KR102075091B1 - Electrolyte additive for secondary battery, electrolyte for secondary battery, and secondary battery comprising the same - Google Patents

Electrolyte additive for secondary battery, electrolyte for secondary battery, and secondary battery comprising the same Download PDF

Info

Publication number
KR102075091B1
KR102075091B1 KR1020170158609A KR20170158609A KR102075091B1 KR 102075091 B1 KR102075091 B1 KR 102075091B1 KR 1020170158609 A KR1020170158609 A KR 1020170158609A KR 20170158609 A KR20170158609 A KR 20170158609A KR 102075091 B1 KR102075091 B1 KR 102075091B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrolyte
lithium
nickel
substituted
unsubstituted
Prior art date
Application number
KR1020170158609A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20190060425A (en
Inventor
임태은
Original Assignee
인천대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인천대학교 산학협력단 filed Critical 인천대학교 산학협력단
Priority to KR1020170158609A priority Critical patent/KR102075091B1/en
Publication of KR20190060425A publication Critical patent/KR20190060425A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102075091B1 publication Critical patent/KR102075091B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0567Liquid materials characterised by the additives
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0568Liquid materials characterised by the solutes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0569Liquid materials characterised by the solvents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/10Batteries in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025Organic electrolyte
    • H01M2300/0028Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0037Mixture of solvents
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 이차전지용 전해질 첨가제에 관한 것이다. 이에 의하여, 니켈-리치 양극의 잔여 리튬류를 제거하여 셀 내부 압력을 감소시키고, 양극 표면에 양극-전해질 중간상(CEI) 보호층을 형성하여 표면 안정성을 향상시키며, 전해질의 분해를 억제하여 셀의 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.
[화학식 1]

Figure 112017117503379-pat00007
The present invention relates to an electrolyte additive for a secondary battery represented by the following formula (1). As a result, the internal pressure of the cell is reduced by removing residual lithium in the nickel-rich anode, and a positive electrode-electrolyte intermediate phase (CEI) protective layer is formed on the surface of the anode to improve surface stability and to suppress decomposition of the electrolyte to Cycle characteristics can be improved.
[Formula 1]
Figure 112017117503379-pat00007

Description

이차전지용 전해질 첨가제, 그를 포함하는 이차전지용 전해질 및 이차전지{ELECTROLYTE ADDITIVE FOR SECONDARY BATTERY, ELECTROLYTE FOR SECONDARY BATTERY, AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}ELECTROLYTE ADDITIVE FOR SECONDARY BATTERY, ELECTROLYTE FOR SECONDARY BATTERY, AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}

본 발명은 이차전지용 전해질 첨가제, 그를 포함하는 이차전지용 전해질 및 이차전지 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지 특히, 리튬-리치 양극재료를 사용하는 리튬이온전지에서의 양극재료의 표면 안정성을 개선하고 사이클 특성을 향상시킬 수 있는 이차전지용 전해질 첨가제, 그를 포함하는 이차전지용 전해질 및 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte additive for a secondary battery, an electrolyte for a secondary battery and a secondary battery comprising the same, and more particularly, to improve surface stability of a cathode material in a secondary battery, in particular, a lithium ion battery using a lithium-rich cathode material. The present invention relates to an electrolyte additive for a secondary battery capable of improving cycle characteristics, an electrolyte for a secondary battery including the same, and a secondary battery.

전세계적으로 환경적 위기가 진화하면서 전기자동차(EVs)는 친환경적인 대안 교통수단으로 주목받고 있다. 그러나, EVs의 충분치 않은 주행거리는 EVs의 광범위한 사용에 장애가 되고 있다. 전기자동차의 주행거리는 전지의 에너지밀도와 매우 관련이 깊고, 이에 따라 리튬이온전지(LIBs)의 높은 전압에서의 높은 비용량을 제공하는 개선된 전극물질의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 개선된 양극 소재들 중에 층상 니켈/코발트/망가니즈 옥사이드(LiNi x Co y Mn z O2, NCM)은 종래 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2)와 비교할 때 높은 비용량으로 주목받고 있다. 특히, NCM의 비용량은 층상구조에서 Ni 함량이 증가함에 따라 향상될 수 있다; 60% Ni을 포함하는 니켈-리치 NCM 양극 재료는 170 mA h g- 1 의 비용량 이상을 제공할 수 있는데 반해, 종래 LCO는 4.3 V cutoff condition에서 150 mA h g-1의 비용량을 나타내었다.As environmental crises evolve around the world, electric vehicles (EVs) are attracting attention as an environmentally friendly alternative transportation. However, insufficient mileage of EVs is an obstacle to widespread use of EVs. The mileage of an electric vehicle is highly related to the energy density of the battery, and therefore, much effort has been made to develop improved electrode materials that provide high specific capacity at high voltages of Li-ion batteries (LIBs). Among the improved anode materials, layered nickel / cobalt / manganese oxide (LiNi x Co y Mn z O 2 , NCM) has been attracting attention as a high specific amount compared to conventional lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ). In particular, the specific amount of NCM can be improved as the Ni content in the layered structure increases; Nickel containing 60% Ni - rich NCM cathode material is 170 mA hg - contrast can provide a specific capacity of at least 1, the conventional LCO showed a specific capacity of 150 mA hg -1 at 4.3 V cutoff condition.

이와 같은 에너지 밀도의 이점에도 불구하고, Ni-리치 NCM 양극재료는 표면 안정성이 낮고, 이는 사이클링 특성의 지속적인 저하를 일으킨다. 전해질의 분해는 니켈-리치표면에서 쉽게 일어난다. 왜냐하면 비가역적인 전해질 산화에 의해 촉발되어 안정한 Ni4 +가 안정한 Ni3 +로 전환되는 경향이 있기 때문이다. 이는 니켈-리치 양극표면 상에 전기화학적으로 분해된 부산물의 지속적인 축적이 일어나도록 하였고, 이에 따라 셀의 저항이 증가하고 사이클 특성이 저하되었다. 또한, 많은 잔여 리튬류(리튬 하이드록사이드, 리튬 카보네이트 등)은 니켈-리치 양극 표면상에 남아있고, 이는 니켈-리치 NCM 양극 재료의 합성을 위한 소성단계에서 사용되는 리튬 전구체로부터 기인한 것이다.Despite the advantages of this energy density, Ni-rich NCM anode materials have low surface stability, which leads to a continuous deterioration of cycling characteristics. Degradation of the electrolyte easily occurs at the nickel-rich surface. Because there is a tendency that is triggered by a non-reversible electrolytic oxidation stable Ni 4 + conversion in a stable Ni 3 +. This resulted in the continuous accumulation of electrochemically decomposed byproducts on the nickel-rich anode surface, resulting in increased cell resistance and reduced cycle characteristics. In addition, many residual lithiums (lithium hydroxide, lithium carbonate, etc.) remain on the nickel-rich anode surface due to the lithium precursor used in the firing step for the synthesis of the nickel-rich NCM anode material.

이와 같은 잔여 리튬 종이 4.0 V (vs. Li/Li+) 이상의 셀에서 전기화학적 반응에 의해 분해되고, 또한 이것은 산소, 수소, 및 이산화탄소와 같은 가스 부산물의 형성에 의해 셀의 급격한 팽창을 일으키는 문제점을 발생시킨다. 니켈-리치 NCM 양극 재료의 이와 같은 내재적인 표면 특성은 리튬이온전지의 전기화학적 특성과 안정성을 저하하기 때문에, 니켈-리치 양극 재료를 사용하는 리튬이온전지의 높은 효율을 달성하기 위하여 이와 같은 문제를 극복할 필요가 있다.This residual lithium species is decomposed by electrochemical reactions in cells above 4.0 V (vs. Li / Li + ), which also causes the problem of rapid expansion of cells by the formation of gaseous by-products such as oxygen, hydrogen, and carbon dioxide. Generate. Since such intrinsic surface properties of nickel-rich NCM cathode materials deteriorate the electrochemical properties and stability of lithium-ion batteries, these problems are solved in order to achieve high efficiency of lithium-ion batteries using nickel-rich cathode materials. You need to get over it.

한국등록특허공보 제 10-1007504호Korean Registered Patent Publication No. 10-1007504

본 발명의 다른 목적은 셀 내의 니켈-리치 양극 표면상에 남아 있는 리튬 하이드록사이드, 리튬 카보네이트 등의 잔여 리튬류를 제거함으로써 양극의 안정성을 향상시키고, 잔여 리튬류에 의해 발생하는 산소, 수소 및 이산화탄소와 같은 가스 부산물 형성에 따른 셀의 급격한 팽창을 방지하여 셀 내부 압력을 감소시킬 수 있는 전해질 첨가제, 이를 포함하는 전해질과 이차전지를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to improve the stability of the positive electrode by removing residual lithium, such as lithium hydroxide, lithium carbonate and the like remaining on the surface of the nickel-rich anode in the cell, oxygen, hydrogen and The present invention provides an electrolyte additive, an electrolyte and a secondary battery including the same, which can reduce the internal pressure of a cell by preventing rapid expansion of the cell due to gas by-products such as carbon dioxide.

본 발명의 목적은 이차전지 특히, 니켈-리치 양극을 포함하는 리튬이온전지의 전해질에 첨가제를 첨가함으로써 양극-전해질 중간상(CEI) 보호층을 양극표면에 형성시키고, 전해질의 분해로 인해 발생하는 부산물의 축적을 방지하여 양극의 안정성을 향상시킬 수 있고, 사이클 특성을 향상시킬 수 있는 전해질 첨가제, 이를 포함하는 전해질과 이차전지를 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to form an anode-electrolyte intermediate phase (CEI) protective layer on the surface of a cathode by adding an additive to an electrolyte of a secondary battery, in particular, a lithium ion battery including a nickel-rich cathode, and by-products generated by decomposition of the electrolyte. The present invention provides an electrolyte additive, an electrolyte and a secondary battery including the same, which can improve the stability of the positive electrode by preventing the accumulation of and improve the cycle characteristics.

본 발명의 일 측면에 따르면,According to one aspect of the invention,

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 이차전지용 전해질 첨가제가 제공된다.There is provided an electrolyte additive for a secondary battery comprising a compound represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112017117503379-pat00001
Figure 112017117503379-pat00001

화학식 1에서,In Formula 1,

R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로아릴기이다.R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted C1 to C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C3 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C1 to C30 heterocycloalkyl group, a substituted or An unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C1 to C30 heteroaryl group.

바람직하게는, R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로아릴기일 수 있다.Preferably, R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and each independently may be a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C1 to C30 heteroaryl group.

더욱 바람직하게는, R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기일 수 있다.More preferably, R 1 to R 3 may be the same or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted C 6 to C 30 aryl group.

상기 이차전지용 전해질 첨가제는 트리페닐 보레이트(Triphenyl borate)일 수 있다.The secondary battery electrolyte additive may be triphenyl borate.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the invention,

하기 화학식 1로 표시되는 이차전지용 전해질 첨가제를 포함하는 이차전지용 전해질이 제공된다.Provided is a secondary battery electrolyte including an electrolyte additive for a secondary battery represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112017117503379-pat00002
Figure 112017117503379-pat00002

화학식 1에서,In Formula 1,

R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로아릴기이다.R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted C1 to C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C3 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C1 to C30 heterocycloalkyl group, a substituted or An unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C1 to C30 heteroaryl group.

상기 전해질은, 에틸렌카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 용매; 육불화인산리튬(LiPF6)을 포함하는 전해질염; 및 상기 이차전지용 전해질 첨가제;를 포함할 수 있다.The electrolyte may be a solvent containing at least one selected from ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC); An electrolyte salt containing lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ); And the electrolyte additive for the secondary battery.

상기 용매는 에틸렌카보네이트(EC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC)가 1:1 내지 1:3의 부피비로 혼합될 수 있다.The solvent may be ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1: 1 to 1: 3.

상기 전해질 첨가제의 농도는 1 내지 3%일 수 있다.The concentration of the electrolyte additive may be 1 to 3%.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the invention,

상기 이차전지용 전해질을 포함하는 이차전지가 제공된다.A secondary battery comprising the secondary battery electrolyte is provided.

상기 이차전지 내 양극 재료는 니켈-리치(Ni-rich)계 양극 재료일 수 있다.The cathode material in the secondary battery may be a nickel-rich cathode material.

상기 니켈-리치 양극 재료는 리튬니켈코발트망간옥사이드 및 리튬니켈코발트옥사이드 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The nickel-rich anode material may be any one selected from lithium nickel cobalt manganese oxide and lithium nickel cobalt oxide.

상기 니켈-리치 양극 재료는 리튬니켈코발트망간옥사이드 일 수 있다.The nickel-rich anode material may be lithium nickel cobalt manganese oxide.

상기 니켈-리치 양극 재료는 니켈(Ni)이 50 내지 70wt% 포함된 것일 수 있다.The nickel-rich anode material may include 50 to 70 wt% nickel (Ni).

상기 이차전지는 충방전 사이클 후 상기 니켈-리치 양극 재료의 표면 상에 상기 전해질 첨가제에 의하여 양극-전해질 중간상(cathode-electrolyte interphase) 보호막이 형성될 수 있다.In the secondary battery, a cathode-electrolyte interphase protective film may be formed on the surface of the nickel-rich cathode material by the electrolyte additive after a charge and discharge cycle.

상기 이차전지는 리튬이온전지, 리튬금속전지, 리튬-황 전지, 리튬-공기전지, 마그네슘이온전지, 나트륨이온전지, 칼륨이온전지 및 알루미늄이온전지 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The secondary battery may be any one selected from a lithium ion battery, a lithium metal battery, a lithium-sulfur battery, a lithium-air battery, a magnesium ion battery, a sodium ion battery, a potassium ion battery, and an aluminum ion battery.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the invention,

상기 이차전지용 전해질을 포함하는 전기 디바이스가 제공된다.An electric device comprising the secondary battery electrolyte is provided.

상기 전기 디바이스는 통신장치, 운송장치, 에너지 저장장치, 및 음향장치 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The electrical device may be any one selected from a communication device, a transportation device, an energy storage device, and an acoustic device.

본 발명의 이차전지용 전해질 첨가제는 셀 내의 니켈-리치 양극 표면상에 남아 있는 리튬 하이드록사이드, 리튬 카보네이트 등의 잔여 리튬류를 제거함으로써 양극의 안정성을 향상시키고, 잔여 리튬류에 의해 발생하는 산소, 수소 및 이산화탄소와 같은 가스 부산물 형성에 따른 셀의 급격한 팽창을 방지하여 셀 내부 압력을 감소시킬 수 있다.The electrolyte additive for a secondary battery of the present invention improves the stability of the positive electrode by removing residual lithium such as lithium hydroxide and lithium carbonate remaining on the surface of the nickel-rich positive electrode in the cell, and generates oxygen, The pressure inside the cell can be reduced by preventing the cell from expanding rapidly due to the formation of gas by-products such as hydrogen and carbon dioxide.

또한, 본 발명의 이차전지용 전해질 첨가제는 니켈-리치 양극을 포함하는 전해질에 첨가됨으로써 양극-전해질 중간상(CEI) 보호층이 양극표면에 형성되고, 전해질의 분해로 인해 발생하는 부산물의 축적을 방지하여 양극의 안정성을 향상시키고, 리튬이온전지 등의 이차전지의 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, the electrolyte additive for a secondary battery of the present invention is added to an electrolyte including a nickel-rich anode to form a cathode-electrolyte intermediate phase (CEI) protective layer on the surface of the anode, and to prevent accumulation of by-products generated by decomposition of the electrolyte. The stability of the positive electrode can be improved, and the cycle characteristics of secondary batteries such as lithium ion batteries can be improved.

도 1은 트리페닐 보레이트의 구조와 첨가제로서의 기능성을 나타낸 것이다.
도 2는 시험예 1에 따른 잔여 리튬류 제거 효과 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 시험예 2에 따른 잔여 리튬류 제거의 정량적 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 시험예 3에 따른 TPB의 전기화학적 거동 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 시험예 4에 따른 TPB 농도에 따른 사이클 특성 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 시험예 5에 따른 전극의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 시험예 6에 따른 전극의 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 시험예 7에 따른 니켈 용해도의 정량적 분석결과를 나타낸 것이다.
1 shows the structure of triphenyl borate and its functionality as an additive.
Figure 2 shows the results of the residual lithium removal effect analysis according to Test Example 1.
3 shows the results of quantitative analysis of residual lithium removal according to Test Example 2.
4 shows the results of analyzing the electrochemical behavior of TPB according to Test Example 3.
5 shows cycle characteristics analysis results according to TPB concentration according to Test Example 4.
6 shows an SEM image of the electrode according to Test Example 5.
7 shows the XPS analysis result of the electrode according to Test Example 6.
8 shows quantitative analysis results of nickel solubility according to Test Example 7.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. However, the following descriptions are not intended to limit the present invention to specific embodiments, and detailed descriptions of well-known technologies related to the present invention will be omitted when it is determined that the present invention may obscure the gist of the present invention. . The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, or combination thereof described in the specification, and one or more other features or It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of adding or presenting numbers, steps, operations, components, or combinations thereof.

본 명세서에서기 "치환된"이란 적어도 하나의 수소원자가 중수소, C1 내지 C30 알킬기, C3 내지 C30 시클로알킬기, C2 내지 C30 헤테로시클로알킬기, C1 내지 C30 할로겐화알킬기, C6 내지 C30 아릴기, C1 내지 C30 헤테로아릴기, C1 내지 C30 알콕시기, C2 내지 C30 알케닐기, C2 내지 C30 알키닐기, C6 내지 C30 아릴옥시기, 실릴옥시기(-OSiH3), -OSiR1H2(R1은 C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), -OSiR1R2H(R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), -OSiR1R2R3, (R1, R2, 및 R3는 각각 독립적으로 C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), C1 내지 C30 아실기, C2 내지 C30 아실옥시기, C2 내지 C30 헤테로아릴옥시기, C1 내지 C30 술포닐기, C1 내지 C30 알킬티올기, C6 내지 C30 아릴티올기, C1 내지 C30 헤테로시클로티올기, C1 내지 C30 인산아마이드기, 실릴기(SiR1R2R3 )(R1, R2, 및 R3는 각각 독립적으로 수소 원자, C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), 아민기(-NRR')(여기에서, R 및 R'은 각각 독립적으로, 수소 원자, C1 내지 C30 알킬기, 및 C6 내지 C30 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기임), 카르복실기, 할로겐기, 시아노기, 니트로기, 아조기, 및 하이드록시기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기로 치환된 것을 의미한다.
As used herein, "substituted" means that at least one hydrogen atom is deuterium, C1 to C30 alkyl group, C3 to C30 cycloalkyl group, C2 to C30 heterocycloalkyl group, C1 to C30 halogenated alkyl group, C6 to C30 aryl group, C1 to C30 hetero Aryl group, C1 to C30 alkoxy group, C2 to C30 alkenyl group, C2 to C30 alkynyl group, C6 to C30 aryloxy group, silyloxy group (-OSiH 3 ), -OSiR 1 H 2 (R 1 is C1 to C30 alkyl group Or C6 to C30 aryl group), -OSiR 1 R 2 H (R 1 and R 2 are each independently C1 to C30 alkyl group or C6 to C30 aryl group), -OSiR 1 R 2 R 3 , (R 1 , R 2 And R 3 are each independently C1 to C30 alkyl group or C6 to C30 aryl group), C1 to C30 acyl group, C2 to C30 acyloxy group, C2 to C30 heteroaryloxy group, C1 to C30 sulfonyl group, C1 to C30 Alkylthiol group, C6 to C30 arylthiol group, C1 to C30 heterocyclothiol group, C1 to C30 phosphate Group, silyl group (SiR 1 R 2 R 3 ) (R 1 , R 2 , and R 3 are each independently a hydrogen atom, a C1 to C30 alkyl group or a C6 to C30 aryl group), an amine group (-NRR ') (here R and R 'are each independently a substituent selected from the group consisting of a hydrogen atom, a C1 to C30 alkyl group, and a C6 to C30 aryl group), a carboxyl group, a halogen group, a cyano group, a nitro group, an azo group, and hydroxy Mean substituted by a substituent selected from the group consisting of groups.

이하, 본 발명의 이차전지용 전해질 첨가제에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the electrolyte additive for a secondary battery of the present invention will be described.

본 발명의 이차전지용 전해질 첨가제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.The electrolyte additive for a secondary battery of the present invention includes a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112017117503379-pat00003
Figure 112017117503379-pat00003

화학식 1에서,In Formula 1,

R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로아릴기이다.R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted C1 to C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C3 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C1 to C30 heterocycloalkyl group, a substituted or An unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C1 to C30 heteroaryl group.

바람직하게는, R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로아릴기일 수 있다.Preferably, R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and each independently may be a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C1 to C30 heteroaryl group.

더욱 바람직하게는, R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기일 수 있다.More preferably, R 1 to R 3 may be the same or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted C 6 to C 30 aryl group.

더욱 더 바람직하게는, 상기 이차전지용 전해질 첨가제는 트리페닐 보레이트(Triphenyl borate)일 수 있다. 트리페닐 보레이트의 구조식을 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하여 트리페닐 보레이트를 이차전지의 전해질에 첨가제로 사용하는 경우 아래의 두 가지의 역할을 수행할 수 있다. Still more preferably, the secondary battery electrolyte additive may be triphenyl borate. The structural formula of triphenyl borate is shown in FIG. 1. Referring to FIG. 1, when triphenyl borate is used as an additive in an electrolyte of a secondary battery, the following two roles may be performed.

첫째, 붕소(B)는 옥텟 규칙을 만족하지 않는 몇 개의 원자가 전자를 가지고 있는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 붕소는 쉽게 두 개의 추가적인 전자를 전자가 많은 분자로부터 받아서 빈 원자가 2p 오비탈을 채울 수 있다. TPB의 사용은 셀 내에서 잔여한 리튬류를 감소시키는데 효과적일 수 있다. 왜냐하면 전자-결핍 붕소는 OH-및 CO3 2 -음이온과 결합할 수 있기 때문이다. 다시 말해, TPB의 사용은 잔여 리튬류의 제거에 의해 셀 내부 압력을 감소시킬 수 있고, 셀의 안정성을 향상시킬 수 있다. First, boron (B) is characterized by having several valence electrons that do not satisfy the octet rule. Thus, boron can easily receive two additional electrons from the electron-rich molecule to fill the empty valence 2p orbitals. The use of TPB can be effective to reduce the amount of lithium remaining in the cell. This is because electron-deficient boron can bind with OH - and CO 3 2 - anions. In other words, the use of TPB can reduce the pressure inside the cell by removing residual lithium, and can improve the stability of the cell.

둘째, 보레이트 기능기는 전기화학적 반응에 의해 효과적으로 전해질 분해를 억제하여 셀의 사이클 특성을 개선할 수 있고, 전극 표면 상에 양극-전해질 중간상(CEI) 보호층을 형성하여 니켈-리치 양극의 표면 안정성을 향상시킬 수 있다.
Secondly, the borate functional group can effectively suppress electrolyte decomposition by electrochemical reaction to improve cell cycle characteristics, and form a positive electrode-electrolyte intermediate phase (CEI) protective layer on the electrode surface to improve the surface stability of the nickel-rich anode. Can be improved.

이하, 본 발명의 이차전지용 전해질에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the secondary battery electrolyte of the present invention will be described.

본 발명의 이차전지용 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 이차전지용 전해질 첨가제를 포함한다.The secondary battery electrolyte of the present invention includes an electrolyte additive for a secondary battery represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112017117503379-pat00004
Figure 112017117503379-pat00004

화학식 1에서,In Formula 1,

R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로아릴기이다.R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted C1 to C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C3 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C1 to C30 heterocycloalkyl group, a substituted or An unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C1 to C30 heteroaryl group.

바람직하게는, R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로아릴기일 수 있다.Preferably, R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and each independently may be a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C1 to C30 heteroaryl group.

더욱 바람직하게는, R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기일 수 있다.More preferably, R 1 to R 3 may be the same or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted C 6 to C 30 aryl group.

더욱 더 바람직하게는, 상기 이차전지용 전해질 첨가제는 트리페닐 보레이트(Triphenyl borate)일 수 있다.Still more preferably, the secondary battery electrolyte additive may be triphenyl borate.

상기 전해질은, 용매, 전해질염 및 첨가제를 포함할 수 있고, 구체적으로, 에틸렌카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 용매; 육불화인산리튬(LiPF6)을 포함하는 전해질염; 및 상기 이차전지용 전해질 첨가제;를 포함할 수 있다.The electrolyte may include a solvent, an electrolyte salt, and an additive, and specifically, a solvent including at least one selected from ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC); An electrolyte salt containing lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ); And the electrolyte additive for the secondary battery.

상기 용매는 에틸렌카보네이트(EC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC)가 1:1 내지 1:3의 부피비로 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 1:2의 부피비로 혼합된 것을 사용할 수 있다.The solvent may be a mixture of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1: 1 to 1: 3, and most preferably mixed in a volume ratio of 1: 2. have.

상기 전해질 첨가제의 농도는 1 내지 3%인 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 2% 일 수 있다.
The concentration of the electrolyte additive is preferably 1 to 3%, most preferably 2%.

이하 본 발명의 이차전지에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the secondary battery of the present invention will be described.

본 발명의 이차전지는 상기 이차전지용 전해질을 포함하는 것을 특징으로 한다. The secondary battery of the present invention is characterized in that it comprises the secondary battery electrolyte.

상기 이차전지 내 양극 재료는 니켈-리치(Ni-rich)계 양극 재료일 수 있다.The cathode material in the secondary battery may be a nickel-rich cathode material.

상기 니켈-리치 양극 재료는 리튬니켈코발트망간옥사이드 및 리튬니켈코발트옥사이드 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 리튬니켈코발트망간옥사이드 일 수 있다. The nickel-rich anode material is preferably any one selected from lithium nickel cobalt manganese oxide and lithium nickel cobalt oxide, and more preferably lithium nickel cobalt manganese oxide.

상기 니켈-리치 양극 재료는 니켈(Ni)이 50 내지 70wt% 포함된 것일 수 있다. The nickel-rich anode material may include 50 to 70 wt% nickel (Ni).

상기 이차전지는 충방전 사이클 후 상기 니켈-리치 양극 재료의 표면 상에 상기 전해질 첨가제에 의하여 양극-전해질 중간상(cathode-electrolyte interphase) 보호막이 형성될 수 있다.In the secondary battery, a cathode-electrolyte interphase protective film may be formed on the surface of the nickel-rich cathode material by the electrolyte additive after a charge and discharge cycle.

상기 이차전지는 리튬이온전지, 리튬금속전지, 리튬-황 전지, 리튬-공기전지, 마그네슘이온전지, 나트륨이온전지, 칼륨이온전지, 알루미늄이온전지 등일 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.
The secondary battery may be a lithium ion battery, lithium metal battery, lithium-sulfur battery, lithium-air battery, magnesium ion battery, sodium ion battery, potassium ion battery, aluminum ion battery, etc., but the scope of the present invention is not limited thereto. Do not.

또한, 본 발명은 상기 이차전지용 전해질을 포함하는 전기 디바이스일 수 있으며, 상기 전기 디바이스는 통신장치, 운송장치, 에너지 저장장치, 및 음향장치 등일 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.
In addition, the present invention may be an electric device including the electrolyte for the secondary battery, the electric device may be a communication device, a transportation device, an energy storage device, and an acoustic device, but the scope of the present invention is not limited thereto.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 들어 구체적으로 설명하도록 한다. Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in detail.

[실시예]EXAMPLE

실시예Example

표준 전해질(PanaxEtec)인 ethyl carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) (1:2 부피비)의 혼합물에 1M의 LiPF6를 첨가하고, 첨가제인 트리페닐보레이트(TPB)를 2%의 농도로 첨가하여 리튬이온전지용 전해질을 제조하였다.To a mixture of ethyl carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) (1: 2 vol. Ratio), standard electrolyte (PanaxEtec), 1M of LiPF 6 was added and triphenylborate (TPB) as an additive was added at a concentration of 2%. To prepare an electrolyte for a lithium ion battery.

비교예Comparative example

첨가제인 트리페닐보레이트(TPB)를 사용하지 않고 표준 전해질을 그대로 사용하였다.
The standard electrolyte was used as it is without using the triphenylborate (TPB) as an additive.

[시험예][Test Example]

시험방법Test Methods

(1) TPB와 잔여 리튬류의 화학 반응성 시험(1) Chemical Reactivity Test of TPB and Residual Lithium

트리페닐보레이트(TPB)와 잔여 리튬류의 화학적 반응성은 1.0 mmol의 LiOH (Aldrich)과 Li2CO3 (Aldrich)를 10.0 mmol의 TPB가 용해된 (Aldrich)디메틸 카보네이트(DMC) 용액(10㎖)에 첨가함으로써 계산하였다. 이후, 혼합물은 24시간 동안 힘차게 교반하고 여과하여 불용성의 LiOH와 Li2CO3를 제거하였다. 여과된 결과물은 NMR 분석기(NMR, ASCEND 400, Bruker)로 분석하여 TPB의 화학적 환경의 변화를 확인하였다. 잔여 리튬류의 제거에 대한 TPB의 실제 효과는 TPB 용액에 니켈-리치 양극 재료인 LiNi0 .7Co0 .2Mn0 .1O2(Ecopro, NCM721)를 24시간 동안 침지시킴으로써 입증하였고, 처리된 NCM721의 잔여 리튬류는 전위차 적정기(Metrohm 848 Titrino Plus)에서 분석되었다. 대조군으로는 NCM721를 TPB가 용해되지 않은 DMC에서 동일한 조건의 실험을 수행하였다.The chemical reactivity of triphenylborate (TPB) with residual lithium is 1.0 mmol of LiOH (Aldrich) and Li 2 CO 3 (Aldrich) in 10.0 mmol of TPB (Aldrich) dimethyl carbonate (DMC) solution (10 ml). Calculated by adding to. The mixture was then vigorously stirred and filtered for 24 hours to remove insoluble LiOH and Li 2 CO 3 . The filtered result was analyzed by NMR analyzer (NMR, ASCEND 400, Bruker) to confirm the change in the chemical environment of TPB. The net effect of the TPB to the removal of the residual lithium in the stream is TPB solution nickel was demonstrated by dipping the O-rich LiNi 0 .7 Co 0 .2 Mn 0 .1 cathode material 2 (Ecopro, NCM721) for 24 hours, treated The remaining lithium of NCM721 was analyzed in potentiometric titrator (Metrohm 848 Titrino Plus). As a control, NCM721 was performed under the same conditions in DMC without TPB dissolved.

(2) 화학반응 엔탈피 계산(2) Calculation of Chemical Reaction Enthalpy

화학반응 엔탈피값은 제1 원리 계산(first-principles calculation)에 의해 계산하였다. 기저상태 구조는 B3PW91 functional 및 6-311G(d,p) 기저계로 DFT(density functional theory)를 사용하여 완전히 최적화되었다. 진동주파수 분석은 이론과 동일한 수준에서 수행되었다. 상대적인 엔탈피 에너지는 298.15 K 및 1 atm에서 측정되었다. 또한, CPCM(conductor-like polarizable continuum model)을 사용하였고, 이것은 연속 유전 매체에 임베드된 분자형태의 동공에 용질을 위치시키는 것이다. 유전상수는 DMC의 ε=3.107로 채택하였다. 모든 DFT 계산은 Gaussian09 프로그램 패키지를 사용하여 수행되었다.The chemical reaction enthalpy value was calculated by first-principles calculation. The ground state structure was fully optimized using density functional theory (DFT) with B3PW91 functional and 6-311G (d, p) base systems. Vibration frequency analysis was performed at the same level as the theory. Relative enthalpy energy was measured at 298.15 K and 1 atm. In addition, a conductor-like polarizable continuum model (CPCM) was used, which places the solute in the molecular cavities embedded in continuous dielectric media. The dielectric constant was adopted as ε = 3.107 of DMC. All DFT calculations were performed using the Gaussian09 program package.

(3) 충전 과정 동안의 셀의 인-시츄 압력 거동 측정(3) In-situ pressure behavior measurement of the cell during the charging process

충전 과정 동안의 셀의 인-시츄 압력 거동은 다음과 같은 NCM721 전극을 제조함으로써 관찰되었다. 상기 NCM721 전극은 NCM721, 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF) (KF1100, Kureha), 및 카본블랙(Super P)을 N-메틸-2-피롤리돈(NMP, Aldrich)에 92:4:4 비율로 분산시켜 제조된 것이다. 이후, 제조된 혼합물은 6시간 동안 교반하여 알루미늄 포일 위에 코팅하였다. 다음으로 120℃에서 12시간 동안 진공 상태에서 건조시켰다. NCM721 전극의 로딩 밀도는 약 15.31 ± 0.5 mg cm-2로 고정하였다. 이후 NCM721 전극은 작업 전극으로서 인시츄 압력/포텐셜 모니터링 기구에 위치시키고, 리튬 금속을 카운터 전극과 상대 전극으로서 타측에 위치시켰다. 표준 전해질(PanaxEtec)의 화학적 조성은 ethyl carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) (1:2 부피비)의 혼합물에 1M LiPF6 와 TPB를 포함하는 것, 포함하지 않는 것(비교예)로 하였다. Poly(ethylene) (PE, Asahi)은 분리막으로 사용하였다. 이와 같은 셀들은 정전류법으로(galvanostatically) 4.3 V (vs. Li/Li+)로 충전되고, 내부 압력은 시간의 함수로 기록하였다. In-situ pressure behavior of the cell during the charging process was observed by making the following NCM721 electrodes. The NCM721 electrode comprises NCM721, polyvinylidene fluoride (PVdF) (KF1100, Kureha), and carbon black (Super P) in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Aldrich) in a 92: 4: 4 ratio. It is prepared by dispersing. The resulting mixture was then stirred for 6 hours and coated onto aluminum foil. Next, it was dried under vacuum at 120 ° C. for 12 hours. The loading density of the NCM721 electrode was fixed at about 15.31 ± 0.5 mg cm -2 . The NCM721 electrode was then placed in the in-situ pressure / potential monitoring instrument as the working electrode, and lithium metal was placed on the other side as the counter and counter electrodes. The chemical composition of the standard electrolyte (PanaxEtec) was to include or not include 1M LiPF 6 and TPB in a mixture of ethyl carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) (1: 2 volume ratio). . Poly (ethylene) (PE, Asahi) was used as the separator. These cells were galvanostatically charged to 4.3 V (vs. Li / Li + ) and the internal pressure was recorded as a function of time.

(4) TPB의 전기화학적 거동 측정(4) Measurement of electrochemical behavior of TPB

TPB의 전기화학적 거동은 선형 스윕 전압전류법(LSV)에 의해 각 전해질을 측정함으로써 분석하였다. 유리질 탄소 전극은 작업전극으로 사용되었고, 리튬 금속은 카운터 및 상대 전극으로 사용되었다. 전기화학적 거동은 3.5 to 4.5 V (vs. Li/Li+) 범위에서 10 mV s-1의 스캔속도를 갖는 전기화학적 워크스테이션(Biologic, SP-300)으로 측정하였다. 전기화학적 특성은 NCM721 양극, 리튬 금속 음극, PE 분리막을 사용한 2032 반쪽 셀을 제조하여 평가하였다. 셀들은 4.3 V (vs. Li/Li+)로 충전되고 3.0 V (vs. Li/Li+)로 방전되었다. 모든 셀들은 NCM721 전극에 CEI 층이 형성되도록 상온에서 0.1C rate로 2회 사이클링 하였고, 상온에서 1.0 C rate로 빠른 사이클링을 하였다. 사이클 테스트가 완료되면, 셀들은 글로브 박스에 해체하여 사이클링한 NCM721 전극을 회수하고, 신속하게 DMC에서 세척하였다. 회수된 NCM721 전극의 표면 형태는 FESEM 마이크로스코피(FESEM, Quanta 3D FEG, FEI)로 분석을 수행하고 화학 조성은 XPS 분석(XPS, K alpha, Thermo-Scientific)을 수행하였다. Ni 용해도에 따른 TPB-유도 CEI층의 효과는 작업전극으로 NCM721 전극, 카운터 전극과 상대전극으로 리튬 금속을 사용한 비이커 셀을 제조함으로써 분석하였다. 셀들은 4.3 V (vs. Li/Li+)으로 충전되었고 2주 동안 60℃ 오븐에 두었다. 이들 셀의 방전 후에, 회수된 전극은 NCM721 전극으로부터 전해질로 용해된 Ni류를 정량하기 위하여 유도결합 플라즈마 질량분석기lasma mass spectrometry (ICP-MS) (Aurora 60, Bruker)로 분석하였다.
The electrochemical behavior of TPB was analyzed by measuring each electrolyte by linear sweep voltammetry (LSV). Glassy carbon electrodes were used as working electrodes and lithium metal was used as counter and counter electrodes. Electrochemical behavior was measured with an electrochemical workstation (Biologic, SP-300) with a scan rate of 10 mV s −1 in the range of 3.5 to 4.5 V (vs. Li / Li + ). Electrochemical properties were evaluated by fabricating 2032 half cells using NCM721 anode, lithium metal anode, PE separator. Cells were discharged to 4.3 V (vs. Li / Li + ) is charged to 3.0 V (vs. Li / Li + ). All the cells were cycled twice at room temperature at 0.1 C rate to form a CEI layer on the NCM721 electrode, and fast cycling at 1.0 C rate at room temperature. Once the cycle test was complete, the cells were disassembled in the glove box to recover the cycled NCM721 electrodes and quickly washed in the DMC. The surface morphology of the recovered NCM721 electrode was analyzed by FESEM microscopy (FESEM, Quanta 3D FEG, FEI) and the chemical composition was performed by XPS analysis (XPS, K alpha, Thermo-Scientific). The effect of the TPB-induced CEI layer on the Ni solubility was analyzed by producing a beaker cell using lithium metal as the NCM721 electrode, the counter electrode and the counter electrode as the working electrode. The cells were charged to 4.3 V (vs. Li / Li + ) and placed in a 60 ° C. oven for 2 weeks. After discharge of these cells, the recovered electrodes were analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) (Aurora 60, Bruker) to quantify Ni dissolved in the electrolyte from the NCM721 electrode.

시험예Test Example 1: 잔여  1: residual 리튬류Lithium 제거 효과 분석 Elimination Effect Analysis

잔여 리튬류의 제거에 대한 TPB의 효과는 TPB, LiOH, 및 Li2CO3 사이의 화학반응이 완료된 후에 상청액의 ex-situ NMR 분석에 의해 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2의 (a)는 11B-NMR 분석결과이고, (b)는 TPB와 잔여 리튬류 사이의 반응 메커니즘을 나타낸 것이다.The effect of TPB on the removal of residual lithiums was analyzed by ex-situ NMR analysis of the supernatant after the chemical reaction between TPB, LiOH, and Li 2 CO 3 was completed, and the results are shown in FIG. 2. Figure 2 (a) is 11 B-NMR analysis results, (b) shows the reaction mechanism between the TPB and the residual lithium.

이에 따르면, 회수된 상청액의 11B-NMR은 2.1 ppm에서 새로운 11B-NMR 피크를 나타내었고, 이것은 원래의 TPB peak (18.8 ppm, 도시하지 않음)와 비교할 때 다운필드 영역으로 이동한 것이다. 이와 같은 높은 값으로부터 낮은 값으로의 화학적 이동 변화는 분석된 원소의 전자 밀도가 증가한 것을 나타낸다. 다시 말해, 새로운 피크는 4원자가 붕소(B)가 통상적으로 결여된 화학적 이동 영역에서 관찰되었다. 이와 같은 결과는 TPB의 3원자가 붕소(B)가 OH-와 CO3 2 -와결합한다는 것으로 암시하고, 이에 따라 더 낮은 화학적 이동(chemical shift)을 나타내며, 붕소는 잔여 리튬류로부터 두 개의 전자를 수용할 수 있다. DFT 계산 결과는 TPB의 LiOH, Li2CO3 와의 반응은 각각 발열성(ΔH = -30.9 및 -15.4 kcal/mol)을 나타내었다. 또한, 루이스 산염기 상호작용은 열역학적으로 무극성 DMC 용매에서 유리하다.
According to this, the 11 B-NMR of the recovered supernatant showed a new 11 B-NMR peak at 2.1 ppm, which shifted to the downfield region when compared to the original TPB peak (18.8 ppm, not shown). This change in chemical shift from high to low indicates an increase in the electron density of the element analyzed. In other words, a new peak was observed in the chemical shift region, which typically lacked tetravalent boron (B). This result suggests that the trivalent valence of TPB binds boron (B) with OH - and CO 3 2 - and thus shows a lower chemical shift, which causes boron to dissociate two electrons from the remaining lithium. I can accept it. The results of the DFT calculation showed that the reaction of TPB with LiOH and Li 2 CO 3 showed exothermicity (ΔH = −30.9 and −15.4 kcal / mol), respectively. In addition, Lewis acid group interactions are advantageous thermodynamically in nonpolar DMC solvents.

시험예Test Example 2: 잔여  2: residual 리튬류Lithium 제거의 정량적 분석 Quantitative Analysis of Removal

NCM721 양극 재료로부터 잔여 리튬류의 정량적 분석 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3의 (a)는 TPB 처리 전후의 NCM721 양극의 잔여 리튬류를 정량 분석한 결과이고, (b)는 NCM721 양극의 인-시츄 압력/포텐셜 프로파일을 나타낸 것이다. 실험을 위하여 3종류의 NCM721(무처리 NCM721, DMC으로만 처리된 NCM721, 및 DMC-TPB 처리된 NCM721)를 준비한 후, 잔여 리튬류의 양을 측정하였다. The quantitative analysis of the residual lithium from the NCM721 cathode material is shown in FIG. Figure 3 (a) is a result of quantitative analysis of the residual lithium of the NCM721 cathode before and after the TPB treatment, (b) shows the in-situ pressure / potential profile of the NCM721 anode. For the experiment, three types of NCM721 (NCM721 untreated, NCM721 treated only with DMC, and NCM721 treated with DMC-TPB) were prepared, and the amount of residual lithium was measured.

이에 따르면, 무처리 NCM721에서는 매우 많은 양(11,000 ppm)의 잔여 리튬류가 나타났고, DMC만으로 처리된 NCM721에서도 여전이 많은 양(8,500 ppm)의 잔여 리튬류가 나타났다. 이에 반해, DMC-TPB 용액에서 처리된 NCM721의 잔여 리튬류는 LiOH 2,900 ppm, Li2CO3 1,300 ppm으로 매우 감소한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 TPB가 화학적 반응으로 효과적으로 NCM721 표면으로부터 LiOH 와 Li2CO3를 용해하고 현저히 NCM721 표면에서 잔여 리튬류의 농도가 감소하는 것을 의미한다. 또한, 이와 같은 결과는 NCM721 음극의 인-시츄 압력/포텐셜 프로파일과 상응하는 것으로 나타났다. 여기서 TPB 제어 전해질을 갖는 셀의 내부 압력은 사이클 후 잘 유지되었다. 이에 반해, 표준 전해질을 가진 셀은 사이클 후 지속적으로 내부 압력이 증가하였고, 이는 NCM721 표면에 잔여한 리튬류의 전기화학적 분해에 의한 것이다. 이와 같은 결과로부터 TPB는 화학반응에 의해 효과적으로 NCM721 표면으로부터 잔여 리튬류를 제거하고, 따라서 셀의 안정성을 크게 개선한다는 결론을 얻을 수 있다.
According to this, a very large amount (11,000 ppm) of residual lithium appeared in the untreated NCM721, and a large amount of residual lithium (8,500 ppm) was still found in the NCM721 treated with DMC only. In contrast, the residual lithiums of NCM721 treated in the DMC-TPB solution were found to be significantly reduced to 2,900 ppm LiOH and 1,300 ppm Li 2 CO 3 . These results indicate that TPB effectively dissolves LiOH and Li 2 CO 3 from the NCM721 surface by chemical reaction and significantly reduces the concentration of residual lithiums on the NCM721 surface. In addition, these results were found to correspond with the in-situ pressure / potential profile of the NCM721 cathode. Here the internal pressure of the cell with the TPB controlled electrolyte was well maintained after the cycle. In contrast, cells with standard electrolytes increased internal pressure continuously after a cycle, due to the electrochemical decomposition of lithium residues on the NCM721 surface. From these results, it can be concluded that TPB effectively removes residual lithiums from the NCM721 surface by chemical reaction, thus greatly improving the stability of the cell.

시험예Test Example 3:  3: TPBTPB 의 전기화학적 거동 분석Analysis of Electrochemical Behavior of

선형주사전위법(LSV)에 의하여 전극 안정성을 측정하여 TPB의 전기화학적 거동을 분석하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 이에 따르면, 뚜렷한 산화 전류가 4.0 V (vs. Li/Li+)에서 TPB-기반 전해질로 제어된 셀에서 관찰되었고, 이는 TPB의 전기화학적 산화와 관련이 있는 것이다. 이는 TPB가 전기화학적 산화 반응에 의하여 NCM72 전극의 표면 상에 CEI층을 형성한 것을 의미한다.
Electrochemical stability of TPB was analyzed by measuring the electrode stability by linear scanning potential (LSV), and the results are shown in FIG. 4. According to this, a distinct oxidation current was observed in cells controlled with TPB-based electrolyte at 4.0 V (vs. Li / Li + ), which is related to the electrochemical oxidation of TPB. This means that TPB forms a CEI layer on the surface of the NCM72 electrode by an electrochemical oxidation reaction.

시험예Test Example 4:  4: TPBTPB 농도에 따른 사이클 특성 분석 Cycle Characteristic Analysis by Concentration

도 5는 TPB 농도에 따른 NCM721 전극의 화학적 특성을 분석한 결과이다. 도 5의 (a)는 전위분포(potential profile)를 나타낸 것이고, (b)는 사이클 특성을 TPB 농도에 따라 나타낸 것이다. 이에 따르면, 모든 전위분포 형태는 최초의 사이클에서 동일하나, 최초의 방전 비용량은 TPB 사용에 의해 변화되었다. 2% TPB-기반 전해질은 표준 전해질을 사용하여 사이클링한 셀의 방전 비용량(205.1 mA h g-1)과 비교할 때 거의 동일한 방전 비용량(205.7 mA h g-1)을 나타내었다. 그러나, 초기 방전 비용량은 TPB의 양이 전해질에서 증가함에 따라 감소하였다: 방전 비용량 202.4 및 196.1 mA h g-1의 방전 비용량이 3%와 5% TPB-제어된 전해질을 갖는 사이클링한 셀에서 각각 관찰되었다. 사이클 특성 면에서 살펴보면, 2% TPB-제어된 전해질은 100 사이클에서 88.6%의 보존율을 나타내는 반면, 3%와 5% TPB-제어된 전해질은 of 72.7%와 15.5%의 보존율을 나타내었다. 3%와 5% TPB-기반 전해질은 표준 전해질로 달성한 80.4%의 보존율에 비하여 낮은 보존율을 나타내었다. 이와 같은 결과는 TPB 농도가 사이클 특성을 결정하는 결정적인 요인 중 하나이고, 2% TPB가 NCM721 양극 재료의 사이클 거동을 향상시키는 최적의 농도임을 알 수 있다.
5 is a result of analyzing the chemical properties of the NCM721 electrode according to the concentration of TPB. Figure 5 (a) shows the potential profile (potential profile), (b) shows the cycle characteristics according to the TPB concentration. According to this, all potential distribution forms are the same in the first cycle, but the initial discharge specific capacity was changed by the use of TPB. The 2% TPB-based electrolyte showed almost the same discharge specific capacity (205.7 mA hg −1 ) compared to the discharge specific capacity (205.1 mA hg −1 ) of the cells cycled using the standard electrolyte. However, the initial discharge specificity decreased as the amount of TPB increased in the electrolyte: the discharge specificities of the discharge specificities 202.4 and 196.1 mA hg −1 in cycled cells with 3% and 5% TPB-controlled electrolyte, respectively. Was observed. In terms of cycle characteristics, the 2% TPB-controlled electrolyte showed 88.6% retention at 100 cycles, while the 3% and 5% TPB-controlled electrolytes had a retention rate of 72.7% and 15.5%. The 3% and 5% TPB-based electrolytes showed lower retention rates compared to the 80.4% retention achieved with standard electrolytes. These results indicate that TPB concentration is one of the determinants of cycle characteristics, and 2% TPB is the optimal concentration to improve the cycle behavior of NCM721 anode material.

시험예Test Example 5:  5: SEMSEM 이미지 분석 Image analysis

NCM721 표면에 미치는 TPB의 효과는 사이클링한 NCM721의 SEM에 의한 표면 형태를 관찰하여 분석하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. (a)는 100사이클 후 표준 전해질에서의 NCM721 표면 SEM 이미지이고, (b)는 100사이클 후 2% TPB 전해질에서의 NCM721 표면 SEM 이미지이다. 이에 따르면, 회수된 표준 전해질에서의 사이클링한 NCM721 전극은 입자에 많은 크랙과 NCM721 표면에 분해된 부산물이 나타났다. 반면에, 회수된 2% TPB-기반 전해질에서 사이클링한 NCM721 전극에서는 입자가 보존되었고, 표면 형태는 표준 전해질을 사용한 경우와 비교할 때 상대적으로 깨끗하게 나타났다. 이와 같은 결과는 TPB-유도 CEI층이 전해질 분해를 억제함으로써 NCM721 양극의 표면 안정성을 효과적으로 개선하였음을 나타낸다.
The effect of TPB on the NCM721 surface was analyzed by observing the surface morphology by SEM of the cycled NCM721, and the results are shown in FIG. 6. (a) is NCM721 surface SEM image in standard electrolyte after 100 cycles, and (b) is NCM721 surface SEM image in 2% TPB electrolyte after 100 cycles. According to this, the recovered standard electrolyte The cycled NCM721 electrode showed many cracks in the particles and decomposed by-products on the NCM721 surface. On the other hand, the particles were preserved in the NCM721 electrode cycled in the recovered 2% TPB-based electrolyte, and the surface morphology was relatively clear when compared with the standard electrolyte. These results indicate that the TPB-induced CEI layer effectively improves the surface stability of the NCM721 anode by inhibiting electrolyte degradation.

시험예Test Example 6:  6: XPSXPS 분석 analysis

사이클링한 NCM721 전극의 XPS 분석 결과를 도 7에 나타내었고, (a) C1s, (b) F1s, (c) P2p 스펙트럼이다. 이에 따르면, 대부분의 C 시그널은 C1s 스펙트럼에서 두 개의 전극 사이에 겹쳐졌으나, PVDF (at 290.7 eV)의 강도는 표준 전해질에서 보다 2% TPB-기반 전해질을 갖는 사이클링한 NCM721 전극에서 더 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 2% TPB-기반 전해질에서의 NCM721 표면에서 전해질의 전기화학적 분해가 더 적게 일어남을 나타낸다. 따라서 100 사이클 이후 오히려 더 높은 바인더 강도가 나타난다. F1s 스펙트럼은 2% TPB-기반 전해질에서의 사이클링한 NCM721 전극에서 여전히 더 높은 PDVF 강도 (at 687.7 eV)가 나타났다. 또한, LiF (at 685.5 eV) 피크는 표준 전해질을 갖는 것보다 2% TPB-기반 전해질을 갖는 사이클링한 NCM721 전극에서 더 작게 나타났다. 양극 표면에 LiF의 형성은 전해질 분해의 증거이다. 왜냐하면 분해된 부산물은 양극 재료에서의 반응에 의해 LiF를 형성하기 때문이다. 이는 TPB가 NCM721 표면에서 전해질의 분해를 효과적으로 억제하고, 이에 따라 LiF 농도를 낮춘다는 것을 의미한다. DFT 계산은 LiF와 TPB의 반응이 발열반응임을 보여준다(ΔH = -21.5 kcal/mol). 또한, 3개의 새로운 피크가 Li x PO y F z 와 유사하게 F1s(689.4 eV) 및 P2p(135.0 eV )에서 나타났다. 이는 NCM721 표면상에 TPB-유도 CEI층에 따른 새로운 화학적 구성이 발생하였음을 의미한다. 이와 같은 결과는 TPB가 NCM721 전극 상에 CEI 층을 형성하는데 참여한다는 것을 의미한다.
XPS analysis results of the cycled NCM721 electrode are shown in Figure 7, (a) C1s, (b) F1s, (c) P2p spectrum. According to this, most of the C signals overlapped between the two electrodes in the C1s spectrum, but the intensity of PVDF (at 290.7 eV) was higher in the cycling NCM721 electrode with 2% TPB-based electrolyte than in the standard electrolyte. These results indicate less electrochemical degradation of the electrolyte at the NCM721 surface in the 2% TPB-based electrolyte. Thus, after 100 cycles, a rather high binder strength appears. The F1s spectrum still showed higher PDVF intensity (at 687.7 eV) on the cycled NCM721 electrode in 2% TPB-based electrolyte. In addition, the LiF (at 685.5 eV) peak was smaller in the cycled NCM721 electrode with 2% TPB-based electrolyte than with the standard electrolyte. The formation of LiF on the anode surface is evidence of electrolyte degradation. This is because the decomposed by-products form LiF by reaction in the anode material. This means that TPB effectively inhibits the decomposition of the electrolyte on the NCM721 surface, thus lowering the LiF concentration. DFT calculations show that the reaction between LiF and TPB is exothermic (ΔH = -21.5 kcal / mol). In addition, three new peaks appeared at F1s (689.4 eV) and P2p (135.0 eV) similar to Li x PO y F z . This means that a new chemical composition has occurred along the TPB-induced CEI layer on the NCM721 surface. This result means that TPB participates in forming the CEI layer on the NCM721 electrode.

시험예Test Example 7:  7: NiNi 용해도 분석 Solubility Analysis

ICP-MS에 따라 분석된 니켈 용해도의 정량적 분석결과를 도 8에 나타내었다. 이에 따르면, Ni 용해도의 결과에 따라 표면 안정성이 개선되었다. 표준 전해질을 포함한 사이클링한 셀은 283.3 ppm의 상당한 Ni 용해도를 나타내는데 반해, 2% TPB 전해질을 포함하는 사이클링한 셀은 21.3 ppm의 용해가 나타났다. 표면이 안정하지 않으면 전이금속 용해가 급격히 증가하여 불안정한 Ni4 +이 전해질에 용해되는 경향이 있다. 이는 NCM721 표면이 TPB-유도 CEI층에 의해 안정화되었고, 이는 효과적으로 원하지 않는 전기화학적 반응이 양극-전해질 계면에서 발생하는 것을 억제한다는 것을 의미한다. TPB의 사용은 셀의 내부 압력을 감소시킴에 따라 안정성을 향상시키는 것뿐 아니라, 니켈-리치 양극의 표면에 TPB-유도 CEI층을 형성함으로써 Ni-리치 양극 재료의 전기화학적 특성을 향상시키는데 효과적이라고 판단된다.
The quantitative analysis of nickel solubility analyzed according to ICP-MS is shown in FIG. 8. According to this, the surface stability was improved as a result of Ni solubility. Cyclized cells containing standard electrolytes showed significant Ni solubility of 283.3 ppm, whereas cycling cells containing 2% TPB electrolytes showed 21.3 ppm dissolution. If the surface is not stable, transition metal dissolution rapidly increases and unstable Ni 4 + tends to dissolve in the electrolyte. This meant that the NCM721 surface was stabilized by the TPB-induced CEI layer, which effectively inhibited unwanted electrochemical reactions from occurring at the anode-electrolyte interface. The use of TPB is effective in improving the electrochemical properties of Ni-rich anode materials by forming a TPB-induced CEI layer on the surface of the nickel-rich anode, as well as improving stability by reducing the internal pressure of the cell. Judging.

정리하면, 니켈-리치 양극 재료의 열악한 표면 특성을 향상은 TPB를 두 가지 기능의 첨가제로 사용함으로써 달성할 수 있다. 전자 결핍의 붕소(B)는 TPB가 니켈-리치 양극 재료로부터의 잔여 리튬류의 카운터파트와 선택적으로 결합하도록 하고, 이는 11,000 에서 4,200 ppm으로 잔여 리튬류의 농도를 크게 감소시킨다. 따라서, TPB의 사용은 셀의 내부 압력을 효과적으로 감소시키고, 전기화학적 산화에 의해 니켈-리치 전극의 표면에 효과적인 CEI층을 형성한다. TPB-유도 CEI층은 효과적으로 전해질 분해를 경감시키고, 이에 따라 니켈-리치 양극 재료의 표면 안정성을 매우 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 2% TPB 전해질을 포함하는 사이클링한 셀은 60℃에서 100사이클 후 88.6%의 보존율을 나타난다. 또한, Ni 용해도는 2% TPB 전해질에서 매우 억제된다(21.3 ppm). 반면에 표준 전해질을 사용한 경우의 셀에서는 Ni 용해가 높은 것으로 나타났다(283.3 ppm). 이와 같은 결과는 TPB는 니켈-리치 양극 재료의 안정성과 전기화학적 특성 모두를 향상시키는 데 효과적이라는 것을 나타낸다. 또한, 리튬이온전지에 국한된 것이 아니라 높은 표면 안정성을 요구하는 다양한 이차전지 시스템에 확장될 수 있음을 의미한다.
In summary, the poor surface properties of nickel-rich anode materials can be achieved by using TPB as a two function additive. Electron deficient boron (B) allows TPB to selectively bind with the counterpart of residual lithiums from the nickel-rich anode material, which greatly reduces the concentration of residual lithiums from 11,000 to 4,200 ppm. Thus, the use of TPB effectively reduces the internal pressure of the cell and forms an effective CEI layer on the surface of the nickel-rich electrode by electrochemical oxidation. The TPB-induced CEI layer effectively alleviates electrolyte degradation, thus greatly improving the surface stability of the nickel-rich anode material. As a result, the cycled cell containing 2% TPB electrolyte showed a retention rate of 88.6% after 100 cycles at 60 ° C. In addition, Ni solubility is very suppressed in 2% TPB electrolyte (21.3 ppm). On the other hand, Ni dissolution was high in the cell with standard electrolyte (283.3 ppm). These results indicate that TPB is effective in improving both the stability and the electrochemical properties of nickel-rich anode materials. In addition, the present invention is not limited to lithium ion batteries, but may be extended to various secondary battery systems requiring high surface stability.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
As described above, embodiments of the present invention have been described, but those skilled in the art may add, change, delete or add elements within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be modified and changed in various ways, etc., which will also be included within the scope of the present invention.

Claims (17)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 이차전지용 전해질 첨가제를 포함하는 전해질; 및
니켈-리치(Ni-rich)계 양극 재료;를 포함하고,
상기 니켈-리치 양극 재료는 리튬니켈코발트망간옥사이드 및 리튬니켈코발트옥사이드 중에서 선택된 어느 하나이고,
상기 니켈-리치 양극 재료는 니켈(Ni)이 50 내지 70wt% 포함되고,
상기 전해질 첨가제에 의하여 충방전 사이클 후 상기 니켈-리치 양극 재료의 표면 상에 양극-전해질 중간상(cathode-electrolyte interphase) 보호막이 형성되고, 상기 니켈-리치 양극 재료의 표면상에 잔여하는 리튬 하이드록사이드 및 리튬 카보네이트 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 잔여 리튬류가 제거되는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
[화학식 1]
Figure 112019084781721-pat00017

화학식 1에서,
R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로아릴기이다.
An electrolyte comprising an electrolyte additive for a secondary battery including the compound represented by Formula 1; And
A nickel-rich anode material;
The nickel-rich anode material is any one selected from lithium nickel cobalt manganese oxide and lithium nickel cobalt oxide,
The nickel-rich anode material is 50 to 70wt% of nickel (Ni),
A cathode-electrolyte interphase protective film is formed on the surface of the nickel-rich anode material after the charge and discharge cycle by the electrolyte additive, and lithium hydroxide remaining on the surface of the nickel-rich cathode material. And residual lithium including at least one selected from lithium carbonate is removed.
[Formula 1]
Figure 112019084781721-pat00017

In Formula 1,
R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted C1 to C30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C3 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C1 to C30 heterocycloalkyl group, a substituted or An unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C1 to C30 heteroaryl group.
제1항에 있어서,
R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로아릴기인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
The method of claim 1,
R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and are each independently a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, or a substituted or unsubstituted C1 to C30 heteroaryl group.
제1항에 있어서,
R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
The method of claim 1,
R 1 to R 3 are the same as or different from each other, and each independently a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, characterized in that the lithium ion battery.
제1항에 있어서,
상기 이차전지용 전해질 첨가제는 트리페닐 보레이트(Triphenyl borate)인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
The method of claim 1,
The electrolyte additive for the secondary battery is a lithium ion battery, characterized in that triphenyl borate (Triphenyl borate).
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 전해질은,
에틸렌카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 용매;
육불화인산리튬(LiPF6)을 포함하는 전해질염; 및
상기 이차전지용 전해질 첨가제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
The method of claim 1,
The electrolyte,
A solvent comprising at least one selected from ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC);
An electrolyte salt containing lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ); And
The secondary battery electrolyte additive; Li-ion battery comprising a.
제6항에 있어서,
상기 용매는 에틸렌카보네이트(EC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC)가 1:1 내지 1:3의 부피비로 혼합된 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
The method of claim 6,
The solvent is a lithium ion battery, characterized in that ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) is mixed in a volume ratio of 1: 1 to 1: 3.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 니켈-리치 양극 재료는 리튬니켈코발트망간옥사이드인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
The method of claim 1,
The nickel-rich anode material is lithium nickel cobalt manganese oxide lithium ion battery, characterized in that.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항 내지 제4항, 제6항, 제7항, 및 제12항 중에서 선택된 어느 한 항의 리튬이온전지를 포함하는 전기 디바이스.An electrical device comprising the lithium ion battery of any one of claims 1 to 4, 6, 7, and 12. 제16항에 있어서,
상기 전기 디바이스는 통신장치, 운송장치, 에너지 저장장치, 및 음향장치 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.

The method of claim 16,
The electrical device is any one selected from a communication device, a transportation device, an energy storage device, and an acoustic device.

KR1020170158609A 2017-11-24 2017-11-24 Electrolyte additive for secondary battery, electrolyte for secondary battery, and secondary battery comprising the same KR102075091B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170158609A KR102075091B1 (en) 2017-11-24 2017-11-24 Electrolyte additive for secondary battery, electrolyte for secondary battery, and secondary battery comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170158609A KR102075091B1 (en) 2017-11-24 2017-11-24 Electrolyte additive for secondary battery, electrolyte for secondary battery, and secondary battery comprising the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190060425A KR20190060425A (en) 2019-06-03
KR102075091B1 true KR102075091B1 (en) 2020-02-07

Family

ID=66849348

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170158609A KR102075091B1 (en) 2017-11-24 2017-11-24 Electrolyte additive for secondary battery, electrolyte for secondary battery, and secondary battery comprising the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102075091B1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102660938B1 (en) 2021-11-11 2024-04-25 주식회사 엘지에너지솔루션 Lithium secondary battery
KR20230142221A (en) * 2022-04-01 2023-10-11 삼성에스디아이 주식회사 Electrolyte for lithium secondary battery, and lithium secondary battery including the same
TWI777912B (en) * 2022-06-02 2022-09-11 台灣中油股份有限公司 Lithium-ion battery electrolyte and lithium-ion battery

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060210883A1 (en) * 2005-03-15 2006-09-21 The University Of Chicago Non-aqueous electrolytes for lithium ion batteries

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101007504B1 (en) 2009-11-11 2011-01-12 조재원 Cathode material for lithium secondary battery and method for manufacturing of as the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060210883A1 (en) * 2005-03-15 2006-09-21 The University Of Chicago Non-aqueous electrolytes for lithium ion batteries

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190060425A (en) 2019-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pham et al. Multifunctional electrolyte additive for improved interfacial stability in Ni-rich layered oxide full-cells
Ha et al. Using a lithium bis (oxalato) borate additive to improve electrochemical performance of high-voltage spinel LiNi0. 5Mn1. 5O4 cathodes at 60° C
JP5429631B2 (en) Non-aqueous electrolyte battery
Kim et al. Dual-function ethyl 4, 4, 4-trifluorobutyrate additive for high-performance Ni-rich cathodes and stable graphite anodes
Liao et al. Tris (trimethylsilyl) phosphate as electrolyte additive for self-discharge suppression of layered nickel cobalt manganese oxide
Jiao et al. A novel trimethylsilyl 2-(fluorosulfonyl) difluoroacetate additive for stabilizing the Ni-rich LiNi0. 9Co0. 05Mn0. 05O2/electrolyte interface
KR102075091B1 (en) Electrolyte additive for secondary battery, electrolyte for secondary battery, and secondary battery comprising the same
JP2002025615A (en) Lithium secondary battery
JP2017027925A (en) Fire-retardant electrolytic solution for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same
CN110970662B (en) Non-aqueous electrolyte and lithium ion battery
Li et al. Efficiently suppressing oxygen evolution in high voltage graphite/NCM pouch cell with tributyl borate as electrolyte additive
US10026992B2 (en) Additive for non-aqueous electrolyte, non-aqueous electrolyte comprising the same, and lithium secondary battery comprising the same
JP2022079649A (en) Additive for electrolyte
Lin et al. Triallyl phosphite as an electrolyte additive to improve performance at elevated temperature of LiNi0. 6Co0. 2Mn0. 2O2/graphite cells
Gu et al. Trimethoxyboroxine as an electrolyte additive to enhance the 4.5​ V cycling performance of a Ni-rich layered oxide cathode
JP2007035355A (en) Lithium ion secondary battery
CN110970664A (en) Non-aqueous electrolyte and lithium ion battery
Liao et al. Dimethyl trimethylsilyl phosphite as a novel electrolyte additive for high voltage layered lithium cobaltate-based lithium ion batteries
Liao et al. Significantly improved cyclability of lithium manganese oxide, simultaneously inhibiting electrochemical and thermal decomposition of the electrolyte by the use of an additive
CN110970663A (en) Non-aqueous electrolyte and lithium ion battery
CN110970660A (en) Non-aqueous electrolyte and lithium ion battery
KR102398381B1 (en) Electrolyte for lithium ion battery containing silyl ether and lithium ion battery including the same
EP3879616B1 (en) Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same
JP2015015165A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
CN110970652A (en) Non-aqueous electrolyte and lithium ion battery

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
E90F Notification of reason for final refusal
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant