전해질 조성물 document_id A220623107360

전자 장치의 급속한 발전은 연료 전지, 커패시터, 전기변색 창(electrochromic window), 및 배터리 시스템과 같은 전기화학 장치에 대한 시장의 요구를 증가시켰다. 특히 배터리 시스템에 대한 요구에 응답하여, 실용적인 재충전식 리튬 배터리가 활발하게 연구되고 있다. 이들 시스템은 전형적으로 리튬 금속, 리튬화 탄소(lithiated carbon) 또는 리튬 합금을 음극(애노드)으로 사용하는 것에 기초한다. 리튬 배터리는 하나 이상의 리튬 전기화학 전지로부터 제조된다. 그러한 전지는 전기적으로 분리되어 이격된 양극 및 음극 사이에 개재된 비수성 리튬 이온-전도성 전해질 조성물로 구성되었다. 전해질 조성물은 전형적으로 비수성 비양성자성(aprotic) 유기 전해질 용매(흔히 용매 혼합물) 중의 리튬 전해질 염의 액체 용액이다. 재충전식 리튬 배터리를 위한 전해질 용매의 선택은 최적 배터리 성능에 있어 결정적이며 여러가지 다양한 인자들을 포함한다. 그러나, 대규모 상업적 응용에 있어서는, 장기간의 안정성, 이온 전도성, 안전성 및 습윤 능력(wetting capability)이 가장 중용한 선택 인자인 경향이 있다. 장기간의 안정성을 위해서는 전해질 용매가 배터리의 작동 온도 및 전압 범위에 걸쳐서 본질적으로 안정할 필요가 있으며, 또한 전극 재료와 반응하지 않거나 우수한 이온 전도성을 가진 보호막(passivating film)을 효과적으로 형성할 필요가 있다. 이온 전도성을 위해서는 리튬 전해질 염을 효과적으로 용해하고 리튬 이온의 이동을 용이하게 하는 전해질 용매가 필요하다. 안정성의 관점에서, 낮은 휘발성, 낮은 인화성, 낮은 가연성, 및 낮은 독성의 특성들이 모두 매우 바람직하다. 또한, 신속한 배터리 제조를 용이하게 하고 배터리 성능을 최적화하기 위하여, 배터리의 전극 및 분리기(separator)가 전해질 용매에 의해서 신속히 그리고 완전하게 습윤되는 것이 바람직하다. 비양성자성 액체 유기 화합물이 리튬 배터리에 가장 일반적으로 사용되고 있는 전해질 용매였다. 흔히, 에테르 또는 탄산 에스테르(카르보네이트)와 같은 화합물들이 사용되었는데, 이는 이러한 화합물들이 Li+/Li에 대해 약 4.4 V 미만에서 작동하는 양극에서의 산화 안정성, 리튬-함유 음극과의 낮은 반응성, 및 리튬 이온과의 열역학적으로 유리한 상호작용(이는 전해질 조성물에서 전해질 염의 음이온 및 리튬 양이온의 높은 분해도로서 입증된다)이라는 바람직한 특성을 전형적으로 공유하기 때문이다. 리튬 배터리용인 가장 일반적으로 사용되는 비양성자성 유기 전해질 용매는 사이클릭 에스테르(예를 들어, 에틸렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, γ-부티로락톤), 선형 에스테르, 사이클릭 에테르(예를 들어, 2-메틸테트라하이드로푸란, 1,3-다이옥솔란), 선형 에테르(예를 들어, 1,2-다이메톡시에탄), 아미드, 및 설폭사이드를 포함한다. 전해질 조성물의 특성(전도성, 점성 등) 및 리튬에 대한 이의 반응성이 종종 최적 성능을 제공하도록 '맞춤될(tailored)' 수 있기 때문에, 혼합된 용매가 때때로 바람직하다. 카르복실산 에스테르, 설폭사이드, 설폰 및 설폰아미드와 같은 덜 전통적인 용매가 성공 정도를 달리하며 전해질 용매로서 사용되고 있다. 설폰은 실온에서 전형적으로 고체이다. 그러나, 테트라메틸렌 설폰(설포란) 및 에틸 메틸 설폰과 같은 설폰이 전해질 용매로서 사용되고 있다. 용융점이 107℃인 다이메틸설폰이 또한 사용되고 있으나, 그 유용성은 승온에서(즉, 초과시 전해질 조성물이 액체 상태로 유지될 수 있는 온도에서) 작동하는 배터리로 제한되고 있다. 종래의 리튬 배터리 전해질 용매들의 사용에 있어서의 단점들은 일반적으로 이들의 낮은 끓는점 및 높은 인화성 또는 가연성과 관련된다. 사이클릭 카르보네이트 에틸렌 카르보네이트 및 프로필렌 카르보네이트와 같은 몇몇 용매들은 200℃ 초과의 끓는점을 갖는다. 그러나, 많은 전해질 용매가 실질적으로 더 낮은 끓는점을 가지며 38℃(100℉)미만의 인화점을 갖는다. 완전히 또는 부분적으로 충전된 배터리가, 예를 들어, 단락(short circuit)으로 인한 급방전을 겪게 되는 치명적인 고장 시에, 그러한 휘발성 용매들이 점화될 수 있다. 또한, 휘발성 용매들은 전해질 조성물의 제조 및 보관시 뿐만 아니라 제조 공정 동안에 조성물을 배터리에 첨가할 때에도 어려움을 나타낸다. 몇몇 종래의 전해질 용매들의 다른 통상의 문제점은 이들이 종종 배터리 구성요소들을 자발적으로 습윤시킬 수 없을 정도로 너무 높은 표면 에너지를 가진다는 것이다. 발명의 개요 따라서, 본 발명자들은 (종래의 용매들에 비하여) 감소된 휘발성, 인화성 및 가연성을 가지면서, 여전히 효과적으로 전해질 염을 용해하여, 전기화학 장치 구성요소들을 적절히 습윤시키고 작동 온도 범위에 걸쳐서 적당한 이온 전도성을 나타내는 안정한 전해질 조성물을 형성하는 전해질 용매에 대한 당업계에서의 요구가 여전히 남아있음을 인식하고 있다. 간단히 말해서, 일 태양에서, 본 발명은 부분적으로-플루오르화된 에테르 화합물을 함유하는 전해질 조성물을 제공한다. 전해질 조성물은 (a) 2개의 말단 플루오로알킬 기와 하나의 치환되거나 비치환된 개재 옥시메틸렌 기를 포함하는 하나 이상의 하이드로플루오로에테르 화합물을 함유하는 용매 조성물 - 여기서, 각각의 플루오로알킬 기는 단지 하나의 수소 원자, 및 선택적으로 하나 이상의 카테나형(catenated) (즉, 사슬형) 헤테로원자를 포함하되, 단, 하이드로플루오로에테르 화합물의 옥시메틸렌 기가 비치환될 때 (즉, 어떠한 탄소-결합된 수소 원자도 하나 이상의 카테나형 헤테로원자를 선택적으로 포함하는 알킬 또는 플루오로알킬 기로 대체되지 않음) 말단 플루오로알킬 기들 중 하나 이상은 분지되고/되거나 하나 이상의 카테나형 헤테로원자를 포함함 - 과, (b) 적어도 하나의 전해질 염을 함유한다. 전해질 염은 바람직하게 불소-함유 음이온을 포함하는 리튬 염이다. 전술한 신규의 하이드로플루오로에테르 화합물들 중 적어도 몇몇은 놀랍도록 높은 끓는점 및 낮은 휘발성을 가지며, 따라서, 일반적으로, 종래의 전해질 용매보다 덜 인화성이거나 덜 가연성이라는 것을 알아내었다. 그럼에도 본 화합물을 함유하는 용매 조성물은 매우 효과적으로 전해질 염을 용해하여, 전기화학 장치 구성요소들(예를 들어, 분리기)을 적절히 습윤시키고 작동 온도 범위(예를 들어, 특정 응용을 위한 전력 요건에 따라, 약 20℃ 내지 약 80℃ 또는 훨씬 더 높음)에 걸쳐서 전기화학 장치에 사용하기에 적당한 이온 전도성을 나타내는 전해질 조성물을 제공한다. 본 용매 조성물(및 용매 조성물을 함유하는 전해질 조성물)은 또한 하이드로플루오로에테르 화합물의 낮은 휘발성, 인화성 및/또는 가연성으로 인하여, 몇몇 종래의 재료에서보다 보관 및 취급시 존재하는 어려움이 더 적을 수 있다. 하이드로플루오로에테르 화합물들 중 적어도 몇몇은 고온 배터리(예를 들어, 약 60℃ 초과의 온도에서 기능하도록 설계된 배터리)에 사용하기에 특히 적합하다. 그러한 배터리에서, 본 화합물을 함유하는 전해질 조성물은 적당한 전도성을 나타낼 수 있음과 동시에, 치명적인 배터리 고장시에 몇몇 종래의 전해질 조성물보다 점화되는 경향이 적다. 따라서, 하이드로플루오로에테르 화합물을 함유하는 적어도 몇몇의 용매 조성물은 (종래의 용매들에 비하여) 감소된 휘발성, 인화성 및 가연성을 가지며, 여전히 효과적으로 전해질 염을 용해하여, 전기화학 장치 구성요소들을 적절히 습윤시키고 작동 온도 범위에 걸쳐서 적당한 이온 전도성을 나타내는 안정한 전해질 조성물을 형성하는 전해질 용매에 대한 당업계에서의 요구를 충족시킨다. 다른 태양에서, 본 발명은 또한 전해질 조성물을 포함하는 전기화학 장치(바람직하게는, 배터리); 및 전기화학 장치를 포함하는 용품을 제공한다.