KR20190058134A

KR20190058134A - 리튬 금속 이차전지용 전해액

Info

Publication number: KR20190058134A
Application number: KR1020170155819A
Authority: KR
Inventors: 최남순; 이용원; 이정민
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-05-29
Also published as: KR102045472B1

Abstract

리튬염; 에테르계 용매; 불소화 용매; 첨가제를 포함하는 리튬 금속 이차전지용 전해액이 제공된다.

Description

리튬 금속 이차전지용 전해액{Electrolytes for lithium metal secondary battery}

리튬 금속 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 금속 이차전지에 관한 것이다.

리튬 금속은 3,860 mAh/g의 높은 무게 당 용량과 낮은 표준 전극전위 (-3.04 V vs normal hydrogen electrode)로 리튬이차전지의 음극 소재로 주목 받고 있다. 하지만, 리튬 금속은 반응성이 매우 크며, 충전 과정 중 극도의 환원 분위기가 조성되어 리튬 금속과 전해액 사이에서 비가역적인 분해 반응이 발생한다. 분해 반응으로 인해 전해액 고갈이 발생하고, 분해 산물은 리튬 금속 표면에 불균일한 피막을 형성한다. 또한, 충전 및 방전이 반복됨에 따라 리튬이 수지상 (dendrite) 형태로 성장하게 된다. 이러한 수지상 리튬은 전지내부에 전기적 단락을 일으켜 전지의 발화 등을 유도하여 안전성에 문제를 일으키게 된다.

따라서, 안정성이 높고 고용량 구현이 가능한 리튬 금속 적용을 위해서는 리튬 금속의 반응성을 완화하고, 수지상 리튬 성장을 방지하고, 균일한 리튬 전착 (plating)을 가능하게 하는 전해액의 개발이 필요하다.

일 측면은 리튬 금속과 전해액과의 부반응을 효과적으로 억제하고, 이와 동시에 리튬 금속 표면에 수지상 리튬 형성을 억제하는 리튬 금속 이차전지용 전해액을 제공하는 것이다.

일 측면에 따르면, 리튬염; 에테르계 용매; 불소화 용매; 첨가제를 포함하는 리튬 금속 이차전지용 전해액으로서,

상기 에테르계 용매가 글라임계 용매 중에서 선택되고,

상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3,-테트라플루오로프로필에테르, 1,1,2,2-테트라프루오로에틸-1,1,5-옥타플루오로펜틸에테르, 및 이들의 조합 중에서 선택되고,

상기 첨가제가 플루오로에틸렌 카보네이트, 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트, 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트, 및 이들의 조합 중에서 선택되고,

상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3,-테트라플루오로프로필에테르인 경우 첨가제는 플루오로에틸렌 카보네이트가 아닌, 리튬 금속 이차전지용 전해액이 제공된다.

본 실시예 중, 상기 리튬염은 LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiBOB, LiTFSI, LiFSI, LiClO₄, LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N, LiC₄F₉SO₃, LiAlO₂, LiAlCl₄, LiN(C_xF_2x+1SO₂)(C_yF_2y+1SO₂)(x, y는 1 내지 20이다), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.

본 실시예 중, 상기 리튬염의 농도는 2 M 내지 4 M 일 수 있다.

본 실시예 중, 상기 글라임계 용매가 1,2-디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 또는 이들의 조합일 수 있다.

본 실시예 중, 상기 글라임계 용매가 전해액 전체 부피를 기준으로, 70 부피% 내지 90 부피%로 포함될 수 있다.

본 실시예 중, 상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3,-테트라플루오로프로필에테르이고, 상기 첨가제가 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트, 또는 플루오로에틸렌 카보네이트 및 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트의 조합일 수 있다.

본 실시예 중, 상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라프루오로에틸-1,1,5-옥타플루오로펜틸에테르이고, 상기 첨가제가 플루오로에틸렌 카보네이트, 또는 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트일 수 있다.

본 실시예 중, 상기 불소화 용매가 전해액 전체 부피를 기준으로, 10 부피% 내지 30 부피%로 포함될 수 있다.

본 실시예 중, 상기 에테르계 용매 및 불소화 용매의 부피비가 90:10 내지 60:40 일 수 있다.

본 실시예 중, 상기 리튬 금속 이차전지용 전해액은 선형카보네이트계 용매, 환형카보네이트계 용매 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.

본 실시예 중, 상기 선형카보네이트계 용매는 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

본 실시예 중, 상기 환형카보네이트계 용매는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

본 실시예 중, 상기 첨가제는 전해액 전체 100 중량부을 기준으로 1 중량부 이상 포함될 수 있다.

다른 측면에 따르면, 양극; 리튬 금속을 포함하는 음극; 및 전술한 리튬 금속 이차전지용 전해액을 포함하는 리튬 금속 이차전지가 제공된다.

일 측면에 따른 전해액은 고농도의 리튬염과 불소화 용매를 포함하고 있어서, 리튬 금속과 전해액과의 부반응을 효과적으로 억제할 뿐만 아니라, 이와 동시에 리튬 금속의 전착(plating) 및 탈리(stripping) 반응의 가역성을 극대화하고 수지상 리튬 형성을 억제하여 전지의 안정성을 향상시켰다.

도 1(a)-(b)은 실시예 1, 비교예 1 내지 5에서 제작한 코인셀의 전압 상승에 따른 전류의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2(a)-(b)는 실시예 2, 비교예 6 내지 12에서 제작한 코인셀의 충방전 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3(a)-(f)은 실시예 3 내지 5 및 비교예 13 내지 18에서 제작한 코인셀의 충방전 그래프이다.
도 4(a)-(b)는 실시예 6 및 비교예 19 내지 24에서 제작한 코인셀의 충방전 그래프이다.
도 5는 예시적인 구현예에 따른 리튬전지의 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 리튬전지 2: 음극
3: 양극 4: 세퍼레이터
5: 전지케이스 6: 캡 어셈블리

이하에서 설명되는 본 창의적 사상(present inventive concept)은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 창의적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 창의적 사상의 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 예시적인 구현예들에 따른 리튬 금속 이차전지용 전해액 및 상기 전해액을 채용한 리튬 금속 이차전지에 관하여 더욱 상세히 설명한다.

일 측면에 따른 리튬 금속 이차전지용 전해액은 리튬염; 에테르계 용매; 불소화 용매; 첨가제를 포함할 수 있다.

상기 리튬 금속 이차전지용 전해액은 불소화 용매 및 첨가제를 포함함으로써, 양극 및 음극 표면에 안정한 SEI 층을 형성하여, 전해액 과의 부반응을 억제할 뿐만 아니라, 음극 표면에 리튬 금속 수지상의 형성을 억제하여 전지의 안정성을 향상시킨다.

일 구현예에 따르면, 상기 리튬염은 당해 기술분야에서 전해액 제조시에 일반적으로 사용되는 리튬염이라면 모두 사용 가능하다. 예를 들어, 상기 리튬염은 LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiBOB, LiTFSI, LiFSI, LiClO₄, LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N, LiC₄F₉SO₃, LiAlO₂, LiAlCl₄, LiN(C_xF_2x+1SO₂)(C_yF_2y+1SO₂)(x, y는 1 내지 20이다), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 리튬염의 농도는 2 M 내지 4 M 일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬염의 농도는 3 M 내지 4 M 일 수 있다.

리튬염의 농도가 상기 범위에 속할 때, 전해액 내의 용매 분자가 리튬염과 접촉하는 빈도가 리튬 금속 음극과 접촉하는 빈도에 비해 더 높게 되므로, 리튬 금속 음극 표면에서 전해액의 환원이 덜 이루어지게 되며, 이에 따라 리튬 금속 음극 표면에서 전해액의 환원반응에 따른 산물의 석출이 억제될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 에테르계 용매는 글라임계 용매 중에서 선택될 수 있다. 글라임계 용매는 글라이콜 에테르로도 표현되고, 쌍극자 모멘트가 높아 리튬 이온 이동도 및 리튬 염 해리도를 향상시킬 수 있으므로, 이를 포함한 전해액은 이온 전도도가 우수하다.

예를 들어, 상기 글라임계 용매는 1,2-디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 임의의 글라이콜 에테르를 모두 포함한다.

일 구현예에 따르면, 상기 에테르계 용매는 전해액 전체 부피를 기준으로, 70 부피% 내지 90 부피%로 포함될 수 있다. 상기 에테르계 용매가 상기 범위 내의 함량으로 포함되는 경우에, 고농도의 리튬염을 충분히 해리시키고, 우수한 이온 전도도를 얻을 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 불소화 용매는 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3,-테트라플루오로프로필에테르, 1,1,2,2-테트라프루오로에틸-1,1,5-옥타플루오로펜틸에테르, 및 이들의 조합 중에서 선택될 수 있다.

이러한 불소화 용매가 포함된 전해액은 전해액의 난연성 및 내산화성에 영향을 미치며, 불소화 용매가 음극 표면에 SEI 막을 형성하여, 리튬 금속으로 구성된 음극과 전해액의 추가적인 환원반응이 억제되고, 양극 계면에서 전해액의 산화를 방지한다.

상기 불소화 용매의 함량은 전해액 전체 부피를 기준으로 10 부피% 내지 30 부피%로 포함될 수 있다. 상기 불소화 용매의 함량이 상기 범위에 속하는 경우, 리튬 금속 음극 표면에 안정한 SEI 막이 형성되고, 이를 통해 전해액의 부반응을 억제함으로써, 리튬 금속 음극 표면에 리튬 금속 수지상의 형성을 억제하여, 전지의 안정성이 현저히 개선될 뿐만 아니라, 전해액의 손실 억제를 통해 고에너지 밀도 특성을 갖는다.

일 구현예에 따르면, 상기 첨가제가 플루오로에틸렌 카보네이트, 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트, 및 이들의 조합 중에서 선택될 수 있다.

상기 첨가제는 전해액 전체 100 중량부를 기준으로 1 중량부 이상 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제는 전해액 전체 100 중량부를 기준으로 1.5 중량부 이상, 2 중량부 이상, 또는 3 중량부 이상으로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 리튬 금속 이차전지의 전지 특성을 저해하지 않는 범위의 양으로 사용될 수 있다.

상기 첨가제를 과량 첨가하는 경우 전해액의 점도가 증가할 수 있다. 특히, 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트는 리튬 이온으로 인해 이온간 상호작용을 증가시켜서 점도의 상승을 유발할 수 있다. 전해액의 높은 점성은 충방전시 리튬 이온의 이동에 저항으로 작용하게 되어, 용량 감소 및 사이클 특성의 열화를 가져온다. 이러한 관점에서, 리튬 이온을 포함하는 리튬 티플루오로(옥살라토)보레이트는 전해액 전체 100 중량부를 기준으로 6 중량부 이하로 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 전지 특성을 저하시키지 않는 범위로 포함될 수 있다.

상기 첨가제는 양극 표면에서 전해액 내의 다른 용매들에 비해 우선적으로 산화반응을 통해 SEI 막을 형성함으로서, 양극 계면에서 전해액이 산화하는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해 전해액의 소실이 억제되고 전지의 효율이 향상된다.

일 구현예에 따르면, 상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3,-테트라플루오로프로필에테르이고, 상기 첨가제가 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트, 또는 플루오로에틸렌 카보네이트 및 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트의 조합일 수 있다.

다른 구현예에 따르면, 상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라프루오로에틸-1,1,5-옥타플루오로펜틸에테르이고, 상기 첨가제가 플루오로에틸렌 카보네이트, 또는 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트일 수 있다.

전술한 바와 같이, 특정 조합의 불소화 용매 및 첨가제를 포함하는 전해액을 사용하는 경우, 고율에서도 양극 및 음극 표면에 안정한 SEI 층이 형성될 수 있으므로, 수명특성 및 고효율의 리튬 금속 이차전지의 제작이 가능하다.

일 구현예에 따르면, 상기 에테르계 용매 및 불소화 용매의 부피비는 90:10 내지 60:40 일 수 있다.

예를 들어, 상기 에테르계 용매 및 불소화 용매의 부피비는 80:20 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일 구현예에 따르면, 전술한 리튬 금속 이차전지용 전해액은 저비점의 유기 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 저비점의 유기 용매는 25℃, 1기압에서 비점이 200℃ 이하인 용매를 의미한다.

상기 유기 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 비양성자성 용매, 및 이들의 조합 중에서 선택될 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 저비점 유기 용매라면 모두 가능하다.

구체적으로, 상기 카보네이트계 유기 용매는 선형카보네이트계 용매 또는 환형카보네이트계 유기 용매를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 선형카보네이트계 용매는 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 메틸프로필카보네이트(methyl propyl carbonate), 에틸프로필카보네이트(ethyl propyl carbonate), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 환형카보네이트계 용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 부틸렌카보네이트(butylene carbonate) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 에스테르계 유기 용매는 메틸 아세테이트 (methyl acetate, MA), 에틸 아세테이트 (ethyl acetate, EA), n-프로필 아세테이트 (n-propyl acetate, n-PA), 1,1-디메틸에틸 아세테이트 (1,1-dimethylethyl acetate, DMEA), 메틸프로피오네이트 (methyl propionate, MP), 에틸프로피오네이트 (ethyl propionate, EP), γ-부티로락톤 (γ-butyrolacton, GBL), 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤 (valerolactone), 메발로노락톤(mevalonolactone), 및 카프로락톤(caprolactone)으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 에테르계 유기 용매는 디부틸 에테르 (dibutyl ether), 테트라글라임 (tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 디글라임 (diethylene glycol dimethyl ether, DEGDME), 디메톡시에탄 (dimethoxy ethane), 2-메틸테트라히드로퓨란 (2-methyltetrahydrofuran), 및 테트라히드로퓨란 (tetrahydrofuran)으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 케톤계 유기 용매는 시클로헥사논 (cyclohexanone)을 포함할 수 있고, 상기 알코올계 용매는 에틸알코올 (ethyl alcohol), 또는 이소프로필 알코올 (isopropyl alcohol)을 포함할 수 있고, 상기 비양성자성 용매는 R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 (dimethyl formamide, DMF) 등의 아미드류, 및 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란 (sulfolane)류로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절될 수 있고, 이는 당해 기술분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 이해될 수 있다.

다른 측면에 따르면, 양극; 리튬 금속을 포함하는 음극; 및 전술한 리튬 금속 이차전지용 전해액을 포함하는 리튬 금속 이차전지가 제공된다. 상기 리튬전지는 그 형태가 특별히 제한되지는 않으며, 리튬이온전지, 리튬이온폴리머전지, 리튬설퍼전지 등과 같은 리튬이차전지는 물론, 리튬일차 전지도 포함한다.

일 측면에 따른 리튬 금속 이차전지는 다음과 같은 방법에 의하여 제조될 수 있다.

먼저 양극이 준비된다.

예를 들어, 양극활물질, 도전재, 바인더 및 용매가 혼합된 양극활물질 조성물이 준비된다. 상기 양극활물질 조성물이 금속 집전체 위에 직접 코팅되어 양극판이 제조된다. 다르게는, 상기 양극활물질 조성물이 별도의 지지체 상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 양극판이 제조될 수 있다. 상기 양극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다.

상기 양극활물질은 전술한 양극활물질 이외에, 리튬함유 금속산화물로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합에서 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는, Li_aA_1-bB¹ _bD¹ ₂(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); Li_aE_1-bB¹ _bO_2-cD¹ _c(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE_2-bB¹ _bO_4-cD¹ _c(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); Li_aNi_1-b-cCo_bB¹ _cD¹ _α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); Li_aNi_1-b-cCo_bB¹ _cO_2-αF¹ _α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); Li_aNi_1-b-cCo_bB¹ _cO_2-αF¹ ₂(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); Li_aNi_1-b-cMn_bB¹ _cD¹ _α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); Li_aNi_1-b-cMn_bB¹ _cO_2-αF¹ _α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); Li_aNi_1-b-cMn_bB¹ _cO_2-αF¹ ₂(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); Li_aNi_bE_cG_dO₂(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); Li_aNi_bCo_cMn_dGeO₂(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); Li_aNiG_bO₂(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); Li_aCoG_bO₂(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); Li_aMnG_bO₂(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); Li_aMn₂G_bO₄(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO₂; QS₂; LiQS₂; V₂O₅; LiV₂O₅; LiI¹O₂; LiNiVO₄; Li_(3-f)J₂(PO₄)₃(0 ≤ f ≤ 2); Li_(3-f)Fe₂(PO₄)₃(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO₄의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:

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 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.

예를 들어, LiCoO₂, LiMn_xO_2x(x=1, 2), LiNi_1-xMn_xO_2x(0<x<1), LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂ (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFePO₄ 등이다.

상기 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 도전재로는 카본블랙, 흑연미립자 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 도전재로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.

상기 바인더로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물 또는 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.

상기, 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 수준이다. 리튬전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전재, 바인더 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.

다음으로 리튬 금속 음극이 준비된다.

리튬 금속 음극은 리튬 금속 박막 또는 리튬 금속 합금 박막이다.

리튬 금속 전극으로서 사용되는 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금은 두께가 700㎛ 이하, 예를 들어, 80㎛ 이하, 0.1 내지 60㎛이다. 구체적으로 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금의 두께는 1 내지 25 ㎛, 예를 들어 5 내지 20㎛이다.

상기 리튬 금속 합금은 리튬 금속과 리튬 금속과 합금 가능한 금속/준금속 또는 그 산화물을 포함한다. 리튬 금속과 합금 가능한 금속/준금속 또는 그 산화물로는 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님), MnOx (0 < x ≤ 2) 등일 수 있다.

상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬 금속과 합금가능한 금속/준금속의 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물, SnO₂, SiO_x(0<x<2) 등일 수 있다.

다음으로, 상기 양극과 음극 사이에 삽입될 세퍼레이터가 준비된다.

상기 세퍼레이터는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다. 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 권취 가능한 세퍼레이터가 사용되며, 리튬이온폴리머전지에는 유기전해액 함침 능력이 우수한 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터는 하기 방법에 따라 제조될 수 있다.

고분자 수지, 충진제 및 용매를 혼합하여 세퍼레이터 조성물이 준비된다. 상기 세퍼레이터 조성물이 전극 상부에 직접 코팅 및 건조되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다. 또는, 상기 세퍼레이터 조성물이 지지체상에 캐스팅 및 건조된 후, 상기 지지체로부터 박리시킨 세퍼레이터 필름이 전극 상부에 라미네이션되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다.

상기 세퍼레이터 제조에 사용되는 고분자 수지는 특별히 한정되지 않으며, 전극판의 결합재에 사용되는 물질들이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.

다음으로, 전술한 유기 전해액을 준비한다. 상기 유기 전해액은 당업계에 알려진 방법으로 통상의 기술자가 용이하게 제조할 수 있다.

도 5에서 보여지는 바와 같이 상기 리튬 금속 이차전지(1)는 양극(3), 리튬 금속 음극(2) 및 세퍼레이터(4)를 포함한다. 상술한 양극(3), 리튬 금속 음극(2) 및 세퍼레이터(4)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(5)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(5)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리(6)로 밀봉되어 리튬전지(1)가 완성된다. 상기 전지케이스(5)는 원통형, 각형, 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬 금속 이차전지(1)는 박막형전지일 수 있다. 상기 리튬 금속 이차전지(1)는 리튬이온전지일 수 있다.

상기 양극 및 리튬 금속 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬이온폴리머전지가 완성된다.

또한, 상기 전지구조체는 복수개 적층되어 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다.

또한, 상기 리튬 금속 이차전지는 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드차량에 사용될 수 있다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거, 전동 공구 등에 사용될 수 있다.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.

[실시예]

(전해액의 제조)

제조예 1

유기 용매로서 디메톡시에탄(DME)을 준비하고, 상기 유기 용매에 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(LiFSI)가 3M의 농도가 되도록 용해시켜서, 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 2

유기 용매로서 디메톡시에탄(DME) 대신에, 디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3-테트라플루오로프로필에테르(TTE)을 80:20의 부피비로 혼합한 혼합 용매를 사용한 점을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 3

유기 용매로서 디메톡시에탄(DME) 대신에, 디메톡시에탄(DME) 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-1,1,5-옥타플루오로펜틸에테르(HFE6512)을 80:20의 부피비로 혼합한 혼합 용매를 사용한 점을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 4

유기 용매로서 에틸렌 카보네이트 (ethylene carbonate, EC), 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 및 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC)를 2:5:3(EC:EMC:DEC)의 부피비로 혼합한 카보네이트계 용매를 준비하였다.

다음으로, 상기 카보네이트계 용매에 리튬염으로서 리튬 헥사플루오로포스페이트(Lithium hexafluorophosphate, LiPF₆)를 리튬염의 몰 농도가 1.15 M이 되도록 용해시켜 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 5

제조예 1에서 얻은 유기 전해액에 플루오로에틸렌카보네이트(Fluoroethylene carbonate, FEC)를 1 중량% 첨가하여, 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 6

제조예 1에서 얻은 유기 전해액에 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(Lithium difluoro(oxalate)borate, LiDFOB)를 1 중량% 첨가하여, 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 7

제조예 4에서 얻은 유기 전해액에 플루오로에틸렌카보네이트(Fluoroethylene carbonate, FEC)를 1 중량% 첨가하여, 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 8

제조예 2에서 얻은 유기 전해액에 플루오로에틸렌카보네이트(Fluoroethylene carbonate, FEC)를 1 중량% 첨가하여, 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 9

제조예 2에서 얻은 유기 전해액에 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(Lithium difluoro(oxalate)borate, LiDFOB)를 1 중량% 첨가하여, 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 10

제조예 2에서 얻은 유기 전해액에 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트(Lithium difluorobis(oxalato)phosphate, WCA2)를 1 중량% 첨가하여, 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 11

제조예 3에서 얻은 유기 전해액에 플루오로에틸렌카보네이트(Fluoroethylene carbonate, FEC)를 1 중량% 첨가하여, 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 12

제조예 3에서 얻은 유기 전해액에 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트(Lithium difluoro(oxalate)borate, LiDFOB)를 1 중량% 첨가하여, 유기 전해액을 제조하였다.

제조예 13

평가예 1: 전해액의 산화 안정성 평가

실시예 1

상대전극으로 리튬 금속 호일, 작동전극으로 스테인레스 스틸, 전해액으로서 제조예 11에서 얻은 유기전해액을 사용하여, 종래에 알려진 방법으로 2016 유형의 코인 셀을 제작하였다.

비교예 1 내지 5

제조예 11에서 얻은 유기전해액 대신에, 제조예 1, 3, 4, 5, 및 7에서 얻은 유기전해액을 각각 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 2016 유형의 코인 셀을 제작하였다.

평가방법 및 결과

상기 실시예 1 및 비교예 1, 3, 4, 5, 및 7에서 제작한 코인 셀을 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry (LSV))에 의하여 전해액 산화 안정성을 분석하였다. 상기 선형주사전위법은 작동전극의 전위를 1.0 mV/s의 일정한 속도로 주사하면서, 코인 셀의 전압에 대한 전류 값을 시간에 따라 측정하는 방식으로 진행되었다.

그 결과, 도 1(a)에서 보는 바와 같이, 불소화 용매(HFE6512)를 포함하지 않은 3M LiFSI DME 조성은 약 4.2 V (vs. Li/Li⁺)에서부터 저전류가 발생하며 5.0 V 부터 산화전류량이 급격하게 증가한다. DME와 HFE6512를 부피비 80:20 으로 혼합한 후, 3M LiFSI를 첨가하여 제조한 3M LiFSI DME/HFE6512 (8/2) 조성은 약 4.4 V 에서부터 저전류가 발생하기 시작하며, 5.0 V 부터 산화전류량이 급격하게 증가한다. 도 1(b)에 따르면, 3M LiFSI DME, 3M LiFSI DME/HFE6512 (8/2) 조성에 1 wt% FEC를 첨가한 전해액은 모두 4.5 V 부근의 저전류 발생량이 감소하였음을 알 수 있다.

평가예 2: 리튬 전착/탈리 반응에 따른 수명특성 평가

실시예 2

상대전극으로 리튬 금속 호일, 작동전극으로 구리(Cu) 호일, 전해액으로서 제조예 11에서 얻은 유기전해액을 사용하여, 종래에 알려진 방법으로 2016 유형의 코인 셀을 제작하였다.

비교예 6 내지 12

제조예 11에서 얻은 유기전해액 대신에, 제조예 1 내지 5 , 7 및 8에서 얻은 유기전해액을 사용한 점을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 2016 유형의 코인 셀을 제작하였다.

사이클 특성 평가

7.33 mAh (4.15 mAh/cm²)의 전류를 0.1C의 정전류 조건으로, 10시간 동안 충전한 후 컷-오프(cut-off)하였으며, 이어서 0.1C의 정전류 조건으로 1 V까지 방전한 후 컷-오프 하였다. 초기 충전 및 방전 후, 25℃에서 0.5 C로 충전 및 방전을 200회 실시하면서 사이클 수명 특성을 평가하였고, 각 사이클에 대한 쿨롱효율을 계산하여 도 2에 나타내었다.

도 2(a)에 따르면, 기존 카보네이트계 전해액인 1.15 M LiPF₆ EC/EMC/DEC (2/5/3)은 초기 6회 싸이클 동안 50% 보다 낮은 쿨롱 효율을 가진다. 음극 계면 안정화제인 FEC를 1 wt%를 첨가할 경우 약 70%로 쿨롱 효율이 향상 되지만, 10회 싸이클 이후 쿨롱 효율이 급격하게 감소한다. 3 M LiFSI DME는 100회까지 수명이 진행 되지만, 100 싸이클 리튬 전착 시 높은 과전압이 발생하며, 셀의 작동이 중지된다. 또한, FEC를 첨가제로 포함한 전해액은 0.5 C의 고율에서 평가 시, 수명이 약 25회로 감소한다. FEC로 형성된 SEI 층이 0.5C의 고율에서는 오히려 저항층으로 작용하였음을 알 수 있다. 도 2(b)에 따르면, 3 M LiFSI DME/TTE (8/2)는 약 125회까지 수명이 향상 된다. 화성 충방전에서 TTE에 의해 형성된 SEI층이 싸이클 중에도 지속적으로 리튬과 전해액의 분해 반응을 억제하고, 저항으로 작용하지 않았기 때문이다. 하지만 FEC를 첨가할 경우, 70회 싸이클 이후 쿨롱 효율 감소 현상이 발생한다. 한편, HFE6512가 20 부피% 첨가된 3M LiFSI DME/HFE6512 (2/8) 조성은 200회까지 99.3%의 높은 쿨롱 효율로 싸이클이 진행되었다. 또한, HFE6512는 FEC를 첨가하여도 고율에서 수명 특성이 감소되는 현상이 발생하지 않으며, 200회까지 98.7%의 안정한 C-rate로 싸이클이 진행되었다. 따라서, HFE6512 불소화 용매를 사용하는 경우에는 FEC가 저항으로 작용하지 않음을 알 수 있다.

평가예 3: 풀 셀에서의 전지 특성 평가 (1)

실시예 3

LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂양극활물질:도전재:바인더를 95:2.5:2.5의 중량 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 여기서, 상기 도전재로는 Super-P를 사용하였고, 상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVdF)를 N-메틸-2-피롤리돈 용매에 용해시켜서 사용하였다.

상기 슬러리를 Al 집전체에 균일하게 도포하고, 110 ℃에서 2시간 건조하여 양극 전극을 제조하였다. 극판의 로딩 레벨은 10.2 mg cm^-2이고, 전극밀도는 2.5 g cm^-3이었다.

상기 제조된 양극을 작동전극으로 사용하고, 리튬 금속 호일을 상대 전극으로 사용하고, 제조예 9에서 얻은 유기 전해액을 사용하여 통상적으로 알려져 있는 공정에 따라 CR2032 코인셀을 제작하였다.

실시예 4 내지 5

제조예 9에서 얻은 유기전해액 대신에, 제조예 11 및 12에서 얻은 유기전해액을 각각 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 3와 동일한 방법으로 CR2032 코인셀을 제작하였다.

비교예 13 내지 18

제조예 9에서 얻은 유기전해액 대신에, 제조예 1 내지 6에서 얻은 유기전해액을 각각 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 3와 동일한 방법으로 CR2032 코인셀을 제작하였다.

충방전 특성 평가

초기 화성 평가를 위해 실시예 3 내지 5 및 비교예 13 내지 18에서 제작한 하프셀을 10 시간 레스트 과정 후, 0.1C로 4.2V까지 constant current (CC) mode로 충전한 뒤 0.02C에 해당하는 전류까지 constant voltage (CV) mode로 충전을 하였다. 이어서, 0.1C로 3.0V까지 CC mode로 방전을 하였다.

초기 충전 및 방전 후, 25℃에서 0.5 C로 충전 및 방전을 70회 실시하면서 방전 용량 및 쿨롱 효율을 산출하여, 도 3에 나타내었다.

도 3(a) 및 (b)에 따르면, 기존 카보네이트계 전해액 1.15 M LiPF₆ EC/EMC/DEC (2/5/3) 조성은 약 30회 싸이클에서부터 방전 용량 감소 현상이 발생하였으나, 3M LiFSI DME 조성에서는 첨가제에 상관없이 70회 싸이클에서 쿨롱 효율이 약 90% 이상으로 유지되었다.

도 3(c) 및 (d)에 따르면, 3M LiFSI DME/TTE(8:2) LiDFOB 조성의 전해질은 약 70회 사이클에서의 쿨롱 효율이 약 100%이었으나, 첨가제로서 LiDFOB를 포함하지 않는 조성의 전해질에서는 약 10회 사이클에서부터 쿨롱 효율이 급격히 낮아지고, 약 50회 사이클에서 작동을 멈추었음을 알 수 있다. 이론에 구속되는 것은 아니지만, LiDFOB 첨가제는 양극 계면에 안정한 SEI 막을 형성하여 양극 계면에서 DME/TTE의 혼합용매와 LiFSI 염의 산화 분해가 억제될 수 있으므로, 쿨롱 효율이 70회 사이클에서 약 100%로 유지될 수 있다.

도 3(e) 및 (f)에 따르면, 3M LiFSI DME/HFE6512(8/2) 조성의 전해액을 채용한 전지의 경우 방전 용량 및 쿨롱 효율이 충방전 사이클이 진행됨에 따라 낮아짐을 알 수 있다. 한편, 3M LiFSI DME/HFE6512(8/2)에 FEC 또는 LiDFOB를 첨가제로 부가하는 경우, 양극 계면에 첨가제가 전해액 보다 우선 산화 분해하여 전해액에 녹아 나오지 않는 안정한 SEI 층이 형성되고, SEI 층은 고전압에서 전해액이 양극 계면으로부터 전자를 받아 산화 분해하는 부반응을 방지하기 때문에, 방전 용량 및 쿨롱 효율이 향상될 수 있었다. 특히, 첨가제로서 LiDFOB를 포함한 전해액의 경우, 양극 계면에서의 부반응을 보다 효과적으로 억제할 수 있었다.

또한, 도 3(b) 및 (f)에 따르면, FEC 또는 LiDFOB 첨가제는 용매로서 DME를 단독으로 사용한 경우에 비해, DME/HFE6512(8:2) 혼합 용매와 함께 사용되는 경우에 동등하거나 더 나은 쿨롱 효율을 보임을 알 수 있다.

평가예 4: 풀 셀에서의 전지 특성 평가 (2)

실시예 6

제조예 9에서 얻은 유기 전해액 대신에, 제조예 10에서 얻은 유기 전해액을 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 CR2032 코인셀을 제작하였다.

비교예 19 내지 24

제조예 9에서 얻은 유기전해액 대신에, 제조예 1, 2, 4, 8, 9, 및 13에서 얻은 유기전해액을 각각 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 3와 동일한 방법으로 CR2032 코인셀을 제작하였다.

충방전 특성 평가

실시예 6, 및 비교예 19 내지 24에서 얻은 코인셀을 평가예 3에서의 충방전 특성 평가와 동일한 방법으로 방전 용량 및 쿨롱 효율을 산출하여, 도 4에 나타내었다.

도 4(a)에 따르면, 3M LiFSI DME/TTE에 1wt% FEC 및 1wt% 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트(Lithium difluorobis(oxalato)phosphate)를 부가하는 경우에, 약 160 mAh/g의 비용량이 70사이클까지 유지되었으나, 1wt% FEC 또는 1wt% 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트의 첨가제가 포함되지 않은 경우에는 비용량이 급격히 낮아진 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 3M LiFSI DME/TTE에 1wt% FEC 및 1wt% 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트(Lithium difluorobis(oxalato)phosphate)를 부가한 전해액을 사용한 경우, 1wt% FEC 만을 부가한 경우에 비해 우수한 비용량이 70사이클까지 유지됨을 알 수 있다. 즉, 1wt% 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트(Lithium difluorobis(oxalato)phosphate)의 부가가 비용량을 개선함을 알 수 있다.

또한, 도 4(b)에 따르면, 3M LiFSI DME/TTE에 1wt% FEC 및 1wt% 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트(Lithium difluorobis(oxalato)phosphate)를 부가한 전해액을 사용한 코인셀은, 1wt% FEC 또는 1wt% 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트(Lithium difluorobis(oxalato)phosphate)의 첨가제가 부가되지 않은 전해액을 사용한 코인셀에 비해, 쿨롱 효율이 매우 우수함을 확인할 수 있다.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims

리튬염; 에테르계 용매; 불소화 용매; 첨가제를 포함하는 리튬 금속 이차전지용 전해액으로서,
상기 에테르계 용매가 글라임계 용매 중에서 선택되고,
상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3,-테트라플루오로프로필에테르, 1,1,2,2-테트라프루오로에틸-1,1,5-옥타플루오로펜틸에테르, 및 이들의 조합 중에서 선택되고,
상기 첨가제가 플루오로에틸렌 카보네이트, 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트, 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트, 및 이들의 조합 중에서 선택되고,
상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3,-테트라플루오로프로필에테르인 경우 첨가제는 플루오로에틸렌 카보네이트가 아닌, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 리튬염은 LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiBOB, LiTFSI, LiFSI, LiClO₄, LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N, LiC₄F₉SO₃, LiAlO₂, LiAlCl₄, LiN(C_xF_2x+1SO₂)(C_yF_2y+1SO₂)(x, y는 1 내지 20이다), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 리튬염의 농도는 2 M 내지 4 M인, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 글라임계 용매가 1,2-디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 또는 이들의 조합인, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 글라임계 용매가 전해액 전체 부피를 기준으로, 70 부피% 내지 90 부피%로 포함되는, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3,-테트라플루오로프로필에테르이고,
상기 첨가제가 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트, 또는 플루오로에틸렌 카보네이트 및 리튬 디플루오로비스(옥살라토)포스페이트의 조합인, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 불소화 용매가 1,1,2,2-테트라프루오로에틸-1,1,5-옥타플루오로펜틸에테르이고, 상기 첨가제가 플루오로에틸렌 카보네이트, 또는 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트인, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 불소화 용매가 전해액 전체 부피를 기준으로, 10 부피% 내지 30 부피%로 포함되는, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 에테르계 용매 및 불소화 용매의 부피비가 90:10 내지 60:40인, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 리튬 금속 이차전지용 전해액은 선형카보네이트계 용매, 환형카보네이트계 용매 또는 이들의 조합을 더 포함하는, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제10항에 있어서,
상기 선형카보네이트계 용매는 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 메틸프로필카보네이트(methyl propyl carbonate), 에틸프로필카보네이트(ethyl propyl carbonate), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate), 또는 이들의 조합을 포함하는, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제10항에 있어서,
상기 환형카보네이트계 용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 부틸렌카보네이트(butylene carbonate) 또는 이들의 조합을 포함하는, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
제1항에 있어서,
상기 첨가제가 전해액 100 중량부를 기준으로 1 중량부 이상 포함되는, 리튬 금속 이차전지용 전해액.
양극; 리튬 금속을 포함하는 음극; 및 상기 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 리튬 금속 이차전지용 전해액을 포함하는 리튬 금속 이차전지.