JP7278657B2 - 非水電解液及びこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
本出願は、2019年9月3日に出願された韓国特許出願第10-2019-0108783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。
本発明の非水電解液は、有機溶媒として環状カーボネート、ジメチルカーボネート及びアルキルホルメートを含む。
本発明で使用されるリチウム塩としては、リチウム二次電池用電解液が通常使用される多様なリチウム塩が制限なく使用され得る。例えば、前記リチウム塩は、陽イオンとしてLi+を含み、陰イオンとしてはF-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、AlO4 -、AlCl4 -、PF6 -、SbF6 -、AsF6 -、B10Cl10 -、BF2C2O4 -、BC4O8 -、PF4C2O4 -、PF2C4O8 -、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、CF3SO3 -、C4F9SO3 -、CF3CF2SO3 -、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、CH3SO3 -、CF3(CF2)7SO3 -、CF3CO2 -、CH3CO2 -、SCN-及び(CF3CF2SO2)2N-からなる群から選択された少なくとも何れか一つを含むものであってよい。
本発明に係る非水電解液は、界面活性剤として[化学式1]で表されるオリゴマーを含む。
必須なものではないが、本発明に係る電解液は、高出力の環境で電解液が分解されて負極の崩壊が誘発されることを防止するか、低温高率放電特性、高温安定性、過充電防止、高温での電池膨張抑制の効果などをさらに向上させるために、添加剤をさらに含んでよい。
次に、本発明に係るリチウム二次電池に対して説明する。
本発明に係る正極は、正極活物質を含む正極活物質層を含んでよく、必要に応じて、前記正極活物質層は、導電材及び/又はバインダーをさらに含んでよい。
Lix[NiyCozMnwM1 v]O2-pAp
次に、負極に対して説明する。
本発明に係るリチウム二次電池は、前記正極及び負極の間に分離膜を含む。
(非水電解液の製造)
エチレンカーボネート(EC):メチルホルメート(MF):ジメチルカーボネート(DMC)を20:20:60の体積比で混合した非水性有機溶媒に、LiPF6を1.5Mになるように添加した後、界面活性剤として化学式1-1の化合物(Mw=5000g/mol、p1=5、q1=3)を0.5重量%、添加剤としてビニレンカーボネート3重量%、1,3-プロパンスルトン0.5重量%、エチレンサルフェート1重量%、LiBF40.2重量%及びフルオロベンゼン6重量%を添加して非水電解液を製造した。
正極活物質粒子としてリチウムニッケル-マンガン-コバルト系酸化物(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2;NCM811)、導電材としてカーボンブラック、及びバインダーとしてポリビニリデンフルオライド(PVDF)を97.7:0.3:2の重量比で、溶剤であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に添加して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20μmである正極集電体(Al薄膜)に塗布して乾燥し、ロールプレス(roll press)を実施して正極を製造した。
負極活物質(人造黒鉛:SiO=95:5重量比)、バインダーとしてPVDF、導電材としてカーボンブラックを97:0.5:2.5の重量比で、溶剤であるNMPに添加して負極活物質スラリーを製造した。前記負極活物質スラリーを、厚さが10μmである負極集電体(Cu薄膜)に塗布して乾燥し、ロールプレス(roll press)を実施して負極を製造した。
前述した方法で製造した正極と負極を、ポリエチレン多孔性フィルムとともに順次に積層する通常的な方法で電極組立体を製造した後、これをパウチ型二次電池ケースに収納し、前記で製造された非水電解液を注入してリチウム二次電池を製造した。
エチレンカーボネート(EC):メチルホルメート(MF):ジメチルカーボネート(DMC)を20:10:70の体積比で混合した非水性有機溶媒を使用した点を除き、実施例1と同様の方法で、非水電解液及びリチウム二次電池を製造した。
エチレンカーボネート(EC):メチルホルメート(MF):ジメチルカーボネート(DMC)を20:15:65の体積比で混合した非水性有機溶媒を使用した点を除き、実施例1と同様の方法で、非水電解液及びリチウム二次電池を製造した。
界面活性剤として化学式1-1の化合物(Mw=5000g/mol、p1=5、q1=3)を0.3重量%で添加した点を除き、実施例1と同様の方法で、非水電解液及びリチウム二次電池を製造した。
エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネートを30:70の体積比で混合した非水性有機溶媒を使用した点を除き、実施例1と同様の方法で、非水電解液及びリチウム二次電池を製造した。
エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネートを30:70の体積比で混合した非水性有機溶媒に、LiPF6を0.7M、LiFSIを0.3Mになるように添加した点を除き、実施例1と同様の方法で、非水電解液及びリチウム二次電池を製造した。
界面活性剤を添加しない点を除き、実施例1と同様の方法で、非水電解液及びリチウム二次電池を製造した。
エチレンカーボネート:ジメチルカーボネートを20:80の体積比で混合した非水性有機溶媒を使用した点を除き、実施例1と同様の方法で、非水電解液及びリチウム二次電池を製造した。
実施例1~4及び比較例1~4により製造されたリチウム二次電池のそれぞれを、25℃で0.1Cの速度で3時間フォーメーション工程を実施した後、25℃で0.33Cの速度/2.5Vの電圧で4.2Vまで初期充放電を行った。続いて、SOC50%の状態で常温(25℃)下、2.5Cの速度で10秒間放電して発生する電圧差を用いて、常温での二次電池の直流内部抵抗(DCIR)をそれぞれ測定した。測定の結果は下記[表1]に示した。
実施例1~4及び比較例1~4により製造されたリチウム二次電池のそれぞれの初期容量を測定した後、SOC(State Of Charge、SOC)8%状態のリチウム二次電池を、SOCの状態に応じてC-レート(rate)を下記[表2]に記載のように変化させながら充電を進め、各充電区間ごとに1秒間隔で電圧値を確認して、電圧プロファイルを測定した。
イオン伝導度は、METTLER TOLEDO社のSeven Excellence S700装置を使用して、25℃、0℃、-10℃の条件でそれぞれ測定した。具体的には、水槽(bath)に実施例1~4及び比較例1~4により製造された非水電解液を、イオン伝導度測定用プローブ(probe)が浸るように満たした後、含浸されたプローブ(probe)によりイオン伝導度を測定した。測定されたイオン伝導度の値を下記表4に示した。
Claims (11)
- 環状カーボネート、ジメチルカーボネート及びアルキルホルメートを含む有機溶媒と、
リチウム塩と、
界面活性剤として下記[化学式1]で表されるオリゴマーと、を含み、
前記有機溶媒は、前記有機溶媒の総体積を基準として、10~30体積%の環状カーボネート、40~85体積%のジメチルカーボネート及び5~30体積%のアルキルホルメートを含む、非水電解液。
Rfは、少なくとも一つ以上のフッ素で置換又は非置換の炭素数1~5のアルキレン基であり、
Rg、Rh、Ri及びRjは、それぞれ独立してフッ素元素又はフッ素置換の炭素数1~3のアルキル基であり、
R0は、脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基であり、
R’’’は、水素又は炭素数1~3のアルキル基であり、
oは、1~3の何れか一つの整数であり、
p及びqは、繰り返し単位数であり、
pは、1~10の何れか一つの整数であり、
qは、1~15の何れか一つの整数である。 - 前記有機溶媒は、前記有機溶媒の総体積を基準として、15~25体積%の環状カーボネート、50~80体積%のジメチルカーボネート及び5~20体積%のアルキルホルメートを含む、請求項1に記載の非水電解液。
- 前記アルキルホルメートは、メチルホルメート、エチルホルメート、プロピルホルメート、n-ブチルホルメート及びiso-ブチルホルメートからなる群から選択される1種以上である、請求項1又は2に記載の非水電解液。
- 前記界面活性剤は、非水電解液の総重量を基準として0.01~5重量%で含まれるものである、請求項1から4の何れか一項に記載の非水電解液。
- 前記非水電解液は、環状カーボネート系化合物、ハロゲン置換のカーボネート系化合物、スルトン系化合物、サルフェート系化合物、ホスフェート系化合物、ボレート系化合物、ニトリル系化合物、ベンゼン系化合物、アミン系化合物、シラン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一つの添加剤をさらに含むものである、請求項1から5の何れか一項に記載の非水電解液。
- 前記非水電解液は、添加剤として環状カーボネート系化合物、スルトン系化合物、サルフェート系化合物、リチウム塩系化合物及びベンゼン系化合物をさらに含むものである、請求項1から6の何れか一項に記載の非水電解液。
- 正極活物質を含む正極と、
負極活物質を含む負極と、
前記負極及び正極の間に介在される分離膜と、
請求項1から7の何れか一項に記載の非水電解液と、を含む、リチウム二次電池。 - 前記正極活物質は、下記[化学式A]で表されるリチウム複合遷移金属酸化物である、請求項8に記載のリチウム二次電池。
[化学式A]
Lix[NiyCozMnwM1 v]O2-pAp
前記[化学式A]において、
M1は、W、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、及びMoからなる群から選択される1種以上の元素であり、
Aは、F、Cl、Br、I、At及びSからなる群から選択された1種以上の元素であり、
0.8≦x≦1.2、0.7≦y<1、0<z<0.3、0<w<0.3、0≦v≦0.2、0≦p≦0.2である。 - 前記負極活物質は、炭素系負極活物質及びシリコン系負極活物質を含むものである、請求項8又は9に記載のリチウム二次電池。
- 前記炭素系負極活物質及び前記シリコン系負極活物質は、99:1~50:50の重量比で含まれるものである、請求項10に記載のリチウム二次電池。
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