KR20120132811A - Non-aqueous electrolyte comprising difluoro phosphate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 디플루오로 인산염과 트리메틸 실릴 기를 가지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지용 비수 전해액 및 이를 포함하는 리튬 2차 전지에 대한 것이다. The present invention relates to a non-aqueous electrolyte lithium battery and a lithium secondary battery comprising the same, comprising a compound having a difluoro phosphate and a trimethyl silyl group.
본 발명에 따른 리튬 전지용 비수전해액을 채용한 리튬 2차 전지는 우수한 전기화학적 특성 및 방전 용량을 나타내고, 전지출력 향상 및 리튬 전지의 충방전 사이클 특성이 크게 개선되는 효과를 나타낸다. The lithium secondary battery employing the nonaqueous electrolyte solution for lithium batteries according to the present invention exhibits excellent electrochemical characteristics and discharge capacity, and greatly improves battery output and charge / discharge cycle characteristics of lithium batteries.
2차 전지란 1차 전지와는 달리 재충전(recharge)이 가능해 반영구적으로 사용할 수 있는 화학 전지를 말한다. 이러한 2차 전지는 최근에 노트북, 이동통신기기 및 디지털카메라 등의 대량 보급으로 인해 그 시장규모가 기하 급수적으로 커지고 있으며, 특히, 최근에는 반도체 산업 및 디스플레이 산업과 더불어 21세기 3대 부품 산업으로 급성장하고 있다.Secondary batteries are chemical cells that can be used semi-permanently because they can be recharged unlike primary batteries. These secondary batteries are exponentially increasing in size due to the recent mass distribution of laptops, mobile communication devices, and digital cameras. Doing.
2차 전지는 음전극 재료나 양전극 재료에 따라 납축전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬 전지 등이 있으며, 전극 재료의 고유특성에 의해 전위와 에너지 밀도가 결정된다. 이 중에서도 리튬 2차 전지는 리튬의 낮은 산화ㅇ환원 전위와 분자량으로 인해 에너지 밀도가 높기 때문에 노트북, 캠코더 또는 휴대폰 등의 휴대용 전자기기의 구동 전원으로 많이 사용되고 있다.Secondary batteries include lead-acid batteries, nickel-cadmium (Ni-Cd) batteries, nickel-hydrogen (Ni-MH) batteries, and lithium batteries, depending on the negative electrode material and the positive electrode material. The density is determined. Among them, lithium secondary batteries are widely used as a driving power source for portable electronic devices such as laptops, camcorders or mobile phones because of their high energy density due to the low redox potential and molecular weight of lithium.
이러한 리튬 2차 전지 중에서도 비수성 전해액을 이용한 리튬 2차 전지는, 리튬 이온의 탈리 및 삽입이 가능한 리튬 금속 혼합산화물 등의 활물질이 금속에 코팅된 양전극을 포함하며, 탄소재료 또는 금속리튬 등의 활물질이 금속에 코팅된 음전극을 포함한다. 또한, 이들 양전극과 음전극을 사이에 두고 유기 용매에 리튬염을 용해시킨 전해액이 위치한다.Among such lithium secondary batteries, a lithium secondary battery using a non-aqueous electrolyte solution includes a positive electrode coated with a metal with an active material such as a lithium metal mixed oxide capable of detaching and inserting lithium ions, and an active material such as carbon material or metal lithium. It includes a negative electrode coated on this metal. In addition, an electrolyte solution in which lithium salt is dissolved in an organic solvent is placed between these positive and negative electrodes.
이러한 리튬 2차 전지의 평균 방전 전압은 3.6~3.7V 정도로 다른 2차 전지인 알칼리 전지, Ni-MH 전지 또는 Ni-Cd 전지 등에 비하여 높은 전력을 얻을 수 있는데, 이러한 높은 전압을 얻기 위해서는 충ㅇ방전 전압영역인 0~4.2V에서 전기 화학적으로 안정한 전해액이 요구된다.The average discharge voltage of the lithium secondary battery is 3.6 ~ 3.7V, which can obtain a higher power than other secondary batteries such as alkaline batteries, Ni-MH batteries, or Ni-Cd batteries. Electrochemically stable electrolyte is required in the voltage range of 0 to 4.2V.
이러한 전해액은 상기 양전극과 음전극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 매질로서, 전지의 작동 전압 범위에서 안정하여야 하고, 빠른 속도로 이온을 전달시킬 수 있는 능력을 가져야 한다. 따라서, 이러한 조건을 만족하도록, 상기 전해액은 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트,디에틸카보네이트와 같은 카보네이트계 용매와 플루오로벤젠과 같은 방향족 탄화수소계 용매 등의 혼합 용매를 유기 용매로 포함하는 한편, LiPF6, LiBF4또는 LiN(C2F5SO3)2 등을 리튬염으로 포함한다.This electrolyte is a medium for transferring lithium ions between the positive electrode and the negative electrode, and must be stable in the operating voltage range of the battery and have the ability to transfer ions at a high speed. Therefore, in order to satisfy these conditions, the electrolyte solution contains a mixed solvent such as carbonate solvent such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and aromatic hydrocarbon solvent such as fluorobenzene as an organic solvent, while LiPF 6 , LiBF 4 or LiN (C 2 F 5 SO 3 ) 2 and the like are included as lithium salts.
이러한 리튬 2차 전지에서는, 초기 충전 시에 상기 전해액 내에서 이온 상태로 존재하는 리튬 이온(Li+)이 상기 양전극으로부터 음전극으로 이동하여 탄소 등의 활물질이 코팅된 음전극의 층간에 삽입된다. 그런데, 이러한 리튬 이온은 큰 반응성을 가지므로 음전극의 표면에서 상기 유기 용매를 매개로 상기 탄소 등의 활물질과 반응을 일으켜 Li2CO3, Li2O 또는 LiOH 등의 화합물을 형성한다. 이들 화합물은 음전극의 표면에 일종의 부동태 피막을 형성하게 되는데, 이를 SEI(Solid electrolyte interface) 필름이라고 한다. 이러한 SEI 필름은 이온 터널의 역할을 수행하여 리튬 이온만이 선택적으로 음전극에 삽입되게 한다. 즉, 상기 SEI 필름은 리튬 이온을 용매화시켜, 전해액 중에서 리튬 이온과 함께 이동하는 큰 분자량의 유기 용매 분자가 음전극에 삽입되어 음전극의 구조를 붕괴시키는 것을 방지한다. 따라서, 위 SEI 필름이 일단 형성된 후에는 리튬 이온은 음전극 또는 다른 물질과 부반응을 일으키지 않게 된다. 따라서, 더 이상의 전해액의 분해가 발생하지 않고 전해액 중의 리튬 이온의 양이 가역적으로 유지되어 리튬 2차 전지의 안정적인 충ㅇ방전이 유지될 수 있다(J. Power Sources (1994) 51: 79-104 참조). 그러나, 상기 리튬 2차 전지가, 예를 들어, 얇은 각형을 띄고 있는 경우, 상술한 SEI 필름이 형성되거나 리튬 2차 전지가 충전되는 등의 과정 중에, 카보네이트계 유기 용매 등이 분해되어 CO, CO2, CH4, C2H6 등의 기체가 발생함으로서, 리튬 2차 전지의 두께를 팽창시키는 문제점이 나타난다(J. Power Sources (1998) 72: 66-70 참조). 더구나, 이러한 과정 중에, 전해액과 양전극 또는 음전극 사이의 추가적인 부반응이 일어나 상기 전해액의 분해가 일어나며, 이 때문에, 리튬 2차 전지의 방전 용량 및 수명 특성이 급격히 저하되고, 리튬 2차 전지의 사용 기간이 경과할수록 내부 저항이 증가하는 문제점 또한 나타난다.In such a lithium secondary battery, lithium ions (Li + ) existing in an ionic state in the electrolyte during initial charging are moved from the positive electrode to the negative electrode and inserted between the layers of the negative electrode coated with an active material such as carbon. However, such lithium ions have a large reactivity, and thus react with an active material such as carbon on the surface of the negative electrode to form compounds such as Li 2 CO 3 , Li 2 O, or LiOH. These compounds form a passivation film on the surface of the negative electrode, which is called a solid electrolyte interface (SEI) film. This SEI film acts as an ion tunnel, allowing only lithium ions to be selectively inserted into the negative electrode. That is, the SEI film solvates lithium ions, thereby preventing the large molecular weight organic solvent molecules moving together with the lithium ions in the electrolyte from being inserted into the negative electrode and disrupting the structure of the negative electrode. Therefore, once the SEI film is formed, lithium ions do not cause side reactions with the negative electrode or other materials. Thus, no further decomposition of the electrolyte occurs and the amount of lithium ions in the electrolyte can be reversibly maintained to maintain stable charge and discharge of the lithium secondary battery (see J. Power Sources (1994) 51: 79-104). ). However, when the lithium secondary battery has a thin square shape, for example, in the process of forming the above-described SEI film or charging the lithium secondary battery, the carbonate-based organic solvent or the like is decomposed to form CO, CO. The generation of gases such as 2 , CH 4 , C 2 H 6, and the like, causes a problem of expanding the thickness of the lithium secondary battery (see J. Power Sources (1998) 72: 66-70). Moreover, during this process, further side reactions between the electrolyte and the positive electrode or the negative electrode occur to cause decomposition of the electrolyte, which causes a rapid decrease in the discharge capacity and life characteristics of the lithium secondary battery and There is also a problem that the internal resistance increases as time passes.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 구조를 가지는 화합물이 첨가제로서 비수성 전해액에 사용되어 왔다. 대한민국 공개특허공보 제2005-0068669호 및 대한민국 공개특허공보 제2007-0073386호에는 트리메틸 실릴 보레이트 또는 트리메틸 실릴 포스페이트를 첨가제로 포함하는 비수성 전해액이 개시되어 있다. 하지만 여전히 비수성 전해액의 특성을 향상시킬 수 있는 첨가제의 개발이 요구되고 있다. In order to solve this problem, compounds having various structures have been used in nonaqueous electrolytes as additives. Korean Unexamined Patent Publication No. 2005-0068669 and Korean Unexamined Patent Publication No. 2007-0073386 disclose a non-aqueous electrolyte solution containing trimethyl silyl borate or trimethyl silyl phosphate as an additive. However, there is still a need for the development of additives that can improve the properties of the non-aqueous electrolyte.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 리튬 2차 전지의 방전 용량 및 충ㅇ방전 사이클 특성을 향상시킬 수 있는 새로운 첨가제를 제공하고자 한다. The present invention is to provide a new additive that can improve the discharge capacity and charge and discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery to solve the above problems.
또한 상기 첨가제를 포함하는 비수성 전해액과 이를 포함하는 리튬 2차 전지를 제공하고자 한다. In addition, to provide a non-aqueous electrolyte containing the additive and a lithium secondary battery comprising the same.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
리튬염 및 카보네이트계 용매를 포함하는 기본 유기용매에, 하기 화학식 1로 표시되는 디플루오로 인산염 및 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 트리메틸 실릴기를 포함하는 화합물에서 선택된 하나 이상의 화합물을 첨가제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 비수성 전해액을 제공한다. A base organic solvent containing a lithium salt and a carbonate-based solvent, which contains, as an additive, at least one compound selected from a difluoro phosphate represented by the following formula (1) and a compound containing a trimethyl silyl group represented by the following formulas (2) to (4): A nonaqueous electrolyte solution is provided.
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3](3)
[화학식 4][Formula 4]
본 발명은 또한, 상기 본 발명에 의한 비수성 전해액; 상기 비수성 전해액을 사이에 두고 서로 대향되게 위치하는 양전극과 음전극으로 이루어진 전극부; 및 상기 양전극과 음전극을 전기적으로 분리해주는 세퍼레이터를 포함하는 리튬 2차 전지를 제공한다. 기타 본 발명의 실시 형태들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면에 포함되어 있다. The present invention also provides a non-aqueous electrolyte according to the present invention; An electrode part including positive and negative electrodes positioned to face each other with the non-aqueous electrolyte interposed therebetween; And it provides a lithium secondary battery comprising a separator for electrically separating the positive electrode and the negative electrode. Other specific details of the embodiments of the present invention are included in the following detailed description and the accompanying drawings.
본 발명에 따른 비수성 전해액을 포함하는 리튬 2차 전지는 사용 기간에 따른 방전 용량, 충ㅇ방전 사이클 특성이 크게 향상되어, 궁극적으로 리튬 2차 전지의 성능 및 수명이 현저히 향상되는 효과를 나타낸다. The lithium secondary battery including the non-aqueous electrolyte according to the present invention greatly improves the discharge capacity and the charge / discharge cycle characteristics according to the service period, and ultimately, the performance and the life of the lithium secondary battery are remarkably improved.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 비수성 전해액을 전해액(130)으로서 사용한 리튬 2차 전지의 개략적인 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따른 비수성 전해액을 포함하는 리튬 2차 전지의 사이클 수에 따른 용량 변화를 나타낸 도면이다. 1 is a schematic diagram of a lithium secondary battery using a non-aqueous electrolyte solution according to one embodiment of the present invention as the
2 is a view showing a capacity change according to the cycle number of the lithium secondary battery including the non-aqueous electrolyte according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention through the preferred embodiment of the present invention will be described in more detail. It is to be understood, however, that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed in a limiting sense.
본 발명은 리튬염 및 카보네이트계 용매를 포함하는 기본 유기용매에, 하기 화학식 1로 표시되는 디플루오로 인산염 및 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 트리메틸 실릴기를 포함하는 화합물에서 선택된 하나 이상의 화합물을 첨가제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 비수성 전해액에 대한 것이다. In the present invention, at least one compound selected from a compound containing a difluoro phosphate represented by the following Chemical Formula 1 and a trimethyl silyl group represented by the following
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3](3)
[화학식 4][Formula 4]
상기와 같은 첨가제는 리튬 2차 전지의 충전 시에, 전해액과 양전극 또는 음전극의 부반응에 의해 상기 전해액이 분해되거나 여러 기체가 발생하는 것을 줄일 수 있다. 따라서, 리튬 2차 전지의 방전 용량 및 수명 특성을 보다 향상시킬 수 있고, 상기 기체 발생에 따른 두께 팽창 역시 줄일 수 있다.Such an additive may reduce decomposition of the electrolyte or generation of various gases due to side reaction between the electrolyte and the positive electrode or the negative electrode when the lithium secondary battery is charged. Therefore, the discharge capacity and lifespan characteristics of the lithium secondary battery can be further improved, and the thickness expansion caused by the gas generation can also be reduced.
상기 비수성 전해액의 구성을 각 구성 성분 별로 구체적으로 살피면 이하와 같다. 우선, 상기 비수성 전해액은 기본 유기 용매를 포함한다. 이 때, 상기 비수성 전해액은 비수성이라는 용어가 정의하는 바와 같이 물(H2O)을 포함하지 않고, 다만, 유기 용매만을 포함하고 있다.The configuration of the non-aqueous electrolyte solution is as follows. First, the non-aqueous electrolyte solution contains a basic organic solvent. At this time, the non-aqueous electrolyte solution does not contain water (H 2 O) as defined by the term non-aqueous, but only an organic solvent.
여기서, 상기 기본 유기 용매로는 카보네이트계 용매, 에스테르계 용매, 에테르계 용매, 케톤계 용매 또는 방향족 탄화수소계 용매 등이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 기본 유기 용매로는 카보네이트계 용매에 에스테르계 용매, 에테르계 용매, 케톤계 용매 및 방향족 탄화수소계 용매로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 혼합한 용매를 사용할 수 있다. 이 때, 상기 카보네이트계 용매는 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 에틸프로필카보네이트(EPC), 디프로필카보네이트(DPC), 메틸에틸카보네이트(MEC) 및 메틸프로필카보네이트(MPC)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 선형 카보네이트계 용매와, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC) 및 비닐렌카보네이트(VC)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 환형 카보네이트계 용매를 포함함이 바람직하다.Here, as the basic organic solvent, a carbonate solvent, an ester solvent, an ether solvent, a ketone solvent or an aromatic hydrocarbon solvent may be used. More specifically, the basic organic solvent may be a solvent in which at least one selected from the group consisting of an ester solvent, an ether solvent, a ketone solvent, and an aromatic hydrocarbon solvent is mixed with a carbonate solvent. In this case, the carbonate solvent is made of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propyl carbonate (EPC), dipropyl carbonate (DPC), methyl ethyl carbonate (MEC) and methyl propyl carbonate (MPC) At least one linear carbonate solvent selected from the group and at least one cyclic carbonate solvent selected from the group consisting of ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC) and vinylene carbonate (VC) This is preferred.
상기 환형 카보네이트계 용매는 극성이 커서 리튬 이온을 충분히 해리시킬 수 있는 반면, 점도가 커서 이온 전도도가 작은 단점이 있다. 따라서, 상기 환형 카보네이트 용매에 극성은 작지만 점도가 낮은 선형 카보네이트계 용매를 혼합하여 상기 비수성 전해액의 기본 유기 용매에 포함시키면, 리튬 2차 전지의 특성을 최적화할 수 있다.The cyclic carbonate-based solvent is large in polarity and sufficiently dissociates lithium ions, but has a disadvantage in that its ionic conductivity is small due to its large viscosity. Accordingly, when the linear carbonate solvent having a small polarity but a low viscosity is mixed with the cyclic carbonate solvent and included in the basic organic solvent of the non-aqueous electrolyte, the characteristics of the lithium secondary battery may be optimized.
또한, 상기 기본 유기 용매에 포함될 수 있는 상기 에스테르계 용매로는 부티로락톤(BL), 데카놀라이드, 발레로락톤, 메발로락톤, 카프로락톤, 메틸아세테이트, 메틸프로피온산, 에틸프로피온산, n-메틸아세테이트, n-에틸아세테이트, n-프로필 아세테이트 또는 부틸아세테이트 등을 들 수 있으며, 상기 에테르계 용매로는 디부틸에테르 등을 들 수 있다. 그리고, 상기 방향족 탄화수소계 용매로는 벤젠, 플루오로벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 트리플루오로톨루엔 또는 자일렌 등을 들 수 있다.In addition, the ester solvent that may be included in the basic organic solvent, butyrolactone (BL), decanolide, valerolactone, mevalolactone, caprolactone, methyl acetate, methyl propionic acid, ethyl propionic acid, n-methyl Acetate, n-ethyl acetate, n-propyl acetate or butyl acetate, and the like. Examples of the ether solvent include dibutyl ether and the like. The aromatic hydrocarbon solvent may include benzene, fluorobenzene, toluene, fluorotoluene, trifluorotoluene, xylene, and the like.
이외에도, 리튬 2차 전지에 사용 가능한 여러 가지 유기 용매를 제한없이 사용할 수 있으며, 상술한 유기 용매 중 선택된 둘 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.In addition, various organic solvents usable in the lithium secondary battery may be used without limitation, and two or more selected from the above organic solvents may be mixed and used.
한편, 상기 기본 유기 용매로서 상기 카보네이트계 용매와 상기 방향족 탄화수소계 용매를 혼합한 용매를 사용하는 경우, 상기 기본 유기 용매는 상기 카보네이트계 용매와 상기 방향족 탄화수소계 용매를 1:1 내지 30:1의 부피비로 포함할 수 있다.On the other hand, in the case of using a solvent in which the carbonate solvent and the aromatic hydrocarbon solvent are mixed as the basic organic solvent, the basic organic solvent is 1: 1 to 30: 1 of the carbonate solvent and the aromatic hydrocarbon solvent. It may be included in the volume ratio.
상기 비수성 전해액은 또한, 상기 기본 유기 용매에 포함되는 용질로서 리튬염을 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 리튬염으로는 상기 리튬염은 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단, x, y는 자연수), LiCl 및 LiI로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 이외에도, 리튬 2차 전지에 사용가능한 여러 가지 리튬염을 제한 없이 사용할 수 있다.The non-aqueous electrolyte solution further contains a lithium salt as a solute contained in the basic organic solvent. More specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 . One or more selected from the group consisting of LiN (C × F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, and LiI may be used. In addition, various lithium salts usable in lithium secondary batteries can be used without limitation.
이 때, 상기 리튬염은 상술한 기본 유기 용매에 대하여 0.6-2.0 M의 농도로 상기 비수성 전해액에 포함되는 것이 바람직하다. 만일, 리튬염의 농도가 0.6M 미만으로 되면 이를 포함하는 비수성 전해액의 전기 전도도가 낮아져서 리튬 2차 전지의 양전극과 음전극 사이에서 빠른 속도로 이온을 전달하는 비수성 전해액의 성능이 떨어지고, 2.0M을 초과하게 되면 비수성 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 오히려 감소하고 저온 성능이 떨어진다.At this time, the lithium salt is preferably included in the non-aqueous electrolyte at a concentration of 0.6-2.0 M relative to the above-mentioned basic organic solvent. If the concentration of the lithium salt is less than 0.6M, the electrical conductivity of the non-aqueous electrolyte solution containing the same decreases, so that the performance of the non-aqueous electrolyte which transfers ions at high speed between the positive electrode and the negative electrode of the lithium secondary battery decreases, and 2.0 M When exceeded, the viscosity of the non-aqueous electrolyte is increased, so that the mobility of lithium ions is reduced, and the low temperature performance is lowered.
한편, 상기 비수성 전해액은 상기 기본 유기 용매 및 리튬염과 함께, 화학식 1로 표시되는 디플루오로 인산염(Difluoro phosphate, 이하 'PO2F2'라 한다)과 화학식 2로 표시되는 트리메릴 실릴 보레이트(trimethylsilyl borate, 이하 'TMSB'라 한다), 화학식 3으로 표시되는 트리메틸 실릴 포스페이트(trimethylsilyl phosphate, 이하 'TMSPa'라 한다) 및 화학식 4로 표시되는 트리메릴 실릴 포스파이트(trimethylsilyl phosphite, 이하 'TMSPi'라 한다)에서 선택된 하나 이상의 화합물을 첨가제로서 포함한다.On the other hand, the non-aqueous electrolyte is a difluoro phosphate (hereinafter referred to as "PO 2 F 2 ') represented by the formula (1) and trimeryl silyl borate represented by the formula (2) together with the basic organic solvent and lithium salt (trimethylsilyl borate, hereinafter referred to as 'TMSB'), trimethylsilyl phosphate represented by Formula 3 (hereinafter referred to as 'TMSPa') and trimeryl silyl phosphite represented by formula 4 (hereinafter referred to as 'TMSPi') At least one compound selected from the group of the present invention) as an additive.
전체 비수성 전해액에서 화학식 1로 표시되는 디플루오로 인산염의 함량은 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.5~2 중량%, 화학식 2 내지 4로 표시되는 트리메틸 실릴기를 포함하는 화합물의 함량은 0.01~10 중량%, 바람직하게는 1~3 중량% 포함되는 것이 바람직하다. The content of the difluoro phosphate represented by the general formula (1) in the total non-aqueous electrolyte solution is 0.01 to 10% by weight, preferably 0.5 to 2% by weight, and the content of the compound containing the trimethyl silyl group represented by the general formulas (2 to 4) is 0.01 to 10 wt%, preferably 1-3 wt% is preferably included.
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3](3)
[화학식 4][Formula 4]
만일, 상기 첨가제가 0.01 중량부 미만으로 포함되면, 리튬 2차 전지의 방전 용량 또는 수명 특성 등의 향상 효과가 미미하고, 10 중량부를 초과하여 포함되면, 오히려 리튬 2차 전지의 특성이 저하된다.If the additive is included in less than 0.01 part by weight, the effect of improving the discharge capacity or lifespan characteristics of the lithium secondary battery is insignificant, and when included in excess of 10 parts by weight, the characteristics of the lithium secondary battery are rather deteriorated.
한편, 상기 비수성 전해액에서 상기 첨가제가 사용됨으로서 나타나는 구체적인 작용은 다음과 같다. On the other hand, the specific action exhibited by using the additive in the non-aqueous electrolyte is as follows.
후술하는 실시예를 통해서도 명백히 입증되는 바와 같이, 화학식 1의 화합물과 화학식 2 내지 화학식 4에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는 혼합물로 이루어진 첨가제는 리튬 2차 전지의 충전 시에, 전해액과 양전극 또는 음전극의 부반응이 일어나는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 부반응에 의해 전해액이 분해되거나 CO, CO2, CH4, C2H6 등의 여러 기체가 발생하는 것을 줄일 수 있다. 그러므로, 상기 첨가제를 비수성 전해액에 첨가하면, 리튬 2차 전지의 방전 용량 및 수명 특성을 보다 향상시킬 수 있고, 상기 기체 발생에 따른 두께 팽창 역시 줄일 수 있다.As is evident from the examples described below, the additive consisting of a compound comprising a compound of Formula 1 and at least one compound selected from
한편, 상술한 비수성 전해액은 통상 -20?60 ℃의 온도 범위에서 안정하여 4V의 전압에서도 안정적인 특성을 유지하므로 리튬 2차 전지의 안전성과 신뢰성을 향상시킨다. 그러므로, 상기 비수성 전해액은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등 임의의 리튬 2차 전지에 제한 없이 적용될 수 있다.On the other hand, the above-mentioned non-aqueous electrolyte is stable in the temperature range of -20 ~ 60 ℃ to maintain a stable characteristic even at a voltage of 4V, thereby improving the safety and reliability of the lithium secondary battery. Therefore, the non-aqueous electrolyte solution can be applied to any lithium secondary battery such as a lithium ion battery, a lithium polymer battery, without limitation.
본 발명은 또한, 상술한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 비수성 전해액; 상기 비수성 전해액을 사이에 두고 서로 대향되게 위치하는 양전극과 음전극으로 이루어진 전극부; 및 상기 양전극과 음전극을 전기적으로 분리해주는 세퍼레이터를 포함하는 리튬 2차 전지를 제공한다.The present invention also provides a non-aqueous electrolyte solution according to one embodiment of the present invention described above; An electrode part including positive and negative electrodes positioned to face each other with the non-aqueous electrolyte interposed therebetween; And it provides a lithium secondary battery comprising a separator for electrically separating the positive electrode and the negative electrode.
도 1은 이러한 리튬 2차 전지의 개략적인 모식도를 나타내고 있는데, 특히, 양전극(100)의 활물질로서 LiCoO2, 음전극의 활물질로서 탄소(C)를 각각 사용하고, 상술한 비수성 전해액을 전해액(130)으로서 사용한 리튬 2차 전지의 일 실시 형태를 개략적으로 나타내고 있다.FIG. 1 shows a schematic diagram of such a lithium secondary battery. In particular, LiCoO 2 is used as the active material of the
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 리튬 2차 전지는 양전극 (100)과 음전극(110), 전해액(130) 및 세퍼레이터(140)를 포함한다. 다만, 이러한 리튬 2차 전지에는 전해액(130)으로서 앞서 충분히 설명한 바 있는 비수성 전해액이 사용되므로, 상기 비수성 전해액의 구성에 대한 더 이상의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.As shown in FIG. 1, a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
한편, 상기 양전극(100)은, 예를 들어, 알루미늄 등의 금속에 양전극 활물질이 코팅된 것을 사용한다. 이 때, 상기 도 1에서는 상기 양전극 활물질로서 LiCoO2를 사용하였으나, 이외에도 LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNiO2 또는 LiN1-x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg 또는 La) 등의 리튬금속산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물과 같은 리튬 인터칼레이션 화합물을 사용할 수 있다. 기타, 이에 제한되지 않고 리튬 2차 전지에서 양전극 활물질로서 사용 가능한 임의의 물질을 사용할 수 있음은 물론이다.On the other hand, the
또한, 상기 음전극(110)은, 예를 들어, 구리 등의 금속에 음전극 활물질이 코팅된 것을 사용한다. 이 때, 상기 도 1에서는 상기 음전극 활물질로서 탄소(결정질 탄소 또는 비정질 탄소)를 사용한 경우를 예를 들어 도시하였으나, 이외에도 탄소 복합체, 리튬 금속 및 리튬 합금 등을 사용할 수 있으며, 기타 이에 제한되지 않고 리튬 2차 전지에서 음전극 활물질로서 사용가능한 임의의 물질을 사용할 수 있다.In addition, the
이 때, 상기 양전극(100)과 음전극(110)에 사용되는 금속은 충전 시에 외부로부터 전압이 가해지고, 방전 시 외부로 전압을 공급하는 역할을 하는 것으로, 양전극 활물질은 양전하들을 모으는 집전체(collector), 음전극 활물질은 음전하들을 모으는 집전체로서의 역할을 수행하게 된다.At this time, the metal used for the
한편, 상기 세퍼레이터(140)는 양전극(100)과 음전극(110)을 전기적으로 분리시켜주는 역할을 한다. 이러한 세퍼레이터(140)로는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌으로 된 단층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌이 적층된 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌이 적층된 3층 세퍼레이터 등을 사용할 수 있다.
On the other hand, the separator 140 serves to electrically separate the
실시예 1Example 1
양전극 활물질로서 LiCoO2, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 도전제로서 카본을 92/4/4의 중량비로 혼합한 다음, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양전극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 20㎛의 알루미늄 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 양전극을 제조하였다.A positive electrode slurry was prepared by mixing LiCoO 2 as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and carbon as a conductive agent at a weight ratio of 92/4/4, and then dispersing it in N-methyl-2-pyrrolidone. It was. The slurry was coated on an aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried, and rolled to prepare a positive electrode.
음전극 활물질로서 결정성 인조흑연과 바인더로서 PVDF를 92:8의 중량비로 혼합한 다음, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 음전극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 15㎛의 구리 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 음전극을 제조하였다.Crystalline artificial graphite as a negative electrode active material and PVDF as a binder were mixed in a weight ratio of 92: 8, and then dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a negative electrode slurry. The slurry was coated on a copper foil having a thickness of 15 μm, dried, and rolled to prepare a negative electrode.
이렇게 제조된 양전극과 음전극을 두께 16㎛의 폴리에틸렌 재질의 세퍼레이터를 사용해 권취, 압축하여 30㎜ㅧ48㎜ㅧ6㎜인 각형 캔에 넣었다.The positive electrode and the negative electrode thus prepared were wound and compressed using a polyethylene separator having a thickness of 16 μm and placed in a rectangular can of 30 mm × 48 mm × 6 mm.
또한, 에틸렌카보네이트/에틸메틸카보네이트/디메틸카보네이트(EC:EMC:DMC)가 1:1:1로 혼합된 비수성 유기 용매에 리튬염으로서 1.15 M의 LiPF6를 첨가하여 기본 전해액을 제조하고, 비수성 전해액 전체 중량을 기준으로 PO2F2 1 중량%, TMSB 2 중량 %를 첨가하여 비수성 전해액을 제조하였다.In addition, 1.15 M of LiPF 6 was added as a lithium salt to a non-aqueous organic solvent in which ethylene carbonate / ethyl methyl carbonate / dimethyl carbonate (EC: EMC: DMC) was mixed at 1: 1: 1 to prepare a basic electrolyte solution. A nonaqueous electrolyte was prepared by adding 1 wt% of PO 2 F 2 and 2 wt% of TMSB based on the total weight of the aqueous electrolyte.
실시예 2Example 2
위 실시예 1에 따른 비수성 전해액에서 TMSB 대신에 TMSPa를 2 중량% 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 비수성 전해액 및 각형 리튬 2차 전지를 제조하였다.A nonaqueous electrolyte solution and a rectangular lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that 2% by weight of TMSPa was added instead of TMSB in the nonaqueous electrolyte solution according to Example 1 above.
실시예 3Example 3
위 실시예 1에 따른 비수성 전해액에서 TMSB 대신에 TMSPi를 2 중량% 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 비수성 전해액 및 각형 리튬 2차 전지를 제조하였다.A nonaqueous electrolyte solution and a rectangular lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that 2 wt% of TMSPi was added instead of TMSB in the nonaqueous electrolyte solution according to Example 1 above.
비교예 1Comparative Example 1
위 실시예 1에 따른 비수성 전해액에서 아무런 첨가제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 비수성 전해액 및 각형 리튬 2차 전지를 제조하였다.A nonaqueous electrolyte solution and a rectangular lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1 except that no additive was used in the nonaqueous electrolyte solution according to Example 1 above.
비교예 2Comparative Example 2
위 실시예 1에 따른 비수성 전해액에서 첨가제로 TMSB를 사용하지 않고, PO2F2만을 첨가제로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 비수성 전해액 및 각형 리튬 2차 전지를 제조하였다.A nonaqueous electrolyte solution and a rectangular lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1, except that TMSB was not used as an additive in the nonaqueous electrolyte according to Example 1, and only PO 2 F 2 was used as an additive.
시험예 1. 상온에서의 방전 시험Test Example 1. Discharge test at room temperature
위 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따른 비수성 전해액을 포함하는 리튬 2차 전지를 이용하여, 25 ℃상온에서 4.2 V까지 0.2 C 충전 후, 2.75 V 0.2 C에서 방전을 2 사이클 반복한 후, 방전 용량을 비교하였다. Using a lithium secondary battery containing a non-aqueous electrolyte according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 above, after charging 0.2 C to 4.2 V at 25 ° C. room temperature, discharge was repeated 2 cycles at 2.75 V 0.2 C After that, the discharge capacities were compared.
그 결과 표 1에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 비수성 전해액을 사용한 경우가 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 약 7% 이상 방전 용량이 제고되었음을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in Table 1, when the non-aqueous electrolyte solution according to Examples 1 to 3 was used, it was confirmed that the discharge capacity was improved by about 7% or more compared to Comparative Examples 1 to 2.
시험예 2. 고온에서의 방전 시험Test Example 2 Discharge Test at High Temperature
위 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따른 비수성 전해액을 포함하는 리튬 2차 전지를 이용하여, 25 ℃ 상온에서 4.2 V까지 0.2 C 충전 후, 2.75 V 0.2 C에서 방전한 후, 다시 4.2 V까지 0.5 C 충전 후, 60 ℃ 고온 환경에서 2.75V 0.2 C 방전 용량을 비교하였다. Using a lithium secondary battery containing a non-aqueous electrolyte according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 above, after charging 0.2 C to 4.2 V at 25 ° C. room temperature, after discharging at 2.75 V 0.2 C, again After 0.5 C charge to 4.2 V, the 2.75 V 0.2 C discharge capacity at 60 ° C. high temperature environment was compared.
그 결과 표 2에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 비수성 전해액을 사용한 경우가 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 약 6% 이상 고온에서의 방전 용량이 향상되었음을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in Table 2, it was confirmed that the discharge capacity at a high temperature of about 6% or more was improved in the case of using the non-aqueous electrolyte solution according to Examples 1 to 3 compared to Comparative Examples 1 to 2.
시험예 3. 저온에서의 방전 시험Test Example 3 Discharge Test at Low Temperature
위 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따른 비수성 전해액을 포함하는 리튬 2차 전지를 이용하여, 25 ℃ 상온에서 4.2 V까지 0.2 C 충전 후, 2.75 V 0.2 C에서 방전한 후, 다시 4.2 V까지 0.5 C 충전 후, -30 ℃ 저온 환경에서 2.75V 0.2 C 방전 용량을 비교하였다. Using a lithium secondary battery containing a non-aqueous electrolyte according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 above, after charging 0.2 C to 4.2 V at 25 ° C. room temperature, after discharging at 2.75 V 0.2 C, again After 0.5 C charge to 4.2 V, the 2.75 V 0.2 C discharge capacity was compared at −30 ° C. low temperature environment.
그 결과 표 3에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 비수성 전해액을 사용한 경우가 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 약 6% 이상 저온에서의 방전 용량이 향상되었음을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in Table 3, it was confirmed that the discharge capacity at a low temperature of about 6% or more was improved in the case of using the non-aqueous electrolyte solution according to Examples 1 to 3 compared to Comparative Examples 1 to 2.
시험예 4. 상온 및 저온에서의 출력 특성Test Example 4 Output Characteristics at Room Temperature and Low Temperature
위 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따른 비수성 전해액을 포함하는 리튬 2차 전지를 이용하여, 25 ℃ 상온에서 2 사이클 충방전을 실시한 후, 4.2V까지 0.2C 충전 후 2.75V 0.2C 방전하여 2 사이클 째의 방전 용량을 초기용량으로 설정하였다. Using a lithium secondary battery containing a non-aqueous electrolyte according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 above, after performing two cycles of charge and discharge at 25 ℃ room temperature, after charging 0.2C to 4.2V 2.75V 0.2 The discharge capacity at the time of C discharge was set as the initial capacity.
상온 출력은 25 ℃ 상온 환경에서 1C 충전 후 각각 0.5C, 1C, 2C, 4C로 10초간 방전하여, 10초 째의 전압을 측정하여 얻었으며, The room temperature output was obtained by discharging 10 seconds at 0.5C, 1C, 2C, and 4C, respectively, after charging 1C in a 25 ° C ambient temperature environment, and measuring the voltage at the 10th second.
저온 출력은 25 ℃ 상온 환경에서 1C 충전 후, -30 ℃ 저온 환경에서 각각 0.5C, 1C, 2C, 4C로 10초간 방전하여, 10초 째의 전압을 측정하여 얻었다. The low-temperature output was obtained by discharging for 10 seconds at 0.5C, 1C, 2C, and 4C at -30 ° C low temperature environment after charging 1C in a 25 ° C room temperature environment, and measuring the voltage at the 10th second.
그 결과 표 4에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 비수성 전해액을 사용한 경우가 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 상온 및 저온에서의 출력 모두 약 4% 이상 향상되었음을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in Table 4, when the non-aqueous electrolyte solution according to Examples 1 to 3 was used, the output at room temperature and low temperature was improved by about 4% or more compared with Comparative Examples 1 to 2.
시험예 5. 500 사이클 경과 후의 용량Test Example 5. Capacity after 500 cycles
위 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따른 비수성 전해액을 포함하는 리튬 2차 전지를 이용하여, 25 ℃ 상온에서 2 사이클 충방전을 실시한 후, 4.2V까지 0.2C 충전 후 2.75V 0.2C 방전하고, 다시 4.2V까지 1C 충전 후 3V 2C 방전하여, 500 사이클 경과 후 초기용량 대비 방전용량을 비교하였다. Using a lithium secondary battery containing a non-aqueous electrolyte according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 above, after performing two cycles of charge and discharge at 25 ℃ room temperature, after charging 0.2C to 4.2V 2.75V 0.2 C discharge, and after charging 1C to 4.2V again and then 3V 2C discharge, the discharge capacity compared to the initial capacity after 500 cycles.
그 결과 표 5에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 비수성 전해액을 사용한 경우가 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 초기 용량 대비 용량 유지율이 약 7% 이상 향상되었음을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in Table 5, when the non-aqueous electrolyte solution according to Examples 1 to 3 was used, it was confirmed that the capacity retention ratio was improved by about 7% or more compared to Comparative Examples 1 to 2.
또한 각 사이클 별로 전지의 용량 유지율을 비교하면, 도 2에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 3의 경우에는 큰 용량 저하를 보이지 않는 반면, 아무런 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1의 경우는 약 100 사이클을 전후로 급격한 용량 저하를 나타내고 있으며, DFBOP만을 첨가제로 사용한 비교예 2의 경우는 약 350 사이클을 전후로 역시 급격한 용량 저하를 보이는 것을 확인할 수 있었다. In addition, when the capacity retention ratio of the battery was compared for each cycle, as shown in FIG. 2, in the case of Examples 1 to 3, there was no significant decrease in capacity, whereas in Comparative Example 1 without using any additive, about 100 cycles were obtained. The capacity | capacitance was shown back and forth, and the comparative example 2 which used only DFBOP as an additive showed the sudden capacity | capacitance fall also about 350 cycles back and forth.
Claims (12)
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
A base organic solvent containing a lithium salt and a carbonate-based solvent, which contains, as an additive, at least one compound selected from a difluoro phosphate represented by the following formula (1) and a compound containing a trimethyl silyl group represented by the following formulas (2) to (4): Nonaqueous Electrolyte Features:
[Formula 1]
(2)
(3)
[Chemical Formula 4]
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