KR101233517B1 - Electrolyte for lithium ion rechargeable battery and lithium ion rechargeable battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 리튬 이차 전지용 전해액은, 비수성 유기용매; 리튬염; 인산기(PO4 -3)을 이루는 산소 원자의 적어도 하나에 비페닐기가 결합된 인산 화합물; 및 할로겐화 에틸렌 카보네이트(halogenated ethylene carbonate)를 포함하며, 인산 화합물은 비수성 유기 용매에 대해 0.1 내지 10 중량% 첨가되는 것을 특징으로 한다. The electrolyte solution for lithium secondary batteries of this invention is a non-aqueous organic solvent; Lithium salts; Phosphoric acid compounds having a biphenyl group bonded to at least one of the oxygen atoms constituting the phosphoric acid group (PO 4 -3 ); And halogenated ethylene carbonate, wherein the phosphoric acid compound is added in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the non-aqueous organic solvent.
Description
도1은 본 발명의 일 실시예에서의 리튬 이차 전지 상부를 나타내는 단면도,1 is a cross-sectional view showing an upper portion of a lithium secondary battery in one embodiment of the present invention;
도2는 본 발명 일 실시예의 과충전 실험 결과를 나타내는 그래프,Figure 2 is a graph showing the results of the overcharge experiment of one embodiment of the present invention,
도3은 본 발명의 일 비교례의 과충전 실험 결과를 나타내는 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the results of the overcharge experiment of one comparative example of the present invention.
본 발명은 리튬 이온 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수명 특성 및 저온 방전 특성이 우수한 리튬 이온 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion secondary battery electrolyte and a lithium ion secondary battery comprising the same, and more particularly to a lithium ion secondary battery electrolyte and excellent lithium ion secondary battery having excellent life characteristics and low-temperature discharge characteristics.
최근 전자, 통신, 컴퓨터 산업 등의 급속한 발전에 힘입어 기기의 소형, 경량화 및 고기능화와 함께, 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC 등 휴대용 전자제품의 사용이 일반화됨으로써, 가볍고 오래 사용할 수 있으며 신뢰성이 높은 전지에 대한 요 구가 높아지고 있다. 특히, 충전 가능한 리튬 이차 전지는 기존의 납축 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지 등과 비교할 때 단위 중량 당 에너지 밀도가 3배 정도 높고, 급속 충전이 가능하기 때문에 국내외에서 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.With the recent rapid development of the electronics, telecommunications, and computer industries, the use of portable electronic products such as camcorders, mobile phones, notebook PCs, etc., as well as the compactness, light weight, and high functionality of the devices are becoming common. The demand for this is increasing. In particular, the rechargeable lithium secondary battery has a high energy density per unit weight of about 3 times higher than conventional lead acid batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, and nickel-zinc batteries, and can be rapidly charged. Development is underway.
통상 리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 이온의 흡장 탈리(intercalation-deintercalation)가 가능한 리튬 금속 산화물이 사용되고, 음극 활물질로는 역시 리튬 이온의 흡장 탈리가 가능한 여러 가지 형태의 결정질 또는 비정질의 탄소 및 탄소 복합체가 사용되고 있다. 리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형 등으로 분류될 수 있다.Usually, lithium metal oxides capable of intercalation-deintercalation of lithium ions are used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, and various types of crystalline or amorphous carbons and carbons that can also occlude and desorb lithium ions are used as negative electrode active materials. Complexes are being used. The lithium secondary battery may be classified into a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, and a lithium polymer battery according to the type of separator and electrolyte used, and may be classified into a cylindrical shape, a square shape, or a pouch type according to a shape.
리튬 이차 전지의 평균적인 방전시 단자 전압은 3.6~3.7V 정도로 다른 이차 전지인 알칼리 전지, 니켈 금속 수소(Ni-MH) 전지, 니카드(Ni-Cd) 전지 등에 비하여 높아 더 많은 전력을 얻을 수 있다. 이런 높은 방전 전압을 가지기 위해서는 충, 방전 전압 영역인 0~4.2V에서 전기화학적으로 안정한 전해액이 요구된다. The average terminal voltage at the time of discharge of lithium secondary battery is 3.6 ~ 3.7V, which is higher than other secondary batteries such as alkali batteries, nickel metal hydride (Ni-MH) batteries, and Ni-Cd batteries. . In order to have such a high discharge voltage, an electrochemically stable electrolyte is required in the charge and discharge voltage range of 0 to 4.2V.
그런데, 물의 분해 전압이 1.3볼트 정도이므로, 리튬 이차 전지에 수계 전해액은 사용할 수 없고, 이러한 이유로 리튬 이차 전지용 전해액으로는 리튬염을 비수계 유기용매에 용해시킨 비수계 전해액이 사용된다. 이때 유기용매로는 이온전도도와 유전율이 높으면서 점도가 낮은 유기용매를 사용하는 것이 바람직하다. 그런데, 이러한 조건들 모두 만족하는 단일의 비수계 유기용매가 현실적으로 존재하지 않기 때문에 통상 리튬 이차 전지용 전해액으로 고유전율의 유기용매와 저점도, 고이온전도도의 유기용매의 혼합용매를 사용한다.By the way, since the decomposition voltage of water is about 1.3 volts, an aqueous electrolyte solution cannot be used for a lithium secondary battery, and for this reason, the non-aqueous electrolyte solution which melt | dissolved lithium salt in the non-aqueous organic solvent is used as electrolyte solution for lithium secondary batteries. In this case, it is preferable to use an organic solvent having high ionic conductivity and low viscosity and low viscosity. However, since a single non-aqueous organic solvent that satisfies all of these conditions does not exist in reality, a mixed solvent of a high dielectric constant organic solvent and a low viscosity, high ion conductivity organic solvent is usually used as a lithium secondary battery electrolyte.
혼합 용매의 예로서, 미국특허 제6,114,070호 및 제6,048,637호에서는 사슬형 카보네이트(chain carbonate) 및 환형 카보네이트(cyclic carbonate)의 혼합용매로서 디메틸 카보네이트 또는 디에틸 카보네이트와, 에틸렌 카보네이트 또는 프로필렌 카보네이트를 혼합하여 유기용매의 이온전도도를 향상시키는 방법이 개시되어 있다. As examples of mixed solvents, U.S. Patent Nos. 6,114,070 and 6,048,637 disclose a mixture of chain carbonate and cyclic carbonate as dimethyl carbonate or diethyl carbonate and ethylene carbonate or propylene carbonate. A method of improving the ion conductivity of an organic solvent is disclosed.
또한, 미국특허 제5,352,548호, 제5,712,059호 및 제5,714,281호에는 비닐렌 카보네이트(VC)의 함량이 적어도 20%인 유기용매를 포함하는 전해액이 개시되어 있다. U.S. Patent Nos. 5,352,548, 5,712,059 and 5,714,281 also disclose electrolyte solutions comprising an organic solvent having a vinylene carbonate (VC) content of at least 20%.
한편, 혼합 용매와 함께 전지의 특정한 성질을 향상시키기 위해 용매에 리튬염과 함께 첨가제를 섞어 사용하는 기능성 전해액의 조제가 많이 이루어진다. 가령, 전지의 초기 충전시 음극 상에서의 용매를 이루는 물질과 리튬 이온이 작용하여 안정된 고체 전해질 피막(Solid Electrolyte Interface: SEI)을 형성하는 데 이 과정에서 전해액 일부가 분해되고, 용량의 손실이 발생하게 된다. 이런 초기 충전시의 전해액 분해, 가스 발생, 용량 손실을 줄이기 위해, 음극 상에서의 용매의 분해를 억제하는 수단으로서, 음극 상에 고체 전해질 피막을 형성하는 화합물을 전해액에 첨가하는 방법이 일본특허공개 평 2001-6729호 등에 제안되어 있다. On the other hand, in order to improve the specific properties of the battery with the mixed solvent, a lot of preparation of the functional electrolyte using a mixture of additives with a lithium salt in the solvent. For example, during the initial charging of the battery, the solvent forming material and the lithium ions on the negative electrode react to form a stable solid electrolyte interface (SEI) in which part of the electrolyte is decomposed and loss of capacity occurs. do. In order to reduce electrolyte decomposition, gas generation, and capacity loss during such initial charging, as a means of suppressing decomposition of the solvent on the cathode, a method of adding a compound that forms a solid electrolyte coating on the cathode to the electrolyte is disclosed in Japanese Patent Laid-Open. 2001-6729, etc. are proposed.
한편, 비수 전해질의 2차 전지는 전자기기의 전원회로나 충전장치가 고장나 과충전되면 전지 내 이상 발열이 생기고, 극단적인 경우 전지가 파손 되거나 발화 되는 경우도 있어 과충전을 방지하여 전지의 안정성을 확보하는 방법의 개발이 요구되고 있다.On the other hand, the secondary battery of the nonaqueous electrolyte may cause abnormal heat generation in the battery when the power circuit or the charging device of the electronic device is broken or overcharged, and in extreme cases, the battery may be damaged or ignited. Development of a method is required.
과충전에 의한 전지 파열 또는 발화를 막기 위한 대책으로, 충전기의 충전 전압을 제어하는 방법이 주류를 이루고 있고, 그 외, 보호 회로 또는 보호 소자를 추가적으로 설치하는 방법이 있으나, 보호 회로 등의 추가 설치는 전지팩의 소형화 및 저비용화에 부담이 되고, 고장의 가능성도 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 리튬 전지의 전해액에 첨가제를 첨가하여 과충전을 방지하고자 하는 시도가 있어 왔다 (참조: 일본특개평 7-302614호, 평9-50822호, 평-106835). As a countermeasure to prevent the battery from rupturing or ignition due to overcharging, a method of controlling the charging voltage of the charger is the mainstream, and there are other methods of additionally installing a protection circuit or a protection element. There is a burden on downsizing and cost reduction of the battery pack, and there is a possibility of failure. In order to solve this problem, there have been attempts to prevent the overcharging by adding an additive to the electrolyte of the lithium battery (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-302614, Hei 9-50822, Hei-106835).
예를 들어, 일본 특개평7-302614호 및 평 9-50822호는 전해액 중 첨가제로서, 분자량 500 이하이고 파이 전자궤도를 가지며 이차전지의 만충전시 정극 전위 이상의 가역성 산화환원전위를 가지는 아니솔(anisole) 화합물을 첨가하는 것을 제안하고 있으며, 이 경우, 첨가제가 레독스 셔틀(redox shuttle)이라 불리는 작용을 하여 과충전시 과충전 전류를 소비하는 보호기구가 성립된다고 개시하고 있다. For example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 7-302614 and 9-50822 are additives in an electrolyte, having an molecular weight of 500 or less, pi electron orbits, and having a reversible redox potential of more than the positive electrode potential during full charge of a secondary battery. It is proposed to add a compound, in which case, the additive acts as a redox shuttle to establish a protective mechanism that consumes the overcharge current during overcharge.
한편, 일본 특개평 9-106835호는 첨가제가 과충전 상태의 전압에서 중합반응을 시작하여 저항체로 작용함으로써 과충전시 전지를 보호하는 기술을 개시하고 있다.On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 9-106835 discloses a technique in which an additive protects a battery during overcharge by starting a polymerization reaction at a voltage in an overcharge state and acting as a resistor.
본 발명은 리튬 이온 이차 전지의 과충전 안정성을 확보하기에 적합한 리튬 이온 이차 전지용 전해액과 리튬 이온 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an electrolyte solution for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery suitable for securing overcharge stability of a lithium ion secondary battery.
본 발명은 또한, 과충전 안정성 확보에 더하여 주기 수명 특성을 높일 수 있 는 리튬 이온 이차 전지용 전해액과 리튬 이온 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide an electrolyte solution for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery that can increase cycle life characteristics in addition to securing overcharge stability.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차 전지용 전해액은, 비수성 유기용매; 리튬염; 인산기(PO4 -3)을 이루는 산소 원자의 적어도 하나에 비페닐기가 결합된 인산 화합물; 및 할로겐화 에틸렌 카보네이트(halogenated ethylene carbonate)를 포함하며, 상기 인산 화합물은 비수성 유기 용매에 대해 0.1 내지 10 중량% 첨가되는 것을 특징으로 한다. The lithium secondary battery electrolyte of the present invention for achieving the above object, a non-aqueous organic solvent; Lithium salts; Phosphoric acid compounds having a biphenyl group bonded to at least one of the oxygen atoms constituting the phosphoric acid group (PO 4 -3 ); And halogenated ethylene carbonate, wherein the phosphate compound is added in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the non-aqueous organic solvent.
본 발명에서 인산 화합물은 아래의 화학식1, 화학식2 및 화학식3과 같이 인산기를 이루는 산소 원자 가운데 1 내지 3 개의 산소 원자에 비페닐기가 결합된 인산 화합물 각각이나 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 인산의 산소 원자 가운데 3개에 각각 하나씩 비페닐기가 총 3개 결합되는 트리스 비페닐 포스페이트는 과충전 안정성이 비페닐기 수가 작은 비스 비페닐 포스페이트나 비페닐 포스페이트와 같은 인산 화합물에 비해 더 높은 경향을 보인다. In the present invention, the phosphoric acid compound may be composed of each of phosphoric acid compounds having a biphenyl group bonded to one to three oxygen atoms of the oxygen atoms forming a phosphoric acid group, as shown in the following formulas (1), (2) and (3), or a combination thereof. Tris biphenyl phosphate, in which a total of three biphenyl groups are bonded to each of three oxygen atoms of phosphoric acid, tends to have higher overcharge stability than phosphate compounds such as bis biphenyl phosphate and biphenyl phosphate having a small number of biphenyl groups.
[화학식1][Formula 1]
[화학식2](2)
[화학식3][Formula 3]
본 발명의 인산 화합물의 첨가량은 유기 용매에 대해 3중량% 내지 5중량%로 하는 것이 바람직하다. It is preferable that the addition amount of the phosphoric acid compound of this invention shall be 3 to 5 weight% with respect to an organic solvent.
본 발명에서 할로겐화 에틸렌 카보네이트는 비수성 유기 용매에 대하여 0.1~10중량% 포함될 수 있으며, 주기 수명 특성을 높이기 위해 실질적으로 3 내지 5중량% 포함되는 것이 바람직하고, 10중량% 이상 첨가되는 것은 주기 수명 향상에 대해 효과가 포화의 형태를 나타내면서 한편으로 저온 방전 특성을 떨어뜨리는 경향이 있다. In the present invention, the halogenated ethylene carbonate may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight relative to the non-aqueous organic solvent, and substantially 3 to 5% by weight is preferably added to increase the cycle life characteristics. While the effect on the improvement is in the form of saturation, it tends to lower the low-temperature discharge characteristics.
이상의 인산 화합물과 할로겐화 에틸렌 카보네이트의 첨가 량을 고려할 때 이들 물질의 상대적 첨가 비율은 1:100에서 100:1까지 가능하지만 인산 화합물과 할로겐화 에틸렌 카보네이트의 첨가 비율은 1:1 내지 2:1로 하는 것이 바람직하다. 인산 화합물 가운데 비페닐기의 수자가 많은 것일수록 전해액의 주기 수명 특성이 낮아지는 양상을 보이며, 할로겐화 에틸렌 카보네이트의 첨가 비율도 1:1에 가깝게 유지하는 것이 주기 수명 특성을 향상시키는 데 바람직하다.Considering the addition amount of the phosphoric acid compound and the halogenated ethylene carbonate, the relative addition ratio of these substances can be from 1: 100 to 100: 1, but the addition ratio of the phosphoric acid compound and the halogenated ethylene carbonate is 1: 1 to 2: 1. desirable. The more the number of biphenyl groups in the phosphoric acid compound, the lower the cycle life characteristics of the electrolyte solution. It is preferable to maintain the addition ratio of halogenated ethylene carbonate to 1: 1 to improve the cycle life characteristics.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차 전지는, 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는 양극 활물질을 포함하는 양극; 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는 음극 활물질을 포함하는 음극; 비수성 유기용매, 리튬염, 할로겐화 에틸렌 카보네이트(halogenated ethylene carbonate); 및 비수성 유기 용매에 대해 0.1 내지 10 중량% 첨가되는, 인산기(PO4 -3)을 이루는 산소 원자의 적어도 하나에 비페닐기가 결합된 인산 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다. A lithium secondary battery of the present invention for achieving the above object, a positive electrode comprising a positive electrode active material that can occlude and detach the lithium ion; A negative electrode including a negative electrode active material capable of occluding and desorbing lithium ions; Non-aqueous organic solvents, lithium salts, halogenated ethylene carbonates; And a phosphoric acid compound having a biphenyl group bonded to at least one of oxygen atoms constituting the phosphoric acid group (PO 4 -3 ), which is added in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the non-aqueous organic solvent.
이하 도면 및 표를 참조하면서 본 발명의 실시예 및 비교예들을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings and examples.
본 발명 실시예 및 비교례의 전해액은 비수성 유기용매와 리튬염을 포함한다. 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 전지의 작동을 가능하게 하며, 비수성 유기용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 통로 역할을 한다.The electrolyte solution of Examples and Comparative Examples of the present invention contains a non-aqueous organic solvent and a lithium salt. Lithium salt acts as a source of lithium ions in the battery to enable the operation of the basic lithium battery, the non-aqueous organic solvent acts as a passage through which the ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.
본 발명의 실시예에서 할로겐화 에틸렌 카보네이트로는 하기 화학식 4의 화합물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 할로겐 원소로 플루오르를 사용한 플루오로 에틸렌 카보네이트가 사용될 수 있다.In the embodiment of the present invention as the halogenated ethylene carbonate may be used a compound of the formula (4), preferably fluoro ethylene carbonate using fluorine as the halogen element may be used.
[화학식 4][Formula 4]
(상기 식에서 X는 할로겐 원자이고, Y는 H 혹은 할로겐 원자이며, n 및 m은 1 또는 2이다.)(Wherein X is a halogen atom, Y is H or a halogen atom, and n and m are 1 or 2).
본 발명에서의 인산 화합물의 함량은 비수성 유기 용매에 대하여 0.1 내지 10중량%이고, 할로겐화 에틸렌 카보네이트의 함량은 비수성 유기 용매에 대하여 0.1 내지 10중량%일 수 있다. The content of the phosphoric acid compound in the present invention may be 0.1 to 10% by weight based on the non-aqueous organic solvent, the content of halogenated ethylene carbonate may be 0.1 to 10% by weight relative to the non-aqueous organic solvent.
비페닐기를 가지는 본 발명의 인산 화합물과 할로겐화 에틸렌 카보네이트는 각각 상기 범위 내에서 혼합 사용되어야 전지의 과충전 안정성과 주기 수명 특성 이 모두 양호한 상태를 유지하는 것으로 나타난다. 전해액에서 할로겐화 에틸렌 카보네이트만을 단독으로 사용하면 과충전에 대해 취약하여 방전율 1C, 전압 12V, 정전류 조건의 과충전 테스트를 통과할 수 없는 것을 비교례에 대한 실험을 통해 볼 수 있다. The phosphoric acid compound and halogenated ethylene carbonate of the present invention having a biphenyl group should be mixed and used within the above ranges, respectively, so that the overcharge stability and cycle life characteristics of the battery are maintained in good condition. The use of only halogenated ethylene carbonate in the electrolyte alone is susceptible to overcharge and can not pass the overcharge test under conditions of discharge rate 1C, voltage 12V, and constant current.
반면, 비페닐기를 가지는 인산 화합물만을 사용할 경우, 유기 용매에 대하여 3 내지 5중량% 첨가로써 과충전 테스트를 통과할 수 있으나, 300회 충,방전 사용 후의 방전 용량을 볼 때 주기 수명 특성이 모두 80% 이하로 낮게 나타나 실용성이 떨어짐을 알 수 있다. 인산 화합물과 할로겐화 에틸렌 카보네이트를 3중량% 이상씩 함께 첨가한 본 발명의 경우, 과충전 테스트를 통과할 수 있는 정도의 과충전 안정 성이 확보되고, 300회 충방전 사용후의 방전 용량이 대부분 85% 이상으로 유지되는 것을 볼 수 있다.On the other hand, when only the phosphoric acid compound having a biphenyl group is used, the overcharge test can be passed by adding 3 to 5% by weight of the organic solvent, but the cycle life characteristics are all 80% in view of the discharge capacity after 300 times of charge and discharge use. It appears to be low below and it turns out that utility is inferior. In the present invention in which the phosphoric acid compound and the halogenated ethylene carbonate are added together by 3% by weight or more, the overcharge stability enough to pass the overcharge test is secured, and the discharge capacity after 300 times of charge and discharge is almost 85% or more. It can be seen that it is maintained.
본 발명에서 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO3CF3)2, LiC4F9SO3, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl 및 LiI로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 리튬염의 농도는 0.6 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하며, 0.7 내지 1.6M 범위 내에서 사용하는 것이 더 바람직하다. 리튬염의 농도가 0.6M 미만이면 전해질의 전도도가 낮아져 전해질 성능이 떨어지고, 2.0M을 초과하는 경우에는 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소하는 문제점이 있다.In the present invention, the lithium salt may be LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiN (SO 3 CF 3 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , one or two or more selected from the group consisting of LiI can be used in combination. The concentration of the lithium salt is preferably used in the range of 0.6 to 2.0M, more preferably in the range of 0.7 to 1.6M. If the concentration of the lithium salt is less than 0.6M, the conductivity of the electrolyte is lowered, the performance of the electrolyte is lowered, and if it exceeds 2.0M, the viscosity of the electrolyte is increased, there is a problem that the mobility of lithium ions decreases.
비수성 유기용매는 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 단독 또는 혼합한 것을 포함할 수 있다. 비수성 유기용매 중 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 1:1.5 내지 1:4의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 부피비로 혼합되어야 전해질의 성능이 다른 부피비에 비해 우수하게 나타난다.The non-aqueous organic solvent may include one or a mixture of carbonates, esters, ethers or ketones. In the case of a carbonate-based solvent in the non-aqueous organic solvent, it is preferable to use a mixture of cyclic carbonate and chain carbonate. In this case, the cyclic carbonate and the chain carbonate are preferably used by mixing in a volume ratio of 1: 1 to 1: 9, and more preferably used by mixing in a volume ratio of 1: 1.5 to 1: 4. The performance of the electrolyte is superior to other volume ratios by mixing at the volume ratio.
환형 카보네이트로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트 등이 사용될 수 있다. 유전율이 높은 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트 가운데 에틸렌 카보네이트는 융점이 높아 타 용매와 혼합하여 사용하며, 음극 활물질로 흑연이 사용되는 경우에는 분해 전압이 낮은 프로필렌 카보네이트를 사용하지 않거나, 함량을 낮춘다. As the cyclic carbonate, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, etc. may be used. Can be. Among the high dielectric constant ethylene carbonate and propylene carbonate, ethylene carbonate has a high melting point and is mixed with other solvents. When graphite is used as a negative electrode active material, propylene carbonate having a low decomposition voltage is not used or the content is lowered.
사슬형 카보네이트로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 에틸프로필 카보네이트(EPC) 등이 사용될 수 있으며, 이 중에서 점도가 낮은 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트가 주로 사용된다.As the chain carbonate, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylmethyl carbonate (EMC), ethylpropyl carbonate (EPC), etc. may be used. Among these, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate having low viscosity are mainly used.
에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, δ-발레로락톤, ε-카프로락톤 등이 사용될 수 있으며, 에테르로는 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디부틸에테르 등이 사용될 수 있다. 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤 등이 사용될 수 있다.As ester, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, δ-valerolactone, ε-caprolactone, etc. Tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dibutyl ether and the like may be used as the ether. As the ketone, polymethylvinyl ketone may be used.
본 발명의 전해액은 상기 카보네이트계 용매에 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 방향족 탄화수소계 유기용매로는 하기 화학식 5의 방향족 탄화수소계 화합물이 사용될 수 있다.The electrolyte solution of the present invention may further include an aromatic hydrocarbon organic solvent in the carbonate solvent. As the aromatic hydrocarbon organic solvent, an aromatic hydrocarbon compound of Formula 5 may be used.
[화학식 5][Chemical Formula 5]
상기 화학식에서 R은 할로겐 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고 q는 0 내지 6의 정수이다. 방향족 탄화수소계 유기용매의 구체적인 예로는 벤젠, 플루오로벤젠, 브로모벤젠, 클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메시틸렌 등이 사용될 수 있으며, 이들을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 방향족 탄화수소계 유기용매를 포함하는 전해액에서 카보네이트 용매/방향족 탄화수소계 유기용매의 부피비가 1:1 내지 30:1일때 전해액의 일반적으로 요구되는 안정성, 안전성, 이온전도도 등 특성이 다른 비율 조성물에 비해 우수하다. In the above formula, R is halogen or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms and q is an integer of 0 to 6. Specific examples of the aromatic hydrocarbon organic solvent may include benzene, fluorobenzene, bromobenzene, chlorobenzene, toluene, xylene, mesitylene, and the like, which may be used alone or in combination. When the volume ratio of carbonate solvent / aromatic hydrocarbon organic solvent is 1: 1 to 30: 1 in an electrolyte solution containing an aromatic hydrocarbon organic solvent, the properties, such as stability, safety, and ion conductivity, which are generally required, are superior to other ratio compositions. Do.
본 발명의 리튬 이차 전지는 양극 및 음극을 포함한다.The lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode.
양극은 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 이러한 양극 활물질로는 코발트, 망간, 니켈에서 선택되는 최소한 1종 및 리튬과의 복합 금속 산화물인 것이 바람직하다. 금속 사이의 고용율은 다양하게 이루어질 수 있으며, 이들 금속 외에 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Fe, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 원소가 더 포함될 수 있다. The positive electrode includes a positive electrode active material capable of occluding and desorbing lithium ions, and the positive electrode active material is preferably at least one selected from cobalt, manganese, nickel, and a composite metal oxide with lithium. In addition to these metals, the employment rate of the metals may be varied. In addition to these metals, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Sr, V, and a rare earth element.
음극은 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 이러한 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬과 다른 원소의 합금 등이 사용될 수 있다. 예를 들면, 비결정질 탄소로는 하드카본, 코크스, 1500℃ 이하에서 소성한 메조카본 마이크로비드(mesocarbon microbead: MCMB), 메조페이스피치계 탄소섬유(mesophase pitch-based carbon fiber: MPCF) 등이 있다. 결정질 탄소로는 흑연계 재료가 있으며, 구체적으로는 천연흑연, 흑연화 코크스, 흑연화 MCMB, 흑연화 MPCF 등이 있다. 상기 탄소재 물질은 d002 층간거리(interplanar distance)가 3.35~3.38Å, X-선 회절(X-ray diffraction)에 의한 Lc(crystallite size)가 적어도 20㎚ 이상인 물질이 바람직하다. 리튬과 합금을 이루는 다른 원소로는 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐이 사용될 수 있다.The negative electrode includes a negative electrode active material capable of occluding and desorbing lithium ions, and examples of the negative electrode active material include carbon materials such as crystalline carbon, amorphous carbon, carbon composite, carbon fiber, lithium metal, alloys of lithium and other elements, and the like. Can be. Examples of the amorphous carbon include hard carbon, coke, mesocarbon microbead (MCMB) calcined at 1500 ° C. or lower, and mesophase pitch-based carbon fiber (MPCF). The crystalline carbon is a graphite-based material, specifically natural graphite, graphitized coke, graphitized MCMB, and graphitized MPCF. The carbonaceous material is preferably a material having an d002 interplanar distance of 3.35 to 3.38 Å and an Lc (crystallite size) of at least 20 nm by X-ray diffraction. Other elements constituting the alloy with lithium may be aluminum, zinc, bismuth, cadmium, antimony, silicon, lead, tin, gallium or indium.
양극 또는 음극은 전극 활물질, 바인더 및 도전재, 필요한 경우 증점제를 용매에 분산시켜 전극 슬러리 조성물을 제조하고, 이 슬러리 조성물을 전극 집전체에 도포하여 제조될 수 있다. 양극 집전체로는 흔히 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등을 사용할 수 있고, 음극 집전체로는 흔히 구리 또는 구리 합금 등을 사용할 수 있다. 상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 형태로는 포일이나 메시 형태를 들 수 있다.The positive electrode or the negative electrode may be prepared by dispersing an electrode active material, a binder and a conductive material, if necessary, a thickener in a solvent to prepare an electrode slurry composition, and applying the slurry composition to an electrode current collector. As the positive electrode current collector, aluminum or an aluminum alloy may be commonly used, and copper or a copper alloy may be used as the negative electrode current collector. The anode current collector and the anode current collector may be in the form of a foil or a mesh.
바인더는 활물질의 페이스트화, 활물질의 상호 접착, 집전체와의 접착, 활물질 팽창 및 수축에 대한 완충효과 등의 역할을 하는 물질로서, 예를 들면 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리헥사플루오로프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드의 공중합체(P(VdF/HFP)), 폴리(비닐아세테이트), 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 알킬레이티드폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐에테르, 폴리(메 틸메타크릴레이트), 폴리(에틸아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무 등이 있다. 바인더의 함량은 전극 활물질에 대하여 0.1 내지 30중량%, 바람직하게는 1 내지 10중량%이다. 상기 바인더의 함량이 너무 적으면 전극 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분하고, 바인더의 함량이 너무 많으면 접착력은 좋아지지만 전극 활물질의 함량이 그만큼 감소하여 전지용량을 고용량화하는데 불리하다.The binder is a material that plays a role of pasting the active material, mutual adhesion of the active material, adhesion with the current collector, buffering effect on the expansion and contraction of the active material, and the like, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoro Copolymer of propylene-polyvinylidene fluoride (P (VdF / HFP)), poly (vinylacetate), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, alkylated polyethylene oxide, polyvinyl ether, poly ( Methyl methacrylate), poly (ethylacrylate), polytetrafluoroethylene, polyvinylchloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber and the like. The content of the binder is 0.1 to 30% by weight, preferably 1 to 10% by weight, based on the electrode active material. When the content of the binder is too small, the adhesion between the electrode active material and the current collector is insufficient, and when the content of the binder is too high, the adhesion is improved, but the content of the electrode active material decreases by that amount, which is disadvantageous in increasing battery capacity.
도전재는 전자 전도성을 향상시키는 물질로서, 흑연계 도전제, 카본 블랙계 도전제, 금속 또는 금속 화합물계 도전제로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 흑연계 도전제의 예로는 인조흑연, 천연 흑연 등이 있으며, 카본 블랙계 도전제의 예로는 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denka black), 써멀 블랙(thermal black), 채널 블랙(channel black) 등이 있으며, 금속계 또는 금속 화합물계 도전제의 예로는 주석, 산화주석, 인산주석(SnPO4), 산화티타늄, 티탄산칼륨, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질이 있다. 그러나 상기 열거된 도전제에 한정되는 것은 아니다. The conductive material may be at least one selected from the group consisting of a graphite-based conductive agent, a carbon black-based conductive agent, a metal or a metal compound-based conductive agent as a material for improving electronic conductivity. Examples of the graphite conductive agent include artificial graphite and natural graphite, and examples of the carbon black conductive agent include acetylene black, ketjen black, denka black, thermal black, and channel. Channel black and the like, and examples of the metal or metal compound conductive agent include perovskite such as tin, tin oxide, tin phosphate (SnPO 4 ), titanium oxide, potassium titanate, LaSrCoO 3 , and LaSrMnO 3. ) There is a substance. However, it is not limited to the conductive agents listed above.
도전제의 함량은 전극 활물질에 대하여 0.1 내지 10중량%인 것이 바람직하다. 도전제의 함량이 0.1중량%보다 적은 경우에는 전기 화학적 특성이 저하되고, 10중량%을 초과하는 경우에는 중량당 에너지 밀도가 감소한다.The content of the conductive agent is preferably 0.1 to 10% by weight based on the electrode active material. When the content of the conductive agent is less than 0.1% by weight, the electrochemical properties are lowered, and when the content of the conductive agent is greater than 10% by weight, the energy density per weight decreases.
증점제는 활물질 슬러리 점도조절의 역할을 할 수 있는 것이라면 특별히 한 정되지 않으나, 예를 들면 카르복시메틸 셀룰로오스, 하이드록시메틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스 등이 사용될 수 있다.The thickener is not particularly limited as long as it can play a role of controlling the viscosity of the active material slurry. For example, carboxymethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, and the like may be used.
전극 활물질, 바인더, 도전재 등이 분산되는 용매로는 비수용매 또는 수계용매가 사용된다. 비수용매로는 N-메틸-2-피롤디돈(NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N,N-디메틸아미노프로필아민, 에틸렌옥사이드, 테트라히드로퓨란 등을 들 수 있다.As the solvent in which the electrode active material, the binder, the conductive material and the like are dispersed, a non-aqueous solvent or an aqueous solvent is used. Examples of the non-aqueous solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, N, N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide and tetrahydrofuran.
리튬 이차 전지는 양극 및 음극 사이에 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하는 세퍼레이터를 포함할 수 있으며, 이러한 세퍼레이터로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌/폴리프로필렌, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포를 사용할 수 있다. 또한 다공성의 폴리올레핀 필름에 안정성이 우수한 수지가 코팅된 필름을 사용할 수도 있다.The lithium secondary battery may include a separator that prevents a short circuit between the positive electrode and the negative electrode and provides a passage for lithium ions, and such separators include polypropylene, polyethylene, polyethylene / polypropylene, polyethylene / polypropylene / polyethylene, poly Polyolefin polymer membranes, such as propylene / polyethylene / polypropylene, or a multilayer of these, a microporous film, a woven fabric, and a nonwoven fabric can be used. Further, a film coated with a resin having excellent stability may be used for the porous polyolefin film.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서 나타낸 각형 리튬 이차 전지의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a rectangular lithium secondary battery shown as one embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 리튬 이차 전지는 양극(13), 음극(15) 및 세퍼레이터(14)로 구성되는 전극조립체(12)를 전해액과 함께 캔(10)에 수납하고, 이 캔(10)의 상단부를 캡조립체(20)로 밀봉함으로써 형성된다. 상기 캡조립체(20)는 캡플레이트(40)와 절연플레이트(50)와 터미널플레이트(60) 및 전극단자(30)를 포함하여 구성된다. 상기 캡조립체(20)는 절연케이스(70)와 결합되어 캔(10)을 밀봉하게 된다.Referring to FIG. 1, in a lithium secondary battery, an
캡플레이트(40)의 중앙에 형성되어 있는 단자통공(41)에는 전극단자(30)가 삽입된다. 상기 전극단자(30)가 단자통공(41)에 삽입될 때는 전극단자(30)와 캡플 레이트(40)의 절연을 위하여 전극단자(30)의 외면에 튜브형 개스킷(46)이 결합되어 함께 삽입된다. 상기 캡조립체(20)가 상기 캔(10)의 상단부에 조립된 후 전해액 주입공(42)을 통하여 전해액이 주입되고 전해액주입공(42)은 마개(43)에 의하여 밀폐된다. 상기 전극단자(30)는 상기 음극(15)의 음극탭(17) 또는 상기 양극(13)의 양극탭(16)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.The
본 발명의 리튬 이차 전지는 도시된 각형 외에 원통형, 파우치형 등 다른 형상으로 이루어질 수 있다. The lithium secondary battery of the present invention may be formed in other shapes, such as cylindrical, pouch type, in addition to the illustrated square.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 한편, 실시예 및 비교예어서, 기본 용매로서 에틸렌 카보네이드, 에틸 메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트가 부피비로 1:1:1로 섞인 것을 사용하며, 기본 용매에 리튬 이온 농도가 1.15몰이 되도록 리튬염을 용해시킨 베이스 전해액을 사용하는 것으로 한다. 리튬 이온 농도가 1.15몰이 되기 위해 리튬염이 모두 해리하는 것으로 보고 LiPF6와 같은 리튬 염을 1.15몰 농도가 되도록 해당량을 기본 용매에 용해시켜 베이스 전해액을 형성시킬 수 있다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples. Meanwhile, in Examples and Comparative Examples, ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate were mixed in a volume ratio of 1: 1: 1 as the basic solvent, and the lithium salt was added so that the lithium ion concentration was 1.15 mol in the basic solvent. It is assumed that the dissolved base electrolyte is used. It can be seen that all of the lithium salts dissociate to have a lithium ion concentration of 1.15 mol, so that a corresponding amount of the lithium salt such as LiPF 6 can be dissolved in a basic solvent to form a base electrolyte.
(( 실시예Example 1) One)
양극 활물질로서 LiCoO2, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 도전제로서 카본을 92:4:4의 중량비로 혼합한 다음, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 15㎛의 알루미늄 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 양극을 제조하였다. 음극 활물질로 인조 흑연, 바인더로서 스티렌-부타디엔 고무 및 증점제로서 카르복시메틸셀룰로오스를 96:2:2의 중량비로 혼합한 다음 물에 분산시켜 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 10㎛의 구리 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 음극을 제조하였다.LiCoO 2 as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder and carbon as a conductive agent were mixed in a weight ratio of 92: 4: 4, and then dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a positive electrode slurry. It was. The slurry was coated on an aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and rolled to prepare a positive electrode. Synthetic graphite as a negative electrode active material, styrene-butadiene rubber as a binder, and carboxymethyl cellulose as a thickener were mixed in a weight ratio of 96: 2: 2, and then dispersed in water to prepare a negative electrode active material slurry. The slurry was coated on a copper foil having a thickness of 10 μm, dried, and rolled to prepare a negative electrode.
제조된 전극들 사이에 두께 20㎛의 폴리에틸렌(PE) 재질의 필름 세퍼레이터를 넣어 권취 및 압축하여 각형 캔에 삽입하였다. 각형 캔에 전해액을 주입하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. 전해액은 에틸렌 카보네이트/에틸메틸 카보네이트/디에틸 카보네이트 혼합 용매(1:1:1 부피비)에 LiPF6을 1.15M 용액이 되도록 용해시킨 다음, 인산(H3PO4)의 인에 단순 공유결합된 하나의 산소에 결합된 수소를 비페닐기로 치환시킨 비페닐 포스페이트와 플루오로 에틸렌 카보네이트를 각각 비수성 유기용매의 5중량%, 3중량%를 첨가하였다.A film separator made of a polyethylene (PE) material having a thickness of 20 μm was inserted between the prepared electrodes and then wound and compressed to insert into a rectangular can. An electrolyte solution was injected into a square can to prepare a lithium secondary battery. Electrolyte solution is ethylene carbonate / ethyl methyl carbonate / diethyl carbonate mixed solvent of one or a simple covalent bond to the (1: 1 volume ratio: 1) was dissolved to a 1.15M solution of LiPF 6, then phosphoric acid (H 3 PO 4) in 5% by weight and 3% by weight of the non-aqueous organic solvent were added to biphenyl phosphate and fluoro ethylene carbonate in which hydrogen bonded to oxygen was substituted with a biphenyl group.
(실시예 2) ( Example 2)
다른 조건을 실시예 1과 같이 한 상태에서 인산(H3PO4)의 인에 단순 공유결합된 2개의 산소에 결합된 각각의 수소를 비페닐기로 치환시킨 비페닐 포스페이트와 플루오로 에틸렌 카보네이트를 각각 비수성 유기용매의 5중량%, 3중량%를 첨가하였다.In the same conditions as in Example 1, biphenyl phosphate and fluoroethylene carbonate, each of which each hydrogen bonded to two oxygens which are simply covalently bonded to phosphorus of phosphoric acid (H 3 PO 4 ), were substituted with a biphenyl group, were respectively 5% and 3% by weight of the nonaqueous organic solvent was added.
(실시예 3) ( Example 3)
다른 조건을 실시예 1과 같이 한 상태에서 인산(H3PO4)의 인에 단순 공유결합된 3개의 산소에 결합된 각각의 수소를 비페닐기로 치환시킨 비페닐 포스페이트 와 플루오로 에틸렌 카보네이트를 각각 비수성 유기용매의 3중량%, 3중량%를 첨가하였다.Under the same conditions as in Example 1, biphenyl phosphate and fluoroethylene carbonate in which each hydrogen bonded to three oxygen simply covalently bonded to phosphorus of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) were substituted with a biphenyl group, respectively 3% and 3% by weight of the nonaqueous organic solvent was added.
(실시예 4) ( Example 4)
다른 조건을 실시예 1과 같이 한 상태에서 인산(H3PO4)의 인에 단순 공유결합된 3개의 산소에 결합된 각각의 수소를 비페닐기로 치환시킨 비페닐 포스페이트와 플루오로 에틸렌 카보네이트를 각각 비수성 유기용매의 5중량%, 3중량%를 첨가하였다.Under the same conditions as in Example 1, biphenyl phosphate and fluoroethylene carbonate each substituted with biphenyl groups for each hydrogen bonded to three oxygen simply covalently bonded to phosphorus of phosphoric acid (H 3 PO 4 ), respectively 5% and 3% by weight of the nonaqueous organic solvent was added.
(비교예 1) (Comparative Example 1)
다른 조건을 실시예 1과 같이 한 상태에서 인산(H3PO4)의 인에 단순 공유결합된 1개의 산소에 결합된 수소를 비페닐기로 치환시킨 비페닐 포스페이트를 플루오로 에틸렌 카보네이트를 첨가하지 않은 상태로 비수성 유기용매의 5중량% 첨가하였다.Under the same conditions as in Example 1, biphenyl phosphate in which hydrogen bonded to one oxygen that is simply covalently bonded to phosphorus of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) was substituted with a biphenyl group, without adding fluoroethylene carbonate. 5 weight% of the non-aqueous organic solvent was added in the state.
(비교예 2) Comparative Example 2
다른 조건을 실시예 1과 같이 한 상태에서 인산(H3PO4)의 인에 단순 공유결합된 2개의 산소에 결합된 각각의 수소를 비페닐기로 치환시킨 비페닐 포스페이트를 플루오로 에틸렌 카보네이트의 첨가 없이 비수성 유기용매의 5중량% 첨가하였다.Addition of fluoro ethylene carbonate to biphenyl phosphate in which each hydrogen bonded to two oxygens which are simply covalently bonded to phosphorus of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) is substituted with a biphenyl group under different conditions as in Example 1 5% by weight of the non-aqueous organic solvent was added.
(비교예 3) Comparative Example 3
다른 조건을 실시예 1과 같이 한 상태에서 인산(H3PO4)의 인에 단순 공유결 합된 3개의 산소에 결합된 각각의 수소를 비페닐기로 치환시킨 비페닐 포스페이트를 플루오로 에틸렌 카보네이트의 첨가 없이 비수성 유기용매의 3중량% 첨가하였다.The addition of fluoroethylene carbonate to biphenyl phosphate in which each hydrogen bonded to three oxygens simply covalently bonded to phosphorus of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) was substituted with a biphenyl group under different conditions as in Example 1 3% by weight of the non-aqueous organic solvent was added.
(비교예 4) Comparative Example 4
다른 조건을 실시예 1과 같이 한 상태에서 비페닐 포스페이트의 첨가 없이 플루오로 에틸렌 카보네이트를 비수성 유기용매의 3중량%를 첨가하였다.In the same conditions as in Example 1, 3% by weight of the non-aqueous organic solvent was added to fluoro ethylene carbonate without addition of biphenyl phosphate.
<표준용량><Standard capacity>
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 전지를 0.5C/4.2V 정전류-정전압 조건으로 3시간 충전하였을 때의 상대 용량을 표 1에 나타내었다.Table 1 shows the relative capacities when the batteries prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were charged for 3 hours under 0.5C / 4.2V constant current-constant voltage conditions.
<300회 용량(%)><300 doses (%)>
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 전지를 상온 25℃에서 1C/4.2V 정전류/정전압, 0.05C 컷오프 충전을 실시하고, 1C 3.2V 정전류로 방전을 하였다. 이 과정을 300회 반복한 후, 상온 300회째의 용량(%)을 각각 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다. The batteries prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were subjected to 1C / 4.2V constant current / constant voltage, 0.05C cutoff charging at 25 ° C. at room temperature, and discharged at 1C 3.2V constant current. After repeating this process 300 times, the capacity (%) of the 300th time of normal temperature was measured, respectively, and the result is shown in Table 1.
<과충전 테스트 결과><Overcharge test result>
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 전지를 상온 25℃에서 표준충전 후 1C/12V 정전류 정전압으로 2시간 30분 충전하면서 전지의 상태를 관찰였다. 테스트 결과는 NG(NOT GOOD)과 OK로 표시되었다. 리튬 이온 이차 전지의 과충전 안정성은 다음의 표2와 같이 분류되며, 구체적으로 실시예 3 및 비교예 4에 대한 과충전 테스트 경과가 도2 및 도3의 그래프에 나타나 있다. 도2 및 도3에서 굵은 선은 전지 표면 온도를, 가장 얇은 선은 전압을 중간 굵기의 선은 전류를 나타낸다.The state of the battery was observed while charging the battery prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 at a normal temperature of 25 ° C. for 2 hours and 30 minutes at 1 C / 12V constant current constant voltage. Test results were marked with NG (NOT GOOD) and OK. The overcharge stability of the lithium ion secondary battery is classified as shown in Table 2 below, and specifically, the progress of the overcharge test for Example 3 and Comparative Example 4 is shown in the graphs of FIGS. 2 and 3. 2 and 3, the thick line represents the battery surface temperature, the thinnest line represents the voltage, and the middle line represents the current.
(유기용매 대비
중량%)Biphenyl phosphate
Of organic solvents
weight%)
(%)Standard capacity
(%)
FEC: 플루오로에틸렌 카보네이트 FEC: fluoroethylene carbonate
상기 표 1 및 도3 에서 알 수 있듯이, 비교예 4와 같이 베이스 전해액에 플루오로 에틸렌 카보네이트만을 첨가한 경우, 과충전 단계에서 전지의 전압은 어느 정도까지는 리튬 이온 전지의 정상 전압 상태를 유지하지만 내부적으로 전극에 과충전 전류가 축적되어 전극이 불안정해지고 불안정한 전극이 전해액과 반응하여 분해 및 중합반응을 할 수 있고, 발열이 심화될 수 있다. 온도 상승에 의해 세퍼레이터 셧다운이 일어나고 전류가 흐르지 않아도 이미 열폭주가 일어나면 발화 및 전지 파열이 발생할 수 있다.As can be seen from Table 1 and Figure 3, when only fluoroethylene carbonate is added to the base electrolyte as in Comparative Example 4, the voltage of the battery in the overcharge step to maintain a steady voltage state of the lithium ion battery to some extent but internally The overcharge current is accumulated in the electrode and the electrode becomes unstable, and the unstable electrode may react with the electrolyte to decompose and polymerize, and heat generation may be intensified. If the separator shuts down due to the temperature rise and thermal runaway already occurs even though no current flows, ignition and battery rupture may occur.
전압 및 전류의 측면에서 보면, 전압은 어느 한 시점에서 거의 수직으로 상승하여 전지의 두 전극에 충전지의 전압이 그대로 인가된다. 그리고, 이때 전지 내부에 전류의 흐름이 단절된 것을 알 수 있다. 이 시점에서의 전지 표면 온도는 160도씨이고, 발화가 일어나 L4 상태가 된다.In terms of voltage and current, the voltage rises almost vertically at any point in time so that the voltage of the rechargeable battery is applied to the two electrodes of the battery as it is. At this time, it can be seen that the flow of current is interrupted inside the battery. At this point in time, the battery surface temperature is 160 degrees Celsius, and ignition occurs, resulting in an L4 state.
이런 이온 전류의 단절 상태가 일정 기간 계속되고, 전지 내부가 연소되면서 세퍼레이터가 녹아 없어지면 내부에서 양극과 음극 사이의 전기적인 단락이 이루어져 전도성 전류가 흐르게 된다. 이때 전류는 충전기에서 규정된 정전류가 흐르고, 두 단자 사이의 전압은 0V가 된다. 따라서, 베이스 전해액에 플루오로 에틸렌 카보네이트만을 첨가한 경우, 과방전시의 안정성이 없어 채택하기 어렵다. When the disconnection state of the ion current continues for a certain period of time, and the separator melts as the inside of the battery is burned away, an electrical short circuit occurs between the positive electrode and the negative electrode to allow the conductive current to flow. At this time, the constant current flows from the charger, and the voltage between the two terminals is 0V. Therefore, when only fluoroethylene carbonate is added to the base electrolyte solution, there is no stability during overdischarge and it is difficult to adopt.
반면, 유기 용매 대비 3 내지 5 중량%의 비페닐 포스페이트를 첨가한 경우에는 비교례와 실시예의 어느 경우에도 실시예 3의 경우를 나타내는 도2와 같이 제 2차 전지 온도 상승에 따른 열폭주는 억제되고, 이때 전압은 정상적인 충전 전압에서 약간 상승한 뒤 정상적인 상태로 복귀하거나, 약간 높은 상태로 유지된다.On the other hand, when 3 to 5% by weight of biphenyl phosphate relative to the organic solvent is added, thermal runaway due to the rise of the secondary battery temperature is suppressed as shown in FIG. At this time, the voltage rises slightly from the normal charging voltage and then returns to the normal state or remains slightly high.
이런 현상은 과충전에 따라 전극이 불안정해지면, 두 전극 사이의 전압이 디자인된 충전 전압을 넘어가면서 전해액에 포함된 비페닐 포스페이트가 비수계 유기 용매보다 먼저 분해되면서, 과충전 전류가 이런 반응에서 소모되어 열발생 및 전압 상승을 제어하는 역할을 하는 것이라고 생각할 수 있다. This phenomenon occurs when the electrode becomes unstable due to overcharging, and as the voltage between the two electrodes exceeds the designed charging voltage, the biphenyl phosphate contained in the electrolyte decomposes before the non-aqueous organic solvent, so that the overcharge current is consumed in this reaction and heat. It can be considered to play a role in controlling generation and voltage rise.
이후, 실시예 3에 대한 과충전 경과 그래프와 같이 테스트 시간 2시간 30분 동안 전지는 과충전이 이루어지는 가운데에서도 70도씨 이상의 온도를 유지하지만 전압과 전류의 이상이나 열폭주에 따른 발화, 파열은 이루어지지 않았다. Subsequently, as shown in the overcharge progress graph for Example 3, the battery maintains a temperature of 70 degrees C or more even during overcharging, but does not ignite or rupture due to an abnormal voltage or current or thermal runaway. Did.
또한, 비페닐 포스페이트가 첨가되면서 비교예 1 내지 3과 같이 주기 수명 특성이 떨어진 경우와 비교하여 베이스 전해액에 플루오로 에틸렌 카보네이트가 함께 첨가됨으로써 실시예 1 내지 4에서는 주기 수명 특성이 개선됨을 알 수 있다. 특히, 인산의 수소가 모두 비페닐기로 치환된 비페닐 포스페이트의 경우, 과충전 안정성이 다른 비페닐 인산 화합물에 비해 높아서 몰수 대비 소량을 사용할 때에도 과충전 안전성을 확보하는 효과를 얻을 수 있다. In addition, it can be seen that in Example 1 to 4, the cycle life characteristics are improved by adding fluoroethylene carbonate to the base electrolyte as compared with the case where the cycle life characteristics are lowered as in Comparative Examples 1 to 3 while biphenyl phosphate is added. . In particular, in the case of biphenyl phosphate in which all of the hydrogen of phosphoric acid is substituted with a biphenyl group, the overcharge stability is higher than that of other biphenyl phosphate compounds, so that the overcharge safety can be obtained even when a small amount compared to the number of moles is used.
상술한 바와 같이, 본 발명은 주기 수명 특성 및 과충전 특성이 우수한 리튬 이온 이차 전지용 전해액과 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.As described above, the present invention provides a lithium ion secondary battery electrolyte and a lithium ion secondary battery excellent in cycle life characteristics and overcharge characteristics.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, it is merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. .
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