KR20160033412A - 신규한 화합물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 전해액 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신규한 화합물, 이를 포함하는 리튬 이차전지 전해액 및 본 발명의 리튬 이차전지 전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것으로, 본 발명의 이차전지 전해액은 고온안정성, 저온방전용량 및 수명특성이 매우 우수하다.

Description

신규한 화합물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 전해액{New Compound and Electrolyte of Lithium Secondary Battery Containing the Same}
본 발명은 신규한 화합물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 전해액을 제공하는 것으로 보다 상세하게는 리튬 이차전지 전해액의 첨가제로 사용될 수 있는 신규한 화합물, 이를 포함하는 리튬 이차전지 전해액 및 이러한 리튬 이차전지 전해액을 채용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.
최근 휴대전자기기들이 광범위하게 보급되고 있고 소형화, 박막화 및 경량화됨에 따라 이의 전원으로 사용되는 이차전지도 소형으로 경량이면서 장시간 충방전이 가능하도록 하는 연구가 활발하다.
리튬 이차전지는 리튬 이온이 상기 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기적 에너지를 생성하는 것으로, 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다.
현재 널리 사용되는 유기 전해액은 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메톡시에탄, 감마부티로락톤, N,N-디메틸포름아미드, 테트라하이드로푸란 또는 아세트니트릴 등을 들 수 있다. 그러나 이러한 유기 전해액은 일반적으로 휘발하기 쉽고, 인화성이 높아 리튬 이온 이차 전지에 적용함에 있어서 과충전, 과방전에 의한 내부 발열시 내부 단락에 의한 발화를 일으키는 등 고온에서 안전성에 문제가 발생하였다.
또한, 리튬 이차전지는 초기 충전시 양극인 리튬 금속 산화물로부터 나온 리튬 이온이 음극인 탄소 전극으로 이동하여 탄소에 인터컬레이션되며, 이때 리튬은 반응성이 강해 음극 활물질인 탄소 입자의 표면과 전해질이 반응하면서, 음극 표면에 고체 전해질(Solid Electrolyte Interface; SEI) 필름이라는 피막을 형성한다.
리튬 이차전지의 성능은 유기 전해액 구성과 상기 유기 전해액과 전극이 반응하여 형성하는 상기 SEI 막에 의해 크게 좌우된다.
즉, 형성된 SEI 막은 카본재와 전해액 용매와의 부반응, 예컨대 음극인 탄소 입자의 표면에서 전해액의 분해를 억제하고, 전해액 용매의 음극재로의 삽입(co-intercalation)으로 인한 음극재의 붕괴 등을 방지할 뿐만아니라, 종래 리튬 이온 터널로서의 역할을 충실히 수행함으로써 전지의 성능 저하를 최소화한다.
따라서 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 첨가제를 포함하는 새로운 유기 전해액을 개발하려는 다양한 연구가 시도되고 있다.
일례로 일본특허 JP2002-260725는 비페닐(Biphenyl)과 같은 방향족 화합물을 사용하여 과충전 전류 및 이로 인한 열폭주 현상을 방지할수 있는 비수계 리튬이온전지를 개시하고 있다. 또 미국특허 5,879,834호에도 비페닐(biphenyl), 3-클로로티오펜(3-chlorothiophene) 등의 방향족 화합물을 소량첨가시켜 비정상적인 과전압상태에서 전기화학적으로 중합되어 내부저항을 증가시킴으로써 전지의 안전성을 향상시키기 위한 방법이 기재되어 있다.
그러나 여전히 용량 유지율이 높으면서도 고온 및 저온에서 안전성을 향상키기기위한 연구가 요구된다.
일본특허 JP2002-260725 미국특허 5,879,834호
본 발명은 고율 충방전 특성, 수명 특성 등의 기본적인 성능이 양호하게 유지되면서, 고온 및 저온 특성이 우수한 신규한 화합물, 이를 함유하는 리튬 이차전지 전해액 및 본 발명의 리튬 이차전지 전해액을 채용한 리튬 이차전지를 제공하는 데 있다.
본 발명은 리튬 이차전지의 특성을 향상시키기위해 리튬 이차전지 전해액 첨가제로 사용되는 하기 화학식 1로 표시되는 신규한 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
(상기 화학식 1에서,
R1 내지 R4는 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이며;
A는 단일결합 또는 -(CR3R4)n-이며, n은 1 내지 3의 정수이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
[화학식 3]
Figure pat00003
(상기 화학식 2 및 3에서,
R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 2 및 3에서, R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐일 수 있다.
또한 본 발명은 리튬 이차전지 전해액을 제공하는 것으로, 본 발명의 리튬 이차전지 전해액은,
리튬염;
비수성 유기 용매; 및
하기 화학식 1로 표시되는 화합물;을 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00004
(상기 화학식 1에서,
R1 내지 R4는 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이며;
A는 단일결합 또는 -(CR3R4)n-이며, n은 1 내지 3의 정수이다.)
바람직하게 본 발명의 일실시예에 따른 상기 화학식 1은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00005
[화학식 3]
Figure pat00006
(상기 화학식 2 또는 3에서,
R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서 상기 화학식 1은 하기 구조에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다.
Figure pat00007
Figure pat00008
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 상기 전해액 총 중량에 대하여 0.1 내지 5중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 전해액은 옥살레이토보레이트계 화합물, 불소로 치환된 카보네이트계 화합물, 비닐리덴 카보네이트계 화합물 및 설피닐기 함유 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 추가 첨가제를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 전해액은 리튬디플루오로 옥살레이토보레이트(LiFOB), 리튬 비스옥살레이토보레이트(LiB(C2O4)2, LiBOB), 플루오로에틸렌카보네이트(FEC), 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐에틸렌 카보네이트(VEC), 다이비닐 설폰(divinyl sulfone), 에틸렌 설파이트(ethylene sulfite), 프로필렌 설파이트(propylene sulfite), 다이알릴 설포네이트 (diallyl sulfonate), 에탄 설톤, 프로판 설톤(propane sulton, PS), 부탄 설톤(butane sulton), 에텐 설톤, 부텐 설톤 및 프로펜 설톤(PRS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 추가 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 추가 첨가제는 전해액 총 중량에 대하여 0.1% 내지 5.0 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 비수성 유기 용매는 환형 카보네이트계 용매, 선형 카보네이트계 용매 및 이들의 혼합용매로부터 선택될 수 있으며, 상기 환형 카보네이트는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트, 비닐에틸렌카보네이트, 플루오르에틸렌카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 상기 선형 카보네이트는 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디프로필카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 비수성 유기 용매는 선형 카보네이트 용매 : 환형 카보네이트 용매의 혼합 부피비가 1 내지 9 : 1일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(SO3C2F5)2, LiN(SO2F)2, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC6H5SO3, LiSCN, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 리튬염은 0.1 내지 2.0 M의 농도로 존재할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 리튬 이차전지 전해액을 포함하는 리튬 이차전지을 제공한다.
본 발명의 신규한 화합물은 리튬 이차전지 전해액에 함유되어 이를 포함하는 리튬 이차전지의 특성을 향상시킨다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지 전해액은 두개의 산소를 포함하는 헤테로사이클로알킬고리 화합물을 포함함으로써 고온에서 전지가 부푸는 현상(swelling)이 현저하게 개선되어 우수한 고온 저장 특성을 가진다.
또한 본 발명에 따른 리튬 이차전지 전해액은 고리내 두개의 산소를 포함하고 고리내 두개의 탄소원자가 카보닐기로 치환된 헤테로사이클로알킬 화합물을 포함함으로써 고온에서의 용량 회복율뿐만 아니라 저온에서의 방전용량도 현저하게 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 리튬 이차전지 전해액은 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물과 옥살레이토보레이트계 화합물, 불소로 치환된 카보네이트계 화합물, 비닐리덴 카보네이트계 화합물 및 설피닐기 함유 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 추가 첨가제를 더 포함하여 보다 우수한 수명특성, 고온안정성 및 저온특성을 가진다.
또한 본 발명의 리튬 이차전지는 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 본 발명의 리튬 이차전지 전해액을 채용함으로써 고효율 충방전 특성, 수명 특성 등의 기본적인 성능을 양호하게 유지하면서도 우수한 고온 저장안정성과 저온 특성을 가진다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 이 때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 리튬 이차전지의 첨가제로 사용가능한 하기 화학식 1로 표시되는 신규한 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00009
(상기 화학식 1에서,
R1 내지 R4는 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이며;
A는 단일결합 또는 -(CR3R4)n-이며, n은 1 내지 3의 정수이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 신규 화합물은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00010
[화학식 3]
Figure pat00011
(상기 화학식 2 및 3에서,
R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 2 및 3에서, R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐일 수 있다.
또한 본 발명은 고온 저장특성과 수명특성이 높으면서도 저온에서 방전용량이 매우 우수한 전지를 제공하기 위해 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 이차전지 전해액을 제공한다.
즉, 본 발명은 리튬염; 비수성 유기 용매; 및 하기 화학식 1로 표시되는 화합물;을 포함하는 리튬 이차전지 전해액을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00012
(상기 화학식 1에서,
R1 내지 R4는 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이며;
A는 단일결합 또는 -(CR3R4)n-이며, n은 1 내지 3의 정수이다.)
본 발명의 이차전지 전해액은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함함으로써 고온에서의 용량회복율이 높으며, 두께변화율이 낮아 고온에서 보다 안정하다.
보다 구체적으로 본 발명의 상기 화학식 1의 화합물은 헤테로사이클로알킬의 고리내에 2개의 산소원자와 고리내에 2개의 탄소원자가 카보닐기로 치환된 구조를 가져 음극에서 분해되어 SEI 피막을 형성함으로써 용매의 분해을 억제하는 동시에 고온에서의 안정성도 높여 고온 및 저온특성을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 화학식 1은하기 화학식 2 또는 3으로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00013
[화학식 3]
Figure pat00014
(상기 화학식 2 및 3에서,
R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 2 및 3에서 R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬 또는 (C1-C10)알콕시카보닐일 수 있다.
화학적 안정성과 전기특성측면에서 상기 화학식 2가 바람직하며, 상기 화학식 2에서 R11 및 R13은 수소이며, R12 및 R14는 서로 독립적으로 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐일 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 화학식 2에서 R11 및 R13은 수소이며, R12 및 R14는 동일하게 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬 또는 (C1-C10)알콕시카보닐일 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 상기 화학식 1의 화합물은 하기 구조에서 선택될 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다:
Figure pat00015
Figure pat00016
본 발명에 기재된 「알킬」, 「알콕시」 및 그 외 「알킬」부분을 포함하는 치환체는 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함하며, 1 내지 10개의 탄소원자 바람직하게는 1 내지 6, 보다 바람직하게는 1 내지 4의 탄소원자를 갖는다.
본 발명에 기재된 할로겐이 치환된 알킬 또는 할로알킬은 알킬에 존재하는 하나이상의 수소가 할로겐으로 치환된 것을 의미하다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 화학식 1의 화합물은 상기 이차전지 전해액 총 중량에 대하여 0.1 내지 5중량%로 포함될 수 있으며, 고온 안정성 측면에서 보다 바람직하게는 1 내지 3 중량%로 포함된다. 상기 화학식 1의 화합물의 함량이 0.1 중량% 미만 포함되면 고온 안정성이 낮거나 용량 유지율의 개선이 미미한 등 첨가 효과가 나타나지 않으며, 리튬 이차전지의 방전용량 또는 출력 등의 향상 효과가 미미하고, 5중량% 초과 포함되면, 급격한 수명 열화가 발생되는 등, 오히려 리튬 이차전지의 특성이 저하된다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 전해액은 전지 수명을 향상시키기 위한 수명 향상 추가 첨가제로서, 옥살레이토보레이트계 화합물, 불소로 치환된 카보네이트계 화합물, 비닐리덴 카보네이트계 화합물 및 설피닐기 함유 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 옥살레이토보레이트계 화합물은 하기 화학식 11로 표시되는 화합물 또는 리튬 비스옥살레이토보레이트(LiB(C2O4)2, LiBOB)일 수 있다.
[화학식 11]
Figure pat00017
(상기 화학식 11에서, R11 및 R12는 각각 독립적으로 할로겐 원소, 또는 할로겐화된 C1 내지 C10의 알킬기이다.)
상기 옥살레이토보레이트계 첨가제의 구체적인 예로는 LiB(C2O4)F2 (리튬디플루오로 옥살레이토보레이트, LiFOB) 또는 LiB(C2O4)2 (리튬비스옥살레이토보레이트, LiBOB) 등을 들 수 있다.
상기 불소로 치환된 카보네이트계 화합물은 플루오로에틸렌카보네이트(FEC), 디플루오로에틸렌카보네이트(DFEC), 플루오로디메틸카보네이트(FDMC), 플루오로에틸메틸카보네이트(FEMC) 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 비닐리덴 카보네이트계 화합물은 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐 에틸렌 카보네이트(VEC) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 설피닐기(S=O) 함유 화합물은 설폰, 설파이트, 설포네이트 및 설톤(환형 설포네이트)일 수 있으며, 이들은 단독 또는 혼합 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 설폰은 하기 화학식 12로 표현될 수 있으며, 다이비닐 설폰(divinyl sulfone)일 수 있다. 상기 설파이트는 하기 화학식 13으로 표현될 수 있으며, 에틸렌 설파이트(ethylene sulfite), 또는 프로필렌 설파이트(propylene sulfite)일 수 있다. 설포네이트는 하기 화학식 14로 표현될 수 있으며, 다이알릴 설포네이트 (diallyl sulfonate)일 수 있다. 또한, 설톤의 비제한적인 예로는 에탄 설톤, 프로판 설톤(propane sulton), 부탄 설톤(butane sulton), 에텐 설톤, 부텐 설톤, 프로펜 설톤(propene sultone) 등을 들 수 있다.
[화학식 12]
Figure pat00018
[화학식 13]
Figure pat00019
[화학식 14]
Figure pat00020
(상기 화학식 12, 13, 및 14에서, R13 및 R14는 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원자, C1-C10의 알킬기, C2-C10의 알케닐기, 할로겐이 치환된 C1-C10의 알킬기 또는 할로겐이 치환된 C2-C10의 알케닐기이다.)
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 보다 바람직하게 상기 전해액은 리튬디플루오로 옥살레이토보레이트(LiFOB), 리튬 비스옥살레이토보레이트(LiB(C2O4)2, LiBOB), 플루오로에틸렌카보네이트(FEC), 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐에틸렌 카보네이트(VEC), 다이비닐 설폰(divinyl sulfone), 에틸렌 설파이트(ethylene sulfite), 프로필렌 설파이트(propylene sulfite), 다이알릴 설포네이트 (diallyl sulfonate), 에탄 설톤, 프로판 설톤(propane sulton, PS), 부탄 설톤(butane sulton), 에텐 설톤, 부텐 설톤 및 프로펜 설톤(PRS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 추가 첨가제를 1종이상 더 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 리튬 비스옥살레이토보레이트(LiB(C2O4)2, LiBOB), 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐에틸렌 카보네이트(VEC), 에틸렌 설파이트(ethylene sulfite), 에탄 설톤, 프로판 설톤(propane sulton, PS)에서 선택되는 하나 또는 둘이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 추가 첨가제의 함량은 크게 제한되는 것은 아니나, 이차전지 전해액 내에서 전지 수명을 향상시키기 위해 전해액 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로, 보다 바람직하게는 0.1 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 비수성 유기 용매는 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 단독 또는 이들의 혼합용매를 포함할 수 있으나, 환형 카보네이트계 용매, 선형 카보네이트계 용매 및 이들의 혼합용매로부터 선택되는 것이 바람직하고, 환형 카보네이트계 용매와 선형 카보네이트계 용매를 혼합하여 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상기 환형 카보네이트 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 카보네이트 용매를 혼합하여 사용함으로써 리튬 이차전지의 특성을 최적화할 수 있다.
상기 환형 카보네이트계 용매는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트, 비닐에틸렌카보네이트, 플루오르에틸렌카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 상기 선형 카보네이트계 용매는 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디프로필카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 비수성 유기 용매는 환형 카보네이트계 용매와 선형 카보네이트계 용매의 혼합용매로, 선형 카보네이트 용매 : 환형 카보네이트 용매의 혼합 부피비가 1 내지 9 : 1 일 수 있으며, 바람직하게는 1.5 내지 4 : 1의 부피비로 혼합하여 사용한다.
본 발명의 일실시예에 따른 고전압 리튬 이차전지 전해액에서, 상기 리튬염은 한정되는 것은 아니나, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(SO3C2F5)2, LiN(SO2F)2, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC6H5SO3, LiSCN, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0 M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하며, 0.7 내지 1.6 M 범위 내에서 사용하는 것이 더 바람직하다. 리튬염의 농도가 0.1 M 미만이면 전해액의 전도도가 낮아져 전해액 성능이 떨어지고, 2.0 M을 초과하는 경우에는 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소하는 문제점이 있다. 상기 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 한다.
본 발명의 리튬 이차전지 전해액은 통상 -20℃~60℃의 온도범위에서 안정하며, 4.4V영역의 전압에서도 전기화학적으로 안정적인 특성을 유지하므로 리튬 이온 전지 및 리튬 폴리머 전지 등 모든 리튬 이차 전지에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 리튬 이차전지 전해액을 포함하는 리튬 이차전지을 제공한다.
상기 이차 전지의 비제한적인 예로는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등이 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지 전해액으로부터 제조된 리튬 이차전지는 75% 이상의 고온저장효율을 보임과 동시에 고온에서 장기간 방치시 전지의 두께 증가율이 1 내지 20% 보다 바람직하게는 1 내지 15% 로 매우 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬 이차전지는 양극 및 음극을 포함한다.
양극은 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 이러한 양극 활물질로는 코발트, 망간, 니켈에서 선택되는 최소한 1종 및 리튬과의 복합 금속 산화물인 것이 바람직하다. 금속 사이의 고용율은 다양하게 이루어질 수 있으며, 이들 금속 외에 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Fe, Sr, V 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 원소가 더 포함될 수 있다. 상기 양극 활물질의 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:
LiaA1-bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1-bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bBbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αF2 (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4.
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합일 수 있다.
음극은 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 이러한 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬과 다른 원소의 합금 등이 사용될 수 있다. 예를 들면, 비결정질 탄소로는 하드카본, 코크스, 1500℃ 이하에서 소성한 메조카본 마이크로비드(mesocarbon microbead: MCMB), 메조페이스피치계 탄소섬유(mesophase pitch-based carbon fiber: MPCF) 등이 있다. 결정질 탄소로는 흑연계 재료가 있으며, 구체적으로는 천연흑연, 흑연화 코크스, 흑연화 MCMB, 흑연화 MPCF 등이 있다. 상기 탄소재 물질은 층간거리(interplanar distance)가 3.35~3.38Å, X-선 회절(X-ray diffraction)에 의한 Lc(crystallite size)가 적어도 20㎚ 이상인 물질이 바람직하다. 리튬과 합금을 이루는 다른 원소로는 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐이 사용될 수 있다.
양극 또는 음극은 전극 활물질, 바인더 및 도전재, 필요한 경우 증점제를 용매에 분산시켜 전극 슬러리 조성물을 제조하고, 이 슬러리 조성물을 전극 집전체에 도포하여 제조될 수 있다. 양극 집전체로는 흔히 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등을 사용할 수 있고, 음극 집전체로는 흔히 구리 또는 구리 합금 등을 사용할 수 있다. 상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 형태로는 포일이나 메시 형태를 들 수 있다.
바인더는 활물질의 페이스트화, 활물질의 상호 접착, 집전체와의 접착, 활물질 팽창 및 수축에 대한 완충효과 등의 역할을 하는 물질로서, 예를 들면 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리헥사플루오로프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드의 공중합체(PVdF/HFP)), 폴리(비닐아세테이트), 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 알킬레이티드폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐에테르, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(에틸아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 스티렌-부타디엔고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무 등이 있다. 바인더의 함량은 전극 활물질에 대하여 0.1 내지 30중량%, 바람직하게는 1 내지 10중량%이다. 상기 바인더의 함량이 너무 적으면 전극 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분하고, 바인더의 함량이 너무 많으면 접착력은 좋아지지만 전극 활물질의 함량이 그만큼 감소하여 전지용량을 고용량화 하는데 불리하다.
도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 흑연계 도전제, 카본 블랙계 도전제, 금속 또는 금속 화합물계 도전제로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 흑연계 도전제의 예로는 인조흑연, 천연 흑연 등이 있으며, 카본 블랙계 도전제의 예로는 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(ketjen black), 덴카 블랙(denkablack), 써멀 블랙(thermal black), 채널 블랙(channel black) 등이 있으며, 금속계 또는 금속 화합물계 도전제의 예로는 주석, 산화주석, 인산주석(SnPO4), 산화티타늄, 티탄산칼륨, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질이 있다. 그러나 상기 열거된 도전제에 한정되는 것은 아니다.
도전제의 함량은 전극 활물질에 대하여 0.1 내지 10중량%인 것이 바람직하다. 도전제의 함량이 0.1중량%보다 적은 경우에는 전기 화학적 특성이 저하되고, 10중량%을 초과하는 경우에는 중량당 에너지 밀도가 감소한다.
증점제는 활물질 슬러리 점도조절의 역할을 할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 카르복시메틸 셀룰로오스, 하이드록시메틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스 등이 사용될 수 있다.
전극 활물질, 바인더, 도전재 등이 분산되는 용매로는 비수용매 또는 수계용매가 사용된다. 비수용매로는 N-메틸-2-피롤디돈(NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N,N-디메틸아미노프로필아민, 에틸렌옥사이드, 테트라히드로퓨란 등을 들 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지는 양극 및 음극 사이에 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하는 세퍼레이터를 포함할 수 있으며, 이러한 세퍼레이터로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌/폴리프로필렌, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포를 사용할 수 있다. 또한 다공성의 폴리올레핀 필름에 안정성이 우수한 수지가 코팅된 필름을 사용할 수도 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 각형 외에 원통형, 파우치형 등 다른 형상으로 이루어질 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 리튬 이온 농도가 1몰(1M)이 되기 위해 리튬염이 모두 해리하는 것으로 보고 LiPF6와 같은 리튬 염을 1몰(1M) 농도가 되도록 해당량을 기본 용매에 용해시켜 베이스 전해액을 형성시킬 수 있다.
[실시예 1] 5,5,6,6-테트라메틸-1,4-다이옥산-2,3-디온(5,5,6,6-tetramethyl-1,4-dioxane-2,3-dione, 이하, 'PEA77'라 함)의 합성
Figure pat00021
100ml의 둥근바닥플라스크에 30 ml의 테트라하이드로푸란(THF)에 2.36 g의 피나콜(pinacol, 20 mmol)과 4.75 g의 피리딘(pyridine, 60 mmol)을 녹인 뒤, 온도를 0 oC로 낮추었다. N2 환경하에서 3.05 g의 옥살릴 클로라이드(oxalyl chloride, 24 mmol)을 30분간 천천히 주입하고, 온도를 상온으로 승온하였다. 상온에서 15분간 반응을 진행한 후, 30 ml의 증류수를 투입하여 반응을 종결시켰다. 20 ml의 에틸 아세테이트로 2번 추출하여 유기층을 모으고, 20 ml의 1N HCl 용액으로 한번 씻어준 뒤, 포화 탄산수소나트륨(NaHCO3) 용액 20 ml로 한번 씻어주었다. 유기층을 무수황산마그네슘(MgSO4)로 건조하고 농축한 후 남은 고체는 에틸 아세테이트와 헥산 혼합용매에서 재결정하여 표제화합물, 2.0 g을 얻었다.
1H-NMR(400 MHz, CDCl3) δ: 1.55(s, 12H)
[실시예 2] 6,6-디메틸-[1,4]디옥세판-2,3-디온 (6,6-dimethyl-[1,4]dioxepane-2,3-dione, 이하, 'PEA79'라 함)의 합성
Figure pat00022
100ml의 둥근바닥플라스크에 30 ml의 테트라하이드로푸란(THF)에 2.08 g의 2,2-디메틸-1,3-프로판디올(2,2,-dimethyl-1,3-propanediol, 20 mmol)과 4.75 g의 피리딘(pyridine, 60 mmol)을 녹인 뒤, 온도를 0 oC로 낮추었다. N2 환경하에서 3.05 g의 옥살릴 클로라이드(oxalyl chloride, 24 mmol)을 30분간 천천히 주입하고, 온도를 상온으로 승온하였다. 상온에서 15분간 반응을 진행한 후, 30 ml의 증류수를 투입하여 반응을 종결시켰다. 20 ml의 에틸 아세테이트로 2번 추출하여 유기층을 모으고, 20 ml의 1N HCl 용액으로 한번 씻어준 뒤, 포화 탄산수소나트륨(NaHCO3) 용액 20 ml로 한번 씻어주었다. 유기층을 무수황산마그네슘(MgSO4)로 건조하고 농축한 후 남은 고체는 디에틸에테르에서 리슬러리해서 필터한다. 필터후 남은 고체는 디에틸에테르 10ml로 두번 씻어준 뒤, 진공에서 건조하여 표제 화합물, 1.4 g을 얻었다.
1H-NMR(400 MHz, CDCl3) δ: 4.09(s, 4H), 1.05(s, 6H)
[실시예 3] (2R,3R)-디에틸 5,6-디옥소-1,4-다이옥산-2,3-디카르복실레이트 (((2R,3R)-diethyl 5,6-dioxo-1,4-dioxane-2,3-dicarboxylate, 이하, 'PEA82'라 함)의 합성
Figure pat00023
100ml의 둥근바닥플라스크에 30 ml의 테트라하이드로푸란(THF)에 4.12 g의 디에틸-L-타르트레이트(diethyl-L-tartrate, 20 mmol)과 4.75 g의 피리딘(pyridine, 60 mmol)을 녹인 뒤, 온도를 0 oC로 낮추었다. N2환경하에서 3.05 g의 옥살릴 클로라이드(oxalyl chloride, 24 mmol)을 30분간 천천히 주입하고, 온도를 상온으로 승온하였다. 상온에서 15분간 반응을 진행한 후, 30 ml의 증류수를 투입하여 반응을 종결시켰다. 20 ml의 에틸 아세테이트로 2번 추출하여 유기층을 모으고, 20 ml의 1N HCl 용액으로 한번 씻어준 뒤, 포화 탄산수소나트륨(NaHCO3) 용액 20 ml로 한번 씻어주었다. 유기층을 무수황산마그네슘(MgSO4)로 건조하고 농축한 후 남은 고체는 에틸 아세테이트와 헥산 혼합용매에서 재결정하여 표제화합물, 1.4 g을 얻었다.
1H-NMR(400 MHz, CDCl3) δ: 5.86(s, 2H), 4.32-4.19(m, 4H), 1.24 (q, J=7.2 Hz, 6H)
[실시예 4] (2R,3R)-디이소프로필 5,6-디옥소-1,4-다이옥산-2,3-디카르복실레이트((2R,3R)-diisopropyl 5,6-dioxo-1,4-dioxane-2,3-dicarboxylate, 이하, 'PEA88'라 함)의 합성
Figure pat00024
100ml의 둥근바닥플라스크에 30 ml의 테트라하이드로푸란(THF)에 4.69 g의 디이소프로필-L-타르트레이트(diisopropyl-L-tartrate, 20 mmol)과 4.75 g의 피리딘(pyridine, 60 mmol)을 녹인 뒤, 온도를 0 oC로 낮추었다. N2환경하에서 3.05 g의 옥살릴 클로라이드(oxalyl chloride, 24 mmol)을 30분간 천천히 주입하고, 온도를 상온으로 승온하였다. 상온에서 15분간 반응을 진행한 후, 30 ml의 증류수를 투입하여 반응을 종결시켰다. 20 ml의 에틸 아세테이트로 2번 추출하여 유기층을 모으고, 20 ml의 1N HCl 용액으로 한번 씻어준 뒤, 포화 탄산수소나트륨(NaHCO3) 용액 20 ml로 한번 씻어주었다. 유기층을 무수황산마그네슘(MgSO4)로 건조하고 농축한 후 남은 고체는 테트라하이드로푸란과 디에틸에테르 혼합용매에서 재결정하여 표제 화합물, 1.7 g을 얻었다.
1H-NMR(400 MHz, CDCl3) δ: 5.84(s, 2H), 4.32-4.19(sep, J=5.2, 2H), 1.26 (d, J=5.2 Hz, 6H), 1.20 (d, J=4.8 Hz, 6H)
[실시예 5] 5,5,6,6-테트라키스(트리플루오르메틸)-1,4-다이옥산-2,3-디온 (5,5,6,6-tetrakis(trifluoromethyl)-1,4-dioxane-2,3-dione, 이하, 'PEA78'라 함)의 합성
Figure pat00025
100ml의 둥근바닥플라스크에 30 ml의 테트라하이드로푸란(THF)에 6.68 g의 헥사플루오로-2,3-비스(트리플루오로메틸)-2,3-부탄디올(Hexafluoro-2,3-bis(trifluoromethyl)-2,3-butanediol, 20 mmol)과 4.75 g의 피리딘(pyridine, 60 mmol)을 녹인 뒤, 온도를 0 oC로 낮추었다. N2환경하에서 3.05 g의 옥살릴 클로라이드(oxalyl chloride, 24 mmol)을 30분간 천천히 주입하고, 온도를 상온으로 승온하였다. 상온에서 15분간 반응을 진행한 후, 30 ml의 증류수를 투입하여 반응을 종결시켰다. 20 ml의 에틸 아세테이트로 2번 추출하여 유기층을 모으고, 20 ml의 1N HCl 용액으로 한번 씻어준 뒤, 포화 탄산수소나트륨(NaHCO3) 용액 20 ml로 한번 씻어주었다. 유기층을 무수황산마그네슘(MgSO4)로 건조하고 농축한 후 남은 고체는 에틸아세테이트와 헥산 혼합용매에서 재결정하여 표제화합물, 3.2 g을 얻었다.
[실시예 6-15 및 비교예 1-2]
전해액은 에틸렌 카보네이트(EC) : 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 3 : 7의 부피비로 혼합한 혼합용매에 LiPF6을 1.0 M 용액이 되도록 용해시킨 용액을 기본 전해액(1M LiPF6, EC/EMC=3:7)으로 하여 하기 표 1에 기재된 성분들을 추가로 투입하여 제조하였다.
상기 비수성 전해액을 적용할 전지는 다음과 같이 제조하였다.
양극 활물질로서 LiNiCoMnO2와 LiMn2O4를 1:1의 중량비로 혼합하고, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 및 도전제로서 카본을 92:4:4의 중량비로 혼합한 다음, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 20㎛의 알루미늄 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 양극을 제조하였다. 음극 활물질로 인조 흑연, 바인더로서 스티렌-부타디엔고무 및 증점제로서 카르복시메틸셀룰로오스를 96:2:2의 중량비로 혼합한 다음 물에 분산시켜 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 15㎛의 구리 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 음극을 제조하였다.
상기 제조된 전극들 사이에 두께 25㎛의 폴리에틸렌(PE) 재질의 필름 세퍼레이터를 스택킹(Stacking)하여 두께 8 mm x 가로 270 mm x 세로 185 mm 사이즈의 파우치를 이용하여 셀(Cell)을 구성하였고, 상기 비수성 전해액을 주입하여 EV 용 25Ah 급 리튬 이차 전지를 제조하였다.
이렇게 제조된 EV 용 25Ah 급 전지의 성능을 하기와 같이 평가하였다. 평가항목은 하기와 같다.
*평가 항목*
1. -20℃ 1C 방전용량 : 상온에서 25A, 4.2V CC-CV로 3시간 충전 후, -20℃ 에서 4시간 방치 후 25A의 전류로, 2.7V까지 CC 로 방전 후 초기용량 대비 사용가능 용량(%)을 측정하였다.
2. 60℃ 30일 용량 회복율 : 상온에서 4.2V, 25A CC-CV 로 3시간 충전 후, 60℃ 30일 방 치 후 25A 의 전류로, 2.7V 까지 CC 로 방전 후 초기용량 대비 회복율(%)을 측정하였다.
3. 60℃ 30일 후 두께 증가율 : 상온에서 4.4V, 12.5A CC-CV 로 3시간 충전 후, 전지의 두께를 A 라고 하고 밀폐된 항온장치를 이용하여 60℃ 및 대기 중 노출된 상압에서 30일 방치된 전지의 두께를 B 라 할 때 두께의 증가율을 하기 식 1과 같이 계산 하였다.
[식 1]
(B-A)/A × 100(%)
4. 상온 수명 : 상온에서 4.2V, 50A CC-CV로 3시간 충전 후 2.7V, 25A 전류로 2.7V 까지 방전을 500회 반복한다. 이때 1회 째 방전 용량을 C라고 하고, 300회째 방전 용량을 1회째 방전 용량으로 나누어서 수명 중 용량 유지율을 계산 하였다.
전해액 조성 60℃ 30일 후 수명 중 용량 유지율 -20℃ 방전
용량
용량 회복율 두께 증가율
실시예 6 기본 전해액 + PEA77 1wt% 78% 11% 81% 85%
실시예 7 기본 전해액 + PEA78 1wt% 79% 12% 71% 88%
실시예 8 기본 전해액 + PEA79 1wt% 82% 9% 75% 77%
실시예 9 기본 전해액 + PEA82 1wt% 83% 8% 86% 89%
실시예 10 기본 전해액 + PEA88 1wt% 86% 7% 88% 89%
실시예 11 기본 전해액 + PEA88 0.5wt% 84% 10% 85% 88%
실시예 12 기본 전해액 + PEA88 3wt% 89% 5% 83% 83%
실시예 13 기본 전해액 + PEA88 1wt% + VC 1wt% 88% 8% 90% 86%
실시예 14 기본 전해액 + PEA88 1wt% +VC 1wt% + PS 1wt% 91% 1% 91% 87%
실시예 15 기본 전해액+PEA88 1wt %+VC 1wt%+LiBOB 1wt% 92% 2% 92% 88%
비교예 1 기본 전해액 37% 30% 20% 55%
비교예2 기본 전해액+VC 1wt%+PS 1wt% 60% 12% 61% 48%
기본 전해액 : 1M LiPF6, EC/EMC=3:7

LiBOB : Lithium-bis(Oxalato)Borate
VC : Vinylene carbonate
PS : 1,3-propane sultone
표 1에서 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 이차전지 전해액을 포함하는 리튬 이차전지는 60℃에서 30일이후에도 높은 용량 회복율을 보였으며, 두께 증가율도 낮아 고온에서 안정성이 매우 높은 것을 알 수 있다.
반면 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하지 않는 이차전지 전해액은 낮은 고온 용량 획복율을 가지며, 두께 증가율도 무려 30%로 매우 높아 고온에서의 안정성이 낮을 것을 알 수 있다.
또한 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 함유하는 리튬 이차전지 전해액을 포함하는 본 발명의 리튬 이차전지는 -20℃ 방전용량과 수명중 용량유지율도 매우 높아 저온특성이 높은 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 고온 안정성 및 저온 방전용량도 향상시킨다.
뿐만 아니라 본 발명의 이차전지 전해액은 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물과 리튬 비스옥살레이토보레이트(LiB(C2O4)2, LiBOB), 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐에틸렌 카보네이트(VEC), 에틸렌 설파이트(ethylene sulfite), 에탄 설톤, 프로판 설톤(propane sulton, PS)에서 선택되는 하나이상의 첨가제를 더 포함함으로써 고온 저장안정성, 저온 방전용량 및 수명특성을 보다 향상시켜 본 발명의 이차전지 전해액을 포함하는 리튬 이차전지는 매우 높은 효율, 안정성 및 수명특성을 가진다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물.
    [화학식 1]
    Figure pat00026

    (상기 화학식 1에서,
    R1 내지 R4는 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이며;
    A는 단일결합 또는 -(CR3R4)n-이며, n은 1 내지 3의 정수이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 2 또는 3로 표시되는 화합물.
    [화학식 2]
    Figure pat00027

    [화학식 3]
    Figure pat00028

    (상기 화학식 2 또는 3에서,
    R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이다.)
  3. 제 2항에 있어서,
    R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬 또는 (C1-C10)알콕시카보닐인 화합물.
  4. 리튬염;
    비수성 유기 용매; 및
    하기 화학식 1로 표시되는 화합물;을 포함하는 이차전지 전해액.
    [화학식 1]
    Figure pat00029

    (상기 화학식 1에서,
    R1 내지 R4는 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이며;
    A는 단일결합 또는 -(CR3R4)n-이며, n은 1 내지 3의 정수이다.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 2 또는 3로 표시되는 것인 이차전지 전해액.
    [화학식 2]
    Figure pat00030

    [화학식 3]
    Figure pat00031

    (상기 화학식 2 또는 3에서,
    R11 내지 R16은 서로 독립적으로 수소, 시아노, 할로(C1-C10)알킬, (C1-C10)알킬, (C1-C10)알콕시 또는 (C1-C10)알콕시카보닐이다.)
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 구조에서 선택되는 것인 이차전지 전해액.
    Figure pat00032

    Figure pat00033
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 상기 전해액 총 중량에 대하여 0.1 내지 5중량%로 포함되는 것인 이차전지 전해액.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 전해액은 옥살레이토보레이트계 화합물, 불소로 치환된 카보네이트계 화합물, 비닐리덴 카보네이트계 화합물 및 설피닐기 함유 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 더 포함하는 이차전지 전해액.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전해액은 리튬디플루오로 옥살레이토보레이트(LiFOB), 리튬 비스옥살레이토보레이트(LiB(C2O4)2, LiBOB), 플루오로에틸렌카보네이트(FEC), 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐에틸렌 카보네이트(VEC), 다이비닐 설폰(divinyl sulfone), 에틸렌 설파이트(ethylene sulfite), 프로필렌 설파이트(propylene sulfite), 다이알릴 설포네이트 (diallyl sulfonate), 에탄 설톤, 프로판 설톤(propane sulton, PS), 부탄 설톤(butane sulton), 에텐 설톤, 부텐 설톤 및 프로펜 설톤(PS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 첨가제를 더 포함하는 이차전지 전해액.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 첨가제는 전해액 총 중량에 대하여 0.1 ~ 5.0중량%로 포함되는 이차전지 전해액.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 비수성 유기 용매는 환형 카보네이트계 용매, 선형 카보네이트계 용매 및 이들의 혼합용매로부터 선택되는 이차전지 전해액.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 환형 카보네이트는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트, 비닐에틸렌카보네이트, 플루오르에틸렌카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 선형 카보네이트는 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디프로필카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 이차전지 전해액.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 비수성 유기 용매는 선형 카보네이트 용매 : 환형 카보네이트 용매의 혼합부피비가 1 내지 9 : 1인 이차전지 전해액.
  14. 제 4항에 있어서,
    상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(SO3C2F5)2, LiN(SO2F)2, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC6H5SO3, LiSCN, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 이차전지 전해액.
  15. 제 4항에 있어서,
    상기 리튬염은 0.1 내지 2.0 M의 농도로 존재하는 이차전지 전해액.
  16. 제 4항 내지 제 15항에서 선택되는 어느 한 항에 따른 이차전지 전해액을 포함하는 리튬 이차전지.
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