KR20060014280A - Non-aqueous electrolyte for secondary batteries and secondary batteries containing the same - Google Patents

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KR20060014280A
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양호석
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Abstract

본 발명은 양극 표면에서 먼저 산화분해하여 패시베이션 층을 형성하므로써, 양극 표면에서의 전해질의 산화 분해 반응을 억제하는 첨가제를 포함하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.The present invention provides a non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery comprising an additive which inhibits the oxidative decomposition reaction of the electrolyte on the surface of the cathode by first oxidizing and forming a passivation layer on the surface of the cathode.

보다 구체적으로, 본 발명은 리튬염, 비수성 유기용매 및 할로겐화 인산에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액 및 상기 비수전해액을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다. More specifically, the present invention provides a lithium secondary battery nonaqueous electrolyte and a lithium secondary battery comprising the nonaqueous electrolyte, characterized in that it comprises a lithium salt, a non-aqueous organic solvent and a halogenated phosphate ester.

본 발명에 의하면, 전지 특성에 영향을 주지 않고, 만충전 후 고온 저장 시에도 전지의 두께 팽창을 억제할 수 있어 전지 세트 장착시 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 과충전시 열폭주 현상을 방지하고, 가연성 전해액의 난연도를 향상시켜 리튬 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to suppress the thickness expansion of the battery even at high temperature storage after full charge without affecting the battery characteristics, thereby improving the reliability when the battery set is mounted. In addition, it is possible to prevent thermal runaway during overcharging and to improve the flame retardancy of the flammable electrolyte, thereby improving the safety of the lithium secondary battery.

이차전지, 비수전해액, 할로겐화 인산에스테르Secondary Battery, Non-Aqueous Electrolyte, Halogenated Phosphate Ester

Description

리튬이차전지용 비수전해액 및 그를 포함하는 리튬이차전지{Non-Aqueous Electrolyte for Secondary Batteries and Secondary Batteries containing the Same}Non-Aqueous Electrolyte for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Containing It {Non-Aqueous Electrolyte for Secondary Batteries and Secondary Batteries containing the Same}

도1은 90℃, 8시간 고온 부풀림 결과이다.1 is a result of high temperature inflation at 90 ° C. for 8 hours.

도2는 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 통한 전극의 반응성 실험 결과이다.FIG. 2 shows the results of reactivity experiments of electrodes through cyclic voltammetry. FIG.

도3은 DSC를 통한 양극의 발열량 비교 결과이다.3 is a result of comparing the calorific value of the positive electrode through DSC.

도4는 DSC를 통한 음극의 발열량 비교 결과이다.4 is a result of comparing the calorific value of the cathode through DSC.

도5는 3C-rate, 10V 과충전 실험 결과이다.5 is a 3C-rate, 10V overcharge test results.

최근 첨단 전자산업의 발달로 전자장비의 소량화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 증대되고 있다. 이러한 휴대용 전자 기기의 전원 으로 높은 에너지 밀도를 가진 전지의 필요성이 증대되어 리튬 이차 전지의 연구가 활발하게 진행되고 있다. Recently, with the development of the high-tech electronic industry, it is possible to reduce the weight and weight of electronic equipment, thereby increasing the use of portable electronic devices. The need for a battery having a high energy density as a power source for such a portable electronic device has been increasing, and research on lithium secondary batteries has been actively conducted.

리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 금속 산화물이 사용되고, 음극 활물 질로는 리튬 금속, 리튬 합금, (결정질 또는 비정질) 탄소 또는 탄소 복합체가 사용되고 있다.Lithium metal oxide is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, and lithium metal, a lithium alloy, (crystalline or amorphous) carbon or a carbon composite material is used as a negative electrode active material.

리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형 또는 코인형 등이 있다. The lithium secondary battery may be classified into a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, and a lithium polymer battery according to the type of separator and electrolyte used, and may be cylindrical, square or coin type depending on the form.

리튬 이차 전지의 평균 방전 전압은 3.6∼3.7V 정도로 다른 알칼리 전지, Ni-MH 전지, Ni-Cd 전지 등에 비하여 높은 전력을 얻을 수 있다. 그러나 이런 높은 구동 전압을 내기 위해서는 충방전 전압영역인 0∼4.2V에서 전기화학적으로 안정한 전해액 조성물이 요구된다. 이러한 이유로 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등의 비수성 카보네이트계 용매의 혼합물을 전해액으로 사용하고 있다. 그러나 이러한 조성을 가지는 전해액은 Ni-MH 전지 또는 Ni-Cd 전지에 사용되는 수계(aqueous) 전해액에 비하여 이온전도도가 현저히 낮아 고율 충방전시 전지 특성이 저하되는 문제점이 있다.The average discharge voltage of the lithium secondary battery is about 3.6 to 3.7 V, and high power can be obtained as compared with other alkaline batteries, Ni-MH batteries, Ni-Cd batteries and the like. However, in order to produce such a high driving voltage, an electrochemically stable electrolyte composition is required in the charge and discharge voltage range of 0 to 4.2 V. For this reason, a mixture of non-aqueous carbonate solvents such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate is used as the electrolyte solution. However, the electrolytic solution having such a composition has a problem in that the battery characteristics are lowered at high rate charge / discharge compared to the aqueous electrolytic solution used in Ni-MH batteries or Ni-Cd batteries.

리튬 이차 전지의 초기 충전시 양극인 리튬 금속 산화물로부터 나온 리튬 이온이 음극인 탄소 전극으로 이동하여 탄소에 인터컬레이션된다. 이때 리튬은 반응성이 강하므로 탄소 전극과 반응하여 Li2CO3, LiO, LiOH 등을 생성시켜 음극의 표면에 피막을 형성한다. During the initial charging of the lithium secondary battery, lithium ions from the lithium metal oxide as the positive electrode move to the carbon electrode as the negative electrode and are intercalated with carbon. At this time, since lithium is highly reactive, it reacts with the carbon electrode to generate Li 2 CO 3, LiO, LiOH, and the like to form a film on the surface of the negative electrode.

이러한 피막을 SEI(Solid Electrolyte Interface) 필름이라고 한다. 충전 초기에 형성된 SEI 피막은 충방전중 리튬 이온과 탄소 음극 또는 다른 물질과의 반응 을 막아준다. 또한 이온 터널(ion tunnel)의 역할을 수행하여 리튬 이온만을 통과시킨다. 상기 이온 터널은 리튬 이온을 용매화(solvation)시켜 함께 이동하는 분자량이 큰 전해액의 유기용매들이 탄소 음극에 함께 코인터컬레이션되어 탄소 음극의 구조를 붕괴시키는 것을 막아 주는 역할을 한다. Such a coating is called a SEI (Solid Electrolyte Interface) film. The SEI film formed at the beginning of charging prevents the reaction of lithium ions with a carbon anode or other material during charging and discharging. It also acts as an ion tunnel to pass only lithium ions. The ion tunnel serves to prevent the organic solvents of the large molecular weight electrolytes that solvate lithium ions and move together to be co-intercalated with the carbon anode to collapse the structure of the carbon anode.

따라서 일단 SEI 피막이 형성되고 나면, 리튬 이온은 다시 탄소 음극이나 다른 물질과 부반응을 하지 않게 되어 리튬 이온의 양이 가역적으로 유지된다. 즉, 음극의 탄소는 충전 초기에 전해액과 반응하여 음극 표면에 SEI 피막과 같은 패시베이션층(passivation layer)을 형성하여 전해액이 더 이상 분해되지 않고 안정적인 충방전을 유지할 수 있도록 한다(J. Power Sources, 51(1994), 79-104).Therefore, once the SEI film is formed, lithium ions do not react sideways with the carbon negative electrode or other materials again, so that the amount of lithium ions is reversibly maintained. That is, the carbon of the cathode reacts with the electrolyte at the initial stage of charge to form a passivation layer such as an SEI film on the surface of the cathode to maintain stable charge and discharge without further decomposition of the electrolyte (J. Power Sources, 51 (1994), 79-104.

이러한 이유로 리튬 이차 전지는 초기의 충전 반응 이후 더 이상의 비가역적인 패시베이션층의 형성 반응을 나타내지 않고 안정적인 사이클 라이프를 유지할 수 있다. For this reason, the lithium secondary battery may maintain a stable cycle life after exhibiting no reaction of forming an irreversible passivation layer after the initial charging reaction.

그러나, SEI 피막 형성 반응 중 카보네이트계 유기용매의 분해로 인하여 전지 내부에 가스가 발생하는 문제점이 있다(J. Power Sources, 72(1998), 66-70). 이러한 가스로는 비수성 유기용매와 음극 활물질의 종류에 따라 H2, CO, CO2 , CH4, C2H6, C3H8, C3H6 등이 될 수 있다. 전지 내부의 가스 발생으로 인하여 충전시 전지의 두께가 팽창된다. However, there is a problem in that gas is generated inside the battery due to decomposition of the carbonate-based organic solvent during the SEI film formation reaction (J. Power Sources, 72 (1998), 66-70). Such gases include H 2 , depending on the type of the non-aqueous organic solvent and the negative electrode active material. CO, CO 2 , CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 3 H 6 and the like. Due to the gas generation inside the battery, the thickness of the battery is expanded during charging.

또한, 만충전 후 고온 저장시 시간이 경과함에 따라 증가된 전기화학적 에너지와 열에너지에 의하여 패시베이션 층이 서서히 붕괴되어 노출된 음극 표면과 주 위의 전해액이 반응하는 부반응이 지속적으로 일어나게 된다. In addition, as time passes during high temperature storage after full charge, the passivation layer is gradually collapsed by the increased electrochemical energy and thermal energy, so that side reactions in which the exposed cathode surface reacts with the surrounding electrolyte continuously occur.

이때 계속적으로 가스가 발생하여 전지 내부의 압력이 상승하게 된다. 이러한 내압의 증가는 각형 전지와 리튬 폴리머 전지(PLI)가 특정 방향으로 부풀어오르는 등 전지의 특정면의 중심부가 변형되는 현상을 유발한다. 이로 인하여 전지의 전극군내 극판간 밀착성에서 국부적인 차이점이 발생하여 전지의 성능과 안전성이 저하되고 리튬 이차 전지의 세트 장착 자체를 어렵게 하는 문제점이 있다.At this time, gas is continuously generated to increase the pressure inside the battery. The increase in the internal pressure causes a phenomenon in which the center portion of the specific surface of the battery is deformed, such as the rectangular battery and the lithium polymer battery (PLI) swelling in a specific direction. As a result, a local difference occurs in the adhesion between the electrode plates in the electrode group of the battery, thereby degrading performance and safety of the battery and making it difficult to install the lithium secondary battery.

상기 문제점을 해결하기 위한 방법으로 일정 수준 이상의 내압 상승 시 내부의 전해액을 분출시키기 위한 벤트 또는 전류 차단기(current breaker)를 장착하여 비수성 전해액을 포함하는 이차 전지의 안전성을 개선하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 내압 상승으로 인하여 오작동의 위험까지 야기시키는 문제점이 있다.As a method for solving the above problems, there is a method of improving the safety of a secondary battery including a non-aqueous electrolyte by installing a vent or a current breaker for ejecting an internal electrolyte when the internal pressure rises above a predetermined level. However, this method has a problem of causing a risk of malfunction due to the increase in internal pressure.

또한, 내압 상승을 억제하기 위하여 전해액에 첨가제를 주입하여 SEI 형성 반응을 변화시키는 방법이 알려져 있다. 그 예로, 일본 특허공개 제9-73918호에는1% 이하의 디페닐 피크릴히드라질(diphenyl picrylhydrazyl) 화합물을 첨가함으로써 전지의 고온저장성을 향상시키는 방법이 개시되어 있고, 일본 특허공개 제8-321312호에는 1~20%의 N-부틸 아민류의 화합물을 전해액에 사용함으로써 수명 성능 및 장기 저장성을 향상시키는 방법이 개시되어 있으며, 일본 특허공개 제8-64238호에는 3×10 -4 ∼3×10 -2 몰의 칼슘염을 첨가하여 전지의 저장성을 향상시키는 방법이 개시되어 있고, 일본 특허공개 제6-333596호에는 아조 화합물을 첨가하여 전해액과 음극과의 반응을 억제시킴으로써 전지의 저장성을 향상시키는 방법이 개시되어 있 다. In addition, a method of changing the SEI formation reaction by injecting an additive into the electrolyte in order to suppress an increase in the internal pressure is known. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-73918 discloses a method of improving the high temperature storage property of a battery by adding 1% or less of a diphenyl picrylhydrazyl compound, and Japanese Patent Laid-Open No. 8-321312 No. 1 discloses a method of improving the service life performance and long-term shelf life by using a compound of 1 to 20% N-butyl amines in an electrolytic solution. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-64238 discloses 3 × 10 -4 to 3 × 10. A method of improving the shelf life of a battery by adding -2 moles of calcium salt is disclosed. Japanese Patent Laid-Open No. 6-333596 discloses a method of improving the shelf life of a battery by adding an azo compound to suppress the reaction between the electrolyte and the negative electrode. A method is disclosed.

또한, 일본 특허공개 제7-176323호는 전해액에 CO2를 첨가하는 방법을 개시하고 있고, 일본 특허공개 제7-320779호에는 전해액에 설파이드계 화합물을 첨가하여 전해액 분해를 억제하는 방법이 기재되어 있다.In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 7-176323 discloses a method of adding CO 2 to an electrolyte, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-320779 describes a method of suppressing decomposition of an electrolyte by adding a sulfide compound to the electrolyte. have.

이와 같이 전지의 저장성과 안정성을 개선하기 위해서 소량의 유기물 또는 무기물을 첨가함으로써 SEI 피막과 같은 음극 표면에 적절한 피막 형성을 유도하는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 첨가되는 화합물은 고유의 전기화학적 특성에 따라 초기 충방전시 음극인 카본과 상호작용하여 분해되거나 불안정한 피막을 형성하며, 그 결과로 전자내 이온 이동성이 저하되고, 전지내부에 기체를 발생시키며, 내압을 상승시킴으로써 오히려 전지의 저장성과 안정성, 수명 성능 및 용량을 악화시키는 문제점이 있다. As such, a small amount of organic matter or By adding an inorganic substance, the method of inducing an appropriate film formation on the surface of a cathode like an SEI film is used. However, the added compound, depending on its intrinsic electrochemical properties, interacts with carbon, which is a cathode during initial charge and discharge, to form a decomposed or unstable film, resulting in deterioration of ion mobility in the electrons and generation of gas in the cell. Rather, by increasing the internal pressure, there is a problem of worsening the storage and stability, life performance and capacity of the battery.

비수전해질 이차전지에 있어서 전자기기의 전원회로나 충전장치가 고장나고 과충전 상태가 된 경우, 전지 내로 이상한 발열이 생기고, 극단적인 경우는 전지의 파손이나 발화에 이를 것이 예상되기 때문에 전지가 열 폭주를 일으키지 않도록 효과적으로 발열을 억제하고, 전지의 안정성을 확보하는 것이 중요한 과제가 되어왔다.In non-aqueous electrolyte secondary batteries, if the power circuit or charging device of the electronic device breaks down and the battery is overcharged, abnormal heat generation occurs in the battery, and in extreme cases, the battery may be damaged or ignited. It has become an important subject to effectively suppress heat generation and to ensure the stability of the battery so as not to cause it.

과충전 시 전지의 파열, 발화방지 대책으로는, 충전기에 의한 충전 전압의 제어를 행한 방법이 주류로 되어 왔다. 그러나, 현재 상태로서는 보호회로, 보호소자의 이용은, 전지팩의 소형화 및 저비용화에 큰 제약을 주기 때문에 보호회로, 보 호소자 없이 안정성을 확보하는 것이 바람직하다.As a countermeasure against bursting and ignition of a battery during overcharging, a method of controlling the charging voltage by a charger has become mainstream. However, in the present state, since the use of the protection circuit and the protection element places great restrictions on the miniaturization and cost reduction of the battery pack, it is desirable to secure the stability without the protection circuit and the protection element.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 리튬이차전지의 전해액 중에 첨가제로서 소량의 방향족 화합물을 첨가하여, 전지의 과충전에 대하여 안정성을 확보하려고 한 것이, 특개평 7-302614호 공보, 특개평9-50822호 공보, 특개평9-106835호 공보, 특허 제2939469호 공보등에 제안 되었다. 또한, 특개평7-302614호 공보 및 특개평호 공보에 있어서는, 전해액중에 첨가제로서, 분자량 500이하의, 이차전지 의 만충전시의 정극 전위 이상에서 가역성 산화환원 전위를 가지며, π 전자궤도를 갖는 아니솔(Anisole)등의 유기 저분자 화합물의 사용을 제안하고 있는데, 이는 첨가제가 산화환원셔틀(redox shuttle)이라고 불리는 작용으로, 과충전시에 과충전전류를 소비하고, 보호기구가 성립한다고 제안하였다. 특개평 9-106835호 공보에 있어서는, 첨가제가 과충전 상태의 전압에서 중합반응을 시작하고, 저항체로 작용하여 과충전시 전지를 보호 하는 것을 제안하고 있다. 그렇지만, 특개평7-302614호 공보 및 특개평 9-50822호 공보로 제안된 아니솔(Anisole)은 과충전 시에 확실히 산화환원셔틀(redox shuttle)로서 기능을 한 것이지만, 일반적인 전지 사용전압 범위에서 반응해 버리고, 이는 방전용량의 사이클 특성에 악영향을 미치는 것으로 알려졌다.In order to solve such a problem, it was intended to add a small amount of aromatic compounds as an additive to the electrolyte of a lithium secondary battery to ensure stability against overcharging of the battery. It is proposed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-106835, Patent No. 2939469, and the like. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-302614 and Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1, an anisole having an reversible redox potential and having a π electron orbit as an additive in an electrolyte solution having a molecular weight of 500 or less and a positive electrode potential at the time of full charge of a secondary battery. It is proposed to use organic low molecular weight compounds such as (Anisole), which is an additive called redox shuttle, which consumes overcharge current during overcharging and establishes a protective mechanism. In Japanese Patent Laid-Open No. 9-106835, it is proposed that an additive starts a polymerization reaction at a voltage in an overcharge state, and acts as a resistor to protect the battery during overcharge. However, the anisole proposed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 7-302614 and 9-50822 clearly functions as a redox shuttle during overcharging, but reacts in a general battery operating voltage range. This has been known to adversely affect the cycle characteristics of the discharge capacity.

또한, 고에너지밀도 및 고출력밀도에 대한 요구가 증대되고 있는 시점에서 전지의 안전성 향상을 위하여 카보네이트계 가연성 전해액의 난연성을 증가시키기 위하여 난연성의 인산 에스테르(ester)류를 전해액에 첨가하는 것이 제안되어 있다 (특개평4-184870호 공보, 특개평 8-88023호 공보, 특개평 10-189038~189040호 공보).In addition, when the demand for high energy density and high power density is increasing, it has been proposed to add flame retardant phosphate esters to the electrolyte in order to increase the flame retardancy of the carbonate-based flammable electrolyte to improve the safety of the battery. (Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-184870, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-88023, and Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-189038-189040).

그러나, 이런 종류의 화합물을 첨가하면, 난연성은 부여할 수 있으나 전기전도도가 저하되고, 전해액 특성이 대폭 떨어지게 된다. 또 인산 에스테르의 침투성이 높기 때문에 음극 표면에 형성되는 피막에 침투하여 전극에서 표면반응이 일어난다. 그 결과 충방전효율, 에너지 밀도, 출력밀도 등의 전지 특성도 인산에스테르의 첨가 전에 비하여 대폭 뒤떨어지기 때문에 실용화 되기 어렵다. 그 밖에도 실란화합물(특개평 3-236168~236171호 공보)이나, 불소화합물(특개평 8-138737호 공보, 특개평 10-116629호 공보)에 있어서도 마찬가지로 첨가 시 전해액 및 전지의 특성이 떨어지기 때문에 실용화 되기 어렵다.However, when this kind of compound is added, flame retardancy can be imparted, but electrical conductivity is lowered, and electrolyte characteristics are greatly degraded. In addition, due to the high permeability of the phosphate ester, it penetrates into the film formed on the surface of the negative electrode and surface reaction occurs at the electrode. As a result, battery characteristics such as charge and discharge efficiency, energy density, and output density are also significantly inferior to those before the addition of phosphate esters, making them difficult to be used. In addition, the silane compounds (Japanese Patent Laid-Open Publication Nos. 3-236168 to 236171) and fluorine compounds (Japanese Patent Laid-Open Publications No. Hei 8-138737 and Hei 10-116629) similarly deteriorate the characteristics of the electrolyte and the battery when added. It is hard to be practical.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 양극 표면에서 먼저 산화분해하여 패시베이션 층을 형성하므로써, 양극 표면에서의 전해질의 산화 분해 반응을 억제하는 첨가제를 포함하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery comprising an additive that inhibits the oxidative decomposition reaction of the electrolyte on the surface of the cathode by oxidatively decomposing first on the surface of the cathode. do.

본 발명에 의하면, 전지의 저온 특성이나 보존 특성 등 전지 특성을 저하시키지 않으면서, 만충전후 고온 저장시 전지의 두께 팽창을 억제할 수 있어 전지 세트 장착시 신뢰성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to suppress the expansion of the thickness of the battery during high temperature storage after full charge without reducing the battery characteristics such as low temperature characteristics and storage characteristics of the battery, thereby improving reliability when the battery set is mounted.

또한, 본 발명은 열폭주 현상을 방지하고 가연성 전해액의 난연도를 향상시켜 리튬 이차전지의 안전성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to prevent thermal runaway phenomenon and to improve the flame retardancy of the flammable electrolyte, thereby improving the safety of the lithium secondary battery.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬염, 비수성 유기용매 및 하기 화학식1 또는 하기 화학식2의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a lithium secondary battery non-aqueous electrolyte, characterized in that it comprises a lithium salt, a non-aqueous organic solvent and the compound of formula (1) or formula (2).

Figure 112004035708573-PAT00001
Figure 112004035708573-PAT00001

(단, R1~R3는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 C=1~5의 알킬기 또는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 벤젠기이다.)(However, R1 to R3 is a C = 1-5 alkyl group in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with halogen elements, or a benzene group in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with halogen elements.)

Figure 112004035708573-PAT00002
Figure 112004035708573-PAT00002

(단, R4는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 C=1~5의 알킬기 또는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 벤젠기이고, R5는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 C=1~5의 알킬기이다.)(Wherein R4 is a C = 1-5 alkyl group in which part or all of hydrogen atoms are substituted with halogen elements or a benzene group in which part or all of hydrogen atoms are substituted with halogen atoms, and R5 is part or all of hydrogen atoms) C = 1-5 alkyl group substituted with halogen.)

본 발명은 일 실시예로, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6 , LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC 4F9SO3, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단, x 및 y는 자연수이다), LiCl 및 LiI로 이루어진 군에 서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.In one embodiment, 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 At least one selected from the group consisting of 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 It provides a nonaqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery.

본 발명은 일 실시예로, 상기 리튬염은 0.6 내지 2M의 농도인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다. In one embodiment, the lithium salt provides a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery, characterized in that the concentration of 0.6 to 2M.

리튬염의 농도는 0.7 내지 1.6M 범위 내에서 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 리튬염의 농도가 0.6M 미만이면 전해질의 전도도가 낮아져 전해질 성능이 떨어지고, 2M을 초과하는 경우에는 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소되고 저온성능도 저하되는 문제점이 있다.The concentration of the lithium salt is more preferably used within the range of 0.7 to 1.6M. If the concentration of the lithium salt is less than 0.6M, the conductivity of the electrolyte is lowered, the performance of the electrolyte is lowered, if it exceeds 2M, the viscosity of the electrolyte is increased, there is a problem that the mobility of lithium ions is reduced and low-temperature performance is also reduced.

본 발명은 일 실시예로, 상기 비수성 유기용매는 카보네이트, 에스테르, 에테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.In one embodiment, the non-aqueous organic solvent provides a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery, characterized in that at least one selected from the group consisting of carbonate, ester, ether and ketone.

본 발명은 일 실시예로, 상기 카보네이트는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC) 에틸렌 카보네이트(EC), 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐 에틸렌 카보네이트(VEC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 부틸렌 카보네이트(BC)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.In one embodiment, the carbonate is dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC ) Non-aqueous lithium secondary battery, characterized in that at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate (EC), vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate (BC) Provide an electrolyte solution.

본 발명은 일 실시예로, 상기 카보네이트로 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다. The present invention provides a non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery, wherein the carbonate is used by mixing a cyclic carbonate and a chain carbonate.

이때, 상기 환형 카보네이트와 상기 사슬형 카보네이트는 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 1:1.5 내지 1:4의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 부피비로 혼합되어야 전해질의 성능이 바람직하게 나타난다.In this case, the cyclic carbonate and the chain carbonate are preferably used in a volume ratio of 1: 1 to 1: 9, more preferably used in a volume ratio of 1: 1.5 to 1: 4. The performance of the electrolyte is preferable when mixed in the above volume ratio.

본 발명은 일 실시예로, 상기 비수성 유기용매는 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 유기용매의 혼합용매인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.In one embodiment, the non-aqueous organic solvent provides a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery, characterized in that the mixed solvent of a carbonate solvent and an aromatic hydrocarbon organic solvent.

본 발명은 일 실시예로, 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 하기 화학식3의 화합물인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.In one embodiment, the aromatic hydrocarbon-based organic solvent provides a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery, characterized in that the compound of formula (3).

Figure 112004035708573-PAT00003
Figure 112004035708573-PAT00003

(단, R은 할로겐 또는 C=1~10의 알킬기이고, n은 1 내지 5이다.)(Wherein R is a halogen or an alkyl group of C = 1 to 10, and n is 1 to 5)

본 발명은 일 실시예로, 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 트리플루오로톨루엔 및 자일렌으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.In one embodiment, the aromatic hydrocarbon-based organic solvent is at least one selected from the group consisting of benzene, fluorobenzene, toluene, fluorotoluene, trifluorotoluene and xylene Provide a nonaqueous electrolyte.

본 발명은 일 실시예로, 상기 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 유기 용매는 1:1 내지 50:1의 부피비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다. 상기 부피비로 혼합되어야 전해질의 성능이 바람직하게 나타난다.In one embodiment, the carbonate-based solvent and the aromatic hydrocarbon-based organic solvent provides a non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery, characterized in that mixed in a volume ratio of 1: 1 to 50: 1. The performance of the electrolyte is preferable when mixed in the above volume ratio.

본 발명은 일 실시예로, 상기 에스테르는 부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide),발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, 및 n-프로필 아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.In one embodiment, the ester is butyrolactone, decanolide (decanolide), valerolactone, mevalonolactone (mevalonolactone), caprolactone (caprolactone), n-methyl acetate, n-ethyl acetate, And it provides a non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery, characterized in that selected from the group consisting of n-propyl acetate.

상기 에테르로는 디부틸 에테르 등이 사용될 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다.Dibutyl ether and the like may be used as the ether, but is not limited thereto.

본 발명은 일 실시예로, 상기 화학식1의 화합물이 하기 화학식4의 트리플루오르에틸 포스페이트(Trifluoroehtly phosphate, TFEP) 또는 하기 화학식5의 트리플루오르페닐 포스페이트(Trifluorophenyl phosphate, TFPP)인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.In one embodiment, the compound of formula 1 is a lithium secondary, characterized in that the trifluoroethyl phosphate (TFEP) of Formula 4 or the trifluorophenyl phosphate (TFPP) of the formula (5) A nonaqueous electrolyte solution for batteries is provided.

Figure 112004035708573-PAT00004
Figure 112004035708573-PAT00004

Figure 112004035708573-PAT00005
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본 발명은 일 실시예로, 상기 화학식1 또는 상기 화학식2의 화합물은 카보네이트에 대하여 1:1 내지 1:50의 부피비로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다. In one embodiment, the compound of Formula 1 or Formula 2 provides a non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery, characterized in that contained in a volume ratio of 1: 1 to 1:50 relative to carbonate.

화학식1 또는 화학식2의 화합물이 카보네이트에 대하여 1:50 부피비 미만일 경우에는 전지 내부에서의 가스 발생 억제 효과나 또는 난연성에 의한 전지의 안전성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 1:1 부피비를 초과하는 경우에는 전지의 가역성 을 손상시킬 정도의 두꺼운 도전성 피막을 형성하므로 사이클 특성과 같은 전지 성능이 악화되는 문제점이 발생한다.When the compound of Formula 1 or Formula 2 is less than 1:50 volume ratio with respect to carbonate, it is difficult to expect the effect of suppressing gas generation inside the battery or improving the safety of the battery due to flame retardancy. Since a thick conductive film is formed to impair the reversibility of the battery, battery performance such as cycle characteristics deteriorates.

본 발명은 일 실시예로, 상기 화학식4 또는 상기 화학식5의 화합물을 비수성 유기용매에 대하여 1:50 내지 1:5의 부피비로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액을 제공한다.The present invention provides a non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery comprising the compound of Formula 4 or Formula 5 in a volume ratio of 1:50 to 1: 5 relative to the non-aqueous organic solvent.

본 발명은 다른 실시예로, 상기 리튬이차전지용 비수전해액; 리튬 인터칼레이션 화합물을 포함하는 양극 및 탄소, 탄소 복합체, 리튬금속, 또는 리튬합금을 포함하는 음극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In another embodiment, the non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries; It provides a lithium secondary battery comprising a positive electrode containing a lithium intercalation compound and a negative electrode containing carbon, carbon composite, lithium metal, or lithium alloy.

본 발명은 일 실시예로, 상기 리튬이차전지가 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.In one embodiment, the lithium secondary battery provides a lithium secondary battery, characterized in that the lithium ion battery or a lithium polymer battery.

상기 화학식1 또는 화학식2의 화합물은 전지 전압이 과충전 전압에 이르면 분해반응을 시작하고 가스를 발생함과 동시에 전기화학적으로 중합반응을 시작하여 양극 표면에 도전성 중합체 피막을 형성한다. 이 중합체 피막은 저항체로 작용함과 동시에 전해질 중에 재용해되기 어려운 물질이므로 과충전을 억제한다. When the battery voltage reaches the overcharge voltage, the compound of Formula 1 or Formula 2 starts a decomposition reaction, generates gas, and simultaneously starts an electrochemical polymerization reaction to form a conductive polymer film on the surface of the positive electrode. This polymer film acts as a resistor and suppresses overcharge since it is a substance that is hardly re-dissolved in the electrolyte.

또한, 과충전시 발열량을 감소시켜 열폭주 현상을 방지하여 전지의 안전성을 향상시킨다.In addition, by reducing the amount of heat generated during overcharging to prevent thermal runaway phenomenon to improve the safety of the battery.

본 발명의 리튬이차전지용 비수전해액은 통상 -20∼60℃의 온도 범위에서 안정하며, 4V의 전압에서도 안정적인 특성을 유지하므로 리튬이차전지의 안전성과 신뢰성을 향상시킨다.The nonaqueous electrolyte for lithium secondary batteries of the present invention is generally stable at a temperature range of -20 to 60 ° C., and maintains stable characteristics even at a voltage of 4 V, thereby improving safety and reliability of the lithium secondary battery.

본 발명에서 리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1-x-yCoxMyO2 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속)와 같은 리튬 금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물과 같은 리튬 인터칼레이션 화합물을 사용하고, 음극 활물질로는 결정질 또는 비정질의 탄소, 탄소복합체, 리튬 금속, 또는 리튬 합금을 사용한다. 이외에 리튬 이차 전지의 양극활물질, 음극 활물질로 사용되고 있는 모든 물질이 사용될 수 있음은 물론이다.In the present invention, the positive electrode active material of the lithium secondary battery is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , or LiNi 1-xy Co x M y O 2 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1, M is a lithium metal oxide such as a metal such as Al, Sr, Mg, La, etc. or a lithium intercalation compound such as a lithium chalcogenide compound, crystalline or amorphous Carbon, carbon composites, lithium metals, or lithium alloys are used. In addition, any material used as a cathode active material and an anode active material of a lithium secondary battery may be used.

본 발명의 리튬 이차 전지는 활물질을 포함하는 슬러리를 집전체에 코팅한 후 일정 형태로 성형하여 양극 및 음극을 만들고, 상기 양극과 음극을 절연체인 세퍼레이터와 함께 감거나 적층하여 전극 조립체를 만든 다음, 상기 전극 조립체를 전지 케이스에 넣은 후 전해질 주입구를 통하여 전해질을 주입하여 전지를 조립하는 단계를 거쳐 제조된다. In the lithium secondary battery of the present invention, a slurry containing an active material is coated on a current collector and then molded into a predetermined shape to form a positive electrode and a negative electrode, and the electrode and negative electrode are wound or laminated together with a separator which is an insulator to form an electrode assembly. After the electrode assembly is placed in a battery case, the electrolyte is injected through an electrolyte injection hole, and then manufactured through a step of assembling a battery.

상기 세퍼레이터로는 폴리에틸렌 세퍼레이터, 폴리프로필렌 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터가 사용될 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.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석해서는 안 된다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but these examples are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the present invention.

실시예1Example 1

비수성 유기용매로 에틸렌카보네이트(EC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 디에틸카보네이트(DEC)를 1:1:1의 비율로 혼합한 것과 트리플루오로에틸 포스페이트(TFEP)를 50:1의 부피비로 혼합한 용매에 용질로 1M의 LiPF6를 투입하여 리튬이차전지용 비수전해액을 제조하였다. Ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC) are mixed in a ratio of 1: 1: 1 and trifluoroethyl phosphate (TFEP) is a volume ratio of 50: 1 as a non-aqueous organic solvent. 1 M LiPF 6 was added as a solute to a solvent mixed with each other to prepare a nonaqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery.

양극으로 LiCoO2를, 음극으로 흑연을, 결착제로 PVDF를, 도전제로 아세틸렌블랙을 사용하여 각형 423048전지를 제조하였다. A square 423048 cell was fabricated using LiCoO 2 as the positive electrode, graphite as the negative electrode, PVDF as the binder, and acetylene black as the conductive agent.

실시예2Example 2

트리플루오로에틸 포스페이트(TFEP)를 20:1의 부피비로 혼합한 용매를 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법 전지를 제조한 후, 전지특성평가 및 한계산소지수를 측정하였다.A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that a solvent in which trifluoroethyl phosphate (TFEP) was mixed at a volume ratio of 20: 1 was prepared. Then, battery characteristic evaluation and limit oxygen index were measured.

실시예3Example 3

트리플루오로에틸 포스페이트(TFEP)를 10:1의 부피비로 혼합한 용매를 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법 전지를 제조한 후, 전지특성평가 및 한계산소지수를 측정하였다. A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except for using a solvent in which trifluoroethyl phosphate (TFEP) was mixed at a volume ratio of 10: 1, and then battery characteristics evaluation and limit oxygen index were measured.

실시예4Example 4

트리플루오로에틸 포스페이트(TFEP)를 5:1의 부피비로 혼합한 용매를 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법 전지를 제조한 후, 전지특성평가 및 한계산소지수를 측정하였다.A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that a solvent in which trifluoroethyl phosphate (TFEP) was mixed at a volume ratio of 5: 1 was used, and then battery characteristic evaluation and limit oxygen index were measured.

실시예5Example 5

트리플루오로페닐 포스페이트(TFPP)를 50:1의 부피비로 혼합한 용매를 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법 전지를 제조한 후, 전지특성평가 및 한계산소지수를 측정하였다.A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that a solvent in which trifluorophenyl phosphate (TFPP) was mixed at a volume ratio of 50: 1 was used. The cell characteristics were evaluated and the limit oxygen index was measured.

실시예6Example 6

트리플루오로페닐 포스페이트(TFPP)를 20:1의 부피비로 혼합한 용매를 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법 전지를 제조한 후, 전지특성평가 및 한계산소지수를 측정하였다.Except for using a solvent in which trifluorophenyl phosphate (TFPP) was mixed in a volume ratio of 20: 1, the same method as in Example 1 was prepared, and then the battery characteristic evaluation and the limit oxygen index were measured.

실시예7Example 7

트리플루오로페닐 포스페이트(TFPP)를 10:1의 부피비로 혼합한 용매를 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법 전지를 제조한 후, 전지특성평가 및 한계산소지수를 측정하였다.A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that a solvent in which trifluorophenyl phosphate (TFPP) was mixed at a volume ratio of 10: 1 was prepared. The cell characteristics were evaluated and the limit oxygen index was measured.

실시예8Example 8

트리플루오로페닐 포스페이트(TFPP)를 5:1의 부피비로 혼합한 용매를 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법 전지를 제조한 후, 전지특성평가 및 한계산소지수를 측정하였다.A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that a solvent in which trifluorophenyl phosphate (TFPP) was mixed at a volume ratio of 5: 1 was used, and then battery characteristic evaluation and limit oxygen index were measured.

비교예1Comparative Example 1

트리에틸 포스페이트(TEP)를 10:1의 부피비로 혼합한 용매를 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법 전지를 제조한 후, 전지특성평가 및 한계산소지수를 측정하였다.A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except for using a solvent in which triethyl phosphate (TEP) was mixed at a volume ratio of 10: 1, and then battery characteristic evaluation and limit oxygen index were measured.

비교예2Comparative Example 2

비수성 유기용매로 에틸렌카보네이트(EC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 디에틸카보네이트(DEC)를 1:1:1의 비율로 혼합한 것만을 용매로 사용하여 제조한 전해액을 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법 전지를 제조한 후, 전지특성평가 및 한계산소지수를 측정하였다.A non-aqueous organic solvent was used except that an electrolyte prepared by using ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC) in a ratio of 1: 1: 1 was used as a solvent. The same procedure as in Example 1 was made, and the battery characteristics were evaluated and the limit oxygen index was measured.

전지의 특성 및 한계산소지수는 다음과 같은 방법으로 측정하였다.The characteristics and limit oxygen index of the battery were measured by the following method.

전지특성 평가Battery characteristic evaluation

(1) 화성충방전 실험(1) Mars charge and discharge test

정전류-정전압 조건하에서 170mA의 전류, 4.2V의 충전 전압으로 충전한 후, 1시간 방치 후 170mA의 전류로 2.75V까지 방전하고 1시간 방치하였다(3회 반복).After charging with a current of 170 mA and a charging voltage of 4.2 V under constant current-constant voltage conditions, the battery was discharged to 2.75 V with a current of 170 mA after being left for 1 hour and left for 1 hour (3 repetitions).

(2) 표준충방전 실험(2) Standard charge and discharge experiment

정전류-정전압 조건하에서 1C, 4.2V의 충전 전압까지 충전하고, 1C 정전류 조건으로 3V까지 방전하였다. 이 표준충방전 조건으로 300회 반복하여 용량유지율(초기용량 대비 잔존 방전 용량)을 측정하였다.The battery was charged to a charging voltage of 1C and 4.2V under constant current-constant voltage conditions and discharged to 3V under 1C constant current conditions. The capacity retention rate (residual discharge capacity compared to the initial capacity) was measured by repeating 300 times under these standard charge and discharge conditions.

한계산소지수 측정Limit oxygen index measurement

JIS K7201법 한계산소지수를 측정하였다. 표3에 그 결과를 나타내었다.The JIS K7201 method limit oxygen index was measured. Table 3 shows the result.

다음으로 하기 실험들을 수행하였다.Next, the following experiments were performed.

율별 (C-rate) 방전전압 비교Comparison of C-rate discharge voltage

정전류-정전압 조건하에서 170mA(0.2C-rate)의 전류로, 4.2V의 충전 전압까지 충전하고, 각각의 정전류 조건(0.2C, 0.5C, 1.0C)으로 3V까지 방전하였다. 각각의 방전 용량을 100%으로 할 때 방전용량 50%에서의 전압을 방전전압으로 하였다. 결과를 표2에 나타내었다. Under a constant current-constant voltage condition, a current of 170 mA (0.2 C-rate) was charged to a charging voltage of 4.2 V, and discharged to 3 V under respective constant current conditions (0.2 C, 0.5 C, 1.0 C). When the discharge capacity was 100%, the voltage at the discharge capacity of 50% was taken as the discharge voltage. The results are shown in Table 2.

고온 부풀림 실험High Temperature Inflation Experiment

4.2V 만충전 상태에서 90℃, 8시간 방치하여 고온에서의 전극의 부풀림 정도를 측정하였다. 결과를 도1에 나타내었다. 본 발명의 비수전해액을 사용한 전지는 8시간 경과 후에도 전극의 두께 변화가 없음을 확인할 수 있다.The degree of swelling of the electrode at high temperature was measured by leaving it at 90 ° C. for 8 hours under a 4.2 V full charge state. The results are shown in FIG. The battery using the nonaqueous electrolyte of the present invention can be confirmed that there is no change in the thickness of the electrode even after 8 hours.

사이클릭볼타메트리(cyclic voltammetry)Cyclic voltammetry

전압범위 2.5~0V, 스캔률 1mV/s로 5회 순환시켜 전해액과 전극의 산화-환원 반응성을 실험하였다. 도2에 그 결과를 나타내었는데, 실시예3이 비교예2에 비해 부극과 전해액 간의 반응성이 훨씬 적다는 것을 확인할 수 있었다.Oxidation-reduction reactivity of the electrolyte and the electrode was tested five times with a voltage range of 2.5 ~ 0V and a scan rate of 1mV / s. The results are shown in FIG. 2, which shows that Example 3 is much less reactive between the negative electrode and the electrolyte than Comparative Example 2.

전극의 발열량 측정Calorific value measurement of electrode

DSC를 통해 4.2V로 만충전시 실시예3과 비교예2의 양극과 음극의 발열량을 측정하였다. 측정방법은 해당 전해액을 사용하여 화성충방전 후 4.2V로 만충전된 전지에서 양극과 음극을 추출 후 DSC 측정용 cell에 넣은 후 분당 5℃의 승온속도로 50℃에서 350℃까지 발열량 및 발열개시온도를 측정하였고, 그 결과를 도 3과 도 4에 나타내었다.The calorific value of the positive electrode and the negative electrode of Example 3 and Comparative Example 2 was measured during full charge at 4.2V through DSC. The measuring method is to extract the positive and negative electrodes from a battery fully charged at 4.2V after chemical charge and discharge using the corresponding electrolyte, and then put them into a DSC measurement cell, and then generate heat and heat generation from 50 ° C to 350 ° C at a temperature rising rate of 5 ° C per minute. The temperature was measured and the results are shown in FIGS. 3 and 4.

과충전 실험Overcharge Experiment

3C-rate의 전류로 10V까지 과충전 실험한 결과를 도5에 나타내었다. 비교예2에 비해 실시예3과 실시예7이 과충전시 폭발 및 발화현상이 없는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 트리플루오로에틸 포스페이트(TFEP)가 과충전시 발열량을 감소시켜 열폭주 현상을 방지하기 때문인 것으로 추측된다.The results of overcharging experiments up to 10V with 3C-rate current are shown in FIG. 5. Compared with Comparative Example 2, it could be confirmed that Example 3 and Example 7 did not have an explosion and fire when overcharged. This is presumably because trifluoroethyl phosphate (TFEP) reduces the amount of heat generated during overcharging and prevents thermal runaway.

구분division 화성충전 (mAh)Mars Charging (mAh) 화성방전 (mAh)Mars discharge (mAh) 화성효율 (%)Chemical Efficiency (%) △IR(mΩ)△ IR (mΩ) 100cys. 후 용량유지율(%)100cys. Capacity retention rate (%) 300cys. 후 용량유지율(%)300cys. Capacity retention rate (%) 실시예1Example 1 1035.81035.8 934.2934.2 90.290.2 2.62.6 9696 9191 실시예2Example 2 1032.41032.4 928.6928.6 89.989.9 2.82.8 9696 9090 실시예3Example 3 1025.01025.0 922.8922.8 90.090.0 3.03.0 9595 8989 실시예4Example 4 1013.51013.5 917.6917.6 90.590.5 3.93.9 9494 8686 실시예5Example 5 1027.21027.2 928.1928.1 90.490.4 3.23.2 9595 9090 실시예6Example 6 1019.91019.9 922.8922.8 90.590.5 3.43.4 9494 8888 실시예7Example 7 1008.51008.5 909.5909.5 90.290.2 3.53.5 9393 8787 실시예8Example 8 1000.21000.2 900.2900.2 90.090.0 3.73.7 9393 8585 비교예1Comparative Example 1 1000.91000.9 629.4629.4 62.962.9 17.117.1 99 -- 비교예2Comparative Example 2 1026.91026.9 930.3930.3 90.690.6 3.03.0 9595 9090

△IR(mΩ): 전지 내부저항의 변화△ IR (mΩ): change in battery internal resistance

구분division 방전전압Discharge voltage 0.2C-rate0.2C-rate 0.5C-rate0.5C-rate 1.0C-rate1.0C-rate 실시예3Example 3 3.773.77 3.713.71 3.653.65 실시예7Example 7 3.773.77 3.723.72 3.663.66 비교예2Comparative Example 2 3.763.76 3.693.69 3.563.56

구분division 한계산소지수(부피%)Marginal oxygen index (% by volume) 실시예1Example 1 18.418.4 실시예2Example 2 20.520.5 실시예3Example 3 22.922.9 실시예4Example 4 25.125.1 실시예5Example 5 18.318.3 실시예6Example 6 20.220.2 실시예7Example 7 22.622.6 실시예8Example 8 24.724.7 비교예1Comparative Example 1 23.123.1 비교예2Comparative Example 2 16.716.7

상기 표1 및 2로부터, 전지특성평가에 있어서 본 발명의 TFEP 및 TFPP를 포함하는 실시예1 내지 실시예8은 비교예2와 동등한 결과를 보이고 있어, 상기 화합물의 첨가는 전지특성에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다. From Tables 1 and 2, Examples 1 to 8 including TFEP and TFPP of the present invention in battery characteristic evaluation showed the same results as Comparative Example 2, and the addition of the compound did not affect the battery characteristics. Could be confirmed.

한편, 표3으로부터 본 발명의 TFEP 및 TFPP를 포함하는 비수전해액은 전해액의 한계산소지수를 높여 난연성을 확보할 수 있다.On the other hand, from Table 3, the non-aqueous electrolyte containing TFEP and TFPP of the present invention can increase the limit oxygen index of the electrolyte solution to ensure flame retardancy.

그러나, 플루오르로 치환되지 않은 인산에스테르를 포함하는 비교예1에서는 한계산소지수는 높으나, 전지특성(초기 용량/효율, 내부저항 및 수명 특성)에 심각한 문제가 발생하였음을 알 수 있다. However, in Comparative Example 1 containing a phosphate ester not substituted with fluorine, the limiting oxygen index was high, but it was found that serious problems occurred in the battery characteristics (initial capacity / efficiency, internal resistance, and lifespan characteristics).

본 발명의 리튬이차전지용 할로겐화 인산에스테르(Halogenated trialkylphosphate)를 포함하는 비수전해액은 전지 특성에 영향을 주지 않고, 만충전 후 고온 저장 시에도 전지의 두께 팽창을 억제할 수 있었다. 또한, 과충전시 열폭주 현상을 방지하고, 가연성 전해액의 난연도를 향상시켜 리튬 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있었다.The nonaqueous electrolyte containing the halogenated trialkylphosphate for lithium secondary batteries of the present invention did not affect battery characteristics, and was able to suppress the thickness expansion of the battery even at high temperature storage after full charge. In addition, it was possible to prevent thermal runaway during overcharging and to improve the flame retardancy of the flammable electrolyte, thereby improving the safety of the lithium secondary battery.

Claims (16)

리튬염, 비수성 유기용매 및 하기 화학식1 또는 하기 화학식2의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.A non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery, comprising a lithium salt, a non-aqueous organic solvent, and a compound represented by the following general formula (1) or (2). [화학식1][Formula 1]
Figure 112004035708573-PAT00006
Figure 112004035708573-PAT00006
(단, R1~R3는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 C=1~5의 알킬기 또는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 벤젠기이다.)(However, R1 to R3 is a C = 1-5 alkyl group in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with halogen elements, or a benzene group in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with halogen elements.) [화학식2][Formula 2]
Figure 112004035708573-PAT00007
Figure 112004035708573-PAT00007
(단, R4는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 C=1~5의 알킬기 또는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 벤젠기이고, R5는 수소원자의 일부 또는 전부가 할로겐원소로 치환된 C=1~5의 알킬기이다.)(Wherein R4 is a C = 1-5 alkyl group in which part or all of hydrogen atoms are substituted with halogen elements or a benzene group in which part or all of hydrogen atoms are substituted with halogen atoms, and R5 is part or all of hydrogen atoms) C = 1-5 alkyl group substituted with halogen.)
제 1 항에 있어서, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6 , LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9 SO3, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2 )(CyF2y+1SO2)(단, x 및 y는 자연수이다), LiCl 및 LiI로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.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 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ), provided that at least one selected from the group consisting of LiCl and LiI Non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries. 제 2 항에 있어서, 상기 리튬염은 0.6 내지 2M의 농도인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries according to claim 2, wherein the lithium salt has a concentration of 0.6 to 2 M. 제 1 항에 있어서, 상기 비수성 유기용매는 카보네이트, 에스테르, 에테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The nonaqueous electrolyte of claim 1, wherein the nonaqueous organic solvent is at least one selected from the group consisting of carbonate, ester, ether and ketone. 제 4 항에 있어서, 상기 카보네이트는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC) 에틸렌 카보네이트(EC), 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐 에틸렌 카보네이트(VEC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 부틸렌 카보네이트(BC)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The method of claim 4 wherein the carbonate is dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC) ethylene Non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries, characterized in that at least one selected from the group consisting of carbonate (EC), vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate (BC). 제 4 항에 있어서, 상기 카보네이트로 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery according to claim 4, wherein a cyclic carbonate and a chain carbonate are used as the carbonate. 제 1 항에 있어서, 상기 비수성 유기용매는 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 유기용매의 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The nonaqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries according to claim 1, wherein the nonaqueous organic solvent is a mixed solvent of a carbonate solvent and an aromatic hydrocarbon organic solvent. 제 7 항에 있어서, 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 하기 화학식3의 화합물인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.8. The non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries according to claim 7, wherein the aromatic hydrocarbon organic solvent is a compound represented by the following Chemical Formula 3. [화학식3][Formula 3]
Figure 112004035708573-PAT00008
Figure 112004035708573-PAT00008
(단, R은 할로겐 또는 C=1~10의 알킬기이고, n은 1 내지 5이다.)(Wherein R is a halogen or an alkyl group of C = 1 to 10, and n is 1 to 5)
제 7 항에 있어서, 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 트리플루오로톨루엔 및 자일렌으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery according to claim 7, wherein the aromatic hydrocarbon organic solvent is at least one selected from the group consisting of benzene, fluorobenzene, toluene, fluorotoluene, trifluorotoluene, and xylene. . 제 7 항에 있어서, 상기 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 유기용매는 1:1 내지 50:1의 부피비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.8. The nonaqueous electrolyte of claim 7, wherein the carbonate solvent and the aromatic hydrocarbon organic solvent are mixed in a volume ratio of 1: 1 to 50: 1. 제 4 항에 있어서, 상기 에스테르는 부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide),발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), n-메틸아세테이트, n-에틸 아세테이트, 및 n-프로필 아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The method of claim 4, wherein the ester is butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, n-methylacetate, n-ethyl acetate, and n Non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries, characterized in that selected from the group consisting of -propyl acetate. 제 1 항에 있어서, 상기 화학식1의 화합물이 하기 화학식4의 트리플루오르에틸 포스페이트(Trifluoroehtly phosphate, TFEP) 또는 하기 화학식5의 트리플루오르페닐 포스페이트(Trifluorophenyl phosphate, TFPP)인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The non-aqueous lithium secondary battery according to claim 1, wherein the compound of Formula 1 is Trifluoroehtly phosphate (TFEP) of Formula 4 or Trifluorophenyl phosphate (TFPP) of Formula 5. Electrolyte solution. [화학식4][Formula 4]
Figure 112004035708573-PAT00009
Figure 112004035708573-PAT00009
[화학식5][Formula 5]
Figure 112004035708573-PAT00010
Figure 112004035708573-PAT00010
제 4 항에 있어서, 상기 화학식1 또는 상기 화학식2의 화합물은 카보네이트에 대하여 1:1 내지 1:50의 부피비로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery according to claim 4, wherein the compound of Formula 1 or Formula 2 is included in a volume ratio of 1: 1 to 1:50 with respect to carbonate. 제 12 항에 있어서, 상기 화학식4 또는 상기 화학식5의 화합물을 비수성 유기용매에 대하여 1:50 내지 1:5의 부피비로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 비수전해액.The nonaqueous electrolyte of claim 12, wherein the compound of Formula 4 or Formula 5 is included in a volume ratio of 1:50 to 1: 5 with respect to the non-aqueous organic solvent. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나의 항에 따른 리튬이차전지용 비수전해액;Non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 14; 리튬 인터칼레이션 화합물을 포함하는 양극; 및 A positive electrode comprising a lithium intercalation compound; And 탄소, 탄소 복합체, 리튬금속, 또는 리튬합금을 포함하는 음극으로 이루어지 는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.Lithium secondary battery, characterized in that consisting of a negative electrode containing carbon, carbon composites, lithium metal, or lithium alloy. 제 15 항에 있어서, 상기 리튬이차전지가 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The lithium secondary battery according to claim 15, wherein the lithium secondary battery is a lithium ion battery or a lithium polymer battery.
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