KR20080087344A - Lithium rechargeable battery - Google Patents

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Abstract

A lithium secondary battery is provided to prevent degradation of lifespan caused by swelling/shrinking of an electrode plate, thereby realizing improved lifespan characteristics and charge/discharge cycle characteristics. A lithium secondary battery comprises a casing in which an anode, a cathode, a separator interposed between the anode and the cathode and an electrolyte are received. In the battery, the electrolyte comprises a non-aqueous organic solvent, a lithium salt and succinic anhydride. The anode comprises a silicon thin film or silicon-graphite composite material as an anode active material, and the cathode comprises a lithium intercalation compound as a cathode active material. The succinic anhydride additive is used in an amount of 0.5-2 wt% based on the total weight of the electrolyte.

Description

리튬 이차 전지{LITHIUM RECHARGEABLE BATTERY}Lithium secondary battery {LITHIUM RECHARGEABLE BATTERY}

도1은 각형 리튬 이차 전지의 단면도1 is a cross-sectional view of a rectangular lithium secondary battery

도2는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 리튬 이차 전지의 충방전 싸이클 특성을 보인 그래프.Figure 2 is a graph showing the charge and discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극 팽창을 억제하여 리튬 이차 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly, to a lithium secondary battery capable of improving the life characteristics of a lithium secondary battery by suppressing electrode expansion.

근래 휴대용 개인정보 단말기(PDA), 이동전화기, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등 휴대용의 전자 기기의 보급에 따라, 기기의 소형화, 경량화가 진행되고 있다. 이에 따라 이러한 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용하기에 적합한 전지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 특히 충전 및 방전이 가능한 이차 전지 중에서도 종래의 납 전지, 니켈 카드뮴 전지 등에 비하여 자기 방전율이 낮으며, 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 첨단 전자기기에 널리 사용되고 있다.In recent years, with the spread of portable electronic devices such as portable personal digital assistants (PDAs), mobile telephones, notebook computers, digital cameras, and the like, devices are becoming smaller and lighter. Accordingly, interest in batteries suitable for use as a power source for such portable electronic devices is increasing. In particular, among secondary batteries capable of charging and discharging, the self discharge rate is lower than that of conventional lead batteries and nickel cadmium batteries, and the energy density is high. Lithium secondary batteries are widely used in advanced electronic devices.

소형화 및 슬림화된 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 탈리 및 삽입이 가능한 리튬 금속 혼합 산화물로 된 양극 물질, 탄소재료 또는 금속 리튬 등 리튬이온과 화합물을 형성할 수 있는 음극, 및 비수성 유기 용매에 리튬염이 적당량 용해된 전해액으로 구성되어 있다. 이러한 리튬 전지의 3.6 내지 3.7V정도의 평균 방전 전압은 다른 알칼리 전지나 Ni-MH 또는 Ni-Cd전지에 비하여 높은 전력을 얻을 수 있는 가장 큰 장점 중의 하나이다.The miniaturized and slimmed lithium secondary battery has a positive electrode material made of a lithium metal mixed oxide capable of detaching and inserting lithium ions, a negative electrode capable of forming a compound with lithium ions such as carbon material or metal lithium, and a lithium salt in a non-aqueous organic solvent. It consists of the electrolyte solution melt | dissolved in a suitable quantity. The average discharge voltage of about 3.6 to 3.7 V of the lithium battery is one of the biggest advantages of obtaining high power compared to other alkaline batteries or Ni-MH or Ni-Cd batteries.

이러한 높은 구동 전압을 나타내기 위해서는 충전 영역이 0 내지 4.2V에서 전기화학적으로 안정한 전해액 조성을 필요로 하며, 따라서 에틸렌카보네이트 (ethylene carbonate, EC), 디메틸 카보네이트 (dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트 (diethyl carbonate, DEC) 등의 탄산염계 유기용매와 분리막과의 흡윤성 증가를 위한 플루오로벤젠(Fluorobenzene, FB)을 적절히 혼합하여 전해액 용매로 사용하였다. In order to exhibit such a high driving voltage, an electrochemically stable electrolyte composition is required at a charge region of 0 to 4.2 V. Therefore, ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and diethyl carbonate (diethyl) are required. Carbonate-based organic solvents such as carbonate and DEC) and fluorobenzene (FB) were used as electrolyte solvents to increase the wickability of the separator.

전해액의 용질로는 통상 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiN(C2F5SO3)2 등의 리튬염을 사용하였으며, 이들은 전지 내에서 리튬이온의 공급원으로 작용하여 리튬 전지의 기본적인 작동을 가능하게 하였다. 그러나 이와 같이 제조된 전해액은 Ni-MH 또는 Ni-Cd전지에 사용되는 수계 전해액에 비하여 이온 전도도가 현저하게 낮기 때문에 고율충방전등에서 불리한 점으로 작용하기도 하였다.As the solute of the electrolyte, lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , and LiN (C 2 F 5 SO 3 ) 2 are commonly used. They act as a source of lithium ions in the battery, thereby preventing the basic operation of the lithium battery. Made it possible. However, the electrolyte prepared as described above has a disadvantage in high rate charging and discharging because the ion conductivity is significantly lower than that of the aqueous electrolyte used in Ni-MH or Ni-Cd batteries.

리튬 이차 전지의 음극 활물질로서 과거에는 에너지 밀도가 높은 리튬 금속이 제안되기도 하였으나, 충전시 음극에 형성되는 덴드라이트는 세퍼레이터를 관통하여 내부 단락을 일으킬 수 있으므로 안전성의 면에서 문제가 있다. 또한 형성된 덴드라이트는 매우 큰 비표면적을 갖기 때문에 높은 반응성을 가지며, 전해액과 반응하여 전자 전도성이 낮은 고분자 피막을 음극 표면에 형성한다. 이 때문에 전지의 저항이 급속히 증가하거나, 전자 전도의 네트워크로부터 고립된 입자가 존재하게 되고 이는 충방전을 저해하는 요소로 작용하게 된다.In the past, lithium metal having a high energy density was proposed as a negative electrode active material of a lithium secondary battery, but the dendrite formed on the negative electrode during charging may cause internal short circuit through the separator, thereby causing a problem in terms of safety. In addition, the formed dendrite has a very large specific surface area and thus has high reactivity, and reacts with the electrolyte to form a polymer film having low electron conductivity on the surface of the cathode. For this reason, the resistance of the battery increases rapidly, or particles isolated from the network of electron conduction exist, which acts as a factor that inhibits charging and discharging.

리튬 금속을 사용한 전지의 이러한 문제 때문에, 리튬 금속 대신 리튬 이온을 흡수 방출할 수 있는 흑연 재료가 음극 활물질로 제안되어 실용화되어 있다. 흑연을 음극의 활물질로 사용하는 경우, 금속 리튬이 쉽게 석출되지 않으므로 덴드라이트에 의한 상기의 문제는 크게 발생하지 않는다. 그러나 리튬 금속을 음극으로 채용한 경우의 이론적 방전용량은 3860㎃h/g 에 달하지만, 흑연을 음극 활물질로 사용하는 경우의 방전용량은 372㎃h/g 에 불과하여 흑연 재료의 활물질보다 고용량인 새로운 활물질의 개발이 요구되어 왔다.Due to this problem of a battery using lithium metal, a graphite material capable of absorbing and releasing lithium ions instead of lithium metal has been proposed and put into practical use as a negative electrode active material. In the case of using graphite as the active material of the negative electrode, since the metallic lithium does not easily precipitate, the above problems due to the dendrites do not occur significantly. However, although the theoretical discharge capacity when lithium metal is used as the negative electrode reaches 3860 mAh / g, the discharge capacity when graphite is used as the negative electrode active material is only 372 mAh / g, which is higher than that of the graphite material. Development of new active materials has been required.

전지의 방전용량을 증가시키기 위한 방법으로, 최근에는 리튬과 화합물을 형성하는 Sn, Al, Zn 등의 금속 및 Si, Ge, B, P 등의 비금속 물질, 또는 이들의 산화물이 음극 활물질로 제안되었다. 상기의 금속 및 비금속 물질, 또는 이들의 산화물을 재료로 하는 활물질은, 이론적으로는 흑연보다는 큰 용량을 갖고 있어 초기 용량은 크지만, 전기화학적인 가역성이 낮아 충방전 사이클에 의한 용량의 저하 속도가 빠른 단점이 있다. As a method for increasing the discharge capacity of a battery, recently, metals such as Sn, Al, Zn and non-metallic materials such as Si, Ge, B, P, or oxides thereof forming a compound with lithium have been proposed as a negative electrode active material. . The active materials based on the above metals and nonmetallic substances or oxides thereof have a larger capacity than graphite in theory and have a large initial capacity, but have low electrochemical reversibility and thus a rate of decrease in capacity due to charge and discharge cycles. There is a quick disadvantage.

이러한 단점은 전지 수명 단축의 결과로 나타나는데, 이를 해결하기 위한 방법으로, 상기 리튬과 화합물을 형성하는 물질과 탄소질 물질을 복합화한 활물질(이하 금속계-탄소 복합 활물질이라 함)을 사용하는 방법이 제안되었다. 금속계-탄소 복합 활물질은, 리튬과 화합물을 형성하는 상기의 금속 및 비금속 물질, 또는 이들의 산화물 입자를 탄소질 물질 내에 매설하거나, 탄소로 코팅하는 방법 등으로 제조될 수 있다. This shortcoming appears as a result of shortening the battery life. As a method for solving the problem, a method of using an active material (hereinafter, referred to as a metal-carbon composite active material) in which the lithium and the compound forming the compound and the carbonaceous material are combined is proposed. It became. The metal-carbon composite active material may be prepared by embedding the metal and nonmetal materials, or oxide particles thereof, which form a compound with lithium in a carbonaceous material, or coating with carbon.

리튬 이온 전지의 음극은 전지 반응에 참가하는 음극활물질, 집전체, 이들을 집전판에 고정하는 고분자 결합제를 기본으로 하여 구성된다. 리튬 이온 전지의 음극에 사용되는 활물질은 그 형태가 입자 형태의 것으로서, 결합제에 의해 집전체에 고정된다. 결합제에 의해 고정된 활물질 입자들은 점접촉(ponit contact)에 의하여 서로 전기적인 연결을 이루며 집전판까지 연결된다. 따라서 점접촉의 정도가 낮은 경우, 즉 점접촉 면적이 적은 경우, 리튬 이온의 이동 통로가 제한되어 전지 내부 저항은 큰 값을 갖게 되며, 점접촉에 의해 연결되지 못한 고립된 활물질 입자는 전지 용량에 기여하지 못하게 된다. 따라서 활물질 입자들간에 넓은 접촉 면적을 유지하는 것이 중요하다. The negative electrode of a lithium ion battery is comprised based on the negative electrode active material which participates in a battery reaction, an electrical power collector, and the polymeric binder which fixes these to a collector plate. The active material used for the negative electrode of a lithium ion battery is a particle form, and is fixed to an electrical power collector by a binder. The active material particles fixed by the binder are connected to the current collector plate in electrical connection with each other by a point contact. Therefore, when the degree of point contact is low, that is, when the point contact area is small, the flow path of lithium ions is limited and the internal resistance of the battery has a large value. Will not contribute. Therefore, it is important to maintain a large contact area between the active material particles.

한편, 전지의 충전과 방전시 전지 내부의 음극과 양극에서는 전지 반응이 일어난다. 전지 반응이 일어나는 경우, 음극의 활물질 입자 구조 내부로 리튬 이온이 삽입 또는 방출되며, 리튬 이온의 삽입 방출로 인하여 활물질 입자는 팽창 수축하는 현상을 보인다. On the other hand, the battery reaction occurs in the negative electrode and the positive electrode inside the battery during charging and discharging of the battery. When the battery reaction occurs, lithium ions are inserted or released into the active material particle structure of the negative electrode, and the active material particles expand and contract due to insertion and release of lithium ions.

활물질로 사용되는 재료의 종류에 따라 차이는 있지만, 활물질은 충전 및 방전에 따른 반복적인 체적변화에 따라 미분화되며, 따라서 충방전의 진행에 따라 활물질 입자들간의 점접촉에 의한 전기적인 연결은 불안정해지며 이로 인하여, 리튬 이온 전지는 충방전을 반복함에 따라 전지의 용량은 점차 감소게 된다. 이러한 활 물질의 부피변화에 의한 수명 열화는 카본 블랙과 같은 물질을 도전재로 첨가함으로써 어느 정도 완화할 수 있으나 과량의 도전재 사용은 전지의 방전 용량을 감소시키는 단점이 있다.Although there is a difference depending on the type of material used as the active material, the active material is undifferentiated by repeated volume change due to charging and discharging. Therefore, electrical connection by point contact between active material particles becomes unstable as charging and discharging progresses. As a result, the capacity of the battery gradually decreases as the lithium ion battery is repeatedly charged and discharged. The life degradation due to the volume change of the active material can be alleviated to some extent by adding a material such as carbon black to the conductive material, but the use of an excessive conductive material has the disadvantage of reducing the discharge capacity of the battery.

특히 음극 활물질로서 실리콘 박막이나 실리콘-흑연 복합계 물질을 사용하는 경우 고용량의 전지를 제조할 수 있지만, 극판의 팽창으로 인한 수명 열화가 심하기 때문에 실리콘 박막이나 실리콘-흑연 복합계 물질을 리튬 이온 전지에 적용하는데 어려움이 있었다.Particularly, when a silicon thin film or a silicon-graphite composite material is used as a negative electrode active material, a high capacity battery can be manufactured. However, since the life degradation due to expansion of the electrode plate is severe, a silicon thin film or a silicon-graphite composite material is used for a lithium ion battery. There was a difficulty in applying.

본 발명은 상기와 같은 충방전에 의해 극판이 수축 및 팽창함으로써 리튬 이차 전지의 수명 특성이 열화되는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수명 특성을 높일 수 있고, 충방전 사이클 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the problem of deterioration of the life characteristics of the lithium secondary battery by shrinking and expanding the electrode plate by the charge and discharge as described above, to provide a lithium secondary battery having a high life characteristics, excellent charge and discharge cycle characteristics It aims to do it.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬염, 유기 용매 및 무수 숙신산(succinic anhydride) 첨가제를 포함하는 전해질과; 음극 활물질로 실리콘 박막 혹은 실리콘-흑연 복합계 활물질;을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In order to achieve the above object of the present invention, the present invention comprises an electrolyte comprising a lithium salt, an organic solvent and a succinic anhydride additive; It provides a lithium secondary battery comprising a silicon thin film or a silicon-graphite composite active material as the negative electrode active material.

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

비수계 리튬 이차 전지(1) 구조의 일 예가 도 1에 도시된다. 상기 전지는 리튬이온의 탈리 및 삽입이 가능한 물질을 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) 및 전해액 주입구(16)가 설치될 수 있다. 상기 양극(2) 및 음극(4)에 각각 양극 탭(18)과 음극 탭(20)이 설치되고, 별도의 절연체 테이프(22, 24)가 전지의 내부 단락 방지 및 전극조립체(8) 삽입성 용이를 위하여 설치될 수 있다. 전지를 밀봉하기 전에 전해액 주입구(16)를 통해 전해질(26)을 주입한다. 주입된 전해질(26)은 세퍼레이터(6)에 함침된다. 전해액 주입구는 실링재에 의해 밀봉된다.An example of the structure of the non-aqueous lithium secondary battery 1 is shown in FIG. 1. The battery uses a material capable of detaching and inserting lithium ions as the positive electrode 2 and the negative electrode 4, inserting a separator 6 between the positive electrode 2 and the negative electrode 4, and winding the separator to form an electrode assembly 8. ) And then 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 and an electrolyte injection hole 16 to prevent overpressure of the battery. The positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 20 are respectively installed in the positive electrode 2 and the negative electrode 4, and separate insulating tapes 22 and 24 prevent the internal short circuit of the battery and insertability of the electrode assembly 8. It can be installed for ease. The electrolyte 26 is injected through the electrolyte injection hole 16 before sealing the battery. The injected electrolyte 26 is impregnated into the separator 6. The electrolyte injection opening is sealed by a sealing material.

본 발명에서는 통상적인 리튬이온의 가역적인 탈리 및 삽입이 가능한 물질 또는 리튬과 가역적으로 반응하여 리튬-함유 화합물을 형성할 수 있는 물질을 양극 활물질로 사용하고, 실리콘 박막 또는 실리콘-흑연 복합계 물질을 음극 활물질로 사용하면서도 전해질로 사용되는 유기 용매, 바람직하게는 고비점의 유기 용매에 특정 화합물을 첨가함으로써 리튬 이차 전지의 스웰링 특성, 수명특성, 저온특성을 개선시킬 수 있는 리튬 이차 전지를 제공한다.In the present invention, a conventional material capable of reversible detachment and insertion of lithium ions or a material capable of reversibly reacting with lithium to form a lithium-containing compound is used as a cathode active material, and a silicon thin film or a silicon-graphite composite material is used. Provided is a lithium secondary battery that can improve the swelling characteristics, lifespan characteristics, and low temperature characteristics of a lithium secondary battery by adding a specific compound to an organic solvent, preferably a high boiling point organic solvent, used as an electrolyte while being used as an anode active material. .

이차 전지의 음극 활물질로 새로이 주목받고 있는 실리콘이나 실리콘 흑연 복합계 활물질은 방전용량은 크지만, 극판의 팽창으로 인한 수명 열화가 심하기 때문에 실리콘 박막이나 실리콘-흑연 복합계 물질을 리튬 이온 전지에 적용하는데 어려움이 있었다. 그러나 본 발명의 전해질을 사용하면, 음극 활물질로 실리콘 박막이나 실리콘-흑연 복합계 물질을 사용하더라도 우수한 수명 특성을 얻을 수 있다.The silicon or silicon graphite composite active material, which is newly attracting attention as a negative electrode active material of a secondary battery, has a large discharge capacity, but has a severe deterioration in life due to the expansion of the electrode plate. Therefore, a silicon thin film or a silicon-graphite composite material is applied to a lithium ion battery. There was a difficulty. However, when the electrolyte of the present invention is used, even if a silicon thin film or a silicon-graphite composite material is used as the negative electrode active material, excellent life characteristics can be obtained.

본 발명의 전해질은 고비점 유기 용매; 리튬염; 및 무수 숙신산(succinic anhydride) 첨가제로 이루어진다.The electrolyte of the present invention is a high boiling point organic solvent; Lithium salts; And succinic anhydride additives.

본 발명에서와 같이 리튬염을 함유하는 고비점 유기용매에 무수 숙신산(succinic anhydride) 첨가제를 첨가하면 전지내부의 가스 발생으로 인한 스웰링을 억제할 수 있으며, 극판의 팽창을 억제하여 미분화를 방지함으로써 수명 특성이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다. By adding a succinic anhydride additive to a high boiling organic solvent containing lithium salt as in the present invention, it is possible to suppress swelling due to gas generation inside the battery and to prevent micronization by inhibiting expansion of the electrode plate. It is possible to solve the problem of deteriorating the life characteristics.

상기 무수 숙신산 첨가제는 전해질 총량에 대하여 0.5∼3 중량%, 바람직하게는 0.5∼2 중량%의 양으로 첨가된다.The succinic anhydride additive is added in an amount of 0.5 to 3% by weight, preferably 0.5 to 2% by weight, based on the total amount of the electrolyte.

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 + 1SO 2 ) (C y F 2y + 1SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, and LiI, and one or more selected from the group consisting of LiI can be used in combination.

리튬염의 농도는 0.6 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하며, 0.7 내지 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.

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.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 고비점 유기 용매는 비점이 100℃ 이상, 바람직하게는 150℃ 이상, 보다 바람직하게는 200℃ 이상인 용매를 의미한다. 이들의 바람직한 예로는 감마-부티로락톤, 에틸렌 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 산 무수물, N-메틸 피롤리돈, N-메틸아세트아미드, N-메틸 포름아미드, 아세토니트릴, 디메틸 포름아미드, 설포란, 디메틸 설폭사이드, 디메틸 설파이트 등이 있다.The high boiling point organic solvent means a solvent having a boiling point of 100 ° C or higher, preferably 150 ° C or higher, more preferably 200 ° C or higher. Preferred examples thereof include gamma-butyrolactone, ethylene carbonate, dipropyl carbonate, acid anhydride, N-methyl pyrrolidone, N-methylacetamide, N-methyl formamide, acetonitrile, dimethyl formamide, sulfolane, Dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfite and the like.

본 발명의 전해질은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등 모든 리튬 이차 전지에 적용될 수 있다.The electrolyte of the present invention can be applied to all lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium polymer batteries.

본 발명에서 리튬 이차 전지의 양극 재료로는 리튬 이온의 가역적인 탈리 및 삽입이 가능한 물질, 리튬 이온과 가역적으로 리튬-함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 황계 화합물이 사용될 수 있다. 리튬 이온의 가역적인 탈리 및 삽입이 가능한 물질의 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi(1-x-y)CoxMyO2 (0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속), LiFeO2, V2O5, TiS2, MoS2 와 같은 금속 산화물 또는 칼코게나이드 화합물이 있다. 상기 리튬이온과 가역적으로 리튬-함유 화합물을 형성할 수 있는 물질로는 이산화 주석(SnO2), 티타늄 나이트레이트 등이 있다. 상기 황계 화합물은 리튬-설퍼 전지의 양극 활물질로서 황 원소, Li2Sn (n≥1), 캐솔라이트(catholyte)에 용해된 Li2Sn (n≥1), 유기 황 화합물, 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n : x= 2.5 내지 50, n≥2) 등이 있다.In the present invention, as a cathode material of a lithium secondary battery, a material capable of reversible detachment and insertion of lithium ions, a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound with lithium ions, and a sulfur-based compound may be used. Examples of materials capable of reversible detachment and insertion of lithium ions include 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 metal such as Al, Sr, Mg, La), or a metal oxide or chalcogenide compound such as LiFeO 2 , V 2 O 5 , TiS 2 , MoS 2 . Examples of a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound with lithium ions include tin dioxide (SnO 2 ) and titanium nitrate. The sulfur compound is a positive electrode active material of a lithium-sulfur battery, elemental sulfur, Li 2 S n (n ≧ 1), Li 2 S n (n ≧ 1), organic sulfur compound, and carbon- dissolved in catholyte. Sulfur polymers ((C 2 S x ) n : x = 2.5 to 50, n ≧ 2) and the like.

본 발명의 리튬 이차 전지의 음극 재료로는 실리콘 박막 또는 실리콘-흑연 복합계 물질 등이 사용될 수 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 본 발명의 리튬 이차 전지의 음극 재료로 실리콘 박막 또는 실리콘-흑연 복합계 물질을 사용하더라도전지 특성이 열화되지 않는다. 따라서 전지의 음극 재료로 실리콘 박막 또는 실리콘-흑연 복합계 물질을 사용하여 높은 방전 용량을 갖는 리튬 이차 전지를 제조할 수 있다.As a negative electrode material of the lithium secondary battery of the present invention, a silicon thin film or a silicon-graphite composite material may be used. As described above, a silicon thin film or a silicon-graphite composite material may be used as the negative electrode material of the lithium secondary battery of the present invention. Even when used, the battery characteristics are not deteriorated. Therefore, a lithium secondary battery having a high discharge capacity may be manufactured using a silicon thin film or a silicon-graphite composite material as a negative electrode material of the battery.

상기 활물질을 포함하는 양극은 슬러리를 적당한 두께와 길이로 박판의 집전체에 도포하거나 또는 활물질 자체를 필름 형상으로 도포하여 제조한다.The positive electrode including the active material is prepared by applying a slurry to a current collector of a thin plate with a suitable thickness and length, or by coating the active material itself in a film form.

상기 실리콘 박막을 포함하는 음극, 실리콘-흑연 복합 활물질을 포함하는 음극의 제조에 대해서는 이미 몇 가지 방법이 이미 알려져 있다. 가령, 알코홀 등의 액체를 이용하여 흑연 분말에 실리콘 분말을 혼합한 후 알코홀을 날려보내거나, 알코홀에 실리콘과 흑연을 매개할 물질을 알코홀 등에 혼합하여 알코홀이 제거된 후에도 매개 물질이 잔류하도록 하여 실리콘 흑연 복합 활물질을 제조할 수 있다.Several methods are already known for the preparation of the negative electrode including the silicon thin film and the negative electrode including the silicon-graphite composite active material. For example, silicon powder is mixed with graphite powder using a liquid such as alcohol, and then alcohol is blown off, or a mixture of silicon and graphite that is used to mediate silicon and graphite in alcohol, such as alcohol, is used so that the medium remains after the alcohol is removed. Graphite composite active materials can be prepared.

제조된 양극과 음극은 절연체인 세퍼레이터와 함께 감거나 적층하여 전극군을 만든 다음, 캔 또는 이와 유사한 용기에 넣은 후, 본 발명의 비수성 전해질을 주입하여 리튬 이차 전지를 제조한다. 상기 세퍼레이터로는 폴리에틸렌 세퍼레이터, 폴리프로필렌 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터를 사용할 수 있다.The prepared positive electrode and negative electrode are wound or laminated together with a separator which is an insulator to make an electrode group, and then placed in a can or a similar container, and then a lithium secondary battery is manufactured by injecting the non-aqueous electrolyte of the present invention. 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.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 본 발 명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.The following presents a preferred embodiment to aid the understanding of the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

(실시예 1)(Example 1)

감마-부티로락톤/에틸렌 카보네이트/에틸메틸 카보네이트/디메틸 카보네이트/플루오로벤젠(GBL/EC/EMC/DMC/FB)이 10/3/5/1/1로 혼합된 비수성 유기 용매에 1.15M의 LiPF6 를 첨가하고, 무수 숙신산(succinic anhydride)을 전해질에 대하여 0.5 중량% 첨가하여 전해질을 제조하였다.1.15 M in a non-aqueous organic solvent mixed with gamma-butyrolactone / ethylene carbonate / ethylmethyl carbonate / dimethyl carbonate / fluorobenzene (GBL / EC / EMC / DMC / FB) in 10/3/5/1/1 LiPF 6 was added and 0.5 wt% of succinic anhydride was added to the electrolyte to prepare an electrolyte.

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. 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.

음극 활물질로 흑연 분말 표면에 실리콘 분말이 부착되는 형태의 실리콘-흑연 복합계 물질을 준비하고, 실리콘 흑연 복합계 물질과 바인더로서 SBR을 용매를 이용하여 슬러리 형태로 제조한다. 이 슬러리를 구리 집전체에 도포하고 건조한 후 롤프레스로 압연하여 폭 5.1cm이고 두께가 178㎛인 음극 극판을 제조하였다. A silicon-graphite composite material in which silicon powder adheres to the graphite powder surface is prepared as a negative electrode active material, and SBR is prepared as a slurry using a solvent as a silicon graphite composite material and a binder. This slurry was applied to a copper current collector, dried and rolled with a roll press to prepare a negative electrode plate having a width of 5.1 cm and a thickness of 178 μm.

상기 양극 극판 및 음극 극판의 사이에 폴리에틸렌(PE) 다공성 필름(폭: 5.35cm, 두께: 18㎛)으로 만든 세퍼레이터를 삽입하고 권취, 압축하여 파우치 케이스에 넣은 다음, 상기 전해질 2.3g을 주입하여 660mAh 파우치형 리튬 이차 전지를 제조하였다.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, wound, compressed, and placed in a pouch case, followed by injection of 2.3 g of the electrolyte to 660 mAh. A pouch-type lithium secondary battery was produced.

(실시예 2)(Example 2)

전해질 제조에 있어 무수 숙신산(succinic anhydride)을 1 중량% 첨가하여 전해질을 제조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 1% by weight of succinic anhydride was added to prepare an electrolyte.

(실시예 3)(Example 3)

전해질 제조에 있어 무수 숙신산(succinic anhydride)을 2 중량% 첨가하여 전해질을 제조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 2 wt% of succinic anhydride was added to prepare an electrolyte.

(실시예 4)(Example 4)

전해질 제조에 있어 무수 숙신산(succinic anhydride)을 3 중량% 첨가하여 전해질을 제조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 3% by weight of succinic anhydride was added to prepare the electrolyte.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

전해질 제조에 있어 무수 숙신산(succinic anhydride)을 첨가하지 않고 전해질을 제조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte was prepared without adding succinic anhydride in the preparation of the electrolyte.

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 리튬 이차 전지에 대하여 25℃에서 정전류-정전압(CC-CV) 조건하에서 0.8C, 100mA cut-off의 전류, 4.2V의 충전 전압으 로 충전한 후, 정전류 조건하에서 1.0C에서 3.0V까지 방전하여 충방전특성을 평가하였다. 충방전에 따른 용량 변화는 도 1에 도시하였다. After charging the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 at 25 ° C. under a constant current-constant voltage (CC-CV) condition with a current of 0.8 C, a 100 mA cut-off, and a charging voltage of 4.2 V, The charge and discharge characteristics were evaluated by discharging from 1.0C to 3.0V under constant current conditions. The capacity change according to charging and discharging is shown in FIG. 1.

한편, 아래의 표는 실시예 1 내지 4 및 비교례 1에서 100회 충전시 용량(%)를 나타내는 결과 그래프이다. 이때, 100회 충전시 용량은 초기 방전 용량을 100으로 할 때 위와 같은 정전류정전압(CCCV) 테스트용 충전 및 방전 조건에서 100회 충방전을 행한 후의 방전 용량을 나타낸다.On the other hand, the table below is a result graph showing the capacity (%) at 100 charges in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. At this time, the capacity at 100 charges indicates the discharge capacity after 100 charge and discharge cycles under the charging and discharging conditions for the constant current constant voltage (CCCV) test as described above when the initial discharge capacity is 100.

도 1 및 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 충방전 싸이클 특성이 비교예 1에 비하여 우수한 것을 알 수 있으며, 특히 무수 숙신산(succinic anhydride)을 1 중량%, 2 중량% 첨가한 실시예 2와 3은 매우 훌륭한 수명 특성 결과를 나타내었다.As shown in Figure 1 and Table 1 it can be seen that the charge and discharge cycle characteristics of Examples 1 to 4 according to the present invention is superior to Comparative Example 1, in particular 1 wt%, 2 wt% of succinic anhydride (succinic anhydride) Examples 2 and 3 added showed very good life characteristics results.

표 1Table 1

무수숙신산첨가량 (중량%)Succinic anhydride added amount (% by weight) 100회 충전시 용량(%)Capacity at 100 charges (%) 실시예 1Example 1 0.50.5 4242 실시예 2Example 2 1One 4949 실시예 3Example 3 22 5757 실시예 4Example 4 33 2929 비교예 1Comparative Example 1 00 2121

본 발명에 따르면 고비점 용매에 무수 숙신산 첨가제를 이용하여 제조한 전해질을 실리콘 박막이나 실리콘-흑연 복합계 전극을 사용하는 이차전지에 사용하여 통상의 전해액을 사용하는 복합계 음극의 경우에 비해 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 얻을 수 있다.According to the present invention, an electrolyte prepared by using an anhydrous succinic acid additive in a high boiling point solvent is used in a secondary battery using a silicon thin film or a silicon-graphite composite electrode. This excellent lithium secondary battery can be obtained.

Claims (8)

음극, 양극, 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질이 케이스에 수용되어 이루어지는 리튬 이차 전지에 있어서,In a lithium secondary battery in which a negative electrode, a positive electrode, a separator and an electrolyte interposed between the negative electrode and the positive electrode are accommodated in a case, 상기 전해질은 비수성 유기용매, 리튬염 및 하기 화학식의 무수 숙신산(succinic anhydride)을 포함하며, 상기 음극은 실리콘 박막 또는 실리콘-흑연 복합계 물질을 음극 활물질로 포함하고, 상기 양극은 양극 활물질로서 리튬 인터칼레이션 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The electrolyte includes a non-aqueous organic solvent, a lithium salt, and succinic anhydride of the following formula, wherein the negative electrode includes a silicon thin film or a silicon-graphite composite material as a negative electrode active material, and the positive electrode is lithium as a positive electrode active material. A lithium secondary battery comprising an intercalation compound. 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 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.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 + 1SO 2 ) (C y F 2y + 1SO 2 ) (where x and y are natural numbers), Lithium, characterized in that at least one selected from the group consisting of Secondary battery. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리튬염은 0.6 내지 2M의 농도로 비수성 유기용매에 용해된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the lithium salt is dissolved in a non-aqueous organic solvent at a concentration of 0.6 to 2 M. 제1항에 있어서, 상기 비수성 유기용매는 카보네이트, 에스테르, 에테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The lithium secondary battery of claim 1, wherein the non-aqueous organic solvent is at least one selected from the group consisting of carbonate, ester, ether, and ketone. 제4항에 있어서, 상기 카보네이트는 에틸렌 카보네이트(EC) 또는 비닐렌카보네이트(VC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 부틸렌 카보네이트(BC)로 구성되는 환형 탄산염계 유기용매군으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상, 및 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 디프로필 카보네이트(DPC)로 구성되는 선형 탄산염계 유기용매군으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The method of claim 4, wherein the carbonate is one or more selected from the group of cyclic carbonate organic solvents consisting of ethylene carbonate (EC) or vinylene carbonate (VC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate (BC). And linear carbonate organic solvents composed of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylpropyl carbonate (EPC), ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate (MPC), dipropyl carbonate (DPC) Lithium secondary battery, characterized in that one or more mixtures selected from the group. 제4항에 있어서, 상기 에스테르는 부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), n-메틸아세테이트, n-에틸 아세테이트, 및 n-프로필 아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 화합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The method of claim 4, wherein the ester is butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, n-methylacetate, n-ethyl acetate, and n Lithium secondary battery, characterized in that at least one compound selected from the group consisting of -propyl acetate. 제1항에 있어서, 무수 숙신산(succinic anhydride)의 혼합량은 전체 전해액의 0.5 내지 2 중량%인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the mixed amount of succinic anhydride is 0.5 to 2% by weight of the total electrolyte. 제1항에 있어서, 리튬 이온의 가역적인 탈리 및 삽입이 가능한 상기 리튬 인 터칼레이션 화합물로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNi(1-x-y)CoxMyO2 (0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속), LiFeO2, V2O5, TiS2, MoS2 으로 이루어지는 군에서 선택된 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.The method of claim 1, wherein the lithium intercalation compound capable of reversible detachment and insertion of lithium ions is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi (1-xy) Co x M y O 2 (0 <x <1, 0 <y <1, 0 <x + y <1, M is a metal such as Al, Sr, Mg, La, etc.), LiFeO 2 , V 2 O 5 , TiS 2 , MoS 2 Lithium secondary battery, characterized in that one selected from the group is used.
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