KR20220017994A

KR20220017994A - 리튬 이온 전지용 인시츄 중합 고분자 전해질

Info

Publication number: KR20220017994A
Application number: KR1020227000117A
Authority: KR
Inventors: 사사 수; 진화 장; 징 펑; 홍핑 리; 휘차오 루; 지신 쉬; 쥔 양
Original assignee: 에보닉 오퍼레이션스 게엠베하
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2022-02-14
Also published as: MX2021014981A; JP2022536290A; US20220344712A1; EP3981042A1; CA3140106A1; WO2020243948A1; IL288632A; EP3981042A4; CN114207894A; IL288632B2; BR112021024444A2

Abstract

하기를 포함하거나, 하기로 본질적으로 이루어지거나, 또는 하기로 이루어지는 인시츄 중합된 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물의 제조를 위한 단량체: A1) 제 1 단량체 및 A2) 제 2 단량체. 고분자 전해질 전구체 원료 조성물, 단량체를 포함하는 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물, 고분자 전해질 및 전기화학적 디바이스가 또한 제공된다.

Description

리튬 이온 전지용 인시츄 중합 고분자 전해질

본 발명은, 예를 들어, 리튬 금속 전지용 셀룰로오스 세퍼레이터를 사용한, 인시츄 중합 고분자 전해질에 관한 것이다.

리튬 이온 전지(LIB)는 휴대용 전자 디바이스, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 에너지 저장 시스템에 널리 사용된다. 그러나, 다양한 에너지 저장 디바이스 및 시스템의 개발 및 필요에 따라, 고에너지 밀도 저장 시스템이 시급히 요구되고 있다. 리튬 금속 기반 전지(LMB)는 최고 이론 비용량(3860 mAh g^-1) 및 최저 산화환원 전위(-3.04 V vs 표준 수소 전극) 을 제공할 수 있으므로 이상적인 애노드 후보이다. 불행하게도, 리튬 도금/스트라이핑 공정 동안 리튬 덴드라이트 및 이끼 형상(mossy) 금속 성막물의 제어되지 않은 형성과 성장은 잠재적인 안전 문제, 지속적인 전해질 분해, 지속적인 고체 전해질 계면(SEI) 파괴/재건 및 낮은 쿨롱 효율(CE)로 이어질 수도 있다. 액체 전해질을 고분자 전해질 또는 고체 고분자 전해질로 교체하면 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있고 화재, 폭발 및 전해질 누출과 같은 안전 문제를 없앨 수 있다. 그러나, 고체 고분자 전해질은 실온에서 이온전도도가 나쁘고 계면 저항이 높아, 실제 응용 요건을 충족하기 어렵다.

액체 전해질과 고체 전해질의 장점을 결합한 고분자 전해질은 대단히 이상적인 이온 전도도, 실온에서 우수한 전기화학적 성능을 나타내며 액체의 누출이 없다. 더 중요한 것은, 고분자 전해질이 최근 연구에서 Li 덴드라이트 성장을 억제하기 위해 양호한 기계적 강도를 가진 단단한 골격을 사용할 수 있다는 것이다.

그러나, 전통적인 고분자 전해질 제조 공정은 많은 양의 용매를 소비하며, 이는 비용이 많이 들고 복잡하며 고분자 전해질 개발에 심각한 장애가 된다. 인시츄(In-situ) 중합은 무용매 핫 프레싱 방법(solvent-free hot-pressing method)이고 고분자 전해질 LMB를 위한 간단하지만 강력한 기술로, 용매 소비와 지루한 제조 공정을 피한다.

인시츄 고분자 전해질은 유기 용매, 리튬염, 중합성 단량체 및 열 개시제로 이루어지는 전구체 용액에 의해 열적으로 제조된다. 상이한 단량체는 전해질 시스템에 상이한 영향을 미친다. 비닐렌 카보네이트(VC)는 우수한 기계적 특성, 넓은 전기화학적 안정성 윈도우(window) 및 고체 전해질 계면(SEI)의 주성분인 전극과의 우수한 계면 상용성(compatibility)을 갖는 폴리(비닐렌카보네이트)(PVCA)로 중합될 수 있다. 게다가, 가교제는 낮은 함량에서 단량체 중합을 촉진할 수 있다. VC 와 가교제의 조합은 우수한 고분자 골격을 형성할 수 있다. 또한, 많은 수의 미크론 기공, 우수한 기계적 강도 및 탄성을 갖는 셀룰로오스 막은 인시츄 중합에서 광범위한 응용 가능성이 있다. 더 얇은 셀룰로오스 막은 더 나은 전지 성능을 달성하는 데 더 적합한 리튬 이온 투과 저항이 더 작다.

J. Chai 등 (J. Chai et al. Advance Science, Vol. 4(2016), pp. 1600377) 은 폴리(비닐렌 카보네이트)(PVCA) 기반 고체 고분자 전해질이 4.5 V versus Li/Li⁺ 에 이르기까지의 전기화학적 안정성 윈도우 및 LiCoO₂/Li 전지에 대해 50 ℃에서 9.82 × 10^-5 S cm^-1의 이온 전도도를 가지고 있음을 나타냈다. LiCoO₂/Li 전지는 0.1 C의 전류 밀도에서 약 97 mAh g^-1의 가역 용량만을 제공했는데, 이는 PVCA-SPE의 낮은 이온 전도도와 25 ℃에서 큰 분극으로 인한 것이었다.

또한, J. Chai 등 (J. Chai et al. ACS Apply Material Interfaces, Vol. 9 (2017), pp 17897-17905) 은, 5.59 × 10^-4 S cm^-1 의 이온 전도도 및 주변 온도에서 4.8 V vs Li⁺/Li 에 대한 전기화학적 안정성 윈도우를 갖는, 손쉬운 인시츄 중합 방법을 통해 PVCA 기반 고분자 전해질을 개발했고, LiFe_0.2Mn_0.8PO₄/흑연 리튬 이온 전지에 대해 1.0C에서 1000회 사이클 후 용량 유지(88.7%)를 제공했다. 여기서 흑연이 애노드로 사용되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 인시츄 중합(in-situ polymerization)에 의해 신규한 고분자 전해질을 개발하는 것이다.

본 발명자는 놀랍게도 상이한 단량체, 예를 들어, 불포화 탄산 에스테르 단량체 및 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트가 고분자 전해질을 위한 우수한 고분자 골격을 형성할 수 있고, 이는 리튬 금속을 애노드로서 사용할 때 상용 액체 전해질과 비교하여 사이클 성능 및 전기화학적 안정성 윈도우와 같은 우수한 성능을 나타냄을 발견하였다.

도 1은 실시예 1에 따라 VC와 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트(ETPTA)가 완전히 반응했음을 증명하는 적외선 테스트 결과를 도시한다.
도 2는 각각, 실시예 2(도 2(a)) 및 비교예 1(도 2(b))에서 제조된 전해질로 사이클링 후 Li 호일의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한다.
도 3은 0.5C 레이트에서 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 비교예 1에서 제조된 전해질의 사이클 성능을 도시한다.
도 4는 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 비교예 1에서 제조된 고분자 전해질의 전기화학적 안정성 윈도우 테스트 결과를 도시한다.
도 5는 실시예 1(25%), 실시예 2(50%) 및 실시예 3(75%)에서 제조된 고분자의 이온 전도도를 도시한다. 도 5(b) 및 도 5(c)는 도 5(a)의 좌하측 모서리를 확대한 도면이다.

본 발명은 하기를 포함하거나, 하기로 본질적으로 이루어지거나, 또는 하기로 이루어지는 인-시츄 중합된 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물을 제조하기 위한 단량체(즉, 단량체 조성물 또는 단량체들의 조성물)를 제공한다:

A1) 불포화 탄산 에스테르 단량체, 바람직하게는 식 (I) 로 표시되는 단량체, 보다 바람직하게는 비닐렌 카보네이트(VC)인 제1 단량체;

여기서 R은 H, F, 메틸 또는 에틸을 나타내고; 그리고

A2) 식 (II)로 표시되는 제 2 단량체, 바람직하게는 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트(ETPTA);

여기서 R은 메틸, -CH₂OH, 에틸, 또는 -CH₂CH₂OH을 나타내며, 바람직하게는 R은 메틸, -CH₂OH 또는 에틸을 나타내고; a, b, c는 각각 독립적으로 0, 1, 2 또는 3을 나타내고, a+b+c≥2, 바람직하게 a+b+c≥3 이다.

단량체를 사용하여, 고분자 전해질 전구체 조성물을 제조할 수 있고, 이는 차례로 인시츄 중합된 고분자 전해질을 형성하는 데 사용될 수 있다.

일부 예에서, 제 1 단량체와 제 2 단량체의 질량비는 20:0.5-20:10, 예를 들어 20:2-20:5, 가장 바람직하게는 20:3-20:5 이다.

본 발명은 또한, 하기를 포함하거나, 하기로 본질적으로 이루어지거나, 또는 하기로 이루어지는 인시츄 중합된 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물을 제조하기 위한 고분자 전해질 전구체 원료 조성물을 제공한다:

(a) 본 발명의 단량체; 및

B) 단량체의 열중합 반응을 위한 자유 라디칼 개시제.

본 발명은 또한, 하기를 포함하거나, 하기로 본질적으로 이루어지거나, 또는 하기로 이루어지는 인시츄 중합된 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물을 제공한다:

(a) 본 발명의 단량체;

B) 단량체의 열중합 반응을 위한 자유 라디칼 개시제; 및

C) 리튬 염, 바람직하게는 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드; 및

D) 선택적으로, 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로, 0%-70wt.%, 바람직하게는 10%-60wt.%, 보다 바람직하게는 20%-50wt.% 의 양을 갖는, 유기 용매, 바람직하게는 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트.

바람직하게는, 단량체의 양은 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 5-80wt.%, 예를 들어, 10-80wt.%, 20-80wt.%, 보다 바람직하게는 25-75 wt.%이다. 바람직하게는, 제 1 단량체와 제 2 단량체의 질량비는 20:0.5-20:10, 가장 바람직하게는 20:3-20:5 이다.

바람직하게는, 고분자 전해질 전구체 조성물은 유기 용매를 포함한다.

본 발명의 인시츄 중합된 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물의 제조 방법은 통상적인 것, 예를 들어 고분자 전해질 전구체 조성물의 성분들을 혼합하는 단계를 포함하는 방법일 수도 있다.

본 발명은 또한 하기 단계를 포함하는 고분자 전해질을 인시츄 제조하는 방법을 제공한다,

1) 본 발명의 고분자 전해질 전구체 조성물을 전지 케이스에 삽입한 후 밀봉하는 단계; 및

2) 가열에 의해 고분자 전해질 전구체 조성물을 인시츄 중합하는 단계.

하나의 예에서, 제 1 단량체와 제 2 단량체의 반응은 하기와 같이 개략적으로 나타낼 수도 있다,

본 발명은 또한, 본 발명의 제 1 단량체 및 제 2 단량체, 특히 본 발명의 단량체들을 포함하는 고분자 전해질 전구체 조성물(의 중합)에 의해 고분자 전해질이 형성되는, 고분자 전해질, 특히 겔 고분자 전해질을 제공한다.

본 발명은 또한 본 발명의 단량체와 자유 라디칼 개시제의 반응 생성물인 고분자를 포함하는, 재충전가능한 전지용 고분자 전해질을 제공한다.

본 발명은 또한, 하기를 포함하는 재충전가능한 전지용 고분자 전해질을 제공한다:

(i) 본 발명의 단량체와 자유 라디칼 개시제의 반응 생성물인 고분자, 및

(ii) 약 0.44 mS/cm 이하의 이온 전도도를 달성하는데 효과적인 이온 염의 양을 함유하는 유기 용매.

일부 예에서, 이온 염은 리튬 염이다.

일부 예에서, 단량체의 양은 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 20-80wt.%, 바람직하게는 25-75 wt.%이다.

고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로, 리튬염의 양이 약 25wt.%일 때, 제 1 단량체 및 제 2 단량체의 양이 약 75 wt.% 를 초과하면, 조성물에 의해 형성되는 고분자 전해질이 전고체 상태가 될 것이다; 제 1 단량체 및 제 2 단량체의 양이 약 25 wt.% 미만이면, 단량체의 중합이 만족스럽지 못하여 양호한 겔 상태를 형성할 수 없다. 따라서, 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로, 리튬염의 함량이 약 25wt.%일 때, 제 1 단량체 및 제 2 단량체의 양은 고분자 전해질 조성물 또는 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 바람직하게 <75 wt.% 그리고 >25 wt.% 이다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 고분자 전해질 전구체 조성물에 의해 인시츄로 제조된 고분자 전해질을 제공한다. 고분자 전해질은 당업계의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다.

본 발명은 또한 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드를 분리하는 미세다공성 세퍼레이터, 및 본 발명의 겔 고분자 전해질을 포함하는 재충전가능한 전지를 제공한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 고분자 전해질 전구체 조성물(의 중합)에 의해 인시츄로 제조된 고분자 전해질을 포함하는 리튬 이온 전지를 제공한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 고분자 전해질을 포함하는 전기화학적 디바이스를 제공한다.

일부 예에서, 전기화학적 디바이스는 이차 전지이다.

따라서, 본 발명은 하기를 포함하는 방법에 의해 제작된 디바이스를 추가로 제공한다.

전극 조립체를 갖는 설치된 전지 케이스를 준비하는 단계;

본 발명의 고분자 전해질 전구체 조성물을 전지 케이스에 삽입한 후 밀봉하는 단계; 및

고분자 전해질 전구체 조성물을 중합하는 단계.

중합은 가열에 의해 수행될 수도 있다.

본 발명의 고분자 전해질은 겔 상태(즉, 겔 고분자 전해질) 또는 고체 상태(즉, 고체 고분자 전해질)일 수 있으며, 바람직하게는 고분자 전해질은 겔 상태이다. 본 발명의 고분자 전해질 전구체 조성물에 대해서, 고분자 전해질의 겔 또는 고체 상태는 고분자 전해질 전구체 조성물 내 유기 용매의 양에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 실시예 1-3에 나타낸 바와 같이, 고분자 전해질 전구체 조성물이 유기 용매를 포함하지 않는 경우, 수득된 고분자 전해질은 고체 상태이고; 고분자 전해질 전구체 조성물이 유기 용매 예를 들어 10%-70wt.%를 포함하는 경우, 수득된 고분자 전해질은 겔 상태이다.

본 발명의 전해질을 사용할 수 있는 리튬 이온 전지의 유형에는 특별한 제한이 없다. 특히, 리튬 이온 전지는 LMB이다.

본 발명은 추가로 인시츄 중합된 고분자 전해질 또는 전기화학적 디바이스의 제조에 있어서, 본 발명의 단량체, 또는 본 발명의 고분자 전해질 전구체 원료 조성물, 또는 본 발명의 고분자 전해질 전구체 조성물의 용도를 제공한다.

당업자는 본 발명의 고분자 전해질을 갖는 리튬 이온 전지에 적합한 세퍼레이터를 결정할 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터는 표면 개질되거나 개질되지 않을 수 있고; 세퍼레이터는 30㎛ 미만, 심지어 20㎛ 미만의 두께를 가질 수 있고; 세퍼레이터의 다공성은 70% 초과, 심지어 80% 초과일 수 있으며; 세퍼레이터의 재료는 예를 들어 셀룰로오스 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)일 수도 있다.

제 1 단량체

일부 예에서, 탄산 에스테르 단량체는 바람직하게는 화학식: C₃H₂O₃, 및 CAS 로그인 번호 872-36-6을 갖는 비닐렌 카보네이트(VC)이다:

제 2 단량체

제 2 단량체는 바람직하게는 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트(ETPTA), 또는 ETPTA 와 유사한 분자 구조를 갖는 다른 단량체 이를테면 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(TMPTA), 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(PETA) 등이다.

트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트(ETPTA)는 평균 Mn이 약 428이고 CAS 로그인 번호가 28961-43-5일 수도 있다.

자유 라디칼 개시제

단량체들의 중합 반응의 자유 라디칼 개시제는 단량체들의 열중합 반응을 위한 것이고, 당업계에서 통상적인 그러한 것들일 수 있다.

자유 라디칼 개시제 또는 중합 개시제의 예는 아조 화합물, 이를테면 2,2-아조비스(2-시아노부탄), 2,2-아조비스(메틸부티로니트릴), 2,2'-아조이소부티로니트릴(AIBN), 아조비스디메틸-발레로니트릴(AMVN) 등, 퍼옥시 화합물, 이를테면 벤조일 퍼옥사이드, 아세틸 퍼옥사이드, 디라우릴 퍼옥사이드, 디-tert-부틸 퍼옥사이드, 쿠밀 퍼옥사이드, 과산화수소 등, 및 히드로퍼옥사이드를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, AIBN, 2,2'-아조비스(2,4-디메틸 발레로니트릴)(V65), 디-(4-tert-부틸시클로헥실)-퍼옥시디카보네이트(DBC) 등이 또한 사용될 수도 있다.

바람직하게는 자유 라디칼 개시제는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 아조비스이소헵탄니트릴(ABVN), 벤조일 퍼옥사이드(BPO), 라우로일 퍼옥사이드(LPO) 등으로부터 선택될 수도 있다. 보다 바람직하게는, 자유 라디칼 개시제는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)이다.

자유 라디칼 개시제의 양은 통상적인 것이다. 바람직하게는, 자유 라디칼 개시제의 양은 단량체의 총 중량을 기준으로 0.1-3 중량%, 보다 바람직하게는 약 0.5 중량%이다.

중합 개시제는 40 내지 80℃의 특정 온도에서 분해되어 라디칼을 형성하고, 자유 라디칼 중합을 통해 단량체와 반응하여 겔 고분자 전해질을 형성할 수 있다. 일반적으로, 자유 라디칼 중합은 높은 반응성 또는 활성 부위를 갖는 일시적인 분자의 형성을 수반하는 개시, 활성 사슬 말단에 단량체를 첨가하여 사슬 말단의 활성 부위 재형성을 수반하는 전파, 활성 부위의 다른 분자로의 이동을 수반하는 사슬 이동, 및 활성 사슬 중심의 파괴를 수반하는 종결로 구성되는 순차적 반응에 의해 수행된다.

리튬 염

리튬 염은 비수 전해질에 용해되어 리튬 이온의 해리를 초래하는 재료이다.

리튬염은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것들일 수 있으며, 비제한적인 예들은 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 (LiTFSI), 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF₆), 리튬 디플루오로옥살레이트 보레이트 (LiODFB), LiAsF₆, LiClO₄, LiN(CF₃SO₂)₂, LiBF₄, LiSbF₆, 및 LiCl, LiBr, LiI, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로보란 리튬, 저급 지방족 카르복실산 리튬, 리튬 테트라페닐 보레이트 및 이미드로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 리튬 염은 바람직하게는 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드이다. 이들 재료는 단독으로 또는 이의 조합으로 사용될 수도 있다.

리튬 염의 양은 또한 통상적인 것, 예를 들어, 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 5-40wt.%, 가장 바람직하게는 약 25wt.% 이다.

유기 용매

유기 용매는 당업계에서 통상적인 것일 수 있다. 예를 들어, 유기 용매는 비양성자성 유기 용매, 이를테면 N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 부틸렌 카보네이트(BC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥솔란, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥솔란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 메틸 포름에이트, 메틸 아세테이트, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥솔란 유도체, 술포란, 메틸 술포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라히드로푸란 유도체, 에테르, 메틸 프로피오네이트 및 에틸 프로피오네이트일 수도 있다. 이들 재료는 단독으로 또는 이의 조합으로 사용될 수도 있다.

일부 예에서, 유기 용매는 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트(EC/DMC), 프로필렌 카보네이트(PC), 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(TEGDME) 등으로부터 선택된다. 일부 예에서, 유기 용매는 바람직하게는 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트(EC/DMC, EC/DMC=50/50 (v/v))이다.

유기 용매의 양은 통상적인 것이다. 예를 들어, 유기 용매의 양은 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 0%-70wt.%, 예를 들어, 0%-65wt.%, 0%-60wt.%, 0%-55wt.%, 5%-70wt.%, 5%-65wt.%, 5%-60wt.%, 5%-55wt.%, 바람직하게 10%-70wt.%, 10%-65wt.%, 10%-60wt.%, 10%-55wt.%, 보다 바람직하게 20%-50wt.% 일 수도 있다.

또한, 충방전 특성 및 난연성을 향상시키기 위하여, 예를 들면 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 고리형 에테르, 에틸렌디아민, n-글라임, 헥사포스포릭트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 전해질에 첨가될 수도 있다. 필요에 따라, 불연성을 부여하기 위해, 전해질은 사염화 탄소, 삼불화 에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함할 수도 있다.

전기화학적 디바이스는 전기화학적 반응을 받는 모든 종류의 디바이스를 포함한다. 전기화학적 디바이스의 예는 모든 종류의 1차 전지, 2차 전지, 연료 전지, 태양 전지, 커패시터 등, 바람직하게는 2차 전지를 포함한다.

일반적으로, 이차 전지는 세퍼레이터를 사이에 두고 서로 마주보는 캐소드 및 애노드로 구성된 전극 조립체에 전해질을 포함시켜 제작된다.

캐소드는 예를 들어 캐소드 집전체에 캐소드 활물질, 전도성 재료 및 결합제의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제작된다. 필요에 따라, 상기 혼합물에 충전제를 더 첨가할 수 있다.

캐소드 집전체는 일반적으로 3~500㎛의 두께를 갖도록 제작된다. 캐소드 집전체를 위한 재료는 제작된 전지에 화학적 변화를 일으키지 않고 높은 전도도를 갖는 한 특별히 제한되지 않는다. 캐소드 집전체를 위한 재료의 예는 스테인리스 강, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소결 탄소, 및 알루미늄 또는 스테인레스 강으로서, 탄소, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리된, 그러한 알루미늄 또는 스테인레스 강을 포함할 수 있다. 집전체는 그의 표면에 미세한 요철을 갖도록 제작되어 캐소드 활물질에 대한 접착을 높일 수 있다. 또한, 집전체는 필름, 시트, 호일, 망, 다공성 구조체, 발포체, 부직포 등을 포함한 다양한 형태를 취할 수도 있다.

본 발명에서 사용될 수 있는 캐소드 활물질의 예는 층상 화합물, 이를테면 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂) 및 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂), 또는 하나 이상의 전이 금속으로 치환된 화합물; 리튬 망간 산화물 이를테면 식 Li_1+xMn_2-xO₄(0

x

0.33), LiMnO₃, LiMn₂O₃및 LiMnO₂ 의 화합물; 리튬 구리 산화물(Li₂CuO₂); 바나듐 산화물 이를테면 LiV₃O₈, V₂O₅및 Cu₂V₂O₇; 식 LiNi_1-xM_xO₂(M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga, 및 0.01

x

0.3) 의 Ni-사이트형 리튬 니켈 산화물; 식 LiMn_2-xM_xO₂(M=Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta, 및 0.01

x

0.1) 또는 식 Li₂Mn₃MO₈(M=Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn) 의 리튬 망간 복합 산화물; LiMn₂O₄ (여기서 Li의 일부는 알칼리 토금속 이온으로 치환된다); 이황화 화합물; 및 Fe₂(MoO₄)₃, LiFe₃O₄ 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.

전도성 재료는 전형적으로, 캐소드 활물질을 포함한 혼합물의 총 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 의 양으로 첨가된다. 전도성 재료는, 제작된 전지에 화학적 변화를 일으키지 않고 적합한 전도도를 갖는 한 특별히 제한되지 않는다. 전도성 재료의 예는 천연 또는 인조 흑연과 같은 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙 및 서멀 블랙과 같은 카본 블랙; 탄소 섬유 및 금속 섬유와 같은 전도성 섬유; 불화탄소 분말, 알루미늄 분말 및 니켈 분말과 같은 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨과 같은 전도성 위스커; 산화티탄과 같은 전도성 금속 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체를 포함하는 전도성 재료를 포함할 수도 있다.

결합제는 활물질과 전도성 재료의 결합, 및 집전체와의 결합을 보조하는 성분이다. 결합제는 전형적으로, 캐소드 활물질을 포함한 혼합물의 총 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 의 양으로 첨가된다. 결합제의 예는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐 피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 삼원공중합체(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 플루오로 고무 및 다양한 공중합체를 포함할 수도 있다.

충전제는 캐소드 팽창을 억제하는 데 사용되는 선택적 성분이다. 충전제는 제작된 전지에 화학적 변화를 일으키지 않고 섬유상 재료이면 특별히 제한은 없다. 충전제의 예는, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 올레핀계 고분자; 및 유리 섬유 및 탄소 섬유와 같은 섬유상 재료가 사용될 수도 있다. 애노드 집전체에 애노드 활물질을 도포한 후 건조하여 애노드를 제작한다. 필요한 경우, 앞서 설명한 다른 성문이 더 포함될 수도 있다.

애노드 집전체는 일반적으로 3~500㎛의 두께를 갖도록 제작된다. 애노드 집전체를 위한 재료는 제작된 전지에 화학적 변화를 일으키지 않고 적합한 전도도를 갖는 한 특별히 제한되지 않는다. 애노드 집전체를 위한 재료의 예는 구리, 스테인리스 강, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소결 탄소, 구리 또는 스테인리스 강으로서, 탄소, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리된, 그러한 구리 또는 스테인리스 강, 및 알루미늄 카드뮴 합금을 포함할 수도 있다. 캐소드 집전체와 유사하게, 애노드 집전체는 또한, 그의 표면에 미세한 요철을 형성하여 애노드 활물질에 대한 접착 강도를 높일 수 있도록 처리될 수도 있다. 또한, 애노드 집전체는 필름, 시트, 호일, 망, 다공성 구조체, 발포체 및 부직포를 포함한 다양한 형태로 사용될 수도 있다.

본 발명에서 사용할 수 있는 애노드 활물질의 예는, 비흑연화 탄소(non-graphitizing carbon) 및 흑연계 탄소(graphite-based carbon) 등의 탄소; 금속 복합 산화물 이를테면 Li_xFe₂O₃(0

x

1), Li_xWO₂(0

x

1) 및 Sn_xMe_1-xMe'_yO_z(Me: Mn, Fe, Pb 또는 Ge; Me': Al, B, P, Si, 원소 주기율표의 I족, II족 및 III족 원소, 또는 할로겐; 0

x

1; 1

y

3; 및 1

z

8); 리튬 금속; 리튬 합금; 실리콘계 합금; 주석계 합금; 금속 산화물 이를테면 SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, 및 Bi₂O₅; 전도성 고분자 이를테면 폴리아세틸렌; 및 Li-Co-Ni 계 재료를 포함한다.

본 발명에 따른 이차 전지는, 예를 들어, 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 고분자 이차 전지, 리튬 이온 고분자 이차 전지 등일 수도 있다. 이차 전지는 또한, 다양한 형태로 제작될 수도 있다. 예를 들어, 전극 조립체는 젤리-롤 구조체, 적층 구조체, 적층/접힘 구조체 등으로 구성될 수도 있다. 전지는 원통형 캔, 각기둥형 캔 또는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지 케이스 내부에 전극 조립체가 설치되는 구성을 취할 수도 있다. 이러한 전지 구성은 당업계에 널리 알려져 있다.

일부 예에서, 본 발명은, 하기를 포함하거나, 하기로 본질적으로 이루어지거나, 또는 하기로 이루어지는 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물을 제공한다:

A) 비닐렌 카보네이트 (VC) 및 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트 (ETPTA) 로 이루어진 단량체;

B) 비닐렌 카보네이트 및 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트의 총 중량을 기준으로 약 0.5 중량%의 양을 갖는 자유 라디칼 개시제;

C) 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드; 및

D) 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트(EC/DMC);

여기서 VC 및 ETPTA의 양은 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 25-75 wt.%이고; VC와 ETPTA의 질량비는 약 20:2-20:5 이다.

리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드의 양은 바람직하게, 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 25wt.% 이다. 에틸렌 카보네이트 /디메틸 카보네이트의 양은 바람직하게, 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 0%-50wt.% 이다.

따라서, 본 발명은 본 발명의 고분자 전해질 전구체 조성물의 인시츄 중합에 의해 신규한 고분자 전해질을 제공한다. 고분자 전해질은 인시츄로 제조될 수 있으며 전해질의 두께를 편리하게 제어될 수도 있다. 또한, 단량체들, 예를 들어, 제 1 단량체와 제 2 단량체의 조합은 우수한 고분자 골격을 형성하고, 이는 상용 액체 전해질에 비해 우수한 사이클 성능과 더 높은 전기화학적 안정성 윈도우을 나타낸다. 또한, 고분자 전해질은 불연성이며, 이는 전통적인 액체 전해질보다 더 안전함을 나타낸다. 또한, 리튬 금속을 애노드로 사용하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 전해질의 우수한 기계적 특성으로 인해 리튬 덴드라이트 형성을 억제할 수 있다. 전해질은 또한 전통적인 리튬 금속 전지에서 많은 양의 용매 소비를 없애므로, 전해질은 특히 LMB에 사용하기에 적합하다. 전통적인 PEO계 고분자 전해질과 비교하여, 본 발명의 고분자 전해질은 우수한 이온 전도도, 더 넓은 전기화학적 윈도우 및 더 나은 사이클 성능을 나타낸다.

본 발명의 다른 이점들이 본 명세서를 읽을 때 당업자에게 명백해질 것이다.

본 발명의 내용 및 효과를 보다 자세히 설명하기 위하여, 이하에서 실시예 및 비교예 및 관련 도면과 함께 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

리튬 금속 전지의 제조

리튬 금속 전지는 하기의 방법에 따라서 제조하였다:

단계 a) 전해질 전구체 조성물 용액의 제조; 및

단계 b) 리튬 금속 전지의 조립 및 가열에 의한 인시츄 중합.

단계 a) 및 b)는 아르곤 가스(H₂O, O₂ ≤ 0.5 ppm)로 충전된 글로브 박스에서 수행되었다.

예 1

1) 전구체 전해질 용액의 제조:

0.098g 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트(ETPTA, 평균 Mn~428), 0.652g 비닐렌 카보네이트(VC), 1.5g EC/DMC(EC/DMC=50/50(v/v)), 0.75g LiTFSI 및 3.75mg AIBN 이 혼합되었고, 25℃에서 0.5시간 동안 교반되어 전구체 전해질 용액을 얻었다.

2) 가열에 의한 셀 조립 및 인시츄 중합:

LiFePO₄(LFP) 캐소드를 다음과 같이 제조하였다. LFP, 아세틸렌 블랙 및 폴리(비닐리덴 디플루오라이드)를 80:10:10의 중량비로 혼합하여 점성 슬러리를 형성하였다. 그런 다음, 닥터 블레이드 공정에 의해 평평한 탄소 코팅 알루미늄 호일에 점성 슬러리를 코팅하였다. 점성 슬러리가 코팅된 탄소 코팅 알루미늄 호일을 공기 순환식 오븐에서 70℃에서 1시간 동안 건조시킨 후, 100℃에서 12시간 동안 고진공으로 더 건조시켜 LiFePO₄ 캐소드를 얻었다. 활물질 (LiFePO₄) 질량 로딩(mass loading)은 5.3-6.2 mg cm^-2 였다. 캐소드와 애노드를 분리한 셀룰로오스 세퍼레이터 (Li 호일) 가 있는 2032 리튬 전지에 전구체 전해질 용액을 삽입하고, 셀을 60℃에서 8시간 동안 가열한 다음 80℃에서 4시간 동안 가열하였다.

가열 공정 후, 애노드와 캐소드 사이에 유동성 액체 상이 없는 겔 상태의 고분자 전해질을 얻을 수 있었다. 2032 전지를 분해했을 때 고분자 전해질의 겔 상태를 확인할 수 있었다.

겔 고분자 전해질의 화학 구조를 분석하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 추가로 수행했다. 도 1에서 알 수 있듯이, 중합 후, 3166 cm^-1 에서 흡수 피크가 사라졌고 이것은 C=C 이중 결합에서 C-C 단일 결합으로의 화학 구조 변화로 잘 규정되었다.

예 2

1) 전구체 전해질 용액의 제조:

0.1956 g 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트(ETPTA, 평균 Mn~428), 1.3043 g 비닐렌 카보네이트(VC), 0.75 g EC/DMC, 0.75 g LiTFSI 및 7.5 mg AIBN 이 혼합되고, 25℃에서 0.5시간 동안 교반되었다.

2) 셀 조립 및 가열에 의한 인시츄 중합을 실시예 1과 동일한 방법에 따라 수행하였다.

예 3

1) 전구체 전해질 용액의 제조:

0.2935 g 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트(ETPTA, 평균 Mn~428), 1.9565 g 비닐렌 카보네이트(VC), 0.75 g LiTFSI 및 11.25 mg AIBN 이 혼합되고, 25℃에서 0.5시간 동안 교반되었다.

가열 공정 후, 고체 상태의 고분자 전해질을 얻을 수 있었다. 2032 전지를 분해했을 때 고분자 전해질의 고체 상태를 확인할 수 있었다.

비교예 1

셀 조립:

EC/DMC(v/v 1/1) 중 상용 액체 전해질 1M LiPF₆ 가 캐소드 및 애노드가 실시예 1과 동일한 캐소드와 애노드를 분리한 폴리프로필렌(PP) 세퍼레이터가 있는 2032 리튬 전지에 삽입되었다.

성능 테스트

1. 전해질의 사이클 성능

LAND 전지 테스팅 시스템 (Wuhan Kingnuo Electronics Co., Ltd., China) 상의 실온에서 캐소드로 LiFePO₄ 그리고 애노드로 Li 금속을 사용하여 셀의 사이클 성능을 평가했다. 컷오프 전압은 충전 (Li 추출) 에 대해 4.2 V versus Li/Li⁺ 이었고 방전 (Li 삽입) 에 대해 2.4 V versus Li/Li⁺ 이었다. 모든 관련 셀은 사이클링 전에 작은 전류로 활성화된다. 모든 전기화학적 측정에서 C 레이트는 1 C = 160 mA g^-1를 기반으로 정의되었다.

테스트 결과를 도 3 에서 나타낸다. 도 3에서 속이 찬 점은 방전 용량을 나타내고 속이 빈 점은 쿨롱 효율을 나타낸다.

도 3의 경우, 모든 셀이 0.5C 레이트에서 평가되었다. 비교예 1 셀의 방전 용량은 100회 사이클 후 용량 유지율이 77.9%로 급격히 감소하였고, 비교예 1의 전해질은 쿨롱 효율이 99% 미만으로 그리고 100회 사이클 후 심지어 96.5%로 감소하였다. 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 고분자 전해질을 사용한 사이클링 성능은 그의 방전 용량이 비교예 1과 같이 명백히 감소하지 않았고 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 용량 유지율이 각각 93.97, 98.7% 및 97.3% 이었으며, 쿨롱 효율이 표 1에 나타난 바와 같이 >99%으므로 명백히 더 뛰어난 사이클 성능을 나타내었고, 이것은 본 발명의 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 고분자 전해질이 사이클 성능에 상당히 우수한 효과를 가짐을 의미했다. 그러나, 실시예 3에서 제조된 전고상 고분자 전해질을 갖는 셀은 낮은 이온 전도도로 인해 훨씬 더 낮은 방전 용량을 나타내었다.

2. 전기화학적 안정성 윈도우

본 발명의 고분자 전해질과 비교예 1의 액체 전해질의 전기화학적 안정성은 CHI760e 전기화학적 워크스테이션 (Shanghai Chenhua Instruments Co., Ltd., China) 내 실온에서 각 셀의 개방 회로 전압으로부터 5 V vs. Li⁺/Li 로의 10 mV S^-1 의 스캔 레이트에서의 SS(스테인리스 강)/겔-고분자 전해질(GPE)/Li 코인 셀로 수행된 선형 스위프 전압전류법(LSV)에 의해 평가되었다. 테스트에 의해 얻어진 결과가 도 4 에 도시되어 있다.

도 4는 고분자 전해질과 액체 전해질의 전기화학적 안정성 윈도우를 도시한다. 비교예 1의 액체 전해질은 약 4.6V의 전기화학적 안정성 윈도우를 나타내었다. 분명히, 고분자 전해질은 액체 전해질보다 더 높은 전기화학적 안정성 윈도우을 가졌다. 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 고분자 전해질은 약 5V의 매우 안정한 전기화학적 안정성 윈도우를 나타내었고, 이는 더 나은 전기화학적 성능에 기여할 수 있었다. 약 5V의 매우 안정한 전기화학적 안정성 윈도우는 매우 중요하며, 이것은 전지에서 새로운 높은 니켈 함량 캐소드를 사용하는 것을 가능하게 한다.

3. 이온 전도도

교류(AC) 임피던스 분광법이 CHI760e 전기화학적 워크스테이션에서 측정되었다. 겔-고분자 전해질의 전자 전도도는 인가전압 5mV로 SS/GPE/SS 셀에 의해 측정되었으며 그 결과를 도 5에 나타내었고 실시예의 이온 전도도를 도 5에 기초해 계산하여 아래 표 2에 요약하였다.

실온에서 1.95×10^-5 S/cm의 이온 전도도를 갖는 PVCA 고분자 전해질을 개시한, 폴리(비닐렌 카보네이트)(PVCA)를 나타낸 J. Chai et al. (J. Chai et al. Advance Science, Vol. 4(2016), pp. 1600377) 에 개시된 PVCA 고분자 전해질과 비교하여, 본 발명의 고체 고분자 전해질의 이온 전도도(실시예 3에서 4.5×10^-5 S/cm가 더 높다. 또한, 이온 전도도는 약 2.1×10^-6 S/cm (K. Wen et al. J. Mater. Chem. A, Vol.6 (2018), pp 11631-11663) 의 매우 낮은 이온 전도도만을 제공할 수 있는 전통적인 PEO 기반 고분자 전해질보다 훨씬 높다. 또한, 실시예 1 및 실시예 2의 겔 고분자 전해질의 이온 전도도는 선행 기술의 PVCA 기반 겔 고분자 전해질과 비슷했다. (J. Chai et al. ACS Apply Material Interfaces, Vol. 9 (2017), pp 17897-17905).

4. 리튬 수지상 형성 억제

200회 사이클링 후, 실시예 2의 인시츄 중합 겔 고분자 전해질을 사용한 Li|GPE|LiFePO₄ 전지는 아르곤 글로브 박스에서 분해한 후, 사이클링된 Li 호일을 디메톡시에탄(DME)에 약 2시간 동안 침지시켜 LiTFSI 를 제거하였다. 비교를 위해, 상용 전해질(비교예 1)에서 40회 사이클링된 Li 포일을 위와 동일한 방법으로 처리하였다. 이후, 제조된 Li 호일 샘플을 SEM (Nova Nano SEM 230, FEI Company, U.S.A.) 에 의해 관찰하였다.

도 2(a) 에서 볼 수 있듯이, 겔 고분자 전해질에서 사이클링된 Li 호일은 10-15 μm의 입자 크기를 가진 조밀한 조약돌 구조를 나타내었고, 이는 사이클 동안 균일한 리튬 성막을 나타냈으며 리튬 덴드라이트는 검출되지 않았다. 상용 액체 전해질에서 약 40회만 사이클링된 후 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 Li 덴드라이트가 분명히 관찰될 수 있었고 도 2(b)의 우상측 모서리 상의 작은 이미지에 나타낸 바와 같이 느슨한 리튬 성막이 관찰될 수 있었다. Li 덴드라이트와 분쇄된 Li는 모두 전지에 유해하다. 결과는 겔 고분자 전해질이 Li 덴드라이트의 형성을 효과적으로 억제하고 리튬 호일의 분쇄를 억제할 수 있음을 나타내었다.

따라서, 고분자 전해질을 사용하면, 전해질의 우수한 기계적 특성으로 인해 리튬 금속 애노드가 있는 LIB에서 리튬 덴드라이트 형성을 억제할 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 본 명세서에 사용된 "포함하다(들)" 등과 같은 용어는 달리 구체적으로 언급되지 않는 한 '적어도 포함하는' 을 의미하는 열린 용어이다.

본 명세서에 언급된 모든 참고문헌, 테스트, 표준, 문서, 간행물 등은 참조에 의해 본원에 원용된다. 수치적 한계 또는 범위가 언급된 경우, 종말점이 포함된다. 또한, 수치 제한 또는 범위 내의 모든 값 및 하위 범위는 명시적으로 작성된 것처럼 구체적으로 포함된다.

위의 설명은 당업자가 본 발명을 제조 및 사용하는 것을 가능하게 하기 위하여 제시되고, 특정 응용 및 그의 요건들의 맥락에서 제공된다. 바람직한 실시형태에 대한 다양한 변형은 당업자에게는 용이하게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반 원리는 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 다른 실시형태 및 응용에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 나타낸 실시형태로 한정되도록 의도된 것이 아니라, 여기에 개시된 원리 및 특징들에 부합하는 최광의 범위가 부여되야 한다. 이와 관련하여, 본 발명 내의 특정 실시 형태는 광범위하게 고려되는 본 발명의 모든 이점을 나타내지 않을 수도 있다.

Claims

하기를 포함하거나, 하기로 본질적으로 이루어지거나, 또는 하기로 이루어지는 인시츄 중합된 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물의 제조를 위한 단량체:
A1) 불포화 탄산 에스테르 단량체, 바람직하게는 식 (I) 로 표시되는 단량체, 보다 바람직하게는 비닐렌 카보네이트인 제 1 단량체;

여기서 R 은 H, F, 메틸 또는 에틸을 나타내고; 그리고
A2) 식 (II) 로 표시되는 제 2 단량체, 바람직하게는 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트;

여기서 R은 메틸, -CH₂OH, 에틸, 또는 -CH₂CH₂OH을 나타내며; a, b, c는 각각 독립적으로 0, 1, 2 또는 3을 나타내고, a+b+c≥2, 바람직하게 a+b+c≥3 이고;
바람직하게는 상기 제 1 단량체와 제 2 단량체의 질량비는 20:0.5-20:10, 예를 들어 20:2-20:5, 가장 바람직하게는 20:3-20:5 이다.
하기를 포함하거나, 하기로 본질적으로 이루어지거나, 또는 하기로 이루어지는 인시츄 중합된 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물을 제조하기 위한 고분자 전해질 전구체 원료 조성물:
A) 제 1 항의 단량체; 및
B) 상기 단량체의 열중합 반응을 위한 자유 라디칼 개시제.
하기를 포함하거나, 하기로 본질적으로 이루어지거나, 또는 하기로 이루어지는 인시츄 중합된 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물:
A) 제 1 항의 단량체;
B) 상기 단량체의 열중합 반응을 위한 자유 라디칼 개시제; 및
C) 리튬 염, 바람직하게는 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드; 및
D) 선택적으로, 상기 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로, 0%-70 wt.%, 바람직하게는 10%-60wt.%, 보다 바람직하게는 20%-50wt.% 의 양을 갖는, 유기 용매, 바람직하게는 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트.
제 3 항에 있어서,
상기 단량체의 양은 상기 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 5-80wt.%, 바람직하게는 25-75 wt.% 인, 고분자 전해질 전구체 조성물.
하기 단계를 포함하는 고분자 전해질을 인시츄 제조하는 방법:
1) 제 3 항의 고분자 전해질 전구체 조성물을 전극 조립체를 갖는 전지 케이스에 삽입한 후 밀봉하는 단계; 및
2) 가열에 의해 상기 고분자 전해질 전구체 조성물을 인시츄 중합하는 단계.
제 3 항의 고분자 전해질 전구체 조성물에 의해 형성되거나 또는 제 5 항의 방법에 따라 제조되는, 고분자 전해질.
제 1 항의 단량체와 자유 라디칼 개시제의 반응 생성물인 고분자를 포함하는, 재충전가능한 전지용 고분자 전해질.
하기를 포함하는 재충전가능한 전지용 고분자 전해질:
(i) 제 1 항의 단량체와 자유 라디칼 개시제의 반응 생성물인 고분자, 및
(ii) 약 0.44 mS/cm 이하의 이온 전도도를 달성하는데 효과적인 이온 염의 양을 함유하는 유기 용매.
애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드를 분리하는 미세다공성 세퍼레이터, 및 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 겔 고분자 전해질을 포함하는 재충전가능한 전지.
제 3 항의 고분자 전해질 전구체 조성물에 의해 인시츄로 제조된 고분자 전해질을 포함하는 리튬 이온 전지.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 고분자 전해질을 전기화학적 디바이스.
하기를 포함하는 방법에 의해 제조된 디바이스:
전극 조립체를 갖는 설치된 전지 케이스를 준비하는 단계;
제 3 항의 고분자 전해질 전구체 조성물을 상기 전지 케이스에 삽입한 후 밀봉하는 단계; 및
상기 고분자 전해질 전구체 조성물을 중합하는 단계.
하기를 포함하거나, 하기로 본질적으로 이루어지거나, 또는 하기로 이루어지는 고분자 전해질을 형성할 수 있는 고분자 전해질 전구체 조성물:
A) 비닐렌 카보네이트 및 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트로 이루어진 단량체;
B) 상기 비닐렌 카보네이트 및 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트의 총 중량을 기준으로 0.1-3 wt.%의 양을 갖는 자유 라디칼 개시제;
C) 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드; 및
D) 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트;
상기 비닐렌 카보네이트 및 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트의 양은 상기 고분자 전해질 전구체 조성물의 총 중량을 기준으로 25-75 중량%이고; 상기 비닐렌 카보네이트 및 트리메틸올프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트의 질량비는 약 20:2-20:5 이다.
인시츄 중합된 고분자 전해질 또는 전기화학적 디바이스의 제조에 있어서, 제 1 항의 단량체, 또는 제 2 항의 고분자 전해질 전구체 원료 조성물, 또는 제 3 항의 고분자 전해질 전구체 조성물의 용도.