KR20230090763A - Gel electrolyte for lithium secondary battery and producing method thereof - Google Patents

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KR20230090763A
KR20230090763A KR1020210179817A KR20210179817A KR20230090763A KR 20230090763 A KR20230090763 A KR 20230090763A KR 1020210179817 A KR1020210179817 A KR 1020210179817A KR 20210179817 A KR20210179817 A KR 20210179817A KR 20230090763 A KR20230090763 A KR 20230090763A
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권은지
서사무엘
오연종
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 가교제, 고분자 등의 추가 성분 없이 무기입자 단독으로 액체 전해질을 겔화시켜 얻는 리튬이차전지용 겔 전해질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gel electrolyte for a lithium secondary battery obtained by gelating a liquid electrolyte using only inorganic particles without additional components such as a crosslinking agent and a polymer, and a method for preparing the same.

Description

리튬이차전지용 겔 전해질 및 이의 제조방법{GEL ELECTROLYTE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND PRODUCING METHOD THEREOF}Gel electrolyte for lithium secondary battery and its manufacturing method

본 발명은 가교제, 고분자 등의 추가 성분 없이 무기입자 단독으로 액체 전해질을 겔화시켜 얻는 리튬이차전지용 겔 전해질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gel electrolyte for a lithium secondary battery obtained by gelating a liquid electrolyte using only inorganic particles without additional components such as a crosslinking agent and a polymer, and a method for preparing the same.

일반적으로 리튬이차전지에서 사용하는 겔 고분자 전해질은 PVdF, PVdF-HFP, PMMA, PAN, PEO 등의 분자량이 약 200,000mol/g 내지 450,000mol/g 혹은 그 이상의 긴 주쇄를 갖는 선형 고분자를 포함한다. 이에 겔 고분자 전해질의 물성 및 이온 전도도의 향상을 위해 추가로 가교제를 투입하여 화학적으로 가교시키거나, 소량의 무기물을 첨가한다. 다만, 위와 같은 고분자는 리튬이차전지의 구동시 전기화학적으로 불안정하여 전해질 고갈 및 셀 열화의 원인이 된다. In general, a gel polymer electrolyte used in a lithium secondary battery includes a linear polymer having a long main chain having a molecular weight of about 200,000 mol / g to 450,000 mol / g or more, such as PVdF, PVdF-HFP, PMMA, PAN, PEO. In order to improve the physical properties and ionic conductivity of the gel polymer electrolyte, a crosslinking agent is additionally added to chemically crosslink or a small amount of inorganic materials are added. However, the polymer as described above is electrochemically unstable during operation of the lithium secondary battery, which causes electrolyte depletion and cell deterioration.

이에 한국공개특허 제10-2020-0137398호(선행기술1)는 고분자를 배제하고 무기물만을 활용한 겔 전해질을 제안하였다. 위 선행기술1은 비표면적이 넓은 나노 크기의 실리카를 활용하여 리튬 공기 전지의 액체전해질을 겔화하는 것을 특징으로 한다. 선행기술1에 따르면 산소 라디칼 및 고전압에 분해되는 고분자를 제거함으로써, 전해질 및 셀의 열화를 억제할 수 있다. 다만, 선행기술1과 같이 실라카를 이용하여 액체전해질을 겔화하면 불소 원소를 포함하지 않은 전해질에서는 안정적인 구동이 가능하지만 불소 원소를 포함하는 전해질에서는 실리카와 미량의 수분이 반응하여 불화 수소(HF)가 형성되고 셀이 열화하는 문제점이 있다. Accordingly, Korean Patent Publication No. 10-2020-0137398 (Prior Art 1) proposed a gel electrolyte using only inorganic materials excluding polymers. The above prior art 1 is characterized by gelling the liquid electrolyte of a lithium-air battery by utilizing nano-sized silica having a large specific surface area. According to the prior art 1, deterioration of the electrolyte and the cell can be suppressed by removing oxygen radicals and polymers decomposed by high voltage. However, as in the prior art 1, when the liquid electrolyte is gelled using silica, stable operation is possible in an electrolyte that does not contain elemental fluorine. There is a problem that the cell is formed and the cell deteriorates.

한국공개특허 제10-2020-0137398호Korean Patent Publication No. 10-2020-0137398

본 발명은 불화 수소가 발생하지 않아 전해질과 셀의 성능에 영향을 미치지 않는 리튬이차전지용 겔 전해질 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a gel electrolyte for a lithium secondary battery that does not generate hydrogen fluoride and does not affect the performance of the electrolyte and the cell, and a manufacturing method thereof.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 더욱 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The objects of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by means and combinations thereof set forth in the claims.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 겔 전해질은 액체 전해질; 및 상기 액체 전해질 내에 제공되고, 알루미나 및 상기 알루미나에 결합된 반응기를 포함하는 무기입자가 중합된 것인 중합체;를 포함할 수 있다.A gel electrolyte for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a liquid electrolyte; and a polymer provided in the liquid electrolyte and obtained by polymerizing inorganic particles including alumina and a reactive group bonded to the alumina.

상기 중합체는 3차원의 네트워크 구조를 갖고, 상기 네트워크 구조의 교차점에 상기 알루미나가 제공되며, 상기 네트워크 구조에 의해 상기 액체 전해질이 겔화될 수 있다.The polymer has a three-dimensional network structure, the alumina is provided at the intersection of the network structure, and the liquid electrolyte can be gelated by the network structure.

상기 반응기는 비닐기(Vinyl group)를 포함하는 것일 수 있다.The reactor may include a vinyl group.

상기 반응기는 메타크릴레이트(Methacrylate), 스티렌(Styrene), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The reactor may include at least one selected from the group consisting of methacrylate, styrene, acrylonitrile, and combinations thereof.

상기 무기입자의 비표면적은 50m2/g 내지 500m2/g일 수 있다.The specific surface area of the inorganic particles may be 50 m 2 /g to 500 m 2 /g.

상기 무기입자의 입도(D50)는 15㎚ 내지 25㎚일 수 있다.The inorganic particle may have a particle size (D50) of 15 nm to 25 nm.

상기 액체 전해질은 유기용매; 및 불소 원소를 포함하는 리튬염을 포함할 수 있다.The liquid electrolyte may include an organic solvent; and a lithium salt containing elemental fluorine.

상기 리튬염은 LiPF6, LiFSI(LiN(SO2F)2), LiTFSI(LiN(SO2CF3)2) 및 LiBETI(LiN(SO2C2F5)2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The lithium salt is a group consisting of LiPF 6 , LiFSI (LiN(SO 2 F) 2 ), LiTFSI (LiN(SO 2 CF 3 ) 2 ) and LiBETI (LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 ) and combinations thereof. It may include at least one selected from.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 겔 전해질의 제조방법은 알루미나 및 상기 알루미나에 결합된 반응기를 포함하는 무기입자, 및 액체 전해질을 포함하는 출발 용액을 준비하는 단계; 상기 출발 용액에 개시제를 투입하는 단계; 및 상기 출발 용액을 UV처리 또는 열처리하여 상기 개시제에 의해 상기 무기입자가 중합된 중합체를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a gel electrolyte for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes preparing a starting solution including inorganic particles including alumina and a reactive group coupled to the alumina, and a liquid electrolyte; Injecting an initiator into the starting solution; and UV-treating or heat-treating the starting solution to prepare a polymer in which the inorganic particles are polymerized by the initiator.

상기 출발 용액은 액체 전해질 80중량% 내지 90중량%; 및 상기 무기입자 10중량% 내지 20중량%를 포함할 수 있다.The starting solution contains 80% to 90% by weight of a liquid electrolyte; and 10% to 20% by weight of the inorganic particles.

상기 개시제는 α-하이드록시 알킬페논, α-아미노케톤, 캄포르퀴논(Camphorquinone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 UV개시제를 포함할 수 있다.The initiator may include at least one UV initiator selected from the group consisting of α-hydroxyalkylphenone, α-aminoketone, camphorquinone, and combinations thereof.

상기 개시제는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 벤조일퍼옥시드(BPO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 열개시제를 포함할 수 있다.The initiator may include at least one thermal initiator selected from the group consisting of azobisisobutyronitrile (AIBN), benzoyl peroxide (BPO), and combinations thereof.

상기 개시제는 상기 출발 용액 100중량부를 기준으로 1중량부 내지 2중량부의 함량으로 투입될 수 있다.The initiator may be added in an amount of 1 to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the starting solution.

본 발명에 따르면 불화 수소가 발생되지 않아 전해질과 셀의 성능에 영향을 미치지 않는 리튬이차전지용 겔 전해질을 얻을 수 있다.According to the present invention, it is possible to obtain a gel electrolyte for a lithium secondary battery that does not affect the performance of the electrolyte and the cell because hydrogen fluoride is not generated.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 중합체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a는 실시예1에 따른 겔 조성물에 대한 투과전자현미경(Transmission electron microscope, TEM) 분석 결과이다.
도 2b는 비교예1에 따른 겔 조성물에 대한 투과전자현미경(TEM) 분석 결과이다.
도 3a는 실시예3에 따른 리튬금속전지의 수명을 평가한 결과이다.
도 3b는 비교예3에 따른 리튬금속전지의 수명을 평가한 결과이다.
1 schematically depicts a polymer according to the present invention.
2a is a transmission electron microscope (TEM) analysis result of the gel composition according to Example 1.
Figure 2b is a transmission electron microscope (TEM) analysis result for the gel composition according to Comparative Example 1.
Figure 3a is the result of evaluating the lifespan of the lithium metal battery according to Example 3.
Figure 3b is the result of evaluating the lifespan of the lithium metal battery according to Comparative Example 3.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown enlarged than actual for clarity of the present invention. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. In addition, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where it is "directly on" the other part, but also the case where another part is present in the middle. Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "under" another part, this includes not only the case where it is "directly below" the other part, but also the case where another part is in the middle.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values and/or expressions expressing quantities of components, reaction conditions, polymer compositions and formulations used herein refer to the number of factors that such numbers arise, among other things, to obtain such values. Since these are approximations that reflect the various uncertainties of the measurement, they should be understood to be qualified by the term "about" in all cases. Also, when numerical ranges are disclosed herein, such ranges are contiguous and include all values from the minimum value of such range to the maximum value inclusive, unless otherwise indicated. Furthermore, where such ranges refer to integers, all integers from the minimum value to the maximum value inclusive are included unless otherwise indicated.

본 명세서에서 "리튬이차전지"는 겔 전해질이 적용될 수 있는 가역적인 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 예를 들어 리튬이온전지, 리튬금속전지, 리튬공기전지 등을 포함할 수 있다.In the present specification, "lithium secondary battery" means a battery capable of reversible charging and discharging to which a gel electrolyte can be applied, and may include, for example, a lithium ion battery, a lithium metal battery, a lithium air battery, and the like.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 겔 전해질은 액체 전해질 및 상기 액체 전해질 내에 제공되고 알루미나 및 상기 알루미나에 결합된 반응기를 포함하는 무기입자가 중합된 것인 중합체를 포함할 수 있다.The gel electrolyte for a lithium secondary battery according to the present invention may include a liquid electrolyte and a polymer obtained by polymerizing inorganic particles provided in the liquid electrolyte and including alumina and a reactive group bonded to the alumina.

도 1은 상기 중합체를 개략적으로 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 중합체는 3차원의 네트워크 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 네트워크 구조의 교차점에 상기 알루미나(10)가 제공되고, 각 교차점 사이에 상기 반응기(20)가 제공될 수 있다. 상기 네트워크 구조에 의해 상기 액체 전해질이 겔화될 수 있다.Figure 1 schematically depicts the polymer. Referring to this, the polymer may have a three-dimensional network structure. The alumina 10 may be provided at the intersection of the network structure, and the reactor 20 may be provided between each intersection. The liquid electrolyte may be gelated by the network structure.

상기 무기입자는 나노 크기의 알루미나 입자의 표면에 반응기가 결합된 것일 수 있다. 상기 반응기는 상기 알루미나에 화학적 및/또는 물리적으로 결합된 것일 수 있고, 바람직하게는 화학적으로 결합된 것일 수 있다.The inorganic particle may be one in which a reactive group is bonded to the surface of a nano-sized alumina particle. The reactor may be chemically and/or physically bonded to the alumina, preferably chemically bonded.

상기 무기입자는 하기 화학식1로 표현할 수 있다.The inorganic particles may be represented by Chemical Formula 1 below.

[화학식1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식1에서 R1 내지 R4는 각각 상기 알루미나(Al2O3)에 결합된 반응기를 의미한다. 각 반응기는 이중결합을 갖는 비닐기(Vinyl group)를 포함하는 것일 수 있으며, 구체적으로 메타크릴레이트(Methacrylate), 스티렌(Styrene), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In Formula 1, R 1 to R 4 each mean a reactive group bonded to the alumina (Al 2 O 3 ). Each reactor may include a vinyl group having a double bond, and specifically, at least one selected from the group consisting of methacrylate, styrene, acrylonitrile, and combinations thereof. It may include any one.

상기 반응기는 이중결합을 갖기 때문에 상기 무기입자는 단독으로 중합되어 중합체를 형성할 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면 가교제, 고분자 등의 추가 성분 없이 상기 무기입자만으로도 액체 전해질을 겔화시킬 수 있다.Since the reactor has a double bond, the inorganic particles may be polymerized alone to form a polymer. Therefore, according to the present invention, the liquid electrolyte can be gelated only with the inorganic particles without additional components such as a crosslinking agent and a polymer.

상기 무기입자는 비표면적이 50m2/g 내지 500m2/g이고, 입도(D50)가 15㎚ 내지 25㎚인 것일 수 있다. 상기 무기입자의 비표면적과 입도(D50)는 상기 무기입자가 단독으로 중합될 수 있는지 여부를 결정하는 주요 특징이다. 즉, 상기 무기입자의 비표면적과 입도(D50)가 위 범위에 속할 때, 알루미나의 표면에 반응기가 충분히 형성되어 중합체가 형성될 수 있다.The inorganic particles may have a specific surface area of 50 m 2 /g to 500 m 2 /g and a particle size (D50) of 15 nm to 25 nm. The specific surface area and particle size (D50) of the inorganic particles are main characteristics that determine whether the inorganic particles can be polymerized alone. That is, when the specific surface area and particle size (D50) of the inorganic particles fall within the above ranges, a reactive group may be sufficiently formed on the surface of alumina to form a polymer.

상기 액체 전해질은 유기용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.The liquid electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.

상기 유기용매는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 디메틸에테르(DME), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(TEGDME), 디에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(DEGDEE), 디메틸아세트아미드(DMAc) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include dimethyl ether (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol diethyl ether (DEGDEE), dimethylacetamide (DMAc), and combinations thereof. It may include at least one selected from.

상기 리튬염은 불소 원소를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은 LiPF6, LiFSI(LiN(SO2F)2), LiTFSI(LiN(SO2CF3)2) 및 LiBETI(LiN(SO2C2F5)2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The lithium salt may contain elemental fluorine. Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiFSI (LiN(SO 2 F) 2 ), LiTFSI (LiN(SO 2 CF 3 ) 2 ) and LiBETI (LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 ) and combinations thereof. It may include at least one selected from the group consisting of.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 겔 전해질의 제조방법은 상기 무기입자 및 액체 전해질을 포함하는 출발 용액을 준비하는 단계, 상기 출발 용액에 개시제를 투입하는 단계 및 상기 출발 용액을 UV처리 또는 열처리하여 상기 개시제에 의해 상기 무기입자가 중합된 중합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a gel electrolyte for a lithium secondary battery according to the present invention includes preparing a starting solution containing the inorganic particles and a liquid electrolyte, injecting an initiator into the starting solution, and UV-treating or heat-treating the starting solution to obtain the initiator It may include preparing a polymer in which the inorganic particles are polymerized by.

상기 출발 용액은 상기 액체 전해질 80중량% 내지 90중량% 및 상기 무기입자 10중량% 내지 20중량%를 포함할 수 있다. 상기 무기입자의 함량이 10중량% 미만이면 중합체의 형성이 더뎌 상기 액체 전해질의 겔화가 제대로 진행되지 않을 수 있고, 20중량%를 초과하면 무기입자의 함량이 과다하여 분산성이 떨어지고 점도가 증가하여 공정성이 저하될 수 있다.The starting solution may include 80% to 90% by weight of the liquid electrolyte and 10% to 20% by weight of the inorganic particles. If the content of the inorganic particles is less than 10% by weight, the gelation of the liquid electrolyte may not proceed properly due to slow formation of polymers. Fairness may be compromised.

상기 개시제는 UV개시제 또는 열개시제를 포함할 수 있다.The initiator may include a UV initiator or a thermal initiator.

상기 무기입자의 중합을 UV처리를 통해 진행하는 경우 상기 개시제는 α-하이드록시 알킬페논, α-아미노케톤, 캄포르퀴논(Camphorquinone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 UV개시제를 포함할 수 있다.When the polymerization of the inorganic particles proceeds through UV treatment, the initiator is at least one UV initiator selected from the group consisting of α-hydroxyalkylphenone, α-aminoketone, camphorquinone, and combinations thereof can include

또한, 상기 무기입자의 중합을 열처리를 통해 진행하는 경우 상기 개시제는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 벤조일퍼옥시드(BPO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 열개시제를 포함할 수 있다.In addition, when the polymerization of the inorganic particles proceeds through heat treatment, the initiator includes at least one thermal initiator selected from the group consisting of azobisisobutyronitrile (AIBN), benzoyl peroxide (BPO), and combinations thereof can do.

상기 개시제는 상기 출발 용액 100중량부를 기준으로 1중량부 내지 2중량부의 함량으로 투입할 수 있다. 상기 개시제의 투입량이 1중량부 미만이면 중합이 제대로 이루어지지 않아 액체 전해질의 겔화가 어려울 수 있다.The initiator may be added in an amount of 1 to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the starting solution. If the amount of the initiator is less than 1 part by weight, polymerization may not be performed properly, and gelation of the liquid electrolyte may be difficult.

상기 출발 용액에 대한 UV처리의 조건 및 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 상기 개시제를 투입한 출발 용액에 약 365㎚ 파장의 자외선을 약 10분 내지 1시간 조사할 수 있다.Conditions and methods of UV treatment of the starting solution are not particularly limited, and for example, the starting solution into which the initiator is added may be irradiated with ultraviolet light having a wavelength of about 365 nm for about 10 minutes to 1 hour.

또한, 상기 출발 용액에 대한 열처리의 조건 및 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 상기 개시제를 투입한 출발 용액을 약 80℃로 약 30분 이상 열을 가할 수 있다.In addition, conditions and methods of heat treatment of the starting solution are not particularly limited, and, for example, the starting solution into which the initiator is added may be heated at about 80° C. for about 30 minutes or longer.

상기 UV처리 또는 열처리에 의해 상기 무기입자에 포함된 반응기의 이중 결합이 분해되고 라디칼이 발생되면서 무기입자들이 중합되어 중합체가 형성된다. 상기 무기입자의 중합이 진행됨에 따라 상기 액체 전해질의 겔화가 이루어지고 최종적으로 겔 전해질을 얻을 수 있다.The UV treatment or heat treatment decomposes the reactive double bonds included in the inorganic particles and generates radicals, thereby polymerizing the inorganic particles to form a polymer. As the polymerization of the inorganic particles progresses, the liquid electrolyte is gelled and finally a gel electrolyte can be obtained.

상기 UV처리 또는 열처리는 상기 출발 용액을 양극 구조체, 분리막 등에 함침시킨 뒤 이루어질 수 있다. 즉, 액체 상태로 출발 용액을 셀 내부에 주입한 뒤 겔화를 진행할 수 있다. 따라서 전해질의 주입량을 최소화하면서 전해질의 이용률을 극대화하여 에너지 밀도를 높일 수 있다.The UV treatment or heat treatment may be performed after impregnating the starting solution into a cathode structure, a separator, or the like. That is, gelation may be performed after the starting solution in a liquid state is injected into the cell. Accordingly, the energy density may be increased by maximizing the utilization rate of the electrolyte while minimizing the injection amount of the electrolyte.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예1, 실시예2, 비교예1 및 비교예2Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2

표 1에 기재된 함량으로 무기입자와 액체 전해질을 혼합하여 출발 용액을 준비하고, 이에 개시제를 투입하였다.A starting solution was prepared by mixing the inorganic particles and the liquid electrolyte in the contents shown in Table 1, and an initiator was added thereto.

상기 무기입자는 알루미나에 메타크릴레이트가 결합된 것을 사용하였고, 상기 무기입자의 비표면적은 약 130m2/g, 입도(D50)는 약 15㎚ 내지 25㎚였다. 상기 액체 전해질은 유기용매인 디메틸에테르(DME)와 리튬염인 1M의 LiFSI를 포함하는 것을 사용하였다. 상기 개시제는 2-Hydroxy-2-methylpropiophenon을 사용하였다.As the inorganic particles, alumina and methacrylate were used, and the inorganic particles had a specific surface area of about 130 m 2 /g and a particle size (D50) of about 15 nm to 25 nm. As the liquid electrolyte, one containing dimethyl ether (DME) as an organic solvent and 1M LiFSI as a lithium salt was used. As the initiator, 2-Hydroxy-2-methylpropiophenon was used.

상기 개시제를 투입한 출발 용액에 약 365㎚ 파장의 자외선을 약 10분 조사하여 겔 전해질을 제조하였다. 상기 겔 전해질의 리튬이온 전도도 및 겔화 여부를 하기 표 1에 나타냈다.A gel electrolyte was prepared by irradiating the starting solution containing the initiator with ultraviolet rays having a wavelength of about 365 nm for about 10 minutes. The lithium ion conductivity and gelation of the gel electrolyte are shown in Table 1 below.

구분division 조성Furtherance 물성Properties 출발 용액starting solution 개시제initiator 리튬이온
전도도
[mS/cm]
lithium ion
conductivity
[mS/cm]
겔화 여부Gelation or not
무기입자inorganic particles 액체 전해질liquid electrolyte 합계Sum 실시예1Example 1 0.3g0.3g 2.7g2.7g 3.0g3.0g 0.03g0.03g 1.91.9 가능possible 실시예2Example 2 0.35g0.35g 2.65g2.65g 3.0g3.0g 0.035g0.035g 1.81.8 견고함solidity 비교예1Comparative Example 1 0.3g0.3g 2.7g2.7g 3.0g3.0g 0.01g0.01g 44 불가능impossible 비교예2Comparative Example 2 0.1g0.1g 2.9g2.9g 3.0g3.0g 0.01g0.01g 4.54.5 불가능impossible

또한, 상기 실시예1과 비교예1에 따른 겔 조성물에 대한 투과전자현미경(Transmission electron microscope, TEM) 분석 결과를 각각 도 2a와 도 2b에 나타냈다.In addition, transmission electron microscope (TEM) analysis results of the gel compositions according to Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 2A and 2B, respectively.

상기 표 1의 실시예1과 비교예2의 결과를 참조하면, 무기입자의 함량이 약 10중량% 이상일 때 액체 전해질의 겔화가 충분히 이루어짐을 알 수 있다.Referring to the results of Example 1 and Comparative Example 2 in Table 1, it can be seen that gelation of the liquid electrolyte is sufficiently achieved when the content of the inorganic particles is about 10% by weight or more.

상기 표 1의 실시예1과 비교예1의 결과를 참조하면, 개시제를 출발 용액의 1중량부 이상 투입해야 액체 전해질의 겔화가 충분히 이루어짐을 알 수 있다. 이는 도 2a 및 도 2b를 통해서도 알 수 있는바, 실시예1의 겔 조성물은 네트워크 구조의 중합체가 충분히 형성되어 겔화가 충분히 진행된 반면에 비교예1의 겔 조성물은 응집이 충분치 않음을 알 수 있다.Referring to the results of Example 1 and Comparative Example 1 in Table 1, it can be seen that gelation of the liquid electrolyte is sufficiently achieved only when the initiator is added in an amount of 1 part by weight or more of the starting solution. 2a and 2b, it can be seen that the gel composition of Example 1 sufficiently formed a network structure polymer and sufficiently progressed gelation, whereas the gel composition of Comparative Example 1 did not sufficiently aggregate.

상기 표 1의 실시예1과 실시예2의 결과를 참조하면, 무기입자의 함량이 높을수록 겔 전해질의 물성이 증가함을 알 수 있다.Referring to the results of Example 1 and Example 2 in Table 1, it can be seen that the physical properties of the gel electrolyte increase as the content of the inorganic particles increases.

실시예3 및 비교예3Example 3 and Comparative Example 3

(실시예3) 상기 실시예1의 개시제를 투입한 출발 용액을 양극, 분리막 및 리튬 금속(음극)을 포함하는 셀 내부에 주입한 뒤, 약 365㎚ 파장의 자외선을 약 10분 조사하여 겔 전해질을 포함하는 리튬금속전지를 제조하였다. (Example 3) After injecting the starting solution containing the initiator of Example 1 into a cell including an anode, separator, and lithium metal (cathode), ultraviolet rays of a wavelength of about 365 nm were irradiated for about 10 minutes to form a gel electrolyte. A lithium metal battery comprising a was prepared.

(비교예3) 상기 비교예1의 개시제를 투입한 출발 용액을 양극, 분리막 및 리튬 금속(음극)을 포함하는 셀 내부에 주입한 뒤, 약 365㎚ 파장의 자외선을 약 10분 조사하여 겔 전해질을 포함하는 리튬금속전지를 제조하였다.(Comparative Example 3) After injecting the starting solution containing the initiator of Comparative Example 1 into a cell including an anode, separator, and lithium metal (cathode), ultraviolet rays having a wavelength of about 365 nm were irradiated for about 10 minutes to form a gel electrolyte. A lithium metal battery comprising a was prepared.

실시예3 및 비교예3에 따른 리튬금속전지의 수명을 평가하였다. 그 결과는 각각 도 3a 및 도 3b와 같다. 이를 참조하면, 실시예3에 따른 리튬금속전지는 2,200시간 이상 매우 안정적으로 작동하는 반면에, 비교예3에 따른 리튬금속전지는 실시예3에 비해 그 수명 성능이 매우 열화되었음을 알 수 있다.The lifespan of the lithium metal battery according to Example 3 and Comparative Example 3 was evaluated. The results are shown in Figs. 3a and 3b, respectively. Referring to this, it can be seen that the lithium metal battery according to Example 3 operates very stably for more than 2,200 hours, whereas the lithium metal battery according to Comparative Example 3 has significantly deteriorated lifespan performance compared to Example 3.

이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.As above, the experimental examples and examples of the present invention have been described in detail, the scope of the present invention is not limited to the above-described experimental examples and examples, and the basic concept of the present invention defined in the following claims Various modifications and improvements made by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention.

10: 알루미나 20: 반응기10: alumina 20: reactor

Claims (13)

액체 전해질; 및
상기 액체 전해질 내에 제공되고, 알루미나 및 상기 알루미나에 결합된 반응기를 포함하는 무기입자가 중합된 것인 중합체;를 포함하는 리튬이차전지용 겔 전해질.
liquid electrolyte; and
A gel electrolyte for a lithium secondary battery comprising: a polymer provided in the liquid electrolyte and obtained by polymerizing inorganic particles including alumina and a reactive group bonded to the alumina.
제1항에 있어서,
상기 중합체는 3차원의 네트워크 구조를 갖고,
상기 네트워크 구조의 교차점에 상기 알루미나가 제공되며,
상기 네트워크 구조에 의해 상기 액체 전해질이 겔화되는 리튬이차전지용 겔 전해질.
According to claim 1,
The polymer has a three-dimensional network structure,
The alumina is provided at the intersection of the network structure,
A gel electrolyte for a lithium secondary battery in which the liquid electrolyte is gelated by the network structure.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 비닐기(Vinyl group)를 포함하는 것인 리튬이차전지용 겔 전해질.
According to claim 1,
The reactor is a gel electrolyte for a lithium secondary battery comprising a vinyl group.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 메타크릴레이트(Methacrylate), 스티렌(Styrene), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 리튬이차전지용 겔 전해질.
According to claim 1,
The reactor gel electrolyte for a lithium secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of methacrylate, styrene, acrylonitrile, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 무기입자의 비표면적은 50m2/g 내지 500m2/g인 리튬이차전지용 겔 전해질.
According to claim 1,
The inorganic particles have a specific surface area of 50 m 2 /g to 500 m 2 /g of a gel electrolyte for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 무기입자의 입도(D50)는 15㎚ 내지 25㎚인 리튬이차전지용 겔 전해질.
According to claim 1,
The particle size (D50) of the inorganic particles is a gel electrolyte for a lithium secondary battery of 15 nm to 25 nm.
제1항에 있어서,
상기 액체 전해질은 유기용매; 및
불소 원소를 포함하는 리튬염을 포함하는 리튬이차전지용 겔 전해질.
According to claim 1,
The liquid electrolyte may include an organic solvent; and
A gel electrolyte for a lithium secondary battery comprising a lithium salt containing elemental fluorine.
제7항에 있어서,
상기 리튬염은 LiPF6, LiFSI(LiN(SO2F)2), LiTFSI(LiN(SO2CF3)2) 및 LiBETI(LiN(SO2C2F5)2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 리튬이차전지용 겔 전해질.
According to claim 7,
The lithium salt is a group consisting of LiPF 6 , LiFSI (LiN(SO 2 F) 2 ), LiTFSI (LiN(SO 2 CF 3 ) 2 ) and LiBETI (LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 ) and combinations thereof. A gel electrolyte for a lithium secondary battery comprising at least one selected from
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 리튬이차전지용 겔 전해질의 제조방법으로서,
알루미나 및 상기 알루미나에 결합된 반응기를 포함하는 무기입자, 및 액체 전해질을 포함하는 출발 용액을 준비하는 단계;
상기 출발 용액에 개시제를 투입하는 단계;
상기 출발 용액을 UV처리 또는 열처리하여 상기 개시제에 의해 상기 무기입자가 중합된 중합체를 제조하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지용 겔 전해질의 제조방법.
A method for producing the gel electrolyte for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 8,
Preparing a starting solution containing inorganic particles including alumina and a reactive group bound to the alumina, and a liquid electrolyte;
Injecting an initiator into the starting solution;
Method for producing a gel electrolyte for a lithium secondary battery comprising: preparing a polymer in which the inorganic particles are polymerized by the initiator by UV treatment or heat treatment of the starting solution.
제9항에 있어서,
상기 출발 용액은 액체 전해질 80중량% 내지 90중량%; 및
상기 무기입자 10중량% 내지 20중량%를 포함하는 리튬이차전지용 겔 전해질의 제조방법.
According to claim 9,
The starting solution contains 80% to 90% by weight of a liquid electrolyte; and
Method for producing a gel electrolyte for a lithium secondary battery comprising 10% to 20% by weight of the inorganic particles.
제9항에 있어서,
상기 개시제는 α-하이드록시 알킬페논, α-아미노케톤, 캄포르퀴논(Camphorquinone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 UV개시제를 포함하는 리튬이차전지용 겔 전해질의 제조방법.
According to claim 9,
The initiator is a method for producing a gel electrolyte for a lithium secondary battery comprising at least one UV initiator selected from the group consisting of α-hydroxyalkylphenone, α-aminoketone, camphorquinone, and combinations thereof.
제9항에 있어서,
상기 개시제는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 벤조일퍼옥시드(BPO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 열개시제를 포함하는 리튬이차전지용 겔 전해질의 제조방법.
According to claim 9,
The initiator is a method for producing a gel electrolyte for a lithium secondary battery comprising at least one thermal initiator selected from the group consisting of azobisisobutyronitrile (AIBN), benzoyl peroxide (BPO), and combinations thereof.
제9항에 있어서,
상기 개시제는 상기 출발 용액 100중량부를 기준으로 1중량부 내지 2중량부의 함량으로 투입되는 리튬이차전지용 겔 전해질의 제조방법.
According to claim 9,
The initiator is a method for producing a gel electrolyte for a lithium secondary battery, which is added in an amount of 1 part by weight to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the starting solution.
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