KR20240045130A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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KR20240045130A
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조윤교
이정민
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은, 양극 활물질로서 리튬 니켈코발트망간계 산화물을 포함하는 양극; Si로 이루어지는 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 리튬염, 유기 용매 및 첨가제를 포함하는 비수 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지로서, 상기 유기 용매로서 하기 화학식 1 의 화합물 및 플루오로 에틸렌 카보네이트를 포함하고, 상기 화학식 1 의 화합물은 비수 전해질 전체에 대해 15 중량% 초과로 포함되는 리튬 이차 전지에 관한 발명이다.
[화학식 1]

상기 화학식 1 에서, A 는 탄소수 2 또는 3 의 환형 포스파이트이고, R 은 탄소수 1 내지 5 의 알킬렌기며, X는 탄소수 1 내지 5 의 퍼플루오로알킬기이다.

Description

리튬 이차 전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근 리튬 이차 전지의 응용 영역이 전기, 전자, 통신, 컴퓨터와 같은 전자 기기의 전력 공급뿐만 아니라 자동차나 전력 저장 장치와 같은 대면적 기기의 전력 저장 공급까지 급속히 확대됨에 따라 고용량, 고출력이면서도 고안정성인 이차 전지에 대한 요구가 늘어나고 있다.
특히 자동차 용도의 리튬 이차 전지에서는 고용량, 고출력, 장기 수명 특성이 중요해지고 있다. 이차 전지의 고용량화를 위하여 에너지 밀도가 높으나 안정성이 낮은 니켈 고함량 양극 활물질이나 규소계 음극 활물질을 사용할 수 있다.
그러나, 상기 조건을 갖는 이차 전지를 구동하는 경우 충방전이 진행됨에 따라, 전해질의 열화로 발생하는 부반응에 의하여, 양/음극 표면에 형성된 피막 혹은 전극 표면 구조가 열화되면서, 양극 표면으로부터 전이금속 이온이 용출될 수 있다. 이와 같이, 용출된 전이금속 이온은 음극에 전착 (electro-deposition) 되면서 SEI의 부동태(passivation) 능력을 저하시키기 때문에, 음극이 열화되는 문제가 발생한다.
이러한 이차 전지의 열화 현상은 양극의 전위가 높아지거나, 전지가 고온 노출 시 더욱 가속화되는 경향을 보인다.
또한, 리튬 이차 전지를 장시간 연속해서 사용하거나 고온에 방치하면 가스가 발생하여 전지의 두께가 상승하는 이른바 팽윤 현상이 발생하게 되는데, 이때 발생하는 가스의 양은 이와 같은 SEI의 상태에 따라 좌우되는 것으로 알려져 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여, 음극에 안정한 SEI 막을 형성함으로써 이차 전지의 팽윤 현상을 감소시키며, 고온에서의 안정성을 높일 수 있는 방법에 대한 연구 개발이 시도되고 있다.
상기 문제를 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 본 발명에서는 규소계 음극 활물질을 포함하는 음극에서 강한 환원 분해에 의해 안정한 SEI 막을 형성할 수 있는 비수 전해질용 유기 용매를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하고자 한다. 본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 고온 사이클 특성 및 고온 저장 특성이 개선되어 향상된 제반 성능을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극 활물질로서 리튬 니켈코발트망간계 산화물을 포함하는 양극; Si로 이루어지는 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 리튬염, 유기 용매 및 첨가제를 포함하는 비수 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. 본 발명의 비수 전해질은 유기 용매로서 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 플루오로 에틸렌 카보네이트를 포함하고, 상기 화학식 1 의 화합물은 비수 전해질 전체에 대해 15 중량% 초과로 포함된다.
[화학식 1]
상기 화학식 1 에서, A 는 탄소수 2 또는 3 의 환형 포스파이트이고, R 은 탄소수 1 내지 5 의 알킬렌기며, X는 탄소수 1 내지 5 의 퍼플루오로알킬기이다.
본 발명은 에너지 밀도가 높으나 안정성이 떨어지는 양극 및 음극을 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 비수 유기 용매로서 상기 화학식 1 로 표시되는 화합물을 포함한다. 상기 화학식 1 로 표시되는 화합물은 특히 Si 음극에 사용하는 경우 강한 환원 분해와 함께 고분자화된 SEI 층을 형성할 수 있으며 이로 인해 고전압, 고온 등의 조건에서도 음극의 내구성을 개선할 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 1 의 화합물이 첨가제 수준으로 함량이 낮게 사용되는 경우에는 화학식 1 화합물들끼리 고분자를 형성할 수 없기 때문에 치밀한 SEI 층을 형성하기 어렵다. 그러나, 본 발명의 리튬 이차 전지와 같이 유기 용매 수준으로 높은 함량으로 포함되면 화학식 1 의 화합물로부터 유래하는 단량체들의 비율이 높은 치밀하고 균일한 SEI 층의 형성이 가능하여 음극의 내구성이 개선될 수 있다. 음극의 내구성이 개선된 본 발명의 리튬 이차 전지는 장시간 고전압, 고온에 노출되어 구동되어도 제반 성능이 열화되지 않는 효과가 발생한다.
본 명세서 및 청구범위에 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 해석되어야 한다.
본 명세서에서 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서 내에서 "탄소수 a 내지 b"의 기재에 있어서, "a" 및 "b"는 구체적인 작용기에 포함되는 탄소 원자의 개수를 의미한다. 즉, 상기 작용기는 "a" 내지 "b" 개의 탄소원자를 포함할 수 있다. 예를 들어, "탄소수 1 내지 5의 알킬렌기"는 탄소수 1 내지 5의 탄소 원자를 포함하는 알킬렌기, 즉 -CH2-, -CH2CH2-, -CH2CH2CH2-, -CH2(CH3)CH-, -CH(CH3)CH2- 및 -CH(CH3)CH2CH2- 등을 의미한다.
또한, 본 명세서에서, 상기 "알킬렌기"라는 용어는 분지된 또는 분지되지 않은 2가의 탄화수소기를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 알킬기 또는 알킬렌기 등은 모두 치환 또는 비치환될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 알킬기 등은 모두 치환 또는 비치환될 수 있다. 상기 "치환"이란 별도의 정의가 없는 한, 탄소에 결합된 적어도 하나 이상의 수소가 수소 이외의 원소로 치환된 것을 의미하는 것으로, 예를 들면, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬기, 탄소수 3 내지 12의 사이클로알케닐기, 탄소수 3 내지 12의 헤테로사이클로알킬기, 탄소수 3 내지 12의 헤테로사이클로알케닐기, 탄소수 6 내지 12의 아릴옥시기, 할로겐 원자, 니트로기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄소수 6 내지 20의 할로아릴기 등으로 치환된 것을 의미한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 게재된 분리막 및 비수 전해질을 포함한다. 이때, 본 발명의 리튬 이차 전지는 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들면, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 분리막이 순차적으로 적층되어 전극 조립체를 형성한 후, 상기 전극 조립체를 전지 케이스 내부에 삽입하고, 비수 전해질을 주입하여 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 리튬 이차 전지는 양극 활물질로서 리튬 니켈코발트망간계 산화물을 포함하는 양극; 음극 활물질로서 실리콘계 활물질을 포함하는 음극; 및 리튬염, 유기 용매 및 첨가제를 포함하는 비수 전해질;을 포함할 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지에 포함되는 비수 전해질은 유기 용매로서 하기 화학식 1 의 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1 에서, A 는 탄소수 2 또는 3 의 환형 포스파이트이고, SEI 층을 형성하기 위한 고리 열림 반응이 용이한 측면에서 A 는 탄소수 2 의 환형 포스파이트인 것이 바람직하다.
상기 화학식 1 에서, R 은 탄소수 1 내지 5 의 알킬렌기며, 바람직하게는 탄소수 1 내지 3 의 알킬렌기이다.
상기 화학식 1 에서, X는 탄소수 1 내지 5 의 퍼플루오로알킬기이고, 바람직하게는 X는 CF3 또는 CF2CF3이다.
구체적으로, 상기 화학식 1 의 화합물은 하기 화학식 1-1 의 화합물일 수 있다.
[화학식 1-1]
상기 화학식 1-1 에서, R 은 탄소수 1 내지 5 의 알킬렌기며, 바람직하게는 탄소수 1 내지 3 의 알킬렌기일 수 있다.
상기 화학식 1-1 에서, R1 및 R2 는 각각 독립적으로 H 또는 탄소수 1 내지 3 의 알킬기일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 화학식 1 의 화합물은 하기 화학식 1-2 의 화합물일 수 있다.
[화학식 1-2]
본 발명의 리튬 이차 전지는 상기 화학식 1 의 화합물을 비수 전해질 전체에 대해 15 중량% 초과로 포함할 수 있고, 바람직하게는 20 중량% 이상 50 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 30 중량% 이상 50 중량% 이하로 포함될 수 있다. 화학식 1 의 화합물의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 화학식 1 의 화합물로부터 유래하는 단량체들의 비율이 높은 치밀하고 균일한 SEI 층의 형성이 가능하여 음극의 내구성이 개선될 수 있다. 음극의 내구성이 개선된 본 발명의 리튬 이차 전지는 장시간 고전압, 고온에 노출되어 구동되어도 제반 성능이 열화되지 않는 효과가 발생한다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 비수 전해질에 상기 화학식 1 로 표시되는 화합물과 플루오르화 에틸렌 카보네이트(FEC)를 포함한다. 본 발명의 리튬 이차 전지는 유기 용매로서 화학식 1 의 화합물과 플루오르화 에틸렌 카보네이트를 함께 포함함으로써 플루오르 기반의 강한 고분자성 피막이 형성되어 음극에 내구성이 강한 피막을 형성할 수 있다. 또한, 포스파이트로부터 기인된 피막은 리튬 이온 전달성이 우수하여 저항이 낮은 효과가 있다. 본 발명의 리튬 이차 전지는 비수 전해질에 포함되는 유기 용매가 상기 화학식 1 의 화합물 및 플루오로 에틸렌 카보네이트로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 상기 플루오르화 에틸렌 카보네이트(FEC)를 비수 전해질 전체에 대해 5 내지 80 중량%로 포함할 수 있고, 바람직하게는 10 내지 70 중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 50 중량%로 포함할 수 있다. FEC의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우 음극에 내구성이 강한 피막을 형성할 수 있다.
본 발명의 비수 전해질은 추가로 환형 카보네이트계 유기 용매, 선형 카보네이트계 유기 용매, 선형 에스테르계 유기 용매 및 환형 에스테르계 유기 용매로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 유기 용매를 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 비수 전해질은 유기 용매로서 화학식 1 로 표시되는 화합물 이외에 선형 카보네이트계 유기 용매를 추가로 포함할 수 있다. 상기 선형 카보네이트계 유기 용매는 저점도 및 저유전율을 가지는 유기 용매로서, 그 대표적인 예로 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 유기 용매를 사용할 수 있으며, 구체적으로 디에틸 카보네이트(DEC)를 포함할 수 있다.
상기 환형 카보네이트계 유기 용매는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 잘 해리시킬 수 있는 유기 용매로서, 그 구체적인 예로 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로 에틸렌 카보네이트 (FEC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트 및 비닐렌 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 유기 용매를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유기 용매는 높은 이온 전도율을 갖는 전해질을 제조하기 위하여, 선형 에스테르계 유기 용매 및 환형 에스테르계 유기 용매로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 에스테르계 유기 용매를 추가로 포함할 수도 있다.
이러한 선형 에스테르계 유기 용매는 그 구체적인 예로 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트 및 부틸 프로피오네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 유기 용매를 들 수 있다.
또한, 상기 환형 에스테르계 유기 용매로는 γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 유기 용매를 들 수 있다.
한편, 상기 유기 용매는 필요에 따라 비수 전해질에 통상적으로 사용되는 유기 용매를 제한 없이 추가하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 에테르계 유기 용매, 글라임계 용매 및 니트릴계 유기 용매 중 적어도 하나 이상의 유기 용매를 추가로 포함할 수도 있다.
상기 에테르계 용매로는 디메틸에테르, 디에틸에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 1,3-디옥소란(DOL) 및 2,2-비스(트리플루오로메틸)-1,3-디옥소란(TFDOL)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 글라임계 용매는 선형 카보네이트계 유기 용매에 비해 높은 유전율 및 낮은 표면 장력을 가지며, 메탈과의 반응성이 적은 용매로서, 디메톡시에탄 (글라임, DME), 디에톡시에탄, 디글라임 (diglyme), 트리-글라임(Triglyme), 및 테트라-글라임 (TEGDME)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 니트릴계 용매는 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 부티로니트릴, 발레로니트릴, 카프릴로니트릴, 헵탄니트릴, 싸이클로펜탄 카보니트릴, 싸이클로헥산 카보니트릴, 2-플루오로벤조니트릴, 4-플루오로벤조니트릴, 다이플루오로벤조니트릴, 트리플루오로벤조니트릴, 페닐아세토니트릴, 2-플루오로페닐아세토니트릴, 4-플루오로페닐아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 비수 전해질에 포함되는 리튬염은 리튬 이차 전지 내에서 전해질 염으로서 사용되는 것으로서, 이온을 전달하기 위한 매개체로서 사용되는 것이다. 통상적으로, 리튬염은 예를 들어 양이온으로 Li+를 포함하고, 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, B10Cl10 -, AlCl4 -, AlO2 -, PF6 -, CF3SO3 -, CH3CO2 -, CF3CO2 -, AsF6 -, SbF6 -, CH3SO3 -, (CF3CF2SO2)2N-, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, BF2C2O4 -, BC4O8 -, PF4C2O4 -, PF2C4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, CF3(CF2)7SO3 - 및 SCN-으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 들 수 있다.
구체적으로, 상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiBF4, LiClO4, LiB10Cl10, LiAlCl4, LiAlO2, LiPF6, LiCF3SO3, LiCH3CO2, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiCH3SO3, LiFSI (Lithium bis(fluorosulfonyl) imide, LiN(SO2F)2), LiBETI (lithium bis(perfluoroethanesulfonyl) imide, LiN(SO2CF2CF3)2 및 LiTFSI (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide, LiN(SO2CF3)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 이들 외에도 리튬 이차 전지의 전해질에 통상적으로 사용되는 리튬염이 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 리튬염은 통상적으로 사용 가능한 범위 내에서 적절히 변경할 수 있으나, 최적의 전극 표면의 부식 방지용 피막 형성 효과를 얻기 위하여, 전해질 내에 0.1 M 내지 5.0 M 의 농도, 바람직하게는, 0.5 M 내지 3.0 M 의 농도, 더욱 바람직하게는, 1.0 M 내지 2.0 M 의 농도로 포함될 수 있다. 상기 리튬염의 농도가 상기 범위를 만족하는 경우 리튬 이차 전지의 고온 저장 시 사이클 특성 개선의 효과가 충분하고 비수 전해질의 점도가 적절하여 전해질 함침성이 개선될 수 있다.
또한, 본 발명의 비수 전해질은 고출력의 환경에서 비수 전해질이 분해되어 음극 붕괴가 유발되는 것을 방지하거나, 저온 고율방전 특성, 고온 안정성, 과충전 방지, 고온에서의 전지 팽창 억제 효과 등을 더욱 향상시키기 위하여, 필요에 따라 상기 비수 전해질 내에 공지의 전해질 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
이러한 기타 전해질 첨가제는 그 대표적인 예로 환형 카보네이트계 화합물, 설톤계 화합물, 설페이트계 화합물, 포스페이트계 화합물, 보레이트계 화합물, 니트릴계 화합물, 벤젠계 화합물, 아민계 화합물, 실란계 화합물 및 리튬염계 화합물들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 SEI막 형성용 첨가제를 포함할 수 있다.
상기 환형 카보네이트계 화합물은 비닐렌카보네이트(VC) 또는 비닐에틸렌 카보네이트를 들 수 있다.
상기 설톤계 화합물은 1,3-프로판 설톤(PS), 1,4-부탄 설톤, 에텐설톤, 1,3-프로펜 설톤(PRS), 1,4-부텐 설톤 및 1-메틸-1,3-프로펜 설톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 화합물을 들 수 있다.
상기 설페이트계 화합물은 에틸렌 설페이트(Ethylene Sulfate; Esa), 트리메틸렌설페이트 (Trimethylene sulfate; TMS), 또는 메틸트리메틸렌설페이트 (Methyl trimethylene sulfate; MTMS)을 들 수 있다.
상기 포스페이트계 화합물은 리튬 디플루오로(비스옥살라토)포스페이트, 리튬 디플루오로포스페이트, 트리스(트리메틸 실릴) 포스페이트, 트리스(트리메틸 실릴) 포스파이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸)포스페이트 및 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스파이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물을 들 수 있다.
상기 보레이트계 화합물은 테트라페닐보레이트, 리튬 옥살릴디플루오로보레이트(LiODFB), 리튬 비스옥살레이토보레이트(LiB(C2O4)2, LiBOB)를 들 수 있다.
상기 니트릴계 화합물은 숙시노니트릴, 아디포니트릴, 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 부티로니트릴, 발레로니트릴, 카프릴로니트릴, 헵탄니트릴, 사이클로펜탄 카보니트릴, 사이클로헥산 카보니트릴, 2-플루오로벤조니트릴, 4-플루오로벤조니트릴, 다이플루오로벤조니트릴, 트리플루오로벤조니트릴, 페닐아세토니트릴, 2-플루오로페닐아세토니트릴, 및 4-플루오로페닐아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 화합물을 들 수 있다.
상기 벤젠계 화합물은 플루오로벤젠을 들 수 있고, 상기 아민계 화합물은 트리에탄올아민 또는 에틸렌 디아민 등을 들 수 있으며, 상기 실란계 화합물로 테트라비닐실란을 들 수 있다.
상기 리튬염계 화합물은 상기 비수 전해질에 포함되는 리튬염과 상이한 화합물로서, 리튬 다이플르오로포스페이트(LiDFP), LiPO2F2 또는 LiBF4 등을 들 수 있다.
이러한 기타 전해질 첨가제 중, 비닐렌카보네이트(VC), 1,3-프로판 설톤(PS), 1,3-프로펜 설톤(PRS)의 조합을 추가로 포함하는 경우에 이차 전지의 초기 활성화 공정시 음극 표면에 보다 견고한 SEI 피막을 형성할 수 있고, 고온에서의 전해질의 분해로 인하여 생성될 수 있는 가스 발생을 억제하여, 이차 전지의 고온 안정성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 기타 전해질 첨가제들은 2 종 이상이 혼합되어 사용될 수 있으며, 비수 전해질 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 10 중량%, 구체적으로 0.2 내지 8 중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 8 중량% 일 수 있다. 상기 기타 전해질 첨가제의 함량이 상기 범위를 만족할 때, 이온 전도도 및 사이클 특성 개선 효과가 더욱 우수하다.
본 발명의 리튬 이차 전지에 포함되는 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 바인더, 도전재 및 용매 등을 포함하는 양극 합제 슬러리를 코팅하여 제조할 수 있다.
*상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지에 포함되는 양극은 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈의 함량이 높은 리튬 니켈코발트망간계 산화물을 양극 활물질로서 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 니켈코발트망간계 산화물은 하기 화학식 2로 나타내는 조성을 가질 수 있다.
[화학식 2]
LiaNibCocM1 dM2 eO2
상기 화학식 2에서, 상기 M1은 Mn 또는 Mn 및 Al의 조합일 수 있고, 바람직하게는 구조 안정성을 강화하는 관점에서 Mn 및 Al의 조합인 것이 바람직하다.
M2는 Zr, W, Y, Ba, Ca, Ti, Mg, Ta 및 Nb로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 a는 리튬 니켈코발트망간계 산화물 내 리튬의 원자 분율을 나타내는 것으로, 0.90≤a≤1.1, 바람직하게는 0.95≤a≤1.08, 더 바람직하게는 1.0≤a≤1.08일 수 있다.
상기 b는 리튬 니켈코발트망간계 산화물 내 리튬을 제외한 금속 원소 중 니켈의 원자 분율을 나타내는 것으로, 0.80≤b<1.0, 바람직하게는 0.80≤b≤0.95, 더 바람직하게는 0.80≤b≤0.90일 수 있다. 니켈 함유량이 상기 범위를 만족할 경우, 고용량 특성을 구현할 수 있다.
상기 c는 리튬 니켈코발트망간계 산화물 내 리튬을 제외한 금속 원소 중 코발트의 원자 분율을 나타내는 것으로, 0<c<0.2, 0<c≤0.15, 또는 0.01≤c≤0.10일 수 있다.
상기 d는 리튬 니켈코발트망간계 산화물 내 리튬을 제외한 금속 원소 중 M1의 원자 분율을 나타내는 것으로, 0<d<0.2, 0<d≤0.15, 또는 0.01≤d≤0.10일 수 있다.
상기 e는 리튬 니켈코발트망간계 산화물 내 리튬을 제외한 금속 원소 중 M2의 원자 분율을 나타내는 것으로, 0≤e≤0.1, 또는 0≤e≤0.05일 수 있다.
상기 양극 활물질은 양극 합제 슬러리 중 용매를 제외한 고형물 전체 중량을 기준으로 60 내지 99 중량%, 바람직하게는 70 내지 99 중량%, 보다 바람직하게는 80 내지 98 중량%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분이다.
이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머, 설폰화 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
통상적으로 상기 바인더는 양극 합제 슬러리 중 용매를 제외한 고형분 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%, 바람직하게는 1 내지 15 중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
상기 도전재는 양극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 양극 합제 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.　이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 또는 서멀 블랙 등의 탄소 분말; 결정구조가 매우 발달된 천연 흑연, 인조흑연, 또는 그라파이트 등의 흑연 분말; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본 분말; 알루미늄 분말, 니켈 분말 등의 도전성 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
통상적으로 상기 도전재는, 양극 합제 슬러리 중 용매를 제외한 고형물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%, 바람직하게는 1 내지 15 중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
상기 용매는 NMP(N-메틸-2-피롤리돈) 등의 유기 용매를 포함할 수 있으며, 상기 양극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 고형분의 농도가 50 내지 95 중량%, 바람직하게는 70 내지 95 중량%, 보다 바람직하게는 70 내지 90 중량%가 되도록 포함될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지에 포함되는 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 바인더, 도전재 및 용매 등을 포함하는 음극 합제 슬러리를 코팅하여 제조할 수 있다.
상기 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지에 포함되는 음극은 에너지 밀도를 높이기 위해 음극 활물질로서 실리콘계 활물질을 포함할 수 있다. 실리콘계 활물질은 예를 들면, Si, SiOx(0<x<2) 등을 들 수 있다. 본 발명의 음극 활물질은 흑연 등의 종래 음극 활물질을 포함하지 않고 실리콘(Si)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 음극 활물질은 음극 합제 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 60 내지 99 중량%, 바람직하게는 70 내지 99 중량%, 보다 바람직하게는 80 내지 98 중량%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 도전재, 활물질 및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분이다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머, 설폰화 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
통상적으로 상기 바인더는, 음극 합제 슬러리 중 용매를 제외한 고형물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%, 바람직하게는 1 내지 15 중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
상기 도전재는 음극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 음극 합제 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.　이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 또는 서멀 블랙 등의 탄소 분말; 결정구조가 매우 발달된 천연 흑연, 인조흑연, 또는 그라파이트 등의 흑연 분말; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본 분말; 알루미늄 분말, 니켈 분말 등의 도전성 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 도전재는 음극 합제 슬러리 중 용매를 제외한 고형물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%, 바람직하게는 1 내지 15 중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
상기 용매는 물 또는 NMP(N-메틸-2-피롤리돈) 등의 유기 용매를 포함할 수 있으며, 상기 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 고형분의 농도가 50 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게 70 중량% 내지 90 중량%가 되도록 포함될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지에 포함될 수 있는 분리막으로는 종래에 분리막으로 사용된 통상적인 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 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 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.
본 발명의 리튬 이차 전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
실시예
실시예 1
(비수 전해질의 제조)
화학식 1-2의 화합물과 플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC)를 20 : 80 부피비로 혼합하여 비수 용매를 제조하였다. 여기에 LiPF6가 1.5M, 비닐렌카보네이트(VC)가 0.5중량%, 1,3-프로판 설톤(PS)가 0.5중량%, 1,3-프로펜 설톤(PRS)가 0.5중량%가 되도록 용해하여 비수 전해질을 제조하였다. 제조된 비수 전해질에서 화학식 1-2의 화합물은 비수 전해질 전체에 대해 16 중량%, FEC는 비수 전해질 전체에 대해 71 중량%로 포함되었다.
[화학식 1-2]
(리튬 이차 전지 제조)
양극 활물질(LiNi0.86Co0.05Mn0.07Al0.02O2) : 도전재(카본 블랙) : 바인더 (폴리비닐리덴플루오라이드)를 97.5:1.0:1.5 중량비로 용제인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 에 첨가하여 양극 슬러리(고형분 50중량%)를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 두께가 12 ㎛인 양극 집전체(Al 박막) 일면에 도포하고, 건조 및 롤 프레스(roll press)를 실시하여 양극을 제조하였다.
음극 활물질(Si): 도전재(카본 블랙): 바인더(SBR-CMC)를 95:1.5:3.5 중량비로 용제인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 에 첨가하여 음극 슬러리(고형분 60 중량%)를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 두께가 6 ㎛인 음극 집전체(Cu 박막) 일면에 도포하고, 건조 및 롤 프레스(roll press)를 실시하여 음극을 제조하였다.
드라이 룸에서 상기 제조된 양극과 음극 사이에 무기물 입자 Al2O3가 도포된 폴리올레핀계 다공성 분리막을 개재한 다음, 상기 제조된 비수 전해질을 주액하여 이차 전지를 제조하였다.
실시예 2
화학식 1-2의 화합물과 플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC)를 30 : 70 부피비로 혼합하여 제조한 비수 용매를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다. 제조된 비수 전해질에서 화학식 1-2의 화합물은 비수 전해질 전체에 대해 25 중량%, FEC는 비수 전해질 전체에 대해 62 중량%로 포함되었다.
실시예 3
화학식 1-2의 화합물과 플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC)를 50 : 50 부피비로 혼합하여 제조한 비수 용매를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다. 제조된 비수 전해질에서 화학식 1-2의 화합물은 비수 전해질 전체에 대해 42 중량%, FEC는 비수 전해질 전체에 대해 45 중량%로 포함되었다.
비교예 1
화학식 1-2의 화합물과 플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC)를 18 : 82 부피비로 혼합하여 제조한 비수 용매를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다. 제조된 비수 전해질에서 화학식 1-2의 화합물은 비수 전해질 전체에 대해 15 중량%, FEC는 비수 전해질 전체에 대해 72 중량%로 포함되었다.
비교예 2
음극 활물질로서 graphite를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다.
비교예 3
화학식 1-2의 화합물과 에틸렌 카보네이트(EC)를 20 : 80 부피비로 혼합하여 제조한 비수 용매를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다. 제조된 비수 전해질에서 화학식 1-2의 화합물은 비수 전해질 전체에 대해 18 중량%, EC는 비수 전해질 전체에 대해 66 중량%로 포함되었다.
실험예 1 - 고온 사이클 특성 평가
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 이차 전지 각각에 대하여, 사이클 특성을 평가하였다.
구체적으로, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 전지 각각을 45℃에서 0.33C 정전류로 4.2V까지 충전하고, 0.33C 정전류로 3.0V까지 방전하는 것을 1 사이클로 하여, 250 사이클의 충방전을 실시한 후, 250 사이클 이후의 초기 용량 대비 용량 유지율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
용량 유지율 (%)
실시예 1 83.6
실시예 2 85.4
실시예 3 90.8
비교예 1 70.4
비교예 2 72.8
비교예 3 78.2
표 1 에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3 의 이차 전지가 비교예 1 내지 3의 이차 전지에 비해 용량 유지율이 높아 수명 특성이 우수했다.
실험예 2 - 고온 저장 특성 평가
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 이차 전지 각각에 대하여, 고온 저장 특성을 평가하였다.
구체적으로, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 이차 전지를 각각 4.2V까지 만충전한 후, 60℃에서 8주간 보존하였다.
보존하기 이전에, 만충전된 이차 전지의 용량을 측정하여 초기 이차 전지의 용량으로 설정하였다.
8주 후, 보존된 이차 전지에 대해 보존 전 초기 용량 대비 용량 유지율을 측정하였다. 상기 초기 이차 전지의 용량에 대한 보존 후 이차 전지의 용량의 퍼센트 비율을 계산하여 8주 후 용량 유지율을 도출하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
용량 유지율(%)
실시예 1 88.9
실시예 2 91.2
실시예 3 95.4
비교예 1 73.2
비교예 2 75.7
비교예 3 83.1
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3 의 이차 전지가 비교예 1 내지 3의 이차 전지에 비해 8주 후 용량 유지율이 높아 고온에서 안정적인 성능을 갖는 것이 확인되었다.

Claims (10)

  1. 양극 활물질로서 리튬 니켈코발트망간계 산화물을 포함하는 양극;
    Si로 이루어지는 음극 활물질을 포함하는 음극; 및
    리튬염, 유기 용매 및 첨가제를 포함하는 비수 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지로서,
    상기 유기 용매로서 하기 화학식 1 의 화합물 및 플루오로 에틸렌 카보네이트를 포함하고,
    상기 화학식 1 의 화합물은 비수 전해질 전체에 대해 15 중량% 초과로 포함되는 리튬 이차 전지.
    [화학식 1]

    상기 화학식 1 에서, A 는 탄소수 2 또는 3 의 환형 포스파이트이고,
    R 은 탄소수 1 내지 5 의 알킬렌기며,
    X는 탄소수 1 내지 5 의 퍼플루오로알킬기임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 리튬 니켈코발트망간계 산화물은 하기 화학식 2로 나타내는 조성을 갖는 것인 리튬 이차 전지.
    [화학식 2]
    LiaNibCocM1 dM2 eO2
    (상기 화학식 2에서, M1은 Mn 또는 Mn 및 Al의 조합이고, M2는 Zr, W, Y, Ba, Ca, Ti, Mg, Ta 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 0.8≤a≤1.2, 0.80≤b<1, 0<c<0.2, 0<d<0.2, 0≤e≤0.1임)
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기 용매는 상기 화학식 1 의 화합물 및 플루오로 에틸렌 카보네이트로 이루어지는 리튬 이차 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 리튬염은 LiPF6를 포함하는 리튬 이차 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1 의 R은 탄소수 1 내지 3 의 알킬렌기인 리튬 이차 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 X는 CF3 또는 CF2CF3인 리튬 이차 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물이 하기 화학식 1-1 의 화합물인 리튬 이차 전지.
    [화학식 1-1]

    상기 화학식 1-1 에서, R 은 탄소수 1 내지 5 의 알킬렌기고,
    R1 및 R2 는 각각 독립적으로 H 또는 탄소수 1 내지 3 의 알킬기임.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물이 하기 화학식 1-2 의 화합물인 리튬 이차 전지.
    [화학식 1-2]

  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물을 비수 전해질 전체에 대하여 20 내지 50 중량%로 포함하는 리튬 이차 전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 플루오로 에틸렌 카보네이트는 비수 전해질 전체에 대하여 5 내지 80 중량%로 포함되는 리튬 이차 전지.
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