KR20120011209A - Non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery is provided to maintain the storage performance of a lithium secondary battery at high temperatures to be excellent, and to offer improved output at low temperatures. CONSTITUTION: Non-aqueous electrolyte comprises lithium salt, organic solvent, alkylene sulfate in chemical formula 1, an ammonium compound in chemical formula 2, and vinylene carbonate. In chemical formula 1, n is the integer of 2-5. In chemical formula 2, R is an C1-20 alkyl group or aryl group. A Lithium secondary battery comprises a positive electrode consisting of lithium-containing oxide, a negative electrode consisting of carbon materials capable of absorbing and emitting lithium ions, and the non-aqueous liquid electrolyte.

Description

리튬 이차전지용 비수 전해액 및 이를 함유한 리튬 이차전지{NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SOLUTION FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}Non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing same {NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SOLUTION FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}

본 발명은 리튬 이차전지용 비수 전해액 및 이를 함유한 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 특히 저온 출력 및 고온 저장 성능이 우수한 비수 전해액 및 이를 함유한 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a nonaqueous electrolyte for lithium secondary batteries and a lithium secondary battery containing the same, and more particularly to a nonaqueous electrolyte having excellent low-temperature output and high temperature storage performance and a lithium secondary battery containing the same.

최근 정보 통신 산업의 발전에 따라 전자 기기가 소형화, 경량화, 박형화 및 휴대화되고 있다. 그 결과, 이러한 전자 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고에너지 밀도화에 대한 요구가 높아지고 있다. 리튬 이차전지는 이러한 요구를 가장 잘 충족시킬 수 있는 전지로서, 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 리튬 이차전지는 캐소드, 애노드 및 캐소드와 애노드 사이에 리튬 이온의 이동 경로를 제공하는 전해질과 세퍼레이터로 구성되는 전지로서, 리튬 이온이 상기 캐소드 및 애노드에서 흡장 및 방출될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기에너지를 생성한다.Recently, with the development of the information and communication industry, electronic devices have become smaller, lighter, thinner and more portable. As a result, the demand for higher energy density of batteries used as power sources for such electronic devices is increasing. Lithium secondary batteries are the batteries that can best meet these demands, and research on these is being actively conducted. The lithium secondary battery is composed of a cathode, an anode, and an electrolyte and a separator that provide a migration path between lithium ions between the cathode and the anode, and are oxidized and reduced when lithium ions are occluded and released from the cathode and the anode. Generate electrical energy.

리튬 이차전지에 사용되는 비수 전해액은 일반적으로 전해액 용매와 전해질염을 포함한다. 그러나, 상기 전해액 용매는 전지의 충방전 중 전극 표면에서 분해되거나, 탄소재 음극 층간에 코인터칼레이션(co-intercalation)되어 음극 구조를 붕괴시켜, 전지의 안정성을 저해할 수 있다. The nonaqueous electrolyte used in the lithium secondary battery generally contains an electrolyte solvent and an electrolyte salt. However, the electrolyte solvent may decompose at the electrode surface during charge and discharge of the battery, or may be co-intercalated between the carbon material negative electrode layers to collapse the negative electrode structure, thereby inhibiting battery stability.

상기 문제들은 전지의 초기 충전 시 전해액 용매의 환원에 의해 음극 표면에 형성된 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface, SEI)막에 의해서 해결될 수 있는 것으로 알려졌다. 하지만 일반적으로 상기 SEI막은 음극의 지속적인 보호막으로서의 역할을 수행하기에 불충분하며, 결국 전지가 충방전을 반복하게 되면 수명 및 성능이 저하되게 된다. 특히, 종래의 리튬 이차전지의 SEI막은 열적으로 안정하지 못하여, 전지가 고온 하에서 작동되거나 방치되는 경우, 시간 경과에 따라 증가된 전기화학적 에너지와 열에너지에 의해 붕괴되기 쉽다. 따라서, 고온 하에서는 전지 성능이 더욱 떨어지게 되고, 특히 SEI막의 붕괴, 전해액 분해 등에 의해 CO2 등의 가스가 계속적으로 발생하여, 전지의 내압 및 두께가 증가된다.It is known that the above problems can be solved by a solid electrolyte interface (SEI) film formed on the surface of the negative electrode by reduction of the electrolyte solvent during initial charging of the battery. However, in general, the SEI film is insufficient to serve as a continuous protective film of the negative electrode, and as a result, when the battery repeats charging and discharging, the lifespan and performance decrease. In particular, the SEI film of the conventional lithium secondary battery is not thermally stable, and when the battery is operated or left at a high temperature, it is susceptible to collapse due to increased electrochemical energy and thermal energy over time. Therefore, under high temperature, the battery performance is further deteriorated, and in particular, gases such as CO 2 are continuously generated due to collapse of the SEI film, decomposition of the electrolyte, and the like, thereby increasing the internal pressure and thickness of the battery.

전술한 문제점들을 해결하기 위하여 음극 표면상에 SEI막을 형성할 수 있는 전해액 첨가제로서, 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate, VC) 등을 사용하는 방법이 제시되었다. 그러나, 비닐렌 카보네이트의 경우에는 고온에서의 저장 성능 및 사이클 성능이 우수하나, 저온에서 출력이 저하되는 문제점이 있다.In order to solve the above problems, a method of using a vinylene carbonate (VC) or the like as an electrolyte additive capable of forming an SEI film on the surface of the anode has been proposed. However, the vinylene carbonate has excellent storage performance and cycle performance at high temperatures, but has a problem in that the output is decreased at low temperatures.

최근 리튬 이차전지의 용도가 일반적인 전자 기기뿐만 아니라 전기 자동차 등으로 다양하게 확장되고 있으며, 그에 따라 고출력 전지에 대한 수요도 증가하고 있으므로 고온 성능뿐만 아니라 저온에서도 우수한 출력을 제공할 수 있는 전지의 필요성이 점차 대두되고 있다.Recently, the use of lithium secondary batteries has been expanded to various electric vehicles as well as general electronic devices. Accordingly, as the demand for high output batteries is increasing, there is a need for a battery capable of providing excellent output at low temperature as well as high temperature performance. It is gradually emerging.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬 이차전지의 고온 저장 성능을 우수하게 유지하면서도, 동시에 저온 출력이 향상된 리튬 이차전지용 비수 전해액 및 이를 구비한 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery having the same, while maintaining excellent high temperature storage performance of the lithium secondary battery while improving the low temperature output.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따라 리튬염, 유기용매를 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액은, 하기 화학식 1로 표시되는 알킬렌 설페이트, 하기 화학식2로 표시되는 암모늄 화합물 및 비닐렌 카보네이트를 포함하는 것을 특징으로 한다:In order to solve the above problems, according to the present invention, a nonaqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery including a lithium salt and an organic solvent includes an alkylene sulfate represented by the following Formula 1, an ammonium compound represented by the following Formula 2, and vinylene carbonate. It is characterized by:

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, n은 2 내지 5인 정수이며,In Formula 1, n is an integer of 2 to 5,

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식 2에서, R은 탄소수 1 내지 20인 알킬기 또는 아릴기이다. In Formula 2, R is an alkyl group or an aryl group having 1 to 20 carbon atoms.

본 발명의 전해액에 있어서, 상기 알킬렌 설페이트는 에틸렌 설페이트인 것이 바람직하며, 상기 암모늄 화합물은 암모늄 벤조에이트인 것이 바람직하다.In the electrolyte solution of the present invention, the alkylene sulfate is preferably ethylene sulfate, and the ammonium compound is preferably ammonium benzoate.

본 발명의 전해액에 있어서, 상기 알킬렌 설페이트, 상기 암모늄 화합물 및 비닐렌 카보네이트의 혼합중량비는 알킬렌 설페이트:암모늄 화합물:비닐렌 카보네이트=1:0.01~1:1~3일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the electrolyte solution of the present invention, the mixed weight ratio of the alkylene sulfate, the ammonium compound and the vinylene carbonate may be alkylene sulfate: ammonium compound: vinylene carbonate = 1: 0.01 to 1: 1 to 3, but is not limited thereto. It is not.

본 발명의 전해액에 있어서, 상기 알킬렌 설페이트, 암모늄 화합물 및 비닐렌 카보네이트의 총 함량은 비수전해액 전체 중량에 대하여 1 내지 10 중량%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the electrolyte solution of the present invention, the total content of the alkylene sulfate, ammonium compound and vinylene carbonate may be 1 to 10% by weight based on the total weight of the nonaqueous electrolyte, but is not limited thereto.

전술한 리튬 이차전지용 비수전해액은 음극과 양극을 구비하는 통상적인 리튬 이차전지에 유용하게 적용된다.The non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries described above is usefully applied to conventional lithium secondary batteries having a negative electrode and a positive electrode.

본 발명과 같이, 소정의 알킬렌 설페이트, 소정의 암모늄 화합물 및 비닐렌 카보네이트를 동시에 첨가한 비수전해액을 리튬 이차전지에 적용하면, 고온 저장 특성을 우수하게 유지시키고, 저온에서의 전지 저항을 낮추어 저온 출력 특성을 향상시킬 수 있다.As in the present invention, applying a nonaqueous electrolyte to which a predetermined alkylene sulfate, a predetermined ammonium compound, and vinylene carbonate are simultaneously added to a lithium secondary battery maintains high temperature storage characteristics and lowers battery resistance at low temperature Output characteristics can be improved.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as limiting in their usual or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best explain their invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.

본 발명에 따라 리튬염 및 유기용매를 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액은, 하기 화학식 1로 표시되는 알킬렌 설페이트, 하기 화학식2로 표시되는 암모늄 화합물 및 비닐렌 카보네이트를 포함한다:According to the present invention, a nonaqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery including a lithium salt and an organic solvent includes an alkylene sulfate represented by Formula 1, an ammonium compound represented by Formula 2, and vinylene carbonate:

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 화학식 1에서, n은 2 내지 5인 정수이며,In Formula 1, n is an integer of 2 to 5,

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 화학식 2에서, R은 탄소수 1 내지 20인 알킬기 또는 아릴기이다.In Formula 2, R is an alkyl group or an aryl group having 1 to 20 carbon atoms.

전술한 바와 같이, 비닐렌 카보네이트는 고온 성능을 개선할 수 있으나, 저온 성능이 우수하지 못하다. 그런데, 상기 화학식 1로 표시되는 알킬렌 설페이트를 비닐렌 카보네이트와 함께 사용하게 되면, 상대적으로 환원 전위가 높은 알킬렌 설페이트가 비닐렌 카보네이트에 비해 먼저 분해 반응이 일어난다. 이에 따라, 설페이트계 화합물에 의한 SEI 피막이 먼저 형성되고, 다음으로 비닐렌 카보네이트에 의한 SEI 피막이 형성된다. 설페이트계 화합물에 의해 생성된 피막은 저항이 적게 걸리는 장점이 있으므로 전지의 저온 출력 특성을 향상시키는데 주로 기여하며, 비닐렌 카보네이트(VC)에 의해 형성된 피막은 전지의 고온 특성을 향상시키는데 주로 기여한다. As mentioned above, vinylene carbonate can improve high temperature performance, but is not good at low temperature performance. However, when the alkylene sulfate represented by Formula 1 is used together with vinylene carbonate, the decomposition reaction occurs first of the alkylene sulfate having a relatively high reduction potential compared to the vinylene carbonate. Thereby, the SEI film by a sulfate type compound is formed first, and then the SEI film by vinylene carbonate is formed. Since the film produced by the sulfate-based compound has the advantage of low resistance, it mainly contributes to improving the low temperature output characteristics of the battery, and the film formed by vinylene carbonate (VC) mainly contributes to improving the high temperature characteristics of the battery.

그러나, 설페이트계 화합물에 의해 생성된 피막은 비닐렌 카보네이트에 의해 생성된 피막에 비해 고온에서 상대적으로 약하므로, 전술한 두 가지 첨가물질만으로는 전지의 고온 특성을 충분히 개선하기 어렵다. 따라서, 본 발명은 암모늄 화합물을 상기 알킬렌 설페이트 및 비닐렌 카보네이트와 함께 사용하였다. 본 발명자들은 전술한 3성분을 포함하는 비수전해액을 사용하는 경우, 종래 비닐렌 카보네이트만을 사용하는 경우보다 고온 성능이 매우 높게 유지되었고, 저온 출력 특성도 개선되었음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.However, since the film produced by the sulfate-based compound is relatively weak at high temperatures compared to the film produced by vinylene carbonate, it is difficult to sufficiently improve the high temperature characteristics of the battery with only the two additive materials described above. Thus, the present invention used ammonium compounds in combination with the above alkylene sulfates and vinylene carbonates. The present inventors have completed the present invention by using the non-aqueous electrolyte containing the three components described above, and the high temperature performance was maintained much higher than the conventional vinylene carbonate alone, and the low temperature output characteristics were improved.

본 발명에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 알킬렌 설페이트의 구체적인 예로는 에틸렌 설페이트, 프로필렌 설페이트, 부틸렌 설페이트, 또는 이들이 2종 이상의 혼합물 등이 있으나 이에 한정되지 않으며, 바람직하게는 에틸렌 설페이트를 사용할 수 있다. Specific examples of the alkylene sulfate represented by Formula 1 according to the present invention include, but are not limited to, ethylene sulfate, propylene sulfate, butylene sulfate, or mixtures of two or more thereof, and preferably ethylene sulfate may be used. .

본 발명에 따른 상기 화학식 2로 표시되는 암모늄 화합물의 구체적인 예로는 암모늄 벤조에이트, 암모늄 메틸 벤조에이드, 암모늄 아세테이트, 암모늄 프로피오네이트, 또는 이들의 2종이상의 혼합물 등이 있으나 이에 한정되지 않으며, 바람직하게는 암모늄 벤조에이트를 사용할 수 있다. Specific examples of the ammonium compound represented by Formula 2 according to the present invention include, but are not limited to, ammonium benzoate, ammonium methyl benzoate, ammonium acetate, ammonium propionate, or mixtures of two or more thereof. Ammonium benzoate can be used.

이러한 알킬렌 설페이트, 상기 암모늄 화합물 및 비닐렌 카보네이트의 혼합중량비는 알킬렌 설페이트:암모늄 화합물:비닐렌 카보네이트=1:0.01~1:1~3인 것이 저온 출력 특성을 개선하면서 고온 성능을 최대화하기에 바람직하다.The mixed weight ratio of the alkylene sulfate, the ammonium compound and the vinylene carbonate is alkylene sulfate: ammonium compound: vinylene carbonate = 1: 0.01 to 1: 1 to 3 to improve the low temperature output characteristics while maximizing high temperature performance. desirable.

또한, 본 발명에 따른 암모늄 화합물은 용해도가 낮아 비수 전해액 용매에 용해시키는 것이 용이하지 않다. 따라서, 용해도를 높이기 위해서는 전해액의 유기 용매 중에서 적절한 유기 용매를 선택하거나 적절한 용해 방법을 채택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전해액의 용매로서 환형 카보네이트와 선형 카보네이트를 모두 사용하는 경우에는, 본 발명에 따른 암모늄 화합물은 환형 카보네이트에 용해도가 보다 높으므로, 용해시킬 때에는 환형 카보네이트에 암모늄 화합물을 용해시킨 후, 선형 카보네이트를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트:선형 카보네이트=10:90~50:50의 혼합 중량비를 가지며, 상기 암모늄 화합물의 함량은 상기 환형 카보네이트 100 중량부 대비 0.01 중량부 내지 1 중량부인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.05 중량부 내지 0.1 중량부이다. In addition, the ammonium compound according to the present invention has low solubility and is not easily dissolved in a nonaqueous electrolyte solvent. Therefore, in order to improve solubility, it is preferable to select an appropriate organic solvent from among the organic solvents of electrolyte solution, or to adopt an appropriate dissolution method. For example, when both a cyclic carbonate and a linear carbonate are used as the solvent of the electrolyte solution, since the ammonium compound according to the present invention has higher solubility in the cyclic carbonate, when dissolving, the ammonium compound is dissolved in the cyclic carbonate. Preference is given to adding carbonates. In this case, it has a mixed weight ratio of cyclic carbonate: linear carbonate = 10: 90-50: 50, and the content of the ammonium compound is preferably 0.01 part by weight to 1 part by weight with respect to 100 parts by weight of the cyclic carbonate, more preferably 0.05 Parts by weight to 0.1 parts by weight.

또한, 상기 알킬렌 설페이트, 암모늄 화합물 및 비닐렌 카보네이트의 총 함량은 비수전해액 전체 중량에 대하여 1 내지 10 중량%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 3성분 첨가제의 총 함량이 1 중량% 미만이면 첨가제에 의해 형성된 피막이 충분한 두께를 확보하지 못하여 전해액 용매의 반응성 억제효과가 미흡하게 되므로 고온 성능이 저하될 수 있고, 10 중량% 초과이면 피막 저항이 증가하여 셀 저항이 커질 수 있다.In addition, the total content of the alkylene sulfate, ammonium compound and vinylene carbonate may be 1 to 10% by weight based on the total weight of the non-aqueous electrolyte, but is not limited thereto. If the total content of the three-component additive is less than 1% by weight, the film formed by the additive may not secure a sufficient thickness, and thus the reactivity inhibiting effect of the electrolyte solvent may be insufficient, so that the high temperature performance may be lowered. The cell resistance can be increased by increasing.

전술한 본 발명의 비수 전해액에 전해질로서 포함되는 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 상기 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF6 , LiBF4 , LiSbF6 , LiAsF6 , LiClO4, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, CF3SO3Li 및 LiC(CF3SO2)3로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 있다Lithium salt contained as an electrolyte in the non-aqueous electrolyte of the present invention described above may be used without limitation those conventionally used in the electrolyte for lithium secondary batteries, representative examples of the lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , CF 3 SO 3 Li and LiC (CF 3 SO 2 ) 3 or any one or a mixture of two or more thereof Have a back

전술한 본 발명의 비수 전해액에 포함되는 유기 용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 설포란, 감마-부티로락톤 및 테트라하이드로푸란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있다. 특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC) 및 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC)는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC)와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.As the organic solvent included in the nonaqueous electrolyte of the present invention described above, those conventionally used in the lithium secondary battery electrolyte may be used without limitation, and typically, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, di Any one selected from the group consisting of propyl carbonate, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, sulfolane, gamma-butyrolactone and tetrahydrofuran, or a mixture of two or more thereof may be representatively used. Can be. In particular, cyclic carbonates of carbonate carbonate (ethylene carbonate, EC) and propylene carbonate (propylene carbonate, PC) of the carbonate-based organic solvent is a high viscosity organic solvent can be used preferably because it has a high dielectric constant to dissociate the lithium salt in the electrolyte. When the cyclic carbonate is mixed with a low viscosity, low dielectric constant linear carbonate such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethylmethyl carbonate (EMC) in an appropriate ratio, high electrical conductivity can be obtained. It is possible to make an electrolyte solution having a more preferable use.

전술한 본 발명의 리튬 이차전지용 비수 전해액은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극 구조체에 주입하여 리튬 이차전지로 제조된다. 전극 구조체를 이루는 양극, 음극 및 세퍼레이터는 리튬 이차전지 제조에 통상적으로 사용되던 것들이 모두 사용될 수 있다.The non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention described above is manufactured into a lithium secondary battery by injecting an electrode structure composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. As the positive electrode, the negative electrode, and the separator constituting the electrode structure, all those conventionally used for manufacturing a lithium secondary battery may be used.

구체적인 예로, 양극 활물질로는 리튬함유 전이금속 산화물이 바람직하게 사용될 수 있으며, 예를 들면 LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1 -yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1 -yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1 -yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2 -zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2 -zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.As a specific example, a lithium-containing transition metal oxide may be preferably used as the cathode active material. For example, Li x CoO 2 (0.5 <x <1.3), Li x NiO 2 (0.5 <x <1.3), and Li x MnO 2 (0.5 <x <1.3), Li x Mn 2 O 4 (0.5 <x <1.3), Li x (Ni a Co b Mn c ) O 2 (0.5 <x <1.3, 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), Li x Ni 1 -y Co y O 2 (0.5 <x <1.3, 0 <y <1), Li x Co 1 -y Mn y O 2 (0.5 <x <1.3, 0 ≦ y <1), Li x Ni 1- y Mn y O 2 (0.5 <x <1.3, O ≦ y <1), Li x (Ni a Co b Mn c ) O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <a <2, 0 <b <2, 0 <c <2, a + b + c = 2), Li x Mn 2 -z Ni z O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <z <2), Li x Mn 2 -z Co z O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <z <2), Li x CoPO 4 (0.5 <x <1.3) and Li x FePO 4 One or a mixture of two or more selected from the group consisting of (0.5 <x <1.3) may be used, but is not limited thereto. In addition to these oxides, sulfides, selenides, and halides may also be used.

선택적으로, 본 발명의 상기 양극 활물질은 그 표면에 알루미나(Al2O3) 등의 금속 산화물이 코팅되거나 도핑될 수도 있다.Optionally, the cathode active material of the present invention may be coated or doped with a metal oxide such as alumina (Al 2 O 3 ) on its surface.

음극 활물질로는 통상적으로 리튬이온이 흡장 및 방출될 수 있는 탄소재, 리튬금속, 규소 또는 주석 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 탄소재를 사용할 수 있는데, 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다. 이때 음극은 결착제를 포함할 수 있으며, 결착제로는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등, 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다. As the negative electrode active material, a carbon material, lithium metal, silicon, tin, or the like, into which lithium ions may be occluded and released, may be used. Preferably, a carbon material may be used, and as the carbon material, both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used. Soft crystalline carbon and hard carbon are typical low crystalline carbon, and high crystalline carbon is natural graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, liquid crystal pitch carbon fiber. High temperature calcined carbon such as (mesophase pitch based carbon fiber), meso-carbon microbeads, Mesophase pitches and petroleum or coal tar pitch derived cokes. In this case, the negative electrode may include a binder, and the binder may include vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, Various kinds of binder polymers, such as polymethylmethacrylate, may be used.

또한, 세퍼레이터로는 종래에 세퍼레이터로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, as the separator, conventional porous polymer films conventionally used as separators, for example, polyolefins such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene / butene copolymer, ethylene / hexene copolymer and ethylene / methacrylate copolymer, etc. The porous polymer film made of the polymer may be used alone or by laminating them, or a conventional porous nonwoven fabric, for example, a non-woven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, or the like may be used. It is not.

본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The external shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but may be cylindrical, square, pouch type, or coin type using a can.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

실시예Example 1 One

에틸렌 카보네이트(EC):에틸메틸카보네이트(EMC)=3:7(v/v%)의 조성을 가지는 1M LiPF6 용액을 전해액으로 사용하였고, 상기 전해액에 첨가제로 비닐렌 카보네이트(VC) 2 중량%, 에틸렌 설페이트 1 중량% 및 암모늄 벤조에이트 0.03 중량%를 첨가하였다.Ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) = 1 M LiPF 6 solution having a composition of 3: 7 (v / v%) was used as an electrolyte, 2% by weight of vinylene carbonate (VC) as an additive to the electrolyte, 1 wt% ethylene sulfate and 0.03 wt% ammonium benzoate were added.

또한, 음극 활물질로는 인조 흑연을, 양극 활물질로는 LiMnO2를 사용하여 폴리에틸렌 필름 세퍼레이터와 함께 적층하고, 통상적인 방법으로 라미네이트형 리튬 이차전지를 제조하였다.In addition, artificial graphite was used as the negative electrode active material, and LiMnO 2 was used as the positive electrode active material, and the laminate was laminated together with the polyethylene film separator to manufacture a laminated lithium secondary battery in a conventional manner.

비교예Comparative example 1 One

전해액에 첨가제로 비닐렌 카보네이트(VC) 2 중량%만을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전해액 및 전지를 제조하였다.An electrolyte solution and a battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that only 2 wt% of vinylene carbonate (VC) was added as an additive to the electrolyte solution.

비교예Comparative example 2 2

전해액에 첨가제로 비닐렌 카보네이트(VC) 2 중량% 및 에틸렌 설페이트 1중량%를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전해액 및 전지를 제조하였다.An electrolyte solution and a battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that 2% by weight of vinylene carbonate (VC) and 1% by weight of ethylene sulfate were added to the electrolyte.

비교예Comparative example 3 3

전해액에 첨가제로 비닐렌 카보네이트(VC)를 2중량% 및 암모늄 벤조에이트 0.03 중량%를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전해액 및 전지를 제조하였다.
An electrolyte solution and a battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that 2% by weight of vinylene carbonate (VC) and 0.03% by weight of ammonium benzoate were added to the electrolyte.

실험예Experimental Example 1 : 저온 출력 측정 1: low temperature output measurement

실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 각 전지를 -30℃에서 5초 동안 50, 55, 60, 65, 70W의 정출력을 인가하여 각각 방전 출력을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다. Each of the batteries prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 was applied at a constant power of 50, 55, 60, 65, 70 W at -30 ° C. for 5 seconds to measure discharge output, respectively. It is shown in Table 1.

저온(-30℃) 출력(W/Ah)Low temperature (-30 ℃) output (W / Ah) 실시예 1Example 1 4.84.8 비교예 1Comparative Example 1 4.04.0 비교예 2Comparative Example 2 4.94.9 비교예 3Comparative Example 3 3.73.7

표 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1의 전지의 저온 출력이 비교예 1 및 비교예 3에 비해 약 20 ~ 30 % 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 다만, 에틸렌 설페이트와 비닐렌 카보네이트만을 첨가제로 사용한 비교예 2의 전지가 본 발명과 동등한 수준의 저온 출력 특성을 갖지만, 후술하는 고온 성능에서는 본 발명의 실시예 1에 크게 못미침을 확인할 수 있다.
As shown in Table 1, it can be seen that the low-temperature output of the battery of Example 1 of the present invention shows about 20 to 30% superior performance compared to Comparative Example 1 and Comparative Example 3. However, although the battery of Comparative Example 2 using only ethylene sulfate and vinylene carbonate as an additive has a low-temperature output characteristic equivalent to that of the present invention, it can be confirmed that the battery of Comparative Example 2 is far behind in Example 1 of the present invention.

실험예Experimental Example 2 : 고온 저장 성능 측정 2: high temperature storage performance measurement

실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4에서 제조된 각 전지를 55℃의 온도 환경에서 100일간 저장하였다.Each battery prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 was stored for 100 days in a temperature environment of 55 ℃.

상기 전지들을 1C=15A의 정전류에서 충전하고, 전지의 전압이 4.2V가 된 후에는 4.2V의 정전압에서 충전 전류값이 50㎃가 될 때까지 1회째의 충전을 행하였다. 이 1회째의 충전을 행한 전지에 대해 1C의 정전류에서 전지 전압이 3V에 이를 때까지 방전을 행하여 방전 용량을 구하였다. 용량유지율은 상기와 같은 방법을 사용하여 초기 방전 용량 대비 50일 고온 저장 후 방전용량을 비교하여 구하였다.The batteries were charged at a constant current of 1C = 15A, and after the battery voltage became 4.2V, the first charge was performed at a constant voltage of 4.2V until the charging current value became 50 mA. The discharged battery was discharged until the battery voltage reached 3V at a constant current of 1C for the first charged battery. Capacity retention ratio was calculated by comparing the discharge capacity after 50 days high temperature storage compared to the initial discharge capacity using the method described above.

또한, 저항증가율은 초기 저항 대비 50일 고온 저장 후 저항을 비교하여 구하였다.In addition, the resistance increase rate was calculated by comparing the resistance after 50 days high temperature storage compared to the initial resistance.

용량 유지율(%)Capacity retention rate (%) 저항 증가율(%)% Increase in resistance 실시예 1Example 1 7878 2525 비교예 1Comparative Example 1 6262 3333 비교예 2Comparative Example 2 6969 3434 비교예 3Comparative Example 3 7878 4646

표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1의 전지의 고온 저장시 용량 유지율이 비교예 1 및 비교예 2에 비해 약 20% 이상 우수하며, 다만 비교예 3이 실시예 1과 동등한 수준의 용량 유지율을 가지나, 저항 증가율 측면에서는 실시예 1의 전지가 비교예1~3의 모든 전지에 비해 단연 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.As shown in Table 2, the capacity retention rate at the high temperature storage of the battery of Example 1 of the present invention is about 20% or more superior to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, except that Comparative Example 3 is equivalent to Example 1 It has a capacity retention rate, but in terms of resistance increase rate, it can be seen that the battery of Example 1 is far superior to all the batteries of Comparative Examples 1 to 3.

Claims (10)

리튬염 및 유기용매를 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액에 있어서,
상기 비수 전해액은 하기 화학식 1로 표시되는 알킬렌 설페이트, 하기 화학식2로 표시되는 암모늄 화합물 및 비닐렌 카보네이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 비수 전해액:
[화학식 1]
Figure pat00005

상기 화학식 1에서, n은 2 내지 5인 정수이며,
[화학식 2]
Figure pat00006

상기 화학식 2에서, R은 탄소수 1 내지 20인 알킬기 또는 아릴기이다.
In the nonaqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries containing a lithium salt and an organic solvent,
The non-aqueous electrolyte non-aqueous electrolyte lithium secondary battery, characterized in that it comprises an alkylene sulfate represented by the formula (1), an ammonium compound represented by the formula (2) and vinylene carbonate:
[Formula 1]
Figure pat00005

In Formula 1, n is an integer of 2 to 5,
(2)
Figure pat00006

In Formula 2, R is an alkyl group or an aryl group having 1 to 20 carbon atoms.
제1항에 있어서,
상기 알킬렌 설페이트, 상기 암모늄 화합물 및 상기 비닐렌 카보네이트의 혼합중량비는 알킬렌 설페이트:암모늄 화합물:비닐렌 카보네이트=1:0.01~1:1~3인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
The method of claim 1,
A mixed weight ratio of the alkylene sulfate, the ammonium compound and the vinylene carbonate is an alkylene sulfate: ammonium compound: vinylene carbonate = 1: 0.01 to 1: 1, characterized in that the non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries.
제1항에 있어서,
상기 알킬렌 설페이트, 암모늄 화합물 및 비닐렌 카보네이트의 총 함량은 비수전해액 전체 중량에 대하여 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
The method of claim 1,
The total content of the alkylene sulfate, ammonium compound and vinylene carbonate is 1 to 10% by weight based on the total weight of the non-aqueous electrolyte, non-aqueous electrolyte for lithium secondary batteries.
제1항에 있어서,
상기 유기 용매는 환형 카보네이트와 선형 카보네이트를 포함하고, 상기 환형카보네이트:선형 카보네이트=10:90~50:50의 혼합 중량비를 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
The method of claim 1,
The organic solvent comprises a cyclic carbonate and a linear carbonate, and the cyclic carbonate: linear carbonate = 10: 90 ~ 50: 50, characterized in that the non-aqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery.
제4항에 있어서,
상기 암모늄 화합물은 상기 환형 카보네이트 100 중량부 대비 0.01 중량부 내지 1 중량부인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
The method of claim 4, wherein
The ammonium compound is a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery, characterized in that 0.01 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of the cyclic carbonate.
제1항에 있어서,
상기 리튬염은 LiPF6 , LiBF4 , LiSbF6 , LiAsF6 , LiClO4, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, CF3SO3Li 및 LiC(CF3SO2)3으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
The method of claim 1,
The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , CF 3 SO 3 Li and LiC (CF 3 SO 2 ) A non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries, characterized in that any one selected from the group consisting of 3 or a mixture of two or more thereof.
제1항에 있어서,
상기 알킬렌 설페이트는 에틸렌 설페이트, 프로필렌 설페이트 및 부틸렌 설페이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2종 이상의 혼합물인것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
The method of claim 1,
The alkylene sulfate is any one selected from the group consisting of ethylene sulfate, propylene sulfate and butylene sulfate or a mixture of two or more thereof.
제1항에 있어서,
상기 암모늄 화합물은 암모늄 벤조에이트, 암모늄 메틸 벤조에이드, 암모늄 아세테이트, 암모늄 프로피오네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
The method of claim 1,
The ammonium compound is any one selected from the group consisting of ammonium benzoate, ammonium methyl benzoate, ammonium acetate, ammonium propionate or a mixture of two or more thereof.
제1항에 있어서,
상기 유기용매는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 설포란, 감마-부티로락톤 및 테트라하이드로푸란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
The method of claim 1,
The organic solvent is propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethylsulfuroxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, sulfolane, gamma-butyrolactone and tetra Non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries, characterized in that any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of hydrofuran.
리튬 함유 산화물로 된 양극, 리튬이온을 흡장 및 방출할 수 있는 탄소재로 된 음극 및 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서,
상기 비수 전해액은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 리튬 이차전지용 비수 전해액인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
A lithium secondary battery comprising a positive electrode made of a lithium-containing oxide, a negative electrode made of a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions, and a nonaqueous electrolyte solution,
The nonaqueous electrolyte is a lithium secondary battery, characterized in that the nonaqueous electrolyte for lithium secondary battery of any one of claims 1 to 9.
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