KR102017740B1 - Efficient Electrolyte to Improve the Surface Stability of Graphite Anodes and lithium ion rechargeable battery including thereof - Google Patents
Efficient Electrolyte to Improve the Surface Stability of Graphite Anodes and lithium ion rechargeable battery including thereof Download PDFInfo
- Publication number
- KR102017740B1 KR102017740B1 KR1020170131087A KR20170131087A KR102017740B1 KR 102017740 B1 KR102017740 B1 KR 102017740B1 KR 1020170131087 A KR1020170131087 A KR 1020170131087A KR 20170131087 A KR20170131087 A KR 20170131087A KR 102017740 B1 KR102017740 B1 KR 102017740B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrolyte
- lithium ion
- ion secondary
- battery
- secondary battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 64
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 42
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 42
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 20
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 title claims description 18
- 239000010439 graphite Substances 0.000 title claims description 18
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 25
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 claims description 12
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 claims description 10
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 claims description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims 3
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 43
- NONFLFDSOSZQHR-UHFFFAOYSA-N 3-(trimethylsilyl)propionic acid Chemical compound C[Si](C)(C)CCC(O)=O NONFLFDSOSZQHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 42
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 23
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 17
- VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxol-2-one Chemical compound O=C1OC=CO1 VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 10
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 9
- -1 lithium metals Chemical class 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000004502 linear sweep voltammetry Methods 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 239000012038 nucleophile Substances 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 5
- YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 4-Butyrolactone Chemical compound O=C1CCCO1 YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002000 Electrolyte additive Substances 0.000 description 4
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 4
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 4
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical group COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 4
- FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N ethyl propionate Chemical compound CCOC(=O)CC FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- GAEKPEKOJKCEMS-UHFFFAOYSA-N gamma-valerolactone Chemical compound CC1CCC(=O)O1 GAEKPEKOJKCEMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- IAHFWCOBPZCAEA-UHFFFAOYSA-N succinonitrile Chemical compound N#CCCC#N IAHFWCOBPZCAEA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 description 3
- ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N Phosphorous acid Chemical group OP(O)=O ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 3
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 1,2-butylene carbonate Chemical compound CCC1COC(=O)O1 ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HNAGHMKIPMKKBB-UHFFFAOYSA-N 1-benzylpyrrolidine-3-carboxamide Chemical compound C1C(C(=O)N)CCN1CC1=CC=CC=C1 HNAGHMKIPMKKBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound FC1COC(=O)O1 SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010238 LiAlCl 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910010093 LiAlO Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910015015 LiAsF 6 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013063 LiBF 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013372 LiC 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013684 LiClO 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910012513 LiSbF 6 Inorganic materials 0.000 description 2
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910003849 O-Si Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003872 O—Si Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- OBNCKNCVKJNDBV-UHFFFAOYSA-N butanoic acid ethyl ester Natural products CCCC(=O)OCC OBNCKNCVKJNDBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- VUPKGFBOKBGHFZ-UHFFFAOYSA-N dipropyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OCCC VUPKGFBOKBGHFZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- CYEDOLFRAIXARV-UHFFFAOYSA-N ethyl propyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OCC CYEDOLFRAIXARV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000000445 field-emission scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229910021437 lithium-transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N methyl propyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OC KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 2
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 2
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 229910018871 CoO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920008712 Copo Polymers 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910014850 LixPFy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910014895 LixPOyFz Inorganic materials 0.000 description 1
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 125000003545 alkoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 238000005284 basis set Methods 0.000 description 1
- IAQRGUVFOMOMEM-UHFFFAOYSA-N butene Natural products CC=CC IAQRGUVFOMOMEM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000006182 cathode active material Substances 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 229940125904 compound 1 Drugs 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 1
- 210000004443 dendritic cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 229920001519 homopolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000000269 nucleophilic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920001384 propylene homopolymer Polymers 0.000 description 1
- 150000005838 radical anions Chemical class 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 150000003346 selenoethers Chemical class 0.000 description 1
- 239000002153 silicon-carbon composite material Substances 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000000371 solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
- H01M10/0566—Liquid materials
- H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
- C07F19/00—Metal compounds according to more than one of main groups C07F1/00 - C07F17/00
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
본 발명은 리튬이온이차전지용 전해질에 관한 것으로서 화학식 1로 표시되는 화합물, 유기용매 및 리튬염을 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 리튬이온이차전지용 전해질을 이용할 경우, 고온 및 상온에서 수명성이 향상되고, 고용량의 양극 재료에 대해서도 우수한 SEI 층을 형성하는 우수한 성능의 리튬이온이차전지를 제공할 수 있다.The present invention relates to a lithium ion secondary battery electrolyte, characterized in that it comprises a compound represented by the formula (1), an organic solvent and a lithium salt, and when using the lithium ion secondary battery electrolyte of the present invention, lifespan at high temperature and room temperature It is possible to provide a lithium ion secondary battery having excellent performance which is improved and forms an excellent SEI layer even for a high capacity positive electrode material.
Description
본 발명은 전해질 첨가제에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 그래파이트 음극의 표면 안정성을 향상시킬 수 있는 리튬이온이차전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬이온이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte additive, and more particularly to a lithium ion secondary battery electrolyte and a lithium ion secondary battery comprising the same that can improve the surface stability of the graphite negative electrode.
음극활물질로 리튬이온을 삽입/탈리하는 흑연이나, Li4Ti5O12를 사용하고, 비수계 액체전해질을 사용하는 것을 리튬이온이차전지라고 하며, LIB(lithium ion battery)라 표기한다.Graphite for inserting / desorbing lithium ions as a negative electrode active material or using Li 4 Ti 5 O 12 and using a non-aqueous liquid electrolyte is called a lithium ion secondary battery, and is referred to as a lithium ion battery (LIB).
LIB가 개발되기 전에는 리튬 금속을 음극으로 사용한 리튬이차전지가 개발되었었고, 이는 리튬 금속의 부피당 이론용량이 2062 mAh/cc로 매우 높아 고종량의 전지를 만들 수 있다는 장점이 있었다. 그러나 리튬이차전지는 충방전시 새로운 리튬 금속이 음극 표면에 불균일하게 석출하여 수지상(dendrite)를 형성하고, 새로이 석출된 리튬을 전해질을 또다시 분해시켜, 불균일한 표면 피막을 형성하기 때문에 사이클 특성이 급격히 감소할 뿐만 아니라 성장한 수지상이 분리막을 뚫고 내부 단락을 일으키는 등의 문제가 발생하여 사용량이 급격히 감소하였다.Before LIB was developed, a lithium secondary battery using lithium metal as a negative electrode was developed, which has the advantage of making a high-volume battery having a very high theoretical capacity per volume of 2062 mAh / cc. However, in lithium secondary batteries, new lithium metal is unevenly deposited on the surface of the negative electrode during charging and discharging to form a dendrite, and the newly precipitated lithium is decomposed again to form an uneven surface coating. In addition to the drastic decrease, the amount of use decreased drastically due to problems such as growing dendritic cells penetrating the separator and causing internal short circuit.
리튬 금속이 가지는 문제점은 흑연이 리튬 이온을 반복적으로 삽입/탈리할 수 있다는 것을 알아내면서 해결되었고, 특히 리튬이 삽입된 탄소는 리튬 금속과 거의 같은 전기화학 반응전위를 가져, 리튬이 삽입/탈리할 때 부피변화가 작아, 여러번 반복하여도 결정구조의 변화가 적어 사이클 수명이 우수한 전지를 만들 수 있게 하였다는 것에 있다.The problem with lithium metals has been solved by finding that graphite can repeatedly insert / desorb lithium ions, and in particular, lithium containing carbon has an electrochemical reaction potential that is almost the same as that of lithium metal, leading to lithium insertion / desorption. When the volume change is small, the crystal structure is less changed even if repeated several times, making it possible to make a battery with excellent cycle life.
이러한 리튬이온이차전지의 성능을 향상하기 위하여, 안정한 SEI(solid-electrolyte interphase) layer를 형성할 수 잇도록 하는 전해질 소재의 개발이 진행되고 있다. 그러나 전해질이라고 하여 모두 안정한 SEI 층을 형성하는 것이 아니고 SEI 층이 주로 형성되는 음극 활물질 역시 개량되고 있기 때문에 최적의 SEI 층 형성을 위한 다양한 물질의 개발 역시 계속되고 있다.In order to improve the performance of such a lithium ion secondary battery, development of an electrolyte material capable of forming a stable solid-electrolyte interphase (SEI) layer is underway. However, since not all electrolytes form a stable SEI layer, and the negative electrode active material in which the SEI layer is mainly formed is also being improved, development of various materials for forming an optimal SEI layer is also continued.
최근에는 propylene carbonate(PC)가 리튬이온이차전지용 전해질의 첨가제로 개발된 바 있고, 이는 낮은 온도에서 높은 이온전도도를 가지게 하여, 높은 잠재력을 가지고 있다고 평가받았으나, 이를 실질적으로 차용할 경우 적절한 SEI 층이 형성되지 않아 전해질의 지속적인 분해가 발생하며, 이 과정에서 기체 발생 및 활물질 탈리 현상이 발생하기 때문에 전지가 정상적으로 작동하지 않는 문제가 있었다.Recently, propylene carbonate (PC) has been developed as an additive for lithium ion secondary battery electrolyte, which has been evaluated as having high potential by having high ionic conductivity at low temperature, but when it is practically borrowed, an appropriate SEI layer There is a problem that the battery does not operate normally because it is not formed and the continuous decomposition of the electrolyte occurs, gas generation and active material desorption phenomenon in this process.
이를 해결하기 위하여 fluoroethylene carbonate(FFC), vinylene carbonate(VC)와 같은 첨가제가 개발되었다. 이는 PC계 전해질보다 안정한 SEI 층을 형성하여 전지의 정상 작동을 가능하게 하였다(특허문헌 1). 그러나 이들 기술에 의할 경우에도 Ni-(NCM) 또는 Li-rich(OLO) 적층 산화물과 같은 고용량의 양극재료와는 사용성이 낮다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 특히 충분한 사이클 특성을 발휘할 수 없으며, 스웰링 현상 등 고온 안정성이 낮았다.To solve this problem, additives such as fluoroethylene carbonate (FFC) and vinylene carbonate (VC) have been developed. This made the SEI layer more stable than the PC-based electrolyte, thereby enabling normal operation of the battery (Patent Document 1). However, these techniques not only have low usability problems with high-capacity anode materials such as Ni- (NCM) or Li-rich (OLO) layered oxides, but also cannot exhibit sufficient cycle characteristics. The high temperature stability such as ring phenomenon was low.
따라서, 니켈 고함량의 리튬 전이금속 산화물을 양극 활물질로서 사용하는 경우, 불순물에 의한 전지의 용량 특성, 사이클 특성 및 고온 안정성 저하를 해결하기 위한 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, when a high nickel content lithium transition metal oxide is used as a positive electrode active material, there exists a high need for the technique to solve the capacity | capacitance characteristic, cycling characteristics, and high temperature stability fall of a battery by an impurity.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 니켈 고함량의 리튬 전이금속 산화물을 양극 활물질로서 사용하는 경우에도 불순물에 의한 전지의 용량 특성, 사이클 특성 및 고온 안정성 저하를 해결할 수 있는 리튬이온이차전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬이온이차전지를 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a capacity characteristic, a cycle characteristic, and high temperature stability of a battery due to impurities even when a lithium transition metal oxide having a high nickel content is used as a cathode active material. It is to provide a lithium ion secondary battery electrolyte and a lithium ion secondary battery comprising the same that can solve the degradation.
본 발명은 본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 유기용매 및 리튬염을 포함하는 리튬이온이차전지용 전해질을 제공한다.The present invention provides a lithium ion secondary battery electrolyte comprising a compound represented by the following formula (1), an organic solvent and a lithium salt to achieve the above object.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화합물은 전해질의 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%로 포함되는 것일 수 있다.The compound may be included in an amount of 0.01 to 10% by weight based on the total weight of the electrolyte.
상기 화합물은 전해질의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 5 중량%로 포함되는 것일 수 있다.The compound may be included in 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the electrolyte.
상기 유기용매는 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 디에틸카보네이트(DEC), 디프로필카보네이트, 프로필렌카보네이트(PC), 에틸렌카보네이트(EC), 부틸렌카보네이트, 에틸프로피오네이트, 에틸부티레이트, 아세토니트릴, 석시노니트릴(SN), 디메틸술폭사이드, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 감마-발레로락톤, 감마-부티로락톤, 테트라하이드로퓨란 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.The organic solvent is dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene Carbonate, ethylpropionate, ethylbutyrate, acetonitrile, succinonitrile (SN), dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, gamma-valerolactone, gamma-butyrolactone, tetrahydrofuran and their It may be any one selected from the group consisting of a mixture.
상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, Li(FSO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(x, y는 1 내지 20이다), LiCl, LiI 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (FSO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (x, y is 1 to 20), LiCl, LiI and mixtures thereof It can be one.
또한, 본 발명은 양극, 음극, 상기 리튬이온이차전지용 전해질 및 분리막을 포함하는 리튬이온이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium ion secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, the electrolyte for the lithium ion secondary battery and the separator.
상기 리튬이온이차전지는 50 사이클 이후에도 비용량 유지율이 95 내지 99%일 수 있다.The lithium ion secondary battery may have a specific capacity retention of 95 to 99% even after 50 cycles.
본 발명의 리튬이온이차전지용 전해질을 이용할 경우, 고온 및 상온에서 수명성이 향상되고, 고용량의 양극 재료에 대해서도 우수한 SEI 층을 형성하는 우수한 성능의 리튬이온이차전지를 제공할 수 있다.When the electrolyte for lithium ion secondary batteries of the present invention is used, it is possible to provide a lithium ion secondary battery having excellent performance of improving lifespan at high temperature and room temperature and forming an excellent SEI layer even for a high capacity positive electrode material.
도 1은 전해질 첨가제로 사용되는 TMSP의 화학적 구조를 2D와 3D로 도시화한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 전지(TMSP) 및 비교실시예 1의 전지(none)의 선형 스윕 전위법(LSV)를 통해 측정한 음극 안정성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1, 2, 3로부터 제조된 전지 및 비교실시예 1 및 2로부터 제조된 전지의 쿨롱효율(Coulombic efficiency)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1, 2, 3로부터 제조된 전지 및 비교실시예 1 및 2로부터 제조된 전지의 비용량 대비 전위를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1, 2, 3로부터 제조된 전지 및 비교실시예 1 및 2로부터 제조된 전지의 사이클 횟수에 다른 비용량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 1회 사이클 후 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 7은 50회 사이클 후 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 8 1회 사이클 후 실시예 3으로부터 제조된 전지의 음극 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 9는 50회 사이클 후 실시예 3으로부터 제조된 전지의 음극 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 10 및 도 11은 실시예 3 및 비교실시예 1의 SEI층의 화학적 화합물을 분석하기 위해, 사이클 후 실시예 3 및 비교실시예 1로부터 제조된 전지에 대한 31P-NMR 그래프이다.
도 12 내지 15는 사이클 후, 실시예 3 및 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극을 XPS로 분석한 그래프로, 도 12는 C1s, 도 13은 F1s, 도 14는 P2p 및 도 15는 Si2p 그래프이다(흑색선은 비교실시예 1의 전지, 청색선은 실시예 1의 전지).
도 16은 리튬염, EC 및 TMSP의 결합에너지를 나타낸 반응식이다.
도 17은 TMSP와 CH3O-(ⅰ) 및 EC와 CH3O-(ⅱ)의 반응 에너지(△G in kcal/mol)을 나타낸 반응식이다.1 shows the chemical structure of TMSP used as an electrolyte additive in 2D and 3D.
FIG. 2 is a graph showing negative electrode stability measured by linear sweep potential method (LSV) of a battery (TMSP) prepared according to Example 1 of the present invention and a battery of Comparative Example 1 (none).
FIG. 3 is a graph showing the Coulombbic efficiency of the batteries prepared from Examples 1, 2, and 3 and the batteries prepared from Comparative Examples 1 and 2. FIG.
Figure 4 is a graph showing the measurement of the potential relative to the specific capacity of the cells prepared from Examples 1, 2, 3 and Comparative Examples 1 and 2.
FIG. 5 is a graph showing the specific specific amount of the cycle number of the batteries prepared from Examples 1, 2, and 3 and the batteries prepared from Comparative Examples 1 and 2. FIG.
6 is an SEM image of the negative electrode surface of the battery prepared from Comparative Example 1 after one cycle.
7 is an SEM image of the negative electrode surface of the battery prepared from Comparative Example 1 after 50 cycles.
8 is an SEM image of the negative electrode surface of the battery prepared in Example 3 after one cycle.
FIG. 9 is an SEM image of the negative electrode surface of the cell prepared from Example 3 after 50 cycles.
10 and 11 are 31 P-NMR graphs for cells prepared from Example 3 and Comparative Example 1 after a cycle to analyze the chemical compounds of the SEI layers of Example 3 and Comparative Example 1. FIG.
12 to 15 are graphs of the negative electrode of the battery prepared from Example 3 and Comparative Example 1 after the cycle by XPS, FIG. 12 is C1s, FIG. 13 is F1s, FIG. 14 is P2p, and FIG. 15 is Si2p graph. (The black line is the battery of Comparative Example 1, and the blue line is the battery of Example 1).
16 is a scheme showing the binding energy of lithium salt, EC and TMSP.
17 is a scheme showing reaction energy (ΔG in kcal / mol) of TMSP and CH 3 O − (iii) and EC and CH 3 O − (ii).
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.
본 발명의 일측면은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 유기용매 및 리튬염을 포함하는 리튬이온이차전지용 전해질에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a lithium ion secondary battery electrolyte comprising a compound represented by the following formula (1), an organic solvent and a lithium salt.
[화학식 1][Formula 1]
상기 리튬이온이차전지용 전해질은, 초기 충방전 과정 중에 그래파이트 음극의 표면에 SEI 층을 형성할 수 있도록, 화학식 1로 표시되는 화합물을 첨가제로 포함된다.The electrolyte for a lithium ion secondary battery includes a compound represented by Chemical Formula 1 as an additive so that an SEI layer may be formed on the surface of the graphite negative electrode during an initial charge and discharge process.
상기 초기 충방전 과정의 조건은, 리튬이온이차전지에서 통상적으로 사용되는 조건이라면 특별히 이에 한정되지 않으나, 바람직하게는 충전시 양극으로부터 나온 리튬 이온이 음극인 그래파이트 전극으로 이동하여 삽입되는, 되풀이되는 충전과 방전 과정에서 전극 표면에 SEI 층이 형성되도록 일정 범위의 정전류 또는 정전압으로 충방전을 반복할 수 있다.The condition of the initial charge-discharge process is not particularly limited as long as it is a condition commonly used in lithium ion secondary batteries. Preferably, lithium ions from the positive electrode during charging are inserted into the graphite electrode, which is a negative electrode. Charging and discharging may be repeated at a constant current or constant voltage in a range so that the SEI layer is formed on the surface of the electrode during the over discharge process.
상기 화합물은 전해질의 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있는데, 만약 상기 범위 미만이거나 초과할 경우에는 VC 전해질과 같이 고용량의 양극재료와 상용성이 낮아, 용량 특성, 사이클 횟수에 따른 비용량 유지율 저하 및 사이클 특성 등이 유의미하게 낮아지는 문제가 발생하거나, 스웰링 현상 등의 부반응이 유발되는 문제가 발생할 수 있다. 상술한 문제점들을 비롯하여, 걔 중에서도 효과가 가장 우수하도록 하기 위해, 상기 화합물은 상기 전해질의 전체 중량을 기준으로 3 중량% 포함되는 것이 가장 바람직하다.The compound may be included 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. If the compound is below or exceeds the above range, the compound may be compatible with a high capacity cathode material such as VC electrolyte. Low, there may be a problem that the capacity characteristics, lower specific capacity retention rate and cycle characteristics according to the cycle number is significantly lowered, or a side reaction such as a swelling phenomenon may occur. In order to have the best effect among them, including the above-mentioned problems, the compound is most preferably included 3% by weight based on the total weight of the electrolyte.
또한 본 발명에 따른 전해질은 하나의 첨가제만으로 우수한 다양한 효과들을 달성할 수 있으므로, 추가적인 구성없이 부반응에 따른 내부 저항의 증가 및 용량 감소(사이클 횟수에 따른 비용량 유지율) 등의 문제점을 현저히 개선하였음을 하기 실험예를 통해 확인하였다.In addition, since the electrolyte according to the present invention can achieve various excellent effects with only one additive, it has significantly improved problems such as increase in internal resistance and decrease in capacity (capacity retention according to cycle number) due to side reactions without additional configuration. It confirmed through the following experimental example.
상기 유기용매는 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 디에틸카보네이트(DEC), 디프로필카보네이트, 프로필렌카보네이트(PC), 에틸렌카보네이트(EC), 부틸렌카보네이트, 에틸프로피오네이트, 에틸부티레이트, 아세토니트릴, 석시노니트릴(SN), 디메틸술폭사이드, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 감마-발레로락톤, 감마-부티로락톤, 테트라하이드로퓨란 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있고, 특별히 이에 한정되지 않는다. 그러나, 상기 화학식 1의 화합물과 전기화학적 및 열역학적으로 SEI 층을 형성하기 위해서는 바람직하게 상기 유기용매가 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합물인 것이고, 더욱 바람직하게는 상기 EC 및 EMC의 혼합부피비가 1 : 1-3인 것일 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 EC 및 EMC의 혼합부피비가 1 : 2인 것일 수 있는데, 상기 화학식 1의 화합물과 전기화학적 및 열역학적으로 안정적이고 균일한 SEI 층을 형성할 수 있다는 장점을 가진다. 구체적으로 상기 유기용매를 다양하게 변화하여 측정하였을 때, EC 및 EMC의 혼합물이고, 상기 혼합물에서 혼합부피비가 1 : 2일 때, SEI 층의 NMR 결과를 비교한 결과, EC에 비해 화학식 1의 화합물로부터 유래된 phosphonate 기능기를 나타내는 피크가 가장 높게 관찰되었고, XPS 결과에서도 용매 조성을 나타내는 피크가 비교실시예 1 대비 낮게 존재하였다. 또한 이는 EDS 결과에서도 동일하였음을 확인할 수 있다. 즉, 유기용매의 종류 및 조성에 따라 형성된 SEI 층 성분이 상이하였고, 이에 대하여 XPS, NMR 및 EDS 결과를 비교하면 상기 유기용매가 EC 및 EMC의 혼합물이면서 이들의 혼합부피비가 1 : 2일 때, 가장 우수한 성분을 갖는 SEI 층이 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 SEI 층의 성분 차이는, 그 차이의 범주가 미세하다 하더라도 전지의 성능에는 큰 영향을 끼친다. 예를 들어 0.5 중량% TMSP(화학식 1의 화합물)을 사용한 것과 3 중량% TMSP를 사용한 경우의 비교만 살펴보더라도 쿨롱효율, 비용량에 따른 전위, 사이클 횟수에 따른 비용량 유지율에 유의미한 차이가 발생함을 통해 충분히 확인할 수 있다.The organic solvent is dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene Carbonate, ethylpropionate, ethylbutyrate, acetonitrile, succinonitrile (SN), dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, gamma-valerolactone, gamma-butyrolactone, tetrahydrofuran and their It may be any one selected from the group consisting of a mixture, and is not particularly limited thereto. However, in order to form the SEI layer electrochemically and thermodynamically with the compound of
상기 전해질에서 사용되는 리튬염은 당해 기술분야에서 사용되는 리튬염이라면 특별히 이에 한정되지 않으나, 바람직하게는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, Li(FSO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(x, y는 1 내지 20이다), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다. 바람직하게 리튬염은 LiPF6일 수 있다.The lithium salt used in the electrolyte is not particularly limited as long as it is a lithium salt used in the art, preferably LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (FSO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 ,
상기 전해질은 액체 또는 겔 상태일 수 있다.
The electrolyte may be in a liquid or gel state.
본 발명의 다른 측면은 리튬이온이차전지용 전해질을 포함하는 리튬이온이차전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 리튬이온이차전지용 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 유기용매 및 리튬염을 포함하고 있는 것일 수 있다. 이는 초기 충방전 과정을 통해 전지의 효과를 극대화할 수 있도록 하는 SEI 층을 형성할 수 있는 것이다. 동일한 내용의 반복을 최소화하기 위해 앞서 기재한 내용은 생략하였다.Another aspect of the present invention relates to a lithium ion secondary battery including an electrolyte for a lithium ion secondary battery, wherein the electrolyte for a lithium ion secondary battery according to the present invention includes a compound represented by
구체적으로 상기 리튬이온이차전지는 양극, 음극, 전해질 및 분리막으로 구성되며, 상기 리튬이온이차전지는 당해 기술분야에서 사용되는 일반적인 양극, 음극 및 분리막이라면 특별히 이에 한정되지 않는다. Specifically, the lithium ion secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, and the lithium ion secondary battery is not particularly limited as long as it is a general positive electrode, negative electrode, and separator used in the art.
바람직하게 상기 양극은 양극 집전체 상에 구비된 양극활물질을 포함하는 것이고, 상기 양극활물질은 우수한 방전 용량 및 고용량 특성을 갖는 양극활물질이라면 특별히 이에 제한되지 않으나, 리튬함유 전이금속 산화물, 예를 들면 LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있으며, 상기 리튬함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬함유 전이금속 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다. Preferably, the positive electrode includes a positive electrode active material provided on a positive electrode current collector, and the positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a positive electrode active material having excellent discharge capacity and high capacity characteristics, and a lithium-containing transition metal oxide, for example, Li x CoO 2 (0.5 <x <1.3), Li x NiO 2 (0.5 <x <1.3), Li x MnO 2 (0.5 <x <1.3), Li x Mn 2 O 4 (0.5 <x <1.3), Li x (Ni a Co b Mn c ) O 2 (0.5 <x <1.3, 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), Li x Ni 1- y Co y O 2 (0.5 <x <1.3, 0 <y <1), Li x Co 1-y Mn y O 2 (0.5 <x <1.3, 0≤y <1), Li x Ni 1-y Mn y O 2 (0.5 <x <1.3, O≤y <1), Li x (Ni a Co b Mn c ) O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <a <2, 0 <b <2, 0 < c <2, a + b + c = 2), Li x Mn 2-z Ni z O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <z <2), Li x Mn 2-z Co z O 4 (0.5 < x <1.3, 0 <z <2), Li x CoPO 4 (0.5 <x <1.3) and Li x FePO 4 (0.5 <x <1.3), any one selected from the group consisting of or a mixture of two or more thereof The lithium-containing transition metal oxide is a metal such as aluminum (Al) It may be coated with oxides. In addition to the lithium-containing transition metal oxide, sulfide, selenide, halide, and the like may also be used.
상기 리튬이온이차전지는 고용량 전지의 제조를 위해서, 상기 양극 활물질의 양을 늘리지 않더라도, 상기 전해질을 사용하는 설계를 통해 양극과 음극 간의 전기화학적인 균형이 포함되고, 고용량의 전지를 제조할 수 있다는 효과를 갖는다.The lithium ion secondary battery includes an electrochemical balance between the positive electrode and the negative electrode through the design using the electrolyte, even if the amount of the positive electrode active material is not increased, in order to manufacture a high capacity battery. Has an effect.
상기 리튬이온이차전지에서 음극 활물질로는 그래파이트 또는 실리콘-탄소 복합체/그래파이트를 사용할 수 있다.Graphite or silicon-carbon composite / graphite may be used as the negative electrode active material in the lithium ion secondary battery.
상기 분리막은 종래에 분리막으로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The separator is a conventional porous polymer film conventionally used as a separator, for example, polyolefin-based polymer such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene / butene copolymer, ethylene / hexene copolymer and ethylene / methacrylate copolymer The porous polymer film prepared by using a single or a lamination thereof may be used, or a conventional porous nonwoven fabric, for example, a non-woven fabric made of glass fibers, polyethylene terephthalate fibers of high melting point, etc. may be used, but is not limited thereto. .
상기 리튬이온이차전지의 양극, 분리막, 전해질, 음극의 형성 공정은 각 층의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.The process of forming the positive electrode, the separator, the electrolyte, and the negative electrode of the lithium ion secondary battery may be applied by any coating method as long as it can be coated by a method that does not adversely affect the physical properties of each layer (for example, spray coating or dipping method). Since this is a content that can be well understood by those in the field, detailed description thereof will be omitted.
상기 양극 및 음극을 제조할 때 사용되는 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.N-methylpyrrolidone, acetone or water may be used as the solvent used when preparing the positive electrode and the negative electrode, but the present invention is not limited thereto, and any solvent may be used as long as it can be used in the art.
상기 리튬이온이차전지의 외형은 특별한 제한은 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.
The external shape of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, but may be cylindrical, square, pouch type, or coin type using a can.
또한, 상기 리튬이온이차전지는 복수개 적층되어 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다.In addition, a plurality of lithium ion secondary batteries are stacked to form a battery pack, and the battery pack may be used in any device requiring high capacity and high output. For example, it can be used in notebooks, smartphones, electric vehicles and the like.
또한, 상기 리튬이온이차전지는 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드 차량에 사용될 수 있다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거, 전동 공구 등에 사용될 수 있다.
In addition, the lithium ion secondary battery may be used in an electric vehicle (EV) because it has excellent life characteristics and high rate characteristics. For example, it may be used in a hybrid vehicle such as a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV). It can also be used in applications where a large amount of power storage is required. For example, it can be used for electric bicycles, power tools and the like.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.
제조예 1 내지 3. TMSP 전해질.Preparation Examples 1-3. TMSP Electrolyte.
1M 리튬 헥사플루오로포스페이트(litthium, hexafluorophosphate; LiPF6)하에서, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate; EC)와 에틸 메틸 카보네이트(Etthyl methyl carbonate;EMC)를 1 : 2의 부피%로 혼합하여 표준 전해질(PanaxEtec)을 제조하였다. 상기 표준 전해질 전체 중량을 기준으로 상기 하기 화학식 1의 화합물(TMSP)(Aldrich)를 0.5 중량%, 1.0 중량%, 3.0 중량%로 각각 첨가하여 제조예 1, 2, 3의 TMSP 전해질을 제조하였다.Under 1 M lithium hexafluorophosphate (litthium, hexafluorophosphate; LiPF 6 ), ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed in a volume ratio of 1: 2 to provide a standard electrolyte (PanaxEtec). Was prepared. The TMSP electrolytes of Preparation Examples 1, 2, and 3 were prepared by adding 0.5 wt%, 1.0 wt%, and 3.0 wt% of the compound of Formula 1 (TMSP) based on the total weight of the standard electrolyte.
[화학식 1][Formula 1]
비교 제조예 1. 표준 전해질Comparative Preparation Example 1 Standard Electrolyte
1M 리튬 헥사 플루오로 포스페이트(litthium, hexafluorophosphate)하에서, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate; EC)와 에틸 메틸 카보네이트(Etthyl methyl carbonate;EMC)를 1 : 2의 부피%로 혼합하여 표준 전해질(PanaxEtec)을 제조하였다.
Under 1M lithium hexafluorophosphate (litthium, hexafluorophosphate), ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed in a volume ratio of 1: 2 to prepare a standard electrolyte (PanaxEtec). .
비교 제조예 2. VC 전해질Comparative Preparation Example 2 VC Electrolyte
TMSP 대신에 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate; VC)를 3.0중량% 첨가한 것을 제외하고는 모두 제조예 1과 동일하게 하여 VC 전해질을 제조하였다.
A VC electrolyte was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 except that 3.0 wt% of vinylene carbonate (VC) was added instead of TMSP.
실시예 1 내지 3. 코인형 리튬이온이차전지의 제조Examples 1 to 3. Preparation of a coin-type lithium ion secondary battery
코인형 전지(coin cell)는 그래파이트, 리튬 금속, 폴리(에틸렌) 분리막(Asahi) 및 제조예 1 내지 3으로부터 제조된 TMSP 전해질(TMSP 포함 혹은 불포함)으로 제작하였고, 구체적으로 다음과 같다.Coin cells (coin cell) was made of graphite, lithium metal, poly (ethylene) separator (Asahi) and TMSP electrolyte (with or without TMSP) prepared from Preparation Examples 1 to 3, specifically as follows.
유리 카본을 작동 전극으로 사용하고, 리튬 금속(foil)은 카운터 및 참조 전극으로 사용하였다. 이때, scan rate는 1 mV s- 1 이었고, 전압 범위는 3.0-0.0 V (vs. Li/Li+)이였다.Free carbon was used as the working electrode and lithium metal (foil) was used as the counter and reference electrode. At this time, the
그래파이트 음극은 그래파이트(PoscoChemtech), 수퍼P(카본 블랙), 카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose; CMC)(Cellogen, DKS) 및 스티렌-부타디엔 고무(Styrene-butadiene rubber; SBR)(Zeon, BM 400B)을 96:1:1:2의 중량비로 혼합한 후, 3 시간동안 교반하여 슬러리를 제조하고, 이를 Cu foil에 코팅한 다음, 진공 오븐에서 100 ℃, 30 분간 건조하는 과정을 통해 제조하였다. 이때, 상기 전극의 로딩밀도는 8.75±0.09 ㎎/㎠였다.Graphite cathodes include graphite (PoscoChemtech), Super P (carbon black), carboxymethyl cellulose (CMC) (Cellogen, DKS) and styrene-butadiene rubber (SBR) (Zeon, BM 400B). After mixing in a weight ratio of 1: 1: 1: 2, the mixture was stirred for 3 hours to prepare a slurry, which was coated on Cu foil, followed by drying in a vacuum oven at 100 ° C. for 30 minutes. At this time, the loading density of the electrode was 8.75 ± 0.09 mg /
이렇게 제작된 전지를 초기 2 사이클동안 0.1 C의 일정한 속도(constant rate)로 0.01 V(vs.Li/Li+)로 방전하고, 1.5 V(vs.Li/Li+)로 충전하였다. 그러한 초기 충방전 이후에는 1.0 C의 일정한 속도(constant rate)로, 0.01 V(vs.Li/Li+)로 방전되고, 1.5 V(vs.Li/Li+)로 50 사이클 수행하였다. 사이클 라이프는 실온에서 충전/방전 장치(TOSCAT-3100, TOYO)를 사용하여 실험하였다.
The battery thus produced was discharged at 0.01 V (vs. Li / Li + ) at a constant rate of 0.1 C during the initial 2 cycles, and charged at 1.5 V (vs. Li / Li + ). After such initial charge and discharge, the battery was discharged at 0.01 V (vs. Li / Li + ) at a constant rate of 1.0 C and 50 cycles were performed at 1.5 V (vs. Li / Li + ). Cycle life was tested using a charge / discharge device (TOSCAT-3100, TOYO) at room temperature.
비교 실시예 1.Comparative Example 1.
TMSP 전해질 대신에 비교제조예 1로부터 제조된 표준 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 제조되었다.
Except for using the standard electrolyte prepared from Comparative Preparation Example 1 instead of the TMSP electrolyte was prepared by the same method as in Example 1.
비교 실시예 2.Comparative Example 2.
TMSP 전해질 대신에 비교제조예 2로부터 제조된 VC 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 제조되었다.
Except for using the VC electrolyte prepared from Comparative Preparation Example 2 instead of the TMSP electrolyte was prepared by the same method as in Example 1.
성능 평가 방법Performance Evaluation Method
본 발명에 따라 제조된 화학식 1의 화합물을 전해질 첨가제로 이용한 전해질 또는 비교제조예 1, 2를 포함한 전해질을, 리튬이차전지에 사용하였을 때, 이의 성능을 비교하기 위하여, 아래와 같이 평가를 수행하였다.In order to compare the performance of an electrolyte using the compound of
전기 화학 워크 스테이션(electrochemical workstation)(Biologic, SP-300)를 사용한 선형 스윕 전위법(linear sweep voltammetry; LSV)를 통해 음극 안정성(cathodic stability)을 분석하였다. Cathodic stability was analyzed by linear sweep voltammetry (LSV) using an electrochemical workstation (Biologic, SP-300).
상기 실시예, 비교 실시예로부터 제조된 전지는 초기 2사이클 동안에는 0.1 C의 일정한 속도(constant rate)로, 0.01 V(vs.Li/Li+)로 방전되고, 1.5 V(vs.Li/Li+)로 충전되었고, 50 사이클 동안에는 1.0 C의 일정한 속도(constant rate)로, 0.01 V(vs.Li/Li+)로 방전되고, 1.5 V(vs.Li/Li+)로 충전되었다. 사이클 라이프는 실온에서 충전/방전 장치(TOSCAT-3100, TOYO)를 사용하여 실험하였다.The cells prepared from the above examples and comparative examples were discharged at 0.01 V (vs.Li/Li + ) at a constant rate of 0.1 C during the initial 2 cycles, and 1.5 V (vs.Li/Li +). ) And was discharged at 0.01 V (vs.Li/Li + ) at a constant rate of 1.0 C for 50 cycles and charged at 1.5 V (vs.Li/Li + ). Cycle life was tested using a charge / discharge device (TOSCAT-3100, TOYO) at room temperature.
사이클 분석후, 상기 전지를 글러브-박스 내에서 분해하여 순환된 전극을 회수하였고, 이를 디메틸 카보네이트(demethyl carbonate; DC)(PanaxEtec)로 신속하게 세척하였다. 그래파이트 표면에서 발생한 원자 상태를 갖는 전극의 표면 모폴로지는 전계 방출 주사전자 현미경(field-emission scanning electron microscopy; FESEM)(Quanta 3D FEG, FEI)를 사용하여 분석하였다.After cycle analysis, the cell was disassembled in a glove-box to recover the circulated electrode, which was quickly washed with dimethyl carbonate (DC) (PanaxEtec). The surface morphology of the electrodes with atomic states occurring on the graphite surface was analyzed using field-emission scanning electron microscopy (FESEM) (Quanta 3D FEG, FEI).
사이클 후의 그래파이트 표면에서, 원자 조성을 분석하기 위해 고체 핵 자기 공명 분광법(solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy; NMR)(ASCEND 400, Bruker) 및 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)(K alpha, Thermo-Scientific)을 사용하였다. 이때 모든 분석 실험은 별도의 언급이 없는 한, 모두 실온에서 수행하였다.On the graphite surface after the cycle, solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) (
상기 분자의 기저 상태 구조(ground-state structures)는 밀도 함수 이론(DFT) 방법을 통해, C1 대칭(symmetry)내에서 완전히 최적화되었다. Kohn-Sham 함수는 B3PW91 기능성 및 트리플 제타 품질(triple-zeta quality)의 6-311G(d.p) 기저 세트(basis set)로 계산하였다.The molecule's ground-state structures have been fully optimized within C1 symmetry, using density function theory (DFT) methods. Kohn-Sham function was calculated with a 6-311G (d.p) basis set of B3PW91 functionality and triple-zeta quality.
본 발명은 CPCM(conductor-variant polarized continuum model)을 사용하고, 이는 연속적인 유전체에 임베디드된 분자형태의 공간(cavity)에 용질이 위치되어 있는 것이다.The invention uses a conductor-variant polarized continuum model (CPCM), in which the solute is located in a molecular cavity embedded in a continuous dielectric.
본 발명에서 용매로 EC : EMC = 1 : 2(vol%)를 사용하기 때문에, 유전상수(dielectric constant)는 31.9이고, 이는 EC(89.2)와 EMC(2.9)의 유전상수 사이 평균치가 적용된 것이다. Since EC: EMC = 1: 2 (vol%) is used as the solvent in the present invention, the dielectric constant is 31.9, which is an average value between the dielectric constants of EC (89.2) and EMC (2.9).
선행연구 중에서 CPCM 계산방식이 배터리 전해질에 대한 다양한 전기 화학적 성질 평가에 효과적이라는 것이 입증되었기 때문에, 본 연구에서도 이를 활용하였으며, 모든 DFT 및 CPCM 계산은 Gaussian09 프로그램 패키지를 사용하여 수행하였다.
In the previous studies, the CPCM calculation method proved to be effective in evaluating various electrochemical properties of battery electrolytes. Therefore, this study was also used. All DFT and CPCM calculations were performed using the Gaussian09 program package.
실험예 1. 전해질의 LSV(linear sweep voltammetry) 측정Experimental Example 1. Measurement of linear sweep voltammetry (LSV) of electrolyte
도 2는 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 전지(TMSP) 및 비교실시예 1의 전지(none)의 선형 스윕 전위법(LSV)를 통해 측정한 음극 안정성을 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing negative electrode stability measured by linear sweep potential method (LSV) of a battery (TMSP) prepared according to Example 1 of the present invention and a battery of Comparative Example 1 (none).
도 2에 나타난 바와 같이 비교실시예 1의 전지와 실시예 1의 전지는 음극 분극(cathodic polarization) 동안 유사한 음극 안정성을 나타내고 있음을 확인하였다. As shown in FIG. 2, the cell of Comparative Example 1 and the cell of Example 1 showed similar negative electrode stability during cathodic polarization.
또한, 전기화학적 환원(electrochemical reduction)은 TMSP 존재유무와 관계없이 약 0.65 V(vs.Li/Li+)에서 발생함을 확인하였고, 이를 통해 EC의 전기 화학적 환원 전위가 약 0.65V (vs.Li/Li +)에서 시작됨을 알 수 있다. 즉, 모든 전해질에서의 환원 전류는 TMSP 감소보다는 EC의 환원분해에 기인하며, 제일원리계산(a first-principles calculation) 연구 결과와 유사한 결과임을 확인할 수 있었다. TMSP의 환원 전위가 EC 값보다 약 0.7V 낮은 것으로 확인되었기 때문에, 환원조건에서 TMSP는 매우 안정하다. 그런데 음극 표면에서 SEI 층은 일반적으로 전기화학적인 환원 분해를 통해 형성된다는 것이 기존 매커니즘이므로, TMSP가 전기화학적인 감소만으로 SEI 층을 형성하지 않는다는 것은 매우 흥미로운 점이라 할 수 있다.
In addition, it was confirmed that electrochemical reduction occurred at about 0.65 V (vs. Li / Li + ) regardless of the presence or absence of TMSP, and the electrochemical reduction potential of EC was about 0.65 V (vs.Li). / Li +). That is, the reduction current in all electrolytes was due to the reduction decomposition of EC rather than the decrease of TMSP, and the results were similar to the results of a first-principles calculation study. Since the reduction potential of TMSP was found to be about 0.7 V lower than the EC value, TMSP is very stable under the reducing conditions. However, since the conventional mechanism is that the SEI layer is generally formed through electrochemical reduction decomposition on the cathode surface, it is very interesting that TMSP does not form the SEI layer by electrochemical reduction alone.
실험예 2. 율 특성Experimental Example 2 Rate Characteristics
도 3은 실시예 1, 2, 3로부터 제조된 전지 및 비교실시예 1 및 2로부터 제조된 전지의 쿨롱효율(Coulombic efficiency)을 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 4는 실시예 1, 2, 3로부터 제조된 전지 및 비교실시예 1 및 2로부터 제조된 전지의 비용량 대비 전위를 측정하여 나타낸 그래프이며, 도 5는 실시예 1, 2, 3로부터 제조된 전지 및 비교실시예 1 및 2로부터 제조된 전지의 사이클 횟수에 다른 비용량을 측정하여 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing Coulombbic Efficiency of Batteries Prepared from Examples 1, 2, and 3 and Batteries Prepared from Comparative Examples 1 and 2, and FIG. 4 is from Examples 1, 2, and 3; It is a graph showing the measured potential relative to the specific capacity of the battery prepared and the cells prepared from Comparative Examples 1 and 2, Figure 5 is a battery prepared from Examples 1, 2, 3 and prepared from Comparative Examples 1 and 2 It is a graph which measured the specific specific amount by the cycle number of a battery.
도 3 내지 5에서 흑색은 표준 전해질을 사용한 전지(비교실시예 1)이고, 적색은 0.5% TMSP를 포함하는 전해질을 사용한 전지(실시예 1)이고, 파란색은 1.0% TMSP를 포함하는 전해질을 사용한 전지(실시예 2)이며, 초록색은 3.0% TMSP를 포함하는 전해질을 사용한 전지(실시예 3)이며, 주황색은 3.0% VC를 포함하는 전해질을 사용한 전지(비교실시예 2)이다.3 to 5, black is a battery using a standard electrolyte (Comparative Example 1), red is a battery using an electrolyte containing 0.5% TMSP (Example 1), and blue is an electrolyte containing 1.0% TMSP. A battery (Example 2), green is a battery using an electrolyte containing 3.0% TMSP (Example 3), and orange is a battery using a electrolyte containing 3.0% VC (Comparative Example 2).
도 3 내지 5를 살펴본 결과 TMSP를 포함하는 전해질을 사용한 전지셀에서 전기화학적 성능이 현저히 향상되었음을 확인하였다. 비교실시예 1의 전지는 쿨롱효율이 93.1%이고, 비교실시예 2의 전지는 쿨롱효율이 92.9%로 낮다는 것을 확인하였다. 비교실시예 2의 전지에 사용되는 전해질에서 VC가 전기화학적 환원에 기여하기 때문에 쿨롱효율이 저하된 것으로 확인되며, 이는 음극 표면에 SEI 층 형성 여부와 관련이 있다.As a result of looking at Figures 3 to 5 it was confirmed that the electrochemical performance is significantly improved in the battery cell using the electrolyte containing TMSP. It was confirmed that the battery of Comparative Example 1 had a coulombic efficiency of 93.1%, and the battery of Comparative Example 2 had a low coulombic efficiency of 92.9%. In the electrolyte used in the battery of Comparative Example 2, the coulombic efficiency was found to be reduced because VC contributes to the electrochemical reduction, which is related to the formation of the SEI layer on the surface of the negative electrode.
한편, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 전지는 쿨롱효율이 최대 95.2%로 3%~2% 더욱 향상되었음을 확인할 수 있다.
On the other hand, the battery of Examples 1 to 3 according to the present invention can be confirmed that the coulombic efficiency is further improved to 3% ~ 2% to 95.2% maximum.
도 5에서 사이클 횟수에 따른 비용량을 측정한 결과를 살펴보면, 50 사이클 후 비교실시예 1의 전지는 비용량 유지율(speecific capacity remaining)이 69.7%임을 확인하였다. 한편 비교실시예 2의 전지는 50 사이클 후, 비용량유지율이 97.4%였다. 이는 전해질에 포함되어 있는 VC가 음극 상에 SEI 층을 형성하기 때문으로 확인되었다.Looking at the result of measuring the specific capacity according to the cycle number in Figure 5, after 50 cycles, it was confirmed that the battery of Comparative Example 1 has a specific capacity remaining of 69.7%. On the other hand, the battery of Comparative Example 2 had a specific capacity retention of 97.4% after 50 cycles. This was confirmed because the VC contained in the electrolyte forms an SEI layer on the cathode.
한편, 본 발명의 실시예 1 내지 3으로부터 제조된 전지는 96.8%로 반복되는 충방전 사이클 후에도 비용량 특성이 초기와 거의 대등소이하게 유지되고 있음을 알 수 있다. 즉, 실시예 1 내지 3의 전지는 초기 쿨롱효율이 매우 높고, VC에 비해서도 우수한 비용량 유지율 특성을 갖는다는 장점이 있다.On the other hand, the batteries prepared from Examples 1 to 3 of the present invention, it can be seen that even after the charge and discharge cycle repeated 96.8%, the specific capacity characteristics are maintained almost the same as the initial. That is, the batteries of Examples 1 to 3 have the advantage that the initial coulombic efficiency is very high, and has a superior specific capacity retention rate compared to VC.
만약 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 전지에서 전해질(SEI 층의 형성에서 참여한)의 전기화학적 반응 과정에 따른 초기 쿨롱 효율이 낮았다면, 양극과 음극에 대한 이온 저장의 균형을 맞추기 위해서 반드시 양극활물질의 확장이 필요했을 것이다. 필요에 의해 양극활물질을 추가하게 되면, 전지 무게가 늘어날 것이고, 전지의 총 에너지 밀도는 감소하였을 것이다.If the initial coulombic efficiency of the electrolyte (participated in the formation of the SEI layer) was low in the cells of Examples 1 to 3 according to the present invention, the positive electrode must be positively balanced to balance the ion storage for the positive and negative electrodes. Expansion of the active material would have been necessary. Adding the positive electrode active material as needed would increase the weight of the cell and reduce the total energy density of the cell.
그러나 본 발명에서는 전해질 내에 TMSP를 추가함으로써, 우수한 쿨룽 효율과 우수한 용량 특성 및 수명 특성을 얻을 수 있음을 확인하였고, 이는 종래 전해질을 사용한 전지보다 상대적으로 양극활물질의 무게를 감소시킬 수 있기 때문에, 전지의 에너지밀도를 증가시키는데 기여하고 있다고 할 수 있다. 또한 사이클 라이프를 현저히 향상시키고 있음을 확인할 수 있으므로, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 전지는 종래 전해질을 사용한 전지에 비해 아주 현저한 장점들을 가지고 있다고 볼 수 있다.
However, in the present invention, by adding TMSP in the electrolyte, it was confirmed that excellent Coulomb efficiency, excellent capacity characteristics and lifetime characteristics can be obtained, which can reduce the weight of the positive electrode active material relative to the battery using the conventional electrolyte, It can be said that it contributes to increase the energy density. In addition, since the cycle life is remarkably improved, it can be seen that the batteries of Examples 1 to 3 according to the present invention have very remarkable advantages over batteries using conventional electrolytes.
실험예 3. SEM 분석Experimental Example 3. SEM Analysis
도 6은 1회 사이클 후 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극 표면을 촬영한 SEM 이미지이고, 도 7은 50회 사이클 후 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극 표면을 촬영한 SEM 이미지이며, 도 8 1회 사이클 후 실시예 3으로부터 제조된 전지의 음극 표면을 촬영한 SEM 이미지이며, 도 9는 50회 사이클 후 실시예 3으로부터 제조된 전지의 음극 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.6 is a SEM image of the negative electrode surface of the battery prepared from Comparative Example 1 after one cycle, Figure 7 is a SEM image of the negative electrode surface of the battery prepared from Comparative Example 1 after 50 cycles, 8 is an SEM image of the negative electrode surface of the battery prepared in Example 3 after one cycle, and FIG. 9 is an SEM image of the negative electrode surface of the battery prepared in Example 3 after 50 cycles.
도 6을 살펴보면, 1회 사이클 후, 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극 표면은 불규칙하였다. 이에 반해, 도 8의 실시예 3으로부터 제조된 전지에서 음극 표면은 상대적으로 균일한 표면 모폴리지를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.Looking at Figure 6, after one cycle, the negative electrode surface of the battery prepared from Comparative Example 1 was irregular. In contrast, in the battery prepared from Example 3 of FIG. 8, it was confirmed that the negative electrode surface had a relatively uniform surface morphology.
상기 결과는 EDS로 측정한 실험데이터와도 일치하는데(미도시), 실시예 1 내지 3로부터 제조된 전지의 음극표면에서만 TMSP와 관련된 원자 성분이 관찰되었기 때문이다.The results are also in agreement with experimental data measured by EDS (not shown), since the atomic component associated with TMSP was observed only at the negative electrode surface of the cells prepared from Examples 1 to 3.
상술한 결과들을 종합하면(미도시된 EDS 결과, LSV 결과), 실시예 1 내지 3으로부터 제조된 전지는 TMSP 전해질이 SEI 층을 형성하는데 있어서, 전기화학적 반응이 아닌, 또 다른 반응 경로(vide infra)를 통해 형성되고 있음을 확인할 수 있다.Taken together, the results described above (not shown EDS results, LSV results) show that the cells prepared from Examples 1 to 3 show another reaction pathway, rather than an electrochemical reaction, in which the TMSP electrolyte forms the SEI layer. It can be seen that through the formation.
도 7 및 도 9의 50회 사이클을 수행한 후, 각각의 전지들로부터 음극 표면을 비교하면, 실시예 3으로부터 제조된 전지의 음극이 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극 표면보다 모폴로지가 상대적으로 깨끗한 것으로 확인되었다.After performing the 50 cycles of FIGS. 7 and 9, comparing the negative electrode surface from each of the cells, the morphology of the negative electrode of the cell prepared in Example 3 was higher than that of the negative electrode surface of the cell prepared in Comparative Example 1 It was confirmed to be clean.
이러한 결과를 통해 리튬이온이차전지의 그래파이트 음극의 계면 안정성을 본 발명에 따른 TMSP 전해질이 향상시키고 있음을 확인하였다.
These results confirm that the TMSP electrolyte according to the present invention improves the interfacial stability of the graphite negative electrode of the lithium ion secondary battery.
실험예 4. NMRExperimental Example 4. NMR
도 10 및 도 11은 실시예 3 및 비교실시예 1의 SEI층의 화학적 화합물을 분석하기 위해, 사이클 후 실시예 3 및 비교실시예 1로부터 제조된 전지에 대한 31P-NMR 그래프이다.10 and 11 are 31 P-NMR graphs for cells prepared from Example 3 and Comparative Example 1 after a cycle to analyze the chemical compounds of the SEI layers of Example 3 and Comparative Example 1. FIG.
도 10 및 도 11을 살펴보면, 실시예 3의 전지는 31P-NMR에서 downfield 부분에서 몇 개의 새로운 피크가 관찰되었고, 이는을 TMSP로부터 화학적으로 유래된 phosphonate 기능기인 것으로 간주된다. 상기 phosphonate 작용기는 TMSP가 SEI 층에서 화학적으로 modified 형태로 형성되었다는 증거이다.
Referring to Figures 10 and 11, the cell of Example 3 observed several new peaks in the downfield portion at 31 P-NMR, which is considered to be a phosphonate functional group chemically derived from TMSP. The phosphonate functional group is evidence that TMSP is formed in chemically modified form in the SEI layer.
실험예 5. XPS 분석Experimental Example 5. XPS Analysis
도 12 내지 15는 사이클 후, 실시예 3 및 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극을 XPS로 분석한 그래프로, 도 12는 C1s, 도 13은 F1s, 도 14는 P2p 및 도 15는 Si2p 그래프이다(흑색선은 비교실시예 1의 전지, 청색선은 실시예 3의 전지).12 to 15 are graphs of the negative electrode of the battery prepared in Example 3 and Comparative Example 1 after the cycle by XPS, FIG. 12 is C1s, FIG. 13 is F1s, FIG. 14 is P2p, and FIG. 15 is Si2p graph. (The black line is the battery of Comparative Example 1, and the blue line is the battery of Example 3.)
도 12에 나타난 바와 같이, 실시예 3 및 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극에 형성된 SEI 층의 C1s 조성은 다음과 같았다. 먼저 EC 환원에 의해 형성된 R-CH2OLi 및 R-CH2OCO2Li가 확인되었고, 이는 두 전지 모두에서 일반적으로 확인되었다. 다만 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극에서보다 세기가 실시예 3로부터 제조된 전지의 음극에서 세기가 더 낮은 것으로 관찰되었다.As shown in Figure 12, the C1s composition of the SEI layer formed on the negative electrode of the battery prepared from Example 3 and Comparative Example 1 was as follows. First, R-CH 2 OLi and R-CH 2 OCO 2 Li formed by EC reduction were identified, which was generally found in both cells. However, it was observed that the intensity was lower at the negative electrode of the battery prepared from Example 3 than the negative electrode of the battery prepared from Comparative Example 1.
또한 도 13에서 용매 조성을 나타내는 피크는 실시예 3의 전지(TMSP:LiF(687.6 eV in F1s))가 비교실시예 1의 전지보다(LixPFy(137.4 eV in P2p)) 더 낮았다.In addition, the peak showing the solvent composition in FIG. 13 was lower in the battery of Example 3 (TMSP: LiF (687.6 eV in F1s)) than the battery of Comparative Example 1 (LixPFy (137.4 eV in P2p)).
그러나, 실시예 3으로부터 제조된 전지의 음극은 비교실시예 1로부터 제조된 전지의 음극보다 표면 안정성을 향상시키는 SEI 층의 조성 중 하나인 LixPOyFz의 피크 세기가 더 높은 것을 확인할 수 있었고(685.3 eV in F1s and 134.8 eV in P2p), 130.9 eV(P2p)와 101.9 eV(Si2p)에서 새로운 피크가 추가적으로 관찰되었다. 이때 상기 새로운 피크는 TMSP 전해질로부터 유래된 것이라 여겨진다. 이러한 XPS 분석을 통해 SEI 층 형성에 TMSP가 기여하고 있음을 알 수 있다.
However, it was confirmed that the negative electrode of the battery prepared from Example 3 had a higher peak intensity of LixPOyFz, which is one of the compositions of the SEI layer, which improved the surface stability than the negative electrode of the battery prepared from Comparative Example 1 (685.3 eV in Additional peaks were observed at F1s and 134.8 eV in P2p), 130.9 eV (P2p) and 101.9 eV (Si2p). The new peak is then believed to be derived from the TMSP electrolyte. This XPS analysis shows that TMSP contributes to SEI layer formation.
실험예 6. 매커니즘 분석Experimental Example 6. Mechanism Analysis
몇몇 반응 경로를 통해, TMSP와 친핵체(nucleophile)에서 반응을 계산해보았고, 이의 타당성을 제일원리계산을 통해 확인하였다. 즉 이러한 다양한 결과들의 조합으로, 가능한 반응식을 확인하여 도 16 및 도 17에 나타내었다. EC의 환원 조성에 의해 생성될 수 있는 알콕시 기능기(RO-) 중에서 CH3O- 작용기는, 계산의 단순화(simplicity)를 위해 친핵체(nucleiphile)로써 선택되었다.Through several reaction pathways, reactions were calculated in TMSP and nucleophiles, and their validity was confirmed by first principles calculation. That is, a combination of these various results, confirming the possible reaction scheme is shown in Figure 16 and 17. Among the alkoxy functional groups (RO-) that may be produced by the reducing composition of EC, the CH 3 O − functional groups were selected as nucleophiles for simplicity.
본 발명에서 TMSP와 상기 친핵체(nucleophile)(EC와 상기 nucleiphile 사이)의 반응을 살펴보면 다음과 같다. 일반적으로 친핵체에 의한 Li+-배위결합된 EC는 그래파이트 음극 표면에서 열린 환영(ring-opened) 선형 구조체 형성을 공격한다고 알려져있으나, 본원발명에서 계산된 바와 같이 TMSP는 Li+ 친화성이 EC 보다 높으므로, 도 16과 같이 나타낼 수 있다.Looking at the reaction of the TMSP and the nucleophile (between EC and the nucleiphile) in the present invention. In general, Li + -coordinated EC by nucleophiles is known to attack the formation of ring-opened linear structures on the graphite cathode surface, but as calculated in the present invention TMSP has a higher Li + affinity than EC, It may be represented as shown in FIG.
P-O 결합 및 O-Si 결합이 끊어짐(cleavages)을 통한 상기 CH3O-를 갖는 Li+-TMSP의 반응을 숙고하면, 도 17과 같이 나타낼 수 있는데, P-O 결합(-43.8 kcal/mol)과 O-Si 결합(-52.3 kcal/mol)이 끊어지는(cleavage) 과정에서, 상기 O-Si 결합이 끊어지는 반응이 더 발열반응(exoergic)이기 때문에, 쓰녜-Li+는 ((CH3)3SiO)2POLi 및 (CH3)3SiOCH3로 형성된다.Considering the reaction of Li + -TMSP with CH 3 O − through cleavage of PO bonds and O—Si bonds, it can be represented as shown in FIG. 17, wherein the PO bonds (-43.8 kcal / mol) and O— In the process of cleaving Si bonds (-52.3 kcal / mol), since the reaction of breaking the O-Si bonds is more exothermic, thru-Li + is ((CH 3 ) 3 SiO) 2 POLi and (CH 3 ) 3 SiOCH 3 .
상술한 과정이 CH3O-를 갖는 Li+-EC의 반응보다 ~10 kcal/mol 더 선호되며, EC-Li+와 CH3O- 반응에서 Li+가 EC와 공유결합되지 않았다면 TMSP의 반응이 더욱 선호되었을 것이다. 그렇다하더라도 TMSP와 EC가 동시에 첨가되면, 본 발명에 따른 TMSP가 그래파이트 음극 표면에서 친핵체에 의해 더 반응하기 때문에, 상기 NMR 및 XPS 결과에서와 같이 SEI 층에 TMSP가 다량 존재하게 되는 것이다.
The above-described process, CH 3 O - Li + -EC reaction than ~ 10 kcal / mol, and more preferred of having, EC-Li + and CH 3 O - Li + in the reaction if this is not combined with the EC share of TMSP reaction Would have been more preferred. Even so, when TMSP and EC are added at the same time, since the TMSP according to the present invention is further reacted by the nucleophile on the graphite cathode surface, the TMSP is present in the SEI layer in a large amount as in the NMR and XPS results.
결론conclusion
그래파이트 음극에서 TMSP의 영향은 화학적/전기화학적으로 고려하여 조사하였다. 전기화학적 반응에 의해 SEI층이 형성되는 것에 차이가 있었는데, 이는 화학식 1로 표시되는 화합물이 cathodic polarization 환경에서 더 안정적이기 때문이다. 반면, 전기화학적 반응에 의해 친핵성 라디칼 음이온 중간체가 유래되고, 이를 통해 화학식 1로 표시되는 화합물이 SEI 층에 존재하는 것을 확인하였다. NMR, XPS 및 제일원리계산 분석을 살펴본 결과, 화학식 1로 표시되는 화합물이 첨가제로 포함될 경우, 상기 화학식 1의 화합물이 SEI 층에 화학적으로 변경된 형태로 존재하고 있음을 다시금 확인할 수 있었다. 특히 3.0% TMSP를 포함하는 전해질을 적용한 전지에서는 초기 사이클에서 95.2% 쿨롱효율이 관찰되었고, 50회 사이클 후에는 96.8% 비용량 유지율(specific capacity retention)이 관찰되어다. The effect of TMSP on graphite cathode was investigated by considering chemical and electrochemical considerations. There was a difference in the formation of the SEI layer by the electrochemical reaction, because the compound represented by the formula (1) is more stable in the cathodic polarization environment. On the other hand, the nucleophilic radical anion intermediate is derived by the electrochemical reaction, and it was confirmed that the compound represented by
본 발명에서와 같이, 화학식 1로 표시되는 화합물이 전해질의 첨가제로 적용될 경우, 전지에서의 메커니즘을 근원적으로 이해하는 것은, 우수한 SEI 층 형성에 대한 새로운 통찰력 및 새로운 구성요소를 다시금 살펴볼 수 있도록 하였고, 이러한 관찰은 기존의 전해질 첨가제들에 대한 새로운 형태를 제시할 수 있었던 근거라 할 수 있다.
As in the present invention, when the compound represented by the formula (1) is applied as an additive in the electrolyte, the fundamental understanding of the mechanism in the cell, to re-examine the new insights and new components on the formation of excellent SEI layer, This observation is the basis for suggesting a new form of existing electrolyte additives.
Claims (7)
상기 음극은 그래파이트이며,
상기 리튬이온이차전지용 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 유기용매 및 리튬염을 포함하되, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 전체 중량을 기준으로 3 중량% 포함하며,
상기 유기용매는 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 에틸렌카보네이트(EC)가 2:1의 부피비로 혼합된 혼합물이며,
상기 음극 표면에는 상기 리튬이온이차전지용 전해질로부터 형성된 SEI층을 포함하되, 상기 SEI층은 X선 광전자 분광법(XPS) 분석에서, Fls 스펙트라에서 685.3 eV의 피크, P2p 스펙트라에서 134.8 eV 및 130.9 eV의 피크를, Si2p 스펙트라에서는 101.9 eV(Si2p) 피크가 존재하며,
상기 SEI층은 31P-NMR 분석에서 R-P(=O)-(OR)2(여기서, R은 SiCH3)의 피크가 검출된 것을 특징으로 하는 리튬이온이차전지.
[화학식 1]
It consists of a positive electrode, a negative electrode, a lithium ion secondary battery electrolyte and a separator,
The cathode is graphite,
The lithium ion secondary battery electrolyte includes a compound represented by the following formula (1), an organic solvent and a lithium salt, the compound represented by the formula (1) comprises 3% by weight based on the total weight,
The organic solvent is a mixture of ethyl methyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) in a volume ratio of 2: 1,
The negative electrode surface includes an SEI layer formed from the electrolyte for a lithium ion secondary battery, wherein the SEI layer is 685.3 eV peak in Fls spectra, 134.8 eV peak in P2p spectra, and 130.9 eV peak in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. In the Si2p spectra, there is a 101.9 eV (Si2p) peak,
The SEI layer is a lithium ion secondary battery, characterized in that the peak of RP (= O)-(OR) 2 (where R is SiCH 3 ) detected by 31 P-NMR analysis.
[Formula 1]
상기 리튬이온이차전지는 50 사이클 이후에도 비용량 유지율이 95 내지 99%인 것을 특징으로 하는 리튬이온이차전지.The method of claim 6,
The lithium ion secondary battery has a specific capacity retention of 95 to 99% even after 50 cycles.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020170131087A KR102017740B1 (en) | 2017-10-11 | 2017-10-11 | Efficient Electrolyte to Improve the Surface Stability of Graphite Anodes and lithium ion rechargeable battery including thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020170131087A KR102017740B1 (en) | 2017-10-11 | 2017-10-11 | Efficient Electrolyte to Improve the Surface Stability of Graphite Anodes and lithium ion rechargeable battery including thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20190040769A KR20190040769A (en) | 2019-04-19 |
KR102017740B1 true KR102017740B1 (en) | 2019-09-03 |
Family
ID=66283588
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020170131087A Active KR102017740B1 (en) | 2017-10-11 | 2017-10-11 | Efficient Electrolyte to Improve the Surface Stability of Graphite Anodes and lithium ion rechargeable battery including thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102017740B1 (en) |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4462012B2 (en) | 2004-08-18 | 2010-05-12 | ダイソー株式会社 | Electrolyte composition and battery |
KR20080061692A (en) * | 2006-12-28 | 2008-07-03 | 제일모직주식회사 | Non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary batteries containing trimethylsilyl phosphite and lithium secondary batteries comprising same |
KR20160049077A (en) * | 2014-10-24 | 2016-05-09 | 전자부품연구원 | Electrolyte comprising silyl phosphite material and lithium secondary battery having the same |
-
2017
- 2017-10-11 KR KR1020170131087A patent/KR102017740B1/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20190040769A (en) | 2019-04-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110612632B (en) | Non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing the same | |
US10193182B2 (en) | Non-aqueous electrolyte and lithium secondary battery comprising same | |
US9105943B2 (en) | Non-aqueous electrolyte lithium secondary battery | |
US9831523B2 (en) | Non-aqueous electrolyte and lithium secondary battery using the same | |
US9455470B2 (en) | Non-aqueous electrolyte and lithium secondary battery using the same | |
EP2736112A2 (en) | Nonaqueous electrolyte and lithium secondary battery using same | |
JP2012513666A (en) | Battery electrolyte solution containing aromatic phosphorus compound | |
US10873108B2 (en) | Lithium battery | |
KR102460957B1 (en) | Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same | |
KR102018756B1 (en) | Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same | |
US9325035B2 (en) | Non-aqueous electrolyte and lithium secondary battery using the same | |
KR20190030345A (en) | Pre-lithiation method of negative electrode for secondary battery | |
KR20150019259A (en) | Nonaqueous electrolyte and lithium secondary battery using the same | |
KR101997812B1 (en) | Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same | |
US12074271B2 (en) | Lithium secondary battery including electrolyte additive for lithium secondary battery | |
KR20190042992A (en) | Lithium Secondary Battery | |
WO2018224167A1 (en) | Lithium battery and use of triphenylphosphine oxide as an electrolyte additive therein | |
KR20200072723A (en) | lithium secondary battery | |
KR102017740B1 (en) | Efficient Electrolyte to Improve the Surface Stability of Graphite Anodes and lithium ion rechargeable battery including thereof | |
KR20230101255A (en) | Electrolyte solution for lithium secondary battery and Lithium secondary battery comprising the same | |
US20240170724A1 (en) | Electrolyte solution for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same | |
Choi | Bis (trimethylsilyl) phosphorofluoridate (BTSPFA) additive to improve the electrochemical performance of high capacity lithium-ion batteries | |
EP4456244A1 (en) | Non-aqueous electrolyte and lithium secondary battery comprising same | |
KR20230131632A (en) | Additive for Nonaqueous Electrolyte, Nonaqueous Electrolyte and Secondary Battery Comprising the Same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20171011 |
|
PA0201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20181018 Patent event code: PE09021S01D |
|
PG1501 | Laying open of application | ||
E90F | Notification of reason for final refusal | ||
PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Final Notice of Reason for Refusal Patent event date: 20190522 Patent event code: PE09021S02D |
|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20190823 |
|
GRNT | Written decision to grant | ||
PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20190828 Patent event code: PR07011E01D |
|
PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20190829 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
PG1601 | Publication of registration | ||
PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20220721 Start annual number: 4 End annual number: 4 |
|
PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20230801 Start annual number: 5 End annual number: 5 |
|
PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20240723 Start annual number: 6 End annual number: 6 |