-PAA 합성2) Synthesis of PHEMA-CTA2- g -PAA through hydrolysis of PHEMA-CTA2- g -P t BA
PHEMA-CTA2-g-PAA를 합성하기 위한 PHEMA-CTA2-g-PtBA의 가수분해는 합성예 2와 같은 방법을 통하여 합성하였다. Hydrolysis of PHEMA-CTA2- g - P t BA to synthesize PHEMA-CTA2- g -PAA was synthesized through the same method as in Synthesis Example 2.
합성예 6: PVA-BiBB-Synthesis Example 6: PVA-BiBB- gg -PAA-PAA
하기와 같은 단계로 병솔형 공중합체(BBP, PVA-BiBB-g-PAA)를 합성하였다.A bottle-type copolymer (BBP, PVA-BiBB- g -PAA) was synthesized in the following steps.
[반응식 1][Scheme 1]
ATRP 개시제를 포함한 PVA-BiBB 주쇄 합성Synthesis of PVA-BiBB backbone with ATRP initiator
ATRP 개시제를 갖는 PVA-BiBB 주쇄을 준비하기 위해 PVA의 수산화기와 triethyl amine을 1 : 1.5 의 몰 비율로 DCM 용매에 녹인 후 0°C에서 2-Bromo-2-methylpropionyl bromide를 1.2 몰 비율로 넣어주었다. 상온에서 하루 동안 교반 시켜 반응 후 증류수로 세 차례 washing해 주었다. 회전증발농축기로 DCM 용매를 제거해 준 다음, n-hexane 용매에 2번 침전 잡아 정제 후, 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. To prepare the PVA-BiBB main chain with ATRP initiator, PVA hydroxyl group and triethyl amine were dissolved in DCM solvent at a molar ratio of 1:1.5, and 2-Bromo-2-methylpropionyl bromide was added at a molar ratio of 1.2 at 0 °C. After the reaction was stirred at room temperature for one day, it was washed three times with distilled water. After removing the DCM solvent with a rotary evaporator, the mixture was precipitated twice in n -hexane solvent, purified, and dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
[반응식 2][Scheme 2]
1) ATRP를 통한 PVA-g-PtBA 합성1) Synthesis of PVA- g -P t BA through ATRP
PVA 주쇄에 포함된 BiBB 개시제를 사용하여 ATRP를 통해 PVA-BiBB-g-PtBA를 합성하였다. PVA-BiBB와 tBA, CuBr, CuBr2를 1 : 70 : 0.5 : 0.05 몰 비율로 toluene 용매에 녹여 아르곤 purging을 시켜 주었다, 충분히 degassing 된 것을 확인하고 ligand PMDETA를 0.1 몰 비율로 넣어주고 70°C 오일베스에 넣고 6 시간 교반 시켜 주었다. 중합이 끝난 후 alumina column을 통해 촉매와 리간드를 제거해 주었다. 정제 과정을 거친 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. PVA-BiBB- g -P t BA was synthesized through ATRP using the BiBB initiator included in the PVA main chain. PVA-BiBB, tBA , CuBr, and CuBr 2 were dissolved in a toluene solvent at a molar ratio of 1:70:0.5:0.05 and argon purged. After confirming that they were sufficiently degassed, the ligand PMDETA was added at a molar ratio of 0.1 and heated to 70°C. It was put in an oil bath and stirred for 6 hours. After the polymerization was completed, the catalyst and ligand were removed through an alumina column. After the purification process, it was dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
2) PVA-BiBB-g-PtBA의 가수분해를 통한 PVA-BiBB-g-PAA 합성2) Synthesis of PVA-BiBB- g -PAA through hydrolysis of PVA-BiBB- g -P t BA
PVA-BiBB-g-PAA를 합성하기 위한 PVA-BiBB-g-PtBA의 가수분해는 합성예 3과 같은 방법을 통하여 합성하였다. Hydrolysis of PVA-BiBB- g -P t BA to synthesize PVA-BiBB- g -PAA was synthesized through the same method as in Synthesis Example 3.
합성예 7: PVA-CTA1-Synthesis Example 7: PVA-CTA1- gg -PAA-PAA
하기와 같은 단계로 병솔형 공중합체(BBP, PVA-CTA1-g-PAA)를 합성하였다.A bottle-type copolymer (BBP, PVA-CTA1- g -PAA) was synthesized in the following steps.
[반응식 1][Scheme 1]
1) Trithiocarbonate 기반 RAFT 사슬이동제 (chain transfer agent)를 포함한 PVA-CTA1 주쇄 합성1) Synthesis of PVA-CTA1 main chain including trithiocarbonate-based RAFT chain transfer agent
Trithiocarbonate 기반 RAFT 사슬 이동제(CTA1)를 갖는 PVA 주쇄을 준비하기 위해 PVA의 수산화기와 trithio carbonate RAFT CTA1 (4-Cyano-4-[(dodecyl sulfanylthiocarbonyl) sulfanyl] pentanoic acid), EDC, DMAP을 1 : 1.5 : 1.5 : 0.3 의 몰 비율로 DCM 용매에 녹여 상온에서 하루 동안 교반 시켜 주었다. 반응이 끝난 후 증류수로 세 차례 washing해 주었다. 회전증발농축기로 DCM 용매를 제거해 준 다음, 정제 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. To prepare a PVA main chain with trithiocarbonate-based RAFT chain transfer agent (CTA1), the hydroxyl group of PVA and trithio carbonate RAFT CTA1 (4-Cyano-4-[(dodecyl sulfanylthiocarbonyl) sulfanyl] pentanoic acid), EDC, and DMAP were mixed at a ratio of 1: 1.5: 1.5. : It was dissolved in DCM solvent at a molar ratio of 0.3 and stirred at room temperature for one day. After the reaction was completed, it was washed three times with distilled water. The DCM solvent was removed using a rotary evaporator, and after purification, the mixture was dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
[반응식 2][Scheme 2]
1) RAFT를 통한 PVA-CTA1-g-PtBA 합성1) Synthesis of PVA-CTA1- g - PtBA through RAFT
PVA 주쇄에 포함된 RAFT CTA1를 활용하여 RAFT를 통해 PVA-CTA1-g-PtBA를 합성하였다. PVA-CTA1, tBA, AIBN을 1 : 70 : 0.1 몰 비율로 toluene 용매에 녹여 아르곤 purging을 시켜 주었다, 충분히 degassing 된 것을 확인하고 70°C 오일베스에 넣고 6 시간 교반 시켜 주었다. 중합이 끝난 후 정제 과정을 거친 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. PVA-CTA1- g -P tBA was synthesized through RAFT using RAFT CTA1 included in the PVA main chain. PVA-CTA1, tBA, and AIBN were dissolved in a toluene solvent at a molar ratio of 1:70:0.1 and subjected to argon purging. After confirming that they were sufficiently degassed, they were put in a 70°C oil bath and stirred for 6 hours. After the polymerization was completed, it was purified and dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
2) PVA-CTA1-g-PtBA의 가수분해를 통한 PVA-CTA1-g-PAA 합성2) Synthesis of PVA-CTA1- g -PAA through hydrolysis of PVA-CTA1- g -P t BA
PVA-CTA1-g-PAA를 합성하기 위한 PVA-CTA1-g-PtBA의 가수분해는 합성예 3과 같은 방법을 통하여 합성하였다. Hydrolysis of PVA-CTA1- g -P t BA to synthesize PVA-CTA1- g -PAA was synthesized through the same method as in Synthesis Example 3.
합성예 8: PVA-CTA2-Synthesis Example 8: PVA-CTA2- gg -PAA-PAA
하기와 같은 단계로 병솔형 공중합체(BBP, PVA-CTA2-g-PAA)를 합성하였다.A bottle-type copolymer (BBP, PVA-CTA2- g -PAA) was synthesized in the following steps.
[반응식 1][Scheme 1]
1) Dithiocarbonate 기반 RAFT 사슬이동제 (chain transfer agent)를 포함한 PVA-CTA2 주쇄 합성1) Synthesis of PVA-CTA2 main chain including dithiocarbonate-based RAFT chain transfer agent
Dithiocarbonate 기반 RAFT 사슬 이동제(CTA)를 갖는 PVA-CTA2 주쇄을 준비하기 위해 PVA의 수산화기와 Dithio carbonate RAFT CTA2 (4-Cyano-4-(phenylcarbonothioylthio)pentanoic acid), EDC, DMAP을 1 : 1.5 : 1.5 : 0.3 의 몰 비율로 DCM 용매에 녹여 상온에서 하루 동안 교반 시켜 주었다. 반응이 끝난 후 증류수로 세 차례 washing해 주었다. 회전증발농축기로 DCM 용매를 제거해 준 다음, 정제 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. To prepare the PVA-CTA2 main chain with dithiocarbonate-based RAFT chain transfer agent (CTA), the hydroxyl group of PVA and dithio carbonate RAFT CTA2 (4-Cyano-4-(phenylcarbonothioylthio)pentanoic acid), EDC, and DMAP were mixed at a ratio of 1:1.5:1.5:0.3 It was dissolved in DCM solvent at a molar ratio and stirred at room temperature for one day. After the reaction was completed, it was washed three times with distilled water. The DCM solvent was removed using a rotary evaporator, and after purification, the mixture was dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
[반응식 2][Scheme 2]
1) RAFT를 통한 PVA-CTA2-g-PtBA 합성1) Synthesis of PVA-CTA2- g - PtBA through RAFT
PVA 주쇄에 포함된 RAFT CTA2를 활용하여 RAFT를 통해 PVA-CTA2-g-PtBA를 합성하였다. PVA-CTA2, tBA, AIBN을 1 : 70 : 0.1 몰 비율로 toluene 용매에 녹여 아르곤 purging을 시켜 주었다, 충분히 degassing 된 것을 확인하고 70°C 오일베스에 넣고 6 시간 교반 시켜 주었다. 중합이 끝난 후 정제 과정을 거친 후 50°C 오븐에서 24 시간 감압하여 건조하였다. PVA-CTA2- g -P tBA was synthesized through RAFT using RAFT CTA2 included in the PVA backbone. PVA-CTA2, tBA, and AIBN were dissolved in a toluene solvent at a molar ratio of 1:70:0.1 and subjected to argon purging. After confirming that the mixture was sufficiently degassed, it was placed in a 70°C oil bath and stirred for 6 hours. After the polymerization was completed, it was purified and dried under reduced pressure in an oven at 50 °C for 24 hours.
2) PVA-CTA2-g-PtBA의 가수분해를 통한 PVA-CTA2-g-PAA 합성2) Synthesis of PVA-CTA2- g -PAA through hydrolysis of PVA-CTA2- g -P t BA
PVA-CTA2-g-PAA를 합성하기 위한 PVA-CTA2-g-PtBA의 가수분해는 합성예 3과 같은 방법을 통하여 합성하였다. Hydrolysis of PVA-CTA2- g -P t BA to synthesize PVA-CTA2- g -PAA was synthesized through the same method as in Synthesis Example 3.
실시예 1: 전극 제조Example 1: electrode preparation
97wt%의 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811, LG chem.), 2 wt% 카본블랙(Super C65), BBP 바인더(PNB-g-PAA) 1 wt%로 구성된 n-메틸 피롤리돈(NMP) 용매 기반 슬러리를 주조하여 BBP 바인더가 있는 NCM811 캐소드(즉, BBP cathodes)를 제작하였다.97wt% of LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811, LG chem.), 2 wt% carbon black (Super C65), n-methyl pyrrolidone (which is composed of 1 wt% of BBP binder (PNB-g-PAA)) NCM811 cathodes (i.e., BBP cathodes) with BBP binder were fabricated by casting a solvent-based slurry (NMP).
비교예 1: 전극 제조Comparative Example 1: Electrode Preparation
PVdF 캐소드는 바인더로 PVdF를 사용한 것이외에 상기 실시예 1과 동일한 조성 및 동일한 방법을 사용하여 제작하였다. A PVdF cathode was prepared using the same composition and method as in Example 1 except that PVdF was used as a binder.
셀(cell) 조립cell assembly
BBP 캐소드의 전기 화학적 성능은 2032-tyle 코인 셀(BBP 캐소드/폴리에틸렌 분리막(두께 = 20μm, Toray-Tonen)/Li 금속 애노드(200μm))을 사용하여 측정하였다. 10wt% FEC 및 2wt% VC 첨가제와 함께 EC/EMC = 3/7(w/w)에서 1M LiPF6의 액체 전해질을 사용하였다. 셀은 아르곤으로 채워진 글러브 박스에서 조립되었다.The electrochemical performance of the BBP cathode was measured using a 2032-type coin cell (BBP cathode/polyethylene separator (thickness = 20 μm, Toray-Tonen)/Li metal anode (200 μm)). A liquid electrolyte of 1 M LiPF 6 at EC/EMC = 3/7 (w/w) with 10 wt% FEC and 2 wt% VC additive was used. Cells were assembled in an argon-filled glove box.
[평가][evaluation]
하기와 같이 BBP 바인더의 전기화학적/물리적 특성을 조사하고, PVDF 바인더(대조 샘플)와 비교하여 BBP 바인더의 가능성을 조사하였다.The electrochemical/physical properties of the BBP binder were investigated as follows, and the potential of the BBP binder was investigated in comparison with the PVDF binder (control sample).
[평가방법][Assessment Methods]
BBP 바인더의 구조적/물리화학적 특성Structural/physicochemical properties of BBP binders
1) BBP 바인더의 electrochemical stability window는 작업 전극(스테인레스 스틸)과 카운터/기준 전극(Li 금속)에서 LSV(Linear Sweep Voltammetry)을 사용하여 조사하였고, LSV 측정은 1.0mV s-1의 스캔 속도로 수행하였다. 1) The electrochemical stability window of the BBP binder was investigated using LSV (Linear Sweep Voltammetry) on the working electrode (stainless steel) and counter/reference electrode (Li metal), and the LSV measurement was performed at a scan rate of 1.0mV s -1 did
2) 캐소드 활성층과 Al 집전체 사이의 접착강도는 300mm min-1의 박리 속도에서 범용 시험기(DA-01, Petrol LAB)로 측정하였다. 2) The adhesive strength between the cathode active layer and the Al current collector was measured with a universal tester (DA-01, Petrol LAB) at a peeling rate of 300 mm min -1 .
3) 전해질 팽윤 시험을 위해 바인더 필름을 60℃에서 액체 전해질에 담그고 전해질 침지 전후의 부피변화를 측정하였다.3) For the electrolyte swelling test, the binder film was immersed in the liquid electrolyte at 60° C., and the volume change before and after electrolyte immersion was measured.
4) BBP 바인더의 전이금속 이온 킬레이트 능력을 정량적으로 추정하기 위해 과염소산 망간 용액(EC/DEC = 1/1(v/v)에서 1M LiPF6을 포함하는 10mM Mn(ClO4)2)을 모델 솔루션으로 준비하였다. 실온에서 2시간 동안 용액에 담근 후 DMC 용매로 세척한 후 포획된 Mn2+의 양을 ICP-MS(ELAN DRC-2, Perkin Elmer)분석으로 측정하였다. 4) To quantitatively estimate the transition metal ion chelating ability of the BBP binder, a manganese perchlorate solution (10 mM Mn(ClO 4 ) 2 containing 1 M LiPF 6 at EC/DEC = 1/1 (v/v)) was used as a model solution. prepared with After being immersed in the solution at room temperature for 2 hours, washed with DMC solvent, the amount of Mn 2+ captured was measured by ICP-MS (ELAN DRC-2, Perkin Elmer) analysis.
5) NMP 현탁액에서 캐소드 성분의 분산 상태를 특성화하기 위해 혼합물 현탁액(Combi-514R, Hanil Science Medical)을 2000rpm에서 30분동안 원심분리하여 상층액을 얻은 후 자외선-가시분광법(UV-vis , Agilent, Cary 5000)을 수행하였다. 5) In order to characterize the dispersion state of the cathode component in the NMP suspension, the mixture suspension (Combi-514R, Hanil Science Medical) was centrifuged at 2000 rpm for 30 minutes to obtain a supernatant, and then ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis, Agilent, Cary 5000) was performed.
6) 캐소드 슬러리의 분산 상태는 multiphoton confocal microscope(LSM 780 NLO, Carl Zeiss)을 사용하여 fluorescent confocal images로도 분석하였다.6) The dispersion state of the cathode slurry was also analyzed by fluorescent confocal images using a multiphoton confocal microscope (LSM 780 NLO, Carl Zeiss).
BBP 바인더를 포함한 NCM811 캐소드의 구조적/물리화학적 특성Structural/Physicochemical Characteristics of NCM811 Cathode with BBP Binder
NCM811 캐소드의 표면 및 단면 형태는 Field Emission Secondary Electron Microscopy(FE-SEM, S-4800, Hitachi) 및 energy-dispersive X-ray spectroscopy(EDS, JSM 6400, JEOL)을 사용하여 조사하였다. NCM811 캐소드의 전기 저항과 접촉 저항은 전극 측정 시스템(RM2610, Hioki)을 사용하여 측정하였다. Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry(ICP-MS ELAN DRC-2, Perkin Elmer) 분석을 수행하여 사이클링 테스트 후 Li 금속 양극에 증착된 금속(Ni, Co 및 Mn)을 정량적으로 추정하였다. 충전된 NCM811과 액체 전해질 사이에서 발생하는 계면 발열 반응은 Differential Scanning Calorimetry(DSC, Q200, TA)을 사용하여 조사하였고, 셀(cell)은 0.1C의 전류밀도에서 4.2V로 충전한 후 글로브 박스에서 충전된 전극을 얻기 위해 분해하였다.The surface and cross-sectional morphology of the NCM811 cathode were investigated using Field Emission Secondary Electron Microscopy (FE-SEM, S-4800, Hitachi) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS, JSM 6400, JEOL). The electrical resistance and contact resistance of the NCM811 cathode were measured using an electrode measurement system (RM2610, Hioki). Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICP-MS ELAN DRC-2, Perkin Elmer) analysis was performed to quantitatively estimate the metals (Ni, Co, and Mn) deposited on the Li metal anode after the cycling test. The interfacial exothermic reaction between the charged NCM811 and the liquid electrolyte was investigated using Differential Scanning Calorimetry (DSC, Q200, TA). It was disassembled to obtain a charged electrode.
cell 성능cell performance
다양한 충전/방전 조건에서 사이클러 테스트(PNE 솔루션)를 사용하여 셀 성능을 조사하였다. GITT 프로파일과 셀의 AC 임피던스는 potentiostat/galvanostat(VSP classic, Bio-Logic)를 사용하여 얻었다. 전극에서 Li+ 이온의 확산 계수(diffusion coefficients)는 GITT 결과에서 얻었다. 확산 계수는 다음 식 1을 사용하여 계산하였다.The cell performance was investigated using the cycler test (PNE solution) under various charge/discharge conditions. The GITT profile and AC impedance of the cell were obtained using a potentiostat/galvanostat (VSP classic, Bio-Logic). Diffusion coefficients of Li + ions in the electrode were obtained from GITT results. The diffusion coefficient was calculated using
[식 1][Equation 1]
상기 식에서, mB는 NCM811의 질량, MB는 NCM811(97.28 g mol-1)의 몰 질량, VM은 NCM811(20.53 cm3 mol-1)의 몰 부피, S는 전극의 면적(1.13 cm2), τ는 전류 펄스 시간 기간, ΔEs는 단일 GITT 단계 동안의 전압 변화, ΔEτ는 정전류 단계 동안의 전체 셀 전압 변화이다.In the above formula, m B is the mass of NCM811, MB is the molar mass of NCM811 (97.28 g mol -1 ), VM is the molar volume of NCM811 (20.53 cm 3 mol -1 ), S is the area of the electrode (1.13 cm 2 ), where τ is the current pulse time period, ΔE s is the voltage change during a single GITT step, and ΔE τ is the whole cell voltage change during a constant current step.
[결과][result]
1) 분자량 및 변화율 측정1) Measurement of molecular weight and rate of change
상기 3개의 다른 측쇄 길이, 1k, 4k, 7k를 가진 3개의 병솔형 폴리머에 대하여 GPC-MALLS를 사용하여 측정하였다. 이의 결과를 도 3에 나타내었다. 노보린 모이어티가 있는 측쇄의 완전한 말단 변형은 NMR을 사용하여 확인하였다. 중합도는 100으로 고정하고 GPC-MALLS와 NMR을 이용하여 100%의 반응 전환율을 확인하였다. The three bottle type polymers with the three different side chain lengths, 1k, 4k and 7k, were measured using GPC-MALLS. The results are shown in Figure 3. Complete terminal modification of the side chain with the novolin moiety was confirmed using NMR. The degree of polymerization was fixed at 100, and a reaction conversion rate of 100% was confirmed using GPC-MALLS and NMR.
2) Linear Sweep Voltammetry 프로파일2) Linear Sweep Voltammetry Profile
도 4는 BBP 필름 및 PVdF 필름의 LSV(Linear Sweep Voltammetry) 프로파일이다. 도 4를 참조하면, BBP 필름의 Linear Sweep Voltammetry 프로파일은 PVdF 필름과 비슷한 전기화학적 안정성을 보여주었다. 4 is a linear sweep voltammetry (LSV) profile of a BBP film and a PVdF film. Referring to FIG. 4 , the linear sweep voltammetry profile of the BBP film showed similar electrochemical stability to that of the PVdF film.
2) 접착력 테스트2) Adhesion test
도 5는 병솔형 공중합체의 측쇄 길이에 따른 BBP 필름과 집전체 사이의 접착력 테스트 결과이다. 도 5를 참조하면, 접착력은 측쇄 길이가 증가함에 따라 더 높은 경향을 보였다. 5 is a test result of adhesion between a BBP film and a current collector according to the side chain length of a bottle brush type copolymer. Referring to Figure 5, the adhesive strength tended to be higher as the side chain length increased.
3) 전해질 팽창율 3) Expansion rate of electrolyte
도 6은 BBP 필름의 전해질 팽윤 시험 결과이다. 도 6을 참조하면 1k 및 4k의 측쇄 길이를 가진 BBP 필름은 액체 전해질(EC/DEC에서 1M LiPF6)로 거의 부풀어 오르지 않았다. 그러나 측쇄 길이가 증가한 7k BBP 필름은 부피가 증가하여 전해질 팽창을 나타냈다.6 is an electrolyte swelling test result of a BBP film. Referring to FIG. 6 , the BBP films with side chain lengths of 1k and 4k hardly swelled with liquid electrolyte (1M LiPF 6 in EC/DEC). However, the 7k BBP film with increased side chain length exhibited electrolyte swelling due to an increase in volume.
4) BBP바인더와 PVdF 비교평가4) Comparative evaluation of BBP binder and PVdF
측쇄 길이가 4k인 BBP 필름과 PVdF 필름의 특성을 비교하였다.The properties of the BBP film having a side chain length of 4k and the PVdF film were compared.
도 7(A)는 BBP 필름과 PVdF 필름의 접착력 테스트 결과이다. 도 7(A)를 참조하면, BBP 필름은 PVdF 필름(0.18 N cm-1)보다 Al 집전체에서 더 높은 접착력 (3.76 N cm-1)을 보여주었다. 7(A) is a test result of adhesion between a BBP film and a PVdF film. Referring to FIG. 7(A), the BBP film showed higher adhesion (3.76 N cm −1 ) to the Al current collector than the PVdF film (0.18 N cm −1 ).
도 7(B)는 BBP 필름과 PVdF 필름의 전해질 팽창율에 대한 실험 결과이다. 이를 참조하면, 높은 접착력 외에도 BBP 필름은 액체 전해질로 거의 부풀지 않은 반면 PVdF 필름은 부피 변화가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 BBP가 전극 바인더의 트레이드 오프 문제(즉, 접착력 대 전해질 팽창)를 해결하기 위해 합리적으로 설계되었음을 보여준다. 7(B) is an experimental result of the electrolyte expansion rate of the BBP film and the PVdF film. Referring to this, in addition to the high adhesive strength, it can be seen that the BBP film hardly swells with the liquid electrolyte, while the PVdF film has an increased volume change. These results show that the BBP is rationally designed to solve the electrode binder trade-off problem (i.e., adhesion versus electrolyte swelling).
5) 킬레이트화5) Chelation
금속 이온 킬레이트 능력을 검사하기 위해 BBP 필름을 모델 액체 전해질(10mM 과염소산 망간[Mn(ClO4)2] 함유 탄산염 액체 전해질(EC/DEC에서 1M LiPF6(1/1 v/v))에 2시간 동안 담궜다. 갇힌 Mn2+를 ICP-MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)을 사용하여 정량적 계산을 하였고, 결과를 도 7(C)에 나타내었다. 도 7(C)를 참조하면, BBP 필름에 포획된 Mn2+(180ppm)의 양이 PVdF 필름의 양(15ppm)보다 상당히 높은 것과 BBP 바인더의 AA 측쇄가 Mn2+를 효과적으로 킬레이트화한 것을 확인할 수 있다.To examine the metal ion chelating ability, the BBP film was subjected to a model liquid electrolyte (10 mM manganese perchlorate [Mn(ClO 4 ) 2 ] containing carbonate liquid electrolyte (1 M LiPF 6 (1/1 v/v) in EC/DEC) for 2 h. The trapped Mn 2+ was quantitatively calculated using ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry), and the results are shown in Fig. 7(C). It was confirmed that the amount of Mn 2+ (180 ppm) was significantly higher than that of the PVdF film (15 ppm) and that the AA side chain of the BBP binder effectively chelated Mn 2+ .
6) 슬러리 분산6) Slurry Dispersion
NCM811 입자를 n-메틸-2-피롤리돈(NMP)용매에서 NCM811/BBP=80/20(w/w)의 조성비로 BBP 바인더와 혼합하였다. 그 후 원심 분리를 통해 상층액을 얻은 다음 자외선 가시분광법(UV-vis)을 통해 분산 상태를 조사하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8을 참조하면, BBP 바인더 함유 용액은 PVdF 바인더 함유 용액보다 더 강한 흡광도를 보여, 더 나은 분산 상태를 나타내었다. NCM811 particles were mixed with BBP binder in a composition ratio of NCM811/BBP=80/20 (w/w) in n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent. Thereafter, the supernatant was obtained through centrifugation, and then the dispersion state was investigated through ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis), and the results are shown in FIG. 8. Referring to FIG. 8, the BBP binder-containing solution showed a stronger absorbance than the PVdF binder-containing solution, indicating a better dispersion state.
BBP 바인더의 이러한 효과는 슬러리의 조성비가 NCM811/카본 블랙/BBP 바인더=97/2/1(w/w/w)인 캐소드 슬러리의 CT(micro-computed tomography) 분석으로 추가 확인하였고, 이의 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9를 참조하면, 인셋(inset) 사진에서 두 슬러리 사이에 눈에 띄는 차이는 없지만 NCM811 입자와 카본 블랙은 BBP 슬러리에 균일하게 분산되어있는 반면, PVdF 슬러리에서는 입자 혼합물의 일부 응집체가 관찰되었다. 이 결과로는 잘 분산된 캐소드 슬러리를 얻기 위해 BBP 바인더가 중요한 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.This effect of the BBP binder was further confirmed by CT (micro-computed tomography) analysis of the cathode slurry whose composition ratio was NCM811/carbon black/BBP binder = 97/2/1 (w/w/w), and the results were shown in Figure 9. Referring to FIG. 9, although there is no noticeable difference between the two slurries in the inset picture, NCM811 particles and carbon black are uniformly dispersed in the BBP slurry, whereas some agglomerates of the particle mixture are observed in the PVdF slurry. This result confirms that the BBP binder plays an important role in obtaining a well-dispersed cathode slurry.
BBP 캐소드의 구조적/전기화학적 특성Structural/electrochemical properties of the BBP cathode
NCM811 캐소드는 Al집전체에 캐소드 슬러리(NCM811/카본 블랙/바인더(BBP 또는 PVdF)= 97/2/1(w/w/w))를 캐스팅하여 제작하였다. The NCM811 cathode was fabricated by casting a cathode slurry (NCM811/carbon black/binder (BBP or PVdF) = 97/2/1 (w/w/w)) on an Al current collector.
1) 전극 두께1) Electrode thickness
도 10 및 도 11은 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 단면 및 표면에 대한 SEM 이미지이다. 도 10을 참조하면, 제작된 NCM811 캐소드는 BBP 및 PVdF 바인더 모두에 대해 ~16mg cm-2의 면적 질량 부하(areal mass loading)와 ~ 62μm의 두께를 나타냈었다. 도 11를 참조하면, PVdF 바인더가 있는 NCM811 캐소드(이하, PVdF 캐소드라고 함)은 입자가 일부 응집체와 함께 균일하게 분산되지 않았음을 보여준다(도 11(왼쪽)). 이에 비해 BBP 바인더를 사용한 NCM811 캐소드(BBP 캐소드라고 함)은 구성 요소의 균일한 분산 상태를 나타낸다(도 11(오른쪽)). 10 and 11 are SEM images of cross-sections and surfaces of a BBP cathode and a PVdF cathode. Referring to FIG. 10 , the fabricated NCM811 cathode exhibited an areal mass loading of ~16mg cm −2 and a thickness of ~62 μm for both BBP and PVdF binders. Referring to Fig. 11, the NCM811 cathode with PVdF binder (hereinafter referred to as PVdF cathode) shows that the particles are not uniformly dispersed with some agglomerates (Fig. 11 (left)). In comparison, the NCM811 cathode using BBP binder (referred to as BBP cathode) shows a uniform dispersion of the components (Fig. 11 (right)).
도 12(A)는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 표면 전기 저항 측정결과이다. 도 12(A)를 참조하면, BBP 캐소드는 잘 분산된 슬러리에 의해 잘 조직된 전자 네트워크로 인해 PVDF 캐소드보다 낮은 전기 저항을 나타냈다.12(A) shows surface electrical resistance measurement results of a BBP cathode and a PVdF cathode. Referring to FIG. 12(A), the BBP cathode exhibited lower electrical resistance than the PVDF cathode due to the well-organized electronic network by the well-dispersed slurry.
2) 액체 전해질에 침지한 후 180˚ 박리 테스트(peel-off test)2) 180˚ peel-off test after immersion in liquid electrolyte
BBP 캐소드에 대해 액체 전해질에 침지한 후 180˚ 박리 테스트(peel-off test)를 수행하였고, 이의 결과 사진을 도 13(A)에 나타내었다. 도 13(A)를 참조하면, BBP 캐소드는 구성 요소의 심각한 분리를 보여준 PVdF 캐소드와 비교하여 전극 구조를 유지하였다. 도 13(B)는 박리 테스트 후 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드와 Li 금속 사이의 접촉 저항을 도식적으로 나타낸 그림이고, 도 12(B)는 박리 테스트 후 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드와 Li 금속 사이의 접촉 저항측정결과이다. 도 12(B) 및 도 13(B)를 참조하면, BBP 캐소드는 덜 노출된 Al 집전체가 Al 집전체와 Li 금속의 직접 접촉을 완화할 수 있기 때문에 PVDF 캐소드보다 높은 저항을 나타냈다. A 180° peel-off test was performed on the BBP cathode after being immersed in a liquid electrolyte, and a photograph of the result is shown in FIG. 13(A). Referring to Fig. 13(A), the BBP cathode maintained the electrode structure compared to the PVdF cathode, which showed severe separation of components. 13(B) is a diagram schematically showing the contact resistance between the BBP cathode and the PVdF cathode and Li metal after the peel test, and FIG. 12(B) is the contact resistance measurement between the BBP cathode and the PVdF cathode and Li metal after the peel test This is the result. Referring to FIGS. 12(B) and 13(B), the BBP cathode exhibited higher resistance than the PVDF cathode because the less exposed Al current collector could relieve direct contact between the Al current collector and Li metal.
3) 계면 접촉저항 3) Interfacial contact resistance
추가실험으로, 캐소드 활성층과 Al 집전체 사이의 계면 접촉 저항은 대칭 셀 (2개의 동일한 캐소드로 구성)의 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 분석을 통해 측정하였고, 도 14(D)에 나타내었다. 도 14(D)를 참조하면, BBP 캐소드의 Nyquist 플롯은 더 작은 세미써클 아크 (semicircle arc)를 보여 주어 더 낮은 계면 저항을 나타내었다. 이 결과는 BBP 바인더가 전해질에 담근 상태에서 캐소드 활성층과 Al 집전체 사이의 강력한 계면 접착을 가능하게 함을 보여준다.As an additional experiment, the interfacial contact resistance between the cathode active layer and the Al current collector was measured through electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis of a symmetrical cell (consisting of two identical cathodes), and is shown in FIG. 14(D). Referring to FIG. 14(D), the Nyquist plot of the BBP cathode showed a smaller semicircle arc, indicating lower interfacial resistance. This result shows that the BBP binder enables strong interfacial adhesion between the cathode active layer and the Al current collector in the state of being immersed in the electrolyte.
BBP 캐소드의 균일한 분산 상태는 잘 조직된 전자/이온 네트워크를 구성하는 데 유리하게 기여한다. 하프 셀(BBP 캐소드/Li금속)의 GITT(Galvanostatic Intermittent Titration Technique) 분석을 수행하였고, 도 14(E)에 나타내었다. 도 14(E)를 참조하면, BBP 전극이 반복된 전류 자극(전류 밀도= 1C, 펄스 사이의 중단 시간= 1시간)에 따라 셀 분극의 상승을 효과적으로 완화했음을 보여준다. 여기서 얻어진 내부 셀 저항은 SOC(State Of Charge) 및 DOD(Depth Of Discharge)의 함수로 제공되었다(도 14(F)). GITT 결과로부터, 하기 식(1)을 사용하여 Li+ 확산 계수를 계산하였다.The uniform dispersion state of the BBP cathode favorably contributes to constructing a well-organized electron/ion network. GITT (Galvanostatic Intermittent Titration Technique) analysis of the half cell (BBP cathode/Li metal) was performed and is shown in FIG. 14(E). Referring to Fig. 14(E), it is shown that the BBP electrode effectively mitigated the rise in cell polarization following repeated current stimulation (current density = 1 C, interruption time between pulses = 1 hour). The internal cell resistance obtained here was provided as a function of State Of Charge (SOC) and Depth Of Discharge (DOD) (FIG. 14(F)). From the GITT results, the Li + diffusion coefficient was calculated using the following equation (1).
[식 1][Equation 1]
BBP 캐소드는 Li+ 이동이 촉진되어 PVdF 전극(3.50 x10-8 cm2S-1)보다 더 높은 확산 계수(4.67x10-8 cm2S-1)를 보였다.The BBP cathode exhibited a higher diffusion coefficient (4.67x10 -8 cm 2 S -1 ) than the PVdF electrode (3.50 x10 -8 cm 2 S -1 ) due to accelerated Li + migration.
Cell 성능 및 사후 분석(postmortem analysis)Cell performance and postmortem analysis
BBP 캐소드의 전기화학적 성능은 2032형 코인 셀(BBP 캐소드/폴리에틸렌 분리막/ Li 금속 양극, 1M LiPF6 EC/EMC=3/7(w/w)의 액체 전해질과 10 wt% FEC(fluoro ethylene carbonate), 2 wt% VC(vinylene carbonate))을 사용하여 측정하였다. The electrochemical performance of the BBP cathode was evaluated using a 2032-type coin cell (BBP cathode/polyethylene separator/Li metal anode, 1M LiPF 6 EC/EMC=3/7(w/w) liquid electrolyte and 10 wt% FEC (fluoro ethylene carbonate) , 2 wt% VC (vinylene carbonate)) was used.
도 15는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 전류밀도 0.1C/0.1C에서의 초기 충전/방전 프로파일이다. 도 15를 참조하면, BBP 캐소드는 PVdF 캐소드에 비해 초기 방전 용량이 약간 더 높았으며(NCM811의 이론적 값(190mAh g-1)에 거의 도달), 잘 조직된 전자/이온 네트워크의 실용성을 보여주었다. 15 shows initial charge/discharge profiles of a BBP cathode and a PVdF cathode at current densities of 0.1C/0.1C. Referring to FIG. 15 , the BBP cathode had slightly higher initial discharge capacity than the PVdF cathode (nearly reaching the theoretical value of NCM811 (190mAh g -1 )), demonstrating the practicality of the well-organized electron/ion network.
도 16(A) 및 도 16(B)는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 방전률 용량 및 사이클링 성능을 측정한 결과이다. 도 16(A)를 참조하면, BBP 캐소드의 방전률 용량(discharge rate capability)을 PVdF 캐소드와 비교하면, 방전 전류 밀도(discharge current densities)는 0.2C의 전하전류 밀도에서 0.2~3.0C까지 변화하였다. BBP 캐소드는 PVdF 캐소드보다 더 빠른 방전 속도를 보여 주어 용이한 산화환원 역학을 확인하였다. 16(A) and 16(B) show the results of measuring the discharge rate capacity and cycling performance of the BBP cathode and the PVdF cathode. Referring to FIG. 16(A), when comparing the discharge rate capability of the BBP cathode with that of the PVdF cathode, the discharge current densities varied from 0.2 to 3.0 C at a charge current density of 0.2 C. . The BBP cathode showed a faster discharge rate than the PVdF cathode, confirming the facile redox kinetics.
도 16(B)와 같이, BBP 캐소드의 사이클링 성능은 0.5C/0.5C의 충/방전 전류 밀도에서 조사하였는데, BBP 캐소드는 PVdF 캐소드(240 사이클 이후 0 %)보다 더 높은 사이클 유지율(240 사이클 후 80.6%)을 나타내었다.As shown in FIG. 16(B), the cycling performance of the BBP cathode was investigated at a charge/discharge current density of 0.5C/0.5C, and the BBP cathode had a higher cycle retention rate (after 240 cycles) than the PVdF cathode (0% after 240 cycles). 80.6%).
BBP 캐소드의 우수한 사이클링 성능을 더 잘 설명하기 위해 사이클링 테스트 후 전극의 사후 분석(postmortem)을 수행하였다. A postmortem of the electrode was performed after the cycling test to better explain the excellent cycling performance of the BBP cathode.
도 17은 Li 금속 애노드에 증착된 금속 Ni, Co 및 Mn의 양을 측정한 결과이다. 이를 참조하면, ICP-MS 분석은 Li 금속 애노드(BBP 캐소드와 결합)에 증착된 금속 Ni, Co 및 Mn의 양이 PVdF 캐소드와 결합한 것과 비교하여 보다 낮다는 것을 보여주었다. 이 결과는 BBP 바인더의 AA 측쇄의 킬레이트 능력에 기인한 것으로 판단된다. 17 is a result of measuring the amount of metal Ni, Co, and Mn deposited on the Li metal anode. Referring to this, ICP-MS analysis showed that the amount of metals Ni, Co and Mn deposited on the Li metal anode (combined with the BBP cathode) was lower compared to that in combination with the PVdF cathode. This result is believed to be due to the chelating ability of the AA side chain of the BBP binder.
도 18은 Li 금속 애노드 표면의 SEM이미지이다. 도 18을 참조하면, Li 금속 애노드(BBP 캐소드와 결합)은 거의 손상되지 않은 매끄럽고 고른 표면을 보였고, Li 금속 애노드(PVdF 캐소드와 결합)은 전이금속 이온에 의해 심하게 오염된 불규칙하고 불규칙한 표면을 나타내었다.18 is a SEM image of the surface of a Li metal anode. Referring to FIG. 18, the Li metal anode (combined with the BBP cathode) showed a smooth and even surface with almost no damage, and the Li metal anode (combined with the PVdF cathode) showed an irregular and irregular surface heavily contaminated by transition metal ions. was
도 19는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드 내의 NCM811 입자의 SEM이미지이다. 이를 참조하면, BBP 캐소드의 NCM811 입자는 PVdF 캐소드와 비교하여 상대적으로 깨끗하고 부산물에 의한 오염이 적었다. 19 is a SEM image of NCM811 particles in a BBP cathode and a PVdF cathode. Referring to this, the NCM811 particles of the BBP cathode were relatively clean and less contaminated by by-products compared to the PVdF cathode.
도 20은 NCM811 입자의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) F1s 스펙트럼이다. LiF/MF2(M:Ni, Mn 및 Co와 같은 전이금속) 684.7eV의 피크는 M2+ 이온(캐소드 활물질에서 용해됨)과 플루오르화 수소산(HF, PF6 -와 전해질의 잔류물에 의해 생성됨) 사이에서 발생하는 원치 않는 부산물로 알려져 있고, 이는 BBP 캐소드에서 더 약했다(686.7eV에서 LixPOyFz 피크는 일반적인 CEI 레이어에 해당함). 20 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) F1s spectrum of NCM811 particles. The peak at 684.7 eV of LiF/MF 2 (transition metals such as M:Ni, Mn, and Co) is caused by M 2+ ions (dissolved in the cathode active material) and hydrofluoric acid (HF, PF 6 - and residues of the electrolyte). ), which is known to be an unwanted by-product occurring between the BBP cathodes (the Li x PO y F z peak at 686.7 eV corresponds to a typical CEI layer).
도 21은 NCM811 입자의 푸리에 변환 패턴을 가지는 TEM 이미지이다. 이를 참조하면, NCM811의 탈질화 상태에서 2가 Ni이온(Ni2+)은 전이금속 슬래브에서 리튬 슬래브로 이동하는 경향이 있어 층상에서 스피넬 상으로의 구조적 변형과 석염상(rock-salt phase) 생성을 초래하였다. 투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 PVdF 캐소드의 순환 NCM811 입자가 석염 상과 비정질 영역을 가지고 있어, 구조적 변화가 있음을 보여준다. 이에 비해 BBP 캐소드의 순환 NCM811 입자는 얇은 NiO 석염 상(~ 11nm)의 형성과 함께 층상을 유지하였다. 이 결과는 BBP 바인더가 Ni2+의 용해 억제에 기여하여 NCM811의 상전이를 억제하는 것으로 볼 수 있다. 21 is a TEM image having a Fourier transform pattern of NCM811 particles. Referring to this, in the denitrification state of NCM811, divalent Ni ions (Ni 2+ ) tend to move from the transition metal slab to the lithium slab, resulting in structural transformation from layer to spinel phase and rock-salt phase. caused Transmission electron microscopy (TEM) images show that the cyclic NCM811 particles in the PVdF cathode have a stone salt phase and an amorphous region, resulting in structural changes. In comparison, the circulating NCM811 particles in the BBP cathode remained layered with the formation of a thin NiO stone salt phase (~11 nm). This result can be seen that the BBP binder inhibits the phase transition of NCM811 by contributing to the inhibition of Ni 2+ dissolution.
도 22는 사이클링 테스트 전후의 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 NCM811 입자의 ex-situ XRD 패턴이다. 이를 참조하면 ex-situ XRD 패턴은 층상에 해당하는 (006)/(102) 및 (108)/(110) 피크가 전후에 거의 변화하지 않음을 보여준다. BBP 캐소드에서의 사이클링 테스트에 비해 PVdF 캐소드에서는 피크가 거의 사라졌다. 순환된 NCM811의 이러한 결과는 계면 부반응 및 전이금속 이온의 용해를 방지하는데 BBP 바인더가 역할을 했음을 보여준다. 22 is an ex-situ XRD pattern of NCM811 particles of BBP cathode and PVdF cathode before and after cycling tests. Referring to this, the ex-situ XRD pattern shows that the (006)/(102) and (108)/(110) peaks corresponding to the layers hardly change before and after. Compared to the cycling test on the BBP cathode, the peak almost disappeared on the PVdF cathode. These results of cycled NCM811 indicate that the BBP binder played a role in preventing interfacial side reactions and dissolution of transition metal ions.
캐소드 활물질의 열적 안정성 확보여부를 평가하였다. 탈리튬화된 NCM811 캐소드(0.1C의 충전 전류 밀도에서 4.2V까지 충전)의 계면 발열 반응은 시차 주사 열량계(DSC)로 조사하였고, 이의 결과를 도 23에 나타내었다. 도 23을 참조하면, 탈리튬화된 PVdF 캐소드는 더 큰 발열과 낮은 발열 피크 온도(ΔH=493.5 J g-1 및 Tpeak=209.39℃)를 나타냈다. 대조적으로, BBP 캐소드는 실질적으로 향상된 열 안정성을 나타냈다(ΔH=307.5 J g-1 및 Tpeak=211.91℃). 이 결과는 BBP 바인더가 열 불안정성을 가지는 NCM811 캐소드의 산소 방출 및 계면 발열 반응을 효과적으로 억제함을 보여 준다.The thermal stability of the cathode active material was evaluated. The interfacial exothermic reaction of the delithiated NCM811 cathode (charged to 4.2 V at a charging current density of 0.1 C) was investigated by differential scanning calorimetry (DSC), and the results are shown in FIG. 23 . Referring to FIG. 23 , the delithiated PVdF cathode exhibited a higher exotherm and a lower exothermic peak temperature (ΔH = 493.5 J g -1 and T peak = 209.39 °C). In contrast, the BBP cathode exhibited substantially improved thermal stability (ΔH = 307.5 J g -1 and T peak = 211.91 °C). This result shows that the BBP binder effectively inhibits the oxygen release and interfacial exothermic reaction of the thermally unstable NCM811 cathode.
BBP 바인더에 의한 고질량 부하(High-mass-loading) NCM811 캐소드High-mass-loading NCM811 cathode with BBP binder
0.5wt%의 바인더 함량(NCM811/카본 블랙/BBP 바인더=97.5/2/0.5(w/w/w))을 사용하여 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드를 제작하였다. A BBP cathode and a PVdF cathode were fabricated using a binder content of 0.5 wt % (NCM811/carbon black/BBP binder = 97.5/2/0.5 (w/w/w)).
도 24는 0.5wt%의 바인더 함량을 가지는 BBP 캐소드 및 PVdF 캐소드의 사진이다. 도 25는 BBP 캐소드의 표면 및 단면에 대한 SEM이미지이다. 이를 참조하면, BBP 캐소드는 0.5wt%의 바인더 함량(NCM811/카본 블랙/BBP 바인더=97.5/2/0.5(w/w/w))에서도 균일한 분산 상태와 구조적 안정성을 유지했으며, 이는 PVdF 바인더를 사용하는 경우에 달성 가능한 범위를 훨씬 뛰어 넘는 것이다. 24 is a photograph of a BBP cathode and a PVdF cathode having a binder content of 0.5 wt%. 25 is a SEM image of the surface and cross section of a BBP cathode. Referring to this, the BBP cathode maintained a uniform dispersion state and structural stability even at a binder content of 0.5 wt% (NCM811/carbon black/BBP binder = 97.5/2/0.5 (w/w/w)), which is due to the PVdF binder. is far beyond what is achievable when using .
또한 BBP 바인더는 고질량부하(high-mass-loading) 캐소드를 제조하는데 유리하게 기여한다. 면적당 질량로딩(areal-mass-loadings)이 16mg cm-2(62 ㎛), 23mg cm-2(85㎛) 및 27mg cm-2(95㎛)를 가지는 BBP 캐소드(NCM811/카본 블랙/BBP 바인더=97/2/1(w/w/w))를 성공적으로 제작하였다. 도 26은 두께에 따른 BBP 캐소드의 단면 형태를 보여준다(즉, areal-mass-loadings). BBP binders also contribute advantageously to fabricating high-mass-loading cathodes. BBP cathodes (NCM811/carbon black / BBP binder = 97/2/1 (w/w/w)) was successfully fabricated. 26 shows the cross-sectional shape of the BBP cathode according to the thickness (ie, areal-mass-loadings).
도 27은 면적당 질량로딩(areal-mass-loadings)이 23mg cm-2(85㎛)인 PVdF 캐소드의 사진으로, 전극이 제조되지 못하였다. 27 is a photograph of a PVdF cathode having areal-mass-loadings of 23 mg cm −2 (85 μm), and the electrode was not fabricated.
도 28(A)은 두께에 따른 BBP 캐소드의 충/방전 프로파일이다. 이를 참조하면, BBP 캐소드는 면적당 질량 부하(areal-mass-loadings)(예: 27 mg cm-2에서 5.2mAh cm-2)가 증가함에 따라 면적당 방전 용량(areal discharge capacities)이 증가하는 경향이 있는 반면, NCM811 입자의 비용량(0.1C/0.1C에서 190 mAh g-1)은 거의 영향 받지 않았다(도 28(B)). 도 28(B)는 충전/방전 전류밀도 0.1C/0.1C에서 고질량부하 BBP 전극의 충/방전 프로파일이다.28(A) is a charge/discharge profile of the BBP cathode according to the thickness. Referring to this, the BBP cathode has a tendency for areal discharge capacities to increase as areal-mass-loadings (eg, 27 mg cm -2 to 5.2 mAh cm -2 ) increase. On the other hand, the specific capacity of the NCM811 particles (190 mAh g -1 at 0.1C/0.1C) was hardly affected (FIG. 28(B)). 28(B) is the charge/discharge profile of the high mass load BBP electrode at charge/discharge current density of 0.1C/0.1C.
도 29은 전압 3.0-4.2V의 범위하의 충전/방전 전류 0.2C/0.2C에서 두께에 따른 BBP 캐소드의 사이클링 성능 측정결과이다. 도 30은 각각 0.5C/0.5C의 충전/방전 전류밀도에서 사이클링 성능 측정결과이다. 이를 참조하면, BBP 캐소드는 안정적인 사이클링 성능을 나타내었다. 더 낮은 BBP 바인더 함량(1wt. %)에 의해 달성된 27mg cm-2의 고질량 부하 로딩은 이전에 보고된 다른 캐소드 바인더를 훨씬 초과하는 것이다.29 is a measurement result of the cycling performance of the BBP cathode according to the thickness at a charge/discharge current of 0.2C/0.2C under a voltage range of 3.0-4.2V. 30 shows measurement results of cycling performance at charge/discharge current densities of 0.5C/0.5C, respectively. Referring to this, the BBP cathode exhibited stable cycling performance. The high mass load loading of 27 mg cm −2 achieved with a lower BBP binder content (1 wt. %) far exceeds other previously reported cathode binders.
상기와 같이 본 발명의 일 실시형태에 따른 병솔형 공중합체 바인더는 NMP 용매를 기반으로 한 상용 캐소드 제조 공정과 호환되어 실용성이 우수할 수 있다. 특히, NCM811과 같은 습기에 민감한 Ni가 풍부한 전극 활물질과의 제조공정이 가능하였다. As described above, the bottle brush type copolymer binder according to an embodiment of the present invention may be compatible with a commercial cathode manufacturing process based on an NMP solvent and may have excellent practicality. In particular, it was possible to manufacture a Ni-rich electrode active material that is sensitive to moisture, such as NCM811.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바인더는 균형 잡힌 양친매성을 가져 전극 슬러리를 균일하게 분산시킬 수 있고, 화학적 기능과 구조적 고유성으로 인해 두께 방향으로 잘 조직된 전자/이온 전도 경로를 형성하도록 전극 구조를 형성하며, 전해질에 담근 상태에서도 집전체와의 강한 접착력을 제공할 수 있고, 전극 활물질에서 용해된 중금속 이온의 킬레이트화를 형성할 수 있다. The binder according to one embodiment of the present invention has a balanced amphiphilicity to uniformly disperse the electrode slurry, and the electrode structure to form a well-organized electron / ion conduction path in the thickness direction due to its chemical function and structural uniqueness. formed, can provide strong adhesion with the current collector even in a state of being immersed in the electrolyte, and can form chelation of heavy metal ions dissolved in the electrode active material.
또한 매우 낮은 바인더 함량으로도 안정적인 사이클링 성능을 가질 수 있고, 높은 질량 로딩(27mg cm-2(= 5.2 mAh cm-2))이 가능하다. 이러한 성능은 이전에 보고된 캐소드 바인더 및 상용 PVdF 바인더로는 달성하기 어려운 효과이다. In addition, stable cycling performance can be obtained even with a very low binder content, and high mass loading (27 mg cm −2 (= 5.2 mAh cm −2 )) is possible. This performance is an effect that is difficult to achieve with previously reported cathode binders and commercial PVdF binders.
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, those skilled in the art will variously modify the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. And it will be readily understood that it can be changed.
Claims (13)
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
상기 A는 치환 또는 비치환된 고리형 화합물, 또는 단일결합이고,
상기 R1은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬렌이고, 이때 하나 이상의 -CH2-기는 -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, - S-CS-, -CS-S-, -S-CS-S-, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C12의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고리 로 대체될 수 있으며,
상기 R2은 치환 또는 비치환 된 C1 내지 C20의 알킬, 치환 또는 비치환된 C4 내 지 C12의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고 리, 또는 할로알킬이고, 이때 하나 이상의 -CH2-기는 -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S-CS-, -CS-S-, 또는 -CS-S-로 대체될 수 있으며,
상기 B 및 D는 각각 독립적으로 C2 내지 C10의 알킬 아크릴레이 트, C2 내지 C10의 알킬 메타크릴레이트 , 또는 C1 내지 C10의 아크릴산이고,
k는 1 내지 1,000의 정수이고, n은 1 내지 100의 정수이다(단, 하기 화합물 1 내지 3은 제외한다).
A binder for a secondary battery having a bottle brush type structure represented by Formula 1 below;
[Formula 1]
In Formula 1,
A is a substituted or unsubstituted cyclic compound, or a single bond,
R 1 is a substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkylene group, wherein one or more -CH 2 - groups are -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S- CS-, -CS-S-, -S-CS-S-, a substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, or a substituted or unsubstituted C 3 to C 12 heterocyclic ring,
Wherein R 2 is a substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkyl, a substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, a substituted or unsubstituted C 3 to C 12 heterocyclic ring, or a haloalkyl , wherein one or more -CH 2 -groups are replaced with -O-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -S-CS-, -CS-S-, or -CS-S- can be,
B and D are each independently C 2 to C 10 alkyl acrylate, C 2 to C 10 alkyl methacrylate, or C 1 to C 10 acrylic acid,
k is an integer from 1 to 1,000, and n is an integer from 1 to 100 (except for Compounds 1 to 3 below).
상기 병솔형 구조의 이차전지용 바인더는 하기 화학식 1-1로 표시되는 것인 병솔형 구조의 이차전지용 바인더.
[화학식 1-1]
상기 화학식 1-1에서,
R3은 수소, 중수소, 히드록시, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬, 아민, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C12 의 탄소 고리, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C12의 헤테로 고리, 또는 할로겐이고,
R1, R2, B 및 D, k, n은 화학식 1에서 정의 된 바와 같다.
According to claim 1,
The bottle brush type secondary battery binder having a bottle brush type structure is represented by the following Chemical Formula 1-1.
[Formula 1-1]
In Formula 1-1,
R 3 is hydrogen, deuterium, hydroxy, substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkyl, amine, substituted or unsubstituted C 4 to C 12 carbon ring, substituted or unsubstituted C 3 to C 12 a heterocyclic ring, or a halogen;
R 1 , R 2 , B and D, k, n are as defined in Formula 1.
상기 A는 오각 고리 또는 육각 고리를 포함하는 병솔형 구조의 이차전지용 바인더.
According to claim 1,
Wherein A is a binder for a secondary battery having a bottle brush structure including a pentagonal ring or a hexagonal ring.
상기 A는 하기 화학식 중 어느 하나로 표시되는 고리형 알켄의 고리 오픈에 의하여 형성된 것인 병솔형 구조의 이차전지용 바인더.
상기 화학식에서,
R은 할로겐, 히드록시, 카르복시, 아민 또는 알킬이고,
q는 0 또는 1 내지 6의 정수이다.
또한, 상기 화학식(2) 및 (8)의 점선은 치환 또는 비 치환된 탄소 고리 또는 헤테로 고리를 의미고, 는 R1과 연결되는 것을 의미한다.
According to claim 1,
Wherein A is formed by ring opening of a cyclic alkene represented by any one of the following chemical formulas:
In the above formula,
R is halogen, hydroxy, carboxy, amine or alkyl;
q is 0 or an integer from 1 to 6;
In addition, the dotted line in Formulas (2) and (8) means a substituted or unsubstituted carbon ring or hetero ring, means being connected with R 1 .
상기 병솔형 구조의 이차전지용 바인더는 하기 화학식 2-1 내지 2-8 중 어느 하나로 표시되는 것인 병솔형 구조의 이차전지용 바인더.
[화학식 2-1]
[화학식 2-2]
[화학식 2- 3]
[화학식 2-4]
[화학 식 2-5]
[화학식 2-6]
[화학식 2-7]
[화학식 2-8]
상기 식 에서 k는 1 내지 1,000의 정수이고, m은 1 내지 100의 정수이다.
According to claim 1,
The bottle brush type secondary battery binder having a bottle brush type structure is represented by any one of the following Chemical Formulas 2-1 to 2-8.
[Formula 2-1]
[Formula 2-2]
[Formula 2- 3]
[Formula 2-4]
[Formula 2-5]
[Formula 2-6]
[Formula 2-7]
[Formula 2-8]
In the above formula, k is an integer from 1 to 1,000, and m is an integer from 1 to 100.
상기 병솔형 구조의 이차전지용 바인더는 분자량이 10 내지 10,000K Da인 병솔형 구조의 이차전지 용 바인더.
According to claim 1,
The secondary battery binder of the bottle brush type structure has a molecular weight of 10 to 10,000K Da.
A secondary battery binder having a bottle brush type structure including a unit having a core part and a shell part, wherein a main chain formed by polymerization of the core part and the shell part are connected to the main chain to form side chains disposed in an outward direction.
상기 주쇄는 소수성을 가지고, 상기 측쇄는 친수성 작용기를 포함하는 병솔형 구조의 이차전지용 바인더 .
According to claim 7,
The main chain has a hydrophobic property, and the side chain has a bottle-type structure of a secondary battery binder including a hydrophilic functional group.
A binder having a bottle brush type structure according to any one of claims 1 to 8; And an electrode composition for a secondary battery comprising an electrode active material.
상기 병솔형 구조의 바인더는 측쇄 길이가 0.1 내지 50k Da인 이차전지용 전극 조성물.
According to claim 9,
The binder of the bottle brush type structure has a side chain length of 0.1 to 50 k Da, a secondary battery electrode composition.
상기 병솔형 구조의 바인더의 함량은 0.1 내지 20중량부이고, 상기 전극 활물질의 함량은 20 내지 99 중량부인 이차전지용 전극 조성물.
According to claim 9,
The content of the binder of the bottle brush type structure is 0.1 to 20 parts by weight, the content of the electrode active material is 20 to 99 parts by weight of the secondary battery electrode composition.
상기 전극 활물질은 LiaA1-bBbD2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8 , 및 0 ≤ b ≤0.5이다)이고, 상기 식에서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고, B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조 합이고, D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합인 이차전지용 전극 조성물.
According to claim 9,
The electrode active material is Li a A 1-b B b D 2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, and 0 ≤ b ≤0.5), wherein A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof, and 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.
상기 캐소드에 대향 배치되는 애노드; 및
상기 캐소드 및 애노드 사이에 배치되는 분리막;
을 포함하는 리튬 이차전지.A cathode comprising the binder having a bottle brush type structure according to any one of claims 1 to 8;
an anode disposed opposite to the cathode; and
a separator disposed between the cathode and anode;
A lithium secondary battery comprising a.
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2022
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