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KR102739920B1 - Polymeric electrolyte composition and polymeric solid electrolyte prepared from the same, and lithium secondary battery comprising the polymeric solid electrolyte - Google Patents

Polymeric electrolyte composition and polymeric solid electrolyte prepared from the same, and lithium secondary battery comprising the polymeric solid electrolyte Download PDF

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KR102739920B1
KR102739920B1 KR1020200116582A KR20200116582A KR102739920B1 KR 102739920 B1 KR102739920 B1 KR 102739920B1 KR 1020200116582 A KR1020200116582 A KR 1020200116582A KR 20200116582 A KR20200116582 A KR 20200116582A KR 102739920 B1 KR102739920 B1 KR 102739920B1
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Abstract

본 발명은, 입자가 균일하고 점도가 낮으며 이온 전도도 및 수명 특성이 우수한 고분자계 고체 전해질을 제조할 수 있는 고분자 전해질 조성물, 이로부터 제조되는 고분자계 고체 전해질 및 그 제조 방법, 및 이 고분자계 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte composition capable of producing a polymer solid electrolyte having uniform particles, low viscosity, and excellent ionic conductivity and lifespan characteristics, a polymer solid electrolyte produced therefrom and a method for producing the same, and a lithium secondary battery including the polymer solid electrolyte.

Description

고분자 전해질 조성물 및 이로부터 제조되는 고분자계 고체 전해질, 및 이 고분자계 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지{Polymeric electrolyte composition and polymeric solid electrolyte prepared from the same, and lithium secondary battery comprising the polymeric solid electrolyte}Polymeric electrolyte composition and polymeric solid electrolyte prepared from the same, and lithium secondary battery comprising the polymeric solid electrolyte

본 발명은, 입자가 균일하고 점도가 낮으며 이온 전도도 및 수명 특성이 우수한 고분자계 고체 전해질을 제조할 수 있는 고분자 전해질 조성물, 이로부터 제조되는 고분자계 고체 전해질 및 그 제조 방법, 및 이 고분자계 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte composition capable of producing a polymer solid electrolyte having uniform particles, low viscosity, and excellent ionic conductivity and lifespan characteristics, a polymer solid electrolyte produced therefrom and a method for producing the same, and a lithium secondary battery including the polymer solid electrolyte.

리튬 이차 전지는 큰 전기화학 용량, 높은 작동 전위 및 우수한 충방전 사이클 특성을 갖기 때문에 휴대용 정보 단말기, 휴대용 전자 기기, 가정용 소형 전력 저장 장치, 모터사이클, 전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차 등의 용도로 수요가 증가하고 있다. 이와 같은 용도의 확산에 따라 리튬 이차 전지의 안전성 향상 및 고성능화가 요구되고 있다.Lithium secondary batteries have a large electrochemical capacity, high operating potential, and excellent charge/discharge cycle characteristics, and are therefore increasingly in demand for portable information terminals, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles. As these applications expand, there is a demand for improved safety and higher performance of lithium secondary batteries.

리튬 이차 전지는 일반적으로 리튬 이온을 삽입/방출할 수 있는 전극 활물질을 포함하는 양극과 음극, 및 리튬 이온의 전달 매질인 전해질을 이용하여 제조될 수 있다. 종래에는 상기 전해질로서 액체 상태의 전해질, 특히 비수계 유기 용매에 염을 용해시킨 상태인 이온 전도성 유기 액체 전해질이 주로 사용되어 왔다. 그러나 이러한 액체 전해질은 작동 중에 누액될 염려가 있고, 사용하는 비수계 유기 용매의 높은 인화성으로 인해 발화 및 폭발 등이 유발되는 문제점이 야기되고 있다. 더욱이, 액체 전해질은, 리튬 이차 전지의 충방전 시 카보네이트계 유기 용매의 분해 또는 전극과의 부반응으로 인하여 전지 내부에서 가스를 발생시킬 수 있으며, 이러한 분해 반응 또는 부반응은 고온에서 더욱 가속화되어 가스 발생량을 증가시킬 수 있다.Lithium secondary batteries can generally be manufactured using a positive electrode and a negative electrode including electrode active materials capable of inserting/releasing lithium ions, and an electrolyte which is a medium for transferring lithium ions. Conventionally, a liquid electrolyte, particularly an ion-conductive organic liquid electrolyte in which a salt is dissolved in a non-aqueous organic solvent, has been mainly used as the electrolyte. However, such liquid electrolytes have concerns of leakage during operation, and there are problems such as ignition and explosion due to the high flammability of the non-aqueous organic solvent used. Furthermore, the liquid electrolyte can generate gas inside the battery due to the decomposition of the carbonate-based organic solvent or a side reaction with the electrode during charging and discharging of the lithium secondary battery, and such decomposition reaction or side reaction can be further accelerated at high temperatures, which can increase the amount of gas generated.

이와 같이 지속적으로 발생된 가스는 전지의 내압 증가를 유발시켜 전지의 두께를 팽창시키는 등 전지의 변형을 초래할 뿐만 아니라, 전지 내 전극면에서 밀착성의 국부적인 차이점을 발생시켜 전극 반응이 전체 전극면에서 동일하게 일어나지 못하는 문제를 야기할 수 있다.Gases continuously generated in this way can cause an increase in the internal pressure of the battery, which can cause deformation of the battery, such as expansion of the thickness of the battery, and can also cause local differences in adhesion at the electrode surface within the battery, which can cause the electrode reaction not to occur equally across the entire electrode surface.

이에, 최근 상기 액체 상태의 전해질의 안정성 문제를 극복하기 위하여, 누액 등의 염려가 없는 고체 전해질을 사용하는 방법이 제안되고 있다. 이러한 고체 전해질의 일 예로서, 가교 반응에 의해 형성된 고분자 매트릭스에 전해질 염 및 비수계 유기 용매를 포함하는 전해액을 함침시킨 후 겔화하여 제조되는 고분자계 고체 전해질이 제안된 바 있다(한국특허공개공보 제10-2000-0003090호).Accordingly, in order to overcome the stability problem of the liquid electrolyte, a method using a solid electrolyte without concerns about leakage, etc. has been proposed recently. As an example of such a solid electrolyte, a polymer-based solid electrolyte has been proposed that is manufactured by impregnating a polymer matrix formed by a crosslinking reaction with an electrolyte solution containing an electrolyte salt and a non-aqueous organic solvent, and then gelling the polymer matrix (Korean Patent Publication No. 10-2000-0003090).

최근까지 고분자계 고체 전해질의 성능 개선을 위주로 하는 많은 연구가 진행되어 왔고, 이에 따라 이온 전도도 및 수명 특성이 개선된 고분자계 고체 전해질이 개발되었으나(ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 1, 1099-1110), 이러한 고분자계 고체 전해질 조성물은 점도가 너무 높아 이러한 조성물을 이용할 경우 입자가 균일하게 분산되도록 고분자계 고체 전해질을 제조하기 어렵고, 고분자 매트릭스 형성 후 전해액을 함침시키는 과정으로 인하여 고분자계 고체 전해질을 제조하는데 걸리는 시간이 길어지는 등 생산성 및 양산성이 저하된다는 단점이 있다. Until recently, many studies have been conducted focusing on improving the performance of polymer-based solid electrolytes, and polymer-based solid electrolytes with improved ionic conductivity and life characteristics have been developed ( ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 1, 1099-1110). However, these polymer-based solid electrolyte compositions have too high a viscosity, making it difficult to manufacture a polymer-based solid electrolyte so that the particles are uniformly dispersed when using these compositions. In addition, the process of impregnating the electrolyte after forming the polymer matrix increases the time required to manufacture the polymer-based solid electrolyte, which reduces productivity and mass production.

따라서, 입자가 균일하게 분포하고 전해질 특성이 우수하게 유지되면서도, 생산성/양산성 확보가 가능한 고분자 전해질 조성물 및 이를 이용한 고분자계 고체 전해질 제조방법에 대한 개발이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for the development of a polymer electrolyte composition capable of ensuring productivity/mass production while maintaining uniform particle distribution and excellent electrolyte properties, and a method for manufacturing a polymer-based solid electrolyte using the same.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 고분자 전해질 조성물 내의 입자 균일도를 향상시키고, 전해질의 특성을 우수하게 유지하면서도 고분자계 고체 전해질의 제조 중에 건조 공정에 소요되는 시간을 단축시켜 생산성 및 양산성을 향상시킬 수 있는, 고분자 전해질 조성물, 이로부터 제조되는 고분자계 고체 전해질 및 이의 제조 방법, 및 이 고분자계 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하고자 한다.The present invention aims to solve the problems of the prior art described above, and to provide a polymer electrolyte composition capable of improving particle uniformity in a polymer electrolyte composition, maintaining excellent electrolyte properties while shortening the time required for a drying process during the production of a polymer-based solid electrolyte, thereby improving productivity and mass production, a polymer-based solid electrolyte produced therefrom and a production method therefor, and a lithium secondary battery including the polymer-based solid electrolyte.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 고분자 전해질 조성물로서, 고분자 수지; 리튬 염; 카보네이트계 화합물 및 니트릴계 화합물을 포함하는 전해질 성분; 무기 입자; 및 유기 용매;를 포함하며, 여기서, 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부를 기준으로, 상기 고분자 수지의 함량이 2.1 내지 7.5 중량부이고, 상기 리튬 염의 함량이 2.1 내지 7.5 중량부이며, 상기 무기 입자의 함량이 0.1 내지 5.1 중량부이고, 상기 전해질 성분 내의 상기 카보네이트계 화합물 중의 카보닐기(-C(=O)-) 1몰 당 상기 니트릴계 화합물 중의 니트릴기(-C≡N) 몰비가 0.38 내지 2.30인, 고분자 전해질 조성물을 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a polymer electrolyte composition comprising: a polymer resin; a lithium salt; an electrolyte component including a carbonate-based compound and a nitrile-based compound; inorganic particles; and an organic solvent; wherein, based on 100 parts by weight of the total polymer electrolyte composition, the content of the polymer resin is 2.1 to 7.5 parts by weight, the content of the lithium salt is 2.1 to 7.5 parts by weight, the content of the inorganic particles is 0.1 to 5.1 parts by weight, and a molar ratio of nitrile groups (-C≡N) in the nitrile-based compound per 1 mol of carbonyl groups (-C(=O)-) in the carbonate-based compound in the electrolyte component is 0.38 to 2.30.

본 발명의 다른 측면은, (1) 기재 상에 본 발명에 따른 고분자 전해질 조성물을 코팅하는 단계; 및 (2) 상기 코팅된 고분자 전해질 조성물을 건조시키는 단계;를 포함하는, 고분자계 고체 전해질의 제조 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for producing a polymer-based solid electrolyte, comprising: (1) a step of coating a polymer electrolyte composition according to the present invention on a substrate; and (2) a step of drying the coated polymer electrolyte composition.

본 발명의 또 다른 측면은, 본 발명에 따른 고분자계 고체 전해질의 제조 방법으로 제조된 고분자계 고체 전해질을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a polymer-based solid electrolyte manufactured by a method for manufacturing a polymer-based solid electrolyte according to the present invention.

본 발명의 또 다른 측면은, 본 발명에 따른 고분자계 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a lithium secondary battery comprising a polymer-based solid electrolyte according to the present invention.

본 발명에 따른 고분자 전해질 조성물은 원하는 두께 수준의 고체 전해질 막을 형성할 수 있으며, 조성물의 점도를 적절하게 낮추어 조성물 내에서 무기 입자의 분산이 용이하게 이루어지도록 함으로써 추가적인 볼밀 공정을 수행하지 않고서도 조성물 내의 입자 균일도를 향상시켜 인장 강도 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.The polymer electrolyte composition according to the present invention can form a solid electrolyte film having a desired thickness level, and by appropriately lowering the viscosity of the composition to facilitate dispersion of inorganic particles within the composition, the uniformity of particles within the composition can be improved without performing an additional ball milling process, thereby improving mechanical properties such as tensile strength.

또한 본 발명에 따른 고분자계 고체 전해질의 제조 방법에 의하면, 종래의 고분자계 고체 전해질의 제조 방법(예컨대, 한국특허공개공보 제10-2000-0003090호 및 ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 1, 1099-1110)과 달리, 진공 건조 후에 전해액을 함침시키는 방식 대신 전해액 함침 없이 단순 건조 공정만으로 고분자계 고체 전해질을 제조할 수 있고, 원재료의 손실량을 최소화할 수 있으며, 전해질의 우수한 성능의 재현성을 높일 수 있다. In addition, according to the method for manufacturing a polymer-based solid electrolyte according to the present invention, unlike conventional methods for manufacturing a polymer-based solid electrolyte (e.g., Korean Patent Publication No. 10-2000-0003090 and ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 1, 1099-1110), a polymer-based solid electrolyte can be manufactured only by a simple drying process without impregnation of an electrolyte solution instead of impregnating an electrolyte solution after vacuum drying, thereby minimizing the loss of raw materials and increasing the reproducibility of the excellent performance of the electrolyte.

또한 본 발명에 따른 고분자계 고체 전해질의 제조 방법에 있어서, 건조 단계를 진공 건조 방식 대신 열 건조 방식으로 수행할 경우에는 롤 투 롤(roll to roll) 방식으로 연속 공정이 가능해져 고분자계 고체 전해질의 제조 시간을 단축할 수 있어 생산성/양산성을 향상시킬 수 있다.In addition, in the method for manufacturing a polymer-based solid electrolyte according to the present invention, if the drying step is performed by a thermal drying method instead of a vacuum drying method, a continuous process in a roll-to-roll manner is possible, thereby shortening the manufacturing time of the polymer-based solid electrolyte and improving productivity/mass production.

또한 본 발명에 따라 제조된 고분자계 고체 전해질은 종래의 제조 방법으로 제조된 고분자계 고체 전해질에 비해 이온 전도도 및 용량 유지율(수명 유지율)을 향상시킬 수 있다.In addition, the polymer solid electrolyte manufactured according to the present invention can improve ionic conductivity and capacity retention rate (life retention rate) compared to the polymer solid electrolyte manufactured by a conventional manufacturing method.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 고분자 전해질 조성물은, 고분자 수지; 리튬 염; 카보네이트계 화합물 및 니트릴계 화합물을 포함하는 전해질 성분; 무기 입자; 및 유기 용매;를 포함하며, 여기서, 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부를 기준으로, 상기 고분자 수지의 함량이 2.1 내지 7.5 중량부이고, 상기 리튬 염의 함량이 2.1 내지 7.5 중량부이며, 상기 무기 입자의 함량이 0.1 내지 5.1 중량부이고, 상기 전해질 성분 내의 상기 카보네이트계 화합물 중의 카보닐기(-C(=O)-) 1몰 당 상기 니트릴계 화합물 중의 니트릴기(-C≡N) 몰비가 0.38 내지 2.30이다.The polymer electrolyte composition of the present invention comprises: a polymer resin; a lithium salt; an electrolyte component including a carbonate-based compound and a nitrile-based compound; inorganic particles; and an organic solvent; wherein, based on 100 parts by weight of the total polymer electrolyte composition, the content of the polymer resin is 2.1 to 7.5 parts by weight, the content of the lithium salt is 2.1 to 7.5 parts by weight, the content of the inorganic particles is 0.1 to 5.1 parts by weight, and a molar ratio of nitrile groups (-C≡N) in the nitrile-based compound per 1 mol of carbonyl groups (-C(=O)-) in the carbonate-based compound in the electrolyte component is 0.38 to 2.30.

고분자 수지Polymer resin

본 발명의 고분자 전해질 조성물에 포함되는 고분자 수지는 고분자 전해질 막의 매트릭스를 형성하는 성분이다.The polymer resin included in the polymer electrolyte composition of the present invention is a component that forms the matrix of a polymer electrolyte membrane.

일 구체예에서, 상기 고분자 수지는, 고분자계 고체 전해질의 제조 중 건조 단계(바람직하게는 상압(대기압) 하에서의 건조 단계)에서 고분자 수지 내의 부분적인 가교 결합을 통해 고분자 전해질 막의 매트릭스를 형성함으로써 겔화시키는 역할을 수행할 수 있다. In one specific example, the polymer resin can perform a gelling function by forming a matrix of a polymer electrolyte membrane through partial cross-linking within the polymer resin during a drying step (preferably a drying step under normal pressure (atmospheric pressure)) during the production of a polymer-based solid electrolyte.

또한 일 구체예에서, 상기 고분자 수지가 고분자 수지의 주쇄 또는 말단에 전기 음성도가 큰 원자(예를 들면, 질소 원자, 산소 원자 또는 황 원자)를 함유하면, 리튬 이온과 결합하여 리튬 이온을 이동시킬 수 있으므로 이온 전도도 향상에 도움이 될 수 있다. In addition, in one specific example, if the polymer resin contains an atom with high electronegativity (e.g., a nitrogen atom, an oxygen atom, or a sulfur atom) in the main chain or terminal of the polymer resin, it can bind to lithium ions and move lithium ions, which can help improve ion conductivity.

일 구체예에서, 상기 고분자 수지는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리알킬렌 옥사이드계 고분자, 폴리아릴렌 옥사이드계 고분자, 폴리설폰계 고분자, 실록산계 고분자, 폴리아크릴레이트계 고분자 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.In one specific example, the polymer resin may be selected from the group consisting of polyacrylonitrile (PAN)-based polymers, polyimide-based polymers, polyalkylene oxide-based polymers, polyarylene oxide-based polymers, polysulfone-based polymers, siloxane-based polymers, polyacrylate-based polymers, or combinations thereof.

보다 구체적으로, 상기 폴리아크릴로니트릴계 고분자는 폴리아크릴로니트릴, 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸아크릴레이트), 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸메타크릴레이트) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있고, 상기 폴리이미드계 고분자는 폴리에테르이미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 상기 폴리알킬렌 옥사이드계 고분자는 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있고, 상기 폴리아릴렌 옥사이드계 고분자는 폴리페닐렌 옥사이드일 수 있으며, 상기 폴리설폰계 고분자는 폴리에테르설폰, 폴리설폰 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있고, 상기 실록산계 고분자는 폴리실록산일 수 있으며, 상기 폴리아크릴레이트계 고분자는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. More specifically, the polyacrylonitrile-based polymer may be selected from the group consisting of polyacrylonitrile, poly(acrylonitrile-co-methylacrylate), poly(acrylonitrile-co-methylmethacrylate), or a combination thereof, the polyimide-based polymer may be selected from the group consisting of polyetherimide, polyimide, or a combination thereof, the polyalkylene oxide-based polymer may be selected from the group consisting of polyethylene oxide, polypropylene oxide, or a combination thereof, the polyarylene oxide-based polymer may be polyphenylene oxide, the polysulfone-based polymer may be selected from the group consisting of polyethersulfone, polysulfone, or a combination thereof, the siloxane-based polymer may be polysiloxane, and the polyacrylate-based polymer may be, but is not limited to, polymethylmethacrylate (PMMA).

상기 고분자 수지의 중량평균분자량(Mw)은 매트릭스 막을 형성할 수 있는 정도라면 특별한 제한이 없으며, 구체적으로는 중량평균분자량이 5,000 내지 600,000, 보다 구체적으로는 10,000 내지 400,000, 보다 더 구체적으로는 100,000 내지 300,000일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다만, 고분자 수지의 중량평균분자량이 상기 수준보다 너무 작으면 고체 전해질 막의 물성이 열악해질 수 있다.The weight average molecular weight (Mw) of the above polymer resin is not particularly limited as long as it can form a matrix film, and specifically, the weight average molecular weight may be 5,000 to 600,000, more specifically, 10,000 to 400,000, and even more specifically, 100,000 to 300,000, but is not limited thereto. However, if the weight average molecular weight of the polymer resin is too lower than the above level, the physical properties of the solid electrolyte membrane may deteriorate.

본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내에는 상기 고분자 수지가 2.1 내지 7.5 중량부의 함량으로 포함된다. 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 고분자 수지 함량이 2.1 중량부 미만이면 고분자 전해질 막이 형성되지 않을 수 있고, 반대로 7.5 중량부를 초과하면 고분자 전해질 조성물의 점도가 급격히 높아지고 고분자 수지가 부분적으로 용해되지 않아, 그로부터 제조되는 고분자 전해질 막의 특성이 균일하지 않게 될 수 있다.The polymer electrolyte composition of the present invention contains the polymer resin in an amount of 2.1 to 7.5 parts by weight within a total of 100 parts by weight. If the polymer resin content within the total of 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition is less than 2.1 parts by weight, a polymer electrolyte membrane may not be formed, and conversely, if it exceeds 7.5 parts by weight, the viscosity of the polymer electrolyte composition rapidly increases and the polymer resin partially does not dissolve, so that the properties of a polymer electrolyte membrane manufactured therefrom may not be uniform.

일 구체예에서, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 고분자 수지 함량은, 2.1 중량부 이상, 2.3 중량부 이상, 2.5 중량부 이상, 3.0 중량부 이상, 3.5 중량부 이상 또는 4.0 중량부 이상일 수 있고, 또한 7.5 중량부 이하, 7.3 중량부 이하, 7.1 중량부 이하, 7.0 중량부 이하, 6.9 중량부 이하 또는 6.8 중량부 이하일 수 있다.In one specific example, the content of the polymer resin in the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 2.1 parts by weight or more, 2.3 parts by weight or more, 2.5 parts by weight or more, 3.0 parts by weight or more, 3.5 parts by weight or more, or 4.0 parts by weight or more, and may also be 7.5 parts by weight or less, 7.3 parts by weight or less, 7.1 parts by weight or less, 7.0 parts by weight or less, 6.9 parts by weight or less, or 6.8 parts by weight or less.

보다 구체적으로, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 고분자 수지 함량은 2.5 내지 7.1 중량부일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 3.0 내지 7.0 중량부일 수 있으며, 보다 더 구체적으로는 4.0 내지 6.8 중량부일 수 있다.More specifically, the content of the polymer resin within the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 2.5 to 7.1 parts by weight, more specifically 3.0 to 7.0 parts by weight, and even more specifically 4.0 to 6.8 parts by weight.

리튬 염Lithium salt

본 발명의 고분자 전해질 조성물에 포함되는 리튬 염은 리튬 이온을 생성시키는 역할을 수행하며, 당 업계에서 통상적으로 사용되는 리튬 염을 제한 없이 사용할 수 있다.The lithium salt included in the polymer electrolyte composition of the present invention plays a role in generating lithium ions, and any lithium salt commonly used in the art can be used without limitation.

일 구체예에서, 상기 리튬 염은 LiClO4, LiPF6, LiCF3SO3, LiBF4, LiAsF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiBOB, LiB(C2O4)2, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.In one specific example, the lithium salt may be selected from the group consisting of, but is not limited to, LiClO 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiBOB, LiB (C 2 O 4 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 or combinations thereof.

본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내에는 상기 리튬 염이 2.1 내지 7.5 중량부의 함량으로 포함된다. 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 리튬 염 함량이 2.1 중량부 미만이면 고분자 전해질 막이 형성되지 않을 수 있고, 상온에서 원하는 수준의 이온 전도도를 달성하지 못할 수 있으며, 반대로 7.5 중량부를 초과하면 고분자 전해질 조성물의 점도가 급격히 높아져 기재 상에 코팅하기 전에 굳을 수 있다.The polymer electrolyte composition of the present invention contains the lithium salt in an amount of 2.1 to 7.5 parts by weight within a total of 100 parts by weight. If the lithium salt content within the total of 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition is less than 2.1 parts by weight, the polymer electrolyte membrane may not be formed and the desired level of ionic conductivity may not be achieved at room temperature. On the other hand, if it exceeds 7.5 parts by weight, the viscosity of the polymer electrolyte composition rapidly increases and the composition may harden before being coated on a substrate.

일 구체예에서, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 리튬 염 함량은, 2.1 중량부 이상, 2.3 중량부 이상, 2.5 중량부 이상, 3.0 중량부 이상, 3.5 중량부 이상 또는 4.0 중량부 이상일 수 있고, 또한 7.5 중량부 이하, 7.3 중량부 이하, 7.1 중량부 이하, 7.0 중량부 이하, 6.9 중량부 이하 또는 6.8 중량부 이하일 수 있다.In one specific example, the lithium salt content in the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 2.1 parts by weight or more, 2.3 parts by weight or more, 2.5 parts by weight or more, 3.0 parts by weight or more, 3.5 parts by weight or more, or 4.0 parts by weight or more, and may also be 7.5 parts by weight or less, 7.3 parts by weight or less, 7.1 parts by weight or less, 7.0 parts by weight or less, 6.9 parts by weight or less, or 6.8 parts by weight or less.

보다 구체적으로, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 리튬 염 함량은 2.5 내지 7.1 중량부일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 3.0 내지 7.0 중량부일 수 있으며, 보다 더 구체적으로는 4.0 내지 6.8 중량부일 수 있다.More specifically, the lithium salt content within the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 2.5 to 7.1 parts by weight, even more specifically 3.0 to 7.0 parts by weight, and even more specifically 4.0 to 6.8 parts by weight.

전해질 성분Electrolyte components

본 발명의 고분자 전해질 조성물에 포함되는 전해질 성분은, 고분자 전해질 조성물 내에서 리튬 염을 용해시키고, 리튬 이온 주변에 4~6개의 전해질 성분 입자가 결합하여 리튬 이온을 이동시킬 수 있으므로 이온 전도도 향상에 도움을 준다. 또한 전해질 성분은 고분자 전해질 조성물 내에서 고분자 수지의 응집력을 감소시키고, 고분자 전해질 조성물의 용융 점도를 저하시켜 고분자 전해질 조성물을 기재에 코팅할 때 코팅이 용이하도록 한다.The electrolyte component included in the polymer electrolyte composition of the present invention helps improve ion conductivity by dissolving a lithium salt in the polymer electrolyte composition and allowing 4 to 6 electrolyte component particles to bind around lithium ions to move lithium ions. In addition, the electrolyte component reduces the cohesion of the polymer resin in the polymer electrolyte composition and lowers the melt viscosity of the polymer electrolyte composition, thereby facilitating coating when coating the polymer electrolyte composition on a substrate.

일 구체예에서, 상기 전해질 성분은 발화 안정성을 확보하기 위하여 종래의 액체 전해질보다 높은 인화점 및/또는 끓는점을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질 성분의 인화점은 100℃ 이상일 수 있고, 보다 구체적으로는 110℃ 이상일 수 있다. In one specific embodiment, the electrolyte component may have a higher flash point and/or boiling point than conventional liquid electrolytes to ensure ignition stability. For example, the flash point of the electrolyte component may be 100°C or higher, and more specifically, 110°C or higher.

본 발명의 고분자 전해질 조성물에 포함되는 전해질 성분은 카보네이트계 화합물 및 니트릴계 화합물을 포함한다.The electrolyte component included in the polymer electrolyte composition of the present invention includes a carbonate-based compound and a nitrile-based compound.

일 구체예에서, 상기 카보네이트계 화합물은 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.In one specific embodiment, the carbonate compound may be selected from the group consisting of, but not limited to, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, or combinations thereof.

일 구체예에서, 상기 니트릴계 화합물은 석시노니트릴(SN), 글루타로니트릴(GN), 아디포니트릴(AN) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.In one specific example, the nitrile compound may be selected from the group consisting of, but is not limited to, succinonitrile (SN), glutaronitrile (GN), adiponitrile (AN) or a combination thereof.

상기 카보네이트계 화합물 중에 포함된 카보닐기(-C(=O)-)는 안정된 산화/환원 능력을 지니고 있어 산화 및 환원 과정에서 리튬 이온의 삽입 및 제거를 실현할 수 있으며, 방전 시에 하나의 리튬 이온을 받아들여 리튬 배위 화합물이 생성되면서 환원될 수 있다. 상기 환원 반응은 빠른 반응 속도를 가지기 때문에 카보네이트계 화합물은 전기화학적 반응의 가역성이 높다. 이에 따라 카보네이트계 화합물은 리튬 이온과 결합하여 이동한 후 리튬 이온의 해리가 가능하고, 상기 리튬 이온과의 결합과 해리를 반복하면서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 해준다. The carbonyl group (-C(=O)-) included in the above carbonate compounds has a stable oxidation/reduction ability, and thus can realize insertion and removal of lithium ions during the oxidation and reduction processes, and can be reduced by accepting one lithium ion during discharge and generating a lithium coordination compound. Since the reduction reaction has a fast reaction rate, the carbonate compounds have high reversibility of electrochemical reactions. Accordingly, the carbonate compounds can combine with and move lithium ions, and then dissociate lithium ions, and by repeating the combination and dissociation with the lithium ions, they allow the lithium ions to move between the positive and negative electrodes.

또한 상기 니트릴계 화합물 중의 니트릴기(-C≡N)는 높은 유전 상수를 가지면서, 리튬 이온과의 상호 작용으로 전해질의 산화 전위를 높일 수 있도록 할 수 있다.In addition, the nitrile group (-C≡N) in the above nitrile compound has a high dielectric constant and can increase the oxidation potential of the electrolyte through interaction with lithium ions.

본 발명의 고분자 전해질 조성물에 있어서, 상기 전해질 성분 내의 카보네이트계 화합물 중의 카보닐기(-C(=O)-) 1몰 당 니트릴계 화합물 중의 니트릴기(-C≡N) 몰비는 0.38 내지 2.30이다. 카보네이트계 화합물 중의 카보닐기(-C(=O)-) 1몰 당 니트릴계 화합물 중의 니트릴기(-C≡N) 몰비가 0.38 미만이면 전해질의 산화 전위가 낮아질 수 있고, 반대로 2.30을 초과하면 고분자 수지의 용해도를 저하시킬 수 있다.In the polymer electrolyte composition of the present invention, the molar ratio of the nitrile group (-C≡N) in the nitrile compound per 1 mol of the carbonyl group (-C(=O)-) in the carbonate compound in the electrolyte component is 0.38 to 2.30. If the molar ratio of the nitrile group (-C≡N) in the nitrile compound per 1 mol of the carbonyl group (-C(=O)-) in the carbonate compound is less than 0.38, the oxidation potential of the electrolyte may be lowered, and conversely, if it exceeds 2.30, the solubility of the polymer resin may be reduced.

일 구체예에서, 상기 전해질 성분 내의 카보네이트계 화합물 중의 카보닐기(-C(=O)-) 1몰 당 니트릴계 화합물 중의 니트릴기(-C≡N) 몰비는 0.38 이상, 0.39 이상, 0.40 이상, 0.45 이상, 0.50 이상, 0.55 이상, 0.56 이상, 0.60 이상, 0.65 이상, 0.70 이상 또는 0.80 이상일 수 있고, 또한 2.30 이하, 2.29 이하, 2.28 이하, 2.25 이하, 2.20 이하, 2.15 이하, 2.10 이하, 2.05 이하, 2.0 이하, 1.95 이하 또는 1.92 이하일 수 있다.In one specific example, the molar ratio of the nitrile group (-C≡N) in the nitrile compound per 1 mole of the carbonyl group (-C(=O)-) in the carbonate compound in the electrolyte component may be 0.38 or more, 0.39 or more, 0.40 or more, 0.45 or more, 0.50 or more, 0.55 or more, 0.56 or more, 0.60 or more, 0.65 or more, 0.70 or more, or 0.80 or more, and may also be 2.30 or less, 2.29 or less, 2.28 or less, 2.25 or less, 2.20 or less, 2.15 or less, 2.10 or less, 2.05 or less, 2.0 or less, 1.95 or less, or 1.92 or less.

보다 구체적으로, 상기 전해질 성분 내의 카보네이트계 화합물 중의 카보닐기(-C(=O)-) 1몰 당 니트릴계 화합물 중의 니트릴기(-C≡N) 몰비는 0.40 내지 2.20일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 0.60 내지 2.0일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 0.80 내지 1.95일 수 있다.More specifically, the molar ratio of the nitrile group (-C≡N) in the nitrile compound per 1 mol of the carbonyl group (-C(=O)-) in the carbonate compound in the electrolyte component may be 0.40 to 2.20, more specifically 0.60 to 2.0, and even more specifically 0.80 to 1.95.

본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 전해질 성분 함량은, 예를 들면, 5 내지 75 중량부일 수 있다. 고분자 전해질 조성물 내의 전해질 성분의 함량이 상기 수준보다 지나치게 적으면 고분자 전해질 조성물 내에서 고분자 수지의 용해가 용이하지 않고, 이를 이용하여 제조된 고분자계 고체 전해질의 이온 전도도가 저하될 수 있으며, 반대로 상기 수준보다 지나치게 많으면 상대적으로 고분자 수지의 함량이 줄어 고분자 전해질 막 형성에 어려움이 있을 수 있다.The content of the electrolyte component within 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be, for example, 5 to 75 parts by weight. If the content of the electrolyte component within the polymer electrolyte composition is too low compared to the above level, the polymer resin may not be easily dissolved within the polymer electrolyte composition, and the ion conductivity of the polymer-based solid electrolyte manufactured using the same may be reduced. On the other hand, if the content is too high compared to the above level, the content of the polymer resin may be relatively reduced, making it difficult to form a polymer electrolyte membrane.

일 구체예에서, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 전해질 성분 함량은 5 중량부 이상, 10 중량부 이상, 13 중량부 이상, 15 중량부 이상, 18 중량부 이상, 20 중량부 이상, 23 중량부 이상, 25 중량부 이상, 28 중량부 이상 또는 30 중량부 이상일 수 있고, 또한 75 중량부 이하, 70 중량부 이하, 65 중량부 이하, 60 중량부 이하, 55 중량부 이하 또는 50 중량부 이하일 수 있다.In one specific embodiment, the content of the electrolyte component within the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 5 parts by weight or more, 10 parts by weight or more, 13 parts by weight or more, 15 parts by weight or more, 18 parts by weight or more, 20 parts by weight or more, 23 parts by weight or more, 25 parts by weight or more, 28 parts by weight or more, or 30 parts by weight or more, and may also be 75 parts by weight or less, 70 parts by weight or less, 65 parts by weight or less, 60 parts by weight or less, 55 parts by weight or less, or 50 parts by weight or less.

보다 구체적으로, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 전해질 성분 함량은 18 내지 60 중량부일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 20.1 내지 58.9 중량부일 수 있으며, 보다 더 구체적으로는 23 내지 55 중량부일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 28 내지 50 중량부일 수 있다.More specifically, the content of the electrolyte component within the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 18 to 60 parts by weight, even more specifically 20.1 to 58.9 parts by weight, even more specifically 23 to 55 parts by weight, and even more specifically 28 to 50 parts by weight.

무기 입자Weapon particles

본 발명의 고분자 전해질 조성물에 포함되는 무기 입자는, 고분자계 고체 전해질 막에서 리튬 염의 해리와 이동에 도움을 줄 수 있어 이온 전도도를 더욱 향상시킬 수 있다. The inorganic particles included in the polymer electrolyte composition of the present invention can assist in the dissociation and movement of lithium salts in a polymer-based solid electrolyte membrane, thereby further improving ion conductivity.

상기 무기 입자로는 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 예를 들면, 금속 산화물 입자가 사용될 수 있다. Any inorganic particle that can improve ion conductivity may be used without limitation, and for example, metal oxide particles may be used.

일 구체예에서, 상기 금속 산화물 입자는 SiO2, TiO2, Al2O3, BaTiO3 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.In one specific example, the metal oxide particles may be selected from the group consisting of SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , BaTiO 3 or a combination thereof, but are not limited thereto.

일 구체예에서, 상기 무기 입자의 평균 입자 크기는 10 내지 500 nm일 수 있고, 보다 구체적으로는 10 내지 100 nm, 보다 더 구체적으로는 10 내지 50 nm일 수 있다. 무기 입자의 평균 입자가 상기 수준보다 지나치게 작으면 무기 입자 상호 간의 인력으로 인해 응집 현상이 심하게 나타날 수 있어 분산이 용이하지 않을 수 있고, 반대로 상기 수준보다 지나치게 크면 리튬 이온의 전달 경로가 길어져 이온 전도도가 낮아질 우려가 있다.In one specific example, the average particle size of the inorganic particles may be 10 to 500 nm, more specifically 10 to 100 nm, and even more specifically 10 to 50 nm. If the average particle size of the inorganic particles is excessively smaller than the above level, the inorganic particles may exhibit severe agglomeration due to mutual attraction, making dispersion difficult. On the other hand, if the average particle size is excessively larger than the above level, the lithium ion transfer path may become longer, which may lower the ion conductivity.

본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내에는 상기 무기 입자가 0.1 내지 5.1 중량부의 함량으로 포함된다. 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 무기 입자 함량이 0.1 중량부 미만이면 무기 입자로 인한 상기 효과가 얻어지지 않을 수 있고, 반대로 5.1 중량부를 초과하면 오히려 이온 전도도가 저하되고, 고분자 전해질 막의 형성이 어려울 수 있다.The polymer electrolyte composition of the present invention contains the inorganic particles in an amount of 0.1 to 5.1 parts by weight within a total of 100 parts by weight. If the inorganic particle content within the total of 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition is less than 0.1 parts by weight, the above-described effect due to the inorganic particles may not be obtained, and conversely, if it exceeds 5.1 parts by weight, the ion conductivity may decrease and formation of a polymer electrolyte membrane may be difficult.

일 구체예에서, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 무기 입자 함량은, 0.1 중량부 이상, 0.2 중량부 이상, 0.3 중량부 이상, 0.40 중량부 이상, 0.5 중량부 이상 또는 1.0 중량부 이상일 수 있고, 또한 5.1 중량부 이하, 5.0 중량부 이하, 4.9 중량부 이하, 4.8 중량부 이하, 4.5 중량부 이하 또는 4.0 중량부 이하일 수 있다.In one specific embodiment, the content of the inorganic particles in the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 0.1 parts by weight or more, 0.2 parts by weight or more, 0.3 parts by weight or more, 0.40 parts by weight or more, 0.5 parts by weight or more, or 1.0 parts by weight or more, and may also be 5.1 parts by weight or less, 5.0 parts by weight or less, 4.9 parts by weight or less, 4.8 parts by weight or less, 4.5 parts by weight or less, or 4.0 parts by weight or less.

보다 구체적으로, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 무기 입자 함량은 0.3 내지 5.0 중량부일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 0.5 내지 4.8 중량부일 수 있다.More specifically, the content of the inorganic particles within 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 0.3 to 5.0 parts by weight, and even more specifically, 0.5 to 4.8 parts by weight.

유기 용매Organic solvent

본 발명의 고분자 전해질 조성물에 포함되는 유기 용매는, 본 발명의 고분자 전해질 조성물을 이용한 고분자계 고체 전해질의 제조 방법에서 공정을 개선시키기 위한 공정 보조제로서 사용되며, 휘발성이 있어 공정 이후에는 제거가 용이한 성분이다.The organic solvent included in the polymer electrolyte composition of the present invention is used as a process aid for improving the process in a method for producing a polymer-based solid electrolyte using the polymer electrolyte composition of the present invention, and is a volatile component that is easy to remove after the process.

상기 유기 용매로는 앞서 설명한 전해질 성분보다 끓는점이 낮으면서 휘발성이 있는 용매가 바람직하게 사용될 수 있다.As the organic solvent, a solvent having a lower boiling point and greater volatility than the electrolyte component described above can be preferably used.

일 구체예에서, 상기 유기 용매는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.In one specific embodiment, the organic solvent may be selected from the group consisting of, but is not limited to, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), or a combination thereof.

상기 유기 용매는 후술하는 고분자계 고체 전해질의 제조 과정에서 휘발되어 제거되기 때문에, 고분자 전해질 조성물 내의 그 함량에는 특별한 제한이 없으며, 기재 상에 원활하게 코팅될 수 있는 수준의 점도를 고분자 전해질 조성물에 부여할 수 있는 함량이면 족하다.Since the organic solvent is removed by volatilization during the manufacturing process of the polymer-based solid electrolyte described below, there is no particular limitation on its content in the polymer electrolyte composition, and a content that can provide the polymer electrolyte composition with a viscosity at a level that enables it to be smoothly coated on a substrate is sufficient.

일 구체예에서, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 유기 용매 함량은, 예를 들면, 5 내지 75 중량부일 수 있다. 고분자 전해질 조성물 내의 유기 용매의 함량이 상기 수준보다 지나치게 적으면 고분자 전해질 조성물의 점도가 너무 높아져 기재 상의 코팅이 어려울 수 있고, 반대로 상기 수준보다 지나치게 많으면 고분자 전해질 막이 적절하게 형성되지 않을 수 있다.In one specific example, the content of the organic solvent in the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be, for example, 5 to 75 parts by weight. If the content of the organic solvent in the polymer electrolyte composition is too low compared to the above level, the viscosity of the polymer electrolyte composition may become too high, making it difficult to coat the substrate, and conversely, if it is too high compared to the above level, the polymer electrolyte membrane may not be formed properly.

일 구체예에서, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 유기 용매 함량은 5 중량부 이상, 10 중량부 이상, 13 중량부 이상, 15 중량부 이상, 18 중량부 이상, 20 중량부 이상, 23 중량부 이상, 25 중량부 이상, 28 중량부 이상 또는 30 중량부 이상일 수 있고, 또한 75 중량부 이하, 70 중량부 이하, 65 중량부 이하, 60 중량부 이하, 55 중량부 이하 또는 50 중량부 이하일 수 있다.In one specific embodiment, the organic solvent content within the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 5 parts by weight or more, 10 parts by weight or more, 13 parts by weight or more, 15 parts by weight or more, 18 parts by weight or more, 20 parts by weight or more, 23 parts by weight or more, 25 parts by weight or more, 28 parts by weight or more, or 30 parts by weight or more, and may also be 75 parts by weight or less, 70 parts by weight or less, 65 parts by weight or less, 60 parts by weight or less, 55 parts by weight or less, or 50 parts by weight or less.

보다 구체적으로, 본 발명의 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부 내의 상기 유기 용매 함량은 10 내지 75 중량부일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 20 내지 74.5 중량부일 수 있으며, 보다 더 구체적으로는 24.3 내지 74.2 중량부일 수 있다.More specifically, the content of the organic solvent within the total 100 parts by weight of the polymer electrolyte composition of the present invention may be 10 to 75 parts by weight, even more specifically 20 to 74.5 parts by weight, and even more specifically 24.3 to 74.2 parts by weight.

본 발명의 고분자 전해질 조성물은, 상기 설명한 성분들 이외에, 전해질 조성물(보다 구체적으로는, 리튬 이차 전지용 전해질 조성물)에 통상 사용되는 추가의 성분들을 더 포함할 수 있다.The polymer electrolyte composition of the present invention may further include, in addition to the components described above, additional components commonly used in electrolyte compositions (more specifically, electrolyte compositions for lithium secondary batteries).

일 구체예에서, 본 발명의 고분자 전해질 조성물은, 전술한 전해질 성분 및 유기 용매에 전술한 리튬 염을 용해시킨 용액을 제조하는 단계; 상기 용액에 전술한 고분자 수지를 용해시키는 단계; 및 상기 고분자 수지를 용해시킨 용액에 전술한 무기 입자를 분산시키는 단계;를 포함하는 방법에 의해 제조된 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.In one specific example, the polymer electrolyte composition of the present invention may be manufactured by a method including, but not limited to, a step of preparing a solution in which the above-described electrolyte component and the above-described lithium salt are dissolved in an organic solvent; a step of dissolving the above-described polymer resin in the solution; and a step of dispersing the above-described inorganic particles in the solution in which the above-described polymer resin is dissolved.

고분자계 고체 전해질 및 그 제조 방법Polymer solid electrolyte and its manufacturing method

본 발명의 다른 측면에 따르면, (1) 기재 상에 본 발명에 따른 고분자 전해질 조성물을 코팅하는 단계; 및 (2) 상기 코팅된 고분자 전해질 조성물을 건조시키는 단계;를 포함하는, 고분자계 고체 전해질의 제조 방법, 및 그 방법으로 제조된 고분자계 고체 전해질이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a method for producing a polymer-based solid electrolyte, and a polymer-based solid electrolyte produced by the method, are provided, comprising: (1) a step of coating a polymer electrolyte composition according to the present invention on a substrate; and (2) a step of drying the coated polymer electrolyte composition.

일 구체예에서, 상기 (1) 단계의 코팅 방법은 상기 고분자 전해질 조성물을 기재 상에 균일하게 코팅할 수 있는 공지의 방법이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 캐스팅 또는 스핀 코팅 등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.In one specific example, the coating method of step (1) may be used without limitation as long as it is a known method capable of uniformly coating the polymer electrolyte composition on a substrate, and examples thereof include, but are not limited to, casting or spin coating.

일 구체예에서, 상기 (1) 코팅 단계의 기재의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 지지체(예를 들면, 무기 섬유, 유기 섬유 또는 이들의 조합 등), 이형 필름(예를 들면, 테프론 시트, 알루미늄 호일 등과 같은 금속 박막, 또는 이들의 조합 등) 또는 이들의 조합일 수 있다. In one specific example, the type of the substrate in the coating step (1) is not particularly limited, and may be, for example, a support (e.g., inorganic fibers, organic fibers, or a combination thereof), a release film (e.g., a metal thin film such as a Teflon sheet, aluminum foil, or a combination thereof), or a combination thereof.

본 발명의 고분자 전해질 조성물을 이용하여 고분자계 고체 전해질을 제조할 때 상기 기재로서 지지체가 사용될 경우, 그 고분자계 고체 전해질은 지지체, 및 상기 지지체 상에 본 발명의 고분자 전해질 조성물로부터 형성된 고분자계 고체 전해질 막을 포함하는 것일 수 있다.When a support is used as the substrate when manufacturing a polymer-based solid electrolyte using the polymer electrolyte composition of the present invention, the polymer-based solid electrolyte may include a support and a polymer-based solid electrolyte membrane formed from the polymer electrolyte composition of the present invention on the support.

또한, 본 발명의 고분자 전해질 조성물을 이용하여 고분자계 고체 전해질을 제조할 때 상기 기재로서 이형 필름이 사용될 경우에는, 본 발명의 고분자 전해질 조성물을 이형 필름 상에 코팅하고 건조시켜 고분자계 고체 전해질 막을 형성한 후, 이형 필름으로부터 고분자계 고체 전해질 막을 분리하여 사용할 수 있다. In addition, when a release film is used as the substrate when manufacturing a polymer-based solid electrolyte using the polymer electrolyte composition of the present invention, the polymer electrolyte composition of the present invention is coated on the release film and dried to form a polymer-based solid electrolyte membrane, and then the polymer-based solid electrolyte membrane can be separated from the release film for use.

또한 본 발명의 고분자 전해질 조성물을 이용하여 고분자계 고체 전해질을 제조할 때 상기 기재로서 지지체와 이형 필름의 조합이 사용될 경우에는, 이형 필름; 지지체; 및 고분자계 고체 전해질 막 순으로 적층된 적층체가 얻어질 수 있고, 이때 이형 필름으로부터 지지체; 및 고분자계 고체 전해질 막을 분리하여 사용할 수 있다. In addition, when a combination of a support and a release film is used as the substrate when manufacturing a polymer-based solid electrolyte using the polymer electrolyte composition of the present invention, a laminate in which the release film; support; and polymer-based solid electrolyte membrane are laminated in that order can be obtained, and at this time, the support; and polymer-based solid electrolyte membrane can be separated from the release film and used.

일 구체예에서, 상기 (1) 코팅 단계는 25℃ 내지 100℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로는 30℃ 내지 80℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 (1) 코팅 단계의 온도가 상기 수준보다 지나치게 낮으면 코팅 시작 시에 고분자 전해질 막이 굳어 균일한 막을 얻기 어렵고, 반대로 상기 수준보다 지나치게 높으면 고분자 전해질 조성물 내의 유기 용매가 휘발되어 고분자 전해질 막의 균일도가 저하될 우려가 있다. In one specific example, the coating step (1) may be performed at a temperature of 25° C. to 100° C., and more specifically, may be performed at a temperature of 30° C. to 80° C. If the temperature of the coating step (1) is too low compared to the above level, the polymer electrolyte membrane may harden at the start of coating, making it difficult to obtain a uniform membrane. On the other hand, if the temperature is too high compared to the above level, the organic solvent in the polymer electrolyte composition may volatilize, which may deteriorate the uniformity of the polymer electrolyte membrane.

일 구체예에서, 상기 (1) 코팅 단계는 상압(대기압) 하에서 수행될 수 있다.In one specific example, the coating step (1) can be performed under normal pressure (atmospheric pressure).

일 구체예에서, 상기 (2) 건조 단계는 상기 기재 상에 코팅된 고분자 고체 전해질 조성물 중의 유기 용매를 제거하기 위해서 수행되며, 종래의 건조 공정과 같이, 진공의 압력 조건에서 수행될 수도 있고, 상압(대기압) 또는 그 이상의 압력 조건에서 수행될 수도 있으며, 바람직하게는 진공 또는 상압 조건에서 수행될 수 있다. 건조 시 압력이 너무 높을 경우에는 건조 시간이 길어질 수 있고, 이에 따라 원재료 손실량이 증가하여 고분자계 고체 전해질의 이온 전도도 및 수명 유지 특성이 저하될 수 있다.In one specific example, the drying step (2) is performed to remove an organic solvent in the polymer solid electrolyte composition coated on the substrate, and, like a conventional drying process, may be performed under a vacuum pressure condition, or may be performed under a normal pressure (atmospheric pressure) or higher pressure condition, and preferably may be performed under a vacuum or normal pressure condition. If the pressure is too high during drying, the drying time may be prolonged, and thus the amount of raw material loss may increase, which may deteriorate the ion conductivity and life maintenance characteristics of the polymer-based solid electrolyte.

일 구체예에서, 상기 (2) 건조 단계의 압력 범위는 1 mmHg 초과 내지 1,000 mmHg 미만일 수 있고, 보다 구체적으로는 380 mmHg 내지 910 mmHg일 수 있다. 상기 (2) 건조 단계의 압력 범위가 1 mmHg 이하이거나 1,000 mmHg 이상일 경우, 건조 중에 고분자 전해질 조성물의 원재료 손실량이 증가하여 고분자계 고체 전해질의 이온 전도도 및 수명 유지 특성이 저하될 수 있다.In one specific example, the pressure range of the drying step (2) may be more than 1 mmHg and less than 1,000 mmHg, and more specifically, may be 380 mmHg to 910 mmHg. When the pressure range of the drying step (2) is less than or equal to 1 mmHg or more than 1,000 mmHg, the amount of raw material loss of the polymer electrolyte composition during drying may increase, thereby deteriorating the ionic conductivity and lifespan characteristics of the polymer-based solid electrolyte.

본 발명의 고분자 전해질 조성물을 이용하여 고분자계 고체 전해질을 제조할 경우, 상기 (2) 건조 단계의 시간을 감축시켜 원재료의 손실량을 최소화할 수 있고, 이에 따라 경제성을 높이면서 전해질 성능의 재현성을 높일 수 있다.When a polymer solid electrolyte is manufactured using the polymer electrolyte composition of the present invention, the time for the drying step (2) can be reduced to minimize the loss of raw materials, thereby increasing cost efficiency and improving the reproducibility of electrolyte performance.

일 구체예에 따르면, 상기 (2) 건조 단계의 온도 범위는 상기 전해질 성분의 끓는점 미만이면서, 상기 유기 용매의 끓는 점 미만인 온도일 수 있다. 구체적으로, 상기 건조 단계는 30℃ 내지 150℃, 보다 구체적으로는 40℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. According to one specific example, the temperature range of the drying step (2) may be a temperature that is lower than the boiling point of the electrolyte component and lower than the boiling point of the organic solvent. Specifically, the drying step may be performed at a temperature range of 30° C. to 150° C., more specifically, 40° C. to 100° C.

상기 (2) 건조 단계의 온도가 상기 유기 용매의 끓는 점 이상일 경우, 유기 용매가 휘발 및 증발되면서 유기 용매와 결합되어 있는 성분들(예를 들면, 전해질 성분 등)까지 함께 제거되기 때문에 원재료의 손실이 커질 수 있고, 더욱이 상기 (2) 건조 단계의 온도가 상기 전해질 성분의 끓는 점 이상일 경우에도 전해질 성분의 증발에 의한 손실이 발생할 수 있다. If the temperature of the drying step (2) above is higher than the boiling point of the organic solvent, the organic solvent volatilizes and evaporates, and components combined with the organic solvent (e.g., electrolyte components, etc.) are also removed, which may result in increased loss of raw materials. Furthermore, if the temperature of the drying step (2) above is higher than the boiling point of the electrolyte component, loss due to evaporation of the electrolyte component may occur.

또한 (2) 건조 단계의 온도가 상온 미만일 경우에는 공정 보조제로서 사용된 유기 용매의 제거가 용이하지 않아 원하는 조성의 고분자계 고체 전해질 막을 형성하기 어렵고, 건조 시간이 길어져서 양산성/생산성이 저하될 수 있다. In addition, (2) when the temperature of the drying step is below room temperature, it is not easy to remove the organic solvent used as a process aid, making it difficult to form a polymer solid electrolyte film of the desired composition, and the drying time may be long, which may reduce mass production/productivity.

일 구체예에 따르면, 상기 (2) 건조 단계의 건조 시간은 온도 및 압력 조건에 따라, 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 건조 시간은 5분 내지 120분, 구체적으로는 5분 내지 90분, 보다 구체적으로는 5분 내지 60분일 수 있다. 상기 건조 온도 및 압력 조건에 따라 다르지만, 건조 시간이 너무 짧으면 유기 용매의 제거가 충분하지 않아 고분자계 고체 전해질의 물성에 영향을 미칠 수 있고, 반대로 건조 시간이 너무 길면 이에 따라 원재료 손실량이 증가하여 고분자계 고체 전해질의 이온 전도도 및 수명 유지 특성이 저하될 수 있다.According to one specific example, the drying time of the drying step (2) may be variously selected depending on the temperature and pressure conditions. For example, the drying time may be 5 minutes to 120 minutes, specifically 5 minutes to 90 minutes, and more specifically 5 minutes to 60 minutes. Depending on the drying temperature and pressure conditions, if the drying time is too short, the removal of the organic solvent may not be sufficient, which may affect the properties of the polymer-based solid electrolyte, and conversely, if the drying time is too long, the amount of raw material loss may increase accordingly, which may deteriorate the ionic conductivity and life maintenance characteristics of the polymer-based solid electrolyte.

리튬 이차 전지Lithium secondary battery

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 본 발명의 고분자계 고체 전해질 제조 방법으로 제조된 고분자계 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a lithium secondary battery is provided including a polymer solid electrolyte manufactured by the polymer solid electrolyte manufacturing method of the present invention described above.

본 발명의 리튬 이차 전지는 본 발명의 고분자계 고체 전해질의 제조 방법으로 제조된 고분자계 고체 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하며, 그 밖의 리튬 이차 전지 구성요소인 양극과 음극으로는 리튬 이차 전지용으로 통상 사용되는 것들을 제한 없이 포함할 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention is characterized by including a polymer-based solid electrolyte manufactured by the method for manufacturing a polymer-based solid electrolyte of the present invention, and other lithium secondary battery components, such as a positive electrode and a negative electrode, may include, without limitation, those commonly used for lithium secondary batteries.

일 구체예에서, 본 발명의 리튬 이차 전지는 양극; 음극; 및 상기 양극 및 음극 사이에 상기 고분자계 고체 전해질을 포함한다.In one specific embodiment, the lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode; a negative electrode; and the polymer-based solid electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.

일 구체예에서, 상기 음극(애노드)은 리튬 금속 또는 리튬 합금(예컨대, Si, Sn, In 등과 Li과의 합금)을 포함하는 것일 수 있고, 상기 양극(캐소드)은 복합금속 산화물 촉매가 담지된 다공성 집전체일 수 있다.In one specific example, the negative electrode (anode) may include lithium metal or a lithium alloy (e.g., an alloy of Li with Si, Sn, In, etc.), and the positive electrode (cathode) may be a porous current collector supporting a composite metal oxide catalyst.

상기 음극용 재료로는 리튬이온을 도프, 탈도프할 수 있는 것이 사용될 수 있으며, 구체적으로는 흑연, 열분해 탄소류, 코크스류, 유리형상 탄소류, 유기 고분자 화합물의 소성체, 메소카본마이크로비즈, 탄소섬유, 활성탄 등의 탄소 화합물을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. As the above negative electrode material, a material capable of doping or dedoping lithium ions may be used, and specific examples thereof include, but are not limited to, carbon compounds such as graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, sintered bodies of organic polymer compounds, mesocarbon microbeads, carbon fibers, and activated carbon.

상기 양극에는 복합금속 산화물(예컨대, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNiCoO2, 이산화망간, 5산화 바나듐, 크롬산화물 등의 금속산화물, 또는 이황화티탄, 이황화몰리브덴 등의 금속황화물 등)이 포함될 수 있으며, 필요에 따라 도전제(예컨대, 플레이크 형상 흑연, 카본블랙, 아세틸렌블랙 등) 또는 결착제(예컨대, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌 등) 등이 사용될 수 있고, 상기 복합금속 산화물이 담지된 다공성 집전체의 소재는 알루미늄, 니켈, 철, 티타늄 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The above positive electrode may include a composite metal oxide (e.g., metal oxides such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNiCoO 2 , manganese dioxide, vanadium pentoxide, and chromium oxide, or metal sulfides such as titanium disulfide and molybdenum disulfide), and a conductive agent (e.g., flake-shaped graphite, carbon black, acetylene black, etc.) or a binder (e.g., polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, etc.) may be used as needed, and the material of the porous current collector supporting the composite metal oxide may be, but is not limited to, aluminum, nickel, iron, titanium, etc.

본 발명의 리튬 이차 전지는 상기 음극과 양극 사이에, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 다공막 또는 부직포 재질의 분리막(세퍼레이터)을 포함할 수도 있지만, 본 발명의 고분자계 고체 전해질이 이러한 분리막을 대체할 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention may include a separator made of a porous film or non-woven material such as polyethylene or polypropylene between the negative electrode and the positive electrode, but the polymer solid electrolyte of the present invention can replace such a separator.

따라서, 바람직한 일 구체예에 따르면, 본 발명의 리튬 이차 전지는 음극과 양극 사이에 분리막을 포함하지 않을 수 있으며, 이러한 분리막(세퍼레이터)의 생략으로 인하여 리튬 이차 전지의 구성 및 제조 공정을 단순화할 수 있다. Therefore, according to a preferred specific embodiment, the lithium secondary battery of the present invention may not include a separator between the negative electrode and the positive electrode, and the omission of the separator can simplify the configuration and manufacturing process of the lithium secondary battery.

본 발명의 리튬 이차 전지의 케이스로는 코인형, 평판형, 원통형, 라미네이트형 등 통상적인 형상의 케이스가 적용될 수 있다.As a case for the lithium secondary battery of the present invention, a case of a conventional shape such as a coin shape, a flat plate shape, a cylindrical shape, or a laminate shape can be applied.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이들로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and comparative examples. However, the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예][Example]

<고분자 전해질 조성물의 제조><Preparation of polymer electrolyte composition>

실시예 A1Example A1

에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC) 24.6 중량부를 둥근 바닥 플라스크에 투입하고, 여기에 LiPF6 4.6 중량부 및 디메틸 포름아미드(DMF)를 48.9 중량부 투입하고 60℃까지 승온시킨 뒤, 30분 동안 교반하여 LiPF6가 용매에 용해되도록 하였다. 이어서 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지 4.6 중량부를 상기 둥근 바닥 플라스크에 투입하고, 120℃까지 승온시킨 뒤, 용액이 투명해질 때까지 약 2시간 동안 교반하여 PAN 수지가 용매에 용해되도록 하였다. 상기 투명한 전해질 혼합물 용액에 글루타로니트릴(Glutaronitrile, GN) 15.1 중량부를 투입하여 120℃에서 1시간 정도 더 교반을 진행하였다. 상기 혼합물 용액에 Al2O3 2.2 중량부를 첨가하고, 1시간 동안 700rpm으로 교반하여 Al2O3를 상기 전해질 혼합물 용액에 고르게 분산시켜 고분자 전해질 조성물을 제조하였다. 이때 전해질 성분(EC와 GN의 혼합물), 리튬 염(LiPF6), 고분자 수지(PAN 수지), 무기 입자(Al2O3) 및 유기 용매(DMF)의 총 합계 함량이 100 중량부이었고, 에틸렌 카보네이트 중의 카보닐기 1몰 당 글루타로니트릴 중의 니트릴기의 몰비(니트릴기 /카보닐기의 몰비)가 1.14이었다. 24.6 parts by weight of ethylene carbonate (EC) was added to a round-bottom flask, 4.6 parts by weight of LiPF 6 and 48.9 parts by weight of dimethyl formamide (DMF) were added thereto, the temperature was raised to 60°C, and the mixture was stirred for 30 minutes so that the LiPF 6 was dissolved in the solvent. Next, 4.6 parts by weight of polyacrylonitrile (PAN) resin was added to the round-bottom flask, the temperature was raised to 120°C, and the mixture was stirred for about 2 hours until the solution became transparent so that the PAN resin was dissolved in the solvent. 15.1 parts by weight of glutaronitrile (GN) was added to the transparent electrolyte mixture solution, and the mixture was stirred at 120°C for about 1 hour. 2.2 parts by weight of Al 2 O 3 was added to the above mixture solution, stirred at 700 rpm for 1 hour to evenly disperse Al 2 O 3 in the electrolyte mixture solution, and a polymer electrolyte composition was prepared. At this time, the total content of the electrolyte component (mixture of EC and GN), lithium salt (LiPF 6 ), polymer resin (PAN resin), inorganic particles (Al 2 O 3 ), and organic solvent (DMF) was 100 parts by weight, and the molar ratio of nitrile groups in glutaminyl per 1 mol of carbonyl groups in ethylene carbonate (molar ratio of nitrile groups / carbonyl groups) was 1.14.

실시예 A2 내지 A18 및 비교예 A1 내지 A11Examples A2 to A18 and Comparative Examples A1 to A11

고분자 전해질 조성물의 성분 및 함량을 하기 표 1에 기재된 바와 같이 변경한 것을 제외하고는, 실시예 A1과 동일한 방법으로 수행함으로써, 실시예 A2 내지 A18 및 비교예 A1 내지 A11의 고분자 전해질 조성물을 제조하였다. Polymer electrolyte compositions of Examples A2 to A18 and Comparative Examples A1 to A11 were prepared by the same method as Example A1, except that the components and contents of the polymer electrolyte compositions were changed as described in Table 1 below.

[고분자 전해질 조성물의 제조에 사용된 원료 성분][Raw material components used in the manufacture of polymer electrolyte composition]

- PAN 150K: 중량평균분자량이 150,000인 폴리아크릴로니트릴- PAN 150K: Polyacrylonitrile with a weight average molecular weight of 150,000

- PAN 230K: 중량평균분자량이 230,000인 폴리아크릴로니트릴- PAN 230K: Polyacrylonitrile with a weight average molecular weight of 230,000

- PEO: 중량평균분자량이 600,000인 폴리에틸렌옥사이드- PEO: Polyethylene oxide with a weight average molecular weight of 600,000

- PPS: 중량평균분자량이 100,000인 폴리페닐렌설파이드- PPS: Polyphenylene sulfide with a weight average molecular weight of 100,000

- EC: 에틸렌 카보네이트- EC: Ethylene carbonate

- PC: 프로필렌 카보네이트- PC: Propylene carbonate

- GN: 글루타로니트릴- GN: Glutaronitrile

- AN: 아디포니트릴- AN: Adiponitrile

- DMF: 디메틸포름아미드 - DMF: Dimethylformamide

- DMAc: 디메틸아세트아미드- DMAc: Dimethylacetamide

[표 1][Table 1]

[표 1][Table 1]

상기 실시예 A1 내지 A18 및 비교예 A1 내지 A11에서 제조된 고분자 전해질 조성물의 물성을 하기의 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.The physical properties of the polymer electrolyte compositions manufactured in Examples A1 to A18 and Comparative Examples A1 to A11 were measured by the following methods, and the results are shown in Table 2 below.

<물성 측정 방법><Method of Measuring Physical Properties>

(1) 점도(1) Viscosity

각 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질 조성물의 점도를 브룩필드(Brookfiled) 점도계(DV2TL VCJ0)를 이용하여 측정하였다. 이때, 각 실시예 및 비교예서 제조된 고분자 전해질 조성물로부터 샘플로서 500μL를 채취하였고, 점도 측정 온도는 25℃이었다.The viscosity of the polymer electrolyte compositions manufactured in each example and comparative example was measured using a Brookfield viscometer (DV2TL VCJ0). At this time, 500 μL was collected as a sample from the polymer electrolyte compositions manufactured in each example and comparative example, and the viscosity measurement temperature was 25°C.

(2) 입자 균일도(2) Particle uniformity

각 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질 조성물로부터 채취한 샘플을 유리판에 한 방울 떨어뜨려 광학 현미경을 통해 관찰하였으며, 입자의 최대 크기를 측정하여 크기 별로 균일도를 하기 기준에 따라 선별하였다.A drop of a sample collected from the polymer electrolyte composition manufactured in each example and comparative example was dropped on a glass plate and observed through an optical microscope, and the maximum size of the particles was measured to select uniformity by size according to the following criteria.

A: 입자 최대 크기가 50nm 이하인 경우 (우수)A: When the maximum particle size is less than 50 nm (excellent)

B: 입자 최대 크기가 50nm 초과 내지 1㎛ 미만인 경우 (양호)B: When the maximum particle size is greater than 50 nm and less than 1 μm (good)

C: 입자 최대 크기가 1㎛ 이상 내지 2㎛ 미만인 경우 (보통)C: When the maximum particle size is 1㎛ or more and less than 2㎛ (normal)

D: 입자 최대 크기가 2㎛ 이상인 경우 (열악)D: When the maximum particle size is 2㎛ or more (poor)

[표 2][Table 2]

[표 2][Table 2]

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 A1 내지 A18의 고분자 전해질 조성물의 경우, 고분자 전해질 조성물의 점도가 캐스팅이 용이할 만큼 적절하였고, 무기 입자가 균일하게 분산되어 있어, 입자 균일도가 우수하였다. As shown in Table 2 above, in the case of the polymer electrolyte compositions of Examples A1 to A18 according to the present invention, the viscosity of the polymer electrolyte composition was appropriate enough to facilitate casting, and the inorganic particles were uniformly dispersed, so that the particle uniformity was excellent.

반면, 리튬 염이 과량 사용되거나(비교예 A1), 고분자 수지가 과량 사용된(비교예 A3) 고분자 전해질 조성물의 경우, 조성물의 점도가 높아 기재 상의 코팅이 어려웠고, 무기 입자의 균일도가 열악하였으며, 리튬 염이 소량 사용되거나(비교예 A2), 고분자 수지가 소량 사용된(비교예 A4) 고분자 전해질 조성물의 경우, 조성물의 점도가 너무 낮아 기재 상의 코팅이 용이하지 않았으며, 이에 따라 고분자계 고체 전해질 막의 형성이 어려웠다. 또한 무기 입자가 사용되지 않은(비교예 A5) 고분자 전해질 조성물의 경우, 점도가 너무 낮아 기재 상의 코팅이 용이하지 않았고, 이에 따라 고분자계 고체 전해질 막의 형성이 어려웠으며, 무기 입자가 과량 사용된(비교예 A6) 고분자 전해질 조성물의 경우, 조성물 내의 무기 입자가 균일하게 분산되지 않아 무기 입자의 균일도가 매우 열악하였다. 또한 유기 용매가 미사용되거나(비교예 A9), 소량 사용된(비교예 A10) 고분자 전해질 조성물의 경우, 점도가 매우 높아 기재 상의 코팅이 어려웠고, 무기 입자의 균일도가 매우 열악하였으며, 유기 용매가 과량 사용된(비교예 A11) 고분자 전해질 조성물의 경우, 점도가 너무 낮아 기재 상의 코팅이 용이하지 않았고, 이에 따라 고분자계 고체 전해질 막의 형성이 어려웠다. On the other hand, in the case of polymer electrolyte compositions in which lithium salt was used in excess (Comparative Example A1) or polymer resin was used in excess (Comparative Example A3), the viscosity of the composition was high, making it difficult to coat the substrate, and the uniformity of the inorganic particles was poor. In the case of polymer electrolyte compositions in which lithium salt was used in small amounts (Comparative Example A2) or polymer resin was used in small amounts (Comparative Example A4), the viscosity of the composition was too low, making it difficult to coat the substrate, and thus making it difficult to form a polymer-based solid electrolyte membrane. In addition, in the case of polymer electrolyte compositions in which inorganic particles were not used (Comparative Example A5), the viscosity was too low, making it difficult to coat the substrate, and thus making it difficult to form a polymer-based solid electrolyte membrane. In the case of polymer electrolyte compositions in which inorganic particles were used in excess (Comparative Example A6), the inorganic particles in the composition were not uniformly dispersed, and thus the uniformity of the inorganic particles was very poor. In addition, in the case of polymer electrolyte compositions in which no organic solvent was used (Comparative Example A9) or in which a small amount of organic solvent was used (Comparative Example A10), the viscosity was very high, making it difficult to coat the substrate, and the uniformity of the inorganic particles was very poor. In the case of polymer electrolyte compositions in which an excessive amount of organic solvent was used (Comparative Example A11), the viscosity was too low, making it difficult to coat the substrate, and thus making it difficult to form a polymer-based solid electrolyte membrane.

특히, 비교예 A1, A3 및 A9의 고분자 전해질 조성물의 경우, 조성물의 점도가 너무 높아 후술하는 고분자계 고체 전해질의 제조 시에 기재 상에 코팅이 어려워 고분자계 고체 전해질 형성이 어려웠고, 비교예 A6의 고분자 전해질 조성물의 경우, 무기 입자의 균일도가 매우 열악하여 고분자계 고체 전해질의 제조 시에 기재 상에 균일한 코팅이 어려워 고분자계 고체 전해질 형성이 어려웠으며, 비교예 A11의 고분자 전해질 조성물의 경우, 조성물의 점도가 너무 낮아서 고분자계 고체 전해질의 제조 시에 기재 상에 코팅할 때 흘러내려 고분자계 고체 전해질 형성이 어려웠다.In particular, in the case of the polymer electrolyte compositions of Comparative Examples A1, A3, and A9, the viscosity of the compositions was too high, making it difficult to coat the substrate during the manufacture of the polymer-based solid electrolyte described later, making it difficult to form the polymer-based solid electrolyte; in the case of the polymer electrolyte composition of Comparative Example A6, the uniformity of the inorganic particles was very poor, making it difficult to uniformly coat the substrate during the manufacture of the polymer-based solid electrolyte, making it difficult to form the polymer-based solid electrolyte; and in the case of the polymer electrolyte composition of Comparative Example A11, the viscosity of the composition was too low, making it flow down when coated on the substrate during the manufacture of the polymer-based solid electrolyte, making it difficult to form the polymer-based solid electrolyte.

<고분자계 고체 전해질의 제조><Manufacture of polymer-based solid electrolyte>

실시예 B1Example B1

닥터 블레이드를 이용하여 40℃로 예열된 기재(알루미늄 호일) 상부에 실시예 A1에서 수득된 고분자 전해질 조성물을 균일한 두께로 캐스팅하였고, 이어서 760 mmHg의 압력 및 60℃의 온도 조건 하에서, 상기 고분자 전해질 조성물을 30분 동안 건조시켜 디메틸포름아미드(DMF)를 제거함으로써, 고분자계 고체 전해질을 제조하였다. The polymer electrolyte composition obtained in Example A1 was cast with a uniform thickness on a substrate (aluminum foil) preheated to 40°C using a doctor blade, and then the polymer electrolyte composition was dried for 30 minutes under conditions of a pressure of 760 mmHg and a temperature of 60°C to remove dimethylformamide (DMF), thereby producing a polymer-based solid electrolyte.

실시예 B2 내지 B18 및 비교예 B1 내지 B6Examples B2 to B18 and Comparative Examples B1 to B6

고분자 전해질 조성물의 종류 및 건조 단계의 조건을 하기 표 3에 기재된 바와 같이 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 B1과 동일한 방법으로 수행함으로써, 실시예 B2 내지 B18 및 비교예 B1 내지 B6의 고분자계 고체 전해질을 제조하였다.Polymer solid electrolytes of Examples B2 to B18 and Comparative Examples B1 to B6 were manufactured by performing the same method as in Example B1, except that the type of polymer electrolyte composition and the conditions of the drying step were changed as described in Table 3 below.

[표 3][Table 3]

[표 3][Table 3]

<리튬 이차 전지의 제조><Manufacturing of lithium secondary batteries>

양극의 제조Manufacturing of the anode

용제인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 100 중량부에 양극 합제 40 중량부를 첨가하여 양극 합제 조성물을 제조하였다. 이후 상기 양극 합제 조성물을 두께가 100㎛인 양극 집전체(알루미늄 박막)에 도포하고, 건조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 양극을 제조하였다. 이때 상기 양극 합제는 양극 활물질(리튬니켈/코발트/알루미늄(NCA)), 도전재(카본 블랙) 및 바인더(폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)) 각각을 94:3:3의 중량비로 혼합하여 제조된 것이다.A positive electrode mixture composition was prepared by adding 40 parts by weight of a positive electrode active material to 100 parts by weight of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), a solvent. The positive electrode mixture composition was then applied to a positive electrode current collector (aluminum thin film) having a thickness of 100 μm, dried, and roll pressed to prepare a positive electrode. At this time, the positive electrode mixture was prepared by mixing a positive electrode active material (lithium nickel/cobalt/aluminum (NCA)), a conductive material (carbon black), and a binder (polyvinylidene fluoride (PVDF)) in a weight ratio of 94:3:3.

음극의 제조Manufacturing of cathode

용제인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 100 중량부에 음극 합제 90 중량부를 첨가하여 음극 합제 조성물을 제조하였다. 이후 상기 음극 합제 조성물을 두께가 90㎛인 음극 집전체(구리박막)에 도포하고, 건조한 후, 롤프레스(roll press)를 실시하여 음극을 제조하였다. 이때 상기 음극 합제는 천연 흑연, 도전재(카본 블랙), 증점제(카복시메틸셀룰로오스) 및 바인더(PVDF)를 96:1:1:2의 중량비로 혼합하여 제조된 것이다.A negative electrode mixture composition was prepared by adding 90 parts by weight of a negative electrode agent to 100 parts by weight of a solvent, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). The negative electrode mixture composition was then applied to a negative electrode current collector (copper film) having a thickness of 90 μm, dried, and roll pressed to prepare a negative electrode. At this time, the negative electrode mixture was prepared by mixing natural graphite, a conductive agent (carbon black), a thickener (carboxymethyl cellulose), and a binder (PVDF) in a weight ratio of 96:1:1:2.

리튬 이차 전지의 제조Manufacturing of lithium secondary batteries

전술한 방법으로 제조된 양극과 음극을 실시예 B1 내지 B18 및 비교예 B1 내지 B6에서 수득된 고분자계 고체 전해질과 함께 적층함으로써, 리튬 이차 전지를 제조하였다. 상기 실시예 B1 내지 B18 및 비교예 B1 내지 B6에서 제조된 고분자계 고체 전해질의 물성을 하기의 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 기재하였다.A lithium secondary battery was manufactured by laminating the positive and negative electrodes manufactured by the above-described method together with the polymer-based solid electrolytes obtained in Examples B1 to B18 and Comparative Examples B1 to B6. The physical properties of the polymer-based solid electrolytes manufactured in Examples B1 to B18 and Comparative Examples B1 to B6 were measured by the following methods, and the results are shown in Table 4 below.

<물성 측정 방법><Method of Measuring Physical Properties>

(1) 이온 전도도(1) Ionic conductivity

실시예 및 비교예에서 제조된 고분자계 고체 전해질을 코인 셀 배터리 제조 공정에서와 같이, Ø19 사이즈로 펀칭한 후, Sus/고분자계 고체 전해질/Sus 순서로 조립하여 코인 셀 내에 장착하였고, 임피던스 측정기(VSP-240)를 사용하여 벌크 저항을 측정하였다. 이때 측정 주파수는 0.1~1 MHz 로 동일하게 적용하여 벌크 저항을 측정하였다. 하기 식 1을 이용하여 측정된 벌크 저항으로부터 이온 전도도 값을 계산하였다. 상기 Sus는 Stainless Use Steel의 약어로, 스테인레스 강의 규격 표기에 사용하는 용어이고, 상기 Sus의 사이즈는 Ø이다.In the examples and comparative examples, the polymer solid electrolytes manufactured were punched to a size of Ø19, as in the coin cell battery manufacturing process, and then assembled in the order of Sus/polymer solid electrolyte/Sus and mounted in a coin cell, and the bulk resistance was measured using an impedance meter (VSP-240). At this time, the bulk resistance was measured by applying the same measurement frequency of 0.1 to 1 MHz. The ionic conductivity value was calculated from the measured bulk resistance using Equation 1 below. The Sus is an abbreviation for Stainless Use Steel, a term used to indicate the specifications of stainless steel, and the size of the Sus is Ø.

[식 1][Formula 1]

여기서, σ는 이온 전도도(S/cm)를 나타내며, d는 고분자계 고체 전해질의 두께(cm)이고, Rb는 벌크 저항값(ohm)이며, S는 고분자계 고체 전해질의 면적(cm2)을 나타낸다.Here, σ represents the ionic conductivity (S/cm), d is the thickness of the polymer-based solid electrolyte (cm), Rb is the bulk resistance (ohm), and S represents the area of the polymer-based solid electrolyte (cm 2 ).

(2) 상온 수명 유지 평가(Discharge Capacity)(2) Room temperature life maintenance evaluation (Discharge Capacity)

실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이차 전지에 대하여 상온 수명 유지 평가를 실시하였다. 구체적으로 상기 제조된 리튬 이차 전지에 대해 상온(25℃)의 정전류-정전압 모드에서 500 mAh로 4.2V가 될 때까지 충전을 진행하였고, 충전 용량이 50 mAh로 떨어질 때 충전을 완료하였다. 충전 완료로부터 10분 후 정전류 모드에서 500mAh로 3.0V가 될 때까지 방전을 진행하였다. 상기 1회의 충전 및 1회의 방전을 1 사이클(cycle)로 정의하였으며, 상기 충방전을 100 사이클 진행하면서 상온에서의 초기 충전 용량 대비 유지율(수명 유지율)을 측정하였다.The room temperature life maintenance evaluation was performed on the lithium secondary batteries manufactured in the examples and comparative examples. Specifically, the manufactured lithium secondary batteries were charged in constant current-constant voltage mode at room temperature (25°C) until the voltage reached 4.2 V at 500 mAh, and charging was completed when the charge capacity dropped to 50 mAh. Ten minutes after the completion of charging, discharge was performed in constant current mode until the voltage reached 3.0 V at 500 mAh. One charge and one discharge were defined as one cycle, and the maintenance rate (life maintenance rate) compared to the initial charge capacity at room temperature was measured while performing 100 cycles of the charge and discharge.

[표 4][Table 4]

[표 4][Table 4]

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 전해질 조성물을 이용하여 제조된 실시예 B1 내지 B18의 고분자계 고체 전해질의 경우, 고분자계 고체 전해질 막 형성이 용이하며, 이온 전도도가 1.0 x 10-3 S/cm 이상이면서도 100 사이클 충방전 진행 시 초기 충전 용량 유지율이 88% 이상으로 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있다. As shown in Table 4 above, in the case of the polymer-based solid electrolytes of Examples B1 to B18 manufactured using the polymer electrolyte composition according to the present invention, it was confirmed that the polymer-based solid electrolyte membrane was easily formed, and the ion conductivity was 1.0 x 10 -3 S/cm or higher, while the initial charge capacity retention rate was significantly improved to 88% or higher after 100 charge/discharge cycles.

반면, 비교예 조성물들의 경우, 점도가 캐스팅에 용이하지 않을 정도로 낮아지거나, 반대로 점도가 높아져 무기 입자의 균일도 수준이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 점도와 무기 입자의 균일도 수준이 적절하더라도, 고분자 고체 전해질 막 형성 후 이온전도도가 1.0 x 10-3 S/cm 미만으로 저하되거나, 용량 유지율(수명 유지율)이 현저하게 떨어지는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the case of comparative compositions, it can be confirmed that the viscosity is lowered to a level that makes casting difficult, or conversely, the viscosity is higher and the uniformity level of the inorganic particles is lowered. In addition, even if the viscosity and the uniformity level of the inorganic particles are appropriate, it can be confirmed that the ion conductivity is lowered to less than 1.0 x 10 -3 S/cm after the formation of the polymer solid electrolyte film, or the capacity retention rate (life retention rate) is significantly reduced.

Claims (12)

고분자 전해질 조성물로서,
고분자 수지;
리튬 염;
카보네이트계 화합물 및 니트릴계 화합물을 포함하는 전해질 성분;
무기 입자; 및
유기 용매;를 포함하며,
여기서, 고분자 전해질 조성물 총 100 중량부를 기준으로,
상기 고분자 수지의 함량이 2.1 내지 7.5 중량부이고,
상기 리튬 염의 함량이 2.1 내지 7.5 중량부이며,
상기 무기 입자의 함량이 0.1 내지 5.1 중량부이고,
상기 전해질 성분의 함량이 18 내지 60 중량부이고,
상기 전해질 성분 내의 상기 카보네이트계 화합물 중의 카보닐기(-C(=O)-) 1몰 당 상기 니트릴계 화합물 중의 니트릴기(-C≡N) 몰비가 0.38 내지 2.30인,
고분자 전해질 조성물.
As a polymer electrolyte composition,
polymer resin;
lithium salt;
An electrolyte component comprising a carbonate compound and a nitrile compound;
inorganic particles; and
organic solvents;
Here, based on 100 parts by weight of the total polymer electrolyte composition,
The content of the polymer resin is 2.1 to 7.5 parts by weight,
The content of the above lithium salt is 2.1 to 7.5 parts by weight,
The content of the above inorganic particles is 0.1 to 5.1 parts by weight,
The content of the above electrolyte component is 18 to 60 parts by weight,
The molar ratio of the nitrile group (-C≡N) in the nitrile compound per 1 mol of the carbonyl group (-C(=O)-) in the carbonate compound in the electrolyte component is 0.38 to 2.30.
Polymer electrolyte composition.
제1항에 있어서, 상기 고분자 수지가 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리알킬렌 옥사이드계 고분자, 폴리아릴렌 옥사이드계 고분자, 폴리설폰계 고분자, 실록산계 고분자, 폴리아크릴레이트계 고분자 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 고분자 전해질 조성물.A polymer electrolyte composition in claim 1, wherein the polymer resin is selected from the group consisting of polyacrylonitrile (PAN)-based polymers, polyimide-based polymers, polyalkylene oxide-based polymers, polyarylene oxide-based polymers, polysulfone-based polymers, siloxane-based polymers, polyacrylate-based polymers, or combinations thereof. 제2항에 있어서,
상기 폴리아크릴로니트릴계 고분자가 폴리아크릴로니트릴, 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸아크릴레이트), 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸메타크릴레이트) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
상기 폴리이미드계 고분자가 폴리에테르이미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
상기 폴리알킬렌 옥사이드계 고분자가 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
상기 폴리아릴렌 옥사이드계 고분자가 폴리페닐렌 옥사이드이며,
상기 폴리설폰계 고분자가 폴리에테르설폰, 폴리설폰 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
상기 실록산계 고분자가 폴리실록산이며,
상기 폴리아크릴레이트계 고분자가 폴리메틸메타크릴레이트인,
고분자 전해질 조성물.
In the second paragraph,
The above polyacrylonitrile polymer is selected from the group consisting of polyacrylonitrile, poly(acrylonitrile-co-methylacrylate), poly(acrylonitrile-co-methylmethacrylate), or a combination thereof,
The above polyimide polymer is selected from the group consisting of polyetherimide, polyimide, or a combination thereof,
The above polyalkylene oxide polymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide, polypropylene oxide or a combination thereof,
The above polyarylene oxide polymer is polyphenylene oxide,
The above polysulfone polymer is selected from the group consisting of polyethersulfone, polysulfone, or a combination thereof,
The above siloxane polymer is polysiloxane,
The above polyacrylate polymer is polymethyl methacrylate.
Polymer electrolyte composition.
제1항에 있어서, 상기 리튬 염이 LiClO4, LiPF6, LiCF3SO3, LiBF4, LiAsF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiBOB, LiB(C2O4)2, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 고분자 전해질 조성물.A polymer electrolyte composition in claim 1, wherein the lithium salt is selected from the group consisting of LiClO 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiBOB, LiB(C 2 O 4 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 or a combination thereof. 제1항에 있어서,
상기 카보네이트계 화합물이 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
상기 니트릴계 화합물이 석시노니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는,
고분자 전해질 조성물.
In the first paragraph,
The above carbonate compound is selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate or a combination thereof,
The above nitrile compound is selected from the group consisting of succinonitrile, glutaronitrile, adiponitrile or a combination thereof.
Polymer electrolyte composition.
제1항에 있어서, 상기 무기 입자가 금속 산화물 입자인, 고분자 전해질 조성물.A polymer electrolyte composition in claim 1, wherein the inorganic particles are metal oxide particles. 제6항에 있어서, 상기 금속 산화물 입자가 SiO2, TiO2, Al2O3, BaTiO3 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 고분자 전해질 조성물.A polymer electrolyte composition in claim 6, wherein the metal oxide particles are selected from the group consisting of SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , BaTiO 3 or a combination thereof. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매가 상기 전해질 성분보다 끓는점이 낮으면서 휘발성이 있는 용매인, 고분자 전해질 조성물.A polymer electrolyte composition in claim 1, wherein the organic solvent is a volatile solvent having a lower boiling point than the electrolyte component. 제8항에 있어서, 상기 유기 용매가 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 고분자 전해질 조성물.A polymer electrolyte composition in claim 8, wherein the organic solvent is selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, or a combination thereof. (1) 기재 상에 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 고분자 전해질 조성물을 코팅하는 단계; 및
(2) 상기 코팅된 고분자 전해질 조성물을 건조시키는 단계;를 포함하는,
고분자계 고체 전해질의 제조 방법.
(1) a step of coating a polymer electrolyte composition according to any one of claims 1 to 9 on a substrate; and
(2) a step of drying the coated polymer electrolyte composition; comprising;
Method for producing a polymer-based solid electrolyte.
제10항에 따른 방법으로 제조된 고분자계 고체 전해질.A polymer solid electrolyte manufactured by the method according to Article 10. 제11항에 따른 고분자계 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지.A lithium secondary battery comprising a polymer solid electrolyte according to claim 11.
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