KR20210065857A - Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery comprising the same.
최근 휴대용 전자기기, 전기자동차 및 대용량 전력저장 시스템 등이 발전함에 따라 대용량 전지의 필요성이 대두되고 있다. 리튬 이차전지 중 리튬-황 전지는 S-S 결합(Sulfur - sulfur bond)을 갖는 황 계열 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬 금속을 음극 활물질로 사용하는 이차전지로, 양극 활물질의 주재료인 황은 자원이 매우 풍부하고, 독성이 없으며, 낮은 원자당 무게를 가지고 있는 장점이 있다.With the recent development of portable electronic devices, electric vehicles, and large-capacity power storage systems, the need for large-capacity batteries has emerged. Among lithium secondary batteries, a lithium-sulfur battery uses a sulfur-based material having an SS bond (Sulfur-sulfur 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, is very resource-intensive. It has the advantage of being abundant, non-toxic, and having a low weight per atom.
또한 리튬-황 전지의 이론 방전용량은 1672mAh/g-sulfur이며, 이론 에너지 밀도가 2,600Wh/kg로서, 현재 연구되고 있는 다른 전지시스템의 이론 에너지 밀도(Ni-MH 전지: 450Wh/kg, Li-FeS 전지: 480Wh/kg, Li-MnO2 전지: 1,000Wh/kg, Na-S 전지: 800Wh/kg)에 비하여 매우 높기 때문에 고에너지 밀도 특성을 갖는 전지로서 주목받고 있다.In addition, the theoretical discharge capacity of the lithium-sulfur battery is 1672 mAh/g-sulfur, and the theoretical energy density is 2,600 Wh/kg, which is the theoretical energy density of other battery systems currently being studied (Ni-MH battery: 450 Wh/kg, Li- FeS battery: 480Wh/kg, Li-MnO 2 battery: 1,000Wh/kg, Na-S battery: 800Wh/kg) is very high compared to), so it is attracting attention as a battery having high energy density characteristics.
그러나 아직까지 리튬-황 전지는 상용화되고 있지 못한 실정이다. 이는 황을 활물질로 사용시 전기화학 반응에 이용되는 비율(황 이용률)이 낮아 이론 용량만큼 충분한 용량이 확보되지 않기 때문이다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 황 함침량을 높인 양극 재료, 황 이용률을 높일 수 있는 전해액의 개발 등이 이루어지고 있다.However, lithium-sulfur batteries have not yet been commercialized. This is because, when sulfur is used as an active material, the ratio (sulfur utilization ratio) used in the electrochemical reaction is low, so that sufficient capacity is not secured as much as the theoretical capacity. In order to overcome this problem, the development of an anode material with an increased sulfur impregnation amount and an electrolyte capable of increasing the sulfur utilization rate is being developed.
현재 리튬-황 전지의 전해액 용매로는 우수한 황 이용률을 나타내는 에테르계 용매를 전해액으로 사용하고 있다. 그러나 리튬-황 전지의 구동 시간이 길어질수록 전기화학 반응에 따른 전해액 분해가 계속적으로 발생하고, 그로 인하여 수소, 메탄, 에텐 등의 가스가 발생하며, 이는 스웰링(swelling) 현상을 일으켜 결국 리튬-황 전지의 수명 단축을 초래한다.Currently, as an electrolyte solvent for a lithium-sulfur battery, an ether-based solvent having excellent sulfur utilization is used as the electrolyte. However, as the driving time of the lithium-sulfur battery increases, the decomposition of the electrolyte according to the electrochemical reaction continuously occurs, and as a result, gases such as hydrogen, methane, and ethene are generated, which causes a swelling phenomenon and eventually lithium- Sulfur leads to shortening the battery life.
따라서, 리튬-황 전지에 있어서 안정적인 수명 특성을 얻기 위해서는 전지 구동 중 분해를 일으키지 않는 안정한 전해액의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, in order to obtain stable lifespan characteristics in a lithium-sulfur battery, it is necessary to develop a stable electrolyte that does not cause decomposition while driving the battery.
본 발명자들은 상기의 문제를 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 리튬 이차전지용 전해액으로 사용되는 유기 용매 중 분해가 많이 발생하는 유기 용매를 고안정성 유기 용매로 대체하였을 경우, 전해액 분해를 억제하여 리튬 이차전지의 안정성 및 수명 특성을 향상시키는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.As a result of various studies conducted by the present inventors to solve the above problem, when an organic solvent that decomposes a lot among organic solvents used as an electrolyte for a lithium secondary battery is replaced with a high-stability organic solvent, the decomposition of the electrolyte is suppressed and lithium The present invention was completed by confirming that the stability and lifespan characteristics of the secondary battery were improved.
따라서, 본 발명은 리튬 이차전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지용 전해액을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrolyte for a lithium secondary battery capable of improving the lifespan characteristics of the lithium secondary battery.
또한, 본 발명은 상기 리튬 이차전지용 전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the electrolyte solution for a lithium secondary battery.
상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,
본 발명은 리튬염 및 유기 용매를 포함하는 리튬 이차전지용 전해액으로,The present invention is an electrolyte for a lithium secondary battery comprising a lithium salt and an organic solvent,
상기 유기 용매는 에테르계 용매 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 포함하며,The organic solvent includes an etheric solvent and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether,
상기 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르는 유기 용매 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 포함된, 리튬 이차전지용 전해액을 제공한다.The 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether is contained in an amount of 5 to 10% by weight based on the total weight of the organic solvent, and provides an electrolyte for a lithium secondary battery.
또한, 본 발명은 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액;을 포함하는 리튬 이차전지로,In addition, the present invention is a positive electrode; cathode; a separator interposed between the anode and the cathode; and an electrolyte; a lithium secondary battery comprising:
상기 전해액은 상기 본 발명의 전해액인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다.The electrolyte provides a lithium secondary battery, characterized in that the electrolyte of the present invention.
본 발명의 리튬 이차전지용 전해액은 고안정성 유기 용매인 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 유기 용매 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 포함함에 따라 전지 구동 중 발생하는 전해액의 분해를 억제할 수 있어 리튬 이차전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The electrolyte for a lithium secondary battery of the present invention contains 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, which is a high-stability organic solvent, in an amount of 5 to 10% by weight based on the total weight of the organic solvent. As it is included, it is possible to suppress the decomposition of the electrolyte generated during battery driving, thereby improving the lifespan characteristics of the lithium secondary battery.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
현재 리튬 이차전지, 바람직하게는 리튬-황 전지의 전해액 용매로 가장 많이 사용되고 있는 에테르계 용매는 황 이용률을 향상시켜 전지 용량 측면에서 우수한 결과를 나타낸다.Currently, the ether-based solvent, which is most often used as an electrolyte solvent for a lithium secondary battery, preferably a lithium-sulfur battery, improves the sulfur utilization rate and shows excellent results in terms of battery capacity.
그러나 상기 에테르계 용매는 전지 구동 중 용매가 분해되어 전해액 고갈을 일으키며, 전지를 부풀게 하고, 전극 탈리를 야기하는 등의 전지 변형을 일으켜 결국 전지의 수명을 단축시키는 원인이 된다.However, the ether-based solvent decomposes the solvent during battery operation to cause depletion of the electrolyte, swells the battery, and causes battery deformation such as electrode detachment, which eventually shortens the lifespan of the battery.
따라서, 본 발명에서는 에테르계 용매 중에서도 전해액의 분해를 많이 발생시키는 용매를 안정성이 매우 우수한 유기 용매로 대체함에 따라, 전해액 분해를 억제하여 안정성이 우수한 리튬 이차전지용 전해액을 제공하고자 하였다.Therefore, in the present invention, it was intended to provide an electrolyte for a lithium secondary battery with excellent stability by suppressing the decomposition of the electrolyte by replacing the solvent that causes a lot of decomposition of the electrolyte among the ether-based solvents with an organic solvent with excellent stability.
리튬 이차전지용 전해액Electrolyte for lithium secondary battery
본 발명은 리튬염 및 유기 용매를 포함하는 리튬 이차전지용 전해액으로,The present invention is an electrolyte for a lithium secondary battery comprising a lithium salt and an organic solvent,
상기 유기 용매는 에테르계 용매 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 포함하며,The organic solvent includes an etheric solvent and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether,
상기 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르는 유기 용매 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 포함된, 리튬 이차전지용 전해액에 관한 것이다.The 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether is contained in an amount of 5 to 10% by weight based on the total weight of the organic solvent, and relates to an electrolyte for a lithium secondary battery.
상기 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플로오로프로필 에테르(1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, TTE)는 불소를 포함하는 불소계 에테르(hydrofluoro ether)로, 불소 치환으로 인하여 알케인을 포함하는 일반적인 유기 용매에 비해 용매의 구조 안정성이 우수하여 안정성이 매우 높다. 그에 따라 이를 리튬 이차전지용 전해액에 사용하면 전해액의 안정성을 크게 향상시킬 수 있으며, 그로 인하여 상기 리튬 이차전지용 전해액을 포함하는 리튬 이차전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, TTE) is As a fluorine-based ether containing fluorine (hydrofluoro ether), Due to the substitution of fluorine, the structural stability of the solvent is superior to that of a general organic solvent containing an alkane, and thus the stability is very high. Accordingly, when it is used in an electrolyte for a lithium secondary battery, the stability of the electrolyte can be greatly improved, and thereby, the lifespan characteristics of a lithium secondary battery including the electrolyte for a lithium secondary battery can be improved.
즉, 전해액 분해를 많이 발생시키는 불안정한 에테르계 용매를 일부 또는 전체를 대체하여 상기 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 사용함에 따라 리튬 이차전지용 전해액의 안정성을 향상시켜, 이를 포함하는 리튬 이차전지의 수명 특성을 증가시킬 수 있다.That is, by using the 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether by replacing some or all of the unstable ether-based solvent that causes a lot of decomposition of the electrolyte, lithium By improving the stability of the electrolyte for a secondary battery, it is possible to increase the lifespan characteristics of a lithium secondary battery including the same.
상기 전해액 분해를 많이 발생시키는 에테르계 용매는 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 1,2-디메틸에테인 및 1,3-디옥솔란 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The ether-based solvent causing a lot of decomposition of the electrolyte may include, but is not limited to, 2-methyl tetrahydrofuran, 1,2-dimethylethane, and 1,3-dioxolane.
상기 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르는 유기 용매 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%, 바람직하게는 5 내지 9 중량%, 더욱 바람직하게는 5 내지 8 중량%, 가장 바람직하게는 5 내지 7 중량%로 포함될 수 있다.The 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether is 5 to 10 wt%, preferably 5 to 9 wt%, more preferably 5 to 10 wt%, based on the total weight of the organic solvent Preferably 5 to 8% by weight, most preferably 5 to 7% by weight may be included.
상기 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르가 5 중량% 미만으로 포함되면 리튬 이차전지용 전해액의 안정성 향상 효과를 기대할 수 없다. 상기 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르는 리튬 폴리설파이드를 용해시키지 못하므로 10 중량%를 초과하여 포함되면 전해액의 밀도가 증가하여 고에너지 밀도를 갖는 리튬 이차전지의 제조가 어렵고, 전해액의 점도가 증가하고 전해액의 이온 전도도가 낮아져 이를 포함하는 리튬 이차전지, 바람직하게는 리튬-황 전지의 구동이 어려워지는 문제가 발생할 수 있다.When the 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether is included in an amount of less than 5% by weight, the effect of improving the stability of the electrolyte for a lithium secondary battery cannot be expected. Since the 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether does not dissolve lithium polysulfide, if it is included in excess of 10 wt%, the density of the electrolyte increases and It is difficult to manufacture a lithium secondary battery having an energy density, and the viscosity of the electrolyte increases and the ionic conductivity of the electrolyte decreases, making it difficult to drive a lithium secondary battery including the same, preferably a lithium-sulfur battery.
상기 에테르계 용매는 비환형 에테르 및 환형 에테르를 포함할 수 있다.The etheric solvent may include an acyclic ether and a cyclic ether.
상기 비환형 에테르는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 메톡시에톡시에탄, 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디에틸 에테르 및 에틸렌 글리콜 에틸 메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 에틸렌 글리콜 에틸 메틸 에테르를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The acyclic ether is dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methylethyl ether, methylpropyl ether, ethylpropyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, methoxyethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methylethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methylethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetraethylene glycol methylethyl It may include at least one selected from the group consisting of ether, polyethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, and ethylene glycol ethyl methyl ether, and preferably may include ethylene glycol ethyl methyl ether, but is limited thereto. it is not
또한, 상기 환형 에테르는 1,3-디옥소란, 4,5-디메틸-디옥소란, 4,5-디에틸-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥소란, 4-에틸-1,3-디옥소란, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 2,5-디메틸 테트라하이드로퓨란, 2,5-디메톡시 테트라하이드로퓨란, 2-에톡시 테트라하이드로퓨란, 2-메틸-1,3-디옥소란, 2-비닐-1,3-디옥소란, 2,2-디메틸-1,3-디옥소란, 2-메톡시-1,3-디옥소란, 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥소란, 테트라하이드로파이란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시 벤젠, 1,3-디메톡시 벤젠, 1,4-디메톡시 벤젠 및 아이소소바이드 디메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 2-메틸 테트라하이드로퓨란을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the cyclic ether is 1,3-dioxolane, 4,5-dimethyl-dioxolane, 4,5-diethyl-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 4-ethyl -1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, 2,5-dimethyl tetrahydrofuran, 2,5-dimethoxy tetrahydrofuran, 2-ethoxy tetrahydrofuran, 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 benzene, 1,4-dimethoxy benzene and i It may include one or more selected from the group consisting of sorbide dimethyl ether, and preferably include 2-methyl tetrahydrofuran, but is not limited thereto.
상기 환형 에테르 및 비환형 에테르는 1:9 내지 9:1의 중량비, 바람직하게는 2:8 내지 5:5의 중량비로 혼합될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The cyclic ether and the acyclic ether may be mixed in a weight ratio of 1:9 to 9:1, preferably 2:8 to 5:5, but is not limited thereto.
일 구현예로, 본 발명의 유기 용매는 2-메틸테트라하이드로퓨란, 에틸렌 글리콜 에틸 메틸 에테르 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 포함할 수 있다.In one embodiment, the organic solvent of the present invention comprises 2-methyltetrahydrofuran, ethylene glycol ethyl methyl ether and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether. may include
이 때 유기 용매 총 중량에 대하여 상기 2-메틸테트라하이드로퓨란은 15 내지 35 중량%, 에틸렌 글리콜 에틸 메틸 에테르는 60 내지 80 중량% 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르는 5 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 또한, 바람직하게는 2-메틸테트라하이드로퓨란은 15 내지 30 중량%, 에틸렌 글리콜 에틸 메틸 에테르는 60 내지 70 중량% 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르는 5 내지 7 중량%로 포함될 수 있다.At this time, based on the total weight of the organic solvent, 15 to 35 wt% of 2-methyltetrahydrofuran, 60 to 80 wt% of ethylene glycol ethyl methyl ether, and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2, 3,3-tetrafluoropropyl ether may be included in an amount of 5 to 10% by weight. Also, preferably, 2-methyltetrahydrofuran is 15 to 30% by weight, ethylene glycol ethyl methyl ether is 60 to 70% by weight, and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3- Tetrafluoropropyl ether may be included in an amount of 5 to 7% by weight.
상기 2-메틸테트라하이드로퓨란은 전지 구동 중 빠르게 분해되어 사라지며, 이는 분석을 통해 확인이 가능하다. 그러므로 상기 2-메틸테트라하이드로퓨란을 대체하기 위하여 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 사용한다. 그러나 상술한 바와 같이 상기 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르가 유기 용매 총 중량에 대하여 10 중량%를 초과하여 포함되면 전지의 구동이 정상적으로 이루어지지 않는 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 유기 용매 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 포함하는 범위 내에서 2-메틸테트라하이드로퓨란의 함량 일부를 대체하는 것이 바람직하다.The 2-methyltetrahydrofuran is rapidly decomposed and disappears during battery operation, which can be confirmed through analysis. Therefore, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether is used to replace the 2-methyltetrahydrofuran. However, as described above, when the 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether is included in an amount in excess of 10% by weight based on the total weight of the organic solvent, the operation of the battery is impaired. There is a problem that does not work normally. Accordingly, in the present invention, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether is contained in an amount of 5 to 10% by weight based on the total weight of the organic solvent in an amount of 2- It is preferable to replace part of the content of methyltetrahydrofuran.
또한, 본 발명의 리튬 이차전지용 전해액은 이온 전도성을 증가시키기 위하여 전해질 염으로 리튬염을 포함한다. 상기 리튬염은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 해당 기술분야에서 통상적으로 사용 가능한 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiC4BO8, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, (C2F5SO2)2NLi, (SO2F)2NLi, (CF3SO2)3CLi, 리튬 비스(옥살라토)보레이트, 리튬-옥살릴디플루오로보레이트, 리튬 4,5-디시아노-2-(트리플루오로메틸)이미다졸, 리튬 디시아노트리아졸레이트, 리튬 티오시아네이트, 클로로 보란 리튬, 저급지방족 카르본산 리튬, 테트라 페닐 붕산 리튬 및 리튬 이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 (SO2F)2NLi(lithium bis(fluorosulfonyl) imide, LiFSI)일 수 있다.In addition, the electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention includes a lithium salt as an electrolyte salt to increase ion conductivity. The lithium salt is not particularly limited in the present invention, and may be used without limitation as long as it is commonly used in the art. For example, the lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiC 4 BO 8 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi, (SO 2 F) 2 NLi, (CF 3 SO 2 ) 3 CLi , lithium bis (oxalato) borate, lithium-oxalyl difluoroborate, lithium 4,5-dicyano-2- (trifluoromethyl) imidazole, lithium dicyanotriazolate, lithium thiocyanate, It may include at least one selected from the group consisting of lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium tetraphenyl borate, and lithium imide, preferably (SO 2 F) 2 NLi (lithium bis(fluorosulfonyl) imide, LiFSI).
상기 리튬염의 농도는 이온 전도도 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 바람직하게는 0.1 내지 4.0 M, 또는 0.5 내지 2.0 M 일 수 있다. 만약 리튬염의 농도가 0.1 M 미만이면 전지의 구동에 적합한 이온 전도도의 확보가 어려우며, 4.0 M 초과하면 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 떨어질 수 있고, 리튬염 자체의 분해 반응이 증가하여 전지의 성능이 저하될 수 있으므로 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.The concentration of the lithium salt may be determined in consideration of ionic conductivity and the like, and may preferably be 0.1 to 4.0 M, or 0.5 to 2.0 M. If the concentration of the lithium salt is less than 0.1 M, it is difficult to secure ionic conductivity suitable for driving the battery. If it exceeds 4.0 M, the viscosity of the electrolyte increases and the mobility of lithium ions may decrease, and the decomposition reaction of the lithium salt itself increases. performance may be lowered, so it is appropriately adjusted within the above range.
또한, 본 발명의 리튬 이차전지용 전해액은 리튬 전극에 안정적인 피막을 형성하고, 충방전 효율을 크게 향상시키기 위하여 추가로 첨가제를 사용할 수 있다. 상기 첨가제는 질산 또는 아질산계 화합물, 니트로 화합물 등일 수 있다.In addition, in the electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention, an additive may be additionally used to form a stable film on the lithium electrode and greatly improve charge/discharge efficiency. The additive may be nitric acid or a nitrite-based compound, a nitro compound, and the like.
일례로, 질산리튬, 질산칼륨, 질산세슘, 질산바륨, 질산암모늄, 아질산리튬, 아질산칼륨, 아질산세슘, 아질산암모늄, 메틸 니트레이트, 디알킬 이미다졸륨 니트레이트, 구아니딘 니트레이트, 이미다졸륨 니트레이트, 피리디늄 니트레이트, 에틸 니트라이트, 프로필 니트라이트, 부틸 니트라이트, 펜틸 니트라이트, 옥틸 니트라이트, 니트로메탄, 니트로프로판, 니트로부탄, 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 니트로 피리딘, 디니트로피리딘, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔, 피리딘 N-옥사이드, 알킬피리딘 N-옥사이드, 및 테트라메틸 피페리디닐옥실로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 질산리튬(LiNO3)이 사용될 수 있다.For example, lithium nitrate, potassium nitrate, cesium nitrate, barium nitrate, ammonium nitrate, lithium nitrite, potassium nitrite, cesium nitrite, ammonium nitrite, methyl nitrate, dialkyl imidazolium nitrate, guanidine nitrate, imidazolium nitrate Late, pyridinium nitrate, ethyl nitrite, propyl nitrite, butyl nitrite, pentyl nitrite, octyl nitrite, nitromethane, nitropropane, nitrobutane, nitrobenzene, dinitrobenzene, nitropyridine, dinitropyridine, At least one selected from the group consisting of nitrotoluene, dinitrotoluene, pyridine N-oxide, alkylpyridine N-oxide, and tetramethyl piperidinyloxyl may be used, and lithium nitrate (LiNO 3 ) is preferably used. can
상기 첨가제는 리튬 이차전지용 전해액 총 중량에 대하여 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 5 중량%로 사용될 수 있다. 상기 첨가제가 0.01 중량% 미만으로 포함되면 상술한 효과를 확보할 수 없고, 10 중량%를 초과하여 포함되면 피막에 의해 오히려 저항이 증가할 우려가 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 조절해야 한다.The additive may be used in an amount of 0.01 to 10% by weight, preferably 0.1 to 5% by weight, based on the total weight of the electrolyte for a lithium secondary battery. If the additive is included in less than 0.01% by weight, the above-described effect cannot be ensured, and when included in an amount exceeding 10% by weight, there is a risk that the resistance may be rather increased by the film, so it should be appropriately adjusted within the above range.
또한, 상기 리튬 이차전지용 전해액은 바람직하게는 리튬-황 전지용 전해액일 수 있다.In addition, the electrolyte for a lithium secondary battery may preferably be an electrolyte for a lithium-sulfur battery.
본 발명의 리튬 이차전지용 전해액은 전해액 분해가 많이 발생하는 유기 용매를 대체하여, 전해액 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%의 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 포함함에 따라, 전해액의 안정성을 증가하여 전해액 분해를 억제할 수 있으며, 그로 인하여 이를 포함하는 리튬 이차전지, 바람직하게는 리튬-황 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The electrolyte for a lithium secondary battery of the present invention replaces an organic solvent in which electrolyte decomposition occurs a lot, and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3 in an amount of 5 to 10% by weight based on the total weight of the electrolyte - By including tetrafluoropropyl ether, it is possible to suppress the decomposition of the electrolyte by increasing the stability of the electrolyte, thereby improving the lifespan characteristics of a lithium secondary battery including the same, preferably a lithium-sulfur battery.
리튬 이차전지lithium secondary battery
또한, 본 발명은 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지로, 상기 전해액은 상술한 본 발명의 전해액일 수 있다.In addition, the present invention is a positive electrode; cathode; a separator interposed between the anode and the cathode; And a lithium secondary battery comprising an electrolyte, wherein the electrolyte may be the electrolyte of the present invention described above.
상기 양극은 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질을 포함한다.The positive electrode includes a positive electrode active material formed on a positive electrode current collector.
상기 양극 집전체로는 당 기술분야에서 집전체로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하고, 구체적으로 우수한 도전성을 갖는 발포 알루미늄, 발포 니켈 등을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.As the positive electrode current collector, any one that can be used as a current collector in the art may be used, and specifically, it may be preferable to use foamed aluminum, foamed nickel, etc. having excellent conductivity.
상기 양극 활물질은 황 화합물을 포함하고, 상기 황 화합물은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 황 계열 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 황 계열 화합물은 구체적으로, Li2Sn(n≥1), 유기황 화합물 또는 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥2) 등일 수 있다. 이들은 황 물질 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 도전재와 복합하여 적용될 수 있다.The positive active material may include a sulfur compound, and the sulfur compound may include elemental sulfur (S 8 ), a sulfur-based compound, or a mixture thereof. Specifically, the sulfur-based compound may be Li 2 S n (n≧1), an organic sulfur compound, or a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n : x=2.5 to 50, n≧2). Since the sulfur material alone has no electrical conductivity, it can be applied in combination with a conductive material.
상기 양극 활물질이 황 화합물을 포함함에 따라, 본 발명의 리튬 이차전지는 리튬-황 전지일 수 있다.As the positive active material includes a sulfur compound, the lithium secondary battery of the present invention may be a lithium-sulfur battery.
상기 도전재는 다공성일 수 있다. 따라서, 상기 도전재로는 다공성 및 도전성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 물질을 사용할 수 있다. 이와 같은 탄소계 물질로는 카본 블랙, 그라파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소 섬유 등을 사용할 수 있다. 또한, 금속 메쉬 등의 금속성 섬유; 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속성 분말; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료도 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.The conductive material may be porous. Accordingly, the conductive material may be used without limitation as long as it has porosity and conductivity, for example, a carbon-based material having porosity may be used. As such a carbon-based material, carbon black, graphite, graphene, activated carbon, carbon fiber, or the like may be used. Moreover, metallic fibers, such as a metal mesh; metallic powders such as copper, silver, nickel, and aluminum; Alternatively, an organic conductive material such as a polyphenylene derivative can also be used. The conductive materials may be used alone or in combination.
상기 양극은 양극 활물질과 도전재의 결합과 집전체에 대한 결합을 위하여 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-헥사 플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비니리덴-펜타프루오로 프로필렌 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌- 클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합체 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The positive electrode may further include a binder for bonding the positive electrode active material and the conductive material and bonding to the current collector. The binder may include a thermoplastic resin or a thermosetting resin. For example, polyethylene, polyethylene oxide, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinyl fluoride Leadene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene -Tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer Copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer, etc. may be used alone or in combination, but it is not necessarily limited thereto, and any one that can be used as a binder in the art may be used.
상기 양극은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 양극 활물질과 도전재 및 바인더를 유기 용매 상에서 혼합하여 제조한 양극 활물질층 형성용 조성물을 집전체 위에 도포 및 건조하고, 선택적으로 전극 밀도의 향상을 위하여 집전체에 압축 성형하여 제조할 수 있다. 이때 상기 유기 용매로는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로 예를 들어, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라히드로퓨란, 물 및 이소프로필알코올을 등을 들 수 있다.The positive electrode may be manufactured according to a conventional method, and specifically, a composition for forming a positive electrode active material layer prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder in an organic solvent is applied on a current collector and dried, and optionally the electrode density It can be manufactured by compression molding on the current collector in order to improve the In this case, as the organic solvent, the positive electrode active material, the binder, and the conductive material can be uniformly dispersed, and it is preferable to use one that is easily evaporated. Specific examples thereof include acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, and isopropyl alcohol.
상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하는 음극 활물질을 포함할 수 있다. 또는 상기 음극은 리튬 금속판일 수 있다.The negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material disposed on the negative electrode current collector. Alternatively, the negative electrode may be a lithium metal plate.
상기 음극 집전체는 음극 활물질의 지지를 위한 것으로, 우수한 도전성을 가지고 리튬 이차전지의 전압영역에서 전기화학적으로 안정한 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 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.The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has excellent conductivity and is electrochemically stable in the voltage range of a lithium secondary battery, for supporting the negative electrode active material, for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, Palladium, fired carbon, copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, silver, etc., an aluminum-cadmium alloy, etc. may be used.
상기 음극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 메쉬, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.The negative electrode current collector may form fine irregularities on its surface to enhance bonding strength with the negative electrode active material, and various forms such as films, sheets, foils, meshes, nets, porous materials, foams, and nonwovens may be used.
상기 음극 활물질은 리튬(Li+)을 가역적으로 흡장(Intercalation) 또는 방출(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 흡장 또는 방출할 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.The negative active material includes a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium (Li + ), a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with lithium ions, a lithium metal or a lithium alloy. can do. The material capable of reversibly occluding or releasing lithium ions (Li + ) may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with the lithium ions (Li + ) may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon. The lithium alloy is, for example, lithium (Li) and sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium ( Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and may be an alloy of a metal selected from the group consisting of tin (Sn). Preferably, the negative active material may be lithium metal, and specifically, may be in the form of a lithium metal thin film or lithium metal powder.
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.A method of forming the negative active material is not particularly limited, and a method of forming a layer or a film commonly used in the art may be used. For example, a method such as pressing, coating, or vapor deposition may be used. In addition, a case in which a metallic lithium thin film is formed on a metal plate by initial charging after assembling a battery in a state in which there is no lithium thin film in the current collector is included in the negative electrode of the present invention.
상기 분리막은 본 발명의 리튬 이차전지에 있어서 양 전극을 물리적으로 분리하기 위한 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용 가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.The separator is for physically separating both electrodes in the lithium secondary battery of the present invention, and can be used without any particular limitation as long as it is normally used as a separator in a lithium secondary battery. It is preferable that the ability is excellent.
상기 분리막은 다공성 기재로 이루어질 수 있는데 상기 다공성 기재는 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.The separator may be made of a porous substrate. The porous substrate may be any porous substrate commonly used in electrochemical devices. For example, a polyolefin-based porous membrane or a nonwoven fabric may be used, but is not particularly limited thereto. .
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous membrane include polyethylene such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene, and polyolefin-based polymers such as polypropylene, polybutylene, and polypentene, respectively, individually or in a mixture thereof. One membrane is mentioned.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌 옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylenesulfide) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylenenaphthalate) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 상기 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.As the nonwoven fabric, in addition to the polyolefin-based nonwoven fabric, for example, polyethyleneterephthalate, polybutyleneterephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate ), polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide and polyethylenenaphthalate alone Alternatively, a nonwoven fabric formed of a polymer obtained by mixing them may be mentioned. The structure of the nonwoven fabric may be a spunbond nonwoven fabric or a melt blown nonwoven fabric composed of long fibers.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 5 내지 50 ㎛일 수 있다.The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but may be 1 to 100 μm, preferably 5 to 50 μm.
상기 다공성 기재에 존재하는 기공의 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.001 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.The size and pore size of the pores present in the porous substrate are also not particularly limited, but may be 0.001 to 50 μm and 10 to 95%, respectively.
상기 전해액은 리튬 이온을 포함하며, 이를 매개로 양극과 음극에서 전기 화학적인 산화 또는 환원 반응을 일으키기 위한 것으로, 전술한 바를 따른다.The electrolyte contains lithium ions, and is intended to cause an electrochemical oxidation or reduction reaction in the positive electrode and the negative electrode through this, according to the above description.
상기 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The injection of the electrolyte may be performed at an appropriate stage during the manufacturing process of the electrochemical device according to the manufacturing process of the final product and required properties. That is, it may be applied before assembling the electrochemical device or in the final stage of assembling the electrochemical device.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.In the lithium secondary battery according to the present invention, in addition to the general process of winding, lamination, stack, and folding processes of a separator and an electrode are possible.
상기 리튬 이차전지의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 원통형, 적층형, 코인형 등 다양한 형상으로 제조될 수 있다.The shape of the lithium secondary battery is not particularly limited, and may be manufactured in various shapes such as a cylindrical shape, a stacked type, and a coin type.
본 발명의 리튬 이차전지, 바람직하게는 리튬-황 전지는 상술한 본 발명의 안정성이 매우 우수한 리튬 이차전지용 전해액을 포함함에 따라 우수한 수명 특성을 나타낼 수 있다.The lithium secondary battery of the present invention, preferably a lithium-sulfur battery, may exhibit excellent lifespan characteristics by including the electrolyte solution for a lithium secondary battery having very excellent stability of the present invention.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention, but the following examples are merely illustrative of the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It goes without saying that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
실험예 1. 안정성이 불량한 에테르계 유기 용매 확인Experimental Example 1. Identification of an etheric organic solvent with poor stability
황을 아세토니트릴 중에서 도전재와 바인더와 볼밀을 사용하여 믹싱하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때 도전재로는 카본블랙을, 바인더로는 폴리에틸렌옥사이드(분자량 5,000,000g/mol)를 각각 사용하였으며, 혼합 비율은 중량비로 황:도전재:바인더가 90:5:5가 되도록 하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 집전체에 도포한 후 건조하여 양극을 제조하였다(이때, 양극 로딩양은 3.8 mAh/cm2로 하였다).A cathode active material slurry was prepared by mixing sulfur in acetonitrile with a conductive material, a binder, and a ball mill. At this time, carbon black was used as a conductive material and polyethylene oxide (molecular weight 5,000,000 g/mol) was used as a binder, respectively, and the mixing ratio was sulfur: conductive material: binder 90:5:5 in a weight ratio. The positive electrode active material slurry was applied to an aluminum current collector and dried to prepare a positive electrode (in this case, the positive electrode loading amount was 3.8 mAh/cm 2 ).
두께가 40 ㎛인 리튬 금속 박막을 음극으로 사용하였다.A lithium metal thin film having a thickness of 40 μm was used as the negative electrode.
상기 제조된 양극과 음극을 대면하도록 위치시키고 그 사이에 폴리에틸렌 분리막을 게재한 후, 전해액을 주입하여 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium-sulfur battery was prepared by placing the prepared positive electrode and the negative electrode to face each other, placing a polyethylene separator therebetween, and injecting an electrolyte.
상기 전해액은 에틸렌 글리콜 에틸 메틸 에테르(EGEME) 및 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-Me-THF)(2:1의 부피비)에 0.45M의 LiFSI 및 3 중량%의 LiNO3을 첨가하여 제조한 것이다.The electrolyte solution was prepared by adding 0.45 M LiFSI and 3 wt% LiNO 3 to ethylene glycol ethyl methyl ether (EGEME) and 2-methyltetrahydrofuran (2-Me-THF) (volume ratio of 2:1). .
상기 리튬-황 전지를 0.1 C의 전류밀도로 방전과 충전을 2.5 회 반복한 후 0.2 C의 전류밀도로 각각 40 및 65 사이클을 진행하였다. 진행 완료 후 리튬-황 전지를 분해하여 남아있는 전해액의 성분을 추출하여 그 양을 측정하였으며, 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Discharging and charging of the lithium-sulfur battery at a current density of 0.1 C were repeated 2.5 times, and then 40 and 65 cycles were performed at a current density of 0.2 C, respectively. After completion of the process, the lithium-sulfur battery was disassembled to extract the components of the remaining electrolyte, and the amount was measured, and the results are shown in Table 1 below.
40 cycle
40 cycle
65 cycle(충전)
65 cycles (charge)
상기 표 1의 결과에서, 2-Me-THF가 EGEME 보다 빠르게 분해된 것을 확인할 수 있었다. 이는 2-Me-THF가 EGEME 보다 안정성이 불량한 것을 의미하는 것으로, 실시예에서는 2-Me-THF를 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르로 일부 대체하여 리튬-황 전지의 수명 특성을 측정하고자 하였다.From the results of Table 1, it was confirmed that 2-Me-THF was decomposed faster than EGEME. This means that 2-Me-THF is less stable than EGEME, and in the example, 2-Me-THF is 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl It was attempted to measure the lifespan characteristics of lithium-sulfur batteries by partially replacing them with ether.
<리튬-황 전지용 전해액 제조><Production of electrolyte for lithium-sulfur batteries>
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 6Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6
하기 표 2의 조성으로 리튬-황 전지용 전해액을 제조하였다.An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery was prepared with the composition shown in Table 2 below.
EGEME: Ethylene glycol ethyl methyl ether
EGDEE: Ethylene glycol diethyl ether
TTE: 1,1,2,2-Tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether
LiFSI: Lithium bis(fluorosulfonyl)imide2-Me-THF: 2-Methyltetrahydrofuran
EGEME: Ethylene glycol ethyl methyl ether
EGDEE: Ethylene glycol diethyl ether
TTE: 1,1,2,2-Tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether
LiFSI: Lithium bis(fluorosulfonyl)imide
실험예 2. 리튬-황 전지의 수명 특성 평가Experimental Example 2. Evaluation of lifetime characteristics of lithium-sulfur batteries
황을 아세토니트릴 중에서 도전재와 바인더와 볼밀을 사용하여 믹싱하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이때 도전재로는 카본블랙을, 바인더로는 폴리에틸렌옥사이드(분자량 5,000,000g/mol)를 각각 사용하였으며, 혼합 비율은 중량비로 황:도전재:바인더가 90:5:5가 되도록 하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 집전체에 도포한 후 건조하여 양극을 제조하였다(이때, 양극 로딩양은 3.8 mAh/cm2로 하였다).A cathode active material slurry was prepared by mixing sulfur in acetonitrile with a conductive material, a binder, and a ball mill. At this time, carbon black was used as a conductive material and polyethylene oxide (molecular weight 5,000,000 g/mol) was used as a binder, respectively, and the mixing ratio was sulfur: conductive material: binder 90:5:5 in a weight ratio. The positive electrode active material slurry was applied to an aluminum current collector and dried to prepare a positive electrode (in this case, the positive electrode loading amount was 3.8 mAh/cm 2 ).
두께가 40 ㎛인 리튬 금속 박막을 음극으로 사용하였다.A lithium metal thin film having a thickness of 40 μm was used as the negative electrode.
상기 제조된 양극과 음극을 대면하도록 위치시키고 그 사이에 폴리에틸렌 분리막을 게재한 후, 전해액을 주입하여 리튬-황 전지를 제조하였다.A lithium-sulfur battery was prepared by placing the prepared positive electrode and the negative electrode to face each other, placing a polyethylene separator therebetween, and injecting an electrolyte.
이 때 상기 전해액은 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 6에서 제조한 전해액을 사용하여 각각의 리튬-황 전지를 제조하였다.In this case, each lithium-sulfur battery was prepared using the electrolytes prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6 as the electrolyte.
상기 방법으로 제조된 전지를 0.1 C의 전류밀도로 방전과 충전을 2.5 회 반복한 후 0.2 C의 전류밀도로 방전과 충전을 3회 반복하였으며, 이후 0.5 C의 전류밀도로 200 사이클 진행하면서 전지의 수명 특성을 확인하였다. 이때 얻어진 결과를 하기 표 3에 나타내었다.After repeating discharging and charging 2.5 times at a current density of 0.1 C for the battery prepared by the above method, discharging and charging at a current density of 0.2 C were repeated 3 times, and then 200 cycles at a current density of 0.5 C were performed. The lifespan characteristics were confirmed. The results obtained at this time are shown in Table 3 below.
표 3의 결과에서, TTE를 유기 용매 총 중량에 대하여 각각 5 중량%, 7 중량% 및 10 중량%로 포함한 실시예 1 내지 3은 사이클이 진행되어도 용량을 유지하는 것을 보였다. 즉, 리튬-황 전지의 수명 특성이 매우 우수한 결과를 보였다. 뿐만 아니라, TTE의 함량을 증가시킬수록 전지의 수명 특성 또한 함께 향상되는 것도 확인할 수 있었다.From the results of Table 3, Examples 1 to 3 including 5 wt%, 7 wt%, and 10 wt% of TTE based on the total weight of the organic solvent, respectively, showed that the capacity was maintained even when the cycle progressed. That is, the lifespan characteristics of the lithium-sulfur battery showed very good results. In addition, it was confirmed that as the content of TTE was increased, the battery life characteristics were also improved.
반면, TTE를 포함하지 않은 비교예 1, TTE 대신 EGDEE를 포함한 비교예 2 및 3은 사이클이 진행될수록 용량을 유지하지 못하는 결과를 보였다. 즉, 실시예 1 내지 3 대비 수명 특성이 매우 불량한 결과를 보였다.On the other hand, Comparative Example 1 not including TTE and Comparative Examples 2 and 3 including EGDEE instead of TTE showed the result that the capacity could not be maintained as the cycle progressed. That is, compared to Examples 1 to 3, the lifespan characteristics were very poor.
또한, 표 3의 결과에서, TTE를 유기 용매 총 중량에 대하여 3 중량%로 포함한 비교예 6은 약 4사이클이 진행되었을 때 용량이 급속도로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.In addition, from the results of Table 3, it was confirmed that the capacity of Comparative Example 6 including 3% by weight of TTE based on the total weight of the organic solvent was rapidly decreased when about 4 cycles were performed.
한편, TTE를 유기 용매 총 중량에 대하여 15 중량%로 포함한 비교예 4와 20 중량%로 포함한 비교예 5의 경우에는 구동 자체가 불가능하였다.On the other hand, in Comparative Example 4 and Comparative Example 5 containing 20% by weight of TTE with respect to the total weight of the organic solvent, the driving itself was impossible.
아울러, TTE의 함량을 지속적으로 늘인다 하여 전지의 수명 특성이 무조건적으로 향상되는 것은 아니라는 점도 확인할 수 있었다.In addition, it was also confirmed that the continuous increase of the TTE content does not unconditionally improve the lifespan characteristics of the battery.
따라서, 불안정한 유기 용매인 2-Me-THF의 일부를 TTE로 대체하여 사용하고, 상기 TTE를 유기 용매 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 포함하였을 때, 리튬-황 전지의 가장 우수한 수명 특성 결과를 얻는 것을 알 수 있었다. 그러므로, 본 발명의 리튬 이차전지용 전해액은 안정성이 매우 높아, 이를 포함하는 리튬 이차전지의 수명 특성을 향상 효과를 가질 수 있다.Therefore, when a part of 2-Me-THF, which is an unstable organic solvent, is replaced with TTE, and the TTE is included in an amount of 5 to 10% by weight based on the total weight of the organic solvent, the best lifespan characteristics of the lithium-sulfur battery result was found to be obtained. Therefore, the electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention has very high stability, and may have an effect of improving the lifespan characteristics of a lithium secondary battery including the same.
Claims (10)
상기 유기 용매는 에테르계 용매 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 포함하며,
상기 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르는 유기 용매 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 포함된, 리튬 이차전지용 전해액.An electrolyte for a lithium secondary battery comprising a lithium salt and an organic solvent,
The organic solvent includes an etheric solvent and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether,
The 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether is contained in an amount of 5 to 10% by weight based on the total weight of the organic solvent, an electrolyte for a lithium secondary battery.
상기 에테르계 용매는 비환형 에테르 및 환형 에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 전해액.According to claim 1,
The ether-based solvent is an electrolyte for a lithium secondary battery, characterized in that it comprises an acyclic ether and a cyclic ether.
상기 비환형 에테르는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 메톡시에톡시에탄, 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 테트라에틸렌 글리콜 메틸에틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디에틸 에테르 및 에틸렌 글리콜 에틸 메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 전해액.3. The method of claim 2,
The acyclic ether is dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methylethyl ether, methylpropyl ether, ethylpropyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, methoxyethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methylethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methylethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetraethylene glycol methylethyl An electrolyte for a lithium secondary battery, comprising at least one selected from the group consisting of ether, polyethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, and ethylene glycol ethyl methyl ether.
상기 환형 에테르는 1,3-디옥소란, 4,5-디메틸-디옥소란, 4,5-디에틸-디옥소란, 4-메틸-1,3-디옥소란, 4-에틸-1,3-디옥소란, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 2,5-디메틸 테트라하이드로퓨란, 2,5-디메톡시 테트라하이드로퓨란, 2-에톡시 테트라하이드로퓨란, 2-메틸-1,3-디옥소란, 2-비닐-1,3-디옥소란, 2,2-디메틸-1,3-디옥소란, 2-메톡시-1,3-디옥소란, 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥소란, 테트라하이드로파이란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시 벤젠, 1,3-디메톡시 벤젠, 1,4-디메톡시 벤젠 및 아이소소바이드 디메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 전해액.3. The method of claim 2,
The cyclic ether is 1,3-dioxolane, 4,5-dimethyl-dioxolane, 4,5-diethyl-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 4-ethyl-1 ,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, 2,5-dimethyl tetrahydrofuran, 2,5-dimethoxy tetrahydrofuran, 2-ethoxy tetrahydrofuran, 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 benzene, 1,4-dimethoxy benzene and isosorbide An electrolyte for a lithium secondary battery, comprising at least one selected from the group consisting of dimethyl ether.
상기 유기 용매는 2-메틸테트라하이드로퓨란, 에틸렌 글리콜 에틸 메틸 에테르 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 전해액.According to claim 1,
wherein the organic solvent comprises 2-methyltetrahydrofuran, ethylene glycol ethyl methyl ether and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether. Electrolyte for secondary batteries.
상기 유기 용매 총 중량에 대하여 2-메틸테트라하이드로퓨란 15 내지 35 중량%, 에틸렌 글리콜 에틸 메틸 에테르 60 내지 80 중량% 및 1,1,2,2-테트라플루오로에틸 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 에테르를 5 내지 10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 전해액.6. The method of claim 5,
15 to 35% by weight of 2-methyltetrahydrofuran, 60 to 80% by weight of ethylene glycol ethyl methyl ether, and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3- based on the total weight of the organic solvent An electrolyte for a lithium secondary battery, characterized in that it contains 5 to 10% by weight of tetrafluoropropyl ether.
상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiC4BO8, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, (C2F5SO2)2NLi, (SO2F)2NLi, (CF3SO2)3CLi, 리튬 비스(옥살라토)보레이트, 리튬-옥살릴디플루오로보레이트, 리튬 4,5-디시아노-2-(트리플루오로메틸)이미다졸, 리튬 디시아노트리아졸레이트, 리튬 티오시아네이트, 클로로 보란 리튬, 저급지방족 카르본산 리튬, 테트라 페닐 붕산 리튬 및 리튬 이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 전해액.According to claim 1,
The lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiC 4 BO 8 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi, (SO 2 F) 2 NLi, (CF 3 SO 2 ) 3 CLi, lithium bis( Oxalato) borate, lithium-oxalyldifluoroborate, lithium 4,5-dicyano-2-(trifluoromethyl)imidazole, lithium dicyanotriazolate, lithium thiocyanate, chloroborane lithium, An electrolyte for a lithium secondary battery, comprising at least one selected from the group consisting of lower aliphatic lithium carboxylate, lithium tetraphenyl borate, and lithium imide.
상기 리튬 이차전지용 전해액은 리튬-황 전지용 전해액인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 전해액.According to claim 1,
The electrolyte for a lithium secondary battery is an electrolyte for a lithium secondary battery, characterized in that it is an electrolyte for a lithium-sulfur battery.
상기 전해액은 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 전해액인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.anode; cathode; a separator interposed between the anode and the cathode; and an electrolyte; a lithium secondary battery comprising:
The electrolyte is a lithium secondary battery, characterized in that the electrolyte of any one of claims 1 to 8.
상기 리튬 이차전지는 리튬-황 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.10. The method of claim 9,
The lithium secondary battery is a lithium secondary battery, characterized in that the lithium-sulfur battery.
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