KR101521646B1 - Secondary battery with high capacity and longevity comprising silazane-based compound - Google Patents

Secondary battery with high capacity and longevity comprising silazane-based compound Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해질 염 및 전해액 용매를 포함하는 전지용 전해질에 있어서, 상기 전해질은 전지 내에서 전기화학적으로 반응하여 비활성 막(passivation layer)을 형성할 수 있는 화합물로서 하나 이상의 실란기 및 질소를 함유하는 실라잔(silazane) 계열 화합물을 포함하는 것이 특징인 전지용 전해질 및 상기 전해질을 구비하는 이차 전지를 제공한다.The present invention relates to an electrolyte for a battery comprising an electrolyte salt and an electrolyte solvent, wherein the electrolyte is a compound capable of forming a passivation layer by electrochemically reacting in the battery, the electrolyte comprising at least one silane group and a silane A silazane-based compound, and a secondary battery comprising the electrolyte.

본 발명에서는 전지의 정상 작동 전압영역에서 양(兩) 전극 상에 비활성 막을 형성할 수 있는 실라잔 계열 화합물을 사용함으로써, 양(兩) 전극과 전해액과의 부반응을 최소화하여 고용량과 수명 성능이 향상되는 이차 전지를 제공할 수 있다. In the present invention, by using a silazane-based compound capable of forming an inactive film on both electrodes in the normal operating voltage range of a battery, side reactions between the both electrodes and the electrolyte are minimized to improve the capacity and lifetime performance Can be provided.

SEI layer, 수명 성능, 용량 증가, 리튬 이차 전지 SEI layer, lifetime performance, capacity increase, lithium secondary battery

Description

실라잔 계열 화합물을 포함하는 고용량 및 장수명 이차 전지{SECONDARY BATTERY WITH HIGH CAPACITY AND LONGEVITY COMPRISING SILAZANE-BASED COMPOUND}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a high-capacity and long-life secondary battery including a silazane-

도 1은 실시예 1 및 비교예 1의 전해액을 이용하여 수행한 Cyclic voltammogram이다.1 is a cyclic voltammogram performed using the electrolytes of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

도 2a는 실시예 2 및 비교예 2의 전지를 formation하여 수행한 초기 formation 충전량과 전압과의 관계를 나타내는 그래프이다.2A is a graph showing a relation between an initial formation charge amount and a voltage of a battery of Example 2 and Comparative Example 2. FIG.

도 2b는 도 2a 그래프 중에서 전압 상승분에 따른 충전량을 미분하여 얻어진 그래프이다.FIG. 2B is a graph obtained by differentiating the charged amount according to the voltage increase in the graph of FIG. 2A.

도 3은 실시예 2 및 비교예 2의 전지를 각각 만충전한 후 얻어진 음극의 TPD-GC-MS-TIC 그래프이다.3 is a graph of TPD-GC-MS-TIC of the negative electrode obtained after fully charging the batteries of Example 2 and Comparative Example 2, respectively.

도 4는 실시예 2 및 비교예 2의 전지의 사이클 경과에 따른 전지의 용량 및 효율을 비교한 그래프이다. FIG. 4 is a graph comparing the capacity and efficiency of the batteries according to the cycle progression of the batteries of Example 2 and Comparative Example 2. FIG.

도 5는 실시예 2 및 비교예 2의 전지를 만충전 (4.2V) 상태에서 90℃, 4시간 보관한 후 수명특성을 측정한 그래프이다. 5 is a graph showing life characteristics of the batteries of Example 2 and Comparative Example 2 after storage at full temperature (4.2 V) at 90 DEG C for 4 hours.

본 발명은 전기화학적인 산화-환원 반응에 의해 양극과 음극에 효과적인 비활성 막(passivation layer)을 형성할 수 있는 전해액 첨가제를 사용함으로써 양(兩) 전극과 전해액간의 부반응이 최소화되어 제반 성능이 향상된 이차 전지에 관한 것이다.The present invention uses an electrolyte additive capable of forming an effective passivation layer on an anode and a cathode by an electrochemical oxidation-reduction reaction, thereby minimizing a side reaction between both electrodes and an electrolyte, Battery.

근래 휴대전화나 비디오 카메라, 노트형 퍼스널 컴퓨터 등의 휴대용 전자 기기의 전원으로서 전지의 중요성이 높아지고 있다. 이에 따라 포터블 전자 기기의 구동 전원으로 경량이면서 고전압, 고용량, 고출력을 나타내는 전지, 특히 비수용성 전해질을 사용하는 리튬 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 2. Description of the Related Art Recently, the importance of batteries as power sources for portable electronic devices such as cellular phones, video cameras, notebook personal computers and the like has been increasing. Accordingly, research and development have been actively made on a lithium secondary battery using a battery which is light in weight, high voltage, high capacity and high output as a driving power source for portable electronic devices, particularly, a non-aqueous electrolyte.

리튬 이차 전지는 일반적으로 양극활물질로 리튬 함유 전이금속 산화물을 사용하며, 음극활물질로 탄소, 리튬 금속 또는 이의 합금, 기타 리튬을 흡장 및 방출할 수 있고 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물을 사용한다. 리튬 이차 전지는 사용하는 전해질에 따라 LiLB(lithium ion battery), LiPB(lithium ion polymer battery), LPB(lithium polymer battery) 등으로 나눌 수 있는데, 즉 LiLB는 액체 전해질을, LiPB는 겔형 고분자 전해질을, LPB는 고체 고분자 전해질을 사용한다. The lithium secondary battery generally uses a lithium-containing transition metal oxide as a positive electrode active material, and is capable of intercalating and deintercalating carbon, a lithium metal or an alloy thereof, and other lithium as an anode active material, and is capable of storing TiO 2 , SnO 2 Is used. The lithium secondary battery can be divided into lithium ion battery (LiLB), lithium ion polymer battery (LiPB) and lithium polymer battery (LPB) according to the electrolyte used. That is, LiLB is a liquid electrolyte, LiPB is a gel polymer electrolyte, LPB uses a solid polymer electrolyte.

전술한 전지용 전해질로 사용되는 비수용매는 그 종류가 다양하지만 안전성 향상 측면에서 고비점 용매, 예컨대 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 감마부틸로락톤 (γ-부틸로락톤, 이하 GBL) 등의 환형 카보네이트를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 양극활물질을 LiMn2O4를 사용하게 되는 경우, 전지 내 존재하는 극소량의 수분과 리튬염(Li salt)과의 부반응으로 인해 강산인 HF가 생성되고 이러한 HF는 양극을 공격하여 Mn 용출(dissolution)을 야기한다. 이와 같이 망간(Mn)이 전해액 내로 이온화되어 나오면 음극으로 이동하여 환원됨으로써 음극 표면에서 자라나 용량 감소를 야기하고 전지 내부 저항을 증가시키는 결과를 가져온다. 기타 다른 양극재를 사용하는 경우에도 위와 같은 현상이 망간계 활물질처럼 심하지는 않으나 일반적으로 일어날 수 있는 가능성이 매우 높다. (EC), propylene carbonate (PC), gamma-butylolactone (gamma -butyrolactone, hereinafter referred to as GBL), and the like are used as the non-aqueous solvent used in the battery electrolyte, Of cyclic carbonates are preferably used. In particular, when LiMn 2 O 4 is used as a cathode active material, HF, which is a strong acid, is generated due to a side reaction between a very small amount of water present in the battery and a lithium salt (Li salt), and this HF attacks an anode to dissolve Mn ). When manganese (Mn) is ionized into the electrolyte, it moves to the cathode and is reduced, thereby growing on the surface of the cathode, resulting in a decrease in capacity and an increase in internal resistance of the cell. Even when other cathode materials are used, the above phenomenon is not as severe as the manganese based active material, but it is very likely to occur in general.

한편, 일반적으로 전지의 용량을 향상시키고자 전극활물질 로딩량을 높게 하는 경우, 충방전을 거듭할수록 Li metal 이 석출되어 용량 및 수명 등의 전지 제반 성능이 저하된다. 또한 용량 및 수명 특성 향상을 위해서 전해액 성분으로 첨가하는 일부 첨가제의 경우에는 충방전 혹은 고온에서 gas 를 생성하여 전지 형태 변형 및 전지의 성능을 감소시키는 문제점을 일으킬 수 있다. 따라서 수분을 잡아줄 수 있는 H2O scavenger 의 역할이 필요하며, 더불어 양극과 음극을 보호하여 용량 증대와 장시간 사용할 수 있는 전지가 필요한 실정이다.On the other hand, in general, when the capacity of the battery is increased and the loading amount of the electrode active material is increased, lithium metal precipitates as the charge and discharge are repeated, thereby deteriorating battery capacity such as capacity and life. Further, in the case of some additives to be added as an electrolyte component in order to improve the capacity and lifetime characteristics, gas may be generated at a charge / discharge or a high temperature, which may cause problems such as cell shape deformation and cell performance. Therefore, H 2 O scavenger is required to hold moisture, and it is necessary to protect the anode and the cathode to increase the capacity and to use the battery for a long time.

본 발명자들은 실란기와 질소를 함유하는 실라잔 계열 화합물을 전해액의 구성 성분으로 사용하는 경우, 전지의 정상 충방전 전압 영역에서 산화-환원 반응을 통하여 양극과 음극 모두에 효과적인 피막을 형성함으로써 이후 전지의 성능 저하를 초래하는 부가적인 반응을 억제할 수 있다는 것을 발견하였다. The present inventors have found that when a silazane-based compound containing a silane group and nitrogen is used as a constituent component of an electrolytic solution, the present inventors have found that an effective film is formed on both the positive electrode and the negative electrode through an oxidation- It is possible to suppress an additional reaction which causes deterioration of performance.

이에 본 발명은 전술한 실라잔 계열 화합물을 함유하는 전해질 및 상기 전해 질을 구비하는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrolyte containing the above-described silazane-based compound and a secondary battery comprising the electrolyte.

본 발명은 전해질 염 및 전해액 용매를 포함하는 전지용 전해질에 있어서, 상기 전해질은 전지 내에서 전기화학적으로 반응하여 비활성 막(passivation layer)을 형성할 수 있는 화합물로서 하나 이상의 실란기 및 질소를 함유하는 실라잔(silazane) 계열 화합물을 포함하는 것이 특징인 전지용 전해질 및 상기 전해질을 구비하는 이차 전지를 제공한다.The present invention relates to an electrolyte for a battery comprising an electrolyte salt and an electrolyte solvent, wherein the electrolyte is a compound capable of forming a passivation layer by electrochemically reacting in the battery, the electrolyte comprising at least one silane group and a silane A silazane-based compound, and a secondary battery comprising the electrolyte.

또한 본 발명은 하나 이상의 실란기와 질소가 동시에 도입된 실라잔 계열 화합물이 전기적 산화 또는 환원되어 형성된 부동태 막(passivation layer)이 전극활물질 표면의 일부 또는 전부에 형성된 전극 및 상기 전극을 구비하는 이차 전지를 제공한다.The present invention also relates to a secondary battery comprising a passivation layer formed on a part or all of a surface of an electrode active material formed by electrically oxidizing or reducing a silazane-based compound having at least one silane group and nitrogen introduced thereinto, to provide.

나아가, 본 발명은 이차 전지의 음극상에서 환원되어 고체 전해질 계면(SEI)막을 형성할 수 있는 화합물로서, 하나 이상의 실란기 및 질소를 함유하는 실라잔 계열 화합물인 것이 특징인 SEI막 형성용 전해액 첨가제를 제공한다.Further, the present invention relates to an electrolyte additive for forming an SEI film, which is a compound capable of forming a solid electrolyte interface (SEI) film on a negative electrode of a secondary battery, which is a silazane type compound containing at least one silane group and nitrogen to provide.

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

본 발명은 전지용 전해액 구성 성분으로 전지의 작동 작동 전압영역에서 산화-환원되어 양극과 음극 모두에 효과적인 비활성 막(passivation layer)를 형성할 수 있는 실라잔(silazane) 계열 화합물을 사용하는 것을 특징으로 한다. The present invention is characterized by using a silazane-based compound capable of forming an effective passivation layer on both the positive electrode and the negative electrode by oxidation-reduction in an operating voltage range of a battery as an electrolyte component for a battery .

상기와 같은 특징으로 인해, 본 발명의 이차 전지는 고용량, 고효율, 우수한 장수명 특성 및 고온 특성 향상을 구현할 수 있다. 이와 같이 우수한 효과를 나타 내는 이유는 명확하게 밝혀진 바 없으나, 하기와 같이 추정할 수 있다.Due to the above characteristics, the secondary battery of the present invention can realize high capacity, high efficiency, excellent long life time characteristics and high temperature characteristics. The reason for exhibiting such excellent effects has not been clarified yet, but it can be estimated as follows.

1) 전지의 성능은 기본 전해액 구성과 상기 전해액과 전극이 반응하여 형성하는 고체 계면 피막(Solid Electrode Interface: SEI)에 의해 많이 좌우된다. 종래 리튬 이차 전지는 첫번째 충전 과정시 전지의 음극에서 음극활물질, 예컨대 탄소 입자의 표면과 전해액이 반응하여 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 피막을 형성하게 되는데, 형성된 SEI 막은 주로 전지의 초기 충전시 카르보닐기를 포함하는 유기용매의 분해 생성물인 CO3 2 - 등의 탄산가스가 전해질 용액속에 포화되어 있는 리튬 이온들과 반응하여 형성되며, 이러한 SEI 피막 형성에 리튬이 비가역적으로 소비된다. 이와 같은 SEI 막은 전극활물질과 전해액 용매와의 부반응; 및 전해액 용매의 음극재로의 삽입(co-intercalation)으로 인한 음극재의 붕괴 등을 방지할 뿐만 아니라 종래 리튬 이온 터널로서의 역할을 충실히 수행함으로써 전지의 성능 저하를 최소화한다. 그러나 종래 카보네이트계 유기용매에 의해 형성된 SEI 막은 약하며 porous하고 조밀하지 못하여 리튬 이온의 이동이 원활히 이루어지지 못함으로써, 가역성 리튬 양의 감소에 의해 충방전 진행에 따른 비가역 반응을 증가시켜 전지의 용량 및 수명 특성 저하가 초래된다. 1) The performance of the battery is greatly influenced by the basic electrolyte composition and the solid electrolyte interface (SEI) formed by the reaction between the electrolyte and the electrode. In the conventional rechargeable lithium battery, during the first charging process, the surface of the negative electrode active material such as carbon particles reacts with the electrolyte at the negative electrode of the battery to form a solid electrolyte interface (SEI) coating. Carbonic acid gas such as CO 3 2 - which is a decomposition product of an organic solvent including a cyclic carbonyl group, is formed by reaction with saturated lithium ions in the electrolyte solution, and lithium is irreversibly consumed in forming the SEI film. Such an SEI film is a side reaction between an electrode active material and an electrolyte solvent; And collapse of the negative electrode material due to co-intercalation of the electrolyte solvent into the negative electrode material, as well as faithfully performing a role as a conventional lithium ion tunnel, thereby minimizing degradation of the battery. However, since the SEI film formed by the conventional organic carbonate-based solvent is weak, porous and dense, the lithium ion migration can not be smoothly performed, thereby reducing irreversible lithium amount, thereby increasing the irreversible reaction due to charge / Resulting in degraded characteristics.

이에, 본 발명에서는 전지의 작동 전압 범위에서 산화-환원되어 양(兩) 전극 상에 견고하고 조밀한 비활성 막을 형성할 수 있는 실라잔 계열 화합물을 전해액 구성 성분으로 사용한다. Therefore, in the present invention, a silazane-based compound capable of forming a stable and dense inactive film on both electrodes by oxidation-reduction in an operating voltage range of a battery is used as an electrolyte component.

상기 실라잔(silazane) 계열 화합물은 종래 carbonate 계 전해액과 음극과의 반응으로 인해 음극활물질 상에 형성되는 불소 또는 기타 무기 성분의 고체 계면 피막(Solid Electrode Interface: SEI)에 비해, SEI의 소모 및 재생성 면에서 우수한 ether류와 N을 포함하는 유기 성분의 SEI 막을 형성함으로써, 전해액과 전극과의 반응성을 감소시켜 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다(도 3 및 도 4 참조). 또한 전지의 초기 충전시 다른 성분 보다 먼저 음극재 표면상에 견고하고 조밀한 SEI 막을 형성함으로써 초기 충방전 효율 증대를 도모할 뿐만 아니라, 형성된 SEI 막이 리튬 이온(Li+) 만을 선택적으로 흡장 및 방출시키는 화학 반응성이 낮은 부동태 막 (passivation layer)이므로 장기 사이클에 있어서도 높은 안정성을 나타낼 수 있다.The silazane-based compound is superior to the solid-state interface (SEI) of fluorine or other inorganic components formed on the negative electrode active material due to the reaction between the carbonate-based electrolyte and the negative electrode, It is possible to improve the lifetime characteristics of the battery by reducing the reactivity between the electrolyte and the electrode by forming an SEI film of an organic component containing excellent ether species and N (see FIGS. 3 and 4). In addition, at the initial charging of the battery, a solid and dense SEI film is formed on the surface of the anode material before other components to increase initial charging / discharging efficiency, and the formed SEI film selectively stores and discharges only lithium ions (Li + ) Since it is a passivation layer with low chemical reactivity, it can exhibit high stability even in a long cycle.

2) 또한 종래 리튬 이차 전지는 특히 고온 환경하에서 급격한 전지의 성능 저하가 발생하게 되는데, 이는 음극 표면에 형성된 SEI 막의 붕괴가 급격히 이루어질 뿐만 아니라, 이로 인해 전극과 전해액 간의 부반응 증가, 전해액 분해 반응으로 인한 가스 발생, 전극의 두께(저항) 증가 등 역시 급격히 발생하는 것으로 추정된다. 2) In the conventional lithium secondary battery, the performance of the battery suddenly deteriorates under a high temperature environment. This is because the SEI film formed on the surface of the negative electrode is rapidly disintegrated, resulting in a side reaction between the electrode and the electrolyte, Gas generation, and electrode thickness (resistance) increase are also expected to occur rapidly.

이에 비해, 본 발명의 SEI 막은 SEI의 소모 및 재생성 면에서 우수한 ether 류와 N을 포함하므로, 고온에 의해 붕괴시 신속하게 재생될 뿐만 아니라 지속적으로 유지되어 고온 등에 의해 반응성이 증가된 전극과 전해액 간의 부반응 발생이 감소하여 향상된 전지의 고온 특성을 나타낼 수 있다(도 5 참조).In contrast, the SEI membrane of the present invention includes an ether and N which are superior in terms of consumption and regeneration of SEI. Therefore, the SEI membrane of the present invention not only rapidly regenerates upon collapse due to high temperature, The occurrence of side reactions can be reduced and the high temperature characteristics of the improved battery can be exhibited (see FIG. 5).

본 발명에 따른 전지용 전해액을 구성하는 요소 중 하나는 하나 이상의 실란 기 및 질소를 함유하는 실라잔(silazane) 계열 화합물이다. One of the elements constituting the electrolytic solution for a battery according to the present invention is a silazane-based compound containing at least one silane group and nitrogen.

상기 실라잔 계열 화합물은 전지의 정상적인 작동 전압 영역에서 산화-환원되어 양극과 음극 상에 효과적인 비활성 막 (passivation layer)을 형성할 수만 있다면, 이의 화학 구조, 실란기와 질소의 개수 등에 특별한 제한이 없다. 상기 실라잔 계열 화합물은 하기 화학식 1과 같이 표기 가능하나, 이에 제한되는 것은 아니다. The silazane-based compound has no particular limitation on the chemical structure, the number of silane groups, and the number of nitrogens, as long as it can oxidize-reduce in the normal operating voltage range of the battery to form an effective passivation layer on the anode and the cathode. The silazane-based compound may be represented by the following general formula (1), but is not limited thereto.

R1R2R3Si-NR7-SiR4R5R6 R 1 R 2 R 3 Si-NR 7 -SiR 4 R 5 R 6

상기 식에서, In this formula,

R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7은 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원자로 치환되거나 비치환된 C1~C6의 알킬기 또는 알케닐기이다. R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently hydrogen, a C 1 to C 6 alkyl group or an alkenyl group which is unsubstituted or substituted with a halogen atom.

본 발명의 실라잔 계열 화합물은 자체 내 2개 이상의 실란기가 존재하고 이들이 질소에 의해 연결된 것인 디실라잔 계열 화합물이 바람직하다. 일례로 헥사메틸디실라잔 (hexamethyldisilazane; HMDS) 등이 있다. The silazane-based compound of the present invention is preferably a disilazane-based compound in which two or more silane groups are present in the compound and are linked by nitrogen. For example, hexamethyldisilazane (HMDS) and the like are available.

헥사메틸디실라잔(HMDS)은 초기 충전시 환원되어 음극 표면에 환형 에테르(cyclic ether)류와 질소(N)을 포함하는 유기 성분의 SEI 막을 견고하게 형성하여 전지의 초기 용량 및 장수명 특성을 도모할 뿐만 아니라, 전지의 작동 전압 범위에서 산화되어 양극 표면상에 보호막(protection layer)을 형성하여 반응성이 높은 양극과 전해액 간의 부반응을 억제시켜 고온 보존 특성을 향상시킬 수 있다. 실 제로, 상기 HMDS는 리튬 전위(Li/Li+) 대비 약 3.1V 근처와 4V 근처에서의 산화 반응을 통해 양극 피막을 효과적으로 덮어줌으로써 이후 진행될 수 있는 양극과 전해액의 부반응을 억제하여 용량 향상 및 수명특성 향상에 기여할 수 있다(도 2a 및 도 2b 참조). 이와 같이 전지 내 필수 구성 요소인 양(兩) 전극을 동시에 보호할 수 있으므로, 전술한 전지의 제반 성능 향상 효과를 상승시킬 수 있다. Hexamethyldisilazane (HMDS) is reduced at the initial charging, and an SEI film of an organic component containing cyclic ethers and nitrogen (N) is firmly formed on the surface of the anode, thereby improving the initial capacity and long- In addition, a protective layer may be formed on the surface of the anode by oxidation in an operating voltage range of the battery, thereby suppressing a side reaction between the highly reactive anode and the electrolyte, thereby improving high temperature storage characteristics. In fact, the HMDS effectively oxidizes the anode coating through oxidation reaction at about 3.1 V near the lithium potential (Li / Li + ) and near 4 V, thereby suppressing side reactions of the anode and the electrolyte, And can contribute to property improvement (see Figs. 2A and 2B). As described above, since both electrodes, which are essential components in the battery, can be protected at the same time, the effect of improving the performance of the battery can be improved.

또한 상기 실라잔 계열 화합물은 organic desiccant 중의 하나로서, 하기 반응식 1에 나타난 바와 같이 유기 용매 내 수분과 반응하여 수분 제거제(scavenger) 역할을 수행하여 수분에 의한 부반응을 억제시킬 수 있다. Also, the silazane-based compound is one of organic desiccants. As shown in the following reaction formula (1), the silazane-based compound reacts with water in an organic solvent to act as a scavenger, thereby suppressing side reactions by moisture.

(CH3)3Si-NH-Si(CH3)3 + H2O → (CH3)3Si-O-Si(CH3)3 + NH3 (CH 3) 3 Si-NH -Si (CH 3) 3 + H 2 O → (CH 3) 3 Si-O-Si (CH 3) 3 + NH 3

전술한 반응이 진행됨으로써 수분과 리튬염이 반응하여 생성되는 할로겐산 (HX, X= F, Cl, Br, I 등)에 의한 전지 성능을 감소시키는 반응을 억제할 수 있으며, 특히 양극활물질로서 망간 계열 활물질(예, LiMn2O4)를 사용하는 경우 우려되는 전극활물질 내 전이금속(예, Mn) 용출(dissolution)도 억제할 수 있다. As a result of the above-described reaction, it is possible to suppress the reaction of reducing the battery performance by the halogen acid (HX, X = F, Cl, Br, I, etc.) generated by the reaction of water with the lithium salt. In case of using the active material (for example, LiMn 2 O 4 ), dissolution of the transition metal (for example, Mn) in the electrode active material can be suppressed.

상기 실라잔 계열 화합물의 함량은 전지의 성능, 예컨대 초기 효율, 용량, 사이클 수명 특성 및 고온 보존 특성을 향상시키고자 하는 목표에 따라 달라지나, 비수 전해액 100 중량% 당 0.01 내지 10 중량부 범위가 바람직하다. 0.01 중량부 미만인 경우 원하는 전지의 성능 향상 효과가 미미하게 되며, 10 중량부를 초과하면 비가역 용량의 증가로 인해 성능 저하가 발생할 수 있다. The content of the silazane-based compound is preferably in the range of 0.01 to 10 parts by weight per 100% by weight of the nonaqueous electrolyte solution, depending on the goals of improving the performance of the battery, such as initial efficiency, capacity, cycle life characteristics and high- Do. When the amount is less than 0.01 part by weight, the effect of improving the performance of the desired battery is insignificant. If the amount is more than 10 parts by weight, degradation may occur due to an increase in irreversible capacity.

상기 화합물이 함께 첨가될 전지용 전해액은 당 업계에 알려진 통상적인 전해액 성분, 예컨대 전해질 염과 유기용매를 포함한다. The battery electrolyte to which the compound is to be added includes conventional electrolyte components known in the art such as an electrolyte salt and an organic solvent.

사용 가능한 전해질 염은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -,CF3SO3 -,N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이다. 특히, 리튬염이 바람직하다. 이들의 비제한적인 예로는 LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiN(CF3SO2)2 또는 이들의 혼합물 등이 있다. Using the electrolyte salts is A + B - A salt of the structure, such as, A + is Li +, Na +, K + comprises an alkaline metal cation or an ion composed of a combination thereof, such as, and B - is PF 6 -, BF 4 -, Cl -, Br - , I -, ClO 4 -, AsF 6 -, CH 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, C (CF 2 SO 2) 3 - < / RTI > or a combination thereof. In particular, a lithium salt is preferable. Nonlimiting examples of these include LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2, and mixtures thereof.

유기 용매는 당 업계에 알려진 통상적인 용매, 예컨대 할로겐 치환체를 포함하거나 또는 포함하지 않는 환형 카보네이트계; 선형 카보네이트계; 에스테르(ester)계, 니트릴(nitrile)계, 인산염(phosphate)계 용매 또는 이들의 혼합물 등이 사용 가능하다. 이들의 비제한적인 예로는 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤(GBL), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC), 포름산 메틸, 포름산 에틸, 포름산 프로필, 초산 메틸, 초산 에틸, 초산 프로필, 초산 펜틸, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸, 프로피온산 에틸, 프로피온산 부틸 또는 이들의 혼합물 등이 있다. The organic solvent may be a conventional solvent known to those skilled in the art, for example, a cyclic carbonate system with or without a halogen substituent; Linear carbonate system; Ester type, nitrile type, phosphate type or mixtures thereof can be used. Nonlimiting examples of these include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC), dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, (NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone (GBL), fluoroethylene carbonate (FEC), methyl formate, ethyl formate, formic acid Propyl acetate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, pentyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate or mixtures thereof.

본 발명은 하나 이상의 실란기와 질소가 동시에 도입된 실라잔 계열 화합물이 전기적 산화 또는 환원되어 형성된 부동태 막(passivation layer)이 전극활물질 표면의 일부 또는 전부에 형성된 전극을 제공한다. The present invention provides an electrode in which a passivation layer formed by electrically oxidizing or reducing a silazane-based compound to which at least one silane group and nitrogen are simultaneously introduced is formed on a part or all of the surface of the electrode active material.

상기 전극은 전술한 전해액을 사용하여 충방전을 진행하면 전해액 내 실라잔 계열 화합물이 가역적 리튬 이온과 함께 전극활물질 표면에 자동적으로 형성될 수 있으며, 또는 상기 화합물을 전극활물질 표면에 코팅하거나, 또는 전극 재료로 병용하여 이루어질 수 있으며, 그 외 기제조된 전극 표면에 코팅하여 이루어질 수도 있다. 이때 상기 부동태 막은 실라잔 계열 화합물이 전기적 환원에 의해 중합(polymerization)되어 전극활물질 표면의 일부 또는 전부에 형성된 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface) 피막일 수 있다.When the electrode is charged and discharged using the above-described electrolyte, the silazane-based compound in the electrolyte can be automatically formed on the surface of the electrode active material together with the reversible lithium ion, or the compound can be coated on the surface of the electrode active material, Or may be formed by coating the surface of the produced electrode. At this time, the passivation layer may be a solid electrolyte interface coating formed on part or all of the surface of the electrode active material by polymerizing the silazane-based compound by electrical reduction.

이와 같이 실라잔 계열 화합물 또는 이의 화학 반응 결과물이 전극활물질 표면의 일부 또는 전부에 형성된 전극을 구비하는 이차 전지는 전극 내 탄소재, 전이금속 및 전이금속 산화물을 안정화시킬 뿐만 아니라, 전해액이 전극 표면과 직접적으로 반응함으로써 발생되는 발열반응을 효과적으로 제어하고, 전극활물질의 구조 붕괴를 지연시킴으로써 전지 내부의 온도 상승에 따른 발화 및 파열 현상을 막을 수 있다. 또한 전지 내 존재하는 수분과의 반응에 의한 할로겐산(예, HF) 생성이 억제되어 전극활물질의 구조적 안정성을 근본적으로 도모할 수 있다.As described above, the secondary battery in which the silazane type compound or the chemical reaction product thereof has electrodes formed on part or all of the surface of the electrode active material not only stabilizes the carbon materials, transition metals and transition metal oxides in the electrode, The exothermic reaction generated by the direct reaction can be effectively controlled and the breakdown of the structure of the electrode active material can be delayed, thereby preventing the ignition and rupture phenomenon caused by the temperature rise inside the battery. In addition, formation of a halogen acid (e.g., HF) by reaction with water present in the battery is suppressed, and the structural stability of the electrode active material can be fundamentally improved.

본 발명에 따른 전극은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있으며, 이의 일 실시예를 들면, 양극활물질 또는 음극활물질을 포함하는 전극 슬러리를 전류 집전체 상에 도포 및 건조하여 제조된다. 이때 선택적으로 도전제 및/또는 바인더를 소량 첨가할 수 있다.The electrode according to the present invention can be produced by binding an electrode active material to an electrode current collector according to a conventional method known in the art. One example of the electrode active material is an electrode slurry containing a cathode active material or a negative active material Coated on a current collector and dried. At this time, a small amount of conductive agent and / or binder may be optionally added.

양극활물질은 종래 이차 전지의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 이의 비제한적인 예로는 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 있다. 바람직하게는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - YCoYO2, LiCo1 - YMnYO2, LiNi1-YMnYO2 (여기에서, 0≤Y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 -zCozO4(여기에서, 0<Z<2), LiNi1 - XCoXMYO2 (여기에서, M = Al, Ti, Mg, Zr, 0 < X ≤1, 0 ≤Y ≤0.2), LiNiXCoYMn1 -X- YO2 (여기에서, 0 < X ≤ 0.5, 0 < Y ≤ 0.5) 또는 LiMxM′yMn(2-x-y)O4 (M, M′= V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, 0 < X ≤ 1, 0 < Y ≤ 1), LiCoPO4, LiFePO4 또는 이들의 혼합물 등이 있다.As the cathode active material, a conventional cathode active material which can be used for a cathode of a conventional secondary battery can be used. Non-limiting examples of the cathode active material include LiM x O y (M = Co, Ni, Mn, Co a Ni b Mn c ) A transition metal complex oxide (for example, lithium manganese composite oxide such as LiMn 2 O 4 , lithium nickel oxide such as LiNiO 2 , lithium cobalt oxide such as LiCoO 2 , and manganese, nickel and cobalt of these oxides, Or vanadium oxide containing lithium), or a chalcogen compound (e.g., manganese dioxide, titanium disulfide, molybdenum disulfide, etc.). Preferably LiCoO 2, LiNiO 2, LiMnO 2 , LiMn 2 O 4, Li (Ni a Co b Mn c) O 2 (0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), LiNi 1 - Y Co Y O 2, LiCo 1 - Y Mn Y O 2, LiNi 1-Y Mn Y O 2 ( here, 0≤Y <1), Li ( Ni a Co b Mn c) O 4 (0 <a <2, 0 <b <2, 0 <c <2, a + b + c = 2), LiMn 2 - z Ni z O 4, LiMn 2 -z Co z O 4 ( here, 0 <Z <2), LiNi 1 - X Co X M Y O 2 ( here, M = Al, Ti, Mg , Zr, 0 <X ≤1, 0 ≤Y ≤0.2), LiNi X Co y Mn 1 -X- y O 2 (here, 0 <x ≤ 0.5, 0 <y ≤ 0.5) or LiM x M 'y Mn (2 -xy) O 4 (M, M' = V, Cr, Fe , Co, Ni, Cu, 0 <X? 1, 0 <Y? 1), LiCoPO 4 , LiFePO 4 or a mixture thereof.

음극활물질은 종래 이차 전지의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 이의 비제한적인 예로는 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소재, 석 유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite), 리튬을 삽입(insert) 및 탈삽입할 수 있는 13족, 14족의 단원소, 고용체 및 합금, 기타 리튬을 흡장 및 방출할 수 있고 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 Li4Ti5O12 같은 금속 산화물 등이 있다.The negative electrode active material may be a conventional negative electrode active material that can be used for a negative electrode of a secondary battery. Examples of the negative electrode active material include lithium metal or lithium alloy, carbonaceous material, petroleum coke, activated carbon, Graphite, Group 13 and Group 14 elements, solid solutions and alloys capable of lithium intercalation and deintercalation, and other TiO 2 capable of intercalating and deintercalating lithium and having a potential for lithium of less than 2 V, And metal oxides such as SnO 2 and Li 4 Ti 5 O 12 .

양극 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.Non-limiting examples of the positive current collector include aluminum, nickel, or a combination thereof. Examples of the negative current collector include copper, gold, nickel, or a copper alloy or a combination thereof Foil to be manufactured, and the like.

바인더로는 통상적인 결합제를 사용할 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 또는 SBR(styrene butadiene rubber) 등이 있다. As binders, conventional binders can be used, and non-limiting examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVDF) or styrene butadiene rubber (SBR).

도전제는 구성된 전지 내에서 화학변화를 일으키지 않는 전자전도성 재료이면 무엇이든지 사용 가능하다. 예를 들면 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 파네스블랙, 서멀블랙 등의 카본블랙; 천연흑연, 인조흑연, 도전성 낱소 섬유 등을 사용할 수 있다. 특히 카본블랙, 흑연분말, 탄소섬유가 바람직하다.The conductive agent may be any electronic conductive material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Carbon black such as acetylene black, ketjen black, fines black and thermal black; Natural graphite, artificial graphite, conductive piece fibers and the like can be used. Particularly, carbon black, graphite powder and carbon fiber are preferable.

결착제로는 열가소성 수지, 열경화성 수지 중 어느 하나를 사용하더라도 좋으며, 이들을 조합하여 사용할 수도 있다. 이들 중에서는 폴리불화비닐리덴 (PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)이 바람직하며, 특히 PVdF가 더욱 바람직하다. As the binder, either a thermoplastic resin or a thermosetting resin may be used, or a combination thereof may be used. Of these, polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) is preferable, and PVdF is particularly preferable.

분산매로는 수계분산매나 N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기분산매를 사용할 수 있다. As the dispersion medium, an organic dispersion medium such as an aqueous dispersion medium or N-methyl-2-pyrrolidone can be used.

본 발명은 양극; 음극; 전해질; 및 (d) 분리막을 포함하는 이차 전지로서, 상기 전해액이 전술한 전해액 첨가제가 포함된 전해액이거나(이고); 상기 양극, 음극 또는 양(兩) 전극은 상기 실라잔 계열 화합물 또는 이의 환원(산화) 결과물을 함유하는 부동태 막이 표면의 일부 또는 전부에 형성된 전극인 것이 특징인 이차 전지를 제공한다.The present invention relates to a positive electrode; cathode; Electrolyte; And (d) a separator, wherein the electrolyte is an electrolyte solution containing the above-described electrolyte additive; Wherein the positive electrode, the negative electrode, or both electrodes are electrodes in which a passivation film containing the silazane type compound or a reduction (oxidation) product thereof is formed on part or all of the surface.

상기 이차 전지로는 리튬 이차 전지가 바람직하며, 리튬 이차 전지의 비제한적인 예로는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등이 있다.The secondary battery is preferably a lithium secondary battery, and examples of the lithium secondary battery include a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, and a lithium ion polymer secondary battery.

본 발명의 이차 전지는 상기 실라잔 계열 화합물이 첨가된 전해액을 사용하는 것을 제외하고는 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 개재시킨 후 상기 전해액을 투입하여 제조될 수 있다. . 그 외, 전술한 화합물이 도입된 전극을 단독으로 사용할 수 있으며, 또는 전술한 전해액 첨가제가 첨가된 전해액과 혼용할 수도 있다. The secondary battery of the present invention may be manufactured by a conventional method known in the art, except that the electrolyte containing the silazane-based compound is used, a porous separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode, . . In addition, the electrode into which the above-described compound is introduced may be used alone, or may be mixed with the electrolytic solution to which the above-mentioned electrolyte additive is added.

분리막으로는 다공성 분리막을 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들면 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 다공성 분리막, 또는 무기물 입자가 도입된 다공성 분리막을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the separation membrane, it is preferable to use a porous separation membrane. For example, a polypropylene-based, polyethylene-based, polyolefin-based porous separation membrane or a porous separation membrane into which inorganic particles are introduced may be used.

상기의 방법으로 제작된 이차 전지의 외형은 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다. The outer shape of the secondary battery manufactured by the above method is not limited, but may be a cylindrical shape, a square shape, a pouch shape, a coin shape, or the like using a can.

또한 본 발명은 이차 전지의 음극상에서 환원되어 고체 전해질 계면(SEI)막을 형성할 수 있는 화합물로서, 하나 이상의 실란기 및 질소를 함유하는 실라잔 계 열 화합물인 것이 특징인 SEI막 형성용 전해액 첨가제를 제공한다. The present invention also provides an electrolyte additive for forming an SEI film, which is a compound capable of forming a solid electrolyte interface (SEI) film on a negative electrode of a secondary battery, which is a silazane-based thermal compound containing at least one silane group and nitrogen to provide.

상기 SEI막 형성용 전해액 첨가제는 전술한 화학식 1의 실라잔 계열 화합물이 바람직하며, 보다 바람직하게는 헥사메틸디실라잔(HMDS)이다. The electrolyte additive for forming the SEI film is preferably a silazane-based compound of the above-mentioned formula (1), more preferably hexamethyldisilazane (HMDS).

추가적으로, 본 발명은 (a) 양극의 작동 전압 범위내에서 산화되어 전극 저항을 증가시키는 보호막을 형성하는 제 1 화합물; 및 (b) 양극의 작동 전압 이상에서 산화되어 발열, 가스 발생, 부동태 막 형성으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 작용을 하는 제2화합물을 포함하며, 제1화합물의 산화에 의해 형성된 보호막에 의해 제2화합물의 자체 산화 전위가 유동적으로 변화되는 것이 특징인 전지용 전해액을 제공할 수 있다. In addition, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) forming a protective film that oxidizes within an operating voltage range of an anode to increase the electrode resistance; And (b) a second compound which is oxidized at an operating voltage of the anode or higher to form at least one kind of action selected from the group consisting of heat generation, gas generation, and passivation film formation, 2 &lt; / RTI &gt; compound of the present invention is fluidly changed.

이때 제2화합물은 제1화합물의 산화에 의해 형성된 보호막에 의해 자체 산화 전위가 증가할 수 있으며, 이러한 제2화합물의 산화 전위 증가로 인해 상기 전해액은 4.2V 내지 5V 범위의 과충전 전압을 방지할 수 있다. 즉, 제1화합물로서 HMDS를 함께 포함하는 전해질에서는 HMDS 에 의한 제2화합물(예, CHB)의 산화전위가 상승하게 되므로, 실제 전지의 상용 범위내에서 CHB 의 반응을 억제시켜 전지의 수명 등 기타 제반 성능에 영향을 주지 않고, 과충전과 같은 비이상적인 상황에서 선택적으로 작동할 수 있도록 할 수 있다.At this time, the second compound may have its own oxidation potential increased by the protective film formed by the oxidation of the first compound, and due to the increase of the oxidation potential of the second compound, the electrolyte can prevent overcharge voltage in the range of 4.2V to 5V have. That is, in the electrolyte containing HMDS as the first compound, the oxidation potential of the second compound (for example, CHB) due to HMDS is increased. Therefore, the reaction of CHB is suppressed within the practical range of the actual battery, It is possible to selectively operate in a non-ideal situation such as overcharging without affecting the overall performance.

상기 제1화합물은 헥사메틸디실라잔(HMDS) 등이 있으며, 제2화합물의 비제한적인 예로는 톨루엔 (toluene: TL), 불화톨루엔(fluorotoluene: FT), 부틸벤젠 (t-butyl benzene: BB), 디부틸벤젠 (di-t-butyl benzene: DBB), 아밀벤젠 (t-amyl benzene: AB), 시클로헥실벤젠(cyclohexyl benzene: CHB), 비페닐(biphenyl: BP), 불화비페닐(fluorobiphenyl: FBP), 아니솔(anisol) 계열 화합물 또는 이들의 혼합물 등이 있다.The first compound may be hexamethyldisilazane (HMDS) or the like. Non-limiting examples of the second compound include toluene (TL), fluorotoluene (FT), t-butyl benzene ), Dibutylbenzene (DBB), t-amyl benzene (AB), cyclohexyl benzene (CHB), biphenyl (BP), fluorobiphenyl : FBP), anisol-based compounds, or mixtures thereof.

본 발명은 하기의 실시예 및 실험예에 의거하여 더욱 상세히 설명된다. 단, 실시예 및 비교예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 하기 실시예 및 실험예로만 한정하는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail based on the following examples and experimental examples. However, the examples and comparative examples are for illustrating the present invention and are not limited to the following examples and experimental examples.

실시예 1Example 1

1-1. 전해질 제조1-1. Electrolyte manufacture

EC : EMC = 1 : 2인 조성을 갖는 전해질에 LiPF6 농도를 1M 되도록 한 것에 헥사메틸디실라잔 (HMDS) 0.5 중량부를 혼합하여 제조하였다. EC: EMC = 1: 2 was mixed with 0.5 parts by weight of hexamethyldisilazane (HMDS) so that the LiPF 6 concentration was 1 M in the electrolyte.

1-2. 전지 제조1-2. Battery Manufacturing

음극 활물질로는 MAG D/AGM 97.5중량%, 도전제 1.5중량% 및 CMC 1.0중량%의 조성으로 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 상에 코팅하여 음극을 제조하였다. As the negative electrode active material, 97.5% by weight of MAG D / AGM, 1.5% by weight of a conductive agent and 1.0% by weight of CMC were added to prepare a negative electrode mixture slurry and then coated on a copper collector to prepare a negative electrode.

양극활물질로 Sn이 도핑된 LiCoO2 96중량%, 도전제 2중량% 및 PVDF(결착제) 2 중량%의 조성으로 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 집전체 상에 코팅하여 양극을 제조하였다. The positive electrode mixture slurry was prepared by adding N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent to a composition of 96 wt% of LiCoO 2 doped with Sn as a positive electrode active material, 2 wt% of a conductive agent and 2 wt% of PVDF And then coated on an aluminum current collector to prepare a positive electrode.

상기와 같이 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 개재시킨 후 상기 1-1에서 제조된 전해질을 투입하여 full cell을 제조하였다. After the porous separator was sandwiched between the anode and the cathode thus prepared, the electrolyte prepared in the above 1-1 was introduced to prepare a full cell.

실시예 2Example 2

EC : EMC = 1 : 2인 조성을 갖는 전해질 대신 EC : PC : DEC = 3:2:5인 조성 전해질에 LiPF6 농도를1M 되도록 하고 HMDS 0.5 중량부를 혼합한 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 전해질 및 상기 전해질을 구비하는 전지를 제조하였다. EC: electrolyte instead of EC having two composition:: EMC = 1 PC: DEC = 3: 2: 5 composition, and so that the electrolyte 1M of LiPF 6 concentration and, the embodiment except that the mixed electrolyte HMDS 0.5 parts by weight The same procedure as in Example 1 was followed to prepare a battery having the electrolyte and the electrolyte.

비교예 1Comparative Example 1

전해액 내에 HMDS 를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that HMDS was not added to the electrolyte solution.

비교예 2Comparative Example 2

전해액 내에 HMDS 를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 2 except that HMDS was not added to the electrolyte solution.

실험예 1. 전해액의 Cyclic voltammetry 평가Experimental Example 1. Evaluation of Cyclic Voltammetry of Electrolyte

HMDS이 전해액 성분으로 사용된 실시예 1의 전해액과 HMDS가 첨가되지 않은 비교예 1의 전해액을 각각 사용하여 Cyclic voltammetry를 수행하였다. 이때 작업 전극은 Pt, 보조 전극은 Pt, 기준전극은 Li metal을 사용하였으며, 전압 이동 속도는 20mV/s 였다. Cyclic voltammetry was performed using the electrolyte of Example 1 in which HMDS was used as an electrolyte component and the electrolyte of Comparative Example 1 in which HMDS was not added. At this time, the working electrode was made of Pt, the auxiliary electrode was made of Pt, and the reference electrode was made of Li metal, and the voltage transfer rate was 20 mV / s.

도 1에 나타난 바와 같이, HMDS 가 전해액 내에 존재하는 실시예 1의 전해액에서는 Li metal 을 기준으로 양극 전위 3.15V 에서 매우 작게, 4.0V 근처에서 큰 산화 전류가 흐르는 것을 볼 수 있었다. 이는 전해액 성분으로 포함된 HMDS 에 의해 산화 반응이 일어나고 있다는 것을 의미하는 것이다. 이러한 산화반응은 기타 제반 성능에 영향을 끼치지는 않으며 양극을 효과적으로 보호할 수 있는 막이나 혹은 화합물로 작용할 수 있다는 것을 예측할 수 있다.As shown in FIG. 1, in the electrolyte solution of Example 1 in which HMDS was present in the electrolyte solution, a large oxidation current flowed around 4.0 V at a positive electrode potential of 3.15 V on the basis of Li metal. This means that the oxidation reaction is taking place by the HMDS contained in the electrolytic solution component. It can be expected that this oxidation reaction does not affect other performance and can act as a membrane or compound that can effectively protect the anode.

실험예 2. 전지의 성능 평가Experimental Example 2. Evaluation of performance of a battery

본 발명에 따라 실라잔 계열 화합물이 전해액 성분으로 사용된 리튬 이차 전지의 제반 성능 평가를 하기와 같이 수행하였다.The performance evaluation of a lithium secondary battery in which a silazane-based compound was used as an electrolyte component according to the present invention was performed as follows.

2-1. 초기 2-1. Early formationformation 시 음극에 형성되는  Cathode SEISEI layerlayer 차이 Difference

HMDS이 전해액 성분으로 사용된 실시예 2의 리튬 이차 전지와 HMDS가 첨가되지 않은 전해액을 구비하는 비교예 2의 리튬 이차 전지를 하기와 같이 formation 을 수행하였다. The lithium secondary battery of Comparative Example 2 including the lithium secondary battery of Example 2 and the HMDS-free electrolyte, in which HMDS was used as an electrolytic solution component, was formed as follows.

각 전지들을 0.2C의 속도로 CC (constant current) 방식으로 정전류를 50분간 인가하였다. 충전 용량과 전압 상승에 대한 결과인 도 2a를 얻어 X축과 Y 축을 바꿔 전압상승별 충전 용량 변화에 대한 미분 그래프를 도 2b에 나타내었다. 도 2a에서는 충전시 음극 SEI layer 의 형성 차이를 가늠하기 힘들기 때문에 각 전압에 따른 충전량의 변화 (즉 전압에 변화에 따른 충전량의 변화로 나타냄, 미분함)를 통해 확인이 가능하다. 이렇게 나타낸 것이 도2b이다. Each cell was subjected to a constant current (CC) at a rate of 0.2 C for 50 minutes. 2A, which is a result of the charging capacity and the voltage rise, is obtained, and a differential graph for the variation of the charging capacity per voltage rise by changing the X and Y axes is shown in FIG. 2B. 2A, it is difficult to gauge the difference in formation of the anode SEI layer during charging. Therefore, it is possible to confirm the change of the charged amount according to each voltage (that is, represented by the change of the charged amount according to the voltage change, differentiated). This is shown in FIG. 2B.

실험 결과, HDMS를 사용하는 실시예 2의 전지는 전해액 첨가제를 사용하지 않은 비교예 2의 전지에 비해 3.0~3.2V 사이의 반응 피크가 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있었다(도 2a 및 도 2b 참조). 이는 HMDS 가 전해액 내에 존재하게 되는 경우 음극에서 전해액, 리튬염와 반응하여 환원 생성물을 형성하였음을 보여주는 것이다. 즉, 전지의 성능을 좌우할 수 있는 SEI layer가 상이하게 형성되었음을 알 수 있었다.As a result, it was confirmed that the battery of Example 2 using HDMS significantly reduced the reaction peak between 3.0 and 3.2 V compared to the battery of Comparative Example 2 which did not use the electrolyte additive (see FIGS. 2A and 2B) . This shows that when HMDS is present in the electrolyte, it reacts with the electrolyte and lithium salt in the negative electrode to form a reduction product. In other words, it was found that the SEI layer which can influence the performance of the battery was formed differently.

또한 비교예 2와 실시예 2의 전극을 각각 만충전 상태에서 분해하여 음극의 TPD-GC-MS을 실시하였다. 도 3을 통해 분석한 결과, HMDS를 사용한 실시예2의 음극에서는 200℃ 이하 낮은 온도에서 cyclic ether 류가 추가적으로 검출되었는데 이는 SEI layer 가 분해되어 나타나는 것으로 판단된다. 높은 온도 (200~350도)에서는 cyclic ether compound 이외에 확실한 구조는 알 수 없으나 nitrogen 을 함유하는 분자들도 관찰되었다. 즉, 전해액 성분으로 HMDS를 첨가할 경우 환원반응으로 인해 SEI layer의 형성이 급격히 증가할 뿐 아니라 그 조성으로 nitrogen 이 전해액과 반응하여 생성된 유기물 또는 NH4 + 와 각종 음이온이 결합한 상태의 salt 성분으로 전지 표면에 침전되어 보호막 역할을 하는 것으로 판단된다.In addition, the electrodes of Comparative Example 2 and Example 2 were decomposed in a fully charged state to perform TPD-GC-MS of the cathode. As a result of analysis through FIG. 3, in the cathode of Example 2 using HMDS, a cyclic ether stream was additionally detected at a temperature lower than 200 ° C, indicating that the SEI layer was decomposed. At high temperature (200 ~ 350degree), the structure is unknown except for the cyclic ether compound, but molecules containing nitrogen are also observed. That is, when HMDS is added as an electrolytic solution component, the formation of SEI layer is rapidly increased due to the reduction reaction. In addition, a salt component in which NH 4 + is combined with various anions, It is believed that it acts as a protective film by precipitating on the cell surface.

2-2. 용량 특성 평가2-2. Capacity characterization

실시예 2 및 비교예 2의 전지들을 0.92C의 속도로 CC-CV(constant current-constant voltage) 방식으로 4.2V까지 정전류를 인가한 후 4.2V에서 정전압으로 전류를 제어하였다. 방전시에는 1.0C의 속도로 CC(constant current) 방식으로 3.0V에서 cut-off시켜 4번 반복한 후 같은 방식으로 충전 후 0.2C 의 속도로 방전하여 용량 특성을 하기 표 1에 기재하였다. The cells of Example 2 and Comparative Example 2 were subjected to a constant current to a voltage of 4.2 V at a constant current-constant voltage (CC-CV) at a rate of 0.92 C, and then a current was controlled at a constant voltage of 4.2 V. At the time of discharging, the cells were cut off at 3.0 V at a constant current (CC) at a rate of 1.0 C, repeated four times, and discharged at the rate of 0.2 C after charging in the same manner.

실험 결과, HMDS가 전해액 성분으로 첨가된 실시예 2의 리튬 이차 전지는 용량 특성이 비교예보다 약 2% 가량 향상되는 것을 확인할 수 있었다(표 1 참조). 이는 HMDS 성분이 SEI의 소모와 재생성에 참여함으로써, 상기 유기 성분을 포함하는 SEI피막이 전해액과 전극의 부반응성을 낮춰 음극 표면에 Li 석출을 억제하여 용량 특성이 향상된 것으로 판단된다.As a result of the experiment, it was confirmed that the capacity of the lithium secondary battery of Example 2 in which HMDS was added as an electrolyte component was improved by about 2% as compared with the comparative example (see Table 1). This is because the HMDS component participates in the consumption and regeneration of the SEI, so that the SEI coating containing the organic component lowers the negative reactivity of the electrolyte and the electrode, thereby suppressing the precipitation of Li on the surface of the negative electrode.

방전용량 (mAh)Discharge capacity (mAh) 실시예2 (HMDS 포함)Example 2 (including HMDS) 비교예2 (HMDS 포함하지 않음)Comparative Example 2 (not containing HMDS) 1.0C 방전-1회1.0C discharge -1 times 887887 874874 1.0C 방전-2회1.0C discharge -2 times 894894 885885 1.0C 방전-3회1.0C discharge -3 times 890890 880880 1.0C 방전-4회1.0C discharge -4 times 887887 874874 0.2C 방전-1회0.2C discharge -1 times 918918 899899

2-3. 수명 특성 평가2-3. Evaluation of life characteristics

실시예 2 및 비교예 2들을 0.92C의 속도로 CC-CV(constant current-constant voltage) 방식으로 4.2V까지 정전류를 인가한 후 4.2V에서 정전압으로 전류를 제어하였다. 방전시에는 1.0C의 속도로 CC(constant current) 방식으로 3.0V에서 cut-off 하는 방식으로 수명 특성 실험을 수행하였다. Example 2 and Comparative Example 2 were subjected to a constant current-to-constant voltage (CC-CV) method at a rate of 0.92 C to 4.2 V, and then the current was controlled at a constant voltage of 4.2 V. In the discharge, the lifetime characteristics test was performed by the method of cut-off at 3.0V at a constant current of 1.0C.

용량 확인 실험에서 확인된 바와 같이, HMDS 가 존재하는 실시예 2의 전지는 초기 용량이 높은 상태에서 충방전이 실시될 뿐만 아니라, 이후 계속되는 충방전 cycle 에서 방전용량의 우위를 유지하였다(도 4 참조). 즉, 전지의 수명특성은 음극의 SEI layer 와 밀접한 관계를 가지고 있기 때문에, HMDS 첨가제 사용으로 인해 음극의 SEI layer의 질적 향상이 도모된 것으로 판단할 수 있었다. As confirmed in the capacity confirmation experiment, the battery of Example 2 in which HMDS was present not only performed charging / discharging at a high initial capacity, but maintained the superiority of the discharging capacity in the subsequent charge / discharge cycle (see FIG. 4 ). That is, since the lifetime characteristics of the battery are closely related to the SEI layer of the cathode, it can be concluded that the use of the HMDS additive improves the quality of the SEI layer of the cathode.

실험예 3. 전지의 고온 보존 특성 평가EXPERIMENTAL EXAMPLE 3. Evaluation of High Temperature Storage Characteristics of Batteries

본 발명에 따라 실라잔 계열 화합물이 전해액 성분으로 사용된 리튬 이차 전지의 고온 보존 특성 평가를 하기와 같이 수행하였다.The high-temperature storage characteristics of the lithium secondary battery in which the silazane-based compound was used as an electrolytic solution component according to the present invention was evaluated as follows.

HMDS이 전해액 성분으로 사용된 실시예 2의 리튬 이차 전지와 HMDS가 첨가되지 않은 전해액을 구비하는 비교예 2의 리튬 이차 전지를 0.92C의 속도로 CC-CV(constant current-constant voltage) 방식으로 4.2V까지 정전류를 인가한 후 4.2V에서 정전압으로 전류를 제어하였다. 초기 용량을 측정한 후 만충전 상태에서 90℃에서 4시간 보관한 후 50 사이클링하여 전지의 고온 보존 특성을 측정하였다.The lithium secondary battery of Comparative Example 2 including the lithium secondary battery of Example 2 in which HMDS was used as an electrolytic solution component and the electrolytic solution to which HMDS was not added was charged at a rate of 0.92 C in a constant current-constant voltage (CC-CV) V, and the current was controlled from 4.2V to the constant voltage. After the initial capacity was measured, the battery was stored at 90 ° C for 4 hours in a fully charged state and then subjected to 50 cycles to measure the high temperature storage characteristics of the battery.

실험 결과, 실시예 2의 전지는 비교예 2의 전지에 비해 초기 방전 용량이 높을 뿐만 아니라 이후 반복적인 충방전 사이클에서도 우수한 고온 수명 특성을 보여주었다(도 5 참조). As a result of the test, the battery of Example 2 exhibited an excellent initial discharge capacity as compared with the battery of Comparative Example 2, and also exhibited excellent high-temperature lifetime characteristics even after repeated charge-discharge cycles (see FIG. 5).

결과적으로, 실라잔 계열 화합물을 포함하는 본원발명의 이차 전지는 고효율, 고용량, 장수명 뿐만 아니라 우수한 고온 보존 특성을 보유함을 알 수 있었다.As a result, it has been found that the secondary battery of the present invention including the silazane-based compound has high efficiency, high capacity, long life, and excellent high-temperature storage characteristics.

실험예 4. 전해액의 HF 농도 비교 평가 Experimental Example 4. Comparative Evaluation of HF Concentration of Electrolyte

본 발명에 따라 전해액 첨가제를 포함하는 전해액에서 HF 농도 증가량을 평가하기 위하여, 하기와 같은 실험을 실시하였다.In order to evaluate the amount of increase in HF concentration in the electrolytic solution containing the electrolyte additive according to the present invention, the following experiment was conducted.

HMDS이 전해액 성분으로 사용된 실시예 1의 전해액과 HMDS가 첨가되지 않은 비교예 1의 전해액을 각각 사용하여 전해액의 HF 측정기(기기 785 DMP Titrino)로 실험을 수행하였다. 상기 전해액의 초기 산도(pH)를 각각 측정한 후 0.01N NaOH 적정을 통해 전해액 1g 당 HF 잔존량을 측정하였다.An experiment was conducted with an electrolyte HF meter (instrument 785 DMP Titrino) using the electrolyte of Example 1 in which HMDS was used as an electrolyte component and the electrolyte of Comparative Example 1 in which HMDS was not added. The initial pH (pH) of the electrolyte solution was measured, and the amount of HF remaining per 1 g of the electrolytic solution was measured by 0.01N NaOH titration.

실험 결과, 실시예 1의 전해액은 전해액 첨가제가 사용되지 비교예 1의 전해액에비해 초기 산도(pH) 및 HF 농도 감소 효과가 있음을 알 수 있었다(표 2 참조). 이를 통해 HMDS는 H2O scavenger 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.As a result of the experiment, it was found that the electrolyte of Example 1 had an effect of reducing the initial pH (pH) and HF concentration compared with the electrolyte of Comparative Example 1 in which the electrolyte additive was not used (see Table 2). It was confirmed that HMDS plays a role of H 2 O scavenger.

실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 EC/EMC=1/2, LiPF6 1.0MEC / EMC = 1/2, LiPF 6 1.0M EC/EMC=1/2, LiPF6 1.0M,
HDMS 0.02 중량부
EC / EMC = 1/2, LiPF 6 1.0M,
HDMS 0.02 parts by weight
초기 산도 (pH)Initial pH (pH) 5.185.18 4.44.4 전해액 단위 무게당 잔존 HF량 (ppm/g)Remaining HF amount per unit weight of electrolyte (ppm / g) 17 ppm/g17 ppm / g 42 ppm/g42 ppm / g

본 발명에서는 실라잔 계열 화합물을 전해액 구성 성분으로 사용함으로써, 양(兩) 전극 표면에 안정한 피막 형성을 통해 전지 성능을 저하시키는 부가적인 반응을 억제시켜 전지의 용량과 수명특성 향상을 구현할 수 있다.In the present invention, by using a silazane-based compound as an electrolyte component, it is possible to suppress the additional reaction of reducing the battery performance by forming a stable film on the surface of both electrodes, thereby improving the capacity and life characteristics of the battery.

Claims (11)

전해질 염 및 전해액 용매를 포함하는 전지용 전해질에 있어서, 상기 전해질은 전지 내에서 전기화학적으로 반응하여 비활성 막(passivation layer)을 형성할 수 있는 화합물로서 하기 화학식 1로 표기되는 실라잔(silazane) 계열 화합물을 포함하고,The electrolyte for a battery comprising an electrolyte salt and an electrolyte solution, wherein the electrolyte is capable of forming a passivation layer by electrochemically reacting in a battery, wherein the electrolyte is a silazane-based compound represented by the following formula (1) / RTI &gt; 상기 실라잔 계열 화합물은 전지의 작동 전압 영역에서 충방전에 의해 환원되어 음극에 부동태 막(passivation layer)을 형성할 수 있는 것이 특징인 전지용 전해질:Wherein the silazane-based compound is reduced by charge and discharge in an operating voltage range of a battery to form a passivation layer on the negative electrode. [화학식 1][Chemical Formula 1] R1R2R3Si-NR7-SiR4R5R6 R 1 R 2 R 3 Si-NR 7 -SiR 4 R 5 R 6 상기 식에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7은 각각 독립적으로 수소, 또는 할로겐 원자로 치환되거나 비치환된 C1~C6의 알킬기이다. Wherein R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently hydrogen or a C 1 -C 6 alkyl group which is unsubstituted or substituted with a halogen atom. 제1항에 있어서, 상기 실라잔 계열 화합물은 자체 내 2개 이상의 실란기가 존재하고 이들이 질소에 의해 연결되는 것인 전지용 전해질.The battery electrolyte according to claim 1, wherein the silazane-based compound has two or more silane groups in itself and they are connected by nitrogen. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 실라잔 계열 화합물의 함량은 전해액 100 중량부 당 0.01 내지 10 중량부 범위인 전지용 전해질.The battery electrolyte according to claim 1, wherein the content of the silazane-based compound ranges from 0.01 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the electrolyte solution. 하기 화학식 1로 표기되는 실라잔 계열 화합물이 전기적 환원되어 형성된 부동태 막(passivation layer)이 음극활물질 표면의 일부 또는 전부에 형성된 음극:A passivation layer formed by electrically reducing the silazane-based compound represented by the following formula (1) is formed on a part or all of the surface of the negative electrode active material: [화학식 1][Chemical Formula 1] R1R2R3Si-NR7-SiR4R5R6 R 1 R 2 R 3 Si-NR 7 -SiR 4 R 5 R 6 상기 식에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7은 각각 독립적으로 수소, 또는 할로겐 원자로 치환되거나 비치환된 C1~C6의 알킬기이다.Wherein R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently hydrogen or a C 1 -C 6 alkyl group which is unsubstituted or substituted with a halogen atom. 제6항에 있어서, 상기 부동태 막은 에테르와 질소를 포함하는 것인 음극. 7. The cathode of claim 6, wherein the passivation film comprises ether and nitrogen. 삭제delete 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 포함하는 이차 전지로서, 상기 이차 전지는 제1항, 제2항 및 제5항 중 어느 한 항의 전해질을 포함하는 이차 전지.A secondary battery comprising an anode, a cathode, an electrolyte and a separator, wherein the secondary battery includes the electrolyte according to any one of claims 1, 2, and 5. 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 포함하는 이차 전지로서, 상기 이차 전지는 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항의 음극을 포함하는 이차 전지.A secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte and a separator, wherein the secondary battery comprises the negative electrode according to any one of claims 6 to 7. 이차 전지의 음극상에서 환원되어 고체 전해질 계면(SEI)막을 형성할 수 있는 화합물로서, 하기 화학식 1로 표기되는 실라잔 계열 화합물인 것이 특징인 SEI막 형성용 전해액 첨가제: An electrolyte additive for forming an SEI film characterized by being a silazane system compound represented by the following formula (1) as a compound capable of being reduced on a negative electrode of a secondary battery to form a solid electrolyte interface (SEI) film: [화학식 1][Chemical Formula 1] R1R2R3Si-NR7-SiR4R5R6 R 1 R 2 R 3 Si-NR 7 -SiR 4 R 5 R 6 상기 식에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7은 각각 독립적으로 수소, 또는 할로겐 원자로 치환되거나 비치환된 C1~C6의 알킬기이다.Wherein R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently hydrogen or a C 1 -C 6 alkyl group which is unsubstituted or substituted with a halogen atom.
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