KR20030087311A - An electrolyte for a lithium battery and a lithium battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided are an electrolyte for a lithium battery and the lithium battery containing the electrolyte, which is excellent in electrochemical properties, such as capacity property, high discharging property, and low temperature property, and swelling property. CONSTITUTION: The electrolyte for the lithium battery contains: at least one non-aqueous organic solvent selected from the group consisting of carbonate, ester, ether, and ketone; at least one kind of lithium salt selected from the group consisting of LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, and etc.; an additive represented by the formula 1, wherein R1, R2, and R3 are independently selected from the group consisting of alkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, or aryl, and substituted alkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, or aryl and at least one of R1, R2, and R3 is aryl. And the lithium battery contains the electrolyte.

Description

리튬 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 전지{AN ELECTROLYTE FOR A LITHIUM BATTERY AND A LITHIUM BATTERY COMPRISING THE SAME}TECHNICAL FIELD The electrolyte for a lithium battery, and a lithium battery including the same, include: A ELITROLYTE FOR A LITHIUM BATTERY AND A LITHIUM BATTERY COMPRISING THE SAME

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 리튬 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 전지에 관한 것으로서, 상세하게는 고율 특성과 저온 특성과 같은 전기화학적 특성과 전지의 스웰링 특성을 향상시키는 리튬 전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium battery electrolyte and a lithium battery including the same, and more particularly, to a lithium battery electrolyte for improving electrochemical characteristics such as high rate characteristics and low temperature characteristics, and a swelling characteristic of a battery, and a lithium battery comprising the same. .

[종래 기술][Prior art]

최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화 추세와 관련하여 이들 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고성능화 및 대용량화에 대한 필요성이 높아지고 있다. 현재 상업화되어 사용 중인 리튬 이차 전지는 평균 방전 전위가 3.7V, 즉 4V대의 전지로서 3C라 일컬어지는 휴대용 전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등에 급속도로 적용되고 있는 디지털 시대의 심장에 해당하는 요소이다.Recently, with the trend toward miniaturization and light weight of portable electronic devices, the need for high performance and high capacity of batteries used as power sources for these devices is increasing. Lithium secondary batteries, which are commercially available and currently used, correspond to the heart of the digital era, which is rapidly being applied to portable phones, notebook computers, camcorders, and the like, which have an average discharge potential of 3.7V, that is, 4C.

전지의 용량, 성능 특성의 개선과 함께 과충전 특성과 같은 안전성을 향상시키기 위한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 전지가 과충전되면 충전상태에 따라 양극에서는 리튬이 과잉 석출되고, 음극에서는 리튬이 과잉 삽입되어 양극 및 음극이 열적으로 불안정해져 전해질의 유기용매가 분해되는 등 급격한 발열반응이 일어나고, 또한 열폭주 현상이 발생하여 전지의 안전성에 심각한 문제점이 발생한다.In addition to improving battery capacity and performance characteristics, studies are being actively conducted to improve safety such as overcharging characteristics. When the battery is overcharged, depending on the state of charge, lithium is excessively precipitated at the positive electrode, lithium is excessively inserted at the negative electrode, and the positive electrode and negative electrode are thermally unstable, causing rapid exothermic reactions such as decomposition of the organic solvent in the electrolyte and thermal runaway. Occurs, a serious problem occurs in the safety of the battery.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전해질 중에 레독스 셔틀(redox shuttle) 첨가제로서 방향족 화합물을 첨가하는 방법이 이용되고 있다. 예를 들어 미국특허 제5,709,968호는 2,4-디플루오로아니솔(2,4-difluoroanisole)과 같은 벤젠 화합물을 첨가하여 과충전 전류 및 이로 인한 열폭주 현상을 방지할 수 있는 비수계 리튬 이온 전지를 개시하고 있다. 제5,879,834호에는 바이페닐(biphenyl), 3-클로로티오펜(3-chlorothiophene), 퓨란 등의 방향족 화합물을 소량 첨가하여 비정상적인 과전압 상태에서 전기화학적으로 중합되어 내부저항을 증가시킴으로써 전지의 안전성을 향상시키기 위한 방법이 기재되어 있다. 이들 레독스 셔틀 첨가제들은 산화발열 반응에 의해 발생되는 열에 의해 전지 내부 온도를 조기에 상승시켜 세퍼레이터의 기공을 빠르고 균일하게 차단(shut-down)시킴으로써 과충전 반응을 억제하는 작용을 한다. 또한 과충전시 정극 표면에서 첨가제의 중합반응이 과충전 전류를 소비하여 전지를 보호하는 기능도 한다.In order to solve this problem, a method of adding an aromatic compound as a redox shuttle additive in an electrolyte has been used. For example, U.S. Patent No. 5,709,968 adds a benzene compound such as 2,4-difluoroanisole to prevent overcharge currents and the resulting thermal runaway phenomenon. It is starting. No. 5,879,834 add a small amount of aromatic compounds such as biphenyl, 3-chlorothiophene, furan and the like to electrochemically polymerize at abnormal overvoltage conditions to increase the internal resistance to improve battery safety. A method is described. These redox shuttle additives act to suppress the overcharge reaction by prematurely raising the temperature inside the battery due to the heat generated by the oxidative heating reaction to shut down the pores of the separator quickly and uniformly. In addition, the polymerization reaction of the additive on the surface of the positive electrode during overcharge also functions to protect the battery by consuming the overcharge current.

그러나 첨가제의 중합반응으로는 과충전 전류를 충분히 제거할 수 없고 산화반응에 의한 분해로 가스가 다량 발생하여 전지의 스웰링(swelling) 현상이 심화되는 등 상기와 같은 레독스 셔틀 첨가제로 전지의 안전성을 개선하는 데에는 한계가 있다. 상기 스웰링 현상은 전지가 특정 방향으로 부풀어오르는 등 특정면의 중심부가 변형되는 현상을 의미한다. 또한 이들 첨가제들은 전지의 고온 특성이나 수명 특성 등 전지의 전기화학적 특성에 나쁜 영향을 주는 문제점이 있다.However, it is not possible to sufficiently remove the overcharge current by the polymerization reaction of the additive, and the gas swelling phenomenon is intensified due to the decomposition of the oxidation reaction. There is a limit to improvement. The swelling phenomenon refers to a phenomenon in which a central portion of a specific surface is deformed, such as a battery swelling in a specific direction. In addition, these additives have a problem that adversely affect the electrochemical properties of the battery, such as high temperature characteristics or life characteristics of the battery.

스웰링 현상을 해결하기 위한 방법으로 일정 수준 이상의 전지의 내압 상승시 내부의 가스를 분출시키기 위한 벤트 또는 전류 차단기(current breaker)를 장착하여 이차 전지의 안전성을 개선하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 내압 상승으로 인하여 오작동의 위험까지 야기시키는 문제점이 있다.As a method for solving the swelling phenomenon, there is a method of improving the safety of the secondary battery by installing a vent or a current breaker for ejecting the internal gas when the internal pressure of the battery rises above a certain level. However, this method has a problem of causing a risk of malfunction due to the internal pressure rise.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전지의 전기화학적 특성과 스웰링 특성을 개선시킬 수 있는 리튬 전지용 전해질을 제공하기 위한 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an electrolyte for a lithium battery that can improve the electrochemical and swelling characteristics of the battery.

본 발명의 다른 목적은 전기화학적 특성 및 스웰링 특성이 우수한 리튬 전지를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium battery having excellent electrochemical and swelling characteristics.

도 1은 각형 리튬 이차 전지의 단면도.1 is a cross-sectional view of a rectangular lithium secondary battery.

도 2는 본 발명에 따른 실시예 2의 화성 충방전 그래프.Figure 2 is a chemical charge and discharge graph of Example 2 according to the present invention.

도 3a는 본 발명에 따른 실시예 2 및 비교예 2의 저율 충방전 특성을 보인 그래프.Figure 3a is a graph showing the low rate charge and discharge characteristics of Example 2 and Comparative Example 2 according to the present invention.

도 3b는 본 발명에 따른 실시예 2 및 비교예 2의 고율 충방전 특성을 보인 그래프.Figure 3b is a graph showing the high rate charge and discharge characteristics of Example 2 and Comparative Example 2 according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 실시예 2 및 비교예 2의 수명 특성을 보인 그래프.4 is a graph showing the life characteristics of Example 2 and Comparative Example 2 according to the present invention.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 비수성 유기용매; 리튬염; 및 하기 화학식 1의 첨가제를 포함하는 전지의 전기화학적 특성과 스웰링 특성을 개선할 수 있는 리튬 전지용 전해질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a non-aqueous organic solvent; Lithium salts; And it provides an electrolyte for a lithium battery that can improve the electrochemical and swelling characteristics of a battery comprising the additive of formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

(상기 식에서 R1, R2및 R3는 각각 독립적으로 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 알콕시기, 또는 아릴기, 및 치환된 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 알콕시기 또는 아릴기로 이루어진 군에서 선택되고, R1, R2및 R3중 적어도 하나는 아릴기이다.)Wherein R 1 , R 2 and R 3 are each independently selected from the group consisting of alkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, or aryl groups, and substituted alkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy or aryl groups And at least one of R 1 , R 2 and R 3 is an aryl group.)

본 발명은 또한, 상기 전해질을 포함하는 리튬 전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium battery containing the electrolyte.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

일반적인 비수계 리튬 이차 전지(1)의 구조는 도 1에 도시된 바와 같다. 상기 전지는 리티에이티드 인터칼레이션 화합물을 양극(2) 및 음극(4)으로 사용하고 양극(2)과 음극(4) 사이에 세퍼레이터(6)를 삽입하여 이를 권취하여 전극조립체(8)를 형성한 다음 케이스(10)에 넣어 제조된다. 상기 전지의 상부는 캡 플레이트(12)와 가스켓(14)으로 밀봉한다. 상기 캡 플레이트(12)에는 전지의 과압 형성을 방지하는 안전밸브(safety vent; 16)가 설치될 수 있다. 상기 양극(2) 및 음극(4)에 각각 양극 탭(18)과 음극 탭(20)을 설치하고 절연체(22, 24)는 전지의내부 단락을 방지하기 위하여 삽입된다. 전지를 밀봉하기 전에 전해질(26)을 주입한다. 주입된 전해질(26)은 세퍼레이터(6)에 함침된다.The structure of the general non-aqueous lithium secondary battery 1 is as shown in FIG. The battery uses a lithiated intercalation compound as a positive electrode (2) and a negative electrode (4), inserts a separator (6) between the positive electrode (2) and the negative electrode (4) and wound the electrode assembly (8). After forming it is put into the case 10 is manufactured. The top of the cell is sealed with a cap plate 12 and a gasket 14. The cap plate 12 may be provided with a safety vent (16) to prevent the battery from forming overpressure. The positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 20 are respectively provided on the positive electrode 2 and the negative electrode 4, and the insulators 22 and 24 are inserted to prevent internal short circuit of the battery. The electrolyte 26 is injected before sealing the cell. The injected electrolyte 26 is impregnated into the separator 6.

본 발명에서는 일반적으로 리튬 전지용 전해질로 사용되고 있는 비수성 유기용매와 리튬염에 하기 화학식 1의 첨가제를 함유시킨 조성물을 전해질로 사용한다.In the present invention, a composition containing an additive of the following formula (1) in a non-aqueous organic solvent and a lithium salt generally used as an electrolyte for a lithium battery is used as an electrolyte.

[화학식 1][Formula 1]

(상기 식에서 R1, R2및 R3는 각각 독립적으로 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 알콕시기, 또는 아릴기, 및 치환된 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 알콕시기 또는 아릴기로 이루어진 군에서 선택되고, R1, R2및 R3중 적어도 하나는 아릴기이다.)Wherein R 1 , R 2 and R 3 are each independently selected from the group consisting of alkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, or aryl groups, and substituted alkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy or aryl groups And at least one of R 1 , R 2 and R 3 is an aryl group.)

본 발명에서 알킬 또는 알콕시는 1 내지 10 개, 바람직하게는 1 내지 5 개의 탄소수를 가지는 알킬 또는 알콕시를 의미하는 것이며, 알케닐 또는 알키닐는 2 내지 10개, 바람직하게는 탄소수 2 내지 5개의 탄소수를 가지는 알케닐 또는 알키닐을 의미하는 것이며, 아릴은 6 내지 24개, 바람직하게는 6 내지 18개의 탄소수를 가지는 아릴을 의미하는 것이다. Alkyl or alkoxy in the present invention means alkyl or alkoxy having 1 to 10, preferably 1 to 5 carbon atoms, alkenyl or alkynyl is 2 to 10, preferably 2 to 5 carbon atoms Is an alkenyl or alkynyl, and aryl means an aryl having 6 to 24 carbon atoms, preferably 6 to 18 carbon atoms.

상기 식에서 R1, R2및 R3는 메틸, 에틸, 메톡시, 에톡시, 또는 페닐인 것이 바람직하고, 이중 적어도 하나는 페닐이다. 또한 R1, R2및 R3는 치환된 알킬기, 알콕시기 또는 아릴기로 치환기로는 F, Cl, Br, 또는 I 등의 할로겐이 바람직하며, 이중 Br이 가장 바람직하다.Wherein R 1 , R 2 and R 3 are preferably methyl, ethyl, methoxy, ethoxy, or phenyl, at least one of which is phenyl. In addition, R 1 , R 2 and R 3 are preferably substituted alkyl, alkoxy or aryl groups, and the substituent is preferably halogen such as F, Cl, Br, or I, of which Br is most preferred.

상기 화학식 1을 가지는 첨가제중 본 발명에 바람직하게 사용될 수 있는 첨가제는 하기 화학식 2로 나타내어질 수 있다.Among the additives having Formula 1, an additive which may be preferably used in the present invention may be represented by the following Formula 2.

[화학식 2][Formula 2]

(상기 식에서 X는 할로겐, 바람직하게는 Br이고, l, m 및 n은 0 내지 5의 범위에 있다.)Wherein X is halogen, preferably Br, and l, m and n are in the range of 0 to 5.

상기 화학식 2에서 할로겐의 치환 위치는 2, 3 또는 4번 어디에도 가능하나, 4번 위치에 할로겐이 치환된 것이 바람직하다. 본 발명에서는 페닐기의 4번 위치에 Br이 하나 치환된 구조를 가지는 화합물인 트리스(4-브로모페닐)아민이 가장 바람직하게 사용될 수 있다. 트리스(4-브로모페닐)아민의 화학 구조식은 하기 화학식 3과 같다.In Formula 2, the substitution position of the halogen may be anywhere from 2, 3, or 4, but it is preferable that the halogen is substituted at the 4 position. In the present invention, tris (4-bromophenyl) amine which is a compound having a structure in which Br is substituted at position 4 of the phenyl group may be most preferably used. The chemical structural formula of tris (4-bromophenyl) amine is represented by the following Chemical Formula 3.

[화학식 3][Formula 3]

본 발명의 전해질 첨가제는 전지의 용량, 특히 화성(formation)시 충전용량을 증가시키며, 고율 및 저온 성능을 개선하고 스웰링 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 전해질 첨가제는 전체 전해질에 대하여 0.1 내지 7 중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 첨가량이 0.1 중량% 미만이면 첨가효과가 미미하고 7 중량%를 초과하는 경우에는 전지 성능이 열화되는 문제점이 있어 바람직하지 않다.The electrolyte additive of the present invention increases the capacity of the battery, in particular the charging capacity during formation, can improve high rate and low temperature performance and improve swelling properties. The electrolyte additive is preferably used in an amount of 0.1 to 7% by weight based on the total electrolyte. If the added amount is less than 0.1% by weight, the addition effect is insignificant, and if it exceeds 7% by weight, there is a problem that the battery performance is deteriorated, which is not preferable.

상기 전해질 첨가제는 리튬염을 함유하는 비수성 유기용매에 첨가된다. 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 전지의 작동을 가능하게 하며, 비수성 유기용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다.The electrolyte additive is added to the non-aqueous organic solvent containing the lithium salt. Lithium salt acts as a source of lithium ions in the battery to enable the operation of the basic lithium battery, the non-aqueous organic solvent serves as a medium to move the ions involved in the electrochemical reaction of the battery.

상기 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 혼합시켜 사용가능하다.Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN ( C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, and LiI, used in combination of one or two or more selected from the group consisting of It is possible.

리튬염의 농도는 0.6 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하며, 0.7내지 1.6M 범위 내에서 사용하는 것이 더 바람직하다. 리튬염의 농도가 0.6M 미만이면 전해질의 전도도가 낮아져 전해질 성능이 떨어지고, 2.0M을 초과하는 경우에는 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소되는 문제점이 있다.The concentration of the lithium salt is preferably used in the range of 0.6 to 2.0M, more preferably in the range of 0.7 to 1.6M. When the concentration of the lithium salt is less than 0.6M, the conductivity of the electrolyte is lowered, and the performance of the electrolyte is lowered. When the concentration of the lithium salt is higher than 2.0M, the viscosity of the electrolyte is increased to reduce the mobility of lithium ions.

비수성 유기용매로는 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 사용할 수 있다. 상기 카보네이트로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC) 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르는 n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트 등이 사용될 수 있다.상기 비수성 유기용매중 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 부피비로 혼합되어야 전해질의 성능이 바람직하게 나타난다.As the non-aqueous organic solvent, carbonate, ester, ether or ketone can be used. The carbonates include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC) ethylene carbonate (EC), Propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and the like may be used, and the ester may be n-methyl acetate, n-ethyl acetate, n-propyl acetate, or the like. Carbonate solvent in the non-aqueous organic solvent. In this case, it is preferable to use a mixture of cyclic carbonate and chain carbonate. In this case, it is preferable to use the cyclic carbonate and the chain carbonate by mixing in a volume ratio of 1: 1 to 1: 9. The performance of the electrolyte is preferable when mixed in the above volume ratio.

또한 본 발명의 전해질은 상기 카보네이트계 용매에 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 방향족 탄화수소계 유기용매로는 하기 화학식 4의 방향족 탄화수소계 화합물이 사용될 수 있다.In addition, the electrolyte of the present invention may further include an aromatic hydrocarbon organic solvent in the carbonate solvent. As the aromatic hydrocarbon organic solvent, an aromatic hydrocarbon compound represented by Chemical Formula 4 may be used.

[화학식 4][Formula 4]

(상기 식에서 R4는 할로겐 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고 p는 0 내지 6의 정수이다.)(Wherein R 4 is halogen or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms and p is an integer of 0 to 6).

방향족 탄화수소계 유기용매의 구체적인 예로는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 트리플루오로톨루엔, 자일렌 등이 있다. 방향족 탄화수소계 유기용매를 포함하는 전해질에서 카보네이트계 용매/방향족 탄화수소계 용매의 부피비가 1:1 내지 30:1인 것이 바람직하다. 상기 부피비로 혼합되어야 전해질의 성능이 바람직하게 나타난다.Specific examples of the aromatic hydrocarbon-based organic solvent include benzene, fluorobenzene, toluene, fluorotoluene, trifluorotoluene, xylene and the like. In the electrolyte containing an aromatic hydrocarbon-based organic solvent, the volume ratio of the carbonate solvent / aromatic hydrocarbon solvent is preferably 1: 1 to 30: 1. The performance of the electrolyte is preferable when mixed in the above volume ratio.

본 발명의 전해질은 리튬염을 함유하는 유기 용매에 상기 화학식 1의 화합물을 전해질 첨가제로 첨가하여 제조된다.The electrolyte of the present invention is prepared by adding the compound of Formula 1 as an electrolyte additive to an organic solvent containing a lithium salt.

본 발명은 상기 전해질을 포함하는 리튬 전지를 제공한다. 본 발명의 리튬 전지는 다음과 같은 공정을 거쳐 제조될 수 있다.The present invention provides a lithium battery comprising the electrolyte. The lithium battery of the present invention can be manufactured through the following process.

양극활물질, 바인더 및 도전제를 혼합하고, 이들을 금속호일 또는 금속망으로 이루어진 집전체에 도포하여 시트상에 성형한 것을 양극으로 사용하고, 음극 활물질, 바인더, 및 필요에 따라 도전제를 혼합하고, 이들을 금속호일 또는 금속망으로 이루어진 집전체에 도포하여 시트상에 성형한 것을 음극으로 사용한다.A positive electrode active material, a binder, and a conductive agent are mixed, these are applied to a current collector made of a metal foil or a metal network, and the molded product is used as a positive electrode, a negative electrode active material, a binder, and a conductive agent are mixed as necessary. These were applied to a current collector made of metal foil or metal mesh and molded on a sheet to use as a negative electrode.

상기와 같이 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 절연 수지로 된 세퍼레이터를 삽입하고 이를 와인딩(winding)하거나 스택킹(stacking)하여 전극 조립체를 형성한 다음, 이를 전지 케이스에 넣고 본 발명의 전해질을 주입하여 전지를 조립한다.Inserting a separator made of a porous insulating resin between the positive electrode and the negative electrode prepared as described above, and winding or stacking the separator to form an electrode assembly, and then put it in a battery case to inject the electrolyte of the present invention Assemble the battery.

리튬 전지의 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물), 또는 리튬과 가역적으로 반응하여 리튬-함유 화합물을 형성할 수 있는 물질 등이 사용될 수 있다. 이들 물질의 구체적인 예로 LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFeO2, V2O5등과 같은 복합 금속 산화물, TiS, MoS 등 설파이드 화합물, 유기 디설파이드화합물이나 유기 폴리설파이드 화합물 등이 있다.Examples of the positive electrode active material of a lithium battery include a compound capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium (lithiated intercalation compound), or a material capable of forming a lithium-containing compound by reversibly reacting with lithium. This can be used. Specific examples of these materials include complex metal oxides such as LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFeO 2 , V 2 O 5 , sulfide compounds such as TiS and MoS, organic disulfide compounds and organic polysulfide compounds.

음극 활물질로는 리튬 금속, 또는 리튬의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 탄소재 물질이 사용된다. 예를 들면, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화탄소섬유, 비정질탄소 등을 들 수 있다. 또한 이밖에, 종래부터 리튬 전지의 양극 또는 음극으로 사용되고 있는 물질들이 사용될 수 있음은 물론이다.As the negative electrode active material, lithium metal or a carbonaceous material capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium is used. For example, artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fibers, amorphous carbon, etc. may be mentioned. In addition, of course, materials conventionally used as a positive electrode or a negative electrode of a lithium battery may be used.

세퍼레이터로는 폴리에틸렌 세퍼레이터, 폴리프로필렌 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터를 사용할 수 있다.As the separator, a polyethylene separator, a polypropylene separator, a polyethylene / polypropylene two-layer separator, a polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, or a polypropylene / polyethylene / polypropylene three-layer separator may be used.

이러한 공정을 거쳐 제조된 리튬 전지중 각형 리튬 전지의 단면도는 도 1에 도시되어 있다.A cross-sectional view of a prismatic lithium battery among lithium batteries manufactured through such a process is shown in FIG. 1.

본 발명의 전해질은 리튬 일차 전지 및 리튬 이차 전지 모두가 가능하다.The electrolyte of the present invention can be both a lithium primary battery and a lithium secondary battery.

본 발명의 전해질을 포함하는 리튬 전지는 전기화학적 특성, 특히 고율 특성 및 저온 특성이 우수할 뿐만 아니라 스웰링 특성이 기존의 비수계 전해질을 사용하는 전지에 비하여 월등히 우수하다.The lithium battery including the electrolyte of the present invention not only has excellent electrochemical characteristics, particularly high rate characteristics and low temperature characteristics, but also has excellent swelling characteristics compared to a battery using a conventional non-aqueous electrolyte.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

에틸렌 카보네이트(EC):디메틸 카보네이트(DMC):디에틸 카보네이트(DEC)을 30:30:40의 부피비로 혼합한 유기용매에 1.15M LiPF6를 첨가한 다음, 전해질 첨가제로 트리스(4-브로모페닐)아민 3 중량%를 첨가하여 전해질 조성물을 제조하였다.1.15 M LiPF 6 was added to an organic solvent in which ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC): diethyl carbonate (DEC) was mixed in a volume ratio of 30:30:40, followed by tris (4-bromo) as an electrolyte additive. Electrolyte composition was prepared by adding 3% by weight of phenyl) amine.

양극 활물질인 LiCoO2(평균입경: 10㎛), 도전제(수퍼 P) 및 바인더(PVDF)를 94:3:3의 중량비로 N-메틸피롤리돈(NMP)에 첨가하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 알루미늄 호일 위에 도포하고 건조한 후 롤프레스로 압연하여 폭 4.9cm이고 두께가 147㎛인 양극 극판을 제조하였다. 음극 활물질인 메조카본 파이버(MCF; Petoca사), 옥살산 및 바인더(PVDF)를 89.8:0.2:10의 중량비로 NMP에 녹여 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 구리 집전체에 도포하고 건조한 후 롤프레스로 압연하여 폭 5.1cm이고 두께가 178㎛인 음극 극판을 제조하였다. 상기 양극 극판 및 음극 극판의 사이에 폴리에틸렌(PE) 다공성 필름(폭: 5.35cm, 두께: 18㎛)으로 만든 세퍼레이터를 삽입하고 상기 전해질 5.6g을 주입하여 각형의 900mAh 리튬 이차 전지를 제조하였다.A slurry was prepared by adding LiCoO 2 (average particle diameter: 10 μm), a conductive material (super P), and a binder (PVDF) as a positive electrode active material to N-methylpyrrolidone (NMP) at a weight ratio of 94: 3: 3. The slurry was coated on aluminum foil, dried and rolled with a roll press to prepare a positive electrode plate having a width of 4.9 cm and a thickness of 147 μm. Mesocarbon fiber (MCF; Petoca), oxalic acid, and binder (PVDF), a negative electrode active material, were dissolved in NMP in a weight ratio of 89.8: 0.2: 10 to prepare a slurry, and the slurry was applied to a copper current collector, dried, and then By rolling, a negative electrode plate having a width of 5.1 cm and a thickness of 178 μm was prepared. A separator made of a polyethylene (PE) porous film (width: 5.35 cm, thickness: 18 μm) was inserted between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and 5.6 g of the electrolyte was injected to prepare a rectangular 900 mAh lithium battery.

(실시예 2)(Example 2)

전해질 제조용 유기용매로 에틸렌 카보네이트(EC):에틸메틸 카보네이트(EMC):프로필렌 카보네이트(PC):플루오로벤젠(FB)을 30:55:5:10의 부피비로 혼합한 유기용매를 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 각형의 리튬 이차 전지를 제조하였다.Except for using an organic solvent in which ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC): propylene carbonate (PC): fluorobenzene (FB) was mixed in a volume ratio of 30: 55: 5: 10 as an organic solvent for preparing an electrolyte. In the same manner as in Example 1, a rectangular lithium secondary battery was prepared.

(실시예 3)(Example 3)

전해질 첨가제로 트리스(4-브로모페닐)아민을 5 중량%의 양으로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 각형의 리튬 이차 전지를 제조하였다.A rectangular lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that tris (4-bromophenyl) amine was used in an amount of 5% by weight as an electrolyte additive.

(실시예 4)(Example 4)

전해질 첨가제로 트리스(4-브로모페닐)아민을 10 중량%의 양으로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 각형의 리튬 이차 전지를 제조하였다.A rectangular lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that tris (4-bromophenyl) amine was used in an amount of 10% by weight as an electrolyte additive.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

에틸렌 카보네이트(EC):디메틸 카보네이트(DMC):디에틸 카보네이트(DEC)을 30:30:40의 부피비로 혼합한 유기용매에 1.15M LiPF6를 첨가한 용액을 전해질로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 각형의 리튬 이차 전지를 제조하였다.Example 1 except that ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC): diethyl carbonate (DEC) was mixed with an organic solvent in which a volume ratio of 30:30:40 was added to a solution of 1.15M LiPF 6 as an electrolyte. In the same manner as in 1, a rectangular lithium secondary battery was prepared.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

에틸렌 카보네이트(EC):에틸메틸 카보네이트(EMC):프로필렌 카보네이트(PC):플루오로벤젠(FB)을 30:55:5:10의 부피비로 혼합한 유기용매에 1.15M LiPF6를 첨가한 용액을 전해질로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 각형의 리튬 이차 전지를 제조하였다.1.15 M LiPF 6 was added to an organic solvent in which ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC): propylene carbonate (PC): fluorobenzene (FB) was mixed in a volume ratio of 30: 55: 5: 10. A rectangular lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte was used as an electrolyte.

상기 실시예 및 비교예의 스웰링 특성을 평가하기 위하여 실시예 2 및 비교예 2의 각형 리튬 이차 전지 각각 10개에 대하여 4.2V 내지 2.75V의 전압 범위에서 0.2C로 7시간 충방전을 실시하여 화성(formation)을 실시하였다. 충방전 용량과 화성 전후의 전지두께를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 표 2의 결과는 실시예 2 및 비교예 2의 전지를 각각 10개씩 측정하여 그 평균값을 기재한 것이다. 또한 실시예 2의 화성시 충방전 그래프를 도 2에 도시하였다.In order to evaluate the swelling characteristics of the Examples and Comparative Examples, each of the rectangular lithium secondary batteries of Example 2 and Comparative Example 2 was charged and discharged at 0.2C for 7 hours at a voltage range of 4.2 V to 2.75 V for 7 hours. (formation) was performed. The charge and discharge capacity and the thickness of the battery before and after chemical conversion were measured and the results are shown in Table 1 below. The result of Table 2 measures ten batteries of Example 2 and Comparative Example 2, and describes the average value. In addition, Figure 2 shows the charge and discharge graph of the chemical composition of Example 2.

평가항목Evaluation item 실시예 2Example 2 비교예 2Comparative Example 2 전지의 두께(mm)Battery thickness (mm) 화성전Hwaseongjeon 4.804.80 4.804.80 화성후After Mars 4.864.86 5.015.01 화성시 용량(mAh)Mars Capacity (mAh) 충전용량Charging capacity 11021102 959959 방전용량Discharge capacity 959959 884884

상기 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 2의 스웰링 특성이 비교예 2에 비하여 우수한 것으로 나타났다.As shown in Table 1, the swelling characteristic of Example 2 according to the present invention was found to be superior to Comparative Example 2.

또한 표 1과 도 2의 결과에서 실시예 2의 충전 용량 및 방전 용량이 비교예2에 비하여 더 우수한 것으로 나타났다.In addition, in the results of Table 1 and FIG. 2, the charge capacity and the discharge capacity of Example 2 were found to be superior to those of Comparative Example 2.

상기 실시예 및 비교예의 각형 전지를 정전류-정전압(CC-CV) 조건하에서 0.5C로 4.2V의 종지전압까지 충전한 다음 CC 조건하에서 0.2C로 2.75V의 종지전압까지 방전하여 저율에서의 충방전 특성을 평가하였다. 이중 실시예 2와 비교예 2의 충방전 그래프를 도 3a에 도시하였다. 상기 실시예 및 비교예의 각형 전지를 정전류-정전압(CC-CV) 조건하에서 0.5C로 4.2V의 종지전압까지 충전한 다음 CC 조건하에서 2C로 2.75V의 종지전압까지 방전하여 고율에서의 충방전 특성을 평가하였다. 이중 실시예 2와 비교예 2의 충방전 그래프를 도 3b에 도시하였다.Charge and discharge at low rates by charging the square cells of the above Examples and Comparative Examples to a terminal voltage of 4.2 V at 0.5 C under constant current-constant voltage (CC-CV) conditions and then to a terminal voltage of 2.75 V at 0.2 C under CC conditions. The properties were evaluated. The charge and discharge graphs of Example 2 and Comparative Example 2 are shown in FIG. 3A. Charge-discharge characteristics at high rates by charging the square cells of the above Examples and Comparative Examples to a terminal voltage of 4.2V at 0.5C under constant current-constant voltage (CC-CV) conditions and then to a terminal voltage of 2.75V at 2C under CC conditions Was evaluated. The charge and discharge graphs of Example 2 and Comparative Example 2 are illustrated in FIG. 3B.

도 3a와 도 3b에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 2의 충방전 특성이 저율에서 뿐만 아니라 고율에서도 비교예 2에 비하여 월등히 우수한 것으로 나타났다.As shown in FIGS. 3A and 3B, the charge and discharge characteristics of Example 2 according to the present invention were shown to be much better than those of Comparative Example 2 not only at a low rate but also at a high rate.

또한 실시예 및 비교예의 각형 전지에 대하여 상온에서의 수명특성을 평가하였다. 수명특성은 정전류-정전압(CC-CV) 조건하에서 1C로 4.2V의 종지전압까지 충전한 다음 CC 조건하에서 1C로 2.75V의 종지전압까지 방전을 300회 실시하여 평가하였다. 이중 실시예 2 및 비교예 2의 수명특성을 도 4에 도시하였다. 도 4의 결과에서 본 발명에 따른 실시예 2의 수명특성이 비교예 2에 비하여 매우 우수한 것을 확인할 수 있다.In addition, the life characteristics at room temperature were evaluated for the rectangular batteries of Examples and Comparative Examples. The lifetime characteristics were evaluated by charging to the end voltage of 4.2V at 1C under constant current-constant voltage (CC-CV) conditions and then performing 300 discharges to the end voltage of 2.75V at 1C under CC conditions. The lifetime characteristics of Example 2 and Comparative Example 2 are shown in FIG. 4. In the results of Figure 4 it can be seen that the life characteristics of Example 2 according to the present invention is very excellent compared to Comparative Example 2.

실시예 및 비교예의 각형 전지를 4.2V 내지 2.75V의 전압범위에서 0.2C로 충전한 후 영하 20℃에서 4시간 방치한 후 0.5C로 방전하여 방전 용량을 측정하여 저온특성을 평가하였다. 실시예 2의 전지의 용량은 480mAh임에 비하여 비교예 2의전지의 용량은 360mAh로 낮게 나타났다. 이로부터 본 발명에 따라 제조된 전지가 저온 특성도 우수함을 알 수 있다.The rectangular batteries of Examples and Comparative Examples were charged at 0.2 C in a voltage range of 4.2 V to 2.75 V, and then left at minus 20 ° C. for 4 hours, and then discharged at 0.5 C to measure discharge capacity. The capacity of the battery of Example 2 was 480 mAh, whereas the capacity of the battery of Comparative Example 2 was 360 mAh. From this it can be seen that the battery produced according to the present invention is excellent in low temperature properties.

본 발명의 전해질을 포함하는 리튬 전지는 용량 특성, 고율 특성, 저온 특성 등과 같은 전기화학적 특성과 스웰링 특성이 우수하다.The lithium battery including the electrolyte of the present invention is excellent in electrochemical and swelling characteristics such as capacity characteristics, high rate characteristics, low temperature characteristics, and the like.

Claims (16)

비수성 유기용매; 리튬염; 및 하기 화학식 1의 전해질 첨가제를 포함하는 리튬 전지용 전해질:Non-aqueous organic solvents; Lithium salts; And an electrolyte additive of an electrolyte of Formula 1 below: [화학식 1][Formula 1] (상기 식에서 R1, R2및 R3는 각각 독립적으로 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 알콕시기, 또는 아릴기, 및 치환된 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 알콕시기 또는 아릴기로 이루어진 군에서 선택되고, R1, R2및 R3중 적어도 하나는 아릴기이다.)Wherein R 1 , R 2 and R 3 are each independently selected from the group consisting of alkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy, or aryl groups, and substituted alkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy or aryl groups And at least one of R 1 , R 2 and R 3 is an aryl group.) 제1항에 있어서, 상기 전해질 첨가제는 하기 화학식 2로 나타내어지는 화합물인 리튬 전지용 전해질:The electrolyte for a lithium battery of claim 1, wherein the electrolyte additive is a compound represented by the following Chemical Formula 2: [화학식 2][Formula 2] (상기 식에서 X는 할로겐이고, l, m 및 n은 0 내지 5의 범위에 있다.)(Wherein X is halogen and l, m and n are in the range of 0 to 5). 제1항에 있어서, 상기 전해질 첨가제는 R1, R2및 R3중 적어도 하나는 페닐기 또는 치환된 페닐기인 리튬 전지용 전해질.The electrolyte for a lithium battery of claim 1, wherein the electrolyte additive is at least one of R 1 , R 2, and R 3 being a phenyl group or a substituted phenyl group. 제1항에 있어서, 상기 전해질 첨가제는 트리스(4-브로모페닐)아민인 리튬 전지용 전해질.The electrolyte of claim 1, wherein the electrolyte additive is tris (4-bromophenyl) amine. 제1항에 있어서, 상기 전해질 첨가제의 함량은 전해질에 대하여 0.1 내지 7 중량%인 리튬 전지용 전해질.The electrolyte of claim 1, wherein the content of the electrolyte additive is 0.1 to 7 wt% based on the electrolyte. 제1항에 있어서, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 또는 2종 이상인 리튬 전지용 전해질.The method of claim 1, wherein the lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 4 , One or two selected from the group consisting of LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ), wherein x and y are natural numbers, LiCl, and LiI The electrolyte for lithium batteries described above. 제1항에 있어서, 상기 리튬염은 0.7 내지 2.0M의 농도로 사용되는 리튬 전지용 전해질.The electrolyte for a lithium battery of claim 1, wherein the lithium salt is used at a concentration of 0.7 to 2.0 M. 제1항에 있어서, 상기 비수성 유기용매는 카보네이트, 에스테르, 에테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 용매인 리튬 전지용 전해질.The electrolyte of claim 1, wherein the non-aqueous organic solvent is at least one solvent selected from the group consisting of carbonates, esters, ethers, and ketones. 제8항에 있어서, 상기 카보네이트는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC) 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 부틸렌 카보네이트(BC)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 용매인 리튬 전지용 전해질.The method of claim 8 wherein the carbonate is dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC) ethylene An electrolyte for a lithium battery, which is at least one solvent selected from the group consisting of carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC). 제8항에 있어서, 상기 카보네이트는 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트의 혼합용매인 리튬 전지용 전해질.The electrolyte of claim 8, wherein the carbonate is a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate. 제1항에 있어서, 상기 비수성 유기용매는 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 유기용매의 혼합용매인 리튬 전지용 전해질.The electrolyte of claim 1, wherein the non-aqueous organic solvent is a mixed solvent of a carbonate solvent and an aromatic hydrocarbon organic solvent. 제11항에 있어서, 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 하기 화학식 4의 방향족 화합물인 리튬 전지용 전해질.The electrolyte of claim 11, wherein the aromatic hydrocarbon-based organic solvent is an aromatic compound represented by Formula 4 below. [화학식 4][Formula 4] (상기 식에서 R4는 할로겐 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고 p는 0 내지 6의 정수이다.)(Wherein R 4 is halogen or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms and p is an integer of 0 to 6). 제12항에 있어서, 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 트리플루오로톨루엔, 자일렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 용매인 리튬 전지용 전해질.The electrolyte of claim 12, wherein the aromatic hydrocarbon organic solvent is at least one solvent selected from the group consisting of benzene, fluorobenzene, toluene, fluorotoluene, trifluorotoluene, xylene, and mixtures thereof. . 제12항에 있어서, 상기 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 유기용매는 1:1 내지 30:1의 부피비로 혼합되는 것인 리튬 전지용 전해질.The electrolyte of claim 12, wherein the carbonate solvent and the aromatic hydrocarbon organic solvent are mixed in a volume ratio of 1: 1 to 30: 1. 비수성 유기용매; 리튬염; 및 트리스(4-브로모페닐)아민을 포함하는 리튬 전지용 전해질.Non-aqueous organic solvents; Lithium salts; And tris (4-bromophenyl) amine. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 전해질을 포함하는 리튬 전지.A lithium battery comprising the electrolyte according to any one of claims 1 to 15.
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