KR102167590B1 - Non-aqueous electrolyte solution and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 i) 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸렌 카보네이트(EC)를 포함하는 비수성 유기 용매; 및 ii) 리튬비스플루오로설포닐이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI) 및 테트라비닐실란(tetravinylsilane, TVS)을 포함하는 전해액 첨가제를 포함하는 비수성 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명의 비수성 전해액은, 이를 포함하는 리튬 이차전지의 초기 충전시 음극에서 견고한 SEI 막을 형성시킴으로써 저온 및 상온 출력 특성을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 고온 및 상온 사이클 특성, 및 고온 저장 후 용량 특성을 향상시킬 수 있다.The present invention provides i) a non-aqueous organic solvent comprising propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC); And ii) lithium bis (fluorosulfonyl) imide (Lithium bis (fluorosulfonyl) imide, LiFSI) and tetravinylsilane (tetravinylsilane, TVS) containing an electrolyte additive containing a non-aqueous electrolyte and a lithium secondary battery comprising the same do.
The non-aqueous electrolyte of the present invention can improve low and room temperature output characteristics by forming a solid SEI film at the negative electrode during initial charging of a lithium secondary battery including the same, as well as high temperature and room temperature cycle characteristics, and capacity characteristics after high temperature storage. Can improve.
Description
본 발명은 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸렌 카보네이트(EC)를 포함하는 비수성 유기 용매; 및 리튬비스플루오로설포닐이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI) 및 테트라비닐실란(tetravinylsilane, TVS)을 포함하는 전해액 첨가제를 포함하는 비수성 전해액, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention is a non-aqueous organic solvent comprising propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC); And lithium bis (fluorosulfonyl) imide (Lithium bis (fluorosulfonyl) imide; LiFSI) and tetravinylsilane (tetravinylsilane, TVS) containing an electrolyte additive containing a non-aqueous electrolyte, and a lithium secondary battery comprising the same .
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지는 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing, and among these secondary batteries, lithium secondary batteries having a high energy density and voltage are commercialized and widely used.
리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 금속 산화물이 사용되고, 음극 활물질로는 리튬 금속, 리튬 합금, 결정질 또는 비정질 탄소 또는 탄소 복합체가 사용되고 있다. 상기 활물질을 적당한 두께와 길이로 집전체에 도포하거나 또는 활물질 자체를 필름 형상으로 도포하여 절연체인 세퍼레이터와 함께 감거나 적층하여 전극군을 만든 다음, 캔 또는 이와 유사한 용기에 넣은 후, 전해액을 주입하여 이차전지를 제조한다.Lithium metal oxide is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, and lithium metal, a lithium alloy, crystalline or amorphous carbon or a carbon composite is used as the negative electrode active material. The active material is applied to a current collector with an appropriate thickness and length, or the active material itself is coated in a film shape and wound or stacked together with a separator as an insulator to form an electrode group, and then placed in a can or similar container, and then an electrolyte is injected. Manufacture a secondary battery.
이러한 리튬 이차전지는 양극의 리튬 금속 산화물로부터 리튬 이온이 음극의 흑연 전극으로 삽입(intercalation)되고 탈리(deintercalation)되는 과정을 반복하면서 충방전이 진행된다. 이때 리튬은 반응성이 강하므로 탄소 전극과 반응하여 Li2CO3, LiO, LiOH 등을 생성시켜 음극의 표면에 피막을 형성한다. 이러한 피막을 고체 전해질(Solid Electrolyte Interface; SEI) 막이라고 하는데, 충전 초기에 형성된 SEI 막은 충방전 중 리튬 이온과 탄소 음극 또는 다른 물질과의 반응을 막아준다. 또한 이온 터널(Ion Tunnel)의 역할을 수행하여 리튬 이온만을 통과시킨다. 이 이온 터널은 리튬 이온을 용매화(solvation)시켜 함께 이동하는 분자량이 큰 전해액의 유기 용매들이 탄소 음극에 함께 코인터컬레이션(co-intercalation)되어 탄소 음극의 구조를 붕괴시키는 것을 막아 주는 역할을 한다. In such a lithium secondary battery, charging and discharging are performed while repeating a process in which lithium ions are intercalated and deintercalated from the lithium metal oxide of the positive electrode to the graphite electrode of the negative electrode. At this time, since lithium is highly reactive, it reacts with the carbon electrode to generate Li 2 CO 3 , LiO, LiOH, etc. to form a film on the surface of the negative electrode. Such a film is called a solid electrolyte (SEI) film, and the SEI film formed at the beginning of charging prevents the reaction between lithium ions and carbon negative electrodes or other materials during charging and discharging. It also acts as an ion tunnel, allowing only lithium ions to pass. This ion tunnel serves to prevent the collapse of the structure of the carbon negative electrode through co-intercalation of the organic solvents of the high molecular weight electrolyte that move together by solvating lithium ions. do.
따라서, 리튬 이차전지의 고온 사이클 특성 및 저온 출력을 향상시키기 위해서는, 반드시 리튬 이차전지의 음극에 견고한 SEI 막을 형성하여야만 한다. SEI 막은 최초 충전시 일단 형성되고 나면 이후 전지 사용에 의한 충방전 반복시 리튬 이온과 음극 또는 다른 물질과의 반응을 막아주며, 전해액과 음극 사이에서 리튬 이온만을 통과시키는 이온 터널(Ion Tunnel)로서의 역할을 수행하게 된다.Therefore, in order to improve the high-temperature cycle characteristics and low-temperature output of the lithium secondary battery, a solid SEI film must be formed on the negative electrode of the lithium secondary battery. Once the SEI film is formed at the time of initial charge, it prevents the reaction between lithium ions and negative electrodes or other materials when charging and discharging is repeated after using the battery, and acts as an ion tunnel through which only lithium ions pass between the electrolyte and the negative electrode. Will perform.
현재까지 비수성 전해액에 있어, 다양한 비수성 유기 용매가 사용되어 왔으며, 이중 비수성 유기 용매로서 프로필렌 카보네이트가 사용되고 있으나, 이는 흑연 재료와 비가역적인 분해 반응을 일으킬 수 있는 문제점이 있었다. 이를 대체하기 위해 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate; EC)를 기본으로 포함하여 이/삼 성분계 비수성 유기 용매가 사용되어 왔다. 그러나, 에틸렌 카보네이트는 녹는점이 높아서 사용 온도가 제한되어 있고, 저온에 있어서 상당한 전지 성능 저하를 가져올 수 있는 문제가 있다.Until now, in the non-aqueous electrolyte solution, various non-aqueous organic solvents have been used, and propylene carbonate is used as the non-aqueous organic solvent, but this has a problem that may cause an irreversible decomposition reaction with the graphite material. To replace this, two/three-component non-aqueous organic solvents have been used including ethylene carbonate (EC) as a basis. However, since ethylene carbonate has a high melting point, its use temperature is limited, and there is a problem that can lead to significant battery performance degradation at low temperatures.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 저온 및 상온 출력 특성을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 리튬 이차전지의 초기 저항 감소와 함께, 상온 및 고온 사이클 특성, 및 고온 저장 후 용량 특성을 향상시킬 수 있는 비수성 전해액, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.The problem to be solved of the present invention is that it is possible to improve low and room temperature output characteristics, as well as reduce the initial resistance of the lithium secondary battery, and to improve the room temperature and high temperature cycle characteristics, and capacity characteristics after high temperature storage. To provide an electrolyte, and a lithium secondary battery including the same.
상기 해결하고자 하는 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 i) 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸렌 카보네이트(EC)를 포함하는 비수성 유기 용매; 및 ii) 리튬비스플루오로설포닐이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI) 및 테트라비닐실란(tetravinylsilane, TVS)을 포함하는 전해액 첨가제를 포함하는 비수성 전해액을 제공한다.In order to solve the problem to be solved, the present invention provides i) a non-aqueous organic solvent including propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC); And ii) an electrolyte additive including lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) and tetravinylsilane (TVS).
또한, 본 발명은 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터; 및 상기 비수성 전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative active material; A separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; And it provides a lithium secondary battery including the non-aqueous electrolyte.
본 발명의 비수성 전해액은, 이를 포함하는 리튬 이차전지의 초기 충전시 음극에서 견고한 SEI 막을 형성시킴으로써 저온 및 상온 출력 특성을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 리튬 이차전지의 초기 저항 감소와 함께, 고온 및 상온 사이클 특성, 및 고온 저장 후 용량 특성을 향상시킬 수 있다.The non-aqueous electrolyte solution of the present invention can improve low and room temperature output characteristics by forming a solid SEI film at the negative electrode during initial charging of a lithium secondary battery including the same, as well as reducing the initial resistance of the lithium secondary battery, and It is possible to improve the room temperature cycle characteristics, and the capacity characteristics after high temperature storage.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid understanding of the present invention. The terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.
본 발명의 비수성 전해액은 i) 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸렌 카보네이트(EC)를 포함하는 비수성 유기 용매; 및 ii) 리튬비스플루오로설포닐이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI) 및 하기 화학식 1로 표시되는 테트라비닐실란(tetravinylsilane, TVS)을 포함하는 전해액 첨가제를 포함한다. The non-aqueous electrolyte solution of the present invention includes i) a non-aqueous organic solvent including propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC); And ii) an electrolyte solution additive including lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) and tetravinylsilane (TVS) represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
본 발명의 일례에 따르면, 비수성 유기 용매인 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸렌 카보네이트(EC)의 혼합 비율을 조절함으로써 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸렌 카보네이트(EC) 각각을 사용할 때 발생하는 문제점을 해결하고, 이들 각각의 용매의 장점을 살려 비수성 유기 용매의 혼용에 의한 시너지 효과를 발현할 수 있다. 또한, 이들 혼합 비수성 유기 용매 하에 리튬비스플루오로설포닐이미드를 포함하므로, 초기 충전시 음극에서 견고한 SEI 막을 형성시킴으로써 저온 및 상온 출력 특성은 물론, 45℃ 이상의 고온 사이클 작동시 발생할 수 있는 양극 표면의 분해를 억제하고 전해액의 산화 반응을 방지하여 리튬 이차전지의 용량 특성을 동시에 향상시킬 수 있고, 또한 테트라비닐실란을 포함하므로, 상기 테트라비닐실란이 전지의 초기 활성화 시 분해되어 음극의 상기 SEI 막의 형성에 참여하여 견고한 피막을 형성하는데 도움을 주어 저온 저항을 감소시킴과 함께, 고온에서의 셀 성능을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다. According to an example of the present invention, by adjusting the mixing ratio of propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC), which are non-aqueous organic solvents, problems arising when using each of propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC) are solved. , Taking advantage of the advantages of each of these solvents, it is possible to express a synergistic effect by mixing non-aqueous organic solvents. In addition, since lithium bisfluorosulfonylimide is included in these mixed non-aqueous organic solvents, a solid SEI film is formed at the negative electrode during initial charging, so that the positive electrode can be generated during operation at a high temperature cycle of 45℃ or higher as well as low temperature and room temperature output characteristics. By suppressing the decomposition of the surface and preventing the oxidation reaction of the electrolyte, the capacity characteristics of the lithium secondary battery can be improved at the same time, and since it contains tetravinylsilane, the tetravinylsilane is decomposed during the initial activation of the battery and thus the SEI of the negative electrode. By participating in the formation of the film, it helps to form a solid film, thereby reducing low-temperature resistance and improving cell performance at high temperatures.
일반적으로, 비수성 전해액에 사용되는 비수성 유기 용매로서 에틸렌 카보네이트(EC)는 탄소 재료와의 친화성이 우수한 특성으로 리튬 이차전지에 주로 사용되어 왔다. 그러나, EC를 너무 많이 사용하는 경우, EC 분해로 인해 CO2 가스(gas)가 발생하므로 이차전지의 성능에 악영향을 줄 수 있을 뿐 아니라, 고융점 특성으로 인하여 저온 특성이 좋지 못하고, 전도도가 낮은 관계로 고출력 특성이 낮은 문제점이 있다. In general, ethylene carbonate (EC) as a non-aqueous organic solvent used in a non-aqueous electrolyte solution has been mainly used in lithium secondary batteries because of its excellent affinity with a carbon material. However, if too much EC is used, CO 2 gas is generated due to EC decomposition, so that not only may adversely affect the performance of the secondary battery, but also have poor low temperature characteristics due to high melting point characteristics and low conductivity. Therefore, there is a problem with low high output characteristics.
이에 반해, 프로필렌 카보네이트를 포함하는 비수성 전해액은 우수한 저온 특성과 고전도도로 인한 고출력 특성을 갖는 특징이 있다. 그러나, 프로필렌 카보네이트는 흑연 재료와 비가역적인 분해 반응을 일으키는 관계로 흑연과의 사용에 있어 제한되는 문제점이 있다. 또한, 전극 두께에 따라 고온 사이클 시에 프로필렌 카보네이트에 의한 전극 탈리(exforiation) 현상으로 리튬 이차전지의 용량 저하가 발생하는 문제가 있었다.In contrast, the non-aqueous electrolyte solution containing propylene carbonate has excellent low-temperature characteristics and high output characteristics due to high conductivity. However, since propylene carbonate causes an irreversible decomposition reaction with a graphite material, there is a problem of being limited in use with graphite. In addition, depending on the thickness of the electrode, there is a problem in that the capacity of the lithium secondary battery decreases due to electrode exforiation caused by propylene carbonate during a high-temperature cycle.
특히, 비수성 유기 용매로서 프로필렌 카보네이트를 LiPF6 등의 리튬염과 함께 사용할 경우, 프로필렌 카보네이트는 탄소 전극을 사용하는 리튬 이차전지에서 SEI 피막을 형성하는 과정, 및 프로필렌 카보네이트에 의하여 용매화된 리튬 이온이 탄소층 사이에 삽입되는 과정에서 막대한 용량의 비가역 반응이 발생할 수 있다. 이는 사이클 특성 등 전지의 성능이 저하되는 문제를 야기할 수 있다. In particular, when propylene carbonate is used as a non-aqueous organic solvent with a lithium salt such as LiPF 6 , propylene carbonate is a process of forming an SEI film in a lithium secondary battery using a carbon electrode, and lithium ions solvated by propylene carbonate. In the process of being inserted between the carbon layers, an irreversible reaction of an enormous capacity may occur. This may cause a problem of deteriorating battery performance, such as cycle characteristics.
또한, 프로필렌 카보네이트에 의하여 용매화된 리튬 이온이 음극을 구성하는 탄소층에 삽입될 때, 탄소 표면층의 박리(exfoliation)가 진행될 수 있다. 이러한 박리는 탄소층 사이에서 용매가 분해될 때 발생하는 기체가 탄소층 사이에 큰 뒤틀림을 유발함으로써 발생될 수 있다. 이와 같은 표면층의 박리와 전해액의 분해는 계속적으로 진행될 수 있으며, 이로 인하여 프로필렌 카보네이트 전해액을 탄소계 음극재와 병용하는 경우 효과적인 SEI 막이 생성되지 않아 리튬 이온이 삽입되지 않을 수 있다.In addition, when lithium ions solvated by propylene carbonate are inserted into the carbon layer constituting the negative electrode, exfoliation of the carbon surface layer may proceed. This exfoliation may be caused by gas generated when the solvent is decomposed between the carbon layers causing a large distortion between the carbon layers. The peeling of the surface layer and decomposition of the electrolyte may be continuously performed. Accordingly, when the propylene carbonate electrolyte is used in combination with the carbon-based negative electrode material, an effective SEI film may not be formed and lithium ions may not be inserted.
이에, 본 발명에서는 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트의 문제점을 극복하고, 상기 장점을 최대한 살리도록 하기 위해, 비수성 유기 용매로 기존의 에틸렌 카보네이트에 프로필렌 카보네이트의 양을 적정 조성으로 혼용함으로써, 비수성 전해액의 전도도 특성을 향상하여 리튬 이차전지의 출력 특성을 개선하고, 저온 특성을 개선하여 탄소층과의 전기 화학적 친화성도 우수한 비수성 전해액을 제공할 수 있다. Accordingly, in the present invention, in order to overcome the problems of ethylene carbonate and propylene carbonate, and to maximize the above advantages, by mixing the amount of propylene carbonate with the existing ethylene carbonate as a non-aqueous organic solvent in an appropriate composition, the non-aqueous electrolyte By improving the conductivity characteristics, the output characteristics of the lithium secondary battery are improved, and the low-temperature characteristics are improved to provide a non-aqueous electrolyte having excellent electrochemical affinity with the carbon layer.
또한, 본 발명에서는 상기 프로필렌 카보네이트와 LiPF6 등의 리튬염을 함께 사용할 경우의 상기와 같은 문제점을 리튬비스플루오로설포닐이미드를 사용하여 이들을 조합함으로써 해결할 수 있는 것이다. In addition, in the present invention, the above problems in the case of using the propylene carbonate and a lithium salt such as LiPF 6 can be solved by combining them using lithium bisfluorosulfonylimide.
상기 리튬비스플루오로설포닐이미드는 리튬염으로서 비수성 전해액에 첨가되어, 음극에 견고하고 안정한 SEI 막을 형성함으로써 저온 출력 특성을 개선시킴은 물론, 고온 사이클 작동시 발생할 수 있는 양극 표면의 분해를 억제하고 전해액의 산화 반응을 방지할 수 있다.The lithium bisfluorosulfonylimide is added to the non-aqueous electrolyte as a lithium salt to form a strong and stable SEI film on the negative electrode, thereby improving low-temperature output characteristics and suppressing decomposition of the positive electrode surface that may occur during high-temperature cycle operation. And it can prevent the oxidation reaction of the electrolyte.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비수성 유기 용매로서 상기 프로필렌 카보네이트와 에틸렌 카보네이트(EC) 용매의 혼합비는 저온 및 상온 출력, 및 고온 저장 후 용량 특성을 모두 향상시키는데 중요한 영향을 미칠 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the mixing ratio of the propylene carbonate and ethylene carbonate (EC) solvent as a non-aqueous organic solvent may have an important effect in improving both low and room temperature output, and capacity characteristics after high temperature storage.
상기 프로필렌 카보네이트와 에틸렌 카보네이트(EC)의 혼합비는 예를 들어 1:0.1 내지 1:2 중량비, 바람직하게는 1:0.3 내지 1:1, 더욱 바람직하게는 1:0.4 내지 1:0.9일 수 있고, 상기 혼합비의 범위를 만족하는 경우 두 비수성 유기 용매의 혼용에 의한 시너지 효과가 발현될 수 있다. The mixing ratio of the propylene carbonate and ethylene carbonate (EC) may be, for example, 1:0.1 to 1:2 weight ratio, preferably 1:0.3 to 1:1, more preferably 1:0.4 to 1:0.9, When satisfying the range of the mixing ratio, a synergistic effect may be expressed by mixing two non-aqueous organic solvents.
본 발명의 일 실시예에 따르는 비수성 유기 용매로서 프로필렌 카보네이트는 비수성 유기 용매 100 중량부를 기준으로 5 중량부 내지 60 중량부, 구체적으로는 10 중량부 내지 40 중량부 포함될 수 있다. 상기 프로필렌 카보네이트의 함량이 5 중량부보다 적으면 고온 사이클 시 양극 표면의 분해로 인해 가스가 지속적으로 발생되어 전지의 두께가 증가되는 스웰링 현상이 발생할 수 있고, 60 중량부를 초과할 경우 초기 충전지 음극에서 견고한 SEI 막을 형성시키기 어려우며, 고온 특성이 저하될 수 있다. As a non-aqueous organic solvent according to an embodiment of the present invention, propylene carbonate may be included in 5 parts by weight to 60 parts by weight, specifically 10 parts by weight to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the non-aqueous organic solvent. If the content of propylene carbonate is less than 5 parts by weight, gas is continuously generated due to decomposition of the positive electrode surface during a high-temperature cycle, resulting in a swelling phenomenon that increases the thickness of the battery, and if it exceeds 60 parts by weight, the initial rechargeable battery negative electrode It is difficult to form a solid SEI film at, and high temperature properties may be deteriorated.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프로필렌 카보네이트의 사용량 내에서 에틸렌 카보네이트를 상기 혼합비의 범위 내에서 적절히 조절함으로써, 본 발명의 리튬 이차전지의 저온 및 상온 출력 특성뿐 아니라, 고온 저장 후 용량 특성 등에 있어 최적의 효과를 달성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by appropriately adjusting ethylene carbonate within the range of the mixing ratio within the amount of propylene carbonate used, not only the low temperature and room temperature output characteristics of the lithium secondary battery of the present invention, but also the capacity characteristics after high temperature storage, etc. To achieve the optimum effect.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에틸렌 카보네이트(EC) 및 프로필렌 카보네이트 외에 비수성 전해액에 더 포함될 수 있는 비수성 유기 용매로는, 전지의 충방전 과정에서 산화 반응 등에 의한 분해가 최소화될 수 있고, 첨가제와 함께 목적하는 특성을 발휘할 수 있는 것이라면 제한이 없다. According to an embodiment of the present invention, as a non-aqueous organic solvent that may be further included in the non-aqueous electrolyte in addition to the ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate, decomposition due to oxidation reactions during the charging and discharging process of the battery may be minimized. In addition, there is no limitation as long as it can exhibit the desired properties with additives.
본 발명의 일 실시예에 따라 비수성 전해액에 더 포함될 수 있는 비수성 유기 용매로는, 예컨대 에틸 프로피오네이트(Ethyl propionate; EP), 메틸 프로피오네이트(Methyl propionate; MP), 부틸렌 카보네이트(BC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트(MPC) 및 에틸프로필 카보네이트(EPC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다. Non-aqueous organic solvents that may be further included in the non-aqueous electrolyte according to an embodiment of the present invention include, for example, ethyl propionate (EP), methyl propionate (MP), butylene carbonate ( BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC) and ethyl propyl carbonate (EPC) any selected from the group consisting of One, or a mixture of two or more of them may be mentioned.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리튬비스플루오로설포닐이미드는 비수성 전해액 중의 농도가 0.1 mol/ℓ 내지 2 mol/ℓ일 수 있고, 구체적으로 0.5 mol/ℓ 내지 1.5 mol/ℓ일 수 있다. 상기 리튬비스플루오로설포닐이미드의 농도가 0.1 mol/ℓ보다 적으면 전지의 저온 출력 개선 및 고온 사이클 특성의 개선의 효과가 미미할 수 있고, 상기 리튬비스플루오로설포닐이미드의 농도가 2 mol/ℓ를 초과하면 전지의 충방전시 전해액 내의 부반응이 과도하게 발생하여 스웰링(swelling) 현상이 일어날 수 있다. Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the lithium bisfluorosulfonylimide may have a concentration of 0.1 mol/ℓ to 2 mol/ℓ in the non-aqueous electrolyte solution, and specifically 0.5 mol/ℓ to 1.5 mol/ℓ. Can be If the concentration of the lithium bisfluorosulfonylimide is less than 0.1 mol/L, the effect of improving the low-temperature output and high-temperature cycle characteristics of the battery may be insignificant, and the concentration of the lithium bisfluorosulfonylimide is 2 If mol/L is exceeded, side reactions in the electrolyte solution may occur excessively during charging and discharging of the battery, resulting in a swelling phenomenon.
이러한 부반응을 더욱 방지하기 위해, 본 발명의 비수성 전해액은 리튬염을 더 포함할 수 있다. 상기 리튬염은 당 분야에서 통상적으로 사용되는 리튬염을 사용할 수 있으며, 예를 들어 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, CF3SO3Li, LiC(CF3SO2)3 및 LiC4BO8으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.In order to further prevent such side reactions, the non-aqueous electrolyte solution of the present invention may further contain a lithium salt. The lithium salt may be a lithium salt commonly used in the art, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , CF 3 SO 3 Li, LiC(CF 3 SO 2 ) 3 and LiC 4 BO 8 It may be any one selected from the group consisting of or a mixture of two or more of them.
상기 리튬염과 리튬비스플루오로설포닐이미드의 혼합비는 몰비로 1:1 내지 1:9일 수 있다. 상기 리튬염과 리튬비스플루오로설포닐이미드의 혼합비가 상기 몰비의 범위를 벗어날 경우, 전지의 충방전시 전해액 내의 부반응이 과도하게 발생하여 스웰링(swelling) 현상이 일어날 수 있다. The mixing ratio of the lithium salt and lithium bisfluorosulfonylimide may be 1:1 to 1:9 in a molar ratio. When the mixing ratio of the lithium salt and lithium bisfluorosulfonylimide is out of the range of the molar ratio, side reactions in the electrolyte solution excessively occur during charging and discharging of the battery, resulting in a swelling phenomenon.
구체적으로, 상기 리튬염과 리튬비스플루오로설포닐이미드의 혼합비는 몰비로서, 1:6 내지 1:9일 수 있다. 예컨대, 상기 리튬염과 리튬비스플루오로설포닐이미드의 혼합비가 몰비로 1:6 이상일 경우, 리튬 이온 전지에서 SEI 피막을 형성하는 과정, 및 프로필렌 카보네이트 및 에틸렌 카보네이트에 의하여 용매화된 리튬 이온이 음극 사이에 삽입되는 과정에서 막대한 용량의 비가역 반응이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 음극 표면층(예를 들어, 탄소 표면층)의 박리와 전해액의 분해를 억제하여, 이차전지의 저온 출력 개선, 고온 저장 후, 사이클 특성 및 용량 특성의 개선 효과를 발휘할 수 있다.Specifically, the mixing ratio of the lithium salt and lithium bisfluorosulfonylimide is a molar ratio, and may be 1:6 to 1:9. For example, when the mixing ratio of the lithium salt and lithium bisfluorosulfonylimide is 1:6 or more in a molar ratio, the process of forming an SEI film in a lithium ion battery, and lithium ions solvated by propylene carbonate and ethylene carbonate It can prevent irreversible reaction of enormous capacity during the process of being inserted between the cathodes, and suppress the peeling of the anode surface layer (for example, carbon surface layer) and decomposition of the electrolyte, improving the low-temperature output of the secondary battery, and storing at high temperature. After that, the effect of improving the cycle characteristics and capacity characteristics can be exhibited.
상기 테트라비닐실란의 함량은 상기 비수 전해액 총 중량을 기준으로 0.01 내지 3 중량%일 수 있고, 구체적으로 0.05 내지 2 중량%일 수 있으며, 더욱 구체적으로 0.1 내지 1.5 중량%일 수 있다. The content of the tetravinylsilane may be 0.01 to 3% by weight based on the total weight of the non-aqueous electrolyte, specifically 0.05 to 2% by weight, and more specifically 0.1 to 1.5% by weight.
상기 테트라비닐실란의 함량이 0.01 중량% 이상일 경우, 테트라비닐실란의 첨가로 인한 적절한 효과를 기대할 수 있으며, 상기 테트라비닐실란의 함량이 3 중량% 이하일 경우, 저온 저항을 감소시키면서, 적절한 정도의 고온 저장 특성 및 고온 사이클 특성의 상승 효과를 발휘하면서도 전지의 비가역 용량을 증가시키는 등의 문제를 방지할 수 있다. When the content of the tetravinylsilane is 0.01% by weight or more, an appropriate effect can be expected due to the addition of the tetravinylsilane, and when the content of the tetravinylsilane is 3% by weight or less, the low temperature resistance is reduced while the appropriate high temperature It is possible to prevent problems such as increasing the irreversible capacity of the battery while exerting the synergistic effect of the storage characteristics and high-temperature cycle characteristics.
상기 테트라비닐실란의 함량은 리튬 비스 플루오로 설포닐 이미드의 첨가량에 따라 조절 가능하며, 따라서 상기 리튬 비스 플루오로 설포닐 이미드 및 테트라비닐실란은 1:0.001 내지 1:1의 중량비로 사용될 수 있고, 구체적으로 1:0.002 내지 0.5의 중량비로 사용될 수 있으며, 더욱 구체적으로 1:0.01 내지 1:0.3의 중량비로 사용될 수 있다. The content of the tetravinylsilane can be adjusted according to the amount of lithium bis fluoro sulfonyl imide, and thus the lithium bis fluoro sulfonyl imide and the tetravinylsilane may be used in a weight ratio of 1:0.001 to 1:1. And, specifically, it may be used in a weight ratio of 1:0.002 to 0.5, more specifically, it may be used in a weight ratio of 1:0.01 to 1:0.3.
상기 리튬 비스 플루오로 설포닐 이미드와 상기 테트라비닐실란이 1:0.001 내지 1:1의 중량비로 사용될 경우, 상기 리튬 비스 플루오로 설포닐 이미드 첨가에 따라 발생될 수 있는 리튬 이차전지의 상온에서의 전지 충방전시 전해액 내의 부반응을 상기 테트라비닐실란이 적절히 억제할 수 있다.When the lithium bis fluoro sulfonyl imide and the tetravinyl silane are used in a weight ratio of 1:0.001 to 1:1, at room temperature of a lithium secondary battery that may be generated by the addition of the lithium bis fluorosulfonyl imide The tetravinylsilane can appropriately inhibit side reactions in the electrolyte during charging and discharging of the battery.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르는 리튬 이차전지는 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터; 및 상기 비수성 전해액을 포함할 수 있다. On the other hand, the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative active material; A separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; And the non-aqueous electrolyte.
여기서, 상기 양극 활물질은 망간 스피넬(spinel)계 활물질, 리튬 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 리튬 금속 산화물은 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간-코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 보다 구체적으로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(여기에서, 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(여기서, 0<Z<2)일 수 있다. Here, the positive electrode active material may include a manganese spinel-based active material, lithium metal oxide, or a mixture thereof. Further, the lithium metal oxide may be selected from the group consisting of lithium-manganese-based oxide, lithium-nickel-manganese-based oxide, lithium-manganese-cobalt-based oxide, and lithium-nickel-manganese-cobalt-based oxide, and more specifically Is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li(Ni a Co b Mn c )O 2 (here, 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, it may be 0<Z<2).
특히, 본 발명의 일례에 있어서, 상기 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 산화물을 포함할 수 있다. In particular, in an example of the present invention, the lithium-nickel-manganese-cobalt-based oxide may include an oxide represented by the following formula (2).
[화학식 2][Formula 2]
Li1+x(NiaCobMnc)O2 Li 1+x (Ni a Co b Mn c )O 2
상기 식에서, 0.55≤a≤0.65, 0.18≤b≤0.22, 0.18≤c≤0.22, -0.2≤x≤0.2, 및 x+a+b+c+=1이다.In the above formula, 0.55≦a≦0.65, 0.18≦b≦0.22, 0.18≦c≦0.22, -0.2≦x≦0.2, and x+a+b+c+=1.
한편, 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 탄소 복합체와 같은 탄소계 음극 활물질이 단독으로 또는 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있으며, 바람직하게는 결정질 탄소로 천연흑연과 인조흑연과 같은 흑연질(graphite) 탄소일 수 있다.On the other hand, as the negative active material, a carbon-based negative active material such as crystalline carbon, amorphous carbon, or carbon composite may be used alone or in combination of two or more, and graphite materials such as natural graphite and artificial graphite as crystalline carbon (graphite) May be carbon.
구체적으로, 리튬 이차전지에 있어서, 상기 양극 또는 음극은, 예를 들어 양극 또는 음극 집전체 상에 양극 또는 음극 활물질, 도전제 및 바인더의 혼합물을 소정의 용매와 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 집전체 상에 도포한 후 건조하여 제조될 수 있다. Specifically, in a lithium secondary battery, the positive or negative electrode is, for example, a mixture of a positive or negative active material, a conductive agent, and a binder on a positive or negative current collector to prepare a slurry, It can be prepared by applying the slurry on a current collector and then drying it.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the positive electrode current collector is generally made to have a thickness of 3 μm to 500 μm. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or the surface of aluminum or stainless steel. For example, those treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used.
상기 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics are possible.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is generally made to have a thickness of 3 μm to 500 μm. Such a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes to the battery, for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel. For the surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloys, etc. may be used. In addition, like the positive electrode current collector, it is possible to enhance the bonding strength of the negative electrode active material by forming fine irregularities on the surface thereof, and may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.
상기 양극 또는 음극 슬러리에 사용되는 상기 도전제는 통상적으로 양극 또는 음극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive agent used in the positive or negative electrode slurry is typically added in an amount of 1 to 20% by weight based on the total weight of the mixture including the positive or negative active material. Such a conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
상기 바인더는 양극 또는 음극 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 또는 음극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부티렌 고무(SBR), 불소 고무, 다양한 공중합체 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다. The binder is a component that aids in binding of a positive or negative active material to a conductive agent and to a current collector, and is typically added in an amount of 1 to 20% by weight based on the total weight of the mixture including the positive or negative active material. Examples of such a binder include polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HEP), polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, and polymethylmethacrylate. ), polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM ), sulfonated EPDM, styrene butyrene rubber (SBR), fluorine rubber, and various kinds of binder polymers such as various copolymers may be used.
또한, 상기 용매의 바람직한 예로는 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 또는 물 등을 들 수 있으며, 건조 과정에서 제거된다.In addition, preferred examples of the solvent include dimethyl sulfoxide (DMSO), alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, or water, and are removed during the drying process.
상기 세퍼레이터로는 종래에 세퍼레이터로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the separator, a conventional porous polymer film conventionally used as a separator, for example, an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, and an ethylene/methacrylate copolymer, etc. A porous polymer film made of a polymer may be used alone or by stacking them, or a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of a high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc., may be used, but is limited thereto. no.
본 발명에서 사용되는 전지 케이스는 당분야에서 통상적으로 사용되는 것이 채택될 수 있고, 전지의 용도에 따른 외형에 제한이 없으며, 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될수 있다.The battery case used in the present invention may be adopted that is commonly used in the art, and there is no limitation on the appearance according to the use of the battery, for example, a cylindrical shape using a can, a square shape, a pouch type, or a coin It can be (coin) type, etc.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.The lithium secondary battery according to the present invention can be used not only for a battery cell used as a power source for a small device, but also can be preferably used as a unit cell for a medium or large battery module including a plurality of battery cells. Preferred examples of the medium and large-sized devices include, but are not limited to, electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and power storage systems.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be described in detail to illustrate the present invention in detail. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art.
실시예 Example
이하 실시예 및 실험예를 들어 더욱 설명하나, 본 발명이 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and experimental examples will be further described, but the present invention is not limited by these examples and experimental examples.
실시예 1Example 1
[비수성 전해액의 제조][Preparation of non-aqueous electrolyte solution]
프로필렌 카보네이트(PC):에틸렌 카보네이트(EC):에틸메틸 카보네이트(EMC) 2:1:7(부피비)의 조성을 갖는 비수성 유기 용매 및 리튬염으로서 비수성 전해액 총량을 기준으로 LiPF6 0.1 mol/ℓ를 첨가하고, 리튬비스플루오로설포닐이미드 0.9 mol/ℓ 및 테트라비닐실란 0.2 중량%를 첨가하여 비수성 전해액을 제조하였다.Propylene carbonate (PC):ethylene carbonate (EC):ethylmethyl carbonate (EMC) 2:1:7 (volume ratio) as a non-aqueous organic solvent and lithium salt based on the total amount of non-aqueous electrolyte LiPF 6 0.1 mol/l was added, and 0.9 mol/l of lithium bisfluorosulfonylimide and 0.2 wt% of tetravinylsilane were added to prepare a non-aqueous electrolyte.
[리튬 이차전지의 제조][Manufacture of lithium secondary battery]
양극 활물질로서 LiMn2O4 및 Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2의 혼합물 96 중량%, 도전재로 카본 블랙(carbon black) 2 중량%, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 2 중량%를 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 두께 20 ㎛ 정도의 양극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 도포하고, 건조하여 양극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 양극을 제조하였다.96% by weight of a mixture of LiMn 2 O 4 and Li(Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 )O 2 as a positive electrode active material, 2 % by weight of carbon black as a conductive material, 2% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder % Was added to N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent to prepare a positive electrode mixture slurry. The positive electrode mixture slurry was applied to an aluminum (Al) thin film of a positive electrode current collector having a thickness of about 20 μm, dried to prepare a positive electrode, and then roll press to prepare a positive electrode.
또한, 음극 활물질로 탄소 분말, 바인더로 PVdF, 도전제로 카본 블랙(carbon black)을 각각 96 중량%, 3 중량% 및 1 중량%로 하여 용매인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 혼합물 슬러리를 두께 10 ㎛ 정도의 음극 집전체인 구리(Cu) 박막에 도포하고, 건조하여 음극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 음극을 제조하였다.In addition, carbon powder as an anode active material, PVdF as a binder, and carbon black as a conductive material in 96% by weight, 3% by weight, and 1% by weight, respectively, were added to NMP as a solvent to prepare a negative electrode mixture slurry. The negative electrode mixture slurry was coated on a copper (Cu) thin film of a negative electrode current collector having a thickness of about 10 μm, dried to prepare a negative electrode, and then roll press to prepare a negative electrode.
이와 같이 제조된 양극과 음극을 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 (PP/PE/PP) 3층으로 이루어진 분리막과 함께 통상적인 방법으로 폴리머형 전지 제작 후, 제조된 상기 비수성 전해액을 주액하여 리튬 이차전지의 제조를 완성하였다.The prepared positive electrode and negative electrode were prepared as a polymer battery by a conventional method together with a separator consisting of three layers of polypropylene/polyethylene/polypropylene (PP/PE/PP), and then the prepared non-aqueous electrolyte was injected to form a lithium secondary battery. The production of the battery was completed.
실시예 2Example 2
LiPF6 0.17 mol/ℓ 및 리튬비스플루오로설포닐이미드 0.83 mol/ℓ(약 1:5의 몰비율)로 그 양을 달리한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 하여 비수성 전해액 및 리튬 이차전지를 제조하였다.LiPF 6 In the same manner as in Example 1, except that the amount was changed to 0.17 mol/l and lithium bisfluorosulfonylimide 0.83 mol/l (molar ratio of about 1:5), a non-aqueous electrolyte and lithium secondary The battery was prepared.
실시예 3Example 3
상기 테트라비닐실란을 0.5 중량%로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 하여 비수성 전해액 및 리튬 이차전지를 제조하였다.A non-aqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.5% by weight of tetravinylsilane was used.
비교예 1Comparative Example 1
LiFSI 및 테트라비닐실란을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 하여 비수성 전해액 및 리튬 이차전지를 제조하였다.A non-aqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that LiFSI and tetravinylsilane were not used.
비교예 2Comparative Example 2
LiFSI를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 하여 비수성 전해액 및 리튬 이차전지를 제조하였다.A non-aqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that LiFSI was not used.
비교예 3Comparative Example 3
테트라비닐실란을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 하여 비수성 전해액 및 리튬 이차전지를 제조하였다.A non-aqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that tetravinylsilane was not used.
비교예 4Comparative Example 4
상기 양극활물질로서 Li(Ni0.5Co0.3Mn0.2)O2를 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 비수성 전해액 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.A non-aqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that Li(Ni 0.5 Co 0.3 Mn 0.2 )O 2 was used as the positive electrode active material.
비교예 5Comparative Example 5
상기 양극활물질로서 LiCoO2를 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 하여 비수성 전해액 및 리튬 이차전지를 제조하였다.A non-aqueous electrolyte and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that LiCoO 2 was used as the positive electrode active material.
실험예 1Experimental Example 1
<고온 저장 후 용량 측정><Measure capacity after high temperature storage>
실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 5의 리튬 이차전지를 상온에서 정전류/정전압(CC/CV) 조건에서 4.2 V/38 mA까지 1 C으로 충전한 다음, 정전류(CC) 조건에서 2.5 V까지 2 C으로 방전하고, 그 방전 용량을 측정하여 0주차의 용량으로 하였다. 그 다음, 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1 내지 5의 리튬 이차전지를 60℃에서 12주간 보관 후, 상온에서 정전류/정전압(CC/CV) 조건에서 4.2 V/38 mA까지 1 C으로 충전한 다음, 정전류(CC) 조건에서 2.5 V까지 2 C으로 방전하고, 그 방전 용량을 측정하여 12주 후의 용량으로 하였다. The lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 were charged at room temperature at constant current/constant voltage (CC/CV) to 4.2 V/38 mA at 1 C, and then 2.5 V under constant current (CC) conditions. The discharge was performed at 2 C until, and the discharge capacity was measured to obtain the capacity at week 0. Then, the lithium secondary batteries of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5 were stored at 60° C. for 12 weeks, and then charged at 1 C to 4.2 V/38 mA under constant current/constant voltage (CC/CV) conditions at room temperature. Then, it was discharged at 2 C to 2.5 V under constant current (CC) conditions, and the discharge capacity was measured to obtain the capacity after 12 weeks.
고온 저장 후의 용량을 12주 후의 용량/0주차의 용량Ⅹ100으로 계산하여 % 값으로 하기 표 1에 나타내었다. The capacity after high-temperature storage was calculated as the capacity X100 at the capacity of the 0 weeks after 12 weeks, and is shown in Table 1 below as a% value.
실험예 2Experimental Example 2
<고온 저장 후 출력 측정><Output measurement after high temperature storage>
실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 5의 리튬 이차전지를 상온에서 SOC(충전 심도) 50에서 5 C으로 10초간 방전하여 발생하는 전압차로 저온 출력을 계산하여 그 출력을 0주차의 출력으로 하였다. 그 다음, 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 5의 리튬 이차전지를 60℃에서 12주간 보관 후, 상온에서 SOC(충전 심도) 50%에서 5 C으로 10초간 방전하여 발생하는 전압차로 저온 출력을 계산하여 그 출력을 12주 후의 출력으로 하였다. The low-temperature output was calculated with the voltage difference generated by discharging the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 at room temperature at SOC (depth of charge) 50 to 5 C for 10 seconds, and the output as the output of week 0 I did. Then, the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 were stored at 60°C for 12 weeks, and then discharged at 50% SOC (depth of charge) at room temperature for 10 seconds. The output was calculated and the output was taken as the output after 12 weeks.
고온 저장 후의 출력을 12주 후의 출력/0주차의 출력Ⅹ100으로 계산하여 % 값으로 하기 표 1에 나타내었다. The output after high-temperature storage was calculated as output x 100 of output / 0 week after 12 weeks, and is shown in Table 1 below as a% value.
실험예 3Experimental Example 3
<전지 두께 증가율 측정> <Measurement of battery thickness increase rate>
실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 5의 리튬 이차전지의 두께를 측정하고, 60℃에서 12주간 보관 후의 두께를 측정해서, 전지 두께 증가율을 (16주 후의 두께/0주차의 두께Ⅹ100)-100으로 계산하여 % 값으로 하기 표 1에 나타내었다. The thickness of the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 was measured, and the thickness after storage at 60° C. for 12 weeks was measured, and the rate of increase in the battery thickness was determined (thickness after 16 weeks/thickness at week 0×100). It was calculated as -100 and shown in Table 1 below as a% value.
실험예 4Experimental Example 4
<저온 출력 특성><Low temperature output characteristics>
실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 5의 리튬 이차전지를 -30℃에서 0.5 C으로 SOC(충전 심도) 50에서 10초간 방전하여 발생하는 전압차로 저온 출력을 계산하였다. 비교예 3의 이차전지의 값을 기준으로 하여 (측정 대상 이차전지의 출력/비교예 3의 이차전지의 출력 Ⅹ100)-100으로 계산하여 % 값으로 하기 표 1에 나타내었다.The low-temperature output was calculated from the voltage difference generated by discharging the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 at -30°C at 0.5 C at SOC (depth of charge) 50 for 10 seconds. Based on the value of the secondary battery of Comparative Example 3, (output of the secondary battery to be measured/output of the secondary battery of Comparative Example 3 X100) -100 was calculated as a% value and is shown in Table 1 below.
실험예 5Experimental Example 5
<상온 출력 특성><Room temperature output characteristics>
실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 5의 리튬 이차전지를 상온(25℃)에서 0.5 C으로 SOC(충전 심도) 50에서 10초간 방전하여 발생하는 전압차로 상온 출력을 계산하였다. 비교예 3의 이차전지의 값을 기준으로 하여 (측정 대상 이차전지의 출력/비교예 3의 이차전지의 출력 Ⅹ100)-100으로 계산하여 % 값으로 하기 표 1에 나타내었다.Room temperature output was calculated from the voltage difference generated by discharging the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 at 0.5 C at room temperature (25° C.) at SOC (depth of charge) 50 for 10 seconds. Based on the value of the secondary battery of Comparative Example 3, (output of the secondary battery to be measured/output of the secondary battery of Comparative Example 3 X100) -100 was calculated as a% value and is shown in Table 1 below.
(중량%)additive
(weight%)
(%)High temperature storage characteristics
(%)
(비교예 3 대비)Print (%)
(Comparative Example 3)
증가 Battery thickness
increase
상기 표 1을 참조하면, 전해액 첨가제로서 LiFSI 및 테트라비닐실란을 포함하는 실시예 1 내지 3의 리튬 이차전지는 고온 저장 특성이 우수하고, 저온 및 상온 출력 특성이 우수하였다. 이에 비해, LiFSI 및 테트라비닐실란 중 어느 하나를 포함하지 않는 비교예 1 내지 3의 리튬 이차전지는 실시예 1 내지 3의 리튬 이차전지에 비해, 고온 저장 특성, 및 저온 및 상온 출력 특성이 뒤떨어졌다.Referring to Table 1, the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 containing LiFSI and tetravinylsilane as electrolyte additives have excellent high-temperature storage characteristics and excellent low-temperature and room-temperature output characteristics. In contrast, the lithium secondary batteries of Comparative Examples 1 to 3 that do not contain any one of LiFSI and tetravinylsilane were inferior to the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 in high-temperature storage characteristics and low-temperature and room-temperature output characteristics. .
한편, 비교예 4 및 5의 전지는 전해액 첨가제로서 LiFSI 및 테트라비닐실란을 포함하여 비교예 1 내지 3의 전지에 비해 고온 저장 특성, 또는 저온 및 상온 출력 특성 중 일부 특성이 우수하였다. 다만, 실시예 1 내지 3의 리튬 이차전지와 같이 상기 특성이 모두 우수하지는 못하였으며, 이를 통해 특정 조성을 갖는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물을 양극 활물질로 사용하였을 경우, 더욱 효과적임을 확인할 수 있었다. On the other hand, the batteries of Comparative Examples 4 and 5 included LiFSI and tetravinylsilane as electrolyte additives, and were superior to the batteries of Comparative Examples 1 to 3 in high-temperature storage characteristics or low-temperature and room-temperature output characteristics. However, not all of the above characteristics were excellent as in the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3, and through this, it was confirmed that it was more effective when lithium nickel cobalt manganese oxide having a specific composition was used as a positive electrode active material.
Claims (16)
상기 리튬 비스 플루오로 설포닐 이미드 및 상기 테트라비닐실란은 1 : 0.01 내지 1의 중량비로 포함되는 것인 비수성 전해액.
i) a non-aqueous organic solvent comprising propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC); And ii) an electrolyte additive including lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) and tetravinylsilane (TVS), and
The lithium bis fluoro sulfonyl imide and the tetravinylsilane are 1: Non-aqueous electrolyte solution to be contained in a weight ratio of 0.01 to 1.
상기 프로필렌 카보네이트와 에틸렌 카보네이트의 혼합비는 1:0.1 내지 2 중량비인 비수성 전해액.
The method of claim 1,
The mixing ratio of the propylene carbonate and ethylene carbonate is 1:0.1 to 2 weight ratio of the non-aqueous electrolyte.
상기 비수성 전해액은 리튬염을 더 포함하는 비수성 전해액.
The method of claim 1,
The non-aqueous electrolyte solution further comprises a lithium salt.
상기 리튬염과 리튬비스플루오로설포닐이미드의 혼합비는 몰비로서 1:1 내지 9인 비수성 전해액.
The method of claim 3,
The mixing ratio of the lithium salt and lithium bisfluorosulfonylimide is 1:1 to 9 as a molar ratio.
상기 리튬염과 리튬비스플루오로설포닐이미드의 혼합비는 몰비로서 1:6 내지 9인 비수성 전해액.
The method of claim 4,
The mixing ratio of the lithium salt and lithium bisfluorosulfonylimide is a molar ratio of 1:6 to 9, a non-aqueous electrolyte.
상기 리튬비스플루오로설포닐이미드는 비수성 전해액 중의 농도가 0.1 mol/ℓ 내지 2 mol/ℓ인 비수성 전해액.
The method of claim 1,
The lithium bisfluorosulfonylimide is a non-aqueous electrolyte having a concentration of 0.1 mol/L to 2 mol/L in the non-aqueous electrolyte.
상기 프로필렌 카보네이트의 함량은 비수성 유기용매 100 중량부를 기준으로 5 중량부 내지 60 중량부인 비수성 전해액.
The method of claim 1,
The content of propylene carbonate is 5 parts by weight to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the non-aqueous organic solvent.
상기 프로필렌 카보네이트의 함량은 비수성 유기용매 100 중량부를 기준으로 10 중량부 내지 40 중량부인 비수성 전해액.
The method of claim 7,
The content of propylene carbonate is 10 parts by weight to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the non-aqueous organic solvent.
상기 테트라비닐실란의 함량은 상기 비수성 전해액 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 내지 3 중량%인 비수성 전해액.
The method of claim 1,
The content of the tetravinylsilane is 0.01% by weight to 3% by weight based on the total weight of the non-aqueous electrolyte solution.
상기 비수성 유기 용매는 에틸 프로피오네이트(Ethyl propionate; EP), 메틸프로피오네이트(Methyl propionate; MP), 부틸렌 카보네이트(BC), 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트(MPC) 및 에틸프로필 카보네이트(EPC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 더 포함하는 비수성 전해액.
The method of claim 1,
The non-aqueous organic solvent is ethyl propionate (EP), methyl propionate (MP), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl Carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC) and ethyl propyl carbonate (EPC) any one selected from the group consisting of, or a non-aqueous electrolyte further comprising a mixture of two or more of them.
상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, CF3SO3Li, LiC(CF3SO2)3 및 LiC4BO8으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 비수성 전해액.
The method of claim 3,
The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , CF 3 SO 3 Li, LiC(CF 3 SO 2 ) Any one selected from the group consisting of 3 and LiC 4 BO 8 or a mixture of two or more of them.
제 1 항의 비수성 전해액을 포함하는 리튬 이차전지.
A positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative active material; A separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; And
A lithium secondary battery comprising the non-aqueous electrolyte of claim 1.
상기 양극 활물질은 망간 스피넬(spinel)계 활물질, 리튬 금속 산화물 또는 이들의 혼합물인 리튬 이차전지.
The method of claim 13,
The positive electrode active material is a lithium secondary battery of a manganese spinel-based active material, lithium metal oxide, or a mixture thereof.
상기 리튬 금속 산화물은 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간-코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 리튬 이차전지.
The method of claim 14,
The lithium metal oxide is a lithium secondary battery selected from the group consisting of a lithium-manganese-based oxide, a lithium-nickel-manganese-based oxide, a lithium-manganese-cobalt-based oxide, and a lithium-nickel-manganese-cobalt-based oxide.
상기 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 산화물을 포함하는 리튬 이차전지.
[화학식 2]
Li1+x(NiaCobMnc)O2
(상기 식에서, 0.55≤a≤0.65, 0.18≤b≤0.22, 0.18≤c≤0.22, -0.2≤x≤0.2, 및 x+a+b+c+=1이다.)The method of claim 15,
The lithium-nickel-manganese-cobalt-based oxide is a lithium secondary battery comprising an oxide represented by Formula 2 below.
[Formula 2]
Li 1+x (Ni a Co b Mn c )O 2
(In the above formula, 0.55≦a≦0.65, 0.18≦b≦0.22, 0.18≦c≦0.22, -0.2≦x≦0.2, and x+a+b+c+=1.)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |