KR20220099665A - Positive electrode additive for lithium secondary battery, positive electrode and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents

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천강호
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Abstract

The present invention relates to a positive electrode additive for a lithium secondary battery, a positive electrode including the same, and a lithium secondary battery. More specifically, the positive electrode additive represented by chemical formula 1 is formed on the surface of a carbon material included in a positive electrode active material and is not soluble in an electrolyte to perform a function of electrically separating a positive electrode and a negative electrode, thereby improving battery performance by suppressing side reactions within a battery.

Description

리튬 이차전지용 양극 첨가제, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지 {POSITIVE ELECTRODE ADDITIVE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY, POSITIVE ELECTRODE AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}Positive electrode additive for lithium secondary battery, positive electrode and lithium secondary battery containing same

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 첨가제, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode additive for a lithium secondary battery, a positive electrode comprising the same, and a lithium secondary battery.

최근까지, 음극으로 리튬을 사용하는 고에너지 밀도 전지를 개발하는데 있어 상당한 관심이 있어 왔다. 예를 들어, 비-전기 활성 재료의 존재로 음극의 중량 및 부피를 증가시켜서 전지의 에너지 밀도를 감소시키는 리튬 삽입된 탄소 음극, 및 니켈 또는 카드뮴 전극을 갖는 다른 전기화학 시스템과 비교하여, 리튬 금속은 저중량 및 고용량 특성을 가지므로, 전기화학 전지의 음극 활물질로서 매우 관심을 끌고 있다. 리튬 금속 음극, 또는 리튬 금속을 주로 포함하는 음극은, 리튬-이온, 니켈 금속 수소화물 또는 니켈-카드뮴 전지와 같은 전지보다는 경량화되고 고에너지 밀도를 갖는 전지를 구성할 기회를 제공한다. 이러한 특징들은 프리미엄이 낮은 가중치로 지불되는, 휴대폰 및 랩-탑 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 디바이스용 전지에 대해 매우 바람직하다.Until recently, there has been considerable interest in developing high-energy-density batteries using lithium as an anode. Compared to other electrochemical systems with lithium intercalated carbon negative electrodes, for example, and nickel or cadmium electrodes, lithium metal, which increases the weight and volume of the negative electrode in the presence of a non-electroactive material, thereby reducing the energy density of the cell, lithium metal Since silver has low weight and high capacity characteristics, it is very interesting as an anode active material for an electrochemical cell. A lithium metal negative electrode, or a negative electrode mainly containing lithium metal, provides an opportunity to construct a battery having a higher energy density and lighter weight than a battery such as a lithium-ion, nickel metal hydride or nickel-cadmium battery. These features are highly desirable for batteries for portable electronic devices, such as cell phones and laptop computers, where the premium is paid at a low weight.

이러한 유형의 리튬 전지용 양극 활물질들은 공지되어 있고, 상기 양극 활물질들은 황-황 결합을 포함하는 황 함유 양극 활물질을 포함하며, 황-황 결합의 전기화학적 절단(환원) 및 재형성(산화)으로부터 고에너지 용량 및 재충전능이 달성된다.These types of positive electrode active materials for lithium batteries are known, and the positive electrode active materials include a sulfur-containing positive electrode active material containing a sulfur-sulfur bond, and are highly resistant from electrochemical cleavage (reduction) and reformation (oxidation) of the sulfur-sulfur bond. Energy capacity and rechargeability are achieved.

상기와 같이 음극 활물질로 리튬과 알칼리 금속을, 양극 활물질로 황을 사용하는 리튬-황 이차전지는 이론 에너지 밀도가 2,800 Wh/kg 이고, 황의 이론 용량이 1,675 mAh/g으로 다른 전지 시스템에 비하여 월등히 높다. 또한, 황은 자원이 풍부하여 값이 싸며, 환경친화적인 물질이라는 장점 때문에, 리튬-황 이차전지는 휴대 전자기기의 에너지원으로 주목을 받고 있다As described above, the lithium-sulfur secondary battery using lithium and alkali metal as the negative electrode active material and sulfur as the positive electrode active material has a theoretical energy density of 2,800 Wh/kg and a theoretical capacity of 1,675 mAh/g of sulfur, which is far superior to other battery systems. high. In addition, since sulfur is a resource-rich, inexpensive, and environmentally friendly material, lithium-sulfur secondary batteries are attracting attention as an energy source for portable electronic devices.

그러나, 리튬-황 이차전지의 양극 활물질로 사용되는 황은 부도체이므로 전기화학 반응으로 생성된 전자의 이동이 어렵다. 또한, 상기 리튬-황 이차전지의 충방전 과정에서 발생되는 폴리 설파이드(Li2S8 ~ Li2S4)가 용출되고, 상기 리튬 설파이드(Li2S2/Li2S)와 황은 전기 전도성이 좋지 못하고, 전기화학 반응에 대한 kinetic이 느려 전지 수명 특성과 속도 특성이 저해되는 문제들이 있었다.However, since sulfur used as a cathode active material of a lithium-sulfur secondary battery is an insulator, it is difficult to move electrons generated by an electrochemical reaction. In addition, polysulfide (Li 2 S 8 ~ Li 2 S 4 ) generated during the charging and discharging process of the lithium-sulfur secondary battery is eluted, and the lithium sulfide (Li 2 S 2 /Li 2 S) and sulfur have electrical conductivity. It was not good, and the kinetics for the electrochemical reaction were slow, so there were problems that the battery life characteristics and speed characteristics were inhibited.

이와 같은 리튬-황 이차전지에서의 문제점을 개선하고자 벤조페릴렌이미드(benzo[ghi]peryleneimide, BPI)를 양극의 첨가제로 도입할 경우, 상기 BPI가 산화화원 매개체(redox mediator) 역할을 하여, 전기화학 반응의 kinetic을 향상시키고, 전지의 성능과 수명 특성을 향상시킬 수 있다는 연구 결과가 보고된 바 있다 (Laura C.H.Gerber et al.; “Three-Dimensional Growth of Li2S in Lithium-Sulfur Batteries Promoted by a Redox Mediator”; Nano Lett.2016, 16, 1, 549-554).When benzo[ ghi ]peryleneimide (BPI) is introduced as an additive for a positive electrode in order to improve the problems in such lithium-sulfur secondary batteries, the BPI acts as a redox mediator, Research results have been reported that it can improve the kinetic of the electrochemical reaction and improve the performance and lifespan characteristics of the battery (Laura CHGerber et al. ; “Three-Dimensional Growth of Li 2 S in Lithium-Sulfur Batteries Promoted by a Redox Mediator”; Nano Lett. 2016, 16, 1, 549-554).

그러나, 상기 BPI는 리튬-황 이차전지의 전해액에 사용되는 에테르계 용매 또는 카보네이트계 용매에 용해되는 성질이 있고, 상기 BPI가 전해액에 용해되면, 전기적으로 분리되어야 하는 양극과 음극 사이에서 전자를 전달하므로 내부 단락을 유발하여 전지의 성능을 저하시키는 문제가 있다. However, the BPI has a property of being dissolved in an ether-based solvent or a carbonate-based solvent used in the electrolyte of a lithium-sulfur secondary battery, and when the BPI is dissolved in the electrolyte, electrons are transferred between the positive electrode and the negative electrode to be electrically separated Therefore, there is a problem in that the performance of the battery is reduced by causing an internal short circuit.

따라서, 리튬-황 이차전지를 비롯한 리튬 이차전지의 전해액에 용해되지 않고, 양극에서 진행되는 반응에 대한 촉매 역할을 할 수 있는 첨가제 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop an additive that does not dissolve in the electrolyte of a lithium secondary battery, including a lithium-sulfur secondary battery, and can serve as a catalyst for the reaction proceeding in the positive electrode.

Nano Lett.2016, 16, 1, 549-554; Laura C.H.Gerber et al.; “Three-Dimensional Growth of Li2S in Lithium-Sulfur Batteries Promoted by a Redox Mediator” Nano Lett. 2016, 16, 1, 549-554; Laura C. H. Gerber et al.; “Three-Dimensional Growth of Li2S in Lithium-Sulfur Batteries Promoted by a Redox Mediator”

본 발명의 목적은 리튬 이차전지용 전해액에 용해되지 않고 양극에서 산화환원 매개체(redox mediator)로서 촉매 역할을 할 수 있는 리튬 이차전지용 양극 첨가제 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a positive electrode additive for a lithium secondary battery that is not soluble in an electrolyte for a lithium secondary battery and can serve as a catalyst as a redox mediator in a positive electrode, and a method for manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 상기 리튬 이차전지용 양극 첨가제를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide a positive electrode and a lithium secondary battery including the positive electrode additive for a lithium secondary battery.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 이차전지용 양극 첨가제를 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a positive electrode additive for a lithium secondary battery represented by the following formula (1):

<화학식 1><Formula 1>

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, R은 탄소 사슬(carbon chain)이다.In Formula 1, R is a carbon chain.

본 발명은 또한, 벤조페릴렌 무수물(benzoperylene anhydride, BPA)과 적어도 일 말단에 아민기를 포함하는 선형 탄소 분자를 반응시키는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 첨가제의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a positive electrode additive for a lithium secondary battery comprising reacting benzoperylene anhydride (BPA) with a linear carbon molecule containing an amine group at at least one terminal.

본 발명은 또한, 상기 양극 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 양극을 제공한다.The present invention also provides a positive electrode for a lithium secondary battery comprising the positive electrode additive.

본 발명은 또한, 상기 양극, 음극, 이들 사이에 개재된 분리막 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium secondary battery comprising the positive electrode, the negative electrode, a separator interposed therebetween, and an electrolyte.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극 첨가제는 전해액에 용해되지 않으므로, 양극 첨가제가 전해액에 용해될 때 발생하는 내부 단락에 의한 전지 성능 저하 현상을 방지할 수 있다.Since the positive electrode additive for a lithium secondary battery according to the present invention does not dissolve in the electrolyte, it is possible to prevent deterioration of battery performance due to an internal short circuit that occurs when the positive electrode additive is dissolved in the electrolyte.

또한, 상기 리튬 이차전지용 양극 첨가제는 리튬 이차전지의 양극에 포함되는 탄소재에 흡착된 상태에서 전기화학적 활성을 나타내고, 양극에서 진행되는 반응에 대한 촉매 역할을 하므로, 전지의 전기화학적 활성을 향상시킬 수 있다. In addition, the positive electrode additive for the lithium secondary battery exhibits electrochemical activity in a state of being adsorbed to the carbon material contained in the positive electrode of the lithium secondary battery, and serves as a catalyst for the reaction proceeding in the positive electrode, thereby improving the electrochemical activity of the battery. can

도 1은 실시예와 비교예에서 양극 첨가제를 합성하기 위해 사용된 원료물질을 나타낸 모식도이다.
도 2는 실시예 1과 비교예 1의 양극 첨가제를 포함하는 혼합 용액에 대한 FT-IR(Fourier-transform infrared spectroscopy) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1의 양극 첨가제와 탄소재(MWCNT)를 포함하는 혼합 용액의 시간 경과에 따른 색 변화를 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 1의 양극 첨가제 흡착 유무에 따른 코인셀의 전기화학적 활성을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing raw materials used to synthesize a positive electrode additive in Examples and Comparative Examples.
FIG. 2 is a graph showing Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) measurement results for a mixed solution including the positive electrode additive of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
3 is a photograph showing the color change over time of a mixed solution containing the positive electrode additive and carbon material (MWCNT) of Example 1;
4 is a graph showing the electrochemical activity of the coin cell according to the presence or absence of adsorption of the positive electrode additive of Example 1.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to help the understanding of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that there is, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

리튬 이차전지용 양극 첨가제Cathode Additive for Lithium Secondary Battery

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 첨가제에 관한 것으로, 일반적인 리튬 이차전지용 양극에 사용되는 탄소재에 흡착되어 전해액에 용해되지 않는 물성을 가지며, 탄소재 표면에 흡착된 상태로 전기화학적 활성을 가지는 리튬 이차전지용 양극 첨가제에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode additive for a lithium secondary battery, which is adsorbed to a carbon material used in a general positive electrode for a lithium secondary battery, has physical properties that do not dissolve in an electrolyte, and has electrochemical activity while adsorbed on the surface of the carbon material. It relates to a positive electrode additive.

본 발명에 있어서, 상기 리튬 이차전지용 양극 첨가제는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다:In the present invention, the positive electrode additive for a lithium secondary battery may be one represented by the following Chemical Formula 1:

<화학식 1><Formula 1>

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식 1에서, R은 탄소 사슬(carbon chain)이다. In Formula 1, R is a carbon chain.

상기 화학식 1의 첨가제는 벤조페릴렌이미드(benzo[ghi]peryleneimide, BPI)에 탄소 사슬을 도입한 구조를 가진다. 상기 탄소 사슬은 그 형태가 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 선형, 환형 또는 가지형 탄소 사슬일 수 있다.The additive of Formula 1 has a structure in which a carbon chain is introduced into benzo[ghi]peryleneimide (BPI). The form of the carbon chain is not particularly limited, and may be, for example, a linear, cyclic or branched carbon chain.

또한, 상기 탄소 사슬이 선형 탄소 사슬일 경우, 환형 또는 가지형 탄소 사슬에 비해 탄소재에 대한 흡착 공정이 용이하게 이루어질 수 있어, 공정 효율을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 상기 선형 탄소 사슬은 지방족 탄소 사슬(aliphatic carbon chain)일 수 있다.In addition, when the carbon chain is a linear carbon chain, compared to a cyclic or branched carbon chain, the adsorption process for the carbon material may be easily performed, thereby improving process efficiency. For example, the linear carbon chain may be an aliphatic carbon chain.

상기 BPI는 벤조페릴렌 무수물(benzoperylene anhydride, BPA)과 아민을 포함하는 분자의 탈수축합에 의해 합성되는 이미드(imide) 화합물로서, 리튬 이차전지용 양극 첨가제로 사용되고 있다. 그러나, 상기 BPI는 전해액에 용해되는 성질을 가지므로, 전해액에 용해된 상태에서 전기적으로 분리되어야 하는 양극과 음극 사이에서 전자를 전달하게 되어 내부 단락을 초래하여 전지의 성능을 저하시킬 수 있다. The BPI is an imide compound synthesized by dehydration condensation of a molecule containing benzoperylene anhydride (BPA) and an amine, and is used as a cathode additive for a lithium secondary battery. However, since the BPI has a property of being soluble in the electrolyte, electrons may be transferred between the positive electrode and the negative electrode to be electrically separated in a state of being dissolved in the electrolyte, thereby causing an internal short circuit, thereby reducing the performance of the battery.

그러나, 상기 화학식 1과 같이 BPI에 탄소 사슬을 도입하게 되면, 탄소 사슬이 통상적인 전해액 용매에 잘 녹지 않는 특성으로 인하여, 전해액에 용해되지 않게 된다. 이때, 상기 전해액은 리튬 이차전지용 전해액을 의미하며, 예를 들어, 카보네이트계 용매 및/또는 에테르계 용매를 포함하는 전해액을 의미하는 것일 수 있다.However, when a carbon chain is introduced into the BPI as shown in Chemical Formula 1, the carbon chain does not dissolve in the electrolyte due to the property that it does not dissolve well in a conventional electrolyte solvent. In this case, the electrolyte means an electrolyte for a lithium secondary battery, and for example, may mean an electrolyte including a carbonate-based solvent and/or an ether-based solvent.

상기 탄소 사슬에서, 탄소 원자의 개수가 적으면 전해액에 대한 용해도가 조절이 되지 않아 전해액에 용해되지 않도록 하는 기능을 부여하기가 어렵고, 탄소 원자의 개수가 많으면 전기화학 반응을 할 수 있는 벤조페닐렌 무수물(BPA)의 비율이 상대적으로 줄어들기 때문에 첨가제의 질량당 효과가 감소할 수 있고, 또한 전지 무게를 불필요하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 R은 바람직하게는 탄소수 8 내지 12의 알킬기일 수 있다.In the carbon chain, if the number of carbon atoms is small, solubility in the electrolyte is not controlled, so it is difficult to give a function to prevent it from being dissolved in the electrolyte, and if the number of carbon atoms is large, benzophenylene capable of electrochemical reaction Since the proportion of anhydride (BPA) is relatively reduced, the effect per mass of the additive may decrease, and may also unnecessarily increase the cell weight. Accordingly, R may preferably be an alkyl group having 8 to 12 carbon atoms.

또한, 상기 화학식 1의 첨가제에서, 탄소 사슬이 아닌 에테르 사슬 등이 포함된다면 전기음성도가 큰 산소 등의 원자에 의해 극성을 띠는 전해액 용매와의 친화성이 좋아지므로 전해액에 쉽게 용해되고, 이에 따라 양극과 음극 사이의 전자 전달이 이루어져 내부 단락을 야기시켜 전지의 성능을 저하시킬 수 있다. In addition, in the additive of Formula 1, if an ether chain other than a carbon chain is included, the affinity with the electrolyte solvent having a polarity is improved by an atom such as oxygen having a high electronegativity, so it is easily dissolved in the electrolyte solution, Accordingly, electron transfer between the positive electrode and the negative electrode may cause an internal short circuit, thereby reducing the performance of the battery.

리튬 이차전지용 양극 첨가제의 제조방법Manufacturing method of positive electrode additive for lithium secondary battery

본 발명은 또한, 리튬 이차전지용 양극 첨가제의 제조방법에 관한 것으로, (i) 벤조페릴렌 또는 이의 유도체, 및 (ii) 적어도 일 말단에 아민기를 포함하는 탄소 분자를 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.The present invention also relates to a method for preparing a positive electrode additive for a lithium secondary battery, which may include reacting (i) benzoperylene or a derivative thereof, and (ii) a carbon molecule containing an amine group at at least one terminal. .

본 발명에 있어서, 상기 상기 벤조페릴렌의 유도체는 벤조페릴렌 무수물(benzoperylene anhydride, BPA), 아민기 함유 벤조페릴렌 또는 카복실기 함유 벤조페릴렌인 것일 수 있으며, 바람직하게는, 탄소 분자와의 반응성을 고려하여 상기 벤조페릴렌의 유도체는 벤조페릴렌 무수물(BPA)일 수 있다.In the present invention, the benzoperylene derivative may be benzoperylene anhydride (BPA), amine group-containing benzoperylene or carboxyl group-containing benzoperylene, preferably with carbon molecules. In consideration of reactivity, the derivative of benzoperylene may be benzoperylene anhydride (BPA).

또한, 본 발명에 있어서, 상기 적어도 일 말단에 아민기를 포함하는 탄소 분자는 탄소수 8 내지 12의 알킬아민인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소수 8 내지 12의 알킬아민은 옥틸아민(octylamine, C8H19N), 아미노데칸(1-aminodecane, C10) 또는 도데실아민(dodecylamine, C12)일 수 있다.Further, in the present invention, the carbon molecule including an amine group at at least one terminal may be an alkylamine having 8 to 12 carbon atoms. For example, the alkylamine having 8 to 12 carbon atoms may be octylamine (C 8 H 19 N), aminodecane (1-aminodecane, C10), or dodecylamine (C12).

또한, 상기 반응은 유기용매에 반응물을 용해시킨 후 100℃ 내지 200℃의 온도에서 환류(reflux)시킨 후 냉각시키는 단계를 포함하는 탈수 축합 반응일 수 있다. 이때, 상기 유기용매는 일반적으로 리튬 이차전지의 양극 반응에서 사용될 수 있는 유기용매라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, DMF(dimethylformamide)일 수 있다.In addition, the reaction may be a dehydration condensation reaction comprising the step of dissolving a reactant in an organic solvent, refluxing the reactant at a temperature of 100° C. to 200° C., and then cooling. In this case, the organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent that can be generally used in the anode reaction of a lithium secondary battery, and may be, for example, dimethylformamide (DMF).

상기 반응 온도는 100℃ 이상, 120℃ 이상 또는 140℃ 이상일 수 있고, 160℃ 이하, 170℃ 이하 또는 200℃ 이하일 수 있다. 상기 반응 온도가 100℃ 미만이면 반응 속도가 느리므로 원하는 화합물을 얻을 수 없고, 200℃ 초과 또는 용매의 끓는점에 비하여 현저히 높은 경우에는 기화에 의해 기포가 발생하므로 실험 장치가 손상될 수 있다. The reaction temperature may be 100 °C or higher, 120 °C or higher, or 140 °C or higher, and 160 °C or lower, 170 °C or lower, or 200 °C or lower. If the reaction temperature is less than 100 ℃, the reaction rate is slow, so the desired compound cannot be obtained.

또한, 상기 환류는 상기 화학식 1의 첨가제가 충분히 합성되는 정도를 고려하여 5시간 내지 30시간 동안 실시할 수 있으며, 구체적으로, 5시간 이상 또는 10시간 이상 실시하거나, 20시간 이하 또는 30 시간 이하 동안 실시하는 것일 수 있다. 상기 환류 시간이 10시간 미만이면 반응이 종료되지 않아 원하는 반응 생성물을 얻을 수 없고, 30시간 초과이면 과반응이 발생하고, 공정 효율이 저하될 수 있다. In addition, the reflux may be carried out for 5 hours to 30 hours in consideration of the degree to which the additive of Formula 1 is sufficiently synthesized, specifically, for 5 hours or more or 10 hours or more, or for 20 hours or less or 30 hours or less may be carried out. If the reflux time is less than 10 hours, the reaction may not be terminated and thus a desired reaction product may not be obtained.

또한, 상기 냉각은 상온까지 냉각시키는 것일 수 있으며, 이때, 상온이란 20℃ 이상 또는 23℃ 이상일 수 있고, 27℃ 이하 또는 30℃ 이하일 수 있으며, 예를 들어, 25℃ 일 수 있다. 상기 냉각 온도가 20℃ 미만이면 냉각 시간이 길어져 공정 시간이 불필요하게 길어지고, 30℃ 초과이면 충분히 냉각되지 않아, 침전 단계의 수율이 저하될 수 있다.In addition, the cooling may be cooling to room temperature, in this case, the room temperature may be 20 ℃ or more or 23 ℃ or more, 27 ℃ or less or 30 ℃ or less, for example, may be 25 ℃. If the cooling temperature is less than 20 ℃, the cooling time is long and the process time is unnecessarily long, and if it exceeds 30 ℃, it is not sufficiently cooled, and the yield of the precipitation step may be reduced.

또한, 상기 냉각 후에는 메탄올을 첨가하여 용액 상의 반응 생성물일 침전되도록 교반하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 교반 시간은 30분 내지 3시간일 수 있다. 예컨대, 상기 교반 시간은 30분 이상 또는 1시간 이상일 수 있고, 2시간 이하 또는 3시간 이하일 수 있다. 상기 교반 시간이 30분 미만이면 침전 시간이 충분히 확보되지 않아 수율이 낮아지고, 3시간 초과이면 공정 효율이 저하될 수 있다.In addition, after the cooling, the step of stirring to precipitate the reaction product in solution by adding methanol may be further included. The stirring time may be 30 minutes to 3 hours. For example, the stirring time may be 30 minutes or more or 1 hour or more, and may be 2 hours or less or 3 hours or less. If the stirring time is less than 30 minutes, the precipitation time is not sufficiently secured, resulting in a lower yield, and if it exceeds 3 hours, the process efficiency may be reduced.

또한, 상기 교반하는 단계 후에는 상기 혼합물을 감압 여과 및 세척하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 순도를 향상시킬 수 있다.In addition, after the stirring step, the step of filtering and washing the mixture under reduced pressure may be further included, and the purity may be improved.

리튬 이차전지용 양극 Positive electrode for lithium secondary battery

본 발명은 또한, 상기 화학식 1의 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 양극에 관한 것이다.The present invention also relates to a positive electrode for a lithium secondary battery comprising the additive of Formula 1 above.

본 발명에 있어서, 상기 양극은 양극 활물질로서 탄소재를 포함하는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 전극은 활물질로서 탄소재를 포함하는 양극 또는 음극일 수 있다.In the present invention, the positive electrode is not particularly limited as long as it contains a carbon material as the positive electrode active material. That is, the electrode may be a positive electrode or a negative electrode including a carbon material as an active material.

바람직하게는, 상기 화학식 1의 첨가제는 리튬 이차전지의 전해액으로 일반적으로 사용되는 카보네이트계 용매 및/또는 에테르계 용매에 용해되지 않으므로, 리튬 이차전지의 양극재로서 적합할 수 있다. 또한, 상기 화학식 1의 첨제는 황의 전기화학 반응의 전압 범위 내에서 전기화학적 활성을 가지고 있으므로, 황-탄소 복합체를 양극 활물질로 포함하는 리튬-황 이차전지의 양극용 첨가제로 적합할 수 있다. Preferably, since the additive of Formula 1 does not dissolve in carbonate-based solvents and/or ether-based solvents generally used as electrolytes for lithium secondary batteries, it may be suitable as a cathode material for lithium secondary batteries. In addition, since the additive of Formula 1 has electrochemical activity within the voltage range of the electrochemical reaction of sulfur, it may be suitable as an additive for a cathode of a lithium-sulfur secondary battery including a sulfur-carbon composite as a cathode active material.

본 발명에 있어서, 상기 화학식 1의 첨가제를 상기 전극에 포함된 탄소재의 표면에 흡착된 것일 수 있다. 흡착에 의한 강한 결합력으로 인하여 상기 화학식 1의 첨가제는 전지 구동 시에도 전해액에 용해되지 않을 수 있고, 이에 따라 상기 화학식 1의 첨가제가 전해액에 용해되어 나타나는 전지의 단락과 같은 현상을 방지할 수 있다. 또한, 화학적 결합 없이도 상기 화학식 1의 첨가제를 탄소재 표면에 부착할 수 있으므로, 화학적 결합에 필요한 기타 화학물질을 첨가할 경우 발생할 수 있는 화학/전기화학적 개입을 방지할 수 있다. 또한, 흡착은 빠른 시간 내에 일어나므로, 수분 이내에 표면 부착 반응이 완료될 수 있다.In the present invention, the additive of Formula 1 may be adsorbed on the surface of the carbon material included in the electrode. Due to the strong bonding force due to adsorption, the additive of Chemical Formula 1 may not dissolve in the electrolyte even when the battery is driven, and accordingly, a phenomenon such as a short circuit of the battery resulting from the dissolution of the additive of Chemical Formula 1 in the electrolyte may be prevented. In addition, since the additive of Chemical Formula 1 can be attached to the surface of the carbon material without chemical bonding, chemical/electrochemical intervention that may occur when other chemicals necessary for chemical bonding are added can be prevented. In addition, since the adsorption occurs within a short time, the surface adhesion reaction can be completed within a few minutes.

본 발명에 있어서, 상기 화학식 1의 첨가제와 탄소재의 중량비는 0.01:1 내지 0.1:1일 수 있으며, 구체적으로, 0.01:1 이상, 0.02:1 이상, 0.03:1 이상 또는 0.04:1 이상일 수 있고, 0.06:1 이하, 0.08:1 이하 또는 0.1:1 이하일 수 있다. 상기 중량비가 0.01:1 미만이면 화학식 1의 첨가제 함량이 적어 유의미한 변화가 나타나지 않을 수 있고, 0.1:1 초과이면 탄소재의 흡착 한계를 넘어서게 되어, 전해액 내에 첨가제의 일부가 용출되어 자가방전을 일으키거나, 무게 증가에 의해 전지의 에너지 밀도를 감소시킬 수 있다. In the present invention, the weight ratio of the additive of Formula 1 and the carbon material may be 0.01:1 to 0.1:1, specifically, 0.01:1 or more, 0.02:1 or more, 0.03:1 or more, or 0.04:1 or more. and may be 0.06:1 or less, 0.08:1 or less, or 0.1:1 or less. If the weight ratio is less than 0.01:1, a significant change may not occur because the additive content of Formula 1 is small, and if it exceeds 0.1:1, the adsorption limit of the carbon material is exceeded, and a part of the additive is eluted in the electrolyte to cause self-discharge or , it is possible to decrease the energy density of the battery by increasing the weight.

리튬 이차전지 lithium secondary battery

본 발명은 또한, 양극, 음극, 이들 사이에 개재된 분리막 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 상기 양극 또는 음극은 상기 화학식 1의 첨가제를 포함한다. 상기 화학식 1의 첨가제는 후술하는 양극 활물질 층 및/또는 음극 활물질 층에 포함될 수 있다.The present invention also relates to a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed therebetween, and an electrolyte, wherein the positive electrode or the negative electrode includes the additive of Formula 1 above. The additive of Formula 1 may be included in the positive active material layer and/or the negative active material layer to be described later.

본 발명의 상기 전해액은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.The electrolyte of the present invention may include an organic solvent and a lithium salt.

상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.The organic solvent may be used without any particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.

구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸 알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌 카보네이트 또는 프로필렌 카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트 또는 디에틸 카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다. Specifically, as the organic solvent, ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, γ-butyrolactone, ε-caprolactone; ether-based solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; ketone solvents such as cyclohexanone; aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and fluorobenzene; dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, carbonate-based solvents such as PC); alcohol solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (R is a C2 to C20 linear, branched or cyclic hydrocarbon group, which may include a double bond aromatic ring or an ether bond); amides such as dimethylformamide; dioxolanes such as 1,3-dioxolane; Or sulfolane may be used. Among them, a carbonate-based solvent is preferable, and a cyclic carbonate (eg, ethylene carbonate or propylene carbonate, etc.) having high ionic conductivity and high dielectric constant capable of increasing the charge/discharge performance of the battery, and a low-viscosity linear carbonate-based compound ( For example, a mixture of ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate, etc.) is more preferable. In this case, when the cyclic carbonate and the chain carbonate are mixed in a volume ratio of about 1:1 to about 1:9, the electrolyte may exhibit excellent performance.

상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 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.The lithium salt may be used without particular limitation as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in a lithium secondary battery. Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 . LiCl, LiI, or LiB(C 2 O 4 ) 2 and the like may be used. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.1 to 2.0M. When the concentration of the lithium salt is included in the above range, since the electrolyte has an appropriate conductivity and viscosity, excellent electrolyte performance may be exhibited, and lithium ions may move effectively.

상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌 카보네이트 등과 같은 할로알킬렌 카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.In the electrolyte, in addition to the electrolyte components, for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity reduction, and improving battery discharge capacity, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, tri Ethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imida One or more additives such as jolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol or aluminum trichloride may be further included. In this case, the additive may be included in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the electrolyte.

본 발명에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 위에 형성되며, 상술한 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질 층을 포함한다.In the present invention, the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector and including the above-described positive electrode active material.

상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 양극 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.In the positive electrode, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon on the surface of aluminum or stainless steel. , nickel, titanium, silver or the like surface-treated may be used. In addition, the positive electrode current collector may typically have a thickness of 3 to 500 μm, and may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on the surface of the positive electrode current collector. For example, it may be used in various forms, such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a non-woven body.

상기 양극 활물질 층은 상술한 양극 활물질과 함께, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.The positive active material layer may include a conductive material and a binder together with the above-described positive active material.

상기 도전재는 양극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질 층의 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.The conductive material is used to impart conductivity to the positive electrode, and in the configured battery, it can be used without any particular limitation as long as it has electronic conductivity without causing chemical change. Specific examples include graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or a conductive polymer such as a polyphenylene derivative, and the like, and any one of them or a mixture of two or more thereof may be used. The conductive material may be included in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the positive active material layer.

상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질 층의 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.The binder serves to improve adhesion between the positive active material particles and adhesion between the positive active material and the positive electrode current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose (CMC) ), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and any one of them or a mixture of two or more thereof may be used. The binder may be included in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the positive active material layer.

상기 양극은 상술한 양극 활물질을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 구체적으로, 상술한 양극 활물질 및 선택적으로, 바인더 및 도전재를 포함하는 양극 활물질 층 형성용 조성물을 양극 집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조될 수 있다. 이때 상기 양극 활물질, 바인더, 도전재의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 같다.The positive electrode may be manufactured according to a conventional positive electrode manufacturing method except for using the above-described positive electrode active material. Specifically, it may be prepared by applying the above-described positive active material and, optionally, a composition for forming a positive electrode active material layer including a binder and a conductive material on a positive electrode current collector, followed by drying and rolling. In this case, the types and contents of the positive electrode active material, the binder, and the conductive material are as described above.

상기 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 용해 또는 분산시키고, 이후 양극 제조를 위한 도포시 우수한 두께 균일도를 나타낼 수 있는 점도를 갖도록 하는 정도면 충분하다.The solvent may be a solvent generally used in the art, dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol (isopropyl alcohol), N-methylpyrrolidone (NMP), acetone (acetone) or water and the like, and any one of them or a mixture of two or more thereof may be used. The amount of the solvent used is enough to dissolve or disperse the positive electrode active material, the conductive material and the binder in consideration of the application thickness of the slurry and the production yield, and to have a viscosity capable of exhibiting excellent thickness uniformity during application for the production of the positive electrode thereafter. do.

다른 방법으로, 상기 양극은 상기 양극 활물질 층 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.Alternatively, the positive electrode may be prepared by casting the composition for forming the positive electrode active material layer on a separate support, and then laminating a film obtained by peeling it from the support on the positive electrode current collector.

본 발명에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하는 음극 활물질 층을 포함한다.In the present invention, the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer positioned on the negative electrode current collector.

상기 음극 활물질 층은 음극 활물질과 함께 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함한다.The anode active material layer optionally includes a binder and a conductive material together with the anode active material.

상기 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질 탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si 합금, Sn 합금 또는 Al 합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ(0<β<2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체와 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시 흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.As the anode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used. Specific examples include carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, and amorphous carbon; metallic compounds capable of alloying with lithium, such as Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si alloy, Sn alloy, or Al alloy; metal oxides capable of doping and dedoping lithium, such as SiO β (0<β<2), SnO 2 , vanadium oxide, and lithium vanadium oxide; or a composite including the above-mentioned metallic compound and a carbonaceous material, such as a Si-C composite or a Sn-C composite, and the like, and any one or a mixture of two or more thereof may be used. In addition, a metal lithium thin film may be used as the negative active material. In addition, as the carbon material, both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used. As low crystalline carbon, soft carbon and hard carbon are representative, and as high crystalline carbon, natural or artificial graphite of amorphous, plate-like, flaky, spherical or fibrous shape, and Kish graphite (Kish) graphite), pyrolytic carbon, mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, liquid crystal pitches (Mesophase pitches), and petroleum and coal tar pitch (petroleum or coal tar pitch) High-temperature calcined carbon such as derived cokes) is a representative example.

상기 바인더, 도전재 및 음극 집전체는 상술한 양극에서의 구성을 참조하여 선택될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 음극 집전체 상에 음극 활물질 층을 형성하는 방법은 양극에서와 마찬가지로 공지된 도포 방법에 의하며 특별히 한정되는 것은 아니다.The binder, the conductive material, and the negative electrode current collector may be selected with reference to the above-described configuration of the positive electrode, but is not limited thereto. In addition, the method of forming the negative electrode active material layer on the negative electrode current collector is similar to the positive electrode by a known coating method and is not particularly limited.

본 발명에 있어서, 상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.In the present invention, the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions to move, and can be used without any particular limitation as long as it is used as a separator in a lithium secondary battery, and in particular, low resistance to ion movement of the electrolyte It is preferable that the electrolyte solution is excellent in moisture content. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, and an ethylene/methacrylate copolymer, or these A laminated structure of two or more layers of may be used. In addition, a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc. may be used. In addition, in order to secure heat resistance or mechanical strength, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used, and may optionally be used in a single-layer or multi-layer structure.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to aid the understanding of the present invention, but the following examples are merely illustrative of the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It goes without saying that changes and modifications fall within the scope of the appended claims.

도 1은 실시예 및 비교예에서 양극 첨가제를 합성하기 위해 사용된 원료물질을 나타낸 모식도이며, 이하, 실시예 및 비교예에서는 도 1에 나타난 바와 같은 원료물질을 이용하여 첨가제를 합성하였다.1 is a schematic diagram showing raw materials used to synthesize a positive electrode additive in Examples and Comparative Examples. Hereinafter, in Examples and Comparative Examples, additives were synthesized using raw materials as shown in FIG. 1 .

제조예 1: 벤조페릴렌 무수물(benzoperylene anhydride, BPA)Preparation Example 1: Benzoperylene anhydride (BPA)

3구 플라스크에 glass topper, thermos-couple 및 reflux condenser를 각각 설치하고 heating mentle에 위치시켰다.A glass topper, thermos-couple, and reflux condenser were installed in a three-neck flask, respectively, and placed in a heating mentle.

무수말레인산(maleic anhydride) 123.0 g을 넣고 75℃에서 용해시킨 후, 페릴렌(perylene) 8.04g을 추가하고 240℃로 가열하였다.123.0 g of maleic anhydride was added and dissolved at 75°C, followed by adding 8.04 g of perylene and heating to 240°C.

클로르아닐(chloranil) 16.5g을 넣고 10분간 환류(reflux) 후, 140℃로 냉각하고, 60℃로 가열한 자일렌(xylene) 160 ml를 첨가하여 혼합물을 얻었다.16.5 g of chloranil was added, refluxed for 10 minutes, cooled to 140 °C, and 160 ml of xylene heated to 60 °C was added to obtain a mixture.

상기 혼합물을 90℃로 식힌 후 여과하고, 여과된 혼합물을 에틸 아세테이트/클로로포름(2:1(v/v)) 용액에 넣고, 65℃로 가열 및 열과하는 세척 과정을 2회 반복하여 정제하였다.The mixture was cooled to 90° C., filtered, and the filtered mixture was placed in an ethyl acetate/chloroform (2:1 (v/v)) solution, and the washing process of heating and heating to 65° C. was repeated twice for purification.

그 후, 상기 정제된 혼합물을 70℃에서 진공 건조하여 BPA를 제조하였다. Thereafter, the purified mixture was vacuum dried at 70° C. to prepare BPA.

실시예 1Example 1

제조예 1에서 제조된 BPA 8g과 옥틸아민(octylamine, C8) 45 mmol을 넣고 160℃에서 밤새 환류(reflux)한 후 상온으로 냉각하여 합성된 화합물을 얻었다.8 g of BPA prepared in Preparation Example 1 and 45 mmol of octylamine (C8) were added, refluxed at 160° C. overnight, and then cooled to room temperature to obtain a synthesized compound.

상기 화합물에 메탄올 300 ml를 넣고 상온에서 1시간 동안 교반하였다.300 ml of methanol was added to the compound and stirred at room temperature for 1 hour.

그 후, 상기 교반된 혼합물을 감압 여과 후, 메탄올로 수회 세척하여 건조하여, 리튬 이차전지의 전극용 첨가제를 제조하였다 (C8 A-BPI).Thereafter, the stirred mixture was filtered under reduced pressure, washed several times with methanol and dried to prepare an additive for an electrode of a lithium secondary battery (C8 A-BPI).

실시예 2Example 2

옥틸아민 대신 아미노데칸(1-aminodecane, C10)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지의 전극용 첨가제를 제조하였다 (C10 A-BPI).An additive for an electrode of a lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that aminodecane (1-aminodecane, C10) was used instead of octylamine (C10 A-BPI).

실시예 3Example 3

옥틸아민 대신 도데실아민(dodecylamine, C12)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지의 전극용 첨가제를 제조하였다 (C12 A-BPI).An additive for an electrode of a lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that dodecylamine (C12) was used instead of octylamine (C12 A-BPI).

비교예 1Comparative Example 1

옥틸아민 대신 테트라에틸렌글리콜 모노아민(tetraethyleneglycol monoamine)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지의 전극용 첨가제를 제조하였다.An additive for an electrode of a lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that tetraethyleneglycol monoamine was used instead of octylamine.

실험예 1: 리튬 이차전지용 전해액 용매에 대한 가용성 실험Experimental Example 1: Solubility test for electrolyte solvent for lithium secondary battery

실시예 1과 비교예 1에서 제조된 첨가제가 전해액 용매에 용해되는지에 대한 가용성 실험을 실시하였다 (실시예 1: C8의 선형 탄소사슬, 비교예 1: C8의 선형 에테르 사슬).A solubility test was conducted on whether the additives prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were dissolved in the electrolyte solvent (Example 1: C8 linear carbon chain, Comparative Example 1: C8 linear ether chain).

가용성 실험에 용매는 리튬-황 이차전지에 일반적으로 사용되는 디메톡시에탄(dimethoxyethan, DME)을 사용하였다.For the solubility test, dimethoxyethan (DME), which is commonly used in lithium-sulfur secondary batteries, was used as a solvent.

상기 실시예 1와 비교예 1의 양극 첨가제 0.1g을 디메톡시에탄 용매 10g에 넣고 1일 동안 혼합한 후, FT-IR(Fourier-transform infrared spectroscopy) 측정을 하여, 혼합 용액 내에 용질이 있는지 확인하였다. 이때, 상기 FT-IR은 Nicolet iS5(Thermo Fisher Scientific社)를 이용하여 측정하였다. 0.1 g of the positive electrode additive of Example 1 and Comparative Example 1 was added to 10 g of a dimethoxyethane solvent and mixed for 1 day, and then FT-IR (Fourier-transform infrared spectroscopy) was measured to confirm whether there was a solute in the mixed solution. . At this time, the FT-IR was measured using Nicolet iS5 (Thermo Fisher Scientific).

도 2는 실시예 1과 비교예 1의 양극 첨가제를 포함하는 혼합 용액에 대한 FT-IR 측정 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing FT-IR measurement results for a mixed solution including the positive electrode additive of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 양극 첨가제를 포함하는 혼합 용액에서는 양극 첨가제 물질의 특징인 C=O 피크가 나타나지 않고, 비교예 1의 양극 첨가제를 포함하는 혼합 용액에서는 C=O 피크가 나타난 것을 확인하였다. As shown in FIG. 2 , in the mixed solution containing the positive electrode additive of Example 1, the C=O peak, which is characteristic of the positive electrode additive material, did not appear, and in the mixed solution containing the positive electrode additive of Comparative Example 1, the C=O peak did not appear. appeared to be confirmed.

이와 같은 결과로부터, 실시예 1의 첨가제는 DME 용매에 녹지 않고, 비교예 1의 첨가제는 DME 용매에 녹는 특성을 가지는 것임을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the additive of Example 1 does not dissolve in the DME solvent, and the additive of Comparative Example 1 has a property of being soluble in the DME solvent.

실험예 2: 탄소 흡착성 실험Experimental Example 2: Carbon Adsorption Test

실시예 1에서 제조된 리튬 이차전지의 전극용 첨가제가 탄소재에 대하여 흡착성을 나타내는지에 대한 탄소 흡착성 실험을 실시하였다.A carbon adsorption test was conducted to determine whether the additive for electrodes of the lithium secondary battery prepared in Example 1 exhibits adsorption to carbon material.

실시예 1에서 제조된 리튬 이차전지의 전극용 첨가제와 탄소재를 테르라하이드로푸란(tetrahydrofuran, THF) 용매에 혼합하고, 혼합한 직후 및 1일 후에 혼합 용액을 육안으로 관찰하였다. 이때, 상기 탄소재는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, multi-walled CNT, CNano社)를 사용하였다. 또한, 상기 첨가제와 탄소재는 상기 혼합 용액 전체 중량을 기준으로 각각 1 중량% 및 25 중량%가 되도록 혼합하였다 (첨가제와 탄소재의 중량비는 0.04:1).The additive for electrodes of the lithium secondary battery prepared in Example 1 and the carbon material were mixed in a tetrahydrofuran (THF) solvent, and the mixed solution was visually observed immediately after mixing and 1 day after mixing. In this case, as the carbon material, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT, multi-walled CNT, CNano) were used. In addition, the additive and the carbon material were mixed to be 1 wt% and 25 wt%, respectively, based on the total weight of the mixed solution (the weight ratio of the additive to the carbon material was 0.04:1).

도 3은 실시예 1의 양극 첨가제와 탄소재(MWCNT)를 포함하는 혼합 용액의 시간 경과에 따른 색 변화를 나타낸 사진이다.3 is a photograph showing the color change over time of a mixed solution containing the positive electrode additive and carbon material (MWCNT) of Example 1;

도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 양극 첨가제와 MWCNT를 THF 용매에 혼합한 직후에는 혼합 용액이 노란 색을 나타내는 반면(흡착 전), 혼합 후 1일이 경과했을 때에는 노란 색이 사라진 것을 확인하였다(흡착 후).As shown in FIG. 3 , it was confirmed that the mixed solution showed a yellow color immediately after mixing the positive electrode additive and MWCNT of Example 1 in the THF solvent (before adsorption), whereas the yellow color disappeared when 1 day after mixing had elapsed. (after adsorption).

이와 같은 결과로부터, 실시예 1의 첨가제가 탄소재인 MWCNT를 포함하는 혼합 용액에서, 상기 실시예 1의 첨가제는 탄소재에 흡착하여 용매에 용해되지 않는다는 것을 알 수 있었다.From these results, it was found that, in the mixed solution containing the MWCNT, the additive of Example 1 being a carbon material, the additive of Example 1 was adsorbed to the carbon material and not dissolved in the solvent.

실험예 3: 전지의 전기화학적 활성과의 관련성 실험Experimental Example 3: Relevance experiment with the electrochemical activity of the battery

실험예 2와 동일한 방식으로 실시하여, 실시예 1의 첨가제를 MWCNT에 흡착시키고, 80℃에서 1일 동안 건조하여 상기 실시예 1의 첨가제가 흡착된 MWCNT 분말을 제조하였다.In the same manner as in Experimental Example 2, the additive of Example 1 was adsorbed to MWCNT, and dried at 80° C. for 1 day to prepare MWCNT powder to which the additive of Example 1 was adsorbed.

상기 실시예 1의 첨가제가 흡착된 MWCNT 분말과 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC) 바인더를 96:4의 중량부로 혼합하여 수계 슬러리를 제조하였다. 상기 수계 슬러리를 알루미늄 호일에 코팅 및 건조하고, 14 pi로 타발하여 기준전극으로 하고, 리튬 전극을 상대전극으로 하여 코인셀을 제조하였다. 상기 코인셀 제조시, 분리막은 폴리에틸렌 분리막(16㎛, Celgard)을 사용하였고, 전해액은 DOL과 DME의 혼합용매(1:1(v/v))에 LiTFSI 1M이 전해액을 사용하였다. An aqueous slurry was prepared by mixing the MWCNT powder adsorbed with the additive of Example 1 and a carboxymethyl cellulose (CMC) binder in 96:4 parts by weight. The aqueous slurry was coated and dried on aluminum foil, punched at 14 pi, used as a reference electrode, and a lithium electrode as a counter electrode to prepare a coin cell. In manufacturing the coin cell, a polyethylene separator (16 μm, Celgard) was used as the separator, and LiTFSI 1M electrolyte was used in a mixed solvent of DOL and DME (1:1 (v/v)) as the electrolyte.

또한, 상기 실시예 1의 첨가제를 흡착시키지 않은 MWCNT를 이용하여 상기와 동일한 방식으로 비교 코인셀을 제조하였다. In addition, a comparative coin cell was prepared in the same manner as above using the MWCNT to which the additive of Example 1 was not adsorbed.

상기 코인셀과 비교 코인셀에 대하여 10 mV/sec의 속도로 1.8~2.9V 구간을 3회 왕복하여 3번째 왕복 시 전압 변화에 따른 전류를 측정하였다 (VMP3, Biologic).For the coin cell and the comparative coin cell, the 1.8-2.9V section was reciprocated three times at a rate of 10 mV/sec to measure the current according to the voltage change during the third reciprocation (VMP3, Biologic).

도 4는 실시예 1의 양극 첨가제 흡착 유무에 따른 코인셀의 전지과학적 활성을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the battery scientific activity of the coin cell according to the presence or absence of adsorption of the positive electrode additive of Example 1.

도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 양극 첨가제가 흡착된 MWCNT를 포함하는 코인셀은 일반적인 리튬-황 이차전지의 구동 범위인 1.8V 내지 2.5V의 범위 내에서 전기화학적 활성을 가지는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 4 , it was confirmed that the coin cell including the MWCNT to which the positive electrode additive of Example 1 was adsorbed had electrochemical activity within the range of 1.8V to 2.5V, which is the driving range of a general lithium-sulfur secondary battery. .

이와 같은 결과로부터, 실시예 1의 첨가제는 리튬-황 이차전지를 비롯한 리튬 이차전지의 전기화학적 활성을 향상시킬 것임을 알 수 있다. From these results, it can be seen that the additive of Example 1 will improve the electrochemical activity of lithium secondary batteries including lithium-sulfur secondary batteries.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.In the above, although the present invention has been described with reference to limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto, and it is described below with the technical idea of the present invention by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be made.

Claims (12)

하기 화학식 1로 표시되는 리튬 이차전지용 양극 첨가제:
<화학식 1>
Figure pat00003

상기 화학식 1에서, R은 탄소 사슬(carbon chain)이다.
A cathode additive for a lithium secondary battery represented by the following formula (1):
<Formula 1>
Figure pat00003

In Formula 1, R is a carbon chain.
제1항에 있어서,
상기 R은 선형 탄소 사슬인 것인 리튬 이차전지용 양극 첨가제.
According to claim 1,
Wherein R is a linear carbon chain positive electrode additive for a lithium secondary battery.
제2항에 있어서,
상기 R은 탄소수 8 내지 12의 알킬기인, 리튬 이차전지용 양극 첨가제.
3. The method of claim 2,
Wherein R is an alkyl group having 8 to 12 carbon atoms, a positive electrode additive for a lithium secondary battery.
(i) 벤조페릴렌 또는 이의 유도체, 및 (ii) 적어도 일 말단에 아민기를 포함하는 탄소 분자를 반응시키는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 첨가제의 제조방법.(i) benzoperylene or a derivative thereof, and (ii) a method for producing a positive electrode additive for a lithium secondary battery comprising the step of reacting a carbon molecule comprising an amine group at at least one terminal. 제4항에 있어서,
상기 벤조페릴렌의 유도체는 벤조페릴렌 무수물(benzoperylene anhydride, BPA), 아민기 함유 벤조페릴렌 또는 카복실기 함유 벤조페릴렌인 것인, 리튬 이차전지용 양극 첨가제의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The benzoperylene derivative is benzoperylene anhydride (BPA), amine group-containing benzoperylene or carboxyl group-containing benzoperylene, the method for producing a positive electrode additive for a lithium secondary battery.
제4항에 있어서,
상기 적어도 일 말단에 아민기를 포함하는 탄소 분자는 탄소수 8 내지 12의 알킬아민인 것인, 리튬 이차전지용 양극 첨가제의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The carbon molecule comprising an amine group at the at least one terminal is an alkylamine having 8 to 12 carbon atoms, the method for producing a cathode additive for a lithium secondary battery.
제4항에 있어서,
상기 반응은 100℃ 내지 200℃의 온도에서 환류(reflux)시킨 후 냉각시키는 단계를 포함하는 탈수 축합 반응인 것인, 리튬 이차전지용 양극 첨가제의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The reaction is a dehydration condensation reaction comprising the step of cooling after reflux at a temperature of 100 ℃ to 200 ℃, a method for producing a positive electrode additive for a lithium secondary battery.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 양극 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 양극.A positive electrode for a lithium secondary battery comprising the positive electrode additive of any one of claims 1 to 3. 제8항에 있어서,
상기 양극은 양극 활물질로서 탄소재를 포함하는, 리튬 이차전지용 양극.
9. The method of claim 8,
The positive electrode includes a carbon material as a positive electrode active material, a positive electrode for a lithium secondary battery.
제8항에 있어서,
상기 첨가제는 양극 활물질에 포함된 탄소재의 표면에 형성된 것인, 리튬 이차전지용 양극.
9. The method of claim 8,
The additive is formed on the surface of the carbon material included in the positive electrode active material, a positive electrode for a lithium secondary battery.
제8항의 양극, 음극, 이들 사이에 개재된 분리막 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising the positive electrode of claim 8, the negative electrode, a separator interposed therebetween, and an electrolyte. 제11항에 있어서,
상기 전해액은 에테르계 용매 및 카보네이트계 용매 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인, 리튬 이차전지.
12. The method of claim 11,
The electrolyte solution is a lithium secondary battery comprising at least one selected from an ether-based solvent and a carbonate-based solvent.
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Nano Lett.2016, 16, 1, 549-554; Laura C.H.Gerber et al.; "Three-Dimensional Growth of Li2S in Lithium-Sulfur Batteries Promoted by a Redox Mediator"

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