KR20190109099A

KR20190109099A - 리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지

Info

Publication number: KR20190109099A
Application number: KR1020180031041A
Authority: KR
Inventors: 최현봉; 파벨샤투노프; 체히 올가; 박혜진; 우명희; 이하림; 임진혁; 조원석
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2019-09-25
Also published as: KR102130029B1; CN110277587B; US20190288337A1; EP3540842B1; US10879565B2; CN110277587A; EP3540842A1

Abstract

비수성 유기 용매, 리튬염 및 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액을 제공한다.
[화학식 1]

상기 화학식 1에서 각 치환기 정의는 상세한 설명에 기재한 것과 동일하다.

Description

리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{ELECTROLYTE FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY}

리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

리튬 이차 전지는 재충전이 가능하며, 종래 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등과 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 3배 이상 높고 고속 충전이 가능하기 때문에 노트북이나 핸드폰, 전동공구, 전기자전거용으로 상품화되고 있으며, 추가적인 에너지 밀도 향상을 위한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 리튬 이차 전지는 리튬을 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation)할 수 있는 양극 활물질을 포함하는 양극과 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하는 전지 셀에 전해액을 주입하여 사용된다.

특히, 전해액은 리튬염이 용해된 유기 용매를 사용하고 있으며, 리튬 이차 전지의 안정성 및 성능을 결정하는데 중요하다.

전해액의 리튬염으로 가장 많이 사용되고 있는 LiPF₆는 전해액 용매와 반응하여 용매의 고갈을 촉진시키고 다량의 가스를 발생시키는 문제를 가지고 있다. LiPF₆가 분해되면 LiF 와 PF₅를 생성하고, 이는 전지에서 전해액 고갈을 야기하며 고온 성능 열화 및 안전성에 취약한 결과를 초래한다.

이러한 리튬염의 부반응을 억제하고 전지성능을 향상시키는 전해액이 요구된다.

일 구현예는 고온 안정성을 확보하여 전지 성능이 향상될 수 있는 리튬 이차 전지용 전해액을 제공하는 것이다.

다른 일 구현예는 상기 리튬 이차 전지용 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 구현예는 비수성 유기 용매, 리튬염 및 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액을 제공한다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서,

R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C10 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알케닐기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기이고,

L은 단일결합, C_n(R^a)_2n-O-C_m(R^b)_2m, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알킬렌기이고,

여기서, R^a 및 R^b는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알킬기이고,

n 및 m은 각각 독립적으로 0 내지 3 중 어느 하나의 정수이다.

상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1 또는 화학식 1-2로 표현될 수 있다.

[화학식 1-1] [화학식 1-2]

상기 화학식 1-1 및 화학식 1-2에서,

R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C10 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알케닐기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기이다.

상기 R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알케닐기일 수 있다.

상기 R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알킬기일 수 있다.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 상기 리튬 이차 전지용 전해액 총량에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 상기 리튬 이차 전지용 전해액 총량에 대하여 0.5 중량% 내지 3 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.

상기 첨가제는 상기 화학식 1로 표현되는 화합물일 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예는 양극; 음극; 및 상기 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.

상기 양극은 Li-Ni-Co-Al (NCA), Li-Ni-Co-Mn (NCM), 리튬 코발트 산화물 (LiCoO₂), 리튬 망간 산화물 (LiMnO₂), 리튬 니켈 산화물 (LiNiO₂) 및 리튬 철 인산화물 (LiFePO₄)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 활물질을 포함할 수 있다.

고온 안정성 및 수명 특성이 향상된 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지를 도시한 개략도이다.
도 2는 비교예 1에 따른 전해액의 음극 순환전압전류(cyclic voltammetry, CV) 측정 그래프이다.
도 3은 실시예 1에 따른 전해액의 음극 순환전압전류(cyclic voltammetry, CV) 측정 그래프이다.
도 4는 실시예 2에 따른 전해액의 음극 순환전압전류(cyclic voltammetry, CV) 측정 그래프이다.

이하, 본 발명의 구현 예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '치환'이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자(F, Br, Cl 또는 I), 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C4 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C2 내지 C20 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.

이하, 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 전해액에 대해 설명한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 전해액은 비수성 유기 용매, 리튬염 및 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함한다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서,

n 및 m은 각각 독립적으로 0 내지 3 중 어느 하나의 정수이다.

한편, 상기 R^a가 적어도 2개인 경우 R^a는 동일하거나 상이할 수 있고, 상기 R^b가 적어도 2개인 경우 R^b는 동일하거나 상이할 수 있다.

일반적으로 전해액이 고온에 노출되면 소량의 물을 포함하는 전해질에서 리튬염의 일종인 LiPF₆는 LiF와 PF₅로 분해되고, 이들 분해물로부터 생성되는 HF는 유기 용매와 반응하여 유기 용매를 소모하며 가스를 발생시키고 양극과 반응하여 금속 이온을 용출시킨다. 따라서, 리튬전지의 고온 안정성 및 수명특성이 저하된다.

본 발명의 일 구현예에 따라 상기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 첨가제가 사용되는 경우, 음극 표면에 견고하면서도 우수한 이온 전도성을 갖는 SEI막(solid electrolyte interface)을 형성함으로써 고온 사이클 작동 시 발생할 수 있는 음극 표면의 분해를 억제하고 전해액의 산화 반응을 방지할 수 있다.

또한, 화학식 1로 표현되는 화합물은 전해액 내에서 Li 염으로 존재하여 저저항 효과가 발현될 수 있다.

즉 상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 리튬염의 열분해물과 복합체를 형성함으로써 전해액과의 원하지 않는 부반응을 억제하고, 이로부터 리튬 이차 전지의 사이클 수명 특성의 향상과 함께 리튬 이차 전지 내부에 가스가 발생하는 것을 방지하여 불량 발생률을 현저하게 감소시킬 수 있다.

또한, 화학식 1로 표현되는 화합물 및 이의 산화물은 SEI막의 성분과 전기, 화학적 반응에 참여하여 SEI막을 보다 견고하게 하고, 산화성 분해로 전해질에 포함되는 다른 구성요소의 안정성도 향상시킬 수 있다.

일 예로 상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1 또는 화학식 1-2로 표현될 수 있다.

[화학식 1-1] [화학식 1-2]

상기 화학식 1-1 및 화학식 1-2에서,

예컨대 상기 화학식 1-1로 표현되는 화합물을 포함하는 경우, 고온 저장 특성 및 전해액 안정성이 더욱 우수할 수 있다.

예컨대 상기 화학식 1-2로 표현되는 화합물을 포함하는 경우, 초기 SEI 막 형성 및 사이클 수명 특성이 더욱 유리할 수 있다.

일 예로 상기 R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알케닐기일 수 있다.

상기 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알케닐기는 예컨대 비닐기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일 예로 상기 R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알킬기일 수 있다.

구체적인 일 예로 상기 R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 메틸기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 상기 리튬 이차 전지용 전해액 총량에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량%의 함량으로 포함될 수 있고, 구체적으로 0.5 중량% 내지 3 중량%, 더욱 구체적으로 0.5 중량% 내지 1 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.

화학식 1로 표현되는 화합물의 함량 범위가 상기와 같은 경우 고온에서 저항이 증가하는 것을 방지하여 수명 특성이 개선된 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.

즉, 상기 화학식 1로 표현되는 화합물의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 고온 저장 특성이 저하되는 문제점이 있고, 10 중량%를 초과하는 경우 계면 저항 증가로 수명이 저하되는 문제점이 있다.

일 예로 상기 첨가제는 상기 화학식 1로 표현되는 화합물일 수 있다.

상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다.

상기 비수성 유기 용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다.

상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있다. 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, 프로필프로피오네이트, 데카놀라이드(decanolide), 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상, 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류, 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류, 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다.

상기 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.

또한, 상기 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.

상기 비수성 유기 용매는 상기 카보네이트계 용매에 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 용매는 1:1 내지 30:1의 부피비로 혼합될 수 있다.

상기 방향족 탄화수소계 용매로는 하기 화학식 2의 방향족 탄화수소계 화합물이 사용될 수 있다.

[화학식 2]

(상기 화학식 2에서, R⁶ 내지 R¹¹은 서로 동일하거나 상이하며 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.)

상기 방향족 탄화수소계 용매의 구체적인 예로는 벤젠, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 2,3-디플루오로톨루엔, 2,4-디플루오로톨루엔, 2,5-디플루오로톨루엔, 2,3,4-트리플루오로톨루엔, 2,3,5-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 2,3-디클로로톨루엔, 2,4-디클로로톨루엔, 2,5-디클로로톨루엔, 2,3,4-트리클로로톨루엔, 2,3,5-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 2,3-디아이오도톨루엔, 2,4-디아이오도톨루엔, 2,5-디아이오도톨루엔, 2,3,4-트리아이오도톨루엔, 2,3,5-트리아이오도톨루엔, 자일렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.

상기 전해액은 전지 수명을 향상시키기 위하여 비닐렌 카보네이트 또는 하기 화학식 3의 에틸렌계 카보네이트계 화합물을 수명 향상 첨가제로 더욱 포함할 수도 있다.

[화학식 3]

(상기 화학식 3에서, R¹² 및 R¹³은 서로 동일하거나 상이하며, 수소, 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO₂) 및 불소화된 탄소수 1 내지 5의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 R⁹ 및 R¹⁰ 중 적어도 하나는 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO₂) 및 불소화된 탄소수 1 내지 5의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되나, 단 R⁹ 및 R¹⁰가 모두 수소는 아니다.)

상기 에틸렌계 카보네이트계 화합물의 대표적인 예로는 디플루오로 에틸렌카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 디클로로에틸렌 카보네이트, 브로모에틸렌 카보네이트, 디브로모에틸렌 카보네이트, 니트로에틸렌 카보네이트, 시아노에틸렌 카보네이트 또는 플루오로에틸렌 카보네이트 등을 들 수 있다. 이러한 수명 향상 첨가제를 더욱 사용하는 경우 그 사용량은 적절하게 조절할 수 있다.

상기 리튬염은 비수성 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 이러한 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiN(SO₂C₂F₅)₂, Li(CF₃SO₂)₂N, LiN(SO₃C₂F₅)₂, LiC₄F₉SO₃, LiClO₄, LiAlO₂, LiAlCl₄, LiN(C_xF_2x ₊ ₁SO₂)(C_yF_2y ₊ ₁SO₂)(여기서, x 및 y는 자연수이며, 예를 들면 1 내지 20의 정수임), LiCl, LiI 및 LiB(C₂O₄)₂(리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bis(oxalato) borate: LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 들 수 있다. 리튬염의 농도는 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예는 양극; 음극; 및 전술한 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.

상기 양극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체에 위에 형성된 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질 층을 포함한다.

상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다.

구체적으로는 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.

더욱 구체적으로는 Li-Ni-Co-Al (NCA), Li-Ni-Co-Mn (NCM), 리튬 코발트 산화물 (LiCoO₂), 리튬 망간 산화물 (LiMnO₂), 리튬 니켈 산화물 (LiNiO₂) 및 리튬 철 인산화물 (LiFePO₄)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종일 수 있다.

상기 양극 활물질의 예로 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 들 수 있다.

Li_aA₁ _- _bX_bD₂(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5); Li_aA₁ _- _bX_bO₂ _- _cD_c(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); Li_aE₁ _- _bX_bO₂ _- _cD_c(0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); Li_aE₂ _- _bX_bO₄ _- _cD_c(0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); Li_aNi₁ _-b- _cCo_bX_cD_α(0.90 ≤ a ≤1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 < α ≤ 2); Li_aNi₁ _-b- _cCo_bX_cO₂ _- _αT_α(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); Li_aNi₁ _-b- _cCo_bX_cO₂ _- _αT₂(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); Li_aNi₁ _-b- _cMn_bX_cD_α(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li_aNi₁ _-b- _cMn_bX_cO₂ _- _αT_α(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); Li_aNi₁ _-b-cMn_bX_cO_2-αT₂( 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b　 ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); Li_aNi_bE_cG_dO₂(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); Li_aNi_bCo_cMn_dG_eO₂(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); Li_aNiG_bO₂(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li_aCoG_bO₂(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li_aMn₁ _- _bG_bO₂(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li_aMn₂G_bO₄(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li_aMn₁ _-gG_gPO₄(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ g ≤ 0.5); QO₂; QS₂; LiQS₂; V₂O₅; LiV₂O₅; LiZO₂; LiNiVO₄; Li_(3-f)J₂(PO₄)₃(0 ≤ f ≤ 2); Li_(3-f)Fe₂(PO₄)₃(0 ≤ f ≤ 2); Li_aFePO₄(0.90 ≤ a ≤ 1.8)

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; X는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; E는 Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; T는 F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Q는 Ti, Mo, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Z는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.

물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 코팅 원소의 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 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.

본 발명의 일 구현예에 따른 양극 활물질의 구체적인 예로, Li_xNi_yCo_zAl₁ _-y- _zO₂ (1

x

1.2, 0.5

y

1, 그리고 0

z

0.5)를 들 수 있다.

상기 양극 활물질의 함량은 양극 활물질 층 전체 중량에 대하여 90 중량% 내지 98 중량%일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양극 활물질층은 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다. 이때, 상기 바인더 및 도전재의 함량은 양극 활물질 층 전체 중량에 대하여 각각 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다.

상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.

상기 전류 집전체로는 Al을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 음극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체 위에 형성된 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질 층을 포함한다.

상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함한다.

상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.

상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다.

상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질로는 Si, Si-C 복합체, SiO_x(0 < x < 2), Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO₂를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 Q 및 R로는 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, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.

상기 전이 금속 산화물로는 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 또는 리튬 티타늄 산화물 등을 들 수 있다.

상기 음극 활물질 층에서 음극 활물질의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 95 중량% 내지 99 중량%일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 음극 활물질 층은 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수도 있다. 상기 음극 활물질 층에서 바인더의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다. 또한 도전재를 더욱 포함하는 경우에는 음극 활물질을 90 중량% 내지 98 중량%, 바인더를 1 중량% 내지 5 중량%, 도전재를 1 중량% 내지 5 중량% 사용할 수 있다.

상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 상기 바인더로는 비수용성 바인더, 수용성 바인더 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.

상기 비수용성 바인더로는 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 들 수 있다.

상기 수용성 바인더로는 고무계 바인더 또는 고분자 수지 바인더를 들 수 있다. 상기 고무계 바인더는 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버(SBR), 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무 및 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 고분자 수지 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌프로필렌공중합체, 폴리에틸렌옥시드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피크로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스틸렌, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 폴리비닐알콜으로 및 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다.

상기 음극 바인더로 수용성 바인더를 사용하는 경우, 점성을 부여할 수 있는 셀룰로즈 계열 화합물을 더욱 포함할 수 있다. 이 셀룰로즈 계열 화합물로는 카르복시메틸 셀룰로즈, 하이드록시프로필메틸 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 또는 이들의 알칼리 금속염 등을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 알칼리 금속으로는 Na, K 또는 Li를 사용할 수 있다. 이러한 증점제 사용 함량은 음극 활물질 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 3 중량부일 수 있다.

상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.

리튬 이차 전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재할 수 도 있다. 이러한 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.

도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 음극(112), 음극(112)과 대향하여 위치하는 양극(114), 음극(112)과 양극(114) 사이에 배치되어 있는 세퍼레이터(113) 및 음극(112), 양극(114) 및 세퍼레이터(113)를 함침하는 전해액(도시하지 않음)을 포함하는 전지 셀과, 상기 전지 셀을 담고 있는 전지 용기(120) 및 상기 전지 용기(120)를 밀봉하는 밀봉 부재(140)를 포함한다.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

리튬 이차 전지의 제작

제조예 1: 화학식 1a로 표현되는 화합물 ( N - 메틸 - N -( 트리메틸실릴 )- 메탄술폰아마이드 )의 합성

질소분위기 하에 N-메틸메탄술폰아마이드 (N-methylmethanesulfonamide, 10.0 g, 9.16 mmol)와 비스(트리메틸실릴)아민 (bis(trimethylsilyl)amine, 29.0 g, 18.3 mmol)을 촉매량의 염화 암모늄(ammonium chloride, 0.2 g)과 함께 넣어준다. 100 ℃에서 2시간 동안 교반한 뒤, 130 ℃에서 1시간 동안 더 교반한다. 감압 증류로 정제하여 무색 투명한 액체를 얻었다. (7.5 g, 75%)

bp= 58 ℃/0.07 Torr; 1H NMR (400 MHz, CDCl3): 2.85 (s, 3H), 2.83 (s, 3H), 0.33 (s, 9H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δδ 39.52, 32.58, 0.81.

[화학식 1a]

제조예 2: 화학식 1b로 표현되는 화합물 ( N - 메틸 - N - 트리메틸실릴옥시메탄술폰아마이드 )의 합성

1단계: N-하이드록시-N-메틸메탄술폰아마이드(N-hydroxy-N-methylmethanesulfonamide)의 합성

N-메틸하이드록실아민 하이드로클로라이드(N-methylhydroxylamine hydrochloride, 10.0 g, 120 mmol)을 물 (12 mL)에 녹인 후 0℃로 온도를 낮춘다. 반응물에 20 mL에 녹인 K₂CO₃ (16.5 g, 120 mmol) 수용액을 천천히 적가한다. 30분동안 0℃에서 교반한 후, 온도를 유지한 상태에서 테트라하이드로퓨란(THF, 60 mL)와 메탄올(15 mL)를 넣고 10분간 교반한다. 0℃에서 메탄술포닐 클로라이드(methanesulfonyl chloride, 6.85 g, 59.8 mmol)를 천천히 적가한 후 30분간 교반한다. 그 후 반응물을 상온으로 올려 4시간 더 교반한다. 흰색의 침천된 고체가 모두 용해될 때까지 물을 첨가한 후, 다이에틸 에터(diethyl ether)를 이용해 추출한다. 모은 유기층을 MgSO₄로 건조하고 여과한 후 여과액을 감압 하에서 농축시켜 흰색 고체를 얻는다 (4.96 g, 66%). 얻은 고체는 더 정제하지 않고 다음 반응에서 사용한다.

1H NMR (400 MHz, CDCl3): 3.06 (s, 3H), 2.95 (s, 3H).

2단계: N-메틸-N-트리메틸실릴옥시메탄술폰아마이드(trimethylsilyloxymethanesulfonamide)의 합성

질소분위기 하에 1단계에서 합성된 N-하이드록시-N-메틸메탄술폰아마이드 (N-hydroxy-N-methylmethanesulfonamide)를 테트라하이드로퓨란(THF, 50 mL)에 녹인다. 0℃로 반응 온도를 낮춘 후, 트리에틸아민 (trimethylamine, TEA, 6.02 g, 59.5 mmol)을 적가한다. 그 후 트리메틸실릴 클로라이드(trimethylsilyl chloride, TMSCl, 8.89 g, 59.5 mmol)를 천천히 적가한다. 반응물을 ℃에서 2시간동안 교반한다. 가라앉은 흰색 고체를 거른 후 얻은 여액을 농축시킨다. 감압 증류로 정제하여 무색 투명의 액체를 얻었다. (5.4 g, 69%)

bp= 74℃/0.07 Torr; 1H NMR (400 MHz, CDCl3): 3.00 (s, 3H), 2.88 (s, 3H), 0.25 (s, 9H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 42.55, 29.27, -0.51.

[화학식 1b]

실시예 1

양극 활물질로서 LiNi₀ _. ₈Co₀ _. ₁₅Al₀ _. ₀₅O₂, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 도전재로서 케첸블랙을 각각 97.3:1.4:1.3의 중량비로 혼합하여, N-메틸 피롤리돈에 분산시켜 양극 활물질 슬러리를 제조하였다.

상기 양극 활물질 슬러리를 15㎛ 두께의 Al 포일 위에 코팅하고, 100℃에서 건조한 후, 압연(press)하여 양극을 제조하였다.

음극 활물질로서 그라파이트, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 도전재로서 케첸블랙을 각각 98:1:1의 중량비로 혼합하여, N-메틸 피롤리돈에 분산시켜 음극 활물질 슬러리를 제조하였다.

상기 음극 활물질 슬러리를 10㎛ 두께의 Cu 포일 위에 코팅하고, 100℃에서 건조한 후, 압연(press)하여 음극을 제조하였다.

상기 제조된 양극 및 음극과 두께 25㎛의 폴리에틸렌 재질의 세퍼레이터 그리고 전해액을 사용하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.

전해액 조성은 하기와 같다.

(전해액 조성)

염: LiPF₆ 1.5 M

용매: 에틸렌 카보네이트: 에틸메틸 카보네이트:디메틸 카보네이트 (EC:EMC:DMC=2:1:7의 부피비)

첨가제: 상기 화학식 1a로 표현되는 화합물 1 중량%

(단, 상기 전해액 조성에서 "중량%"는 전해액 전체(리튬염+비수성 유기 용매+첨가제) 함량을 기준으로 한 것이다.)

실시예 2

첨가제를 상기 화학식 1b로 표현되는 화합물로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다.

실시예 3

첨가제의 함량을 0.5 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다.

실시예 4

첨가제의 함량을 3 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다.

실시예 5

첨가제의 함량을 0.5 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다.

실시예 6

첨가제의 함량을 3 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다.

비교예 1

첨가제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다.

비교예 2

첨가제를 N,N-디메틸메탄설폰아마이드 (DMS, 구입처: Aldrich)로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제작하였다.

(N,N-디메틸메탄설폰아마이드)

전지 특성 평가

평가 1: CV 특성 평가

비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 리튬 이차 전지의 전기화학적 안정성을 평가하기 위해, 순환전압전류법 (cyclic voltammetry, CV) 측정을 하였고, 그 결과를 도 2 내지 4에 나타내었다.

작업 전극으로는 그래파이트 음극을, 기준 전극과 상대 전극으로는 Li 금속을 이용한 삼전극 전기화학셀을 이용하여 음극 CV 측정을 수행하였다. 이때 스캔은 3V에서 0V로, OV에서 3V로 3 사이클을 진행하였고, 스캔 속도는 0.1mV/sec로 진행하였다.

도 2는 비교예 1에 따른 전해액의 음극 순환전압전류(cyclic voltammetry, CV) 측정 그래프이다.

도 3은 실시예 1에 따른 전해액의 음극 순환전압전류(cyclic voltammetry, CV) 측정 그래프이다.

도 4는 실시예 2에 따른 전해액의 음극 순환전압전류(cyclic voltammetry, CV) 측정 그래프이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 상기 실시예 1에 따른 전해액을 포함하는 삼전극 셀의 순환전압전류 곡선에서는 음극 분해 경향이 낮은 반면, 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 비교예 1에서 제조된 전해액을 포함하는 삼전극 셀의 순환전압전류 곡선에서는 음극 분해 경향이 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 음극 분해 경향이 높은 경우 음극 표면에 과도한 피막을 형성하여 표면 저항이 증가하고, 이로 인해 리튬의 이동에 방해를 받아 수명특성이 저하될 수 있다.

따라서, 본원 실시예 1에 따른 리튬 이차 전지는 수명 특성이 향상되어 우수한 전지 성능을 가질 것으로 예상된다.

또한, 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 실시예 2에 따른 전해액을 포함하는 삼전극 셀의 순환전압전류 곡선에서는 1회 사이클에 따라 환원 피크가 나타난 반면, 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 비교예 1에서 제조된 전해액을 포함하는 삼전극 셀의 순환전압전류 곡선에서는 환원 피크가 전혀 나타나지 않았다. 이러한 결과로부터, 이로부터 실시예 2에서 제조된 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에서는 음극에 리튬 이온이 삽입되는 충전 과정 동안 용매 분해가 일어나기 전에 넓은 전압 영역에 걸쳐 음극에 초기 SEI막이 형성되었을 것으로 예상할 수 있다. 따라서, 초기 SEI막이 형성되지 않은 비교예 1에 따른 리튬 이차전지에 비해 본원 실시예 2에 따른 리튬 이차 전지는 우수한 전지 성능을 가질 것으로 예상된다.

평가 2: 고온 저장 특성 평가

실시예 1 내지 6, 비교예 1 및 2에 따라 제작된 각각의 리튬 이차 전지를 60℃에서 충전 상태(SOC, state of charge = 100%)로 30일 동안 방치하여, 고온(60℃) 방치 시의 저항 증가율을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

초기 화성 조건은 첫 사이클시 0.2C 전류로 3.6V까지 CC 충전 후 2.6V까지 방전하였으며, 두 번째 사이클은 0.2C 전류로 4.2V까지 CC 충전 후 2.6V까지 방전하였고, 이에 따라 전극 표면에 산화 피막이 형성되었다.

초기 용량 및 30일 방치 후의 용량은 1C 전류로 4.2V까지 CC-CV 충전 후 3C 전류로 2.6V 컷 오프(cut off) 방전 용량을 측정하였다.

용량 유지율(%)은 초기 용량에 대한 30일 방치 후의 용량의 백분율 값이다.

직류 저항 (DC-IR) 측정 방법은 다음과 같다.

직류 저항 (DC-IR)은 서로 다른 전류를 인가한 때의 각각의 전류 차 및 전압 차로부터 계산하였다.

만충전 상태에서 10초간 10A의 정전류 방전하였다.

다음, 10초간 1A의 정전류 방전한 후, 4초간 10A의 정전류 방전하였다.

직류 저항 (DC-IR)은 18초 및 23초의 데이터로부터 식 △R =△V/△I에 의해 계산하였다.

저항 증가율(%)은 초기 DC-IR에 대한 30일 방치 후의 DC-IR의 백분율 값이다.

	초기 DC-IR (mOhm)	60℃ @30일
	초기 DC-IR (mOhm)	DC-IR (mOhm)	△DC-IR (%)
비교예 1	35.8	42.9	120
비교예 2	37.3	43.9	117
실시예 1	35.1	38.2	108
실시예 2	35.3	39.5	111
실시예 3	36.8	39.3	107
실시예 4	35.9	40.2	112
실시예 5	36.9	39.4	107
실시예 6	35.8	40.5	113

표 1을 참조하면, 일 구현예에 따른 첨가제를 사용한 실시예 1 내지 6의 경우 비교예 1 및 2의 경우와 비교하여 고온(60℃) 방치시 저항 증가율이 낮음을 확인할 수 있다. 따라서, 화학식 1로 표현되는 화합물을 첨가제로서 사용하면 충전 상태 전지의 고온 내산화성 및 내저항성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.

평가 3: 전해액 안전성 평가

실시예 1, 2 비교예 1 및 2에 따른 리튬 이차 전지의 전해액 안전성을 평가하기 위해, 각각의 리튬 이차 전지를 60℃에서 충전 상태(SOC, state of charge = 100%)로 7일 동안 방치하여, 고온(60℃) 방치 시의 HF 농도 증가율을 하기 방법으로 평가하였다.

HF 농도 증가율 (%)은 HF 초기 농도에 대한 7일 고온 방치 후 HF 농도의 백분율 값이다.

HF 농도 측정 방법

전해액에 물을 추가하여 10% 전해액 농도로 맞춘후 0.1M KOH 수용액을 사용하여 적정을 실시한 후, 몰농도(M) X 부피(V)= 몰수(mol)로부터 유도된 MV=M'V' 관계식을 이용하여 전해액에 존재하는 산인 HF의 몰수로부터 함량을 측정했고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

	HF 초기 농도 (ppm)	고온 방치 후 HF 농도 (ppm)	HF 농도 증가율 (@ 60℃ @30일) (%)
비교예 1	20	50.4	252
비교예 2	20.7	51.3	248
실시예 1	20.2	23.5	116

표 2를 참조하면, 비교예 1 및 2의 HF 농도가 일 구현예에 따른 첨가제를 포함하는 실시예 1의 HF 농도에 비해 현저하게 증가되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 고온 방치 시 전해액과의 부반응이 억제되는 효과가 우수하다.

평가 4: 사이클 수명 특성 평가

상기 실시예 1, 2 비교예 1 및 2에 따른 리튬 이차 전지를 상온에서 CC-CV 4A, 4.2V, 100mA 컷-오프로 충전한 후, CC 10A, 2.5V 컷-오프로 방전하는 것을 1 사이클로 하여 200 사이클을 반복 실시하여 사이클 수명 특성을 평가하여, 200 사이클 후 용량 유지율을 표 3에 나타내었다.

	200 사이클 후 용량 유지율 (%)
비교예 1	94.2
비교예 2	94.5
실시예 1	94.9
실시예 2	94.6

표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 충방전 싸이클 특성이 비교예 1 및 2에 비하여 우수한 것을 알 수 있으며, 이로부터 화학식 1로 표현되는 화합물을 첨가제로서 포함하는 리튬 이차 전지의 경우 우수한 수명 특성을 나타냄을 알 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 리튬 이차 전지
112: 음극
113: 세퍼레이터
114: 양극
120: 전지 용기
140: 봉입 부재

Claims

비수성 유기 용매, 리튬염 및 첨가제를 포함하고,
상기 첨가제는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서,
R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C10 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알케닐기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기이고,
L은 단일결합, C_n(R^a)_2n-O-C_m(R^b)_2m, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알킬렌기이고,
여기서, R^a 및 R^b는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알킬기이고,
n 및 m은 각각 독립적으로 0 내지 3 중 어느 하나의 정수이다.
제1항에서,
상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1 또는 화학식 1-2로 표현되는 리튬 이차 전지용 전해액:
[화학식 1-1] [화학식 1-2]

상기 화학식 1-1 및 화학식 1-2에서,
R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C10 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C10 사이클로알케닐기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기이다.
제1항에서,
상기 R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알케닐기인 리튬 이차 전지용 전해액.
제1항에서,
상기 R¹ 내지 R⁵는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5 알킬기인 리튬 이차 전지용 전해액.
제1항에서,
상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 상기 리튬 이차 전지용 전해액 총량에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량%의 함량으로 포함되는 리튬 이차 전지용 전해액.
제1항에서,
상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 상기 리튬 이차 전지용 전해액 총량에 대하여 0.5 중량% 내지 3 중량%의 함량으로 포함되는 리튬 이차 전지용 전해액.
제1항에서,
상기 첨가제는 상기 화학식 1로 표현되는 화합물인 리튬 이차 전지용 전해액.
양극;
음극; 및
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전해액
을 포함하는 리튬 이차 전지.
제8항에서,
상기 양극은 Li-Ni-Co-Al (NCA), Li-Ni-Co-Mn (NCM), 리튬 코발트 산화물 (LiCoO₂), 리튬 망간 산화물 (LiMnO₂), 리튬 니켈 산화물 (LiNiO₂) 및 리튬 철 인산화물 (LiFePO₄)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지.