KR20010006797A - Phosphonate additives for nonaqueous electrolyte in rechargeable cells - Google Patents

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간홍
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Abstract

PURPOSE: A lithium ion electrochemical cell is provided to exhibit a reduced first cycle irreversible capacity with high charge/discharge capacity and long cycle life. CONSTITUTION: A lithium ion electrochemical cell with high charge/discharge capacity and long cycle life adds at least one phosphonate additive to an electrolyte comprising an alkali metal salt dissolved in a solvent mixture that includes ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and diethyl carbonate. The preferred additive is an alkyl phosphonate compound.

Description

재충전가능한 전지의 비수성 전해질용 포스포네이트 첨가제{Phosphonate additives for nonaqueous electrolyte in rechargeable cells}Phosphonate additives for nonaqueous electrolyte in rechargeable cells

본 발명은 일반적으로 알칼리 금속 전기화학 전지, 보다 특히는 재충전가능한 알칼리 금속 전지에 관한 것이다. 보다 특히는, 본 발명은 높은 충전/방전 용량 및 긴 사이클 수명을 달성하고 제1 사이클 비가역 용량을 최소화시키기 위해 제공된 첨가제를 갖는 전해질로 활성화된 리튬 이온 전기화학 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 활성화 전해질에 바람직한 첨가제는 포스포네이트 화합물이다. 포스파이트 화합물은 포스포네이트 화합물의 다른 명칭으로 본 발명에 또한 바람직하다.The present invention relates generally to alkali metal electrochemical cells, more particularly to rechargeable alkali metal cells. More particularly, the present invention relates to a lithium ion electrochemical cell activated with an electrolyte having an additive provided to achieve high charge / discharge capacity and long cycle life and to minimize first cycle irreversible capacity. According to the invention, preferred additives for the activated electrolyte are phosphonate compounds. Phosphite compounds are also preferred in the present invention by another name for phosphonate compounds.

알칼리 금속 재충전가능한 전지는 전형적으로 탄질 양극 전극 및 리튬화 음극 전극을 포함한다. 완전히 충전된 리튬 이온 전지 중의 음극 재료의 고 전위(Li1-xCoO2의 Li/Li+에 대해 4.3V 이하) 및 탄질 양극 재료의 저전위(흑연의 Li/Li+에 대해 0.01V)로 인하여, 전해질 용매 시스템의 선택은 제한된다. 카보네이트 용매가 전형적으로 사용되는 리튬화된 음극 재료에 대하여 높은 산화 안정성 및 탄질 양극 재료에 대한 우수한 동력학적 안정성을 갖기 때문에, 이들은 일반적으로 리튬 이온 전지 전해질에 사용된다. 최적의 전지 성능(고속능 및 긴 사이클 수명)을 달성하기 위해서, 사이클릭 카보네이트(고유전률 용매) 및 선형 카보네이트(저점도 용매)의 혼합물을 포함하는 용매 시스템이 전형적으로 통상적인 2차 전지에 사용된다. 카보네이트계 전해질을 갖는 전지는 실온에서 1000 충전/방전 사이클 이상을 수송하는 것으로 공지되었다.Alkali metal rechargeable cells typically include carbonaceous anode electrodes and lithiated cathode electrodes. At the high potential of the negative electrode material (4.3 V or less for Li / Li + of Li 1-x CoO 2 ) and the low potential of the carbonic anode material (0.01 V for Li / Li + of graphite) in a fully charged lithium ion battery Due to this, the choice of electrolyte solvent system is limited. Since carbonate solvents typically have high oxidative stability to the lithiated anode materials used and good dynamic stability to carbon anode materials, they are generally used in lithium ion battery electrolytes. In order to achieve optimal cell performance (high speed and long cycle life), solvent systems comprising a mixture of cyclic carbonates (high dielectric constant solvents) and linear carbonates (low viscosity solvents) are typically used in conventional secondary cells. do. Cells with carbonate based electrolytes are known to carry more than 1000 charge / discharge cycles at room temperature.

본 발명의 양수인에게 양도되고 본원에 참조로 인용된 미국 특허원 제09/133,799호는 우수한 사이클링 특성을 나타내면서 -20℃ 이하 및 -40℃ 만큼 낮은 온도에서 방전할 수 있는 리튬 이온 전지용 활성화 전해질 중의 유기 카보네이트 용매의 4원 혼합물에 관한 것이다. 4원 용매 시스템은 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 포함한다.U.S. Patent Application Serial No. 09 / 133,799, assigned to the assignee of the present invention and incorporated herein by reference, discloses organic in activating electrolytes for lithium ion batteries capable of discharging at temperatures below -20 ° C and as low as -40 ° C while exhibiting excellent cycling characteristics A quaternary mixture of carbonate solvents. Quaternary solvent systems include ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC) and diethyl carbonate (DEC).

리튬 이온 전지 디자인은 일반적으로 표적 전지 적용에 따라 개선을 요하는 한 영역을 다른 영역으로 교환한다. 전형적으로 사용되는 2원 용매 전해질(예: -11℃에서 동결되는 1.0M LiPF6/EC:DMC=30:70, v/v) 대신에 상기한 4원 용매 전해질을 사용함으로써 저온 사이클능일 수 있는 리튬 이온 전지는 초기 충전시키는 동안 증가된 제1 사이클 비가역 용량의 댓가로 달성된다(1.0M LiPF6/EC:DMC:EMC:DEC=45:22:24.8:8.2에 대하여 흑연 1g 당 약 65mAh 대 1.0M LiPF6/EC:DMC=30:70에 대하여 흑연 1g 당 35mAh). 상기한 제1 사이클 비가역 용량의 존재에 기인하여, 리튬 이온 전지는 일반적으로 제한된 음극이다. 충전 및 방전 동안 양극과 음극을 왕복하는 모든 리튬 이온이 본래 리튬화된 음극으로부터 유래되기 때문에, 제1 사이클 비가역 용량이 커질수록, 후속 사이클에서의 전지 용량은 감소되고 전지 효율이 저하된다. 따라서, 리튬 이온 전지에서 제1 사이클 비가역 용량을 최소화시키거나 심지어는 제거하는 동시에 이러한 전지의 저온 사이클능을 유지시키는 것이 바람직하다.Lithium ion cell designs generally exchange one area for another, requiring improvement, depending on the target cell application. Low cycle performance may be achieved by using the above mentioned four solvent solvents instead of the typically used two solvent solvents (e.g., 1.0M LiPF 6 / EC: DMC = 30: 70, v / v frozen at -11 ° C). Lithium ion cells are achieved at the expense of increased first cycle irreversible capacity during initial charging (about 65 mAh vs. 1.0 per g of graphite for 1.0 M LiPF 6 /EC:DMC:EMC:DEC=45:22:24.8:8.2) 35 mAh per 1 g of graphite against M LiPF 6 / EC: DMC = 30: 70). Due to the presence of the first cycle irreversible capacity described above, lithium ion batteries are generally limited cathodes. Since all the lithium ions reciprocating the positive and negative electrodes during charge and discharge are originally derived from the lithiated negative electrode, the larger the first cycle irreversible capacity, the lower the battery capacity in subsequent cycles and the lower the battery efficiency. Therefore, it is desirable to minimize or even eliminate the first cycle irreversible capacity in lithium ion cells while maintaining the low temperature cycling capability of such cells.

본 발명에 따라서, 상기한 목적은 4원 용매 전해질에 유기 포스포네이트 또는 포스파이트를 제공함으로써 달성된다. 상기한 전해질로 활성화된 리튬 이온 전지는 포스포네이트 첨가제가 없는 동일한 4원 용매 전해질로 활성화된 전지에 비하여 낮은 제1 사이클 비가역 용량을 나타낸다. 결과적으로, 포스포네이트 첨가제를 포함하는 전지는 대조용 전지보다 높은 후속 사이클링 용량을 나타낸다. 실온 뿐만 아니라 저온, 즉 약 -40℃ 이하에서 본 발명의 전지의 사이클능은 포스포네이트 첨가제가 없는 4원 전해질로 활성화된 전지만큼 우수하다.According to the invention, the above object is achieved by providing an organic phosphonate or phosphite in a quaternary solvent electrolyte. Lithium ion cells activated with the above electrolytes exhibit lower first cycle irreversible capacity compared to cells activated with the same quaternary solvent electrolyte without the phosphonate additive. As a result, cells comprising phosphonate additives exhibit higher subsequent cycling capacity than control cells. At room temperature as well as at low temperatures, ie below about −40 ° C., the cycleability of the cells of the present invention is as good as those activated with quaternary electrolytes without phosphonate additives.

전지를 충전시키기 위해, 전위를 방전된 상태에서 탄소 양극으로 조립된 리튬 이온 전지에 최초로 인가시킬 경우, 양극 표면 패시베이션(passivation) 필름 형성에 기인하여 몇몇 영구적인 용량 손실이 발생한다. 이러한 영구적인 용량 손실을 제1 사이클 비가역 용량이라 한다. 그러나, 필름 형성 방법은 전지 충전 전위에서 전해질 성분의 반응성에 매우 의존한다. 패시베이션 필름의 전기화학적 특성은 또한 표면 필름의 화학적 조성에 의존한다.When the potential is first applied to a lithium ion battery assembled with a carbon anode in a discharged state to charge the cell, some permanent capacity loss occurs due to the formation of a positive electrode surface passivation film. This permanent capacity loss is called the first cycle irreversible capacity. However, the film formation method is very dependent on the reactivity of the electrolyte component at the cell charging potential. The electrochemical properties of the passivation film also depend on the chemical composition of the surface film.

표면 필름의 형성은 상대적으로 낮은 전위 및 유기 전해질에 대한 리튬의 고반응성에 기인하여 알칼리 금속 시스템, 특히 리튬 금속 양극, 및 리튬 삽입된 탄소 양극에 불가피하다. 고체-전해질 중간상(SEI)으로서 공지된 이상적인 표면 필름은 전기 절연성이고 이온 전도성이어야 한다. 대부분의 알칼리 금속, 특히 리튬 전기화학 시스템은 제1 필요조건을 충족시키지만, 제2 필요조건은 달성하기 어렵다. 이러한 필름의 내성은 무시할 수 없고, 결과적으로 리튬 이온 전지의 충전 및 방전 동안 허용할 수 없는 극성화를 유발하는 상기한 표면 층의 형성에 기인하여 전지 내부에 임피던스가 증강된다. 한편, SEI 필름이 전기 전도성일 경우, 양극 표면에서의 전해질 분해 반응은 리튬화된 탄소 전극의 저전위로 인하여 정지되지 않는다.Formation of the surface film is inevitable in alkali metal systems, in particular lithium metal anodes, and lithium intercalated carbon anodes, due to their relatively low potential and the high reactivity of lithium to organic electrolytes. Ideal surface films known as solid-electrolyte intermediate phases (SEIs) should be electrically insulating and ion conductive. Most alkali metals, in particular lithium electrochemical systems, meet the first requirement, but the second requirement is difficult to achieve. The resistance of such films is not negligible and consequently the impedance builds up inside the cell due to the formation of the surface layer described above which causes unacceptable polarization during charging and discharging of the lithium ion battery. On the other hand, when the SEI film is electrically conductive, the electrolyte decomposition reaction at the anode surface does not stop due to the low potential of the lithiated carbon electrode.

따라서, 전해질의 조성은 알칼리 금속 시스템의 방전 효율, 특히 2차 전지에서 영구적인 용량 손실에 중요한 영향을 미친다. 예를 들어, 1.0M LiPF6/EC:DMC=30:70이 2차 전지를 활성화하는데 사용되는 경우, 제1 사이클 비가역 용량은 흑연 1g 당 약 35mAh이다. 그러나, 동일한 사이클링 조건하에, 1.0M LiPF6/EC:DMC:EMC:DEC=45:22:24.8:8.2가 전해질로서 사용되는 경우, 제1 사이클 비가역 용량은 흑연 1g 당 약 65mAh임이 밝혀졌다. 또한, 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 2원 용매 전해질로 활성화된 리튬 이온 전지는 약 -11℃ 미만의 온도에서 사이클화될 수 없다. 훨씬 저온에서 리튬 이온 전지를 사이클화할 수 있는, 상기 참조된 특허원의 4원 용매 전해질은 허용되는 사이클링 효율을 갖는 보다 넓은 온도의 제공에 대한 절충안이다. 약 -40℃만큼 낮은 온도에서 작동할 수 있고 제1 사이클 비가역 용량을 최소화할 수 있는 리튬 이온 전지의 잇점을 유지시키는 것이 매우 바람직할 것이다.Thus, the composition of the electrolyte has a significant effect on the discharge efficiency of the alkali metal system, in particular the permanent capacity loss in the secondary cell. For example, when 1.0 M LiPF 6 / EC: DMC = 30: 70 is used to activate the secondary cell, the first cycle irreversible capacity is about 35 mAh per gram of graphite. However, under the same cycling conditions, when 1.0 M LiPF 6 /EC:DMC:EMC:DEC=45:22:24.8:8.2 was used as the electrolyte, the first cycle irreversible capacity was found to be about 65 mAh per gram of graphite. In addition, lithium ion batteries activated with binary solvent electrolytes of ethylene carbonate and dimethyl carbonate cannot be cycled at temperatures below about -11 ° C. The quaternary solvent electrolytes of the above-referenced patents, which can cycle lithium ion cells at much lower temperatures, are a compromise for providing a wider temperature with acceptable cycling efficiency. It would be highly desirable to maintain the benefits of lithium ion batteries that can operate at temperatures as low as about -40 ° C. and can minimize the first cycle irreversible capacity.

본 발명에 따라서, 상기한 목적은 상기한 4원 용매 전해질에 포스포네이트 첨가제를 첨가함으로써 달성된다. 또한, 본 발명은 2원 용매 및 3원 용매 시스템과 같은 다른 비수성 유기 전해질 시스템 뿐만 아니라 선형 또는 사이클릭 카보네이트의 혼합물 이외의 용매를 함유하는 전해질 시스템에도 일반화될 수 있다. 예를 들어, 선형 또는 사이클릭 에테르 또는 에스테르는 또한 전해질 성분으로서 포함될 수 있다. 관찰된 개선에 대한 정확한 이유가 명백하지 않지만, 포스포네이트 첨가제가 최초 리튬화 동안 탄소 양극 표면에서 반응하는 현존 전해질 성분과 경쟁하여 유익한 SEI 필름을 형성한다고 가정된다. 이렇게 형성된 SEI 필름은 포스포네이트 첨가제 없이 형성된 필름보다 더 전기 절연성이고, 결과적으로 리튬화된 탄소 전극은 다른 전해질 성분과의 반응으로부터 더욱 보호된다. 따라서, 보다 적은 제1 사이클 비가역 용량이 수득된다.According to the present invention, the above object is achieved by adding a phosphonate additive to the aforementioned four-way solvent electrolyte. The invention may also be generalized to electrolyte systems containing solvents other than mixtures of linear or cyclic carbonates, as well as other non-aqueous organic electrolyte systems such as binary and ternary solvent systems. For example, linear or cyclic ethers or esters may also be included as electrolyte components. Although the exact reason for the observed improvement is not clear, it is assumed that the phosphonate additive competes with existing electrolyte components that react at the carbon anode surface during initial lithiation to form a beneficial SEI film. The SEI film thus formed is more electrically insulating than the film formed without the phosphonate additive, and consequently the lithiated carbon electrode is more protected from reaction with other electrolyte components. Thus, less first cycle irreversible capacity is obtained.

포스포네이트 또는 포스파이트 첨가제는 본원에서 다른 비수성 전해질 용매와의 공용매로서 제공된 유기 모노-알킬 알킬 또는 디알킬 알킬 포스포네이트 화합물 또는 아인산(포스폰산)으로서 정의된다. 유기 포스포네이트 첨가제는 이들을 전해질 제조시 취급하기 용이하게 하는 축합된 상이다.Phosphonate or phosphite additives are defined herein as organic mono-alkyl alkyl or dialkyl alkyl phosphonate compounds or phosphorous acid (phosphonic acid) provided as cosolvents with other non-aqueous electrolyte solvents. Organic phosphonate additives are condensed phases that make them easy to handle in the preparation of electrolytes.

본 발명의 상기한 및 다른 목적은 하기 설명 및 첨부된 도면을 참조로 하여 당해 기술분야의 숙련가에게 점점 더 명백해질 것이다.These and other objects of the present invention will become more and more apparent to those skilled in the art with reference to the following description and attached drawings.

도 1은 리튬-이온 전지의 두 그룹, 즉 포스포네이트 첨가제가 없는 4원 카보네이트 용매 혼합물로 활성화된 그룹과 포스포네이트 전해질 첨가제를 갖는 유사하게 조립된 전지 그룹에 대한 20 사이클 동안의 평균 방전 용량을 도시하는 그래프이다.1 shows the average discharge capacity for 20 cycles for two groups of lithium-ion cells, a group assembled similarly with a phosphonate electrolyte additive and a group activated with a ternary carbonate solvent mixture without phosphonate additives. It is a graph showing the.

본 발명에 따라 조립된 2차 전기화학 전지는 알칼리 금속 리튬, 나트륨, 칼륨 등을 포함하는, 주기율표의 IA족, IIA족 또는 IIIB족 원소로부터 선택된 양극 활성 물질을 포함한다. 바람직한 양극 활성 물질은 리튬을 포함한다.Secondary electrochemical cells assembled according to the present invention comprise a positive electrode active material selected from Group IA, Group IIA or Group IIIB elements of the periodic table, including alkali metal lithium, sodium, potassium and the like. Preferred positive electrode active materials include lithium.

2차 전기화학 전지에서, 양극 전극은 알칼리 금속, 특히 리튬을 삽입하고 탈삽입할 수 있는 재료를 포함한다. 리튬 종을 가역적으로 보유할 수 있는 각종 형태의 탄소(예: 코우크, 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 유리질 탄소 등)를 포함하는 탄질 양극이 바람직하다. 흑연은 이의 비교적 높은 리튬 보유 용량으로 인해 특히 바람직하다. 탄소의 형태와 무관하게, 탄질 재료의 섬유는, 섬유가 이들을 반복 충전/방전 사이클링 동안 분해에 견딜 수 있는 경질 전극으로 조립될 수 있도록 하는 우수한 기계적 특성을 갖기 때문에, 특히 유리하다. 또한, 탄소 섬유의 높은 표면적은 빠른 충전/방전 속도를 가능하게 한다. 2차 전기화학 전지의 양극용으로 바람직한 탄질 재료는 본 발명의 양수인에게 양도되고 본원에 참조로 인용된 다케우치(Takeuchi) 등의 미국 특허 제5,443,928호에 기재되어 있다.In secondary electrochemical cells, the positive electrode comprises a material capable of inserting and deinserting alkali metals, in particular lithium. Carbonaceous anodes comprising various forms of carbon capable of reversibly retaining lithium species (eg, coke, graphite, acetylene black, carbon black, glassy carbon, etc.) are preferred. Graphite is particularly preferred because of its relatively high lithium holding capacity. Regardless of the form of carbon, fibers of carbonaceous materials are particularly advantageous because they have excellent mechanical properties that allow them to be assembled into hard electrodes that can withstand degradation during repeated charge / discharge cycling. In addition, the high surface area of the carbon fibers enables fast charge / discharge rates. Preferred carbonaceous materials for the positive electrode of secondary electrochemical cells are described in US Pat. No. 5,443,928 to Takeuchi et al., Assigned to the assignee of the present invention and incorporated herein by reference.

전형적인 2차 전지 양극은 약 90 내지 97중량%의 흑연과 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 폴리아미드 및 폴리이미드, 및 이의 혼합물과 같은 플루오로-수지 분말인 약 3 내지 10중량%의 결합제 재료를 혼합함으로써 조립된다. 이러한 전극 활성 혼합물은 활성 혼합물을 캐스팅, 압축, 롤링 또는 다르게 접촉시킴으로써 니켈, 스테인레스 스틸, 또는 구리 호일 또는 스크린과 같은 집전장치에 제공된다.Typical secondary battery cathodes comprise about 90-97 wt% graphite and preferably polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylenetetrafluoroethylene (ETFE), polyamide and polyimide , And about 3 to 10% by weight of the binder material, which is a fluoro-resin powder, such as a mixture thereof. Such electrode active mixtures are provided to current collectors such as nickel, stainless steel, or copper foil or screens by casting, compressing, rolling or otherwise contacting the active mixture.

양극 구성 재료는 용접시킴으로써 이와 함께 일체 성형되고, 용접물에 의해 케이스-네가티브(case-negative) 전기 배열에서 전도성 금속의 전지 케이스에 접촉되는 양극 집전장치로서 동일한 재료, 즉 바람직하게는 니켈의 확장된 탭(tab) 또는 리드(lead)를 추가로 갖는다. 또한, 탄질 양극은 보빈 형태, 원통형 또는 펠릿과 같은 몇몇 다른 기하학으로 형성되어 교류 저표면 전지 디자인을 가능하게 할 수 있다.The positive electrode constituent material is integrally molded with it by welding and is contacted by a weld to the battery case of conductive metal in a case-negative electrical arrangement with an expanded tab of the same material, preferably nickel, of the same material. It further has a tab or a lead. In addition, carbonaceous anodes may be formed in several different geometries such as bobbin form, cylinders or pellets to enable alternating low surface cell designs.

2차 전지의 음극은 바람직하게는 공기에 안정하고 취급이 용이한 리튬화된 재료를 포함한다. 이러한 공기 안정성 리튬화된 음극 재료의 예에는 바나듐, 티탄, 크롬, 구리, 몰리브덴, 니오븀, 철, 니켈, 코발트 및 망간과 같은 금속의 산화물, 황화물, 셀렌화물 및 텔루르화물을 포함한다. 보다 바람직한 산화물은 LiNiO2, LiMn2O4, LiCoO2, LiCo0.92Sn0.08O2및 LiCo1-xNixO2를 포함한다.The negative electrode of the secondary battery preferably comprises a lithiated material that is air stable and easy to handle. Examples of such air stable lithiated anode materials include oxides, sulfides, selenides and tellurides of metals such as vanadium, titanium, chromium, copper, molybdenum, niobium, iron, nickel, cobalt and manganese. More preferred oxides include LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiCo 0.92 Sn 0.08 O 2 and LiCo 1-x Ni x O 2 .

전기화학 전지 속으로 도입하기 위한 전극으로 조립하기 전에, 리튬화 활성 물질은 바람직하게는 전도성 첨가제와 혼합한다. 적합한 전도성 첨가제는 아세틸렌 블랙, 카본 블랙 및/또는 흑연을 포함한다. 분말 형태의 니켈, 알루미늄, 티탄 및 스테인레스 스틸과 같은 금속이 또한 상기한 활성 물질과 혼합할 경우 전도성 희석제로서 유용하다. 전극은 바람직하게는 분말 형태로 PTFE, PVDF, ETFE, 폴리아미드 및 폴리이미드, 및 이의 혼합물과 같은 플루오로-수지 결합제를 추가로 포함한다.Prior to assembly into an electrode for introduction into an electrochemical cell, the lithiated active material is preferably mixed with a conductive additive. Suitable conductive additives include acetylene black, carbon black and / or graphite. Metals such as nickel, aluminum, titanium and stainless steel in powder form are also useful as conductive diluents when mixed with the active materials described above. The electrode preferably further comprises a fluoro-resin binder such as PTFE, PVDF, ETFE, polyamide and polyimide, and mixtures thereof in powder form.

상기한 2차 전지를 방전시키기 위해, 음극을 구성하는 리튬 이온은 전지를 재충전시키기 위해 외부적으로 생성된 전위를 인가함으로써 탄질 양극 속에 삽입된다. 인가된 재충전 전위는 음극 재료로부터 전해질에 의해 알칼리 금속 이온을 연신시키고 탄질 양극에서 양극을 구성하는 탄소를 포화시킨다. 생성되는 LixC6전극은 0.1 내지 1.0 범위의 x를 가질 수 있다. 이어서, 전지에 전위를 제공하고, 표준 방법으로 방전시킨다.In order to discharge the secondary battery described above, lithium ions constituting the negative electrode are inserted into the carbonaceous anode by applying an externally generated potential to recharge the battery. The applied recharge potential draws alkali metal ions from the cathode material by the electrolyte and saturates the carbon constituting the anode at the carbonaceous anode. The resulting Li x C 6 electrode may have x in the range of 0.1 to 1.0. The cell is then supplied with a potential and discharged in a standard manner.

교류 2차 전지 조립은 양극을 전지에 삽입하기 전에 활성 알칼리 물질을 갖는 탄질 재료를 전지에 삽입함을 포함한다. 이러한 경우에, 음극 본체는 고체일 수 있고, 이산화망간, 은 바나듐 산화물, 구리 은 바나듐 산화물, 이황화티탄, 산화구리, 황화구리, 황화철, 이황화철 및 플루오르화 탄소와 같은 물질을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 그러나, 이러한 접근은 전지 외부의 리튬화 탄소의 취급과 관련된 문제의 절충안이다. 리튬화 탄소는 공기와 접촉시 반응하는 경향이 있다.AC secondary cell assembly involves inserting carbonaceous material with active alkaline material into the cell prior to inserting the positive electrode into the cell. In such a case, the negative electrode body may be a solid and includes, but is not limited to, materials such as manganese dioxide, silver vanadium oxide, copper silver vanadium oxide, titanium disulfide, copper oxide, copper sulfide, iron sulfide, iron disulfide and carbon fluoride It is not. However, this approach is a compromise of the problems associated with the handling of lithiated carbon outside the cell. Lithiated carbon tends to react upon contact with air.

본 발명의 2차 전지는 양극 및 음극 활성 전극 사이를 물리적으로 분리하는 격리판을 포함한다. 격리판은 전극 사이에 내부 전기적 단락을 방지하기 위한 전기 절연성 재료이고, 격리판 재료는 또한 양극 및 음극 활성 물질과 화학적으로 비반응성이고, 둘다 화학적으로 비반응성이고 전해질에 불용성이다. 또한, 격리판 재료는 전지의 전기화학 반응 동안 전해질을 통해 유동하기에 충분한 다공도를 갖는다. 격리판의 형태는 전형적으로 양극 및 음극 전극에 놓는 시트이다. 이는 양극이 양극 층 중간에 배치되고 전지 케이싱에 수용된 다수의 음극 판과 사문석형(serpentine-like) 구조로 중첩될 경우 또는 전극 조합이 롤링되거나 그렇지 않으면 원통형 "젤리롤(jellyroll)" 배열로 형성되는 경우 그러하다.The secondary battery of the present invention includes a separator that physically separates between the positive electrode and the negative electrode active electrode. The separator is an electrically insulating material to prevent internal electrical shorts between the electrodes, and the separator material is also chemically non-reactive with the positive and negative electrode active materials, both chemically non-reactive and insoluble in the electrolyte. In addition, the separator material has sufficient porosity to flow through the electrolyte during the electrochemical reaction of the cell. The shape of the separator is typically a sheet placed on the anode and cathode electrodes. This can occur when the anode is placed in the middle of the anode layer and overlaps a serpentine-like structure with a plurality of negative electrode plates housed in the cell casing or the electrode combination is rolled or otherwise formed in a cylindrical “jellyroll” arrangement. If so.

예시적인 격리판 재료는 단독으로 또는 플루오로중합체성 미세다공성 필름과 적층되어 사용되는 폴리에틸렌테트라플루오로에틸렌과 폴리에틸렌클로로트리플루오로에틸렌의 플루오로중합체성 섬유로부터의 편직물을 포함한다. 다른 적합한 격리판 재료는 부직포 유리, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 유리 섬유 재료, 세라믹, 지텍스[ZITEX; 제조원: 캠플라스트 인크.(Chemplast Inc.)]라는 상표명으로 시판되는 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인, 셀가르드[CELGARD; 제조원: 셀라네제 플라스틱 캄파니, 인크.(Celanese Plastic Company, Inc.)]라는 상표명으로 시판되는 폴리프로필렌 멤브레인 및 덱시글라스[DEXIGLAS; 제조원: C.H. Dexter, Div., Dexter Corp.]라는 상표명으로 시판되는 멤브레인을 포함한다.Exemplary separator materials include knitted fabrics from fluoropolymeric fibers of polyethylenetetrafluoroethylene and polyethylenechlorotrifluoroethylene that are used alone or in combination with fluoropolymeric microporous films. Other suitable separator materials include nonwoven glass, polypropylene, polyethylene, glass fiber materials, ceramics, ZITEX; Manufacturer: Polytetrafluoroethylene membrane, Celgard, sold under the tradename Chaplast Inc .; CELGARD; Manufacturer: Polypropylene Membrane and DEXIGLAS sold under the trade name Celanese Plastic Company, Inc .; Manufacturer: C.H. Dexter, Div., Dexter Corp.].

알칼리 금속 전기화학 전지, 특히 완전히 충전된 리튬 이온 전지를 활성화하기 위한 전해질 용매 시스템의 선택은 음극 재료의 고전위(Li1-xCoO2의 Li/Li+에 대해 4.3V 이하) 및 양극 재료의 저전위(흑연의 Li/Li+에 대해 0.01V)로 인하여 매우 제한된다. 본 발명에 따라서, 적합한 비수성 전해질은 비수성 용매에 용해된 무기 염, 더욱 바람직하게는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트(MPC) 및 에틸프로필 카보네이트(EPC), 및 이의 혼합물로부터 선택된 디알킬 (비사이클릭) 카보네이트, 및 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 부틸렌 카보네이트(BC) 및 비닐렌 카보네이트(VC), 및 이의 혼합물로부터 선택된 하나 이상의 사이클릭 카보네이트를 포함하는 유기 카보네이트 용매의 4원 혼합물에 용해된 알칼리 금속 염으로 이루어진다. 유기 카보네이트는, 이들이 음극 재료에 대한 높은 산화 안정성 및 양극 재료에 대한 우수한 동력학적 안정성을 나타내기 때문에 일반적으로 상기한 배터리 화학용 전해질 용매 시스템에 사용된다.The choice of an electrolyte solvent system for activating alkali metal electrochemical cells, especially fully charged lithium ion cells, is characterized by the high potential of the negative electrode material (4.3 V or less for Li / Li + of Li 1-x CoO 2 ) and the positive electrode material. It is very limited due to the low potential (0.01V for Li / Li + of graphite). According to the invention, suitable non-aqueous electrolytes are inorganic salts dissolved in non-aqueous solvents, more preferably dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethylmethyl carbonate (EMC), Dialkyl (bicyclic) carbonates selected from methylpropyl carbonate (MPC) and ethylpropyl carbonate (EPC), and mixtures thereof, and propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC) and vinylene And alkali metal salts dissolved in a quaternary mixture of an organic carbonate solvent comprising at least one cyclic carbonate selected from carbonate (VC), and mixtures thereof. Organic carbonates are generally used in the electrolyte solvent systems for battery chemistry described above because they exhibit high oxidative stability for the negative electrode material and good dynamic stability for the positive electrode material.

본 발명에 따르는 바람직한 전해질은 EC:DMC:EMC:DEC의 용매 혼합물을 포함한다. 각종 카보네이트 용매에 대한 가장 바람직한 용적% 범위는 EC가 약 10 내지 약 50%의 범위이고, DMC가 약 5 내지 약 75%의 범위이고, EMC가 약 5 내지 약 50%의 범위이고, DEC가 약 3 내지 약 45%의 범위이다. 상기한 4원 카보네이트 혼합물을 함유하는 전해질은 -50℃ 이하의 응고점을 나타내고, 이러한 혼합물로 활성화된 리튬 이온 전지는 실온에서 매우 우수한 사이클링 거동 뿐만 아니라 -20℃ 이하의 온도에서 매우 우수한 방전 및 충전/방전 사이클링 거동을 나타낸다.Preferred electrolytes according to the invention comprise a solvent mixture of EC: DMC: EMC: DEC. The most preferred volume percent range for various carbonate solvents is in the range of about 10 to about 50% EC, in the range of about 5 to about 75% DMC, in the range of about 5 to about 50% EMC, and about DEC 3 to about 45%. The electrolyte containing the quaternary carbonate mixture described above exhibits a freezing point of -50 ° C or lower, and the lithium ion battery activated with this mixture has very good cycling behavior at room temperature as well as very good discharge and charge / Discharge cycling behavior.

양극에서 음극으로, 및 다시 이와 반대로 알칼리 금속 이온을 수송하기 위한 비히클로서 유용한 공지된 리튬 염은 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6, LiClO4, LiAlCl4, LiGaCl4, LiC(SO2CF3)3, LiNO3, LiN(SO2CF3)2, LiSCN, LiO3SCF2CF3, LiC6F5SO3, LiO2CCF3, LiSO3F, LiB(C6H5)4및 LiCF3SO3, 및 이의 혼합물을 포함한다. 적합한 염 농도는 전형적으로 약 0.8 내지 1.5mol 범위이다.Known lithium salts useful as a vehicle for transporting alkali metal ions from anode to cathode and vice versa are LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiGaCl 4 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiNO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiSCN, LiO 3 SCF 2 CF 3 , LiC 6 F 5 SO 3 , LiO 2 CCF 3 , LiSO 3 F, LiB (C 6 H 5 ) 4 and LiCF 3 SO 3 , and mixtures thereof. Suitable salt concentrations typically range from about 0.8 to 1.5 mol.

본 발명에 따라서, 하나 이상의 유기 포스포네이트 첨가제, 바람직하게는 모노-알킬 알킬 또는 디알킬 알킬 포스포네이트 화합물은 상기한 알칼리 금속 이온 또는 재충전가능한 전기화학 전지의 전해질 용액에 공용매로서 제공된다. 포스포네이트 첨가제는 바람직하게는 하기 화학식 1의 알킬 포스포네이트 화합물이다.According to the invention, one or more organic phosphonate additives, preferably mono-alkyl alkyl or dialkyl alkyl phosphonate compounds, are provided as cosolvents in the electrolyte solution of the above-mentioned alkali metal ions or rechargeable electrochemical cells. The phosphonate additive is preferably an alkyl phosphonate compound of formula (1).

(R1O)P(=O)(OR2)(R3)(R 1 O) P (= O) (OR 2 ) (R 3 )

상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,

R1, R2및 R3은 동일하거나 상이하고, 수소원자 또는 탄소수 1 내지 13의 포화되거나 포화되지 않은 유기 그룹일 수 있다. 가장 큰 효과는 디메틸 포스포네이트, 디에틸 포스포네이트, 디프로필 포스포네이트, 디부틸 포스포네이트, 디페닐 포스포네이트, 디벤질 포스포네이트, 디메틸 메틸포스포네이트, 디에틸 메틸포스포네이트, 디프로필 메틸포스포네이트, 디부틸 메틸포스포네이트, 디페닐 메틸포스포네이트, 디벤질 메틸포스포네이트, 디메틸 벤질포스포네이트, 에틸 메틸포스포네이트, 디메틸 디페닐메틸포스포네이트 및 아인산 또는 포스폰산, 및 이의 혼합물이 전해질에 첨가제로서 사용되는 경우에 나타난다.R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and may be hydrogen atoms or saturated or unsaturated organic groups having 1 to 13 carbon atoms. The biggest effects are dimethyl phosphonate, diethyl phosphonate, dipropyl phosphonate, dibutyl phosphonate, diphenyl phosphonate, dibenzyl phosphonate, dimethyl methyl phosphonate, diethyl methyl phospho , Dipropyl methylphosphonate, dibutyl methylphosphonate, diphenyl methylphosphonate, dibenzyl methylphosphonate, dimethyl benzylphosphonate, ethyl methylphosphonate, dimethyl diphenylmethylphosphonate and Phosphorous or phosphonic acid, and mixtures thereof, appear when used as an additive in an electrolyte.

상기한 화합물은 단지 본 발명에 유용한 화합물의 예로서 간주되는 것으로서, 이에 제한되는 것으로 해석되지 않는다. 당해 기술분야의 숙련가들은 상기 화학식 1의 화합물의 범위 내이고, 본 발명에 따라서 높은 충전/방전 용량 및 긴 사이클 수명을 달성하고 제1 사이클 비가역 용량을 최소화하기 위한 전해질용 첨가제로서 유용한 포스포네이트 화합물을 쉽게 인지할 것이다.The foregoing compounds are merely considered as examples of compounds useful in the present invention and are not to be construed as being limited thereto. Those skilled in the art are within the scope of the compound of formula 1 above and are useful according to the invention as phosphonate compounds useful as additives for electrolytes to achieve high charge / discharge capacity and long cycle life and to minimize first cycle irreversible capacity. Will be easily recognized.

특정 메카니즘에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, -OP(=O)(R)O- 작용성 그룹 중에 P=O 결합의 존재로 인해, 산소와 그룹 R1및 R2중의 적어도 하나 사이의 결합은 엄밀하고, 포스포네이트 중간체는 리튬과 반응하는 다른 전해질 용매 또는 용질과 효과적으로 경쟁하여 포스포네이트 염, 즉 리튬 포스포네이트, 또는 포스포네이트 환원 생성물의 리튬 염을 탄질 양극의 표면에 형성할 수 있는 것으로 간주된다. 생성되는 SEI 층은 유기 포스포네이트 첨가제의 부재하에 형성될 수 있는 SEI 층보다 더욱 이온 전도성이다. 결과적으로, 탄질 양극 표면 보호층의 화학적 조성 및 아마도 형태학은 전지 사이클링 특성에 공존하는 잇점을 변화시키는 것으로 간주된다.While not wishing to be bound to a particular mechanism, due to the presence of P═O bonds in the —OP (═O) (R) O— functional group, the bond between oxygen and at least one of groups R 1 and R 2 is strictly In addition, the phosphonate intermediate can effectively compete with other electrolyte solvents or solutes that react with lithium to form phosphonate salts, ie lithium salts of lithium phosphonate, or phosphonate reduction products, on the surface of the carbonaceous anode Is considered. The resulting SEI layer is more ionically conductive than the SEI layer that can be formed in the absence of organic phosphonate additives. As a result, the chemical composition and possibly the morphology of the carbonaceous anode surface protective layer is considered to change the benefits that coexist in cell cycling characteristics.

본원에서 기술된 전지의 어셈블리는 바람직하게는 권취 소자 전지 형태이다. 즉, 조립된 음극, 양극 및 격리판은 양극이 롤의 외부면에서 케이스-네가티브 배열 중의 전지 케이스와 전기적으로 접촉할 수 있도록 "젤리롤"형 배열 또는 "권취 소자 전지 스택(stack)"으로 함께 권취된다. 적합한 상하 절연체를 사용하여 권취 전지 스택을 적합한 크기 치수의 금속성 케이스 속에 삽입한다. 금속성 케이스는 스테인레스 스틸, 연강, 니켈 도금된 연강, 티탄 또는 알루미늄과 같은 재료를 포함할 수 있지만, 금속성 재료가 전지의 성분으로 사용하기에 상용성인 한 이에 한정되지 않는다.The assembly of cells described herein is preferably in the form of a winding element cell. That is, the assembled negative electrode, positive electrode, and separator are together in a "jelly roll" type arrangement or "winding element cell stack" such that the positive electrode is in electrical contact with the battery case in the case-negative arrangement on the outer surface of the roll. It is wound up. The wound cell stack is inserted into a metal case of suitable size dimensions using suitable top and bottom insulators. The metallic case may include materials such as stainless steel, mild steel, nickel plated mild steel, titanium or aluminum, but is not limited to this as long as the metallic material is compatible for use as a component of the cell.

전지 헤더(header)는 유리 대 금속 시일/말단 핀 피드스루(feedthrough)를 조절하기 위한 제1 홀 및 전해질 충전용 제2 홀을 갖는 금속성 디스크형 본체를 포함한다. 사용된 유리는 카발(CABAL) 12, TA 23 또는 퓨지트(FUSITE) 425 또는 퓨지트 435와 같은, 약 50중량% 이하의 규소를 갖는 내식성 형태이다. 몰리브덴, 알루미늄, 니켈 합금 또는 스테인레스 스틸이 또한 사용될 수 있지만, 양극 말단 핀 피드스루는 바람직하게는 티탄을 포함한다. 전지 헤더는 전기화학 전지의 다른 구성 재료와 상용성인 소자를 포함하고, 내식성이다. 음극 리드는 유리 대 금속 시일 중의 양극 말단 핀에 용접되고, 헤더는 전극 스택을 함유하는 케이스에 용접된다. 이어서, 전지는 상기한 포스포네이트 중의 하나 이상을 포함하는 전해질 용액으로 충전시키고, 이에 제한되지 않지만, 필 홀에 대하여 스테인레스 스틸 볼을 밀폐 용접함으로써 기밀하게 밀봉된다.The battery header includes a metallic disk-shaped body having a first hole for adjusting the glass-to-metal seal / end pin feedthrough and a second hole for filling the electrolyte. The glass used is in a corrosion resistant form having up to about 50% by weight of silicon, such as CABAL 12, TA 23 or FUSITE 425 or Fused 435. Molybdenum, aluminum, nickel alloys or stainless steel may also be used, but the anode end pin feedthrough preferably comprises titanium. The battery header includes elements that are compatible with other constituent materials of the electrochemical cell and are corrosion resistant. The cathode lead is welded to the anode end pin in the glass to metal seal and the header is welded to the case containing the electrode stack. The cell is then filled with an electrolyte solution comprising one or more of the phosphonates described above, but not limited thereto, and hermetically sealed by hermetically welding stainless steel balls to the fill holes.

상기한 어셈블리는 본 발명의 전형적인 전지의 바람직한 구조인 케이스-네가티브 전지를 기술한다. 당해 기술분야의 숙련가에게 익히 공지된 바와 같이, 본 발명의 전형적인 전기화학 시스템은 또한 케이스-포지티브(case-positive) 배열로 조립될 수 있다.The above assembly describes a case-negative cell, which is the preferred structure of a typical cell of the present invention. As is well known to those skilled in the art, typical electrochemical systems of the present invention can also be assembled in a case-positive arrangement.

하기 실시예들은 본 발명에 따르는 전기화학 전지의 방식 및 방법을 기술하고, 본 발명을 수행한 본 발명자들이 예상한 최선의 양식을 나타내지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The following examples describe the manner and method of the electrochemical cell according to the present invention and represent, but are not limited to, the best mode expected by the inventors of the present invention.

실시예 IExample I

6개의 리튬 이온 전지를 시험 비히클로서 조립한다. 전지는 3개의 전지로 이루어진 두 그룹으로 나눈다. 한 그룹의 전지는 포스포네이트 첨가제가 없는 4원 카보네이트 용매 시스템 전해질로 활성화시키는 반면, 나머지 전지는 동일한 전해질을 가지나 포스포네이트 첨가제를 포함한다. 전해질을 제외하고서, 전지는 동일하다. 특히, 음극은 LiCoO2음극 혼합물을 알루미늄 호일 상에서 캐스팅함으로써 제조한다. 음극 혼합물은 LiCoO291중량%, 흑연 첨가제 6중량% 및 PVDF 결합제 3중량%를 함유한다. 양극은 흑연 91.7중량% 및 PVDF 결합제 8.3중량%를 함유하는 양극 혼합물을 구리 호일 상에서 캐스팅함으로써 제조한다. 전극 어셈블리는 1층의 폴리에틸렌 격리판을 음극과 양극 사이에 놓고, 전극을 나선형으로 권취시켜 AA 크기의 원통형 스테인레스 스틸 캔에 맞춰 조립한다. 전지는 1.0M LiPF6이 용해된 EC:DMC:EMC:DEC=45:22:24.8:8.2의 전해질로 활성화시킨다(그룹 1). 본 발명에 따라 조립된 그룹 2 전지는 이에 용해된 0.05M 디벤질 포스포네이트(DBPI)를 추가로 함유한다. 최종적으로, 전지를 기밀적으로 밀봉한다.Six lithium ion cells are assembled as test vehicles. The cells are divided into two groups of three cells. One group of cells is activated with a quaternary carbonate solvent system electrolyte free of phosphonate additives, while the other cells have the same electrolyte but contain phosphonate additives. Except for the electrolyte, the cell is the same. In particular, the negative electrode is prepared by casting a LiCoO 2 negative electrode mixture on aluminum foil. The negative electrode mixture contains 91% by weight of LiCoO 2 , 6% by weight graphite additive and 3% by weight PVDF binder. The positive electrode is made by casting on a copper foil a positive electrode mixture containing 91.7 weight% graphite and 8.3 weight% PVDF binder. The electrode assembly puts a layer of polyethylene separator between the cathode and the anode, spirally wound the electrode and assembled to an AA size cylindrical stainless steel can. The cell is activated with an electrolyte of EC: DMC: EMC: DEC = 45: 22: 24.8: 8.2 in which 1.0 M LiPF 6 is dissolved (Group 1). Group 2 cells assembled according to the present invention further contain 0.05M dibenzyl phosphonate (DBPI) dissolved therein. Finally, the cell is hermetically sealed.

이어서, 6개의 전지를 모두 4.1 내지 2.75V에서 사이클링한다. 충전 사이클은 100mA의 정격 전류하에 전지가 4.1V에 도달할 때까지 수행한다. 이어서, 충전 사이클을 전류가 20mA로 떨어질 때까지 4.1V에서 계속한다. 5분 동안 휴지시킨 후, 전지를 100mA의 정격 전류하에 2.75V로 방전시킨다. 다음 사이클 전에 전지를 다시 5분 동안 휴지시킨다.Then all six cells are cycled at 4.1-2.75V. The charge cycle is performed until the battery reaches 4.1V under a rated current of 100mA. The charge cycle then continues at 4.1V until the current drops to 20mA. After 5 minutes of rest, the battery is discharged to 2.75V under a rated current of 100mA. Allow the cell to rest for 5 minutes before the next cycle.

두 그룹의 전지의 초기 평균 충전 및 방전 용량은 표 1에 요약하였다. 제1 사이클 비가역 용량은 제1 충전 용량과 제1 방전 용량과의 차이로서 계산한다.The initial average charge and discharge capacities of the two groups of cells are summarized in Table 1. The first cycle irreversible capacity is calculated as the difference between the first charge capacity and the first discharge capacity.

제1 사이클 용량 및 비가역 용량First cycle capacity and irreversible capacity 그룹group 제1 충전(mAh)First charge (mAh) 제1 방전(mAh)First discharge (mAh) 비가역(mAh)Irreversible (mAh) 1One 641.4±1.5641.4 ± 1.5 520.2±9.5520.2 ± 9.5 121.2±10.7121.2 ± 10.7 22 635.1±13.9635.1 ± 13.9 541.7±4.3541.7 ± 4.3 93.4±18.293.4 ± 18.2

표 1의 데이터는 두 그룹의 전지가 모두 유사한 제1 사이클 충전 용량을 가짐을 명백하게 입증한다. 그러나, 제1 사이클 방전 용량은 매우 상이하다. 디벤질 포스포네이트 첨가제를 함유하는 전해질로 활성화된 그룹 2 전지는 그룹 1 전지보다 상당히 높은(약 4.1% 더 높은) 제1 사이클 방전 용량을 갖는다. 그 결과, 그룹 2 전지는 또한 그룹 1 전지보다 약 23% 낮은 제1 사이클 비가역 용량을 갖는다.The data in Table 1 clearly demonstrates that both groups of cells have similar first cycle charge capacity. However, the first cycle discharge capacity is very different. Group 2 cells activated with an electrolyte containing a dibenzyl phosphonate additive have a first cycle discharge capacity that is significantly higher (about 4.1% higher) than Group 1 cells. As a result, the Group 2 cells also have a first cycle irreversible capacity about 23% lower than the Group 1 cells.

실시예 IIExample II

초기 사이클 후, 6개 전지의 사이클링을 실시예 I에 기술한 것과 동일한 사이클링 조건하에 총 10회 계속한다. 각 사이클의 방전 용량 및 용량 잔율은 표 2에 요약하였다. 용량 잔율은 제1 사이클 방전 용량에 대한 각 방전 사이클의 용량%로서 정의된다.After the initial cycle, the cycling of the six cells continued a total of ten times under the same cycling conditions as described in Example I. The discharge capacity and capacity residual of each cycle are summarized in Table 2. The capacity residual rate is defined as the capacity% of each discharge cycle with respect to the first cycle discharge capacity.

사이클링 방전 용량 및 용량 잔율Cycling Discharge Capacity and Capacity Residual 그룹 1Group 1 그룹 2Group 2 사이클 번호Cycle number 용량(mAh)Capacity (mAh) 잔율(%)% Remaining 용량(mAh)Capacity (mAh) 잔율(%)% Remaining 1One 520.2520.2 100.0100.0 541.7541.7 100.0100.0 22 510.2510.2 98.198.1 534.1534.1 98.698.6 33 503.4503.4 96.896.8 528.0528.0 97.597.5 44 497.6497.6 95.795.7 522.7522.7 96.596.5 55 493.0493.0 94.894.8 519.0519.0 95.895.8 66 489.4489.4 94.194.1 515.3515.3 95.195.1 77 486.1486.1 93.493.4 512.4512.4 94.694.6 88 483.2483.2 92.992.9 509.8509.8 94.194.1 99 480.2480.2 92.392.3 507.4507.4 93.793.7 1010 478.2478.2 91.991.9 505.5505.5 93.393.3

표 2의 데이터는 디벤질 포스포네이트 첨가제를 함유하는 그룹 2 전지가 모든 사이클에서 보다 높은 방전 용량을 일관되게 제공함을 입증한다. 또한, 이러한 보다 높은 용량은 보다 낮은 사이클 수명의 대가로 달성되지 않는다. 그룹 1 및 2 전지는 각종 사이클 전체에 걸쳐 필수적으로 동일한 사이클링 용량 잔율을 갖는다.The data in Table 2 demonstrates that Group 2 cells containing dibenzyl phosphonate additives consistently provide higher discharge capacity in all cycles. In addition, this higher capacity is not achieved at the expense of lower cycle life. Group 1 and 2 cells have essentially the same cycling capacity residual throughout the various cycles.

실시예 IIIExample III

실시예 II에 기술된 상기 사이클 시험 후, 실시예 I에 기술된 과정에 따라 전지를 충전시킨다. 이어서, 전지를 1000mA의 정격 전류하에 2.75V로 방전시킨 후 5분 개회로(open circuit) 휴지시키고, 이어서, 500mA의 정격 전류하에 2.75V로 방전시킨 후 5분 개회로 휴지시키고, 이어서, 250mA의 정격 전류하에 2.75V로 방전시킨 후 5분 개회로 휴지시키고, 이어서, 최종적으로 100mA의 정격 전류하에 2.75V로 방전시킨 후 5분 개회로 휴지시킨다. 각각의 방전 속도하의 평균 총 용량은 표 3에 요약하였고, 다양한 정격 전류하의 평균 방전 효율(100mA의 정격 전류 방전의 용량%로서 정의됨)의 비교값은 표 4에 요약하였다. 표 3에서, 방전 용량은 하나의 방전 전류에서 다음으로 누적된다.After the cycle test described in Example II, the cell is charged according to the procedure described in Example I. Then, the battery was discharged to 2.75V under a rated current of 1000 mA, followed by a 5-minute open circuit, followed by a discharge of 2.75 V under a 500 mA rated current, followed by a 5-minute open circuit, followed by a 250 mA After the discharge at 2.75V under the rated current, the circuit is stopped for 5 minutes, and finally after the discharge at 2.75V under the rated current of 100 mA, the circuit is stopped for 5 minutes. The average total capacity under each discharge rate is summarized in Table 3, and a comparison of the average discharge efficiency (defined as percent capacity of 100 mA rated current discharge) under various rated currents is summarized in Table 4. In Table 3, the discharge capacity is accumulated next in one discharge current.

다양한 전류하의 방전 용량(mAh)Discharge Capacity Under Various Currents (mAh) 그룹group 1000mA1000 mA 500mA500 mA 250mA250 mA 100mA100 mA 1One 277.8277.8 439.8439.8 459.8459.8 465.9465.9 22 231.6231.6 460.9460.9 484.2484.2 492.3492.3

다양한 전류하의 방전 효율(%)Discharge Efficiency Under Various Currents (%) 그룹group 1000mA1000 mA 500mA500 mA 250mA250 mA 100mA100 mA 1One 59.759.7 94.494.4 98.798.7 100.0100.0 22 47.047.0 93.693.6 98.398.3 100.0100.0

표 3의 데이터는 포스포네이트 첨가제를 함유하는 그룹 2 전지가 500mA(약 1C 속도) 이하의 방전 속도하에 그룹 1 대조 전지에 비하여 증가된 방전 용량을 전달함을 나타낸다. 그러나, 보다 높은 방전 속도(1000mA, 약 2C 속도)하에, 그룹 1 대조 전지는 그룹 2 전지보다 높은 용량을 전달한다. 동일한 경향은 또한 표 4에서도 나타난다. 500mA 이하의 방전 전류하에, 그룹 2 전지는 그룹 1 전지와 유사한 방전 효율을 제공한다. 보다 높은 방전 전류(즉, 1000mA)하에, 그룹 1 대조 전지는 그룹 2 전지보다 높은 방전 효율을 제공한다.The data in Table 3 shows that Group 2 cells containing phosphonate additives deliver increased discharge capacity compared to Group 1 control cells under discharge rates of 500 mA (about 1 C rate) or less. However, under the higher discharge rate (1000 mA, about 2 C rate), the Group 1 control cell delivers higher capacity than the Group 2 cell. The same trend is also shown in Table 4. Under a discharge current of 500 mA or less, Group 2 cells provide similar discharge efficiencies as Group 1 cells. Under the higher discharge current (ie 1000 mA), the Group 1 control cell provides higher discharge efficiency than the Group 2 cell.

실시예 IVExample IV

상기 방전 속도능 시험 후, 모든 전지는 실시예 I에 기술된 과정에 따라 완전히 충전시킨다. 이어서, 6개의 시험 전지를 37℃에서 2주 동안 개회로 전압(OCV) 상에서 보관한다. 최종적으로, 전지를 8회 더 방전시키고 사이클링시킨다. 자기-방전 및 용량 잔율의 %를 계산하고 표 5에 나타내었다.After the discharge rate capability test, all cells were fully charged according to the procedure described in Example I. Six test cells are then stored on open circuit voltage (OCV) at 37 ° C. for 2 weeks. Finally, the battery is discharged and cycled eight more times. The percentages of self-discharge and capacity residuals were calculated and shown in Table 5.

자기-방전 속도 및 보관 후 용량 잔율Self-discharge rate and remaining capacity after storage 그룹group 자기-방전(%)Self-discharge (%) 용량 잔율(%)Capacity Remaining Rate (%) 1One 12.612.6 93.493.4 22 15.015.0 93.693.6

표 5의 데이터는 두 그룹의 전지 모두가 유사한 자기-방전 속도와 유사한 보관 후 용량 잔율 속도를 나타냄을 입증한다. 그러나, 그룹 2 전지는 그룹 1 전지보다 높은 방전 용량을 갖기 때문에, 그룹 2 전지의 용량은, 이들이 유사한 자기-방전 및 용량 잔율 속도를 제공하더라도, 그룹 1 전지보다 훨씬 높다. 총 20회의 사이클을 수득하고, 결과는 도 1에 요약하였다. 특히, 곡선(10)은 포스포네이트 첨가제가 없는 그룹 1 전지의 평균 사이클링 데이터로부터 작도되는 반면, 곡선(12)는 디벤질 포스포네이트 첨가제를 갖는 평균화된 그룹 2 전지로부터 작도된다. 20회의 사이클을 통해 증가된 방전 용량이 명백하게 입증된다.The data in Table 5 demonstrates that both groups of cells showed similar self-discharge rates and similar capacity retention rates after storage. However, because Group 2 cells have a higher discharge capacity than Group 1 cells, the capacity of Group 2 cells is much higher than Group 1 cells, even though they provide similar self-discharge and capacity retention rates. A total of 20 cycles were obtained and the results are summarized in FIG. 1. In particular, curve 10 is plotted from the average cycling data of group 1 cells without phosphonate additives, while curve 12 is plotted from averaged group 2 cells with dibenzyl phosphonate additives. Increased discharge capacity is clearly demonstrated through 20 cycles.

본 발명에 따르는 포스포네이트 첨가제의 환원 생성물을 함유하는 전기적으로 비전도성인 SEI 층을 발생시키기 위해서, 포스포네이트 첨가제의 환원 반응은 양극 표면에서 다른 전해질 성분과의 반응과 효과적으로 경쟁해야 한다. 이와 관련하여, 화학식 1의 포스포네이트 첨가제 중의 R-O 결합 중의 하나 이상은 약하거나 반응성이어야 한다. 만약 R 중의 하나가 H이면 화합물은 산성으로 리튬 금속 또는 리튬화 탄소와 반응하여 리튬 염을 쉽게 형성할 것이다. 그러나, R1및 R2그룹 둘 다가 유기 그룹일 경우, C-O 결합의 반응성은 결합 강도 및 R 그룹의 구조에 따른다.In order to generate an electrically nonconductive SEI layer containing the reduction product of the phosphonate additive according to the invention, the reduction reaction of the phosphonate additive must effectively compete with the reaction with other electrolyte components at the anode surface. In this regard, at least one of the RO bonds in the phosphonate additive of formula 1 should be weak or reactive. If one of R is H, the compound will acidically react with lithium metal or lithiated carbon to readily form a lithium salt. However, when both the R 1 and R 2 groups are organic groups, the reactivity of the CO bond depends on the bond strength and the structure of the R group.

이러한 점은 본 발명의 양수인에게 양도되고 본원에서 참조로 인용되는 미국 특허원 제08/964,492호에서 입증되었다. 이 특허원에서, 트리벤질 포스포네이트와 디벤질 포스포네이트(둘 다 반응성 O-H 결합 및 활성 C-O결합을 갖는다)와 같은 포스포네이트 첨가제가 비교적 약한 C-O 결합을 갖는 경우, 전압 지연 감소 및 감소된 Rdc 성장 면에서 1차 리튬/은 바나듐 산화물 전지에 대하여 유리한 효과가 관찰되는 것으로 기술되어 있다.This has been demonstrated in US patent application Ser. No. 08 / 964,492, assigned to the assignee of the present invention and incorporated herein by reference. In this patent application, when phosphonate additives such as tribenzyl phosphonate and dibenzyl phosphonate (both have reactive OH bonds and active CO bonds) have relatively weak CO bonds, the voltage delay is reduced and reduced. Advantageous effects are observed for primary lithium / silver vanadium oxide cells in terms of Rdc growth.

유사한 이유에 근거하여, 1차 리튬 전기화학 전지의 방전 성능에 이익을 주는 동일한 유형의 포스포네이트 첨가제는, 탄소 양극 표면에서 양호한 SEI 필름의 형성으로 인해 리튬 이온 전지의 제1 사이클 비가역 용량 및 사이클링 효율에도 이익을 줄 것으로 간주된다. 따라서, 리튬 이온 전지에 있어서, 화학식 1의 포스포네이트 첨가제 중의 R 그룹 중의 하나 이상은 수소(산성 양성자)이거나 탄소수 1 내지 13의 포화되거나 포화되지 않은 유기 그룹이어야 한다.For similar reasons, the same type of phosphonate additive, which benefits the discharge performance of primary lithium electrochemical cells, is due to the formation of a good SEI film on the carbon anode surface and the first cycle irreversible capacity and cycling of lithium ion cells. It is also considered to benefit from efficiency. Thus, in lithium ion batteries, at least one of the R groups in the phosphonate additive of formula 1 must be hydrogen (acidic protons) or a saturated or unsaturated organic group having 1 to 13 carbon atoms.

특정 이론에 결부시키고자 함은 아니나, -OP(=O)(R)O- 작용성 그룹의 존재로 인해, 본 발명의 포스포네이트 첨가제 중의 OR1및 OR2결합 중의 하나 이상의 환원성 절단은 양극 표면에 침착된 리튬 포스포네이트 또는 화학식 O=P(O-Li)n(OR)m의 포스포네이트 환원 생성물의 리튬 염(여기서, n은 1 또는 2이고; m은 0 또는 1이다)을 생성할 수 있다. 이러한 양극 표면 필름은 첨가제의 부재하에 형성된 필름보다 더 이온 전도성이고, 리튬 이온 전지의 개선된 성능에 관여하는 것으로 여겨진다.While not wishing to be bound by any theory, the reductive cleavage of one or more of the OR 1 and OR 2 bonds in the phosphonate additive of the present invention is positive due to the presence of the -OP (= O) (R) O- functional group. Lithium phosphonates deposited on the surface or lithium salts of phosphonate reduction products of the formula O = P (O-Li) n (OR) m , wherein n is 1 or 2; m is 0 or 1 Can be generated. Such positive electrode surface films are more ionically conductive than films formed in the absence of additives and are believed to be involved in the improved performance of lithium ion batteries.

포스포네이트 첨가제의 농도 한도는 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.40M이다. 포스포네이트 첨가제의 유리한 효과는, 첨가제 농도가 약 0.001M 미만인 경우, 분명하지 않다. 한편, 첨가제 농도가 약 0.40M보다 큰 경우, 보다 두꺼운 양극 표면 필름 형성과 보다 낮은 전해질 전도성에 기인하는 보다 높은 내부 전지 저항의 악영향으로 인해 첨가제의 유리한 효과가 상쇄될 것이다.The concentration limit of the phosphonate additive is preferably from about 0.001 to about 0.40 M. The beneficial effect of the phosphonate additive is not apparent when the additive concentration is less than about 0.001 M. On the other hand, if the additive concentration is greater than about 0.40 M, the beneficial effects of the additive will be offset by the adverse effects of higher internal cell resistance due to thicker anode surface film formation and lower electrolyte conductivity.

첨부된 청구항으로 정의된 바와 같은 본 발명의 정신과 범주로부터 벗어나지 않고서 본원에 기술된 발명의 개념에 다양한 변형이 당해 기술분야의 숙련가에게 명백할 것임이 인지된다.It is recognized that various modifications will be apparent to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

본 발명은 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트를 포함하는 용매 혼합물에 용해된 알칼리 금속 염을 포함하는 전해질에 하나 이상의 포스포네이트 첨가제를 첨가함으로써 충전/방전 용량이 높고 사이클 수명이 길며 감소된 제1 사이클 비가역 용량을 나타내는 리튬 이온 전기화학 전지를 제공한다.The present invention provides high charge / discharge capacity and cycle life by adding one or more phosphonate additives to an electrolyte comprising an alkali metal salt dissolved in a solvent mixture comprising ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and diethyl carbonate. Provided is a lithium ion electrochemical cell that exhibits a long, reduced first cycle irreversible capacity.

Claims (39)

a) 알칼리 금속을 삽입하는 음극;a) a negative electrode inserting an alkali metal; b) 알칼리 금속을 삽입하는 전극 활성 물질을 포함하는 양극;b) an anode comprising an electrode active material inserting an alkali metal; c) 음극 및 양극을 활성화하는 비수성 전해질; 및c) a non-aqueous electrolyte activating a cathode and an anode; And d) 전해질에 제공된 포스포네이트 첨가제를 포함하는 전기화학 전지.d) an electrochemical cell comprising a phosphonate additive provided in an electrolyte. 제1항에 있어서, 포스포네이트 첨가제가 하기 화학식 1을 갖는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the phosphonate additive has the following formula (1). 화학식 1Formula 1 (R1O)P(=O)(OR2)(R3)(R 1 O) P (= O) (OR 2 ) (R 3 ) 상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1, R1, R2및 R3은 동일하거나 상이하고, 수소원자 또는 탄소수 1 내지 13의 포화되거나 포화되지 않은 유기 그룹일 수 있다.R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and may be hydrogen atoms or saturated or unsaturated organic groups having 1 to 13 carbon atoms. 제1항에 있어서, 포스포네이트 첨가제가 디메틸 포스포네이트, 디에틸 포스포네이트, 디프로필 포스포네이트, 디부틸 포스포네이트, 디페닐 포스포네이트, 디벤질 포스포네이트, 디메틸 메틸포스포네이트, 디에틸 메틸포스포네이트, 디프로필 메틸포스포네이트, 디부틸 메틸포스포네이트, 디페닐 메틸포스포네이트, 디벤질 메틸포스포네이트, 디메틸 벤질포스포네이트, 에틸 메틸포스포네이트, 디메틸 디페닐메틸포스포네이트 및 아인산 또는 포스폰산, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전기화학 전지.The method of claim 1, wherein the phosphonate additive is dimethyl phosphonate, diethyl phosphonate, dipropyl phosphonate, dibutyl phosphonate, diphenyl phosphonate, dibenzyl phosphonate, dimethyl methylphospho Diethyl methylphosphonate, dipropyl methylphosphonate, dibutyl methylphosphonate, diphenyl methylphosphonate, dibenzyl methylphosphonate, dimethyl benzylphosphonate, ethyl methylphosphonate, dimethyl An electrochemical cell selected from the group consisting of diphenylmethylphosphonate and phosphorous acid or phosphonic acid, and mixtures thereof. 제1항에 있어서, 포스포네이트 첨가제가 약 0.001 내지 약 0.40M의 농도로 전해질에 존재하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the phosphonate additive is present in the electrolyte at a concentration of about 0.001 to about 0.40M. 제1항에 있어서, 포스포네이트 첨가제가 약 0.05M 이하의 농도로 전해질에 존재하는 디벤질 포스포네이트인 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1 wherein the phosphonate additive is dibenzyl phosphonate present in the electrolyte at a concentration of about 0.05 M or less. 제1항에 있어서, 전해질이 4원 비수성 카보네이트 용매 혼합물을 포함하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the electrolyte comprises a quaternary non-aqueous carbonate solvent mixture. 제1항에 있어서, 전해질이 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 선형 카보네이트를 포함하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1 wherein the electrolyte comprises at least one linear carbonate selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate, methylpropyl carbonate and ethylpropyl carbonate, and mixtures thereof. 제7항에 있어서, 전해질이 3개 이상의 선형 카보네이트를 포함하는 전기화학 전지.8. The electrochemical cell of claim 7, wherein the electrolyte comprises at least three linear carbonates. 제1항에 있어서, 전해질이 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트 및 비닐렌 카보네이트, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 사이클릭 카보네이트를 포함하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1 wherein the electrolyte comprises at least one cyclic carbonate selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and vinylene carbonate, and mixtures thereof. 제1항에 있어서, 전해질이 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트를 포함하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1 wherein the electrolyte comprises ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and diethyl carbonate. 제10항에 있어서, 에틸렌 카보네이트가 약 10 내지 약 50용적%의 범위이고, 디메틸 카보네이트가 약 5 내지 약 75용적%의 범위이고, 에틸메틸 카보네이트가 약 5 내지 약 50용적%의 범위이고, 디에틸 카보네이트가 약 3 내지 약 45용적%의 범위인 전기화학 전지.The method of claim 10 wherein ethylene carbonate is in the range of about 10 to about 50 volume percent, dimethyl carbonate is in the range of about 5 to about 75 volume percent, ethylmethyl carbonate is in the range of about 5 to about 50 volume percent, di An electrochemical cell with ethyl carbonate in the range of about 3 to about 45 vol%. 제1항에 있어서, 전해질이 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6, LiClO4, LiAlCl4, LiGaCl4, LiNO3, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO2CF3)2, LiSCN, LiO3SCF2CF3, LiC6F5SO3, LiO2CCF3, LiSO3F, LiB(C6H5)4및 LiCF3SO3, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 알칼리 금속 염을 포함하는 전기화학 전지.The method of claim 1, wherein the electrolyte is LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiGaCl 4 , LiNO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , Alkali metal salts selected from the group consisting of LiSCN, LiO 3 SCF 2 CF 3 , LiC 6 F 5 SO 3 , LiO 2 CCF 3 , LiSO 3 F, LiB (C 6 H 5 ) 4 and LiCF 3 SO 3 , and mixtures thereof Electrochemical cell comprising a. 제12항에 있어서, 알칼리 금속이 리튬인 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 12 wherein the alkali metal is lithium. 제1항에 있어서, 음극이 코우크, 카본 블랙, 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 섬유 및 유리질 탄소, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 음극 활성 물질을 포함하는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1, wherein the negative electrode comprises a negative electrode active material selected from the group consisting of coke, carbon black, graphite, acetylene black, carbon fiber and glassy carbon, and mixtures thereof. 제1항에 있어서, 음극 활성 물질이 플루오로-수지 결합제와 혼합되는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 1 wherein the negative electrode active material is mixed with a fluoro-resin binder. 제1항에 있어서, 양극이 바나듐, 티탄, 크롬, 구리, 몰리브덴, 니오븀, 철, 니켈, 코발트 및 망간, 및 이의 혼합물로부터 선택된 그룹의 리튬화 산화물, 리튬화 황화물, 리튬화 셀렌화물 및 리튬화 텔루르화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 양극 활성 물질을 포함하는 전기화학 전지.The lithium oxide of the group selected from vanadium, titanium, chromium, copper, molybdenum, niobium, iron, nickel, cobalt and manganese, and mixtures thereof, lithiated sulfides, lithiated selenides and lithiations. An electrochemical cell comprising a positive electrode active material selected from the group consisting of telluride. 제16항에 있어서, 양극 활성 물질이 플루오로-수지 결합제와 혼합되는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 16, wherein the positive electrode active material is mixed with a fluoro-resin binder. 제16항에 있어서, 양극 활성 물질이 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 흑연, 니켈 분말, 알루미늄 분말, 티탄 분말 및 스테인레스 스틸 분말, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전도성 첨가제와 혼합되는 전기화학 전지.The electrochemical cell of claim 16 wherein the positive electrode active material is mixed with a conductive additive selected from the group consisting of acetylene black, carbon black, graphite, nickel powder, aluminum powder, titanium powder and stainless steel powder, and mixtures thereof. a) 리튬을 삽입하는 음극;a) a negative electrode inserting lithium; b) 리튬을 삽입하는 전극 활성 물질을 포함하는 양극;b) a positive electrode comprising an electrode active material inserting lithium; c) 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트의 4원 비수성 용매 혼합물에 용해된 알칼리 금속 염을 포함하고 양극 및 음극을 활성화하는 전해질 용액; 및c) an electrolyte solution comprising an alkali metal salt dissolved in a quaternary non-aqueous solvent mixture of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and diethyl carbonate and activating the positive and negative electrodes; And d) 전해질에 제공된 포스포네이트 첨가제를 포함하는 전기화학 전지.d) an electrochemical cell comprising a phosphonate additive provided in an electrolyte. 제19항에 있어서, 포스포네이트 첨가제가 하기 화학식 1을 갖는 전기화학 전지.20. The electrochemical cell of claim 19, wherein the phosphonate additive has the formula 화학식 1Formula 1 (R1O)P(=O)(OR2)(R3)(R 1 O) P (= O) (OR 2 ) (R 3 ) 상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1, R1, R2및 R3은 동일하거나 상이하고, 수소원자 또는 탄소수 1 내지 13의 포화되거나 포화되지 않은 유기 그룹일 수 있다.R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and may be hydrogen atoms or saturated or unsaturated organic groups having 1 to 13 carbon atoms. 제19항에 있어서, 디메틸 포스포네이트, 디에틸 포스포네이트, 디프로필 포스포네이트, 디부틸 포스포네이트, 디페닐 포스포네이트, 디벤질 포스포네이트, 디메틸 메틸포스포네이트, 디에틸 메틸포스포네이트, 디프로필 메틸포스포네이트, 디부틸 메틸포스포네이트, 디페닐 메틸포스포네이트, 디벤질 메틸포스포네이트, 디메틸 벤질포스포네이트, 에틸 메틸포스포네이트, 디메틸 디페닐메틸포스포네이트 및 아인산 또는 포스폰산, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 포스포네이트 첨가제가 전해질에 첨가제로서 사용되는 전기화학 전지.The compound of claim 19, wherein dimethyl phosphonate, diethyl phosphonate, dipropyl phosphonate, dibutyl phosphonate, diphenyl phosphonate, dibenzyl phosphonate, dimethyl methylphosphonate, diethyl methyl Phosphonate, dipropyl methylphosphonate, dibutyl methylphosphonate, diphenyl methylphosphonate, dibenzyl methylphosphonate, dimethyl benzylphosphonate, ethyl methylphosphonate, dimethyl diphenylmethylphospho An electrochemical cell wherein a phosphonate additive selected from the group consisting of nate and phosphorous acid or phosphonic acid, and mixtures thereof, is used as an additive in an electrolyte. 제19항에 있어서, 에틸렌 카보네이트가 약 10 내지 약 50용적%의 범위이고, 디메틸 카보네이트가 약 5 내지 약 75용적%의 범위이고, 에틸메틸 카보네이트가 약 5 내지 약 50용적%의 범위이고, 디에틸 카보네이트가 약 3 내지 약 45용적%의 범위인 전기화학 전지.The process of claim 19 wherein ethylene carbonate is in the range of about 10 to about 50 volume percent, dimethyl carbonate is in the range of about 5 to about 75 volume percent, ethylmethyl carbonate is in the range of about 5 to about 50 volume percent, An electrochemical cell with ethyl carbonate in the range of about 3 to about 45 vol%. 제19항에 있어서, 전해질이 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6, LiClO4, LiAlCl4, LiGaCl4, LiNO3, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO2CF3)2, LiSCN, LiO3SCF2CF3, LiC6F5SO3, LiO2CCF3, LiSO3F, LiB(C6H5)4및 LiCF3SO3, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 알칼리 금속 염을 포함하는 전기화학 전지.The method of claim 19, wherein the electrolyte is LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiGaCl 4 , LiNO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , Alkali metal salts selected from the group consisting of LiSCN, LiO 3 SCF 2 CF 3 , LiC 6 F 5 SO 3 , LiO 2 CCF 3 , LiSO 3 F, LiB (C 6 H 5 ) 4 and LiCF 3 SO 3 , and mixtures thereof Electrochemical cell comprising a. a) 리튬을 삽입할 수 있는 탄질 재료의 양극;a) an anode of carbonaceous material capable of inserting lithium; b) 리튬 코발트 산화물을 포함하는 음극; 및b) a negative electrode comprising lithium cobalt oxide; And c) 전해질과 접촉된 리튬 삽입된 양극의 표면에 리튬 포스포네이트 또는 포스포네이트 환원 생성물의 리튬 염을 제공하는 포스포네이트 첨가제를 포함하고 양극 및 음극을 활성화하는 비수성 전해질을 포함하는 전기화학 전지.c) an electrochemical comprising a phosphonate additive for providing a lithium salt of a lithium phosphonate or phosphonate reduction product on the surface of a lithium intercalated positive electrode in contact with the electrolyte and comprising a non-aqueous electrolyte activating the positive and negative electrodes battery. a) 알칼리 금속을 삽입하는 음극을 제공하는 단계;a) providing a cathode for inserting an alkali metal; b) 알칼리 금속을 삽입하는 전극 활성 물질을 포함하는 양극을 제공하는 단계;b) providing a positive electrode comprising an electrode active material inserting an alkali metal; c) 음극 및 양극을 비수성 전해질로 활성화하는 단계; 및c) activating the cathode and anode with a non-aqueous electrolyte; And d) 전해질에 포스포네이트 첨가제를 제공하는 단계를 포함하여, 전기화학 전지를 제공하는 방법.d) providing a phosphonate additive in the electrolyte. 제25항에 있어서, 포스포네이트 첨가제가 하기 화학식 1을 갖는 방법.The method of claim 25, wherein the phosphonate additive has the formula 화학식 1Formula 1 (R1O)P(=O)(OR2)(R3)(R 1 O) P (= O) (OR 2 ) (R 3 ) 상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1, R1, R2및 R3은 동일하거나 상이하고, 수소원자 또는 탄소수 1 내지 13의 포화되거나 포화되지 않은 유기 그룹일 수 있다.R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and may be hydrogen atoms or saturated or unsaturated organic groups having 1 to 13 carbon atoms. 제25항에 있어서, 디메틸 포스포네이트, 디에틸 포스포네이트, 디프로필 포스포네이트, 디부틸 포스포네이트, 디페닐 포스포네이트, 디벤질 포스포네이트, 디메틸 메틸포스포네이트, 디에틸 메틸포스포네이트, 디프로필 메틸포스포네이트, 디부틸 메틸포스포네이트, 디페닐 메틸포스포네이트, 디벤질 메틸포스포네이트, 디메틸 벤질포스포네이트, 에틸 메틸포스포네이트, 디메틸 디페닐메틸포스포네이트 및 아인산 또는 포스폰산, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 포스포네이트 첨가제가 전해질에 첨가제로서 사용되는 방법.The method of claim 25, wherein the dimethyl phosphonate, diethyl phosphonate, dipropyl phosphonate, dibutyl phosphonate, diphenyl phosphonate, dibenzyl phosphonate, dimethyl methylphosphonate, diethyl methyl Phosphonate, dipropyl methylphosphonate, dibutyl methylphosphonate, diphenyl methylphosphonate, dibenzyl methylphosphonate, dimethyl benzylphosphonate, ethyl methylphosphonate, dimethyl diphenylmethylphospho A phosphonate additive selected from the group consisting of nates and phosphorous acid or phosphonic acid, and mixtures thereof, is used as an additive in an electrolyte. 제25항에 있어서, 포스포네이트 첨가제가 약 0.001 내지 약 0.40M의 농도로 전해질에 존재하는 방법.The method of claim 25, wherein the phosphonate additive is present in the electrolyte at a concentration of about 0.001 to about 0.40M. 제25항에 있어서, 포스포네이트 첨가제가 약 0.05M 이하의 농도로 전해질에 존재하는 디벤질 포스포네이트인 방법.The method of claim 25, wherein the phosphonate additive is dibenzyl phosphonate present in the electrolyte at a concentration of about 0.05 M or less. 제25항에 있어서, 4원 비수성 카보네이트 용매 혼합물을 포함하는 전해질을 제공함을 포함하는 방법.The method of claim 25 comprising providing an electrolyte comprising a quaternary non-aqueous carbonate solvent mixture. 제25항에 있어서, 전해질이 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 선형 카보네이트를 포함하는 방법.The method of claim 25, wherein the electrolyte comprises one or more linear carbonates selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate, methylpropyl carbonate and ethylpropyl carbonate, and mixtures thereof. 제31항에 있어서, 전해질이 3개 이상의 선형 카보네이트를 포함하는 방법.The method of claim 31, wherein the electrolyte comprises three or more linear carbonates. 제25항에 있어서, 전해질이 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트 및 비닐렌 카보네이트, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 사이클릭 카보네이트를 포함하는 방법.The method of claim 25, wherein the electrolyte comprises one or more cyclic carbonates selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and vinylene carbonate, and mixtures thereof. 제25항에 있어서, 전해질이 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트를 포함하는 방법.The method of claim 25, wherein the electrolyte comprises ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and diethyl carbonate. 제34항에 있어서, 에틸렌 카보네이트가 약 10 내지 약 50용적%의 범위이고, 디메틸 카보네이트가 약 5 내지 약 75용적%의 범위이고, 에틸메틸 카보네이트가 약 5 내지 약 50용적%의 범위이고, 디에틸 카보네이트가 약 3 내지 약 45용적%의 범위인 방법.35. The method of claim 34 wherein ethylene carbonate is in the range of about 10 to about 50 volume percent, dimethyl carbonate is in the range of about 5 to about 75 volume percent, ethylmethyl carbonate is in the range of about 5 to about 50 volume percent, The ethyl carbonate is in the range of about 3 to about 45 vol%. 제25항에 있어서, 전해질이 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6, LiClO4, LiAlCl4, LiGaCl4, LiNO3, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO2CF3)2, LiSCN, LiO3SCF2CF3, LiC6F5SO3, LiO2CCF3, LiSO3F, LiB(C6H5)4및 LiCF3SO3, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 알칼리 금속 염을 포함하는 방법.The method of claim 25, wherein the electrolyte is LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiGaCl 4 , LiNO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , Alkali metal salts selected from the group consisting of LiSCN, LiO 3 SCF 2 CF 3 , LiC 6 F 5 SO 3 , LiO 2 CCF 3 , LiSO 3 F, LiB (C 6 H 5 ) 4 and LiCF 3 SO 3 , and mixtures thereof How to include. 제25항에 있어서, 알칼리 금속을 리튬으로서 제공함을 포함하는 방법.The method of claim 25 comprising providing the alkali metal as lithium. 제25항에 있어서, 바나듐, 티탄, 크롬, 구리, 몰리브덴, 니오븀, 철, 니켈, 코발트 및 망간, 및 이의 혼합물로부터 선택된 그룹의 리튬화 산화물, 리튬화 황화물, 리튬화 셀렌화물 및 리튬화 텔루르화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 양극 활성 물질을 포함하는 양극을 제공함을 포함하는 방법.The lithiated oxide, lithiated sulfide, lithiated selenide and lithiated telluride of the group according to claim 25 selected from vanadium, titanium, chromium, copper, molybdenum, niobium, iron, nickel, cobalt and manganese, and mixtures thereof. Providing a positive electrode comprising a positive electrode active material selected from the group consisting of: 제25항에 있어서, 코우크, 카본 블랙, 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 섬유 및 유리질 탄소, 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 음극 활성 물질을 포함하는 음극을 제공함을 포함하는 방법.The method of claim 25 comprising providing a negative electrode comprising a negative electrode active material selected from the group consisting of coke, carbon black, graphite, acetylene black, carbon fiber and glassy carbon, and mixtures thereof.
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KR101130726B1 (en) * 2010-01-05 2012-03-28 성균관대학교산학협력단 Electrolyte for lithium-ion battery and lithium-ion battery comprising the same
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