KR100412527B1 - A non-aqueous electrolyte and a lithium secondary battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 리튬 이차 전지용 전해액은 리튬염; 비수성 유기용매; 및 하기 식의 비닐 에스테르계 화합물을 포함한다:The electrolyte solution for lithium secondary batteries of the present invention is a lithium salt; Non-aqueous organic solvents; And vinyl ester compounds of the formula:

[화학식 1][Formula 1]

상기 식에서 R1, R2및 R3는 수소, 1차, 2차 또는 3차 알킬기, 알케닐기 또는 아릴기이다.Wherein R 1 , R 2 and R 3 are hydrogen, primary, secondary or tertiary alkyl groups, alkenyl groups or aryl groups.

본 발명의 전해액에 첨가된 비닐 에스테르계 화합물은 초기 충전시 카보네이트계 유기용매보다 먼저 분해되어 SEI 피막을 형성함으로써 카보네이트계 유기용매가 분해되는 것을 억제한다. 본 발명의 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지는 안전성과 신뢰성이 우수하다.The vinyl ester compound added to the electrolyte of the present invention is decomposed before the carbonate organic solvent at the time of initial charge to form an SEI film, thereby inhibiting the decomposition of the carbonate organic solvent. The lithium secondary battery containing the electrolyte solution of the present invention is excellent in safety and reliability.

Description

비수성 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{A NON-AQUEOUS ELECTROLYTE AND A LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}A non-aqueous electrolyte and a lithium secondary battery comprising the same {A NON-AQUEOUS ELECTROLYTE AND A LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}

발명의 분야Field of invention

본 발명은 비수성 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상온 충전시 및 충전 후 고온 저장시 전지의 두께가 팽창되는 것을 방지할 수 있는 비수성 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a non-aqueous electrolyte and a lithium secondary battery comprising the same, and more particularly, a non-aqueous electrolyte and a lithium secondary comprising the same, which can prevent the battery from expanding when it is stored at room temperature and at a high temperature after charging. It relates to a battery.

종래 기술Prior art

최근 첨단 전자산업의 발달로 전자장비의 소량화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 증대되고 있다. 이러한 휴대용 전자 기기의 전원으로 높은 에너지 밀도를 가진 전지의 필요성이 증대되어 리튬 이차 전지의 연구가 활발하게 진행되고 있다.Recently, with the development of the high-tech electronic industry, it is possible to reduce the weight and weight of electronic equipment, thereby increasing the use of portable electronic devices. As a power source for such portable electronic devices, the necessity of a battery having a high energy density has been increased, and research on lithium secondary batteries has been actively conducted.

리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 금속 산화물이 사용되고 음극 활물질로는 리튬 금속, 리튬 합금, (결정질 또는 비정질) 탄소 또는 탄소 복합체가 사용되고 있다. 상기 활물질을 적당한 두께와 길이로 집전체에 도포하거나 또는 활물질 자체를 필름 형상으로 도포하여 절연체인 세퍼레이터와 함께 감거나 적층하여 전극군을 만든 다음, 캔 또는 이와 유사한 용기에 넣은 후, 전해액을 주입하여 이차 전지를 제조한다.Lithium metal oxide is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, and lithium metal, a lithium alloy, (crystalline or amorphous) carbon or a carbon composite material is used as a negative electrode active material. The active material is applied to a current collector with a suitable thickness and length, or the active material itself is coated in a film shape to be wound or laminated with a separator, which is an insulator, to form an electrode group, and then placed in a can or a similar container, and then injected with an electrolyte solution. A secondary battery is manufactured.

리튬 이차 전지의 평균 방전 전압은 3.6∼3.7 V 정도로 다른 알칼리 전지, Ni-MH 전지, Ni-Cd 전지 등에 비하여 높은 전력을 얻을 수 있다. 그러나 이런 높은 구동 전압을 내기 위해서는 충방전 전압영역인 0∼4.2 V에서 전기화학적으로 안정한 전해액 조성물이 요구된다. 이러한 이유로 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등의 비수성 카보네이트계 용매의 혼합물을 전해액으로 사용하고 있다. 그러나 이러한 조성을 가지는 전해액은 Ni-MH 전지 또는 Ni-Cd 전지에 사용되는 수계(aqueous) 전해액에 비하여 이온전도도가 현저히 낮아 고율 충방전시 전지 특성이 저하되는 문제점이 있다.The average discharge voltage of the lithium secondary battery is about 3.6 to 3.7 V, and high power can be obtained as compared with other alkaline batteries, Ni-MH batteries, Ni-Cd batteries and the like. However, in order to achieve such a high driving voltage, an electrochemically stable electrolyte composition is required in the charge and discharge voltage range of 0 to 4.2 V. For this reason, a mixture of non-aqueous carbonate solvents such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate is used as the electrolyte solution. However, the electrolytic solution having such a composition has a problem in that the battery characteristics are lowered at high rate charge / discharge compared to the aqueous electrolytic solution used in Ni-MH batteries or Ni-Cd batteries.

리튬 이차 전지의 초기 충전시 양극인 리튬 금속 산화물로부터 나온 리튬 이온이 음극인 탄소 전극으로 이동하여 탄소에 인터컬레이션된다. 이때 리튬은 반응성이 강하므로 탄소 전극과 반응하여 Li2CO3, LiO, LiOH 등을 생성시켜 음극의 표면에 피막을 형성한다. 이러한 피막을 고체 전해질(Solid Electrolyte Interface; SEI) 필름이라고 한다. 충전 초기에 형성된 SEI 피막은 충방전중 리튬 이온과 탄소 음극 또는 다른 물질과의 반응을 막아준다. 또한 이온 터널(Ion Tunnel)의 역할을 수행하여 리튬 이온만을 통과시킨다. 이 이온 터널은 리튬 이온을 용매화(solvation)시켜 함께 이동하는 분자량이 큰 전해액의 유기용매들이 탄소 음극에 함께 코인터컬레이션되어 탄소 음극의 구조를 붕괴시키는 것을 막아 주는 역할을 한다. 따라서 일단 SEI 피막이 형성되고 나면, 리튬 이온은 다시 탄소 음극이나 다른 물질과 부반응을 하지 않게 되어 리튬 이온의 양이 가역적으로 유지된다. 즉, 음극의 탄소는 충전 초기에 전해액과 반응하여 음극 표면에 SEI 피막과 같은 패시베이션 층(passivation layer)을 형성하여 전해액이 더 이상 분해되지 않고 안정적인 충방전을 유지할 수 있도록 한다(J. Power Sources, 51(1994), 79-104). 이러한 이유로 리튬 이차 전지는 초기의 충전 반응 이후 더 이상의 비가역적인 패시베이션 층의 형성 반응을 나타내지 않고 안정적인 사이클 라이프를 유지할 수 있다.During the initial charging of the lithium secondary battery, lithium ions from the lithium metal oxide as the positive electrode move to the carbon electrode as the negative electrode and are intercalated with carbon. At this time, lithium is highly reactive and reacts with the carbon electrode to generate Li 2 CO 3 , LiO, LiOH and the like to form a film on the surface of the negative electrode. Such a coating is called a solid electrolyte interface (SEI) film. The SEI film formed at the beginning of charging prevents the reaction of lithium ions with a carbon anode or other material during charging and discharging. It also acts as an ion tunnel, allowing only lithium ions to pass through. The ion tunnel serves to prevent the organic solvents of a large molecular weight electrolyte which solvates lithium ions and move together and are co-intercalated with the carbon anode to decay the structure of the carbon anode. Therefore, once the SEI film is formed, lithium ions do not react sideways with the carbon negative electrode or other materials again, so that the amount of lithium ions is reversibly maintained. In other words, the carbon of the cathode reacts with the electrolyte at the initial stage of charging to form a passivation layer such as an SEI film on the surface of the cathode to maintain stable charge and discharge without further decomposition of the electrolyte ( J. Power Sources , 51 (1994), 79-104. For this reason, the lithium secondary battery can maintain a stable cycle life after showing no reaction of forming an irreversible passivation layer after the initial charging reaction.

그러나 SEI 피막 형성 반응중 카보네이트계 유기용매의 분해로 인하여 전지 내부에 가스가 발생하는 문제점이 있다(J. Power Sources, 72(1998), 66-70). 이러한 가스로는 비수성 유기용매와 음극 활물질의 종류에 따라 H2, CO, CO2, CH4, C2H6, C3H8, C3H6등이 될 수 있다. 전지 내부의 가스 발생으로 인하여 충전시 전지의 두께가 팽창된다. 또한 충전 후 고온 저장시 시간이 경과함에 따라 증가된 전기화학적 에너지와 열에너지에 의하여 패시베이션 층이 서서히 붕괴되어 노출된 음극 표면과 주위의 전해액이 반응하는 부반응이 지속적으로 일어나게 된다. 이때계속적으로 가스가 발생하여 전지 내부의 압력이 상승하게 된다. 이러한 내압의 증가는 각형 전지와 리튬 폴리머 전지(PLI)가 특정 방향으로 부풀어오르는 등 전지의 특정면의 중심부가 변형되는 현상을 유발한다. 이로 인하여 전지의 전극군내 극판간 밀착성에서 국부적인 차이점이 발생하여 전지의 성능과 안전성이 저하되고 리튬 이차 전지의 세트 장착 자체를 어렵게 하는 문제점이 있다.However, there is a problem that gas is generated inside the battery due to decomposition of the carbonate-based organic solvent during the SEI film formation reaction ( J. Power Sources , 72 (1998), 66-70). Such gas may be H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 3 H 6, or the like, depending on the type of the non-aqueous organic solvent and the negative electrode active material. Due to the gas generation inside the battery, the thickness of the battery is expanded during charging. In addition, as time passes during high temperature storage after charging, the passivation layer gradually collapses due to the increased electrochemical and thermal energy, thereby continuously causing side reactions in which the exposed cathode surface and the surrounding electrolyte react. At this time, gas is continuously generated to increase the pressure inside the battery. The increase in the internal pressure causes a phenomenon in which the center portion of the specific surface of the battery is deformed, such as the rectangular battery and the lithium polymer battery (PLI) bulging in a specific direction. As a result, a local difference occurs in the adhesion between the electrode plates in the electrode group of the battery, thereby degrading performance and safety of the battery and making it difficult to install the lithium secondary battery.

상기 문제점을 해결하기 위한 방법으로 일정 수준 이상의 내압 상승시 내부의 전해액을 분출시키기 위한 벤트 또는 전류 차단기(current breaker)를 장착하여 비수성 전해액을 포함하는 이차 전지의 안전성을 개선하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 내압 상승으로 인하여 오작동의 위험까지 야기시키는 문제점이 있다.As a method for solving the above problems, there is a method for improving the safety of a secondary battery including a nonaqueous electrolyte by installing a vent or a current breaker for ejecting the internal electrolyte when the internal pressure rises above a certain level. However, this method has a problem of causing a risk of malfunction due to the internal pressure rise.

또한 내압 상승을 억제하기 위하여 전해액에 첨가제를 주입하여 SEI 형성 반응을 변화시키는 방법이 알려져 있다. 그 예로, 일본 특허공개 제9-73918호에는 1% 이하의 디페닐 피크릴히드라질(diphenyl picrylhydrazyl) 화합물을 첨가함으로써 전지의 고온저장성을 향상시키는 방법이 개시되어 있고, 일본 특허공개 제8-321312호에는 1~20%의 N-부틸 아민류의 화합물을 전해액에 사용함으로써 수명 성능 및 장기 저장성을 향상시키는 방법이 개시되어 있으며, 일본 특허공개 제8-64238호에는 3×10-4∼3×10-3몰의 칼슘염을 첨가하여 전지의 저장성을 향상시키는 방법이 개시되어 있고, 일본 특허공개 제6-333596호에는 아조 화합물을 첨가하여 전해액과 음극과의 반응을 억제시킴으로써 전지의 저장성을 향상시키는 방법이 개시되어 있다. 또한 일본 특허공개 제7-176323호는 전해액에 CO2를 첨가하는 방법을 개시하고있고, 일본 특허공개 제7-320779호에는 전해액에 설파이드계 화합물을 첨가하여 전해액 분해를 억제하는 방법이 기재되어 있다.In addition, a method of changing an SEI formation reaction by injecting an additive into an electrolyte solution to suppress an increase in internal pressure is known. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-73918 discloses a method for improving the high temperature storage property of a battery by adding 1% or less of a diphenyl picrylhydrazyl compound, and Japanese Patent Laid-Open No. 8-321312 No. 1 discloses a method of improving the service life performance and long-term shelf life by using a compound of 1 to 20% N-butyl amines in an electrolytic solution. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-64238 discloses 3 × 10 -4 to 3 × 10. A method of improving the shelf life of a battery by adding -3 moles of calcium salt is disclosed, and Japanese Patent Laid-Open No. 6-333596 discloses a method of improving the shelf life of a battery by adding an azo compound to suppress the reaction between the electrolyte and the negative electrode. A method is disclosed. In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 7-176323 discloses a method of adding CO 2 to an electrolyte, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-320779 describes a method of suppressing decomposition of an electrolyte by adding a sulfide compound to the electrolyte. .

이와 같이 전지의 저장성과 안정성을 개선하기 위해서 소량의 유기물 또는 무기물을 첨가함으로써 SEI 피막과 같은 음극 표면에 적절한 피막 형성을 유도하는 방법을 사용하고 있다. 그러나 첨가되는 화합물은 고유의 전기화학적 특성에 따라 초기 충방전시 음극인 카본과 상호작용하여 분해되거나 불안정한 피막을 형성하며, 그 결과로 전자내 이온 이동성이 저하되고, 전지내부에 기체를 발생시키며, 내압을 상승시킴으로써 오히려 전지의 저장성과 안정성, 수명 성능 및 용량을 악화시키는 문제점이 있다.In order to improve the storage and stability of the battery as described above, a method of inducing a proper film formation on the surface of a negative electrode such as an SEI film by adding a small amount of organic or inorganic material is used. However, the added compound, depending on its intrinsic electrochemical properties, interacts with carbon, which is a cathode during initial charge and discharge, to form a film that is decomposed or unstable. As a result, ion mobility in the electrons decreases and gas is generated in the battery. Rather, by increasing the internal pressure, there is a problem of worsening the storage and stability, life performance and capacity of the battery.

본 발명의 목적은 초기 충전시 카보네이트계 유기용매의 분해로 인한 전지 내부의 가스의 발생을 억제할 수 있는 비닐 에스테르계 화합물을 함유하는 비수성 전해액을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte solution containing a vinyl ester compound that can suppress the generation of gas inside the battery due to decomposition of the carbonate-based organic solvent during the initial charge.

본 발명의 다른 목적은 상온 충전시 및 충전후 고온 저장시 전지의 두께 변화가 거의 없는 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery with little change in the thickness of the battery at room temperature charging and high temperature storage after charging.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예 따라 제조된 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지의 사이클 수명 특성을 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing cycle life characteristics of a lithium secondary battery including an electrolyte prepared according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬염; 비수성 유기용매; 및 하기 화학식 1의 비닐 에스테르계 화합물을 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액을 제공한다:In order to achieve the above object of the present invention, the present invention is a lithium salt; Non-aqueous organic solvents; And it provides a lithium secondary battery electrolyte comprising a vinyl ester compound of the formula (1):

[화학식 1][Formula 1]

상기 식에서 R1, R2및 R3는 수소, 1차, 2차 또는 3차 알킬기, 알케닐기 또는 아릴기이다.Wherein R 1 , R 2 and R 3 are hydrogen, primary, secondary or tertiary alkyl groups, alkenyl groups or aryl groups.

본 발명은 또한 상기 전해액; 양극 활물질로서 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 포함하는 양극; 및 음극 활물질로서 탄소, 탄소 복합체, 리튬금속, 또는 리튬합금을 포함하는 음극으로 이루어지는 리튬 이차 전지를 제공한다.The invention also the electrolyte; A positive electrode comprising a compound capable of intercalation / deintercalation of lithium ions as a positive electrode active material; And a negative electrode including carbon, a carbon composite, a lithium metal, or a lithium alloy as a negative electrode active material.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 전해액은 리튬염; 비수성 유기용매; 및 화학식 1의 비닐 에스테르계 화합물을 포함한다.The electrolyte solution of the present invention is a lithium salt; Non-aqueous organic solvents; And vinyl ester compounds of the formula (1).

상기 전해질의 용질로 사용되는 리튬염으로는 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4), 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(LiCF3SO3), 리튬 헥사플루오로아르세네이트(LiAsF6), 리튬 비스(트리플루오로메틸)술포닐 이미드(LiN(CF3SO2)2), 리튬 비스(퍼플루오로에틸)술포닐 이미드(LiN(C2F5SO2)2)중 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 이때 염의 농도는 0.7 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다. 염의 농도가 0.7M 미만이면 전해액의 전도도가 낮아져 전해액 성능이 떨어지고, 2.0M을 초과하는 경우에는 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소되는 문제점이 있다. 이들 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 한다.The lithium salt used as the solute of the electrolyte is lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), Lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium bis (trifluoromethyl) sulfonyl imide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), lithium bis (perfluoroethyl) sulfonyl imide ( One or a mixture of two or more of LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ) may be used. At this time, the concentration of the salt is preferably used in the range of 0.7 to 2.0M. If the salt concentration is less than 0.7M, the conductivity of the electrolyte is lowered, the performance of the electrolyte is lowered. If the salt is more than 2.0M, the viscosity of the electrolyte is increased, thereby reducing the mobility of lithium ions. These lithium salts act as a source of lithium ions in the battery to enable operation of the basic lithium secondary battery.

상기 비수성 유기용매로는 환형(cyclic) 또는 사슬형(chain) 카보네이트와 같은 유기용매가 사용될 수 있으며, 둘 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 본 발명에서 상기 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 부피비로 혼합되어야 전해액의 성능이 바람직하게 나타난다.As the non-aqueous organic solvent, an organic solvent such as cyclic or chain carbonate may be used, or two or more may be used in combination. In the present invention, it is preferable to use the cyclic carbonate and the chain carbonate in a volume ratio of 1: 1 to 1: 9. The performance of the electrolytic solution is desirable when mixed in the above volume ratio.

상기 환형 카보네이트의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 있으며, 사슬형 카보네이트의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC) 등이 있다.Specific examples of the cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and specific examples of the chain carbonates include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and di Propyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC) and the like.

또한 본 발명의 전해액은 상기 카보네이트계 용매에 벤젠계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 상기 벤젠계 유기용매로는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 트리플루오로톨루엔, 자일렌 등이 있다. 이러한 벤젠계 유기용매를 포함하는 전해액의 조성은 카보네이트계 용매/벤젠계 용매의 부피비가 1:1 내지 10:1인 것이 바람직하다. 상기 부피비로 혼합되어야 전해액의 성능이 바람직하게 나타난다.In addition, the electrolyte solution of the present invention may further include a benzene organic solvent in the carbonate solvent. The benzene organic solvents include benzene, fluorobenzene, toluene, trifluorotoluene, xylene and the like. The composition of the electrolyte solution containing the benzene organic solvent is preferably a volume ratio of 1: 1 to 10: 1 carbonate solvent / benzene solvent. The performance of the electrolytic solution is desirable when mixed in the above volume ratio.

상기 리튬염을 함유하는 비수성 유기용매에 화학식 1의 비닐 에스테르계 화합물을 첨가하여 본 발명의 비수성 전해액을 제조한다:A non-aqueous electrolyte solution of the present invention is prepared by adding a vinyl ester compound of Formula 1 to a non-aqueous organic solvent containing lithium salt:

[화학식 1][Formula 1]

상기 식에서 R1, R2및 R3는 수소, 1차, 2차 또는 3차 알킬기, 알케닐기 또는 아릴기이고, 이중 수소, C1∼C11의 알킬기, C2∼C11의 알케닐기 또는 C6∼C14의 아릴기인 것이 바람직하다.Wherein R 1, R 2 and R 3 is hydrogen, primary, secondary or a tertiary alkyl group, an alkenyl group or an aryl group, the double hydrogen, an alkyl group of C 1 ~C 11, C 2 ~C 11 alkenyl group, or is an aryl group of C 6 ~C 14 are preferred.

화학식 1로 나타내어지는 비닐 에스테르계 화합물중 비닐 아세테이트, 비닐 벤조에이트, 비닐 프로피오네이트 등이 바람직하게 사용될 수 있다.Among the vinyl ester compounds represented by the formula (1), vinyl acetate, vinyl benzoate, vinyl propionate and the like can be preferably used.

상기 비닐 에스테르계 화합물은 전해액에 대하여 0.1∼10 중량%의 양으로 첨가되는 것이 바람직하며, 0.1 내지 5 중량%로 첨가되는 것이 더 바람직하다. 상기 비닐 에스테르계 화합물의 사용량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 전지 내부에서의 가스 발생 억제 효과를 기대하기 어렵고, 10 중량%를 초과하는 경우에는 전지의 초기 충방전 효율과 수명 성능이 사용량 증가에 따라 감소하는 문제점이 발생한다.The vinyl ester compound is preferably added in an amount of 0.1 to 10% by weight, and more preferably 0.1 to 5% by weight based on the electrolyte. When the amount of the vinyl ester compound used is less than 0.1% by weight, it is difficult to expect the effect of suppressing gas generation inside the battery, and when the amount of the vinyl ester compound exceeds 10% by weight, the initial charge and discharge efficiency and the life performance of the battery decrease with increasing use. The problem arises.

상기 비닐 에스테르계 화합물은 초기 충전시 카보네이트계 유기용매보다 먼저 분해되어 리튬 이온과 반응하여 SEI 피막을 형성함으로써 카보네이트계 유기용매의 분해를 억제한다. 따라서 초기 충전시 카보네이트계 유기용매의 분해로 인한 가스의 발생을 억제할 수 있으므로 상온 충전시 또는 충전 후 고온 저장시 각형 전지나 리튬 폴리머 전지의 두께가 팽창하는 것을 방지할 수 있다.The vinyl ester compound decomposes earlier than the carbonate organic solvent during initial charging to react with lithium ions to form an SEI film, thereby inhibiting decomposition of the carbonate organic solvent. Therefore, since the generation of gas due to decomposition of the carbonate-based organic solvent during the initial charging can be suppressed, it is possible to prevent the thickness of the rectangular battery or the lithium polymer battery from expanding during normal temperature charging or high temperature storage after charging.

본 발명의 리튬 이차 전지의 전해액은 통상 -20∼60℃의 온도 범위에서 안정하여 4V의 전압에서도 안정적인 특성을 유지하므로 리튬 이차 전지의 안전성과 신뢰성을 향상시킨다. 본 발명의 전해액은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등 모든 리튬 이차 전지에 적용될 수 있다.The electrolyte of the lithium secondary battery of the present invention is usually stable in the temperature range of -20 ~ 60 ℃ to maintain a stable characteristic even at a voltage of 4V to improve the safety and reliability of the lithium secondary battery. The electrolyte solution of the present invention can be applied to all lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium polymer batteries.

본 발명에서 리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1-x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속)와 같은 리튬 금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물과 같은 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 사용하고, 음극 활물질로는 결정질 또는 비정질의 탄소, 탄소 복합체, 리튬 금속, 또는 리튬 합금을 사용한다.In the present invention, the positive electrode active material of the lithium secondary battery is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , or LiNi 1-xy Co x M y O 2 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1, M is a compound capable of intercalation / deintercalation of lithium ions, such as lithium metal oxides such as metals such as Al, Sr, Mg, La, etc. or lithium chalcogenide compounds As the negative electrode active material, crystalline or amorphous carbon, carbon composite, lithium metal, or lithium alloy is used.

상기 활물질을 포함하는 슬러리를 적당한 두께와 길이로 박판의 집전체에 도포하거나 또는 활물질 자체를 필름 형상으로 도포하여 절연체인 세퍼레이터와 함께 감거나 적층하여 전극군을 만든 다음, 캔 또는 이와 유사한 용기에 넣은 후, 본 발명의 비수성 전해액을 주입하여 리튬 이차 전지를 제조한다. 상기 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 수지 필름 또는 폴리에틸렌/폴리프로필렌의 이중층의 필름이 사용될 수 있다.The slurry containing the active material is applied to a current collector of a thin plate with a suitable thickness and length, or the active material itself is applied in a film shape to be wound or laminated with a separator which is an insulator to form an electrode group, and then placed in a can or a similar container. Thereafter, a non-aqueous electrolyte solution of the present invention is injected to manufacture a lithium secondary battery. As the separator, a resin film such as polyethylene or polypropylene or a double layer film of polyethylene / polypropylene may be used.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.The following presents a preferred embodiment to aid the understanding of the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트(EC/DMC)가 1/1로 혼합된 비수성 유기용매에 1M의 LiPF6를 첨가하고, 비닐 에스테르계 화합물로서 비닐 아세테이트를 전해액에 대하여 2 중량% 첨가하여 전해액을 제조하였다.1M LiPF 6 was added to a non-aqueous organic solvent mixed with ethylene carbonate / dimethyl carbonate (EC / DMC) 1/1, and 2% by weight of vinyl acetate was added to the electrolyte as a vinyl ester compound to prepare an electrolyte. .

(실시예 2)(Example 2)

비닐 아세테이트 대신 비닐 벤조에이트를 첨가한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전해액을 제조하였다.An electrolyte solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that vinyl benzoate was added instead of vinyl acetate.

(실시예 3)(Example 3)

비닐 아세테이트 대신 비닐 프로피오네이트를 첨가한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전해액을 제조하였다.An electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that vinyl propionate was added instead of vinyl acetate.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

비닐 에스테르계 화합물을 첨가하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전해액을 제조하였다.An electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that the vinyl ester compound was not added.

분해 전압 측정Decomposition Voltage Measurement

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 전해액에 대하여 사이클 볼타메트리(cyclic voltametry)에 의하여 분해 전압을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.The decomposition voltages of the electrolyte solutions of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured by cyclic voltametry, and are shown in Table 1 below.

분해 전압(V)Resolution voltage (V) 실시예 1Example 1 0.80.8 실시예 2Example 2 1.21.2 실시예 3Example 3 0.90.9 비교예 1Comparative Example 1 0.50.5

사이클 전압 측정 조건은 다음과 같다:Cycle voltage measurement conditions are as follows:

작업 전극: MCF, 기준 전극: Li-금속, 상대 전극: Li-금속Working electrode: MCF, reference electrode: Li-metal, counter electrode: Li-metal

전압 범위: 3V∼0V, Scan Rate: 0.1 mV/s.Voltage range: 3V to 0V, Scan Rate: 0.1 mV / s.

비닐에스테르계 화합물이 첨가된 실시예 1 내지 3의 전해액이 상기 화합물이 첨가되지 않은 비교예 1의 전해액에 비하여 분해 전압이 높아 초기 충전시 먼저 분해되며 상기 분해 전압에서 SEI 피막 형성 반응이 일어난다. 이때 형성된 SEI 피막은 카보네이트계 유기용매의 분해를 막기 때문에 이들 유기용매의 분해로 인한 가스 발생을 억제할 수 있다. 이로써 전지의 내부 압력을 감소시켜 만충전 후의 전지의 두께를 감소시킬 수 있다.The electrolyte solution of Examples 1 to 3 to which the vinyl ester compound is added has a higher decomposition voltage than the electrolyte solution of Comparative Example 1 to which the compound is not added, and thus is decomposed first during initial charging, and the SEI film formation reaction occurs at the decomposition voltage. At this time, since the formed SEI film prevents decomposition of the carbonate-based organic solvent, gas generation due to decomposition of these organic solvents can be suppressed. As a result, the internal pressure of the battery can be reduced, thereby reducing the thickness of the battery after full charge.

리튬 이차 전지의 제조Fabrication of Lithium Secondary Battery

양극 활물질로서 LiCoO2, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 및 도전제로서 카본을 92:4:4의 중량비로 혼합한 다음, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 20㎛의 알루미늄 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 양극을 제조하였다. 음극 활물질로서 결정성 인조흑연과 바인더로서 PVdF를 92:8의 중량비로 혼합한 다음, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 15㎛의 구리 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 음극을 제조하였다. 상기 제조된 전극들을 두께 25㎛의 폴리에틸렌 재질의 세퍼레이터를 사용하여 권취, 압축하여 30㎜×48㎜×6㎜인 각형 캔에 넣은 다음, 상기 실시예 1∼3과 비교예 1의 전해액을 주입하여 각형 전지를 제조하였다.LiCoO 2 as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder and carbon as a conductive agent were mixed in a weight ratio of 92: 4: 4, and then dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a positive electrode slurry. It was. The slurry was coated on an aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried, and rolled to prepare a positive electrode. Crystalline artificial graphite as a negative electrode active material and PVdF as a binder were mixed in a weight ratio of 92: 8, and then dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a negative electrode slurry. The slurry was coated on a copper foil having a thickness of 15 μm, dried, and rolled to prepare a negative electrode. The prepared electrodes were wound and compressed using a polyethylene separator having a thickness of 25 μm, placed in a rectangular can of 30 mm × 48 mm × 6 mm, and then the electrolyte solutions of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were injected. Square cells were prepared.

충전 후 전지의 두께 변화Battery thickness change after charging

상기 실시예 1∼3 및 비교예 1의 전해액을 주입하여 제조된 리튬 이차 전지에 대하여 정전류-정전압(CC-CV) 조건하에서 170mA의 전류, 4.2V의 충전 전압으로 충전한 후, 1 시간 방치후 170mA의 전류로 2.75V까지 방전하고 1시간 방치하였다. 이 과정을 3회 반복한 후 425mA의 전류로 2시간 30분 동안 4.2V 충전 전압으로 충전하였다. 초기 전지 조립 후 전지의 두께에 대한 충전 후 두께 증가율을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.The lithium secondary batteries prepared by injecting the electrolyte solutions of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were charged with a current of 170 mA and a charging voltage of 4.2 V under constant current-constant voltage (CC-CV) conditions, and then left for 1 hour. It discharged to 2.75V with 170 mA of current, and left for 1 hour. This process was repeated three times and then charged with 4.2V charging voltage for 2 hours and 30 minutes at a current of 425mA. After the initial cell assembly, the thickness increase rate after the charge to the thickness of the battery was measured and the results are shown in Table 2 below.

만충전 후 전지의 두께변화(%)Battery thickness change after full charge (%) 실시예 1Example 1 6.26.2 실시예 2Example 2 8.78.7 실시예 3Example 3 7.47.4 비교예 1Comparative Example 1 9.49.4

비닐 에스테르계 화합물이 첨가된 실시예 1∼3의 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지가 비닐 에스테르계 화합물이 첨가되지 않은 비교예 1에 비하여 상온 충전시 두께 팽창이 훨씬 감소한 것을 확인할 수 있다.It can be seen that the lithium secondary battery including the electrolyte solutions of Examples 1 to 3 to which the vinyl ester compound was added has a much reduced thickness expansion at room temperature charging as compared to Comparative Example 1 in which the vinyl ester compound is not added.

전지 수명 성능 측정Battery Life Performance Measurement

상기 실시예 1∼3 및 비교예 1의 전해액을 사용하여 제조된 리튬 이차 전지에 대하여 CC-CV 조건하에서 800mA, 4.2V의 충전 전압까지 2시간 30분 동안 충전하고 CC 조건하에서 800mA, 2.75V의 컷-오프 전압까지 방전하였다. 이 충방전을 300회 반복하여 사이클에 따른 용량 감소를 측정하여 그 결과를 도 1에 나타내었다.도 1에서 보는 바와 같이, 비교예 1의 전해액을 사용한 전지는 충방전 사이클이 진행되는 동안 용량이 현저하게 감소한 반면에, 실시예 1∼3의 전해액을 사용한 전지는 용량 감소가 적음을 알 수 있다.The lithium secondary batteries prepared using the electrolyte solutions of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were charged for 2 hours and 30 minutes to 800 mA and 4.2 V charged voltage under CC-CV conditions, and 800 mA and 2.75 V under CC conditions. Discharged to cut-off voltage. The charge / discharge was repeated 300 times to measure the capacity decrease according to the cycle, and the result is shown in FIG. 1. As shown in FIG. 1, the battery using the electrolyte solution of Comparative Example 1 was discharged during the charge / discharge cycle. On the other hand, the battery using the electrolyte solutions of Examples 1 to 3 shows a small decrease in capacity, while the remarkably decreases.

본 발명의 전해액에 첨가된 비닐 에스테르계 화합물은 초기 충전시 카보네이트계 유기용매보다 먼저 분해되어 SEI 피막을 형성함으로써 카보네이트계 유기용매가 분해되는 것을 억제한다. 따라서 본 발명의 전해액이 적용된 리튬 이차 전지는 초기 충전시 카보네이트계 유기용매의 분해로 인한 가스의 발생을 억제하여 전지의 내압을 감소시키고, 상온 충전시 및 충전 후 고온 저장시 전지의 두께가 팽창되는 것을 방지하며, 수명특성도 우수하다.The vinyl ester compound added to the electrolyte of the present invention is decomposed before the carbonate organic solvent at the time of initial charge to form an SEI film, thereby inhibiting the decomposition of the carbonate organic solvent. Accordingly, the lithium secondary battery to which the electrolyte solution of the present invention is applied reduces the internal pressure of the battery by suppressing generation of gas due to decomposition of the carbonate-based organic solvent during initial charging, and expands the thickness of the battery during normal temperature charging and high temperature storage after charging. It is prevented and also has excellent life characteristics.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

Claims (13)

리튬염;Lithium salts; 카보네이트계 용매와 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 트리플루오로톨루엔, 및 자일렌으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 벤젠계 용매가 1:1 내지 10:1의 부피비로 혼합된 유기용매; 및An organic solvent in which a carbonate solvent and at least one benzene solvent selected from the group consisting of benzene, fluorobenzene, toluene, trifluorotoluene, and xylene are mixed in a volume ratio of 1: 1 to 10: 1; And 하기 화학식 1의 비닐 에스테르계 화합물을 포함하는 리튬 이차 전지용 비수성 전해액:A non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery comprising a vinyl ester compound of Formula 1 below: [화학식 1][Formula 1] 상기 식에서 R1, R2및 R3는 수소, 1차, 2차 또는 3차 알킬기, 알케닐기 또는 아릴기임.Wherein R 1 , R 2 and R 3 are hydrogen, a primary, secondary or tertiary alkyl group, an alkenyl group or an aryl group. 제1항에 있어서, 상기 리튬염은 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4), 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(LiCF3SO3), 리튬 헥사플루오로아르세네이트(LiAsF6), 및 리튬 비스(트리플루오로메틸)술포닐 이미드(LiN(CF3SO2)2), 리튬 비스(퍼플루오로에틸)술포닐 이미드(LiN(C2F5SO2)2)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 리튬 이차 전지용 비수성 전해액.The method of claim 1, wherein the lithium salt is lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ) , Lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), and lithium bis (trifluoromethyl) sulfonyl imide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), lithium bis (perfluoroethyl) sulfonyl imide ( LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ) A non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery which is at least one selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 리튬염의 농도는 0.7 내지 2.0M인 리튬 이차 전지용 비수성 전해액.The non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries according to claim 1, wherein the lithium salt has a concentration of 0.7 to 2.0 M. 제1항에 있어서, 상기 비수성 유기용매는 환형(cyclic) 카보네이트 및 사슬형(chain) 카보네이트의 혼합 용매인 리튬 이차 전지용 비수성 전해액.The nonaqueous electrolyte of claim 1, wherein the nonaqueous organic solvent is a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate. 제4항에 있어서, 상기 환형 카보네이트는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부텔렌 카보네이트(BC) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 리튬 이차 전지용 비수성 전해액.The non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries according to claim 4, wherein the cyclic carbonate is at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and mixtures thereof. 제4항에 있어서, 상기 사슬형 카보네이트는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 리튬 이차 전지용 비수성 전해액.The method of claim 4, wherein the chain carbonate is dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC And at least one selected from the group consisting of a mixture thereof. 제4항에 있어서, 상기 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합된 것인 리튬 이차 전지용 비수성 전해액.The non-aqueous electrolyte of claim 4, wherein the cyclic carbonate and the chain carbonate are mixed in a volume ratio of 1: 1 to 1: 9. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 나타내어지는 화합물이 비닐 아세테이트, 비닐 벤조에이트, 및 비닐 프로피오네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 화합물인 리튬 이차 전지용 비수성 전해액.The non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries according to claim 1, wherein the compound represented by Chemical Formula 1 is at least one compound selected from the group consisting of vinyl acetate, vinyl benzoate, and vinyl propionate. 제1항 내지 제7항 및 제11항중 어느 하나의 항에 따른 비수성 전해액;Non-aqueous electrolyte according to any one of claims 1 to 7 and 11; 양극 활물질로서 리튬이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물을 포함하는 양극; 및A positive electrode including a compound capable of intercalation / deintercalation of lithium ions as a positive electrode active material; And 음극 활물질로서 탄소, 탄소 복합체, 리튬금속, 또는 리튬합금을 포함하는 음극Anode containing carbon, carbon composite, lithium metal, or lithium alloy as anode active material 으로 이루어지는 리튬 이차 전지.The lithium secondary battery which consists of. 제12항에 있어서, 상기 전지가 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지인 리튬 이차 전지.The lithium secondary battery according to claim 12, wherein the battery is a lithium ion battery or a lithium polymer battery.
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