KR102483368B1 - 리튬 이차 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 - Google Patents

리튬 이차 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 상기 전해질은 하기 화학식 1의 화합물을 전해질 첨가제로 포함하여, 리튬 이차 전지의 전지 특성, 특히 수명 특성 및 저저항 특성을 향상시킬 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112015117203420-pat00015

상기 화학식 1에서, R1내지 R4, n 및 X는 명세서 중에서 정의한 바와 같다.

Description

리튬 이차 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{ELECTROLYTE AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 리튬 이차 전지의 전지 특성, 특히 수명 특성 및 저저항 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이차 전지는 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털카메라 및 캠코더 등의 휴대용 전원으로서뿐만 아니라 전동공구(power tool), 전기자전거, 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(plug-in HEV, PHEV) 등의 중대형 전원으로 그 응용이 급속히 확대되고 있다. 이와 같은 응용분야의 확대 및 수요의 증가에 따라 전지의 외형적인 모양과 크기도 다양하게 변하고 있으며, 기존의 소형전지에서 요구되는 특성보다 더욱 우수한 성능과 안정성이 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해서는 전지 구성 성분들은 대전류가 흐르는 조건에서 전지의 성능구현이 안정적으로 이루어 져야한다.
리튬 이차 전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 두 전극 사이에 다공성 분리막을 설치한 후 액체 전해질을 주입시켜 제조되며, 상기 음극 및 양극에서의 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 따른 산화 환원반응에 의해 전기가 생성 또는 소비된다.
리튬 이온 전지의 출력특성, 사이클특성, 보존특성 등의 전지특성을 개선하기 위해 전해질 구비 성분으로서 비수계 용매나 첨가제에 대한 다양한 검토가 이루어지고 있다. 또한, 전지 성능 향상을 위하여 특정 화합물을 첨가제로서 전해질에 첨가하는 경우에도 대부분의 전지성능 중 일부 항목의 성능 향상은 기대할 수 있으나 다른 항목의 성능을 오히려 감소시키게 되는 등의 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 리튬 이차 전지의 전지 특성, 특히 수명 특성 및 저저항 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지용 전해질을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 리튬 이차 전지용 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 전해질 첨가제를 포함하는 리튬 이차 전지용 전해질을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015117203420-pat00001
(상기 화학식 1에서, 상기 n은 1 내지 10의 정수, 상기 X는 산소, 탄소, 규소, 인 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬기, 시클로알킬기, 알콕시기 및 할로겐화 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.)
본원발명의 일 실시예에 따른 전해질 첨가제는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 것일 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112015117203420-pat00002
상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 더 포함할 수 있다.
상기 유기용매는 카보네이트, 에테르, 에스테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 리튬염은 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2 및 LiN(CF3SO2)2로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 양극 활물질을 포함하는 양극, 상기 양극과 대향 배치되며, 음극 활물질을 포함하는 음극, 그리고 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 전해질을 포함하며, 상기 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 전해질 첨가제를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112015117203420-pat00003
(상기 화학식 1에서, 상기 n은 1 내지 10의 정수, 상기 X는 산소, 탄소, 규소, 인 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬기, 시클로알킬기, 알콕시기 및 할로겐화 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.)
상기 전해질 첨가제는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 것일 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112015117203420-pat00004
본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 전해질은 리튬 이차 전지의 전지 특성, 특히 수명 특성 및 저저항 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 분해 사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 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 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한 모든 화합물 또는 치환기는 치환되거나 비치환된 것일 수 있다. 여기서, 치환된이란 수소가 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 티오기, 메틸티오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 알릴기, 벤질기, 아릴기, 헤테로아릴기, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 대체된 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 전해질은, 유기용매, 상기 유기용매에 혼합된 리튬염; 및 상기 유기용매에 혼합된 하기 화학식 1로 표시되는 전해질 첨가제를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112015117203420-pat00005
상기 화학식 1에서, 상기 n은 1 내지 10의 정수, 상기 X는 산소, 탄소, 규소, 인 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬기, 시클로알킬기, 알콕시기 및 할로겐화 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 화학식 1에서, 상기 전해질 첨가제의 사용에 따른 전지 특성 개선효과의 개선 정도를 고려할 때, 상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 5의 알킬기인 것이 바람직하고, 탄소수 1의 메틸기가 보다 바람직할 수 있다.
또, 상기 R1 내지 R4는 동일한 것이 개선효과의 현저함 면에서 보다 바람직할 수 있다.
또, 상기 화학식 1에서, 상기 전해질 첨가제의 사용에 따른 전지 특성 개선효과의 개선 정도를 고려할 때, X는 산소인 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 전해질 첨가제는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 것일 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112015117203420-pat00006
상기 전해질 첨가제는, 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 10 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.2 내지 5중량%로 포함될 수 있고, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2중량%로 포함될 수 있다.
전해질 첨가제가 0.1 중량% 미만으로 포함될 경우 그 효과부분이 미미한 문제가 있을 수 있고, 10 중량%를 초과하는 경우 전해액 점도 상승으로 인한 이온전도도 저하 및 전지의 성능저하를 가져오는 문제가 있을 수 있다.
상기 화학식1의 실리콘질화물계 (Si-CN계) 화합물은 전해질 첨가제로 사용시 리튬 이차 전지의 전지 특성, 특히 수명 특성 및 저저항 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 전해질은 상기한 전해질 첨가제 이외에 유기 용매 및 리튬염을 더 포함할 수 있다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는 에스테르 용매, 에테르 용매, 케톤 용매, 방향족 탄화수소 용매, 알콕시알칸 용매, 카보네이트 용매 등을 사용할 수 있으며, 이들 중 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 에스테르 용매의 구체적인 예로는 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), n-프로필 아세테이트(n-propyl acetate), 디메틸아세테이트(dimethyl acetate), 메틸프로피오네이트(methyl propionate), 에틸프로피오네이트(ethyl propionate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 데카놀라이드(decanolide), γ-발레로락톤(γ-valerolactone), 메발로노락톤(mevalonolactone), δ-카프로락톤(δ-caprolactone), δ-발레로락톤(δ-valerolactone), 또는 ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등을 들 수 있다.
상기 에테르계 용매의 구체적인 예로는 디부틸 에테르(dibutyl ether), 테트라글라임(tetraglyme), 2-메틸테트라히드로퓨란(2-methyltetrahydrofuran), 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등을 들 수 있다.
상기 케톤계 용매의 구체적인 예로는 시클로헥사논(cyclohexanone) 등을 들 수 있다. 상기 방향족 탄화수소계 유기 용매의 구체적인 예로는 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 아이오도벤젠(iodobenzene), 톨루엔(toluene), 플루오로톨루엔(fluorotoluene), 또는 자일렌(xylene) 등을 들 수 있다. 상기 알콕시알칸 용매로는 디메톡시에탄(dimethoxy ethane) 또는 디에톡시에탄(diethoxy ethane) 등을 들 수 있다.
상기 카보네이트 용매의 구체적인 예로는 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 디프로필카보네이트(dipropylcarbonate, DPC), 메틸프로필카보네이트(methylpropylcarbonate, MPC), 에틸프로필카보네이트(ethylpropylcarbonate, EPC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC), 부틸렌카보네이트(butylenes carbonate, BC), 또는 플루오로에틸렌카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등을 들 수 있다.
이중에서도 상기 유기 용매로 카보네이트계 용매를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 카보네이트계 용매 중에서도 보다 바람직하게는 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도를 갖는 고유전율의 카보네이트계 유기 용매와, 상기 고유전율의 유기 용매의 점도를 적절하게 조절할 수 있는 점도가 낮은 카보네이트계 유기 용매를 혼합하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 고유전율의 유기 용매와, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 저점도의 유기 용매를 혼합하여 사용할 수 있다. 보다 더 바람직하게는 상기 고유전율의 유기 용매와 저점도의 유기 용매를 2:8 내지 8:2의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 좋으며, 보다 구체적으로 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트; 에틸메틸카보네이트; 그리고 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트를 5:1:1 내지 2:5:3의 부피비로 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 3:5:2의 부피비로 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 이차 전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염으로는 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(CaF2a +1SO2)(CbF2b +1SO2)(단, a 및 b는 자연수, 바람직하게는 1≤a≤20이고, 1≤b≤20임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)을 사용하는 것이 좋다.
상기 리튬염을 전해질에 용해시키면, 상기 리튬염은 리튬 이차 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 기능하고, 양극과 음극 간의 리튬 이온의 이동을 촉진할 수 있다. 이에 따라, 상기 리튬염은 상기 전해질 내에 대략 0.6mol% 내지 2mol%의 농도로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 리튬염의 농도가 0.6mol% 미만인 경우 전해질의 전도도가 낮아져 전해질 성능이 떨어질 수 있고, 2mol%를 초과하는 경우 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 낮아질 수 있다. 이와 같은 전해질의 전도도 및 리튬 이온의 이동성을 고려하면, 상기 리튬염은 상기 전해질 내에서 대략 0.7mol% 내지 1.6mol%로 조절되는 것이 보다 바람직할 수 있다.
상기 전해질은 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 일반적으로 전해질에 사용될 수 있는 첨가제(이하, 기타 첨가제라 함)를 더 포함할 수 있다.
상기 기타 첨가제의 구체적인 예로는 비닐렌카보네이트(vinylenecarbonate, VC), 메탈플루오라이드(metal fluoride, 예를 들면, LiF, RbF, TiF, AgF, AgF2, BaF2, CaF2, CdF2, FeF2, HgF2, Hg2F2, MnF2, NiF2, PbF2, SnF2, SrF2, XeF2, ZnF2, AlF3, BF3, BiF3, CeF3, CrF3, DyF3, EuF3, GaF3, GdF3, FeF3, HoF3, InF3, LaF3, LuF3, MnF3, NdF3, PrF3, SbF3, ScF3, SmF3, TbF3, TiF3, TmF3, YF3, YbF3, TIF3, CeF4, GeF4, HfF4, SiF4, SnF4, TiF4, VF4, ZrF44, NbF5, SbF5, TaF5, BiF5, MoF6, ReF6, SF6, WF6, CoF2, CoF3, CrF2, CsF, ErF3, PF3, PbF3, PbF4, ThF4, TaF5, SeF6 등), 글루타노나이트릴(glutaronitrile, GN), 숙시노나이트릴(succinonitrile, SN), 아디포나이트릴(adiponitrile, AN), 4-톨루나이트릴(4-tolunitrile), 1,3,6-헥산트리카보나이트릴(1,3,6-hexanetricarbonitrile), 프로필렌설파이드(propylene sulfide, PS), 3,3'-티오디프로피오나이트릴(3,3'-thiodipropionitrile, TPN), 비닐에틸렌카보네이트(vinylethylene carbonate, VEC), 플루오로에틸렌카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC), 디플루오로에틸렌카보네이트(difluoroethylenecarbonate), 플루오로디메틸카보네이트(fluorodimethylcarbonate), 플루오로에틸메틸카보네이트(fluoroethylmethylcarbonate), 리튬비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드(Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, LiTFSI), 리튬 테트라플루오로보레이트 (Lithium tetrafluoroborate, LiBF4), 리튬비스(옥살레이토)보레이트(Lithium bis(oxalato)borate, LiBOB), 리튬 디플루오로(옥살레이토) 보레이트(Lithium difluoro (oxalate) borate, LiDFOB), 리튬(말로네이토 옥살레이토)보레이트(Lithium (malonato oxalato) borate, LiMOB), 리튬 디플루오로포스페이트(lithium difluorophosphate, LiPO2F2), LiPF2C4O8, LiSO3CF3, LiPF4(C2O4), LiP(C2O4)3, LiC(SO2CF3)3, LiBF3(CF3CF2), LiPF3(CF3CF2)3, Li2B12F12, 1,3-프로판설톤(1,3-propane sultone), 1,3-프로펜설톤(1,3-propene sultone), 바이페닐(biphenayl), 시클로헥실벤젠(cyclohexyl benzene), 4-플루오로톨루엔(4-fluorotoluene), 숙시노언하이드라이드(succinic anhydride), 에틸렌설페이트언하이드라이드(ethylene sulfate anhydride), 트리스(트리메틸실릴)보레이트(tris(methylsilyl)borate) 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 포함할 수 있다.
상기 기타 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 20중량%로 포함될 수 고, 0.2 내지 5중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 상기 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전해질은 이중에서도 리튬 이온 전지, 알루미늄 적층 전지 및 리튬 폴리머 전지에 적용하기에 특히 우수할 수 있다.
상세하게는 상기 리튬 이차 전지는 서로 대향 배치되는 양극 활물질을 포함하는 양극과 음극 활물질을 포함하는 음극, 그리고 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 상기 전해질을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지(1)의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지(1)는 음극(3), 양극(5), 상기 음극(3) 및 양극(5) 사이에 세퍼레이터(7)를 배치하여 전극 조립체(9)를 제조하고, 이를 케이스(15)에 위치시키고 비수 전해질을 주입하여 상기 음극(3), 상기 양극(5) 및 상기 세퍼레이터(7)가 전해질에 함침되도록 함으로써 제조할 수 있다.
상기 음극(3) 및 양극(5)에는 전지 작용시 발생하는 전류를 집전하기 위한 도전성 리드 부재(10, 13)가 각기 부착될 수 있고, 상기 리드 부재(10, 13)는 각각 양극(5) 및 음극(3)에서 발생한 전류를 양극 및 음극 단자로 유도할 수 있다.
상기 양극(5)은 양극 활물질, 도전제 및 바인더를 혼합하여 양극 활물질 층 형성용 조성물을 제조한 후, 상기 양극 활물질 층 형성용 조성물을 알루미늄 포일 등의 양극 전류 집전체에 도포한 후 압연하여 제조할 수 있다.
상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 하기 화학식 3으로 표시되는 올리빈형 리튬 금속 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 3]
LixMyM'zXO4 - wYw
(상기 화학식 3에서, 상기 M 및 M'은 각각 독립적으로 Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 상기 X는 P, As, Bi, Sb, Mo 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 상기 Y는 F, S 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 0<x≤1, 0<y≤1, 0<z≤1, 0<x+y+z≤2이고, 0≤w≤0.5이다.)
상기 화합물 중에서도 전지의 용량 특성 및 안정성을 높일 수 있다는 점에서 LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNixMn(1-x)O2(단, 0<x<1), LiMlxM2yO2(단, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M1 및 M2은 각각 독립적으로 Al, Sr, Mg 및 La로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이다) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 음극(3)은 상기 양극(5)과 마찬가지로 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전제를 혼합하여 음극 활물질 층 형성용 조성물을 제조한 후, 이를 구리 포일 등의 음극 전류 집전체에 도포하여 제조할 수 있다.
상기 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물을 사용할 수 있다. 상기 음극 활물질의 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료를 사용할 수 있다. 또한, 상기 탄소질 재료 이외에, 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물, 또는 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물도 음극 활물질로 사용할 수 있다.
상기 리튬과 합금화가 가능한 금속으로는, Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 그리고 Al합금 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막을 사용할 수도 있다.
상기 음극 활물질로는 안정성이 높다는 면에서 결정질 탄소, 비결정질 탄소, 탄소 복합체, 리튬 금속, 리튬을 포함하는 합금 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
한편, 상기 전해질은 앞서 전해질에 관한 부분에서 기재한 바와 같으므로 그 기재를 생략한다. 상기 리튬 이차 전지는 통상의 방법에 의하여 제조될 수 있는 바, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 파우치형 리튬 이차 전지를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 기술이 파우치형 리튬 이차 전지로 한정되는 것은 아니며, 전지로서 작동할 수 있으면 어떠한 형상으로도 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지는 낮은 DC-IR 특성, 높은 고온 저장 특성, 그리고 향상된 출력 특성을 발휘할 수 있어, 빠른 충전 속도가 요구되는 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더 등의 휴대용 기기나, 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(plug-in HEV, PHEV) 등의 전기 자동차 분야, 그리고 중대형 에너지 저장 시스템에 유용할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[ 제조예 1: 전해질 및 리튬이차전지의 제조]
하기에서, 양극으로는 양극 활물질로 LiNi0 .6Mn0 .2Co0 .2O4, 도전제로 카본블랙(carbon black), 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 용매로 n-메틸-2-피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP)를 혼합하여 제조한 슬러리를 알루미늄(Al) 기재에 코팅하여 제조한 것을 사용하였다. 또한, 음극으로는 인조흑연인 MCMB(mesocarbon microbead)와 카본블랙(carbon black), 바인더로 PVDF를, 용매로는 NMP를 혼합하여 제조한 슬러리를 구리(Cu) 기재에 코팅하여 제조한 것을 사용하였다.
( 실시예 1)
에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 그리고 디메틸카보네이트(DEC)의 혼합용액(부피비: EC/EMC/DEC = 3/5/2)에 LiPF6 1.3M이 되도록 첨가한 후, 수득된 혼합용액 총 중량에 대하여 전해질 첨가제로서 하기 화학식 2로 표시되는 전해질 첨가제 0.5중량%를 첨가하여 전해질을 제조하였다. 상기 제조된 전해질과 앞서 제조해둔 양극 및 음극을 이용하여 알루미늄 파우치 형태(Al-pouch type)의 리튬 이차 전지를 제조하였다.
( 실시예 2, 비교예 1~2)
상기 실시예 1에서 전해질 첨가제를 하기 표 1에 기재된 바와 같은 화합물을 전해질 첨가제로서 기재된 함량으로 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 전지를 제조하였다.
전해질 첨가제 첨가량
(전해질 총 중량에 대한 중량%)
실시예1 화학식 2
Figure 112015117203420-pat00007
 0.5
실시예2 [화학식 3]
Figure 112015117203420-pat00008
 0.5
비교예1 [화학식 4]
Figure 112015117203420-pat00009
 0.5
비교예2 [화학식 5]
Figure 112015117203420-pat00010
 0.5
[ 실험예 : 리튬 이차 전지의 수명특성 평가]
상기 실시예 및 비교예에서 제작된 전지를 각각 925mAh로 CC/CV(1.5C-0.05C) 조건에서 충전하고, CC(1.5C, 2.7V-4.2V) 조건에서 방전하였다.
이 과정을 상온(25℃)에서 500회 반복하여 효율(efficiency, %)을 측정하였고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
조성 1cycle 방전용량(mAh) 500cycle 방전용량(mAh) 효율(%)
실시예1 915 668 73
실시예2 913 639 70
비교예1 901 568 63
비교예2 905 534 59
표 2를 참고하면, 실리콘질화물계 (Si-CN계) 화합물을 전해질 첨가제로 포함하는 실시예 1 및 2의 500cycle 방전용량 및 효율이 비교예 1 및 2에 비하여 우수함을 확인할 수 있었다.
[ 실험예 2: 리튬 이차 전지의 저저항 특성 평가]
상기 실시예 및 비교예에서 제작된 전지를 925mAh로 CC/CV(0.5C-0.05C) 조건에서 충전하여 60℃에서 3주 동안 방치한 후 주차별로 방전 DC-IR 변화를 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.
실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
0주차 100 100 100 100
1주차 118 121 137 136
2주차 141 152 171 169
3주차 170 190 210 200
(단위: %)
표 3을 참고하면 고온 저항 후 DCIR 평가 결과, 실시예 1 및 2의 값이 비교예 1 및 2에 비하여 더 낮은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 실리콘질화물계 (Si-CN계) 화합물을 전해질 첨가제로 포함하는 실시예 1 및 2가 우수한 저저항 특성을 보임을 알 수 있었다.
[ 실험예 3: 리튬 이차 전지의 고온저장 특성 평가]
상기 실시예 및 비교예에서 제작된 전지를 925mAh로 CC/CV(0.5C-0.05C) 조건에서 충전하여 60℃에서 3주 동안 방치한 후 다시 충방전기를 이용하여 주차 별로 925mAh로 CC(1.0C, 2.7V-4.2V) 조건에서 방전하고, CC/CV(1.0C-0.05C) 조건에서 충전하여 회복용량 변화를 측정하였다. 그 결과를 표 4에 나타내었다.
실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
0주차 100 100 100 100
1주차 79 72 67 61
2주차 55 51 35 33
3주차 39 33 21 19
(단위: %)
그 결과, 실시예 1 및 2의 전지는 비교예 1 및 2의 전지보다 고온 저장 평가에서도 개선된 특성을 보였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1 : 리튬 이차 전지
3 : 음극 5 : 양극
7 : 세퍼레이터 9 : 전극 조립체
10, 13 : 리드 부재 15 : 케이스

Claims (7)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 전해질 첨가제로 포함하는 리튬 이차 전지용 전해질.
    [화학식 1]
    Figure 112015117203420-pat00011

    (상기 화학식 1에서,
    상기 n은 1 내지 10의 정수,
    상기 X는 산소, 탄소, 규소, 인 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬기, 시클로알킬기, 알콕시기 및 할로겐화 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 첨가제는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 전해질.
    [화학식 2]
    Figure 112015117203420-pat00012
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 더 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 전해질.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유기용매는 카보네이트, 에테르, 에스테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 리튬 이차 전지용 전해질.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 리튬염은 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2 및 LiN(CF3SO2)2로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 리튬 이차 전지용 전해질.
  6. 양극 활물질을 포함하는 양극,
    상기 양극과 대향 배치되며, 음극 활물질을 포함하는 음극, 그리고
    상기 양극과 음극 사이에 개재되는 전해질을 포함하며,
    상기 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 전해질 첨가제를 포함하는 것인 리튬 이차 전지:
    [화학식 1]
    Figure 112015117203420-pat00013

    (상기 화학식 1에서,
    상기 n은 1 내지 10의 정수,
    상기 X는 산소, 탄소, 규소, 인 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬기, 시클로알킬기, 알콕시기 및 할로겐화 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전해질 첨가제는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 것인 리튬 이차전지.
    [화학식 2]
    Figure 112015117203420-pat00014


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