KR20130130056A - Lithium-ion rechargeable battery comprising a glass-based material for targeted leaching of getter substances - Google Patents

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KR20130130056A
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울프 달만
랄프 아이덴
안드레아스 로터스
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쇼오트 아게
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Abstract

적어도 하나의 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해질을 포함하고, 사실상 셀 기능을 유지하면서 전해질과 접촉할 시에 여과 가능한 적어도 하나의 글래스 기반 재료를 포함하는 리튬 이온 충전지가 특정된다. 이러한 방식으로, 특히 HF 게터링에 적절한 물질을 방출하는 것이 가능하다.Lithium ion rechargeable batteries are specified that include at least one positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte, and include at least one glass-based material that is filterable upon contact with the electrolyte while substantially maintaining cell function. In this way, it is possible in particular to release substances suitable for HF gettering.

Description

게터 물질의 목표 여과를 위한 글래스 기반 재료를 포함하는 리튬 이온 충전지{LITHIUM-ION RECHARGEABLE BATTERY COMPRISING A GLASS-BASED MATERIAL FOR TARGETED LEACHING OF GETTER SUBSTANCES}LITHIUM-ION RECHARGEABLE BATTERY COMPRISING A GLASS-BASED MATERIAL FOR TARGETED LEACHING OF GETTER SUBSTANCES}

본 발명은 적어도 양극, 음극, 세퍼레이터(separator) 및 전해질이 내부에 수용되는 적어도 하나의 셀을 구비하는 리튬 이온 충전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion rechargeable battery having at least a positive electrode, a negative electrode, a separator and at least one cell in which an electrolyte is contained.

리튬 이온 충전지는, 양극 및 전극(애노드/캐소드)과, 전기 단락을 방지하는 세퍼레이터, 그리고 전해질이 내부에 수용되는 적어도 하나의 셀을 구비한다. 전해질은 통상 액체 전해질, 보다 드물게는 폴리머 전해질이며, 이들 전해질은 Li 이온 영동(ion migration)을 가능하게 한다.The lithium ion rechargeable battery includes a positive electrode and an electrode (anode / cathode), a separator for preventing an electric short circuit, and at least one cell in which an electrolyte is contained therein. The electrolyte is usually a liquid electrolyte, more rarely a polymer electrolyte, and these electrolytes allow for Li ion ion migration.

리튬 이온 셀은 사실상 수명이 길고, 자가 방전이 적으며, 비저장 용량(specific storage capacity)이 높은 유익한 에너지 저장소이고, 정상 조건 하에서 작동 범위가 약 -20 ℃ 내지 +85 ℃이다.Lithium ion cells are in fact beneficial energy stores with long life, low self-discharge, high specific storage capacity, and operating ranges from about -20 ° C to + 85 ° C under normal conditions.

리튬 이온 충전지의 다른 용도는 안전성, 비용 및 중량에 관하여 충전지에 있어서의 개선을 요구한다. 후자는, 특히 비에너지(specific energy) 또는 파워 밀도를 증가시키는 관점에서 필요하다.Other uses of lithium ion rechargeable batteries require improvements in rechargeable batteries with regard to safety, cost and weight. The latter is particularly necessary in view of increasing specific energy or power density.

사이클링(cycling) 동안에 그리고 또한 일반적인 작동 수명(캘린더 수명)에 관한 리튬 이온 충전지의 수명도 또한 중요한 역할을 한다. 수명을 악화시키는 작용으로는, 특히 점차 높아지는 내부 저항으로 인한, 예컨대 애노드 상의 표면층(SEI층)의 형성의 증대가 있다.The lifetime of lithium ion rechargeable batteries during cycling and also with respect to the general operating life (calendar life) also plays an important role. An effect of deteriorating the life is an increase in the formation of a surface layer (SEI layer), for example, on the anode, in particular due to increasingly high internal resistance.

더욱이, 형성되는 HF에 의한 셀 재료 또는 구성요소의 악화가 수명을 악화시키는 중요한 메커니즘이다. HF의 형성은 특히 셀 내의 물 함량에 좌우되며, 물은 불소 함유 전해질염과 반응한다. 수분은 셀 제조 공정을 통해 또는 셀 하우징을 통한 제어되지 않는 수분의 확산에 의해 유입될 수 있다. 불소는 형성되는 HF의 형태로 손상을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라, 난용성(sparingly soluble) LiF의 형성도 일으킬 수 있다. LiF의 석출로 인해, 전해질 내의 리튬은 셀 내의 전하 수송을 위해 더 이상 이용 가능하지 않고, 이는 전도성의 최소화와, 이에 따라 또한 셀 성능의 최소화를 초래한다.Moreover, deterioration of cell materials or components by the HF formed is an important mechanism that deteriorates lifespan. The formation of HF depends in particular on the water content in the cell, which reacts with the fluorine-containing electrolyte salt. Moisture can be introduced through the cell manufacturing process or by uncontrolled diffusion of moisture through the cell housing. Fluorine can cause damage in the form of HF to be formed, as well as the formation of sparingly soluble LiF. Due to the precipitation of LiF, lithium in the electrolyte is no longer available for charge transport in the cell, which results in minimization of conductivity and thus also in cell performance.

전해질염의 예시적인 반응 또는 반응 평형은Exemplary reactions or reaction equilibria for electrolyte salts are

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이다.to be.

일반적으로, 이들 및 다른 간섭하는 셀-화학물 프로세스도 또한 억제하기 위해 액체 전해질에 첨가제가 첨가된다. 이에 따라, 특히 저온 첨가제, SEI 형성 촉진제 또는 제어제, 난열제 첨가제, 침윤제, 음이온 수용체, 과충전 첨가제, 물/산 스캐빈저(water/acid scavenger), 원활한 Li 퇴적을 위한 첨가제 등이 첨가된다. 첨가제는 사실상 오로지 통상 할로겐 또는 황 그룹을 포함하는 유기, 방향족 또는 유기 금속 화합물 또는 분자이다. 또한, 유기 성분을 갖는 첨가제는 이따금 취급 시에, 그리고 생산 중 및 제어되지 않는 사용 중에 유독하다. 이러한 첨가제는 또한 고가이고, 가연성이며, 적어도 단지 매우 낮은 온도 저항을 갖거나, 역용성(易溶性)이다. 이러한 점에서 언급할 수 있는 예로는, 헵타메틸디실리자인(heptamethyldisilazane), 85 ℃에서도 불소화염(fluorinated salt)으로서 용해하는 불화수소(HF)를 문제 없도록 하기 위한 첨가제이다(J. of Power Source, 189호(2009년) 685-688).Generally, additives are added to the liquid electrolyte to also inhibit these and other interfering cell-chemical processes. Thus, in particular, low temperature additives, SEI formation promoters or control agents, flame retardant additives, wetting agents, anion receptors, overcharge additives, water / acid scavengers, additives for smooth Li deposition, and the like are added. . The additive is in fact an organic, aromatic or organometallic compound or molecule that usually comprises only halogen or sulfur groups. In addition, additives with organic components are sometimes toxic during handling and during production and uncontrolled use. Such additives are also expensive, flammable, at least only have very low temperature resistance, or are insoluble. Examples that may be mentioned in this regard are heptamethyldisilazane, an additive for preventing hydrogen fluoride (HF) that dissolves as a fluorinated salt even at 85 ° C. (J. of Power Source, 189 (2009) 685-688).

Figure pct00002
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몇몇 경우에, 산화물 첨가제, 예컨대 TiO2가 언급되지만, 이들은 지금까지는 그 전기화학적 불안정성으로 인해 사용 시에 허용될 수 없었다.In some cases, oxide additives such as TiO 2 are mentioned, but so far they were unacceptable in use due to their electrochemical instability.

현 첨가제 용액의 다른 단점은 언급된 첨가제들의 포함에 관한 융통성의 결여이다. 액체 성분의 형태 또는 대안으로서 전해질에 완전히 용해되는 고체 형태에서는, 필요하다면 그 효과를 사용 위치에 국한시키거나 사용 위치에서 더 강하게 하는 것이 불가능하다. 일례는, HF에 대한 HF 민감성 캐소드 재료 LiMn2O4(축약하여 LMO라고 함)의 국부적인 보호를 위한 처리 가능한, 즉 포함 가능한 고체 기능성 첨가제의 사용이다. Electrochimica Acta 51호(2006년), 2912-2919, S.-T Myung 등 저, "Imprevement of cycling performance of Li1 .1Mn1 .9O4 at 60 ℃ by NiO Addition for Li-ion Secondary battery"에 기술된 바와 같이 이러한 목적으로 NiO가 첨가된다. 이것은 원한다면 전극 입자 또는 전극 전체의 코팅에 의해 또는 캐소드 재료에 혼합하는 것에 의해 조립체에 포함될 수 있다. HF-안정성 코팅 재료는 전이 금속을 함유하고, 이에 따라 비용을 증가시킨다고 하는 단점을 갖고 있다.Another disadvantage of current additive solutions is the lack of flexibility with regard to the inclusion of the additives mentioned. In the form of a liquid component or alternatively in solid form completely dissolved in the electrolyte, it is not possible to limit the effect to the location of use or to make it stronger at the location of use if necessary. One example is the use of a processable, ie incorporable, solid functional additive for the local protection of the HF sensitive cathode material LiMn 2 O 4 (abbreviated as LMO) for HF. Electrochimica Acta No. 51 (November 2006), 2912-2919, S. Myung-T such as a low, "Imprevement of cycling performance of Li 1 .1 Mn 1 .9 O 4 at 60 ℃ by NiO Addition for Li-ion Secondary battery" NiO is added for this purpose as described in. This may be included in the assembly, if desired, by coating the electrode particles or the entire electrode, or by mixing to the cathode material. HF-stable coating materials have the disadvantage of containing transition metals, thus increasing costs.

Electrochemistry Communications 4호(2002년), 344-348, Y.-K.Sun 등 저, "Electrochemical performance of nano-sized ZnO-Coated LiNi0 .5Mn1 .5O4 spinel as 5 V materials at elevated temperatures"는 예컨대 스캐빈징(HF)을 목적으로 하는 캐소드 상의 코팅 재료로서 ZnO의 첨가를 개시하고 있다. 순수 불활성 코팅과는 대조적으로, ZnO는 명백히 기능성 첨가제로서 작용하는데, 즉 존재하는 HF와 반응한다.Electrochemistry Communications 4 (2002), 344-348, Y.-K.Sun such as low, "Electrochemical performance of nano-sized ZnO-Coated LiNi 0 .5 Mn 1 .5 O 4 spinel as 5 V materials at elevated temperatures Discloses the addition of ZnO as a coating material on a cathode, for example for the purpose of scavenging (HF). In contrast to pure inert coatings, ZnO apparently acts as a functional additive, ie reacts with HF present.

또한, 전기화학성을 향상시키기 위해 BF3를 반응 첨가제로서 사용하는 것이 EP 0 903 798 A1으로부터 공지되어 있다. EP 1 567 452 B1 및 DE 69700312 T2에는 Li 이온 충전지에 대한 첨가제로서 B2O3를 첨가하는 것이 기술되어 있다. 상기한 첨가는 용량 유지 관리에 관하여 수명을 증가시키지만, 원인은 여전히 불명확한 상태이다. B2O3의 포함은 액체 전해질의 첨가에 의해 또는 애노드나 캐소드 또는 세퍼레이터 합성물로의 포함에 의해 실시될 수 있다. 이에 따라 재료는 전해질에 노출되기만 하면 셀 내의 모든 위치에서 포함될 수 있다. HF의 스캐빈징과의 관계는 제시되지 않는다. 순수 산화붕소의 사용의 단점은 표면에 접착식으로 결합되는 상당량의 물의 유입이다. 이러한 흡습성은 적절하고 비용이 드는 건조 단계에 의해 최소 수준으로 감소되어야만 하는데, 그 이유는 그렇지 않은 경우에 셀의 수명이 현저히 줄어들기 때문이다.It is also known from EP 0 903 798 A1 to use BF 3 as a reaction additive to improve the electrochemical properties. EP 1 567 452 B1 and DE 69700312 T2 describe the addition of B 2 O 3 as an additive to Li ion rechargeable batteries. The above addition increases the lifetime with respect to dose maintenance, but the cause is still unknown. Inclusion of B 2 O 3 can be effected by the addition of a liquid electrolyte or by inclusion in an anode or cathode or separator compound. Thus the material can be included at any location in the cell as long as it is exposed to the electrolyte. The relationship with scavenging of HF is not presented. A disadvantage of the use of pure boron oxide is the influx of significant amounts of water adhesively bonded to the surface. This hygroscopicity should be reduced to a minimum by an appropriate and costly drying step, because otherwise the life of the cell is significantly reduced.

대안으로서, LMO는 또한 타입 Li2O-B2O3(LBO) 글래스로 코팅될 수 있다(Electrochimica Acta 51호(2006년), 3872-3883, C. Li 등 저, "Cathode materials modified by surface coating for lithium ion Batteries" 참고). 상기 글래스는 양호한 습윤성, 용융 상태에서의 낮은 점도 및 양호한 이온 전도성의 장점을 갖고, 액체 전해질에 의한 반응성 공격에 대한 보호를 제공한다.As an alternative, the LMO can also be coated with type Li 2 OB 2 O 3 (LBO) glass (Electrochimica Acta 51 (2006), 3872-3883, C. Li et al., Et al., “Cathode materials modified by surface coating for lithium ion Batteries "). The glass has the advantages of good wettability, low viscosity in the molten state and good ionic conductivity, and provides protection against reactive attack by liquid electrolytes.

여기에 기술된 해결책들은, 배터리를 위한 패시베이팅 보호 해결책이며, 예컨대 캐소드 재료 환경에서 HF를 문제 없도록 하는 해결책이 아니다. 따라서, 코팅 재료는, 입자를 완전히 에워싸는 한에 있어서는 반드시 이온 전도성이어야만 한다.The solutions described here are passivating protection solutions for batteries, and are not, for example, HF free problems in cathode material environments. Thus, the coating material must be ion conductive as long as it completely encloses the particles.

이러한 배경기술의 견지에서, 본 발명의 목적은 성능 향상을 위해 비싸지 않고, 무독성이며, 열적으로 안정한 첨가제를 갖는 개선된 리튬 이온 충전지를 제공하는 것이다. 바람직하게는, HF를 문제 없도록 하는 것도 가능해야만 한다.In view of this background, it is an object of the present invention to provide an improved lithium ion rechargeable battery with additives which are inexpensive, non-toxic and thermally stable for improved performance. Preferably, it should also be possible to make HF free of problems.

이러한 목적은, 적어도 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해질이 수용되는 적어도 하나의 셀을 구비하고, 셀 기능이 기본적으로 유지되게 하면서 전해질과의 접촉 시에 여과 가능한 글래스 기반의 적어도 하나의 재료를 갖는 리튬 이온 충전지에 의해 달성된다.This object comprises lithium ions having at least one cell, containing at least a positive electrode, a negative electrode, a separator and an electrolyte, and having a glass-based material which is filterable upon contact with the electrolyte while keeping the cell function basically maintained. Achieved by a rechargeable battery.

본 발명의 목적은 이러한 방식으로 완벽하게 달성된다.The object of the present invention is achieved perfectly in this way.

본 발명에 따르면, 전해질과의 접촉 시에 여과 가능한 글래스 기반 재료의 첨가는, 능동적 유효 물질이 전해질에 유리되는 것을 가능하게 하며, 그 결과, 셀 성능이 증대될 수 있다. 본 특허 출원의 목적을 위해, 글래스 기반 재료는 글래스 또는 글래스-세라믹, 즉 용융 프로세스와 용융물의 냉각 중에 또는 후속 프로세스 단계에서의 제어된 열처리를 통해 제조된 글래스 결정성 미세구조이다. 졸-겔 프로세스에 의한 글래스 또는 글래스-세라믹의 제조도 또한 고려할 수 있다.According to the present invention, the addition of the filterable glass-based material upon contact with the electrolyte enables the active effective material to be released into the electrolyte, as a result of which cell performance can be increased. For the purposes of the present patent application, glass-based materials are glass or glass-ceramic, ie glass crystalline microstructures made through controlled heat treatment during the melting process and cooling of the melt or in subsequent process steps. The preparation of glass or glass-ceramic by sol-gel process is also contemplated.

글래스 기반 재료의 사용은, 무독성이고, 오랜 기간에 걸쳐 열적으로 안정한 무기 첨가제를 의미한다. 또한, 저비용 해결책도 달성될 수 있다. 상기 재료는 특정 생성물을 전해질에 방출할 수 있도록 하기 위해 각각의 용도에 대해 맞춤 제작될 수 있다.The use of glass-based materials means inorganic additives that are nontoxic and thermally stable over a long period of time. In addition, low cost solutions can also be achieved. The material can be tailored for each use to enable the release of specific products into the electrolyte.

이러한 맥락에서, "여과 가능한(leachable)"이라는 용어는, 재료가 전해질과 접촉할 시에 단위 시간당 질량 단위의 특정 손실을 갖는다는 것을 의미한다. 여기에서, 전해질과의 접촉 시에 여과율은 초기에는 약 적어도 1 μg/h, 특히 적어도 10 μg/h 또는 적어도 25 μg/h일 수 있다. 상기한 여과는 셀의 정상 작동 중에, 즉 심지어는 전류의 생성이 없는 통상적 작동 조건(주위 온도) 하에서 발생한다. 전해질과의 접촉 시에 최대 여과율은 3000 μg/h 이하, 특히 2000 μg/h 이하, 바람직하게는 1000 μg/h 이하이다.In this context, the term " leachable " means that the material has a certain loss of mass units per unit time upon contact with the electrolyte. Here, the filtration rate upon contact with the electrolyte may initially be at least about 1 μg / h, in particular at least 10 μg / h or at least 25 μg / h. The above filtration takes place during normal operation of the cell, ie even under normal operating conditions (ambient temperature) with no generation of current. The maximum filtration rate upon contact with the electrolyte is 3000 μg / h or less, in particular 2000 μg / h or less, preferably 1000 μg / h or less.

사실상, 여과 프로세스는, 질량 고갈 재료의 조성이 여과에 의해 변하지 않도록 구성될 수 있다. 그러한 경우에, 재료의 동일한 여과가 발생한다.In fact, the filtration process can be configured such that the composition of the mass depleting material does not change by filtration. In such a case, the same filtration of the material takes place.

그러나, 여과로 인해 고체의 조성이 변하거나 또는 여과된 재료의 화학적 조성이 시작 재료의 화학적 조성에 상응하지 않으면, 이것은 이후부터는 비동일 여과 또는 선택적 여과로서 일컬어질 것이다. 이것은 하나 이상의 구성요소가 우선적으로 재료로부터 용해된다는 것을 의미한다. However, if the composition of the solid changes due to filtration or if the chemical composition of the filtered material does not correspond to the chemical composition of the starting material, this will hereinafter be referred to as non-identical filtration or selective filtration. This means that one or more components preferentially dissolve from the material.

재료의 선택적 여과는 셀의 화학적 성질에 있어서 특정 기능을 수행하는 성분이 우선적으로 전해질에 유입되는 것을 가능하게 한다. 여기에서, 재료의 선택적 여과에 의해 기능적 효과성이 증가될 수도 있고, 조정될 수도 있다. Selective filtration of the material allows components that perform a particular function in the cell's chemistry to preferentially enter the electrolyte. Here, the functional effectiveness may be increased or adjusted by selective filtration of the material.

사용되는 재료에 따라, 여과율이 정해진 기간에 걸쳐 거의 일정하게 유지될 수도 있고, 시간에 따라 변화, 특히 시간에 따라 감소될 수도 있다.Depending on the material used, the filtration rate may remain nearly constant over a defined period of time, and may change with time, in particular with time.

본 발명의 다른 양태에서, 재료는 전해질과 접촉할 때에 HF를 스캐빈징하기 위해 게터 물질(getter substance)을 유리시킨다. 본 용도에 있어서, "스캐빈징"은 바람직하지 않거나 손상을 주는 물질을 시스템으로부터 취출하거나 또는 불활성하거나 또는 문제가 되지 않도록 한다는 것을 의미한다. 그러나, 셀은 계속해서 기능하는 상태로 유지된다. 특히, 재료는 불소와 결합하여 전해질에 관하여 불활성인 종을 형성하도록 하는 구성일 수도 있다.In another aspect of the invention, the material releases a getter substance to scaveng HF when in contact with the electrolyte. In this application, "scavenging" means that the undesirable or damaging material is not withdrawn from the system or inert or problematic. However, the cell continues to function. In particular, the material may be of a configuration that combines with fluorine to form a species that is inert with respect to the electrolyte.

이에 따라, 먼저 게터 물질이 재료로부터 유리되는 것이 반드시 필수적인 것은 아니다. 글래스 물질과의 불소의 직접적인 결합도 또한 발생할 수 있으며, 이는 전해질에 대하여 불활성인 종 또는 물질을 형성한다.Thus, it is not necessarily essential that the getter material be first released from the material. Direct bonding of fluorine with the glass material can also occur, which forms a species or material that is inert to the electrolyte.

이러한 방식으로 셀의 성능에 불리한 불소는, 문제가 되지 않는 종에 결합되거나 이러한 종으로 변환된다.In this way fluorine, which is detrimental to the performance of the cell, is bound to or converted into a species which is not a problem.

이러한 점에서, 일본 특허 공보 JP 2005-11614호를 참고할 수 있다. 이것은, 예컨대 과도하게 높은 작동 온도에서의 과도한 HF 생성의 경우에 SiO2 함유 글래스와의 반응에 의한 Li의 부동화(immobilization)을 설명하고 있다. 전술한 경우에, 세퍼레이터는, 40 내지 90 중량%의 SiO2를 포함하는, 즉 주로 SiO2로 이루어진, 50 내지 90 중량%의 글래스로 구성된다. HF의 과도한 유리의 경우, SiO2는 HF와 직접 반응하여 난용성 Li2SiF6를 형성한다. 전기화학 셀 활동은 이러한 방식으로 비가역적으로 억제되는데, 즉 전기화학 셀은 기능하지 않게 된다. 또한, 제공되는 글래스는 본 출원의 의미에 있어서 "여과 가능한" 글래스가 아닌데, 그 이유는 JP 2005-11614에 따른 글래스는 정상 작동 중에 중량 손실을 나타내지 않기 때문이다.In this regard, Japanese Patent Publication No. JP 2005-11614 can be referred to. This describes, for example, immobilization of Li by reaction with SiO 2 containing glass in case of excessive HF production at excessively high operating temperatures. In the above case, the separator consists of 50 to 90% by weight of glass, which comprises 40 to 90% by weight of SiO 2 , ie mainly consisting of SiO 2 . In the case of excess glass of HF, SiO 2 reacts directly with HF to form poorly soluble Li 2 SiF 6 . Electrochemical cell activity is irreversibly suppressed in this way, ie the electrochemical cell will not function. In addition, the provided glass is not “filterable” glass in the sense of the present application since the glass according to JP 2005-11614 does not show weight loss during normal operation.

본 발명의 추가의 실시예에서, 재료는 전해질과의 접촉시에 붕소 함유 물질을 유리시키는데, 특히 산소 결합 붕소가 유리된다.In a further embodiment of the invention, the material liberates the boron containing material upon contact with the electrolyte, in particular oxygen bonded boron.

붕소의 유리는 HF를 스캐빈징하는 데 매우 적절하거나, 글래스 내의 붕소의 존재는 해로운 불소의 결합을 촉진하는 것으로 확인되었다.The glass of boron has been found to be very suitable for scavenging HF, or the presence of boron in the glass has been found to promote the binding of harmful fluorine.

이 실시예의 다른 양태에서, 재료는 전해질과의 접촉 시에 B2O3를 유리시키고, 그 후 이 B2O3가 전해질 내에 셀 호환성 붕소-불소 종으로서 복잡한 형태로 존재한다. 전해질과의 접촉 시에 초기 여과율은 약 적어도 3 μg/h, 특히 적어도 5 μg/h일 수 있다.In another aspect of this embodiment, the material releases B 2 O 3 upon contact with the electrolyte, and then this B 2 O 3 is present in complex form as cell compatible boron-fluorine species in the electrolyte. The initial filtration rate upon contact with the electrolyte may be about at least 3 μg / h, in particular at least 5 μg / h.

상기한 여과율로의 B2O3의 유리는 HF의 완전한 스캐빈징을 가능하게 하고, 이에 따라 셀 성능에 있어서 상당한 개선을 보장하는 것으로 확인되었다.The glass of B 2 O 3 at the above filtration rate has been found to enable complete scavenging of HF, thus ensuring a significant improvement in cell performance.

이 실시예의 다른 양태에서, 재료는 전해질과의 접촉 시에 Al2O3를 유리시킨다. 여기에서, 전해질과의 접촉 시에 초기 여과율은 약 적어도 1 μg/h, 특히 2.5 μg/h일 수 있다.In another aspect of this embodiment, the material releases Al 2 O 3 upon contact with the electrolyte. Here, the initial filtration rate upon contact with the electrolyte may be about at least 1 μg / h, in particular 2.5 μg / h.

본 발명의 다른 실시예에서, 재료는 상분리 영역(phase-demixed region)을 갖는다. 상분리 영역은 바람직하게는 여과 가능하다. 글래스 세라믹, 즉 용융 공정과 제어된 열처리를 통해 제작된 글래스-결정자 미세구조를 사용하는 것도 또한 가능하다.In another embodiment of the invention, the material has a phase-demixed region. The phase separation zone is preferably filterable. It is also possible to use glass ceramics, ie glass-crystallite microstructures made through the melting process and controlled heat treatment.

이러한 방식으로, 재료의 여과가 단순화되거나 또는 더 선택적으로 될 수 있다. 상분리 글래스 또는 상분리 글래스-세라믹의 사용은 다양한 요건에 매우 양호하게 부합할 수 있도록 한다. 가스의 냉각 중에 및/또는 가스의 냉각 후에 적절한 T-t 프로파일이, 전해질 공격에 대해 불안정한 구성요소가 고체 내에 특별히 적용 가능하게 한다.In this way, filtration of the material can be simplified or more selective. The use of phase-separated glass or phase-separated glass-ceramic makes it very good to meet a variety of requirements. A suitable T-t profile during the cooling of the gas and / or after the cooling of the gas makes the component unstable to electrolyte attack particularly applicable in the solid.

본 발명에 따른 여과 가능한 재료는 사실상 임의의 방식으로 셀에 포함된다.The filterable material according to the invention is included in the cell in virtually any manner.

이에 따라, 재료는 예컨대 분말 첨가제로서 셀 내에 포함될 수 있다. 재료는, 예컨대 폴리머 멤브레인 상의 코팅으로서 단독으로 또는 무기 입자나 유기 입자와 함께 세퍼레이터의 구역에 포함될 수 있다. 재료는 또한 필러/합성물 혼합물의 구성요소로서 포함될 수도 있다. 재료는 또한 전극의 코팅으로서 포함될 수도 있다. 전극 재료에의 입자의 혼합과 분말 유출 리드 호일 상의 결합 코팅도 또한 고려할 수 있다. 또한, 셀 포위 하우징의 코팅도 또한 고려할 수 있다. 다른 변형예를 고려할 수 있다. Accordingly, the material may be included in the cell, for example as a powder additive. The material may be included, for example, alone or as a coating on the polymer membrane in the zone of the separator. The material may also be included as a component of the filler / composite mixture. The material may also be included as a coating of the electrode. Mixing of particles into the electrode material and bonding coating on the powder outflow lead foil are also contemplated. In addition, coating of the cell enclosure housing is also contemplated. Other variations can be considered.

이에 따라, 재료는 또한 세퍼레이터 멤브레인의 구성요소, 부직포 세퍼레이터의 구성요소 또는 세퍼레이터 합성물의 구성요소일 수 있다. 이러한 맥락에서, "부직포"는 섬유 펠트 필터이다. "멤브레인"이라는 용어는 습식 또는 건식 제작 공정에 의해 제작된 다공성 폴리머 성분을 일컫는다. 세퍼레이터 합성물은, 슬러리로서 보조 필름에 도포되고 기공이 형성되면서 경화되는 폴리머와 필러의 친밀한 혼합물이다.Accordingly, the material may also be a component of the separator membrane, a component of the nonwoven separator, or a component of the separator composite. In this context, a "nonwoven" is a fiber felt filter. The term "membrane" refers to a porous polymer component produced by a wet or dry fabrication process. The separator composite is an intimate mixture of polymer and filler that is applied to the auxiliary film as a slurry and cured as the pores are formed.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 재료의 여과 후에는 전해질에 내성이 있는, 열적으로 안정한 나머지 상, 특히 나머지 글래스 상이 남아 있게 된다.In a preferred embodiment of the invention, after filtration of the material, a thermally stable remaining phase, in particular the remaining glass phase, which is resistant to the electrolyte remains.

이것은, 예컨대 다공성 또는 열적으로 안정한 나머지 상으로, 이러한 상은 예컨대 내열성 코팅을 위한 재료, 침윤제로서 또는 합성물에의 첨가제로서 남아 있게 된다.This is for example the remainder of the porous or thermally stable phase, which phase remains for example as a material for the heat resistant coating, as a wetting agent or as an additive to the composite.

이에 따라, 남아 있는 상은, 예컨대 매우 경량의 다공성 스켈레톤(skeleton) 형상 구조일 수 있다. 이러한 구조는 이에 따라, 결합제 등에 의해 지지체에 결합되면 제위치에 계속해서 남아 있는다. 여과 후에 남아 있는 재료 또는 나머지 상은 이에 따라, 예컨대 세퍼레이터의 구성요소 또는 전극, 하우징의 코팅 등일 수 있다.Thus, the remaining phase can be, for example, a very lightweight porous skeleton shaped structure. This structure thus remains in place once bound to the support by a binder or the like. The remaining material or remaining phase after filtration can thus be, for example, components of the separator or electrodes, coating of the housing, and the like.

본 발명에 따른 재료는 바람직하게는 전해질의 용매 성분에 대한 또는 Li 전해질염에 대한 소정 반응도를 갖는다. 용매 성분은, 예컨대 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 또는 디에틸 카보네이트와 같은 카보네이트일 수 있다.The material according to the invention preferably has a certain degree of reactivity to the solvent component of the electrolyte or to the Li electrolyte salt. The solvent component can be, for example, a carbonate such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate.

본 발명의 다른 실시예에서, 재료는 적어도 1 중량%의 B2O3, 바람직하게는 3 중량%가 넘는 B2O3, 매우 바람직하게는 4.5 중량%가 넘는 B2O3를 포함한다.In another embodiment of the invention, the material comprises at least 1% by weight of B 2 O 3 , Preferably greater than 3% by weight B 2 O 3 , very preferably greater than 4.5 wt% B 2 O 3 .

재료로부터 B2O3의 유리는 바람직하게는 HF 스캐빈징을 달성 가능하게 한다.The glass of B 2 O 3 from the material Preferably it makes it possible to achieve HF scavenging.

재료는 바람직하게는 붕소에 더하여 적어도 SiO2를 포함한다. The material preferably comprises at least SiO 2 in addition to boron.

본 발명의 목적에 적절한 가능한 재료는, 예컨대 적어도 아래의 조성(산화물 베이스에 대한 중량% 단위)을 갖는다.Possible materials suitable for the purposes of the present invention have, for example, at least the following composition (in weight% relative to oxide base).

SiO2 45 내지 60,SiO 2 45 to 60,

B2O3 5 내지 30,B 2 O 3 5-30,

Al2O3 5 내지 30.Al 2 O 3 5 to 30.

게다가, 재료는, 예컨대 20 내지 30 중량%의 BaO를 포함할 수 있다. 재료는 또한 0 내지 10 중량%의 ZrO2, 특히 적어도 0.1 중량%의 ZrO2, 특히 적어도 1 중량%의 ZrO2를 포함할 수 있다.In addition, the material may comprise, for example, 20-30% by weight of BaO. The material may also comprise 0 to 10 wt% ZrO 2 , in particular at least 0.1 wt% ZrO 2 , in particular at least 1 wt% ZrO 2 .

본 발명의 목적에 적절한 한가지 재료는, 특히 아래의 조성(산화물 베이스에 대한 중량% 단위)을 갖는다.One material suitable for the purposes of the present invention has, in particular, the following composition (in weight% relative to oxide base).

SiO2 48 내지 58,SiO 2 48 to 58,

B2O3 7 내지 13,B 2 O 3 7 to 13,

Al2O3 7 내지 13,Al 2 O 3 7 to 13,

BaO 22 내지 28,BaO 22-28,

ZrO2 0.1 내지 8.ZrO 2 0.1 to 8.

재료는 사실상 알칼리 금속 산화물을 포함하지만, 바람직하게는 부수적 불순물 및 Li2O를 제외하고, 알칼리 금속 산화물을 포함하지 않는다. 이에 따라, 재료는 Li2O를 포함할 수 있지만, 바람직하게는 Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O는 포함하지 않는다. 이와 관련하여, 부수적 불순물은 사용되는 원료에 따라, 0.5 중량% 미만, 특히 0.1 중량% 미만, 특히 0.05 중량% 미만 또는 심지어는 0.01 중량% 미만의 양으로 존재하는 부수적 불순물이다.The material substantially comprises alkali metal oxides, but preferably does not contain alkali metal oxides, except for incidental impurities and Li 2 O. Accordingly, the material may comprise Li 2 O, but preferably does not include Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O. In this regard, incidental impurities are incidental impurities present in amounts of less than 0.5% by weight, in particular less than 0.1% by weight, in particular less than 0.05% or even less than 0.01% by weight.

그렇지 않은 경우, 전극 재료의 결정 구조에의 Na나 K, Rb나 Cs의 비가역적인 포함으로 인해 셀의 수명이 단축될 우려가 있을 것이다.Otherwise, the life of the cell may be shortened due to the irreversible inclusion of Na or K, Rb or Cs in the crystal structure of the electrode material.

본 발명의 목적을 위해, 조성이 특정 구성요소를 포함하거나 특정 구성요소를 갖는 것으로 주어지면, 이것은 항시 임의의 다른 구성요소가 존재할 수 있다(개방형 조성)는 것을 의미하는 것으로 해석할 수 있다.For the purposes of the present invention, if a composition is given to include or have certain components, it can be interpreted to mean that there may always be any other components present (open composition).

그러나, 본 발명의 다른 실시예에서, 주어진 조성은 글래스 제작의 특성으로 인한 불가피적 불순물을 제외하고, 단지 각 경우에 특정 구성요소만이 존재(폐쇄형 조성)하는 것을 의미하는 것으로 해석되게 된다. 사용되는 원료의 순도에 따라, 상기한 불가피적 불순물은 1 중량% 이하로, 바람직하게는 0.5 중량%로, 더 바람직하게는 0.1 중량%로 또는 심지어는 0.05 중량%로 제한된다.However, in another embodiment of the present invention, a given composition is to be interpreted to mean that in each case only certain components are present (closed composition), except for the inevitable impurities due to the nature of the glass making. Depending on the purity of the raw materials used, the aforementioned unavoidable impurities are limited to 1% by weight or less, preferably 0.5% by weight, more preferably 0.1% by weight or even 0.05% by weight.

본 발명의 목적을 위해, 조성이 특정 구성요소로 이루어진 형태로 주어지면, 이러한 조성은 항시 특정 구성요소만이 존재하지만(폐쇄형 조성), 글래스 제작의 특성으로 인한 불가피적 불순물이 포함될 수 있다는 단서가 붙는다는 것을 의미하는 것으로 해석되게 된다. 사용되는 원료의 순도에 따라, 상기한 불가피적 불순물은 1 중량% 이하로, 바람직하게는 0.5 중량%로, 더 바람직하게는 0.1 중량%로 또는 심지어는 0.05 중량%로 제한된다.For the purposes of the present invention, if the composition is given in the form of specific components, such a composition will always contain only certain components (closed composition), but may contain unavoidable impurities due to the nature of the glass fabrication. Is interpreted to mean that the. Depending on the purity of the raw materials used, the aforementioned unavoidable impurities are limited to 1% by weight or less, preferably 0.5% by weight, more preferably 0.1% by weight or even 0.05% by weight.

본 발명의 목적을 위해, 특정 구성요소가 예들에 열거되면, 이러한 열거사항은 폐쇄형 조성으로서 해석되게 되지만, 이때 글래스 제작 특성으로 인한 불가피적 불순물이 존재할 수 있다는 단서가 붙는다. 사용되는 원료의 순도에 따라, 상기한 불가피적 불순물은 1 중량% 이하로, 바람직하게는 0.5 중량%로, 더 바람직하게는 0.1 중량%로 또는 심지어는 0.05 중량%로 제한된다.For the purposes of the present invention, if a particular component is listed in the examples, this enumeration is to be interpreted as a closed composition, but at this point the clue that there may be unavoidable impurities due to the glass fabrication properties. Depending on the purity of the raw materials used, the aforementioned unavoidable impurities are limited to 1% by weight or less, preferably 0.5% by weight, more preferably 0.1% by weight or even 0.05% by weight.

더욱이, 본 발명의 상기한 특징 및, 아래에서 설명할 본 발명의 특징은 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 각 경우에 나타낸 조합으로 뿐만 아니라 본 발명의 목적을 위한 다른 조합 또는 단독으로 사용될 수 있음은 물론이다.Moreover, the above-described features of the present invention and the features of the present invention described below can be used not only in the combinations shown in each case but also in other combinations or for the purposes of the present invention without departing from the scope of the present invention. Of course.

본 발명은 아래에서 예에 의해 그리고 도면을 참고로 하여 설명될 것이다.The invention will be explained below by way of example and with reference to the drawings.

본 발명에 따르면, 비싸지 않고, 무독성이며, 열적으로 안정한 첨가제를 갖는 개선된 리튬 이온 충전지가 제공되며, 또한 이러한 충전지에서 HF를 문제 없도록 하는 것도 가능하다.According to the present invention there is provided an improved lithium ion rechargeable battery with additives which are inexpensive, non-toxic and thermally stable, and it is also possible to make HF trouble free in such rechargeable batteries.

도 1은 본 발명에 따른 리튬 이온 충전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 비교예와 비교한 본 발명에 따른 재료들에 대한 순환전류전압 측정치를 보여주는 도면이다.
도 3은 비교예와 비교한 본 발명에 따른 재료에 대한 NMR 측정치를 보여주는 도면이다.
도 4는 스피노달 분리된 Li 붕산염의 명확하게 인지 가능한 구역을 갖는 상분리 재료(AB3)의 연마 샘플을 보여주는 도면이다.
1 is a view schematically showing a lithium ion rechargeable battery according to the present invention.
2 shows a cyclic current voltage measurement of materials according to the invention compared with a comparative example.
3 shows NMR measurements for materials according to the invention in comparison with comparative examples.
FIG. 4 shows an abrasive sample of phase separation material (AB3) with a clearly recognizable zone of spinodal separated Li borate.

도 1은 전체적으로 참조번호 10으로 나타낸 예시적인 리튬 이온 충전지를 개략적으로 보여준다. 리튬 이온 충전지(10)는 2개의 전극 리드스루(lead-through; 12)를 갖는 하우징(18)을 구비한다. 전극 리드스루(12)는, Cu로 이루어지고 애노드 재료로 코팅되는 제1 전극(14) 및 캐소드 재료로 코팅되는 Al 파워 유출 호일일 수 있는 제2 전극(16)에 연결된다. 예시적인 애노드 재료는 경질 탄소, 흑연과 같은 탄소 함유상 또는 Li 티탄산염이며, 캐소드 재료의 예는 LiCoO2와 같은 시트 산화물, LiMn2O4와 같은 스피넬 또는 LiFePO4와 같은 올리빈상 또는 다른 전이 금속 양이온을 지닌 이들의 혼합 결정상 또는 이들의 혼합물이다. 전극(14, 16)들 사이에는, 글래스 입자가 (공동) 코팅되거나 (공동) 침투된 폴리머 멤브레인 또는 부직포 폴리머일 수 있는 세퍼레이터(22)가 있다. 이 경우, 리튬 이온 충전지는 단지, 하우징(18)에 의해 둘러싸이고 전해질액(20)으로 충전되는 단일 셀만을 갖는다. 본 발명에 따르면, 여과 가능한 글래스가 셀에 포함되는데, 이는, 예컨대 전극(14, 16) 중 적어도 하나 또는 세퍼레이터(22) 상의 코팅으로서 이루어질 수 있다. 전극 재료에의 입자의 혼합 및 파워 유출 호일의 공동 코팅도 또한 고려 가능한 포함 형태이다. 이 경우, 참조부호 24는 본 발명에 따른 여과 가능한 글래스에 의한 하우징(18)의 내면의 코팅을 나타낸다. 상기한 실시예는 매우 넓은 글래스 표면적과, 이에 따른 높은 효율성을 제공한다. 앞서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 글래스에 대해서 임의의 다른 포함 형태가 가능하다.1 schematically shows an exemplary lithium ion rechargeable battery, generally indicated at 10 . The lithium ion rechargeable battery 10 has a housing 18 having two electrode lead-throughs 12. The electrode leadthrough 12 is connected to a first electrode 14 made of Cu and coated with an anode material and a second electrode 16 which may be an Al power outlet foil coated with a cathode material. Exemplary anode materials are hard carbon, carbon-containing phases such as graphite or Li titanate, examples of cathode materials are sheet oxides such as LiCoO 2 , spinels such as LiMn 2 O 4 or olivine phases or other transition metals such as LiFePO 4 Mixed crystal phases or mixtures thereof with cations. Between the electrodes 14, 16 is a separator 22, which may be a polymer membrane or a nonwoven polymer with (co) coated or (co) penetrated glass particles. In this case, the lithium ion rechargeable battery only has a single cell surrounded by the housing 18 and filled with the electrolyte solution 20. According to the invention, a filterable glass is included in the cell, which can be made, for example, as at least one of the electrodes 14, 16 or as a coating on the separator 22. Mixing of particles into the electrode material and co-coating of the power outlet foil are also contemplated inclusion forms. In this case, reference numeral 24 denotes the coating of the inner surface of the housing 18 by the filterable glass according to the invention. The above embodiment provides a very large glass surface area and thus high efficiency. As indicated above, any other inclusion form is possible for the glass according to the present invention.

비교예(CE)와 비교한 다양한 예(EX)가 표 1에 요약되어 있다.Various examples (EX) compared to Comparative Example (CE) are summarized in Table 1.

예 1Example 1

제1 예로서, 아래의 조성(산화물 베이스에 대한 중량% 단위)을 갖는 글래스(EX4)가 사용되었다:As a first example, glass (EX4) with the following composition (in weight percent based on oxide base) was used:

SiO2 55SiO 2 55

B2O3 10B 2 O 3 10

Al2O3 10Al 2 O 3 10

BaO 25. BaO 25.

리튬 이온 셀에서의 재료의 HF 스캐빈징 성능을 확인하기 위해, 전기화학 검사법을 이용하는 것이 가능하다. 여기에서, 피크 형태 및 보다 높은 전체 전류값으로 반응종(예컨대, HF)을 나타내는 전류-전압 곡선이 기록된다. 리튬 이온 셀 분야에서, 순환 전압전류법(cyclovoltammetry)이 통상적으로 전기화학적 방법으로서 채용된다. 이 방법에서, 종의 정반응 및 역반응을 측정하는 사이클이 실시된다. 이 경우, 상기 사이클은 3 V에서 시작하여, 0.05 볼트에 도달하고, 다시 3 V로 돌아갔다. 인가 전압은 시스템에 전류를 초래하고, 이것이 측정된다.In order to confirm the HF scavenging performance of the material in the lithium ion cell, it is possible to use an electrochemical test. Here, a current-voltage curve is recorded which represents the reactive species (eg HF) in peak form and at higher overall current values. In the field of lithium ion cells, cyclovoltammetry is commonly employed as an electrochemical method. In this method, a cycle is performed to measure the forward and reverse reactions of the species. In this case, the cycle started at 3 V, reached 0.05 volts, and returned to 3 V again. The applied voltage causes a current in the system, which is measured.

리튬 이온 셀의 환경에 있어서의 재료에 대한 순환 전류전압 측정을 실시할 수 있도록 하기 위해, 이들 재료는 적절한 형태로 적절한 전해질과 접촉되어야만 한다. 이 예에서, LiPF6를 기반으로 하는 전해질이 사용되었다. In order to be able to make cyclic current voltage measurements on materials in the environment of lithium ion cells, these materials must be in contact with the appropriate electrolyte in the appropriate form. In this example, an electrolyte based on LiPF 6 was used.

전기화학 측정을 위해 3개 전극 구성이 통상적으로 사용된다. 작동 전극(테스트할 재료를 포함함), 리튬으로 이루어진 상대 전극(counter electrode), 및 리튬으로 이루어진 기준 전극(reference electrode)이 여기에서 요구된다. 작동 전극을 제작하기 위해, 검사할 재료, 전도성 카본블랙 및 적절한 결합제(예컨대, PVDF)의 혼합물이 우선 적절한 용매(예컨대, NMP)에 도입된다. 재료, 전도성 카본 블랙 및 결합제의 혼합물에 대해서, 예컨대 80:12:8의 혼합비를 사용하는 것이 가능하다. 용매에 대한 혼합물의 비율은 25:75이다. 예컨대, 닥터 블레이드 코팅에 의해 액체 혼합물이 적절한 재료(예컨대, 구리)에 도포된다. 이어서 전극이 건조되고, Li 기준 전극 및 Li 상대 전극과 함께 적절한 측정 셀 내에 설치된다. 측정 셀의 구성을 위한 리튬 및 LiPF6의 사용으로 인해, 작동은 글러브 박스 내에서 보호 가스 하에서 실시되어야만 한다. 측정 셀의 제작 후, 3개의 전극은 적절한 정전위에 접속되고, 전류-전압 곡선이 기록된다. 여기에서, HF는 피크 형태로(2.0 내지 3.0 V 범위), 그리고 이 범위에서 증가된 전류로 나타난다.Three electrode configurations are commonly used for electrochemical measurements. There is a need for a working electrode (including the material to be tested), a counter electrode made of lithium, and a reference electrode made of lithium. To fabricate the working electrode, a mixture of the material to be tested, conductive carbon black and a suitable binder (eg PVDF) is first introduced into a suitable solvent (eg NMP). For mixtures of materials, conductive carbon blacks and binders, it is possible to use, for example, a mixing ratio of 80: 12: 8. The ratio of mixture to solvent is 25:75. For example, the liquid mixture is applied to a suitable material (eg copper) by doctor blade coating. The electrode is then dried and placed in a suitable measuring cell together with the Li reference electrode and the Li counter electrode. Due to the use of lithium and LiPF 6 for the construction of the measuring cell, the operation must be carried out under protective gas in the glove box. After fabrication of the measuring cell, the three electrodes are connected to the appropriate electrostatic potential and the current-voltage curve is recorded. Here, HF appears in peak form (range from 2.0 to 3.0 V) and in this range with increased current.

도 2는, 적절한 재료가 사용될 때에 HF의 스캐빈징이 일어나는 것을 보여주는 측정 곡선의 2개의 예를 보여준다. 다음 도면들은 2개의 상이한 작동 전극의 전류-전압 곡선을 보여준다. 작동 전극이 단지 카본블랙과 결합제(글래스 또는 대안의 재료가 없음)(파선)로만 코팅될 때, 최대 전류와 가장 확연한 피크를 볼 수 있다. 다른 한편으로, 적절한 글래스(EX4)가 카본블랙 및 결합제와 함께 작동 전극에 도포되면(실선), 전류는 훨씬 더 낮고, 확연한 피크는 더 이상 볼 수 없다. 이것은 글래스에 의한 HF의 성공적인 스캐빈징을 증명한다.2 shows two examples of measurement curves showing that scavenging of HF occurs when suitable materials are used. The following figures show the current-voltage curves of two different working electrodes. When the working electrode is only coated with carbon black and a binder (no glass or alternative material) (dashed line), the maximum current and the most pronounced peak can be seen. On the other hand, if a suitable glass (EX4) is applied to the working electrode together with the carbon black and the binder (solid line), the current is much lower and the clear peaks are no longer visible. This proves successful scavenging of HF by glass.

NMR 분광학은, 원자핵의 자기 공명 특성으로 인해 원자핵의 화학적 환경을 특징 지우고, 이에 따라 분자 구조를 인식하며, 화합물을 식별하는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 화합물을 정량화할 수 있다. 1000 mg/kg의 물을 첨가한 리튬 이온 충전지의 액체 전해질에 있어서의 저장 테스트(여기에서, 30일 동안 60 ℃에서 EC:DMC = 1:1(m/m)에 1 M의 LiPF6)에서, LiPF6의 가수분해에 의해 자유 불화수소(HF)가 형성되는 것으로 추정할 수 있다. HF의 형성은 물의 첨가에 의해 현저히 지원된다. 상기 글래스(EX4)로 형성된 재료가 이러한 안정성 테스트에서 장기간 동안에 수분이 있는 전해질에 저장되면, 용해된 불소 함유 화합물의 함량은 19F-NMR에 의해 측정될 수 있고, 다양한 불소종의 농도-시간 프로파일이 얻어진다. 글래스(B)가 존재하지 않는 상태에서 현저한 HF 형성을 초래하는, 물의 첨가에 의해 유발되는 LiPF6의 가수분해에도 불구하고, 30일 후에 어떠한 자유 불소 이온(HF의 표지)도 발견되지 않았다. 이것은 HF 스캐빈징 특성을 증명한다.NMR spectroscopy makes it possible to characterize the chemical environment of the nucleus due to the magnetic resonance properties of the nucleus, thus recognizing the molecular structure and identifying the compound. Moreover, the compounds can be quantified. Storage test in liquid electrolyte of lithium ion rechargeable battery with 1000 mg / kg of water (here, 1 M of LiPF 6 at EC: DMC = 1: 1 (m / m) at 60 ° C. for 30 days). , It can be estimated that free hydrogen fluoride (HF) is formed by hydrolysis of LiPF 6 . The formation of HF is markedly supported by the addition of water. If the material formed of the glass (EX4) is stored in a moist electrolyte for a long time in this stability test, the content of dissolved fluorine-containing compound can be measured by 19 F-NMR, and the concentration-time profile of various fluorine species Is obtained. In spite of the hydrolysis of LiPF 6 caused by the addition of water, which resulted in significant HF formation in the absence of glass (B), no free fluorine ions (labeled HF) were found after 30 days. This demonstrates the HF scavenging properties.

이러한 특성은 글래스와 같은 모든 재료에 대해서 일반적인 것이 아니라, 특정 조성을 갖고, 바람직하게는 적어도 붕소를 함유하는 글래스만이 적절하다. 시간 의존 NMR 측정의 결과가 도 3에 표시된다. HF 형성의 측정치로서의 전해질 내의 불소의 함량(여기에서는 용해된 총 불소종의 상대 비율)은 세로 좌표에 플로팅된다. 글래스(EX4)가 존재하는 상태에서 HF가 유리되지 않음을 알 수 있다.This property is not common for all materials such as glass, but only glass having a specific composition and preferably containing at least boron is suitable. The results of the time dependent NMR measurement are shown in FIG. 3. The content of fluorine in the electrolyte (here relative proportion of total fluorine species dissolved) as a measure of HF formation is plotted in ordinate. It can be seen that HF is not released in the state where the glass EX4 is present.

Figure pct00003
Figure pct00003

Claims (26)

리튬 이온 충전지로서, 적어도 양극, 음극, 세퍼레이터(separator) 및 전해질이 수용되는 적어도 하나의 셀을 구비하고, 셀 기능이 기본적으로 유지되면서 전해질과의 접촉 시에 여과 가능한 글래스 기반의 적어도 하나의 재료를 포함하는 리튬 이온 충전지.A lithium ion rechargeable battery, comprising: at least one glass-based material that has at least a positive electrode, a negative electrode, a separator, and at least one cell containing an electrolyte, and which is filterable upon contact with the electrolyte while the cell function is basically maintained Lithium ion rechargeable battery included. 제1항에 있어서, 상기 재료는 전해질과의 접촉 시에 적어도 1 μg/h, 특히 적어도 10 μg/h 또는 적어도 25 μg/h의 여과율(leaching rate)을 갖는 것인 리튬 이온 충전지.The lithium ion rechargeable battery according to claim 1, wherein the material has a filtering rate of at least 1 μg / h, in particular at least 10 μg / h or at least 25 μg / h upon contact with the electrolyte. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재료는 전해질과의 접촉 시에 3000 μg/h 이하, 특히 2000 μg/h 이하, 바람직하게는 1000 μg/h 이하의 여과율을 갖는 것인 리튬 이온 충전지.The lithium ion rechargeable battery according to claim 1, wherein the material has a filtration rate of at most 3000 μg / h, in particular at most 2000 μg / h, preferably at most 1000 μg / h upon contact with the electrolyte. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 여과율은 시간 경과에 따라 변하며, 특히 시간 경과에 따라 감소하는 것인 리튬 이온 충전지.4. A lithium ion rechargeable battery according to claim 2 or 3, wherein the filtration rate changes over time, in particular decreasing over time. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료의 조성은 여과에 의해 변하는 것인 리튬 이온 충전지.The lithium ion rechargeable battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the composition of the material is changed by filtration. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 전해질과 접촉할 때에 HF를 스캐빈징(scavenging)하기 위해 게터 물질(getter substance)를 유리시키는 것인 리튬 이온 충전지.6. The lithium ion rechargeable battery of claim 1, wherein the material releases a getter substance to scaveng HF when in contact with an electrolyte. 7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 전해질에 관하여 불활성인 종을 형성하도록 불소를 결합하는 것인 리튬 이온 충전지.The lithium ion rechargeable battery according to claim 1, wherein the material binds fluorine to form a species that is inert with respect to the electrolyte. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 전해질과 접촉할 때에 붕소 함유 물질을 유리시키며, 특히 산소 결합 붕소를 유리시키는 것인 리튬 이온 충전지.The lithium ion rechargeable battery according to claim 1, wherein the material liberates the boron containing material when in contact with the electrolyte, in particular liberating oxygen bonded boron. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 전해질과 접촉할 때에 적어도 3 μg/h, 특히 적어도 5 μg/h의 B2O3의 질량 손실을 갖는 것인 리튬 이온 충전지.The lithium ion rechargeable battery according to claim 1, wherein the material has a mass loss of B 2 O 3 of at least 3 μg / h, in particular of at least 5 μg / h when in contact with an electrolyte. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 상분리 영역(phase demixed region)을 갖는 것인 리튬 이온 충전지.10. The lithium ion rechargeable battery according to any one of claims 1 to 9, wherein the material has a phase demixed region. 제10항에 있어서, 상기 상분리 영역은 바람직하게는 여과 가능한 것인 리튬 이온 충전지.The rechargeable lithium ion battery of claim 10, wherein the phase separation zone is preferably filterable. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 글래스 또는 글래스-세라믹인 것인 리튬 이온 충전지.12. The lithium ion rechargeable battery according to any one of claims 1 to 11, wherein the material is glass or glass-ceramic. 제12항에 있어서, 상기 재료는 글래스-세라믹이고, 결정자(crystallite)는 바람직하게는 여과 가능한 것인 리튬 이온 충전지.13. The lithium ion rechargeable battery of claim 12 wherein the material is glass-ceramic and the crystallites are preferably filterable. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 분말 첨가제로서 셀에 포함되거나, 세페레이터의 영역에 포함되거나, 필러 합성 혼합물의 구성요소로서 포함되거나, 전극의 코팅으로서 포함되거나, 전극 재료와 함께 혼합물로서 파워 유출 리드에 도포되거나, 또는 셀을 에워싸는 하우징 상의 코팅으로서 포함되는 것인 리튬 이온 충전지.The material according to claim 1, wherein the material is included in the cell as a powder additive, in the region of the separator, as a component of the filler synthesis mixture, or as a coating of the electrode, A lithium ion rechargeable battery that is applied to a power outlet lead as a mixture with an electrode material or is included as a coating on a housing surrounding a cell. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 세퍼레이터 멤브레인, 부직물 세퍼레이터, 또는 세퍼레이터 합성물의 구성요소인 것인 리튬 이온 충전지.15. The lithium ion rechargeable battery of claim 1, wherein the material is a component of a separator membrane, a nonwoven separator, or a separator composite. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료의 여과 후에, 전해질에 대해 내성이 있는, 내열성 나머지 상, 특히 나머지 글래스 상이 남아 있는 것인 리튬 이온 충전지.The lithium ion rechargeable battery according to claim 1, wherein after filtration of the material, a residual heat resistant phase, in particular a remaining glass phase, resistant to the electrolyte remains. 제16항에 있어서, 여과된 나머지 상은 내열성 코팅을 위한 재료, 침윤제 또는 합성물에의 첨가제로서 사용하도록 다공성이며 열적으로 안정한 것인 리튬 이온 충전지.The lithium ion rechargeable battery of claim 16, wherein the remaining filtered phase is porous and thermally stable for use as an additive to a material, wetting agent or composite for a heat resistant coating. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 적어도 1 중량%, 바람직하게는 적어도 3 중량%, 더 바람직하게는 4.5 중량%의 B2O3를 포함하는 것인 리튬 이온 충전지.Claim 1 to claim 17 according to any one of claims, wherein the material is a lithium-ion rechargeable battery comprises at least 1% by weight, preferably at least 3 wt%, more preferably from 4.5% by weight of B 2 O 3 . 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 글래스는 붕소에 더하여 적어도 SiO2를 함유하는 것인 리튬 이온 충전지.19. The lithium ion rechargeable battery according to any one of claims 1 to 18, wherein the glass contains at least SiO 2 in addition to boron. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 적어도 아래의 성분(산화물 베이스에 대한 중량% 단위임), 즉
SiO2 45 내지 60
B2O3 5 내지 30, 및
Al2O3 5 내지 30
을 포함하는 것인 리튬 이온 충전지.
20. The material according to any of claims 1 to 19, wherein the material is at least the following components (in weight percent units relative to the oxide base):
SiO 2 45 to 60
B 2 O 3 5 to 30, and
Al 2 O 3 5 to 30
A lithium ion rechargeable battery comprising a.
제20항에 있어서, 상기 재료는 20 내지 30 중량%의 BaO를 더 포함하는 것인 리튬 이온 충전지.The lithium ion rechargeable battery of claim 20, wherein the material further comprises 20-30 wt.% BaO. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 0 내지 10 중량%의 ZrO2, 특히 적어도 0.1 중량%의 ZrO2, 특히 적어도 1 중량%의 ZrO2를 더 포함하는 것인 리튬 이온 충전지.22. The method according to any of claims 18 to 21, wherein the material comprises from 0 to 10% by weight of ZrO 2 , in particular at least 0.1% by weight ZrO 2 , in particular at least 1% by weight. A lithium ion rechargeable battery further comprising ZrO 2 . 제20항에 있어서, 상기 재료는 아래의 조성(산화물 베이스에 대한 중량% 단위임), 즉
SiO2 48 내지 58
B2O3 7 내지 13
Al2O3 7 내지 13
BaO 22 내지 28
ZrO2 0.1 내지 8
을 갖는 것인 리튬 이온 충전지.
21. The method of claim 20, wherein the material is of the following composition (in weight percent units based on oxide base):
SiO 2 48 to 58
B 2 O 3 7 to 13
Al 2 O 3 7 to 13
BaO 22 to 28
ZrO 2 0.1 to 8
Lithium ion rechargeable battery having.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 부수적 불순물을 및 Li2O를 제외하고, 알칼리 금속 산화물을 포함하지 않는 것인 리튬 이온 충전지.24. The lithium ion rechargeable battery according to any one of claims 1 to 23, wherein the material does not contain incidental impurities and alkali metal oxides, except Li 2 O. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 전해질과 접촉할 때에 적어도 1 μg/h, 특히 2.5 μg/h의 Al2O3의 질량 손실을 갖는 것인 리튬 이온 충전지. The lithium ion rechargeable battery according to claim 1, wherein the material has a mass loss of Al 2 O 3 of at least 1 μg / h, in particular 2.5 μg / h when in contact with an electrolyte. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 전해질과 접촉할 때에 3000 μg/h 이하, 특히 2000 μg/h 이하, 바람직하게는 1000 μg/h 이하의 Al2O3의 질량 손실을 갖는 것인 리튬 이온 충전지. The mass of Al 2 O 3 according to any one of the preceding claims, wherein the material is at most 3000 μg / h, in particular at most 2000 μg / h, preferably at most 1000 μg / h when in contact with the electrolyte. Lithium ion rechargeable battery.
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