WO2023182647A1 - 리튬 이차 전지용 유기 용매, 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액 및 리튬 이차 전지 - Google Patents

리튬 이차 전지용 유기 용매, 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액 및 리튬 이차 전지 Download PDF

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secondary battery
organic solvent
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compound
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박종억
이진서
정승영
백용구
고경준
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주식회사 테크늄
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Definitions

  • the present invention relates to an organic solvent for lithium secondary batteries, an electrolyte solution for lithium secondary batteries containing the same, and a lithium secondary battery.
  • a positive electrode active material that can operate at high voltage can improve the energy density of a lithium secondary battery.
  • the organic solvent in the electrolyte solution may easily oxidize and decompose to generate gas or continuously form by-products on the surface of the anode. Accordingly, the performance (eg, lifespan characteristics, etc.) of the lithium secondary battery may deteriorate.
  • transition metals eg, Ni, Co, Mn, etc.
  • the positive electrode active material may easily be eluted, destroying the structure of the positive electrode active material. Accordingly, the capacity of the lithium secondary battery may decrease, and the eluted metal ions may be electrodeposited on the negative electrode, thereby increasing the internal resistance of the lithium secondary battery.
  • thermal runaway may more easily occur.
  • the above-mentioned phenomena may worsen, and the performance of the lithium secondary battery may further deteriorate.
  • carbonate-based solvents are mainly used as organic solvents for the electrolyte solution of lithium secondary batteries.
  • carbonate-based solvents are mainly used as organic solvents for the electrolyte solution of lithium secondary batteries.
  • chemical stability and flame retardancy at high voltage are low.
  • fluorine-containing carbonate-based organic solvents are used as flame retardant solvents.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 10-2007-7021086 discloses a fluorine-containing linear carbonate-based organic solvent.
  • One object of the present invention is to provide an organic solvent for lithium secondary batteries with improved operational and chemical stability.
  • the aim is to provide an organic solvent for lithium secondary batteries that has excellent chemical stability even under high voltage operating conditions and has high solubility in lithium salts.
  • One object of the present invention is to provide an electrolyte solution for lithium secondary batteries with improved operational and chemical stability.
  • One object of the present invention is to provide a lithium secondary battery with improved operational stability and lifespan characteristics.
  • the organic solvent for a lithium secondary battery may include a compound represented by Chemical Formula 1.
  • R 1 is a C 3 -C 7 cyclic ether group
  • R 2 is a fluorine-containing C 1 -C 10 alkyl group or a fluorine-containing C 2 -C 10 alkenyl group
  • L 1 and L 2 may independently be a C1-C6 alkylene group or a C2-C6 alkenylene group.
  • R 1 may be represented by Formula 2-1.
  • n is an integer from 1 to 3, and * may refer to a bond.
  • R 1 may be represented by Formula 2-2.
  • m is an integer from 1 to 3, and * may refer to a bond.
  • R 2 can contain 2 to 17 fluorine atoms.
  • R 2 may further contain at least one of a nitrile group and a vinyl group.
  • L 1 and L 2 may independently be an alkylene group of C 1 -C 3 .
  • L 1 may be a methylene group.
  • R 1 is represented by Formula 2-2, m is 1, L 1 is a methylene group, and L 2 may be a methylene group or an ethylene group.
  • the content of the compound represented by Formula 1 may be 30 to 90% by volume of the total volume of the organic solvent.
  • the organic solvent may further include a carbonate-based solvent.
  • Electrolyte solutions for lithium secondary batteries may include lithium salt and the organic solvent.
  • the electrolyte solution is an additive containing at least one of a fluorine-containing cyclic carbonate-based compound, a fluorine-containing phosphate-based compound, a cyclic carbonate-based compound having a double bond, a sultone-based compound, a borate-based compound, and a cyclic sulfate-based compound. It may further include.
  • the content of the additive may be 0.1 to 30% by weight of the total weight of the electrolyte solution.
  • a lithium secondary battery may include an electrode assembly including a positive electrode and a negative electrode, the electrolyte solution, and a case accommodating the electrode assembly and the electrolyte solution.
  • the positive electrode includes a positive electrode active material including lithium metal oxide particles, and the molar ratio of lithium to all elements except lithium and oxygen among the lithium metal oxide particles may be greater than 1.1.
  • the organic solvent for a lithium secondary battery includes a compound represented by Chemical Formula 1, which will be described later, and may have improved flame retardancy and high temperature stability. Additionally, it may have improved chemical stability (hereinafter referred to as high voltage stability) under high voltage operating conditions.
  • Electrolyte solutions for lithium secondary batteries may include the organic solvent and have improved flame retardancy, high temperature stability, and high voltage stability.
  • Lithium secondary batteries according to exemplary embodiments including the electrolyte solution, may have excellent operational stability and lifespan characteristics even at high temperatures and high voltages.
  • FIG. 1 and 2 are a plan perspective view and a cross-sectional view, respectively, schematically showing a lithium secondary battery according to example embodiments.
  • an organic solvent for a lithium secondary battery containing a compound represented by the following Chemical Formula 1 is provided. Additionally, an electrolyte solution for a lithium secondary battery containing the organic solvent and a lithium secondary battery containing the electrolyte solution are provided.
  • X-based compound may refer to a compound containing X units in a parent group, side group, or substituent group.
  • Ca-Cb may mean “the number of carbon atoms from a to b.”
  • Electrolyte solutions for lithium secondary batteries may include lithium salt and an organic solvent.
  • the organic solvent may include a compound represented by Formula 1 below.
  • R 1 is a C 3 -C 7 cyclic ether group
  • R 2 is a fluorine-containing C 1 -C 10 alkyl group or a fluorine-containing C 2 -C 10 alkenyl group
  • L 1 and L 2 may independently be a C 1 -C 6 alkylene group or a C 2 -C 6 alkenylene group.
  • the electrolyte solution may include the compound of Formula 1 and have improved flame retardancy. Additionally, it may have improved chemical stability at high temperatures (eg, 45°C or higher) and high voltage (eg, 4.3V or higher).
  • conventional electrolytes for lithium secondary batteries can easily decompose under high temperature and high voltage operating conditions, forming gas and by-products.
  • metal ions eg, Ni, Co, Mn, etc.
  • the internal resistance of the lithium secondary battery may increase and lifespan characteristics may deteriorate.
  • R 1 may be represented by the following formula 2-1. In this case, the above-described effects can be further improved.
  • n may be an integer from 1 to 3. In some embodiments, n can be 1. * may refer to a combined hand. That is, the carbon atom in the ring can be directly connected to L 1 .
  • L 1 may be directly connected to the carbon atom bonded to the oxygen atom in the ring.
  • R 1 may be represented by the following formula 2-2. In this case, the above-described effects can be further improved.
  • m may be an integer of 1 to 3. In some embodiments, m can be 1. * may refer to a combined hand.
  • R 2 may contain 1 to 20 fluorine atoms, preferably 2 to 17 fluorine atoms.
  • R 2 may further contain at least one of a nitrile group and a vinyl group. In this case, it is possible to provide an electrolyte solution for lithium secondary batteries with improved high-temperature stability and high-voltage stability.
  • L 1 and L 2 may independently be an alkylene group of C 1 -C 3 .
  • the flame retardancy of the electrolyte may be further improved.
  • L 1 may be a methylene group.
  • the flame retardancy of the electrolyte can be further improved.
  • L 1 and L 2 may not contain fluorine.
  • the compound represented by Formula 1 is one or more selected from compound group A (compounds A-1 to A-26 below) and compound group B (compounds B-1 to B-26 below). It can be included.
  • the organic solvent may be a non-aqueous organic solvent.
  • the organic solvent is a carbonate-based solvent, an ester-based solvent other than the compound represented by Formula 1, an ether-based solvent other than the compound represented by Formula 1, a ketone-based solvent, an alcohol-based solvent, and an amphoteric solvent. It may further include a magnetic solvent, etc.
  • the organic solvent may further include a carbonate-based solvent.
  • the carbonate-based solvent may include a linear carbonate-based solvent and a cyclic carbonate-based solvent.
  • the linear carbonate-based solvent includes dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), methyl propyl carbonate, and ethyl. It may include ethyl propyl carbonate, dipropyl carbonate, etc.
  • the cyclic carbonate-based solvent may include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate, etc.
  • the carbonate-based solvent may include propylene carbonate.
  • propylene carbonate has the property of being decomposed more easily than other carbonate-based solvents when a lithium secondary battery is operating. However, when used together with the compound of Formula 1, decomposition of propylene carbonate may be suppressed.
  • the compound represented by Formula 1 may be included in 0.1 to 90% by volume, preferably 1 to 90% by volume, of the total volume of the organic solvent.
  • the compound represented by Formula 1 is 20 to 90% by volume, 30 to 90% by volume, preferably 40 to 85% by volume, more preferably 50 to 80% by volume of the total volume of the organic solvent. may be included.
  • the compound represented by Formula 1 may be included in the organic solvent as an additive that complements other organic solvents.
  • the compound represented by Formula 1 may be included in an amount of 0.1 or more and less than 20 volume%, preferably 0.5 to 15 volume%, and more preferably 1 to 10 volume% of the total volume of the organic solvent.
  • the lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiCl, LiBr, LiI, LiB 10 Cl 10 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiB(C 6 H 5 ) 4 , Li( SO 2 F) 2 N(LiFSI), (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, etc. may be included.
  • the concentration of the lithium salt in the electrolyte solution may be 0.1 to 2 M.
  • the organic solvent may have sufficient solubility for the lithium salt and additives described later.
  • the electrolyte solution may further include additives that can further improve the performance of the lithium secondary battery.
  • the additive may include a fluorine-containing cyclic carbonate-based compound, a fluorine-containing phosphate-based compound, a cyclic carbonate-based compound having a double bond, a sultone-based compound, a borate-based compound, a sulfate-based compound, etc.
  • the content of the additive may be 0.1 to 30% by weight, preferably 0.5 to 20% by weight, and more preferably 0.1 to 10% by weight of the total weight of the electrolyte solution.
  • the fluorine-containing cyclic carbonate-based compound may have a 5- to 7-membered cyclic structure.
  • the fluorine-containing cyclic carbonate-based compound may include fluoroethylene carbonate (FEC).
  • the fluorine-containing cyclic carbonate-based compound may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, and more preferably 1 to 3% by weight, based on the total weight of the electrolyte solution.
  • the fluorine-containing phosphate-based compound may include LiPO 2 F 2 , a compound represented by the following Chemical Formula 3-1, a compound represented by the following Chemical Formula 3-2, a compound represented by the following Chemical Formula 3-3, etc. there is.
  • the fluorine-containing phosphate-based compound may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, and more preferably 1 to 3% by weight, based on the total weight of the electrolyte solution.
  • the cyclic carbonate-based compound having a double bond may contain a double bond within the ring or may contain a substituent having a double bond outside the ring.
  • the cyclic carbonate-based compound having a double bond may include vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), etc.
  • the cyclic carbonate-based compound having a double bond may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, and more preferably 1 to 3% by weight, based on the total weight of the electrolyte solution.
  • the sultone-based compound may include propane sultone (PS), propene sultone (PRS), etc.
  • PS propane sultone
  • PRS propene sultone
  • the sultone-based compound may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, and more preferably 1 to 3% by weight, based on the total weight of the electrolyte solution.
  • the borate-based compound may include a compound represented by the following formula 4-1 (LiFOB) and a compound represented by the following formula 4-2 (LiBOB).
  • the borate-based compound may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, and more preferably 1 to 3% by weight, based on the total weight of the electrolyte solution.
  • the cyclic sulfate-based compound may have a 5-7 membered cyclic structure.
  • the cyclic sulfate-based compound may include ethylene sulfate (ESA).
  • the cyclic sulfate-based compound may be included in an amount of 0.1 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, and more preferably 1 to 3% by weight, based on the total weight of the electrolyte solution.
  • FIG 1 and 2 are schematic plan perspective and cross-sectional views, respectively, showing lithium secondary batteries according to example embodiments.
  • a lithium secondary battery may include a positive electrode 100 and a negative electrode 130 facing the positive electrode 100.
  • the positive electrode 100 may include a positive electrode current collector 105 and a positive electrode active material layer 110 formed on the positive electrode current collector 105.
  • the positive electrode active material layer 110 may include a positive electrode active material, a positive electrode binder, and a conductive material, if necessary.
  • the positive electrode current collector 105 may include stainless steel, nickel, aluminum, titanium, copper, etc.
  • the positive electrode active material may include lithium metal oxide capable of reversible insertion and desorption of lithium ions.
  • the lithium metal oxide may include lithium cobalt-based oxide, lithium manganese-based oxide, lithium copper oxide, lithium nickel-based oxide, lithium manganese composite oxide, and lithium-nickel-manganese-cobalt-based oxide.
  • the lithium metal oxide is LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x O 2 , LiNi 1-xy Co x Me y O 2 (Me is a metal), LiMn (2-x) Me It may include x O 4 (Me is a metal), LiFePO 4 , etc.
  • the lithium metal oxide may include lithium-rich metal oxide.
  • the molar ratio of lithium to all elements except lithium and oxygen in the lithium metal oxide particles may be greater than 1.1, greater than 1.2, greater than 1.3, greater than 1.4, or greater than 1.5. Also, for example, the molar ratio may be 1.8 or less or 1.7 or less.
  • the lithium excess metal oxide may be represented by Formula 6-1 or Formula 6-2.
  • M 1 is one or two or more types selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, and B. You can.
  • M 2 is one or two selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, and B. It could be more than that.
  • a lithium secondary battery using the excess lithium metal oxide as a positive electrode active material can exhibit further improved capacity when operated in a high voltage range of 4.3V or higher.
  • the electrolyte solution for a lithium secondary battery according to exemplary embodiments of the present invention has chemical stability even at a high voltage of 4.3 V or more and can be used together with the lithium excess metal oxide particles. Accordingly, it is possible to provide a lithium secondary battery with further improved capacity.
  • the binder may serve to ensure good adhesion between the positive electrode active materials and between the positive electrode active material and the positive electrode current collector 110.
  • the binder may be polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetramethylcellulose, etc. It may include fluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene-butadiene rubber, fluorine rubber, and various copolymers thereof.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • CMC carboxymethylcellulose
  • EPDM ethylene-propylene-diene polymer
  • sulfonated-EPDM styrene-butadiene rubber
  • fluorine rubber and various copolymers thereof.
  • the conductive material may be used to provide conductivity to the positive electrode active material layer 110.
  • the conductive material may be 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 whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; It may include conductive polymers such as polyphenylene derivatives.
  • the negative electrode 130 may include a negative electrode current collector 125 and a negative electrode active material layer 120 on the negative electrode current collector 125.
  • the negative electrode active material layer 120 may include a negative electrode active material, if necessary, a negative electrode binder, and a conductive material.
  • the negative electrode current collector 125 may include gold, stainless steel, nickel, aluminum, titanium, copper, etc.
  • the negative electrode active material may be a material capable of inserting and desorbing lithium ions.
  • the negative electrode active material may include carbon-based materials, lithium metal, lithium metal alloys, silicon-based materials, transition metal oxides, etc.
  • the carbon-based material may include crystalline carbon, amorphous carbon, etc.
  • the crystalline carbon may include graphite such as amorphous, plate-shaped, flake-shaped, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite.
  • the amorphous carbon may include soft carbon, hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, etc.
  • the lithium metal alloy includes lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al and Sn. Any alloy of metals of choice may be used.
  • the silicon-based material may include Si, SiOx (0 ⁇ x ⁇ 2), a combination of graphite and Si, a material coated with Si on the surface of graphite particles, and a material coated with Si and carbon on the surface of graphite particles.
  • the transition metal oxide may include vanadium oxide, lithium vanadium oxide, titanium oxide, and lithium titanium oxide.
  • the negative electrode binder and conductive material may be substantially the same as or similar to the positive electrode binder and conductive material described above.
  • the cathode binder may be an aqueous binder such as styrene-butadiene rubber (SBR).
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • the anode binder may be used with a thickener such as carboxymethyl cellulose (CMC).
  • a separator 140 may be interposed between the anode 100 and the cathode 130.
  • separator 140 may include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride, etc.
  • the separator 140 may include two or more layers of PE, PP, or the like.
  • the laminated film may include PE/PP, PE/PP/PE, PP/PE/PP, etc.
  • An electrode cell may be formed including an anode 100, a cathode 130, and a separator 140.
  • the electrode assembly 150 may be formed by stacking a plurality of electrode cells (however, one electrode cell is shown in FIG. 2 for convenience).
  • the electrode assembly 150 may be formed by winding, lamination, etc. of the separator 140.
  • Lithium secondary batteries include a positive electrode lead 107 that is connected to the positive electrode 100 and protrudes to the outside of the case 160; and a negative electrode lead 127 that is connected to the negative electrode 130 and protrudes to the outside of the case 160.
  • the anode 100 and the anode lead 107 may be electrically connected.
  • the cathode 130 and the cathode lead 127 may be electrically connected.
  • the positive electrode lead 107 may be electrically connected to the positive electrode current collector 105. Additionally, the negative electrode lead 130 may be electrically connected to the negative electrode current collector 125.
  • the positive electrode current collector 105 may include a protrusion (positive electrode tab, 106) on one side.
  • the positive electrode active material layer 110 may not be formed on the positive electrode tab 106.
  • the positive electrode tab 106 may be integrated with the positive electrode current collector 105 or may be connected to the positive electrode current collector 105 by welding or the like.
  • the positive electrode current collector 105 and the positive electrode lead 107 may be electrically connected through the positive electrode tab 106.
  • the negative electrode current collector 125 may include a protrusion (negative electrode tab, 126) on one side.
  • the negative electrode active material layer 120 may not be formed on the negative electrode tab.
  • the negative electrode tab 126 may be integrated with the negative electrode current collector 125 or may be connected to the negative electrode current collector 125 by welding or the like.
  • the negative electrode current collector 125 and the negative electrode lead 127 may be electrically connected through the negative electrode tab 126.
  • the electrode assembly 150 and the electrolyte solution for a lithium secondary battery may be accommodated in the case 160 to form a lithium secondary battery.
  • the lithium secondary battery may be cylindrical, prismatic, pouch-shaped, or coin-shaped.
  • Tetrahydrofurfuryl alcohol (20 g, 196 mmol) and dried DMF (300 mL) were added to the reaction vessel and cooled to about 0-5°C.
  • NaH 50% dispersion in mineral oil, 15.68 g, 392 mmol was added to the reaction vessel.
  • 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride (12.6 g, 65.52 mmol) and 4-dimethylaminopyridine (6.1 g, 49.92 mmol) were added to the reaction vessel and reacted for 12 hours while raising the temperature to room temperature.
  • reaction product was mixed with 1M HCl aqueous solution and distilled water, and the organic layer was separated and dried over anhydrous magnesium sulfate. The dried organic layer was concentrated under reduced pressure and purified by column chromatography to obtain compound A-25 (19.9 g, yield 63%).
  • Compound A-6 was obtained in the same manner as Preparation Example 1, except that 2-(trifluoromethyl)prop-2-en-1-ol was used instead of Compound D in Step 2 (yield 49%).
  • Compound A-7 was prepared in the same manner as Preparation Example 1, except that 2,2,3,3-tetrafluoropropan-1-ol was used instead of Compound D in Step 2 (yield 55%).
  • Compound A-10 was obtained in the same manner as Preparation Example 1, except that 3,3,3-trifluoro-2-(hydroxymethyl)propanenitrile was used instead of Compound D in Step 2 (yield 58%).
  • Compound B-25 was obtained in the same manner as Preparation Example 1, except that 3-bromopropanoic acid was used instead of Compound C in Step 1 (yield 49%).
  • Compound B-1 was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that 3-bromopropanoic acid was used instead of Compound C in Step 1 and 2,2,2-trifluoroethanol was used instead of Compound D in Step 2 ( Yield rate 68%).
  • LiPF 6 was added to the mixed solvent to prepare 1M LiPF 6 .
  • An electrolyte solution was prepared by adding 1 wt% of FEC and 1 wt% of LiPO 2 F 2 to the LiPF 6 solution based on the total weight of the electrolyte solution.
  • a positive electrode slurry was prepared.
  • a positive electrode was manufactured by coating the positive electrode slurry on an aluminum thin film.
  • a cathode slurry was prepared by dispersing graphite, PVDF, and carbon black in water at a weight ratio of 96:3:1.
  • a cathode was manufactured by coating the cathode slurry on a copper thin film.
  • An electrode assembly was formed by interposing a separator (polethylene) between the anode and the cathode.
  • a coin cell was manufactured using the electrode assembly and the electrolyte solution according to a known method.
  • the lithium secondary batteries of the examples and comparative examples were charged to a 50% state of charge (SOC 50) by 1C CC/CV charging (4.9V CUT-OFF).
  • DCIR was measured by discharging and recharging the charged lithium secondary battery at 0.1C, 1C, and 3C for 10 seconds each.
  • the lithium secondary batteries of the examples and comparative examples were charged at 1C up to 4.5V at room temperature (25°C) and discharged at 1C up to 2.75V, and the initial discharge capacity A1 was measured.
  • the lithium secondary battery was recharged at 0.5C to 4.5V and left at high temperature (45°C) for 1 week.
  • the lithium secondary battery After being left at high temperature, the lithium secondary battery was subjected to two cycles of 1C charging to 4.5V and 1C discharging to 2.75V, and the second discharge capacity A2 was measured.
  • the high temperature storage capacity maintenance rate was calculated according to the formula below.
  • High-temperature storage capacity maintenance rate (%) A2/A1 ⁇ 100
  • Specimens were prepared by absorbing the electrolyte solutions of the examples and comparative examples into glass fiber, respectively. When preparing the specimen, the weight of the absorbed electrolyte was measured.
  • the specimen was ignited using a torch, and the time from removing the torch to extinguishing was measured.
  • the self-extinguishing time (SET), s/g, in seconds per weight of absorbed electrolyte was calculated.
  • the evaluation criteria are as follows.
  • SET value is 6 to 20 s/g
  • the lithium secondary batteries of Examples showed lower DCIR and improved high temperature stability compared to the lithium secondary batteries of Comparative Examples.
  • the electrolytes of the examples showed improved flame retardancy compared to the electrolytes of the comparative examples.

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 화학식 1로 표시되는 리튬 이차 전지용 유기 용매가 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 리튬 이차 전지용 유기 용매를 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액 및 리튬 이차 전지가 제공된다.

Description

리튬 이차 전지용 유기 용매, 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액 및 리튬 이차 전지
본 발명은 리튬 이차 전지용 유기 용매, 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액 및 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근 리튬 이차 전지의 사용 범위가 소형 전자 기기에서 대형 전자 기기, 자동차 등으로 확대되고 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위한 연구 및 개발이 지속적으로 진행되고 있다.
예를 들면, 고전압에서 작동 가능한 양극 활물질을 사용하면, 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
그러나, 리튬 이차 전지를 고전압에서 작동시키면, 전해액 중의 유기 용매가 쉽게 산화 분해되어 가스를 발생시키거나 지속적으로 부산물을 양극 표면에 형성시킬 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 성능(예를 들면, 수명 특성 등)이 저하될 수 있다.
또한, 고전압 작동 중, 양극 활물질 중 전이 금속(예를 들어, Ni, Co, Mn 등)이 쉽게 용출되어, 양극 활물질의 구조가 파괴될 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 용량이 저하되고, 용출된 금속 이온은 음극에 전착되어 리튬 이차 전지의 내부 저항이 증가될 수 있다.
또한, 고전압 작동 중, 전해액 중 유기 용매가 난연성이 부족한 경우, 보다 쉽게 열 폭주 현상을 유발할 수 있다.
특히, 고온 조건에서는 상술한 현상들이 심화되어, 리튬 이차 전지의 성능이 더욱 저하될 수 있다.
한편, 리튬 이차 전지의 전해액의 유기 용매로서, 카보네이트계 용매가 주로 사용되고 있다. 그러나, 상기 카보네이트계 용매를 단독으로 사용하는 경우, 고전압에서의 화학적 안정성 및 난연성이 낮다.
예를 들면, 난연성 용제로서, 불소 함유 카보네이트계 유기 용매들이 채용되고 있다. 예를 들면, 대한민국 공개특허공보 제10-2007-7021086호는 불소 함유 선형 카보네이트계 유기 용매를 개시하고 있다.
본 발명의 일 과제는 작동 안정성 및 화학적 안정성이 향상된 리튬 이차 전지용 유기 용매를 제공하는 것이다.
보다 상세하게는, 고전압 작동 조건에서도 화학적 안정성이 우수하고, 리튬염에 대한 용해도가 큰 리튬 이차 전지용 유기 용매를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 과제는 작동 안정성 및 화학적 안정성이 향상된 리튬 이차 전지용 전해액을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 과제는 작동 안정성 및 수명 특성이 향상된 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 유기 용매는 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000001
화학식 1에서, R1은 C3-C7의 고리형 에터기이고, R2는 불소를 함유하는 C1-C10의 알킬기 또는 불소를 함유하는 C2-C10의 알케닐기이며, L1 및 L2는 독립적으로 C1-C6의 알킬렌기 또는 C2-C6의 알케닐렌기일 수 있다.
일 실시예에 있어서, R1은 화학식 2-1로 표시될 수 있다.
[화학식 2-1]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000002
화학식 2-1에서, n은 1 내지 3의 정수이고, *은 결합손을 의미할 수 있다.
일 실시예에 있어서, R1은 화학식 2-2로 표시될 수 있다.
[화학식 2-2]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000003
화학식 2-2에서, m은 1 내지 3의 정수이고, *은 결합손을 의미할 수 있다.
일 실시예에 있어서, R2는 2개 내지 17개의 불소 원자를 함유할 수 있다.
일 실시예에 있어서, R2는 니트릴기 및 바이닐기 중 적어도 하나를 더 함유할 수 있다.
일 실시예에 있어서, L1 및 L2는 독립적으로 C1-C3의 알킬렌기일 수 있다.
일 실시예에 있어서, L1은 메틸렌기일 수 있다.
일부 실시예들에서, R1은 상기 화학식 2-2로 표시되고, m은 1이며, L1은 메틸렌기이고, L2는 메틸렌기 또는 에틸렌기일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 함량은 상기 유기 용매 총 부피 중 30 내지 90부피%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 용매는 카보네이트계 용매를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 전해액은 리튬염 및 상기 유기 용매를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해액은 불소 함유 환형 카보네이트계 화합물, 불소 함유 포스페이트계 화합물, 이중 결합을 갖는 환형 카보네이트계 화합물, 설톤계 화합물, 보레이트계 화합물 및 환형 설페이트계 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 첨가제의 함량은 상기 전해액 총 중량 중 0.1 내지 30중량%일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 양극 및 음극을 포함하는 전극 조립체, 상기 전해액 및 상기 전극 조립체와 상기 전해액을 수용하는 케이스를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 양극은 리튬 금속 산화물 입자를 포함하는 양극 활물질을 포함하고, 상기 리튬 금속 산화물 입자 중 리튬 및 산소를 제외한 전체 원소들에 대한 리튬의 몰비는 1.1보다 클 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 유기 용매는 후술하는 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하여, 향상된 난연성 및 고온 안정성을 가질 수 있다. 또한, 고전압 작동 조건에서 향상된 화학적 안정성(이하, 고전압 안정성)을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 전해액은 상기 유기 용매를 포함하여, 향상된 난연성, 고온 안정성 및 고전압 안정성을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 상기 전해액을 포함하여, 고온 및 고전압에서도 우수한 작동 안정성 및 수명 특성을 가질 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각, 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 개략적으로 나타낸 평면 투시도 및 단면도이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 리튬 이차 전지용 유기 용매가 제공된다. 또한, 상기 유기 용매를 포함하는 리튬 이차 전지용 전해액 및 상기 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지가 제공된다.
본 명세서에서 "X계 화합물"은 X 단위를 모체, 측기 또는 치환기에 포함하는 화합물을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 "Ca-Cb"는 "a 내지 b의 탄소 원자수"를 의미할 수 있다.
리튬 이차 전지용 전해액
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 전해액은 리튬염 및 유기 용매를 포함할 수 있다. 상기 유기 용매는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000004
화학식 1에서, R1은 C3-C7의 고리형 에터기이고, R2는 불소를 함유하는 C1-C10의 알킬기 또는 불소를 함유하는 C2-C10의 알케닐기이며, L1 및 L2는 독립적으로 C1-C6의 알킬렌기 또는 C2-C6의 알케닐렌기일 수 있다.
상기 전해액은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하여, 향상된 난연성을 가질 수 있다. 또한, 고온(예를 들면, 45℃ 이상) 및 고전압(예를 들면, 4.3V 이상)에서 향상된 화학적 안정성을 가질 수 있다.
한편, 종래의 리튬 이차 전지용 전해액은 고온 및 고전압 작동 조건에서 쉽게 분해되어 가스 및 부산물을 형성시킬 수 있다. 또한, 전해액의 분해와 함께 양극 활물질로부터 금속 이온들(예를 들면, Ni, Co, Mn, 등)이 용출되며, 용출된 금속 이온들은 음극에 전착될 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 내부 저항이 상승하고, 수명 특성이 저하될 수 있다.
일 실시예에 있어서, R1은 하기 화학식 2-1로 표시될 수 있다. 이 경우, 상술한 효과가 보다 향상될 수 있다.
[화학식 2-1]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000005
화학식 2-1에서, n은 1 내지 3의 정수일 수 있다. 일부 실시예들에서, n은 1일 수 있다. *은 결합손을 의미할 수 있다. 즉, 고리 중 탄소 원자는 L1과 직접 연결될 수 있다.
일부 실시예들에서, 고리 중 산소 원자에 결합된 탄소 원자와 L1이 직접 연결될 수 있다. 예를 들면, R1은 하기 화학식 2-2로 표시될 수 있다. 이 경우, 상술한 효과가 보다 더 향상될 수 있다.
[화학식 2-2]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000006
화학식 2-2에서, m은 1 내지 3의 정수일 수 있다. 일부 실시예들에서, m은 1일 수 있다. *은 결합손을 의미할 수 있다.
일 실시예에 있어서, R2는 1 내지 20개, 바람직하게는 2 내지 17개의 불소 원자를 함유할 수 있다.
일 실시예에 있어서, R2는 니트릴기 및 바이닐기 중 적어도 하나를 더 함유할 수 있다. 이 경우, 보다 향상된 고온 안정성 및 고전압 안정성을 갖는 리튬 이차 전지용 전해액을 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, L1 및 L2는 독립적으로 C1-C3의 알킬렌기일 수 있다. 이 경우, 상기 전해액의 난연성이 보다 향상될 수 있다.
바람직하게는, L1은 메틸렌기일 수 있다. 이 경우, 상기 전해액의 난연성이 보다 더 향상될 수 있다.
일 실시예에 있어서, L1 및 L2는 불소를 함유하지 않을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 화합물 군 A(하기 화합물 A-1 내지 A-26) 및 화합물 군 B(하기 화합물 B-1 내지 B-26) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
[화합물 군 A]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000007
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000008
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000009
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000010
[화합물 군 B]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000011
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000012
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000013
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000014
일 실시예에 있어서, 상기 유기 용매는 비수성 유기 용매일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 용매는 카보네이트계 용매, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 이외의 에스테르계 용매, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 이외의 에터계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매, 비양성자성 용매 등을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 용매는 카보네이트계 용매를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 카보네이트계 용매는 선형 카보네이트계 용매 및 환영 카보네이트계 용매를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 선형 카보네이트계 용매는 디메틸카보네이트(DMC; dimethyl carbonate), 에틸메틸카보네이트(EMC; ethyl methyl carbonate), 디에틸카보네이트(DEC; diethyl carbonate), 메틸프로필카보네이트(methyl propyl carbonate), 에틸프로필카보네이트(ethyl propyl carbonate), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate) 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 환형 카보네이트계 용매는 에틸렌 카보네이트(EC; ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(PC; propylene carbonate), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate) 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 카보네이트계 용매는 프로필렌 카보네이트를 포함할 수 있다. 예를 들면, 프로필렌 카보네이트는 리튬 이차 전지 작동시 다른 카보네이트계 용매보다 쉽게 분해되는 특성이 있다. 그러나, 상기 화학식 1의 화합물과 함께 사용되면 프로필렌 카보네이트의 분해가 억제될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 상기 유기 용매 총 부피 중 0.1 내지 90부피%, 바람직하게는 1 내지 90부피%로 포함될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 상기 유기 용매 총 부피 중 20 내지 90부피%, 30 내지 90부피%, 바람직하게는 40 내지 85부피%, 보다 바람직하게는 50 내지 80부피%로 포함될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 다른 유기 용매를 보완하는 첨가제로서 상기 유기 용매에 포함될 수도 있다. 이 경우, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 상기 유기 용매 총 부피 중 0.1 이상 및 20부피% 미만, 바람직하게는 0.5 내지 15부피%, 보다 바람직하게는 1 내지 10부피%으로 포함될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiCl, LiBr, LiI, LiB10Cl10, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiB(C6H5)4, Li(SO2F)2N(LiFSI), (CF3SO2)2NLi 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해액 중 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2 M일 수 있다.
예를 들면, 상기 유기 용매는 상기 리튬염, 후술하는 첨가제에 대해 충분한 용해도를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해액은 리튬 이차 전지의 성능을 보다 향상시킬 수 있는 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 첨가제는 불소 함유 환형 카보네이트계 화합물, 불소 함유 포스페이트계 화합물, 이중 결합을 갖는 환형 카보네이트계 화합물, 설톤계 화합물, 보레이트계 화합물, 설페이트계 화합물 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 첨가제의 함량은 상기 전해액 총 중량 중 0.1 내지 30중량%, 바람직하게는 0.5 내지 20중량%, 보다 바람직하게는 0.1 내지 10중량%일 수 있다.
상기 불소 함유 환형 카보네이트계 화합물은 화합물은 5-7각의 환형 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 불소 함유 환형 카보네이트계 화합물은 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC) 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 불소 함유 환형 카보네이트계 화합물은 상기 전해액 총 중량에 대해 0.1 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 3중량% 포함될 수 있다.
예를 들면, 상기 불소 함유 포스페이트계 화합물은 LiPO2F2, 하기 화학식 3-1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 3-2로 표시되는 화합물, 하기 화학식 3-3으로 표시되는 화합물 등을 포함할 수 있다.
[화학식 3-1]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000015
[화학식 3-2]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000016
[화학식 3-3]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000017
예를 들면, 상기 불소 함유 포스페이트계 화합물은 상기 전해액 총 중량에 대해 0.1 내지 10중량%, 바람직하게는 0.5 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 3중량%로 포함될 수 있다.
상기 이중 결합을 갖는 환형 카보네이트계 화합물은 고리 내 이중 결합을 포함하거나, 고리 밖에 이중 결합을 갖는 치환기를 함유할 수 있다. 예를 들면, 상기 이중 결합을 갖는 환형 카보네이트계 화합물은 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐 에틸렌 카보네이트(VEC) 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 이중 결합을 갖는 환형 카보네이트계 화합물은 상기 전해액 총 중량에 대해 0.1 내지 10중량%, 바람직하게는 0.5 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 3중량%로 포함될 수 있다.
예를 들면, 상기 설톤계 화합물은 프로판 설톤(PS), 프로펜 설톤(PRS) 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 설톤계 화합물은 상기 전해액 총 중량에 대해 0.1 내지 10중량%, 바람직하게는 0.5 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 3중량%로 포함될 수 있다.
예를 들면, 상기 보레이트계 화합물 하기 화학식 4-1로 표시되는 화합물(LiFOB) 및 하기 화학식 4-2로 표시되는 화합물(LiBOB) 등을 포함할 수 있다.
[화학식 4-1]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000018
[화학식 4-2]
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000019
예를 들면, 상기 보레이트계 화합물은 상기 전해액 총 중량에 대해 0.1 내지 10중량%, 바람직하게는 0.5 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 3중량%로 포함될 수 있다.
상기 환형 설페이트계 화합물은 5-7각의 환형 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 환형 설페이트계 화합물은 에틸렌 설페이트(ESA) 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 환형 설페이트계 화합물은 상기 전해액 총 중량에 대해 0.1 내지 10중량%, 바람직하게는 0.5 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 1 내지 3중량%로 포함될 수 있다.
리튬 이차 전지
도 1 및 도 2는 각각 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면 투시도 및 단면도이다.
도 2를 참조하면, 리튬 이차 전지는 양극(100) 및 양극(100)과 대향하는 음극(130)을 포함할 수 있다.
양극(100)은 양극 집전체(105) 및 양극 집전체(105) 상에 형성된 양극 활물질층(110)을 포함할 수 있다.
양극 활물질층(110)은 양극 활물질, 필요에 따라, 양극 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.
예를 들면, 양극 집전체(105)는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 양극 활물질은 리튬 이온의 가역적인 삽입 및 탈리가 가능한 리튬 금속 산화물을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 리튬 금속 산화물은 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 구리 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 망간 복합 산화물, 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 리튬 금속 산화물은 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2, LiNi1-x-yCoxMeyO2(Me는 금속), LiMn(2-x)MexO4(Me는 금속), LiFePO4 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 리튬 과잉(Lithium-rich) 금속 산화물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 리튬 금속 산화물 입자 중 리튬 및 산소를 제외한 전체 원소들에 대한 리튬의 몰비는 1.1 초과, 1.2 이상, 1.3 이상, 1.4 이상 또는 1.5 이상일 수 있다. 또한, 예를 들면, 상기 몰비는 1.8 이하 또는 1.7 이하일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 리튬 과잉 금속 산화물은 하기 화학식 6-1 또는 하기 화학식 6-2로 표시될 수 있다.
[화학식 6-1]
Li1+xM1 1-xO2
화학식 6-1에서, 0.05<x≤0.5이고, M1은 Ni, Co, Mn, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg 및 B로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
일부 실시예들에서, 0.1≤x≤0.3일 수 있다.
[화학식 6-2]
a[Li2MnO3]·(1-a)[LiM2O2]
화학식 10-2에서, 0<a<1이고, 상기 M2은 Ni, Co, Mn, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg 및 B로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
일부 실시예들에서, 0.1≤a≤0.9, 0.2≤a≤0.8 또는 0.3≤a≤0.7일 수 있다.
예를 들면, 상기 과잉 리튬 금속 산화물을 양극 활물질로서 사용한 리튬 이차 전지는 4.3V 이상의 고전압 범위에서 작동시 더욱 향상된 용량을 나타낼 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 전해액은 4.3 V 이상의 고전압에서도 화학적 안정성을 가져 상기 리튬 과잉 금속 산화물 입자와 함께 사용될 수 있다. 이에 따라, 용량이 더욱 향상된 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
예를 들면, 상기 바인더는 상기 양극 활물질들 간, 또한, 상기 양극 활물질 및 양극 집전체(110) 간 서로 잘 부착시키는 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 상기 바인더는 폴리비닐리덴플로라이드 (PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필 셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 도전재는 양극 활물질층(110)에 도전성을 부여하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 도전재는 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소 섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 포함할 수 있다.
음극(130)은 음극 집전체(125) 및 음극 집전체(125) 상의 음극 활물질층(120)을 포함할 수 있다.
음극 활물질층(120)은 음극 활물질, 필요에 따라, 음극 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.
예를 들면, 음극 집전체(125)는 금, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 음극 활물질은 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 음극 활물질은 탄소계 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 실리콘계 물질, 전이금속 산화물 등을 포함할 수 있다.
상기 탄소계 물질은 결정질 탄소, 비정질 탄소 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 결정질 탄소는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 포함할 수 있다. 또한, 상기 비정질 탄소는 소프트 카본(soft carbon), 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 포함할 수 있다.
상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다.
상기 실리콘계 물질은 Si, SiOx(0<x<2), 흑연과 Si의 조합, 흑연 입자 표면에 Si이 코팅된 물질, 흑연 입자 표면에 Si 및 카본이 코팅된 물질 등을 포함할 수 있다.
상기 전이 금속 산화물은 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 티타늄 산화물, 리튬 티타늄 산화물 등을 포함할 수 있다.
상기 음극 바인더 및 도전재는 상술한 양극 바인더 및 도전재와 실질적으로 동일하거나 유사한 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 음극 바인더는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더일 수 있다. 또한, 예를 들면, 상기 음극 바인더는 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용될 수 있다.
양극(100) 및 음극(130) 사이에 분리막(140)이 개재될 수 있다.
예를 들면, 분리막(140)으로서 공지된 리튬 이차 전지의 분리막 소재들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 분리막(140)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드 등을 포함할 수 있다. 또는, 분리막(140)은 PE, PP 등을 적층한 2층 이상의 적층막을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 적층막은 PE/PP, PE/PP/PE, PP/PE/PP 등을 포함할 수 있다.
양극(100), 음극(130) 및 분리막(140)을 포함하여 전극 셀이 형성될 수 있다. 복수의 전극 셀들이 적층되어 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다(단, 도 2에는 편의상 하나의 전극 셀을 도시하였음).
분리막(140)의 권취(winding), 적층(lamination) 등에 의해 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 양극(100)과 연결되며, 케이스(160)의 외부로 돌출되는 양극 리드(107); 및 음극(130)과 연결되며, 케이스(160)의 외부로 돌출되는 음극 리드(127)를 포함할 수 있다.
양극(100)과 양극 리드(107)는 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 마찬가지로, 음극(130)과 음극 리드(127)은 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
양극 리드(107)는 양극 집전체(105)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 음극 리드(130)는 음극 집전체(125)와 전기적으로 연결될 수 있다.
양극 집전체(105)는 일측에 돌출부(양극 탭, 106)를 포함할 수 있다. 양극 탭 (106)상에는 양극 활물질층(110)이 형성되어 있지 않을 수 있다. 양극 탭(106)은 양극 집전체(105)와 일체이거나, 용접 등에 의해 연결되어 있을 수 있다. 양극 탭(106)을 통해 양극 집전체(105) 및 양극 리드(107)가 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
음극 집전체(125)는 일측에 돌출부(음극 탭, 126)를 포함할 수 있다. 상기 음극 탭 상에는 음극 활물질층(120)이 형성되어 있지 않을 수 있다. 음극 탭(126)은 음극 집전체(125)와 일체이거나, 용접 등에 의해 연결되어 있을 수 있다. 음극 탭(126)을 통해 음극 집전체(125) 및 음극 리드(127)가 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
예를 들면, 전극 조립체(150) 및 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지용 전해액이 케이스(160) 내에 수용되어 리튬 이차 전지를 형성할 수 있다.
예를 들면, 상기 리튬 이차 전지는 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등일 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 화합물 A-25의 합성
<General procedure>
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000020
General procedure Step 1:
2-((tetrahydrofuran-2-yl)methoxy)acetic acid의 합성
반응 용기에 Tetrahydrofurfuryl alcohol (20 g, 196 mmol) 및 건조된 DMF(300 mL)를 넣고 약 0~5℃로 냉각하였다. 상기 반응 용기에 NaH (60% dispersion in mineral oil, 15.68 g, 392 mmol)을 넣었다.
상기 반응 용기 내 물질을 1시간 교반하고 반응 용기에 2-bromoacetc acid (화합물 C; 29.96 g, 215.6 mmol)를 적가하였다. 상기 반응 용기 내 물질을 상온으로 천천히 상승시키며 12시간 교반하며 반응을 진행시켰다.
반응 종결 후, 감압하여 반응 생성물에서 DMF를 제거하고, 메틸렌 클로라이드 300 ml에 녹인 후 증류수 200 ml와 혼합하였다. 혼합 용액을 1M HCl 수용액으로 중화하고 유기층을 분리하여 무수 마그네슘 설페이트로 건조하였다.
건조된 유기층을 감압 농축하고 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 2-((tetrahydrofuran-2-yl)methoxy)acetic acid (22.4 g, 62 %)를 수득한다.
General procedure Step 2:
화합물 A-25의 합성
반응 용기에 2-((tetrahydrofuran-2-yl)methoxy)acetic acid (10 g, 62.4 mmol), 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctan-1-ol (화합물 D; 22.73 g, 62.4 mmol) 및 클로로포름 200 ml를 넣고, 약 0~5℃로 냉각하였다.
상기 반응 용기에 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride (12.6 g, 65.52 mmol) 및 4-dimethylaminopyridine (6.1 g, 49.92 mmol)을 넣고 상온으로 상승시키면서 12시간 반응시켰다.
반응 종결 후, 반응 생성물을 1M HCl 수용액 및 증류수와 혼합하고, 유기층을 분리하여 무수 마그네슘설페이트로 건조하였다. 건조된 유기층을 감압 농축하고 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 화합물 A-25 (19.9 g, 수득률 63%)를 수득하였다.
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 A-25임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (4H, 1.79 (dtd,　J　= 8.1, 7.4, 7.2 Hz), 1.78 (t,　J　= 7.4 Hz), 1.78 (t,　J　= 7.4 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.3, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.93-2.13 (2H, 2.03 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 3.69-3.95 (4H, 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.03-4.18 (3H, 4.08 (s), 4.08 (s), 4.11 (dtd,　J　= 8.1, 5.0, 4.4 Hz)), 4.31-4.43 (2H, 4.37 (t,　J　= 7.4 Hz), 4.37 (t,　J　= 7.4 Hz)).
LRMS (ESI): [M + H]+ 507.09
제조예 2: 화합물 A-1의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000021
Step 2에서 화합물 D 대신에 2,2,2-trifluoroethanol을 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 A-1을 수득하였다 (수득률 67%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 A-1임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (2H, 1.79 (dtd,　J　= 8.1, 7.4, 7.2 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.3, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.89-2.12 (2H, 2.00 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 3.69-3.95 (4H, 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.04-4.18 (3H, 4.11 (dtd,　J　= 8.1, 5.0, 4.4 Hz), 4.10 (s), 4.10 (s)), 4.33-4.43 (2H, 4.38 (s), 4.38 (s)). LRMS (ESI): [M + H]+ 243.08
제조예 3: 화합물 A-6의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000022
Step 2에서 화합물 D 대신에 2-(trifluoromethyl)prop-2-en-1-ol을 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 A-6을 수득하였다 (수득률 49%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 A-6임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (2H, 1.79 (dtd,　J　= 8.1, 7.4, 7.2 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.3, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.93-2.13 (2H, 2.03 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 3.69-3.95 (4H, 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.03-4.19 (3H, 4.08 (s), 4.08 (s), 4.12 (dtd,　J　= 8.1, 5.0, 4.4 Hz)), 4.73-4.83 (2H, 4.78 (s), 4.78 (s)), 5.52-5.63 (2H, 5.57 (d,　J　= 1.5 Hz), 5.57 (d,　J　= 1.5 Hz)).
LRMS (ESI): [M + H]+ 269.09
제조예 4: 화합물 A-7의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000023
Step 2에서 화합물 D 대신에 2,2,3,3-tetrafluoropropan-1-ol을 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 A-7을 제조하였다 (수득률 55%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 A-7임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (2H, 1.79 (dtd,　J　= 8.1, 7.3, 7.2 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.3, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.89-2.12 (2H, 2.00 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 3.69-3.95 (4H, 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.04-4.18 (3H, 4.11 (dtd,　J　= 8.1, 5.0, 4.4 Hz), 4.10 (s), 4.10 (s)), 4.21-4.31 (2H, 4.26 (s), 4.26 (s)), 6.09 (1H, s).
LRMS (ESI): [M + H]+ 275.08
제조예 5: 화합물 A-10의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000024
Step 2에서 화합물 D 대신에 3,3,3-trifluoro-2-(hydroxymethyl)propanenitrile을 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 A-10을 수득하였다 (수득률 58%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 A-10임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (2H, 1.79 (dtd,　J　= 8.1, 7.4, 7.2 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.3, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.93-2.13 (2H, 2.03 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 3.56 (1H, t,　J　= 7.0 Hz), 3.69-3.95 (4H, 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.03-4.19 (3H, 4.08 (s), 4.08 (s), 4.12 (dtd,　J　= 8.1, 5.0, 4.4 Hz)), 4.21-4.33 (2H, 4.27 (d,　J　= 7.0 Hz), 4.27 (d,　J　= 7.0 Hz)).
LRMS (ESI): [M + H]+ 282.09
제조예 6: 화합물 A-12의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000025
Step 2에서 화합물 D 대신에 5,5,6,6,6-pentafluorohex-1-en-3-ol을 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 A-12를 수득하였다 (수득률 34%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 A-12임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.72-1.89 (2H, 1.79 (dtd,　J　= 8.1, 7.4, 7.2 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.4, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.93-2.13 (4H, 2.03 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 1.99 (d,　J　= 7.4 Hz), 1.99 (d,　J　= 7.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 3.69-3.95 (4H, 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.85 (d,　J　= 5.0 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.04-4.19 (3H, 4.09 (s), 4.09 (s), 4.12 (dtd,　J　= 8.1, 5.0, 4.4 Hz)), 4.85-5.18 (3H, 4.92 (dt,　J　= 9.7, 7.4 Hz), 5.06 (dd,　J　= 16.7, 1.2 Hz), 5.11 (dd,　J　= 10.9, 1.2 Hz)), 6.19 (1H, ddd,　J　= 16.7, 10.9, 9.7 Hz).
LRMS (ESI): [M + H]+ 333.10
제조예 7: 화합물 B-25의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000026
Step 1에서 화합물 C 대신에 3-bromopropanoic acid를 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 B-25를 수득하였다 (수득률 49%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 B-25임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (4H, 1.79 (dddd,　J　= 8.1, 7.5, 7.4, 7.2 Hz), 1.78 (t,　J　= 7.4 Hz), 1.78 (t,　J　= 7.4 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.5, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.93-2.13 (2H, 2.03 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 2.51-2.63 (2H, 2.57 (t,　J　= 6.7 Hz), 2.57 (t,　J　= 6.7 Hz)), 3.64-3.95 (6H, 3.70 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.70 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.08 (1H, dtd,　J　= 8.1, 5.1, 4.4 Hz), 4.34-4.46 (2H, 4.40 (t,　J　= 7.4 Hz), 4.40 (t,　J　= 7.4 Hz)).
LRMS (ESI): [M + H]+ 521.09
제조예 8: 화합물 B-1의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000027
Step 1에서 화합물 C 대신에 3-bromopropanoic acid를 사용하고 Step 2에서 화합물 D 대신에 2,2,2-trifluoroethanol을 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 B-1을 수득하였다 (수득률 68%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 B-1임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (2H, 1.79 (dtd,　J　= 8.1, 7.4, 7.2 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.5, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.93-2.13 (2H, 2.03 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 2.54-2.66 (2H, 2.60 (t,　J　= 6.7 Hz), 2.60 (t,　J　= 6.7 Hz)), 3.63-3.95 (6H, 3.69 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.69 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.08 (1H, dtd,　J　= 8.1, 5.1, 4.4 Hz), 4.35-4.45 (2H, 4.40 (s), 4.40 (s)).
LRMS (ESI): [M + H]+ 257.09
제조예 9: 화합물 B-7의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000028
Step 1에서 화합물 C 대신에 3-bromopropanoic acid를 사용하고 Step 2에서 화합물 D 대신에 2,2,3,3-tetrafluoropropan-1-ol을 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 B-7을 수득하였다 (수득률 67%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 B-7임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (2H, 1.79 (dtd,　J　= 8.1, 7.4, 7.2 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.5, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.93-2.13 (2H, 2.03 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 2.51-2.63 (2H, 2.57 (t,　J　= 6.7 Hz), 2.57 (t,　J　= 6.7 Hz)), 3.64-3.95 (6H, 3.69 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.69 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.01-4.21 (3H, 4.08 (dtd,　J　= 8.1, 5.1, 4.4 Hz), 4.17 (s), 4.17 (s)), 6.09 (1H, s).
LRMS (ESI): [M + H]+ 289.10
제조예 10: 화합물 B-10의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000029
Step 1에서 화합물 C 대신에 3-bromopropanoic acid를 사용하고 Step 2에서 화합물 D 대신에 3,3,3-trifluoro-2-(hydroxymethyl)propanenitrile을 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 B-10을 수득하였다(수득률 62%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 B-10임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (2H, 1.79 (dddd,　J　= 8.1, 7.5, 7.4, 7.2 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.5, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.93-2.13 (2H, 2.03 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 2.51-2.63 (2H, 2.57 (t,　J　= 6.7 Hz), 2.57 (t,　J　= 6.7 Hz)), 3.56 (1H, t,　J　= 7.0 Hz), 3.64-3.95 (6H, 3.70 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.70 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.08 (1H, dtd,　J　= 8.1, 5.1, 4.4 Hz), 4.17-4.29 (2H, 4.23 (d,　J　= 7.0 Hz), 4.23 (d,　J　= 7.0 Hz)).
LRMS (ESI): [M + H]+ 296.10
제조예 11: 화합물 B-12의 합성
Figure PCTKR2023001528-appb-img-000030
Step 1에서 화합물 C 대신에 3-bromopropanoic acid를 사용하고 Step 2에서 화합물 D 대신에 5,5,6,6,6-pentafluorohex-1-en-3-ol을 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일하게 실시하여 화합물 B-12를 수득하였다 (수득률 34%).
H-NMR 및 질량 분석을 이용하여 수득한 화합물이 목적하는 화합물 B-12임을 확인하였다.
1H NMR: δ 1.71-1.89 (2H, 1.79 (dddd,　J　= 8.1, 7.5, 7.4, 7.2 Hz), 1.81 (dddd,　J　= 7.5, 7.1, 4.4, 2.0 Hz)), 1.93-2.13 (4H, 2.03 (ddddd,　J　= 10.8, 9.3, 7.4, 7.1, 5.4 Hz), 1.99 (d,　J　= 7.4 Hz), 1.99 (d,　J　= 7.4 Hz), 2.04 (ddddd,　J　= 10.8, 7.2, 5.5, 2.0, 1.4 Hz)), 2.54-2.65 (2H, 2.60 (t,　J　= 6.7 Hz), 2.60 (t,　J　= 6.7 Hz)), 3.65-3.95 (6H, 3.71 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.71 (t,　J　= 6.7 Hz), 3.76 (ddd,　J　= 9.3, 6.5, 5.5 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.84 (d,　J　= 5.1 Hz), 3.88 (ddd,　J　= 6.5, 5.4, 1.4 Hz)), 4.09 (1H, dtd,　J　= 8.1, 5.1, 4.4 Hz), 4.92 (1H, dt,　J　= 9.7, 7.4 Hz), 4.99-5.18 (2H, 5.06 (dd,　J　= 16.7, 1.2 Hz), 5.11 (dd,　J　= 10.9, 1.2 Hz)), 6.20 (1H, ddd,　J　= 16.7, 10.9, 9.7 Hz).
LRMS (ESI): [M + H]+ 347.12
실시예들 및 비교예들
1. 전해액의 제조
하기 표 1에 따라 혼합 유기 용매를 준비하였다.
상기 혼합 용매에 LiPF6를 투입하여, 1M의 LiPF6를 제조하였다.
상기 LiPF6 용액에 전해액 총 중량을 기준으로 1wt%의 FEC 및 1wt%의 LiPO2F2를 투입하여 전해액을 제조하였다.
2. 리튬 이차 전지의 제조
Li1.13Mn0.463Ni0.203Co0.203O2 (0.3Li2MnO3·0.7LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2), PVDF 및 카본블랙을 94:3:3의 중량비로 NMP에 분산시켜 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 알루미늄 박막에 코팅하여 양극을 제조하였다.
흑연, PVDF 및 카본블랙을 96:3:1의 중량비로 물에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 박막에 코팅하여 음극을 제조하였다.
상기 양극 및 상기 음극 사이에 분리막(폴레에틸렌)을 개재하여 전극 조립체를 형성하였다. 상기 전극 조립체 및 상기 전해액으로 공지된 방법에 따라 코인 셀을 제조하였다.
실험예 1: DC-IR (direct current-internal resistance) 측정
실시예들 및 비교예들의 리튬 이차 전지를 1C CC/CV 충전(4.9V CUT-OFF)하여 50% 충전 상태(SOC 50)까지 충전하였다.
충전된 리튬 이차 전지를 0.1C, 1C, 3C로 각각 10초 동안 방전 및 보충전하여 DCIR 측정하였다.
실험예 2: 고온 저장 용량 유지율 측정
실시예들 및 비교예들의 리튬 이차 전지를 상온(25℃)에서 4.5V까지 1C로 충전하고, 2.75V까지 1C로 방전하여, 초기 방전 용량 A1을 측정하였다.
초기 방전 용량 A1을 측정한 후, 리튬 이차 전지를 4.5V까지 0.5C로 다시 충전하고, 고온(45℃)에서 1주 동안 방치하였다.
고온 방치 후, 리튬 이차 전지를 4.5V까지 1C 충전 및 2.75V까지 1C 방전하는 사이클을 2회 진행하여 2회째의 방전 용량 A2를 측정하였다.
하기 식에 따라 고온 저장 용량 유지율을 계산하였다.
고온 저장 용량 유지율(%) = A2/A1 × 100
실험예 3: 발화 억제 특성 평가
실시예들 및 비교예들의 전해액을 각각 유리 섬유(glass fiber)에 흡수시켜 시편을 제조하였다. 시편 제조시, 흡수된 전해액의 무게를 측정하였다.
토치를 이용하여 시편에 불을 붙이고, 토치를 제거한 시점부터 소화 시점까지의 시간을 측정하였다.
흡수된 전해액의 무게당 초 단위 자기소화시간(self-extinguishing time (SET), s/g)을 산출하였다.
동일한 테스트를 4회 반복하여 평균 SET 값을 얻었다.
평가 기준은 하기와 같다.
◎(불연성): SET 값이 6 s/g 미만
○(난연성): SET 값이 6 내지 20 s/g
×(가연성): SET 값이 20 s/g 초과
유기 용매 DCIR
(mΩ)		 고온 저장
용량 유지율
(%)		 난연성
평가
실시예1 A-1 + PC (7/3, v/v) 52.1 64.2 15.3 s/g
난연성
실시예2 A-6 + PC (7/3, v/v) 56.1 63.8 14.0 s/g
난연성
실시예3 A-7 + PC (7/3, v/v) 60.3 64.7 13.8 s/g
난연성
실시예4 A-10 + PC (7/3, v/v) 53.9 63.1 11.6 s/g
난연성
실시예5 A-12 + PC (7/3, v/v) 59.6 58.7 13.0 s/g
난연성
실시예6 A-25 + PC (7/3, v/v) 68.1 52.7 16.72 s/g
난연성
실시예7 B-1 + PC (7/3, v/v) 50.4 63.1 15.7 s/g
난연성
실시예8 B-7 + PC (7/3, v/v) 53.2 59.3 11.0 s/g 난연성
실시예9 B-10 + PC (7/3, v/v) 58.1 54.1 12.64 s/g 난연성
실시예10 B-12 + PC (7/3, v/v) 56.3 53 9.25 s/g 난연성
실시예11 B-25 + PC (7/3, v/v) 68.0 50.1 13.3 s/g 난연성
비교예1 EMC + EC (7/3, v/v) 63 51.8 38.2 s/g 가연성
비교예2 EMC + PC (7/3, v/v) 65.2 52.2 28.3s/g
가연성
상기 표 1을 참조하면, 실시예들의 리튬 이차 전지는 비교예들의 리튬 이차 전지에 비해 낮은 DCIR 및 향상된 고온 안정성을 나타냈다.
실시예들의 전해액은 비교예들의 전해액에 비해 향상된 난연성을 나타냈다.

Claims (15)

  1. 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 리튬 이차 전지용 유기 용매:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2023001528-appb-img-000031
    (화학식 1에서, R1은 C3-C7의 고리형 에터기이고,
    R2는 불소를 함유하는 C1-C10의 알킬기 또는 불소를 함유하는 C2-C10의 알케닐기이며,
    L1 및 L2는 독립적으로 C1-C6의 알킬렌기 또는 C2-C6의 알케닐렌기임).
  2. 청구항 1에 있어서, R1은 화학식 2-1로 표시되는, 리튬 이차 전지용 유기 용매:
    [화학식 2-1]
    Figure PCTKR2023001528-appb-img-000032
    (화학식 2-1에서, n은 1 내지 3의 정수이고, *은 결합손을 의미함).
  3. 청구항 1에 있어서, R1은 화학식 2-2로 표시되는, 리튬 이차 전지용 유기 용매:
    [화학식 2-2]
    Figure PCTKR2023001528-appb-img-000033
    (화학식 2-2에서, m은 1 내지 3의 정수이고, *은 결합손을 의미함).
  4. 청구항 1에 있어서, R2는 2개 내지 17개의 불소 원자를 함유하는, 리튬 이차 전지용 유기 용매.
  5. 청구항 1에 있어서, R2는 니트릴기 및 바이닐기 중 적어도 하나를 더 함유하는, 리튬 이차 전지용 유기 용매.
  6. 청구항 1에 있어서, L1 및 L2는 독립적으로 C1-C3의 알킬렌기인, 리튬 이차 전지용 유기 용매.
  7. 청구항 1에 있어서, L1은 메틸렌기인, 리튬 이차 전지용 유기 용매.
  8. 청구항 3에 있어서, m은 1이고, L1은 메틸렌기이며, L2는 메틸렌기 또는 에틸렌기인, 리튬 이차 전지용 유기 용매.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 함량은 상기 유기 용매 총 부피 중 30 내지 90부피%인, 리튬 이차 전지용 유기 용매.
  10. 청구항 1에 있어서, 카보네이트계 용매를 더 포함하는, 리튬 이차 전지용 유기 용매.
  11. 리튬염; 및
    청구항 1의 유기 용매를 포함하는, 리튬 이차 전지용 전해액.
  12. 청구항 11에 있어서, 불소 함유 환형 카보네이트계 화합물, 불소 함유 포스페이트계 화합물, 이중 결합을 갖는 환형 카보네이트계 화합물, 설톤계 화합물, 보레이트계 화합물 및 환형 설페이트계 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제를 더 포함하는, 리튬 이차 전지용 전해액.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 첨가제의 함량은 상기 전해액 총 중량 중 0.1 내지 30중량%인, 리튬 이차 전지용 전해액.
  14. 양극 및 음극을 포함하는 전극 조립체;
    청구항 11의 전해액; 및
    상기 전극 조립체 및 상기 전해액을 수용하는 케이스를 포함하는, 리튬 이차 전지.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 양극은 리튬 금속 산화물 입자를 포함하는 양극 활물질을 포함하고, 상기 리튬 금속 산화물 입자 중 리튬 및 산소를 제외한 전체 원소들에 대한 리튬의 몰비는 1.1보다 큰, 리튬 이차 전지.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170009873A (ko) * 2014-05-23 2017-01-25 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 환형 설페이트 및 리튬 보레이트를 포함하는 비수성 전해질 조성물
KR20170066978A (ko) * 2015-12-07 2017-06-15 솔브레인 주식회사 리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
JP6358097B2 (ja) * 2013-01-25 2018-07-18 富士フイルム和光純薬株式会社 電気化学デバイス用電解液及び電気化学デバイス
KR20190059256A (ko) * 2017-11-22 2019-05-30 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
US20210218063A1 (en) * 2015-08-04 2021-07-15 California Institute Of Technology Non-aqueous fluoride salts, solutions, and their uses

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6358097B2 (ja) * 2013-01-25 2018-07-18 富士フイルム和光純薬株式会社 電気化学デバイス用電解液及び電気化学デバイス
KR20170009873A (ko) * 2014-05-23 2017-01-25 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 환형 설페이트 및 리튬 보레이트를 포함하는 비수성 전해질 조성물
US20210218063A1 (en) * 2015-08-04 2021-07-15 California Institute Of Technology Non-aqueous fluoride salts, solutions, and their uses
KR20170066978A (ko) * 2015-12-07 2017-06-15 솔브레인 주식회사 리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20190059256A (ko) * 2017-11-22 2019-05-30 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 비수전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

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