KR20220023159A - Cyclic ether diol derivatives, nonaqueous electrolyte for lithium secondary battery comprising the same, and lithium secondary battery - Google Patents

Cyclic ether diol derivatives, nonaqueous electrolyte for lithium secondary battery comprising the same, and lithium secondary battery Download PDF

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KR20220023159A
KR20220023159A KR1020200104715A KR20200104715A KR20220023159A KR 20220023159 A KR20220023159 A KR 20220023159A KR 1020200104715 A KR1020200104715 A KR 1020200104715A KR 20200104715 A KR20200104715 A KR 20200104715A KR 20220023159 A KR20220023159 A KR 20220023159A
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이정규
강준
이덕희
박수정
조창호
조상호
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Abstract

The present invention relates to an electrolyte additive for a lithium secondary battery, an electrolyte including the additive, and a lithium secondary battery including the electrolyte, wherein the additive includes a cyclic ether diol derivative compound. The present invention can implement a lithium secondary battery with high voltage and high capacity.

Description

고리형에테르 디올 유도체, 이를 포함하는 리튬 이차전지 전해액 및 리튬 이차전지{CYCLIC ETHER DIOL DERIVATIVES, NONAQUEOUS ELECTROLYTE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY}Cyclic ether diol derivative, lithium secondary battery electrolyte and lithium secondary battery containing the same

본 발명은 리튬 이차전지용 전해액 첨가제, 상기 첨가제를 포함하는 전해액 및 상기 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte solution additive for a lithium secondary battery, an electrolyte solution including the additive, and a lithium secondary battery including the electrolyte solution.

최근, 차세대 자동차용 전원 등에 적용하기 위한 중대용량 리튬 이차전지에 관한 관심이 증대되고 있다.Recently, interest in medium and large-capacity lithium secondary batteries for application to power sources for next-generation vehicles and the like is increasing.

이와 관련하여, 리튬을 과량으로 포함하고 있는(즉, 과리튬; Lithium-rich) 층상형 산화물을 양극 활물질로 사용할 경우, 전지의 충전 구동 전압을 향상시킬 수 있고, 카본계 물질이 아닌 실리콘계 물질을 음극 활물질로 사용할 수 있기 때문에 전지의 용량을 개선할 수 있다.In this regard, when a layered oxide containing an excess of lithium (ie, lithium-rich) is used as a cathode active material, the charge driving voltage of the battery can be improved, and a silicon-based material rather than a carbon-based material can be used. Since it can be used as an anode active material, the capacity of the battery can be improved.

한편, 일반적인 리튬 이차전지에서는 리튬염을 유기 용매에 용해시킨 것을 전해액으로 사용하는데, 과리튬 양극 활물질은 고전압 환경을 조성하는 한편 첫 충전시 산소 기체를 발생시키며, 실리콘계 음극 활물질은 반복적인 충방전에 따라 심각한 부피 팽창이 일어나 그 표면에 크랙킹(cracking)이 형성되어, 결국 상기 각 활물질이 적용된 전극의 표면에서는 공통적으로 전해액의 분해 반응이 유발된다.On the other hand, in a general lithium secondary battery, lithium salt dissolved in an organic solvent is used as an electrolyte. The over-lithium positive active material creates a high voltage environment while generating oxygen gas during the first charge, and the silicon-based negative active material is used for repeated charging and discharging. Accordingly, serious volume expansion occurs and cracks are formed on the surface thereof, and eventually, a decomposition reaction of the electrolyte solution is commonly induced on the surface of the electrode to which each of the active materials is applied.

그 결과, 전해액이 점차 고갈되어 전지의 전기 화학적 성능이 급격하게 열화됨은 물론이고, 각각의 전극 표면에 저항으로 작용되는 두꺼운 피막이 형성됨에 따라 전지의 전기 화학적 반응 속도가 저하되며, 전해액의 분해 결과 생성되는 산성 물질(예를 들어, HF 등)이 각 전극 피막을 녹이거나 양극 활물질을 손상시켜 전지의 전기 화학적 안정성이 보장되지 못하는 문제가 있다.As a result, as the electrolyte is gradually depleted, the electrochemical performance of the battery is rapidly deteriorated, and as a thick film acting as a resistance is formed on the surface of each electrode, the electrochemical reaction rate of the battery is lowered, and the decomposition result of the electrolyte is generated The acidic material (eg, HF, etc.) melts each electrode film or damages the positive electrode active material, so there is a problem in that the electrochemical stability of the battery is not guaranteed.

본 발명은 리튬 이차전지용 전해액에 특수한 첨가제를 첨가하여 상기 지적된 문제를 해소하고자 한다. The present invention aims to solve the above-mentioned problems by adding a special additive to an electrolyte solution for a lithium secondary battery.

구체적으로, 본 발명은 전해액 첨가제로 산화 분해되어 양극 표면에 보호막을 형성할 수 있는 물질인 산화 분해형 첨가제를 제공하고자 한다.Specifically, an object of the present invention is to provide an oxidative decomposition additive, which is a material capable of being oxidatively decomposed into an electrolyte additive to form a protective film on the surface of an anode.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 상기 산화 분해형 첨가제와 함께, 환원 분해되어 음극 표면에 보호막을 형성하는 물질인 환원 분해형 첨가제를 포함하는 이차전지 전해액을 제공하고자 한다.In another embodiment of the present invention, it is an object of the present invention to provide a secondary battery electrolyte comprising a reductive decomposition additive, which is a material that is reductively decomposed to form a protective film on the surface of the anode, together with the oxidative decomposition additive.

또한, 본 발명은 상기 전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a lithium secondary battery including the electrolyte.

본 발명은 하기 화학식 1 로 표시되는 고리형에테르 디올 유도체 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종이상을 포함하는 이차전지 전해액 첨가제를 제공한다.The present invention provides a secondary battery electrolyte additive comprising at least one selected from the group consisting of cyclic ether diol derivative compounds represented by the following formula (1).

[화학식 1] [Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, W는 O, S, SO, SO2, NR, NCOR, NSO2R이고, Z는 할로겐, 알콕시, 알킬이 치환된 B, P, 또는 SO, SO2, CO이며, R은 C1~C4의 탄화수소 또는 C6~C12의 아릴이다.In Formula 1, W is O, S, SO, SO2, NR, NCOR, NSO2R, Z is halogen, alkoxy, alkyl substituted B, P, or SO, SO2, CO, R is C1-C4 It is a hydrocarbon or C6~C12 aryl.

본 발명은 바람직하게는, 상기 화학식 1의 고리형에테르 디올 유도체는 하기의 화합물군 A 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물인 것인 이차전지 전해액 첨가제를 제공한다.Preferably, the present invention provides a secondary battery electrolyte additive, wherein the cyclic ether diol derivative of Formula 1 is at least one compound selected from the following compound group A.

<화합물군 A><Compound group A>

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 이차전지 전해액 첨가제는 산화 분해형 첨가제이다.The secondary battery electrolyte additive is an oxidative decomposition additive.

본 발명은 상기 화학식 1 로 표현되는 화합물로 이루어진 그룹 중 선택되는 1종 이상의 산화 분해형 첨가제를 포함하는 이차전지 전해액을 제공한다.The present invention provides a secondary battery electrolyte comprising at least one oxidative decomposition type additive selected from the group consisting of compounds represented by Formula 1 above.

상기 이차전지 전해액은 환원 분해형 첨가제를 더 포함할 수 있다.The secondary battery electrolyte may further include a reductive decomposition type additive.

본 발명은 상기 이차전지 전해액을 포함하는 이차전지를 제공한다.The present invention provides a secondary battery comprising the secondary battery electrolyte.

본 발명은 화학식 1 로 표현되는 고리형에테르 디올 유도체 화합물을 포함하는 이차전지 전해액에 관한 것으로 이차전지 전해액에 상기 첨가제를 첨가함으로써 전지의 전기화학적 성능, 반응 속도 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 산화 분해형 첨가제에 의하여 양극 표면에 보호막이 형성되어 전지의 전기화학적 성능, 반응 속도 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명의 전해액 첨가제는 이차전지의 용량유지율과 수명유지율을 충분히 향상시키는 효과가 있다.The present invention relates to a secondary battery electrolyte comprising a cyclic ether diol derivative compound represented by Formula 1, and by adding the additive to the secondary battery electrolyte, the electrochemical performance, reaction rate and stability of the battery can be improved. Specifically, a protective film is formed on the surface of the positive electrode by the oxidative decomposition additive to improve electrochemical performance, reaction rate, and stability of the battery. In addition, the electrolyte solution additive of the present invention has the effect of sufficiently improving the capacity retention rate and lifespan retention rate of the secondary battery.

또한, 전해액에 용제 및 전해질과 함께 포함되어 과리튬 양극 활물질 및 실리콘계 음극 활물질을 동시에 적용하는 것이 가능하고 그 결과 고전압 및 고용량의 리튬 이차전지를 구현할 수 있다. In addition, it is included in the electrolyte together with a solvent and an electrolyte, so that it is possible to simultaneously apply an overlithium positive active material and a silicon-based negative active material, and as a result, a high voltage and high capacity lithium secondary battery can be realized.

또한, 상기 산화 분해형 첨가제에 의하여 양극 표면에 보호막이 형성되고, 환원 분해형 첨가제에 의하여 음극 표면에 보호막이 형성되고, 반응형 첨가제에 의하여 산성 물질을 제거하는 기능을 동시에 수행할 수 있다.In addition, the protective film is formed on the surface of the anode by the oxidative decomposition additive, the protective film is formed on the surface of the anode by the reductive decomposition additive, and the function of removing the acidic material by the reactive additive can be simultaneously performed.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is provided as an example, and the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

리튬 이차전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.Lithium secondary batteries can be classified into lithium ion batteries, lithium ion polymer batteries, and lithium polymer batteries depending on the type of separator and electrolyte used, and can be classified into cylindrical, prismatic, coin-type, pouch-type, etc. according to the shape. According to the size, it can be divided into a bulk type and a thin film type. Since the structure and manufacturing method of these batteries are well known in the art, a detailed description thereof will be omitted.

리튬 이차전지는 음극, 세퍼레이터 및 양극을 차례로 적층한 다음 스피럴 상으로 권취된 상태로 전지 용기에 수납하여 구성된다.A lithium secondary battery is constructed by sequentially stacking a negative electrode, a separator, and a positive electrode, and then storing the negative electrode in a battery container while being wound on a spiral.

상기 음극은 집전체 및 상기 집전체 위에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함한다. 상기 음극 활물질로는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 물질로 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 또는 전이 금속 산화물이 사용된다.The negative electrode includes a current collector and a negative active material layer formed on the current collector, and the negative active material layer includes a negative electrode active material. As the negative active material, lithium metal, an alloy of lithium metal, a material capable of doping and dedoping lithium, or a transition metal oxide is used as a material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions.

상기 음극 활물질 중, 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 흑연 등 탄소 계열 물질이 널리 알려져 있다. 흑연은 리튬 대비 방전 전압이 -0.2V로 낮아, 흑연을 음극 활물질로 사용한 전지는 3.6V의 높은 방전 전압을 나타내어, 리튬 전지의 에너지 밀도면에서 이점을 제공한다. 또한 흑연을 음극 활물질로 사용한 이차전지는 뛰어난 가역성으로 리튬 이차전지의 장수명을 보장하여 가장 널리 사용되고 있다.Among the negative active materials, a carbon-based material such as graphite is widely known as a material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions. Graphite has a low discharge voltage of -0.2V compared to lithium, and a battery using graphite as an anode active material exhibits a high discharge voltage of 3.6V, providing an advantage in terms of energy density of a lithium battery. In addition, secondary batteries using graphite as an anode active material are the most widely used because they guarantee a long lifespan of lithium secondary batteries with excellent reversibility.

그러나 흑연 활물질은 극판 제조시 흑연의 밀도(이론 밀도 2.2g/cc)가 낮아 극판의 단위 부피당 에너지 밀도 측면에서는 용량이 낮은 문제점이 있고, 높은 방전 전압에서는 사용되는 유기 전해액과의 부반응이 일어나기 쉬워, 전지의 스웰링 발생 및 이에 따른 용량 저하의 문제가 있다. 따라서 최근에는 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질로 용량이 높은 실리콘계 물질이 대체제로 각광받고 있다.However, the graphite active material has a problem with low capacity in terms of energy density per unit volume of the electrode plate due to the low density of graphite (theoretical density 2.2 g/cc) during the manufacture of the electrode plate, and a side reaction with the organic electrolyte used at a high discharge voltage is easy to occur, There is a problem of swelling of the battery and a decrease in capacity accordingly. Therefore, in recent years, as a material capable of doping and de-doping lithium, a silicon-based material having a high capacity has been in the spotlight as an alternative.

한편, 상기 양극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함한다. 상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있고, 일반적으로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1-xCoxO2(0 < x < 1)등과 같이 리튬 이온의 인터칼레이션이 가능한 구조를 가진 리튬과 전이 금속의 산화물이 주로 사용된다.Meanwhile, the positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector. As the cathode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium (a lithiated intercalation compound) may be used, and in general, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1-x Co x O 2 (0 < x < 1), which has a structure that allows intercalation of lithium ions, such as lithium and transition metal oxides are mainly used.

최근에는, 리튬을 과량으로 포함하고 있는(즉, 과리튬; Lithium-rich) 층상형 산화물을 양극 활물질로 사용함으로써, 전지의 충전 구동 전압을 향상시키는 기술이 연구되고 있다. 이 경우, 카본계 물질이 아닌 실리콘계 물질을 음극 활물질로 사용할 수 있기 때문에 전지의 용량을 더욱 개선할 수 있다.Recently, by using a layered oxide containing an excess of lithium (ie, lithium-rich) as a cathode active material, a technique for improving the charge driving voltage of a battery has been studied. In this case, since a silicon-based material rather than a carbon-based material can be used as the negative electrode active material, the capacity of the battery can be further improved.

한편, 일반적인 리튬 이차전지에서는 리튬염을 유기 용매에 용해시킨 것을 전해액으로 사용하는데, 과리튬 양극 활물질은 고전압 환경을 조성하는 한편 첫 충전시 산소 기체를 발생시키며, 실리콘계 음극 활물질은 반복적인 충방전에 따라 심각한 부피 팽창이 일어나 그 표면에 크랙킹(cracking)이 형성되어, 결국 상기 각 활물질이 적용된 전극의 표면에서는 공통적으로 전해액의 분해 반응이 유발된다.On the other hand, in a general lithium secondary battery, lithium salt dissolved in an organic solvent is used as an electrolyte. The over-lithium positive active material creates a high voltage environment while generating oxygen gas during the first charge, and the silicon-based negative active material is used for repeated charging and discharging. Accordingly, serious volume expansion occurs and cracks are formed on the surface thereof, and eventually, a decomposition reaction of the electrolyte solution is commonly induced on the surface of the electrode to which each of the active materials is applied.

그 결과, 전해액이 점차 고갈되어 전지의 전기 화학적 성능이 급격하게 열화됨은 물론이고, 각각의 전극 표면에 저항으로 작용되는 두꺼운 피막이 형성됨에 따라 전지의 전기 화학적 반응 속도가 저하된다. 또한 전해액의 분해 결과 생성되는 산성 물질(예를 들어, HF 등)이 각 전극 피막을 녹이거나 양극 활물질을 손상시켜 전지의 전기 화학적 안정성이 보장되지 못하는 문제가 있다.상기 문제를 해결하기 위하여 최근 기능성 첨가제를 첨가한 전해액이 개발되었다.As a result, the electrolyte is gradually depleted, and the electrochemical performance of the battery is rapidly deteriorated, and as a thick film acting as a resistance is formed on the surface of each electrode, the electrochemical reaction rate of the battery is reduced. In addition, there is a problem in that the electrochemical stability of the battery cannot be guaranteed because an acidic material (eg, HF, etc.) generated as a result of the decomposition of the electrolyte melts each electrode film or damages the positive electrode active material. An electrolyte solution with additives has been developed.

기능성 첨가제는 환원 분해형 첨가제, 산화 분해형 첨가제, 및 반응형 첨가제를 포함하며, 산화 분해형 첨가제는, 산화 분해되어 양극 표면에 보호막을 형성하는 기능을 수행하는 물질로, 양극 표면에서 전해액 분해 반응이 일어나는 것을 방지할 수 있다.The functional additive includes a reductive decomposition additive, an oxidative decomposition additive, and a reactive additive, and the oxidative decomposition additive is a material that is oxidatively decomposed to form a protective film on the surface of the anode. can prevent this from happening.

상기 산화 분해형 첨가제를 전해액에 첨가할 경우, 과리튬 양극 활물질을 적용하여 고전압의 리튬 이차전지를 구현하면서도, 전지 구동 중 상기 활물질들의 구조가 안정적으로 유지되도록 함으로써, 전지의 전기화학적 성능, 반응 속도 및 안정성을 향상시키는 데 기여할 수 있다.When the oxidative decomposition type additive is added to the electrolyte solution, an overlithium positive electrode active material is applied to realize a high voltage lithium secondary battery, and the structure of the active materials is stably maintained while the battery is driven, so that the electrochemical performance and reaction rate of the battery and to improve stability.

<산화 분해형 첨가제><Oxidative decomposition type additive>

그러나 기존 개발된 산화 분해형 첨가제는 용량유지율과 수명유지율을 충분히 만족시키지는 못하는 실정이다.However, the existing developed oxidative decomposition additives do not sufficiently satisfy the capacity retention rate and lifespan maintenance rate.

이에 본 발명자들은 전해액에 첨가하여 전해액의 분해를 막고 활물질 손상을 막는 산화 분해형 첨가제를 개발하고자 노력한 바, 하기 화학식 로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상을 산화 분해형 첨가제로 사용하는 경우 리튬 이차전지의 전기화학적 성능, 반응 속도 및 안정성을 향상시키고 또한 용량유지율과 수명유지율을 충분히 향상시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have tried to develop an oxidative decomposition type additive that prevents the decomposition of the electrolyte solution and prevents damage to the active material by adding it to the electrolyte solution. In this case, it was confirmed that the electrochemical performance, reaction rate, and stability of the lithium secondary battery can be improved, and the capacity retention ratio and life retention ratio can be sufficiently improved, and the present invention was completed.

[화학식 1] [Formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 화학식 1에서, W는 O, S, SO, SO2, NR, NCOR, NSO2R이고, Z는 할로겐, 알콕시, 알킬이 치환된 B, P, 또는 SO, SO2, CO이며, R은 C1~C4의 탄화수소 또는 C6~C12의 아릴이다.In Formula 1, W is O, S, SO, SO2, NR, NCOR, NSO2R, Z is halogen, alkoxy, alkyl substituted B, P, or SO, SO2, CO, R is C1-C4 It is a hydrocarbon or C6~C12 aryl.

본 발명은 바람직하게는, 상기 화학식 1의 고리형에테르 디올 유도체는 하기의 화합물군 A 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물인 것인 이차전지 전해액 첨가제를 제공한다.Preferably, the present invention provides a secondary battery electrolyte additive, wherein the cyclic ether diol derivative of Formula 1 is at least one compound selected from the following compound group A.

<화합물군 A><Compound group A>

Figure pat00004
Figure pat00004

본 발명의 산화 분해형 첨가제로 사용되는 화학식 1 로 표시되는 화합물은 구입할 수도 있고 제조할 수도 있다.The compound represented by Formula 1 used as the oxidative decomposition additive of the present invention may be purchased or prepared.

<전해액><Electrolyte>

본 발명은 전해질; 용제; 하기 화학식 1로 표시되는 고리형에테르 디올 유도체 화합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 산화 분해형 첨가제; 및 환원 분해형 첨가제를 포함하는 이차전지 전해액을 제공한다.The present invention is an electrolyte; solvent; at least one oxidative decomposition type additive selected from the group consisting of cyclic ether diol derivative compounds represented by the following formula (1); And it provides a secondary battery electrolyte comprising a reductive decomposition additive.

본 발명의 전해액은 상기 산화 분해형 첨가제를 전해액 총 중량대비 0.1 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.5~5중량% 더욱 바람직하게는 1 내지 3중량% 포함할 수 있다. 산화 분해형 첨가제가 상기 함량으로 포함되는 경우 전해액의 분해를 막고 양극 활물질의 손상을 막을 수 있고 결과적으로 전지의 용량유지율과 수명유지율을 향상시킬 수 있다.The electrolyte of the present invention may contain 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, more preferably 1 to 3% by weight of the oxidative decomposition type additive relative to the total weight of the electrolyte. When the oxidative decomposition type additive is included in the above content, it is possible to prevent the decomposition of the electrolyte and prevent damage to the positive electrode active material, and as a result, it is possible to improve the capacity retention rate and lifespan maintenance ratio of the battery.

본 발명은 상기 본 발명의 산화 분해형 첨가제 이외 당업계에 사용되는 통상의 산화 분해형 첨가제를 더 포함할 수 있다.The present invention may further include a conventional oxidative decomposition type additive used in the art in addition to the oxidative decomposition type additive of the present invention.

상기 통상의 산화 분해형 첨가제로 하기의 LiFOB, LiBOB, WCA1, WCA2, WCA3 등을 들 수 있다.The following LiFOB, LiBOB, WCA1, WCA2, WCA3, etc. are mentioned as said normal oxidative-decomposition type additive.

Figure pat00005
Figure pat00005

본 발명은 환원 분해형 첨가제로 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 및 비닐렌 카보네이트(vinylidene carbonate, VC), 프로판설톤(propanesultone, PS), 프로페닐설톤(propanylsultone, PRS) 중 하나, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The present invention is one of fluoroethylene carbonate (FEC) and vinylene carbonate (VC), propanesultone (PS), propanylsultone (PRS) as a reductive decomposition additive, or these may contain a mixture of

상기 환원 분해형 첨가제는 전해액 총 중량대비 0.1 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.5~5중량% 더욱 바람직하게는 1 내지 3중량% 포함할 수 있다. 환원 분해형 첨가제가 상기 함량으로 포함되는 경우 전해액의 분해를 막고 음극 활물질의 손상을 막을 수 있다.The reductive decomposition additive may include 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, more preferably 1 to 3% by weight, based on the total weight of the electrolyte. When the reductive decomposition type additive is included in the above content, it is possible to prevent the decomposition of the electrolyte and prevent damage to the negative active material.

본 발명의 전해액은 반응형 첨가제를 더 포함할 수 있고 상기 반응형 첨가제는 실릴(silyl)기를 포함하는 화합물일 수 있고 구체적인 예로 트리스(트리메틸실릴)포스파이트(TMSP), 트리스(트리메틸실릴)포스페이트(TMSPA) 등을 들 수 있다. 상기 반응형 첨가제는 전해액 총 중량대비 0.1 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.5~5중량% 더욱 바람직하게는 1 내지 3중량% 포함할 수 있다.The electrolyte of the present invention may further include a reactive additive, and the reactive additive may be a compound containing a silyl group. Specifically, tris (trimethylsilyl) phosphite (TMSP), tris (trimethylsilyl) phosphate ( TMSPA) and the like. The reactive additive may include 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, more preferably 1 to 3% by weight, based on the total weight of the electrolyte.

본 발명의 전해액은 전해질로 리튬염을 포함하고, 바람직하게는 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiCl, LiBr, LiI, LiB10Cl10, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiB(C6H5)4, Li(SO2F)2N(LiFSI) 및 (CF3SO2)2NLi 로 이루어진 군에서 선택되는 1종이상일 수 있다. The electrolyte of the present invention contains a lithium salt as an electrolyte, preferably LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiCl, LiBr, LiI, LiB 10 Cl 10 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiB(C 6 H 5 ) 4 , Li(SO 2 F) 2 N(LiFSI) and (CF 3 SO 2 ) 2 NLi may be at least one selected from the group consisting of.

본 발명의 전해액 중 리튬염의 농도는, 0.1 내지 2 M일 수 있다.The concentration of the lithium salt in the electrolyte of the present invention may be 0.1 to 2 M.

본 발명의 전해액에 포함되는 용제는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 비양성자성 용매, 또는 이들의 조합인 유기 용매일 수 있다. 용제는 바람직하게는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 디메틸 카보네이트(dimethyl catbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl catbonate, DEC), 또는 이들의 조합일 수 있다.The solvent included in the electrolyte solution of the present invention may be an organic solvent that is carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based, aprotic solvent, or a combination thereof. The solvent is preferably ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), or a combination thereof. there is.

본 발명의 리튬 이차전지 전해액은 통상 -20℃℃의 온도범위에서 안정하며, 4.5V영역의 전압에서도 전기화학적으로 안정적인 특성을 유지할 수 있으므로 리튬 이온 전지 및 리튬 폴리머 전지 등 모든 리튬 이차전지에 적용될 수 있다.The lithium secondary battery electrolyte of the present invention is generally stable in a temperature range of -20 ℃ and can maintain electrochemically stable characteristics even at a voltage of 4.5V, so it can be applied to all lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium polymer batteries. there is.

<이차전지><Secondary battery>

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 본 발명은 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및 전해질, 용제 및 첨가제를 포함하는 상기 양극, 음극 및 분리막에 함침되어 이온 전도성을 가지는 전해액;을 포함하고, 상기 첨가제는 상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 이온화합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종이상을 포함하는 산화 분해형 첨가제 및 환원 분해형 첨가제를 포함하는 것인 리튬 이차전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, the present invention provides a positive electrode; cathode; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte having ion conductivity by being impregnated in the positive electrode, the negative electrode, and the separator including an electrolyte, a solvent and an additive, wherein the additive is one selected from the group consisting of ionic compounds represented by Chemical Formulas 1 and 2 It provides a lithium secondary battery comprising an oxidative decomposition type additive and a reductive decomposition type additive comprising the above.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 상기 전해액은 실릴(silyl)기를 포함하는 반응형 첨가제를 더 포함하는 것인 리튬 이차 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, the electrolyte provides a lithium secondary battery that further includes a reactive additive including a silyl group.

본 발명의 이차전지에 포함되는 전해액에 대한 설명은 앞선 전해액의 설명과 동일하다.The description of the electrolyte included in the secondary battery of the present invention is the same as that of the previous electrolyte.

본 발명의 리튬 이차전지는 양극으로 전류 집전체 및 상기 전류 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함하고 상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함한다. The lithium secondary battery of the present invention includes a current collector as a positive electrode and a positive electrode active material layer formed on the current collector, and the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material.

본 발명은 상기 양극 활물질로 당해 기술분야에서 이용 가능한 모든 양극 활물질이 사용 가능하다. 예를 들어 양극 활물질로는 리튬 함유 전이금속 산화물, 즉, 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 구리 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 망간 복합 산화물, 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 바람직하게 사용될 수 있으며, 예를 들면 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-yCoyO2(O<y<1), LiCo1-yMnyO2(O<y<1), LiNi1-yMnyO2(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4(0<z<2), LiMn2-zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.In the present invention, any positive electrode active material available in the art can be used as the positive electrode active material. For example, as a positive electrode active material, a lithium-containing transition metal oxide, that is, a lithium cobalt-based oxide, a lithium manganese-based oxide, a lithium copper oxide, a lithium nickel-based oxide, a lithium manganese composite oxide, and a lithium-nickel-manganese-cobalt-based oxide At least one selected from the group consisting of may be preferably used, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li(Ni a Co b Mn c )O 2 (0<a<1, 0 <b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi 1-y Co y O 2 (O<y<1), LiCo 1-y Mn y O 2 (O<y<1) ), LiNi 1-y Mn y O 2 (O≤y<1), Li(Ni a Co b Mn c )O 4 (0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+ b+c=2), LiMn 2-z Ni z O 4 (0<z<2), LiMn 2-z Co z O 4 (0<z<2), LiCoPO 4 and LiFePO 4 selected from the group consisting of Any one or a mixture of two or more thereof may be used.

또한 일 구현에에 의하면 본 발명의 리튬 이차전지는 과리튬(Lithium-rich) 양극 활물질을 포함할 수 있고 상기 양극 활물질은 하기 화학식 7으로 표시되는 화합물을 포함하는 것일 수 있다.In addition, according to one embodiment, the lithium secondary battery of the present invention may include a lithium-rich positive electrode active material, and the positive electrode active material may include a compound represented by the following formula (7).

[화학식 7] [Formula 7]

LixNiyMnzCowO2 Li x Ni y Mn z Co w O 2

상기 화학식 7에서, 1<x≤2이고, 0<y≤1이고, 0<z≤1이고, 0<w≤1이다.In Formula 7, 1<x≤2, 0<y≤1, 0<z≤1, and 0<w≤1.

상기 양극 활물질층은 또한, 바인더 및/또는 도전재를 포함한다.The positive active material layer also includes a binder and/or a conductive material.

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, 에틸렌옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder serves to adhere the positive active material particles well to each other and also to the positive active material to the current collector, and representative examples thereof include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl. Chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymer containing ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene, polypropylene , styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, etc. may be used, but the present invention is not limited thereto.

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, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the battery configured, any electronic conductive material can be used as long as it does not cause chemical change, for example, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen Black, carbon fiber, copper, nickel, aluminum, metal powder, such as silver, metal fiber, etc. can be used, and also conductive material, such as polyphenylene derivative, can be used 1 type or in mixture of 1 type or more.

상기 리튬 이차전지는 음극으로 전류 집전체 및 상기 전류 집전체에 형성된 음극 활물질층을 포함하고 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함한다. 본 발명은 상기 음극 활물질로 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로 탄소계 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 실리콘계 또는 전이금속 산화물을 포함한다.The lithium secondary battery includes a current collector as a negative electrode and a negative active material layer formed on the current collector, and the negative active material layer includes an anode active material. The present invention includes a carbon-based material, lithium metal, an alloy of lithium metal, silicon-based or transition metal oxide as a material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions as the anode active material.

상기 탄소계 물질은 결정질 탄소, 비정질 탄소를 포함한다. 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: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.The carbon-based material includes crystalline carbon and amorphous carbon. Examples of the crystalline carbon include graphite such as amorphous, plate-like, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and examples of the amorphous carbon include soft carbon (low-temperature calcined carbon). or hard carbon, mesophase pitch carbide, and calcined coke.

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.The lithium metal alloy includes lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al and Sn from the group consisting of Alloys of metals of choice may be used.

상기 실리콘계로는 흑연과 실리콘의 조합, 흑연 입자의 표면에 실리콘이 코팅된 물질, 혹은, 흑연 입자의 표면에 실리콘 및 카본이 동시에 코팅된 물질일 수 있는 것으로 SiOx, Si탄소계일 수 있다.As the silicon-based material, a combination of graphite and silicon, a material in which silicon is coated on the surface of graphite particles, or a material in which silicon and carbon are simultaneously coated on the surface of graphite particles may be SiO x , Si may be carbon-based.

상기 전이 금속 산화물로는 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등을 들 수 있다.Examples of the transition metal oxide include vanadium oxide and lithium vanadium oxide.

상기 음극 활물질층은 바인더 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있다.The negative active material layer may further include a binder and/or a conductive material.

상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알콜 (polyvinyl alcohol), 카르복시메틸셀룰로즈 (carboxylmethyl cellulose), 카복시메틸셀룰로즈(carboxylmethyl cellulose)/폴리아크릴 산 (polyacrylic acid)의 혼합물, 히드록시프로필셀룰로즈 (hydroxypropyl cellulose), 폴리비닐클로라이드 (polyvinyl chloride), 카르복실화된 폴리비닐클로라이드 (carboxylated polyvinyl chloride), 폴리비닐플루오라이드 (polyvinyl fluoride), 에틸렌 옥사이드 (ethylene oxide)를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈 (polyvinyl pyrrolidone), 폴리우레탄 (polyurethane), 폴리테트라플루오로에틸렌 (polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌 (polyethylene), 폴리프로필렌 (polypropylene), 스티렌-부타디엔 러버 (styrene-butadiene rubber), 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버 (acrylated styrene-butadiene rubber), 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber)/카복시메틸셀룰로즈(carboxymethyl cellulose)의 혼합물, 에폭시 수지 (epoxy resin) 또는 나일론 (nylon) 중 1 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder well adheres the negative active material particles to each other, and also serves to adhere the negative active material to the current collector, representative examples of which include polyvinyl alcohol, carboxylmethyl cellulose, carboxymethyl cellulose ( A mixture of carboxylmethyl cellulose / polyacrylic acid, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride fluoride), a polymer containing ethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene (polyethylene), polypropylene (polypropylene), styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, styrene-butadiene rubber/carboxymethylcellulose (carboxymethyl cellulose) mixture, epoxy resin (epoxy resin), or at least one of nylon (nylon) may be used, but is not limited thereto.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연 (natural graphite), 인조 흑연 (artificial graphite), 카본 블랙 (carbon black), 아세틸렌 블랙 (acetylene black), 케첸 블랙 (ketjen black), 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 (polyphenylene) 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.The conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and any electronically conductive material can be used as long as it does not cause a chemical change in the battery configured, and examples include natural graphite, artificial graphite, carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, and carbon fiber; metal-based substances such as metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal fibers; conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Alternatively, a conductive material including a mixture thereof may be used.

상기 리튬 이차전지의 평균 충전 전압이 4.5 V 이상일 수 있다. 이는, 상기 과리튬 양극 활물질을 포함하는 양극 및 상기 실리콘계 음극 활물질을 포함하는 음극이 적용됨에 따라 발현될 수 있는 높은 범위의 전압이며, 본 발명의 전해액에 포함되는 기능성 첨가제에 의하여 안정적으로 유지될 수 있다.The average charging voltage of the lithium secondary battery may be 4.5 V or more. This is a high-range voltage that can be expressed when the positive electrode containing the overlithium positive electrode active material and the negative electrode containing the silicon-based negative electrode active material are applied, and can be stably maintained by the functional additive included in the electrolyte of the present invention. there is.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be given to describe the present invention in detail. However, the embodiment according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiment described in detail below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.

Claims (8)

하기 화학식 1 로 표시되는 고리형에테르 디올 유도체 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 이차전지 전해액 첨가제.
[화학식 1]
Figure pat00006

상기 화학식 1에서, W는 O, S, SO, SO2, NR, NCOR, NSO2R이고, Z는 할로겐, 알콕시, 알킬이 치환된 B, P, 또는 SO, SO2, CO이며, R은 C1~C4의 탄화수소 또는 C6~C12의 아릴이다.
A secondary battery electrolyte additive comprising at least one selected from the group consisting of a cyclic ether diol derivative compound represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure pat00006

In Formula 1, W is O, S, SO, SO2, NR, NCOR, NSO2R, Z is halogen, alkoxy, alkyl substituted B, P, or SO, SO2, CO, R is C1-C4 It is a hydrocarbon or C6~C12 aryl.
청구항 1에 있어서, 상기 고리형에테르 디올 유도체 화합물이, 하기 화합물군 A 로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물인 것인 이차전지 전해액 첨가제.
<화합물군 A>
Figure pat00007
The secondary battery electrolyte solution additive according to claim 1, wherein the cyclic ether diol derivative compound is at least one compound selected from the group consisting of the following compound group A.
<Compound group A>
Figure pat00007
전해질; 용제; 상기 화학식 1 로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 산화 분해형 첨가제; 및 환원 분해형 첨가제를 포함하는 이차전지 전해액
electrolyte; solvent; at least one oxidative decomposition type additive selected from the group consisting of compounds represented by Formula 1; and a secondary battery electrolyte comprising a reductive decomposition additive
청구항 3에 있어서, 산화 분해형 첨가제를 0.1~10중량% 포함하는 이차전지 전해액
The secondary battery electrolyte according to claim 3, comprising 0.1 to 10% by weight of an oxidative decomposition additive.
청구항 3에 있어서, 반응형 첨가제를 더 포함하는 이차전지 전해액
The secondary battery electrolyte according to claim 3, further comprising a reactive additive
양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및 전해질, 용제 및 첨가제를 포함하는 상기 양극, 음극 및 분리막에 함침되어 이온 전도성을 가지는 전해액;을 포함하고, 상기 첨가제는 청구항 1의 첨가제 및 환원 분해형 첨가제를 포함하는 것인 리튬 이차전지
anode; cathode; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte having ion conductivity by being impregnated in the positive electrode, negative electrode and separator including an electrolyte, a solvent and an additive, wherein the additive includes the additive of claim 1 and the reductive decomposition type additive.
청구항 6에 있어서, 상기 양극이 과리튬(Lithium-rich) 양극 활물질을 포함하는 것인 리튬 이차전지.
The lithium secondary battery according to claim 6, wherein the positive electrode includes a lithium-rich positive electrode active material.
청구항 6에 있어서, 상기 음극이 실리콘계 물질을 포함하는 것인 리튬 이차전지

The lithium secondary battery according to claim 6, wherein the negative electrode comprises a silicon-based material.

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