KR102600942B1 - Batteries based on organosulfur species - Google Patents
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Abstract
유기 폴리설파이드 및 유기 폴리티올레이트와 같은 하나 이상의 유기황 화학종을 액체 또는 겔 전해액의 일부로서, 캐소드의 일부로서, 애노드의 일부로서 (또는 애노드를 처리하기 위해), 및/또는 중간 분리막 부재를 제공하는 관능화된 다공성 중합체의 일부로서 사용하여, 리튬-황 배터리와 같은 금속-황 배터리를 제조한다.One or more organosulfur species, such as organic polysulfides and organic polythiolates, as part of a liquid or gel electrolyte, as part of the cathode, as part of the anode (or to treat the anode), and/or in the absence of an intermediate separator. Metal-sulfur batteries, such as lithium-sulfur batteries, are prepared by using them as part of the functionalized porous polymers provided.
Description
본 발명은 나트륨, 리튬, 칼륨, 마그네슘 또는 이들의 혼합물 또는 나트륨, 리튬, 칼륨 및/또는 마그네슘과 하나 이상의 다른 금속과의 합금 또는 복합체에 기반한 애노드(anode), 및 황 원소, 셀레늄, 또는 칼코겐 원소들의 혼합물에 기반한 캐소드(cathode)를 구비한 배터리에 관한 것으로, 애노드 및 캐소드는, 전극들과 접촉하는 비수계 극성 비양성자성(aprotic) 용매 또는 중합체 중의 전도성 염의 액체 또는 겔 전해액을 갖는 분리막 부재(separator element)에 의해 분리되어 있다.The present invention relates to anodes based on sodium, lithium, potassium, magnesium or mixtures thereof or alloys or complexes of sodium, lithium, potassium and/or magnesium with one or more other metals, and elemental sulfur, selenium or chalcogen. relates to a battery with a cathode based on a mixture of elements, the anode and the cathode being without a separator having a liquid or gel electrolyte of a conductive salt in a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer in contact with the electrodes They are separated by (separator element).
전기화학 배터리는 전기 에너지를 저장 및 전달하기 위한 주요 수단이다. 전자, 수송 및 그리드 저장(grid-storage) 분야에서의 에너지 수요가 증가함에 따라, 더 큰 전력 저장 및 전달 능력을 갖춘 배터리가 향후에도 계속 요구될 전망이다.Electrochemical batteries are the main means for storing and transmitting electrical energy. As energy demand increases in electronics, transportation and grid-storage, batteries with greater power storage and delivery capabilities will continue to be required in the future.
리튬 이온 배터리는 다른 유형의 배터리에 비해 경량이고 에너지 저장 용량이 높기 때문에 1990년대 초반부터 휴대용 전자 분야에서 널리 사용되어 왔다. 그러나, 현재의 Li-이온 배터리 기술은, 그리드 저장, 또는 내연 기관으로 구동되는 자동차와 경쟁할 수 있는 주행 범위를 갖는 전기 자동차와 같은 대형 분야에서의 고전력 및 고에너지 요건을 충족시키지 못한다. 따라서, 과학 기술 업계에서는 더 큰 에너지 밀도와 용량을 갖는 배터리를 얻기 위한 광범위한 노력이 계속되고 있다.Lithium-ion batteries have been widely used in portable electronics since the early 1990s because they are lightweight and have a high energy storage capacity compared to other types of batteries. However, current Li-ion battery technology does not meet the high-power and high-energy requirements of large-scale applications such as grid storage or electric vehicles with driving ranges that can compete with vehicles powered by internal combustion engines. Therefore, extensive efforts are continuing in the science and technology industry to obtain batteries with greater energy density and capacity.
나트륨-황 전기화학 셀 및 리튬-황 전기화학 셀은 Li-이온 셀보다 심지어 더 높은 이론적 에너지 용량을 제공하므로 "차세대" 배터리 시스템으로서 관심을 모으고 있다. 황 원소를 단량체 황화물(S2-)로 전기화학적 전환시키면, 300mAh/g 미만인 Li-이온 셀과 비교하여 1675mAh/g의 이론적 용량이 제공된다.Sodium-sulfur electrochemical cells and lithium-sulfur electrochemical cells are attracting attention as “next-generation” battery systems because they offer even higher theoretical energy capacities than Li-ion cells. Electrochemical conversion of elemental sulfur to monomeric sulfide (S 2- ) provides a theoretical capacity of 1675 mAh/g compared to a Li-ion cell of less than 300 mAh/g.
나트륨-황 배터리가 상용 시스템으로 개발되어 출시되었다. 유감스럽게도, 나트륨-황 셀이 기능하기 위해서는 통상 고온(300℃ 이상)이 요구되므로 이는 대형 고정식 분야에만 적합하다.Sodium-sulfur batteries have been developed and released as commercial systems. Unfortunately, sodium-sulfur cells typically require high temperatures (above 300°C) to function, making them suitable only for large stationary applications.
1950년대 후반과 1960년대에 최초 제안된 리튬-황 전기화학 셀만이 현재 상용 배터리 시스템으로 개발되고 있다. 이러한 셀은, 리튬 이온 셀의 624Wh/g에 비해, 2500Wh/kg(2800Wh/L) 이상의 이론적 비에너지 밀도(theoretical specific energy density)를 제공한다. Li-이온 셀의 100Wh/g에 비해, Li-S 셀에 대해 입증된 비에너지 밀도는 250 내지 350Wh/kg 범위이며, 이 하한값은 충전 및 방전 동안 상기 시스템에 대한 전기화학적 프로세스의 특정한 특징들의 결과이다. 리튬 배터리의 실제 비에너지는 통상적으로 이론 값의 25 내지 35%임을 감안하면, Li-S 시스템에 대한 최적의 실제 비에너지는 대략 780Wh/g(이론값의 30%)일 것이다[V.S. Kolosnitsyn, E. Karaseva, US 특허 출원 2008/0100624 A1].Only lithium-sulfur electrochemical cells, first proposed in the late 1950s and 1960s, are currently being developed as commercial battery systems. These cells provide a theoretical specific energy density of more than 2500 Wh/kg (2800 Wh/L) compared to 624 Wh/g for lithium-ion cells. Compared to 100 Wh/g for Li-ion cells, the demonstrated specific energy density for Li-S cells ranges from 250 to 350 Wh/kg, this lower limit being a result of the specific characteristics of the electrochemical processes for the system during charging and discharging. am. Considering that the actual specific energy of a lithium battery is typically 25 to 35% of the theoretical value, the optimal practical specific energy for a Li-S system would be approximately 780 Wh/g (30% of the theoretical value) [V.S. Kolosnitsyn, E. Karaseva, US Patent Application 2008/0100624 A1].
리튬-황 화학에는 이러한 전기화학 셀의 개발을 방해하는 다수의 기술 과제들, 특히 불량한 방전-충전 사이클능(cyclability) 문제가 있다. 그럼에도, 리튬-황 셀 고유의 경량, 저비용, 높은 전력 용량으로 인해, 리튬-황 시스템의 성능을 향상시키는데 큰 관심이 쏠리고 있으며 지난 20년간 전세계의 많은 연구원들은 이들 문제를 다루기 위해 광범위하게 작업해왔다[C. Liang, et al. in Handbook of Battery Materials 2 nd Ed., Chapter 14, pp. 811-840 (2011); V.S. Kolosnitsyn, et al., J. Power Sources 2011, 196, 1478-82; 및 본원의 참조문헌들].Lithium-sulfur chemistry has a number of technical challenges that hinder the development of such electrochemical cells, particularly poor discharge-charge cyclability. Nevertheless, due to the inherent light weight, low cost, and high power capacity of lithium-sulfur cells, there is great interest in improving the performance of lithium-sulfur systems, and over the past two decades, many researchers around the world have worked extensively to address these issues [ C. Liang, et al . in Handbook of Battery Materials 2nd Ed . , Chapter 14, pp. 811-840 (2011); VS Kolosnitsyn, et al ., J. Power Sources 2011 , 196 , 1478-82; and references herein].
리튬-황 시스템을 위한 셀의 설계는 통상적으로 하기를 포함한다:The design of a cell for a lithium-sulfur system typically includes:
ㆍ 리튬 금속, 리튬-합금 또는 리튬-함유 복합체로 이루어진 애노드.ㆍ Anode made of lithium metal, lithium-alloy or lithium-containing composite.
ㆍ 애노드와 캐소드 사이의 비반응성 다공성 분리막(종종, 폴리프로필렌 또는 α-알루미나). 이러한 분리막의 존재로 애노드액(anolyte) 구획과 캐소드액(catholyte) 구획이 분리된다.· Non-reactive porous separator (often polypropylene or α-alumina) between anode and cathode. The presence of this separation membrane separates the anolyte compartment and the catholyte compartment.
ㆍ 결합제(binder)(종종, 폴리비닐리덴 디플루오라이드) 및 전도도-향상재(종종, 흑연, 중다공성 흑연(mesoporous graphite), 다중벽 탄소 나노튜브, 그래핀)을 혼입한, 다공성 황-함유 캐소드.ㆍ Porous sulfur-containing, incorporating binder (often polyvinylidene difluoride) and conductivity-enhancing material (often graphite, mesoporous graphite, multi-walled carbon nanotubes, graphene) cathode.
ㆍ 극성 비양성자성 용매 및 하나 이상의 전도성 Li 염[(CF3SO2)2N-, CF3SO3 -, CH3SO3 -, ClO4 -, PF6 -, AsF6 -, 할로겐 등]으로 이루어진 전해질. 이러한 셀에 사용되는 용매는 염기성 (양이온-착화(cation-complexing)) 비양성자성 극성 용매, 예를 들면 설폴란, 디메틸 설폭사이드, 디메틸아세트아미드, 테트라메틸 우레아, N-메틸 피롤리디논, 테트라에틸 설파미드, 테트라하이드로푸란, 메틸-THF, 1,3-디옥솔란, 디글라임 및 테트라글라임을 포함한다. 극성이 낮은 용매는 전도도가 불량하고 Li+ 화학종을 용해시키는 능력이 불량하므로 적합하지 않고, 양성자성(protic) 용매는 Li 금속과 반응할 수 있다. 리튬-황 셀의 고체 상태 형태에서, 액체 용매는 폴리에틸렌 옥사이드와 같은 중합체성 물질로 대체된다.ㆍ Polar aprotic solvent and one or more conductive Li salts [(CF 3 SO 2 ) 2 N - , CF 3 SO 3 - , CH 3 SO 3 - , ClO 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , halogen, etc.] An electrolyte consisting of Solvents used in these cells include basic (cation-complexing) aprotic polar solvents such as sulfolane, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, tetramethyl urea, N -methyl pyrrolidinone, tetramethyl Includes ethyl sulfamide, tetrahydrofuran, methyl-THF, 1,3-dioxolane, diglyme and tetraglyme. Solvents with low polarity are not suitable because they have poor conductivity and poor ability to dissolve Li + species, and protic solvents can react with Li metal. In the solid state version of the lithium-sulfur cell, the liquid solvent is replaced by a polymeric material such as polyethylene oxide.
ㆍ 집전체 및 적절한 외장재(casing material).ㆍ Current collector and appropriate casing material.
본 발명은 금속-황 배터리, 특히 리튬-황 배터리에 사용하기 위한 유기 폴리설파이드, 유기 티올레이트 및 유기 폴리티올레이트의 조성물 및 용도를 제공한다. 유기 폴리설파이드, 유기 티올레이트 및 오가노폴리티올레이트 화학종(이하 종종 "유기황 화학종(organosulfur species)"으로 지칭된다)은 반복되는 방전 및 충전 사이클 동안 전기화학 셀의 성능을 향상시키는 역할을 한다.The present invention provides compositions and uses of organic polysulfides, organic thiolate and organic polythiolate for use in metal-sulfur batteries, especially lithium-sulfur batteries. Organic polysulfide, organic thiolate, and organopolythiolate species (hereinafter often referred to as “organosulfur species”) play a role in improving the performance of electrochemical cells during repeated discharge and charge cycles. do.
따라서 본 발명은 하나 이상의 양극(positive electrode)(캐소드), 하나 이상의 음극(negative electrode)(애노드) 및 전해질 매질을 구비한 셀 또는 배터리를 포함하는 화학적 에너지원에 관한 것으로, 이의 작동 화학(operative chemistry)은 황 또는 폴리설파이드 화학종의 환원 및 반응성 금속 화학종의 산화를 포함한다. 음극은 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘과 같은 반응성 금속 또는 이들 금속과 다른 금속과의 합금/복합체를 포함하며, 특정 양태에서 음극은 하나 이상의 유기황 화학종을 포함하고/하거나 하나 이상의 유기황 화학종으로 처리되어 있다. 양극은 황 원소 및/또는 셀레늄 원소, 및, 본 발명의 특정 양태에서, 유기 폴리설파이드 화학종 및/또는 금속 유기 폴리설파이드 염과 같은 유기황 화학종, 및 이들 화학종을 함유한 매트릭스를 포함한다. 특정 양태에서, 전해질 매트릭스는, 유기 용매 또는 중합체, 무기 또는 유기 폴리설파이드 화학종, 반응성 금속의 이온 형태를 위한 캐리어, 및 전기화학 성능을 최적화하기 위한 다른 성분들의 혼합물을 포함한다.The present invention therefore relates to a chemical energy source comprising a cell or battery with at least one positive electrode (cathode), at least one negative electrode (anode) and an electrolyte medium, its operative chemistry ) includes reduction of sulfur or polysulfide species and oxidation of reactive metal species. The cathode comprises a reactive metal such as lithium, sodium, potassium, magnesium or an alloy/complex of these metals with another metal, and in certain embodiments the cathode comprises one or more organosulfur species and/or one or more organosulfur species. It is processed as . The anode comprises elemental sulfur and/or elemental selenium, and, in certain embodiments of the invention, organosulfur species, such as organic polysulfide species and/or metal organic polysulfide salts, and a matrix containing these species. . In certain embodiments, the electrolyte matrix includes a mixture of organic solvents or polymers, inorganic or organic polysulfide species, carriers for ionic forms of reactive metals, and other components to optimize electrochemical performance.
구체적으로, 본 발명은 캐소드 및 전해질 매트릭스의 성분으로서의 유기 설파이드 및 폴리설파이드, 및 이들의 리튬 (또는 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 4급 암모늄 또는 4급 포스포늄) 오가노티올레이트 또는 오가노폴리티올레이트 유사체의 용도에 관한 것이다. 상기 유기황 화학종은 황 및 음이온성 모노- 또는 폴리설파이드 화학종과 화학적으로 조합되어, 양의 캐소드 및 캐소드액 상(phase)의 비극성 황 성분에 대한 친화도가 증가된 오가노폴리티올레이트 화학종을 형성한다. 또한 유기황 화학종은 음극 내에 존재하는 반응성 금속 또는 금속들과 반응하여, 음극 표면 상의 유기황 화학종의 금속 염을 형성할 수 있으며, 이는, 이러한 유기황 화학종-처리된 음극을 함유하는 전기화학 셀의 성능의 향상을 돕는다. 이론에 얽매이지 않고, 유기황 화학종은 애노드의 반응성 금속(들)과 화학적으로 조합되며, 금속 황 배터리에서 사용되는 전해액에 종종 존재하는 용해된 Li2Sn(n≥1) 화학종들 사이에서의 반응의 결과로서, 애노드 상에서의 LiS2의 빌드업(buildup)을 방지하는 것으로 여겨진다. 이에 따라, 유기황 화학종의 존재 또는 유기황 화학종에 의한 애노드 처리는, 금속 양이온을 전도시킬 수 있는 애노드 표면 상에 보호층을 형성함으로써, 캐소드로부터 애노드로의 황 원자 또는 음이온의 병류 유동(translational flow)을 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 전해질은 금속 폴리설파이드 화학종에서 포화되어, 캐소드로부터의 황 손실이 적어지고 배터리 용량이 높아지며 배터리의 전체 사이클링 수명(cycling life)이 증가하게 된다.Specifically, the present invention relates to organic sulfides and polysulfides as components of cathodes and electrolyte matrices, and their lithium (or sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium or quaternary phosphonium) organothiolate or organopolythiolate. It concerns the use of analogues. The organosulfur species are chemically combined with sulfur and anionic mono- or polysulfide species to form organopolythiolate chemistry with increased affinity for the non-polar sulfur components of the positive cathode and catholyte phases. form a species Additionally, the organosulfur species can react with the reactive metal or metals present in the cathode to form metal salts of the organosulfur species on the cathode surface, which can be used to produce electrolytes containing such organosulfur species-treated cathodes. Helps improve the performance of chemical cells. Without wishing to be bound by theory, the organosulfur species is chemically combined with the reactive metal(s) of the anode and is a combination of the dissolved Li 2 S n (n≥1) species often present in the electrolytes used in metal sulfur batteries. It is believed that as a result of the reaction in , buildup of LiS 2 on the anode is prevented. Accordingly, the presence of organosulfur species or treatment of the anode with organosulfur species results in a co-current flow of sulfur atoms or anions from the cathode to the anode by forming a protective layer on the anode surface capable of conducting metal cations ( It can help prevent translational flow. The electrolyte is saturated in metal polysulfide species, resulting in less sulfur loss from the cathode, higher battery capacity, and increased overall cycling life of the battery.
본 발명의 하나의 측면은, 배터리로서,One aspect of the present invention is a battery,
a) 이온을 제공하기 위한, 나트륨, 리튬, 칼륨, 마그네슘, 또는 나트륨, 리튬, 칼륨 또는 마그네슘 중 하나 이상과 하나 이상의 다른 금속과의 합금 또는 복합체를 포함하는 애노드 활물질을 함유하는 애노드;a) an anode containing an anode active material comprising sodium, lithium, potassium, magnesium, or an alloy or complex of one or more of sodium, lithium, potassium or magnesium with one or more other metals to provide ions;
b) 황 원소, 셀레늄 원소, 또는 칼코겐 원소들의 혼합물을 포함하는 캐소드 활물질을 포함하는 캐소드; 및b) a cathode comprising a cathode active material comprising a mixture of elemental sulfur, elemental selenium, or chalcogen elements; and
c) 애노드와 캐소드 사이에 위치하여, 애노드 및 캐소드와 접촉하는 액체 또는 겔 전해액을 분리시키는 기능을 하는 중간 분리막 부재(intermediate separator element)로서, 상기 부재를 통해 배터리의 충전 및 방전 사이클 동안 애노드와 캐소드 사이에서 금속 이온 및 이의 카운터이온이 이동하는, 중간 분리막 부재c) an intermediate separator element located between the anode and the cathode, which functions to separate the liquid or gel electrolyte in contact with the anode and the cathode, through which the anode and the cathode are separated during the charging and discharging cycle of the battery. No intermediate separator between which metal ions and their counter ions move.
를 포함하고,Including,
액체 또는 겔 전해액은 비수계 극성 비양성자성 용매 또는 중합체 및 전도성 염을 포함하고,The liquid or gel electrolyte solution includes a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer and a conducting salt,
(i) 액체 또는 겔 전해액 중 하나 이상은 하나 이상의 유기황 화학종을 추가로 포함하는 조건,(i) at least one of the liquid or gel electrolyte solution further comprises one or more organosulfur species,
(ii) 캐소드는 하나 이상의 유기황 화학종으로 추가로 구성되는 조건,(ii) the cathode is further comprised of one or more organosulfur species;
(iii) 중간 분리막 부재는 하나 이상의 유기황 화학종을 함유하는 관능화된 다공성 중합체를 포함하는 조건,(iii) the intermediate separator member comprises a functionalized porous polymer containing one or more organosulfur species;
(iv) 애노드는 하나 이상의 유기황 화학종으로 추가로 구성되거나 하나 이상의 유기황 화학종으로 처리되어 있는 조건(iv) the anode further consists of one or more organosulfur species or is treated with one or more organosulfur species;
중 하나 이상이 충족되고,One or more of the following is met,
유기황 화학종은 하나 이상의 유기 모이어티(moiety) 및 하나 이상의 -S-Sn- 연결(linkage)(여기서, n은 0이거나 1 이상의 정수이다)을 포함하는Organosulfur species include one or more organic moieties and one or more -SS n - linkages, where n is 0 or an integer of 1 or more.
배터리를 제공한다.Batteries are provided.
일양태에서, 조건 (i), (ii), (iii) 또는 (iv) 중 하나만 충족된다. 또 다른 양태에서, 4개 조건이 모두 충족된다. 또 다른 양태에서, 조건들 중 2개 또는 3개만, 예를 들면, (i) 및 (ii), (i) 및 (iii), (ii) 및 (iii), (i), (ii) 및 (iii), (ii), (iii) 및 (iv), (i), (iii) 및 (iv), 또는 (i), (ii) 및 (iv)가 충족된다.In one aspect, only one of conditions (i), (ii), (iii) or (iv) is met. In another embodiment, all four conditions are met. In another embodiment, only two or three of the conditions, for example (i) and (ii), (i) and (iii), (ii) and (iii), (i), (ii) and (iii), (ii), (iii) and (iv), (i), (iii) and (iv), or (i), (ii) and (iv) are satisfied.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 하나 이상의 비수계 극성 비양성자성 용매 또는 중합체; 하나 이상의 전도성 염; 및 하나 이상의 유기 모이어티와 하나 이상의 -S-Sn- 연결(여기서, n은 0이거나 1 이상의 정수이다)로 구성된 하나 이상의 유기황 화학종을 포함하는 전해질을 제공한다.In another aspect, the invention provides a polymer comprising: one or more non-aqueous polar aprotic solvents or polymers; one or more conducting salts; and at least one organosulfur species consisting of at least one organic moiety and at least one -SS n - linkage, where n is 0 or an integer of 1 or more.
본 발명의 또 다른 측면은 a) 황 원소, 셀레늄 원소, 또는 칼코겐 원소들의 혼합물, b) 하나 이상의 전기전도성 첨가제, 및 c) 하나 이상의 유기 모이어티와 하나 이상의 -S-Sn- 연결(여기서, n은 0이거나 1 이상의 정수이다)을 포함하는 하나 이상의 유기황 화학종을 포함하는 캐소드를 제공한다.Another aspect of the present invention is a) a mixture of elemental sulfur, elemental selenium, or chalcogen elements, b) one or more electrically conductive additives, and c) one or more organic moieties with one or more -SS n - linkages, where n is 0 or an integer greater than or equal to 1).
본 발명의 추가의 측면은, 이온을 제공하기 위한, 나트륨, 리튬, 칼륨, 마그네슘, 또는 나트륨, 리튬, 칼륨 또는 마그네슘 중 하나 이상과 하나 이상의 다른 금속과의 합금 또는 복합체를 포함하는 애노드 활물질을 포함하는 애노드를 제공하며, 애노드는, 하나 이상의 유기 모이어티와 하나 이상의 -S-Sn- 연결(여기서, n은 0이거나 1 이상의 정수이다)을 포함하는 하나 이상의 유기황 화학종을 추가로 포함하거나 이러한 하나 이상의 유기황 화학종으로 처리되어 있다. 이러한 처리는 배터리 수명을 증가시키고 후속 사이클에서의 용량 감소(capacity fade)를 줄인다.A further aspect of the invention includes an anode active material comprising sodium, lithium, potassium, magnesium, or an alloy or complex of one or more of sodium, lithium, potassium, or magnesium with one or more other metals to provide ions. Provided is an anode, wherein the anode further comprises one or more organosulfur species comprising one or more organic moieties and one or more -SS n - linkages, where n is 0 or an integer of 1 or more, or It is treated with the above organic sulfur chemical species. This treatment increases battery life and reduces capacity fade in subsequent cycles.
유기황 화학종은, 예를 들면, 유기 폴리설파이드, 유기 티올레이트 (여기서, n = 0이고, 예를 들면 일반식 R-S-M에 상응하며, 여기서, R은 유기 모이어티이고 M은 Li, Na, K, Mg, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄과 같은 양이온이다) 및/또는 금속 유기 폴리티올레이트로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 특정 양태에서, 유기황 화학종은 디티오아세탈, 디티오케탈, 트리티오-오르토카보네이트, 티오설포네이트 [-S(O)2-S-], 티오설피네이트 [-S(O)-S-], 티오카복실레이트 [-C(O)-S-], 디티오카복실레이트 [-C(S)-S-], 티오포스페이트, 티오포스포네이트, 모노티오카보네이트, 디티오카보네이트, 및 트리티오카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 황-함유 관능 그룹(functional group)을 함유한다. 기타 양태에서, 유기황 화학종은 방향족 폴리설파이드, 폴리에테르-폴리설파이드, 폴리설파이드-산 염 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.Organosulfur species are, for example, organic polysulfides, organic thiolates, where n = 0 and correspond, for example, to the general formula RSM, where R is an organic moiety and M is Li, Na, K , Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium) and/or metal organic polythiolate. In certain embodiments of the invention, the organosulfur species is dithioacetal, dithioketal, trithio-orthocarbonate, thiosulfonate [-S(O) 2 -S-], thiosulfinate [-S(O) -S-], thiocarboxylate [-C(O)-S-], dithiocarboxylate [-C(S)-S-], thiophosphate, thiophosphonate, monothiocarbonate, dithiocarbonate, and at least one sulfur-containing functional group selected from the group consisting of trithiocarbonate. In other embodiments, the organosulfur species may be selected from the group consisting of aromatic polysulfides, polyether-polysulfides, polysulfide-acid salts, and mixtures thereof.
도 1은 3 내지 63회의 반복되는 충전/방전 사이클 동안 캐소드에 첨가된 n-C12H25SLi가 함유된 리튬-황 배터리의 방전 프로파일을 나타낸다.
도 2는 3,6-디옥사옥탄-1,8-디티올 디-리튬 염(LiS-C2H4-O-C2H4-O-C2H4-SLi)으로 처리되어 있는 애노드의 존재하 및 부재하에서, 제조된 셀의 사이클링 성능의 비교를 나타낸다.Figure 1 shows the discharge profile of a lithium-sulfur battery containing nC 12 H 25 SLi added to the cathode during 3 to 63 repeated charge/discharge cycles.
Figure 2 shows the presence and A comparison of the cycling performance of cells prepared in the absence and absence is shown.
배터리에서 사용하기 위한 구조로 제작된 전기활물질이 전극으로 지칭된다. 전기 에너지의 화학적 공급원으로서의 역할을 하는 배터리에 사용되는 한 쌍의 전극들 중, 전기화학 전위가 더 높은 측의 전극이 양극 또는 캐소드로 지칭되고, 전기화학 전위가 더 낮은 측의 전극은 음극 또는 애노드로 지칭된다. 본원에 사용되는 바와 같이 배터리에 관한 통상적인 명명법을 사용하며, "캐소드" 또는 "양극" 및 "애노드" 또는 "음극"은 전기 에너지를 제공하기 위해 셀 방전 동안의 전극들의 전기화학적 기능을 지칭한다. 사이클의 충전 부분 동안, 전극의 실제 전기화학적 기능은 방전 동안 발생한 것과는 반대되지만, 각 전극에 대한 지정사항은 방전시와 동일하게 유지된다.Electrically active materials structured for use in batteries are referred to as electrodes. Among a pair of electrodes used in a battery that serves as a chemical source of electrical energy, the electrode with the higher electrochemical potential is called the anode or cathode, and the electrode with the lower electrochemical potential is called the cathode or anode. It is referred to as. As used herein, using the common nomenclature for batteries, “cathode” or “anode” and “anode” or “cathode” refer to the electrochemical function of the electrodes during cell discharge to provide electrical energy. . During the charging portion of the cycle, the actual electrochemical function of the electrodes is opposite to what occurred during discharge, but the specifications for each electrode remain the same as during discharge.
전기화학 셀들은 통상 직렬로 조합되며, 이러한 셀들의 집합체를 배터리로 지칭한다. 셀들의 작동 화학에 기초하여, 1차 배터리는 외부 장치를 위한 전력을 공급하기 위한 단일 방전용으로 설계된다. 2차 배터리는 외부 공급원으로부터의 전기 에너지를 사용하여 재충전할 수 있으며, 이에 따라, 다수의 방전 및 충전 사이클에 걸쳐 광범위하게 사용된다.Electrochemical cells are usually combined in series, and a collection of these cells is referred to as a battery. Based on the operating chemistry of the cells, primary batteries are designed for a single discharge to provide power for external devices. Secondary batteries can be recharged using electrical energy from an external source and are therefore widely used over multiple discharge and charge cycles.
캐소드 또는 양극에 사용되는 전기화학적 활물질은 이하 캐소드 활물질로 지칭된다. 애노드 또는 음극에 사용되는 전기화학적 활물질은 이하 애노드 활물질로 지칭된다. 전기화학적 활성을 지니고 있으며 전기화학적 활물질 및 임의의 전기전도성 첨가제 및 결합제 뿐만 아니라 다른 임의의 첨가제들을 포함하는 다성분 조성물은 이하 전극 조성물로 지칭된다. 산화된 상태의 캐소드 활물질이 함유된 캐소드 및 환원된 상태의 애노드 활물질이 함유된 애노드를 포함한 배터리는 충전 상태에 있음을 지칭한다. 이에 따라, 환원된 상태의 캐소드 활물질이 함유된 캐소드 및 산화된 상태의 애노드 활물질이 함유된 애노드를 포함한 배터리는 방전 상태에 있음을 지칭한다.The electrochemical active material used in the cathode or positive electrode is hereinafter referred to as the cathode active material. The electrochemical active material used in the anode or cathode is hereinafter referred to as anode active material. A multi-component composition that is electrochemically active and contains an electrochemically active material and optional electrically conductive additives and binders as well as other optional additives is hereinafter referred to as an electrode composition. A battery including a cathode containing a cathode active material in an oxidized state and an anode containing an anode active material in a reduced state is referred to as being in a charged state. Accordingly, a battery including a cathode containing a cathode active material in a reduced state and an anode containing an anode active material in an oxidized state is referred to as being in a discharged state.
이론에 얽매이지 않고, 본 발명의 특정한 가능한 이점 또는 특징은 다음과 같다. 유기황 화학종은 황이 풍부한 캐소드액 상(phase)으로 분할될 수 있다. 2음이온성 설파이드 또는 폴리설파이드(예를 들면, Li2Sx, x = 1, 2, 3…)와 오가노폴리설파이드, 오가노티올레이트 또는 오가노폴리티올레이트(예를 들면, R Sx-R' 또는 R-Sx-Li, R 및 R' = 유기 모이어티, x = 0 또는 1 이상의 정수) 사이의 화학적 교환 반응은, 폴리설파이드 및 폴리티올레이트에 공통적인 황 압출/재삽입 화학과 함께, 캐소드액 내의 2음이온성 폴리설파이드의 양을 최소화하는데 유리하고, 캐소드에서 황 및 황-함유 화학종을 재침착시키는데 유리하다. 2음이온 폴리설파이드의 순량(net) 제거는 전해질 점도를 저하시켜, 이에 따라, 높은 점도가 전해질 전도도에 미치는 유해한 영향을 최소화하게 된다. 유기황 화학종은 또한 캐소드액 상(phase) 및 애노드액 상(phase) 내의 불용성 저급(low-rank) 황화리튬 화학종(특히 Li2S 및 Li2S2)의 용해를 증가시켜 이들을 스캐빈징(scavenging)할 수 있어, 반복되는 충전/방전 사이클에서 반응성 리튬 화학종의 손실을 최소화한다. 유기황 화학종의 성능은 유기 관능기(functionality)의 선택에 따라 "조정(tuned)"될 수 있다. 예를 들면, 극성 관능성이 더 강한 단쇄 알킬 또는 알킬기는 애노드액 상(phase)으로 더 분할될 수 있고, 더 장쇄이거나 덜 극성인 유사체는 캐소드액 상(phase)으로 더 분할될 수 있다. 장쇄/비극성 및 단쇄/극성 쇄 유기 화학종의 상대 비를 조절함으로써, 캐소드/캐소드액에 대한 황-함유 화학종의 분할를 제어하는 수단을 제공할 것이다. 게다가, 애노드액에 어느 정도의 양으로 존재하는 폴리설파이드 또는 폴리티올레이트는 충전시 애노드 상에서의 리튬 덴드라이트(lithium dendrite) 성장을 제어하는 수단으로서 유리하기 때문에, 유기 모이어티들 및 이들의 상대 비를 적절하게 선택하여 덴드라이트 성장을 더 크게 제어할 것이다.Without wishing to be bound by theory, certain possible advantages or features of the present invention are as follows. Organosulfur species can partition into a sulfur-rich catholyte phase. Dianionic sulfides or polysulfides (e.g. Li 2 S x , x = 1, 2, 3…) and organopolysulfides, organothiolates or organopolythiolates (e.g. RS The chemical exchange reaction between R' or RS x -Li, R and R' = organic moieties, It is advantageous for minimizing the amount of dianionic polysulfide in the liquid and for redepositing sulfur and sulfur-containing species at the cathode. Net removal of dianionic polysulfide lowers electrolyte viscosity, thereby minimizing the deleterious effects of high viscosity on electrolyte conductivity. Organosulfur species also increase the dissolution of insoluble low-rank lithium sulfide species (particularly Li 2 S and Li 2 S 2 ) in the catholyte and anode phases, making them scavengers. It can scavenge, minimizing the loss of reactive lithium species during repeated charge/discharge cycles. The performance of organosulfur species can be “tuned” depending on the choice of organic functionality. For example, shorter chain alkyl or alkyl groups with stronger polar functionality can be partitioned further into the anolyte phase, and longer chain or less polar analogues can be partitioned further into the catholyte phase. By controlling the relative ratios of long chain/non-polar and short chain/polar chain organic species, it will provide a means of controlling the partitioning of sulfur-containing species relative to the cathode/cathode fluid. Moreover, since polysulfides or polythiolates present in certain amounts in the anolyte are advantageous as a means of controlling lithium dendrite growth on the anode during charging, the organic moieties and their relative ratios Appropriate selection of will provide greater control over dendrite growth.
본 발명에 유용한 유기황 화학종은 하나 이상의 유기 모이어티와 하나 이상의 -S-Sn- 연결(여기서, n은 0이거나 1 이상의 정수이다)을 포함한다. 일양태에서, 유기황 화학종은, 하나의 -S-Sn- (폴리설파이드) 연결(여기서, n은 1 이상의 정수이다)에 의해 연결되어 있는 유기 모이어티들(이들은 서로 동일하거나 상이할 수 있다)를 분자당 2개 포함한다. -S-Sn- 연결은 -Y1-C(Y2Y3)-S-Sn- 연결 또는 -Y1-C(=Y4)-S-Sn- 연결과 같은 더 큰 연결기의 일부를 형성할 수 있으며, 여기서, Y1은 O 또는 S이고, Y2 및 Y3은 독립적으로 유기 모이어티 또는 -S-So-Z(여기서, o은 1 이상이고, Z는 유기 모이어티이거나 또는 Li, Na, K, Mg, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄으로부터 선택된 화학종이다)이고, Y4는 O 또는 S이다. 또 다른 양태에서, 유기황 화학종은 1가 유기 모이어티, 및 Na, Li, K, Mg, 4급 암모늄 및 4급 포스포늄으로부터 선택된 화학종을 함유하며, 이들은 -S-Sn- 연결(예를 들면, -Y1-C(Y2Y3)-S-Sn- 연결 또는 -Y1-C(=Y4)-S-Sn- 연결을 포함하며, 여기서, n = 0 또는 1 이상의 정수이다)에 의해 연결되어 있다. 또 다른 양태에서, -S-Sn- 연결은 유기 모이어티의 임의의 한 쪽에 있을 수 있다. 예를 들면, 유기 모이어티는 임의로 치환된 2가 방향족 모이어티, C(R3)2(여기서, 각각의 R3은 독립적으로 H이거나 또는 C1-C20 유기 모이어티와 같은 유기 모이어티이다), 카보닐(C=O) 또는 티오카보닐(C=S)일 수 있다.Organosulfur species useful in the present invention include one or more organic moieties and one or more -SS n - linkages, where n is 0 or an integer greater than or equal to 1. In one embodiment, the organosulfur species consists of organic moieties (which may be the same or different from each other) connected by a -SS n - (polysulfide) linkage, where n is an integer greater than or equal to 1. Contains 2 per molecule. The -SS n - linkage may form part of a larger linker, such as the -Y 1 -C(Y 2 Y 3 )-SS n - linkage or the -Y 1 -C(=Y 4 )-SS n - linkage. , where Y 1 is O or S, and Y 2 and Y 3 are independently an organic moiety or -SS o -Z (where o is 1 or more and Z is an organic moiety or Li, Na, K, It is a chemical species selected from Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium), and Y 4 is O or S. In another embodiment, the organosulfur species contains a monovalent organic moiety and a species selected from Na, Li, K, Mg, quaternary ammonium and quaternary phosphonium, which have a -SS n - linkage (e.g. For example, -Y 1 -C(Y 2 Y 3 )-SS n -connection or -Y 1 -C(=Y 4 )-SS n -connection, where n = 0 or an integer greater than or equal to 1) are connected by In another embodiment, the -SS n - linkage can be on any side of the organic moiety. For example, the organic moiety is an optionally substituted divalent aromatic moiety, C(R 3 ) 2 wherein each R 3 is independently H or an organic moiety such as a C 1 -C 20 organic moiety. ), carbonyl (C=O), or thiocarbonyl (C=S).
유기황 화학종은, 예를 들면, 디티오아세탈, 디티오케탈, 트리티오-오르토카보네이트, 방향족 폴리설파이드, 폴리에테르-폴리설파이드, 폴리설파이드-산 염, 티오설포네이트 [-S(O)2-S-], 티오설피네이트 [-S(O)-S-], 티오카복실레이트 [-C(O)-S-], 디티오카복실레이트 [-RC(S)-S-], 티오포스페이트 또는 티오포스포네이트 관능기, 또는 모노-, 디- 또는 트리티오카보네이트 관능기와 같은 황-함유 관능 그룹을 갖는 것을 포함하는, 유기 폴리설파이드, 유기 티올레이트, 유기 폴리티올레이트; 이들 또는 유사한 관능기를 함유하는 유기금속 폴리설파이드; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.Organosulfur species include, for example, dithioacetal, dithioketal, trithio-orthocarbonate, aromatic polysulfide, polyether-polysulfide, polysulfide-acid salt, thiosulfonate [-S(O) 2 -S-], thiosulfinate [-S(O)-S-], thiocarboxylate [-C(O)-S-], dithiocarboxylate [-RC(S)-S-], thiophosphate or organic polysulfides, organic thiolate, organic polythiolate, including those having sulfur-containing functional groups such as thiophosphonate functional groups, or mono-, di- or trithiocarbonate functional groups; Organometallic polysulfides containing these or similar functional groups; and mixtures thereof.
적합한 유기 모이어티는, 예를 들면, 분지형, 선형 및/또는 환형 하이드로카빌기를 포함할 수 있는 1가, 2가 및 다가 유기 모이어티를 포함한다. 본원에 사용되는 용어 "유기 모이어티"는 탄소 및 수소 이외에도 산소, 질소, 황, 할로겐, 인, 셀레늄, 규소, 금속(예를 들면 주석) 등과 같은 하나 이상의 헤테로원자를 포함할 수 있는 모이어티를 포함한다. 헤테로원자(들)는 관능 그룹 형태로 유기 모이어티에 존재할 수 있다. 따라서, 하이드로카빌 및 관능화된 하이드로카빌기는 본 발명의 범주 내에서 유기 모이어티인 것으로 간주된다. 일양태에서, 유기 모이어티는 C1-C20 유기 모이어티이다. 또 다른 양태에서, 유기 모이어티는 2개 이상의 탄소 원자를 함유한다. 따라서 유기 모이어티는 C2-C20 유기 모이어티일 수 있다.Suitable organic moieties include, for example, monovalent, divalent and multivalent organic moieties, which may contain branched, linear and/or cyclic hydrocarbyl groups. As used herein, the term "organic moiety" refers to a moiety that, in addition to carbon and hydrogen, may contain one or more heteroatoms such as oxygen, nitrogen, sulfur, halogen, phosphorus, selenium, silicon, metal (e.g. tin), etc. Includes. Heteroatom(s) may be present in the organic moiety in the form of a functional group. Accordingly, hydrocarbyl and functionalized hydrocarbyl groups are considered organic moieties within the scope of the present invention. In one embodiment, the organic moiety is a C 1 -C 20 organic moiety. In another aspect, the organic moiety contains two or more carbon atoms. Accordingly, the organic moiety may be a C 2 -C 20 organic moiety.
유기황 화학종은 특징상 단량체, 올리고머 또는 중합체일 수 있다. 예를 들면, -S-Sn- 관능기는 이의 주쇄(backbone)에 2개 이상의 단량체 반복 단위를 함유한 올리고머 또는 중합체 화학종의 주쇄에 대해 펜던트(pendant)되어 있을 수 있다. -S-Sn- 관능기는 이러한 올리고머 또는 중합체의 주쇄에 혼입될 수 있어, 올리고머 또는 중합체 주쇄는 복수의 -S-Sn- 연결을 함유하게 된다.Organosulfur species may be monomeric, oligomeric, or polymeric in nature. For example, the -SS n - functional group may be pendant to the backbone of an oligomeric or polymeric species containing two or more monomer repeat units in its backbone. The -SS n - functional group can be incorporated into the backbone of such oligomer or polymer, such that the oligomer or polymer backbone contains a plurality of -SS n - linkages.
유기황 화학종은, 예를 들면, 화학식 R1-S-Sn-R2(여기서, R1 및 R2는 독립적으로 C1-C20 유기 모이어티를 나타내고, n은 1 이상의 정수이다)의 유기 폴리설파이드 또는 유기 폴리설파이드의 혼합물일 수 있다. C1-C20 유기 모이어티는 분지형, 선형 또는 환형의 1가 하이드로카빌기일 수 있다. R1 및 R2는 각각 독립적으로 n = 1인 C9-C14 하이드로카빌기이다(디설파이드, 예를 들면 3차-도데실 디설파이드를 제공한다). 또 다른 양태에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 n = 2 내지 5인 C9-C14 하이드로카빌기이다(폴리설파이드를 제공한다). 이러한 화합물의 예로는 Arkema에서 시판 중인 TPS-32 및 TPS-20이 포함된다. 또 다른 양태에서, R1 및 R2는 독립적으로 n = 2 내지 5인 C7-C11하 하이드로카빌기이다. 이러한 유형의 적합한 폴리설파이드의 하나의 예로는 Arkema에서 시판 중인 TPS-37LS이 있다. 적합한 폴리설파이드의 또 다른 유형은, R1 및 R2가 둘 다 tert-부틸이고 n = 2 내지 5인 폴리설파이드 또는 폴리설파이드들의 혼합물일 것이다. 이러한 유기황 화합물의 예로는 Arkema에서 시판 중인 TPS-44 및 TPS-54가 있다.Organosulfur species are, for example, organic compounds of the formula R 1 -SS n -R 2 where R 1 and R 2 independently represent a C 1 -C 20 organic moiety and n is an integer of 1 or greater. It may be a polysulfide or a mixture of organic polysulfides. The C 1 -C 20 organic moiety may be a branched, linear or cyclic monovalent hydrocarbyl group. R 1 and R 2 are each independently a C 9 -C 14 hydrocarbyl group with n = 1 (giving a disulfide, for example tertiary-dodecyl disulfide). In another embodiment, R 1 and R 2 are each independently a C 9 -C 14 hydrocarbyl group with n = 2 to 5 (to provide a polysulfide). Examples of such compounds include TPS-32 and TPS-20, available commercially from Arkema. In another embodiment, R 1 and R 2 are independently a hydrocarbyl group under C 7 -C 11 where n = 2 to 5. One example of a suitable polysulfide of this type is TPS-37LS, commercially available from Arkema. Another type of suitable polysulfide would be a polysulfide or mixture of polysulfides where R 1 and R 2 are both tert-butyl and n = 2 to 5. Examples of such organosulfur compounds include TPS-44 and TPS-54 commercially available from Arkema.
유기황 화학종은 또한 화학식 R1-S-Sn-M(여기서, R1은 C1-C20 유기 모이어티이고, M은 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄이고, n은 1 이상의 정수이다)의 유기 폴리티올레이트 또는 화학식 R2-S-M(여기서, R2는 C1-C20 유기 모이어티이고, M은 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄이다)의 유기 티올레이트일 수 있다.Organosulfur species also have the formula R 1 -SS n -M, where R 1 is a C 1 -C 20 organic moiety and M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium. , n is an integer of 1 or more) or an organic polythiolate of the formula R 2 -SM (where R 2 is a C 1 -C 20 organic moiety, and M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or It may be an organic thiolate of quaternary phosphonium.
또 다른 양태에서, 유기황 화학종은 화학식 (I) 및 (II)에 해당하는 것과 같은 디티오아세탈 또는 디티오케탈이거나 화학식 (III)의 트리티오-오르토카복실레이트일 수 있다:In another embodiment, the organosulfur species may be a dithioacetal or dithioketal such as those corresponding to formulas (I) and (II) or a trithio-orthocarboxylate of formula (III):
여기서, 각각의 R3은 독립적으로 H 또는 C1-C20 유기 모이어티이고, o, p 및 q는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고, 각각의 Z는 독립적으로 C1-C20 유기 모이어티, Li, Na, K, Mg, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄이다. 이러한 유기황 화학종의 예는 1,2,4,5-테트라티안(tetrathiane)(화학식 I, R3 = H, o = p = 1), 테트라메틸-1,2,4,5-테트라티안(화학식 I, R3 = CH3, o = p =1), 및 이의 올리고머 또는 중합체 화학종을 포함한다.where each R 3 is independently H or a C 1 -C 20 organic moiety, o, p and q are each independently an integer of 1 or more, and each Z is independently a C 1 -C 20 organic moiety, Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium. Examples of these organosulfur species are 1,2,4,5-tetrathiane (formula I, R 3 = H, o = p = 1), tetramethyl-1,2,4,5-tetrathiane (Formula I, R 3 = CH 3 , o = p =1), and oligomeric or polymeric species thereof.
본 발명의 또 다른 양태는 화학식 (IV)의 방향족 폴리설파이드, 화학식 (V)의 폴리에테르-폴리설파이드, 화학식 (VI)의 폴리설파이드-산 염, 또는 화학식 (VII)의 폴리설파이드-산 염인 유기황 화학종을 사용한다:Another aspect of the invention is an organic polysulfide of formula (IV), a polyether-polysulfide of formula (V), a polysulfide-acid salt of formula (VI), or a polysulfide-acid salt of formula (VII). Sulfur species are used:
여기서, 하나 이상의 다른 위치에서 수소 이외의 치환체로 임의 치환된 방향족 환을 갖는 화학식(IV)에서 R4는 독립적으로 tert-부틸 또는 tert-아밀이고, R5는 독립적으로 OH, OLi 또는 ONa이고, r은 0 이상(예를 들면 0 내지 10)이고; 화학식 (VI)에서 R6은 2가 유기 모이어티이고; 화학식 (VII)에서 R7은 2가 유기 모이어티이고, 각각의 Z는 독립적으로 C1-C20 유기 모이어티, Li, Na, K, Mg, 4급 암모늄 또는 4급 포스포늄이고, 각각의 M은 독립적으로 Li, Na, K, Mg, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄이고, o 및 p는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이다. 이러한 유기황 화학종의 예는 Arkema에서 상표명 Vultac®으로 시판 중인 방향족 폴리설파이드(화학식 IV, R4 = tert-부틸 또는 tert-아밀이고, R5 = OH이다); 및 머캅토아세트산, 머캅토프로피온산, 머캅토에탄설폰산, 머캅토프로판설폰산과 같은 머캅토-산으로부터 또는 비닐설폰산 또는 2-아크릴아미도-2-메틸프로판설폰산과 같은 올레핀-함유 산으로부터 유도된, 화학식 VI 및 VII에 해당되는 폴리설파이드-산 염을 포함한다.wherein in formula (IV) having an aromatic ring optionally substituted with a substituent other than hydrogen at one or more other positions, R 4 is independently tert-butyl or tert-amyl, R 5 is independently OH, OLi or ONa, r is 0 or more (eg, 0 to 10); R 6 in formula (VI) is a divalent organic moiety; In formula (VII) R 7 is a divalent organic moiety, each Z is independently a C 1 -C 20 organic moiety, Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium or quaternary phosphonium, and each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more. Examples of such organosulfur species include aromatic polysulfides (formula IV, where R 4 = tert-butyl or tert-amyl and R 5 = OH) available commercially from Arkema under the trade name Vultac ® ; and derived from mercapto-acids such as mercaptoacetic acid, mercaptopropionic acid, mercaptoethanesulfonic acid, mercaptopropanesulfonic acid or from olefin-containing acids such as vinylsulfonic acid or 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid. , polysulfide-acid salts corresponding to formulas (VI) and (VII).
또 다른 양태에서, 유기황 화학종은 화학식 (IX)의 트리티오카보네이트 관능기를 함유하는 유기- 또는 유기-금속 폴리설파이드, 화학식 (X)의 디티오카보네이트 관능기를 함유하는 유기- 또는 유기-금속 폴리설파이드, 또는 화학식 (XI)의 모노티오카보네이트를 함유하는 유기- 또는 유기-금속 폴리설파이드이다:In another embodiment, the organosulfur species is an organic- or organo-metal polysulfide containing a trithiocarbonate functionality of Formula (IX), an organic- or organo-metal polysulfide containing a dithiocarbonate functionality of Formula (X) sulfide, or an organic- or organo-metallic polysulfide containing a monothiocarbonate of formula (XI):
여기서, Z는 C1-C20 유기 모이어티, Na, Li, K, Mg, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄이고, o 및 p는 독립적으로 1 이상의 정수이다.Here, Z is a C 1 -C 20 organic moiety, Na, Li, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and o and p are independently integers of 1 or more.
액체 또는 겔 전해액은 화학식 M-S-Sn-M(여기서, M은 독립적으로 Li, Na, K, Mg, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄이고, n은 1 이상의 정수이다)의 이금속(dimetal) 폴리티올레이트 화학종으로 추가로 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 화학종은 전술된 유기황 화학종과는 달리 어떠한 유기 모이어티도 함유하지 않는다.The liquid or gel electrolyte is a dimetal poly of the formula MSS n -M (where M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and n is an integer of 1 or more) It may further consist of thiolate chemical species. Accordingly, this species, unlike the organosulfur species described above, does not contain any organic moieties.
중간 분리막 부재는 전기화학 셀 내의 구획들 사이에 칸막이(divider)로서 기능할 수 있다. 하나의 구획은 캐소드와 접촉하는 전해질(이러한 구획 내의 전해질은 캐소드액으로 지칭될 수 있다)을 포함할 수 있다. 또 다른 구획은 애노드와 접촉하는 전해질(이러한 구획 내의 전해질은 애노드액으로 지칭될 수 있다)을 포함할 수 있다. 애노드액과 캐소드액은 서로 동일하거나 서로 상이할 수 있다. 애노드액과 캐소드액 중 하나 또는 둘 다는 본 발명에 따른 유기황 화학종을 하나 이상 함유할 수 있다. 중간 분리막 부재는, 전기화학 셀이 충전 모드 또는 방전 모드로 작동되는지에 따라, 애노드액으로부터의 이온이 중간 분리막 부재를 통과하여 캐소드액으로 투입될 수 있거나 그 반대로 되도록 하는 방식으로 이들 구획 사이에 위치할 수 있다.The intermediate separator member may function as a divider between compartments within the electrochemical cell. One compartment may contain an electrolyte in contact with the cathode (the electrolyte within this compartment may be referred to as the catholyte). Another compartment may contain an electrolyte in contact with the anode (the electrolyte within this compartment may be referred to as the anolyte). The anode fluid and cathode fluid may be the same or different from each other. One or both of the anolyte and catholyte may contain one or more organosulfur species according to the present invention. The intermediate separator member is positioned between these compartments in such a way that ions from the anolyte can pass through the intermediate separator member and enter the catholyte or vice versa, depending on whether the electrochemical cell is operated in charge or discharge mode. can do.
본 발명의 추가의 양태에서, 중간 분리막 부재는 다공성 중합체로 구성된다. 다공성 중합체는, 예를 들면, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 플루오르화된 중합체로 구성될 수 있다. 다공성 중합체는 전술된 유형의 유기황 화학종에 의해 관능화될 수 있다. 유기황 화학종은 다공성 중합체의 주쇄에 대해 펜던트되어 있을 수 있고/있거나 개별적 중합체 쇄들의 주쇄들 사이의 가교연결(crosslinks) 내에 존재할 수 있고/있거나 다공성 중합체의 주쇄에 혼입될 수 있다. 따라서, 다공성 중합체의 주쇄는 하나 이상의 -S-Sn- 연결 함유할 수 있고/있거나 -S-Sn- 연결은 중합체 주쇄에 대해 펜던트되어 있을 수 있다. 이러한 -S-Sn- 연결은 또한 가교연결 내에 존재할 수 있다.In a further aspect of the invention, the intermediate separator member is comprised of a porous polymer. The porous polymer may be composed of, for example, polypropylene, polyethylene, or fluorinated polymers. Porous polymers can be functionalized with organosulfur species of the types described above. The organosulfur species may be pendant to the backbone of the porous polymer, may be present in crosslinks between the backbones of individual polymer chains, and/or may be incorporated into the backbone of the porous polymer. Accordingly, the backbone of the porous polymer may contain one or more -SS n - linkages and/or the -SS n - linkages may be pendant to the polymer backbone. These -SS n - linkages can also be present in crosslinks.
본 발명에 따른 전기화학 셀에 사용하기에 적합한 용매는, 일반적으로 리튬-황 배터리용으로 알려져 있거나 사용되고 있는 염기성(basic) (양이온-착화) 비양성자성 극성 용매들 중 임의의 것, 예를 들면 설폴란, 디메틸 설폭사이드, 디메틸아세트아미드, 테트라메틸 우레아, N-메틸 피롤리디논, 테트라에틸 설파미드; 에테르, 예를 들면 테트라하이드로푸란, 메틸-THF, 1,3-디옥솔란, 1,2-디메톡시에탄 (글라임(glyme)), 디글라임, 및 테트라글라임, 및 이들의 혼합물; 카보네이트, 예를 들면 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트 등; 및 에스테르, 예를 들면 메틸아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필아세테이트, 및 감마-부티로락톤을 포함한다. 전해질은 이러한 용매를 단독으로 포함하거나 이러한 용매들의 혼합물을 포함할 수 있다. 배터리 분야에 알려져 있는 극성 비양성자성 중합체들 중 임의의 것을 사용할 수도 있다. 전해질은 중합체 물질을 포함할 수 있으며 겔 형태를 취할 수 있다. 전해질에 사용하기에 적합한 중합체는 예를 들면 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에테르설폰, 폴리비닐알코올, 또는 폴리이미드를 포함할 수 있다. 전해질은 액체 및 결합제 성분으로 구성된 3차원 망상구조(network)일 수 있는 겔 형태일 수 있다. 액체는 가교 중합체와 같은 중합체 내에 비말동반된(entrained) 단량체 용매일 수 있다.Solvents suitable for use in the electrochemical cells according to the invention are any of the basic (cation-complex) aprotic polar solvents generally known or used for lithium-sulfur batteries, for example Sulfolane, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, tetramethyl urea, N-methyl pyrrolidinone, tetraethyl sulfamide; ethers such as tetrahydrofuran, methyl-THF, 1,3-dioxolane, 1,2-dimethoxyethane (glyme), diglyme, and tetraglyme, and mixtures thereof; Carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, methylpropylcarbonate, ethylpropylcarbonate, etc.; and esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, and gamma-butyrolactone. The electrolyte may contain these solvents alone or a mixture of these solvents. Any of the polar aprotic polymers known in the battery field may be used. The electrolyte may comprise a polymeric material and may take the form of a gel. Polymers suitable for use in electrolytes may include, for example, polyethylene oxide, polyethersulfone, polyvinyl alcohol, or polyimide. The electrolyte may be in the form of a gel, which may be a three-dimensional network composed of liquid and binder components. The liquid may be a monomer solvent entrained in a polymer, such as a cross-linked polymer.
하나 이상의 전도성 염이 비수계 극성 비양성자성 용매 및/또는 중합체와 조합되어 전해질 내에 존재한다. 전도성 염은 배터리 분야에 잘 알려져 있으며, 예를 들면, (CF3SO2)2N-, CF3SO3 -, CH3SO3 -, ClO4 -, PF6 -, AsF6 -, 니트레이트, 할로겐 등의 리튬 염을 포함한다. 나트륨 및 기타 알칼리 금속 염 및 이들의 혼합물 또한 사용할 수 있다.One or more conducting salts are present in the electrolyte in combination with a non-aqueous polar aprotic solvent and/or polymer. Conducting salts are well known in the battery field, for example (CF 3 SO 2 ) 2 N - , CF 3 SO 3 - , CH 3 SO 3 - , ClO 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , nitrate. , halogen and other lithium salts. Sodium and other alkali metal salts and mixtures thereof may also be used.
애노드 활물질은 리튬, 나트륨, 칼륨 및/또는 마그네슘과 같은 알칼리 금속 또는 다른 활물질 또는 조성물을 포함할 수 있다. 특히 바람직한 애노드 활물질은 금속성 리튬, 리튬의 합금, 금속성 나트륨, 나트륨의 합금, 알칼리 금속 또는 이들의 합금, 금속 분말, 리튬과 알루미늄, 마그네슘, 규소, 및/또는 주석의 합금, 알칼리 금속-탄소 및 알칼리 금속-흑연 삽입물(intercalate), 알칼리 금속 이온에 의한 가역적 산화 및 환원이 가능한 화합물, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 금속 또는 금속 합금(예를 들면, 금속성 리튬)은 배터리 내부에 하나의 필름으로서 함유될 수 있거나, 또는 임의로 세라믹 재료에 의해 분리된 여러 필름들로서 함유될 수 있다. 적합한 세라믹 재료는, 예를 들면, 실리카, 알루미나, 또는 리튬-함유 유리질 재료, 예를 들면 리튬 포스페이트, 리튬 알루미네이트, 리튬 실리케이트, 리튬 인 옥시니트라이드, 리튬 탄탈륨 옥사이드, 리튬 알루미노실리케이트, 리튬 티타늄 옥사이드, 리튬 실리코설파이드(silicosulfide), 리튬 게르마노설파이드(germanosulfide), 리튬 알루미노설파이드(aluminosulfide), 리튬 보로설파이드(borosulfide), 리튬 포스포설파이드(phosphosulfide) 및 이들의 혼합물을 포함한다.The anode active material may include an alkali metal such as lithium, sodium, potassium and/or magnesium or other active material or composition. Particularly preferred anode active materials include metallic lithium, alloys of lithium, metallic sodium, alloys of sodium, alkali metals or alloys thereof, metal powders, alloys of lithium and aluminum, magnesium, silicon, and/or tin, alkali metal-carbon and alkali. It includes metal-graphite intercalates, compounds capable of reversible oxidation and reduction by alkali metal ions, and mixtures thereof. The metal or metal alloy (eg, metallic lithium) may be contained inside the battery as one film, or as several films, optionally separated by a ceramic material. Suitable ceramic materials include, for example, silica, alumina, or lithium-containing glassy materials, such as lithium phosphate, lithium aluminate, lithium silicate, lithium phosphorus oxynitride, lithium tantalum oxide, lithium aluminosilicate, lithium titanium. oxides, lithium silicosulfide, lithium germanosulfide, lithium aluminosulfide, lithium borosulfide, lithium phosphosulfide and mixtures thereof.
애노드는 예를 들면 호일, 복합체 또는 기타 유형의 집전체와 같은 임의의 적합한 형태일 수 있다.The anode may be in any suitable form, such as, for example, a foil, composite, or other type of current collector.
본 발명의 일양태에서, 애노드는 하나 이상의 유기황 화학종으로 처리되어 있다. 이러한 처리는 애노드의 표면을 하나 이상의 유기황 화학종과 접촉시켜 수행할 수 있다. 유기황 화학종은, 예를 들면, 이러한 접촉 단계 동안 용액 형태일 수 있다. 유기황 화학종에 적합한 임의의 용매 또는 용매들의 조합을 사용하여 이러한 용매를 형성할 수 있다. 예를 들면, 용매(들)은 전술된 비양성자성 극성 용매들 중 임의의 것일 수 있다. 일양태에서, 애노드는, 전기화학 셀을 조립하기 전에, 예를 들면 유기황 화학종의 용액을 애노드 상으로 분무하거나 또는 애노드를 유기황 화학종의 용액으로 침지시켜, 유기황 화학종으로 처리한다. 또 다른 양태에서, 유기황 화학종은 전기화학 셀 내에서 사용되어야 하는 전해질의 성분으로서 혼입되며, 이때 전해질 함유 유기황 화학종은 전기화학 셀의 어셈블리 상에서 애노드와 접촉하게 된다.In one aspect of the invention, the anode is treated with one or more organosulfur species. This treatment can be accomplished by contacting the surface of the anode with one or more organosulfur species. The organosulfur species may, for example, be in solution form during this contacting step. Any solvent or combination of solvents suitable for the organosulfur species can be used to form this solvent. For example, the solvent(s) can be any of the aprotic polar solvents described above. In one embodiment, the anode is treated with organosulfur species prior to assembling the electrochemical cell, for example, by spraying a solution of the organosulfur species onto the anode or by immersing the anode in a solution of the organosulfur species. . In another embodiment, the organosulfur species is incorporated as a component of the electrolyte to be used within the electrochemical cell, wherein the electrolyte containing organosulfur species is brought into contact with the anode on the assembly of the electrochemical cell.
또 다른 양태에서, 애노드는, 리튬, 나트륨, 칼륨 및 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 반응성 금속 이외에도 하나 이상의 유기황 화학종을 포함한다. 예를 들면, 하나 이상의 유기황 화학종은 애노드의 표면 상에 증착될 수 있다.In another embodiment, the anode includes one or more organosulfur species in addition to one or more reactive metals selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, and magnesium. For example, one or more organosulfur species can be deposited on the surface of the anode.
캐소드는 황 원소, 셀레늄 원소, 또는 칼코겐 원소들의 혼합물을 포함한다. 일양태에서, 캐소드는 상세히 전술된 바에 따른 하나 이상의 유기황 화학종으로 추가로 구성된다. 캐소드는 결합제 및/또는 전기전도성 첨가제를 추가로 및/또는 대안적으로 구성될 수 있다. 적합한 결합제는, 예를 들면, 폴리비닐 알코올, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴 플루오라이드와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체 고무(EPDM), 및 폴리비닐 클로라이드(PVC)와 같은 중합체를 포함한다. 전기전도성 첨가제는, 예를 들면, 흑연, 그래핀, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 카본 블랙 또는 그을음(soot)(예를 들면, 램프 또는 가열로(furnace) 그을음)과 같은 전기전도성 형태의 탄소일 수 있다. 캐소드는, 배터리 또는 전기화학 셀 분야에 공지되어 있는 집전체들 중 임의의 것과 같은 집전체와 조합되어, 배터리 또는 전기화학 셀 내에 존재할 수 있다. 예를 들면, 캐소드는 금속성 집전체의 표면 상에 코팅될 수 있다.The cathode includes elemental sulfur, elemental selenium, or a mixture of chalcogen elements. In one aspect, the cathode is further comprised of one or more organosulfur species as described in detail above. The cathode may additionally and/or alternatively be comprised of binders and/or electrically conductive additives. Suitable binders include, for example, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene. Polymers such as copolymers, copolymers of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, copolymers of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene, ethylene-propylene-diene monomer rubber (EPDM), and polyvinyl chloride (PVC) Includes. The electrically conductive additive may be, for example, carbon in an electrically conductive form such as graphite, graphene, carbon fibers, carbon nanofibers, carbon black or soot (e.g. lamp or furnace soot). You can. The cathode may be present in the battery or electrochemical cell in combination with a current collector, such as any of the current collectors known in the battery or electrochemical cell art. For example, the cathode can be coated on the surface of a metallic current collector.
본 발명의 측면들은 다음을 포함한다:Aspects of the invention include:
1. 배터리로서,1. As a battery,
a) 이온을 제공하기 위한, 나트륨, 리튬, 또는 나트륨 또는 리튬 중 하나 이상과 하나 이상의 다른 금속과의 합금 또는 복합체를 포함하는 애노드 활물질을 함유하는 애노드;a) an anode containing an anode active material comprising sodium, lithium, or an alloy or complex of one or more of sodium or lithium with one or more other metals to provide ions;
b) 황 원소, 셀레늄 원소, 또는 칼코겐 원소들의 혼합물을 포함하는 캐소드 활물질을 포함하는 캐소드; 및b) a cathode comprising a cathode active material comprising a mixture of elemental sulfur, elemental selenium, or chalcogen elements; and
c) 애노드와 캐소드 사이에 위치하여, 애노드 및 캐소드와 접촉하는 액체 또는 겔 전해액을 분리시키는 기능을 하는 중간 분리막 부재로서, 상기 부재를 통해 배터리의 충전 및 방전 사이클 동안 애노드와 캐소드 사이에서 금속 이온 및 이의 카운터이온이 이동하는, 중간 분리막 부재c) an intermediate separator member located between the anode and the cathode, which functions to separate the liquid or gel electrolyte in contact with the anode and the cathode, through which metal ions and Absence of an intermediate separator through which its counterions move
를 포함하고,Including,
액체 또는 겔 전해액은 비수계 극성 비양성자성 용매 또는 중합체 및 전도성 염을 포함하고,The liquid or gel electrolyte solution includes a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer and a conducting salt,
(i) 액체 또는 겔 전해액 중 하나 이상은 하나 이상의 유기황 화학종을 추가로 포함하는 조건,(i) at least one of the liquid or gel electrolyte solution further comprises one or more organosulfur species,
(ii) 캐소드는 하나 이상의 유기황 화학종으로 추가로 구성되는 조건,(ii) the cathode is further comprised of one or more organosulfur species;
(iii) 중간 분리막 부재는 하나 이상의 유기황 화학종을 함유하는 관능화된 다공성 중합체를 포함하는 조건,(iii) the intermediate separator member comprises a functionalized porous polymer containing one or more organosulfur species;
(iv) 애노드는 하나 이상의 유기황 화학종으로 추가로 구성되거나 하나 이상의 유기황 화학종으로 처리되어 있는 조건(iv) the anode further consists of one or more organosulfur species or is treated with one or more organosulfur species;
중 하나 이상이 충족되고,One or more of the following is met,
유기황 화학종은 하나 이상의 유기 모이어티와 하나 이상의 -S-Sn- 연결(여기서, n은 0이거나 1 이상의 정수이다)을 포함하는, 배터리.The battery, wherein the organosulfur species comprises one or more organic moieties and one or more -SS n - linkages, where n is 0 or an integer greater than or equal to 1.
2. 제1항에 있어서, 유기황 화학종은 유기 폴리설파이드, 유기 티올레이트 및 유기 폴리티올레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 배터리.2. The battery according to clause 1, wherein the organosulfur species is selected from the group consisting of organic polysulfides, organic thiolate and organic polythiolate and mixtures thereof.
3. 제1항 및 제2항 중 어느 하나에 있어서, 유기황 화학종은 디티오아세탈, 디티오케탈, 트리티오-오르토카보네이트, 티오설포네이트 [-S(O)2-S-], 티오설피네이트 [-S(O)-S-], 티오카복실레이트 [-C(O)-S-], 디티오카복실레이트 [-C(S)-S-], 티오포스페이트, 티오포스포네이트, 모노티오카보네이트, 디티오카보네이트, 및 트리티오카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 황-함유 관능 그룹을 함유하는, 배터리.3. The method of any one of items 1 and 2, wherein the organosulfur species is dithioacetal, dithioketal, trithio-orthocarbonate, thiosulfonate [-S(O) 2 -S-], thio Sulfinate [-S(O)-S-], thiocarboxylate [-C(O)-S-], dithiocarboxylate [-C(S)-S-], thiophosphate, thiophosphonate, A battery containing at least one sulfur-containing functional group selected from the group consisting of monothiocarbonate, dithiocarbonate, and trithiocarbonate.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서, 유기황 화학종은 방향족 폴리설파이드, 폴리에테르-폴리설파이드, 폴리설파이드-산 염 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 배터리.4. The battery according to any one of clauses 1 to 3, wherein the organosulfur species is selected from the group consisting of aromatic polysulfides, polyether-polysulfides, polysulfide-acid salts and mixtures thereof.
5. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나에 있어서, 유기황 화학종은 화학식 R1-S-Sn-R2(여기서, R1 및 R2는 독립적으로 선형, 분지형, 또는 환형 지방족 또는 방향족일 수 있으며 N, O, P, S, Se, Si, Sn, 할로겐 및/또는 금속을 함유하는 하나 이상의 관능 그룹을 임의로 포함할 수 있는 C1-C20 유기 모이어티를 나타내고, n은 1 이상의 정수이다)의 유기 폴리설파이드인, 배터리.5. The method of any one of items 1 to 5, wherein the organosulfur species has the formula R 1 -SS n -R 2 wherein R 1 and R 2 are independently linear, branched, or cyclic aliphatic or aromatic. represents a C 1 -C 20 organic moiety, which may optionally include one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal, and n is 1 or more is an integer), which is an organic polysulfide, battery.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나에 있어서, 유기황 화학종은 화학식 R1-S-M의 유기 티올레이트 또는 화학식 R1-S-Sn-M의 유기 폴리티올레이트(여기서, R1은 선형, 분지형, 또는 환형 지방족 또는 방향족일 수 있으며 N, O, P, S, Se, Si, Sn, 할로겐 및/또는 금속을 함유하는 하나 이상의 관능 그룹을 임의로 포함할 수 있는 C1-C20 유기 모이어티이고, M은 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄이고, n은 1 이상의 정수이다)인, 배터리.6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the organosulfur species is an organic thiolate of the formula R 1 -SM or an organic polythiolate of the formula R 1 -SS n -M, where R 1 is a linear , branched, or cyclic C 1 -C 20 organic, which may be aliphatic or aromatic and may optionally contain one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogens and/or metals. moiety, M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and n is an integer greater than or equal to 1.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나에 있어서, 유기황 화학종은 화학식 (I) 또는 (II)의 디티오아세탈 또는 디티오케탈이거나 화학식 (III)의 트리티오-오르토카복실레이트인, 배터리.7. The organosulfur species according to any one of claims 1 to 6, wherein the organosulfur species is a dithioacetal or dithioketal of formula (I) or (II) or a trithio-orthocarboxylate of formula (III). battery.
여기서, 각각의 R3은 독립적으로 H이거나, 선형, 분지형, 또는 환형 지방족 또는 방향족일 수 있으며 N, O, P, S, Se, Si, Sn, 할로겐 및/또는 금속을 함유하는 하나 이상의 관능 그룹을 임의로 포함할 수 있는 C1-C20 유기 모이어티이고, o, p 및 q는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고, 각각의 Z는, 독립적으로, 선형, 분지형, 또는 환형 지방족 또는 방향족일 수 있으며 N, O, P, S, Se, Si, Sn, 할로겐 및/또는 금속을 함유하는 하나 이상의 관능 그룹을 임의로 포함할 수 있는 C1-C20 유기 모이어티; Li; Na; K; Mg; 4급 암모늄; 또는 4급 포스포늄이다.where each R 3 may independently be H, or may be linear, branched, or cyclic aliphatic or aromatic and may contain one or more functionalities containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal. is a C 1 -C 20 organic moiety which may optionally contain the group, o, p and q are each independently an integer of 1 or more, and each Z is independently linear, branched, or cyclic aliphatic or aromatic. C 1 -C 20 organic moieties, which may optionally include one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogens and/or metals; Li; Na; K; Mg; quaternary ammonium; or quaternary phosphonium.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 있어서, 유기황 화학종은 화학식 (IV)의 방향족 폴리설파이드, 화학식 (V)의 폴리에테르-폴리설파이드, 화학식 (VI)의 폴리설파이드-산 염, 또는 화학식 (VII)의 폴리설파이드-산 염인, 배터리.8. The organosulfur species according to any one of claims 1 to 7, wherein the organosulfur species is an aromatic polysulfide of formula (IV), a polyether-polysulfide of formula (V), a polysulfide-acid salt of formula (VI) , or a polysulfide-acid salt of formula (VII).
여기서, 하나 이상의 위치에서 수소 이외의 치환체로 임의로 치환된 방향족 환을 갖는 화학식 (IV)에서, R4는 독립적으로 tert-부틸 또는 tert-아밀이고, R5는 독립적으로 OH, OLi 또는 ONa이고, r은 0 이상이고, 화학식 (VI)에서 R6은 2가 유기 모이어티이고, 화학식 (VII)에서 R7은 2가 유기 모이어티이고, 각각의 Z는 독립적으로 C1-C20 유기 모이어티, Li, Na 또는 4급 암모늄이고, 각각의 M은 독립적으로 Li, Na, K, Mg, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄이고, o 및 p는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이다.wherein in formula (IV) having an aromatic ring optionally substituted at one or more positions with a substituent other than hydrogen, R 4 is independently tert-butyl or tert-amyl, R 5 is independently OH, OLi or ONa, r is at least 0, in formula (VI) R 6 is a divalent organic moiety, in formula (VII) R 7 is a divalent organic moiety, and each Z is independently a C 1 -C 20 organic moiety , Li, Na or quaternary ammonium, each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나에 있어서, 유기황 화학종은 화학식 (IX)의 트리티오카보네이트 관능기를 함유하는 유기- 또는 유기-금속 폴리설파이드, 화학식 (X)의 디티오카보네이트 관능기를 함유하는 유기- 또는 유기-금속 폴리설파이드, 또는 화학식 (XI)의 모노티오카보네이트 관능기를 함유하는 유기- 또는 유기-금속 폴리설파이드인, 배터리:9. The organosulfur species according to any one of claims 1 to 8, wherein the organosulfur species is an organic- or organo-metal polysulfide containing a trithiocarbonate functional group of formula (IX), a dithiocarbonate functional group of formula (X) A battery comprising:
여기서, Z는 C1-C20 유기 모이어티, Na, Li, 4급 암모늄 또는 4급 포스포늄이고, o 및 p는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이다.Here, Z is a C 1 -C 20 organic moiety, Na, Li, quaternary ammonium or quaternary phosphonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나에 있어서, 액체 또는 겔 전해액은 화학식 M-S-Sn-M(여기서, 각각의 M은 독립적으로 Li, Na, K, Mg, 4급 암모늄, 또는 4급 포스포늄이고, n은 1 이상의 정수이다)의 이금속 폴리티올레이트 화학종으로 추가로 이루어지는, 배터리.10. The method of any one of items 1 to 9, wherein the liquid or gel electrolyte has the formula MSS n -M, where each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphide. phonium, and n is an integer greater than or equal to 1).
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나에 있어서, 캐소드는 하나 이상의 전기전도성 첨가제 및/또는 하나 이상의 결합제로 추가로 구성되는, 배터리.11. The battery according to any one of claims 1 to 10, wherein the cathode further consists of one or more electrically conductive additives and/or one or more binders.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나에 있어서, 유기황 화학종은 관능화된 다공성 중합체의 주쇄에 대해 펜던트되어 있는, 배터리.12. The battery according to any one of claims 1 to 11, wherein the organosulfur species is pendant to the main chain of the functionalized porous polymer.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 하나에 있어서, 유기황 화학종은, 관능화된 다공성 중합체의 주쇄 내에 가교연결되거나 관능화된 다공성 중합체의 주쇄의 일부를 형성하는, 배터리.13. The battery according to any one of claims 1 to 12, wherein the organosulfur species is crosslinked within or forms part of the main chain of the functionalized porous polymer.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나에 있어서, 유기 모이어티는 2개 이상의 탄소 원자를 함유하는, 배터리.14. The battery according to any one of clauses 1 to 13, wherein the organic moiety contains at least 2 carbon atoms.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 하나에 있어서, 중간 다공성 분리막은 배터리를 분리하여, 애노드와 관련된 애노드액 부분 및 캐소드와 관련된 캐소드액 부분을 제공하며, 유기황 화학종은 애노드액 부분 또는 캐소드액 부분 중 하나 이상에 존재하는, 배터리.15. The method of any one of clauses 1 to 14, wherein the mesoporous separator separates the battery and provides an anolyte portion associated with the anode and a catholyte portion associated with the cathode, and the organosulfur species is present in the anolyte portion or the cathode portion. Battery, present in one or more of the catholyte portions.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나에 있어서, 비수계 극성 비양성자성 용매 또는 중합체는 에테르, 카보닐, 에스테르, 카보네이트, 아미노, 아미도, 설피딜 [-S-], 설피닐 [-S(O)-], 또는 설포닐 [-SO2-]로부터 선택된 하나 이상의 관능 그룹을 함유하는, 배터리.16. The method according to any one of items 1 to 15, wherein the non-aqueous polar aprotic solvent or polymer is ether, carbonyl, ester, carbonate, amino, amido, sulfidyl [-S-], sulfinyl [ -S(O)-], or sulfonyl [-SO 2 -].
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나에 있어서, 전도성 염은 화학식 MX(여기서, M은 Li, Na 또는 4급 암모늄이고, X는 (CF3SO2)2N, CF3SO3, CH3SO3, ClO4, PF6, NO3, AsF6 또는 할로겐이다)에 해당하는, 배터리.17. The method according to any one of items 1 to 16, wherein the conducting salt has the formula MX, where M is Li, Na or quaternary ammonium and X is (CF 3 SO 2 ) 2 N, CF 3 SO 3 , CH 3 SO 3 , ClO 4 , PF 6 , NO 3 , AsF 6 or halogen), corresponding to the battery.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 하나에 있어서, 유기 모이어티는 올리고머 또는 중합체이고, 유기황 화학종은 올리고머 또는 중합체 유기 모이어티의 주쇄에 대해 펜던트되어 있는 하나 이상의 -S-S- 연결을 포함하는, 배터리.18. The method of any one of paragraphs 1 to 17, wherein the organic moiety is an oligomer or polymer and the organosulfur species comprises one or more -S-S- linkages pendant to the main chain of the oligomeric or polymeric organic moiety. Do, battery.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 하나에 있어서, 유기 모이어티는 올리고머 또는 중합체이고, 유기황 화학종은 올리고머 또는 중합체 유기 모이어티의 주쇄에 혼입된 하나 이상의 -S-S- 연결을 포함하는, 배터리.19. The method of any one of paragraphs 1 to 18, wherein the organic moiety is an oligomer or polymer and the organosulfur species comprises one or more -S-S- linkages incorporated into the backbone of the oligomeric or polymeric organic moiety. battery.
20. 전해질로서, 하나 이상의 비수계 극성 비양성자성 용매 또는 중합체; 하나 이상의 전도성 염; 및 하나 이상의 유기 모이어티와 하나 이상의 -S-Sn- 연결(여기서, n은 0이거나 1 이상의 정수이다)로 구성된 하나 이상의 유기황 화학종을 포함하는, 전해질.20. As an electrolyte, one or more non-aqueous polar aprotic solvents or polymers; one or more conducting salts; and one or more organosulfur species consisting of one or more organic moieties and one or more -SS n -linkages, where n is 0 or an integer of 1 or more.
21. 캐소드로서, a) 황 원소, 셀레늄 원소, 또는 칼코겐 원소들의 혼합물, b) 하나 이상의 전기전도성 첨가제, 및 c) 하나 이상의 유기 모이어티와 하나 이상의 -S-Sn- 연결(여기서, n은 0이거나 1 이상의 정수이다)을 포함하는 하나 이상의 유기황 화학종을 포함하는, 캐소드.21. As a cathode, a) a mixture of elemental sulfur, elemental selenium, or chalcogen elements, b) one or more electrically conductive additives, and c) one or more organic moieties and one or more -SS n - linkages, where n is 0 or is an integer greater than or equal to 1).
22. 제21항에 있어서, 집전체와 조합된, 캐소드.22. The cathode of item 21 in combination with a current collector.
23. 제21항 및 제22항 중 어느 하나에 이에 있어서, 하나 이상의 전기전도성 첨가제는 흑연, 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 그래핀, 카본 블랙 또는 그을음 중 하나 이상을 포함하는, 캐소드.23. The cathode of any one of clauses 21 and 22, wherein the one or more electrically conductive additives comprise one or more of graphite, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, carbon black or soot.
24. 제21항 내지 제23항 중 어느 하나에 이에 있어서, 하나 이상의 결합제를 추가로 포함하는, 캐소드.24. The cathode according to any one of clauses 21 to 23, further comprising one or more binders.
25. 이온을 제공하기 위한, 나트륨, 리튬, 칼륨 또는 마그네슘, 또는 나트륨, 리튬, 칼륨 또는 마그네슘 중 하나 이상과 하나 이상의 다른 금속과의 합금 또는 복합체를 포함하는 애노드 활물질을 포함하는 애노드로서, 애노드는 하나 이상의 유기 모이어티와 하나 이상의 -S-Sn- 연결(여기서, n은 0이거나 1 이상의 정수이다)을 포함하는 하나 이상의 유기황 화학종을 추가로 포함하거나 상기 하나 이상의 유기황 화학종으로 처리되어 있는, 애노드.25. An anode comprising an anode active material comprising sodium, lithium, potassium or magnesium, or an alloy or complex of one or more of sodium, lithium, potassium or magnesium with one or more other metals to provide ions, the anode comprising: It further comprises or is treated with one or more organosulfur species comprising one or more organic moieties and one or more -SS n - linkages, where n is 0 or an integer of 1 or more. , anode.
본 명세서에서 양태들은 명료하고 간결한 설명이 기록될 수 있게 하는 방식으로 기술되었지만, 양태들은 본 발명을 벗어나지 않고도 다양하게 조합되거나 분리될 수 있음이 의도되며 명백할 것이다. 예를 들면, 본원에 기술된 모든 바람직한 특징들은 본원에 기재된 본 발명의 모든 측면들에 적용 가능함이 이해될 것이다.Although the aspects have been described herein in a manner to enable a clear and concise description to be written, it is intended and will be apparent that the aspects may be combined or separated in various ways without departing from the invention. For example, it will be understood that all preferred features described herein are applicable to all aspects of the invention described herein.
몇몇 양태에서, 본원의 본 발명은 조성물 또는 프로세스의 기본 및 신규 특징들에 실질적으로 영향을 미치지 않는 임의의 요소 또는 프로세스 단계를 배제하는 것으로 해석될 수 있다. 또한, 몇몇 양태에서, 본 발명은 본원에 특정되지 않은 임의의 요소 또는 프로세스 단계를 배제하는 것으로 해석될 수 있다.In some aspects, the invention herein may be interpreted to exclude any element or process step that does not substantially affect the basic and novel characteristics of the composition or process. Additionally, in some aspects, the invention may be interpreted to exclude any element or process step not specified herein.
실시예Example
캐소드 제작, 배터리 제조, 및 배터리 시험Cathode fabrication, battery fabrication, and battery testing
실시예 1Example 1
70중량%의 승화된 황 원소(sublimed elemental sulfur) 분말, 20중량%의 폴리에틸렌 옥사이드(PEO, MW 4×106), 10중량%의 카본 블랙(Super P® Conductive, Alfa Aesar)을 포함하는 양극을 하기 과정을 통해 제조하였다:Anode containing 70% by weight sublimed elemental sulfur powder, 20% by weight polyethylene oxide (PEO, MW 4×10 6 ), 10% by weight carbon black (Super P ® Conductive, Alfa Aesar) was prepared through the following process:
N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 중의 이들 성분의 혼합물을 플래네터리 밀링기(planetary milling machine)에서 기계적으로 분쇄(grind)하였다. 아세토니트릴을 첨가하여 혼합물을 희석하였다. 생성된 현탁액을 자동 필름 코터(Mathis)로 알루미늄 호일(두께 76㎛) 상에 도포하였다. 코팅을 50℃ 진공 오븐에서 18시간 동안 건조시켰다. 생성된 코팅은 3.10mg/㎠의 캐소드 혼합물을 함유하였다.A mixture of these components in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was mechanically ground in a planetary milling machine. The mixture was diluted by adding acetonitrile. The resulting suspension was applied onto aluminum foil (76 μm thick) with an automatic film coater (Mathis). The coating was dried in a vacuum oven at 50°C for 18 hours. The resulting coating contained 3.10 mg/cm2 of the cathode mixture.
실시예 2Example 2
리튬 n-도데실 머캅타이드(10중량%의 황)를 함유한 양의 캐소드를 실시예 1에 기재된 절차에 따라 제조하였다. 생성된 코팅은 황 3.4mg/㎠를 함유하였다.A positive cathode containing lithium n-dodecyl mercaptide (10% sulfur by weight) was prepared according to the procedure described in Example 1. The resulting coating contained 3.4 mg/cm2 of sulfur.
실시예 3 Example 3
실시예 2로부터의 양의 캐소드를, 2개의 스테인리스 스틸 로드(rod) 또는 스테인리스 스틸 재질의 코인 셀(coil cell) 어셈블리(CR2032)를 갖춘 PTFE Swaglok 셀에서 사용하였다. 배터리 셀을 아르곤 충전된 글로브 박스(MBraun) 내에서 다음과 같이 조립하였다: 캐소드 전극을 하부 캔(can) 상에 놓은 다음 분리막을 놓았다. 이어서 전해질을 분리막에 첨가하였다. 리튬 전극을 분리막 위에 놓았다. 스페이서 및 스프링을 리튬 전극의 상부에 놓았다. 배터리 코어를 스테인리스 스틸 로드 또는 크림핑(crimping) 장치로 밀봉하였다.The positive cathode from Example 2 was used in a PTFE Swaglok cell with two stainless steel rods or a stainless steel coin cell assembly (CR2032). The battery cells were assembled in an argon-filled glove box (MBraun) as follows: the cathode electrode was placed on the lower can followed by the separator. Then, electrolyte was added to the separator. A lithium electrode was placed on the separator. A spacer and spring were placed on top of the lithium electrode. The battery core was sealed with a stainless steel rod or crimping device.
실시예 4 Example 4
실시예 3에 기재된 절차에 따라, 실시예 2로부터의 캐소드(직경 7/16"), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(TEGDME):1,3-디옥솔란(DOL) = 1:1 중의 0.5M LiTFSI 용액 20㎕, 분리막, 및 리튬 전극(두께 0.38mm, 직경 7/16")으로 이루어진 배터리 셀에 대해, 0.1mA의 전류에서 충전-방전 사이클링(cycling)을 시험하였다. 본 시험은 Gamry 전위차계(Gamry potentiometer)(Gamry Instruments)를 사용하여 실온에서 컷오프 전압 1.5V 및 3.2V에 대해 수행하였다. 방전 사이클 프로파일을 도 1에 나타낸다.Cathode from Example 2 (7/16" diameter), 0.5M LiTFSI solution in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME):1,3-dioxolane (DOL) = 1:1, following the procedure described in Example 3. A battery cell consisting of 20 μl, a separator, and a lithium electrode (0.38 mm thick, 7/16" diameter) was tested for charge-discharge cycling at a current of 0.1 mA. This test was performed for cutoff voltages of 1.5 V and 3.2 V at room temperature using a Gamry potentiometer (Gamry Instruments). The discharge cycle profile is shown in Figure 1.
리튬 알킬머캅타이드의 합성Synthesis of lithium alkylmercaptide
실시예 5 - 헥실 리튬에 의한 리튬 n-도데실 머캅타이드의 합성Example 5 - Synthesis of lithium n-dodecyl mercaptide by hexyl lithium
-30℃에서 헥산(100mL) 중의 n-도데실 머캅탄(9.98g, 1eq.)에 n-헥실리튬(헥산 중 33중량%, 1.1eq.)을 적가하여, 혼합물 온도를 -20℃ 미만으로 유지하였다. 용매를 감압하에 제거하여, 백색 고형물을 정량적 수율로 수득하였다.n-hexyllithium (33% by weight in hexane, 1.1 eq.) was added dropwise to n-dodecyl mercaptan (9.98 g, 1 eq.) in hexane (100 mL) at -30°C, and the mixture temperature was lowered to below -20°C. maintained. The solvent was removed under reduced pressure to give a white solid in quantitative yield.
실시예 6 - 수산화리튬에 의한 리튬 n-도데실 머캅타이드의 합성Example 6 - Synthesis of lithium n-dodecyl mercaptide by lithium hydroxide
아세토니트릴(8mL) 중의 n-도데실 머캅탄(2.0g, 1eq.) 및 수산화리튬 일수화물(0.41g, 1eq.)의 혼합물을 75℃로 가열하고 75℃에서 16시간 동안 교반하였다. 실온까지 냉각시킨 후 반응 혼합물을 여과하였다. 필터 케이크를 아세토니트릴로 세정하고 50℃ 진공 오븐에서 밤새 건조시켰다. 리튬 n-도데실머캅타이드를 백색 고형물로 93.5% 수율로 수득하였다(1.93g).A mixture of n-dodecyl mercaptan (2.0 g, 1 eq.) and lithium hydroxide monohydrate (0.41 g, 1 eq.) in acetonitrile (8 mL) was heated to 75°C and stirred at 75°C for 16 hours. After cooling to room temperature, the reaction mixture was filtered. The filter cake was washed with acetonitrile and dried in a vacuum oven at 50°C overnight. Lithium n-dodecyl mercaptide was obtained as a white solid in 93.5% yield (1.93 g).
실시예 7 - 헥실 리튬에 의한 리튬 n-도데실 머캅타이드의 합성 Example 7 - Synthesis of lithium n-dodecyl mercaptide by hexyl lithium
실시예 6에 기재된 절차에 따라, 디머캅탄으로부터 3,6-디옥사옥탄-1,8-디티올 디리튬염을 백색 고형물로 정량적 수율로 합성하였다.Following the procedure described in Example 6, 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol dilithium salt was synthesized from dimercaptan in quantitative yield as a white solid.
리튬 알킬 폴리티올레이트의 합성Synthesis of lithium alkyl polythiolate
실시예 8 - 수산화리튬에 의한 리튬 n-도데실폴리티올레이트의 합성Example 8 - Synthesis of lithium n-dodecylpolythiolate by lithium hydroxide
1.3-디옥솔란(25mL) 중의 n-도데실 머캅탄(2.00g, 1eq.)의 질소 탈기된 용액에, 수산화리튬 일수화물(0.41g, 1eq.)과 황(1.27g, 4eq.)을 첨가하였다. 혼합물을 실온에서 30분 동안 질소하에 교반하였다. 1,3-디옥솔란 중의 리튬 n-도데실 폴리티올레이트를 짙은 적색 용액으로 수득하였다. 머캅탄이 리튬 n-도데실 폴리티올레이트로 완전히 전환되었는지를 13C-NMR 및 LCMS로 확인하였다. To a nitrogen-degassed solution of n-dodecyl mercaptan (2.00 g, 1 eq.) in 1.3-dioxolane (25 mL), lithium hydroxide monohydrate (0.41 g, 1 eq.) and sulfur (1.27 g, 4 eq.) were added. did. The mixture was stirred under nitrogen for 30 minutes at room temperature. Lithium n-dodecyl polythiolate in 1,3-dioxolane was obtained as a dark red solution. Whether the mercaptan was completely converted to lithium n-dodecyl polythiolate was confirmed by 13 C-NMR and LCMS.
실시예 9 - 수산화리튬 및 황에 의한 리튬 3,6-디옥사옥탄-1,8-폴리티올레이트의 합성Example 9 - Synthesis of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate by lithium hydroxide and sulfur
실시예 8에 기재된 절차에 따라, 1,3-디옥솔란(10mL) 중의 3,6-디옥사옥탄-1,8-디티올(0.72g, 1eq.), 수산화리튬 일수화물(0.33g, 2eq.) 및 황(1.02g, 8eq.)의 반응으로부터, 1,3-디옥솔란 중의 리튬 3,6-디옥사옥탄-1,8-폴리티올레이트를 짙은 적색 용액으로 수득하였다. Following the procedure described in Example 8, 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol (0.72 g, 1 eq.) in 1,3-dioxolane (10 mL), lithium hydroxide monohydrate (0.33 g, 2 eq.) .) and sulfur (1.02 g, 8 eq.) gave lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate in 1,3-dioxolane as a dark red solution.
실시예 10 - 리튬 알킬 머캅타이드에 의한 리튬 n-도데실폴리티올레이트의 합성Example 10 - Synthesis of lithium n-dodecylpolythiolate by lithium alkyl mercaptide
1,3-디옥솔란(5mL) 중의 리튬 n-도데실 머캅타이드(0.21g, 1eq.)의 질소 탈기된 슬러리에 황(0.13g, 4eq.)을 첨가하였다. 혼합물을 질소하에 실온에서 16시간 동안 교반하였다. 불용성 고형물을 여과하여 제거하였다. LCMS로 확인한 바와 같이 짙은 적색 여액은 리튬 n-도데실 폴리티올레이트 63% 및 비스(n-도데실)폴리설파이드의 혼합물 37%를 함유하였다.To a nitrogen-degassed slurry of lithium n-dodecyl mercaptide (0.21 g, 1 eq.) in 1,3-dioxolane (5 mL) was added sulfur (0.13 g, 4 eq.). The mixture was stirred at room temperature under nitrogen for 16 hours. Insoluble solids were removed by filtration. As confirmed by LCMS, the dark red filtrate contained 63% lithium n-dodecyl polythiolate and 37% mixture of bis(n-dodecyl)polysulfide.
실시예 11 - 리튬 금속 및 황에 의한 리튬 n-도데실폴리티올레이트의 합성Example 11 - Synthesis of lithium n-dodecylpolythiolate by lithium metal and sulfur
1,3-디옥솔란(25mL) 중의 n-도데실 머캅탄(2.23g, 1eq.)의 질소 탈기된 용액에 황(1.41g, 4eq.) 및 리튬(76.5mg)을 첨가하였다. 혼합물을 60℃로 가열하고 질소하에 60℃에서 1시간 동안 교반하였다. 1,3-디옥솔란 중의 리튬 n-도데실 폴리티올레이트를 짙은 적색 용액으로 수득하였다. n-도데실 머캅탄이 완전히 전환되었는지를 13C-NMR로 확인하였다.To a nitrogen-degassed solution of n-dodecyl mercaptan (2.23 g, 1 eq.) in 1,3-dioxolane (25 mL) was added sulfur (1.41 g, 4 eq.) and lithium (76.5 mg). The mixture was heated to 60°C and stirred at 60°C under nitrogen for 1 hour. Lithium n-dodecyl polythiolate in 1,3-dioxolane was obtained as a dark red solution. Whether n-dodecyl mercaptan was completely converted was confirmed by 13 C-NMR.
실시예 12 - 리튬 금속 및 황에 의한 리튬 3,6-디옥사옥탄-1,8-폴리티올레이트의 합성Example 12 - Synthesis of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate by lithium metal and sulfur
실시예 11의 절차에 따라, 1,3-디옥솔란(11mL) 중의 3,6-디옥사옥탄-1,8-디티올(1.97g, 1eq.), 리튬 금속(0.15g, 2eq.) 및 황(2.77g, 8eq.)의 반응에 의해, 1,3-디옥솔란 중의 리튬 3,6-디옥사옥탄-1,8-폴리티올레이트의 짙은 적색 용액을 수득하였다. 출발 디머캅탄이 완전히 전환되었는지를 13C-NMR로 확인하였다.Following the procedure of Example 11, 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol (1.97 g, 1 eq.), lithium metal (0.15 g, 2 eq.) in 1,3-dioxolane (11 mL), and Reaction with sulfur (2.77 g, 8 eq.) gave a dark red solution of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate in 1,3-dioxolane. Complete conversion of the starting dimercaptan was confirmed by 13 C-NMR.
실시예 13 - 첨가된 리튬 n-도데실폴리티올레이트에 의한 Li2S의 용해Example 13 - Dissolution of Li 2 S with added lithium n-dodecylpolythiolate
리튬 n-도데실폴리티올레이트가 함유된 전해질 내 황화리튬의 용해도를 결정하기 위해, 황화리튬의 포화 용액을 다음과 같이 제조하였다:To determine the solubility of lithium sulfide in an electrolyte containing lithium n-dodecylpolythiolate, a saturated solution of lithium sulfide was prepared as follows:
1,3-디옥솔란 중의 리튬 n-도데실폴리티올레이트의 0.4M 용액을 실시예 10에 기재된 절차에 따라 제조하였다. 이어서 용액을 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르를 사용하여 0.2M로 희석한 다음, 1:1 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르:1,3-디옥솔란 중의 1M LiTFSI 용액에 첨가하였다(1:1 = v/v). 생성된 용액에, 포화 혼합물이 수득될 때까지 황화리튬을 첨가하였다. 이어서 혼합물을 여과하고, ICP-MS(Agilent 7700x ICP-MS)를 사용하여 여액을 용해된 리튬에 대해 분석하였다. 황화리튬의 용해도를 리튬 수준에 근거하여 산출하였다. 1:1 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르:1,3-디옥솔란 중의 0.1M 리튬 n-도데실폴리티올레이트가 함유된 0.5M LiTFSI에서의 황화리튬의 용해도는 0.33중량%인 것으로 판정되었다. 반면, 리튬 n-도데실폴리티올레이트가 함유되지 않은 경우, 0.5M LiTFSI에서의 황화리튬의 용해도는 단지 0.13중량%일 뿐이었다. 이는, 본 발명의 유기황이 존재하면 배터리의 전해질 매트릭스에서의 Li2S의 용해도가 향상됨을 명백하게 입증하였다.A 0.4M solution of lithium n-dodecylpolythiolate in 1,3-dioxolane was prepared according to the procedure described in Example 10. The solution was then diluted to 0.2M with tetraethylene glycol dimethylether and then added to a 1M LiTFSI solution in 1:1 tetraethylene glycol dimethylether:1,3-dioxolane (1:1 = v/v). To the resulting solution, lithium sulfide was added until a saturated mixture was obtained. The mixture was then filtered and the filtrate was analyzed for dissolved lithium using ICP-MS (Agilent 7700x ICP-MS). The solubility of lithium sulfide was calculated based on the lithium level. The solubility of lithium sulfide in 0.5 M LiTFSI containing 0.1 M lithium n-dodecylpolythiolate in 1:1 tetraethylene glycol dimethyl ether:1,3-dioxolane was determined to be 0.33% by weight. On the other hand, when lithium n-dodecylpolythiolate was not contained, the solubility of lithium sulfide in 0.5M LiTFSI was only 0.13% by weight. This clearly demonstrated that the presence of the organic sulfur of the present invention improves the solubility of Li 2 S in the electrolyte matrix of the battery.
실시예 14 - 유기황 화학종-처리된 애노드 함유 배터리의 제조Example 14 - Preparation of batteries containing organosulfur species-treated anodes
본 실시예는 본 발명의 하나의 측면에 따라 유기황 화학종을 함유하는 전해질에 노출된 애노드가 구비된 배터리 셀의 제조를 설명한다. 황 원소를 전도성 탄소 및 (결합제로서의) 폴리에틸렌과 75:20:5의 질량비(황:탄소:폴리에틸렌)로 합하고 볼 밀링(ball mill)하여, 클로로포름 함유 슬러리로 만들었다. 이어서, 슬러리를 탄소 코팅된 알루미늄 호일 상에 블레이드 캐스트(blade-cast)하고 공기 건조시켜 약 0.5mg/㎠의 황 부하량을 얻었다. 이어서, 생성된 캐소드를 아르곤 충전된 글로브 박스 내에서 폴리프로필렌 분리막과 리튬 호일 애노드가 구비된 CR2032 코인 셀로 조립하였다. 사용된 전해질 각각은 0.38M 리튬 비스(트리플루오로메탄)설폰아미드 및 0.38M 질산리튬을 1,3-디옥솔란과 1,2-디메톡시에탄의 1:1 v/v 혼합물 중에 함유하였다. (본 발명에 따르는) 하나의 전해질은 100mM 3,6-디옥사옥탄-1,8-디티올 디-리튬 염(LiS-C2H4-O-C2H4-O-C2H4-SLi)(이에 따라 리튬 호일 애노드가 3,6-디옥사옥탄-1,8-디티올 디-리튬 염과 접촉하게 된다)을 추가로 함유하고, 나머지 전해질(캐소드)은 어떠한 유기황 화학종도 함유하지 않는다. 배터리 사이클링은 활성 황에 대해 C/2에서 배터리 테스트에서 1.7V로부터 2.6V까지, 40에서 수행되었다. 관찰된 결과를 도 2에 나타낸다.This example illustrates the fabrication of a battery cell with an anode exposed to an electrolyte containing organosulfur species in accordance with one aspect of the invention. Elemental sulfur was combined with conductive carbon and polyethylene (as a binder) in a mass ratio of 75:20:5 (sulfur:carbon:polyethylene) and ball milled to form a chloroform-containing slurry. The slurry was then blade-cast onto carbon-coated aluminum foil and air dried to obtain a sulfur loading of approximately 0.5 mg/cm2. The resulting cathode was then assembled into a CR2032 coin cell equipped with a polypropylene separator and a lithium foil anode in an argon-filled glove box. Each of the electrolytes used contained 0.38 M lithium bis(trifluoromethane)sulfonamide and 0.38 M lithium nitrate in a 1:1 v/v mixture of 1,3-dioxolane and 1,2-dimethoxyethane. One electrolyte (according to the invention) is 100mM 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol di-lithium salt (LiS—C 2 H 4 -OC 2 H 4 -OC 2 H 4 -SLi)( The lithium foil anode is thus brought into contact with 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol di-lithium salt) and the remaining electrolyte (cathode) does not contain any organosulfur species. Battery cycling was performed at 40°C, from 1.7V to 2.6V in the battery test at C/2 for active sulfur. The observed results are shown in Figure 2.
Claims (25)
여기서, 각각의 R3은 독립적으로 H이거나, 선형, 분지형, 또는 환형 지방족 또는 방향족일 수 있으며 N, O, P, S, Se, Si, Sn, 할로겐 및/또는 금속을 함유하는 하나 이상의 관능 그룹을 임의로 포함할 수 있는 C1-C20 유기 모이어티이고, o, p 및 q는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고, 각각의 Z는, 독립적으로, 선형, 분지형, 또는 환형 지방족 또는 방향족일 수 있으며 N, O, P, S, Se, Si, Sn, 할로겐 및/또는 금속을 함유하는 하나 이상의 관능 그룹을 임의로 포함할 수 있는 C1-C20 유기 모이어티; Li; Na; 4급 암모늄; 또는 4급 포스포늄이다.The anode of an electrochemical cell according to claim 1, wherein the organosulfur species is a dithioacetal or dithioketal of formula (I) or (II) or a trithio-orthocarboxylate of formula (III):
where each R 3 may independently be H, or may be linear, branched, or cyclic aliphatic or aromatic and may contain one or more functionalities containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal. is a C 1 -C 20 organic moiety which may optionally contain the group, o, p and q are each independently an integer of 1 or more, and each Z is independently linear, branched, or cyclic aliphatic or aromatic. C 1 -C 20 organic moieties, which may optionally include one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogens and/or metals; Li; Na; quaternary ammonium; or quaternary phosphonium.
여기서, 하나 이상의 위치에서 수소 이외의 치환체로 임의로 치환된 방향족 환을 갖는 화학식 (IV)에서, R4는 독립적으로 tert-부틸 또는 tert-아밀이고, R5는 독립적으로 OH, OLi 또는 ONa이고, r은 0 이상이고, 화학식 (VI)에서 R6은 2가 유기 모이어티이고, 화학식 (VII)에서 R7은 2가 유기 모이어티이고, 각각의 Z는 독립적으로 C1-C20 유기 모이어티, Li, Na 또는 4급 암모늄이고, o 및 p는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이다.2. The method of claim 1, wherein the organosulfur species is an aromatic polysulfide of formula (IV), a polyether-polysulfide of formula (V), a polysulfide-acid salt of formula (VI), or a polysulfide of formula (VII) Sulfide-acid salt, anode of electrochemical cell:
wherein in formula (IV) having an aromatic ring optionally substituted at one or more positions with a substituent other than hydrogen, R 4 is independently tert-butyl or tert-amyl, R 5 is independently OH, OLi or ONa, r is at least 0, in formula (VI) R 6 is a divalent organic moiety, in formula (VII) R 7 is a divalent organic moiety, and each Z is independently a C 1 -C 20 organic moiety , Li, Na or quaternary ammonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more.
여기서, Z는 C1-C20 유기 모이어티, Na, Li, 4급 암모늄 또는 4급 포스포늄이고, o 및 p는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이다.2. The method of claim 1, wherein the organosulfur species is an organic- or organo-metallic polysulfide containing a trithiocarbonate functionality of formula (IX), an organic- or organo-metallic polysulfide containing a dithiocarbonate functionality of formula (X). Anode of an electrochemical cell, which is a metal polysulfide, or an organic- or organo-metal polysulfide containing a monothiocarbonate function of formula (XI):
Here, Z is a C 1 -C 20 organic moiety, Na, Li, quaternary ammonium or quaternary phosphonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more.
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