KR102633561B1 - Non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
본 발명은 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 리튬 이차전지용 비수전해액은 리튬염; 비수성 유기용매; 및 하기 화학식 1로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위, 하기 화학식 2로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위, 및 하기 화학식 3으로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위를 포함하는 올리고머;를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 리튬 이차전지는 상기 리튬 이차전지용 비수전해액을 포함함으로써 사이클 특성 및 고온 저장 특성을 개선할 수 있다.The present invention provides a non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries and a lithium secondary battery containing the same. Specifically, the non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries of the present invention includes lithium salt; Non-aqueous organic solvent; and an oligomer comprising a repeating unit derived from a monomer represented by Formula 1 below, a repeating unit derived from a monomer represented by Formula 2 below, and a repeating unit derived from a monomer represented by Formula 3 below. . In addition, the lithium secondary battery of the present invention can improve cycle characteristics and high-temperature storage characteristics by including the non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries.
Description
본 발명은 전이금속 용출 억제 및 리튬염으로부터 발생한 음이온의 안정화를 구현할 수 있는 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 비수전해액과 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery containing an additive capable of suppressing the elution of transition metals and stabilizing anions generated from lithium salts, and a lithium secondary battery containing the same.
최근 정보사회의 발달로 인한 개인 IT 디바이스와 전산망이 발달되고 이에 수반하여 전반적인 사회의 전기에너지에 대한 의존도가 높아지면서, 전기 에너지를 효율적으로 저장하고 활용하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.Recently, due to the development of the information society, personal IT devices and computer networks have developed, and as the overall society's dependence on electric energy has increased, there is a need to develop technology to efficiently store and utilize electric energy.
리튬 이차전지는 여러 용도에 가장 적합한 기술로서, 납 전지나 니켈 카드뮴 전지와 비교하여 개인 IT 디바이스 등에 적용될 수 있을 정도로 소형화가 가능하고, 에너지 밀도 및 사용 전압이 높으며, 고용량화가 가능하다는 점에서 노트북 컴퓨터, 휴대전화 등의 전원뿐만 아니라, 전기자동차, 전력 저장 장치로도 이용되고 있다. Lithium secondary batteries are the most suitable technology for many purposes. Compared to lead batteries or nickel cadmium batteries, they can be miniaturized to the point where they can be applied to personal IT devices, have high energy density and operating voltage, and can be manufactured with high capacity, such as laptop computers, etc. It is used not only as a power source for mobile phones, but also as an electric vehicle and power storage device.
리튬 이온 전지는 크게 리튬을 함유하고 있는 전이금속 산화물로 구성된 양극과, 리튬을 저장할 수 있는 음극, 리튬 이온을 전달하는 매개체가 되는 비수전해액 및 세퍼레이터로 구성되어 있으며, 이중 LiPF6 등의 리튬염이 용해된 비수성 유기용매를 주성분으로 사용하는 비수전해액의 경우 전지의 안정성(stability, safety) 등에 큰 영향을 주는 요인으로 알려져 있다.Lithium-ion batteries are largely composed of a positive electrode made of transition metal oxide containing lithium, a negative electrode that can store lithium, a non-aqueous electrolyte that serves as a medium for transferring lithium ions, and a separator. Among these, lithium salts such as LiPF 6 are used. Non-aqueous electrolytes that use dissolved non-aqueous organic solvents as their main ingredient are known to be a factor that greatly affects the stability and safety of the battery.
한편, 전지 구동 시 비수전해액 내 리튬염인 LiPF6가 분해되면 LiF 와 PF5를 생성하고, 비수성 유기용매와 반응하면서 비수성 유기용매의 고갈을 촉진시키거나 다량의 가스를 발생시킴에 따라, 고온 성능 열화 및 안전성에 취약한 결과를 초래하고 있다. 게다가, 리튬 이온 전지는 전지 구동에 의해 양극 퇴화가 점차 심화됨에 따라, 전이금속이 용출되고, 용출된 전이금속이 음극에서 환원되는 등 부반응이 촉진되는 문제가 있다.Meanwhile, when LiPF 6 , a lithium salt in the non-aqueous electrolyte, decomposes during battery operation, LiF and PF 5 are generated, and when it reacts with the non-aqueous organic solvent, it accelerates the depletion of the non-aqueous organic solvent or generates a large amount of gas. This results in deterioration of high temperature performance and vulnerability to safety. In addition, lithium ion batteries have a problem in which side reactions are promoted, such as transition metals being eluted and the eluted transition metals being reduced at the cathode, as the deterioration of the anode gradually worsens due to battery operation.
따라서, 전극 표면에 안정한 피막을 형성하여, 비수전해액과 전극의 부반응을 방지하는 동시에, 전이금속의 용출을 억제할 수 있는 비수전해액의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for the development of a non-aqueous electrolyte that can form a stable film on the surface of the electrode, prevent side reactions between the non-aqueous electrolyte and the electrode, and suppress the elution of transition metals.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 니트릴기 (-CN)를 포함하는 아크릴레이트 구조에 기반한 단량체와 락탐기를 포함하는 아크릴레이트 구조에 기반한 단량체로부터 얻어진 올리고머를 포함함으로써, 전이금속 용출 억제 및 리튬염으로부터 발생한 음이온의 안정화를 구현할 수 있는 리튬 이차전지용 비수전해액을 제공하고자 한다.The present invention is intended to solve the above problems, and includes an oligomer obtained from a monomer based on an acrylate structure containing a nitrile group (-CN) and a monomer based on an acrylate structure containing a lactam group, thereby suppressing the elution of transition metals. and to provide a non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries that can realize stabilization of anions generated from lithium salts.
또한, 본 발명에서는 상기 리튬 이차전지용 비수전해액을 포함함으로써, 사이클 특성 및 고온 저장 특성이 향상된 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.In addition, the present invention seeks to provide a lithium secondary battery with improved cycle characteristics and high-temperature storage characteristics by including the non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries.
일 구현예에 따르면, 본 발명은According to one embodiment, the present invention
리튬염; lithium salt;
비수성 유기용매; 및Non-aqueous organic solvent; and
하기 화학식 1로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위, 하기 화학식 2로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위, 및 하기 화학식 3으로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위를 포함하는 올리고머;를 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액:For a lithium secondary battery comprising; an oligomer comprising a repeating unit derived from a monomer represented by the following Formula 1, a repeating unit derived from a monomer represented by the following Formula 2, and a repeating unit derived from a monomer represented by the following Formula 3: Non-aqueous electrolyte:
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
R1는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 1 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R2는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.R 2 is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서,In Formula 2,
R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 3 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R4 및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기이다.R 4 and R 5 are each independently an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.
[화학식 3][Formula 3]
상기 화학식 3에서,In Formula 3 above,
R6은 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 6 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R7은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기이다.R 7 is an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.
다른 구현예에 따르면, 본 발명은 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.According to another embodiment, the present invention provides a positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode containing a negative electrode active material; a separator interposed between the cathode and the anode; And it provides a lithium secondary battery comprising a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery according to the present invention.
본 발명의 리튬 이차전지용 비수 전해액은 니트릴기 (-CN)를 포함하는 아크릴레이트 구조에 기반한 단량체와 락탐기를 포함하는 아크릴레이트 구조에 기반한 단량체로부터 얻어진 올리고머를 포함함으로써, 음극 및 양극 표면에 안정적인 피막을 형성하는 동시에, 용출된 금속 이온을 킬레이팅할 수 있고, 리튬염으로부터 해리된 음이온과 복합체를 형성하여 음이온에 의한 부반응을 억제할 수 있다.The non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries of the present invention contains an oligomer obtained from a monomer based on an acrylate structure containing a nitrile group (-CN) and a monomer based on an acrylate structure containing a lactam group, thereby forming a stable film on the surfaces of the cathode and anode. At the same time as forming, it is possible to chelate the eluted metal ion and form a complex with the anion dissociated from the lithium salt to suppress side reactions caused by the anion.
따라서, 본 발명의 리튬 이차전지용 비수전해액을 사용하면, 고전압 구동 시에 고온 저장 성능 및 사이클 용량 유지율이 향상된 리튬 이차전지를 구현할 수 있다.Therefore, by using the non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries of the present invention, it is possible to implement a lithium secondary battery with improved high-temperature storage performance and cycle capacity maintenance rate when driven at high voltage.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
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.Terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their common or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it is.
한편, 본 명세서에서 "*"는 올리고머 내 주쇄에 연결되거나, 화학식 내 다른 단량체, 치환기, 말단기 등의 결합부에 연결되는 부위를 의미한다.Meanwhile, in the present specification, “*” refers to a site connected to the main chain in an oligomer or to a binding site such as another monomer, substituent, or terminal group in a chemical formula.
리튬 이차전지용 비수전해액Non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries
일 구현예에 따르면, 본 발명은 리튬 이차전지용 비수 전해액을 제공한다. According to one embodiment, the present invention provides a non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries.
상기 리튬 이차전지용 비수 전해액은The non-aqueous electrolyte for the lithium secondary battery is
리튬염; lithium salt;
비수성 유기용매; 및Non-aqueous organic solvent; and
하기 화학식 1로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위, 하기 화학식 2로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위, 및 하기 화학식 3으로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위를 포함하는 올리고머;를 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액:For a lithium secondary battery comprising; an oligomer comprising a repeating unit derived from a monomer represented by the following Formula 1, a repeating unit derived from a monomer represented by the following Formula 2, and a repeating unit derived from a monomer represented by the following Formula 3: Non-aqueous electrolyte:
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
R1는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 1 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R2는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.R 2 is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서,In Formula 2,
R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 3 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R4 및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기이다.R 4 and R 5 are each independently an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.
[화학식 3][Formula 3]
상기 화학식 3에서,In Formula 3 above,
R6은 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 6 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R7은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기이다.R 7 is an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.
(1) 리튬염(1) Lithium salt
먼저, 리튬염에 대하여 설명하면 다음과 같다.First, the lithium salt is explained as follows.
상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 양이온으로 Li+를 포함하고, 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, B10Cl10 -, AlCl4 -, AlO4 -, PF6 -, CF3SO3 -, CH3CO2 -, CF3CO2 -, AsF6 -, SbF6 -, CH3SO3 -, (CF3CF2SO2)2N-, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, BF2C2O4 -, BC4O8 -, PF4C2O4 -, PF2C4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, CF3(CF2)7SO3 - 및 SCN-로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The lithium salt may be those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries without limitation, and for example, includes Li + as a cation, and F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , as an anion. N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , B 10 Cl 10 - , AlCl 4 - , AlO 4 - , PF 6 - , CF 3 SO 3 - , CH 3 CO 2 - , CF 3 CO 2 - , AsF 6 - , SbF 6 - , CH 3 SO 3 - , (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , PF 4 C 2 O 4 - , PF 2 C 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - and SCN - may include at least one selected from the group consisting of.
구체적으로, 상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiBF4, LiClO4, LiB10Cl10, LiAlCl4, LiAlO4, LiPF6, LiCF3SO3, LiCH3CO2, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiCH3SO3, LiN(SO2F)2 (Lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI), LiN(SO2CF2CF3)2 (lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl) imide, LiBETI) 및 LiN(SO2CF3)2 (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide, LiTFSI)로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있으며, 상술한 리튬염 외에도 리튬 이차전지의 전해액에 통상적으로 사용되는 리튬염이 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은 LiPF6를 포함할 수 있다. Specifically, the lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiBF 4 , LiClO 4 , LiB 10 Cl 10 , LiAlCl 4, LiAlO 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCH 3 CO 2 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiCH 3 SO 3 , LiN(SO 2 F) 2 (Lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI), LiN(SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 (lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl) imide, LiBETI) and LiN( It may contain a single substance selected from the group consisting of SO 2 CF 3 ) 2 (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide, LiTFSI) or a mixture of two or more types, and in addition to the above-mentioned lithium salt, it is a lithium salt commonly used in the electrolyte solution of lithium secondary batteries. It can be used without this limitation. Specifically, the lithium salt may include LiPF 6 .
상기 리튬염은 통상적으로 사용 가능한 범위 내에서 적절히 변경할 수 있으나, 최적의 전극 표면의 부식 방지용 피막 형성 효과를 얻기 위하여, 전해액 내에 0.8 M 내지 3.0 M의 농도, 구체적으로 1.0M 내지 3.0M 농도로 포함될 수 있다. 상기 리튬염의 농도가 상기 범위를 만족할 경우, 최적의 함침성을 구현할 수 있도록 비수 전해액의 점도를 제어할 수 있고, 리튬 이온의 이동성을 향상시켜 리튬 이차전지의 용량 특성 및 사이클 특성 개선 효과를 얻을 수 있다.The lithium salt can be appropriately changed within the range commonly used, but in order to obtain the optimal effect of forming an anti-corrosion film on the surface of the electrode, it should be included in the electrolyte solution at a concentration of 0.8 M to 3.0 M, specifically at a concentration of 1.0 M to 3.0 M. You can. When the concentration of the lithium salt satisfies the above range, the viscosity of the non-aqueous electrolyte can be controlled to achieve optimal impregnation, and the mobility of lithium ions can be improved to improve the capacity characteristics and cycle characteristics of the lithium secondary battery. there is.
(2) 비수성 유기용매(2) Non-aqueous organic solvent
또한, 비수성 유기용매에 대한 설명은 다음과 같다.Additionally, a description of the non-aqueous organic solvent is as follows.
상기 비수성 유기용매로는 비수전해액에 통상적으로 사용되는 다양한 비수성 유기용매들이 제한 없이 사용될 수 있는데, 이차전지의 충방전 과정에서 산화 반응 등에 의한 분해가 최소화될 수 있고, 첨가제와 함께 목적하는 특성을 발휘할 수 있는 것이라면 그 종류에 제한이 없다. As the non-aqueous organic solvent, various non-aqueous organic solvents commonly used in non-aqueous electrolytes can be used without limitation. Decomposition due to oxidation reactions, etc. during the charging and discharging process of secondary batteries can be minimized, and the desired characteristics can be maintained together with additives. There is no limit to the type as long as it can be performed.
구체적으로, 상기 비수성 유기용매로는 유전율이 높아 리튬염을 잘 해리시키는 고점도의 환형 카보네이트계 화합물 및 저점도 및 저유전율을 가지는 선형 카보네이트계 화합물 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.Specifically, the non-aqueous organic solvent may include at least one of a cyclic carbonate-based compound with high viscosity that easily dissociates lithium salts due to a high dielectric constant, and a linear carbonate-based compound with low viscosity and low dielectric constant.
상기 환형 카보네이트계 화합물로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트 및 비닐렌 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이 중에서도 에틸렌 카보네이트를 포함할 수 있다.The cyclic carbonate-based compounds include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, and 2,3-pentylene carbonate. And it may include at least one selected from the group consisting of vinylene carbonate, and among these, it may include ethylene carbonate.
상기 선형 카보네이트계 화합물로는 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 구체적으로 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 포함할 수 있다.The linear carbonate-based compound is selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate, and ethylpropyl carbonate. It may include at least one, and specifically may include ethylmethyl carbonate (EMC).
본 발명에서는 상기 환형 카보네이트계 화합물과 선형 카보네이트계 화합물을 혼합하여 사용할 수 있으며, 이 경우 상기 환형 카보네이트계 화합물 및 선형 카보네이트계 화합물의 혼합비는 10:90 내지 80:20 부피비, 구체적으로 30:70 내지 50:50 부피비일 수 있다.In the present invention, the cyclic carbonate-based compound and the linear carbonate-based compound can be mixed and used. In this case, the mixing ratio of the cyclic carbonate-based compound and the linear carbonate-based compound is 10:90 to 80:20 by volume, specifically 30:70 to 30:70. It may be a 50:50 volume ratio.
상기 환형 카보네이트계 화합물과 선형 카보네이트계 화합물의 혼합비가 상기 범위를 만족하는 경우, 더욱 높은 전기 전도율을 갖는 비수전해액을 제조할 수 있다.When the mixing ratio of the cyclic carbonate-based compound and the linear carbonate-based compound satisfies the above range, a non-aqueous electrolyte solution having higher electrical conductivity can be produced.
한편, 본 발명에서는 상기 카보네이트계 화합물의 단점을 개선하는 동시에 고온 및 고전압 구동 시의 안정성을 높이기 위하여, 상기 비수성 유기용매로 프로피오네이트 화합물을 더 혼합할 수 있다.Meanwhile, in the present invention, in order to improve the disadvantages of the carbonate-based compound and at the same time increase stability at high temperature and high voltage operation, a propionate compound can be further mixed with the non-aqueous organic solvent.
상기 프로피오네이트 화합물은 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트(EP), 프로필 프로피오네이트 및 부틸 프로피오네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 구체적으로 에틸 프로피오네이트 및 프로필 프로피오네이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The propionate compound may include at least one selected from the group consisting of methyl propionate, ethyl propionate (EP), propyl propionate, and butyl propionate, specifically ethyl propionate and propyl propionate. It may contain at least one of propionate.
한편, 상기 본 발명의 리튬 이차전지용 비수전해액에서 비수성 유기용매를 제외한 타 구성성분, 예컨대 리튬염, 올리고머 및 선택적으로 포함되는 첨가제들을 제외한 잔부는 별도의 언급이 없는 한 모두 비수성 유기용매일 수 있다.Meanwhile, in the non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery of the present invention, all components other than the non-aqueous organic solvent, such as lithium salt, oligomer, and optionally included additives, may be non-aqueous organic solvents unless otherwise specified. there is.
(3) 올리고머(3) Oligomer
본 발명의 리튬 이차전지용 비수 전해액은 올리고머를 포함한다.The non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery of the present invention contains an oligomer.
상기 올리고머는 하기 화학식 1로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위, 하기 화학식 2로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위, 및 하기 화학식 3으로 표시되는 단량체로부터 유도된 반복단위를 포함할 수 있다.The oligomer may include a repeating unit derived from a monomer represented by Formula 1 below, a repeating unit derived from a monomer represented by Formula 2 below, and a repeating unit derived from a monomer represented by Formula 3 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
R1는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 1 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R2는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.R 2 is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서,In Formula 2,
R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 3 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R4 및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기이다.R 4 and R 5 are each independently an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.
[화학식 3][Formula 3]
상기 화학식 3에서,In Formula 3 above,
R6은 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 6 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R7은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기이다.R 7 is an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.
본 발명의 올리고머는 아크릴레이트계 구조 기반의 말단 니트릴기를 포함하는 단량체로부터 유도된 반복단위 구조를 포함함으로써, 양극 표면에 안정적인 피막을 형성할 수 있고, 양극으로부터의 용출된 금속 이온과 강한 배위 결합을 형성하여, 금속 이온 용출을 제어할 수 있다. 따라서, 전지의 고온 내구성, 고온 저장 특성 및 고온 안정성을 향상시킬 수 있다.The oligomer of the present invention contains a repeating unit structure derived from a monomer containing a terminal nitrile group based on an acrylate-based structure, thereby forming a stable film on the surface of the anode and forming a strong coordination bond with the metal ion eluted from the anode. By forming, metal ion elution can be controlled. Therefore, the high-temperature durability, high-temperature storage characteristics, and high-temperature stability of the battery can be improved.
또한, 본 발명의 올리고머는 아크릴레이트계 구조 기반의 말단 락탐기를 포함하는 단량체로부터 유도된 반복단위 구조를 포함함으로써, 리튬염의 열분해산물이나, 리튬염으로부터 해리된 음이온에 배위되면서 복합체를 형성할 수 있고, 이에 따라 리튬염의 열분해산물이나, 리튬염으로부터 해리된 음이온이 안정화됨에 의해, 이들과 리튬 이차전지용 전해질의 부반응이 억제될 수 있다. In addition, the oligomer of the present invention contains a repeating unit structure derived from a monomer containing a terminal lactam group based on an acrylate-based structure, so that it can form a complex by coordinating with the thermal decomposition product of lithium salt or an anion dissociated from lithium salt. , As a result, the thermal decomposition products of the lithium salt or the anions dissociated from the lithium salt are stabilized, thereby suppressing side reactions between them and the electrolyte for a lithium secondary battery.
이러한 본 발명의 올리고머를 포함하는 비수전해액은 전해액의 부반응을 억제하고, 저항이 낮은 견고한 SEI막을 형성할 수 있으므로, 전극과 전해액의 부반응을 방지하여 가스 발생을 억제할 수 있다. 또한, 전지 내부 저항을 감소시켜 불량 발생률을 현저히 낮춤으로써, 리튬 이차전지의 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. The non-aqueous electrolyte containing the oligomer of the present invention can suppress side reactions of the electrolyte and form a strong SEI film with low resistance, thereby preventing side reactions between the electrode and the electrolyte and suppressing gas generation. Additionally, the cycle characteristics of a lithium secondary battery can be improved by significantly lowering the defect occurrence rate by reducing the internal resistance of the battery.
이러한 본 발명의 올리고머는 하기 화학식 4로 표시되는 올리고머일 수 있다.The oligomer of the present invention may be an oligomer represented by the following formula (4).
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에서,In Formula 4 above,
R1, R3 및 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,R 1 , R 3 and R 6 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R2는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이며,R 2 is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms,
R4, R5 및 R7는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기이고,R 4 , R 5 and R 7 are each independently an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
m은 0.1 내지 30 몰수이고, m is 0.1 to 30 moles,
n은 0.1 내지 80 몰수이며, n is 0.1 to 80 moles,
o은 0.1 내지 80 몰수이다.o is from 0.1 to 80 moles.
구체적으로, 상기 화학식 4에서, R2는 탄소수 1 내지 10의 알킬기일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 1 내지 7의 알킬기일 수 있다.Specifically, in Formula 4, R 2 may be an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and preferably an alkyl group having 1 to 7 carbon atoms.
또한, 상기 화학식 4에서, R4 및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 7의 알킬렌기일 수 있고, 바람직하게는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬렌기일 수 있다.Additionally, in Formula 4, R 4 and R 5 may each independently be an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms, and preferably each independently may be an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms.
또한, 상기 화학식 4에서, R7은 탄소수 1 내지 7의 알킬렌기일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 1 내지 5의 알킬렌기일 수 있다.Additionally, in Formula 4, R 7 may be an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms, and preferably an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms.
바람직하게, 상기 올리고머는 하기 화학식 4-1 및 화학식 4-2로 표시되는 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.Preferably, the oligomer may be at least one selected from the group consisting of oligomers represented by the following formulas 4-1 and 4-2.
[화학식 4-1][Formula 4-1]
상기 화학식 4-1에서,In Formula 4-1,
m1은 0.1 내지 30 몰수이고, m1 is 0.1 to 30 moles,
n1은 0.1 내지 80 몰수이며, n1 is 0.1 to 80 moles,
o1은 0.1 내지 80 몰수이다.o1 is from 0.1 to 80 moles.
[화학식 4-2][Formula 4-2]
상기 화학식 4-2에서,In Formula 4-2,
m2은 0.1 내지 30 몰수이고, m2 is 0.1 to 30 moles,
n2은 0.1 내지 80 몰수이며, n2 is 0.1 to 80 moles,
o2은 0.1 내지 80 몰수이다.o2 is from 0.1 to 80 moles.
본 발명의 올리고머의 중량평균분자량(Mw)은 반복 단위의 개수에 의해 조절될 수 있으며, 약 3,000 g/mol 내지 300,000 g/mol, 구체적으로 5,000 g/mol 내지 50,000 g/mol일 수 있다. 상기 올리고머의 중량평균분자량이 상기 범위 내인 경우, 올리고머 물성 자체가 경직(rigid)되는 것을 방지하여, 비수 전해액 용매와 친화성이 높아져 용이하게 용해될 수 있으므로, 균일하고 우수한 전해질 형성을 기대할 수 있다.The weight average molecular weight (Mw) of the oligomer of the present invention can be adjusted by the number of repeating units and may be about 3,000 g/mol to 300,000 g/mol, specifically 5,000 g/mol to 50,000 g/mol. When the weight average molecular weight of the oligomer is within the above range, the physical properties of the oligomer itself are prevented from becoming rigid, and the affinity for the non-aqueous electrolyte solvent increases so that it can be easily dissolved, so the formation of a uniform and excellent electrolyte can be expected.
상기 중량평균분자량은 겔투과크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography: GPC) 장치를 이용하여 측정할 수 있고, 특별하게 달리 규정하지 않는 한, 분자량은 중량평균분자량을 의미할 수 있다. 예컨대, 본 발명에서는 GPC 조건으로 Agilent社 1200시리즈를 이용하여 측정하며, 이때 사용된 컬럼은 Agilent社 PL mixed B 컬럼을 이용할 수 있고, 용매는 THF 혹은 DMF를 사용할 수 있다.The weight average molecular weight can be measured using a gel permeation chromatography (GPC) device, and unless otherwise specified, molecular weight may refer to the weight average molecular weight. For example, in the present invention, measurement is performed using the Agilent 1200 series under GPC conditions, and the column used at this time can be an Agilent PL mixed B column, and the solvent can be THF or DMF.
또한, 상기 올리고머는 리튬 이차전지용 비수 전해액 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 25 중량%로 포함될 수 있다. 상기 올리고머가 상기 함량 범위로 포함되면, 음이온 안정화 개선 효과와, 안정한 피막 형성 효과를 구현할 수 있다.Additionally, the oligomer may be included in an amount of 0.1% to 25% by weight based on the total weight of the non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery. When the oligomer is included in the above content range, the effect of improving anion stabilization and forming a stable film can be realized.
상기 올리고머 함량이 0.1 중량% 이상인 경우 전지 구동 시간 동안 음이온과의 복합체 형성으로 인해 음이온 안정화를 보다 안정적으로 유지할 수 있으며, 양극 표면 흡착으로 인한 피막 형성 및 금속 이온과의 착물 형성으로, 금속 이온 용출을 억제할 수 있다. 또한, 상기 올리고머의 함량이 25 중량% 이하인 경우, 잉여의 화합물에 의한 전해액의 점도 증가를 방지하는 동시에, 전지 내 이온의 이동도를 개선할 수 있고, 셀 팽윤 억제 효과를 크게 개선할 수 있으며, 과도한 피막 형성을 억제하여 전지 저항 증가를 효과적으로 방지할 수 있으므로, 용량 및 사이클 특성 저하를 방지할 수 있다.When the oligomer content is 0.1% by weight or more, anion stabilization can be maintained more stably due to the formation of a complex with anions during the battery operation time, and metal ion elution is prevented by forming a film and complex with metal ions due to adsorption on the anode surface. It can be suppressed. In addition, when the content of the oligomer is 25% by weight or less, an increase in the viscosity of the electrolyte due to excess compounds can be prevented, the mobility of ions in the battery can be improved, and the cell swelling inhibition effect can be greatly improved, By suppressing excessive film formation, an increase in battery resistance can be effectively prevented, thereby preventing a decrease in capacity and cycle characteristics.
구체적으로 상기 올리고머는 리튬 이차전지용 비수 전해액 전체 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 15 중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 중량% 내지 7.0 중량%로 포함될 수 있다. Specifically, the oligomer may be included in an amount of 0.5 to 20% by weight, preferably 0.5 to 15% by weight, and more preferably 0.5 to 7.0% by weight, based on the total weight of the non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries.
(4) 기타 첨가제(4) Other additives
또한, 본 발명의 리튬 이차전지용 비수 전해액은 고출력의 환경에서 비수 전해액이 분해되어 음극 붕괴가 유발되는 것을 방지하거나, 저온 고율방전 특성, 고온 안정성, 과충전 방지, 고온에서의 전지 팽창 억제 효과 등을 더욱 향상시키기 위하여, 필요에 따라 상기 2종의 니트릴계 첨가제 외에 이외에 다른 부가적인 기타 첨가제들을 추가로 포함할 수 있다. In addition, the non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries of the present invention prevents the non-aqueous electrolyte from decomposing in a high-power environment, causing cathode collapse, and has low-temperature high-rate discharge characteristics, high-temperature stability, overcharge prevention, and battery expansion suppression effects at high temperatures. In order to improve, other additional additives may be added in addition to the above two types of nitrile-based additives, if necessary.
이러한 기타 첨가제의 예로는 환형 카보네이트계 화합물, 할로겐 치환된 카보네이트계 화합물, 설톤계 화합물, 설페이트계 화합물, 포스페이트계 또는 포스파이트계 화합물, 보레이트계 화합물, 니트릴계 화합물, 벤젠계 화합물, 아민계 화합물, 실란계 화합물 및 리튬염계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 들 수 있다. Examples of such other additives include cyclic carbonate-based compounds, halogen-substituted carbonate-based compounds, sultone-based compounds, sulfate-based compounds, phosphate-based or phosphite-based compounds, borate-based compounds, nitrile-based compounds, benzene-based compounds, amine-based compounds, At least one selected from the group consisting of silane-based compounds and lithium salt-based compounds may be mentioned.
상기 환형 카보네이트계 화합물로는 비닐렌카보네이트(VC), 비닐에틸렌 카보네이트(VEC) 등을 들 수 있다.Examples of the cyclic carbonate-based compound include vinylene carbonate (VC), vinylethylene carbonate (VEC), and the like.
상기 할로겐 치환된 카보네이트계 화합물로는 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 등을 들 수 있다. Examples of the halogen-substituted carbonate-based compound include fluoroethylene carbonate (FEC).
상기 설톤계 화합물은, 예를 들면, 1,3-프로판 설톤(PS), 1,4-부탄 설톤, 에텐설톤, 1,3-프로펜 설톤(PRS), 1,4-부텐 설톤 및 1-메틸-1,3-프로펜 설톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물일 수 있다.The sultone-based compounds include, for example, 1,3-propane sultone (PS), 1,4-butane sultone, ethenesultone, 1,3-propene sultone (PRS), 1,4-butene sultone, and 1- It may be at least one compound selected from the group consisting of methyl-1,3-propene sultone.
상기 설페이트계 화합물은, 예를 들면, 에틸렌 설페이트(Ethylene Sulfate; Esa), 트리메틸렌설페이트 (Trimethylene sulfate; TMS), 메틸트리메틸렌설페이트 (Methyl trimethylene sulfate; MTMS) 등일 수 있다. The sulfate-based compound may be, for example, ethylene sulfate (Esa), trimethylene sulfate (TMS), methyl trimethylene sulfate (MTMS), etc.
상기 포스페이트계 또는 포스파이트계 화합물은, 예를 들면, 리튬 디플루오로(비스옥살라토)포스페이트, 리튬 디플루오로포스페이트, 트리스(트리메틸실릴)포스페이트, 트리스(트리메틸실릴) 포스파이트, 트리스(2,2,2,-트리플루오로에틸)포스페이트 및 트리스(트리플루오로에틸) 포스파이트로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. The phosphate-based or phosphite-based compounds include, for example, lithium difluoro(bisoxalato)phosphate, lithium difluorophosphate, tris(trimethylsilyl)phosphate, tris(trimethylsilyl)phosphite, and tris(2). It may be at least one selected from the group consisting of ,2,2,-trifluoroethyl)phosphate and tris(trifluoroethyl)phosphite.
상기 보레이트계 화합물은, 예를 들면, 테트라페닐보레이트, 음극 표면에 피막을 형성할 수 있는 리튬 옥살릴디플루오로보레이트 (LiODFB), 리튬 비스옥살레이토보레이트 (LiB(C2O4)2, LiBOB) 등을 들 수 있다.The borate-based compounds include, for example, tetraphenylborate, lithium oxalyldifluoroborate (LiODFB), which can form a film on the surface of the cathode, lithium bisoxalate borate (LiB(C 2 O 4 ) 2 , LiBOB ), etc.
상기 니트릴계 화합물은 1,4-디시아노-2-부텐 및 1,3,5-시클로헥산트리카보니트릴 이외의 화합물, 예를 들면 숙시노니트릴, 피멜로니트릴, 아디포니트릴, 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 부티로니트릴, 발레로니트릴, 카프릴로니트릴, 헵탄니트릴, 사이클로펜탄 카보니트릴, 사이클로헥산 카보니트릴, 2-플루오로벤조니트릴, 4-플루오로벤조니트릴, 다이플루오로벤조니트릴, 트리플루오로벤조니트릴, 페닐아세토니트릴, 2-플루오로페닐아세토니트릴, 및 4-플루오로페닐아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 화합물을 포함할 수 있다. The nitrile-based compounds include compounds other than 1,4-dicyano-2-butene and 1,3,5-cyclohexanetricarbonitrile, such as succinonitrile, pimelonitrile, adiponitrile, acetonitrile, and pro Phionitrile, butyronitrile, valeronitrile, caprylonitrile, heptanenitrile, cyclopentane carbonitrile, cyclohexane carbonitrile, 2-fluorobenzonitrile, 4-fluorobenzonitrile, difluorobenzonitrile, trifluoride It may include at least one compound selected from the group consisting of robenzonitrile, phenylacetonitrile, 2-fluorophenylacetonitrile, and 4-fluorophenylacetonitrile.
상기 벤젠계 화합물은 플루오로벤젠 등일 수 있다.The benzene-based compound may be fluorobenzene or the like.
상기 아민계 화합물은 트리에탄올아민, 에틸렌디아민 등일 수 있으며, 상기 실란계 화합물은 테트라비닐실란 등일 수 있다. The amine-based compound may be triethanolamine, ethylenediamine, etc., and the silane-based compound may be tetravinylsilane.
상기 리튬염계 화합물로는 상기 비수 전해액에 포함되는 리튬염과 상이한 화합물로서, LiPO2F2, LiBF4 등을 들 수 있다.The lithium salt-based compound is a compound different from the lithium salt contained in the non-aqueous electrolyte solution and includes LiPO 2 F 2 , LiBF 4 , and the like.
이러한 기타 첨가제 중에서도 음극 표면에 보다 견고한 SEI 피막을 형성하기 위하여, 음극 표면에 피막 형성 효과가 우수한 기타 첨가제, 구체적으로 VC, 1,3-PS, Esa, 비닐에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 리튬 옥살릴디플루오로보레이트 (LiODFB), 1,4-디시아노-2-부텐 및 1,3,5-시클로헥산트리카보니트릴로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.Among these other additives, in order to form a more robust SEI film on the cathode surface, other additives with excellent film forming effect on the cathode surface, specifically VC, 1,3-PS, Esa, vinylethylene carbonate, and fluoroethylene carbonate (FEC) , lithium oxalyldifluoroborate (LiODFB), 1,4-dicyano-2-butene, and 1,3,5-cyclohexanetricarbonitrile.
상기 기타 첨가제는 2 종 이상의 화합물을 혼용하여 사용할 수 있으며, 상기 비수전해액에 0.01 내지 50 중량%, 구체적으로 0.01 내지 10 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.05 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에 있을 때, 기타 첨가제에 의한 사이클 특성 개선 효과를 충분히 구현하면서, 과량 첨가로 인한 기타 첨가제의 미반응물의 잔존, 과도한 부반응 발생을 방지할 수 있어 바람직하다.The other additives may be used in combination of two or more types of compounds, and may be included in the non-aqueous electrolyte in an amount of 0.01 to 50% by weight, specifically 0.01 to 10% by weight, and preferably 0.05 to 5% by weight. When it is within the above range, it is desirable because it is possible to sufficiently realize the effect of improving cycle characteristics by other additives, while preventing the remaining unreacted substances of other additives and the occurrence of excessive side reactions due to excessive addition.
리튬 이차전지Lithium secondary battery
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 본 발명의 리튬 이차전지용 비수전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 구체적으로, 상기 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 전술한 리튬 이차전지용 비수전해액을 포함할 수 있다. In addition, another embodiment of the present invention provides a lithium secondary battery containing the non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries of the present invention. Specifically, the lithium secondary battery may include a positive electrode, a negative electrode, and the non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries described above.
한편, 본 발명의 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 순차적으로 적층되어 있는 전극 조립체를 형성하여 전지 케이스에 수납한 다음, 본 발명의 비수전해액을 투입하여 제조할 수 있다.Meanwhile, the lithium secondary battery of the present invention can be manufactured by forming an electrode assembly in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator are sequentially stacked between the positive electrode and the negative electrode, storing it in a battery case, and then adding the non-aqueous electrolyte of the present invention.
이러한 본 발명의 리튬 이차전지를 제조하는 방법은 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조되어 적용될 수 있으며, 구체적으로 후술하는 바와 같다.The method of manufacturing the lithium secondary battery of the present invention can be manufactured and applied according to a common method known in the art, and will be described in detail later.
(1) 양극(1) anode
본 발명에 따른 양극은, 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층을 포함할 수 있으며, 필요에 따라, 상기 양극 활물질층은 도전재 및/또는 바인더를 더 포함할 수 있다. The positive electrode according to the present invention may include a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, and if necessary, the positive electrode active material layer may further include a conductive material and/or a binder.
상기 양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물로서, 구체적으로는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 철 (Fe) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속과 리튬을 포함하는 하기 화학식 5로 표시되는 리튬 복합금속 산화물을 포함할 수 있다.The positive electrode active material is a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium, and is specifically composed of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), iron (Fe), and aluminum (Al). It may include a lithium composite metal oxide represented by the following formula (5) containing lithium and at least one metal selected from the group.
[화학식 5][Formula 5]
Li1+aNixCoyM1 zM2 wO2 Li 1+a Ni x Co y M 1 z M 2 w O 2
상기 화학식 5에서,In Formula 5 above,
M1은 Mn, Al 또는 이들의 조합이고,M 1 is Mn, Al or a combination thereof,
M2는 Al, Zr, W, Ti, Mg, Ca 및 Sr로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이며, 0≤a≤0.5, 0<x≤1.0, 0<y≤0.4, 0<z≤0.4, 0≤w≤0.1 이다. M 2 is at least one selected from the group consisting of Al, Zr, W, Ti, Mg, Ca and Sr, 0≤a≤0.5, 0<x≤1.0, 0<y≤0.4, 0<z≤0.4, 0 ≤w≤0.1.
상기 1+a는 리튬 전이금속 산화물 내 리튬의 원자 분율을 나타내며, 0≤a≤0.5, 바람직하게는 0≤a≤0.2, 더 바람직하게는 0≤a≤0.1일 수 있다.The 1+a represents the atomic fraction of lithium in the lithium transition metal oxide, and may be 0≤a≤0.5, preferably 0≤a≤0.2, and more preferably 0≤a≤0.1.
상기 x는 리튬 전이금속 산화물 내 전체 전이금속 원소 중 니켈의 원자 분율을 나타내며, 0<x≤1.0, 구체적으로 0.55<x<1.0, 더욱 구체적으로는 0.6≤x≤0.98, 보다 더 구체적으로는 0.6≤x≤0.95일 수 있다.The x represents the atomic fraction of nickel among all transition metal elements in lithium transition metal oxide, 0<x≤1.0, specifically 0.55<x<1.0, more specifically 0.6≤x≤0.98, and even more specifically 0.6. It may be ≤x≤0.95.
상기 y는 리튬 전이금속 산화물 내 전체 전이금속 원소 중 코발트의 원자 분율을 나타내며, 0<y≤0.4, 구체적으로 0<y≤0.3, 더욱 구체적으로는 0.05≤y≤0.3일 수 있다.The y represents the atomic fraction of cobalt among all transition metal elements in the lithium transition metal oxide, and may be 0<y≤0.4, specifically 0<y≤0.3, and more specifically 0.05≤y≤0.3.
상기 z는 리튬 전이금속 산화물 내 전체 전이금속 원소 중 M1 원소의 원자 분율을 나타내며, 0<z≤0.4, 바람직하게는 0<z≤0.3, 더 바람직하게는 0.01≤z≤0.3일 수 있다.The z represents the atomic fraction of the M 1 element among all transition metal elements in the lithium transition metal oxide, and may be 0<z≤0.4, preferably 0<z≤0.3, and more preferably 0.01≤z≤0.3.
상기 w는 리튬 전이금속 산화물 내 전체 전이금속 원소 중 M2 원소의 원자 분율을 나타내며, 0<w≤0.1, 바람직하게는 0<w≤0.05, 더 바람직하게는 0<w≤0.02이다.The w represents the atomic fraction of the M 2 element among all transition metal elements in the lithium transition metal oxide, and is 0<w≤0.1, preferably 0<w≤0.05, and more preferably 0<w≤0.02.
구체적으로, 상기 양극 활물질은 고용량의 전지를 구현하기 위하여, Ni 함량이 0.55 atm% 이상인 Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O2, Li(Ni0.7Mn0.2Co0.1)O2, Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2, Li(Ni0 . 86Mn0 . 07Co0 . 05Al0 . 02)O2 또는 Li(Ni0.90Mn0.05Co0.05)O2 등의 리튬 복합 전이금속 산화물을 포함할 수 있다.Specifically, in order to implement a high-capacity battery, the positive electrode active material is Li(Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 )O 2 with a Ni content of 0.55 atm% or more, Li(Ni 0.7 Mn 0.15 Co 0.15 )O 2 , Li(Ni 0.7 Mn 0.2 Co 0.1 )O 2 , Li(Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 )O 2 , Li(Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 )O 2 , Li( It may include a lithium complex transition metal oxide such as Ni 0.86 Mn 0.07 Co 0.05 Al 0.02 ) O 2 or Li ( Ni 0.90 Mn 0.05 Co 0.05 ) O 2 .
한편, 리튬 전이금속 산화물로 Ni 함량이 0.55를 초과하는 고함량 니켈(Hi-Ni)을 적용하는 경우, Li+1 이온과 Ni+2 이온의 크기가 유사하기 때문에 충방전 과정에서 상기 양극활물질의 층상 구조내에서 Li+1 이온과 Ni+2 이온의 자리가 바뀌는 양이온 혼합 (cation mixing) 현상이 발생한다. 즉, 양극 활물질 내에 포함된 Ni의 산화수 변동에 따라 고온 등의 환경에서 d 궤도를 가지는 니켈 전이금속이 배위 결합시 정팔면체 구조를 가져야 하나 외부의 에너지 공급에 의하여, 에너지 레벨의 순서가 뒤바뀌거나, 산화수가 변동되는 불균일화 반응에 의하여 뒤틀어진 팔면체를 형성하게 되면서, 양극 활물질의 결정 구조의 변형 및 붕괴를 가져온다. 더욱이, 고온 저장 시 양극활물질과 전해액의 부반응에 의해 양극 활물질로부터 전이금속, 특히 니켈 금속이 용출되는 또 다른 부반응이 야기됨에 따라, 전해액 고갈과 함께 양극활물질의 구조 붕괴로 인한 이차전지의 제반 성능 저하된다.On the other hand, when high-content nickel (Hi-Ni) with a Ni content exceeding 0.55 is applied as the lithium transition metal oxide, the size of the Li +1 ion and Ni +2 ion are similar, so the positive electrode active material is used during the charge and discharge process. A cation mixing phenomenon occurs in which the positions of Li +1 ions and Ni +2 ions change within the layered structure. In other words, depending on the variation in the oxidation number of Ni contained in the positive electrode active material, the nickel transition metal with d orbitals must have a regular octahedral structure when coordinated in environments such as high temperatures, but the order of energy levels may be reversed due to external energy supply. A distorted octahedron is formed due to a non-uniformization reaction in which the oxidation number changes, resulting in deformation and collapse of the crystal structure of the positive electrode active material. Moreover, during high-temperature storage, the side reaction between the cathode active material and the electrolyte causes another side reaction in which transition metals, especially nickel metal, are eluted from the cathode active material, resulting in depletion of the electrolyte and deterioration of overall performance of the secondary battery due to structural collapse of the cathode active material. do.
본 발명에서는 특정 구성의 첨가제를 포함하는 비수전해액과 양극활물질로 고함량 니켈(Hi-Ni) 전이금속 산화물을 포함하는 양극을 함께 사용함으로써, 이러한 문제점을 개선할 수 있다. 즉, 본 발명의 비수전해액에 의해 양극 표면에 견고한 이온전도성 피막이 형성되어, Li+1 이온과 Ni+2 이온의 양이온 혼합 현상을 억제하고, 양극과 전해액과의 부반응, 금속 용출 현상 등을 효과적으로 억제하여 고용량 전극의 구조적 불안전성을 완화시킬 수 있다. 따라서, 리튬 이차전지의 용량 확보를 위한 충분한 니켈 전이금속량을 확보할 수 있으므로, 에너지 밀도를 높여 출력 특성을 향상시킬 수 있다.In the present invention, this problem can be improved by using a non-aqueous electrolyte containing an additive of a specific composition and a positive electrode containing a high content nickel (Hi-Ni) transition metal oxide as a positive electrode active material. That is, the non-aqueous electrolyte of the present invention forms a strong ion conductive film on the surface of the anode, suppressing the mixing of positive ions between Li +1 ions and Ni +2 ions, and effectively suppressing side reactions between the anode and the electrolyte and metal elution. This can alleviate the structural instability of the high-capacity electrode. Therefore, a sufficient amount of nickel transition metal can be secured to secure the capacity of the lithium secondary battery, and the output characteristics can be improved by increasing the energy density.
한편, 본 발명의 양극 활물질은 이차전지 용도에 따라 상기 화학식 5로 표시되는 리튬 복합금속 산화물과 함께 리튬-망간계 산화물(예를 들면, LiMnO2, LiMn2O4 등), 리튬-코발트계 산화물(예를 들면, LiCoO2 등), 리튬-니켈계 산화물(예를 들면, LiNiO2 등), 리튬-니켈-망간계 산화물(예를 들면, LiNi1-YMnYO2(0<Y<1), LiMn2-zNizO4(0<Z<2), 리튬-니켈-코발트계 산화물(예를 들면, LiNi1-Y1CoY1O2(0<Y1<1), 리튬-망간-코발트계 산화물(예를 들면, LiCo1-Y2MnY2O2(0<Y2<1), LiMn2-z1Coz1O4(0<Z1<2), 또는 Li(Nip1Coq1Mnr2)O4(0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2) 등을 병용하여 사용할 수도 있다. On the other hand, the positive electrode active material of the present invention may include a lithium composite metal oxide represented by Chemical Formula 5, a lithium-manganese-based oxide (e.g., LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , etc.), and a lithium-cobalt-based oxide, depending on the secondary battery use. (e.g., LiCoO 2, etc.), lithium-nickel-based oxide (e.g., LiNiO 2 , etc.), lithium-nickel-manganese oxide (e.g., LiNi 1-Y Mn Y O 2 (0<Y< 1), LiMn 2-z Ni z O 4 (0<Z<2), lithium-nickel-cobalt-based oxide (for example, LiNi 1-Y1 Co Y1 O 2 (0<Y1<1), lithium-manganese -Cobalt-based oxides (e.g., LiCo 1-Y2 Mn Y2 O 2 (0<Y2<1), LiMn 2-z1 Co z1 O 4 (0<Z1<2), or Li(Ni p1 Co q1 Mn r2 )O 4 (0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2) etc. can also be used in combination.
상기 양극 활물질은 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 80 내지 98중량%, 보다 구체적으로는 85 내지 98중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 양극 활물질이 상기 범위로 포함될 때 우수한 용량 특성을 나타낼 수 있다.The positive electrode active material may be included in an amount of 80 to 98% by weight, more specifically, 85 to 98% by weight, based on the total weight of the positive electrode active material layer. When the positive electrode active material is contained within the above range, excellent capacity characteristics can be exhibited.
다음으로, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 카본블랙, 아세틸렌 블랙(또는 덴카 블랙), 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 또는 서멀 블랙 등의 탄소 분말; 결정구조가 매우 발달된 천연 흑연, 인조흑연, 또는 그라파이트 등의 흑연 분말; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본 분말, 알루미늄 분말 또는 니켈 분말 등의 도전성 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. Next, the conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and can be used without particular limitation as long as it does not cause chemical change and has electronic conductivity in the battery being constructed. Specific examples include carbon powders such as carbon black, acetylene black (or Denka black), Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, or thermal black; Graphite powder such as natural graphite, artificial graphite, or graphite with a highly developed crystal structure; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Conductive powders such as fluorinated carbon powder, aluminum powder, or nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used, and one type of these may be used alone or a mixture of two or more types may be used.
상기 도전재는 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 10중량%, 바람직하게는 0.1 내지 5중량%로 포함될 수 있다. The conductive material may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight, preferably 0.1 to 5% by weight, based on the total weight of the positive electrode active material layer.
다음으로, 상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. Next, the binder serves to improve adhesion between positive electrode active material particles and adhesion between the positive active material and the current collector.
이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로우즈(carboxyl methyl cellulose, CMC), 전분, 히드록시 프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오스를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴리비닐알코올을 포함하는 폴리 알코올계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌을 포함하는 폴리 올레핀계 바인더; 폴리 이미드계 바인더; 폴리 에스테르계 바인더; 및 실란계 바인더들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.Examples of such binders include fluororesin binders containing polyvinylidene fluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE); Rubber-based binders including styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; Cellulose-based binders including carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, and regenerated cellulose; A polyalcohol-based binder containing polyvinyl alcohol; Polyolefin-based binders including polyethylene and polypropylene; polyimide-based binder; polyester-based binder; And one type alone or a mixture of two or more types of silane-based binders may be used.
상기 바인더는 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 15 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 10중량%로 포함될 수 있다.The binder may be included in an amount of 0.1 to 15% by weight, preferably 0.1 to 10% by weight, based on the total weight of the positive electrode active material layer.
이러한 본 발명의 양극은 당해 기술 분야에 알려져 있는 양극 제조 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 양극은, 양극 활물질, 바인더 및/또는 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 양극 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연하여 활물질층을 형성하는 방법, 또는 상기 양극 활물질층을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 지지체를 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션하는 방법 등을 통해 제조될 수 있다. The positive electrode of the present invention can be manufactured according to a positive electrode manufacturing method known in the art. For example, the positive electrode is prepared by dissolving or dispersing the positive electrode active material, binder, and/or conductive material in a solvent, applying a positive electrode slurry onto the positive electrode current collector, followed by drying and rolling to form an active material layer, or It can be manufactured by casting the positive electrode active material layer on a separate support and then laminating the film obtained by peeling off the support on the positive electrode current collector.
상기 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극재의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon, nickel, titanium on the surface of aluminum or stainless steel. , surface treated with silver, etc. may be used. In addition, the positive electrode current collector may typically have a thickness of 3 to 500 μm, and fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to increase the adhesion of the positive electrode material. For example, it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven materials.
상기 용매는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 양극 합재의 도포 두께, 제조 수율, 작업성 등을 고려하여 양극 합재가 적절한 점도를 갖도록 조절될 수 있는 정도이면 되고, 특별히 한정되지 않는다.The solvent may be a solvent commonly used in the art, such as dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, or water. and the like, and one type of these may be used alone or a mixture of two or more types may be used. The amount of the solvent used can be adjusted so that the positive electrode mixture has an appropriate viscosity in consideration of the application thickness, manufacturing yield, workability, etc. of the positive electrode mixture, and is not particularly limited.
(2) 음극(2) cathode
다음으로, 음극에 대해 설명한다. Next, the cathode will be explained.
본 발명에 따른 음극은 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 필요에 따라, 도전재 및/또는 바인더를 더 포함할 수 있다. The negative electrode according to the present invention includes a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and the negative electrode active material layer may further include a conductive material and/or binder, if necessary.
상기 음극 활물질로는 당 업계에서 사용되는 다양한 음극 활물질, 예를 들면, 탄소계 음극 활물질, 실리콘계 음극 활물질 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다. The negative electrode active material may be various types of negative electrode active materials used in the art, such as carbon-based negative electrode active materials, silicon-based negative electrode active materials, or mixtures thereof.
일 구현예에 따르면, 상기 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질을 포함할 수 있으며, 상기 탄소계 음극 활물질로는, 당 업계에서 사용되는 다양한 탄소계 음극 활물질, 예를 들면, 천연 흑연, 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite)과 같은 그라파이트계 물질; 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소, 연화탄소 (soft carbon), 경화탄소 (hard carbon) 등이 사용될 수 있다. 상기 탄소계 음극 활물질의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형 등과 같은 다양한 형상의 물질들이 사용될 수 있다. According to one embodiment, the negative electrode active material may include a carbon-based negative electrode active material, and the carbon-based negative electrode active material may include various carbon-based negative electrode active materials used in the industry, such as natural graphite, artificial graphite, and kishimen. Graphite-based materials such as graphite (Kish graphite); Pyrolytic carbon, mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches and petroleum or coal tar pitch derived cokes. High-temperature calcined carbon, soft carbon, hard carbon, etc. may be used. The shape of the carbon-based negative active material is not particularly limited, and materials of various shapes such as amorphous, plate-shaped, flaky, spherical, or fibrous may be used.
바람직하게는 상기 음극 활물질은 천연 흑연 및 인조 흑연 중 적어도 하나의 탄소계 음극 활물질을 사용할 수 있으며, 집전체와의 접착력을 높여 활물질 탈리를 억제할 수 있도록 천연 흑연과 인조 흑연을 함께 사용할 수 있다.Preferably, the negative electrode active material may be at least one of natural graphite and artificial graphite, and natural graphite and artificial graphite may be used together to increase adhesion to the current collector and suppress detachment of the active material.
다른 구현예에 따르면, 상기 음극 활물질은 상기 탄소계 음극 활물질과 함께 실리콘계 음극 활물질을 포함하여 사용할 수 있다. According to another embodiment, the negative electrode active material may include a silicon-based negative electrode active material together with the carbon-based negative electrode active material.
상기 실리콘계 음극 활물질은, 예를 들면 금속 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiOx, 여기서 0<x<2) 실리콘 탄화물(SiC) 및 Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db (dubnium), Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The silicon-based negative electrode active material is, for example, metallic silicon (Si ) , silicon oxide (SiO It is an element selected from the group consisting of elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, but may include one or more types selected from the group consisting of Si. The element Y includes Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db (dubnium), Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh. , Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi , S, Se, Te, Po, and combinations thereof.
상기 실리콘계 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질에 비해 높은 용량 특성을 나타내므로, 실리콘계 음극 활물질을 추가로 포함할 경우, 더 우수한 용량 특성을 얻을 수 있다. 다만, 실리콘계 음극 활물질을 함유한 음극의 경우, 흑연 음극에 비해 SEI 막 내에 산소(O)-리치(O-rich)한 성분을 더 많이 함유하고 있으며, O-리치한 성분들을 포함하는 SEI막은 전해액 내에 HF 또는 PF5와 같은 루이스 산이 존재할 경우, 더 쉽게 분해되는 경향을 보인다. 따라서, 실리콘계 음극 활물질을 함유한 음극의 경우, 안정적인 SEI 막 유지를 위해 전해액 내 HF 및 PF5와 같은 루이스 산의 생성을 억제하거나, 생성된 루이스 산을 제거(혹은 scavenging)할 필요가 있다. 본 발명에 따른 비수전해액은 양극 및 음극에 안정한 피막을 형성하는 동시에 루이스산 제거 효과가 우수한 전해액 첨가제를 포함하기 때문에, 실리콘계 활물질을 함유한 음극 사용 시에 SEI 피막 분해를 효과적으로 억제할 수 있다. Since the silicon-based negative electrode active material exhibits higher capacity characteristics than the carbon-based negative electrode active material, better capacity characteristics can be obtained when the silicon-based negative electrode active material is additionally included. However, in the case of an anode containing a silicon-based anode active material, the SEI film contains more oxygen (O)-rich components than a graphite anode, and the SEI film containing O-rich components is electrolyte solution. If a Lewis acid such as HF or PF 5 is present, it tends to decompose more easily. Therefore, in the case of a negative electrode containing a silicon-based negative electrode active material, it is necessary to suppress the generation of Lewis acids such as HF and PF 5 in the electrolyte solution or to remove (or scavenge) the generated Lewis acids in order to maintain a stable SEI film. Since the non-aqueous electrolyte according to the present invention contains an electrolyte additive that forms a stable film on the positive and negative electrodes and has an excellent Lewis acid removal effect, it can effectively suppress SEI film decomposition when using a negative electrode containing a silicon-based active material.
한편, 상기 실리콘계 음극 활물질 및 탄소계 음극 활물질의 혼합 비율은 중량비율로 3:97 내지 99:1, 바람직하게 5:95 내지 15:85 일 수 있다. 실리콘계 음극 활물질과 탄소계 음극 활물질의 혼합 비율이 상기 범위를 만족하는 경우, 용량 특성을 향상시키면서도 실리콘계 음극 활물질의 부피 팽창이 억제되어 우수한 사이클 성능을 확보할 수 있다.Meanwhile, the mixing ratio of the silicon-based negative electrode active material and the carbon-based negative electrode active material may be 3:97 to 99:1, preferably 5:95 to 15:85, in weight ratio. When the mixing ratio of the silicon-based negative electrode active material and the carbon-based negative electrode active material satisfies the above range, capacity characteristics are improved and volume expansion of the silicon-based negative electrode active material is suppressed, thereby ensuring excellent cycle performance.
상기 음극 활물질은 음극 활물질층 전체 중량을 기준으로 80 중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다. 음극 활물질의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 우수한 용량 특성 및 전기화학적 특성을 얻을 수 있다. The negative electrode active material may be included in an amount of 80% to 99% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer. When the content of the negative electrode active material satisfies the above range, excellent capacity characteristics and electrochemical properties can be obtained.
다음으로, 상기 도전재는 음극활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 10 중량% 이하, 바람직하게는 5 중량% 이하로 첨가될 수 있다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌 블랙(또는 덴카 블랙), 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 또는 서멀 블랙 등의 탄소 분말; 결정구조가 매우 발달된 천연 흑연, 인조흑연, 또는 그라파이트 등의 흑연 분말; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본 분말, 알루미늄 분말, 니켈 분말 등의 도전성 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.Next, the conductive material is an ingredient to further improve the conductivity of the negative electrode active material, and may be added in an amount of 10% by weight or less, preferably 5% by weight or less, based on the total weight of the negative electrode active material layer. These conductive materials are not particularly limited as long as they are conductive without causing chemical changes in the battery. For example, carbon black, acetylene black (or Denka black), Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, or carbon powder such as thermal black; Graphite powder such as natural graphite, artificial graphite, or graphite with a highly developed crystal structure; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Conductive powders such as fluorinated carbon powder, aluminum powder, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
상기 바인더는 도전재, 활물질 및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 10 중량%로 첨가된다. 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로우즈(carboxyl methyl cellulose, CMC), 전분, 히드록시 프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오스를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴리비닐알코올을 포함하는 폴리 알코올계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌을 포함하는 폴리 올레핀계 바인더; 폴리 이미드계 바인더; 폴리 에스테르계 바인더; 및 실란계 바인더 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in bonding between the conductive material, the active material, and the current collector, and is usually added in an amount of 0.1% to 10% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer. Examples of binders include fluororesin binders containing polyvinylidene fluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE); Rubber-based binders including styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; Cellulose-based binders including carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, and regenerated cellulose; A polyalcohol-based binder containing polyvinyl alcohol; Polyolefin-based binders including polyethylene and polypropylene; polyimide-based binder; polyester-based binder; and silane-based binders.
상기 바인더는 음극 활물질층 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 15 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 10중량%로 포함될 수 있다.The binder may be included in an amount of 0.1 to 15% by weight, preferably 0.1 to 10% by weight, based on the total weight of the negative electrode active material layer.
상기 음극은 당해 기술 분야에 알려져 있는 음극 제조 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질과, 선택적으로 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 음극 슬러리를 도포하고 압연, 건조하여 활물질층을 형성하는 방법 또는 상기 음극 활물질층을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 지지체를 박리시켜 얻은 필름을 음극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수 있다.The cathode can be manufactured according to a cathode manufacturing method known in the art. For example, the negative electrode may be prepared by applying a negative electrode slurry prepared by dissolving or dispersing the negative electrode active material and optionally a binder and a conductive material in a solvent onto the negative electrode current collector, followed by rolling and drying to form an active material layer, or using the negative electrode active material. It can be manufactured by casting the layer on a separate support and then peeling off the support and lamination of the obtained film onto the negative electrode current collector.
상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, it may be used on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, copper or stainless steel. Surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. In addition, the negative electrode current collector may typically have a thickness of 3㎛ to 500㎛, and like the positive electrode current collector, fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to strengthen the bonding force of the negative electrode active material. For example, it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven materials.
상기 용매는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 음극 합재의 도포 두께, 제조 수율, 작업성 등을 고려하여 음극 슬러리가 적절한 점도를 갖도록 조절될 수 있는 정도이면 되고, 특별히 한정되지 않는다. The solvent may be a solvent commonly used in the art, such as dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, or water. and the like, and one type of these may be used alone or a mixture of two or more types may be used. The amount of the solvent used can be adjusted so that the anode slurry has an appropriate viscosity in consideration of the application thickness of the anode mixture, manufacturing yield, workability, etc., and is not particularly limited.
(3) 세퍼레이터(3) Separator
본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터를 포함한다.The lithium secondary battery according to the present invention includes a separator between the positive electrode and the negative electrode.
상기 세퍼레이터는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 리튬염의 이온 이동에 대하여 낮은 저항성을 가지면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. The separator separates the negative electrode from the positive electrode and provides a passage for lithium ions to move. It can be used without particular restrictions as long as it is normally used as a separator in lithium secondary batteries. In particular, it has low resistance to ion movement of lithium salts and moisturizes the electrolyte. It is desirable to have excellent abilities.
구체적으로는 세퍼레이터로 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.Specifically, a porous polymer film as a separator, for example, a porous polymer film made of polyolefin polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. Alternatively, a laminated structure of two or more layers thereof may be used. In addition, conventional porous non-woven fabrics, for example, non-woven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc., may be used. Additionally, a coated separator containing a ceramic component or polymer material may be used to ensure heat resistance or mechanical strength, and may optionally be used in a single-layer or multi-layer structure.
상기와 같은 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하게 사용될 수 있다. The lithium secondary battery according to the present invention as described above can be usefully used in portable devices such as mobile phones, laptop computers, and digital cameras, and in the field of electric vehicles such as hybrid electric vehicles (HEV).
본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The external shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but may be a cylindrical shape using a can, a square shape, a pouch shape, or a coin shape.
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. The lithium secondary battery according to the present invention can not only be used in battery cells used as a power source for small devices, but can also be preferably used as a unit cell in medium to large-sized battery modules containing a plurality of battery cells.
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, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described in detail below. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the art.
실시예Example
실시예Example 1. One.
(리튬 이차전지용 비수전해액 제조)(Manufacture of non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery)
에틸렌 카보네이트(EC):에틸메틸 카보네이트(EMC)를 30:70 부피비로 혼합한 비수성 유기용매에 LiPF6가 1.0M이 되도록 용해한 다음, 화학식 4-1로 표시되는 올리고머 (m1: 20, n1: 70, o1:10, 중량평균분자량: 12,000 g/mol) 0.5 중량%와 기타 첨가제인 비닐렌 카보네이트 1 중량%, 1,3-프로판설톤 0.5 중량% 및 에틸렌 설페이트 1.0 중량%를 첨가하여 리튬 이차전지용 비수전해액을 제조하였다 (하기 표 1 참조).LiPF 6 was dissolved to 1.0M in a non-aqueous organic solvent mixed with ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (EMC) at a volume ratio of 30:70, and then dissolved in an oligomer represented by Chemical Formula 4-1 (m1: 20, n1: 70, o1:10, weight average molecular weight: 12,000 g/mol) and other additives such as 1% by weight of vinylene carbonate, 0.5% by weight of 1,3-propane sultone, and 1.0% by weight of ethylene sulfate for lithium secondary batteries. A non-aqueous electrolyte was prepared (see Table 1 below).
(리튬 이차전지 제조)(Lithium secondary battery manufacturing)
양극 활물질 (Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2), 도전재(카본 블랙) 및 바인더(폴리비닐리덴플루오라이드)를 97.5:1:1.5 중량비로 용제인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 슬러리(고형분 함량: 50 중량%)를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 12㎛ 두께의 양극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 도포하고, 건조 및 롤 프레스(roll press)를 실시하여 양극을 제조하였다.The positive electrode active material (Li(Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 )O 2 ), conductive material (carbon black), and binder (polyvinylidene fluoride) were mixed with the solvent N-methyl-2-pyrrolidone in a weight ratio of 97.5:1:1.5. (NMP) was added to prepare a positive electrode slurry (solid content: 50% by weight). The positive electrode slurry was applied to a 12㎛ thick aluminum (Al) thin film, which is a positive electrode current collector, and dried and roll pressed to prepare a positive electrode.
음극 활물질 (인조흑연:SiO=88:12 중량비), 바인더(SBR-CMC) 및 도전재(카본 블랙)를 95:3.5:1.5 중량비로 용제인 물에 첨가하여 음극 슬러리(고형분 함량: 60 중량%)를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 6㎛ 두께의 음극 집전체인 구리(Cu) 박막에 도포하고, 건조 및 롤 프레스를 실시하여 양극을 제조하였다.The negative electrode active material (artificial graphite:SiO=88:12 weight ratio), binder (SBR-CMC), and conductive material (carbon black) were added to water as a solvent at a weight ratio of 95:3.5:1.5 to create a negative electrode slurry (solid content: 60% by weight). ) was prepared. The negative electrode slurry was applied to a 6㎛ thick copper (Cu) thin film, which is a negative electrode current collector, and dried and roll pressed to prepare a positive electrode.
드라이 룸에서 상기 제조된 양극과 음극 사이에 폴리올레핀 고분자로 제조한 다공성 고분자 세퍼레이터를 개재하여 전극조립체를 제조한 다음, 파우치형 전지 케이스 내에 상기 조립된 전극조립체를 수납하고, 상기 리튬 이차전지용 비수전해액을 주액하여 파우치형 리튬 이차전지를 제조하였다.An electrode assembly is manufactured by interposing a porous polymer separator made of polyolefin polymer between the manufactured positive electrode and the negative electrode in a dry room, then the assembled electrode assembly is stored in a pouch-type battery case, and the non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery is added. A pouch-type lithium secondary battery was manufactured by injecting the solution.
드라이 룸에서 상기 제조된 양극과 음극 사이에 무기물 입자(Al2O3)가 도포된 폴리올레핀계 다공성 세퍼레이터를 개재하여 전극조립체를 제조한 다음, 파우치형 전지 케이스 내에 상기 조립된 전극조립체를 수납하고, 상기 리튬 이차전지용 비수전해액을 주액하여 파우치형 리튬 이차전지를 제조하였다.An electrode assembly is manufactured in a dry room using a polyolefin-based porous separator coated with inorganic particles (Al 2 O 3 ) between the manufactured positive electrode and the negative electrode, and then the assembled electrode assembly is stored in a pouch-type battery case, A pouch-type lithium secondary battery was manufactured by injecting the non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery.
실시예 2. Example 2.
비수성 유기용매에 LiPF6가 1.0M이 되도록 용해한 다음, 화학식 4-1로 표시되는 올리고머 (m1: 20, n1: 70, o1:10, 중량평균분자량: 12,000 g/mol) 5.0 중량%와 기타 첨가제인 비닐렌 카보네이트 1 중량%, 1,3-프로판설톤 0.5 중량% 및 에틸렌 설페이트 1.0 중량%를 첨가하여 리튬 이차전지용 비수전해액을 제조하는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제조하였다 (하기 표 1 참조).LiPF 6 was dissolved in a non-aqueous organic solvent to a concentration of 1.0M, then 5.0% by weight of the oligomer represented by Chemical Formula 4-1 (m1: 20, n1: 70, o1:10, weight average molecular weight: 12,000 g/mol) and other Lithium was prepared in the same manner as in Example 1, except that a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery was prepared by adding 1% by weight of vinylene carbonate, 0.5% by weight of 1,3-propane sultone, and 1.0% by weight of ethylene sulfate as additives. A non-aqueous electrolyte for secondary batteries and a lithium secondary battery containing the same were manufactured (see Table 1 below).
실시예 3.Example 3.
비수성 유기용매에 LiPF6가 1.0M이 되도록 용해한 다음, 화학식 4-1로 표시되는 올리고머 (m1: 20, n1: 70, o1:10 / 중량평균분자량: 12,000 g/mol) 10.0 중량%와 기타 첨가제인 비닐렌 카보네이트 1 중량%, 1,3-프로판설톤 0.5 중량% 및 에틸렌 설페이트 1.0 중량%를 첨가하여 리튬 이차전지용 비수전해액을 제조하는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제조하였다 (하기 표 1 참조).LiPF 6 was dissolved in a non-aqueous organic solvent to a concentration of 1.0M, and then 10.0% by weight of the oligomer represented by Chemical Formula 4-1 (m1: 20, n1: 70, o1:10 / weight average molecular weight: 12,000 g/mol) and other Lithium was prepared in the same manner as in Example 1, except that a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery was prepared by adding 1% by weight of vinylene carbonate, 0.5% by weight of 1,3-propane sultone, and 1.0% by weight of ethylene sulfate as additives. A non-aqueous electrolyte for secondary batteries and a lithium secondary battery containing the same were manufactured (see Table 1 below).
실시예 4.Example 4.
비수성 유기용매에 LiPF6가 1.0M이 되도록 용해한 다음, 화학식 4-1로 표시되는 올리고머 (m1: 20, n1: 70, o1:10 / 중량평균분자량: 12,000 g/mol) 30.0 중량%와 기타 첨가제인 비닐렌 카보네이트 1 중량%, 1,3-프로판설톤 0.5 중량% 및 에틸렌 설페이트 1.0 중량%를 첨가하여 리튬 이차전지용 비수전해액을 제조하는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제조하였다 (하기 표 1 참조).LiPF 6 was dissolved in a non-aqueous organic solvent to a concentration of 1.0M, then 30.0% by weight of the oligomer represented by Chemical Formula 4-1 (m1: 20, n1: 70, o1:10 / weight average molecular weight: 12,000 g/mol) and other Lithium was prepared in the same manner as in Example 1, except that a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery was prepared by adding 1% by weight of vinylene carbonate, 0.5% by weight of 1,3-propane sultone, and 1.0% by weight of ethylene sulfate as additives. A non-aqueous electrolyte for secondary batteries and a lithium secondary battery containing the same were manufactured (see Table 1 below).
비교예 1. Comparative Example 1.
비수성 유기용매에 LiPF6가 1.0M이 되도록 용해한 다음, 기타 첨가제인 비닐렌 카보네이트 1 중량%, 1,3-프로판설톤 0.5 중량% 및 에틸렌 설페이트 1.0 중량%를 첨가하여 비수전해액을 제조하는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제조하였다 (하기 표 1 참조).LiPF 6 is dissolved in a non-aqueous organic solvent to a concentration of 1.0M, and then other additives such as 1% by weight of vinylene carbonate, 0.5% by weight of 1,3-propane sultone, and 1.0% by weight of ethylene sulfate are added to prepare a non-aqueous electrolyte solution. A non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery containing the same were manufactured in the same manner as in Example 1, except that (see Table 1 below).
비교예 2. Comparative Example 2.
비수성 유기용매에 LiPF6가 1.0M이 되도록 용해한 다음, 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물 (a: 30, b: 70, 중량평균분자량: 12,000 g/mol) 0.5 중량%와 기타 첨가제인 비닐렌 카보네이트 1 중량%, 1,3-프로판설톤 0.5 중량% 및 에틸렌 설페이트 1.0 중량%를 첨가하여 비수전해액을 제조하는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제조하였다 (하기 표 1 참조).LiPF 6 was dissolved in a non-aqueous organic solvent to a concentration of 1.0M, and then 0.5% by weight of the compound represented by the following formula (6) (a: 30, b: 70, weight average molecular weight: 12,000 g/mol) and other additives, vinylene carbonate. A non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery and a non-aqueous electrolyte containing the same were prepared in the same manner as in Example 1, except that the non-aqueous electrolyte was prepared by adding 1% by weight, 0.5% by weight of 1,3-propane sultone, and 1.0% by weight of ethylene sulfate. A lithium secondary battery was manufactured (see Table 1 below).
[화학식 6][Formula 6]
비교예 3. Comparative Example 3.
비수성 유기용매에 LiPF6가 1.0M이 되도록 용해한 다음, 상기 화학식 6으로 표시되는 올리고머 5.0 중량%와 기타 첨가제인 비닐렌 카보네이트 1 중량%, 1,3-프로판설톤 0.5 중량% 및 에틸렌 설페이트 1.0 중량%를 첨가하여 리튬 이차전지용 비수전해액을 제조하는 점을 제외하고는 상기 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제조하였다 (하기 표 1 참조).LiPF 6 was dissolved in a non-aqueous organic solvent to a concentration of 1.0M, and then 5.0% by weight of the oligomer represented by Chemical Formula 6 and other additives such as 1% by weight of vinylene carbonate, 0.5% by weight of 1,3-propane sultone, and 1.0% by weight of ethylene sulfate were added. A non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery containing the same were prepared in the same manner as in Example 2, except that the non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery was prepared by adding % (see Table 1 below).
실험예Experiment example
실험예 1. 고온 사이클 특성 평가 (1)Experimental Example 1. Evaluation of high temperature cycle characteristics (1)
실시예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차전지와 비교예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차전지를 각각 45℃에서 0.33C rate로 정전류/정전압 조건하에서 4.2V까지 충전한 다음, 0.33C rate로 정전류 조건하에서 3V까지 방전하는 것을 1 사이클을 진행한 다음, 1사이클 후의 방전 용량 및 저항을 측정하였다.The lithium secondary batteries prepared in Examples 1 to 3 and the lithium secondary batteries prepared in Comparative Examples 1 to 3 were each charged to 4.2V at 45°C at a 0.33C rate under constant current/constant voltage conditions, and then charged under constant current conditions at a 0.33C rate. One cycle of discharging to 3V was performed, and then the discharge capacity and resistance after one cycle were measured.
그런 다음, 상기 1 사이클 조건으로 100 사이클 충방전을 실시한 후 용량 유지율(%) 및 저항 증가율(%)을 측정하였다. 용량 유지율(%)은 하기 [식 1]에 따라 계산하였으며, 저항 증가율(%)은 하기 [식 2]에 따라 계산하였다. 측정 결과는 하기 표 2에 기재하였다.Then, after 100 cycles of charging and discharging under the 1 cycle conditions, the capacity maintenance rate (%) and resistance increase rate (%) were measured. Capacity retention rate (%) was calculated according to [Equation 1] below, and resistance increase rate (%) was calculated according to [Equation 2] below. The measurement results are listed in Table 2 below.
[식 1][Equation 1]
용량 유지율(%) = (100 사이클 후 방전 용량/1 사이클 후 방전용량)×100Capacity maintenance rate (%) = (discharge capacity after 100 cycles/discharge capacity after 1 cycle) × 100
[식 2][Equation 2]
저항 증가율(%) = {(100 사이클 후 저항-1 사이클 후 저항)/1 사이클 후 저항}×100Resistance increase rate (%) = {(resistance after 100 cycles - resistance after 1 cycle)/resistance after 1 cycle}×100
실험예 2. 고온 사이클 특성 평가 (2)Experimental Example 2. Evaluation of high temperature cycle characteristics (2)
실시예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차전지와 비교예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차전지를 각각 45℃에서 0.33C rate로 정전류/정전압 조건하에서 4.2V까지 충전한 다음, 0.33C rate로 정전류 조건하에서 3V까지 방전하는 것을 1 사이클을 진행한 다음, 초기 두께를 측정하였다. 그런 다음, 상기 1 사이클 조건으로 100 사이클 충방전을 실시한 후 두께를 측정하여, 부피 증가율을 산출한 다음, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.The lithium secondary batteries prepared in Examples 1 to 3 and the lithium secondary batteries prepared in Comparative Examples 1 to 3 were each charged to 4.2V at 45°C at a 0.33C rate under constant current/constant voltage conditions, and then charged under constant current conditions at a 0.33C rate. After one cycle of discharging to 3V under low temperature, the initial thickness was measured. Then, after 100 cycles of charging and discharging under the above 1 cycle conditions, the thickness was measured, the volume increase rate was calculated, and the results are listed in Table 2 below.
용량 유지율 (%)After 100 cycles
Capacity maintenance rate (%)
저항 증가율 (%)After 100 cycles
Resistance increase rate (%)
부피 증가율 (%)After 100 cycles
Volume increase rate (%)
상기 표 2를 살펴보면, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 이차전지의 경우, 고온 (45℃)에서 100 사이클 후 용량 유지율(%), 저항 증가율(%) 및 부피 증가율(%)이 비교예 1 내지 3의 이차전지에 비해 개선된 것을 알 수 있다.Looking at Table 2, in the case of the secondary batteries of Examples 1 to 3 of the present invention, the capacity retention rate (%), resistance increase rate (%), and volume increase rate (%) after 100 cycles at high temperature (45°C) were compared to Comparative Example 1. It can be seen that there is an improvement compared to the secondary battery of 3 to 3.
실험예 3. 고온 저장 후 부피 증가율 평가Experimental Example 3. Evaluation of volume increase rate after high temperature storage
실시예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차전지와 비교예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차전지를 각각 상온(25℃)에서 0.33C rate로 정전류/정전압 조건으로 4.2V까지 충전한 다음, DOD (depth of discharge) 50%까지 방전하여 SOC 50%를 맞춰준 후, 2.5C rate 조건으로 10초간 방전한 다음, 초기 부피를 측정하였다.The lithium secondary batteries manufactured in Examples 1 to 3 and the lithium secondary batteries manufactured in Comparative Examples 1 to 3 were each charged to 4.2V under constant current/constant voltage conditions at a rate of 0.33C at room temperature (25°C), and then charged to 4.2V under constant current/constant voltage conditions. of discharge) was discharged to 50% to set the SOC to 50%, then discharged for 10 seconds at a 2.5C rate, and then the initial volume was measured.
그런 다음, 60℃에서 8 주간 저장한 후에 각각의 리튬 이차전지에 대한 고온 저장 후 부피를 측정하여 부피 증가율을 확인하고, 그 결과를 하기 표 3에 기재하였다.Then, after storing at 60°C for 8 weeks, the volume of each lithium secondary battery was measured after high temperature storage to confirm the volume increase rate, and the results are listed in Table 3 below.
상기 표 3을 살펴보면, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 이차전지의 경우, 고온 저장 후 부피 증가율(%)이 비교예 1 내지 3의 이차전지에 비해 억제된 것을 확인할 수 있다.Looking at Table 3, it can be seen that in the case of the secondary batteries of Examples 1 to 3 of the present invention, the volume increase rate (%) after high temperature storage was suppressed compared to the secondary batteries of Comparative Examples 1 to 3.
실험예 4. 회복 용량 평가Experimental Example 4. Evaluation of recovery capacity
실시예 1 내지 4에서 제조된 리튬 이차전지와 비교예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차전지를 각각 4.45 V 전압 조건하에서, SOC 100% (4356mAh) 까지 만충전을 실시하였다. 이후, 25℃에서, 0.7 ℃/min의 승온 온도로 60℃까지 온도를 상승하고, 60℃에서 8 주간 저장한 다음, 0.33 C로 충전 및 0.33 C로 방전하여 회복 용량을 측정하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. The lithium secondary batteries manufactured in Examples 1 to 4 and the lithium secondary batteries manufactured in Comparative Examples 1 to 3 were fully charged to SOC 100% (4356 mAh) under voltage conditions of 4.45 V, respectively. Afterwards, the temperature was raised from 25℃ to 60℃ at a heating temperature of 0.7℃/min, stored at 60℃ for 8 weeks, then charged at 0.33C and discharged at 0.33C to measure the recovery capacity, and the results were reported. It is shown in Table 4 below.
상기 표 4를 살펴보면, 본 발명의 실시예 1 내지 4의 이차전지의 경우, 회복 용량(%)이 비교예 1 내지 3의 이차전지에 비해 향상된 것을 알 수 있다. 한편, 첨가제가 다소 많이 포함된 실시예 4의 이차전지의 경우, 전지 내부 저항 증가로 회복 용량(%)이 실시예 1 내지 3의 이차전지에 비해 저하된 것을 알 수 있다.Looking at Table 4, it can be seen that in the case of the secondary batteries of Examples 1 to 4 of the present invention, the recovery capacity (%) was improved compared to the secondary batteries of Comparative Examples 1 to 3. Meanwhile, in the case of the secondary battery of Example 4 containing a somewhat large amount of additives, it can be seen that the recovery capacity (%) decreased compared to the secondary battery of Examples 1 to 3 due to an increase in the internal resistance of the battery.
실험예 5. 금속 용출량 평가Experimental Example 5. Evaluation of metal elution amount
실시예 1 내지 4에서 제조된 리튬 이차전지와 비교예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차전지를 각각 4.45 V 전압 조건 하에서, SOC 100% (4356mAh) 까지 만충전을 실시하였다. 이후, 25℃에서, 0.7 ℃/min의 승온 온도로 60℃까지 온도를 상승하고, 60℃에서 8 주간 저장한 다음, 0.33 C로 충전 및 0.33 C로 방전하고, 만방전 상태에서 분해하여 음극에 석출된 Ni, Co, Mn의 양을 분석 (ICP-OES, Perkin Elmer, AVIO 500) 하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다. The lithium secondary batteries manufactured in Examples 1 to 4 and the lithium secondary batteries manufactured in Comparative Examples 1 to 3 were each fully charged to SOC 100% (4356 mAh) under voltage conditions of 4.45 V. Afterwards, the temperature was raised from 25℃ to 60℃ at a heating temperature of 0.7℃/min, stored at 60℃ for 8 weeks, then charged at 0.33C and discharged at 0.33C, and decomposed in a fully discharged state to the cathode. The amounts of precipitated Ni, Co, and Mn were analyzed (ICP-OES, Perkin Elmer, AVIO 500), and the results are shown in Table 5 below.
상기 표 5를 살펴보면, 본 발명의 실시예 1 내지 4의 이차전지의 경우, 고온 저장 후 금속 이온 용출량이 부피 증가율(%)이 비교예 1 내지 3의 이차전지에 비해 감소한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과로, 본 발명의 비수전해액을 사용한 리튬 이차전지는 금속 용출 억제 효과가 향상된 것을 알 수 있다. Looking at Table 5, it can be seen that in the case of the secondary batteries of Examples 1 to 4 of the present invention, the volume increase rate (%) of the amount of metal ions eluted after high temperature storage decreased compared to the secondary batteries of Comparative Examples 1 to 3. From these results, it can be seen that the lithium secondary battery using the non-aqueous electrolyte of the present invention has an improved effect of suppressing metal elution.
Claims (10)
비수성 유기용매; 및
하기 화학식 4로 표시되는 올리고머;를 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액:
[화학식 4]
(상기 화학식 4에서,
R1, R3 및 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,
R2는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이며,
R4, R5 및 R7는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기이고,
m은 0.1 내지 30 몰수이고,
n은 0.1 내지 80 몰수이며,
o은 0.1 내지 80 몰수이다).
lithium salt;
Non-aqueous organic solvent; and
A non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery containing an oligomer represented by the following formula (4):
[Formula 4]
(In Formula 4 above,
R 1 , R 3 and R 6 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
R 2 is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms,
R 4 , R 5 and R 7 are each independently an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
m is 0.1 to 30 moles,
n is 0.1 to 80 moles,
o is from 0.1 to 80 moles).
상기 R2는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고,
상기 R4 및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 7의 알킬렌기이며,
상기 R7은 탄소수 1 내지 7의 알킬렌기인 것인 리튬 이차전지용 비수 전해액.
In claim 1,
R 2 is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R 4 and R 5 are each independently an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms,
Wherein R 7 is an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms.
상기 R2는 탄소수 1 내지 7의 알킬기이고,
상기 R4 및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬렌기이며,
상기 R7은 탄소수 1 내지 5의 알킬렌기인 것인 리튬 이차전지용 비수 전해액.
In claim 1,
R 2 is an alkyl group having 1 to 7 carbon atoms,
R 4 and R 5 are each independently an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms,
Wherein R 7 is an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms.
상기 올리고머는 하기 화학식 4-1 및 화학식 4-2로 표시되는 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것인 리튬 이차전지용 비수 전해액:
[화학식 4-1]
(상기 화학식 4-1에서,
m1은 0.1 내지 30 몰수이고,
n1은 0.1 내지 80 몰수이며,
o1은 0.1 내지 80 몰수이다);
[화학식 4-2]
(상기 화학식 4-2에서,
m2은 0.1 내지 30 몰수이고,
n2은 0.1 내지 80 몰수이며,
o2은 0.1 내지 80 몰수이다).
In claim 1,
A non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery, wherein the oligomer is at least one selected from the group consisting of oligomers represented by the following formulas 4-1 and 4-2:
[Formula 4-1]
(In Formula 4-1 above,
m1 is 0.1 to 30 moles,
n1 is 0.1 to 80 moles,
o1 is from 0.1 to 80 moles);
[Formula 4-2]
(In Formula 4-2 above,
m2 is 0.1 to 30 moles,
n2 is 0.1 to 80 moles,
o2 is from 0.1 to 80 moles).
상기 올리고머는 리튬 이차전지용 비수 전해액 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 25 중량%로 포함되는 것인 리튬 이차전지용 비수 전해액.
In claim 1,
The oligomer is a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery, wherein the oligomer is contained in an amount of 0.1% to 25% by weight based on the total weight of the non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery.
상기 올리고머는 리튬 이차전지용 비수 전해액 전체 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 20 중량%로 포함되는 것인 리튬 이차전지용 비수 전해액.
In claim 1,
A non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery, wherein the oligomer is contained in an amount of 0.5% by weight to 20% by weight based on the total weight of the non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery.
상기 리튬 이차전지용 비수 전해액은 환형 카보네이트계 화합물, 할로겐 치환된 카보네이트계 화합물, 설톤계 화합물, 설페이트계 화합물, 포스페이트계 또는 포스파이트계 화합물, 보레이트계 화합물, 니트릴계 화합물, 벤젠계 화합물, 아민계 화합물, 실란계 화합물 및 리튬염계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 추가로 포함하는 것인 리튬 이차전지용 비수 전해액.
In claim 1,
The non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery includes a cyclic carbonate-based compound, a halogen-substituted carbonate-based compound, a sultone-based compound, a sulfate-based compound, a phosphate-based or phosphite-based compound, a borate-based compound, a nitrile-based compound, a benzene-based compound, and an amine-based compound. , a non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery, which further comprises at least one additive selected from the group consisting of a silane-based compound and a lithium salt-based compound.
음극 활물질을 포함하는 음극;
상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및
청구항 1의 리튬 이차전지용 비수 전해액;을 포함하는 리튬 이차전지.
A positive electrode containing a positive electrode active material;
A negative electrode containing a negative electrode active material;
a separator interposed between the cathode and the anode; and
A lithium secondary battery comprising the non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery of claim 1.
상기 양극 활물질은 하기 화학식 5로 표시되는 리튬 복합금속 산화물을 포함하는 것인 리튬 이차전지:
[화학식 5]
Li1 + aNixCoyM1 zM2 wO2
(상기 화학식 5에서,
M1은 Mn, Al 또는 이들의 조합이고,
M2는 Al, Zr, W, Ti, Mg, Ca 및 Sr로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이며, 0≤a≤0.5, 0<x≤1.0, 0<y≤0.4, 0<z≤0.4, 0≤w≤0.1 이다).In claim 9,
A lithium secondary battery in which the positive electrode active material includes a lithium composite metal oxide represented by the following formula (5):
[Formula 5]
Li 1 + a Ni x Co y M 1 z M 2 w O 2
(In Formula 5 above,
M 1 is Mn, Al or a combination thereof,
M 2 is at least one selected from the group consisting of Al, Zr, W, Ti, Mg, Ca and Sr, 0≤a≤0.5, 0<x≤1.0, 0<y≤0.4, 0<z≤0.4, 0 ≤w≤0.1).
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