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KR20130122366A - Additive for non-aqueous liquid electrolyte, non-aqueous liquid electrolyte and lithium secondary cell comprising the same - Google Patents

Additive for non-aqueous liquid electrolyte, non-aqueous liquid electrolyte and lithium secondary cell comprising the same Download PDF

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KR20130122366A
KR20130122366A KR1020120045629A KR20120045629A KR20130122366A KR 20130122366 A KR20130122366 A KR 20130122366A KR 1020120045629 A KR1020120045629 A KR 1020120045629A KR 20120045629 A KR20120045629 A KR 20120045629A KR 20130122366 A KR20130122366 A KR 20130122366A
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양두경
임영민
안경호
안유하
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주식회사 엘지화학
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Abstract

Provided is an additive for non-aqueous liquid electrolyte, comprising the following chemical formula 1, and Vinyl ethylene sulfite. [Chemical formula 1] <img id="i0007" he="94" wi="114" file="pat00007.jpg" img-format="jpg" /> (In the chemical formula, a is C or Si, b is H or F, n is 1-5) In addition, a non-aqueous liquid electrolyte comprising the additive above, and a lithium secondary battery comprising the non-aqueous liquid electrolyte are provided. [Reference numerals] (AA) Capacity (mAh);(BB) Comparative example 1;(CC) Comparative example 2;(DD) Example 1;(EE) Storage period (week)

Description

전해액 첨가제, 상기 첨가제를 포함하는 비수성 전해액 및 리튬 이차 전지 {ADDITIVE FOR NON-AQUEOUS LIQUID ELECTROLYTE, NON-AQUEOUS LIQUID ELECTROLYTE AND LITHIUM SECONDARY CELL COMPRISING THE SAME}Electrolytic solution additives, non-aqueous electrolyte and lithium secondary battery comprising the additive {ADDITIVE FOR NON-AQUEOUS LIQUID ELECTROLYTE, NON-AQUEOUS LIQUID ELECTROLYTE AND LITHIUM SECONDARY CELL COMPRISING THE SAME}

본 발명은 소정의 포스페이트계 화합물 및 비닐에틸렌설파이트(Vinyl Ethylene Sulfite)를 포함하는 전해액 첨가제, 상기 전해액 첨가제를 포함하는 비수성 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 고온 보존 특성 및 사이클 특성이 우수하면서도 출력이 개선된 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 전해액 첨가제에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolyte additive including a predetermined phosphate compound and vinyl ethylene sulfite, a non-aqueous electrolyte including the electrolyte additive, and a lithium secondary battery including the same. More specifically, the present invention relates to an electrolyte additive for providing a lithium secondary battery having excellent high temperature storage characteristics and cycle characteristics and improved output.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지는 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices are increasing, the demand for secondary batteries as energy sources is rapidly increasing. Among these secondary batteries, lithium secondary batteries having high energy density and voltage have been commercialized and widely used.

최근에는 소형 기기용 전원뿐만 아니라, 전력 저장설비용 전원이나 차량 탑재용 동력 전원으로서의 중대형 산업용으로 사용될 수 있도록 기술 개발되고 있다. Recently, the technology has been developed to be used not only for power supplies for small devices but also for "medium and large size" industries as power storage facility power supplies or vehicle power supplies.

리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 금속 산화물이 사용되고, 음극 활물질로는 리튬 금속, 리튬 합금, 결정질 또는 비정질 탄소 또는 탄소 복합체가 사용되고 있다. 상기 활물질을 적당한 두께와 길이로 집전체에 도포하거나 또는 활물질 자체를 필름 형상으로 도포하여 절연체인 세퍼레이터와 함께 감거나 적층하여 전극군을 만든 다음, 캔 또는 이와 유사한 용기에 넣은 후, 전해액을 주입하여 이차 전지를 제조한다.Lithium metal oxide is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, and lithium metal, a lithium alloy, crystalline or amorphous carbon or a carbon composite material is used as a negative electrode active material. The active material is coated on the current collector with an appropriate thickness and length, or the active material itself is coated in a film form and wrapped or laminated with a separator as an insulator to form an electrode group. The electrode group is then placed in a can or similar container, Thereby manufacturing a secondary battery.

이러한 리튬 이차 전지는 양극의 리튬 금속 산화물로부터 리튬 이온이 음극의 흑연 전극으로 삽입(intercalation)되고 탈리(deintercalation)되는 과정을 반복하면서 충방전이 진행된다. 이때 리튬은 반응성이 강하므로 탄소 전극과 반응하여 음극의 표면에 피막을 형성한다. 이러한 피막을 고체 전해질(Solid Electrolyte Interface; SEI) 피막이라고 하는데, 충전 초기에 형성된 SEI 피막은 충방전중 리튬 이온과 탄소 음극 또는 다른 물질과의 반응을 막아준다. 또한 이온 터널(Ion Tunnel)의 역할을 수행하여 리튬 이온만을 통과시킨다. 이 이온 터널은 리튬 이온을 용매화(solvation)시켜 함께 이동하는 분자량이 큰 전해액의 유기용매들이 탄소 음극에 함께 코인터컬레이션되어 탄소 음극의 구조를 붕괴시키는 것을 막아 주는 역할을 한다. In such a lithium secondary battery, charging and discharging progress while repeating a process of intercalating and deintercalating lithium ions from a lithium metal oxide of a positive electrode to a graphite electrode of a negative electrode. At this time, since lithium is highly reactive, it reacts with the carbon electrode to form a film on the surface of the cathode. Such a coating is called a solid electrolyte interface (SEI) coating, and the SEI coating formed at the beginning of charging prevents a reaction between lithium ions and a carbon negative electrode or other material during charging and discharging. It also acts as an ion tunnel, allowing only lithium ions to pass through. The ion tunnel serves to prevent the organic solvents of the large molecular weight electrolytes that solvate lithium ions and move together to be co-intercalated with the carbon anode to collapse the structure of the carbon anode.

그러나, SEI 피막은 전지의 충방전이 진행됨에 따라 지속적인 보호막을 형성하지 못하는 경우가 있고, 이에 의해 전지의 수명이 저하될 수 있다. 또한, SEI 피막은 열적으로 안정하지 못하여 전지가 고온에서 작동하거나 고온 방치되는 경우 증가된 전기화학적 에너지 및 열에너지에 의해 붕괴되기도 한다.However, the SEI film may not be able to form a continuous protective film as the charge and discharge of the battery proceeds, thereby deteriorating the life of the battery. In addition, the SEI coating is not thermally stable and may collapse due to increased electrochemical and thermal energy when the cell is operated at high temperatures or left at high temperatures.

이와 같이 SEI 피막이 안정적이지 못한 경우 이의 붕괴로 인한 성능 저하, 전해액의 분해 및 이로 인해 CO2 가스가 지속적으로 발생하게 됨으로써 전지의 내압 및 두께가 증가되는 문제가 있다.As such, when the SEI film is not stable, there is a problem in that the internal pressure and thickness of the battery are increased by deterioration of performance due to its collapse, decomposition of the electrolyte, and continuous generation of CO 2 gas.

따라서, 리튬 이차 전지의 성능을 향상시키기 위해서는 리튬 이차 전지의 전극에 견고한 SEI 피막을 형성하는 것이 중요하다. Therefore, in order to improve the performance of a lithium secondary battery, it is important to form a firm SEI film on the electrode of a lithium secondary battery.

본 발명은 상기와 같이 과거로부터 요청되어 온 기술적 과제 해결을 목적으로 한다.The present invention aims at solving the technical problems requested from the past as described above.

본 출원의 발명자들은 소정의 포스페이트계 화합물 및 비닐에틸렌설파이트(Vinyl Ethylene Sulfite)를 포함하는 전해액 첨가제를 사용하는 경우, 고용량이면서도 고온 저장 특성이 우수한 동시에 출력이 개선된 리튬 이차 전지를 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present application can provide a lithium secondary battery having high capacity and high temperature storage characteristics and improved output when using an electrolyte additive including a predetermined phosphate compound and vinyl ethylene sulfite. Confirmed and completed the present invention.

상기 해결하고자 하는 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1의 화합물 및 비닐에틸렌설파이트(Vinyl Ethylene Sulfite)를 포함하는 전해액 첨가제를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides an electrolyte additive comprising a compound of Formula 1 and vinyl ethylene sulfite (Vinyl Ethylene Sulfite).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 식에서, a는 C 또는 Si, b는 H 또는 F, n은 1 내지 5이다.)(Wherein a is C or Si, b is H or F, n is 1 to 5)

나아가, 본 발명은 하기 화학식 1의 화합물 및 비닐에틸렌설파이트(Vinyl Ethylene Sulfite)를 포함하는 전해액 첨가제, 비수성 유기 용매, 및 리튬염을 포함하는 비수성 전해액을 제공한다. Furthermore, the present invention provides a non-aqueous electrolyte solution including an electrolyte additive, a non-aqueous organic solvent, and a lithium salt including a compound of Formula 1 and vinyl ethylene sulfite.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 식에서, a는 C 또는 Si, b는 H 또는 F, n은 1 내지 5이다.)(Wherein a is C or Si, b is H or F, n is 1 to 5)

또한, 본 발명은 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터, 및 상기 비수성 전해액을 포함하고, 상기 양극 활물질은 망간계 스피넬(spinel) 활물질, 리튬 금속 산화물 또는 이들의 혼합물인 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention also includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte, wherein the positive electrode active material is a manganese spinel active material It provides a lithium secondary battery which is a lithium metal oxide or a mixture thereof.

본 발명의 전해액 첨가제 및 이를 포함하는 비수성 전해액에 따르면, 안정된 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 피막 형성을 통해 전해액 분해 촉진 및 스웰링 현상 등의 문제를 최소화할 수 있어서 우수한 고온 사이클 특성 및 고온 저장 특성을 가지면서도 출력 특성이 개선된 비수성 전해액 및 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.According to the electrolyte additive of the present invention and the non-aqueous electrolyte including the same, it is possible to minimize problems such as accelerated electrolyte decomposition and swelling through stable SEI (Solid Electrolyte Interphase) film formation, thereby providing excellent high temperature cycling characteristics and high temperature storage characteristics. It is possible to provide a nonaqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery having improved output characteristics.

도 1은 실험예 1에 따라, 본 발명에 따른 전해액 첨가제를 포함하는 이차 전지의 고온 저장 후 저장 시간에 따른 방전 용량을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 실험예 2에 따라, 본 발명에 의한 전해액 첨가제를 포함하는 이차 전지의 저장 시간에 따른 두께 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 실험예 3에 따라, 본 발명에 의한 전해액 첨가제를 포함하는 이차 전지의 고온 사이클 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
1 is a graph illustrating a result of measuring a discharge capacity according to a storage time after high temperature storage of a secondary battery including an electrolyte additive according to the present invention according to Experimental Example 1. FIG.
2 is a graph showing a result of measuring a thickness change according to a storage time of a secondary battery including the electrolyte solution additive according to Experimental Example 2 according to the present invention.
3 is a graph showing the results of measuring high temperature cycle characteristics of a secondary battery including the electrolyte solution additive according to the present invention according to Experimental Example 3. FIG.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail in order to facilitate understanding of the present invention. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 발명에 따르는 전해액 첨가제는 하기 화학식 1의 화합물 및 비닐에틸렌설파이트(Vinyl Ethylene Sulfite)를 포함할 수 있다. The electrolyte additive according to the present invention may include a compound of Formula 1 and vinyl ethylene sulfite.

[화학식1][Chemical Formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

(상기 식에서, a는 C 또는 Si, b는 H 또는 F, n은 1 내지 5이다.)(Wherein a is C or Si, b is H or F, n is 1 to 5)

SEI 막은 만충전 상태에서의 고온 저장시 (예를 들어, 4.2V에서 100% 충전 후 85℃에서 4일간 방치) 내구성이 저하될 수 있다. 즉, 만충전 상태에서 고온 저장하게 되면 시간이 경과함에 따라 SEI 필름이 서서히 붕괴하면서 음극이 노출되고, 이렇게 노출된 음극의 표면이 주위의 전해액과 반응하여 부반응을 지속적으로 일으키면서 CO, CO2, CH4, C3H6 등의 가스가 발생하여 전지 내압 및 두께 상승을 초래하게 된다. SEI membranes may have poor durability upon high temperature storage in a fully charged state (eg, left at 85 ° C. for 4 days after 100% charge at 4.2V). That is, when the high-temperature storage in the fully charged state the cathode, while the SEI film gradually collapses and exposed with the lapse of time, so that the surface of the exposed anode reacts with an electrolyte around, causing a side reaction continued to CO, CO 2, Gases such as CH 4 and C 3 H 6 are generated, resulting in an increase in battery pressure and thickness.

그러나, 본 발명에서와 같이 비닐에틸렌설파이트를 포함함으로써 전지의 비가역 용량 최소화를 통해 용량을 유지시킬 수 있고, 우수한 고온 사이클 특성을 나타냄과 동시에, 고온 보존시 전지의 스웰링 유발 및 전해액 분해 반응을 방지함으로써 고온 안정성을 유지할 수 있다.However, by including vinylethylene sulfite as in the present invention, the capacity can be maintained by minimizing the irreversible capacity of the battery, exhibiting excellent high temperature cycle characteristics, and causing the swelling of the battery and decomposition of the electrolyte during high temperature storage. By preventing, high temperature stability can be maintained.

다만, SEI 피막은 리튬 이온의 이동을 저해하는 저항층으로 작용할 수 있어, 리튬 이차 전지의 출력 저하가 유발될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따라 화학식 1의 포스페이트계 화합물을 더하는 경우 전극과 전해액 사이의 계면 특성 향상으로 전지의 저항이 감소함으로써 리튬 이차 전지의 출력이 현저히 개선될 수 있다.However, the SEI film may act as a resistance layer that inhibits the movement of lithium ions, which may cause a decrease in output of the lithium secondary battery. However, when the phosphate-based compound of Formula 1 is added according to the present invention, the output of the lithium secondary battery may be remarkably improved by reducing the resistance of the battery due to the improvement of the interface property between the electrode and the electrolyte.

따라서 본 발명에 따르면, 비닐에틸렌설파이트는 전극 표면에서의 환원반응에 의해 SEI 피막을 생성하며, 이를 통하여 리튬 이차 전지의 고용량화 및 고온 안정성을 유지한다. 이와 동시에, 화학식 1의 포스페이트계 화합물은 피막 형성 반응에 참여하지는 않으나 충방전시 리튬 이온의 전하 이동(charge transfer) 반응을 저해하는 저항을 감소시킴으로써, 원활한 리튬 이온의 이동을 가능하게 한다. 즉, SEI 피막이 저항층으로 작용하여 발생할 수 있는 출력 저하의 문제점이 화학식 1의 포스페이트계 화합물의 첨가에 의해 해결될 수 있는 것이다. Therefore, according to the present invention, vinyl ethylene sulfite generates an SEI film by a reduction reaction on the electrode surface, thereby maintaining high capacity and high temperature stability of the lithium secondary battery. At the same time, the phosphate-based compound of Formula 1 does not participate in the film formation reaction, but reduces the resistance that inhibits the charge transfer reaction of lithium ions during charge and discharge, thereby enabling a smooth movement of lithium ions. That is, the problem of output reduction that can occur due to the SEI film acting as the resistive layer can be solved by the addition of the phosphate-based compound of formula (1).

하나의 실시예에서, 상기 화학식 1의 화합물은 구체적으로 트리스(트리메틸실일)포스페이트(TMSP) 및 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸)포스페이트(TFEP)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. In one embodiment, the compound of Formula 1 may be specifically at least one selected from the group consisting of tris (trimethylsilyl) phosphate (TMSP) and tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (TFEP). .

상기 화학식 1의 화합물을 전해액에 첨가함에 있어서, 화학식 1의 화합물은 전해액 총량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%로 포함될 수 있고, 전해액 총량을 기준으로 0.01 내지 2 중량%로 포함하는 것이 바람직하며, 0.01 내지 1 중량%로 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 그 함량이 0.01 중량% 미만이면 충분한 출력 개선 효과를 낼 수 없고, 그 함량이 5 중량%를 초과하면 출력 개선 효과는 현저하나 전지의 출력 및 안정성을 저해하는 부반응이 유발될 수 있다. In adding the compound of Formula 1 to the electrolyte, the compound of Formula 1 may be included in an amount of 0.01 to 5% by weight based on the total amount of the electrolyte, it is preferable to include 0.01 to 2% by weight based on the total amount of the electrolyte, 0.01 It is more preferable to include from 1% by weight. If the content is less than 0.01% by weight can not produce a sufficient output improvement effect, if the content is more than 5% by weight, the output improvement effect is remarkable, but side reactions that inhibit the output and stability of the battery may be induced.

또한, 전해액에 비닐에틸렌설파이트를 첨가함에 있어서, 전해액 총량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%로 포함하는 것이 바람직하며, 0.2 내지 2 중량%로 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 함량이 0.01 중량% 미만이면 안정한 SEI 피막이 충분히 형성되기 어렵고, 5 중량%를 초과하면 SEI 피막이 두껍게 되어 내부 저항이 지나치게 상승할 수 있다. In addition, in the addition of vinyl ethylene sulfite to the electrolyte, it is preferable to include from 0.01 to 5% by weight, more preferably from 0.2 to 2% by weight based on the total amount of the electrolyte. If the content is less than 0.01% by weight, it is difficult to form a stable SEI film sufficiently, and if the content is more than 5% by weight, the SEI film may be thick and the internal resistance may be excessively increased.

한편, 본 발명은 하기 화학식 1의 및 비닐에틸렌설파이트(Vinyl Ethylene Sulfite)를 포함하는 전해액 첨가제, 비수성 유기 용매, 및 리튬염을 포함하는 비수성 전해액에 관한 것이다.On the other hand, the present invention relates to a non-aqueous electrolyte solution containing an electrolyte additive, a non-aqueous organic solvent, and a lithium salt of the formula (1) and vinyl ethylene sulfite (Vinyl Ethylene Sulfite).

[화학식1][Chemical Formula 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

(상기 식에서, a는 C 또는 Si, b는 H 또는 F, n은 1 내지 5이다.)(Wherein a is C or Si, b is H or F, n is 1 to 5)

본 발명에 따른 비수성 전해액은 화학식 1의 화합물 및 비닐에틸렌설파이트를 전해액 첨가제로 함께 포함함으로써, 양자의 상호작용으로 고온 사이클 특성 및 보존 특성이 향상되면서도, 출력 개선 효과를 나타내는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.The non-aqueous electrolyte according to the present invention includes a compound of Formula 1 and vinyl ethylene sulfite together as an electrolyte additive, thereby providing a lithium secondary battery that exhibits an output improvement effect while improving high temperature cycling characteristics and storage characteristics through interaction between them. can do.

본 발명의 비수성 전해액에는 상기 전해액 첨가제로 사용되는 리튬염이 더 포함될 수 있다. 상기 리튬염으로는 LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiBF4, LiBF6, LiSbF6, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiSO3CF3 및 LiClO4 등 리튬 이차 전지의 전해액에 통상적으로 사용되는 리튬염들이 사용될 수 있으며, 이들은 단독으로 사용될 수 있고, 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있다.The non-aqueous electrolyte solution of the present invention may further include a lithium salt used as the electrolyte additive. Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiBF 4 , LiBF 6 , LiSbF 6 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 Lithium salts commonly used in electrolytes of lithium secondary batteries, such as LiSO 3 CF 3 and LiClO 4 , may be used, and these may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.

또한, 상기 비수성 전해액에 포함될 수 있는 비수성 유기 용매로는, 전지의 충방전 과정에서 산화 반응 등에 의한 분해가 최소화될 수 있고, 첨가제와 함께 목적하는 특성을 발휘할 수 있는 것이라면 제한이 없고, 예를 들어 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤 등일 수 있다. 이들은 이들은 단독으로 사용될 수 있고, 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있다. 상기 유기 용매들 중 특히 카보네이트계 유기 용매가 바람직하게 사용될 수 있는데, 환형 카보네이트로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC) 및 부틸렌 카보네이트(BC)가, 선형 카보네이트로는 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트(MPC) 및 에틸프로필 카보네이트(EPC)가 대표적이다. In addition, as the non-aqueous organic solvent that can be included in the non-aqueous electrolyte, decomposition by the oxidation reaction or the like during the charging and discharging process of the battery can be minimized, there is no limitation as long as it can exhibit the desired characteristics with the additive, For example, cyclic carbonates, linear carbonates, esters, ethers or ketones. These may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. Among the organic solvents, in particular, carbonate-based organic solvents may be preferably used, and cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate (BC), and linear carbonates include dimethyl carbonate (DMC). , Diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate (MPC) and ethylpropyl carbonate (EPC).

하나의 실시예에서, 상기 비수성 전해액은 전극 표면에 안정한 SEI 피막을 형성할 수 있도록 카보네이트계 화합물, 설페이트계 화합물 및 설톤계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 첨가제를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the non-aqueous electrolyte may further include one or more additives selected from the group consisting of carbonate compounds, sulfate compounds and sultone compounds to form a stable SEI film on the electrode surface.

상기 카보네이트계 화합물은 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate) 및 비닐렌 에틸렌 카보네이트(vinylene ethylene carbonate)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 카보네이트계 화합물이 비수성 전해액의 첨가제로 포함되는 경우, 전해액 총량을 기준으로 1.5 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.The carbonate-based compound may be at least one selected from the group consisting of vinylene carbonate and vinylene ethylene carbonate. When the carbonate-based compound is included as an additive of the non-aqueous electrolyte, it may be included in an amount of 1.5 to 3 wt% based on the total amount of the electrolyte.

상기 설페이트계 화합물은 에틸렌 설페이트(ethylene sulfate)일 수 있으며, 상기 설페이트계 화합물이 비수성 전해액의 첨가제로 포함되는 경우, 전해액 총량을 기준으로 0.5 내지 1.5 중량%로 포함될 수 있다.The sulfate-based compound may be ethylene sulfate, and when the sulfate-based compound is included as an additive of the non-aqueous electrolyte, it may be included in an amount of 0.5 to 1.5 wt% based on the total amount of the electrolyte.

상기 설톤계 화합물은 1,3-프로판설톤(1,3-propane sultone) 일 수 있으며, 상기 설톤계 화합물이 비수성 전해액의 첨가제로 포함되는 경우, 전해액 총량을 기준으로 0.5 내지 1 중량%로 포함될 수 있다.The sultone compound may be 1,3-propane sultone, and when the sultone compound is included as an additive of the non-aqueous electrolyte, it may be included in an amount of 0.5 to 1 wt% based on the total amount of the electrolyte. Can be.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르는 리튬 이차 전지는 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터 및 상기 비수성 전해액을 포함할 수 있다. 상기 양극 및 음극은 각각 양극 활물질 및 음극 활물질을 포함할 수 있다. On the other hand, the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may include a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode and the non-aqueous electrolyte. The positive electrode and the negative electrode may include a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.

여기서, 상기 양극 활물질은 망간계 스피넬(spinel) 활물질, 리튬 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 리튬 금속 산화물은 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간-코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 보다 구체적으로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(여기에서, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - YCoYO2, LiCo1 - YMnYO2, LiNi1 - YMnYO2 (여기에서, 0≤Y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 -zCozO4(여기에서, 0<Z<2) 일 수 있다. Here, the positive electrode active material may include a manganese spinel active material, a lithium metal oxide, or a mixture thereof. Further, the lithium metal oxide may be selected from the group consisting of lithium-manganese oxide, lithium-nickel-manganese oxide, lithium-manganese-cobalt oxide, and lithium-nickel-manganese-cobalt oxide, and more specifically, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (where 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), LiNi 1 - Y Co Y O 2 , LiCo 1 - Y Mn Y O 2 , LiNi 1 - Y Mn Y O 2 (where 0 ≦ Y <1), Li (Ni a Co b Mn c) O 4 (0 < a <2, 0 <b <2, 0 <c <2, a + b + c = 2), LiMn 2 - z Ni z O 4, LiMn 2 -z Co z O 4 (Where 0 <Z <2).

한편, 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 탄소 복합체와 같은 탄소계 음극 활물질이 단독으로 또는 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있다.Meanwhile, as the negative electrode active material, a carbon-based negative electrode active material such as crystalline carbon, amorphous carbon, or a carbon composite may be used alone or in combination of two or more thereof.

또한, 상기 세퍼레이터는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독 중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름이 단독으로 또는 2종 이상이 적층된 것일 수 있다. 이 외에 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
The separator may be a porous polymer film such as a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene / butene copolymer, an ethylene / hexene copolymer, or an ethylene / methacrylate copolymer Or may be a laminate of two or more kinds. In addition, nonwoven fabrics made of conventional porous nonwoven fabrics, for example, glass fibers having a high melting point, polyethylene terephthalate fibers, or the like can be used, but the present invention is not limited thereto.

실시예Example

이하 실시예 및 실험예를 들어 더욱 설명하나, 본 발명이 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.
EXAMPLES The present invention will be further illustrated by the following examples and experimental examples, but the present invention is not limited by these examples and experimental examples.

실시예Example 1 One

[전해액의 제조][Preparation of electrolytic solution]

에틸렌 카보네이트(EC): 에틸메틸 카보네이트(EMC): 디메틸 카보네이트(DMC) =3:3:4 (부피비)의 조성을 갖는 유기 용매 및 1.0M의 LiPF6를 포함하는 혼합 용매에 전해액 총량을 기준으로, 비닐렌 카보네이트(VC) 3중량% 및 1,3-프로판설톤 1.5중량%를 첨가하고, 비닐에틸렌설파이트 1중량% 및 TMSP 0.5중량%를 더 첨가하여 비수성 전해액을 제조하였다. Ethylene carbonate (EC): ethylmethyl carbonate (EMC): dimethyl carbonate (DMC) = 3: 3: 4 (volume ratio) based on the total amount of the electrolytic solution in a mixed solvent containing an organic solvent and 1.0 M LiPF 6 3% by weight of vinylene carbonate (VC) and 1.5% by weight of 1,3-propanesultone were added, and 1% by weight of vinylethylene sulfite and 0.5% by weight of TMSP were further added to prepare a non-aqueous electrolyte solution.

[리튬 이차 전지의 제조][Production of lithium secondary battery]

양극 활물질로서 망간계 스피넬 활물질 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 혼합물을 사용하였고, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 및 도전재로서 카본을 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 알루미늄 집전체에 코팅한 후 건조 및 압연하여 양극을 제조하였다. As a positive electrode active material, a mixture consisting of a manganese spinel active material and a lithium-nickel-manganese-cobalt-based oxide was used, and a positive electrode slurry was prepared by mixing polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder and carbon as a conductive material. The cathode slurry was coated on an aluminum current collector, followed by drying and rolling to prepare a cathode.

또한, 음극 활물질로서 천연 흑연, PVdF바인더 및 증점제를 혼합한 후 물에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하고, 상기 음극 슬러리를 구리 집전체에 코팅한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조하였다.Also, a negative electrode slurry was prepared by mixing natural graphite, a PVdF binder and a thickener as an anode active material and dispersing the mixture in water, coating the negative electrode slurry on a copper collector, followed by drying and rolling.

이와 같이 제조된 양극과 음극을 PE 분리막과 함께 통상적인 방법으로 전지를 제작한 후, 제조된 상기 비수성 전해액을 주액하여 리튬 이차 전지의 제조를 완성하였다.
After preparing a battery in a conventional manner with a positive electrode and a negative electrode prepared in this manner with a PE separator, the prepared non-aqueous electrolyte was injected to complete the production of a lithium secondary battery.

비교예Comparative Example 1 One

비닐에틸렌설파이트 및 TMSP 첨가제를 포함하지 않고 전해액을 제조하였다는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 하여 비수성 전해액 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.
A non-aqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte solution was prepared without containing vinylethylene sulfite and TMSP additive.

비교예Comparative Example 2 2

전해액 첨가제로 비닐에틸렌설파이트를 포함하지 않고, TMSP 0.5중량%만을 첨가하여 전해액을 제조하였다는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 하여 비수성 전해액 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.
A non-aqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte solution was prepared by adding only 0.5% by weight of TMSP without including vinylethylene sulfite as an electrolyte additive.

실험예Experimental Example 1 One

실시예 1 및 비교예 1, 2의 각 전지에 대항 45℃의 온도 환경에서 용량 특성을 알아보기 위하여, 0 내지 11주에 걸쳐 방전 용량을 측정하는 고온 저장 시험을 행하였다. 보다 구체적으로, 1C=800㎃의 정전류에서 충전하고, 전지의 전압이 4.15V가 된 후에는 4.15V의 정전압에서 충전 전류값이 50㎃가 될 때까지 1회째의 충전을 행하였다. 1회째의 충전을 행한 전지에 대해 1C의 정전류에서 전지 전압이 2.75V에 이를 때까지 방전을 행하여 방전 용량을 측정하였다. 이러한 시험을 각 전지에 대하여 1주 간격으로 수행하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. In order to examine the capacity characteristics of each of the batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 at a temperature of 45 ° C., a high temperature storage test for measuring discharge capacity over 0 to 11 weeks was conducted. More specifically, the battery was charged at a constant current of 1 C = 800 mA, and after the voltage of the battery became 4.15 V, the first charge was performed at a constant voltage of 4.15 V until the charge current value became 50 mA. The discharged battery was discharged at a constant current of 1C until the battery voltage reached 2.75V, and the discharge capacity was measured for the first charged battery. These tests were performed at weekly intervals for each cell and the results are shown in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 저장 기간에 상관없이 비닐에틸렌설파이트 및 TMSP를 전해액 첨가제로 포함하는 실시예 1의 전지는 출력 저하가 거의 없이, 비교예 1 및 비교예 2에 비해 우수한 고온 보존 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.        Referring to FIG. 1, the battery of Example 1 including vinylethylene sulfite and TMSP as an electrolyte additive regardless of the storage period exhibits excellent high temperature storage characteristics compared to Comparative Examples 1 and 2 with little output reduction. It can be seen that.

특히, 비닐에틸렌설파이트 및 TMSP를 전해액 첨가제로 포함하지 않는 비교예 1의 경우 1주 째부터 실시예 1의 전지에 비하여 출력 저하가 현저하게 나타남을 확인할 수 있다. 나아가, 비닐에틸렌설파이트를 전해액 첨가제로 포함하지 않는 비교예 2의 경우, 저장기간 5주 이후부터 실시예 1의 전지에 비하여 고온 보존 특성 차이가 더욱 커짐을 알 수 있다.
In particular, in the case of Comparative Example 1, which does not include vinyl ethylene sulfite and TMSP as the electrolyte additive, it can be seen that the reduction in output compared to the battery of Example 1 from the first week. Furthermore, in the case of Comparative Example 2, which does not include vinyl ethylene sulfite as an electrolyte additive, it can be seen that the difference in high temperature storage characteristics is greater than that of the battery of Example 1 from 5 weeks after the storage period.

실험예Experimental Example 2  2

실시예 1 및 비교예 1, 2의 각 전지를 4.2V 만충전 상태에서 90℃, 4시간 저장하면서 두께 변화를 측정하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.Each cell of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was measured at 90 ° C. for 4 hours under 4.2V full charge, and the thickness change was measured. The results are shown in FIG. 2.

도 2를 참조하면, 비교예 1, 2와 비교하여 본 발명에 따른 실시예 1의 전지는 고온에서 장시간 보존시 두께 증가(스웰링 현상)가 억제되었음을 확인할 수 있으며, 보존 시간이 길수록 비교예 1 및 비교예 2와의 차이가 커져 고온 안정성 효과가 우수함을 알 수 있다.
2, compared with Comparative Examples 1 and 2, the battery of Example 1 according to the present invention can be confirmed that the increase in thickness (swelling phenomenon) during long-term storage at high temperature is suppressed, the longer the storage time Comparative Example 1 And the difference with the comparative example 2 is large, it can be seen that the excellent high temperature stability effect.

실험예Experimental Example 3 3

실시예 1 및 비교예 1, 2의 각 전지를 각 전지를 55℃의 온도 환경에서 1C=800㎃의 정전류에서 충전하고, 전지의 전압이 4.15V가 된 후에는 4.15V의 정전압에서 충전 전류값이 50㎃가 될 때까지 1회째의 충전을 행하였다. 이 1회째의 충전을 행한 전지에 대해 1C의 정전류에서 전지 전압이 2.75V에 이를 때까지 방전을 행하여 1 사이클 째의 방전 용량을 구하였다. Each battery of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was charged at a constant current of 1C = 800 mA in a 55 ° C. temperature environment, and after the battery voltage reached 4.15V, the charging current value was measured at a constant voltage of 4.15V. The first charge was performed until it reached 50 kPa. The first charged battery was discharged at a constant current of 1 C until the battery voltage reached 2.75 V to obtain a discharge capacity at the first cycle.

계속해서, 실시예 1 및 비교예 1, 2의 각 전지에 대하여 이와 같은 충·방전을 1050 사이클까지 반복 실시하여, 각 사이클에 대한 방전 용량을 마찬가지로 측정하여 도 3에 나타내었다. Subsequently, such charging and discharging were repeated for 1050 cycles for each of the batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, and the discharge capacity for each cycle was measured as shown in FIG. 3.

도 3을 참조하면, 실시예 1의 전지는 비교예 1 및 비교예 2의 리튬 이차 전지에 비하여 우수한 고온 사이클 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 특히, TMSP만을 포함하면서 비닐에틸렌설파이트를 포함하지 않는 전해액에 관한 비교예 2의 경우 약 900 사이클 정도에서 방전 용량이 급격하게 저하되고 있으며, 이러한 방전 용량의 급격한 저하를 TMSP와 비닐에틸렌설파이트의 상호 작용을 통하여 해결하고 있음을 아울러 확인할 수 있다. TMSP와 비닐에틸렌설파이트에 의하여 전지의 고용량화가 가능함은 물론, 전지의 수명 특성이 개선될 수 있음을 확인하였다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the battery of Example 1 exhibits excellent high temperature cycle characteristics compared to the lithium secondary batteries of Comparative Examples 1 and 2. In particular, in Comparative Example 2 regarding the electrolyte solution containing only TMSP but not vinyl ethylene sulfite, the discharge capacity dropped rapidly at about 900 cycles. You can also confirm that the solution is through interaction. It was confirmed that TMSP and vinyl ethylene sulfite can increase the capacity of the battery, as well as improve the life characteristics of the battery.

Claims (10)

하기 화학식 1의 화합물 및 비닐에틸렌설파이트(Vinyl Ethylene Sulfite)를 포함하는 전해액 첨가제.
[화학식 1]
Figure pat00005

(상기 식에서, a는 C 또는 Si, b는 H 또는 F, n은 1 내지 5이다.)
An electrolyte additive comprising a compound of Formula 1 and vinyl ethylene sulfite.
[Chemical Formula 1]
Figure pat00005

(Wherein a is C or Si, b is H or F, n is 1 to 5)
제 1 항에 있어서,
상기 비닐에틸렌설파이트는 전해액 총량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%로 포함되는 전해액 첨가제.
The method of claim 1,
The vinyl ethylene sulfite is an electrolyte additive containing 0.01 to 5% by weight based on the total amount of the electrolyte.
제 1 항에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 트리스(트리메틸실일)포스페이트(TMSP) 및 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸)포스페이트(TFEP)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 전해액 첨가제.
The method of claim 1,
The compound of Formula 1 is at least one electrolyte additive selected from the group consisting of tris (trimethylsilyl) phosphate (TMSP) and tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (TFEP).
제 1 항에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 전해액 총량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%로 포함되는 전해액 첨가제.
The method of claim 1,
The compound of Formula 1 is an electrolyte additive containing 0.01 to 5% by weight based on the total amount of the electrolyte.
제 1 항에 있어서,
상기 화합물은 전해액 총량을 기준으로 0.01 내지 2 중량%로 포함되는 전해액 첨가제.
The method of claim 1,
The compound is an electrolyte additive containing 0.01 to 2% by weight based on the total amount of the electrolyte.
하기 화학식 1의 화합물 및 비닐에틸렌설파이트(Vinyl Ethylene Sulfite)를 포함하는 전해액 첨가제,
[화학식 1]
Figure pat00006

(상기 식에서, a는 C 또는 Si, b는 H 또는 F, n은 1 내지 5이다.)
비수성 유기 용매 및
리튬염을 포함하는 비수성 전해액.
Electrolyte additive including the compound of Formula 1 and vinyl ethylene sulfite (Vinyl Ethylene Sulfite),
[Chemical Formula 1]
Figure pat00006

(Wherein a is C or Si, b is H or F, n is 1 to 5)
Non-aqueous organic solvent and
A non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt.
제 6 항에 있어서,
상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, CF3SO3Li, LiC(CF3SO2)3 및 LiC4BO8으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 비수성 전해액.
The method according to claim 6,
The lithium salt may be LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , CF 3 SO 3 Li, LiC (CF 3 SO 2 ) A non-aqueous electrolyte solution containing any one selected from the group consisting of 3 and LiC 4 BO 8 or a mixture of two or more thereof.
제 6 항에 있어서,
비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate) 또는 비닐렌 에틸렌 카보네이트(vinylene ethylene carbonate),
에틸렌 설페이트(ethylene sulfate) 및
1,3-프로판설톤(1,3-propane sultone)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제를 더 포함하는 비수성 전해액.
The method according to claim 6,
Vinylene carbonate or vinylene ethylene carbonate,
Ethylene sulfate and
Non-aqueous electrolyte solution further comprises one or more additives selected from the group consisting of 1,3-propane sultone.
양극 활물질을 포함하는 양극,
음극 활물질을 포함하는 음극,
상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터 및
제 6 항의 비수성 전해액을 포함하고,
상기 양극 활물질은 망간계 스피넬(spinel) 활물질, 리튬 금속 산화물 또는 이들의 혼합물인 리튬 이차 전지.
An anode including a cathode active material,
A negative electrode comprising a negative electrode active material,
A separator interposed between the positive electrode and the negative electrode;
Including the non-aqueous electrolyte of claim 6,
The cathode active material is a manganese spinel active material, lithium metal oxide or a mixture thereof.
제 9 항에 있어서,
상기 리튬 금속 산화물은 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간-코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 리튬 이차 전지.
The method of claim 9,
The lithium metal oxide is a lithium secondary battery selected from the group consisting of lithium-manganese oxide, lithium-nickel-manganese oxide, lithium-manganese-cobalt-based oxide and lithium-nickel-manganese-cobalt-based oxide.
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