본 발명은 리튬염 및 전해액 화합물을 포함하는 리튬 이차 전지용 비수전해 액에 있어서, 첨가제로서 플루오르 바이페닐 및 플루오르 톨루엔을 포함하는 비수전해액을 제공한다.
본 발명은 또한, 리튬염 및 전해액 화합물을 포함하는 리튬 이차 전지용 비수전해액에 있어서, 전지 과충전시 산화반응에 의하여 보호막을 형성하는 첨가제 및 전지 과충전시 발열 반응을 하는 첨가제를 포함하는 비수전해액을 제공한다. 바람직하게는, 상기 전지 과충전시 산화반응에 의하여 보호막을 형성하는 첨가제로는 플루오르 바이페닐을 사용할 수 있고, 전지 과충전시 발열 반응을 하는 첨가제로는 플루오르 톨루엔을 사용할 수 있다.
또한 본 발명은 리튬염, 전해액 화합물, 4.2V 이상에서 산화물이 석출되거나 산화에 의한 보호막을 형성하는 제 1 첨가제 및 4.2V 이상에서 발열 반응에 의하여 격리막을 셧다운(shut down)시킬 수 있는 제 2 첨가제를 포함하는 비수 전해액을 제공한다. 바람직하게는, 상기 4.2V 이상에서 산화물이 석출되거나 산화에 의한 보호막을 형성하는 제 1 첨가제로는 플루오르 바이페닐을 사용할 수 있으며, 상기 4.2V 이상에서 발열 반응에 의하여 격리막을 shut down시킬 수 있는 제 2 첨가제로는 플루오르 톨루엔을 사용할 수 있다.
바람직하게는 상기 플루오르 바이페닐은 하기 화학식 1a 또는 1b로 표현되는 화합물 중 어느 하나이며, 플루오르 톨루엔은 하기 화학식 2로 표현되는 화합물 중 어느 하나이다
X는 플루오르(F)이고, "k"는 1 내지 5의 정수이다.
X는 플루오르(F)이고, "l"과 "m"은 서로 동일하거나 다를 수 있으며 각각 1 내지 5의 정수이다.
X는 플루오르(F)이고, "n"은 1 내지 5의 정수이다.
본 발명은 또한, 리튬 이온을 흡장 방출(intercalation)할 수 있는 양극; 리튬 이온을 흡장 방출할 수 있는 음극; 다공성 분리막; 및 리튬 염, 전해액 화합물, 플루오르 바이페닐 및 플루오르 톨루엔을 함유하는 비수전해액;을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 비수전해액은 첨가제로서 플루오르 바이페닐 및 플루오르 톨루엔을 동시에 포함한다. 상기 플루오르 바이페닐과 플루오르 톨루엔은 플루오르 치환 방향족 화합물로서, 비수전해액에 이들을 함께 사용할 경우 과충전시 전지의 안정성 범위가 확대될 수 있다.
본 발명에 의한 상기 플루오르 바이페닐과 플루오르 톨루엔은 플루오르로 치환되지 않은 바이페닐과 톨루엔을 사용하는 경우에 비하여 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 더 우수하다. 또한, 상기 바이페닐계 화합물과 톨루엔계 화합물을 동시에 사용하는 경우라고 하더라도, 상기 바이페닐계 화합물과 톨루엔계 화합물 중 어느 하나라도 플루오르로 치환되지 않은 것을 사용할 경우에는, 본 발명에 따른 첨가제의 효과를 나타낼 수 없다는 것을 알 수 있다.
즉, 첨가제로서 플루오르로 치환되지 않은 바이페닐과 플루오르로 치환되지 않은 톨루엔을 혼합 사용하는 경우; 플루오르 바이페닐과 플루오르로 치환되지 않은 톨루엔을 혼합 사용하는 경우; 및 플루오르로 치환되지 않은 바이페닐과 플루오르 톨루엔을 혼합 사용하는 경우;에도 본 발명에 따른 첨가제의 효과를 나타낼 수 없다는 것을 알 수 있다.
상기 플루오르 바이페닐은 과충전시 산화에 의한 보호막을 형성하여 전극을 보호하는데, 상기 보호막(산화막)은 주로 양극에서 형성되어 양극을 보호하는 보호막으로서 작용을 하게 된다. 한편, 플루오르 톨루엔은 발열반응을 하여 전지를 보 호하는데 도움이 되도록 한다. 플루오르 바이페닐과 함께 플루오르 톨루엔을 함께 사용할 경우 전지의 성능저하 없이 과충전 특성을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
특히 상기 형성된 보호막(산화막)은 과충전 전류를 차단하는 저항으로 작용하여 과충전이 더 이상 진행되지 않게 하고 전해액의 용매가 산화 분해 되는 것을 방지한다. 따라서 급격한 발열이 억제되고 효과적으로 과충전에 대해 안전성을 향상시킨다.
상기와 같은 전극보호용 막의 일종인 보호막(산화막)을 형성하는 데는 산화전위가 중요하다. 상기 산화막은 단량체의 중합에 의하여 형성되는 것이 일반적인데, 단량체의 산화전위 이상의 전위에서 단량체가 중합될 수 있다. 상기 플로오로 바이페닐의 산화전위는 4.6V이고, 상기 플루오르 톨루엔의 산화전위는 4.75V이다. 산화전위가 플루오르로 치환되지 않은 화합물보다 높기 때문에 고온에 노출되었거나 싸이클(cycle)이 진행되어도 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다. 그 결과 전지가 안정적으로 작동될 수 있다. 상기 플루오르 바이페닐과 플루오르 톨루엔을 전해액 첨가제로서 함께 사용할 경우, 종래 전해액 첨가제 또는 플루오르로 치환되지 않은 바이페닐과 톨루엔에 비하여 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 더 우수하다. 한편, 플루오르 바이페닐과 플루오르 톨루엔을 함께 사용함으로써 상기 화합물을 단독으로 사용할 때 각각의 전류 합보다 더 큰 전류가 흐르게 되어 전지 성능에 악영향을 주지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플루오르 바이페닐은 비수전해액 총 중량에 대하여 0.1~3 중량% 정도만큼 사용할 수 있고, 상기 플루오르 톨루엔 3~10 중 량% 정도 사용할 수 있다. 즉, 상기 플루오르 바이페닐에 의한 효과가 현저하게 나타나도록 하기 위하여는 그 함량을 0.1 중량% 이상으로 할 수 있으며, 한편 첨가제의 함량은 필요이상으로 과량으로 할 필요가 없는 바, 전지의 저항 증가 및 비용 등을 고려하여 상기 함량을 3 중량% 이하로 조절할 수 있다. 마찬가지로, 플루오르 톨루엔에 의한 효과가 현저하게 나타나도록 하기 위하여는 그 함량을 3 중량% 이상으로 할 수 있으며, 한편 첨가제의 함량은 필요이상으로 과량으로 할 필요가 없는 바, 전지의 저항 증가 및 비용 등을 고려하여 상기 함량을 10 중량% 이하로 조절할 수 있다.
따라서 전지의 성능에 장애가 되지 않으면서 전지를 효과적으로 보호할 수 있는 함량은 상기와 같이 정해지는 것이 적절하다. 각각의 경우에 필요한 함량은 당업자가 용이하게 선택하여 결정할 수 있다.
본 발명의 비수전해액은 용매로서 전해액 화합물을 포함하는데, 예를 들어, 환형 카보네이트와 직쇄형 카보네이트를 포함할 수 있다. 본 발명의 일례에 따르면, 상기 비수전해액은 상기 환형 카보네이트와 직쇄형 카보네이트를 각각 1종 이상씩 포함할 수도 있다. 상기 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 감마부티로락톤(GBL) 등이 있다. 상기 직쇄형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다.
본 발명의 비수전해액은 리튬염을 포함하는데, 예를 들어, LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6 및 LiN(CF3SO2)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 1종 이상 사용할 수 있다. 그렇다고 하여 상기 리튬염의 종류가 이에 의하여 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명은, 비수전해액, 양극, 음극 및 다공성 분리막을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. 상기 음극의 활물질로는 탄소, 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금을 사용할 수 있다. 이와 더불어 리튬을 흡장 방출할 수 있고, 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극의 활물질로 사용할 수 있음은 물론이다.
상기 리튬 이차 전지의 양극은 양극 활물질로로서 리튬 함유 전이 금속 산화물을 사용할 수 있는데, 예를 들면 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiMnO2 및 LiNi1 - XCoXO2 (여기에서, 0<X<1) 중에서 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 아울러 MnO2와 같은 금속 산화물 또는 이들의 조합으로 이루어진 양극 활물질을 사용할 수도 있다.
또한, 리튬 이차 전지의 제조에 사용되는 다공성 분리막으로서, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 분리막을 사용할 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 통상적인 방법으로 음극과 양극 사이에 다공성의 분리막을 넣고, 상기 리튬염과 전해액 화합물 및 첨가제를 포함하는 비수전해액을 투입하여 제조될 수 있다. 상기 리튬 이차 전지의 제조방법은 당업계에서 널리 알려진 통상의 제조방법 중에 선택할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 외장 케이스로는 금속으로 된 원통형 또는 각형 등 제한 없이 사용 가능하다. 또한, 상기 전지는 파우치형으로 제조될 수도 있음은 물론이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
<실시예 1~3>
EC/PC/DEC = 3:2:5의 조성을 갖는 전해액 화합물을 용매로 사용한 1M LiPF6 용액(비수전해액)에, 첨가제로서 플루오르 톨루엔은 5, 7, 10 중량%(각각 실시예 1, 2, 3) 및 플루오르 바이페닐은 1 중량% 만큼 되도록 각각 첨가하여 전해액으로 사용하였다. 플루오르 톨루엔으로는 4-플루오르 톨루엔(n=1)을 사용하였고, 플루오르 바이페닐로는 4-플루오르 바이페닐(n=1)을 사용하였다. 이하 동일하다.
음극으로는 합성 흑연을 사용하였고, 양극으로는 LiCoO2를 사용하였다. 이후, 통상적인 방법으로 383562형 폴리머 전지를 제조하여 과충전 시험을 수행하였다.
<실시예 4~6>
EC/PC/DEC = 3:2:5의 조성을 갖는 용매를 사용한 1M LiPF6 용액에, 첨가제로 서 1, 1.5, 2 중량%(실시예 4, 5, 6) 만큼의 플루오르 바이페닐과 5 중량% 만큼의 플루오르 톨루엔을 첨가하여 전해액으로 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1~3과 동일한 방법으로 전지를 제조하여 과충전 시험을 수행하였다.
<비교예 1~3>
EC/PC/DEC = 3:2:5의 조성을 갖는 용매를 사용한 1M LiPF6 용액에, 첨가제로서 5, 7, 10 중량%(비교예 1, 2, 3) 만큼의 플루오르 톨루엔 만을 첨가하여 전해액으로 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1~3과 동일한 방법으로 전지를 제조하여 과충전 시험을 수행하였다.
<비교예 4~6>
EC/PC/DEC = 3:2:5의 조성을 갖는 용매를 사용한 1M LiPF6 용액에, 첨가제로서 1, 1.5, 2 중량%(비교예 4, 5, 6) 만큼의 플루오르 바이페닐 만을 첨가하여 전해액으로 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1~3과 동일한 방법으로 전지를 제조하여 과충전 시험을 수행하였다.
<비교예 7~9>
EC/PC/DEC = 3:2:5의 조성을 갖는 용매를 사용한 1M LiPF6 용액에, 첨가제로서 5, 7, 10 중량%(비교예 7, 8, 9) 만큼의 톨루엔과 1 중량% 만큼의 플루오르 바 이페닐을 첨가하여 전해액으로 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1~3과 동일한 방법으로 전지를 제조하여 과충전 시험을 수행하였다.
<비교예 10~12>
EC/PC/DEC = 3:2:5의 조성을 갖는 용매를 사용한 1M LiPF6 용액에, 첨가제로서 1, 1.5, 2 중량%(비교예 10, 11, 12) 만큼의 플루오르 바이페닐과 5 중량% 만큼의 톨루엔을 첨가하여 전해액으로 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1~3과 동일한 방법으로 전지를 제조하여 과충전 시험을 수행하였다.
<비교예 13~15>
EC/PC/DEC = 3:2:5의 조성을 갖는 용매를 사용한 1M LiPF6 용액에, 첨가제로서 5, 7, 10 중량%(비교예 7, 8, 9) 만큼의 플루오르 톨루엔과 1 중량% 만큼의 바이페닐을 첨가하여 전해액으로 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1~3과 동일한 방법으로 전지를 제조하여 과충전 시험을 수행하였다.
<비교예 16~18>
EC/PC/DEC = 3:2:5의 조성을 갖는 용매를 사용한 1M LiPF6 용액에, 첨가제로서 1, 1.5, 2 중량%(비교예 10, 11, 12) 만큼의 바이페닐과 5 중량% 만큼의 플루오르 톨루엔을 첨가하여 전해액으로 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1~3과 동 일한 방법으로 전지를 제조하여 과충전 시험을 수행하였다.
<비교예 19>
상기 실시예 1~3과 동일한 방법으로 제조하되, 첨가제를 첨가하지 않고(플루오르 바이페닐과 플루오르 톨루엔을 첨가하지 않고) 전해액으로 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1~3과 동일한 방법으로 전지를 제조하여 과충전 시험을 수행하였다.
<시험예 1> 과충전 시험 (12V/1A)
또한 상기 실시예 1~6 및 비교예 1~19에 대한 12V/1A 조건의 과충전 시험을 20회 반복 시험 후 안전성 시험 통과 횟수를 하기 표 1에 기재하였다. 전지를 12V/1A로 충전하였을 때, 전지의 폭발/발화 여부에 따라 안전성 여부를 판단하였다. 이하 동일하다.
표 1에서 보면, 본 발명에 의한 첨가제를 사용한 경우 안전성이 우수함을 알 수 있다. 즉, 비교예 1~19과 비교하여 실시예 1~6의 경우 과충전시 안전성이 향상됨을 알 수 있다.
전지의 종류 |
첨가제의 종류 (중량%) |
통과 여부 |
실시예 1 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 5% |
20/20 |
실시예 2 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 7% |
20/20 |
실시예 3 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 10% |
20/20 |
실시예 4 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 5% |
20/20 |
실시예 5 |
플루오르바이페닐 1.5%, 플루오르톨루엔 5% |
20/20 |
실시예 6 |
플루오르바이페닐 2%, 플루오르톨루엔 5% |
20/20 |
비교예 1 |
플루오르바이페닐 0%, 플루오르톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 2 |
플루오르바이페닐 0%, 플루오르톨루엔 7% |
17/20 |
비교예 3 |
플루오르바이페닐 0%, 플루오르톨루엔 10% |
19/20 |
비교예 4 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 0% |
0/20 |
비교예 5 |
플루오르바이페닐 1.5, 플루오르톨루엔 0% |
0/20 |
비교예 6 |
플루오르바이페닐 2%, 플루오르톨루엔 0% |
0/20 |
비교예 7 |
플루오르바이페닐 1%, 톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 8 |
플루오르바이페닐 1%, 톨루엔 7% |
0/20 |
비교예 9 |
플루오르바이페닐 1%, 톨루엔 10% |
0/20 |
비교예 10 |
플루오르바이페닐 1%, 톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 11 |
플루오르바이페닐 1.5%, 톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 12 |
플루오르바이페닐 2%, 톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 13 |
바이페닐 1%, 플루오르 톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 14 |
바이페닐 1%, 플루오르 톨루엔 7% |
18/20 |
비교예 15 |
바이페닐 1%, 플루오르 톨루엔 10% |
19/20 |
비교예 16 |
바이페닐 1%, 플루오르 톨루엔 5% |
3/20 |
비교예 17 |
바이페닐 1.5%, 플루오르 톨루엔 5% |
4/20 |
비교예 18 |
바이페닐 2%, 플루오르 톨루엔 5% |
5/20 |
비교예 19 |
없음 |
0/20 |
<시험예 2> 과충전 시험 (12V/2A)
상기 실시예 1~6 및 비교예 1~19에 대한 12V/2A 조건의 과충전 시험을 20회 반복시험 후 안전성 시험 통과횟수를 표 2에 나타내었다. 비교예 1~19과 비교하여 실시예 1~6의 경우 과충전시 안전성이 향상됨을 알 수 있다.
또한, 표 2에서 보면, 표 1의 결과와 비교할 때 본 발명에 따른 첨가제 사용에 의한 안전성이 향상되는 효과가 뚜렷함을 알 수 있다.
전지의 종류 |
첨가제의 종류 (중량%) |
통과 여부 |
실시예 1 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 5% |
20/20 |
실시예 2 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 7% |
20/20 |
실시예 3 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 10% |
20/20 |
실시예 4 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 5% |
20/20 |
실시예 5 |
플루오르바이페닐 1.5%, 플루오르톨루엔 5% |
20/20 |
실시예 6 |
플루오르바이페닐 2%, 플루오르톨루엔 5% |
20/20 |
비교예 1 |
플루오르바이페닐 0%, 플루오르톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 2 |
플루오르바이페닐 0%, 플루오르톨루엔 7% |
0/20 |
비교예 3 |
플루오르바이페닐 0%, 플루오르톨루엔 10% |
0/20 |
비교예 4 |
플루오르바이페닐 1%, 플루오르톨루엔 0% |
0/20 |
비교예 5 |
플루오르바이페닐 1.5, 플루오르톨루엔 0% |
0/20 |
비교예 6 |
플루오르바이페닐 2%, 플루오르톨루엔 0% |
0/20 |
비교예 7 |
플루오르바이페닐 1%, 톨루엔 5% |
1/20 |
비교예 8 |
플루오르바이페닐 1%, 톨루엔 7% |
1/20 |
비교예 9 |
플루오르바이페닐 1%, 톨루엔 10% |
1/20 |
비교예 10 |
플루오르바이페닐 1%, 톨루엔 5% |
1/20 |
비교예 11 |
플루오르바이페닐 1.5%, 톨루엔 5% |
2/20 |
비교예 12 |
플루오르바이페닐 2%, 톨루엔 5% |
3/20 |
비교예 13 |
바이페닐 1%, 플루오르 톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 14 |
바이페닐 1%, 플루오르 톨루엔 7% |
0/20 |
비교예 15 |
바이페닐 1%, 플루오르 톨루엔 10% |
0/20 |
비교예 16 |
바이페닐 1%, 플루오르 톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 17 |
바이페닐 1.5%, 플루오르 톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 18 |
바이페닐 2%, 플루오르 톨루엔 5% |
0/20 |
비교예 19 |
없음 |
0/20 |