WO2014092312A1 - 이온성 액체를 포함하는 고체 전해질 - Google Patents

이온성 액체를 포함하는 고체 전해질 Download PDF

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gel
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이현철
이진희
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Definitions

  • the present invention relates to a solid electrolyte applied to an electrochemical double layer capacitor (EDLC) or a lithium secondary battery, and provides a flexible gel-type solid electrolyte.
  • EDLC electrochemical double layer capacitor
  • the present invention relates to a solid electrolyte applied to an electrochemical double layer capacitor (EDLC) or a lithium secondary battery, and provides a flexible gel-type solid electrolyte.
  • Organic electrolytes used in lithium secondary batteries or electric double layer capacitors are polar aprotic organic solvents that are easy to dissolve lithium salts and are difficult to be electrolyzed, such as carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, dimethyl carbonate and methyl ethyl.
  • Carbonate esters such as a carbonate and diethyl carbonate
  • Lactones such as (gamma) -butyrolactone and 3-methyl- (gamma) -valerolactone
  • ester such as methyl formate, methyl acetate, and methyl propionate
  • 1,2-dimethoxy A liquid electrolyte in which lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiClO 4 , and LiCF 3 SO 3 are dissolved in organic solvents such as ethers such as ethane, tetrahydrofuran and dioxolane.
  • the organic electrolyte has high ion conductivity, there are problems in the process due to volatility, low stability due to decomposition reaction at the electrode, and liquid state.
  • ionic liquid is a room temperature molten salt composed of cations and anions, and has the characteristics of non-volatile, flame retardant, non-flammable, wide potential window and chemical stability. I am getting it.
  • the ionic liquid is also liquid at room temperature, there is a disadvantage in that processability is poor when applied as an electrolyte.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2010-225511 proposes a gel electrolyte having improved durability formed by embedding an ionic liquid in porous particles.
  • the solid electrolyte prepared using only porous metal oxide has a problem in that it is not flexible and easily broken when applied to an external impact or a product.
  • the present invention is a solid electrolyte used in a lithium ion secondary battery or an electrochemical double layer capacitor (EDLC), a gel-type solid electrolyte having improved flexibility while maintaining the advantages of the conventional ionic liquid. To provide.
  • EDLC electrochemical double layer capacitor
  • the present invention provides a gel-type solid electrolyte comprising an ionic liquid in a porous metal oxide prepared from a silane compound represented by Formula 1 below:
  • R 1 and R 2 are each independently an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms
  • R 3 , R 4 And R 5 are independently of each other hydrogen, a halogen element or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms,
  • the porous metal oxide includes 30 to 50 wt% of the silane compound having 2 ⁇ x + y ⁇ 3 in Formula 1.
  • the porous metal oxide is formed from a hydrolysis reaction in the presence of an acid of the silane compound of formula (1).
  • the acid is used in the range of 1 to 50 parts by volume based on the entire silane compound of formula (1).
  • the porous metal oxide includes a structure represented by the following formula:
  • R in the above formula 3 , R 4 And R 5 are independently of each other hydrogen, a halogen element or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms.
  • the ionic liquid includes imidazolium, ammonium, pyrrolidinium or piperidinium as a cation, and bis (fluorosulfonyl) imide as an anion.
  • bis (fluorosulfonyl) imide bis (fluorosulfonyl) amide
  • fluoroborate or fluorophosphate.
  • the ionic liquid is included in the range of 100 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous metal oxide.
  • the solid electrolyte is LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 2 F 5 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C At least one lithium salt selected from the group consisting of 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , and LiPF 2 ⁇ (COO) 2 ⁇ 2 .
  • the lithium salt is contained in 5 to 40% by weight based on the total solid electrolyte.
  • the present invention provides a lithium secondary battery including the solid electrolyte.
  • the present invention provides an electric double layer capacitor comprising the solid electrolyte.
  • the processability of the ionic liquid can be improved by providing a gel-like solid electrolyte having improved flexibility including the ionic liquid. Therefore, the electrolyte may be advantageously used in the manufacturing process of the lithium secondary battery or the electric double layer capacitor to take advantage of the ionic liquid.
  • FIG. 1 illustrates a manufacturing process of a solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a device for measuring the ionic conductivity of a solid electrolyte of the present invention.
  • Figure 3 shows a device for measuring the capacity in an electric double layer capacitor to which the solid electrolyte of the present invention is applied.
  • the present invention provides a gel-type solid electrolyte with improved flexibility while retaining the benefits of an ionic liquid by effectively internalizing the ionic liquid into a porous metal oxide.
  • the porous metal oxide is prepared from a silane compound represented by Formula 1 below:
  • R 1 and R 2 are each independently an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms
  • R 3 , R 4 And R 5 are independently of each other hydrogen, a halogen element or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms,
  • the silane compound forms a silane oxide compound having a network structure by a hydrolysis reaction.
  • the present invention is characterized by using a silane compound containing a vinyl group in the case of 2 ⁇ x + y ⁇ 3 in the above formula (1) as a porous metal oxide for embedding the ionic liquid.
  • Silane compounds comprising such vinyl groups are included between silane oxide compounds to form as follows, for example, as part of a network structure:
  • the network structure is formed from the hydrolysis reaction of the silane compound of Formula 1, wherein the silane compound containing a vinyl group in the middle of the structure is introduced to terminate the network structure Will be achieved.
  • the silane compound containing a vinyl group in the middle of the structure is introduced to terminate the network structure Will be achieved.
  • the network structure is continuously generated, and thus the viscosity of the obtained material continues to increase, resulting in a hard state that is difficult to process.
  • the vinyl group induces the termination of this network structure so that a result of a flexible state which is easy to process is obtained. Therefore, the use of a silane compound containing a vinyl group in the present invention is a means for forming a skeleton of a flexible solid electrolyte.
  • the present invention provides a solid electrolyte comprising an ionic liquid embedded in a porous metal oxide obtained from a hydrolysis reaction of a silane compound represented by Chemical Formula 1.
  • the porous metal oxide is preferably a silane compound containing a vinyl group, that is, 30 to 50% by weight of the silane compound in the case of 2 ⁇ x + y ⁇ 3 in the formula (1).
  • the silane compound containing a vinyl group is used in an amount less than the above range, the effect of improving the flexibility is insignificant, resulting in poor workability, such as being broken in the process for use as a solid electrolyte.
  • the gelation is not achieved to the desired level because this is also poor workability.
  • the reaction proceeds preferably under acidic conditions for the hydrolysis reaction.
  • an acid organic acids such as formic acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid and acetic acid can be used.
  • the amount of these acids to be used is preferably in the range of 1 to 50 parts by volume based on the entire silane compound of formula (1). If the amount of the acid is less than the above range, hydrolysis does not occur to the desired level, and if the amount of the acid is used above the above range, the viscosity of the gel-like porous metal oxide obtained becomes too high, making it difficult to later mix with the ionic liquid.
  • the solution is sonicate the solution so that hydrolysis occurs uniformly and effectively in the reaction product containing the silane compound of Formula 1 and an acid.
  • Ultrasonication may be performed for 1 to 20 minutes at 40KHz. After sonication, the solution is cooled at 0 ° C to 10 ° C for 1 minute to 120 minutes.
  • the ionic liquid is then added to allow the gel to proceed. That is, in the present invention, the gel-type solid electrolyte is hydrolyzed by the silane compound of Chemical Formula 1 to form a porous metal oxide having a network structure, and at the same time an ionic liquid is impregnated, so that the ionic liquid is contained in the porous metal oxide structure. It is manufactured in the form.
  • the ionic liquid is an ionic substance in a molten state at room temperature (25 ° C.), and may be used without limitation as long as it includes a cation and an anion.
  • Ionic liquids include, but are not limited to, imidazolium, ammonium, pyrrolidinium, or piperidinium, but are not limited to bis, including but not limited to cations. Fluorosulfonyl) imide, bis (fluorosulfonyl) amide, fluoroborate, or fluorophosphate.
  • the cation include, for example, alkylammonium such as triethylammonium, imidazolium such as ethylmethylimidazolium and butylmethylimidazolium, pyrrolidinium such as 1-methyl-1-propylpyrrolidinium, or the like. Methyl propyl piperidinium is mentioned.
  • anion examples include bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (bis), bis (pentafluoroethylsulfonyl) amide (bis) (pentafluoroethylsufonyl) amide (BETI), tetra Fluoroborate (BF 4 ), or hexafluorophosphate (PF 6 ).
  • the ionic liquid can be used alone as an electrolyte without using a separate solvent.
  • the ionic liquid is preferably included in the solid electrolyte in the range of 100 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous metal oxide.
  • the solid electrolyte of the present invention is finally obtained by drying at room temperature for 1 hour or more or by heat treatment for 5 to 10 minutes in a temperature range of 300 ° C to 600 ° C.
  • the electrolyte thus obtained is easy to process because it is a gel-like solid with improved flexibility. Therefore, it can be easily used as a solid electrolyte in the manufacturing process of a lithium secondary battery or an electric double layer capacitor.
  • the solid electrolyte of the present invention is LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 2 F 5 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN ( One or more lithium salts selected from the group consisting of C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , and LiPF 2 ⁇ (COO) 2 ⁇ 2 may be further included.
  • the solid electrolyte containing lithium salt may be used as an electrolyte of a lithium ion battery. In this case, the lithium salt is preferably contained in 5 to 40% by weight based on the entire solid electrolyte.
  • the lithium salt is preferably added together with the ionic liquid during the process of adding the ionic liquid to the reactant including the silane compound, the vinyl silane compound and the acid so that the gelation for forming the solid electrolyte proceeds. That is, lithium salt is included with the ionic liquid in the porous metal oxide structure.
  • the lithium salt is dissolved in an ionic liquid in an Ar atmosphere glove box using a stirrer for at least 24 hours, and then an ionic liquid in which lithium salt is dissolved is added to the gelation process.
  • a gel solid electrolyte containing a ionic liquid is synthesized.
  • the lithium salt may be used in the form of an electrolyte solution dissolved in a solvent such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and mixtures thereof.
  • DMC dimethyl carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • MEC methyl ethyl carbonate
  • EC ethylene carbonate
  • PC propylene carbonate
  • TMOS tetramethoxysilane
  • Triethoxyvinylsilane triethoxy vinylyl
  • the obtained product was dried at room temperature for 1 hour to finally obtain a gel solid electrolyte.
  • a solid electrolyte was obtained by performing the same process except using 2 mL of tetramethoxysilane in place of 1 mL of tetramethoxysilane (TMOS) and 1 mL of triethoxyvinylsilane.
  • TMOS tetramethoxysilane
  • conductivity measurement cell Inserting the solid electrolyte (1) in the two stainless steel electrodes (2) conductivity measurement cell (Swagelok cell) consists of, as first measuring the ionic conductivity shown in Figure 2 and then to 2 ⁇ 10 -2 Hz from 10 6 Conductance was measured up to the Hz range to measure conductivity.
  • BMIMBF 4 ionic liquid butylmethyl imidazolium tetrafluoroborate
  • the solid electrolyte of the Example and the comparative example was produced in the frame of 70 mm (width) x 150 mm (length) x 30 mm (thickness), respectively. Then, the center of the sample was fixed and the angle until the crack appeared by applying a force of 10 N in the same direction at both ends was measured.

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Abstract

본 발명은 이온성 액체를 다공성 금속 산화물에 효과적으로 내재화하여 이온성 액체의 장점을 유지하면서 유연성(flexibility)을 갖는 겔형의 고체 전해질을 제공하고자 한다. 이를 위해 본 발명은 하기 화학식 1로 표현되는 실란 화합물로부터 제조되는 다공성 금속산화물 내에 이온성 액체를 포함시킨 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질을 제공한다: [화학식 1] Si(R1)x(OR2)y(CR3=CR4R5)(4-x-y) 상기 식에서, R1 및 R2는 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, R3, R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이며, 0≤x≤3의 정수이고, 1≤y≤4의 정수이며, 2≤x+y≤4의 정수이다.

Description

이온성 액체를 포함하는 고체 전해질
본 발명은 전기 이중층 캐패시터 (Electrochemical Double Layer Capacitor; EDLC) 또는 리튬이차전지 (Lithium secondary battery) 에 적용되는 고체 전해질에 관한 것으로 유연성(Flexibility) 있는 겔형(gel-type)의 고체 전해질을 제공한다.
리튬 이차 전지 또는 전기 이중층 캐패시터에 사용되는 유기 전해질은 리튬염을 용해하기 쉽고, 또한 전기 분해하기 어려운 극성 비프로톤성의 유기 용매, 예를 들어 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 등의 카보네이트류, 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 탄산에스테르류, γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-발레로락톤 등의 락톤류, 포름산 메틸, 아세트산 메틸, 프로피온산 메틸 등의 에스테르류, 1,2-디메톡시에탄, 테트라히드로푸란, 디옥소란 등의 에테르류 등의 유기 용매에 LiPF6, LiBF4, LiN(CF3SO2)2, LiClO4, LiCF3SO3 등의 리튬염을 용해시킨 액체 전해질로 현재 리튬 이온 이차전지 (Lithium ion battery) 또는 전기 이중층 캐패시터 (Electrochemical Double Layer Capacitor ; EDLC)에 널리 사용되고 있다. 그러나 유기 전해질은 높은 이온전도성을 갖고 있음에도 불구하고 휘발성과 전극에서의 분해반응 등에 의한 낮은 안정성, 액체 상태에 기인한 공정상의 문제점을 갖고 있다.
상기 용매 중, 특히 디메틸카보네이트나 1,2-디메톡시에탄 등은 인화점이 매우 낮으므로 과충전이나 단락시의 발열에 의해 인화나 폭발 등의 전지의 안전성에 대해서 큰 문제를 안고 있고, 특히 최근에는 대용량, 고출력의 리튬 이차 전지의 개발이 급선무가 되어, 안전성의 문제는 점점 중요한 해결 과제가 되고 있다. 이에 따라, 비수전해액으로 인산 에스테르와 에스테르류, 특정 인산 에스테르 화합물을 사용하는 것(일본 공개특허공보 2000-195544호, 일본 공개 특허공보 2001-126726호), 또는 비프로톤성 용매에 특정의 불소화 케톤을 포함하는 전해액(일본 공개특허공보 2005-276517호) 등의 난연성의 화합물을 사용하는 것이 제안되었다.
한편 이온성 액체 (Ionic liquid)는 양이온과 음이온으로 구성되는 상온 용융염으로서 비휘발성, 난연성, 불연성, 넓은 전위창과 화학적 안정성 등의 특성을 가지므로 유기 전해질의 안전성 문제를 해결할 수 있는 대안 전해질로 주목받고 있다. 그러나 이온성 액체 역시 상온에서 액체 상태이므로 전해질로 적용할 때에 가공성이 떨어지는 단점이 있다.
상기 단점을 보완하기 위하여 일본 공개 특허공보 2010-225511호에서는 이온성 액체를 다공성 입자에 내재시켜 형성되는 내구성이 향상된 겔형의 전해질이 제시되었다. 그러나 다공성 금속산화물만 사용하여 제조되는 상기 고체 전해질은 유연성이 없어 외부의 충격 또는 제품에의 적용시에 깨지기 쉽다는 문제점이 있다.
본 발명은 리튬 이온 이차전지 (Lithium ion battery) 또는 전기 이중층 캐패시터 (Electrochemical Double Layer Capacitor ; EDLC)에 사용되는 고체 전해질로서 기존의 이온성 액체의 장점을 유지하면서 유연성(flexibility)이 향상된 겔형의 고체 전해질을 제공하고자 한다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표현되는 실란 화합물로부터 제조되는 다공성 금속산화물 내에 이온성 액체를 포함시킨 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질을 제공한다:
[화학식 1]
Si(R1)x(OR2)y(CR3=CR4R5)(4-x-y)
상기 식에서,
R1 및 R2는 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,
R3, R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이며,
0≤x≤3의 정수이고,
1≤y≤4의 정수이며,
2≤x+y≤4의 정수이다.
바람직하게, 상기 다공성 금속산화물은 상기 화학식 1에서 2≤x+y≤3인 실란 화합물을 30 내지 50 중량% 포함한다.
바람직하게, 상기 다공성 금속산화물은 화학식 1의 실란 화합물의 산(acid) 존재하에서의 가수분해 반응으로부터 형성된다.
바람직하게, 상기 산은 화학식 1의 실란 화합물 전체에 대하여 1 내지 50 부피부의 범위로 사용된다.
바람직하게, 상기 다공성 금속산화물은 하기 식으로 표현되는 구조를 포함한다:
Figure PCTKR2013008738-appb-I000001
상기 식에서 R3, R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이다.
바람직하게, 상기 이온성 액체는 양이온으로 이미다졸륨(imidazolium), 암모늄(ammonium), 피롤리디늄(pyrrolidinium) 또는 피페리디늄(piperidinium)을 포함하고, 음이온으로 비스(플루오로설포닐)이미드(bis(fluorosulfonyl)imide), 비스(플루오로설포닐)아미드(bis(fluorosufonyl)amide), 플루오로보레이트(fluoroborate), 또는 플루오로포스페이트(fluorophosphate)를 포함한다.
바람직하게, 상기 이온성 액체는 다공성 금속산화물 100 중량부에 대하여, 100 내지 200 중량부의 범위로 포함된다.
바람직하게, 상기 고체 전해질은 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6, LiCF3SO3, LiC2F5SO3, LiC4F9SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiC(CF3SO2)3, 및 LiPF2{(COO)2}2으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 리튬염을 포함한다.
바람직하게, 상기 리튬염은 고체 전해질 전체에 대하여 5 내지 40 중량%로 포함된다.
본 발명은 상기 고체 전해질을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.
본 발명은 상기 고체 전해질을 포함하는 전기 이중층 캐패시터를 제공한다.
본 발명에 의하면 이온성 액체를 포함하는 유연성이 향상된 겔형의 고체 전해질을 제공함으로써 이온성 액체의 가공성을 향상시킬 수 있다. 따라서 상기 전해질은 이온성 액체의 장점을 이용하고자 하는 리튬이차전지 또는 전기 이중층 캐패시터의 제조 과정에서 유리하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 전해질의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 고체 전해질의 이온 전도도를 측정하는 장치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 고체 전해질을 적용한 전기 이중층 캐패시터에서 용량을 측정하는 장치를 도시한 것이다.
본 발명은 이온성 액체를 다공성 금속산화물에 효과적으로 내재화함으로써 이온성 액체의 장점을 유지하면서 향상된 유연성(flexibility)을 갖는 겔형(gel-type)의 고체 전해질을 제공한다.
상기 다공성 금속산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 실란 화합물로부터 제조된다:
[화학식 1]
Si(R1)x(OR2)y(CR3=CR4R5)(4-x-y)
상기 식에서,
R1 및 R2는 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,
R3, R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이며,
0≤x≤3의 정수이고,
1≤y≤4의 정수이며,
2≤x+y≤4의 정수이다.
일반적으로 실란 화합물은 가수분해 반응에 의해 망상 구조의 실란 옥사이드 화합물을 이룬다. 본 발명은 이온성 액체를 내재시키기 위한 다공성 금속산화물로서 실란 화합물의 가수분해 반응에 상기 화학식 1에서 2≤x+y≤3인 경우인 비닐기를 포함하는 실란 화합물을 사용하는 것을 특징으로 한다. 이러한 비닐기를 포함하는 실란 화합물은 실란 옥사이드 화합물 사이 사이에 포함되어 망상 구조의 일부로서 예로서 하기와 같은 구조를 이룬다:
Figure PCTKR2013008738-appb-I000002
본 발명의 다공성 금속산화물이 형성되는 과정을 더욱 상세히 살펴보면, 화학식 1의 실란 화합물의 가수분해 반응로부터 망상 구조가 형성되며, 이때 구조의 중간 중간에 비닐기를 포함하는 실란 화합물이 도입되어 망상 구조의 종결을 이루게 된다. 즉 비닐기를 포함하는 실란 화합물이 존재하지 않는다면 망상 구조가 계속하여 생성되므로 얻어지는 물질의 점성이 계속하여 증가하고 결국 가공이 곤란한 하드(hard)한 상태가 된다. 비닐기는 이러한 망상 구조의 종결을 유도하여 가공이 용이한 유연성 있는 상태의 결과물이 얻어지도록 하는 것이다. 따라서 본 발명에서 비닐기를 포함하는 실란 화합물을 사용하는 것은 유연성 있는 고체 전해질의 골격을 형성하기 위한 수단이 된다.
본 발명은 상기 화학식 1로 표현되는 실란 화합물의 가수분해 반응으로부터 얻어지는 다공성 금속산화물에 이온성 액체를 내재시킨 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 제공한다. 이때, 고체 전해질의 유연성 향상의 효과를 조절하기 위하여, 상기 다공성 금속산화물은 비닐기를 포함하는 실란 화합물, 즉 화학식 1에서 2≤x+y≤3인 경우의 실란 화합물을 바람직하게 30 내지 50 중량% 포함한다. 비닐기를 포함하는 실란 화합물이 상기 범위보다 적은 양으로 사용되면 유연성 향상의 효과가 미미하여 고체 전해질로 사용하기 위한 과정에서 부서지는 등 가공성이 떨어진다. 반면, 상기 범위를 초과하는 양으로 과량 사용될 경우에는 바람직한 수준으로 겔화가 이루어지지 못해 이 또한 가공성이 떨어지기 때문이다.
상기 가수분해 반응을 위해 바람직하게 산성 조건 하에서 반응을 진행시킨다. 이러한 산으로는 포름산, 염산, 황산, 인산, 질산, 아세트산 등의 유기산을 사용할 수 있다. 이들 산의 사용량은 바람직하게 화학식 1의 실란 화합물 전체에 대하여 1 내지 50 부피부의 범위이다. 산의 사용량이 상기 범위보다 적으면 바람직한 수준으로 가수분해가 일어나지 않으며 상기 범위를 초과하여 사용하면 얻어지는 겔형의 다공성 금속산화물의 점성이 너무 높아져서 이후 이온성 액체와의 혼합이 곤란해지기 때문이다.
다음으로 화학식 1의 실란 화합물 및 산을 포함하는 반응물에서 가수분해가 균일하고 효과적으로 일어나도록 하기 위해 용액을 초음파 처리하는 것이 바람직하다. 초음파처리는 40KHz의 조건에서 1분 내지 20분간 수행할 수 있다. 초음파처리 후에는 용액을 0℃ 내지 10℃ 에서 1분 내지 120분 냉각시킨다.
그런 다음 이온성 액체를 첨가하여 겔화가 진행되도록 한다. 즉, 본 발명에서 겔형의 고체 전해질은 화학식 1의 실란 화합물이 가수분해되어 망상 구조의 다공성 금속산화물이 형성되는 것과 동시에 이온성 액체의 함침이 일어남으로써 다공성 금속산화물 구조 내에 이온성 액체가 포함되어 있는 형태로 제조되는 것이다.
상기 이온성 액체는 상온(25℃)에서 용융 상태인 이온성 물질로, 양이온과 음이온을 포함하는 것이라면 제한 없이 사용 가능하다. 이온성 액체는 양이온으로 이에 한정되는 것은 아니나 이미다졸륨(imidazolium), 암모늄(ammonium), 피롤리디늄(pyrrolidinium) 또는 피페리디늄(piperidinium)을 포함하고, 음이온으로는 이에 한정되는 것은 아니나 비스(플루오로설포닐)이미드(bis(fluorosulfonyl)imide), 비스(플루오로설포닐)아미드(bis(fluorosufonyl)amide), 플루오로보레이트(fluoroborate), 또는 플루오로포스페이트(fluorophosphate)를 포함한다. 상기 양이온의 구체적인 예로는 양이온의 예로서는 트리에틸암모늄 등의 알킬암모늄, 에틸메틸이미다졸륨, 부틸메틸이미다졸륨 등의 이미다졸륨, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄 등의 피롤리디늄 또는 메틸프로필피페리디늄을 들 수 있다. 또한 음이온의 구체적인 예로는 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide(TFSI)), 비스(펜타플루오로에틸설포닐)아미드(bis(pentafluoroethylsufonyl)amide(BETI)), 테트라플루오로보레이트(tetrafluoroborate(BF4)), 또는 헥사플루오로포스페이트(hexafluorophosphate(PF6))를 들 수 있다.
이온성 액체는 별도의 용매를 이용하지 않고 단독으로 전해질로서 사용될 수 있다. 또한 이온 전도도 및 용량 특성을 위하여 이온성 액체는 다공성 금속산화물 100 중량부에 대하여, 100 내지 200 중량부의 범위로 고체 전해질 내에 포함되는 것이 바람직하다.
다공성 금속산화물과 이온성 액체의 겔화 후에는 상온에서 1시간 이상 건조시키거나 300℃ 내지 600℃의 온도 범위에서 5 내지 10 분간 열처리 함으로써 최종적으로 본 발명의 고체 전해질을 얻는다. 이렇게 얻어지는 전해질은 유연성이 향상된 겔형의 고체이므로 가공이 용이하다. 따라서 리튬이차전지 또는 전기 이중층 캐패시터의 제작 과정에서 고체 전해질로서 용이하게 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 고체 전해질은 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6, LiCF3SO3, LiC2F5SO3, LiC4F9SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiC(CF3SO2)3, 및 LiPF2{(COO)2}2으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 리튬염을 추가적으로 포함할 수 있다. 리튬염이 포함된 고체 전해질은 리튬이온전지의 전해질로 사용될 수 있다. 이때, 상기 리튬염은 고체 전해질 전체에 대하여 바람직하게 5 내지 40 중량%로 포함된다. 또한 리튬염을 포함시킬 때에는 실란 화합물, 비닐 실란 화합물 및 산을 포함하는 반응물에 이온성 액체를 투입하는 과정 중에 이온성 액체와 함께 첨가하여 고체 전해질 형성을 위한 겔화가 진행되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 리튬염은 다공성의 금속 산화물 구조 내에 이온성 액체와 함께 포함되는 것이다.
구체적으로 리튬염을 포함시키는 방법으로는 이온성 액체에 리튬염을 Ar 분위기 글러브 박스에서 24시간 이상 교반기를 이용하여 용해시킨 후, 리튬염이 용해된 이온성 액체를 상기 겔화 과정에 투입하여 리튬염과 이온성 액체를 포함하는 겔형 고체전해질을 합성한다. 또는 리튬염은 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 메틸에틸카보네이트(MEC), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 이들 혼합물 등의 용매 상에 용해된 전해액의 형태로 사용될 수 있다. 상기 용액상의 리튬염이 다공성의 금속 산화물 구조 내에 포함된 후에는 건조 또는 열처리 과정에서 용매가 휘발되어 제거된다.
이하, 실시예를 통하여 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것이므로 본 발명이 이에 한정되는 것으로 여겨져서는 안된다.
실시예
도 1에 도시된 바와 같이 원통형의 반응 용기에 1M의 포름산(formic acid) 1 mL를 넣고 교반하면서 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilane(TMOS)) 1 mL 및 트리에톡시 비닐실란(Triethoxyvinylsilane) 1 mL를 첨가했다. 그런 다음 상기 용액을 ultrasonic cleaner 에서 40KHz 의 조건으로 30분간 초음파 처리한 후 5℃ 에서 20분간 냉각시켰다. 그런 다음 이온성 액체로 부틸메틸 이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(Butyl methyl imidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF4)) 1 mL를 넣고 함께 겔화가 일어나도록 하였다.
상기 얻어진 수득물을 실온에서 1시간 건조하여 최종적으로 겔형의 고체전해질을 얻었다.
비교예
상기 실시예에서 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilane(TMOS)) 1mL 및 트리에톡시비닐실란(Triethoxyvinylsilane) 1mL를 대신하여 테트라메톡시실란 2mL를 사용하는 것을 제외하고 동일한 과정을 수행하여 고체 전해질을 얻었다.
평가
1) 전기적 특성
상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 고체 전해질에 대하여 이온 전도도 및 전기적 용량을 측정하였다.
우선 이온 전도도를 측정하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 스테인리스 스틸 전극(2)으로 구성된 전도도 측정 셀(Swagelok cell) 내에 고체 전해질(1)을 삽입한 다음 2×10-2 Hz 부터 106 Hz 범위까지 Impedance를 수행하여 전도도를 측정하였다.
측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 비교를 위해 동일한 장치 및 조건에서 측정된 이온성 액체 BMIMBF4의 이온 전도도를 함께 나타냈다.
표 1
이온전도도 ( mS/cm )
BMIMBF4 1.70
실시예 0.44
비교예 0.43
실시예 및 비교예의 전해질은 모두 이온성 액체 부틸메틸 이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(Butyl methyl imidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF4))에 비해 다소 감소하였으나 전해질로서 사용되기에 충분한 이온 전도도를 보였다.
다음으로 도 3에 도시된 바와 같은 장치에 실시예 및 비교예에서 얻어진 고체 전해질을 적용하여 제작되는 전기 이중층 캐패시터의 용량을 측정하였다. 작업 전극(3)으로 스테인리스 스틸 메쉬 상에 형성된 탄소나노튜브 전극(CNT)을 사용하였고, 카운터 전극 또는 기준 전극(4)으로 스테인리스 스틸 포일(foil)을 사용하였다. 용량측정은 CV(Cyclic voltammetry)를 이용하였고, 100mV/s의 scan rate로 0V 에서 2.7V 범위에서 측정하였다.
측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 비교를 위해 동일한 장치 및 조건에서 측정된 이온성 액체 BMIMBF4의 용량을 함께 나타냈다.
표 2
Capacitance (F/g)
BMIMBF4 30
실시예 25
비교예 22
실시예 및 비교예의 전해질은 모두 이온성 액체 부틸메틸 이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(Butyl methyl imidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF4))에 비해 용량의 감소가 미미하였다.
2) 기계적 특성
상기 실시예 및 비교예로 제시된 고체 전해질의 기계적 특성을 비교하기 위해 유연성 정도를 다음의 방법으로 측정하였다.
우선 실시예 및 비교예의 고체 전해질을 각각 70mm　(가로)　x 150mm (세로)　x 30mm (두께)의 틀로 제작했다. 그런 다음 시료의 중앙을 고정시키고 양쪽 끝에서 동일 방향으로 10N의 힘을 가해 깨짐(crack)이 나타날 때까지의 각도를 측정하였다.
표 3
깨짐(crack)각도
실시예 40
비교예 2
비교예의 전해질은 휘어지는 성질이 거의 없는 것에 비해 실시예의 전해질은 최대 40도까지 휘어질 수 있는 유연성이 있음을 확인하였다.

Claims (11)

  1. 하기 화학식 1로 표현되는 실란 화합물로부터 제조되는 다공성 금속산화물 내에 이온성 액체를 포함시킨 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질:
    [화학식 1]
    Si(R1)x(OR2)y(CR3=CR4R5)(4-x-y)
    상기 식에서,
    R1 및 R2는 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,
    R3, R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이며,
    0≤x≤3의 정수이고,
    1≤y≤4의 정수이며,
    2≤x+y≤4의 정수이다.
  2. 제1항에서,
    상기 다공성 금속산화물은 상기 화학식 1에서 2≤x+y≤3인 실란 화합물을 30 내지 50 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질.
  3. 제1항에서,
    상기 다공성 금속산화물은 화학식 1의 실란 화합물의 산(acid) 존재하에서의 가수분해 반응으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질.
  4. 제3항에서,
    상기 산은 화학식 1의 실란 화합물 전체에 대하여 1 내지 50 부피부의 범위로 사용되는 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질.
  5. 제1항에서,
    상기 다공성 금속산화물은 하기 식으로 표현되는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질:
    Figure PCTKR2013008738-appb-I000003
    상기 식에서 R3, R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이다.
  6. 제1항에서,
    상기 이온성 액체는 양이온으로 이미다졸륨(imidazolium), 암모늄(ammonium), 피롤리디늄(pyrrolidinium) 및 피페리디늄(piperidinium)로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 음이온으로 비스(플루오로설포닐)이미드(bis(fluorosulfonyl)imide), 비스(플루오로설포닐)아미드(bis(fluorosufonyl)amide), 플루오로보레이트(fluoroborate) 및 플루오로포스페이트(fluorophosphate)로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질.
  7. 제1항에서,
    상기 이온성 액체는 다공성 금속산화물 100 중량부에 대하여, 100 내지 200 중량부의 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질.
  8. 제1항에서,
    상기 고체 전해질은 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6, LiCF3SO3, LiC2F5SO3, LiC4F9SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiC(CF3SO2)3, 및 LiPF2{(COO)2}2으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 리튬염을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질.
  9. 제8항에서,
    상기 리튬염은 고체 전해질 전체에 대하여 5 내지 40 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 겔형의 고체 전해질.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 고체 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 고체 전해질을 포함하는 전기 이중층 캐패시터.
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