WO2022270739A1 - 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

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정언호
이재길
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Definitions

  • the present invention relates to an electrolyte solution for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same.
  • Lithium metal has theoretically a very high specific capacity of 3,860 mAh/g, has a low potential as an anode material, and has a very low density, so various attempts have been made to use it as a negative electrode of a battery.
  • the lithium-sulfur secondary battery refers to a battery system that uses a sulfur-based material having a 'S-S bond' as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material.
  • Sulfur the main material of the positive electrode active material, has characteristics in that it has a low weight per atom, is abundant in resources, is easy to supply and demand is cheap, can lower the manufacturing cost of a battery, and is environmentally friendly because it is non-toxic.
  • the lithium-sulfur secondary battery has a theoretical discharge capacity of 1,675 mAh/g-sulfur and theoretically can realize a high energy storage density of 2,600 Wh/kg compared to its weight. : 450 Wh/kg, Li-FeS battery: 480 Wh/kg, Li-MnO 2 battery: 1,000 Wh/kg, Na-S battery: 800 Wh/kg) and the theoretical energy of Li-ion battery (250 Wh/kg) Since it has a very high value compared to the density, it is receiving great attention in the medium and large-sized secondary battery market that is currently being developed.
  • Deterioration of the lithium negative electrode may be mentioned as a factor affecting the lifespan of the lithium secondary battery, which may occur due to a reaction with a positive electrode active material or a reaction with an electrolyte. It has been pointed out that the deterioration of the negative electrode results in the formation of dendrites and a decrease in Coulombic Efficiency (C.E). In particular, when dendrites are formed in a one-dimensional form, an internal short circuit may occur through a separator including pores, which may cause problems in safety or lifespan reduction due to combustion of the electrolyte.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0009994 "Electrolyte additive for lithium-sulfur battery”
  • the inventors of the present invention intend to provide a lithium secondary battery in which lifespan and efficiency of the battery are improved by adding an additive, alkyl trifluoro acetate, to an electrolyte solution for a lithium secondary battery.
  • the additive provides an electrolyte solution for a lithium secondary battery including a compound represented by Formula 1 below.
  • R is a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkyl group.
  • R is a methyl group; ethyl group; n-propyl group; isopropyl group; n-butyl group; isobutyl group; tert-butyl group; sec-butyl group; 1-methyl-butyl group; 1-ethyl-butyl group; n-pentyl group; isopentyl group; neopentyl group; tert-pentyl group; n-hexyl group; 1-methylpentyl group; 2-methylpentyl group; 4-methyl-2-pentyl group; 3,3-dimethylbutyl group; It may be selected from the group consisting of; and a 2-ethylbutyl group.
  • R is a methyl group; ethyl group; n-propyl group; isopropyl group; n-butyl group; isobutyl group; tert-butyl group; It may be selected from the group consisting of; and a sec-butyl group.
  • the electrolyte solution for a lithium secondary battery may include 0.01 to 0.9% by weight of the compound represented by Formula 1 based on the total weight of the electrolyte solution.
  • the electrolyte solution for a lithium secondary battery may include 0.01 to 0.4% by weight of the compound represented by Formula 1 based on the total weight of the electrolyte solution.
  • the compound represented by Formula 1 is methyl trifluoroacetate
  • the electrolyte solution for a lithium secondary battery may contain 0.01 to 0.8% by weight of the compound represented by Formula 1 based on the total weight of the electrolyte.
  • the compound represented by Formula 1 is methyl trifluoroacetate, and in the 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 , standard TMS) spectrum of the compound represented by Formula 1, 3.95 It may be that one peak appears in the range of ppm to 4.00 ppm.
  • the compound represented by Formula 1 is ethyl trifluoroacetate, and in the 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 , standard TMS) spectrum of the compound represented by Formula 1, 1.31 Three peaks in the range of ppm to 1.50 ppm and four peaks in the range of 4.25 ppm to 4.55 ppm may appear.
  • the electrolyte solution for a lithium secondary battery may be an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery.
  • anode cathode; a separator interposed between the anode and the cathode; And it provides a lithium secondary battery containing the electrolyte solution.
  • the lithium secondary battery may be a lithium-sulfur battery.
  • the lithium secondary battery according to the present invention contains alkyl trifluoroacetate as an additive in the electrolyte solution to suppress the generation of dentrite through efficient plating and stripping processes on the surface of a lithium-based metal anode, thereby providing lithium secondary battery It may have an effect of improving lifespan characteristics of a battery.
  • the lithium secondary battery according to the present invention includes alkyl trifluoroacetate as an additive in the electrolyte to form a protective film (-CF 3 or -F Layer) when exposed to fresh lithium to prevent dentrite generation. It can suppress, increase utilization by increasing solubility through chemical interaction with lithium polysulfide generated during discharge, protect lithium anode and improve stability of lithium polysulfide There are effects that can be done.
  • substitution means that a hydrogen atom bonded to a carbon atom of a compound is replaced with another substituent, and the position to be substituted is not limited to a position where a hydrogen atom is substituted, that is, a position where a substituent can be substituted, and two or more When substituted, two or more substituents may be the same as or different from each other.
  • substituents of the term "substituted or unsubstituted" as used herein include deuterium; halogen; cyano group; an alkyl group having 1 to 60 carbon atoms; an alkenyl group having 2 to 60 carbon atoms; an alkynyl group having 2 to 60 carbon atoms; A cycloalkyl group having 3 to 60 carbon atoms; a heterocycloalkyl group having 2 to 60 carbon atoms; an aryl group having 5 to 60 carbon atoms; a heteroaryl group having 2 to 60 carbon atoms; an alkoxy group having 1 to 60 carbon atoms; Aryloxy group having 5 to 60 carbon atoms; an alkylsilyl group having 1 to 60 carbon atoms; And one or more substituents selected from the group consisting of arylsilyl groups having 6 to 60 carbon atoms, and when the substituents are plural, they may be the same as or different from each other.
  • the additive provides an electrolyte solution for a lithium secondary battery including a compound represented by Formula 1 below.
  • R is a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkyl group.
  • the alkyl trifluoroacetate which is the compound represented by Formula 1
  • the alkyl trifluoroacetate is exposed to fresh lithium such as lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) during charging and discharging.
  • a protective film -CF 3 or -F Layer
  • -CF 3 or -F Layer can be formed to suppress dentrite generation.
  • the electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention may preferably be an electrolyte solution for a lithium-sulfur battery.
  • the alkyl trifluoroacetate which is a compound represented by Formula 1
  • 'lithium in a fresh state' may be defined as 'pure lithium'.
  • R is a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkyl group; A substituted or unsubstituted C1 to C40 alkyl group; A substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group; A substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group; Or it may be a substituted or unsubstituted C1 to C5 alkyl group.
  • R is a methyl group; ethyl group; n-propyl group; isopropyl group; n-butyl group; isobutyl group; tert-butyl group; sec-butyl group; 1-methyl-butyl group; 1-ethyl-butyl group; n-pentyl group; isopentyl group; neopentyl group; tert-pentyl group; n-hexyl group; 1-methylpentyl group; 2-methylpentyl group; 4-methyl-2-pentyl group; 3,3-dimethylbutyl group; It may be selected from the group consisting of; and a 2-ethylbutyl group.
  • R is a methyl group; ethyl group; n-propyl group; isopropyl group; n-butyl group; isobutyl group; tert-butyl group; sec-butyl group; 1-methyl-butyl group; 1-ethyl-butyl group; n-pentyl group; isopentyl group; neopentyl group; It may be selected from the group consisting of; and a tert-pentyl group.
  • R is a methyl group; ethyl group; n-propyl group; isopropyl group; n-butyl group; isobutyl group; tert-butyl group; It may be selected from the group consisting of; and a sec-butyl group.
  • R is a methyl group; ethyl group; n-propyl group; It may be selected from the group consisting of; and an isopropyl group.
  • R is a methyl group; Or an ethyl group; it may be.
  • the compound represented by Formula 1 is methyl trifluoro acetate, ethyl trifluoro acetate, propyl trifluoro acetate, butyl trifluoro acetate ), pentyl trifluoro acetate, hexyl trifluoro acetate, and isopropyl trifluoro acetate, preferably methyl trifluoro It may be methyl trifluoro acetate or ethyl trifluoro acetate, more preferably methyl trifluoro acetate.
  • the electrolyte for the lithium secondary battery is 0.01% by weight or more, 0.02% by weight or more, 0.03% by weight or more, 0.04% by weight or more, 0.05% by weight or more, 0.06% by weight or more, 0.07% by weight or more, 0.08% by weight or more, 0.09 wt% or more, 0.1 wt% or more of the compound represented by Formula 1 may be included, and 0.9 wt% or less, 0.8 wt% or less, 0.7 wt% or less, 0.6 wt% or less, 0.5 wt% or less, 0.4 wt%
  • 0.3% by weight or less, 0.2% by weight or less of the compound represented by Formula 1 may be included.
  • the electrolyte for a lithium secondary battery contains less than 0.01% by weight of the compound represented by Formula 1 based on the total weight of the electrolyte, the amount added is very small, so as to uniformly cause plating and stripping of lithium. The purpose of adding the raw acetate additive may not be achieved, and the effect of increasing the lifespan of the battery may be insignificant.
  • the electrolyte for a lithium secondary battery contains the compound represented by Formula 1 in an amount greater than 0.9% by weight based on the total weight of the electrolyte, the viscosity of the electrolyte solution increases, and cell performance is achieved through a chemical reaction with polysulfide. A problem of deterioration may occur.
  • the compound represented by Chemical Formula 1 is methyl trifluoroacetate, and the electrolyte solution for a lithium secondary battery may include 0.01 to 0.9% by weight of the compound represented by Chemical Formula 1 based on the total weight of the electrolyte.
  • the compound represented by Formula 1 may be methyl trifluoroacetate, and in the 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 , standard TMS) spectrum of the compound represented by Formula 1, in the range of 3.95 ppm to 4.00 ppm One peak may appear.
  • the compound represented by Formula 1 may be ethyl trifluoroacetate, and in the 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 , standard TMS) spectrum of the compound represented by Formula 1, in the range of 1.31 ppm to 1.50 ppm Three peaks and four peaks in the range of 4.25 ppm to 4.55 ppm may appear.
  • the compound represented by Formula 1 may exhibit the unique peak in the 1 H-NMR spectrum, and through this, it can be confirmed that the compound represented by Formula 1 is included as an additive in the electrolyte solution for a lithium secondary battery.
  • the electrolyte solution for a lithium secondary battery when the compound represented by Formula 1 is not included, the 1 H-NMR peak cannot appear.
  • the organic solvent may include one selected from the group consisting of linear ether compounds, cyclic ether compounds, and combinations thereof.
  • the linear ether compound is dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, diisobutyl ether, ethylmethyl ether, ethylpropyl ether, ethyl tertbutyl ether, dimethoxymethane, trimethoxymethane, dimethoxyethane , diethoxyethane, dimethoxypropane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether, triethylene glycol Divinyl ether, dipropylene glycol dimethylene ether, butylene glycol ether, diethylene glycol ethyl methyl ether, diethylene glycol isopropyl methyl ether, diethylene glycol butyl methyl ether, diethylene glycol tert-
  • the cyclic ether compounds are 1,3-dioxolane, 4,5-dimethyl-dioxolane, 4,5-diethyl-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 4-ethyl-1,3 -dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 2,5-dimethyltetrahydrofuran, 2,5-dimethoxytetrahydrofuran, 2-ethoxytetrahydrofuran, 2-methyl-1,3- Dioxolane, 2-vinyl-1,3-dioxolane, 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, 2-methoxy-1,3-dioxolane, 2-ethyl-2-methyl-1,3 -dioxolane, tetrahydropyran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxy benzene, 1,3-dimethoxy benz
  • the electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention may contain a lithium salt.
  • the lithium salt is a material that is easily soluble in an organic solvent, and is LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiB(Ph) 4 , LiC 4 BO 8 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , LiSO 3 CH 3 , LiSO 3 CF 3 , LiSCN, LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(SO 2 F) 2 , lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carbonate, lithium tetraphenyl borate, and lithium imide, preferably selected from the group consisting of LiN(CF 3 SO 2 ) 2 (LiTFS
  • the concentration of the lithium salt depends on several factors, such as the precise composition of the mixture in the electrolyte, the solubility of the salt, the conductivity of the dissolved salt, the charging and discharging conditions of the battery, the operating temperature and other factors known in the lithium battery art, ranging from 0.1 to 0.1 5.0 M, preferably 0.2 to 3.0 M, more specifically 0.5 to 2.5 M. If less than 0.1 M is used, the conductivity of the electrolyte solution may be lowered, resulting in deterioration of electrolyte performance, and if it is used in excess of 5.0 M, the viscosity of the electrolyte solution may be increased and the mobility of lithium ions (Li + ) may be reduced.
  • the electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention may further include additives commonly used in the art in addition to the above-described composition.
  • additives commonly used in the art in addition to the above-described composition.
  • the method for preparing the electrolyte for a lithium secondary battery according to the present invention is not particularly limited in the present invention, and may be prepared by a conventional method known in the art.
  • a lithium secondary battery according to the present invention includes a cathode; cathode; a separator interposed between the anode and the cathode; and an electrolyte; and, as the electrolyte, an electrolyte for a lithium secondary battery according to the present invention is included.
  • the positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer coated on one or both surfaces of the positive electrode current collector.
  • the cathode current collector supports the cathode active material and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, palladium, calcined carbon, copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. may be used.
  • the cathode current collector may form fine irregularities on its surface to enhance bonding strength with the cathode active material, and various forms such as films, sheets, foils, meshes, nets, porous materials, foams, and nonwoven fabrics may be used.
  • the cathode active material layer may include a cathode active material, a binder, and a conductive material.
  • sulfePO 4
  • elemental sulfur, S 8 an organosulfur compound Li 2 S n (n ⁇ 1)
  • inorganic sulfur (S 8 ) may be used.
  • the lithium secondary battery of the present invention may be a lithium-sulfur battery.
  • sulfur included in the cathode active material does not have electrical conductivity alone, it is used in combination with a conductive material such as a carbon material. Accordingly, the sulfur is included in the form of a sulfur-carbon complex, and preferably, the cathode active material may be a sulfur-carbon complex.
  • the carbon included in the sulfur-carbon composite is a porous carbon material and provides a skeleton to which the sulfur can be uniformly and stably fixed, and complements the low electrical conductivity of sulfur so that the electrochemical reaction can proceed smoothly.
  • the porous carbon material may be generally prepared by carbonizing various carbon precursors.
  • the porous carbon material includes irregular pores therein, the average diameter of the pores is in the range of 1 to 200 nm, and the porosity or porosity may be in the range of 10 to 90% of the total volume of the porous carbon material. If the average diameter of the pores is less than the above range, the pore size is only at the molecular level, and sulfur impregnation is impossible. Not desirable.
  • the shape of the porous carbon material may be used without limitation as long as it is spherical, rod, needle, plate, tube, or bulk and is commonly used in lithium secondary batteries.
  • the porous carbon material may have a porous structure or a high specific surface area and may be any one commonly used in the art.
  • the porous carbon material includes graphite; graphene; Carbon black, such as Denka black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; carbon nanotubes (CNTs) such as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); carbon fibers such as graphite nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), and activated carbon fibers (ACF); graphite such as natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite; And it may be one or more selected from the group consisting of activated carbon, but is not limited thereto.
  • the manufacturing method of the sulfur-carbon composite is not particularly limited in the present invention, and a method commonly used in the art may be used.
  • the positive electrode may further include one or more additives selected from a transition metal element, a group IIIA element, a group IVA element, a sulfur compound of these elements, and an alloy of these elements and sulfur, in addition to the positive electrode active material.
  • the transition metal elements include Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au or Hg and the like are included, the IIIA group elements include Al, Ga, In, Tl, and the like, and the IVA group elements may include Ge, Sn, Pb, and the like.
  • the conductive material serves as a path for electrons to move from a current collector to the positive electrode active material by electrically connecting the electrolyte and the positive electrode active material, and any conductive material may be used without limitation.
  • the conductive material may include graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon blacks such as Super-P, Denka Black, Acetylene Black, Ketjen Black, Channel Black, Furnace Black, Lamp Black, and Summer Black; carbon derivatives such as carbon nanotubes and fullerenes; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; fluorinated carbon; A metal powder such as aluminum or nickel powder or a conductive polymer such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, or polypyrrole may be used alone or in combination.
  • graphite such as natural graphite and artificial graphite
  • carbon blacks such as Super-P, Denka Black, Acetylene Black, Ketjen Black, Channel Black, Furnace Black, Lamp Black, and Summer Black
  • carbon derivatives such as carbon nanotubes and fullerenes
  • conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers
  • fluorinated carbon A metal powder such as aluminum or nickel powder or a conductive
  • the binder maintains the positive electrode active material in the positive electrode current collector and organically connects the positive electrode active materials to further increase the bonding strength between them, and all binders known in the art may be used.
  • the binder may be a fluororesin-based binder including polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE); rubber-based binders including styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; cellulosic binders including carboxyl methyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, and regenerated cellulose; A polyalcohol-based binder including polyvinyl alcohol (PVA); A polyacrylic binder containing polyacrylic acid (PAA); polyolefin binders including polyethylene and polypropylene; polyimide-based binders; polyester-based binder; And a silane-based binder; one selected from the group consisting of, two or more mixtures or copolymers may be used.
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • PTFE polyte
  • the manufacturing method of the positive electrode is not particularly limited in the present invention, and a method commonly used in the art may be used.
  • the positive electrode may be manufactured by preparing a positive electrode slurry composition and then applying the positive electrode slurry composition to at least one surface of the positive electrode current collector.
  • the positive electrode slurry composition includes the above-described positive electrode active material, conductive material, and binder, and may further include a solvent other than that.
  • the solvent one capable of uniformly dispersing the cathode active material, the conductive material, and the binder is used.
  • water is most preferable as an aqueous solvent, and in this case, the water may be distilled water or deionized water.
  • a lower alcohol that can be easily mixed with water may be used.
  • the lower alcohol includes methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and butanol, and the like, preferably mixed with water.
  • the loading amount of sulfur in the positive electrode may be 1 to 10 mAh/cm 2 , preferably 1 to 6 mAh/cm 2 .
  • the negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer coated on one or both surfaces of the negative electrode current collector.
  • the negative electrode may be a lithium metal plate.
  • the anode current collector is for supporting the anode active material layer, and is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity. Copper, aluminum, stainless steel, zinc, titanium, silver, palladium, nickel, It may be selected from the group consisting of iron, chromium, alloys thereof, and combinations thereof.
  • the stainless steel may be surface-treated with carbon, nickel, titanium, or silver, and an aluminum-cadmium alloy may be used as the alloy, and in addition, calcined carbon, a non-conductive polymer surface-treated with a conductive material, or a conductive polymer can also be used. In general, a thin copper plate is applied as an anode current collector.
  • the anode active material layer may include a conductive material, a binder, and the like in addition to the anode active material.
  • the conductive material and the binder are as described above.
  • the anode active material is a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions (Li + ), a material capable of reacting with lithium ions to reversibly form a lithium-containing compound, lithium metal or a lithium alloy.
  • Li + lithium ions
  • the material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium ions may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof.
  • a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with the lithium ion (Li + ) may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon.
  • the lithium alloy is, for example, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium ( It may be an alloy of a metal selected from the group consisting of Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn).
  • the negative electrode active material may be lithium metal, and specifically, may be in the form of a lithium metal thin film or lithium metal powder.
  • the method of forming the negative electrode active material is not particularly limited, and a method of forming a layer or film commonly used in the art may be used. For example, methods such as compression, coating, and deposition may be used. In addition, a case in which a metal lithium thin film is formed on a metal plate by initial charging after assembling a battery in a state in which the lithium thin film is not present on the current collector is also included in the negative electrode of the present invention.
  • the electrolyte solution is used to cause an electrochemical oxidation or reduction reaction at the anode and the cathode through this, and follows the above description.
  • Injection of the electrolyte solution may be performed at an appropriate stage during the manufacturing process of the lithium secondary battery according to the manufacturing process and required physical properties of the final product. That is, it may be applied before assembling the lithium secondary battery or at the final stage of assembling.
  • a conventional separator may be interposed between the anode and the cathode.
  • the separator is a physical separator having a function of physically separating electrodes, and can be used without particular limitation as long as it is used as a normal separator, and in particular, has low resistance to ion movement of the electrolyte and excellent ability to wet the electrolyte. It is preferable.
  • the separator separates or insulates the positive electrode and the negative electrode from each other and enables lithium ion transport between the positive electrode and the negative electrode, and may be made of a porous non-conductive or insulating material.
  • the separator may be used without particular limitation as long as it is normally used as a separator in a lithium secondary battery.
  • the separator may be an independent member such as a film or may be a coating layer added to an anode and/or a cathode.
  • the separator may be made of a porous substrate.
  • a porous substrate any porous substrate commonly used in a lithium secondary battery may be used, and a porous polymer film may be used alone or in a laminated manner.
  • a high melting point A non-woven fabric or a polyolefin-based porous membrane made of glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc. may be used, but is not limited thereto.
  • the material of the porous substrate is not particularly limited in the present invention, and any porous substrate commonly used in lithium secondary batteries can be used.
  • the porous substrate may be a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, polyester such as polyethyleneterephthalate or polybutyleneterephthalate, or polyamide.
  • polyamide polyamide
  • polyacetal polycarbonate
  • polyimide polyetheretherketone
  • polyethersulfone polyphenyleneoxide
  • polyphenylene sulfide polyphenylenesulfide, polyethylenenaphthalate, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, cellulose, nylon (nylon), poly(p-phenylene benzobisoxazole), and polyarylate.
  • the thickness of the porous substrate is not particularly limited, but may be 1 to 100 ⁇ m, preferably 5 to 50 ⁇ m. Although the thickness range of the porous substrate is not limited to the aforementioned range, if the thickness is too thin than the aforementioned lower limit, mechanical properties may deteriorate and the separator may be easily damaged during use of the battery.
  • the average diameter and porosity of pores present in the porous substrate are also not particularly limited, but may be 0.1 to 50 ⁇ m and 10 to 95%, respectively.
  • the lithium secondary battery according to the present invention is capable of lamination and stacking and folding processes of a separator and an electrode in addition to winding, which is a general process.
  • the shape of the lithium secondary battery is not particularly limited and may be of various shapes such as a cylindrical shape, a laminated shape, and a coin shape.
  • LiTFSI lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide
  • An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the addition weight ratio of methyl trifluoroacetate as an additive was changed as shown in Table 1 below.
  • a cathode active material slurry was prepared by using water as a solvent and mixing a sulfur-carbon composite, a conductive material, and a binder as cathode active materials in a ratio of 87.5:5:7.5.
  • the sulfur-carbon composite was prepared by mixing sulfur and carbon nanotubes (CNT) at a weight ratio of 75:25.
  • the cathode active material slurry was applied to one surface of an aluminum current collector, dried at 100° C., and then rolled to prepare a cathode having a porosity of 68% and a loading amount of 5.6 mAh/cm 2 .
  • Lithium metal having a thickness of 45 ⁇ m was used as the negative electrode.
  • a polyethylene separator having a thickness of 16 ⁇ m and a porosity of 45% was interposed between the positive electrode and the negative electrode to prepare an electrode assembly. Thereafter, after placing the electrode assembly inside the case, a lithium-sulfur battery was manufactured by injecting the electrolyte solution for a lithium secondary battery of Preparation Example 1 into the case.
  • a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solutions of Preparation Examples 2 to 6 were used as the electrolyte for a lithium secondary battery.
  • a lithium-sulfur battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte of Preparation Example 7 was used as the electrolyte for a lithium secondary battery.
  • the ratio (%) of the discharge capacity in the corresponding cycle to the discharge capacity in the cycle starting 0.3C charge / 0.5C discharge was defined as retention and shown in FIG. 1, and also to evaluate the lifespan
  • the number of cycles when retention (%) reached 80% was shown in Table 3 below.
  • Example 1 Number of cycles to reach 80% retention (Cycle) Example 1 85
  • Example 2 158
  • Example 3 126
  • Example 4 110
  • Example 5 73
  • Example 6 51 Comparative Example 1 71
  • Example 2 containing 0.01 to 0.4% by weight of alkyl trifluoroacetate as an additive, it was confirmed that it had remarkably excellent lifespan characteristics by reaching 80% retention only after reaching 158 cycles.

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Abstract

본 발명은 리튬염, 유기용매 및 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 전해액에 있어서, 상기 첨가제는 화학식 1로 표시되는 화합물인 알킬 트리플루오로 아세테이트를 포함하는, 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

Description

리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
본 출원은 2021년 6월 25일자 한국 특허출원 제10-2021-0082887호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로서 포함한다.
본 발명은 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
이차전지가 활용되는 범위가 소형의 휴대형 전자기기부터 중대형의 전기 자동차(Electric vehicle; EV), 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS), 전기선박 등으로 확장되면서, 고 용량, 고 에너지 밀도 및 긴 수명을 갖는 리튬 이차전지에 대한 수요가 급증하고 있다.
리튬 금속은 이론적으로 3,860mAh/g의 매우 높은 비용량(Specific capacity)을 가지며, 음극재로써 전위가 낮고, 밀도가 매우 작다는 점에서, 전지의 음극으로 사용하려는 다양한 시도가 있어 왔다.
그 중에서도 리튬-황 이차전지는 'S-S 결합(Sulfur-Sulfur Bond)'을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 전지 시스템을 의미한다. 상기 양극 활물질의 주재료인 황은 낮은 원자당 무게를 가지면서도 자원이 풍부하여, 수급이 용이할 뿐 아니라 가격이 저렴하여 전지의 제조단가를 낮출 수 있고, 독성이 없어 환경 친화적이라는 점에서 특성을 가진다.
특히, 리튬-황 이차전지는 이론 방전용량이 1,675mAh/g-sulfur이며, 이론상으로는 무게 대비 2,600Wh/kg의 높은 에너지 저장 밀도를 구현할 수 있어, 현재 연구되고 있는 다른 전지 시스템 (Ni-MH 전지: 450 Wh/kg, Li-FeS 전지: 480 Wh/kg, Li-MnO2 전지: 1,000 Wh/kg, Na-S 전지: 800 Wh/kg) 및 리튬 이온 전지(250 Wh/kg)의 이론 에너지 밀도에 비하여 매우 높은 수치를 가지기 때문에 현재까지 개발되고 있는 중대형의 이차전지 시장에서 큰 주목을 받고 있다.
상기 리튬 이차전지의 수명에 영향을 미치는 요인으로 리튬 음극의 퇴화를 들 수 있으며, 이는 양극 활물질과의 반응이나 전해액과의 반응 등이 원인이 되어 발생할 수 있다. 상기 음극의 퇴화는 결과적으로 덴드라이트를 형성시키고 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency, C.E)을 저하시키는 문제점이 지적되어 왔다. 특히 덴드라이트가 1차원의 형태로 형성되면 기공을 포함하는 분리막을 통하여 Internal short circuit이 발생하여, 전해액의 연소에 따른 안전이나 수명 감소의 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 덴드라이트 현상에 따른 리튬 이차전지의 문제점을 개선하기 위하여, 음극 표면에 균일하게 리튬을 증착(plating) 및 박리(stripping)시켜 덴드라이트의 형성을 억제하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0009994호 "리튬-황 배터리용 전해질 첨가제"
본 발명자들은 상기 문제를 해결하기 위하여, 리튬 이차전지용 전해액에 대하여 첨가제인 알킬 트리플루오로 아세테이트(Alkyl trifluoro acetate)를 첨가하여, 전지의 수명 및 효율을 개선시킨 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면,
리튬염, 유기용매 및 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 전해액에 있어서, 상기 첨가제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 리튬 이차전지용 전해액을 제공한다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2022005798-appb-img-000001
상기 화학식 1에 있어서, R은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C60의 알킬기이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 R은 메틸기; 에틸기; n-프로필기; 이소프로필기; n-부틸기; 이소부틸기; tert-부틸기; sec-부틸기; 1-메틸-부틸기; 1-에틸-부틸기; n-펜틸기; 이소펜틸기; 네오펜틸기; tert-펜틸기; n-헥실기; 1-메틸펜틸기; 2-메틸펜틸기; 4-메틸-2-펜틸기; 3,3-디메틸부틸기; 및 2-에틸부틸기;로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 R은 메틸기; 에틸기; n-프로필기; 이소프로필기; n-부틸기; 이소부틸기; tert-부틸기; 및 sec-부틸기;로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리튬 이차전지용 전해액은 전해액 총 중량 대비 0.01 내지 0.9 중량%의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리튬 이차전지용 전해액은 전해액 총 중량 대비 0.01 내지 0.4 중량%의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 메틸 트리플루오로 아세테이트이고, 상기 리튬 이차전지용 전해액은 전해액 총 중량 대비 0.01 내지 0.8 중량%의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 메틸 트리플루오로 아세테이트이고, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 1H-NMR(300MHz, CDCl3, 표준물질 TMS) 스펙트럼에서, 3.95 ppm 내지 4.00 ppm의 범위에서 1개의 피크가 나타나는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 에틸 트리플루오로 아세테이트이고, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 1H-NMR(300MHz, CDCl3, 표준물질 TMS) 스펙트럼에서, 1.31 ppm 내지 1.50 ppm의 범위에서 3개의 피크 및 4.25 ppm 내지 4.55 ppm 범위에서 4개의 피크가 나타나는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리튬 이차전지용 전해액은 리튬-황 전지용 전해액인 것일 수 있다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면,
양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 전해액을 포함하는, 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 리튬-황 전지인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 알킬 트리플루오로 아세테이트를 전해액 내 첨가제로 포함하여 리튬계 금속인 음극 표면에서 효율적인 증착(plating) 및 박리(stripping) 과정을 통하여, 덴트라이트의 생성을 억제하여 리튬 이차전지의 수명 특성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 알킬 트리플루오로 아세테이트를 전해액 내 첨가제로 포함하여 프레시(fresh)한 상태의 리튬에 노출될 때 보호막(-CF3 또는 -F Layer)을 형성하여 덴트라이트 생성을 억제할 수 있고, 방전 시 생성되는 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide)와의 화학적 상호작용(chemical interaction)을 통한 용해도(solubility) 상승으로 활용도(utilization) 증대, 리튬 음극의 보호 및 리튬 폴리설파이드의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 제조된 리튬 이차전지의 수명 특성을 평가한 결과에 대한 그래프이다.
본 발명에 따라 제공되는 구체예는 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다.
본 명세서에서 사용되고 있는 용어 "치환"은 화합물의 탄소 원자에 결합된 수소 원자가 다른 치환기로 바뀌는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 치환기가 치환 가능한 위치라면 한정하지 않으며, 2 이상 치환되는 경우, 2 이상의 치환기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서 사용되고 있는 용어 "치환 또는 비치환"의 임의의 치환기로서는 중수소; 할로겐; 시아노기; 탄소수 1 내지 60의 알킬기; 탄소수 2 내지 60의 알케닐기; 탄소수 2 내지 60의 알키닐기; 탄소수 3 내지 60의 시클로알킬기; 탄소수 2 내지 60의 헤테로시클로알킬기; 탄소수 5 내지 60의 아릴기; 탄소수 2 내지 60의 헤테로아릴기; 탄소수 1 내지 60의 알콕시기; 탄소수 5 내지 60의 아릴옥시기; 탄소수 1 내지 60의 알킬실릴기; 및 탄소수 6 내지 60의 아릴실릴기로 이루어진 군으로부터 선택된 1 이상의 치환기일 수 있고, 치환기가 복수인 경우에는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
리튬 이차전지용 전해액
본 발명에 따른 리튬염, 유기용매 및 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 전해액에 있어서, 상기 첨가제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 리튬 이차전지용 전해액을 제공한다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2022005798-appb-img-000002
상기 화학식 1에 있어서, R은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C60의 알킬기이다.
상기 리튬 이차전지용 전해액에 대하여 첨가제로 상기 화학식 1로 표시되는 화합물인 알킬 트리플루오로 아세테이트(alkyl trifluoro acetate)를 포함함으로써, 음극으로 사용되는 리튬계 금속 표면 상에서 화학적으로 안정하고 균일하게 증착(plating) 및 박리(stripping)되는 과정을 통해 리튬 이차전지의 수명 및 효율 특성을 개선시키는 효과가 나타날 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물인 알킬 트리플루오로 아세테이트는, 충·방전시에 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI)와 같은 프레시(fresh)한 상태의 리튬에 노출될 때 보호막(-CF3 또는 -F Layer)을 형성하여 덴트라이트 생성을 억제할 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지용 전해액은 바람직하게는 리튬-황 전지용 전해액일 수 있다. 그에 따라, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물인 알킬 트리플루오로 아세테이트는, 리튬-황 전지의 방전 시 생성되는 리튬 폴리설파이드(Lithium polysulfide)와의 화학적 상호작용(chemical interaction), 예를 들어 친핵성 반응(nucleophilic reaction) 또는 알킬화(alkylation)를 통해, 용해도(solubility)가 상승되어 활용도(utilization) 증대, 리튬 음극의 보호 및 리튬 폴리설파이드의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 명세서상에서 '프레시(fresh)한 상태의 리튬'은 '순수(pure) 리튬'으로 정의될 수 있다.
상기 R은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C60의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C1 내지 C40의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기일 수 있다.
상기 R은 메틸기; 에틸기; n-프로필기; 이소프로필기; n-부틸기; 이소부틸기; tert-부틸기; sec-부틸기; 1-메틸-부틸기; 1-에틸-부틸기; n-펜틸기; 이소펜틸기; 네오펜틸기; tert-펜틸기; n-헥실기; 1-메틸펜틸기; 2-메틸펜틸기; 4-메틸-2-펜틸기; 3,3-디메틸부틸기; 및 2-에틸부틸기;로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
상기 R은 메틸기; 에틸기; n-프로필기; 이소프로필기; n-부틸기; 이소부틸기; tert-부틸기; sec-부틸기; 1-메틸-부틸기; 1-에틸-부틸기; n-펜틸기; 이소펜틸기; 네오펜틸기; 및 tert-펜틸기;로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
상기 R은 메틸기; 에틸기; n-프로필기; 이소프로필기; n-부틸기; 이소부틸기; tert-부틸기; 및 sec-부틸기;로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
상기 R은 메틸기; 에틸기; n-프로필기; 및 이소프로필기;로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
상기 R은 메틸기; 또는 에틸기;일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 메틸 트리플루오로 아세테이트(methyl trifluoro acetate), 에틸 트리플루오로 아세테이트(ethyl trifluoro acetate), 프로필 트리플루오로 아세테이트(propyl trifluoro acetate), 부틸 트리플루오로 아세테이트(butyl trifluoro acetate), 펜틸 트리플루오로 아세테이트(pentyl trifluoro acetate), 헥실 트리플루오로 아세테이트(hexyl trifluoro acetate) 및 이소프로필 트리플루오로 아세테이트(isopropyl trifluoro acetate)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고 바람직하게는 메틸 트리플루오로 아세테이트(methyl trifluoro acetate) 또는 에틸 트리플루오로 아세테이트(ethyl trifluoro acetate)일 수 있고, 더 바람직하게는 메틸 트리플루오로 아세테이트(methyl trifluoro acetate)일 수 있다.
상기 리튬 이차전지용 전해액은 전해액 총 중량 대비 0.01 중량% 이상, 0.02 중량% 이상, 0.03 중량% 이상, 0.04 중량% 이상, 0.05 중량% 이상, 0.06 중량% 이상, 0.07 중량% 이상, 0.08 중량% 이상, 0.09 중량% 이상, 0.1 중량% 이상의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있고, 0.9 중량% 이하, 0.8 중량% 이하, 0.7 중량% 이하, 0.6 중량% 이하, 0.5 중량% 이하, 0.4 중량% 이하, 0.3 중량% 이하, 0.2 중량% 이하의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다. 상기 리튬 이차전지용 전해액이 전해액 총 중량 대비 0.01 중량% 미만의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다면, 첨가되는 양이 매우 적어 리튬 증착(plating) 및 박리(stripping)를 균일하게 일으키기 위하여 알킬 트리플루오로 아세테이트 첨가제를 투입함에 따른 목적한 기능을 발휘하지 못하며, 전지의 수명이 증가되는 효과가 미미할 수 있다. 반면, 상기 리튬 이차전지용 전해액이 전해액 총 중량 대비 0.9 중량%를 초과하는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다면, 전해액의 점도 상승을 유발하며, 폴리설파이드와 화학적 반응(chemical reaction)을 통해 전지 성능을 저하시키는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 메틸 트리플루오로 아세테이트이고, 상기 리튬 이차전지용 전해액은 전해액 총 중량 대비 0.01 내지 0.9 중량%의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 메틸 트리플루오로 아세테이트일 수 있고, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 1H-NMR(300MHz, CDCl3, 표준물질 TMS) 스펙트럼에서, 3.95 ppm 내지 4.00 ppm의 범위에서 1개의 피크가 나타날 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 에틸 트리플루오로 아세테이트일 수 있고, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 1H-NMR(300MHz, CDCl3, 표준물질 TMS) 스펙트럼에서, 1.31 ppm 내지 1.50 ppm의 범위에서 3개의 피크 및 4.25 ppm 내지 4.55 ppm 범위에서 4개의 피크가 나타날 수 있다.
즉, 본 발명에서 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 1H-NMR 스펙트럼에서 상기의 고유한 피크를 나타낼 수 있고, 이를 통해 리튬 이차전지용 전해액 내 상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 첨가제로 포함된 것을 확인할 수 있다. 반면, 리튬 이차전지용 전해액에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하지 않은 경우에는 상기 1H-NMR 피크가 나타날 수 없다.
상기 유기 용매는 선형 에테르 화합물, 고리형 에테르 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
상기 선형 에테르 화합물은 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 디부틸 에테르, 디이소부틸 에테르, 에틸메틸 에테르, 에틸프로필 에테르, 에틸터트부틸 에테르, 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 디메톡시프로판, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디에틸렌글리콜 디비닐에테르, 트리에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디프로필렌 글리콜 디메틸렌 에테르, 부틸렌 글리콜 에테르, 디에틸렌글리콜 에틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 이소프로필메틸에테르, 디에틸렌글리콜 부틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 터트부틸에틸에테르, 에틸렌글리콜 에틸메틸에테르 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
상기 고리형 에테르 화합물은 1,3-디옥솔란, 4,5-디메틸-디옥솔란, 4,5-디에틸-디옥솔란, 4-메틸-1,3-디옥솔란, 4-에틸-1,3-디옥솔란, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 2,5-디메틸테트라하이드로퓨란, 2,5-디메톡시테트라하이드로퓨란, 2-에톡시테트라하이드로퓨란, 2-메틸-1,3-디옥솔란, 2-비닐-1,3-디옥솔란, 2,2-디메틸-1,3-디옥솔란, 2-메톡시-1,3-디옥솔란, 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥솔란, 테트라하이드로파이란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시 벤젠, 1,3-디메톡시 벤젠, 1,4-디메톡시 벤젠, 아이소소바이드 디메틸 에테르(isosorbide dimethyl ether) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지용 전해액은 리튬염을 포함할 수 있다. 상기 리튬염은 유기 용매에 용해되기 좋은 물질로써, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiB(Ph)4, LiC4BO8, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiSO3CH3, LiSO3CF3, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SO2F)2, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 테트라 페닐 붕산 리튬 및 리튬 이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있고, 바람직하게는 LiN(CF3SO2)2(LiTFSI)일 수 있다.
상기 리튬염의 농도는, 전해액에 포함된 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 배터리 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 0.1 ~ 5.0 M, 바람직하게는 0.2 ~ 3.0 M, 더욱 구체적으로 0.5 ~ 2.5 M일 수 있다. 0.1 M 미만으로 사용하면 전해액의 전도도가 낮아져서 전해액 성능이 저하될 수 있고, 5.0 M을 초과하여 사용하면 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온(Li+)의 이동성이 감소될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지용 전해액은 전술한 조성 이외에 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 일례로, 질산리튬(LiNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산세슘(CsNO3), 질산마그네슘(MgNO3), 질산바륨(BaNO3), 아질산리튬(LiNO2), 아질산칼륨(KNO2), 아질산세슘(CsNO2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 전해액의 제조방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 당업계에서 공지된 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다.
리튬 이차전지
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막; 및 전해액;을 포함하며, 상기 전해액으로서 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 전해액을 포함한다.
상기 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극 집전체는 양극 활물질을 지지하며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 팔라듐, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 메쉬, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 전이금속 산화물이 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, LiCo1-yMnyO2, LiNi1-yMnyO2(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4, LiMn2-zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 황 화합물을 포함하고, 상기 황 화합물은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 유기황 화합물 Li2Sn(n≥1) 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥2) 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 사용할 수 있다.
상기 양극 활물질이 황 화합물을 포함함에 따라, 본 발명의 리튬 이차전지는 리튬-황 전지일 수 있다.
상기 양극 활물질에 포함되는 황의 경우 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 탄소재와 같은 전도성 소재와 복합화하여 사용된다. 이에 따라, 상기 황은 황-탄소 복합체의 형태로 포함되며, 바람직하기로, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체일 수 있다.
상기 황-탄소 복합체에 포함되는 탄소는 다공성 탄소재로 상기 황이 균일하고 안정적으로 고정될 수 있는 골격을 제공하며, 황의 낮은 전기 전도도를 보완하여 전기화학적 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다.
상기 다공성 탄소재는 일반적으로 다양한 탄소 재질의 전구체를 탄화시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 다공성 탄소재는 내부에 일정하지 않은 기공을 포함하며, 상기 기공의 평균 직경은 1 내지 200 ㎚ 범위이며, 기공도 또는 공극률은 다공성 탄소재 전체 체적의 10 내지 90 % 범위일 수 있다. 만일 상기 기공의 평균 직경이 상기 범위 미만인 경우 기공 크기가 분자 수준에 불과하여 황의 함침이 불가능하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 다공성 탄소재의 기계적 강도가 약화되어 전극의 제조공정에 적용하기에 바람직하지 않다.
상기 다공성 탄소재의 형태는 구형, 봉형, 침상형, 판상형, 튜브형 또는 벌크형으로 리튬 이차전지에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 다공성 탄소재는 다공성 구조이거나 비표면적이 높은 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이든 무방하다. 예를 들어, 상기 다공성 탄소재로는 그래파이트(graphite); 그래핀(graphene); 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT) 등의 탄소 나노튜브(CNT); 그라파이트 나노파이버(GNF), 카본 나노파이버(CNF), 활성화 탄소 파이버(ACF) 등의 탄소 섬유; 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연 등의 흑연; 및 활성탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 황-탄소 복합체의 제조방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 당 업계에서 통상적으로 사용되는 방법이 사용될 수 있다.
상기 양극은 상기 양극 활물질 이외에 전이금속 원소, ⅢA족 원소, ⅣA족 원소, 이들 원소들의 황 화합물, 및 이들 원소들과 황의 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 전이금속 원소로는 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au 또는 Hg 등이 포함되고, 상기 ⅢA족 원소로는 Al, Ga, In, Tl 등이 포함되며, 상기 ⅣA족 원소로는 Ge, Sn, Pb 등이 포함될 수 있다.
상기 도전재는 전해액과 양극 활물질을 전기적으로 연결시켜 주어 집전체(current collector)로부터 전자가 양극 활물질까지 이동하는 경로의 역할을 하는 물질로서, 도전성을 갖는 것이라면 제한없이 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 도전재로는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 슈퍼 P(Super-P), 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 탄소 나노튜브, 플러렌 등의 탄소 유도체; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말 또는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 전도성 고분자를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질을 양극 집전체에 유지시키고, 양극 활물질 사이를 유기적으로 연결시켜 이들 간의 결착력을 보다 높이는 것으로, 당해 업계에서 공지된 모든 바인더를 사용할 수 있다.
예를 들어 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더; 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더; 카르복시메틸셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC), 전분, 히드록시 프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오스를 포함하는 셀룰로오스계 바인더; 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA)을 포함하는 폴리 알코올계 바인더; 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA)을 포함하는 폴리아크릴계 바인더; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더; 폴리 이미드계 바인더; 폴리 에스테르계 바인더; 및 실란계 바인더;로 이루어진 군으로부터 선택된 1종, 2종 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수 있다.
상기 양극의 제조방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 당 업계에서 통상적으로 사용되는 방법이 사용될 수 있다. 일례로, 상기 양극은 양극 슬러리 조성물을 제조한 후, 이를 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 도포함으로써 제조된 것일 수 있다.
상기 양극 슬러리 조성물은 전술한 바의 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며, 이외 용매를 더 포함할 수 있다.
상기 용매로는 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 균일하게 분산시킬 수 있는 것을 사용한다. 이러한 용매로는 수계 용매로서 물이 가장 바람직하며, 이때 물은 증류수(distilled water), 탈이온수(deionzied water)일 수 있다. 다만 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 필요한 경우 물과 쉽게 혼합이 가능한 저급 알코올이 사용될 수 있다. 상기 저급 알코올로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 및 부탄올 등이 있으며, 바람직하기로 이들은 물과 함께 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 양극에서 황의 로딩량은 1 내지 10 mAh/cm2, 바람직하게는 1 내지 6 mAh/cm2 일 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 또는 상기 음극은 리튬 금속판일 수 있다.
상기 음극 집전체는 음극 활물질층의 지지를 위한 것으로, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특히 제한하지 않으며, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 아연, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 철, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 스테인리스 스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금을 사용할 수 있고, 그 외에도 소성 탄소, 도전재로 표면 처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수도 있다. 일반적으로 음극 집전체로는 구리 박판을 적용한다.
또한, 그 형태는 표면에 미세한 요철이 형성된/미형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질층은 음극 활물질 이외에 도전재, 바인더 등을 포함할 수 있다. 이때 상기 도전재 및 바인더는 전술한 바를 따른다.
상기 음극 활물질은 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 삽입(intercalation) 또는 탈삽입(deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함할 수 있다.
상기 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 삽입 또는 탈삽입할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬(Li)과 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다.
바람직하게 상기 음극 활물질은 리튬 금속일 수 있으며, 구체적으로, 리튬 금속 박막 또는 리튬 금속 분말의 형태일 수 있다.
상기 음극 활물질의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 층 또는 막의 형성방법을 이용할 수 있다. 예컨대 압착, 코팅, 증착 등의 방법을 이용할 수 있다. 또한, 집전체에 리튬 박막이 없는 상태로 전지를 조립한 후 초기 충전에 의해 금속판 상에 금속 리튬 박막이 형성되는 경우도 본 발명의 음극에 포함된다.
상기 전해액은 이를 매개로 상기 양극과 음극에서 전기화학적 산화 또는 환원 반응을 일으키기 위한 것으로, 상기 전술한 바를 따른다.
상기 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 리튬 이차전지의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 리튬 이차전지의 조립 전 또는 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
상기 양극과 음극 사이는 통상적인 분리막이 개재될 수 있다. 상기 분리막은 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서, 통상의 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해액의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.
또한 상기 분리막은 상기 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키고, 양극과 음극 사이에 리튬 이온 수송을 가능하게 하는 것으로 다공성 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 분리막은 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용 가능하다. 상기 분리막은 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수도 있다.
상기 분리막은 다공성 기재로 이루어질 수 있는데 상기 다공성 기재는 통상적으로 리튬 이차전지에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 예를 들어, 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포 또는 폴리올레핀계 다공성 막을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 다공성 기재의 재질로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않고, 통상적으로 리튬 이차전지에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하다. 예를 들어, 상기 다공성 기재는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 폴리올레핀(polyolefin), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate) 등의 폴리에스테르(polyester), 폴리아미드(polyamide), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalate), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 셀룰로오스(cellulose), 나일론(nylon), 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(poly(p-phenylene benzobisoxazole) 및 폴리아릴레이트(polyarylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함할 수 있다.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 5 내지 50 ㎛일 수 있다. 상기 다공성 기재의 두께 범위가 전술한 범위로 한정되는 것은 아니지만, 두께가 전술한 하한보다 지나치게 얇을 경우에는 기계적 물성이 저하되어 전지 사용 중 분리막이 쉽게 손상될 수 있다.
상기 다공성 기재에 존재하는 기공의 평균 직경 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.1 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.
상기 리튬 이차전지의 형상은 특별히 제한되지 않으며 원통형, 적층형, 코인형 등 다양한 형상으로 할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 : 리튬-황 전지의 제조
리튬-황 전지용 전해액의 제조: 제조예 1 내지 7
[제조예 1]
유기용매인 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane)과 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane)을 1:1의 부피비(v/v)로 혼합 및 첨가제로 메틸 트리플루오로 아세테이트(methyl trifluoro acetate) 0.005중량%를 첨가하고, 1M의 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI)와 1중량%의 LiNO3을 용해시켜 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
[제조예 2 내지 7]
첨가제인 메틸 트리플루오로 아세테이트의 첨가 중량비를 하기 표 1과 같이 달리하는 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.
첨가제 종류 중량비
(전해액 총 중량 대비 중량%)
제조예 1 메틸 트리플루오로 아세테이트 0.005
제조예 2 0.1
제조예 3 0.5
제조예 4 0.7
제조예 5 0.9
제조예 6 1.0
제조예 7 -
리튬-황 전지의 제조: 실시예 1 내지 6 및 비교예 1
[실시예 1]
물을 용매로 하고, 양극 활물질로 황-탄소 복합체, 도전재 및 바인더를 87.5:5:7.5의 비율로 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때, 황-탄소 복합체는, 황과 탄소나노튜브(CNT)를 75:25의 중량비로 혼합하여 제조하였다. 또한 도전재로는 덴카블랙을, 바인더로는 스티렌-부타디엔 고무/카르복시메틸 셀룰로오스(SBR:CMC=70:30, 중량비)를 혼합하여, 양극 활물질 슬러리 조성물을 제조하였다.
상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 후, 100℃에서 건조 후 압연하여 기공도 68% 및 로딩량 5.6mAh/cm2의 양극을 제조하였다.
음극으로는 두께 45μm의 리튬 금속을 사용하였다.
상기 제조된 양극과 음극을 대면하도록 위치시킨 후에, 두께 16μm 및 기공도 45%의 폴리에틸렌 분리막을 양극과 음극 사이에 게재하여 전극 조립체를 제조하였다. 이후, 상기 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후, 케이스 내부로 상기 제조예 1의 리튬 이차전지용 전해액을 주입하여 리튬-황 전지를 제조하였다.
[실시예 2 내지 6]
리튬 이차전지용 전해액으로 상기 제조예 2 내지 6의 전해액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지를 제조하였다.
[비교예 1]
리튬 이차전지용 전해액으로 상기 제조예 7의 전해액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬-황 전지를 제조하였다.
사용한 전해액
실시예 1 제조예 1
실시예 2 제조예 2
실시예 3 제조예 3
실시예 4 제조예 4
실시예 5 제조예 5
실시예 6 제조예 6
비교예 1 제조예 7
실험예 1 : 전지의 수명특성 평가
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 의해 제조된 리튬-황 전지에 대하여, 충/방전 사이클 반복을 통하여 전지의 수명 특성을 평가하였다. 평가 결과는 하기 표 3 및 도 1에 나타내었다.
구체적으로, 리튬-황 전지에 대하여 25℃의 전지 구동 온도조건에서 CC모드로 0.1C로 1.8V까지 방전 및 0.1C로 2.5V까지 충전을 2회 반복한 후, 0.2C로 충전 및 방전을 1회 반복하고, 0.3C 충전 / 0.5C 방전을 200 사이클까지 반복하여 전지의 수명특성을 평가하였다.
상기 전지 수명특성 평가에서는 0.3C 충전 / 0.5C 방전을 시작하는 사이클에서의 방전용량 대비 해당 사이클에서의 방전용량의 비율(%)을 Retention으로 정의하고 도 1에 나타내었으며, 또한 수명을 평가하기 위하여 Retention(%)이 80%가 되었을 때 사이클 수를 하기 표 3과 같이 나타내었다.
80% retention에 도달하는 사이클 수(Cycle)
실시예 1 85
실시예 2 158
실시예 3 126
실시예 4 110
실시예 5 73
실시예 6 51
비교예 1 71
상기 표 3 및 도 1의 결과를 통하여, 전해액 첨가제로 알킬 트리플루오로 아세테이트를 일정 범위 내 중량비로 포함하는 리튬-황 전지의 경우 사이클이 반복되더라도 용량 유지율이 높게 유지되는 우수한 수명특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 실시예 2 내지 5와 같이 전해액 총 중량 대비 0.01 내지 0.9 중량%의 알킬 트리플루오로 아세테이트를 전해액 첨가제로 첨가하는 경우에는 리튬 음극 표면에서 효율적인 박리(stripping)/증착(plating)과정이 진행되어, 적어도 73 사이클에 도달해서야 80%의 Retention에 도달하는 것을 알 수 있었다. 특히 실시예 2 내지 4와 같이 0.01 내지 0.8 중량%의 알킬 트리플루오로 아세테이트를 첨가제로 첨가한 경우에는 110 사이클에 도달해서야 80%의 Retention에 도달한 것을 알 수 있었다.
반면, 비교예 1과 같이 전해액 내 알킬 트리플루오로 아세테이트 첨가제를 전혀 첨가하지 않은 리튬-황 전지의 경우, 71 사이클 이전에 이미 80% Retention에 도달하여 용량유지율이 상대적으로 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 전해액에 알킬 트리플루오로 아세테이트를 첨가하더라도, 첨가량이 0.9 중량%를 초과하는 실시예 6의 경우에는 51 사이클 이전에 이미 80% Retention에 도달하여 충·방전에 따른 용량 유지율이 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
특히, 첨가제로 알킬 트리플루오로 아세테이트를 0.01 내지 0.4중량%로 포함하는 실시예 2의 경우에는 158 사이클에 도달한 이후에야 80% Retention에 도달하여 현저히 우수한 수명특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2 : 1H-NMR 스펙트럼 측정
실시예 1 내지 6 및 비교예 1을 통해 제조된 리튬-황 전지용 전해액 내 상기 화학식 1로 표시되는 화합물인 알킬 트리플루오로 아세테이트가 포함되었는지 여부를 확인하기 위하여, 1H-NMR(300MHz, CDCl3, 표준물질 TMS) 스펙트럼을 측정하였다.
1H-NMR(300MHz, CDCl3, 표준물질 TMS)
실시예 1 내지 6 3.95~4.00(m, 3H)
비교예 1 -
상기 표 4의 1H-NMR Peak를 통하여, 실시예 1 내지 6의 리튬-황 전지용 전해액은 메틸 트리플루오로 아세테이트를 첨가제로 포함한 것을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 1의 1H-NMR 스펙트럼은 상기 1H-NMR Peak를 나타내지 않는 점에서, 리튬-황 전지용 전해액 내 메틸 트리플루오로 아세테이트 첨가제를 포함하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것이며, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (11)

  1. 리튬염, 유기용매 및 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 전해액에 있어서,
    상기 첨가제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 리튬 이차전지용 전해액:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2022005798-appb-img-000003
    상기 화학식 1에 있어서, R은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C60의 알킬기이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 R은 메틸기; 에틸기; n-프로필기; 이소프로필기; n-부틸기; 이소부틸기; tert-부틸기; sec-부틸기; 1-메틸-부틸기; 1-에틸-부틸기; n-펜틸기; 이소펜틸기; 네오펜틸기; tert-펜틸기; n-헥실기; 1-메틸펜틸기; 2-메틸펜틸기; 4-메틸-2-펜틸기; 3,3-디메틸부틸기; 및 2-에틸부틸기;로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 리튬 이차전지용 전해액.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 R은 메틸기; 에틸기; n-프로필기; 이소프로필기; n-부틸기; 이소부틸기; tert-부틸기; 및 sec-부틸기;로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 리튬 이차전지용 전해액.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬 이차전지용 전해액은 전해액 총 중량 대비
    0.01 내지 0.9 중량%의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 리튬 이차전지용 전해액.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬 이차전지용 전해액은 전해액 총 중량 대비
    0.01 내지 0.4 중량%의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 리튬 이차전지용 전해액.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 메틸 트리플루오로 아세테이트이고,
    상기 리튬 이차전지용 전해액은 전해액 총 중량 대비 0.01 내지 0.8 중량%의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 리튬 이차전지용 전해액.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 메틸 트리플루오로 아세테이트이고,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 1H-NMR(300MHz, CDCl3, 표준물질 TMS) 스펙트럼에서, 3.95 ppm 내지 4.00 ppm의 범위에서 1개의 피크가 나타나는 것인, 리튬 이차전지용 전해액.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 에틸 트리플루오로 아세테이트이고,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 1H-NMR(300MHz, CDCl3, 표준물질 TMS) 스펙트럼에서, 1.31 ppm 내지 1.50 ppm의 범위에서 3개의 피크 및 4.25 ppm 내지 4.55 ppm 범위에서 4개의 피크가 나타나는 것인, 리튬 이차전지용 전해액.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬 이차전지용 전해액은 리튬-황 전지용 전해액인, 리튬 이차전지용 전해액.
  10. 양극;
    음극;
    상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 항의 전해액을 포함하는, 리튬 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 리튬 이차전지는 리튬-황 전지인, 리튬 이차전지.
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