KR101208250B1 - Method of comparing the overcharge protection efficiency of additives for a rechargeable battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지의 과충전 방지 성능을 측정하는 방법 및 이를 이용한 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능의 비교방법에 관한 것이다.
구체적으로는 본 발명은 이차전지를 완전하게 제조하지 않고 이차전지용 전극에 형성된 막의 임피던스를 측정하는 것만으로도 간단하게 이차전지의 과충전 방지 성능을 측정할 수 있는 이차전지의 과충전 방지 성능의 측정방법 및 이를 이용한 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능의 비교방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for measuring the overcharge protection performance of a secondary battery and a method for comparing the overcharge protection performance of an additive for a secondary battery using the same.
Specifically, the present invention provides a method for measuring the overcharge protection performance of a secondary battery that can measure the overcharge prevention performance of the secondary battery simply by measuring the impedance of the film formed on the electrode for the secondary battery without completely manufacturing the secondary battery. It relates to a method of comparing the overcharge protection performance of the additive for secondary batteries using the same.

Description

이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능의 비교방법{Method of comparing the overcharge protection efficiency of additives for a rechargeable battery}Method of comparing the overcharge protection efficiency of additives for a rechargeable battery

본 발명은 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능의 비교방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of comparing the overcharge prevention performance of the additive for secondary batteries.

구체적으로는 본 발명은 이차전지를 완전하게 제조하지 않고 이차전지용 전극에 형성된 막의 임피던스를 측정하는 것만으로도 간단하게 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능을 비교할 수 있는 비교방법에 관한 것이다.
Specifically, the present invention relates to a comparison method capable of comparing the overcharge prevention performance of the additive for secondary batteries simply by measuring the impedance of the film formed on the electrode for secondary batteries without completely manufacturing the secondary battery.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학 소자는 이러한 측면에서 주목받고 있는 분야이고, 그 중에서도 1990 년대 초에 개발된 리튬이온전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 인해 각광을 받고 있다. Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the field of application extends to the energy of mobile phones, camcorders and notebook PCs, and even electric vehicles, efforts for research and development of electrochemical devices are becoming more concrete. Electrochemical devices are in the field of attention in this respect, and among them, lithium ion batteries developed in the early 1990's have operating voltages compared to conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries using an aqueous solution electrolyte. This high energy density is extremely popular due to its advantages.

그러나 이러한 리튬이온전지는 비수전해액을 사용함에 따르는 발화 및 폭발 등의 안전 문제가 존재하며, 이와 같은 문제는 전지의 용량 밀도를 증가시킬수록 더 심각해진다. 비수전해액 이차전지에 있어서, 과충전시 연쇄적인 발열 반응에 의하여 전지에서는 열폭주에 의한 발화 및 폭발 현상이 발생하게 된다.However, such lithium ion batteries have safety problems such as ignition and explosion due to the use of nonaqueous electrolyte, and these problems become more serious as the capacity density of the battery increases. In the non-aqueous electrolyte secondary battery, ignition and explosion due to thermal runaway occur in the battery due to a series of exothermic reaction during overcharging.

상기와 같은 전지 내부의 온도 상승에 따른 발화 또는 폭발을 제어하기 위해 많은 해결 방법들이 제시되고 있으며, 일례로서 비수전해액 첨가제를 이용하는 방법이 알려져 있다. 그러나 바람직한 비수전해액 첨가제 또는 과충전 방지 전해질등을 개발하는 과정에서 과충전 방지 성능을 시험할 경우, 제조된 전지마다 과충전 결과의 편차가 커서 실제 성능을 단순 예측하기 어렵다. 그래서 다수의 전지를 제조하여 시험함으로써 첨가제의 성능을 결정하고 있다. 이에 따라 전지 제조에 따른 비용이 많이 소비되고, 많은 시간이 소요되어 다양한 첨가제, 다양한 전해액 또는 전지구조들을 시험하기 어려운 문제점이 있었다.
Many solutions have been proposed to control the ignition or explosion caused by the temperature rise inside the battery as described above, and as an example, a method using a nonaqueous electrolyte additive is known. However, when the overcharge prevention performance is tested in the process of developing a preferred non-aqueous electrolyte additive or an overcharge preventing electrolyte, it is difficult to predict the actual performance simply because the variation of the overcharge result is large for each manufactured battery. Therefore, the performance of the additive is determined by manufacturing and testing a large number of batteries. Accordingly, there is a problem in that it is difficult to test a variety of additives, various electrolytes, or battery structures due to the high cost and time required for battery manufacture.

본 발명의 목적은 이차전지의 제조없이 손쉽게 다양한 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능을 비교하는 방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide a method for easily comparing the overcharge protection performance of various secondary battery additives without the production of secondary batteries.

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상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전해액에 이차전지용 첨가제를 첨가하는 단계; 상기 전해액에 침지된 전극에 부동태막을 형성하는 단계; 상기 부동태막의 임피던스를 측정하는 단계; 및 상기 임피던스의 값을 비교하여, 상대적으로 높은 임피던스 값을 나타내는 첨가제는 안정된 부동태막을 형성하여 안정한 이차전지를 형성할 수 있는 것으로 판정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능의 비교방법을 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of adding an additive for a secondary battery in the electrolyte; Forming a passivation film on the electrode immersed in the electrolyte; Measuring an impedance of the passivation film; And comparing the value of the impedance, and determining that the additive exhibiting a relatively high impedance value can form a stable passivation film so as to form a stable secondary battery. Provides a comparison method.

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본 발명에 따른 과충전 방지 성능의 측정방법에 의하면, 전극에 부동태막을 형성한 후 임피던스를 측정하는 것만으로도 이차전지의 과충전 방지 성능을 측정할 수 있으므로, 전지를 완전하게 제조할 필요가 없으며, 다른 전해질이나 첨가제의 과충전 방지 성능을 측정하고자 할 때에도 간단하게 전해액과 첨가제를 교체하는 것만으로 손쉽게 과충전 방지 성능을 측정할 수 있다.According to the measuring method of the overcharge protection performance according to the present invention, since the overcharge protection performance of the secondary battery can be measured only by measuring the impedance after forming the passivation film on the electrode, there is no need to manufacture the battery completely, and Even when the overcharge protection performance of the electrolyte or additive is to be measured, the overcharge protection performance can be easily measured by simply replacing the electrolyte and the additive.

또한, 본 발명에 따른 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능의 비교 방법에 의하면, 한 시험 장치를 사용하면서도 다양한 첨가제를 교체하는 것만으로도, 과충전 방지 성능을 손쉽게 비교할 수 있다. 따라서 상대적으로 우수한 과충전 방지 성능을 나타내는 첨가제를 손쉽게 발견할 수 있다.
In addition, according to the comparison method of the overcharge prevention performance of the additive for secondary batteries according to the present invention, the overcharge prevention performance can be easily compared by simply replacing various additives while using one test apparatus. Therefore, it is easy to find an additive that exhibits relatively good overcharge prevention performance.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 전해액에서 얻은 10회 연속된 순환전압전류 곡선이다.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 전해액에서 얻은 10회 연속된 순환전압전류 곡선이다.
도 3은 실시예 3에 따라 제조된 전해액에서 얻은 10회 연속된 순환전압전류 곡선이다.
도 4는 실시예 4에 따라 제조된 전해액에서 얻은 10회 연속된 순환전압전류 곡선이다.
도 5는 실시예 5에 따라 제조된 전해액에서 얻은 10회 연속된 순환전압전류 곡선이다.
도 6은 (a) 실시예 4, (b) 실시예 1, (c) 실시예 2, (d) 실시예 3, (e)실시예 5에 따른 전해액에서 전압을 3 V부터 5.5 V까지 10회 연속된 순환전압을 가한 후 5.0 V에서 얻은 임피던스 곡선이다.
도 7은 (a) 실시예 4, (b) 실시예 1, (c) 실시예 2, (d) 실시예 3, (e) 실시예 5에 따른 전해액에서 전압을 3 V부터 5.5 V까지 10회 연속된 순환전압을 가한 후 4.2 V, 4.6 V, 5.0 V, 5.3 V에서 얻은 임피던스 곡선의 총저항(Ztot)을 도시한 것이다.
FIG. 1 is a ten consecutive cyclic voltammetry curves obtained from an electrolyte prepared according to Example 1. FIG.
FIG. 2 is a ten consecutive cyclic voltammetry curves obtained from an electrolyte prepared according to Example 2. FIG.
FIG. 3 is a cyclic continuous cyclic voltammetry curve obtained from an electrolyte prepared according to Example 3. FIG.
FIG. 4 is a cyclic continuous cyclic voltammetry curve obtained from an electrolyte prepared according to Example 4. FIG.
FIG. 5 is a cyclic continuous cyclic voltammetry curve obtained from an electrolyte prepared according to Example 5. FIG.
Figure 6 shows the voltage in the electrolyte solution according to (a) Example 4, (b) Example 1, (c) Example 2, (d) Example 3, (e) Example 5 from 3 V to 5.5 V Impedance curve obtained at 5.0 V after applying successive cyclic voltages.
FIG. 7 shows voltages of 3 V to 5.5 V in the electrolyte according to (a) Example 4, (b) Example 1, (c) Example 2, and (d) Example 3 and (e) Example 5. The total resistance (Z tot ) of the impedance curves obtained at 4.2 V, 4.6 V, 5.0 V, and 5.3 V after applying a series of cyclic voltages is shown.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described more specifically.

본 발명에 따른 과충전 방지 성능의 측정방법은, 전극에 부동태막(Passivation layer)을 형성하는 단계; 및 부동태막의 임피던스를 측정하는 방법을 포함한다. Method for measuring the overcharge protection performance according to the present invention, forming a passivation layer (Passivation layer) on the electrode; And a method for measuring the impedance of the passivation film.

상기 전극은 이차전지에서 사용될 수 있는 전극이라면 어느 것이나 가능하며, 예를 들어, 탄소재, 금속, 금속산화물, 준금속 및 준금속 함유 합금로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나 일 수 있다.
The electrode may be any electrode that can be used in the secondary battery, and may be, for example, at least one selected from the group consisting of carbon materials, metals, metal oxides, metalloids, and metalloid-containing alloys.

상기 부동태막은 음극활물질에 형성되는 SEI(Solid electrolyte interface)이라고도 하며, 충방전이 진행됨에 따라 필름의 두께가 두꺼워지고 Li+의 이동을 방해하게 되는 막이다. The passivation film is also referred to as a solid electrolyte interface (SEI) formed in the negative electrode active material, and as the charge and discharge proceed, the film becomes thicker and interferes with the movement of Li +.

본 발명은 이러한 부동태막을 이용하여, 실제 전지를 제조하지 않고도 첨가제의 과충전 방지 성능을 예상할 수 있는 방법을 제시한다. 즉, 과충전 상황이 되면 첨가제가 산화되어 중합반응이 일어나고, 그 결과 전극 표면에 부동태막을 형성한다. The present invention proposes a method which can predict the overcharge prevention performance of an additive using such a passivation film without actually manufacturing a battery. That is, in an overcharge situation, the additive is oxidized to cause a polymerization reaction, and as a result, a passivation film is formed on the electrode surface.

이 과정을 가정해 전해액에서 전기화학적으로 전극에 부동태막을 형성하고, 상기 부동태막의 임피던스를 측정하여 부동태막의 저항이 높은 경우, 안정된 산화막인 것으로 판단할 수 있다. 즉, 안정된 산화막을 형성할 수 있는 전해질 또는 첨가제는 임피던스가 높은 부동태막을 형성하므로, 부동태막을 형성한 후 이의 임피던스를 측정하는 것만으로도 이차전지의 과충전 방지 성능을 측정할 수 있다. 따라서, 같은 조건에서 첨가제들을 달리하여 임피던스를 측정하고, 이들을 비교함으로써, 여러 첨가제들의 상대적인 과충전 방지 성능도 용이하게 비교할 수 있다. 특히, 개별적으로 전지를 제조하여 전지의 과충전 방지 성능을 측정할 때 전지의 제조에 따라 발생될 수 있는 편차를 줄일 수 있어, 보다 정확하게 전지의 과충전 방지 효과를 측정할 수 있어, 보다 우수한 전해질 또는 첨가제의 개발이 용이하다.
Assuming this process, the passivation layer may be electrochemically formed in the electrode in the electrolyte, and the impedance of the passivation layer may be measured to determine that the passivation layer has a high resistance. That is, since the electrolyte or additive capable of forming a stable oxide film forms a high passivation film, the overcharge prevention performance of the secondary battery may be measured only by measuring the impedance after forming the passivation film. Therefore, by measuring the impedance by different additives under the same conditions, and comparing them, it is also possible to easily compare the relative overcharge protection performance of the various additives. In particular, when the battery is manufactured individually to measure the overcharge protection performance of the battery, it is possible to reduce the deviation that may occur according to the manufacture of the battery, it is possible to more accurately measure the overcharge protection effect of the battery, more excellent electrolyte or additive Development is easy.

상기 부동태막은 당해 기술분야에서 알려진 방법에 따라 형성될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 순환전압전류법, 정전압법, 또는 전류법으로 부동태막을 형성할 수 있다.The passivation film may be formed according to a method known in the art, and according to an embodiment of the present invention, the passivation film may be formed by a cyclic voltammetry, a constant voltage method, or a current method.

본 발명에서 사용되는 전극은 이차전지에서 음극이라면 어느 것이나 가능하다. The electrode used in the present invention may be any negative electrode in the secondary battery.

전극은 전극 집전체에 전극활물질, 바인더 등을 용매에 혼합, 분산시켜 얻은 활물질 슬러리를 도포하고 그것을 건조 및 압연하여 형성된다. An electrode is formed by apply | coating the active material slurry obtained by mixing and disperse | distributing an electrode active material, a binder, etc. to a solvent in the electrode collector, and drying and rolling it.

음극 집전체는 펀칭 메탈, 엑스펀칭 메탈, 금박, 발포 금속, 망상 금속 섬유 소결체, 니켈박 및 동박등이 예시될 수 있다. The negative electrode current collector may be a punching metal, an ex punching metal, a gold foil, a foamed metal, a reticulated metal fiber sintered body, a nickel foil, a copper foil, or the like.

상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 흡장, 탈리할 수 있는 것이 바람직하고, 음극활물질로 탄소계 물질이 예시될 수 있다. 또한, 리튬과 합금화가 가능한 물질, 그리고 이 금속 물질과 탄소계 물질을 혼합한 복합물도 음극활물질로 예시될 수 있다. 상기 리튬과 합금이 가능한 금속으로는 Al, Si, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Ge 등이 예시될 수 있다. 이들 금속은 단독 또는 혼합 또는 합금화 하여 사용될 수 있다. The negative electrode active material is preferably capable of reversibly occluding and desorbing lithium ions, and a carbon-based material may be exemplified as the negative electrode active material. In addition, a material capable of alloying with lithium, and a composite material in which the metal material and the carbon-based material are mixed may also be exemplified as a negative electrode active material. Examples of the metal capable of alloying with lithium may include Al, Si, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, and Ge. These metals may be used alone or in combination or alloying.

상기 탄소계 물질로는 천연 흑연, 인조 흑연, 흑연화 탄소 섬유, 흑연화 메조카보마이크로비드(MCMB), 흑연화 메조페이스피치계 탄소 섬유(MPCFF), 플러렌(Fullerence), 비정질 탄소 등이 예시될 수 있다. Examples of the carbon-based material include natural graphite, artificial graphite, graphitized carbon fiber, graphitized mesocarbomicrobead (MCMB), graphitized mesoface pitch-based carbon fiber (MPCFF), fullerene, amorphous carbon, and the like. Can be.

상기 용매로는 비수용매 또는 수계용매가 사용되며, 비수용매로는 프로필렌카보네이트, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N,N-디메틸아미노프로필아민, 에틸렌옥사이드, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있다.
As the solvent, a non-aqueous solvent or an aqueous solvent is used, and as the non-aqueous solvent, propylene carbonate, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, N, N-dimethylaminopropylamine, Ethylene oxide, tetrahydrofuran and the like can be used.

본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 성능의 측정방법 및 비교방법은 (ⅰ) 리튬염, (ⅱ) 용매, 및 (ⅲ) 첨가제를 동시에 함유하는 비수전해액에서 행해질 수 있다. 상기 리튬염의 음이온은 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (FSO2)2N-, (CF3SO2)2N-, (CF3CF2SO2)2N-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, CH3CO2 - 또는 SCN-이다. 상기 용매는 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 디프로필카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 부티렌카보네이트, 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈, 감마부티로락톤 또는 이들의 혼합물이다.
The method for measuring and comparing the overcharge prevention performance according to an embodiment of the present invention may be performed in a nonaqueous electrolyte containing (i) lithium salt, (ii) solvent, and (iii) additive at the same time. The lithium salt of the anion is F -, Cl -, Br - , I -, NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, ( CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (FSO 2 ) 2 N -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (CF 3 CF 2 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2 ) 3 C -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 - or SCN - a. The solvent is propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl propyl carbonate, butylene carbonate, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane , Tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone, gamma butyrolactone or mixtures thereof.

첨가제는 과충전 방지를 위해 이차전지에 사용되는 것이라면 어느 것이나 적용 가능하다. The additive may be applied to any one used in a secondary battery for preventing overcharge.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 첨가제는 첨가제는 하기 화학식 1과 화학식 2로 표현되는 화합물을 동시에 포함한다.In one embodiment of the present invention, the additive includes the compound represented by the following Formula 1 and Formula 2.

화학식 1 Formula 1

Figure 112011034709964-pat00001
Figure 112011034709964-pat00001

(상기 화학식 1에서, R1 내지 R8는 각각 독립적이며, -H, -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -CN, -PO3H2, -NO2, C1~C12의 알킬기, C1~C12의 아미노알킬기, C1~C12의 히드록시알킬기, C1~C12의 할로알킬기, C2~C12의 알케닐기, C1~C12의 알콕시기, C1~C12의 알킬아미노기, C1~C12의 디알킬아미노기, C6~C18의 아릴기, C6~C18의 아미노아릴기, C6~C18의 히드록시아릴기, C6~C18의 할로아릴기, 또는 C3~C8의 시클로알킬기이다.)
(In Formula 1, R1 to R8 are each independently, an alkyl group of -H, -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -CN, -PO 3 H 2 , -NO 2 , C1-C12 , C1-C12 aminoalkyl group, C1-C12 hydroxyalkyl group, C1-C12 haloalkyl group, C2-C12 alkenyl group, C1-C12 alkoxy group, C1-C12 alkylamino group, C1-C12 dialkyl Amino group, C6-C18 aryl group, C6-C18 aminoaryl group, C6-C18 hydroxyaryl group, C6-C18 haloaryl group, or C3-C8 cycloalkyl group.)

화학식 2(2)

Figure 112011034709964-pat00002
Figure 112011034709964-pat00002

(상기 화학식 2에서, R9 내지 R12는 각각 독립적이며, -H, -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -CN, -PO3H2, -NO2, C1~C12의 알킬기, C1~C12의 아미노알킬기, C1~C12의 히드록시알킬기, C1~C12의 할로알킬기, C2~C12의 알케닐기, C1~C12의 알콕시기, C1~C12의 알킬아미노기, C1~C12의 디알킬아미노기, C6~C18의 아릴기, C6~C18의 아미노아릴기, C6~C18의 히드록시아릴기, C6~C18의 할로아릴기, 또는 C3~C8의 시클로알킬기이다.)
(In Formula 2, R9 to R12 are each independently, an alkyl group of -H, -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -CN, -PO 3 H 2 , -NO 2 , C1 ~ C12 , C1-C12 aminoalkyl group, C1-C12 hydroxyalkyl group, C1-C12 haloalkyl group, C2-C12 alkenyl group, C1-C12 alkoxy group, C1-C12 alkylamino group, C1-C12 dialkyl Amino group, C6-C18 aryl group, C6-C18 aminoaryl group, C6-C18 hydroxyaryl group, C6-C18 haloaryl group, or C3-C8 cycloalkyl group.)

추가적으로, 화학식 1의 R1 내지 R8은 각각 독립적이며 화학식 2와 같은 구조이다.
In addition, R1 to R8 of Formula 1 are each independently a structure of the same formula (2).

본 발명의 전해액에 첨가될 바이페닐 또는 바이페닐 유도체는 양극의 작동전압 이상에서 산화되는 화합물로서, 산화전압(vs. Li/Li+)은 4.4 V 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 4.5 내지 4.7 V 범위이다. 상기 바이페닐 유도체의 비제한적인 예로는 바이페닐, o-터페닐, p-터페닐, 불화바이페닐, 염화바이페닐, 시클로헥실바이페닐, 메톡시바이페닐 등이다. 상기 바이페닐 유도체의 함량은 특별한 제한은 없으나, 전해액 100 중량부 당 0.1 내지 10 중량부 범위가 바람직하다. 바이페닐 유도체의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우 원하는 과충전 방지 효과가 미미하며, 10 중량부를 초과하는 경우 전지 성능 저하를 유발할 수 있다.The biphenyl or biphenyl derivative to be added to the electrolyte of the present invention is a compound which is oxidized above the operating voltage of the positive electrode, and the oxidation voltage (vs. Li / Li + ) is preferably 4.4 V or more, and more preferably 4.5 to 4.7. V range. Non-limiting examples of such biphenyl derivatives are biphenyl, o -terphenyl, p -terphenyl, biphenyl fluoride, biphenyl chloride, cyclohexylbiphenyl, methoxybiphenyl and the like. The content of the biphenyl derivative is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.1 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the electrolyte. When the content of the biphenyl derivative is less than 0.1 parts by weight, the desired overcharge prevention effect is insignificant, and when it exceeds 10 parts by weight, battery performance may be deteriorated.

본 발명의 전해액에 첨가될 시클로헥실벤젠 또는 벤젠 유도체의 산화전압은 바이페닐 유도체의 산화전압보다 높고 전해액의 산화전압보다는 낮은 4.6 내지 5.0 V (vs. Li/Li+) 범위인 것이 바람직하다. 상기 벤젠 유도체의 비제한적인 예로는 벤젠, 톨루엔, 불화톨루엔, 부틸벤젠, 아밀벤젠, 자일렌, 디부틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메톡시벤젠, 디메톡시벤젠, 트리메톡시벤젠, 플루오로디메톡시벤젠, 디플루오로디메톡시벤젠, 브로모디메톡시벤젠, 디브로모디메톡시벤젠 등이 있다. 전술한 범위에서 산화되어 유사한 작용 기작을 도모할 수 있는 화합물들 역시 본 발명의 범주에 속한다. 상기 벤젠 유도체의 함량은 특별한 제한은 없으나, 전해액 100 중량부 당 0.1 내지 10 중량부 범위가 바람직하다. 벤젠 유도체의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우 원하는 효과가 미미하며, 10 중량부를 초과하는 경우 전지 성능 저하를 유발할 수 있다.The oxidation voltage of the cyclohexylbenzene or benzene derivative to be added to the electrolyte of the present invention is preferably in the range of 4.6 to 5.0 V (vs. Li / Li + ) higher than that of the biphenyl derivative and lower than the oxidation voltage of the electrolyte. Non-limiting examples of the benzene derivatives include benzene, toluene, toluene fluoride, butylbenzene, amylbenzene, xylene, dibutylbenzene, trimethylbenzene, methoxybenzene, dimethoxybenzene, trimethoxybenzene, fluorodimethoxybenzene , Difluorodimethoxybenzene, bromodimethoxybenzene, dibromodimethoxybenzene, and the like. Compounds which can be oxidized in the aforementioned range to achieve similar mechanisms of action are also within the scope of the present invention. The content of the benzene derivative is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.1 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the electrolyte. If the content of the benzene derivative is less than 0.1 parts by weight, the desired effect is insignificant, and if it exceeds 10 parts by weight, battery performance may be degraded.

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.

부동태막Passivation 형성의 확인 Confirmation of formation

< 실시예 1>: 전해액 제조(바이페닐 0.15 M과 시클로헥실벤젠 0.05 M) <Example 1> Preparation electrolyte (0.15 M biphenyl and cyclohexylbenzene 0.05 M)

프로필렌카보네이트에 1 M LiClO4를 녹인 용액에 첨가제로 바이페닐 0.15 M과 시클로헥실벤젠 0.05 M이 되도록 전해액을 제조하였다. 유리질탄소를 작업전극으로 사용하였으며, M270 소프트웨어로 작동되는 EG&G Princeton Applied Research model 273A Potentiostat 기기를 이용하여 하여 3.0 V부터 5.5 V까지 50 mV/초로 10회 순환전압을 가하여 부동태막을 형성하였다. 이때 부동태막 형성은 도 1에 도시된 순환전압전류 곡선으로부터 알 수 있다. 이후, 그 상태에서 EG&G M398 EIS 소프트웨어로 작동되는 Solartron SI 1255 HF frequency response analyzer를 사용하여 4.2 V, 4.6 V, 5.0 V, 5.3 V에서 임피던스를 측정하였다. 이때 AC amplitude는 ±5 mV (peak-to-peak) 였고, 100 kHz와 1 Hz 사이에서 decade당 10 point가 찍히도록 실험을 진행하였다. 임피던스 결과는 EG&G ZSimpWin 소프트웨어를 이용하여 분석하였고, 그로부터 임피던스 수치를 얻었다. 임피던스 측정 데이터는 도 6과 도 7에 나타내었다.
An electrolyte solution was prepared such that biphenyl 0.15 M and cyclohexylbenzene 0.05 M were added to the solution of 1 M LiClO 4 dissolved in propylene carbonate. The glass carbon was used as the working electrode, and the passivation layer was formed by applying a cyclic voltage of 50 mV / sec from 3.0 V to 5.5 V using EG & G Princeton Applied Research model 273A Potentiostat instrument operated by M270 software. At this time, the formation of the passivation film can be seen from the cyclic voltammogram shown in FIG. Then, the impedance was measured at 4.2 V, 4.6 V, 5.0 V, 5.3 V using the Solartron SI 1255 HF frequency response analyzer operated with EG & G M398 EIS software. At this time, the AC amplitude was ± 5 mV (peak-to-peak), and the experiment was performed so that 10 points were recorded per decade between 100 kHz and 1 Hz. Impedance results were analyzed using EG & G ZSimpWin software, from which impedance values were obtained. Impedance measurement data is shown in FIGS. 6 and 7.

< 실시예 2> 전해액 제조(바이페닐 0.10 M과 시클로헥실벤젠 0.10 M) <Example 2> Preparation electrolyte (0.10 M biphenyl and cyclohexylbenzene 0.10 M)

첨가제로 바이페닐 0.10 M과 시클로헥실벤젠 0.10 M이 되도록 전해액을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정을 수행하고, 그 결과는 도 2, 도 6 및 도 7에 나타내었다.
Except that the electrolyte was prepared so that the biphenyl 0.10 M and cyclohexyl benzene 0.10 M as an additive, the same procedure as in Example 1 was carried out, the results are shown in Figures 2, 6 and 7.

< 실시예 3>전해액 제조(바이페닐 0.05 M과 시클로헥실벤젠 0.15 M) <Example 3> Preparation electrolyte (0.05 M biphenyl and cyclohexylbenzene 0.15 M)

첨가제로 바이페닐 0.05 M과 시클로헥실벤젠 0.15 M이 되도록 전해액을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정을 수행하였다. 그 결과는 도 3, 도 6 및 도7에 나타내었다.
The same procedure as in Example 1 was performed except that an electrolyte solution was prepared such that the biphenyl was 0.05 M and the cyclohexylbenzene 0.15 M. The results are shown in FIGS. 3, 6 and 7.

< 실시예 4>전해액 제조(바이페닐 0.20M) <Example 4> Preparation electrolyte (biphenyl 0.20M)

첨가제로 바이페닐 0.20M 되도록 전해액을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정을 수행하였다. 그 결과는 도 4, 도 6 및 도7에 나타내었다.
The same procedure as in Example 1 was performed except that an electrolyte solution was prepared so that the biphenyl was 0.20M as an additive. The results are shown in FIGS. 4, 6 and 7.

< 실시예 5>전해액 제조(시클로헥실벤젠 0.20 M) <Example 5> Preparation electrolyte (cyclohexylbenzene 0.20 M)

첨가제로 시클로헥실벤젠 0.20 M 되도록 전해액을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정을 수행하였다. 그 결과는 도 5, 도 6 및 도7에 나타내었다.
The same procedure as in Example 1 was performed except that the electrolyte was prepared so that cyclohexylbenzene was 0.20 M as an additive. The results are shown in FIGS. 5, 6 and 7.

부동태막Passivation 형성 확인 Formation confirmation

도 4와 도5는 바이페닐과 시클로헥실벤젠을 단독으로 사용했을 경우 나타나는 순환전압전류 곡선을 보여준다. 바이페닐은 약 4.5 V 근처에서 산화가 시작되고, 시클로헥실벤젠은 4.7 V 근처에서 산화가 일어난다. 전압 순환을 반복함에 따라 모든 경우에 봉우리 전류가 감소하는 현상이 발생하는데, 이는 산화중합으로부터 형성되는 막의 저항이 점차 커짐을 의미한다. 따라서, 봉우리 전류가 감소하는 전압에서 부동태막이 형성된 것을 알 수 있다.
4 and 5 show cyclic voltammetry curves when biphenyl and cyclohexylbenzene are used alone. Biphenyls begin to oxidize around 4.5 V and cyclohexylbenzenes oxidize around 4.7 V. As the voltage cycle is repeated, the peak current decreases in all cases, which means that the resistance of the film formed from the oxidative polymerization is gradually increased. Thus, it can be seen that a passivation film is formed at a voltage at which the peak current decreases.

도 1, 도 2, 도 3은 바이페닐과 시클로헥실벤젠을 혼합한 첨가제에 대한 순환전압전류 곡선이다. 이 경우 바이페닐의 산화중합이 먼저 일어나고 그 위에 시클로헥실벤젠의 산화중합이 일어나는데, 도 3에서 봉우리가 두 개 나타난다는 사실에서 더욱 확실히 알 수 있다. 이 경우 역시 전압 순환을 반복함에 따라 봉우리 전류가 감소하는 현상이 발생하고, 산화중합으로부터 형성되는 막의 저항이 커진다는 사실을 알 수 있다. 따라서 부동태막이 형성된 것을 알 수 있다.
1, 2, and 3 are cyclic voltammetry curves for an additive in which biphenyl and cyclohexylbenzene are mixed. In this case, the oxidative polymerization of biphenyl occurs first, followed by the oxidative polymerization of cyclohexylbenzene, which can be clearly seen from the fact that two peaks appear in FIG. 3. In this case, too, it can be seen that the peak current decreases as the voltage cycle is repeated, and the resistance of the film formed from the oxidation polymerization increases. Thus, it can be seen that the passivation film is formed.

임피던스 측정 및 전지 안정성 평가Impedance Measurement and Battery Stability Evaluation

실험예Experimental Example 1 One

실시예 1 내지 5에 따라 순환전압전류법으로 만들어진 부동태막에 대해 임피던스 실험을 수행하였다.Impedance experiments were performed on the passivation film made by cyclic voltammetry according to Examples 1 to 5.

실시예 1 내지 5에 따라 제조된 전해액에서 전압을 3 V부터 5.5 V까지 10회 연속된 순환전압을 가한 후 5.0 V에서 얻은 각각의 임피던스를 도 6의 그래프로 나타내었다.
In the electrolyte prepared according to Examples 1 to 5, each impedance obtained at 5.0 V after applying 10 consecutive cyclic voltages from 3 V to 5.5 V is shown in the graph of FIG. 6.

실험예Experimental Example 2 2

실시예 1 내지 5에 따른 전해액에서 전압을 3 V부터 5.5 V까지 10회 연속된 순환전압을 가한 후 4.2 V, 4.6 V, 5.0 V, 5.3 V에서 임피던스를 측정하였으며, 그 임피던스 곡선의 총저항(Ztot)을 도 7의 그래프로 도시하였다.
In the electrolyte according to Examples 1 to 5, the voltage was applied 10 times from 3 V to 5.5 V, and then impedance was measured at 4.2 V, 4.6 V, 5.0 V, and 5.3 V, and the total resistance of the impedance curve ( Ztot) is shown graphically in FIG.

도 7을 보면 임피던스 결과가 반원형 또는 반타원형이 나오는데, 이 곡선의 외삽으로부터 Zre 축의 절편을 구한 것이 Ztot이다. 도 6과 도 7을 보면 각각의 첨가제로부터 만들어진 부동태막의 총저항(Ztot)이 전압에 따라 달라지는 양상이 보이는데, 전반적으로 시클로헥실벤젠으로부터 만들어진 부동태막이 바이페닐로부터 만들어진 부동태막보다 높은 저항을 내는 것을 알 수 있다. 그런데 첨가제로 실시예 3의 바이페닐 0.05 M과 시클로헥실벤젠 0.15 M일 때 최대의 저항을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 도 6과 도 7로부터 첨가제로 바이페닐과 시클로헥실벤젠을 1 : 3으로 함께 사용한 경우가 바이페닐이나 시클로헥실벤젠을 단독으로 존재할 경우보다 높은 저항을 나타내는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 7, impedance results are semi-circular or semi-elliptic, and Z tot is obtained by intercepting the Zre axis from extrapolation of this curve. 6 and 7 show that the total resistance (Z tot ) of the passivation film made from each additive varies depending on the voltage. Overall, the passivation film made of cyclohexylbenzene shows higher resistance than the passivation film made of biphenyl. Able to know. By the way, it can be seen that the maximum resistance is shown when the biphenyl 0.05 M and cyclohexyl benzene 0.15 M of Example 3 as an additive. That is, it can be seen from FIG. 6 and FIG. 7 that biphenyl and cyclohexyl benzene are used together as an additive at a higher ratio of 1: 3 than biphenyl or cyclohexyl benzene alone.

따라서 이의 결과로부터 실시예 3의 첨가제 조합이 가장 안전한 전지를 구성할 수 있다는 것을 예측할 수 있다. 이의 예측이 맞는지 하기와 같이 실제 전지를 구성하여 확인하였다.
Therefore, it can be predicted from the results that the additive combination of Example 3 can constitute the safest cell. It was confirmed by configuring the actual battery as described below whether the prediction is correct.

전지의 제조Manufacture of batteries

< 실시예 6>전지의 제조(바이페닐 0.05 M과 시클로헥실벤젠 0.15 M) <Example 6> Preparation of the battery (0.05 M biphenyl and cyclohexylbenzene 0.15 M)

음극으로 약 25 mm의 mesocarbon microbead graphite, 양극으로 약 10 mm의 LiCoO2, 분리막으로 폴리에틸렌 필름으로 구성된 760 mAh 용량의 383562 크기의 파우치 셀을 제조하였다. 여기에 첨가제로 바이페닐 0.05 M과 시클로헥실벤젠 0.15 M 되도록 실시예 1의 전해액을 제조하였다. 이것에 대해 3V부터 4.2 V까지 충방전을 진행한 후 12 V까지 충전을 진행하였다.
A pouch cell of 760 mAh capacity consisting of a polyethylene film of about 25 mm mesocarbon microbead graphite, a cathode of about 10 mm LiCoO 2 and a separator was prepared. Here, an electrolyte solution of Example 1 was prepared such that biphenyl 0.05 M and cyclohexylbenzene 0.15 M were used as additives. After charging and discharging from 3V to 4.2V, charging was carried out to 12V.

< 참조예 1>전지의 제조(시클로헥실벤젠 0.20 M) <Reference Example 1> Preparation of the battery (cyclohexylbenzene 0.20 M)

첨가제로 시클로헥실벤젠 0.20 M 되도록 전해액을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 6와 동일한 과정을 수행하였다.
The same procedure as in Example 6 was performed except that the electrolyte solution was prepared so that cyclohexylbenzene was 0.20 M as an additive.

실시예 6에서 가장 안전한 것으로 평가받은 [바이페닐+시클로헥실벤젠]의 첨가제 조합을 사용한 전지는 12 V 과충전 테스트에서 폭발하지 않았지만, 참조예 1에서 그 보다 낮은 저항을 나타내어 상대적으로 안전하지 않다고 예상된 시클로헥실벤젠을 첨가제로 사용한 전지는 12 V 과충전 테스트에서 폭발하였다. 즉, 단독으로 사용되었을 때보다 바이페닐과 시클로헥실벤젠을 1: 3의 조합으로 사용될 때 과충전 방지 성능이 높아지는 것을 예상할 수 있으며, 실제 전지를 제조하여 실험하였을 때 같은 결과를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
The cell using the additive combination of [biphenyl + cyclohexylbenzene], which was evaluated as the safest in Example 6, did not explode in the 12 V overcharge test, but showed a lower resistance in Reference Example 1, which is expected to be relatively unsafe. Cells using cyclohexylbenzene as an additive exploded in the 12 V overcharge test. That is, when the biphenyl and cyclohexyl benzene is used in combination of 1: 3 than when used alone, the overcharge prevention performance can be expected to be higher, and the same results can be obtained when the actual battery is manufactured and tested. It was.

이는 본 발명에 따라 단순히 임피던스를 측정한 결과만으로도 전지의 안전성을 예상할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 부동태막을 형성하고, 부동태막의 임피던스를 측정하는 방법은 단순하면서도 효과적으로 전지의 과충전 방지 성능을 측정할 수 있는 방법임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하며, 전지를 완전히 제조하지 않고도 용이하게 과충전 방지 성능을 측정할 수 있으며, 또한 같은 조건에서 첨가제만을 달리하여 측정할 수 있으므로, 측정값의 편차가 적어 보다 정확하게 과충전 방지 성능의 상대적인 값을 측정할 수 있다.
It can be seen that the safety of the battery can be predicted simply by measuring the impedance according to the present invention. Therefore, it can be seen that the method for forming the passivation film and measuring the impedance of the passivation film according to the present invention is a method for measuring the overcharge prevention performance of the battery simply and effectively. Therefore, according to the present invention, it is possible to easily measure the overcharge protection performance without completely manufacturing the battery, and also can be measured by different additives only under the same conditions, so that the deviation of the measured value is less, more accurately the relative overcharge protection performance The value can be measured.

그러므로, 첨가제들 사이의 과충전 방지 성능을 용이하게 비교할 수 있는 효과도 얻을 수 있다. Therefore, the effect of easily comparing the overcharge prevention performance between the additives can also be obtained.

Claims (5)

전해액에 이차전지용 첨가제를 첨가하는 단계;
상기 전해액에 침지된 전극에 부동태막을 형성하는 단계;
상기 부동태막의 임피던스를 측정하는 단계; 및
상기 임피던스의 값을 비교하여, 상대적으로 높은 임피던스 값을 나타내는 첨가제는 안정된 부동태막을 형성하여 안정한 이차전지를 형성할 수 있는 것으로 판정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능의 비교방법.
Adding an additive for a secondary battery to the electrolyte;
Forming a passivation film on the electrode immersed in the electrolyte;
Measuring an impedance of the passivation film; And
Comparing the value of the impedance, the additive showing a relatively high impedance value is determined to form a stable passivation film to form a stable secondary battery; characterized in that the overcharge protection performance of the secondary battery additive Comparison method.
제1항에 있어서,
상기 부동태막이 순환전압전류법, 정전압법, 정전류법으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능의 비교방법.
The method of claim 1,
The passivation film is formed by a method selected from the group consisting of a cyclic voltammetry, a constant voltage method, and a constant current method.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 이차전지용 첨가제가 바이페닐 유도체 및 벤젠유도체를 동시에 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 첨가제의 과충전 방지 성능의 비교방법.
The method of claim 1,
Comparative method of the secondary battery additive overcharge prevention performance, characterized in that the additive for the secondary battery comprises a biphenyl derivative and a benzene derivative at the same time.
삭제delete
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