KR100551003B1 - Electrolyte for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 상기 전해액은 하기 화학식 1의 과충전 억제 첨가제; 리튬염; 및 비수성 유기 용매를 포함한다.The present invention relates to a lithium secondary battery electrolyte and a lithium secondary battery comprising the same, the electrolyte is an overcharge inhibitor additive of the formula (1); Lithium salts; And non-aqueous organic solvents.
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서, R1 및 R2는 동일하거나 서로 다르며, 각각 독립적으로 H, CH3, CH2NH2, CH2COCH3 또는 CH2CHOHCH3이다)(In Formula 1, R 1 and R 2 are the same or different, and each independently H, CH 3 , CH 2 NH 2 , CH 2 COCH 3 or CH 2 CHOHCH 3 )
본 발명의 과충전 억제 첨가제를 포함한 전해액을 사용한 전지는 과충전시에도 우수한 전지 안전성을 나타낸다.The battery using the electrolyte solution containing the overcharge inhibiting additive of the present invention exhibits excellent battery safety even when overcharged.
과충전,전해액,리튬이차전지,페나진Overcharge, electrolyte, lithium secondary battery, phenazine
Description
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지용 전해액에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery electrolyte and a lithium secondary battery comprising the same, and more particularly, to a lithium secondary battery electrolyte that can improve battery safety.
[종래 기술][Prior art]
최근 첨단 전자 산업의 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.
상기 리튬 이차 전지는 충전기 오작동 등의 원인으로 인하여 전지가 과충전되어 전압 상승이 급격하게 진행할 경우, 충전 상태에 따라 양극에서 과량의 리튬이 빠져나와 음극 표면에 석출되고, 그 결과 양극 및 음극이 열적으로 매우 불안정한 상태에 놓이게 된다. 이로 인하여, 전해액의 열분해, 전해액과 리튬과의 반응, 양극에서의 전해액 산화 반응, 양극 산화물의 열분해에 의해 발생되는 산소와 전해액의 반응 등에 의해 발열 반응이 급격하게 진행되어 전지 온도가 급상승(열폭주)하므로 전지의 최고 허용 온도를 초과하게 되어 전지의 발화 및 발연 등의 문제를 발생시킨다.When the lithium secondary battery is overcharged due to a charger malfunction or the like and the voltage rises rapidly, excess lithium is discharged from the positive electrode according to the state of charge and is deposited on the negative electrode surface. You will be in a very unstable state. As a result, the exothermic reaction rapidly progresses due to thermal decomposition of the electrolyte, reaction between the electrolyte and lithium, oxidation of the electrolyte at the anode, reaction of oxygen and the electrolyte generated by thermal decomposition of the anode oxide, and a sudden increase in battery temperature (thermal runaway). Therefore, the battery's maximum allowable temperature is exceeded, which causes problems such as fire and smoke of the battery.
이러한 문제를 해결하기 위하여 전해액의 조성을 변화시키거나 전해액에 첨가제를 가하여 리튬 전지의 과충전을 억제하고자 하는 시도가 많이 행해져 왔다. 예를 들어 미국특허 5,580,684호에는 인산에스테르계 물질로서 트리메틸 포스페이트, 트리(트리플루오로에틸)포스페이트, 트리(2-클로로에틸)포스페이트 등을 전해액에 첨가하여 전해액의 자기 소화성(self-extinguishing)을 증대시킴으로써 전지 이상 발생시 안전성을 높이는 방법이 개시되어 있으며, 미국특허 5,776,627호에는 티오펜, 비페닐, 퓨란 등을 첨가하여 전지 이상시 이들이 폴리머화되어 리튬의 이동을 방해하고 이 때 발생하는 기체로서 전지의 벤트를 쉽게 열리도록 하여 전지의 안전성을 높이는 방법이 개시되어 있다. In order to solve this problem, many attempts have been made to suppress the overcharging of lithium batteries by changing the composition of the electrolyte or adding an additive to the electrolyte. For example, U.S. Patent No. 5,580,684 adds trimethyl phosphate, tri (trifluoroethyl) phosphate, tri (2-chloroethyl) phosphate, etc. to the electrolyte as a phosphate ester substance to increase the self-extinguishing of the electrolyte. In this case, US Pat. No. 5,776,627 adds thiophene, biphenyl, furan, and the like to polymerize the battery when the battery is abnormal, thereby preventing the movement of lithium. A method of increasing the safety of a battery by opening the vent easily is disclosed.
또한 상기 방법들과 유사하게 미국특허 5,763,119호에서는 1,2-디메톡시-4-브로모-벤젠을, 미국특허 5,709,968호에서는 2-클로로-p-크실렌 및 4-클로로-아니솔을, 미국특허 5,858,573호에서는 2,7-디아세틸 티안트렌 등을 각각 첨가함으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 방법이 개시되어 있다.Also similar to the above methods, US Pat. No. 5,763,119, 1,2-dimethoxy-4-bromo-benzene, US Pat. No. 5,709,968, 2-chloro-p-xylene and 4-chloro-anisole, US Pat. 5,858,573 discloses a method for improving battery safety by adding 2,7-diacetyl thianthrene and the like, respectively.
마찬가지로, 일본 특허공개공보 평7-302614호에서는 벤젠류 화합물을 사용하여 중합물을 형성함으로써 과충전 전류를 소비하여 전지를 보호하는 방법이 개시되어 있다.Similarly, Japanese Patent Laid-Open No. 7-302614 discloses a method of protecting a battery by consuming an overcharge current by forming a polymer using a benzene compound.
그러나 상기와 같은 대부분의 첨가제들은 전지의 정상적인 작동 조건에서 폴리머화되거나, 산화분해에 의해 가스를 대량 발생시켜 전지의 스웰링 현상을 증가시킬 수 있으며, 더욱이 화성특성, 표준용량 및 수명특성과 같은 전지의 제반 특성을 저하시키는 등의 여러 문제점이 있어 아직 실용화에는 이르지 못하고 있다.However, most of the additives can be polymerized under normal operating conditions of the battery or can generate a large amount of gas by oxidative decomposition, thereby increasing the swelling phenomenon of the battery. There are various problems such as deterioration of various characteristics of the product, which has not been put into practical use.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지용 전해액을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an electrolyte solution for a lithium secondary battery that can improve the safety of the battery.
본 발명의 다른 목적은 상기 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the electrolyte.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1의 과충전 억제 첨가제; 리튬염; 및 비수성 유기 용매를 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is an overcharge inhibitor additive of the formula (1); Lithium salts; And it provides a lithium secondary battery electrolyte containing a non-aqueous organic solvent.
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서, R1 및 R2는 동일하거나 서로 다르며, 각각 독립적으로 H, CH3, CH2NH2, CH2COCH3 또는 CH2 CHOHCH3이다)(In Formula 1, R 1 and R 2 are the same or different, and each independently H, CH 3 , CH 2 NH 2 , CH 2 COCH 3 or CH 2 CHOHCH 3 )
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 과충전시 급격한 전압 상승으로 인한 문제점을 방지할 수 있도록 기존 전해액 조성에 새로운 첨가제를 첨가한 리튬 이차 전지용 전해액에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte for a lithium secondary battery in which a new additive is added to an existing electrolyte composition so as to prevent a problem due to a sudden voltage increase during overcharging.
본 발명에서 사용한 첨가제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이다.The additive used in the present invention is a compound represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서, R1 및 R2는 동일하거나 서로 다르며, 각각 독립적으로 H, CH3, CH2NH2, CH2COCH3 또는 CH2 CHOHCH3이다)(In Formula 1, R 1 and R 2 are the same or different, and each independently H, CH 3 , CH 2 NH 2 , CH 2 COCH 3 or CH 2 CHOHCH 3 )
이 화합물이 첨가된 전해액을 전지에 사용하면, 전지가 과충전되어 만충전 전압 이상으로 전압 상승이 급격하게 진행될 경우, 상기 첨가제가 산화환원-셔틀 메커니즘(Redox-shuttle mechanism)에 의해 과충전 전류를 소모한다. 이는 상기 첨가제가 약 4.9V에서 중합 반응이 개시되어 극판 표면에 중합성 피막을 형성하여 극판 표면을 코팅한다. 그 결과 양극과 음극 사이에 저항을 증가시키고 또한 약간의 이온 및 전기 전도성을 갖고 있는 중합성 피막은 두 전극에서 소프트 숏트(soft short(shuntting)) 효과를 일으켜 과충전 전류를 소비하고 전위 상승을 억제시켜 열폭주를 제어할 수 있으며, 그 결과 전지 안전성을 향상시킬 수 있다.When an electrolyte solution containing this compound is used in a battery, when the battery is overcharged and the voltage rises rapidly beyond the full charge voltage, the additive consumes an overcharge current by a redox-shuttle mechanism. . This is because the additive initiates a polymerization reaction at about 4.9V to form a polymerizable film on the electrode plate surface to coat the electrode plate surface. As a result, polymeric coatings that increase resistance between the anode and cathode, and also have some ionic and electrical conductivity, produce a soft short (shuntting) effect at both electrodes, consuming overcharge currents and suppressing potential rises. Thermal runaway can be controlled, resulting in improved battery safety.
본 발명의 전해액에서 상기 첨가제의 함량은 전해액 중량의 0.5 내지 5 중량%가 바람직하고, 1 내지 2 중량%가 보다 바람직하다. 상기 첨가제의 함량이 전해액 중량의 0.5 중량% 보다 작으면 첨가제를 첨가함에 따른 효과가 미미하며, 5 중량%를 초과하는 경우에는 수명특성이 저하되거나 방전 특성이 나빠지는 문제점이 있다.The content of the additive in the electrolyte solution of the present invention is preferably 0.5 to 5% by weight, more preferably 1 to 2% by weight of the electrolyte solution. If the content of the additive is less than 0.5 wt% of the weight of the electrolyte, the effect of adding the additive is insignificant, and if it exceeds 5 wt%, there is a problem that the life characteristics are lowered or the discharge characteristics are worsened.
본 발명의 전해액은 상기 첨가제 이외에 종래 전해액 조성인 리튬염과 비수성 유기 용매를 포함한다.The electrolyte solution of the present invention includes a lithium salt and a non-aqueous organic solvent which are conventional electrolyte solution compositions in addition to the additive.
상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진한다. 이러한 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6 , LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)3, Li(CF3SO 2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO 4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl 및 LiI로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 지지(supporting) 전해염으로 포함한다. 리튬염의 농도는 0.6 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 0.6M 미만이면, 전해질의 전도도가 낮아져 전해질 성능이 떨어지고, 2.0M을 초과하는 경우에는 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소되는 문제점이 있다.The lithium salt is dissolved in an organic solvent to serve as a source of lithium ions in the battery to enable operation of the basic lithium secondary battery and to promote the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. Such lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl and LiI selected from the group consisting of Include. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.6 to 2.0M. When the concentration of the lithium salt is less than 0.6M, the conductivity of the electrolyte is lowered, the performance of the electrolyte is lowered, and when the lithium salt is more than 2.0M, the viscosity of the electrolyte is increased to reduce the mobility of lithium ions.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 상기 비수성 유기 용매로는 카보네이트, 에스테르, 에테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 카보네이트로는 환형(cyclic) 카보네이트 또는 사슬형(chain) 카보네이트를 사용할 수 있다. 상기 유기 용매를 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다. 상기 고리 카보네이트로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 고리 카보네이트를 사용할 수 있으며, 상기 선형 카보네이트는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 및 메틸프로필 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 선형 카보네이트를 사용할 수 있다. 또한, 상기 에스테르로는 γ-부티로락톤, 발레로락톤, 데카놀라이드, 메발로락톤 등을 사용할 수 있다. 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤 등을 사용할 수 있다. The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the cell can move. The non-aqueous organic solvent may be used one or more selected from the group consisting of carbonates, esters, ethers and ketones. As the carbonate, cyclic carbonate or chain carbonate may be used. The mixing ratio in the case of mixing one or more of the organic solvents can be appropriately adjusted according to the desired battery performance, which can be widely understood by those skilled in the art. The ring carbonate may be a ring carbonate selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate and mixtures thereof, and the linear carbonate is selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and methylpropyl carbonate. One or more linear carbonates may be used. In addition, γ-butyrolactone, valerolactone, decanolide, mevalolactone, etc. may be used as the ester. As the ketone, polymethyl vinyl ketone may be used.
본 발명의 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지는 양극 및 음극을 포함한다.The lithium secondary battery including the electrolyte solution of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode.
상기 양극은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 이러한 양극 활물질의 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1-x-yCo xMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속)와 같은 리튬-전이금속 산화물을 사용한다. 또한 이외에 리튬 이차 전지의 양극 활물질로 당해 분야에 널리 알려진 어떠한 화합물도 사용할 수 있음은 당연하다.The positive electrode includes a positive electrode active material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions. Representative examples of the positive electrode active material include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , or LiNi 1- Use a lithium-transition metal oxide such as xy Co x M y O 2 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1, where M is a metal such as Al, Sr, Mg, La, etc.) do. In addition, it is natural that any compound well known in the art may be used as a cathode active material of a lithium secondary battery.
상기 음극은 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 이러한 음극 활물질로는 결정질 또는 비정질의 탄소, 또는 탄 소 복합체의 탄소계 음극 활물질을 사용한다. 또한 이외에 리튬 이차 전지의 음극 활물질로 당해 분야에 널리 알려진 어떠한 화합물도 사용할 수 있음은 당연하다.The negative electrode includes a negative electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and the negative electrode active material uses a crystalline or amorphous carbon or a carbon-based negative electrode active material of a carbon composite. In addition, it is natural that any compound well known in the art may be used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery.
본 발명의 전해액을 사용한 전지는 이와 같이 상술한 양극 및 음극을 포함하는 리튬 이차 전지로서, 상술한 구성을 갖는 이온 전지이거나 또는 전해액에 겔 형성 모노머 및 개시제를 첨가하는 경우에는 폴리머 전지로 형성될 수도 있다. 상기 겔 형성 모노머 및 개시제로는 폴리머 전지 형성시 사용되는 화합물은 모두 사용할 수 있으며, 상기 겔 형성 모노머의 대표적인 예로는 메타크릴레이트, 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 등을 들 수 있고, 상기 개시제로는 아조비스이소부티로니트릴 등과 같은 아조계 화합물 또는 이소부틸 퍼옥사이드, 라우로일 퍼옥사이드 등의 유기 과산화물을 들 수 있다. 겔 형성 모노머 및 개시제를 첨가하여 폴리머 전지를 형성하는 것은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.The battery using the electrolyte solution of the present invention is a lithium secondary battery including the positive electrode and the negative electrode as described above, and may be an ion battery having the above-described configuration, or may be formed of a polymer battery when a gel-forming monomer and an initiator are added to the electrolyte solution. have. As the gel-forming monomer and the initiator, any compound used in forming a polymer battery may be used. Representative examples of the gel-forming monomer may include methacrylate, ethylene oxide, and propylene oxide, and as the initiator, azobis Azo compounds, such as isobutyronitrile etc., or organic peroxides, such as isobutyl peroxide and a lauroyl peroxide, are mentioned. It is well known in the art to form a polymer battery by adding a gel forming monomer and an initiator, and thus detailed description thereof will be omitted.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(실시예 1)(Example 1)
LiPF6를 1M 농도로 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트의 혼합 용매(2:8 부피비)에 용해시켰다. 얻어진 혼합물에 N,N-비스-(2-하이드록시프로필) 디하이드로페나진을 상기 혼합물 중량의 1 중량% 양으로 첨가하여 전해액을 제조하 였다.LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and propylene carbonate (2: 8 volume ratio) at 1 M concentration. N, N-bis- (2-hydroxypropyl) dihydrophenazine was added to the obtained mixture in an amount of 1% by weight of the mixture to prepare an electrolyte solution.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
LiPF6를 1M 농도로 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트의 혼합 용매(2:8 부피비)에 용해하여 전해액을 제조하였다.LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and propylene carbonate (2: 8 by volume) at a concentration of 1 M to prepare an electrolyte solution.
상기 실시예 1 및 비교예 1의 방법으로 제조된 전지를 각각 10개씩 1C로 12V 과충전 특성을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. Ten batteries each manufactured by the method of Example 1 and Comparative Example 1 were measured at 12C overcharge characteristics at 1C, and the results are shown in Table 1 below.
상기 표 1에서, L1은 단순 전해액 누액, L2는 200℃ 이하의 발연, L4는 발화를 의미하며 L 앞에 있는 숫자는 전지 개수를 의미한다. 즉, 8L4란 8개의 전지가 발화되었음을 의미한다. 따라서, 실시예 1은 과충전에서 전지 10개 모두 전해액 누액만 발생된 것에 비하여, 비교예 1은 8개의 전지가 발화되고 2개의 전지는 발연되었으므로, 실시예 1의 전지가 비교예 1에 전지에 비하여 과충전시 우수한 전지 안정성을 나타탬을 알 수 있다.In Table 1, L1 is a simple electrolyte leakage, L2 is less than 200 ℃ fume, L4 means ignition and the number before L means the number of batteries. That is, 8L4 means that eight batteries are ignited. Therefore, in Example 1, only 10 batteries were leaked during overcharging, whereas in Comparative Example 1, eight batteries were ignited and two batteries were smoked. Thus, the battery of Example 1 was compared with that of Comparative Example 1. It can be seen that excellent battery stability during overcharging.
본 발명의 과충전 억제 첨가제를 포함한 전해액을 사용한 전지는 과충전시에도 우수한 전지 안전성을 나타낸다.The battery using the electrolyte solution containing the overcharge inhibiting additive of the present invention exhibits excellent battery safety even when overcharged.
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2003
- 2003-08-21 KR KR1020030057920A patent/KR100551003B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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