JP2022528144A - リチウム二次電池用電解質及びこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用電解質及びこれを含むリチウム二次電池 Download PDF

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Abstract

本発明は、リチウム塩;有機溶媒;及び化学式1で表される化合物から化学式3で表される化合物からなる群から選択される1つ以上のシアノシラン系化合物;を含むリチウム二次電池用電解質、及びこれを含むリチウム二次電池を提供する。

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、2019年5月2日付韓国特許出願第10-2019-0051437号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、リチウム二次電池用電解質及びこれを含むリチウム二次電池に関し、より具体的には、高電圧駆動下でも寿命特性及び容量特性を改善することができるリチウム二次電池用電解質及びこれを含むリチウム二次電池に関する。
リチウム二次電池は、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ及びカムコーダなどの携帯用電源としてだけでなく、電動工具(power tool)、電気自転車、ハイブリッド電気自動車(hybrid electric vehicle、HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(plug-in HEV、PHEV)などの中大型電源としてその応用が急速に拡大されている。このような応用分野の拡大及び需要の増加に伴い、電池の外形的な形状及び大きさも多様に変化しており、既存の小型電池で求められる特性よりもさらに優れた性能と安定性が求められている。リチウム二次電池は、リチウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を負極及び正極として使用し、二つの電極の間に多孔性分離膜を設けた後に液体電解質を注入させて製造され、前記負極及び正極でのリチウムイオンの挿入及び脱離に伴う酸化還元反応によって電気が生成または消費される。
一方、最近、応用分野の拡大によってリチウム二次電池の高エネルギー密度に対する需要が増加しているが、これを達成するためにはリチウム二次電池を高電圧下で駆動する必要がある。しかし、高電圧下では、正極の酸化分解反応により正極表面が損傷され、正極中の遷移金属イオンが溶出されるという問題点がある。このとき、溶出された遷移金属イオンは負極の表面で還元され、負極の表面上にデンドライト(dendrite)を発生させ、これによってリチウム二次電池の性能劣化が加速化され得る。
したがって、高電圧下でリチウム二次電池が駆動されても、正極の酸化分解反応を抑制させ、正極遷移金属イオンが溶出されることを調節することができるリチウム二次電池用電解質に対する開発が求められている。
国際公開第2018/073694号
本発明は、前記のような問題点を解決するためのものであって、高電圧、高温条件下でリチウム二次電池を駆動させる場合にも、正極表面の分解反応を最小化し、正極中の遷移金属イオンが溶出されることを抑制することができるリチウム二次電池用電解質、及びこれを含むリチウム二次電池を提供するためのものである。
一具現例によれば、本発明は、リチウム塩;有機溶媒;及びシアノシラン系化合物を含み、前記シアノシラン系化合物は、下記化学式1で表される化合物から化学式3で表される化合物からなる群から選択される1つ以上であるリチウム二次電池用電解質を提供する。
Figure 2022528144000001
前記化学式1中、前記Rは、水素、シアノ基及び炭素数1から5のアルキル基からなる群から選択される。
Figure 2022528144000002
前記化学式2中、前記R及びRは、それぞれ独立して直接結合または炭素数1から3のアルキレン基であり、R及びRのうち少なくとも1つ以上は炭素数1から3のアルキレン基である。
Figure 2022528144000003
前記化学式3中、前記Rは、直接結合、炭素または炭素数2から5のアルケニル基である。
他の具現例によれば、本発明は、正極;負極;及び前記リチウム二次電池用電解質;を含むリチウム二次電池を提供する。
本発明に係るリチウム二次電池用電解質は、リチウム二次電池が高電圧下で駆動される場合にも、正極表面で発生する酸化分解反応を最小化し、正極中の遷移金属イオンが溶出されることを抑制することで、電池エネルギー密度が改善されるとともに、リチウム二次電池の容量特性及び安全性を向上させることができる。
以下、本発明について、より詳しく説明する。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的かつ辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるという原則に即して、本発明の技術的思想に適合する意味と概念に解釈されなければならない。
本明細書で用いられる用語は、単に例示的な実施形態等を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上、明らかに異なって意味しない限り、複数の表現を含む。
本明細書において、「含む」、「備える」または「有する」などの用語は、実施された特徴、数字、段階、構成要素またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、構成要素、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。
<リチウム二次電池用電解質>
一具現例によれば、本発明は、リチウム塩;有機溶媒;及びシアノシラン系化合物を含み、前記シアノシラン系化合物は、下記化学式1で表される化合物から化学式3で表される化合物からなる群から選択される1つ以上であるリチウム二次電池用電解質を提供する。
(1)リチウム塩
先ず、リチウム塩について説明する。
リチウム塩は、リチウム二次電池内でイオンを伝達するための媒介体として用いられるものである。通常、リチウム塩は、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF、LiClO、LiN(CSO、LiN(CFSO、CFSOLi、LiC(CFSO、LiCBO、LiTFSI、LiFSI、及びLiClOからなる群から選択される少なくとも1つ以上の化合物を含んでよい。
このとき、前記リチウム塩は、前記リチウム二次電池用電解質中に0.1Mから3M濃度、好ましくは0.5Mから2.5M、より好ましくは0.5Mから2M濃度で含まれるのが好ましい。前記リチウム塩が前記範囲で含まれている場合、電解質中に溶解されて発生される副産物を最小化しながらも、高電圧下で電池を駆動する場合、電極界面上に形成されたSEI(Solid Electrolyte Interphase、SEI)膜が分解されることを防止し、電池内の抵抗が上昇することを防止することができる。
(2)有機溶媒
次に、前記有機溶媒について説明する。
本発明において、有機溶媒は、リチウム二次電池に通常用いられる溶媒であって、例えば、エーテル化合物、エステル(アセテート(Acetate)類、プロピオネート(Propionate)類)化合物、アミド化合物、直鎖状カーボネートまたは環状カーボネート化合物、ニトリル化合物などをそれぞれ単独でまたは2種以上混合して用いられてもよい。
そのうち代表的には、環状カーボネート、直鎖状カーボネートまたはこれらの混合物であるカーボネート化合物を含むカーボネート系電解液溶媒を用いてもよい。
前記環状カーボネート化合物の具体的な例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、1,2-ペンチレンカーボネート、2,3-ペンチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、及びこれらのハロゲン化物からなる群から選択される単一化合物または少なくとも2種以上の混合物がある。また、前記直鎖状カーボネート化合物の具体的な例としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、及びエチルプロピルカーボネート(EPC)からなる群から選択された化合物または少なくとも2種以上の混合物などが代表的に用いられてよいが、これに限定されるものではない。
特に、前記カーボネート系電解液溶媒のうち環状カーボネートであるプロピレンカーボネート及びエチレンカーボネートは、高粘度の有機溶媒として誘電率が高く、電解液中のリチウム塩をよく解離させるので好適に用いられ、このような環状カーボネートにエチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートまたはジメチルカーボネートのような低粘度、低誘電率の直鎖状カーボネートを適当な割合で混合して用いると、高い電気伝導率を有する電解質を作製することができるので、さらに好適に用いられ得る。
また、前記有機溶媒のうちエステルとしては、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、γ-カプロラクトン、δ-バレロラクトン、及びε-カプロラクトンからなる群から選択される単一化合物または少なくとも2種以上の混合物を用いてよいが、これに限定されるものではない。
(3)シアノシラン系化合物
次に、シアノシラン系化合物について説明する。
前記シアノシラン系化合物は、下記化学式1で表される化合物から化学式3で表される化合物からなる群から選択される1つ以上のシアノシラン系化合物を含む。
Figure 2022528144000004
前記化学式1中、前記Rは、水素、シアノ基及び炭素数1から5のアルキル基からなる群から選択される。
Figure 2022528144000005
前記化学式2中、前記R及びRは、それぞれ独立して直接結合または炭素数1から3のアルキレン基であり、R及びRのうち少なくとも1つ以上は炭素数1から3のアルキレン基である。
Figure 2022528144000006
前記化学式3中、前記Rは、直接結合、炭素または炭素数2から5のアルケニル基である。
具体的に、前記シアノシラン系化合物は、前記化学式1で表される化合物を含んでよい。
一方、前記化学式1で表される化合物から化学式3で表されるシアノシラン系化合物の場合、シアノ基(CN)を3つ以上含んでいるが、シアノ基は双極子モーメントの高い電子求引基なので、シアノ基を一つの化合物内に3つ以上含むと、電極活物質表面に露出した遷移金属と強く結合する。前記結合により、特に正極表面に保護膜が形成されて正極と電解質との間の副反応を抑制することができる。また、高電圧下で正極活物質から遷移金属イオン等が溶出されると、前記遷移金属イオン等とシアノシラン系化合物が優先的に反応して負極表面での遷移金属イオンが還元されることを抑制することができる。
一方、ケイ素元素(Si)にシアノ基が付着されると、ケイ素原子の豊かな電子により遷移金属イオンとの反応性がさらに高くなり、遷移金属イオンの溶出が抑制されることを効果的に抑制することができる。
具体的には、前記化学式1中、Rは、水素、シアノ基及び炭素数1から4のアルキル基からなる群から選択されてよい。また、前記化学式1中、Rは、水素、シアノ基、-CH、-CHCH、-CH(CH、及び-C(CHからなる群から選択されてよい。
より具体的に、前記化学式1で表されるシアノシラン系化合物は、下記化学式1-1で表される化合物から1-3で表される化合物からなる群から選択される1つ以上のシアノシラン系化合物を含んでよい。
Figure 2022528144000007
Figure 2022528144000008
Figure 2022528144000009
一方、前記化学式2で表されるシアノシラン系化合物は、下記化学式2-1で表される化合物から2-4で表される化合物からなる群から選択される1つ以上のシアノシラン系化合物を含んでよい。
Figure 2022528144000010
Figure 2022528144000011
Figure 2022528144000012
Figure 2022528144000013
一方、前記化学式3で表されるシアノシラン系化合物は、下記化学式3-1から3-3で表されるシアノシラン系化合物からなる群から選択される1つ以上のシアノシラン系化合物を含んでよい。
Figure 2022528144000014
Figure 2022528144000015
Figure 2022528144000016
前記シアノシラン系化合物は、前記リチウム二次電池用電解質100重量部に対して0.1重量部から10重量部、好ましくは0.5重量部から5重量部、より好ましくは1重量部から4重量部で含まれてよい。前記シアノシラン系化合物が前記範囲内に含まれると、電池内の抵抗が増加することを最小化しながらも、遷移金属イオンが溶出することを効果的に抑制することができる。
(4)その他の添加剤
一方、本発明の一実施形態によるリチウム二次電池用電解質は、前記シアノシラン系化合物が発現する効果とともに初期抵抗を大きく増加させないながらも、負極及び正極の表面に安定した被膜を形成するか、リチウム二次電池用電解質中の溶媒の分解を抑制し、リチウムイオンの移動性を向上させる補完剤の役割が可能なその他の添加剤をさらに含んでよい。
このようなその他の添加剤は、正極及び負極の表面に安定した被膜を形成することができる添加剤であれば特に制限しない。その代表的な例として、ビニレンカーボネート系化合物、ホスフェート系化合物、ホスファイト系化合物、サルファイト系化合物、スルホン系化合物、サルフェート系化合物、スルトン系化合物、ハロゲン置換されたカーボネート系化合物、ニトリル系化合物、ボレート系化合物、及びリチウム塩系化合物からなる群から選択された少なくとも1つ以上を含んでよい。
前記ビニレンカーボネート系化合物は、正極及び負極の表面で電気化学的に分解されてSEI膜の形成を助ける成分であり、これを介して二次電池の長期的なサイクル寿命特性向上の効果を具現することができる。この化合物としては、代表的な例としてビニレンカーボネート(VC)とビニルエチレンカーボネート(VEC)であってよい。
前記ホスフェート系化合物は、正極及び負極の表面で電気化学的に分解されてSEI膜の形成を助ける成分であり、これを介して二次電池の長期的なサイクル寿命特性向上の効果を具現することができる。このようなホスフェート系化合物としては、その代表的な例としてリチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート、リチウムジフルオロホスフェート、テトラメチルトリメチルシリルホスフェート(TMSPa)、及びトリス(2,2,2-トリフルオロエチル)ホスフェート(TFEPa)からなる群から選択された1種以上の化合物が挙げられる。
前記ホスファイト系化合物は、正極及び負極の表面で電気化学的に分解されてSEI膜の形成を助ける成分であり、その代表的な例として、トリメチルシリルホスファイト(TMSPi)またはトリス(トリフルオロエチル)ホスファイト(TFEPi)などが挙げられる。
前記サルファイト系化合物は、エチレンサルファイト、メチルエチレンサルファイト、エチルエチレンサルファイト、4,5-ジメチルエチレンサルファイト、4,5-ジエチルエチレンサルファイト、プロピレンサルファイト、4,5-ジメチルプロピレンサルファイト、4,5-ジエチルプロピレンサルファイト、4,6-ジメチルプロピレンサルファイト、4,6-ジエチルプロピレンサルファイト、及び1,3-ブチレングリコールサルファイトからなる群から選択された1種以上の化合物であってよい。
前記スルホン系化合物は、ジビニルスルホン、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、メチルエチルスルホン、及びメチルビニルスルホンからなる群から選択された1種以上の化合物であってよい。
前記サルフェート系化合物は、エチレンサルフェート(Ethylene Sulfate;Esa)、トリメチレンサルフェート(Trimethylene sulfate;TMS)、またはメチルトリメチレンサルフェート(Methyl trimethylene sulfate;MTMS)であってよい。
前記スルトン系化合物は、1,3-プロパンスルトン(PS)、1,4-ブタンスルトン、エテンスルトン、1,3-プロペンスルトン(PRS)、1,4-ブテンスルトン、及び1-メチル-1,3-プロペンスルトンからなる群から選択された少なくとも1つ以上の化合物であってよい。
前記ハロゲン置換されたカーボネート系化合物は、フルオロエチレンカーボネート(FEC)であってよい。
また、前記ニトリル系化合物は、スクシノニトリル(SN)、アジポニトリル(Adn)、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、カプリロニトリル、ヘプタンニトリル、シクロペンタンカルボニトリル、シクロヘキサンカルボニトリル、2-フルオロベンゾニトリル、4-フルオロベンゾニトリル、ジフルオロベンゾニトリル、トリフルオロベンゾニトリル、フェニルアセトニトリル、2-フルオロフェニルアセトニトリル、及び4-フルオロフェニルアセトニトリルからなる群から選択される少なくとも1つ以上の化合物であってよい。
前記ボレート系化合物は、LiBOB(リチウムビスオキサラトボレート(LiB(C)またはリチウムオキサリルジフルオロボレートなどが挙げられる。
前記リチウム塩系化合物は、前記非水電解液に含まれるリチウム塩と異なる化合物であり、LiPO及びLiBFからなる群から選択された1種以上の化合物であってよい。
一方、その他の添加剤として、前記羅列された化合物等は単独でまたは2種以上が混合されて含まれてもよく、具体的に前記シアノシラン系化合物と前記その他の添加剤の全添加剤含量は、リチウム二次電池用電解質100重量部に対して20重量部以下、具体的には10重量部以下で含まれてよい。前記添加剤及びその他の添加剤等の全添加剤含量が20重量部を超えると、電池の充放電時に電解質中の副反応が過度に発生する可能性があり、高温で十分に分解されていない添加剤が未反応の状態で存在するか析出され、リチウム二次電池の初期抵抗を上昇させて電池の寿命特性が低下し得る。
<リチウム二次電池>
次に、本発明に係るリチウム二次電池を説明する。
本発明の一具現例によるリチウム二次電池は、正極、負極及び前記リチウム二次電池用電解質を含み、選択的に前記正極と負極との間に介在され得る分離膜をさらに含んでよい。このとき、前記リチウム二次電池用電解質に対しては上述した内容と同一なので、具体的な説明を省略する。
一方、本発明に係るリチウム二次電池の駆動電圧は4Vから5V、好ましくは4.2Vから5V、より好ましくは4.3Vから5Vである。前記リチウム二次電池の駆動電圧範囲が前記範囲である場合、正極に使用可能な容量を最大化してリチウム二次電池の容量が増加し、これを介してエネルギー密度を向上させることができる。駆動電圧が前記範囲である場合にも、本発明に係るリチウム二次電池は、化学式1から化学式3で表されるシアノシラン系化合物が含まれたリチウム二次電池用電解質を用いるので、当該化合物の高い双極子モーメントにより正極表面の遷移金属と強く結合して正極表面に被膜を形成するので、正極と電解質との間の副反応を最小化することができる。また、高電圧駆動時に遷移金属イオンが正極で溶出されやすいが、前記遷移金属イオンとシアノシラン系化合物が優先的に反応して、負極表面で前記遷移金属イオンが還元されることを抑制することができるので、容量の減少及び析出の発生、副反応の最小化に寄与することができる。
前記正極は、正極集電体上に正極活物質、電極用バインダー、電極用導電材及び溶媒などを含む正極活物質スラリーをコーティングして製造することができる。
前記正極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理を施したものなどが用いられてよい。このとき、正極集電体は、表面に微細な凹凸を形成して正極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で用いられてよい。
前記正極活物質は、リチウムの可逆的なインタカレーション及びデインタカレーションが可能な化合物であって、具体的にはコバルト、マンガン、ニッケルまたはアルミニウムのような1種以上の金属とリチウムを含むリチウム複合金属酸化物を含んでよい。より具体的には、前記リチウム複合金属酸化物は、リチウム-マンガン系酸化物(例えば、LiMnO、LiMnなど)、リチウム-コバルト系酸化物(例えば、LiCoOなど)、リチウム-ニッケル系酸化物(例えば、LiNiOなど)、リチウム-ニッケル-マンガン系酸化物(例えば、LiNi1-Y1MnY1(ここで、0<Y1<1)、LiMn2-z1Niz1(ここで、0<Z1<2)など)、リチウム-ニッケル-コバルト系酸化物(例えば、LiNi1-Y2CoY2(ここで、0<Y2<1)など)、リチウム-マンガン-コバルト系酸化物(例えば、LiCo1-Y3MnY3(ここで、0<Y3<1)、LiMn2-z2Coz2(ここで、0<Z2<2)など)、リチウム-ニッケル-マンガン-コバルト系酸化物(例えば、Li(Nip1Coq1Mnr1)O(ここで、0<p1<1、0<q1<1、0<r1<1、p1+q1+r1=1)またはLi(Nip2Coq2Mnr2)O(ここで、0<p2<2、0<q2<2、0<r2<2、p2+q2+r2=2)など)、またはリチウム-ニッケル-コバルト-遷移金属(M)酸化物(例えば、Li(Nip3Coq3Mnr3S1)O(ここで、Mは、Al、Fe、V、Cr、Ti、Ta、Mg及びMoからなる群から選択され、p3、q3、r3及びs1はそれぞれ独立の元素等の原子分率であって、0<p3<1、0<q3<1、0<r3<1、0<s1<1、p3+q3+r3+s1=1である)など)などが挙げられ、これらのうちいずれか1つまたは2つ以上の化合物が含まれてもよい。
この中でも電池の容量特性及び安定性を高めることができるという点から、前記リチウム複合金属酸化物は、LiCoO、LiMnO、LiNiO、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(例えば、Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O、Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O、またはLi(Ni0.8Mn0.1Co0.1)Oなど)、またはリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物(例えば、LiNi0.8Co0.15Al0.05など)などであってよく、リチウム複合金属酸化物を形成する構成元素の種類及び含量比の制御による改善効果の顕著性を考慮すると、前記リチウム複合金属酸化物はLi(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O、Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O、Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O、またはLi(Ni0.8Mn0.1Co0.1)Oなどであってよく、これらのうちいずれか1つまたは2つ以上の混合物が用いられてもよい。
前記電極用バインダーは、正極活物質と電極導電材などの結合と集電体に対する結合を助ける成分である。具体的には、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンターポリマー、スルホン化エチレン-プロピレン-ジエンターポリマー、スチレン-ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム-カルボキシメチルセルロース(SBR-CMC)、フッ素ゴム、多様な共重合体などが挙げられる。
前記電極用導電材は、正極活物質の導電性をさらに向上させるための成分である。前記電極導電材は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、グラファイト;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどの炭素系物質;炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが用いられてもよい。市販されている導電材の具体的な例としては、アセチレンブラック系列(シェブロンケミカルカンパニー(Chevron Chemical Company)やデンカブラック(Denka Singapore Private Limited)、ガルフオイルカンパニー(Gulf Oil Company)製品など)、ケッチェンブラック(Ketjenblack)、EC系列(アルマックカンパニー(Armak Company)製)、バルカン(Vulcan)XC-72(キャボットカンパニー(Cabot Company)製)及びスーパー(Super)P(Timcal社製)などがある。
前記溶媒は、NMP(N-メチル-2-ピロリドン(N-methyl-2-pyrrolidone))などの有機溶媒を含んでもよく、前記正極活物質、及び選択的に正極用バインダー及び正極導電材などを含む際に好適な粘度となる量で用いられればよい。
前記負極は、例えば、負極集電体上に負極活物質、電極用バインダー、電極用導電材及び溶媒などを含む負極活物質スラリーをコーティングして製造することができる。
前記負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発することなく高い導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム-カドミウム合金などが用いられてよい。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で使用されてよい。
前記負極活物質としては、SiO(0<x≦2)で表されるシリコン系化合物、天然黒鉛、人造黒鉛、グラファイト、炭素質材料;リチウム含有チタン複合酸化物(LTO)、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、NiまたはFeである金属類(Me);前記金属類(Me)からなる合金類;前記金属類(Me)の酸化物;及び前記金属類(Me)と炭素との複合体からなる群から選択された1種または2種以上の化合物等をさらに含んでよい。
前記電極用バインダー、電極導電材及び溶媒に対する内容は上述した内容と同一なので、具体的な説明を省略する。
前記分離膜としては、従来に分離膜として用いられた通常の多孔性高分子フィルム、例えば、エチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体及びエチレン/メタクリレート共重合体などのようなポリオレフイン系高分子で製造した多孔性高分子フィルムを単独でまたはこれらを積層して用いてもよく、無機物粒子(例:Al)が塗布されたポリオレフイン系多孔性高分子フィルムまたは通常の多孔性不織布、例えば高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布を用いてもよいが、これに限定されるものではない。
以下、具体的な実施形態を介して本発明をより具体的に説明する。但し、下記実施形態は本発明の理解を助けるための例示であるだけで、本発明の範囲を限定するものではない。前記記載の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であるのは当業者にとって明白なことであり、このような変形及び修正が特許請求の範囲に属することも当然である。
[実施例]
1.実施例1
(リチウム二次電池用電解質の製造)
1MのLiPFが溶解された有機溶媒(エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)=3:7体積比)95gに化学式1-1で表される化合物3g、その他の添加剤としてビニレンカーボネート(以下、VC)を2g添加してリチウム二次電池用電解質を製造した。
(リチウム二次電池の製造)
正極活物質(LiCoO;LCO)、導電材としてカーボンブラック、バインダーとしてポリビニリデンフルオライド(PVDF)を97:1.7:1.3重量比で混合した後、溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(以下、NMP)に添加して固形分含量が60重量%である正極活物質スラリーを製造した。前記正極活物質スラリーを厚さが12μm程度の正極集電体であるアルミニウム(Al)薄膜に塗布し、乾燥して正極を製造した後、ロールプレス(roll press)を行って正極を製造した。
溶剤である蒸留水に負極活物質(グラファイト)、バインダーとしてスチレン-ブタジエンゴム-カルボキシメチルセルロース(SBR-CMC)、導電材としてカーボンブラックを96:3.5:0.5重量比で混合して負極活物質スラリー(固形分含量:50重量%)を製造した。前記負極活物質スラリーを厚さ6μmの負極集電体(Cu薄膜)に塗布し、乾燥及びロールプレスを行って負極を製造した。
前記正極、負極及びポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレン(PP/PE/PP)からなる分離膜を正極/分離膜/負極の順に積層しており、前記積層構造物をパウチ型電池ケースに位置させた後、リチウム二次電池用電解質を注液してリチウム二次電池を製造した。
2.実施例2
化学式1-1で表される化合物3gの代わりに化学式1-2で表される化合物3g添加したことを除き、前記実施例1と同様の方法でリチウム二次電池用電解質及びリチウム二次電池を製造した。
3.実施例3
有機溶媒99.5gに化学式1-1で表される化合物を0.5g添加したことを除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池用電解質及びリチウム二次電池を製造した。
4.実施例4
有機溶媒95gに化学式1-1で表される化合物を5g添加したことを除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池用電解質及びリチウム二次電池を製造した。
[比較例]
1.比較例1
有機溶媒98gにその他の添加剤としてVC2g添加することを除き、実施例1と同様の方法でリチウム二次電池用電解質及びリチウム二次電池を製造した。
2.比較例2
前記化学式1-1で表される化合物3gの代わりに化学式4のトリメチルシランカルボニトリルを3g添加したことを除き、実施例1と同様の方法で電解質及びリチウム二次電池を製造した。
Figure 2022528144000017
[実験例]
1.実験例1:高温(60℃)容量維持率の測定
実施例1から4で製造されたリチウム二次電池と比較例1及び2で製造されたリチウム二次電池に対して、24MA電流(0.2Cレート(rate))でフォーメーション(formation)を進めた後、電池内のガスを除去した(degas工程)。前記ガスが除去されたリチウム二次電池を常温(25℃)の充放電器に移した後、0.2Cレートで4.45Vまで定電流/定電圧条件で充電及び0.05Cカットオフ(cut off)充電を行い、0.2C 3.0Vで放電を行った。このとき、前記充/放電をそれぞれ2回行った後、次いで0.7Cレートで4.45Vまで定電流/定電圧条件で充電及び0.05Cカットオフ充電を行い、60℃で3週間保管した。
その後、リチウム二次電池を常温(25℃)の充放電器に移した後、0.7Cレートで4.45Vまで定電流/定電圧条件で充電及び0.05Cカットオフ充電を行い、0.2C 3.0Vで放電を行った。前記充/放電をそれぞれ3回行った後、高温貯蔵後の放電容量をPNE-0506充放電器(製造社:(株)PNEソリューション、5V、6A)を用いて測定した。測定された高温貯蔵後の放電容量と初期設計の放電容量(120mAh)を比較して高温貯蔵容量維持率(%)を計算し、その結果を下記表1に示した。
Figure 2022528144000018
前記表1を参照すれば、本発明のシアノシラン系化合物を含むリチウム二次電池用電解質を備えた実施例1から4のリチウム二次電池は、シアノシラン系化合物を添加していない比較例1のリチウム二次電池と、シアノ基が1個のみ置換されているシラン系化合物を添加した比較例2のリチウム二次電池とに比べて、高温貯蔵後の放電容量及び容量維持率がさらに優れていることが確認できる。
前記ホスフェート系化合物は、正極及び負極の表面で電気化学的に分解されてSEI膜の形成を助ける成分であり、これを介して二次電池の長期的なサイクル寿命特性向上の効果を具現することができる。このようなホスフェート系化合物としては、その代表的な例としてリチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート、リチウムジフルオロホスフェート、トリス(トリメチルシリルホスフェート(TMSPa)、及びトリス(2,2,2-トリフルオロエチル)ホスフェート(TFEPa)からなる群から選択された1種以上の化合物が挙げられる。

Claims (10)

  1. リチウム塩;有機溶媒;及びシアノシラン系化合物を含み,
    前記シアノシラン系化合物は、下記化学式1で表される化合物から化学式3で表される化合物からなる群から選択される1つ以上であるリチウム二次電池用電解質。
    Figure 2022528144000019
    (前記化学式1中、前記Rは、水素、シアノ基及び炭素数1から5のアルキル基からなる群から選択されるものである)
    Figure 2022528144000020
    (前記化学式2中、前記R及びRは、それぞれ独立して直接結合または炭素数1から3のアルキレン基であり、R及びRのうち少なくとも1つ以上は炭素数1から3のアルキレン基である)
    Figure 2022528144000021
    (前記化学式3中、前記Rは、直接結合、炭素または炭素数2から5のアルケニル基である)
  2. 前記シアノシラン系化合物は、前記化学式1で表される化合物を含むものである、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解質。
  3. 前記化学式1中、Rは、水素、シアノ基及び炭素数1から4のアルキル基からなる群から選択される、請求項1または2に記載のリチウム二次電池用電解質。
  4. 前記化学式1中、Rは、水素、シアノ基、-CH、-CHCH、-CH(CH及び-C(CHからなる群から選択される、請求項1から3の何れか一項に記載のリチウム二次電池用電解質。
  5. 前記化学式1で表されるシアノシラン系化合物は、下記化学式1-1で表される化合物から化学式1-3で表される化合物からなる群から選択される1つ以上のシアノシラン系化合物を含むものである、請求項1から4の何れか一項に記載のリチウム二次電池用電解質。
    Figure 2022528144000022
    Figure 2022528144000023
    Figure 2022528144000024
  6. 前記シアノシラン系化合物は、前記リチウム二次電池用電解質100重量部に対して0.1重量部から10重量部で含まれる、請求項1から5の何れか一項に記載のリチウム二次電池用電解質。
  7. 前記シアノシラン系化合物は、前記リチウム二次電池用電解質100重量部に対して0.5重量部から5重量部で含まれる、請求項1から6の何れか一項に記載のリチウム二次電池用電解質。
  8. 前記シアノシラン系化合物は、前記リチウム二次電池用電解質100重量部に対して1重量部から4重量部で含まれる、請求項1から7の何れか一項に記載のリチウム二次電池用電解質。
  9. 正極;負極;及び請求項1から8の何れか一項に記載リチウム二次電池用電解質;を含むリチウム二次電池。
  10. 駆動電圧が4Vから5Vである、請求項9に記載のリチウム二次電池。
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