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KR20150079078A - 실릴에테르를 함유한 리튬 이차전지용 비수 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

실릴에테르를 함유한 리튬 이차전지용 비수 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

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KR20150079078A
KR20150079078A KR1020130169065A KR20130169065A KR20150079078A KR 20150079078 A KR20150079078 A KR 20150079078A KR 1020130169065 A KR1020130169065 A KR 1020130169065A KR 20130169065 A KR20130169065 A KR 20130169065A KR 20150079078 A KR20150079078 A KR 20150079078A
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Abstract

본 발명은 실릴에테르를 함유한 리튬 이차전지용 비수 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 비수 전해액은 하기 화학식 1로 표현되는 실릴에테르 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
< 화학식 1 >
Figure pat00004

여기서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10 의 알킬기이거나 또는 아릴기다. 본 발명에 의하면 리튬염의 분해, 가스의 발생 및 전극의 용해를 방지하여 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

실릴에테르를 함유한 리튬 이차전지용 비수 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{NON-AQUEOUS ELECTROLYTE FOR LITHIUM ION BATTERY CONTAINING SILYL ETHER AND LITHIUM ION BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 실릴에테르를 함유한 리튬 이차전지용 비수 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가 전기자동차에까지 적용 분야가 확대되면서 전기화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 삽입 및 탈리되면서 충방전이 반복되는 전지로서, 산화환원 반응을 통해 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환시킬 수 있다.
전해액은 일반적으로 에틸렌카보네이트(Ethylene Carbonate), 디메틸카보네이트(DiMethylCarbonate) 등의 카보네이트계 유기용매를 전해액 용매로 사용하고, LiPF6, LiBF4 등의 리튬염을 전해질염으로 사용하여 제조되는데, LiPF6, LiBF4 등의 불소계 리튬염은 고용량 및 고전압을 얻는데 유리하다는 장점이 있으나, 수분에 매우 민감하게 반응하여 전지 성능 저하를 초래하는 문제가 있다. 즉 불소계 리튬염은 전지의 제조과정 중 또는 전지 내에 존재하는 수분과 반응하여 불산을 형성하여 다음과 같은 문제점을 초래할 수 있다.
일반적으로 치아전지의 초기 충전시 상기 카보네이트계 유기용매가 전해액 내의 리튬 이온과 반응하여 음극 표면상에 형성하는 SEI 막은, 리튬 이온만 통과시키고 분자량이 큰 전해질 용매가 음극에 코인터칼레이션 되는 것을 막아 음극 구조의 파괴를 방지하는 보호막으로서의 역할을 하고, SEI 막에 의해 전해액과 음극과의 접촉이 방지되어 전해액의 분해 및 가역성 리튬량의 감소를 최소화할 수 있다. 그러나, 이러한 SEI 막은 전지 내 존재하는 HX(X=F, Cl, Br, I)와 반응성이 강하여 쉽게 파괴될 수 있으며, 이로 인해 SEI 막의 계속적인 재생성이 유도되어 전지의 용량이 저하될 수 있다. 또한 SEI 막의 재생성 과정 중 카보네이트 유기용매의 분해로 인해 CO, CO2, CH4, C2H6 등의 기체가 발생함으로써 전지의 안정성 및 수명 특성이 저하될 수 있다.
한국공개특허공보 10-2008-0110404
본 발명은 리튬 이차전지의 안정성 및 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지용 전해액을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 화학식 1로 표현되는 실릴에테르 화합물을 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액일 수 있다:
<화학식 1>
Figure pat00001
여기서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10 의 알킬기이거나, 또는 아릴기다.
탄소수 1 내지 10 의 알킬기는, 일부 또는 전부가 할로겐으로 치환된 알킬기일 수 있다.
실릴에테르화합물은 4-(트리메틸실록시)-3-펜텐-2-온(4-(trimethylsiloxy)-3-penten-2-one), 4-(트리에틸실록시)-3-펜텐-2-온(4-(triethylsiloxy)-3-penten-2-one), 4-(트리프로필실록시)-3-펜텐-2-온(4-(tripropylsiloxy)-3-penten-2-one), 4-(트리부틸실록시)-3-펜텐-2-온(4-(tributylsiloxy)-3-penten-2-one)으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 측면의 비수 전해액은 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계 및 케톤계 유기 용매로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상을 포함하는비수성 유기 용매를 더 포함할 수 있다.
실릴에테르 화합물의 함량은 전해액 전체 중 0.1 내지 10 중량%일 수 있다.
본 측면의 비수 전해액은, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4 및 LiSO3CF3로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 리튬염을 더 포함할 수 있다.
전해액 중 리튬염의 농도는 0.8 내지 2.0 M 일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따라 리튬 이차전지의 전해액에 실릴에테르를 첨가하면, 실릴에테르 내에 존재하는 실리콘-산소 결합이 전해액 중의 수분 또는 불산과 반응하여 수분 또는 불산의 농도를 감소시킬 수 있어 열적 안정성 및 리튬 이온 전도성이 우수한 SEI 막이 형성될 수 있다. 또한 리튬염의 분해, 가스의 발생 및 전극의 용해를 방지하여 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
리튬 이차전지의 기본적으로 양극(캐소드), 음극(애노드) 및 전해액을 포함하는데, 전해액으로는 비수성 유기용매에 리튬염을 용해시켜 사용할 수 있다. 이러한 전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 기능을 수행한다. 충전 또는 방전시 전해액이 분해되어 가스가 발생하는 등으로 인하여 리튬 이차전지의 성능이 저하될 수 있는데, 이러한 성능 저하를 방지하기 위하여 전해액에 각종 첨가제를 첨가할 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 첨가제로서 화학식 1로 표현되는 실릴에테르(silyl ether) 화합물을 포함하는 리튬 이차전지용 비수(non-aqueous) 전해액일 수 있다.
< 화학식 1 >
Figure pat00002
여기서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10 의 알킬기이거나, 또는 아릴기다.
탄소수 1 내지 10 의 알킬기는, 일부 또는 전부가 할로겐으로 치환된 알킬기일 수 있다.
화학식 1로 표현되는 실릴에테르 화합물로는 4-(트리메틸실록시)-3-펜텐-2온(4-(trimethylsiloxy)-3-penten-2-one), 4-(트리에틸실록시)-3-펜텐-2-온(4-(triethylsiloxy)-3-penten-2-one), 4-(트리프로필실록시)-3-펜텐-2-온(4-(tripropylsiloxy)-3-penten-2-one), 4-(트리부틸실록시)-3-펜텐-2-온(4-(tributylsiloxy)-3-penten-2-one) 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
실릴에테르 화합물의 함량은, 전해액 전체 중0.1 내지 10 중량%일 수 있다. 실릴에테르 화합물의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 실릴에테르 화합물을 첨가함으로 인하여 발생하는 수명 특성 향상의 효과가 미미하고, 10 중량% 초과인 경우에는 전해액의 점도가 커서 전지의 성능이 오히려 저하될 수 있다.
본 측면의 전해액에는 비수성 유기 용매가 더 포함될 수 있으며, 이러한 비수성 유기 용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계 및 케톤계 유기 용매로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 프로필렌카보네이트(PC), 에틸렌카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 메틸프로필카보네이트(MPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 부티로락톤, 감마부티로락톤(GBL), 발레로락톤, 카프로락톤, 플루오르에틸렌카보네이트(FEC), 포름산메틸, 포름산에틸, 포름산프로필, 초산메틸, 초산에틸, 초산프로필, 초산펜틸, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, 프로피온산프로필, 프로피온산부틸 또는 이들의 할로겐 유도체 등을 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 측면의 전해액에는 리튬염이 더 포함될 수 있으며, 이러한 리튬염으로는 리튬 이차전지에 일반적으로 널리 사용되는 물질을 사용할 수 있다. 구체적으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4 및 LiSO3CF3 로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
전해액 중 리튬염의 농도는 0.8 내지 2.0 M 인 것이 바람직하다. 0.8 M 미만이면 리튬 이온의 농도가 낮아 전지의 성능이 저하될 수 있고, 2 M 초과시에는 전해액 의 점도가 커서 전지 내 이온전도도가 오히려 감소할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 전해액을 포함하는 리튬 이차전지일 수 있다. 리튬 이차전지의 양극 및 음극으로는 일반적으로 알려진 활물질을 사용하여 제조할 수 있다. 활물질과, 바인더, 및 도전제를 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하고, 슬러리를 알루미늄 등의 집전체에 도포한 후 건조 및 압착하여 양극 및 음극을 제조할 수 있다.
양극활물질로는 LiMxO2(M은 Co, Ni, Mn, Fe, Al, V, Ti등에 의해 일종 이상의 전이금속을 나타내고, x는 통상 0.05이상 1.10이하이다)인 리튬 복합산화물 등을 사용할 수 있다. 전이금속(M)으로는 Co, Ni, Mn 이 바람직하다. 구체적으로는 LiCoO2, LiNiO2, LiNiyCo1 -yO2(0〈y〈1), LiMn2O4 등을 사용할 수 있다. 또한, 양극활물지로 LixFe1 -yMyPO4(M은 Mn, Cr, V, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 Nb 중 1종 이상이고, x 는 0.05 내지 1.2이며,y는 0내지 0.8 이다)를 사용할 수 있으며, 구체적 예로 LiFePO4 를 사용할 수 있다. 그 외에도 TiS2, MoS2, NbSe2, V2O5 등의 금속유화물 혹은 금속 산화물도 양극활물지로 사용할 수도 있다.
음극활물질로는 천연 흑연, 인조 흑연, 탄소섬유, 코크스, 카본블랙, 활성탄, 리튬 금속이나 리튬 합금 등을 사용할 수 있다. 음극활물질, 바인더 및 도전제를 용매와 혼합하여 슬러리를 형성하고 이를 음극집전체에 도포한 후 건조 및 압착하여 음극을 제조할 수 있다.
바인더는 활물질과 도전제를 결착시켜서 집전체에 고정시키는 역할을 하며, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리프로필렌, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐알코올 등 리튬이온 이차전지에서 통상적으로 사용되는 것들을 사용할 수 있다.
도전제로는 인조 흑연, 천연 흑연, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 램프 블랙, 써멀 블랙, 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유, 산화 티탄 등의 도전성 금속산화물, 알루미늄, 니켈 등의 금속 분말 등이 사용될 수 있다.
또한 분리막을 포함할 수 있으며, 분리막은 양극과 음극 사이에 존재하는 다공성 막으로 두 전극간 전기적 단락을 방지하고 이온 전달의 통로로서 기능한다. 분리막으로는 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)과 같은 단일 올레핀이나올레핀의 복합체, 폴리아미드(PA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트(PEGA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐클로라이드(PVC) 등을 사용할 수 있다.
이하에서는 실시예 및 비교예를 들어 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
실시예
에틸렌카보네이트(Ethylene Carbonate), 에틸메틸카보네이트(EthylMethyl Carbonate) 및 디메틸카보네이트 (DiMethyl Carbonate)를 부피비로 20:40:40 로 혼합하여 유기용매를 마련하였다. 다음으로, 유기용매에 리튬염으로 LiPF6 을 용해하여 리튬염 농도가 1M 인 비수 전해액을 마련하였다. 다음으로 리튬염이 첨가된 전해액에 4-(트리메틸실록시)-3-펜텐-2-온(4-(trimethylsiloxy)-3-pentene-2-one)을 첨가하였다. 4-(트리메틸실록시)-3-펜텐-2-온의 함량은 전체 전해액 중 1.0중량%로 하였다.
양극으로 LiNi0 .5Co0 .2Mn0 .3O2을, 음극으로 인조 흑연을, 분리막으로다공성폴리에틸렌막을, 전해액으로는 상기 비수 전해액을 사용하여 코인셀을 제작하였다.
비교예
첨가제를 첨가하지 않은 전해액을 사용한 점을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법에 따라 코인셀을 제작하였다.
전지의 수명특성 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 코인셀을 25℃ 와 60℃에서 각각 4.2V, 1C-rate 의 정전압/정전류로 충전한 후, 1C-rate로 2.8V까지 정전류 방전을 100회, 50회 수행하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

첨가제의 함량(중량%) 수명특성(용량비율(%))
25℃, 100회 60℃, 50회
비교예 0 64.0 70.6
실시예 1 83.8 84.8
표 1에서, 용량 비율(%)은 1회 충방전시의 용량 대비 100회 또는 50회 충방전 후의 용량의 비율을 의미한다. 표 1을 참조하면, 실시예가 비교예보다 수명 시험 후 용량 비율이 현저하게 우수함을 보이고 있는데, 이로부터 전해액에 실릴에테르 첨가제를 첨가함으로써 전지의 수명 특성이 향상되었음을 확인할 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 화학식 1로 표현되는 실릴에테르 화합물을 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액:
    <화학식 1>
    Figure pat00003

    여기서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10 의 알킬기이거나, 또는 아릴기이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소수 1 내지 10 의 알킬기는, 일부 또는 전부가 할로겐으로 치환된 알킬기인 리튬 이차전지용 비수 전해액.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실릴에테르 화합물은 4-(트리메틸실록시)-3-펜텐-2온(4-(trimethylsiloxy)-3-penten-2-one), 4-(트리에틸실록시)-3-펜텐-2-온(4-(triethylsiloxy)-3-penten-2-one), 4-(트리프로필실록시)-3-펜텐-2-온(4-(tripropylsiloxy)-3-penten-2-one), 4-(트리부틸실록시)-3-펜텐-2-온(4-(tributylsiloxy)-3-penten-2-one) 으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
  4. 제1항에 있어서,
    비수성 유기 용매를 더 포함하되, 상기 비수성 유기 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계 및 케톤계 유기 용매로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실릴에테르 화합물의 함량은 전해액 전체 중 0.1 내지 10 중량%인 리튬 이차전지용 비수 전해액.
  6. 제1항에 있어서,
    리튬염을 더 포함하되, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4 및 LiSO3CF3로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 리튬 이차전지용 비수 전해액.
  7. 제6항에 있어서,
    전해액 중 리튬염의 농도는 0.8 내지 2.0 M 인 리튬 이차전지용 비수 전해액.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지.
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