KR20150134287A - Electrolyte with multilayer structure and electrical storage device - Google Patents
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Abstract
본 발명은, - 제1 비유전율(relative permittivity) ε₁을 특징으로 하는 1 이상의 제1 전해질 층, - 제2 비유전율 ε₂를 특징으로 하는 1 이상의 제2 전해질 층, 및 - 제1 전해질 층과 제2 전해질 층 사이의 계면 을 포함하는 다층 구조를 갖는 전해질로서, - 제1 비유전율 ε₁과 제2 비유전율 ε₂는 하기 척도(measure) 를 정의하며, - 제1 전해질 층의 전해질과 제2 전해질 층의 전해질은, 계면에서 척도 가 0.244 < 0.5, 바람직하게는 0.371 < 0.5, 특히 바람직하게는 0.436 < 0.5, 더 바람직하게는 0.475 < 0.5, 특별히 바람직하게는 0.488 < 0.5, 더욱 더 바람직하게는 0.494 < 0.5의 범위 내가 되도록 선택되며, 여기서 ε₁은 항상 인접 매질의 비유전율 중 낮은 쪽이고 ε₂는 인접 매질의 비유전율 중 높은 쪽 인 것을 특징으로 하는 전해질에 관한 것이다. According to the present invention, - At least one first electrolyte layer characterized by a first relative permittivity? 1, - At least one second electrolyte layer characterized by a second relative dielectric constant? 2, and - The interface between the first electrolyte layer and the second electrolyte layer An electrolyte having a multi-layer structure, - The first relative dielectric constant? 1 and the second relative dielectric constant? 2 define the following measure, - The electrolyte of the first electrolyte layer and the electrolyte of the second electrolyte layer have a scale in the interface of 0.244 <0.5, preferably 0.371 <0.5, particularly preferably 0.436 <0.5, more preferably 0.475 <0.5, 0.488 < 0.5, and still more preferably 0.494 < 0.5, wherein? 1 is always the lower one of the relative permittivities of the adjacent medium and? To the electrolyte.
Description
본 발명은 다층 구조를 갖는 전해질, 및 이러한 전해질을 포함하는 전기화학 저장 디바이스, 특히 배터리 셀에 관한 것이다. 다층 전해질은 무엇보다도 리튬 이온 배터리에 있어서 흥미롭다. The present invention relates to an electrolyte having a multilayer structure, and an electrochemical storage device, particularly a battery cell, comprising such an electrolyte. Multilayer electrolytes are of particular interest in lithium-ion batteries.
리튬 이온 배터리용 전해질의 층상(layer-by-layer) 구조는 액체 및/또는 고체 전해질의 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 특히, 이러한 구조는 액체 전해질의 2개의 층(동일한 조성일 필요는 없음)과 세퍼레이터로서 고체 전해질의 중앙 층을 포함할 수 있다. The layer-by-layer structure of the electrolyte for a lithium ion battery may consist of a plurality of layers of liquid and / or solid electrolyte. In particular, such a structure may comprise two layers of liquid electrolyte (not necessarily the same composition) and a central layer of solid electrolyte as a separator.
액체 전해질의 예로는 에틸렌 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트(EC 및 EMC)와 전도성 염으로서 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)와의 혼합물, 이뿐만 아니라 프로필렌 카보네이트 및 에틸렌 글리콜 디메틸에테르(PC 및 DME)와 전도성 염으로서 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(LiTFSI)와의 혼합물이 있다. 에틸렌 글리콜 디메틸에테르는 1,2-디메톡시에탄으로도 지칭되고, 이를 위해 약어 DME가 선택되기도 한다. Examples of liquid electrolytes include a mixture of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (EC and EMC) and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as a conductive salt, as well as propylene carbonate and ethylene glycol dimethyl ether (PC and DME) and a conductive salt And lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiTFSI). Ethylene glycol dimethyl ether is also referred to as 1,2-dimethoxyethane, and for this, the abbreviation DME is sometimes chosen.
고체 전해질의 예로는, 하기와 같은 가넷형 시스템(garnet-like system):Examples of solid electrolytes include garnet-like systems such as:
Li7+x-yMII xMIII 3-xMIV 2-yMy VO12, Li 7 + xy M II x M III 3-x M IV 2-y M y V 12 ,
상기 식에서, In this formula,
MII는 2가 양이온이고,M < II > is a divalent cation,
MIII는 3가 양이온이고,M III is a trivalent cation,
MIV는 4가 양이온이고,M IV is a tetravalent cation,
MV는 5가 양이온이며,M V is a pentavalent cation,
예를 들어, E.g,
리튬 란타넘 지르코네이트 Li7-3xAlxLa3Zr2O12 또는 Lithium lanthanum zirconate Li 7-3x Al x La 3 Zr 2 O 12 or
Li7 - xLa3(Ta/Nb)xZr2 - xO12가 있다. 추가 예로는 소위 LiSiCon-결정 상 Li1 - x(M5+, M3+)xM4 +2-x(PO4)3을 갖는 시스템이 있고, 여기서 M5+은 Ta 및/또는 Nb일 수 있고, M3+는 Al, Cr, Ga, Fe일 수 있으며, M4+는 Ti, Zr, Si, Ge일 수 있다. 황화물 함유(sulfidic) 전해질의 사용이 또한 가능하다. Li 7 - x La 3 (Ta / Nb) x Zr 2 - x O 12 . Further examples are so-called LiSiCon- crystal phase Li 1 - x (M 5+, M 3+) and a system having an x M 4 + 2-x ( PO 4) 3, where M is 5+ Ta and / or Nb, M 3 + may be Al, Cr, Ga, Fe, and M 4 + may be Ti, Zr, Si, Ge. The use of sulfidic electrolytes is also possible.
이러한 시스템의 구조 및 관련 재료에 관하여, 문헌[Jennifer L. Schaefer, Yingying Lu, Surya S. Moganty, Praveen Agarwal, N. Jayaprakash, Lynden A. Archer, Electrolytes for high-energy lithium batteries, Appl. Nanosci. 2 (2012), p. 91-109], 이뿐만 아니라 DE 102 011 013 018 B3, US 2003 0205467 A1, US 2009 0317724를 참조한다. With regard to the structure of these systems and related materials, Jennifer L. Schaefer, Yingying Lu, Surya S. Moganty, Praveen Agarwal, N. Jayaprakash, Lynden A. Archer, Electrolytes for high-energy lithium batteries, Appl. Nanosci. 2 (2012), p. 91-109], as well as DE 102 011 013 018 B3, US 2003 0205467 A1, US 2009 0317724.
황화물 함유 시스템은 예를 들어 US 2005 0107239 A1, US 2009 159839 A 또는 JP 2008 120666 A에 기술되어 있다. Sulfide containing systems are described, for example, in US 2005 0107239 A1, US 2009 159839 A or JP 2008 120666 A.
관련된 액체 또는 고체 전해질의 전도성 외에도, 두 종류의 전해질 사이의 계면 저항이 또한 다층 구조를 갖는 전해질의 총 저항에 있어 매우 중요하다. In addition to the conductivity of the associated liquid or solid electrolyte, the interfacial resistance between the two types of electrolytes is also very important for the total resistance of the electrolyte having a multilayer structure.
종래 기술에서는 이 계면 저항이 어떻게 체계적으로 최소화될 수 있는지에 대해 밝혀지지 않았다. It is not known in the prior art how this interfacial resistance can be systematically minimized.
폴리머 전해질은 EP 1134758 A1로부터 공지되었으며 이는 큰 쌍극자 모멘트를 갖는 측쇄를 보유한다. EP 1134758 A1에 따른 결과적인 큰 비유전율(relative permittivity)은 폴리머 매트릭스에 용해된 전도성 염의 이온 전도성을 증가시킨다. 더 나아가, 이 측쇄는 전극에 대한 계면 저항을 액체 전해질로부터 공지된 것과 동일한 차수로 저하시킨다는 것이 명시되어 있다. 그 이유는 전극과 전해질의 보다 우수한 화학적 응집(chemical cohesion)이 가능하기 때문인 것으로 제시되어 있다. Polymer electrolytes are known from EP 1134758 A1, which has side chains with large dipole moments. The resulting relative permittivity according to EP 1134758 A1 increases the ionic conductivity of the conductive salt dissolved in the polymer matrix. Furthermore, it is stated that this side chain reduces the interfacial resistance to the electrode to the same order as known from the liquid electrolyte. It is suggested that this is because of better chemical cohesion of the electrode and the electrolyte.
리튬 알루미늄 게르마늄 포스페이트(LAGP), 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LATP) 또는 리튬 티타늄 규소 포스페이트(LATSP)를 포함할 수 있는 이온 전도성 고체 전해질을 갖는 리튬-에어 배터리는 US 2014/0011101 A1로부터 공지되었다. 디메톡시에탄(DME)이 유기 전해질로서 사용된다. A lithium-air battery having an ion-conducting solid electrolyte capable of containing lithium aluminum germanium phosphate (LAGP), lithium aluminum titanium phosphate (LATP) or lithium titanium silicon phosphate (LATSP) is known from US 2014/0011101 A1. Dimethoxyethane (DME) is used as the organic electrolyte.
고체 전해질로서 LAGP 및 액체 전해질로서 에틸렌 카보네이트:디에틸렌 카보네이트:에틸 메틸 카보네이트 1:1:1을 갖는 리튬 이온 셀은 문헌[Tonghuan Yang, Lin Sang, Fei Ding, Jing Zhang, Xingjiang Liu: Three- and four-electrode EIS analysis of water stable lithium electrode with solid electrolyte plate. In: Electrochimica Acta 81, 2012, S. 179-185. - ISSN 0013-4686]으로부터 공지되었다. Lithium ion cells having LAGP as a solid electrolyte and ethylene carbonate: diethylene carbonate: ethyl methyl carbonate 1: 1: 1 as a liquid electrolyte were prepared according to the method described in Tonghuan Yang, Lin Sang, Fei Ding, Jing Zhang, Xingjiang Liu: Three- and four -electrode EIS analysis of water stable lithium electrode with solid electrolyte plate. In: Electrochimica Acta 81, 2012, pp. 179-185. - ISSN 0013-4686.
US 2006/01334492에서는 전해질이 동일한 2개의 층을 갖는 전해질이 기술되어 있다.US 2006/01334492 describes an electrolyte having two layers of the same electrolyte.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 제거하고, 가능한 한 가장 낮은 계면 저항을 달성하기 위해 다층 구조를 갖는 전해질에서 어떠한 조건이 만족되어야 하는지 특정하는 것이다. An object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the prior art and to specify what conditions must be satisfied in an electrolyte having a multilayer structure in order to achieve the lowest possible interface resistance.
본 발명에 따라, 상기 목적은, 제1 비유전율 ε₁을 특징으로 하는 1 이상의 제1 전해질 층과 제2 비유전율 ε₂를 특징으로 하는 1 이상의 추가 전해질 층, 이뿐만 아니라 두 전해질 층 사이의 계면을 포함하는 다층 구조를 갖는, 실온 범위 내에서의 용도를 위해 제공되는 전해질에 의해 해결되며, 상기 두 비유전율 ε₁과 ε₂는 척도(measure) α = ε₁/( ε₁ + ε₂)를 정의하며, 하나의 전해질 층의 전해질과 다른 전해질 층의 전해질은, 계면에서 척도 α가 0.244 < α ≤ 0.5, 바람직하게는 0.371 < α ≤ 0.5, 특히 바람직하게는 0.436 < α ≤ 0.5, 아주 특히 바람직하게는 0.475 < α ≤ 0.5, 더 바람직하게는 0.488 < α ≤ 0.5, 더욱 더 바람직하게는 0.494 < α ≤ 0.5의 범위 내가 되도록 선택되며, 여기서 ε₁은 항상 인접 매질의 비유전율 중 낮은 쪽이고 ε₂는 인접 매질의 비유전율 중 높은 쪽이다. 이 해결 방법은 액체 전해질 및/또는 폴리머의 조합으로 한정되지 않으며, 무기 재료, 예컨대 유리, 유리 세라믹 또는 (다결정질) 세라믹을 명확하게 포함한다. α 값은 α 0.5, 그러나 적어도 α > 0.436, 특히 α > 0.488, 즉 0.436 < α ≤ 0.5, 바람직하게는 0.488 < α ≤ 0.5의 범위 내인 경우가 특히 바람직하다. 이러한 거의 동일한 유전율의 경우, 비교적 넓은 범위의 0.2 V, 특히 1 V의 과전압이 상이한 전해질들의 계면 범위에서 달성된다. According to the present invention, this object is solved by the use of an electrolyte composition comprising at least one first electrolyte layer characterized by a first relative dielectric
본 발명자들은 구체적으로, 다층 구조를 갖는 전해질의 경우 인접한 전극들은, 이들이 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹을 포함하는 경우일지라도, 그 안에 분포된 전도성 염 또는 전도성 산화물을 갖는 유전 연속체(dielectric continuum)로서 이해될 수 있음을 밝혀내었다. 이것은 특히 부분 결정질 구조에 있어서는 개별 원자 프레임워크 구조가 주된 역할을 해서 연속체 설명(continuum description)이 가능하지 않다고 예상되었기 때문에 놀라운 것이다. 또한 이 경우에, 즉, 두 인접 전해질 중 하나 또는 둘 다가 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹인 경우, 그에 따라 두 전해질 모두에 대해 바람직하게는 동일한 값의 비유전율이 선택된다. 비유전율이 온도 및 주파수에 의존적이기 때문에, 선택은 특정 작업점(working point) 또는 작업 범위(working range)에 대해, 즉 특정 주파수 및/또는 특정 온도 또는 주파수 및/또는 온도 범위에 대해 이루어진다. The present inventors have concretely understood that, in the case of an electrolyte having a multi-layer structure, adjacent electrodes can be understood as a dielectric continuum having a conductive salt or a conductive oxide distributed therein even if they comprise glass, glass ceramic or ceramic . This is particularly surprising because, in the case of partially crystalline structures, individual atomic framework structures play a major role and a continuum description is not expected. Also in this case, that is, when one or both of the two adjacent electrolytes are glass, glass ceramic, or ceramic, the relative dielectric constant of both electrolytes is preferably selected to be preferably the same value. Since the relative dielectric constant is temperature and frequency dependent, the selection is made for a particular working point or working range, i.e. for a specific frequency and / or for a specific temperature or frequency and / or temperature range.
그러나, 백그라운드(background), 즉 유전 연속체로서 기술된 매트릭스 재료의 비유전율의 주파수 의존적 변동은, 일반적으로 개별 주파수 범위에 한정된다. 문헌[Charles Kittel, Introduction to solid-state physics, 5th edition, R. Oldenbourg-Verlag Munich Vienna, 1980, p. 441], 이뿐만 아니라 문헌[Ekaterina I. Izgorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, "On the components of the dielectric constants of ionic liquids: ionic polarization?", Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452-2458 (2009)]에서 추론할 수 있는 바와 같이, 주파수 스케일의 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 진행할 때, 비유전율에 대한 기여는 먼저 전자 분극도, 즉 코어에 대한 전자 껍질의 변위성에 의해 이루어지고, 그 다음에 이온 분극도, 즉 서로에 대해 상이한 부호의 부분 전하를 갖는 원자의 변위, 그 다음에 쌍극자 분극도, 즉 영구 쌍극자의 정렬, 및 그 다음에 공간 전하 분극도, 즉 이온의 계면으로의 이동에 의해 이루어진다. 마지막 것은 이온 전도 효과이고 따라서 상기 언급한 백그라운드에 속하지 않는다. However, the frequency-dependent variation of the relative permittivity of the matrix material described as background, that is, the dielectric continuum is generally limited to the individual frequency range. Charles Kittel, Introduction to solid-state physics, 5th edition, R. Oldenbourg-Verlag Munich Vienna, 1980, p. 441], as well as Ekaterina I. Izgorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, "On the components of the dielectric constants of ionic liquids ", Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452-2458 (2009)], the contribution to the relative dielectric constant is first made by the electron polarization, i.e., the displacement of the electron shell to the core, as it goes from the higher side to the lower side of the frequency scale , Then the ionic polarization, that is, the displacement of the atoms with the partial charges of different sign to each other, followed by the dipole polarization, that is, the alignment of the permanent dipole and then the space charge polarization, As shown in FIG. The last is the ion conduction effect and therefore does not belong to the background mentioned above.
유리, 유리 세라믹 또는 세라믹으로 제조된 이온 전도체에서는, 상기 처음 두 가지의 기여와 마지막 것만이 작용한다. 마지막 것을 포함하지 않기 위해서는, 주파수 스케일의 상단부로부터 하단부로 진행하고, 이것은 전자 분극도와 이온 분극도가 둘 다 고려되는 한에 있어서이다. 이것은 적외선 범위 미만의 경우이며, 문헌[Charles Kittel, Introduction to solid-state physics, 5th edition, R. Oldenbourg-Verlag Munich Vienna, 1980, p. 441], 이뿐만 아니라 문헌[Ekaterina I. Izgorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, "On the components of the dielectric constants of ionic liquids: ionic polarization?", Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452-2458 (2009)]을 참조한다. 이후 비유전율은 공간 전하 효과가 개시되는 주파수까지는 거의 일정하다. 이 값은 백그라운드의 비유전율로서 사용된다. 이 경우, 예를 들어, 전도성 염 또는 전도성 산화물의 전자 분극도가 또한 당연히 포함되며; 그러나, 이 인자는 전도성 염 또는 전도성 산화물 없이 용이하게 제조될 수 없는 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹으로 제조된 이온 전도체에 대해서는 무시된다. In ion conductors made of glass, glass ceramics or ceramics, only the first two contributions and the last one work. In order not to include the last, go from the top to the bottom of the frequency scale, as long as both the electron polarization and the ionic polarization are considered. This is the case under the infrared range and is described in Charles Kittel, Introduction to solid-state physics, 5th edition, R. Oldenbourg-Verlag Munich Vienna, 1980, p. 441], as well as Ekaterina I. Izgorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, "On the components of the dielectric constants of ionic liquids ", Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452-2458 (2009). The relative dielectric constant is almost constant up to the frequency at which the space charge effect is started. This value is used as the relative dielectric constant of the background. In this case, for example, the electronic conductivity of the conductive salt or the conductive oxide is also naturally included; However, this factor is ignored for ion conductors made of glass, glass ceramics or ceramics which can not be easily produced without a conductive salt or a conductive oxide.
전도성 염 또는 전도성 산화물 없이 제조될 수 있는 액체 전해질 또는 폴리머 전해질의 경우, (상단부로부터 하단부로 계산된) 쌍극자 분극도가 "켜지는(switches on)" 주파수 범위 미만에서 발견되는 거의 일정한 값이 비유전율로서 사용된다. 전도성 염 또는 전도성 산화물 없이 제조될 수 없는 폴리머 전해질의 경우, (상단부로부터 하단부로 계산된) 쌍극자 분극도가 "켜지는" 주파수 범위와 공간 전하 분극도의 개시점 사이의 때때로 좁은 주파수 창이 사용되어야 한다. In the case of liquid electrolytes or polymer electrolytes which can be produced without conducting salts or conducting oxides, a nearly constant value found below the frequency range of dipole polarization (calculated from top to bottom) "switches on" . For polymer electrolytes that can not be produced without a conductive salt or a conductive oxide, the occasionally narrow frequency window between the frequency range of dipole polarization (which is calculated from top to bottom) and the point of space charge polarization must be used .
계면의 양측에 비유전율이 동일한 본 발명에 따른 이상적인 경우가 존재하는 경우, 예를 들어 리튬 이온 배터리의 경우, 양측에서 리튬 이온의 전하 수송을 제공하는 이온의 에너지 준위가 초기에 측정될 수 있다. For example, in the case of a lithium ion battery, the energy level of ions providing charge transport of lithium ions on both sides can be initially measured, if there is an ideal case according to the present invention having the same relative dielectric constant on both sides of the interface.
이러한 이온의 에너지 준위는 오직 유전체에 의해 결정되고, 다른 이온, 특히 반대 이온과의 상호작용은 무시될 수 있다는 것을 가정하면, 외부 전압이 결여된 경우 계면의 양측에서, 양측에 동일한 활동도로 전하 수송을 제공하는 이온은 또한 동일한 에너지 준위에 위치하며, 이는 자유 용매화 엔탈피에 대한 보른 공식(Born formula)에 의해 대략적으로 결정된다. 이에 관하여, 문헌[M. Born, Volume and hydration heat of ions, Zeitschrift fuer Physik, No. 1, p. 45-48 (1920)]을 참조하고, 이의 내용은 본 명세서에 그 전체 범위가 포함된다. Assuming that the energy level of these ions is determined solely by the dielectric and that the interaction with other ions, especially counter ions, can be neglected, if the external voltage is absent, the same activity on both sides of the interface, Is also located at the same energy level, which is roughly determined by the Born formula for free solvation enthalpy. In this regard, reference is made to M. M. Born, Volume and hydration heat of ions, Zeitschrift fuer Physik, No. 1, p. 45-48 (1920), the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
다층 전해질 층에, 예를 들어 외부로부터 추가의 전압 차가 가해지는 경우, 문헌[K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid/liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, No. 14, p. 2321-2327 (1996)]에 따라, 이는 전압이 계면 양측 상의 얇은 경계층에서 감소하고, 그곳에서 계면 저항에 반비례하는 이온 수송을 유도하는 결과를 야기한다. When an additional voltage difference is applied to the multilayer electrolyte layer from the outside, for example, in K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid / liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, No. 14, p. 2321-2327 (1996), this results in the voltage decreasing in the thin boundary layer on both sides of the interface, where it induces ion transport in inverse proportion to the interfacial resistance.
비유전율의 연속부(continuity)가 경계층의 영역에 가해지는 경우, 전기장의 불연속부가 계면에서 발생하지 않으며, 이는 최소 계면 저항에 있어서 바람직하다. 이에 관하여, 상기 인용한 문헌[K. Aoki]를 참조한다. 다층 구조를 갖는 전해질의 이상적인 경우에서, 상이한 전해질, 예를 들어 액체 및 고체 전해질의 조합은, 관련된 모든 2개의 재료(또는 상이한 액체 전해질의 경우 3개의 재료)에 대한 비유전율이 동일하게 선택된다. 비유전율의 측정은, 예를 들어, 미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재 애질런트(Agilent)의 2008년 10월 28일자 "Application Note 1369-1"에 따라 이루어질 수 있다. 이 문헌의 개시 내용은 그 전체 범위가 본 명세서에 포함된다. When the continuity of the relative dielectric constant is applied to the region of the boundary layer, the discontinuous portion of the electric field does not occur at the interface, which is preferable for the minimum interface resistance. In this connection, the above cited document [K. Aoki]. In an ideal case of an electrolyte having a multi-layer structure, the combination of different electrolytes, for example, liquid and solid electrolytes, is equally selected for all two related materials (or three materials in the case of different liquid electrolytes). The measurement of the relative dielectric constant can be performed, for example, in accordance with " Application Note 1369-1 " of October 28, 2008, Agilent, Santa Clara, CA. The disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.
본 발명에 따른 척도 α The scale?
(1) (One)
는 비유전율 또는 유전 상수의 일치(agreement)의 정도에 대한 척도로서 사용된다. 본 발명에 따라 ε₁는 관련된 두 비유전율 중 낮은 쪽이고, ε₂는 높은 쪽이다. ε₁과 ε₂의 일치의 이상적인 경우에 대하여, 척도 α = ½이며, ε₁과 ε₂가 상이한 경우, α는 더 작아진다. Is used as a measure of the degree of agreement of the dielectric constant or dielectric constant. According to the present invention,? 1 is the lower one of the two relative permittivities involved, and? 2 is the higher one. For an ideal case of coincidence of ε1 and ε2, the scale is α = ½, and when ε₁ and ε₂ are different, α becomes smaller.
제1 및 제2 유전율 ε₁, ε₂를 갖는 재료가, 상이한 재료, 바람직하게는 고체 전해질 및 액체 전해질를 포함하는 경우가 특히 바람직하다. It is particularly preferable when the material having the first and second permittivities? 1 and? 2 includes different materials, preferably a solid electrolyte and a liquid electrolyte.
계면을 통한 전류를 얻기 위하여, 예를 들어 문헌[K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid/liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, No. 14, p. 2321-2327 (1996)]에서 개시된 바와 같이 버틀러-볼머 식(Butler-Volmer equation)을 분석한다. 이 문헌의 개시 내용은 그 전체 범위가 본 명세서에 포함된다. 계면을 통한 전류에 대하여, 이하의 식이 적용된다:To obtain current through the interface, for example, see K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid / liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, No. 14, p. The Butler-Volmer equation is analyzed as described in < RTI ID = 0.0 > J. < / RTI > 2321-2327 (1996). The disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety. For current through the interface, the following equation applies:
(2) (2)
여기서 전류 밀도 j0는, 특히 전하 수송체 밀도와 (기하급수적으로) 온도에 의존하는 상수이다. 이에 관하여, 문헌[K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid/liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, Nr. 14, p. 2321-2327 (1996)]을 다시 참조한다. 는 계면에서의 정규화된 전압이고, eq는 장이 외부에서 가해지지 않고 전압이 오직 (양측의 에너지 준위 및 활동도의 동등성이 유지될 필요는 없는 일반적인 경우에) 전하 수송체의 확산으로 인하여 수립될 때 정규화된 전압이 얻는 이의 평형 값이다. 차 - eq는 정규화된 과전압이다. 계면에서 정규화된 전압에 대하여, 이하의 식이 적용된다:Where the current density j 0 is a constant, which depends in particular on the charge carrier density and (exponentially) temperature. In this regard, reference is made to K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid / liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, Nr. 14, p. 2321-2327 (1996). Is the normalized voltage at the interface, eq is the equilibrium value of the normalized voltage obtained when the field is not externally applied and the voltage is only established due to the diffusion of the charge carrier (in the general case where the energy level and activity equivalence of both sides need not be maintained) . car - eq is the normalized overvoltage. For a normalized voltage at the interface, the following equation applies:
(3) (3)
여기서 z는 전하 수송체의 전하수이다. 본 실시예에서 z = 1이다. F는 파라데이 상수이고, R은 기체 상수이고, T는 절대 온도이며 Φ1 ,2는 두 인접 매질이 존재하는 전위(potential)이다. 과전압 (Φ1-Φ2)-(Φ1-Φ2)eq는 정규화된 과전압으로부터 하기와 같이 얻어진다:Where z is the charge number of the charge carrier. In the present embodiment, z = 1. F is the paradigm constant, R is the gas constant, T is the absolute temperature, and Φ 1 , 2 is the potential in which the two adjacent media are present. The overvoltage (Φ 1 - Φ 2 ) - (Φ 1 - Φ 2 ) eq is obtained from the normalized overvoltage as follows:
(4) (4)
지수 공식 (2)는 예를 들어, 2차로 확장될 수 있다. 이는 하기와 같다:The exponential formula (2) can be expanded, for example, by a second order. This is as follows:
(5) (5)
비유전율 ε₁, ε₂가 일치하는 경우에 있어서, 척도 α = ½이며, 옴의 법칙은 계면 전도율으로서의 j0·zF/(RT) 또는 비 계면 저항(specific interfacial resistance)으로서의 역수(reciprocal)로 얻어진다. ε₁이 ε₂와 상이한 경우, 더이상 α = ½이 아니며, 이때 0이 아닌 추가 항으로 인해, 과전압의 부호에 따라, α = ½인 경우에 비해 증가된 또는 감소된 전류, 즉 감소된 또는 증가된 유효 계면 저항(effective interfacial resistance)이 얻어진다(본 발명자들은 선형 관계에 관계 없이 형성된 전류 및 과전압의 지수(quotient)를 유효 계면 저항으로 표기한다). 따라서 - eq에 대한 j의 커브의 선형 범위는 감소된다. 예를 들어, 3층 구조가 예를 들어 중앙의 고체 전해질과 양측의 두 개의 액체 전해질로 고려되는 경우, 각 경우 증가된 유효 계면 저항은 두 계면 중 하나에 영향을 미친다. 그 영향이 얼마나 큰지는 전압 관계(voltage relationship), 즉 각 과전압이 선형 범위로부터 얼마나 초과되는지에 의존한다. 3층 구조에 충분히 큰 전압이 인가되는 경우, 계면에서 증가된 유효 계면 저항은 전체 구조의 증가된 유효 저항으로 표현된다. 본 발명자들은 또한 선형 범위의 확대가 온도 의존적임에 주목하였다. 온도가 높을수록, 식 (5)의 이차항은 일차항에 비해 작아진다. In the case where the relative
측정된 계면 저항에 있어서, j0의 상기 언급된 온도 의존성이 또한 작용한다. For the measured interfacial resistance, the above-mentioned temperature dependence of j 0 also works.
선형 작업 범위의 제약을 특징화하는 상한으로서, 식 (5) 우변의 일차항(first order term) 및 이차항(second order term)의 반대 작용시, - eq의 함수로서의 j가 최대에 도달하는 경우가 가정된다. 값(파라데이 상수 96485 C/mol, 기체 상수 8.314 J/(mol K))의 치환은 이 경우에서의 과전압과 α 사이의 관계를 제공한다:As an upper limit characterizing the constraint of the linear working range, in the opposite operation of the first order term and the second order term of the right side of equation (5) - It is assumed that j as a function of eq reaches a maximum. Substitution of the value (paradise constant 96485 C / mol, gas constant 8.314 J / (mol K)) provides the relationship between overvoltage and α in this case:
(6) (6)
T = 실온에 대하여 하기와 같이 주어진다:T = room temperature is given as follows:
표 1Table 1
전류-전압 커브의 대략적인 선형성이 주어져야 하는 과전압 범위의 함수로서의 α의 최소값The approximate linearity of the current-voltage curve should be given as the minimum value of a as a function of the overvoltage range
이는, 매우 상이한 비유전율 및 따라서 α << 0.5에 대하여, 아주 작은 선형 범위만이 가능하다는 것을 의미한다. 과전압에 대한 전류 밀도 j의 선형 의존성이 존재해야하는 경우, 1 V 이상의 상기 과전압의 선형 범위에 있어서, α의 값은 0.5이거나 적어도 α > 0.488이며, 따라서 ε₁는 ε₂와 거의 같다. This means that for very different relative dielectric constants and therefore for << 0.5, only a very small linear range is possible. If there is a linear dependence of the current density j on the overvoltage, then in the linear range of the overvoltage above 1 V, 0.5 or at least α> 0.488, so ε₁ is almost equal to ε₂.
계면 저항은 측정 기술에 있어서 그리고 구체적으로 임피던스 분광법을 사용하여 입수 가능하다. 임피던스 분광법에서, 높은 관련 정전용량으로 인해 계면 임피던스가 체적 임피던스와 분리됨에 따라 계면 임피던스가 측정될 수 있다. Interfacial resistance is available in measurement techniques and specifically using impedance spectroscopy. In impedance spectroscopy, the interface impedance can be measured as the interfacial impedance is separated from the volumetric impedance due to the high associated capacitance.
그러므로, 본 발명에 따라, 비유전율 ε₁을 특징으로 하는 1 이상의 전해질 층과 비유전율 ε₂를 특징으로 하는 1 이상의 추가 전해질 층을 포함하는 다층 구조를 갖는, 실온 범위 내에서의 용도를 위해 제공되는 전해질에서, 하나의 전해질 층의 전해질과 추가 전해질 층의 전해질은, 계면에서 척도 α가 0.244 < α ≤ 0.5, 바람직하게는 0.371 ≤ α < 0.5, 특히 바람직하게는 0.436 < α ≤ 0.5, 더 바람직하게는 0.475 < α ≤ 0.5, 보다 특히 바람직하게는 0.488 < α ≤ 0.5, 더욱 더 바람직하게는 0.49 < α ≤ 0.5의 범위 내가 되도록 선택되며, 여기서 ε₁은 항상 인접 매질의 비유전율 중 낮은 쪽이고 ε₂는 높은 쪽이다. 전해질이 복수의 계면을 갖는 복수의 전해질 층을 포함하고, 여기서 각 계면이 비유전율을 갖는 경우, 복수의 계면 각각에서 정의된 척도 αn = ε₁n / (ε₁n + ε₂n)에 대하여 조건은 값 αn이 상기 정의된 제약 내에 존재하도록 부과되어야 한다. α 값이 0.436 < α ≤ 0.5, 특히 0.488 < α ≤ 0.5의 범위 내에 존재하는 경우가 아주 바람직하다. 이 경우, 과전압이 0.2 V까지, 바람직하게는 1 V까지 선형적으로 흐르는 계면 영역에서 비교적 큰 선형 범위의 과전압이 달성된다. Therefore, according to the present invention, there is provided an electrolyte solution for use in a room temperature range, which has a multilayer structure including at least one electrolyte layer characterized by a relative dielectric
적어도 -40℃ 내지 +85℃, 바람직하게는 -70℃ 내지 +100℃의 온도 범위에 걸쳐 가능한 한 가장 큰 선형 작업 범위를 제공하기 위하여, -40℃ 내지 +85℃, 즉 258K 내지 383K, 바람직하게는 -70℃ 내지 +100℃, 즉 228K 내지 398K의 온도 범위에 대한 αn의 온도 의존적인 값은 부등식 0.5 - 0.256*T/298K < αn ≤ 0.5, 바람직하게는 0.5 - 0.128*T/298K < αn ≤ 0.5, 특히 바람직하게는 0.5 - 0.064*T/298K < αn ≤ 0.5, 아주 특히 바람직하게는 0.5 - 0.025*T/298K < αn ≤ 0.5, 더 바람직하게는 0.5 - 0.012*T/298K < αn ≤ 0.5, 보다 더 바람직하게는 0.5 - 0.006*T/298K < αn < 0.5을 만족시키며, 이는 0.05 V 이하, 바람직하게는 0.1 V 이하, 특히 바람직하게는 0.2 V 이하, 아주 특히 바람직하게는 0.5 V 이하, 더 바람직하게는 1 V 이하, 보다 더 바람직하게는 2 V 이하의 요구된 선형 범위를 삽입함으로써 상기 식 (6)으로부터 얻어진다. 이 경우, T는 단위 K의 상기 특정된 온도에서 삽입된다. 이 요건은 온도 범위뿐만 아니라 또한 전기화학 에너지 저장 디바이스가 사용되는 주파수 범위에 대해서도 부과되는데, 이는 비유전율이 상기 나타난 바와 같이 또한 주파수 의존적이기 때문이다. In order to provide the largest linear working range possible over the temperature range of at least -40 ° C to + 85 ° C, preferably -70 ° C to + 100 ° C, a temperature range of from -40 ° C to + 85 ° C, , The temperature dependent value of? N over the temperature range of -70 DEG C to +100 DEG C, i.e. 228K to 398K, is in the range of 0.5 to 0.256 * T / 298K <? N ? 0.5, preferably 0.5 to 0.128 * T / 298K <? N ? 0.5, particularly preferably 0.5-0.064 * T / 298K <? N ? 0.5, very particularly preferably 0.5-0.025 * T / 298K <? N ? 0.5, more preferably 0.5-0.012 * T / 298K <? N ? 0.5, more preferably 0.5-0.006 * T / 298K <? N <0.5, which is 0.05 V or less, preferably 0.1 V or less, particularly preferably 0.2 V or less, Very particularly preferably not more than 0.5 V, more preferably not more than 1 V, even more preferably not more than 2 V, Emitter is obtained. In this case, T is inserted at the specified temperature of the unit K. This requirement applies not only to the temperature range but also to the frequency range in which the electrochemical energy storage device is used, since the relative dielectric constant is also frequency dependent as indicated above.
제1 유전율 ε₁을 갖는 제1 전해질이 고체 전해질이고 제2 유전율 ε₂를 갖는 다른 전해질이 액체 전해질인 경우가 특히 바람직하다. It is particularly preferable that the first electrolyte having the first permittivity? 1 is a solid electrolyte and the other electrolyte having a second permittivity? 2 is a liquid electrolyte.
바람직하게는 무기 재료, 특히 유리 재료 또는 세라믹 재료, 특히 유리 세라믹 재료 또는 전도성 필러가 제공된 폴리머 재료, 특히 본 발명에 따른 유리 또는 본 발명에 따른 유리 세라믹 또는 세라믹으로 제조된 분말 또는 입상 재료가 고체 전해질로서 사용된다. Preferably a glass material or a ceramic material, in particular a polymer material provided with a glass ceramic material or a conductive filler, in particular a glass according to the invention or a powder or granular material made from glass ceramics or ceramics according to the invention, .
특히 전기화학 에너지 저장 디바이스의 분야에서의 적용에 있어서, Li를 포함하는 고체 전해질, 예를 들어, 리튬 알루미늄 게르마늄 포스페이트, 리튬 란타넘 지르코네이트 또는 LiSICon 결정 상, 즉 리튬 초이온 전도체(lithium super ionic conductor, LiSICon) 결정 상을 갖는 시스템이 아주 특히 바람직하다. Particularly in applications in the field of electrochemical energy storage devices, solid electrolytes containing Li, such as lithium aluminum germanium phosphate, lithium lanthanum succinate or LiSICon crystal phases, i.e., lithium super ionic conductor, LiSICon) crystal phase is very particularly preferred.
1 이상의 비수 용매의 혼합물, 특히 1 이상의 플루오르화물 전도성 염, 바람직하게는 LiPF6을 갖는 탄산염 함유 용매가 액체 전해질로서 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트(BC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 비닐렌 카보네이트(VC), 메틸 에틸 카보네이트(EMC), 1,2-디메톡시에탄(dME), 1,2-디에톡시에탄(DEE), γ-부티로락톤(γ-BL), 술폴란, 아세토니트릴, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸술폭사이드(DMSO), 에틸 아세테이트(EA), 1,3-디옥솔란(DOL), 테트라히드로퓨란(THF), 테트라(에틸렌 글리콜)-디메틸에테르(TEGDME), 트리(에틸렌 글리콜)디메틸(TEGD)이 예시적인 용매로서 고려된다. 용매는 단독으로 또는 적합한 혼합물로서 사용될 수 있다. 예시적인 혼합물은 50/50 (wt. %) 비의 EC/DMC 또는 (DMC+EMC)에 대한 EC의 비가 < 1인 전해질 혼합물이다. LiPF6은 단독으로 또는 다른 전도성 염과의 조합으로 사용될 수 있다. 후자는 예를 들어 LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiB (C6H5)4, Li CH3, SO3, Li CF3 SO3, Li N (SO2 CF3)2, Li C (SO2CF3)3, LiAlCl4, LiSiF6Li [(OCO)2]2 B, LiDFOB, LiCl, 및 LiBr을 포함한다. It is preferable that a carbonate-containing solvent having a mixture of at least one non-aqueous solvent, particularly at least one fluoride conductive salt, preferably LiPF 6 , is used as the liquid electrolyte. Examples of the solvent include ethylene carbonate, butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), vinylene carbonate (VC), methyl ethyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane ), 1,2-diethoxyethane (DEE),? -Butyrolactone (? -BL), sulfolane, acetonitrile, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (TEGD) as an illustrative solvent, such as ethyl acetate (EA), 1,3-dioxolane (DOL), tetrahydrofuran (THF), tetra (ethylene glycol) -dimethyl ether do. The solvent may be used alone or as a suitable mixture. An exemplary mixture is an electrolyte mixture with a ratio of EC / DMC of 50/50 (wt.%) Or EC of (DMC + EMC) <1. LiPF 6 may be used alone or in combination with other conductive salts. The latter example LiBF4, LiAsF 6, LiClO 4, LiB (C 6 H 5) 4, Li CH 3, SO 3, Li CF3 SO3, Li N (SO 2 CF 3) 2, Li C (SO 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 Li [(OCO) 2 ] 2 B, LiDFOB, LiCl, and LiBr.
비수 용매에 비한 LiPF6 또는 전도성 염 혼합물의 농도는 0.1 M(mol/dm3) 내지 5.0 M(mol/dm3), 바람직하게는 0.5 M(mol/dm3) 내지 3.0 M(mol/dm3)의 범위 내인 것이 바람직하지만 이에 제한되지 않는다. Non-aqueous LiPF 6 or the concentration of conductive salt mixture ruthless the solvent is 0.1 M (mol / dm 3) to 5.0 M (mol / dm 3) , preferably from 0.5 M (mol / dm 3) to 3.0 M (mol / dm 3 ), But is not limited thereto.
다층 구조 및 최소화된 계면 저항을 갖는 전해질 외에도, 본 발명은 또한, 비유전율 ε₁을 특징으로 하는 1 이상의 전해질 층과 비유전율 ε₂를 특징으로 하는 1 이상의 추가 전해질 층을 갖는 다층 구조를 갖는 본 발명에 따른 전해질을 포함하는, 전기화학 에너지 저장 디바이스, 특히 배터리 셀을 기술하며, 상기 비유전율은 0.244 내지 0.5의 척도 α의 특정된 범위 내에 존재한다. In addition to the electrolyte having a multilayer structure and a minimized interface resistance, the present invention also provides a multilayer structure having at least one electrolyte layer characterized by a relative dielectric
전체적으로 3개의 전해질 층, 즉 2개의 액체 전해질 층과 또한 액체 전해질 층 사이에 배치된 고체 전해질 층을 포함하는 전기화학 에너지 저장 디바이스가 특히 바람직하며, 여기서 3개의 전해질 층의 비유전율 ε₁, ε₂, 이뿐만 아니라 ε₃은, 이들이 실질적으로 일치하고 따라서 가능한 한 가장 큰 선형 작업 범위 및 최소화된 계면 저항을 갖는 전기화학 에너지 저장 디바이스가 제공되도록 선택된다. An electrochemical energy storage device comprising three electrolyte layers as a whole, that is, an electrochemical energy storage device including two liquid electrolyte layers and a solid electrolyte layer disposed between the liquid electrolyte layers is particularly preferable, wherein the relative
본 발명은 예시적 실시양태 및 도면을 참조하여 한정되지 않으면서 이하 내용에서 상세히 설명될 것이다. The invention will be described in detail in the following description without being limited by reference to the exemplary embodiments and the drawings.
도면에서는:
도 1a 내지 도 1d에서는, 리튬 알루미늄 게르마늄 포스페이트 유리 세라믹을 고체 전해질로서 사용하는 다층 구조를 갖는 전해질의 나이퀴스트 선도(Nyquist diagram)를 나타낸다. -40℃(도 1a), -20℃(도 1b), 0℃(도 1c) 및 20℃(도 1d)의 상이한 온도에서 프로필렌 카보네이트(PC) 또는 1,2-디메톡시에탄(DME)이 액체 전해질로서 사용된다. In the drawing:
1A to 1D show a Nyquist diagram of an electrolyte having a multilayer structure using lithium aluminum germanium phosphate glass ceramic as a solid electrolyte. (PC) or 1,2-dimethoxyethane (DME) at different temperatures of -40 DEG C (FIG. 1A), -20 DEG C (FIG. 1B), 0 DEG C It is used as a liquid electrolyte.
도 1a 내지 도 1d에서는, 예시적 실시양태로서 리튬 알루미늄 게르마늄 포스페이트 유리 세라믹(LAGP) 및 액체 전해질(한 경우에서는 PC이고 다른 경우에서는 DME)의 두 조합을 나타낸다. 이는 3층 구조를 포함하며, 여기서 고체 전해질 LAGP는 2개의 동일한 액체 전해질 - 한 경우에서는 PC이고 다른 경우에서는 DME - 사이에 배치된다. 두 경우 모두에서 전도성 염은 LiTFSI(용매 1 kg당 1 mol)이다. 다층 구조를 갖는 전해질은, 노보콘트롤(Novocontrol)사제 알파 분석기(alpha analyzer)(주파수 범위 0.01 Hz 내지 20 MHz)를 사용하는 복합 임피던스(complex impedance)의 측정(고체 전해질의 한 측 및 다른 측에서 두 액체 전해질 구역에서 각각 두 측정 전극을 사용하는 4점 측정)을 사용하여 계면 저항의 규모 및 발생에 대하여 및 고체 전해질의 체적 저항에 대하여 조사하였다. 4점 측정의 원리에 관하여 문헌[Mirko Hofmann, Integrated impedance spectroscopy of aerobic cell cultures in biotechnological high throughput screenings, thesis, RWTH Aachen, Faculty for Electrical Engineering and Information Technology, 2009]를 참조한다.1A-1D show two combinations of lithium aluminum germanium phosphate glass ceramic (LAGP) and liquid electrolyte (PC in one case and DME in the other case) as exemplary embodiments. This involves a three-layer structure, where the solid electrolyte LAGP is placed between two identical liquid electrolytes-PC in one case and DME- in the other case. In both cases the conductive salt is LiTFSI (1 mol per kg of solvent). The electrolyte with a multilayer structure can be measured by measuring the complex impedance using a Novocontrol alpha analyzer (frequency range from 0.01 Hz to 20 MHz) (from one side of the solid electrolyte and two from the other side) 4 - point measurement using two measuring electrodes in the liquid electrolyte zone) was used to investigate the magnitude and occurrence of interfacial resistance and the volume resistivity of the solid electrolyte. Refer to Mirko Hofmann, Integrated impedance spectroscopy of aerobic cell cultures in biotechnological high throughput screenings, thesis, RWTH Aachen, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology, 2009, for the principle of four-point measurement.
프로필렌 카보네이트(PC)의 비유전율은 64.4이다. 이에 관하여, 문헌[Fujinaga, K. Izutsu, "Propylene Carbonate purification and tests for purity, Pure and Applied Chemistry 27 No. 1 (1971), p. 273-280"]을 참조하고, 이의 개시 내용은 그 전체 범위가 본 명세서에 포함된다. 1,2-디메톡시메탄(DME)의 비유전율은 7.2이다. 이에 관하여, 문헌[R. Montadi, M. Matsu, I.S. Arthur, S.-J. Hwang, "Magnesium Borohydride: From Hydrogen Storage to Magnesium Battery", Angewandte Chemie International Edition 51, No. 39 (2012), p. 9780-9783]을 참조하고, 이의 개시 내용은 그 전체 범위가 본 명세서에 포함된다. The relative dielectric constant of propylene carbonate (PC) is 64.4. Reference is made to Fujinaga, K. Izutsu, "Propylene Carbonate purification and tests for purity, Pure and Applied Chemistry 27 No. 1 (1971), p. 273-280" Are included herein. The relative dielectric constant of 1,2-dimethoxy methane (DME) is 7.2. In this regard, reference is made to R. Montadi, M. Matsu, I.S. Arthur, S.-J. Hwang, "Magnesium Borohydride: From Hydrogen Storage to Magnesium Battery ", Angewandte Chemie International Edition 51, No. 2; 39 (2012), p. 9780-9783, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.
온도에 따라 기하급수적으로 감소하는 계면 저항의 온도 의존성의 관점에서, 나이퀴스트 선도를 유도하는 주파수 의존적인 측정은 상이한 온도(-40℃, -20℃, 0℃, 20℃, 도 1a 내지 도 1d 참조)에서 수행하였다. -40℃의 최저 온도는 자동차 분야의 적용에서 중요한 -40℃ 내지 85℃의 온도 스케일의 최저 한계이다. 하나의 액체 전해질 층/하나의 고체 전해질 층/하나의 액체 전해질 층을 갖는 전해질의 샘플 치수는 높이가 2 mm이고 직경이 7.65 mm이었다. From the viewpoint of the temperature dependence of the interfacial resistance which decreases exponentially with temperature, the frequency dependent measurement leading to the Nyquist curve is carried out at different temperatures (-40 캜, -20 캜, 0 캜, 20 캜, 1d). The lowest temperature of -40 ° C is the lowest limit of the temperature scale of -40 ° C to 85 ° C, which is important in automotive applications. The sample size of the electrolyte having one liquid electrolyte layer / one solid electrolyte layer / one liquid electrolyte layer was 2 mm in height and 7.65 mm in diameter.
-40℃에서 측정된 위치(locus) 1(나이퀴스트 선도)은 높은 주파수에서 2개의 강하게 겹치는(overlapping) 반원(semicircle) 10, 12, 이뿐만 아니라 낮은 주파수에서, 다른 2개로부터 보다 강하게 분리되는 추가 반원 14.1(액체 전해질 DME에 대하여), 14.2(액체 전해질 PC에 대하여)를 나타내었다. 측정 전압은 0.1 V였다. Locus 1 (Nyquist plot) measured at -40 ° C shows two strongly overlapping semicircles 10 and 12 at higher frequencies, as well as at a lower frequency, more strongly separated from the other two 14.1 (for liquid electrolyte DME), and 14.2 (for liquid electrolyte PC). The measured voltage was 0.1 V.
나이퀴스트 평가는 상기 3 반원에 대한 하기 저항 또는 정전용량 값을 산출하였다:The Nyquist evaluation yielded the following resistance or capacitance values for the three semicircles:
제3 반원 14.1, 14.2는 계면 저항을 표현한다. 조합 액체 전해질 DME/고체 전해질 LAGP/액체 전해질 DME(위치 100) 및 액체 전해질 PC/고체 전해질 LAGP/액체 전해질 PC(위치 200)에 대한 도 1a 내지 도 1d의 나이퀴스트 선도 중의 상이한 위치로부터 추론할 수 있는 바와 같이, 위치 200은 강하게 구별된 반원 14.2를 갖고 따라서 위치 100보다 강한 전류 감소 효과를 갖는 높은 계면 저항을 가진다. 이는 또한 본 발명에 따라 매개변수 α로 표현된다. 따라서, 전해질 쌍 DME/LAGP에 대해 α = 0.395가 얻어진다. 전해질 쌍 PC/LAGP에 대해 α = 0.145가 얻어진다. 첫번째 경우에서 α는 0.5에 근접하고 따라서 선형 범위에 존재하며, 두번째 경우에서 이는 그보다 훨씬 낮게 존재한다. 계면 저항은 미스매칭된(mismatched) 경우인 PC/LAGP에서 특히 심하게 증가한다. The third semicircle 14.1, 14.2 represents the interfacial resistance. It is to be inferred from different positions in the Nyquist plot of FIG. 1A-1D for the combined liquid electrolyte DME / solid electrolyte LAGP / liquid electrolyte DME (position 100) and liquid electrolyte PC / solid electrolyte LAGP / liquid electrolyte PC (position 200) As can be appreciated, position 200 has a highly discriminating semicircular < RTI ID = 0.0 > 14.2 < / RTI > It is also represented by the parameter a according to the invention. Therefore,? = 0.395 is obtained for the electrolyte pair DME / LAGP. Alpha = 0.145 is obtained for the electrolyte pair PC / LAGP. In the first case, α is close to 0.5 and therefore in the linear range, and in the second case it is much lower. Interfacial resistance is particularly severely increased in PC / LAGP where it is mismatched.
고체 전해질에 대한 액체 전해질의 대응(adaptation) 및 적합한 용매, 즉 고체 전해질 LAGP에 대한 DME에 선택에 의해 달성되는 것인, 비유전율이 본 발명에 따라 매칭되는 경우, 낮은 계면 저항이 얻어진다. 이것은 0.5에 근접한 α 값에 의해 표현된다. A low interfacial resistance is obtained when the relative dielectric constant, which is achieved by the choice of the adaptation of the liquid electrolyte to the solid electrolyte and the selection of a suitable solvent, DME for the solid electrolyte LAGP, according to the invention. This is represented by a value close to 0.5.
그러나 나이퀴스트 선도를 얻지 않은 추가 예시적인 실시양태에서, 고체 전해질은 LLZO(리튬 란타넘 지르코네이트)이다. 고체 전해질 LLZO의 비유전율 값은 22.4이다. 본 발명에 따른 범위에서 α를 조정하기 위해서, 용매로서 PC와 DME의 혼합물이 액체 전해질로서 선택되고 비유전율이 22.4로 설정된다. 혼합물의 비유전율은 몰분율로 가중된 개별 유전율의 평균이다. However, in a further exemplary embodiment where the Nyquist line is not obtained, the solid electrolyte is LLZO (lithium lanthanum zirconate). The relative dielectric constant value of the solid electrolyte LLZO is 22.4. In order to adjust? In the range according to the present invention, a mixture of PC and DME as a solvent is selected as a liquid electrolyte and a relative dielectric constant is set to 22.4. The relative dielectric constant of a mixture is the average of the individual permittivities weighted by the mole fraction.
따라서 PC와 DME의 혼합물은, 0.266*64.4+0.734*7.2=22.4이기 때문에, 0.266 부 또는 26.6 mol%의 PC와 0.734 부 또는 73.4 mol%의 DME로 이루어진다. 이 대신에, 예를 들어 28 mol%의 PC와 72 mol%의 DME를 혼합하는 경우, 23.216의 액체 전해질의 비유전율이 얻어진다. 이때 α 값은 0.491이 된다. 추가 예시로서 35 mol%의 PC와 65 mol%의 DME를 혼합하는 경우 27.22의 액체 전해질의 비유전율이 얻어진다. 이때 α 값은 0.451이 된다. Therefore, the mixture of PC and DME is composed of 0.266 parts or 26.6 mol% of PC and 0.734 parts or 73.4 mol% of DME since it is 0.266 * 64.4 + 0.734 * 7.2 = 22.4. Instead, for example, when 28 mol% of PC and 72 mol% of DME are mixed, the relative dielectric constant of the liquid electrolyte of 23.216 is obtained. At this time, the value of alpha becomes 0.491. As a further example, when 35 mol% of PC and 65 mol% of DME are mixed, the relative dielectric constant of the liquid electrolyte of 27.22 is obtained. At this time, the value of alpha is 0.451.
역으로 고체 전해질의 비유전율을 액체 전해질에 매칭하려는 경우, 이는 적합한 고체 전해질을 선택함으로써 달성된다. Conversely, if the relative dielectric constant of the solid electrolyte is to be matched to the liquid electrolyte, this is achieved by selecting a suitable solid electrolyte.
본 발명에 있어서, 예시적인 실시양태로부터 확인될 수 있는 놀라운 결과는, 심지어 부분 결정질 고체 전해질에 대해서도 액체 전해질에 대한 계면 저항이 단순한 비유전율의 매칭에 의해 최소화될 수 있음을 알려준다. In the present invention, the surprising results that can be ascertained from the exemplary embodiments show that even for partially crystalline solid electrolytes, the interfacial resistance to the liquid electrolyte can be minimized by matching the relative dielectric constant.
본 발명에 있어서, 최초로 유전율에 대한 제약이, 다층 전해질에 대하여 계면 저항이 최소화되고 특히 -40℃ 내지 +85℃의 큰 온도 범위에 걸친 전압의 인가시 계면을 통한 전류 프로필의 선형 거동이 전압의 함수로서 기대될 수 있는 것 내에서 주어진다. In the present invention, the first constraint on the permittivity is that the interface resistance is minimized for the multilayer electrolyte and the linear behavior of the current profile through the interface during application of a voltage over a large temperature range of -40 DEG C to + 85 DEG C, It is given within what can be expected as a function.
Claims (10)
- 제2 비유전율 ε₂를 특징으로 하는 1 이상의 제2 전해질 층, 및
- 제1 전해질 층과 제2 전해질 층 사이의 계면
을 포함하는 다층 구조를 갖는 전해질로서,
- 제1 비유전율 ε₁과 제2 비유전율 ε₂는 하기 척도(measure) α를 정의하며,
- 제1 전해질 층의 전해질과 제2 전해질 층의 전해질은, 계면에서 척도 α가 0.244 < α ≤ 0.5, 바람직하게는 0.371 < α ≤ 0.5, 특히 바람직하게는 0.436 < α ≤ 0.5, 더 바람직하게는 0.475 < α ≤ 0.5, 특별히 바람직하게는 0.488 < α ≤ 0.5, 더욱 더 바람직하게는 0.494 < α ≤ 0.5의 범위 내가 되도록 선택되며, 여기서 ε₁은 항상 인접 매질의 비유전율 중 낮은 쪽이고 ε₂는 인접 매질의 비유전율 중 높은 쪽
인 것을 특징으로 하는 전해질.At least one first electrolyte layer characterized by a first relative permittivity? 1,
- at least one second electrolyte layer characterized by a second relative dielectric constant? 2, and
An interface between the first electrolyte layer and the second electrolyte layer
An electrolyte having a multi-layer structure,
The first relative dielectric constant? 1 and the second relative dielectric constant? 2 define the following measure?
The electrolyte of the first electrolyte layer and the electrolyte of the second electrolyte layer have a scale of? 0.244 <? 0.5, preferably 0.371 <? 0.5, particularly preferably 0.436 <? 0.5, 0.475 < / = 0.5, particularly preferably 0.488 < / = 0.5, and still more preferably 0.494 < / = 0.5, wherein epsilon 1 is always the lower one of the relative dielectric constant of the adjacent medium, Of the relative dielectric constant of
≪ / RTI >
에 대하여, 계면에서 척도 αn이 0.244 < αn ≤ 0.5, 바람직하게는 0.371 < αn ≤ 0.5, 특히 바람직하게는 0.436 < αn ≤ 0.5, 보다 더 바람직하게는 0.475 < αn ≤ 0.5, 특히 바람직하게는 0.488 < αn ≤ 0.5, 보다 더 바람직하게는 0.494 < αn ≤ 0.5 범위 내이고, 여기서 ε₁n은 항상 인접 매질의 비유전율 중 낮은 쪽이고 ε₂n은 인접 매질의 비유전율 중 높은 쪽인 것을 특징으로 하는 것인 전해질.2. The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the electrolyte comprises a plurality of electrolyte layers having a plurality of interfaces,
With respect to a scale at the interface between α n is 0.244 <α n ≤ 0.5, preferably 0.371 <α n ≤ 0.5, particularly preferably 0.436 <α n ≤ 0.5, 0.475 and more preferably <α n ≤ 0.5, in particular Preferably in the range of 0.488 <? N ? 0.5, more preferably in the range of 0.494 <? N ? 0.5, wherein? 1 n is always the lower one of the relative permittivities of the adjacent medium and? 2n is the higher one of the relative permittivities of the adjacent medium ≪ / RTI >
- 무기 재료, 특히
- 유리 재료 또는
- 유리 세라믹 재료 또는
- 세라믹 재료, 및
- 유기 재료, 특히 전도성 필러가 제공된 폴리머.The electrolyte according to claim 4 or 5, characterized in that the solid electrolyte comprises one of the following materials:
- inorganic materials, especially
- glass material or
- Glass ceramic material or
- a ceramic material, and
- Polymers provided with organic materials, especially conductive fillers.
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