KR100804980B1 - Additives for secondarty battery and lithium secondary battery using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차 전지용 전해액에 있어서, 상기 전해액은 a) 환상 산 무수물(cyclic acid hydride); 및 b) 설톤(sultone), 설폰(sulfone) 및 설포네이트(sulfonate) 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 황화물을 포함하는 이차 전지용 전해액 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention is a secondary battery electrolyte, the electrolyte is a) cyclic acid anhydride (cyclic acid hydride); And b) a secondary battery electrolyte comprising at least one sulfide selected from the group consisting of a sultone, a sulfone, and a sulfonate compound, and a lithium secondary battery having the same.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 환상 산 무수물 및 황화물을 전해액 첨가제로 병용함으로써, 전해액의 안정성 향상에 기인하여 전지의 사이클 특성 및 고온 보존 특성을 향상시킬 수 있다.In the lithium secondary battery according to the present invention, by using cyclic acid anhydride and sulfide together as an electrolyte additive, the cycle characteristics and high temperature storage characteristics of the battery can be improved due to the improvement of the stability of the electrolyte.

환상 산 무수물, 설톤, 설폰, 설포네이트, 황화물, 전해액, 리튬 이차 전지Cyclic acid anhydride, sultone, sulfone, sulfonate, sulfide, electrolyte, lithium secondary battery

Description

이차 전지용 첨가제 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{ADDITIVES FOR SECONDARTY BATTERY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY USING THE SAME}ADDITIVES FOR SECONDARTY BATTERY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY USING THE SAME}

도 1은 숙신산 무수물(succinic anhydride: SA) 및 프로판 설톤(propane sultone: PS)을 전해액 첨가제를 사용하여 제조된 실시예 1의 리튬 이차 전지, 전해액 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1의 전지, 숙신산 무수물 및 프로판 설톤을 각각 포함하는 비교예 2 및 비교예 3의 리튬 이차 전지의 상온 사이클 특성을 각각 나타낸 도이다. 1 is a lithium secondary battery of Example 1 prepared with succinic anhydride (SA) and propane sultone (PS) using an electrolyte additive, a battery of Comparative Example 1 without using an electrolyte additive, succinic anhydride And room temperature cycle characteristics of the lithium secondary batteries of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 each containing propane sultone, respectively.

도 2는 숙신산 무수물(succinic anhydride: SA) 및 프로판 설톤(propane sultone: PS)을 전해액 첨가제로 사용하고 알루미늄 필름이 적층된 케이스를 구비한 실시예 2의 리튬 이차 전지, 전해액 첨가제를 사용하지 않고 알루미늄 필름이 적층된 외장 케이스를 구비한 비교예 4의 전지 및 프로판 설톤을 전해액 첨가제로 사용하고 알루미늄 필름이 적층된 외장 케이스를 구비한 비교예 5의 전지의 고온(90℃) 보존 실험 결과도이다.FIG. 2 shows a lithium secondary battery of Example 2 having a case in which a succinic anhydride (SA) and propane sultone (PS) are used as electrolyte additives and a case in which an aluminum film is laminated, without using an electrolyte additive. It is a result of the high temperature (90 degreeC) preservation experiment of the battery of the comparative example 4 which uses the battery of the comparative example 4 with a case which laminated | stacked the film, and propane sultone as an electrolyte additive, and provided with the case which laminated the aluminum film.

본 발명은 안정성이 향상된 전해액 및 상기 전해액을 포함하여 사이클 특성 및 고온 보존 특성이 향상된 이차 전지, 바람직하게는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolyte having improved stability and a secondary battery, preferably a lithium secondary battery having improved cycle characteristics and high temperature storage characteristics, including the electrolyte.

최근 전자기기의 소형화 및 경량화 추세에 따라, 전원으로 작용하는 전지도 소형화 및 경량화가 요구되고 있다. 소형 경량화 및 고용량으로 충방전 가능한 전지로서 리튬 계열 이차전지가 실용화되고 있으며, 소형 비디오 카메라, 휴대전화, 노트퍼스컴 등의 휴대용 전자 및 통신기기 등에 이용되고 있다.In recent years, with the trend of miniaturization and weight reduction of electronic devices, miniaturization and weight reduction of batteries acting as power sources are also required. BACKGROUND ART Lithium-based secondary batteries have been put to practical use as small, light weight, high capacity rechargeable batteries, and are used in portable electronic and communication devices such as small video cameras, mobile phones, and notebook computers.

리튬 이차 전지는 양극, 음극, 전해질로 구성되며, 첫번째 충전에 의해 양극 활물질로부터 나온 리튬 이온이 음극활물질, 예컨대 카본 입자 내에 삽입되고 방전시 다시 탈리되는 등의 양 전극을 왕복하면서 에너지를 전달하는 역할을 하기 때문에 충방전이 가능하게 된다.The lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and transfers energy while reciprocating both electrodes such that lithium ions from the positive electrode active material are inserted into a negative electrode active material, such as carbon particles, and are detached again when discharged. Since it is possible to charge and discharge.

종래 4.2V급 리튬 이차 전지를 4.35V 이상의 고용량, 고출력 및 고전압 전지로 제조하기 위해서는 전지내 양극활물질의 이론적 가용 용량을 증가시켜야 하는 과정이 필요하다. 전술한 양극활물질의 가용 용량을 증가시키는 방법으로는 양극활물질에 전이금속 또는 알루미늄, 마그네슘 등과 같은 비전이금속(non-transition metal)을 사용하여 도핑하거나 또는 전지의 충전 종지 전압을 증가시키는 것이다. 리튬 이차 전지의 전압을 4.35V 이상으로 증가시킴에 따라 전지 내 가용 용량은 15% 이상 증가하지만, 양극과 전해액 사이의 반응성 증가에 따라 양극 표면의 분해(degradation) 및 전해액의 산화반응이 일어나게 되며, 따라서 전지의 성능 및 안전성이 저하되는 문제점이 있었다.In order to manufacture a conventional 4.2V class lithium secondary battery with a high capacity, high output and high voltage battery of 4.35V or more, a process of increasing the theoretical usable capacity of the cathode active material in the battery is required. In order to increase the available capacity of the positive electrode active material, the positive electrode active material may be doped using a transition metal or a non-transition metal such as aluminum or magnesium, or the charging end voltage of the battery may be increased. As the voltage of the lithium secondary battery is increased to 4.35V or more, the usable capacity in the battery increases by 15% or more, but as the reactivity between the positive electrode and the electrolyte increases, decomposition of the surface of the positive electrode and oxidation of the electrolyte occur. Therefore, there was a problem that the performance and safety of the battery is lowered.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 시클로헥실벤젠(Cyclo Hexyl Benzene: CHB) 또는 바이페닐(Biphenyl: BP) 등과 같은 첨가제를 사용하였으나, 상기 첨가제는 4.35V 이상의 고전압 전지 뿐만 아니라 4.2V급 전지의 과충전 또는 고온 보존시에도 전해액의 안정성 저하 및 양극과 전해액 사이의 반응성 증가로 인해 부반응이 일어나 전해액의 산화 반응, 전지 내부의 가스 발생 및 전지의 부풀음 현상 등이 발생하게 되며, 이로 인해 전지의 성능 및 안전성이 저하되었다. 특히, 고온(90℃) 보존시 도전성 고분자로 중합되면서 만들어내는 수소 가스에 의해 전지가 크게 부풀어 통상적으로 요구되는 부풀음 정도인 10%를 훨씬 넘어섰으며, 또한 양극에 절연체(insulator)를 형성함으로써 리튬 이온의 이동을 막아 성능이 저하되는 문제점이 발생하였다. In order to solve the above problems, an additive such as Cyclo Hexyl Benzene (CHB) or Biphenyl (BP) was used, but the additive is used for overcharging not only a high voltage battery of 4.35V or higher but also a 4.2V class battery. Alternatively, even at high temperatures, side reactions occur due to a decrease in stability of the electrolyte and an increase in reactivity between the positive electrode and the electrolyte, thereby causing oxidation of the electrolyte, gas generation inside the battery, and swelling of the battery, and thus, battery performance and safety. This was degraded. In particular, the battery is greatly inflated by hydrogen gas produced by polymerization with a conductive polymer at high temperature (90 ° C) storage, far exceeding 10%, which is normally required, and also by forming an insulator on the anode. There was a problem that the performance is reduced by preventing the movement of.

본 발명자들은 환상 산 무수물 및 황화물을 전해액 첨가제로 병용함에 따라 이차 전지, 특히 리튬 이차 전지의 고온 보존 특성 및 사이클 특성을 향상시킨다는 것을 발견하였다.The inventors have found that the use of cyclic acid anhydrides and sulfides in combination with electrolyte additives improves the high temperature storage and cycle characteristics of secondary batteries, in particular lithium secondary batteries.

이에 본 발명은 환상 산 무수물 및 황화물을 포함하는 전해액 및 상기 전해액을 포함하는 이차 전지를 제공함을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrolyte solution containing cyclic acid anhydride and sulfide and a secondary battery including the electrolyte solution.

본 발명은 이차 전지용 전해액에 있어서, 상기 전해액은 a) 환상 산 무수물(cyclic acid anhydride); 및 b) 설톤(sultone), 설폰(sulfone) 및 설포네이트(sulfonate) 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 황화물을 포함하는 이차 전지용 전해액 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention is a secondary battery electrolyte, the electrolyte is a) cyclic acid anhydride (cyclic acid anhydride); And b) a secondary battery electrolyte comprising one or more sulfides selected from the group consisting of sultone, sulfone and sulfonate compounds, and a lithium secondary battery having the same.

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

본 발명은 환상 산 무수물 및 설톤류, 설폰류, 설포네이트류의 황화물을 이차 전지용 전해액 첨가제로 병용함을 특징으로 한다. 이때, 본 발명이 적용될 수 있는 이차 전지의 예로는 리튬 이차 전지, 더욱 구체적으로는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등이 있다.The present invention is characterized by using cyclic acid anhydride and sulfides of sultones, sulfones and sulfonates in combination as an electrolyte additive for a secondary battery. In this case, examples of the secondary battery to which the present invention may be applied include a lithium secondary battery, more specifically, a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, or a lithium ion polymer secondary battery.

상기와 같은 특징으로 인해, 본 발명의 이차 전지, 바람직하게는 리튬 이차 전지는 성능 및 고온 보존 특성을 향상시킬 수 있다. Due to the above characteristics, the secondary battery of the present invention, preferably lithium secondary battery can improve the performance and high temperature storage characteristics.

즉, 종래 통상적인 전해액을 사용하는 경우, 4.35V 이상급 고전압 전지 뿐만 아니라 4.2V급 전지의 과충전 또는 고온 보존시 전해액의 안정성 저하 및 양극과 전해액 사이의 반응성 증가로 인해 부반응이 일어나 전지 내부의 가스 발생 증가로 인한 전지의 부풀음(swelling) 현상 및 이로 인해 사이클 특성 및 고온 보존 특성이 저하되는 문제점이 있었다That is, in the case of using a conventional conventional electrolyte solution, side reaction occurs due to deterioration of stability of electrolyte solution and increase of reactivity between positive electrode and electrolyte solution when overcharge or high temperature storage of 4.2V class battery as well as 4.35V or higher high voltage battery. Swelling of the battery due to the increase, and there was a problem that the cycle characteristics and high temperature storage characteristics are deteriorated

이에 비해, 본 발명은 전해액 첨가제로 병용하는 황화물 및 환상 산 무수물이 전극 표면에 형성하는 비활성 막으로 인해 전극과 전해액과의 부반응, 첨가제 및 기타 전해액의 분해 반응이 억제되고, 이로 인해 고온 보존시의 가스 발생 및 전지의 부풀음 특성 등을 감소시킬 수 있으므로, 전지의 안전성 및 성능 향상을 구현할 수 있다. 특히, 상기 환상 산 무수물 및 황화물 첨가제는 단독으로 사용하는 것보다 우수한 상승 효과를 나타나는데, 이는 환상 산 무수물과 황화물 첨가제가 함께 형성하는 비활성 막이 각각 단독으로 사용하여 형성된 막에 비해 전극, 특히 음극 보호 효과를 상승시키는 것으로 추측된다.In contrast, the present invention suppresses side reactions between the electrode and the electrolyte, decomposition additives and other electrolytes due to the inert film formed by sulfides and cyclic acid anhydrides used in combination with the electrolyte additives on the surface of the electrode. Since the gas generation and the swelling characteristics of the battery can be reduced, it is possible to implement the safety and performance of the battery. In particular, the cyclic acid anhydride and sulfide additives exhibit a superior synergistic effect than the use alone, which is an electrode, in particular a cathodic protection effect, compared to a film formed by using an inert film formed by the cyclic anhydride and sulfide additive alone, respectively. It is assumed to raise it.

본 발명에 따라 이차 전지, 바람직하게는 리튬 이차 전지의 전해액에 첨가되는 첨가제 중 하나는 산 무수물(acid anhydride)로서, 하기 화학식 1로 표기되는 환상(cyclic) 형태인 것이 바람직하다. According to the present invention, one of the additives added to the electrolyte of the secondary battery, preferably the lithium secondary battery, is an acid anhydride, and is preferably in a cyclic form represented by the following Chemical Formula 1.

Figure 112004057447555-pat00001
(I)
Figure 112004057447555-pat00001
(I)

상기 식에 있어서, In the above formula,

R은 헤테로 원자를 포함하거나 또는 포함하지 않는 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 알케닐기 또는 알아릴기; 알콕시기, 에스테르기, 에테르기, 페닐기이며, 이중 헤테로 원자는 O, S, N 또는 할로겐 원자이다. R is an alkyl group, alkenyl group or an allyl group having 1 to 20 carbon atoms, with or without heteroatoms; It is an alkoxy group, ester group, an ether group, a phenyl group, and a double hetero atom is O, S, N, or a halogen atom.

상기 화학식 1로 표기되는 환상 산 무수물은 환원되면서 전극, 바람직하게는 음극 표면에 비활성 막(passive film)을 형성하게 되는데, 이 비활성막은 첨가제 및 기타 전해액이 더 이상 분해되는 것을 방지하는 역할을 한다. 일반적으로, 선형 산 무수물은 환상 산 무수물에 비해 비활성막을 형성하려는 경향이 약하거나 또는 형성된 비활성막이 충분한 역할을 하지 못하는 것에 비해, 환상 산 무수물은 비활성 막 형성이 용이할 뿐만 아니라 환원되어 형성된 비활성 막이 우수한 전해액 분해 방지 및 전극 보호 효과를 나타낸다.The cyclic acid anhydride represented by Formula 1 forms a passive film on the surface of the electrode, preferably the cathode while being reduced, and this inactive film serves to prevent further decomposition of the additive and other electrolytes. In general, linear acid anhydrides have a lower tendency to form inert membranes than cyclic acid anhydrides, or inert membranes formed do not play a sufficient role, whereas cyclic acid anhydrides are not only easy to form inert membranes but are also excellent in reduced inert membranes formed. Electrolytic solution decomposition prevention and electrode protection effect are shown.

환상 산 무수물의 비제한적인 예로는 숙신산 무수물, 말레산 무수물, 글루탈산 무수물, 이타콘산 무수물 등이 있으며, 특히 숙신산 무수물이 바람직하다. 환상 산 무수물의 사용량은 전해액 100 중량% 당 0.01 내지 10 중량%가 바람직하다. 0.01 중량% 미만일 경우 효과가 미미하게 된다. 10 중량%를 초과한 경우 잉여의 첨가제가 분해하며 이산화탄소 및 수소 가스가 발생할 수 있으며, 이러한 가스 발생은 전지의 성능 및 안정성 저하를 가져온다. Non-limiting examples of cyclic acid anhydrides include succinic anhydride, maleic anhydride, glutaric anhydride, itaconic anhydride and the like, with succinic anhydride being particularly preferred. The amount of the cyclic acid anhydride is preferably 0.01 to 10% by weight per 100% by weight of the electrolyte. If less than 0.01% by weight the effect is minimal. If it exceeds 10% by weight, the excess additives decompose and carbon dioxide and hydrogen gas may be generated, and this gas generation may result in deterioration of the performance and stability of the battery.

본 발명에 따라 이차 전지, 바람직하게는 리튬 이차 전지의 전해액에 첨가되는 첨가제 중 다른 하나는 황화물로서, 설톤(sultone)류, 설폰(sulfone)류, 설포네이트(sulfonate)류 화합물 또는 이들의 혼합물 등이 바람직하다. The other one of the additives added to the electrolyte of the secondary battery, preferably the lithium secondary battery according to the present invention is a sulfide, sultones, sulfones, sulfonate compounds or mixtures thereof. This is preferred.

설톤(sultone) 화합물은 하기 화학식 2로 표기되는 포화탄화수소 또는 불포화탄화수소 설톤이며, 이의 비제한적인 예로는 프로판 설톤 (propane sultone: PS), 프로펜 설톤, 에틸설톤, 부텐설톤 등이 있다. 특히 프로판 설톤이 바람직하다. Sultone compounds are saturated hydrocarbons or unsaturated hydrocarbon sultones represented by the following Formula 2, and non-limiting examples thereof include propane sultone (PS), propene sultone, ethyl sultone, butene sultone, and the like. Propane sultone is particularly preferred.

Figure 112004057447555-pat00002
(Ⅱ)
Figure 112004057447555-pat00002
(Ⅱ)

상기 식에 있어서, In the above formula,

R1은 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 알케닐기이다. R 1 is an alkyl group or alkenyl group having 1 to 5 carbon atoms.

설폰(sulfone) 화합물은 하기 화학식 3으로 표기되며, 이의 비제한적인 예로는 디메틸 설폰(dimethyl sulfone), 디페닐 설폰(dimethyl sulfone) 또는 디비닐 설폰(divinyl sulfone) 등이 있다. The sulfone compound is represented by the following Chemical Formula 3, and non-limiting examples thereof include dimethyl sulfone, dimethyl sulfone, divinyl sulfone, and the like.                     

Figure 112004057447555-pat00003
(Ⅲ)
Figure 112004057447555-pat00003
(Ⅲ)

상기 식에 있어서, In the above formula,

R2 및 R2′는 수소 원자, 할로겐 원자, 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 알케닐기, 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 할로겐 원자로 치환 또는 비치환된 페닐기 또는 페녹시기로 이루어진 군으로부터 선택되며, 서로 독립적이다.R 2 and R 2 ′ are selected from the group consisting of a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group or alkenyl group having 1 to 5 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a phenyl group or phenoxy group unsubstituted or substituted with a halogen atom, and are independent of each other to be.

설포네이트(sulfonate) 화합물은 하기 화학식 4로 표기되며, 이의 비제한적인 예로는 메틸 메탄 설포네이트, 에틸 메탄 설포네이트 등이 있다. The sulfonate compound is represented by the following Chemical Formula 4, and non-limiting examples thereof include methyl methane sulfonate, ethyl methane sulfonate, and the like.

Figure 112004057447555-pat00004
(Ⅳ)
Figure 112004057447555-pat00004
(Ⅳ)

상기 식에 있어서, In the above formula,

R2 및 R2′는 수소 원자, 할로겐 원자, 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 알케닐기, 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 할로겐 원자로 치환 또는 비치환된 페닐기 또는 페녹시기로 이루어진 군으로부터 선택되며, 서로 독립적이다. R 2 and R 2 ′ are selected from the group consisting of a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group or alkenyl group having 1 to 5 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a phenyl group or phenoxy group unsubstituted or substituted with a halogen atom, and are independent of each other to be.

전해액에 첨가된 상기 화학식 2 내지 4의 황화물은 전지의 초기 충전시 전극 표면에 비활성 막(passive film)을 형성하는데, 형성된 비활성 막은 전극과 전해액의 부반응을 억제할 뿐만 아니라 고온 보존시 가스 발생을 억제하는 역할을 한다. The sulfides of Chemical Formulas 2 to 4 added to the electrolyte form a passive film on the electrode surface during initial charging of the battery. The inactive film not only suppresses side reactions between the electrode and the electrolyte, but also suppresses gas generation at high temperature. It plays a role.                     

상기 화학식 2 내지 4로 표기되는 설톤류, 설폰류, 설포네이트류 화합물의 사용량은 전해액 100 중량% 당 0.01 내지 10 중량%가 바람직하다. 황화물의 사용량이 0.01 중량% 미만인 경우 고밀도의 비활성 막을 형성하지 못하므로 고온에서 전극과 전해질의 반응을 억제할 수 없으며, 10 중량%를 초과하는 경우 전해액의 점도가 증가할 뿐만 아니라 전극 표면에 두꺼운 비활성 막이 형성됨으로써 내부 저항이 증가되어 전지의 용량이 저하된다. The amount of the sultone, sulfone, and sulfonate compounds represented by Chemical Formulas 2 to 4 is preferably 0.01 to 10% by weight per 100% by weight of the electrolyte. If the amount of sulfide is less than 0.01% by weight, it is impossible to form a high-density inert film, so it is impossible to suppress the reaction between the electrode and the electrolyte at a high temperature. When the amount of the sulfide is more than 10% by weight, the viscosity of the electrolyte is increased and the thickness of the inert electrode is thick. As the film is formed, the internal resistance is increased and the capacity of the battery is lowered.

본 발명은 a) 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 양극활물질을 포함하는 양극; b) 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 음극활물질을 포함하는 음극; c) 상기 전해액 첨가제가 첨가된 전해액; 및 d) 분리막을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. 이때, 리튬 이차 전지는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함한다. The present invention a) a positive electrode comprising a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium; b) a negative electrode comprising a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium; c) an electrolyte solution to which the electrolyte additive is added; And d) provides a lithium secondary battery comprising a separator. In this case, the lithium secondary battery includes a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery or a lithium ion polymer secondary battery.

본 발명의 리튬 이차 전지는 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법에 따라 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고 상기 첨가제가 첨가된 전해액을 투입하여 제조할 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention may be prepared by inserting a porous separator between the positive electrode and the negative electrode according to a conventional method known in the art and adding an electrolyte solution to which the additive is added.

양극활물질은 LiMxOy(M = Co, Ni, Mn, CoaNibMnc)와 같은 리튬 전이금속 복합산화물(예를 들면, LiMn2O4 등의 리튬 망간 복합산화물, LiNiO2 등의 리튬 니켈 산화물, LiCoO2 등의 리튬 코발트 산화물 및 이들 산화물의 망간, 니켈, 코발트의 일부를 다른 전이금속 등으로 치환한 것 또는 리튬을 함유한 산화바나듐 등) 또는 칼코겐 화합물(예를 들면, 이산화망간, 이황화티탄, 이황화몰리브덴 등) 등이 사용 가능하다. 본 발명은 4.2V 급 전지 뿐만 아니라, 특히 4.35V 이상급 고전압 전지에 유용하므로, 상기 양극활물질에 Al, Mg, Zr, Fe, Zn, Ga, Sn, Si, Ge 또는 이들의 혼합체로부터 선택된 금속을 도핑시킬 수 있다. The positive electrode active material may be a lithium transition metal composite oxide such as LiM x O y (M = Co, Ni, Mn, Co a Ni b Mn c ) (for example, lithium manganese composite oxide such as LiMn 2 O 4 , LiNiO 2, etc.). Lithium cobalt oxides such as lithium nickel oxide, LiCoO 2 , and manganese, nickel, and cobalt in which some of these oxides are substituted with other transition metals, or lithium-containing vanadium oxide, or a chalcogenide compound (for example, manganese dioxide) , Titanium disulfide, molybdenum disulfide, etc.) may be used. Since the present invention is useful not only for 4.2V class batteries, but also for high voltage batteries of 4.35V or higher class, the positive electrode active material is doped with a metal selected from Al, Mg, Zr, Fe, Zn, Ga, Sn, Si, Ge, or a mixture thereof. You can.

음극활물질로는 탄소, 리튬 금속 또는 이의 합금인 것이 바람직하다. 또한 기타 리튬을 흡장 및 방출할 수 있고, 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2 등과 같은 금속 산화물을 사용할 수 있다. 음극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. The negative electrode active material is preferably carbon, lithium metal or an alloy thereof. In addition, other lithium may be occluded and released, and metal oxides such as TiO 2 , SnO 2, and the like having a potential of less than 2 V may be used. The negative electrode can be prepared by conventional methods known in the art.

본 발명에 따른 전해액은 통상적으로 사용되는 전해액 용매, 리튬염, 전술한 첨가제, 즉 환상 산 무수물 및 황화물을 포함한다. The electrolyte solution according to the present invention comprises a conventionally used electrolyte solvent, lithium salt, the above-mentioned additives, ie cyclic acid anhydride and sulfide.

상기 리튬염은 LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6 및 LiN(CF3SO2)2로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있으며, 전해액 용매는 에틸렌 코(카)보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 설포란, γ-부틸로 락톤, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.The lithium salt may be at least one selected from the group consisting of LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , the electrolyte solvent is ethylene co (Ca) 1 selected from the group consisting of nates, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, sulfolane, γ-butylo lactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydrofuran and mixtures thereof More than one species can be used.

분리막은 다공성 분리막이 사용 가능하며, 예를 들면 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 다공성 분리막을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The separator may be a porous separator, for example, a polypropylene-based, polyethylene-based, or polyolefin-based porous separator may be used, but is not limited thereto.

상기의 방법으로 제작된 리튬 이차 전지의 외형은 제한이 없으나, 캔으로 된 원통형, 코인형, 각형 또는 파우치(pouch)형이 가능하다.Although the external shape of the lithium secondary battery manufactured by the above method is not limited, it is possible to have a cylindrical, coin-shaped, square or pouch type of cans.

본 발명은 하기의 실시예 및 실험예에 의거하여 더욱 상세히 설명된다. 단, 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 이들만으로 한정하는 것은 아니다.The invention is explained in more detail based on the following examples and experimental examples. However, Examples and Experimental Examples are for illustrating the present invention and are not limited to these.

[실시예 1~2]. 리튬 이차 전지 제조[Examples 1-2]. Lithium secondary battery manufacturing

실시예 1Example 1

양극활물질로 LiNi0.5Mn1.5O2를 사용하였고, 혼합비율은 LiNi0.5Mn 1.5O2 90중량%, Super-P(도전제) 5중량% 및 PVDF(결합제) 5중량%의 조성으로 용제인 NMP (N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 슬러리를 제조한 후, 이를 알루미늄(Al) 집전체 상에 코팅하여 양극을 제조하였다. 음극으로 금속 리튬을 사용하고, 양극은 제조된 양극을 사용하여 5V급 코인형 전지를 제작하였다. 전해액으로는 1M LiPF6에 EC/EMC계 용액을 사용하였으며, 이 전해액에 숙신산 무수물(succinic anhydride, SA) 1중량%와 프로판 설톤(propane sultone, PS) 3중량%를 첨가하였다.LiNi 0.5 Mn 1.5 O 2 was used as the positive electrode active material, and the mixing ratio was 90% by weight of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 2 , 5% by weight of Super-P (conductor), and 5% by weight of PVDF (binder) as a solvent. (N-methyl-2-pyrrolidone) was added to prepare a positive electrode slurry, and then coated on an aluminum (Al) current collector to prepare a positive electrode. Metal lithium was used as a negative electrode, and a positive electrode was manufactured using a manufactured positive electrode. As an electrolyte, an EC / EMC solution was used in 1M LiPF 6 , and 1% by weight of succinic anhydride (SA) and 3% by weight of propane sultone (PS) were added to the electrolyte.

실시예 2Example 2

음극물질로는 인조흑연을 사용하였으며, 혼합 비율은 인조흑연 94중량%, Super-P(도전제) 1중량%, 및 PVDF(결합제) 5중량%의 조성으로 용제인 NMP에 첨가하여 음극 슬러리를 제조한 후, 구리(Cu) 집전체 상에 코팅하여 음극을 제조하였다. 제조된 음극, 실시예 1에서 제조된 양극과 알루미늄이 적층된 필름 외장재(Al laminated film case)를 사용하여 60 mAh 용량의 바이셀(bicell)을 제작하였다. 전 해액으로는 1M LiPF6에 EC/EMC계 용액을 사용하였고, 전해액에 숙신산 무수물(succinic anhydride, SA) 2중량%와 프로판 설톤(propane sultone, PS) 3중량%를 첨가하였다.As the negative electrode material, artificial graphite was used, and the mixing ratio was 94% by weight of artificial graphite, 1% by weight of Super-P (conductive agent), and 5% by weight of PVDF (binder), and the negative electrode slurry was added to NMP as a solvent. After manufacturing, the negative electrode was prepared by coating on a copper (Cu) current collector. A bicell having a capacity of 60 mAh was manufactured using the prepared negative electrode, the positive electrode prepared in Example 1, and an aluminum laminated film case (Al laminated film case). As an electrolyte, an EC / EMC solution was used in 1M LiPF 6 , and 2% by weight of succinic anhydride (SA) and 3% by weight of propane sultone (PS) were added to the electrolyte.

[비교예 1~5]. 리튬 이차 전지 제조[Comparative Examples 1-5]. Lithium secondary battery manufacturing

비교예 1Comparative Example 1

전해액에 숙신산 무수물 및 프로판 설톤을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that succinic anhydride and propane sultone were not used in the electrolyte.

비교예 2Comparative Example 2

전해액에 숙신산 무수물 1 중량%만을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that only 1 wt% of succinic anhydride was used as an electrolyte.

비교예 3Comparative Example 3

전해액에 프로판 설톤 3 중량%만을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that only 3 wt% of propane sultone was used as the electrolyte.

비교예 4Comparative Example 4

전해액에 숙신산 무수물 및 프로판 설톤을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that succinic anhydride and propane sultone were not used in the electrolyte.

비교예 5Comparative Example 5

전해액에 프로판 설톤 3 중량%만을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that only 3 wt% of propane sultone was used as the electrolyte.                     

실험예 1. 리튬 이차 전지의 성능 평가Experimental Example 1. Performance Evaluation of Lithium Secondary Battery

본 발명에 따라 환상 산 무수물 및 황화물을 전해액 첨가제로 포함하는 리튬 이차 전지의 성능을 평가하기 위하여, 하기와 같은 실험을 실시하였다.In order to evaluate the performance of the lithium secondary battery including cyclic acid anhydride and sulfide as an electrolyte additive according to the present invention, the following experiment was conducted.

숙신산 무수물(SA) 및 프로판 설톤(PS)을 전해액에 첨가하여 제조된 실시예 1의 리튬 이차 전지를 사용하였으며, 대조군으로 전해액 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1의 전지 및 숙신산 무수물을 포함하는 비교예 2의 전지 및 프로판 설톤을 포함하는 비교예 3의 전지를 사용하였다.The lithium secondary battery of Example 1, prepared by adding succinic anhydride (SA) and propane sultone (PS) to the electrolyte, was used, and a comparative example including the battery of Comparative Example 1, which did not use the electrolyte additive as a control, and succinic anhydride. The battery of Comparative Example 3 containing the battery of 2 and propane sultone was used.

각 전지들을 0.5C의 충전 전류로 4.8V까지 충전을 실시하여 충전 용량을 얻고, 0.5C 방전을 3V까지 실시하여 방전 용량을 구하였다. 이때, 비가역 용량은 충전 용량과 방전 용량의 차이, 즉 비가역 용량 = (충전용량 - 방전용량)으로 정의하며, 충전과 방전이 여러 회 반복될 때, 각 회마다 발생하는 비가역 용량의 누계를 누적 비가역 용량이라 정의한다. 상기 누적 비가역 용량은 주로 전해액의 부반응에 의해 발생하므로 누적 비가역 용량을 전해액 안정성의 척도로 사용할 수 있으며, 즉, 누적 비가역 용량이 작을수록 전해액이 안정하다고 판단될 수 있다. Each battery was charged to 4.8 V with a charging current of 0.5 C to obtain a charging capacity, and 0.5 C discharge was performed to 3 V to obtain a discharge capacity. In this case, the irreversible capacity is defined as the difference between the charge capacity and the discharge capacity, that is, irreversible capacity = (charge capacity-discharge capacity), and the cumulative irreversible accumulation of the irreversible capacity generated each time when the charge and discharge are repeated several times. It is defined as capacity. Since the cumulative irreversible capacity is mainly generated by side reactions of the electrolyte, the cumulative irreversible capacity may be used as a measure of electrolyte stability. That is, the smaller the cumulative irreversible capacity, the more stable the electrolyte may be determined.

도 1은 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 각 리튬 이차 전지의 누적 비가역 용량을 나타낸 것이다. 전해액 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1의 전지에 비해 숙신산 무수물(SA)을 전해액 첨가제로 사용하여 제조된 비교예 2의 전지는 누적 비가역 용량이 감소됨을 보여주었으나, 프로판 설톤(PS)을 포함하는 비교예 3의 전지는 오히려 누적 비가역 용량이 증가함을 나타냈다. 이에 비하여, 숙신산 무수물 및 프로판 설톤을 모두 포함하는 실시예 1의 리튬 이차 전지는 비교예 1 및 2의 전지보다 현저하게 감소된 누적 비가역 용량을 보여줌으로써, 전해액의 안정성이 향상된 것을 확인할 수 있었다(도 1 참조). 이는 숙신산 무수물 및 프로판 설톤을 전해액 첨가제로 함께 사용시 상승 효과를 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다. Figure 1 shows the cumulative irreversible capacity of each lithium secondary battery prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. The battery of Comparative Example 2 prepared using succinic anhydride (SA) as the electrolyte additive was shown to have a reduced cumulative irreversible capacity compared to the battery of Comparative Example 1 without using the electrolyte additive, but did not include propane sultone (PS). The battery of Comparative Example 3 showed an increase in cumulative irreversible capacity. In contrast, the lithium secondary battery of Example 1 including both succinic anhydride and propane sultone showed a significantly reduced cumulative irreversible capacity than the batteries of Comparative Examples 1 and 2, and it was confirmed that the stability of the electrolyte was improved (FIG. 1). This confirmed that synergistic effect was obtained when succinic anhydride and propane sultone were used together as an electrolyte additive.

이로서, 본 발명에 따라 환상 산 무수물 및 황화물을 전해액 첨가제로 사용하여 제조된 리튬 이차 전지는 각 첨가제의 상승 효과에 의한 전해액의 안정성 향상에 기초하여 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the lithium secondary battery manufactured using cyclic anhydride and sulfide according to the present invention as an electrolyte additive was improved in performance based on the stability of the electrolyte due to the synergistic effect of each additive.

실험예 2. 고온 보존 특성 평가Experimental Example 2 Evaluation of High Temperature Storage Characteristics

본 발명에 따라 환상 산 무수물 및 황화물을 전해액 첨가제로 포함하는 리튬 이차 전지의 고온 보존 특성을 평가하기 위하여, 하기와 같이 실험을 수행하였다.In order to evaluate the high temperature storage characteristics of the lithium secondary battery including the cyclic acid anhydride and sulfide as the electrolyte additive according to the present invention, the experiment was performed as follows.

숙신산 무수물(SA) 및 프로판 설톤(PS)을 전해액에 첨가하고 알루미늄 필름이 적층된 외장 케이스를 사용하여 제조된 실시예 2의 바이셀을 사용하였으며, 대조군으로 알루미늄 필름이 적층된 외장 케이스를 사용하고 전해액 첨가제를 사용하지 않은 비교예 4의 전지 및 알루미늄 필름이 적층된 외장 케이스를 사용하고 전해액 첨가제로 프로판 설톤을 포함하는 비교예 5의 전지를 사용하였다.The bicell of Example 2 prepared by adding succinic anhydride (SA) and propane sultone (PS) to the electrolytic solution and using an aluminum film laminated case was used. The battery of Comparative Example 4, which did not use the electrolyte additive and the outer case in which the aluminum film was laminated, were used, and the battery of Comparative Example 5 containing propane sultone as the electrolyte additive was used.

각 전지들을 4.8V로 만충전된 상태에서 90℃의 고온에서 4시간 보존하면서 전지 두께 증가를 측정하였다. 두께 증가는 전지 내부의 가스 발생에 기인한 것이므로, 두께 증가가 작을수록 가스 발생량이 작으며 전해액의 안정성이 높다고 할 수 있다. The cell thickness increase was measured while preserving each cell at 4.8 V for 4 hours at a high temperature of 90 ° C. Since the increase in thickness is due to gas generation inside the battery, the smaller the increase in thickness, the smaller the amount of gas generated and the higher the stability of the electrolyte.

전해액 첨가제를 사용하지 않은 비교예 4의 전지 및 프로판 설톤(PS)을 첨가하여 제조된 비교예 5의 전지는 큰 전지 두께 증가율을 보인 데 비해, 숙신산 무수 물(SA) 및 프로판 설톤(PS)을 모두 전해액에 첨가하여 제조된 실시예 2의 전지는 현저하게 작은 전지 두께 증가율을 보였다(도 2 참조). 이는 전해액의 안정성 향상에 기인한 것이다.The battery of Comparative Example 4, which was prepared by adding the battery of Comparative Example 4 and propane sultone (PS) without using an electrolyte additive, showed a large battery thickness increase rate, but the succinic anhydride (SA) and propane sultone (PS) were used. The battery of Example 2, prepared by adding all to the electrolyte, showed a remarkably small increase in battery thickness (see FIG. 2). This is due to the improved stability of the electrolyte.

이로서, 본 발명의 리튬 이차 전지는 전해액에 함께 첨가된 환상 산 무수물 및 황화물 첨가제로 인해 탁월한 고온 보존 특성 및 사이클 특성을 가짐을 확인할 수 있었다. As a result, it was confirmed that the lithium secondary battery of the present invention has excellent high temperature storage characteristics and cycle characteristics due to the cyclic acid anhydride and sulfide additives added together in the electrolyte solution.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 환상 산 무수물; 및 설톤, 설폰 또는 설포네이트로 이루어진 황화물을 전해액 첨가제로 병용함으로써 전해액의 안정성 향상에 기인하여 전지의 사이클 특성 및 고온 보존 특성을 향상시킬 수 있다.Lithium secondary battery according to the present invention is cyclic acid anhydride; And by using a sulfide consisting of sultone, sulfone or sulfonate together with the electrolyte additive, the cycle characteristics and high temperature storage characteristics of the battery can be improved due to the stability of the electrolyte.

Claims (12)

이차 전지용 전해액에 있어서, 상기 전해액은 In the electrolyte solution for secondary batteries, the electrolyte solution a) 환상 산 무수물(cyclic acid anhydride); 및a) cyclic acid anhydride; And b) 설폰(sulfone) 및 설포네이트(sulfonate) 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 황화물을 포함하는 이차 전지용 전해액으로서, b) a secondary battery electrolyte comprising one or more sulfides selected from the group consisting of sulfones and sulfonate compounds, 상기 설폰 화합물은 하기 일반식 (Ⅲ)로 표기되는 화합물이며; The sulfone compound is a compound represented by the following general formula (III); 상기 설포네이트 화합물은 하기 일반식 (Ⅳ)로 표기되는 화합물인 것이 특징인 이차 전지용 전해액:The sulfonate compound is a secondary battery electrolyte characterized in that the compound represented by the general formula (IV):
Figure 112007029431583-pat00011
(Ⅲ)
Figure 112007029431583-pat00011
(Ⅲ)
Figure 112007029431583-pat00012
(Ⅳ)
Figure 112007029431583-pat00012
(Ⅳ)
상기 식에 있어서, R2 및 R2′는 수소 원자, 할로겐 원자, 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 알케닐기, 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 할로겐 원자로 치환 또는 비치환된 페닐기 또는 페녹시기로 이루어진 군으로부터 선택되며, 서로 독립적임.In the above formula, R2 and R2 'is selected from the group consisting of a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group or alkenyl group having 1 to 5 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a phenyl group or phenoxy group unsubstituted or substituted with a halogen atom. , Independent of each other.
제 1항에 있어서, 상기 환상 산 무수물은 하기 일반식 (I)로 표기되는 화합물인 전해액.The electrolyte solution according to claim 1, wherein the cyclic acid anhydride is a compound represented by the following general formula (I).
Figure 112004057447555-pat00005
(I)
Figure 112004057447555-pat00005
(I)
(상기 식에서, R은 헤테로 원자를 포함하거나 또는 포함하지 않는 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 알케닐기 또는 알아릴기; 알콕시기, 에스테르기, 에테르기, 페닐기이며, 이중 헤테로 원자는 O, S, N 또는 할로겐 원자임.)Wherein R is an alkyl group, alkenyl group or an allyl group having 1 to 20 carbon atoms, with or without a hetero atom; an alkoxy group, an ester group, an ether group, a phenyl group, wherein a double hetero atom is O, S, N or Halogen atom.)
제 1항에 있어서, 상기 환상 산 무수물은 숙신산 무수물(succinic anhydride)인 전해액.The electrolyte of claim 1, wherein the cyclic acid anhydride is succinic anhydride. 제 1항에 있어서, 상기 환상 산 무수물의 사용량은 전해액 100 중량% 당 0.01 내지 10 중량%인 전해액.The electrolyte of claim 1, wherein the amount of the cyclic acid anhydride used is 0.01 to 10 wt% per 100 wt% of the electrolyte. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 설폰 화합물은 디메틸 설폰(dimethyl sulfone), 디페닐 설폰(dimethyl sulfone) 또는 디비닐 설폰(divinyl sulfone) 화합물인 전해액.The electrolyte of claim 1, wherein the sulfone compound is a dimethyl sulfone, diphenyl sulfone, or divinyl sulfone compound. 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 설포네이트 화합물은 메틸 메탄 설포네이트, 에틸 메탄 설포네이트인 전해액.The electrolyte of claim 1, wherein the sulfonate compound is methyl methane sulfonate, ethyl methane sulfonate. 제 1항에 있어서, 상기 설톤(sultone), 설폰(sulfone) 및 설포네이트(sulfonate) 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 황화물의 사용량은 전해액 100 중량% 당 0.01 내지 10 중량%인 전해액. The electrolyte of claim 1, wherein the amount of one or more sulfides selected from the group consisting of sultone, sulfone and sulfonate compounds is 0.01 to 10 wt% per 100 wt% of the electrolyte. a) 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 양극활물질을 포함하는 양극;a) a positive electrode comprising a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium; b) 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 음극활물질을 포함하는 음극;b) a negative electrode comprising a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium; c) 제1항 내지 제4항, 제8항, 제10항, 및 제11항 중 어느 한 항의 전해액; 및c) the electrolyte of any one of claims 1 to 4, 8, 10, and 11; And d) 분리막d) membrane 을 포함하는 리튬 이차 전지.Lithium secondary battery comprising a.
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