Synthesis of Novel Ionic Liquids for Electrolytes with Unsymmetrical Bis(sulfonyl)imide Anions containing a 2-carboxyethyl functional group

Abstract

Ionic liquids (ILs) are attracting lots of attention as promising electrolytes in lithium ion batteries (LIB). Due to the unique properties of ILs including high ionic conductivity, non-flammability, negligible vapor pressure, and wide electrochemical window, there have been a number of researches to develop high-performance ILs to replace the conventional carbonate electrolytes. In this research, four kinds of novel ionic liquids were synthesized in 77 ~ 82% yields for 5 steps. The prepared ILs consist of 3-methylpyridinium-based cation and unsymmetrical bis(sulfonyl)imide anion. To ensure the purity, the prepared ILs were analyzed by 1H-NMR, 13C-NMR, 19F-NMR, and elemental analysis. For the purpose of electrochemical applications, viscosity and ionic conductivity of these ILs were measured. Furthermore, the binary mixtures of the synthesized ILs and carbonate electrolytes (EC/DEC 1:2 mixture) were prepared, and their physical and electrochemical properties were measured to test the ILs performance when they are used as additives. Although the pure ILs were highly viscous and indicated low ionic conductivity that is less than 1 mS/cm, the ionic conductivity of the binary mixtures was drastically increased as the concentration of the ILs dilutes. In the case of 1-allyl-3-methylpyridinium ((3-methoxy-3-oxopropyl)sulfonyl)((trifluoromethyl)sulfonyl)amide (C1A2-Ester), the conductivity value of its 40:60 binary mixture was 8.84 mS/cm, which is about 14 times higher than that of pure C1A2-Ester. This result indicates that the synthesized ILs have the potential to be an outstanding additive for battery electrolytes.

이온성 액체는 리튬 이온 전지의 차세대 전해질로서 많은 주목을 받고 있는 물질이다. 이온성 액체의 높은 이온전도도, 비인화성, 매우 낮은 증기압, 넓은 전압 범위에서의 전기화학적 안정성 등과 같은 독특한 특징 때문에, 기존의 카보네이트 전해질을 대체할 수 있는 고성능 이온성 액체를 개발하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는, 4 종류의 보고되지 않은 이온성 액체를 5 스텝에 걸쳐 77 ~ 82%의 수율로 합성하였다. 합성한 이온성 액체는 3-methylpyridinium 기반 양이온과, 비대칭 bis(sulfonyl)imide 계열 음이온으로 구성되어 있다. 합성한 이온성 액체는 1H-NMR, 13C-NMR, 19F-NMR, 원소 분석과 같은 방법으로 철저하게 분석하여 높은 순도를 확인하였다. 전해질로서의 적용을 알아보기 위해 점도와 이온전도도 역시 측정하였다. 나아가서, 합성한 이온성 액체와 카보네이트 전해질 (EC/DEC 1:2 혼합물)의 이원 혼합물을 여러 농도로 제조하였으며, 이 이원 혼합물의 점도와 이온전도도도 측정하여 본 연구의 이온성 액체가 첨가제로 사용되었을 때의 성능도 확인하였다. 순수한 이온성 액체는 점도가 매우 높았고 1 mS/cm 이하의 낮은 이온 전도도를 보였으나, 이원 혼합물의 이온 전도도는 이온성 액체의 농도가 묽어짐에 따라 급격히 증가하였다. 특히 합성한 이온성 액체 중 하나인 C1A2-Ester의 경우, 40:60 이원 혼합물의 이온 전도도 값은 8.84 mS/cm였으며, 이는 순수한 C1A2-Ester의 이온 전도도보다 약 14배 높은 값이었다. 이러한 연구 결과는 본 연구에서 합 성한 이온성 액체가 뛰어난 배터리 전해질 첨가제가 될 수 있는 잠재력이 있다는 것을 보여준다.