KR100804979B1 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (ⅰ) 리튬염, (ⅱ) 전해액 화합물, (ⅲ) 하기 화학식 1 로 나타내는 화합물 및 (ⅳ) 하기 화학식 2 로 나타내는 화합물을 함유하는 비수성 전해액 및 상기 비수성 전해액을 포함하는 리튬 이온 2차 전지를 제공한다. 상기 전지는 우수한 고온 수명 성능을 가진다.The present invention provides a non-aqueous electrolyte solution containing (i) a lithium salt, (ii) an electrolyte solution compound, (i) a compound represented by the following formula (1), and (v) a compound represented by the following formula (2), and a lithium ion comprising the non-aqueous electrolyte solution: Provide a secondary battery. The cell has good high temperature life performance.
흑연화 탄소, 전해액 화합물, 리튬 함유 전이 금속 산화물, 비수성 전해액, 리튬 이온 2차 전지Graphitized carbon, electrolyte compound, lithium-containing transition metal oxide, non-aqueous electrolyte, lithium ion secondary battery
Description
본 발명은 리튬 이온 2차 전지 및 이에 사용되는 비수 전해액에 관한 것으로, 특히 흑연화 탄소를 함유한 부극과 리튬 함유 전이 금속 산화물을 함유한 정극을 사용하는 리튬 이온 2차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion secondary battery and a nonaqueous electrolyte used therein, and more particularly to a lithium ion secondary battery using a negative electrode containing graphitized carbon and a positive electrode containing a lithium-containing transition metal oxide.
여러 전기화학 전지 중에서 리튬 이온 액체 2차 전지는 소니(Sony)사에 의해 처음으로 상품화된 이후 높은 에너지 밀도로 인해 기존의 다른 2 차 전지들을 대체하고 있으며, 휴대용 컴퓨터, 휴대폰 등 그 사용범위가 증가하고 있다. Among many electrochemical cells, lithium ion liquid secondary batteries have been replaced by other secondary batteries due to their high energy density since they were first commercialized by Sony, and their use range has increased in portable computers and mobile phones. Doing.
통상, 리튬 이온 액체 2차 전지는 부극 활물질로 탄소 재료와 정극 활물질로 LiCoO2 등의 금속 산화물을 사용하며, 부극과 정극 사이에 폴리올레핀계 다공성 분리막을 삽입하고, LiPF6 등의 리튬염을 가진 비수성 전해액을 주입하여 제조한다. In general, a lithium ion liquid secondary battery uses a carbon material as a negative electrode active material and a metal oxide such as LiCoO 2 as a positive electrode active material, inserts a polyolefin-based porous separator between the negative electrode and the positive electrode, and has a lithium salt such as LiPF 6 . It is prepared by injecting an aqueous electrolyte solution.
충전시에는 정극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 부극의 탄소층으로 삽입되며, 방전시에는 반대로 탄소층의 리튬 이온이 방출되어 정극 활물질로 삽입된다. 이때, 비수성 전해액은 부극과 정극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 매질 역할을 하며, 이때 전해액은 전지의 작동 전압 범위에서 안정해야 하고, 충분히 빠른 속도 로 이온을 전달할 수 있는 성능을 가져야 한다. During charging, lithium ions of the positive electrode active material are released and inserted into the carbon layer of the negative electrode. On discharge, lithium ions of the carbon layer are released and inserted into the positive electrode active material. In this case, the non-aqueous electrolyte serves as a medium for transferring lithium ions between the negative electrode and the positive electrode, wherein the electrolyte should be stable in the operating voltage range of the battery, and should have a performance capable of transferring ions at a sufficiently fast rate.
미국 특허 제5,521,027호 및 제5,525,443호는, 비수성 전해액으로서 리튬 이온을 충분히 해리시킬 수 있는 극성이 큰 환형 카보네이트만을 사용하는 경우 점도가 커져서 이온 전도도가 작아지므로, 점도를 줄이기 위해 극성은 작지만 저점도인 선형 카보네이트를 섞은 혼합 전해액을 사용하는 것을 기재하고 있다.U.S. Pat.Nos. 5,521,027 and 5,525,443 have a small polarity but a low viscosity to reduce the viscosity, since the viscosity increases and the ion conductivity decreases when only a highly polar cyclic carbonate capable of sufficiently dissociating lithium ions as a non-aqueous electrolyte is used. The use of a mixed electrolyte solution containing phosphorus linear carbonate is described.
선형 카보네이트로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 등을 대표적으로 들 수 있는데, 이들 중 어는점이 -55℃로 가장 낮은 EMC는 사용시 우수한 저온 및 수명 성능을 나타낸다. Examples of linear carbonates include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC). Among them, EMC, which has the lowest freezing point of -55 ° C, has excellent low temperature and long service life. Indicates.
환형 카보네이트로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등을 들 수 있다. 이들 중 PC는 어는점이 -49℃로 낮아서 저온 성능은 좋지만, 부극으로 용량이 큰 흑연화 탄소를 사용하는 경우 충전시 부극과 급격하게 반응하므로 많은 양을 사용하는 것이 어렵기 때문에, 부극에서 안정한 보호막을 형성하는 EC 를 주로 사용한다. 하지만 EC라고 해도 완전히 반응성이 없는 것은 아니므로 전지의 충방전 시에 부극과 정극에서 발생하는 전해액의 분해는 전지의 수명을 악화시키는 원인 중의 하나이고, 특히 고온에서는 반응성이 더욱 커지므로 문제가 된다. Examples of the cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC). Among them, PC has a low freezing point of -49 ° C, so that low-temperature performance is good, but when graphitized carbon having a large capacity is used as a negative electrode, it reacts rapidly with the negative electrode during charging, so it is difficult to use a large amount, and thus a stable protective film at the negative electrode EC is mainly used. However, even if EC is not completely reactive, decomposition of the electrolyte generated at the negative electrode and the positive electrode during charging and discharging of the battery is one of the causes of deteriorating the life of the battery.
이러한 문제를 해결하여 전지의 상온 및 고온 수명을 향상시키기 위해 일본 특허 JP2000-123867 에서는 전해액에 소량의 첨가제를 넣는 것을 제시하고 있다. 이러한 첨가제들은 부극 또는 정극에서 분해되어 전극 표면에 막을 형성하여 전해액의 분해를 억제하여 주는 것으로 생각된다. 하지만 이러한 첨가제 역시 전해액의 분해를 완전히 막지는 못하며 고온에서의 성능이 점점 중요해짐에 따라서 더욱 효과적인 첨가제 개발의 필요성이 점차 커지고 있다. In order to solve this problem and improve the normal temperature and high temperature life of the battery, Japanese Patent JP2000-123867 proposes adding a small amount of an additive to the electrolyte. These additives are thought to decompose at the negative electrode or the positive electrode to form a film on the electrode surface to suppress decomposition of the electrolyte solution. However, these additives also do not completely prevent the decomposition of the electrolyte, and as the performance at high temperatures becomes more important, the need for more effective additive development is gradually increasing.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 고려하여 고용량의 흑연화 탄소를 함유한 부극, 리튬 함유 전이 금속 산화물을 함유한 정극, 다공성 분리막, 및 첨가제로서 본 발명의 화합물들을 포함하는 리튬염 함유 전해액을 사용하여, 용량이 크고 고온에서 전지내부의 기체발생을 억제하여 고온 수명이 향상된 리튬 이온 2차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION In view of the problems of the prior art, the present invention uses a lithium salt-containing electrolyte solution containing a high capacity negative electrode containing graphitized carbon, a positive electrode containing a lithium-containing transition metal oxide, a porous separator, and the compounds of the present invention as an additive. It is an object of the present invention to provide a lithium ion secondary battery having a high capacity and suppressing gas generation in a battery at a high temperature, thereby improving a high temperature life.
본 발명은 (ⅰ) 리튬염, (ⅱ) 전해액 화합물, (ⅲ) 하기 화학식 1 로 나타내는 화합물 및 (ⅳ) 하기 화학식 2 로 나타내는 화합물을 함유하는 비수성 전해액 및 상기 비수성 전해액을 포함하는 리튬 이온 2차 전지를 제공한다.The present invention provides a non-aqueous electrolyte solution containing (i) a lithium salt, (ii) an electrolyte solution compound, (i) a compound represented by the following formula (1), and (v) a compound represented by the following formula (2), and a lithium ion comprising the non-aqueous electrolyte solution: Provide a secondary battery.
상기 식 중, R1 및 R2는 CF3-, C2F5-, C3F7-, 또는 C4F9- 기이고, R3는 (C1- C5) 알킬기 임.Wherein R1 and R2 are CF 3- , C 2 F 5- , C 3 F 7- , or C 4 F 9 -groups, and R 3 is a (C1-C5) alkyl group.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 첨가제는 부극과 정극에서 분해되어 보호막을 형성함으로써 전지의 고온 수명 성능을 향상시킨다. 이때, 주로 정극 쪽에 형성되는 막이 전해액 분자와 전극간의 직접적인 접촉을 막아주고 전극의 반응 활성도를 낮추어 준다고 추측한다.The additive of the present invention decomposes in the negative electrode and the positive electrode to form a protective film, thereby improving the high temperature life performance of the battery. At this time, it is presumed that the film mainly formed on the positive electrode side prevents direct contact between the electrolyte molecules and the electrode and lowers the reaction activity of the electrode.
또, 본 발명의 첨가제는 화학식 1의 화합물과 화학식 2의 화합물을 함께 사용하는 것이 한가지만 단독 사용할 경우에 비해서 좋은 효과를 나타내며, 고온에서 전지 내부의 기체 발생을 억제하여 준다(표 1). In addition, the additive of the present invention is a combination of the compound of formula (1) and the compound of formula (2), but one shows a good effect compared to the case of using alone, it suppresses the generation of gas in the battery at high temperature (Table 1).
이러한 작용을 하는 본 발명의 첨가제로는 화학식 1의 화합물로 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 리튬염 (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 비스(펜타플루오로에탄설포닐)이미드 리튬염 (Lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide) 을 들 수 있다. As an additive of the present invention having such a function, the compound of formula 1 is a bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium salt, bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide lithium salt (Lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide).
화학식 2의 화합물로는 N-메틸-2-옥사졸리디논 (N-methyl-2-oxazolidinone), N-에틸-2-옥사졸리디논 (N-ethyl-2-oxazolidinone), N-프로필-2-옥사졸리디논 (N-propyl-2-oxazolidinone) 을 들 수 있다. Compounds of Formula 2 include N-methyl-2-oxazolidinone, N-ethyl-2-oxazolidinone, N-propyl-2- Oxazolidinone (N-propyl-2-oxazolidinone) is mentioned.
화학식 1의 화합물의 함유량은 전해액 중 0.01 내지 10 중량%인 것이 바람직하고, 화학식 2의 화합물의 함유량은 전해액 중 0.01 내지 5 중량%인 것이 바람직하다.It is preferable that content of the compound of Formula 1 is 0.01 to 10 weight% in electrolyte solution, and it is preferable that content of the compound of Formula 2 is 0.01 to 5 weight% in electrolyte solution.
화학식 1 또는 2의 첨가제의 양이 너무 적을 경우 효과가 나타나지 않고, 양 이 너무 많으면 고온에서 전지의 저항이 커지거나 부반응이 생겨서 전지의 성능이 나빠지게 된다.If the amount of the additive of Formula 1 or 2 is too small does not have an effect, if the amount is too large, the resistance of the battery at a high temperature, or a side reaction occurs, the performance of the battery is bad.
본 발명에서 사용하는 리튬 이온 2차 전지는 The lithium ion secondary battery used in the present invention
(a) 부극 활물질로서 리튬의 가역적인 저장과 방출이 가능한 흑연화 탄소;(a) graphitized carbon capable of reversible storage and release of lithium as a negative electrode active material;
(b) 정극 활물질로서 리튬의 가역적인 저장과 방출이 가능한 리튬 함유 전이 금속 산화물; (b) a lithium-containing transition metal oxide capable of reversible storage and release of lithium as a positive electrode active material;
(c) 다공성 분리막; 및(c) a porous separator; And
(d) (ⅰ) 리튬염, (ⅱ) 전해액 화합물 및 (ⅲ) 하기 화학식 1 로 나타내는 화합물 및 (ⅳ) 하기 화학식 2 로 나타내는 화합물을 함유하는 비수성 전해액(d) A non-aqueous electrolyte solution containing (i) a lithium salt, (ii) an electrolytic solution compound and (iii) a compound represented by the following formula (1) and (iii) a compound represented by the following formula (2)
을 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to include.
상기 (a)의 흑연화 탄소는 부극 활물질로서, 고용량의 전지를 제공하기 위해 X선 회절법로 측정된 탄소질 재료의 결정면 거리 상수 d002 값이 0.338 나노미터 이하이며, BET법으로 측정된 비표면적이 10㎡/g 이하인 것이 바람직하다.The graphitized carbon of (a) is a negative electrode active material and has a crystal surface distance constant d002 of 0.338 nanometer or less measured by X-ray diffraction to provide a high capacity battery, and the specific surface area measured by the BET method. It is preferable that it is 10 m <2> / g or less.
또한, 상기 (b) 의 리튬 함유 전이 금속 산화물은 화학식 3 과 화학식 4로 나타내는 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.In addition, the lithium-containing transition metal oxide of (b) is preferably selected from the group consisting of the metal oxides represented by the formulas (3) and (4).
상기 식에서, a는 0≤a≤1이고, b는 0≤b≤1이고, c는 0≤c≤1이고, d는 0≤d≤1이고, a+b+c+d=1이다. M은 Al, B, Ga, Mg, Si, Ca, Ti, Zn, Ge, Y, Zr, Sn, Sr, Ba, Nb로 이루어진 군으로부터 선택된다. Wherein a is 0 ≦ a ≦ 1, b is 0 ≦ b ≦ 1, c is 0 ≦ c ≦ 1, d is 0 ≦ d ≦ 1, and a + b + c + d = 1. M is selected from the group consisting of Al, B, Ga, Mg, Si, Ca, Ti, Zn, Ge, Y, Zr, Sn, Sr, Ba, Nb.
상기 식에서 X 는 0.9≤X≤2 이고, Y는 0≤Y≤0.5 이다. M'는 Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Sn, Cr, V, Ti, Mg, Ca, Sr, B, Ga, In, Si, Ge 로 이루어진 군으로부터 선택된다. Wherein X is 0.9 ≦ X ≦ 2 and Y is 0 ≦ Y ≦ 0.5. M 'is selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Sn, Cr, V, Ti, Mg, Ca, Sr, B, Ga, In, Si, Ge.
또한, 상기 (d) (ⅰ) 의 리튬염은 LiClO4, LiCF3SO3, LiC4F 9SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiC(CF3SO2)3 로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. In addition, the lithium salt of (d) (iii) is selected from the group consisting of LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 It is desirable to be.
또한, 상기 (d) (ⅱ) 의 전해액 화합물은 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 비닐렌 카보네이트(VC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 감마부티로락톤(GBL), 설폴란(Sulfolane), 메틸 아세테이트(MA), 에틸 아세테이트(EA), 메틸 프로피오네이트(MP) 및 에틸 프로피오네이트(EP)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것이 바람직하다.In addition, the electrolyte solution of (d) (ii) is ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC ), Ethylmethyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone (GBL), sulfolane, methyl acetate (MA), ethyl acetate (EA), methyl propionate (MP) and ethyl propionate (EP) It is preferable to select at least one from the group consisting of.
본 발명에 따라, 흑연화 탄소를 함유한 부극, 리튬 함유 전이 금속 산화물을 함유한 정극, 다공성 분리막, 및 본 발명의 두 종류의 화합물을 동시에 첨가제로서 포함하는 리튬염 함유 전해액을 사용하면, 용량이 크고 고온 수명 성능이 향상된 리튬 이온 2차 전지를 제공할 수 있다. According to the present invention, when a negative electrode containing graphitized carbon, a positive electrode containing a lithium-containing transition metal oxide, a porous separator, and a lithium salt-containing electrolyte solution simultaneously containing two kinds of compounds of the present invention as additives, It is possible to provide a lithium ion secondary battery having a large and improved high temperature life performance.
전극으로는 탄소 활물질과 결합제인 폴리비닐리덴 디플루오라이드로 구성된 부극을 사용하고, 리튬 전이 금속 산화물 활물질, 도전성 탄소 및 결합제인 폴리비닐리덴 디플루오라이드로 구성된 정극을 사용하는 것이 바람직하다. As the electrode, it is preferable to use a negative electrode composed of a carbon active material and polyvinylidene difluoride as a binder, and a positive electrode composed of a lithium transition metal oxide active material, conductive carbon and polyvinylidene difluoride as a binder.
이하의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the examples are only for illustrating the present invention and not for limiting the present invention.
[실시예]EXAMPLE
실시예 1Example 1
(전해액 A 제조)(Preparation of Electrolyte A)
첨가제로 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 리튬염 (3M 사) 과 N-메틸-2-옥사졸리디논(알드리치 사, 99.5%) 을 사용하였다. 글로브 박스(Glove box) 안에서 미츠비시 화학(Mitsubishi Chem.)의 F-EC, F-EMC를 사용하여 중량비로 EC : 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 리튬염 : N-메틸-2-옥사졸리디논 : EMC = 32 : 2 : 1 : 65 의 조성을 갖는 1M LiPF6 용액을 30㎖ 제조하였다. 이 전해액을 전해액 A라 한다.Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium salt (3M company) and N-methyl-2-oxazolidinone (Aldrich Company, 99.5%) were used as an additive. EC: bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium salt in weight ratio using F-EC and F-EMC of Mitsubishi Chem. In a glove box: N-methyl-2-oxa 30 mL of a 1M LiPF 6 solution having a composition of zolidinone: EMC = 32: 2: 1: 65 was prepared. This electrolyte is referred to as electrolyte A.
실시예 2Example 2
(전해액 B 제조)(Electrolyte B production)
첨가제로 비스(펜타플루오로에탄설포닐)이미드 리튬염 (3M 사) 과 N-메틸-2-옥사졸리디논 (알드리치 사, 99.5%) 을 사용하였다. 글로브 박스(Glove box) 안에서 미츠비시 화학(Mitsubishi Chem.)의 F-EC, F-EMC를 사용하여 중량비로 EC : 비 스(트리플루오로에탄설포닐)이미드 리튬염 : N-메틸-2-옥사졸리디논 : EMC = 31 : 4 : 1 : 64 의 조성을 갖는 1M LiPF6 용액을 30㎖ 제조하였다. 이 전해액을 전해액 B라 한다.Bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide lithium salt (3M company) and N-methyl-2-oxazolidinone (Aldrich Company, 99.5%) were used as an additive. EC: Bis (trifluoroethanesulfonyl) imide lithium salt in weight ratio using F-EC and F-EMC of Mitsubishi Chem. In a glove box: N-methyl-2- 30 ml of a 1M LiPF 6 solution having a composition of oxazolidinone: EMC = 31: 4: 1: 64 was prepared. This electrolyte is referred to as electrolyte B.
비교예 1Comparative Example 1
(전해액 C 제조)(Electrolyte C Preparation)
첨가제로 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 리튬염 (3M 사)을 사용하였다. 글로브 박스(Glove box) 안에서 미츠비시 화학(Mitsubishi Chem.)의 F-EC, F-EMC를 사용하여 중량비로 EC : 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 리튬염 : EMC = 33 : 2 : 65 의 조성을 갖는 1M LiPF6 용액을 30㎖ 제조하였다. 이 전해액을 전해액 C라 한다. Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium salt (3M) was used as an additive. EC: bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium salt by weight ratio using F-EC, F-EMC of Mitsubishi Chem. In glove box: EMC = 33: 2: 65 30 ml of a 1M LiPF 6 solution having a composition of was prepared. This electrolyte is referred to as electrolyte C.
비교예 2Comparative Example 2
(전해액 D 제조)(Preparation of Electrolyte D)
첨가제로 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 리튬염 (3M 사)을 사용하였다. 글로브 박스(Glove box) 안에서 미츠비시 화학(Mitsubishi Chem.)의 F-EC, F-EMC를 사용하여 중량비로 EC : 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 리튬염 : EMC = 32 : 4 : 64 의 조성을 갖는 1M LiPF6 용액을 30㎖ 제조하였다. 이 전해액을 전해액 D라 한다.Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium salt (3M) was used as an additive. EC: bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium salt in weight ratio using F-EC, F-EMC of Mitsubishi Chem. In glove box: EMC = 32: 4: 64 30 ml of a 1M LiPF 6 solution having a composition of was prepared. This electrolyte is referred to as electrolyte D.
비교예 3Comparative Example 3
(전해액 E 제조) (Electrolyte Solution E)
첨가제로 N-메틸-2-옥사졸리디논(알드리치 사, 99.5%)을 사용하였다. 글로브 박스(Glove box) 안에서 미츠비시 화학(Mitsubishi Chem.)의 F-EC, F-EMC를 사용하여 중량비로 EC : N-메틸-2-옥사졸리디논 : EMC = 34 : 1 : 65 의 조성을 갖는 1M LiPF6 용액을 30㎖ 제조하였다. 이 전해액을 전해액 E라 한다.N-methyl-2-oxazolidinone (Aldrich, 99.5%) was used as an additive. 1M having a composition of EC: N-methyl-2-oxazolidinone: EMC = 34: 1: 65 by weight ratio using F-EC and F-EMC of Mitsubishi Chem. In a glove box. 30 ml of a LiPF 6 solution was prepared. This electrolyte is referred to as electrolyte E.
비교예 4Comparative Example 4
(전해액 F 제조)(Electrolyte F production)
첨가제로 N-메틸-2-옥사졸리디논(알드리치 사, 99.5%) 을 사용하였다. 글로브 박스( Glove box) 안에서 미츠비시 화학(Mitsubishi Chem.)의 F-EC, F-EMC를 사용하여 중량비로 EC : N-메틸-2-옥사졸리디논 : EMC = 33 : 2 : 65 의 조성을 갖는 1M LiPF6 용액을 30㎖ 제조하였다. 이 전해액을 전해액 F라 한다.N-methyl-2-oxazolidinone (Aldrich, 99.5%) was used as an additive. 1M having a composition of EC: N-methyl-2-oxazolidinone: EMC = 33: 2: 65 by weight ratio using F-EC, F-EMC of Mitsubishi Chem. In a glove box 30 ml of a LiPF 6 solution was prepared. This electrolyte is referred to as electrolyte F.
비교예 5Comparative Example 5
(전해액 G 제조)(Electrolyte G production)
글로브 박스( Glove box) 안에서 미츠비시 켐.화학의 F-EC, F-EMC를 사용하여 중량비로 EC : EMC = 33 : 67 의 조성을 갖는 1M LiPF6 용액을 30㎖ 제조하였다. 이 전해액을 전해액 G라 한다.30 ml of a 1M LiPF 6 solution having a composition of EC: EMC = 33: 67 by weight was prepared using Mitsubishi Chem. Chem. F-EC and F-EMC in a glove box. This electrolyte is referred to as electrolyte G.
<실험><Experiment>
(리튬 이온 2차 전지 제조)(Lithium ion secondary battery production)
부극은 탄소 활물질(오사카 가스사의 MCMB-10-28) 93중량% 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF, Elf Atochem 사의 Kynar 761) 7중량%의 조성으로 용매인 N- 메틸-2-피롤리돈 (NMP)을 사용하여 혼합기(Ika 사의 Mixer)에서 2 시간 동안 혼합한 후 구리 호일 집전체에 코팅하고, 130℃에서 건조하여 제조하였다. 정극은 LiCoO2 91 중량 %, PVDF (Kynar 761) 3 중량 % 및 도전성 탄소 (Lonza 사의 KS-6) 6 중량 %의 조성으로 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 사용하여 혼합기(Ika 사의 Mixer)에서 2 시간 동안 혼합한 후 알루미늄 호일 집전체에 코팅하고, 130℃에서 건조하여 제조하였다. The negative electrode is a solvent of N-methyl-2-pyrrolidone with a composition of 93% by weight of a carbon active material (MCMB-10-28 from Osaka Gas) and 7% by weight of polyvinylidene difluoride (PVDF, Kynar 761 from Elf Atochem). After mixing for 2 hours in a mixer (Mixer of Ika) using (NMP) was coated on a copper foil current collector, it was prepared by drying at 130 ℃. The positive electrode was mixed with a solvent of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) in a composition of 91 wt% LiCoO 2 , 3 wt% PVDF (Kynar 761) and 6 wt% conductive carbon (KS-6 from Lonza). (Ika Mixer) was mixed for 2 hours and then coated on an aluminum foil current collector, and dried at 130 ℃ was prepared.
이렇게 제조한 부극과 정극, 그리고 분리막(Hoechst Celanese 사의 celgard 2400)을 사용하여 부극과 정극 사이에 분리막을 배치하고, 원통형으로 권취하여 18650 규격의 전지를 조립한 후, 실시예 1~2, 비교예 1~5 에서 제조한 전해액 A, B, C, D, E, F및 G 를 주입하여 리튬 이온 2차 전지를 제조하였다. 이때, 상기 18650 규격의 전지는 전지의 안전성 향상을 위해 전지 내부에 Current interrupt device (CID) 를 내장하여 전지의 내압이 어느 정도 이상이 되면 자동으로 전류를 차단하도록 구성되어 있다.Using a negative electrode, a positive electrode, and a separator (celgard 2400 manufactured by Hoechst Celanese), the separator was disposed between the negative electrode and the positive electrode, wound into a cylindrical shape, and assembled into a battery of 18650 standard. Examples 1 and 2 and Comparative Examples Electrolyte solutions A, B, C, D, E, F and G prepared in 1 to 5 were injected to prepare a lithium ion secondary battery. At this time, the battery of the 18650 standard is configured to automatically cut off the current when the internal pressure of the battery to a certain degree by embedding a current interrupt device (CID) in the battery for improving the safety of the battery.
(고온 수명 성능 실험)(High temperature life performance experiment)
상기에서 제조된 전지들을 60℃ 항온 오븐에서 4.2V 까지 0.5 C의 속도로 충전하고 4.2V에서 전류가 50 mA 이하가 될 때까지 충전하며, 3V 까지 0.5 C 의 속도로 방전하여 충전 및 방전 실험을 하였고, 이 충전 및 방전 실험의 결과를 표 1에 요약 정리하였다. The above prepared batteries were charged in a 60 ° C. constant temperature oven to 4.2V at a rate of 0.5 C, and charged at 4.2V until the current became 50 mA or less, and discharged at a rate of 0.5 C to 3V to perform charge and discharge experiments. The results of this charge and discharge experiment are summarized in Table 1.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 화학식 1로 나타내어지는 첨가제와 화학식 2로 나타내어지는 첨가제를 함께 넣은 전해액 A, B 를 사용한 전지의 경우에는 한 종류의 첨가제만 넣은 전해액 C, D, E, F 를 사용한 전지와 첨가제를 넣지 않은 전해액 G 를 사용한 전지에 비해 고온 수명 성능이 좋고, 특히 고온에서 전지내부에서 발생하는 기체의 양을 줄여서 CID 단락 현상의 발생을 늦추어서 700회 후에도 용량을 유지하며 정상 충 방전이 됨을 알 수 있다. 즉, 60℃ 정도의 고온에서 수백 회 이상 충 방전 할 경우, 한 종류의 첨가제만 넣은 전해액 C, D, E, F 를 사용한 전지와 첨가제를 넣지 않은 전해액 G 를 사용한 전지는 다량의 기체의 발생으로 수명 성능 실험 도중에 CID 가 작동하여 전지의 충 방전이 멈추는 현상이 일어난데 반해, 본 발명에 따라 화학식 1로 나타내어지는 첨가제와 화학식 2로 나타내어지는 첨가제를 함께 넣은 전해액 A, B 를 사용한 전지는 이러한 기체 발생 현상이 억제되어 더 오랜 기간 동안 전지의 충 방전이 가능하였다. As can be seen from Table 1, in the case of the battery using the electrolyte solution A, B containing the additive represented by the formula (1) and the additive represented by the formula (2), the electrolyte solution C, D, E, F containing only one type of additive was added. Higher temperature lifespan performance is better than that of used batteries and batteries without electrolyte G, and especially at high temperatures, the amount of gas generated inside the battery is reduced to slow the occurrence of CID short-circuit and maintain capacity even after 700 cycles. It can be seen that the discharge. In other words, when charging and discharging hundreds of times or more at a high temperature of about 60 ° C., a battery using electrolyte C, D, E, and F with only one type of additive and a battery using electrolyte G without additives are generated by a large amount of gas. While the CID operates to stop the charging and discharging of the battery during the life performance test, the battery using the electrolytes A and B containing the additive represented by the formula (1) and the additive represented by the formula (2) according to the present invention has such a gas. The occurrence phenomenon was suppressed, allowing the battery to be charged and discharged for a longer time.
본 발명은 화학식 1의 화합물 및 화학식 2의 화합물을 첨가제로 포함하는 비수전해액에 부극활물질로 흑연화 탄소를 사용함으로써 고용량 성능을 가지며, 동시에 우수한 고온 충전 및 방전 수명을 갖는 리튬이온 2차 전지를 제공할 수 있다.The present invention provides a lithium ion secondary battery having high capacity performance by using graphitized carbon as a negative electrode active material in a non-aqueous electrolyte containing the compound of Formula 1 and the compound of Formula 2 as an additive, and at the same time having an excellent high temperature charge and discharge life. can do.
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