JP7764586B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本出願は、2021年10月19日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10-2021-0139182号および2022年10月19日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10-2022-0134631号に基づく優先権の利益を主張し、その全ての内容は本明細書に組み込まれる。 This application claims the benefit of priority from Korean Patent Application No. 10-2021-0139182 filed with the Korean Intellectual Property Office on October 19, 2021, and Korean Patent Application No. 10-2022-0134631 filed with the Korean Intellectual Property Office on October 19, 2022, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
本発明は、特定の添加剤の組み合わせを含む電解液、および高ニッケル正極材を含むリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte containing a specific combination of additives and a lithium secondary battery containing a high-nickel positive electrode material.
リチウム二次電池は、一般に、リチウムを含有している遷移金属酸化物からなる正極活物質を含む正極と、リチウムイオンを貯蔵可能な負極活物質を含む負極との間にセパレータを介在して電極組立体を形成し、前記電極組立体を電池ケースに挿入した後、リチウムイオンを伝達する媒体となる非水電解液を注入してから密封する方法により製造される。 Lithium secondary batteries are generally manufactured by forming an electrode assembly by interposing a separator between a positive electrode containing a positive electrode active material made of a lithium-containing transition metal oxide and a negative electrode containing a negative electrode active material capable of storing lithium ions. The electrode assembly is then inserted into a battery case, which is then filled with a non-aqueous electrolyte solution that acts as a medium for transferring lithium ions, and sealed.
リチウム二次電池は、小型化が可能であり、エネルギー密度および使用電圧が高いため、モバイル機器、電子製品、電気自動車などの多様な分野に適用されている。リチウム二次電池の適用分野が多様化するに伴い、求められる物性条件も益々高くなっており、特に、高温条件でも安定して駆動されることができるリチウム二次電池の開発が求められている。 Lithium secondary batteries can be miniaturized and have high energy density and operating voltage, making them applicable in a variety of fields, including mobile devices, electronic products, and electric vehicles. As the range of applications for lithium secondary batteries becomes more diverse, the required physical properties are also becoming more stringent. In particular, there is a demand for the development of lithium secondary batteries that can operate stably even under high-temperature conditions.
一方、高温条件でリチウム二次電池が駆動される場合、電解液に含まれているLiPF6などのリチウム塩からPF6 -アニオンが熱分解され、PF5などのルイス酸を発生させることがあり、これは、水分と反応してHFを生成させる。かかるPF5、HFなどの分解産物は、電極の表面に形成されている被膜を破壊する恐れがあるだけでなく、有機溶媒の分解反応を起こす恐れがある。 On the other hand, when a lithium secondary battery is operated under high temperature conditions, PF 6 - anions from lithium salts such as LiPF 6 contained in the electrolyte may be thermally decomposed to generate Lewis acids such as PF 5 , which react with moisture to generate HF. Such decomposition products such as PF 5 and HF may not only destroy the coating formed on the surface of the electrode, but may also cause decomposition reactions of organic solvents.
また、電解液分解産物が正極活物質の分解産物と反応して遷移金属イオンを溶出させ、溶出された遷移金属イオンが負極に電着されて、負極の表面に形成されている被膜を破壊する恐れがあるため、電池の性能がさらに低下する恐れがある。 In addition, the decomposition products of the electrolyte react with the decomposition products of the positive electrode active material, eluting transition metal ions. These eluted transition metal ions may then be electrodeposited on the negative electrode, destroying the coating formed on the surface of the negative electrode, further reducing battery performance.
特に、高容量の電池を実現するために、正極活物質中のニッケルの含量を増加させる場合、初期容量特性は改善されるが、充放電が繰り返されると、反応性の高いNi4+イオンが多量発生して正極活物質の構造が崩壊し、これにより、電池の劣化速度が激しくなるという問題がある。 In particular, when the nickel content in the positive electrode active material is increased to realize a high-capacity battery, the initial capacity characteristics are improved, but repeated charge and discharge cycles result in the generation of a large amount of highly reactive Ni 4+ ions, which causes the structure of the positive electrode active material to collapse, resulting in a problem of accelerating the rate of battery degradation.
したがって、高ニッケル正極材を含み、且つ高温条件でも優れた性能を維持することができる二次電池の開発が求められている。 Therefore, there is a need to develop secondary batteries that contain high-nickel positive electrode materials and can maintain excellent performance even under high-temperature conditions.
本発明は、上記のような問題を解決するためのものであって、2種の特定の添加剤の組み合わせを含む非水電解液を導入することで、高温性能が向上した高ニッケル正極活物質を含むリチウム二次電池を提供することを課題とする。 The present invention aims to solve the problems described above by providing a lithium secondary battery containing a high-nickel positive electrode active material with improved high-temperature performance by incorporating a nonaqueous electrolyte solution containing a combination of two specific additives.
一実施形態によると、本発明は、
リチウム塩、有機溶媒、下記化学式1で表される第1添加剤、および下記化学式2で表される第2添加剤を含む非水電解液と、
遷移金属の全含量中のニッケルの含量が70モル%以上であるリチウム複合遷移金属酸化物を含む正極活物質を含む正極と、
負極活物質を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータと、を含むリチウム二次電池を提供する。
According to one embodiment, the present invention comprises:
a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt, an organic solvent, a first additive represented by the following chemical formula 1, and a second additive represented by the following chemical formula 2;
a positive electrode including a positive electrode active material including a lithium transition metal composite oxide in which the content of nickel in the total content of transition metals is 70 mol % or more;
a negative electrode including a negative electrode active material;
and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
前記化学式1中、
R1およびR2は、それぞれ独立して、直接結合;または炭素数1~5のアルキレン基であり、
Aは、-NR3R4、炭素数3~5の含窒素ヘテロ環基、または炭素数3~5の含窒素ヘテロアリール基であり、
前記R3およびR4は、それぞれ独立して、炭素数1~5のアルキル基であり、
R5は、炭素数1~3のアルキレン基である。
In the above Chemical Formula 1,
R1 and R2 each independently represent a direct bond; or an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms;
A is —NR3R4, a nitrogen-containing heterocyclic group having 3 to 5 carbon atoms, or a nitrogen-containing heteroaryl group having 3 to 5 carbon atoms;
R3 and R4 each independently represent an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms,
R5 is an alkylene group having 1 to 3 carbon atoms.
本発明に係るリチウム二次電池は、高ニッケル(High-Ni)正極活物質を含み、且つ特定の添加剤の組み合わせを含む電解液を含むことで、優れた高温安定性を示すことができる。 The lithium secondary battery according to the present invention contains a high-nickel (High-Ni) positive electrode active material and an electrolyte containing a specific combination of additives, thereby exhibiting excellent high-temperature stability.
以下、本発明をより詳細に説明する。 The present invention is described in more detail below.
一般に、リチウム二次電池用電解液に広く用いられるLiPF6などのリチウム塩に含まれているアニオンは、熱分解または水分などにより、フッ化水素(HF)とPF5のような分解産物を形成することになる。かかる分解産物は酸(acid)の性質を有しており、電池内で被膜もしくは電極の表面を劣化させる。 Generally, anions contained in lithium salts such as LiPF6, which are widely used in electrolytes for lithium secondary batteries, form decomposition products such as hydrogen fluoride (HF) and PF5 due to thermal decomposition or moisture. These decomposition products have acid properties and deteriorate the coating or electrode surface in the battery.
電解液の分解産物と、繰り返される充放電による正極の構造変化などにより、正極中の遷移金属が電解液の内部に溶出されやすく、溶出された遷移金属は正極にさらに再蒸着(Re-deposition)して正極の抵抗を増加させる。さらに、溶出された遷移金属が電解液を介して負極に移動する場合、負極に電着され、SEI(solid electrolyte interphase)膜の破壊、およびさらなる電解質分解反応の原因となり、これにより、リチウムイオンの消費および抵抗が増加するなどの問題が発生する。 Transition metals in the positive electrode are easily eluted into the electrolyte due to decomposition products of the electrolyte and structural changes in the positive electrode caused by repeated charging and discharging. The eluted transition metals are then redeposited on the positive electrode, increasing the resistance of the positive electrode. Furthermore, if the eluted transition metals migrate to the negative electrode via the electrolyte, they are electrodeposited on the negative electrode, causing destruction of the solid electrolyte interphase (SEI) film and further electrolyte decomposition reactions, resulting in problems such as increased lithium ion consumption and resistance.
また、電池の初期活性化時に、電解液反応により正極および負極に保護被膜が形成されるが、被膜が上記の理由から不安定になる場合、充放電もしくは高温露出時にさらなる電解液の分解が起こり、電池の劣化を促進し、ガスを発生させる。 Furthermore, during initial activation of the battery, a protective coating is formed on the positive and negative electrodes due to electrolyte reactions. However, if the coating becomes unstable for the reasons mentioned above, further decomposition of the electrolyte occurs during charging/discharging or exposure to high temperatures, accelerating battery degradation and generating gas.
特に、ニッケルの含量が高い正極活物質を含む電池は、初期容量特性は改善されるが、充放電が繰り返される場合、副反応によりリチウム副産物およびガス発生量が増加し、電解液の分解反応が深化する恐れがある。 In particular, batteries containing positive electrode active materials with a high nickel content have improved initial capacity characteristics, but repeated charging and discharging can lead to increased lithium by-products and gas generation due to side reactions, which can worsen the decomposition reaction of the electrolyte.
かかる問題を解決するために、本発明者らは、下記化学式1で表される第1添加剤、および前記第1添加剤に比べて高い電位で還元反応が起こる第2添加剤を非水電解液に含ませ、これにより、初期充電時に第2添加剤が先に被膜を形成することで、第1添加剤のガス低減効果が極大化されるようにした。また、第2添加剤は、PF5と結合してHFの生成を抑えることにより、第1添加剤により正極の表面に形成されるCEI(cathode electrolyte interphase)膜の破壊を防止し、第1添加剤の効果を極大化することができ、さらなる電解質分解反応を抑えることができる。 To solve this problem, the inventors added a first additive represented by the following Chemical Formula 1 and a second additive that undergoes a reduction reaction at a higher potential than the first additive to a non-aqueous electrolyte solution, thereby allowing the second additive to form a film first during initial charging, maximizing the gas reduction effect of the first additive. Furthermore, the second additive binds with PF5 to suppress the generation of HF, thereby preventing destruction of the cathode electrolyte interphase (CEI) film formed on the surface of the positive electrode by the first additive, thereby maximizing the effect of the first additive and suppressing further electrolyte decomposition reactions.
以下では、本発明をなす各構成についてより詳細に説明する。 The following describes each component of the present invention in more detail.
非水電解液
本発明に係るリチウム二次電池は、リチウム塩、有機溶媒、下記化学式1で表される第1添加剤、および下記化学式2で表される第2添加剤を含む非水電解液を含む。
Nonaqueous Electrolyte The lithium secondary battery according to the present invention includes a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt, an organic solvent, a first additive represented by the following Chemical Formula 1, and a second additive represented by the following Chemical Formula 2.
以下で、非水電解液の各成分を具体的に説明する。 The components of the non-aqueous electrolyte are explained in detail below.
(1)第1添加剤および第2添加剤
本発明の非水電解液は、下記化学式1で表される第1添加剤を含む。
(1) First Additive and Second Additive The nonaqueous electrolyte solution of the present invention contains a first additive represented by the following chemical formula 1.
前記化学式1中、
R1およびR2は、それぞれ独立して、直接結合;または炭素数1~5のアルキレン基である。
In the above Chemical Formula 1,
R1 and R2 each independently represent a direct bond; or an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms.
前記化学式1で表される第1添加剤は、コハク酸無水物(succinic anhydride)を含む構造により、初期充電時には負極に被膜を形成することになり、後には高電位状態の正極の表面で分解されながら被膜を形成することができる特性を有するため、電池のガス発生量を低減するのに効果的である。 The first additive represented by Chemical Formula 1 has a structure containing succinic anhydride, which allows it to form a film on the negative electrode during initial charging and later decomposes on the surface of the positive electrode at high potential, forming a film thereon. This makes it effective in reducing the amount of gas generated by the battery.
本発明の一実施態様において、前記化学式1のR1およびR2は、それぞれ独立して、直接結合;または炭素数1~5の直鎖状または分岐状のアルキレン基であってもよい。 In one embodiment of the present invention, R1 and R2 in Chemical Formula 1 may each independently represent a direct bond; or a linear or branched alkylene group having 1 to 5 carbon atoms.
本発明の一実施態様において、前記化学式1のR1およびR2は、それぞれ独立して、直接結合;または炭素数1~5の直鎖状のアルキレン基であってもよい。 In one embodiment of the present invention, R1 and R2 in Chemical Formula 1 may each independently represent a direct bond or a linear alkylene group having 1 to 5 carbon atoms.
本発明の一実施態様において、前記化学式1のR1およびR2は、それぞれ独立して、直接結合;またはメチレン基であってもよい。 In one embodiment of the present invention, R1 and R2 in Chemical Formula 1 may each independently represent a direct bond or a methylene group.
本発明の一実施態様において、前記化学式1のR1は直接結合であり、R2は炭素数1~5のアルキレン基であってもよい。 In one embodiment of the present invention, R1 in Chemical Formula 1 may be a direct bond, and R2 may be an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms.
本発明の一実施態様において、前記化学式1のR1は直接結合であり、R2はメチレン基であってもよい。 In one embodiment of the present invention, R1 in Chemical Formula 1 may be a direct bond and R2 may be a methylene group.
本発明の一実施態様において、前記第1添加剤は、下記化学式1Aで表されるものであってもよい。 In one embodiment of the present invention, the first additive may be represented by the following chemical formula 1A:
本発明の一実施態様において、前記第1添加剤の含量は、前記非水電解液の全重量を基準として、0.01重量%~5重量%、好ましくは0.5重量%~3重量%、より好ましくは1.5重量%~2.5重量%であってもよい。第1添加剤の含量が5重量%以下であるものが、電池の駆動時に発生するガスを低減し、且つ電池抵抗の増加を最小化することができる点から好ましい。 In one embodiment of the present invention, the content of the first additive may be 0.01 wt % to 5 wt %, preferably 0.5 wt % to 3 wt %, and more preferably 1.5 wt % to 2.5 wt %, based on the total weight of the non-aqueous electrolyte. A content of the first additive of 5 wt % or less is preferred because it reduces gas generation during battery operation and minimizes an increase in battery resistance.
本発明の非水電解液は、下記化学式2で表される第2添加剤を含む。 The nonaqueous electrolyte of the present invention contains a second additive represented by the following chemical formula 2:
前記化学式2中、
Aは、-NR3R4、炭素数3~5の含窒素ヘテロ環基、または炭素数3~5の含窒素ヘテロアリール基であり、
前記R3およびR4は、それぞれ独立して、炭素数1~5のアルキル基であり、
R5は、炭素数1~3のアルキレン基である。
In the above Chemical Formula 2,
A is —NR3R4, a nitrogen-containing heterocyclic group having 3 to 5 carbon atoms, or a nitrogen-containing heteroaryl group having 3 to 5 carbon atoms;
R3 and R4 each independently represent an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms,
R5 is an alkylene group having 1 to 3 carbon atoms.
前記化学式2で表される第2添加剤は、プロパルギル(Propargyl)官能基を含むため、かかる官能基が還元分解されながら、負極の表面に不動態能の高いSEI膜を形成し、負極自体の高温耐久性を改善するだけでなく、負極の表面における遷移金属の電着を防止することができる。また、前記プロパルギル基により、正極に含まれている金属性不純物の表面に吸着され、不純物が溶出しにくくする機能を果たすことができ、これにより、溶出された金属イオンが負極上に析出されて発生し得る内部短絡を抑えることができる。 The second additive represented by Chemical Formula 2 contains a propargyl functional group, which undergoes reductive decomposition to form a highly passivating SEI film on the surface of the negative electrode, improving the high-temperature durability of the negative electrode itself and preventing electrodeposition of transition metals on the negative electrode surface. Furthermore, the propargyl group adsorbs to the surface of metallic impurities contained in the positive electrode, making the impurities less likely to dissolve. This prevents internal short circuits that can occur when dissolved metal ions are deposited on the negative electrode.
さらに、第2添加剤は、前記第1添加剤に比べて、負極で還元反応が起こる電位がより高いため、初期充電時に、負極上への被膜の形成に第2添加剤が先に消費される。これにより、初期充電時に還元されていない第1添加剤が多量に残ることとなり、後で高電位の正極表面で第1添加剤が酸化分解し、正極の表面に被膜を形成して正極と電解質の副反応を抑えることで、ガス低減効果を極大化する。 Furthermore, since the second additive has a higher potential at which a reduction reaction occurs at the negative electrode than the first additive, the second additive is consumed first to form a film on the negative electrode during initial charging. As a result, a large amount of the first additive remains unreduced during initial charging. Later, the first additive is oxidized and decomposed on the high-potential positive electrode surface, forming a film on the surface of the positive electrode and suppressing side reactions between the positive electrode and electrolyte, thereby maximizing the gas reduction effect.
具体的に、前記第1添加剤の還元電位は1.1V~1.3Vであり、前記第2添加剤の還元電位は1.5V~1.7Vであってもよい。本発明において、還元電位は還元分解電位であり、下記実験例1に記載の方法により測定された値を意味する。 Specifically, the reduction potential of the first additive may be 1.1 V to 1.3 V, and the reduction potential of the second additive may be 1.5 V to 1.7 V. In the present invention, the reduction potential refers to the reduction decomposition potential, and refers to the value measured by the method described in Experimental Example 1 below.
本発明の一実施態様において、前記第2添加剤は、下記化学式2-1または化学式2-2で表されるものであってもよい。 In one embodiment of the present invention, the second additive may be represented by the following chemical formula 2-1 or 2-2.
前記化学式2-1および2-2中、
R3~R5は、前記化学式2での定義のとおりである。
In the chemical formulas 2-1 and 2-2,
R3 to R5 are as defined in Chemical Formula 2 above.
本発明の一実施態様において、前記化学式2のAは、炭素数3~5の含窒素ヘテロアリール基であってもよく、好ましくは、前記第2添加剤は、前記化学式2-2で表されるものであってもよい。 In one embodiment of the present invention, A in Chemical Formula 2 may be a nitrogen-containing heteroaryl group having 3 to 5 carbon atoms, and preferably, the second additive may be represented by Chemical Formula 2-2.
本発明の一実施態様において、前記化学式2のR5は、炭素数1~3の直鎖状または分岐状のアルキレン基であってもよく、好ましくは、炭素数1~3の直鎖状のアルキレン基、より好ましくはメチレン基であってもよい。 In one embodiment of the present invention, R5 in Chemical Formula 2 may be a linear or branched alkylene group having 1 to 3 carbon atoms, preferably a linear alkylene group having 1 to 3 carbon atoms, and more preferably a methylene group.
本発明の一実施態様において、前記第2添加剤は、下記化学式2Aで表されるものであってもよい。 In one embodiment of the present invention, the second additive may be represented by the following chemical formula 2A:
本発明の一実施態様において、前記第2添加剤の含量は、前記非水電解液の全重量を基準として、0.01重量%~5重量%、好ましくは0.5重量%~3重量%、より好ましくは1.5重量%~2.5重量%であってもよい。第2添加剤の含量が5重量%以下であることが、負極に被膜を形成するとともに、電池の抵抗増加を最小化できる点から好ましい。 In one embodiment of the present invention, the content of the second additive may be 0.01 wt % to 5 wt %, preferably 0.5 wt % to 3 wt %, and more preferably 1.5 wt % to 2.5 wt %, based on the total weight of the non-aqueous electrolyte. A content of the second additive of 5 wt % or less is preferred because it allows a coating to be formed on the negative electrode and minimizes an increase in battery resistance.
また、前記非水電解液の全重量を基準として、前記第1添加剤および第2添加剤の含量は、それぞれ1重量%以上、好ましくは1.5重量%以上、最も好ましくは2.0重量%以上であってもよい。この場合、ガスの発生量を低減するとともに、電圧降下現象を緩和することができる。但し、電池の抵抗増加を防止する点から、前記第1添加剤および第2添加剤の含量がそれぞれ5重量%以下であることが好ましい。 Furthermore, based on the total weight of the non-aqueous electrolyte, the contents of the first additive and the second additive may each be 1 wt % or more, preferably 1.5 wt % or more, and most preferably 2.0 wt % or more. In this case, the amount of gas generated can be reduced and the voltage drop phenomenon can be alleviated. However, in order to prevent an increase in battery resistance, it is preferable that the contents of the first additive and the second additive each be 5 wt % or less.
本発明の一実施態様において、前記非水電解液中の第1添加剤および第2添加剤の重量比は、1:2~2:1、好ましくは1:1~2:1であってもよい。 In one embodiment of the present invention, the weight ratio of the first additive to the second additive in the non-aqueous electrolyte may be 1:2 to 2:1, preferably 1:1 to 2:1.
(2)第3添加剤
本発明の非水電解液は、高電圧環境で電解液が分解されて電極の崩壊が引き起こされることを防止するか、低温高率放電特性、高温安定性、過充電防止、高温での電池膨張抑制の効果などをさらに向上させるために、必要に応じて、第3添加剤をさらに含んでもよい。
(2) Third Additive The nonaqueous electrolyte solution of the present invention may further contain a third additive as needed to prevent the electrolyte solution from being decomposed in a high-voltage environment, which may cause electrode collapse, or to further improve low-temperature high-rate discharge characteristics, high-temperature stability, overcharge prevention, and the effects of suppressing battery expansion at high temperatures.
前記第3添加剤は、環状カーボネート系化合物、ハロゲン置換のカーボネート系化合物、スルトン系化合物、サルフェート系化合物、ホスフェート系またはホスファイト系化合物、ニトリル系化合物、アミン系化合物、シラン系化合物、ベンゼン系化合物、およびリチウム塩系化合物から選択される1種以上であってもよい。 The third additive may be one or more compounds selected from cyclic carbonate compounds, halogen-substituted carbonate compounds, sultone compounds, sulfate compounds, phosphate or phosphite compounds, nitrile compounds, amine compounds, silane compounds, benzene compounds, and lithium salt compounds.
前記環状カーボネート系化合物は、ビニレンカーボネート(VC)およびビニルエチレンカーボネート(VEC)から選択される1種以上であってもよく、具体的に、ビニレンカーボネートであってもよい。 The cyclic carbonate compound may be one or more compounds selected from vinylene carbonate (VC) and vinyl ethylene carbonate (VEC), and specifically may be vinylene carbonate.
前記ハロゲン置換のカーボネート系化合物は、フルオロエチレンカーボネート(FEC)であってもよい。 The halogen-substituted carbonate compound may be fluoroethylene carbonate (FEC).
前記スルトン系化合物は、負極の表面で還元反応による安定なSEI膜を形成することができる物質であって、1,3-プロパンスルトン(PS)、1,4-ブタンスルトン、エテンスルトン、1,3-プロペンスルトン(PRS)、1,4-ブテンスルトン、および1-メチル-1,3-プロペンスルトンから選択される1種以上の化合物であってもよく、具体的に、1,3-プロパンスルトン(PS)であってもよい。 The sultone-based compound is a material capable of forming a stable SEI film on the surface of the negative electrode through a reduction reaction, and may be one or more compounds selected from 1,3-propane sultone (PS), 1,4-butane sultone, ethene sultone, 1,3-propene sultone (PRS), 1,4-butene sultone, and 1-methyl-1,3-propene sultone, and specifically 1,3-propane sultone (PS).
前記サルフェート系化合物は、負極の表面で電気的に分解され、高温貯蔵時にもクラックが生じない安定なSEI膜を形成することができる物質であって、エチレンサルフェート(Ethylene Sulfate;Esa)、トリメチレンサルフェート(Trimethylene sulfate;TMS)、またはメチルトリメチレンサルフェート(Methyl trimethylene sulfate;MTMS)から選択される1種以上であってもよい。 The sulfate-based compound is a material that can be electrically decomposed on the surface of the negative electrode to form a stable SEI film that does not crack even when stored at high temperatures, and may be one or more selected from ethylene sulfate (Esa), trimethylene sulfate (TMS), and methyl trimethylene sulfate (MTMS).
前記ホスフェート系またはホスファイト系化合物は、リチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート、リチウムジフルオロホスフェート、トリス(トリメチルシリル)ホスフェート、トリス(トリメチルシリル)ホスファイト、トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)ホスフェート、およびトリス(トリフルオロエチル)ホスファイトから選択される1種以上であってもよい。 The phosphate or phosphite compound may be one or more selected from lithium difluoro(bisoxalato)phosphate, lithium difluorophosphate, tris(trimethylsilyl)phosphate, tris(trimethylsilyl)phosphite, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphate, and tris(trifluoroethyl)phosphite.
前記ニトリル系化合物は、スクシノニトリル(SN)、アジポニトリル(ADN)、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、カプリロニトリル、ヘプタンニトリル、シクロペンタンカルボニトリル、シクロヘキサンカルボニトリル、2-フルオロベンゾニトリル、4-フルオロベンゾニトリル、ジフルオロベンゾニトリル、トリフルオロベンゾニトリル、フェニルアセトニトリル、2-フルオロフェニルアセトニトリル、4-フルオロフェニルアセトニトリル、エチレングリコールビス(2-シアノエチル)エーテル(ASA3)、1,3,6-ヘキサントリカルボニトリル(HTCN)、1,4-ジシアノ2-ブテン(DCB)、および1,2,3-トリス(2-シアノエチル)プロパン(TCEP)から選択される1種以上であってもよい。 The nitrile compound may be one or more selected from succinonitrile (SN), adiponitrile (ADN), acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, valeronitrile, caprylonitrile, heptanenitrile, cyclopentanecarbonitrile, cyclohexanecarbonitrile, 2-fluorobenzonitrile, 4-fluorobenzonitrile, difluorobenzonitrile, trifluorobenzonitrile, phenylacetonitrile, 2-fluorophenylacetonitrile, 4-fluorophenylacetonitrile, ethylene glycol bis(2-cyanoethyl)ether (ASA3), 1,3,6-hexanetricarbonitrile (HTCN), 1,4-dicyano-2-butene (DCB), and 1,2,3-tris(2-cyanoethyl)propane (TCEP).
前記アミン系化合物は、トリエタノールアミンおよびエチレンジアミンから選択される1種以上であってもよく、前記シラン系化合物はテトラビニルシランであってもよい。 The amine compound may be one or more selected from triethanolamine and ethylenediamine, and the silane compound may be tetravinylsilane.
前記ベンゼン系化合物は、モノフルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、トリフルオロベンゼン、およびテトラフルオロベンゼンから選択される1種以上であってもよい。 The benzene-based compound may be one or more selected from monofluorobenzene, difluorobenzene, trifluorobenzene, and tetrafluorobenzene.
前記リチウム塩系化合物は、非水電解液に含まれるリチウム塩と異なる化合物であり、リチウムジフルオロホスフェート(LiDFP;LiPO2F2)、リチウムビスオキサレートボレート(LiBOB;LiB(C2O4)2)、リチウムテトラフルオロボレート(LiBF4)、リチウムテトラフェニルボレート、およびリチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート(LiDFOP)から選択される1種以上の化合物であってもよい。 The lithium salt-based compound is a compound different from the lithium salt contained in the non-aqueous electrolyte, and may be one or more compounds selected from lithium difluorophosphate (LiDFP; LiPO 2 F 2 ), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB; LiB(C 2 O 4 ) 2 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium tetraphenylborate, and lithium difluoro(bis(oxalato)phosphate) (LiDFOP).
好ましくは、本発明の一実施態様に係る非水電解液は、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、1,3-プロパンスルトン(PS)、1,3-プロペンスルトン(PRS)、エチレンサルフェート(ESa)、スクシノニトリル(SN)、アジポニトリル(ADN)、エチレングリコールビス(2-シアノエチル)エーテル(ASA3)、1,3,6-ヘキサントリカルボニトリル(HTCN)、1,4-ジシアノ2-ブテン(DCB)、1,2,3-トリス(2-シアノエチル)プロパン(TCEP)、リチウムジフルオロオキサレートボレート(LiODFB)、リチウムテトラフルオロボレート(LiBF4)、リチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート(LiDFOP)、およびリチウムジフルオロホスフェート(LiDFP)から選択される1種以上の第3添加剤をさらに含んでもよい。 Preferably, the non-aqueous electrolyte according to one embodiment of the present invention may further include one or more third additives selected from vinylene carbonate (VC), vinylethylene carbonate (VEC), fluoroethylene carbonate (FEC), 1,3-propane sultone (PS), 1,3-propene sultone (PRS), ethylene sulfate (ESa), succinonitrile (SN), adiponitrile (ADN), ethylene glycol bis(2-cyanoethyl)ether (ASA3), 1,3,6-hexanetricarbonitrile (HTCN), 1,4-dicyano-2-butene (DCB), 1,2,3-tris(2-cyanoethyl)propane (TCEP), lithium difluorooxalatoborate (LiODFB), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium difluoro(bisoxalato)phosphate (LiDFOP), and lithium difluorophosphate (LiDFP).
より好ましくは、本発明の一実施態様に係る非水電解液は、ビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、1,3-プロパンスルトン(PS)、エチレンサルフェート(ESa)、スクシノニトリル(SN)、リチウムテトラフルオロボレート(LiBF4)、リチウムジフルオロオキサレートボレート(LiDFOB)、およびリチウムジフルオロホスフェート(LiDFP)から選択される1種以上の第3添加剤をさらに含んでもよい。この場合、前記第1添加剤および第2添加剤による被膜形成効果に加えて、負極および正極に緻密な被膜を形成することで、イオン伝達特性およびサイクル性能の改善、および高温での副反応を抑えるシナジー効果がある。 More preferably, the nonaqueous electrolyte according to one embodiment of the present invention may further contain one or more third additives selected from vinylene carbonate (VC), fluoroethylene carbonate (FEC), 1,3-propane sultone (PS), ethylene sulfate (ESa), succinonitrile (SN), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium difluorooxalatoborate (LiDFOB), and lithium difluorophosphate (LiDFP). In this case, in addition to the film-forming effect of the first and second additives, the formation of dense films on the negative and positive electrodes produces a synergistic effect of improving ion transport characteristics and cycle performance and suppressing side reactions at high temperatures.
一方、前記第3添加剤の含量は、前記非水電解液の全重量を基準として、0.1重量%~10重量%であってもよく、好ましくは、0.2重量%~2重量%であってもよい。前記第3添加剤の含量が上記の範囲である場合、正極および負極への緻密な被膜形成による副反応抑制、および電池の長期寿命耐久性の増大効果が得られる。 Meanwhile, the content of the third additive may be 0.1 wt % to 10 wt % based on the total weight of the non-aqueous electrolyte solution, and preferably 0.2 wt % to 2 wt %. When the content of the third additive is within the above range, it is possible to suppress side reactions by forming a dense coating on the positive and negative electrodes, and to increase the long-term life and durability of the battery.
(3)有機溶媒
本発明の非水電解液は、有機溶媒を含む。
(3) Organic Solvent The nonaqueous electrolyte solution of the present invention contains an organic solvent.
前記有機溶媒としては、リチウム電解質に通常用いられる種々の有機溶媒が制限されずに使用できる。例えば、前記有機溶媒は、環状カーボネート系溶媒、直鎖状カーボネート系溶媒、直鎖状エステル系溶媒、環状エステル系溶媒、ニトリル系溶媒、またはこれらの混合物であってもよく、好ましくは、環状カーボネート系溶媒および直鎖状カーボネート系溶媒の混合物を含んでもよい。 The organic solvent can be any of the various organic solvents commonly used in lithium electrolytes, without limitation. For example, the organic solvent may be a cyclic carbonate solvent, a linear carbonate solvent, a linear ester solvent, a cyclic ester solvent, a nitrile solvent, or a mixture thereof. Preferably, the organic solvent may include a mixture of a cyclic carbonate solvent and a linear carbonate solvent.
前記環状カーボネート系溶媒は、高粘度の有機溶媒であって、誘電率が高いため電解質中のリチウム塩を解離させやすく、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、1,2-ペンチレンカーボネート、2,3-ペンチレンカーボネート、およびビニレンカーボネートからなる群から選択される1種以上であってもよく、好ましくは、エチレンカーボネート(EC)またはプロピレンカーボネート(PC)を含んでもよい。 The cyclic carbonate solvent is a highly viscous organic solvent that has a high dielectric constant and therefore easily dissociates the lithium salt in the electrolyte. It may be one or more solvents selected from the group consisting of ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, and vinylene carbonate, and preferably contains ethylene carbonate (EC) or propylene carbonate (PC).
また、前記直鎖状カーボネート系溶媒は、低粘度および低誘電率を有する有機溶媒であって、ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate、DMC)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate、DEC)、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート、およびエチルプロピルカーボネートからなる群から選択される1種以上であってもよく、好ましくは、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、またはジエチルカーボネート(DEC)を含んでもよい。 The linear carbonate solvent is an organic solvent having low viscosity and low dielectric constant, and may be one or more selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate, and ethyl propyl carbonate, and preferably includes ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), or diethyl carbonate (DEC).
前記有機溶媒は、高いイオン伝導率を有する電解液を製造するために、環状カーボネート系溶媒と直鎖状カーボネート系溶媒の混合物を用いることが好ましい。 In order to produce an electrolyte solution with high ionic conductivity, it is preferable to use a mixture of a cyclic carbonate solvent and a linear carbonate solvent as the organic solvent.
前記直鎖状エステル系溶媒は、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、プロピルプロピオネート、およびブチルプロピオネートから選択される1種以上であってもよく、好ましくは、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、またはプロピルプロピオネートであってもよい。 The linear ester solvent may be one or more selected from methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, and butyl propionate, and preferably methyl propionate, ethyl propionate, or propyl propionate.
前記環状エステル系溶媒は、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、γ-カプロラクトン、σ-バレロラクトン、およびε-カプロラクトンから選択される1種以上であってもよい。 The cyclic ester solvent may be one or more selected from gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, gamma-caprolactone, sigma-valerolactone, and epsilon-caprolactone.
前記ニトリル系溶媒は、スクシノニトリル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、カプリロニトリル、ヘプタンニトリル、シクロペンタンカルボニトリル、シクロヘキサンカルボニトリル、2-フルオロベンゾニトリル、4-フルオロベンゾニトリル、ジフルオロベンゾニトリル、トリフルオロベンゾニトリル、フェニルアセトニトリル、2-フルオロフェニルアセトニトリル、および4-フルオロフェニルアセトニトリルから選択される1種以上であってもよく、好ましくは、スクシノニトリルであってもよい。 The nitrile solvent may be one or more selected from succinonitrile, acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, valeronitrile, caprylonitrile, heptanenitrile, cyclopentanecarbonitrile, cyclohexanecarbonitrile, 2-fluorobenzonitrile, 4-fluorobenzonitrile, difluorobenzonitrile, trifluorobenzonitrile, phenylacetonitrile, 2-fluorophenylacetonitrile, and 4-fluorophenylacetonitrile, and preferably succinonitrile.
前記非水電解液の全重量中において、有機溶媒を除いた他の構成成分、例えば、前記化学式1で表される第1添加剤、前記化学式2で表される第2添加剤、前記第3添加剤、およびリチウム塩の含量を除いた残部は、別に断らない限り、全て有機溶媒である。 Unless otherwise specified, the remainder of the total weight of the nonaqueous electrolyte solution, excluding the organic solvent, other components, such as the first additive represented by Chemical Formula 1, the second additive represented by Chemical Formula 2, the third additive, and the lithium salt, is the organic solvent.
(4)リチウム塩
本発明の非水電解液は、リチウム塩を含む。
(4) Lithium Salt The nonaqueous electrolyte solution of the present invention contains a lithium salt.
前記リチウム塩としては、リチウム二次電池用電解液に通常用いられるものなどが制限されずに使用でき、具体的に、前記リチウム塩は、カチオンとしてLi+を含み、アニオンとして、F-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、B10Cl10 -、AlCl4 -、AlO4 -、PF6 -、CF3SO3 -、CH3CO2 -、CF3CO2 -、AsF6 -、SbF6 -、CH3SO3 -、(CF3CF2SO2)2N-、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、BF2C2O4 -、BC4O8 -、BF2C2O4CHF-、PF4C2O4 -、PF2C4O8 -、PO2F2 -、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、C4F9SO3 -、CF3CF2SO3 -、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、CF3(CF2)7SO3 -、およびSCN-から選択される何れか1つ以上を含んでもよい。 The lithium salt may be any of those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries, without any limitation. Specifically, the lithium salt may contain Li + as a cation and F − , Cl − , Br − , I − , NO 3 − , N(CN) 2 − , BF 4 − , ClO 4 − , B 10 Cl 10 − , AlCl 4 − , AlO 4 − , PF 6 − , CF 3 SO 3 − , CH 3 CO 2 − , CF 3 CO 2 − , AsF 6 − , SbF 6 − , CH 3 SO 3 − , (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , (FSO 2 ) 2 N − , BF 2 C 2 O 4 − , BC 4 O 8 − , BF 2 C 2 O 4 CHF − , PF 4 C 2 O 4 − , PF 2 C 4 O 8 − , PO 2 F 2 − , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH − , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 − , and SCN − may be included.
具体的に、前記リチウム塩は、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiN(FSO2)2(LiFSI)、LiTFSI、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(Lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide、LiBETI)、LiSO3CF3、LiPO2F2、リチウムビス(オキサレート)ボレート(Lithium bis(oxalate)borate、LiBOB)、リチウムジフルオロ(オキサレート)ボレート(Lithium difluoro(oxalate)borate、LiFOB)、リチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート(Lithium difluoro(bisoxalato) phosphate、LiDFOP)、リチウムテトラフルオロ(オキサレート)ホスフェート(Lithium tetrafluoro(oxalate) phosphate、LiTFOP)、およびリチウムフルオロマロナト(ジフルオロ)ボレート(Lithium fluoromalonato(difluoro) borate、LiFMDFB)から選択される1種以上であってもよく、好ましくは、LiPF6であってもよい。 Specifically, the lithium salt may be LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiN(FSO 2 ) 2 (LiFSI), LiTFSI, lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide (LiBETI), LiSO 3 CF 3 , LiPO 2 F 2 , lithium bis(oxalate)borate (LiBOB), lithium difluoro(oxalate)borate (LiFOB), lithium difluoro(bisoxalato)phosphate (Li The fluoroisotope may be one or more selected from lithium tetrafluoro(oxalato)phosphate (LiDFOP), lithium difluoro(bisoxalato)phosphate (LiDFOP), lithium tetrafluoro(oxalate)phosphate (LiTFOP), and lithium fluoromalonato(difluoro)borate (LiFMDFB), and preferably may be LiPF6 .
本発明の一実施態様において、前記リチウム塩および有機溶媒を含む非水性有機溶液中のリチウム塩の濃度は、0.5M~4.0M、具体的に0.5M~3.0M、より具体的に0.8M~2.0Mであってもよい。リチウム塩の濃度が上記の範囲である場合、低温出力改善およびサイクル特性改善の効果を十分に確保するとともに、粘度および表面張力が過度に高くなることを防止し、適切な電解液含浸性が得られる。 In one embodiment of the present invention, the concentration of the lithium salt in the non-aqueous organic solution containing the lithium salt and an organic solvent may be 0.5 M to 4.0 M, specifically 0.5 M to 3.0 M, and more specifically 0.8 M to 2.0 M. When the lithium salt concentration is within the above range, the effects of improving low-temperature output and cycle characteristics are sufficiently ensured, while excessive increases in viscosity and surface tension are prevented, and appropriate electrolyte impregnation is achieved.
正極
本発明に係るリチウム二次電池は、遷移金属の全含量中のニッケルの含量が70モル%以上であるリチウム複合遷移金属酸化物を含む正極活物質を含む正極を含む。
Positive Electrode The lithium secondary battery according to the present invention includes a positive electrode containing a positive electrode active material including a lithium composite transition metal oxide in which the content of nickel in the total content of transition metals is 70 mol % or more.
遷移金属の全含量中のニッケルの含量が70モル%以上である、高ニッケル(High-Ni)の正極活物質は、構造的に不安定であるため、高温および高電位で正極活物質の崩壊および割れが発生し得る。このように崩壊された活物質は、表面積が増加することで、電解質と副反応が起こり得るサイト(site)が増加することになり、これにより、高温/高電位に露出された際に、多量のガスが発生する。このようにガスが持続して発生する場合、電池の内部圧力が高くなり、早期にベント(vent)が発生し、電池の寿命が終わる前に作動が止まることとなる。そのため、このような副反応およびガス発生を改善することが重要であるが、本発明の前記第1添加剤および第2添加剤を含む非水電解液により被膜の形成を強化することで、それを改善することができる。 High-nickel (High-Ni) positive electrode active materials, in which the nickel content of the total transition metal content is 70 mol% or more, are structurally unstable and can collapse and crack at high temperatures and high potentials. The increased surface area of such collapsed active materials increases the number of sites where side reactions with the electrolyte can occur, resulting in the generation of large amounts of gas when exposed to high temperatures and high potentials. If this gas generation continues, the internal pressure of the battery increases, causing premature venting and resulting in the battery ceasing operation before its end of life. Therefore, it is important to prevent these side reactions and gas generation, which can be improved by strengthening the formation of a coating using a nonaqueous electrolyte containing the first and second additives of the present invention.
本発明の一実施態様において、前記リチウム複合遷移金属酸化物は、下記化学式3で表されるものであってもよい。 In one embodiment of the present invention, the lithium composite transition metal oxide may be represented by the following chemical formula 3:
[化学式3]
Li1+x(NiaCobMncMd)O2
[Chemical formula 3]
Li 1+x ( Nia Co b Mn c M d ) O 2
前記化学式3中、
Mは、W、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、およびMoからなる群から選択される1種以上であり、
0≦x≦0.2、0.70≦a<1、0<b≦0.25、0<c≦0.25、0≦d≦0.1、a+b+c+d=1である。
In the above Chemical Formula 3,
M is one or more selected from the group consisting of W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and Mo;
0≦x≦0.2, 0.70≦a<1, 0<b≦0.25, 0<c≦0.25, 0≦d≦0.1, and a+b+c+d=1.
好ましくは、前記a、b、c、およびdは、それぞれ、0.80≦a≦0.95、0.025≦b≦0.15、0.025≦c≦0.15、0≦d≦0.05であってもよい。 Preferably, a, b, c, and d may be in the ranges 0.80≦a≦0.95, 0.025≦b≦0.15, 0.025≦c≦0.15, and 0≦d≦0.05, respectively.
本発明に係る正極は、正極活物質、バインダー、導電材、および溶媒などを含む正極スラリーを正極集電体上にコーティングした後、乾燥および圧延することで製造することができる。 The positive electrode according to the present invention can be manufactured by coating a positive electrode current collector with a positive electrode slurry containing a positive electrode active material, a binder, a conductive material, a solvent, etc., followed by drying and rolling.
前記正極集電体としては、該電池に化学的変化を引き起こすことなく、且つ導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、ステンレス鋼;アルミニウム;ニッケル;チタン;焼成炭素;またはアルミニウムやステンレス鋼の表面に、カーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理を施したものなどが用いられてもよい。 The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical changes in the battery and is conductive. For example, stainless steel; aluminum; nickel; titanium; baked carbon; or aluminum or stainless steel whose surface has been treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used.
前記正極活物質は、正極スラリー中の固形分の全重量を基準として、80重量%~99重量%、具体的には90重量%~99重量%で含まれてもよい。この際、前記正極活物質の含量が80重量%以下である場合、エネルギー密度が低くなり、容量が低下する恐れがある。 The positive electrode active material may be included in an amount of 80% to 99% by weight, specifically 90% to 99% by weight, based on the total weight of the solids in the positive electrode slurry. In this case, if the content of the positive electrode active material is less than 80% by weight, the energy density may be low, resulting in a decrease in capacity.
前記バインダーは、活物質と導電材などの結合、および集電体への結合を補助する成分であって、通常、正極スラリー中の固形分の全重量を基準として、1重量%~30重量%の含量で添加されてもよい。かかるバインダーの例としては、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンモノマー、スルホン化エチレン-プロピレン-ジエンモノマー、スチレン-ブタジエンゴム、フッ素ゴム、またはこれらの種々の共重合体であってもよい。 The binder is a component that aids in binding the active material and conductive material, etc., and in binding them to the current collector, and is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the solids in the positive electrode slurry. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer, sulfonated ethylene-propylene-diene monomer, styrene-butadiene rubber, fluororubber, or various copolymers thereof.
また、前記導電材は、該電池に化学的変化を引き起こすことなく、且つ導電性を付与する物質であって、正極スラリー中の固形分の全重量を基準として、0.5重量%~20重量%で添加されてもよい。 The conductive material is a substance that provides conductivity without causing any chemical changes to the battery, and may be added in an amount of 0.5% to 20% by weight based on the total weight of solids in the positive electrode slurry.
前記導電材の例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、およびサーマルブラックなどのカーボンブラック;天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブおよびグラファイトなどの黒鉛粉末;炭素繊維および金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン粉末、アルミニウム粉末、およびニッケル粉末などの導電性粉末;酸化亜鉛およびチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;およびポリフェニレン誘導体などの導電性素材から選択されてもよい。 Examples of the conductive material may be selected from the following conductive materials: carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; graphite powders such as natural graphite, artificial graphite, carbon nanotubes, and graphite; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; conductive powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; and conductive materials such as polyphenylene derivatives.
また、前記正極スラリーの溶媒は、NMP(N-メチル-2-ピロリドン(N-methyl-2-pyrrolidone))などの有機溶媒を含んでもよく、前記正極活物質、バインダー、および導電材などを含んだ際に好適な粘度となる量で用いられることができる。例えば、正極活物質、バインダー、および導電材を含む正極スラリー中の固形分の濃度が40重量%~90重量%、好ましくは50重量%~80重量%となるように含まれてもよい。 The solvent for the positive electrode slurry may also include an organic solvent such as NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), and may be used in an amount that provides a suitable viscosity when the positive electrode active material, binder, conductive material, etc. are included. For example, the positive electrode slurry containing the positive electrode active material, binder, and conductive material may be included so that the solids concentration is 40% to 90% by weight, preferably 50% to 80% by weight.
負極
本発明に係るリチウム二次電池は、負極活物質を含む負極を含み、前記負極は、負極活物質、バインダー、導電材、および溶媒などを含む負極スラリーを負極集電体上にコーティングした後、乾燥および圧延することで製造することができる。
A lithium secondary battery according to the present invention includes a negative electrode including a negative electrode active material, and the negative electrode can be manufactured by coating a negative electrode current collector with a negative electrode slurry including a negative electrode active material, a binder, a conductive material, a solvent, etc., followed by drying and rolling.
前記負極集電体は、一般に、3μm~500μmの厚さを有する。かかる負極集電体は、該電池に化学的変化を引き起こすことなく、且つ高い導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、銅;ステンレス鋼;アルミニウム;ニッケル;チタン;焼成炭素;銅またはステンレス鋼の表面に、カーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理を施したもの;またはアルミニウム-カドミウム合金などが用いられてもよい。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成することで負極活物質の結合力を強化させてもよく、フィルム、シート、箔、網、多孔質体、発泡体、不織布体などの様々な形態で用いられてもよい。 The negative electrode current collector generally has a thickness of 3 μm to 500 μm. There are no particular restrictions on the negative electrode current collector, so long as it does not cause chemical changes in the battery and has high conductivity. Examples of materials that may be used include copper; stainless steel; aluminum; nickel; titanium; sintered carbon; copper or stainless steel surfaces treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like; and aluminum-cadmium alloys. As with the positive electrode current collector, the surface may be made finely uneven to strengthen the bonding strength of the negative electrode active material, and the negative electrode current collector may be used in various forms, such as a film, sheet, foil, mesh, porous material, foam, or nonwoven fabric.
また、前記負極活物質は、リチウムイオンを可逆的にインターカレーション/デインターカレーション可能な炭素物質;金属またはこれらの金属とリチウムの合金;金属複合酸化物;リチウムをドープおよび脱ドープできる物質;リチウム金属;および遷移金属酸化物から選択される1つ以上を含んでもよい。 The negative electrode active material may also include one or more selected from the group consisting of carbonaceous materials capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions; metals or alloys of these metals with lithium; metal composite oxides; materials capable of doping and dedoping lithium; lithium metal; and transition metal oxides.
前記リチウムイオンを可逆的にインターカレーション/デインターカレーション可能な炭素物質としては、リチウムイオン二次電池で一般に用いられる炭素系負極活物質であれば特に制限されずに使用可能であり、その代表例としては、結晶質炭素、非晶質炭素、またはこれらをともに用いてもよい。前記結晶質炭素の例としては、無定形、板状、鱗片状(flake)、球状、または繊維状の天然黒鉛または人造黒鉛などのような黒鉛が挙げられ、前記非晶質炭素の例としては、ソフトカーボン(soft carbon:低温焼成炭素)、ハードカーボン(hard carbon)、メソフェーズピッチ炭化物、焼成されたコークスなどが挙げられる。 The carbonaceous material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions can be any carbonaceous negative electrode active material commonly used in lithium ion secondary batteries, without any particular limitations. Representative examples include crystalline carbon, amorphous carbon, or a combination of these. Examples of crystalline carbon include graphite, such as amorphous, plate-like, flake-like, spherical, or fibrous natural or artificial graphite. Examples of amorphous carbon include soft carbon (low-temperature calcined carbon), hard carbon, mesophase pitch carbide, and calcined coke.
前記金属またはこれらの金属とリチウムの合金としては、Cu、Ni、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Si、Sb、Pb、In、Zn、Ba、Ra、Ge、Al、およびSnからなる群から選択される金属またはこれらの金属とリチウムの合金が使用できる。 The metals or alloys of these metals with lithium can be selected from the group consisting of Cu, Ni, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al, and Sn, or alloys of these metals with lithium.
前記金属複合酸化物としては、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5、LixFe2O3(0≦x≦1)、LixWO2(0≦x≦1)、およびSnxMe1-xMe’yOz(Me:Mn、Fe、Pb、Ge;Me’:Al、B、P、Si、周期律表の1族、2族、3族の元素、ハロゲン;0<x≦1;1≦y≦3;1≦z≦8)からなる群から選択される1種以上が使用できる。 The metal composite oxide may be one or more selected from the group consisting of PbO, PbO2 , Pb2O3 , Pb3O4 , Sb2O3 , Sb2O4 , Sb2O5 , GeO, GeO2, Bi2O3 , Bi2O4 , Bi2O5 , LixFe2O3 (0≦ x ≦ 1 ), LixWO2 (0≦ x ≦1), and SnxMe1 - xMe'yOz ( Me: Mn , Fe , Pb, Ge; Me ' : Al, B , P, Si, elements of Groups 1, 2 and 3 of the periodic table, halogens; 0<x≦1;1≦y≦3; 1≦z≦8).
前記リチウムをドープおよび脱ドープできる物質としては、Si、SiOx(0<x<2)、Si-Y合金(前記Yは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、13族元素、14族元素、遷移金属、希土類元素、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される元素であり、Siではない)、Sn、SnO2、Sn-Y(前記Yは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、13族元素、14族元素、遷移金属、希土類元素、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される元素であり、Snではない)などが挙げられ、また、これらの少なくとも1つとSiO2を混合して用いてもよい。前記元素Yは、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Rf、V、Nb、Ta、Db(dubnium)、Cr、Mo、W、Sg、Tc、Re、Bh、Fe、Pb、Ru、Os、Hs、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、Sn、In、Ge、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Po、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されてもよい。 Examples of the substance capable of doping and dedoping lithium include Si, SiO x (0<x<2), Si-Y alloy (where Y is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, Group 13 elements, Group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, and is not Si), Sn, SnO 2 , Sn-Y (where Y is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, Group 13 elements, Group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, and is not Sn), and at least one of these may be mixed with SiO 2 for use. The element Y may be selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db (dubnium), Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, and combinations thereof.
前記遷移金属酸化物の例としては、リチウム含有チタン複合酸化物(LTO)、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物などが挙げられる。 Examples of the transition metal oxide include lithium-containing titanium oxide (LTO), vanadium oxide, and lithium vanadium oxide.
本発明の一実施態様において、前記負極活物質は黒鉛を含んでもよい。 In one embodiment of the present invention, the negative electrode active material may include graphite.
前記負極活物質は、負極スラリー中の固形分の全重量を基準として、80重量%~99重量%で含まれてもよい。 The negative electrode active material may be contained in an amount of 80% to 99% by weight based on the total weight of solids in the negative electrode slurry.
前記バインダーは、導電材、活物質、および集電体の間の結合を補助する成分であって、通常、負極スラリー中の固形分の全重量を基準として、1重量%~30重量%の含量で添加されてもよい。このようなバインダーの例としては、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンモノマー、スルホン化エチレン-プロピレン-ジエンモノマー、スチレン-ブタジエンゴム、フッ素ゴム、またはこれらの種々の共重合体などが挙げられる。 The binder is a component that aids in bonding between the conductive material, active material, and current collector, and is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of solids in the negative electrode slurry. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer, sulfonated ethylene-propylene-diene monomer, styrene-butadiene rubber, fluororubber, and various copolymers thereof.
前記導電材は、負極活物質の導電性をさらに向上させるための成分であって、負極スラリー中の固形分の全重量を基準として、0.5重量%~20重量%で添加されてもよい。このような導電材としては、該電池に化学的変化を引き起こすことなく、且つ導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、またはサーマルブラックなどのカーボンブラック;結晶構造が非常に発達した天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブまたはグラファイトなどの黒鉛粉末;炭素繊維または金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン粉末、アルミニウム粉末またはニッケル粉末などの導電性粉末;酸化亜鉛またはチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;またはポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが用いられてもよい。 The conductive material is a component for further improving the conductivity of the negative electrode active material and may be added in an amount of 0.5% to 20% by weight based on the total weight of the solids in the negative electrode slurry. There are no particular restrictions on the conductive material, so long as it does not cause chemical changes in the battery and is conductive. Examples of such conductive materials include carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, or thermal black; graphite powder such as natural graphite with a highly developed crystalline structure, artificial graphite, carbon nanotubes, or graphite; conductive fibers such as carbon fiber or metal fiber; conductive powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder, or nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide or potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive materials such as polyphenylene derivatives.
前記負極スラリーの溶媒は、水;またはNMPおよびアルコールなどの有機溶媒を含んでもよく、前記負極活物質、バインダー、および導電材などを含んだ際に好適な粘度となる量で用いられてもよい。例えば、負極活物質、バインダー、および導電材を含むスラリー中の固形分の濃度が30重量%~80重量%、好ましくは40重量%~70重量%となるように含まれてもよい。 The solvent for the negative electrode slurry may include water or an organic solvent such as NMP or alcohol, and may be used in an amount that results in an appropriate viscosity when the negative electrode active material, binder, conductive material, etc. are contained. For example, the solvent may be contained so that the solids concentration in the slurry containing the negative electrode active material, binder, and conductive material is 30% to 80% by weight, preferably 40% to 70% by weight.
セパレータ
本発明に係るリチウム二次電池は、前記正極と負極との間にセパレータを含む。
Separator The lithium secondary battery according to the present invention includes a separator between the positive electrode and the negative electrode.
前記セパレータは、負極と正極を分離し、リチウムイオンの移動通路を提供するものであって、リチウム二次電池でセパレータとして通常用いられるものであれば特に制限されずに使用可能であり、特に、電解液のイオンの移動に対して低抵抗であり、且つ優れた電解液含浸能力および安全性を有するものが好ましい。 The separator separates the negative electrode and positive electrode and provides a path for lithium ions to move. Any separator commonly used in lithium secondary batteries can be used without any particular restrictions. In particular, separators that offer low resistance to the movement of ions in the electrolyte, excellent electrolyte impregnation capacity, and safety are preferred.
具体的には、セパレータとして、多孔性高分子フィルム、例えば、エチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体、およびエチレン/メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルム;またはこれらの2層以上の積層構造体が使用可能である。また、通常の多孔性不織布、例えば、高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布が用いられてもよい。また、耐熱性または機械的強度を確保するために、セラミック成分または高分子物質が含まれた、コーティングされたセパレータが用いられてもよく、単層または多層構造として用いられてもよい。 Specifically, the separator may be a porous polymer film, such as a porous polymer film made of a polyolefin polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, or an ethylene/methacrylate copolymer; or a laminate structure of two or more layers of these. Ordinary porous nonwoven fabrics, such as nonwoven fabrics made of high-melting-point glass fibers or polyethylene terephthalate fibers, may also be used. Furthermore, to ensure heat resistance or mechanical strength, a coated separator containing a ceramic component or a polymeric substance may also be used, and may be used in a single-layer or multi-layer structure.
上記のような本発明に係るリチウム二次電池は、携帯電話、ノート型パソコン、デジタルカメラなどの携帯用機器;およびハイブリッド電気自動車(hybrid electric vehicle、HEV)などの電気自動車分野などに有用に用いられることができる。 The lithium secondary battery according to the present invention as described above can be useful in portable devices such as mobile phones, laptop computers, and digital cameras, as well as in electric vehicles such as hybrid electric vehicles (HEVs).
これにより、本発明の他の実施形態によると、前記リチウム二次電池を単位セルとして含む電池モジュール、およびそれを含む電池パックが提供される。 Accordingly, according to another embodiment of the present invention, a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided.
前記電池モジュールまたは電池パックは、パワーツール(Power Tool);電気自動車(Electric Vehicle、EV)、ハイブリッド電気自動車、およびプラグインハイブリッド電気自動車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle、PHEV)を含む電気車;および電力貯蔵用システムの何れか1つ以上の中大型デバイスの電源として利用されることができる。 The battery module or battery pack can be used as a power source for one or more medium- to large-sized devices, including power tools; electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles, and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); and power storage systems.
本発明のリチウム二次電池の外形は特に制限されないが、缶を用いた円筒形、角形、パウチ(pouch)形、またはコイン(coin)形などであってもよい。 The external shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but may be a cylindrical shape using a can, a rectangular shape, a pouch shape, a coin shape, or the like.
本発明に係るリチウム二次電池は、小型デバイスの電源として用いられる電池セルに使用可能であるだけでなく、多数の電池セルを含む中大型電池モジュールにおける単位電池としても好適に使用可能である。 The lithium secondary battery of the present invention can be used not only as a battery cell used as a power source for small devices, but also as a unit battery in medium- to large-sized battery modules containing multiple battery cells.
以下、具体的な実施例により本発明を具体的に説明する。 The present invention will be explained in more detail below using specific examples.
<実施例>
実施例1.
(非水電解液の製造)
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)を30:70の体積比で混合した後、LiPF6が1.2Mとなるように溶解させ、非水性有機溶液を製造した。前記化学式1Aで表される化合物0.5wt%、前記化学式2Aで表される化合物0.5wt%、ビニレンカーボネート(VC)1wt%、1,3-プロパンスルトン(PS)1wt%、および残部の前記非水性有機溶液を混合し、非水電解液100wt%を製造した。
<Example>
Example 1.
(Production of non-aqueous electrolyte)
Ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) were mixed in a volume ratio of 30:70, and then LiPF6 was dissolved therein to a concentration of 1.2 M to prepare a non-aqueous organic solution. 0.5 wt % of the compound represented by Chemical Formula 1A, 0.5 wt % of the compound represented by Chemical Formula 2A, 1 wt % of vinylene carbonate (VC), 1 wt % of 1,3-propane sultone (PS), and the remainder of the non-aqueous organic solution were mixed together to prepare a 100 wt % non-aqueous electrolyte.
(リチウム二次電池の製造)
N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に、正極活物質としてLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、導電材(カーボンブラック)、およびバインダー(ポリビニリデンフルオライド)を98:1:1の重量比で添加し、正極スラリー(固形分の含量:60重量%)を製造した。前記正極スラリーを厚さ13.5μmの正極集電体であるアルミニウム(Al)薄膜に塗布および乾燥した後、ロールプレス(roll press)を行って正極を製造した。
(Manufacturing of lithium secondary batteries)
A positive electrode slurry (solid content: 60 wt%) was prepared by adding LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 as a positive electrode active material , a conductive material (carbon black), and a binder (polyvinylidene fluoride) to N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) in a weight ratio of 98:1:1. The positive electrode slurry was applied to a 13.5 μm-thick aluminum (Al) thin film as a positive electrode current collector, dried, and then roll-pressed to prepare a positive electrode.
負極活物質(黒鉛)、バインダー(SBR-CMC)、および導電材(カーボンブラック)を97.6:2.2:0.2の重量比で、溶媒である水に添加して負極スラリー(固形分の含量:60重量%)を製造した。前記負極スラリーを厚さ6μmの負極集電体である銅(Cu)薄膜に塗布および乾燥した後、ロールプレス(roll press)を行って負極を製造した。 Anode active material (graphite), binder (SBR-CMC), and conductive material (carbon black) were mixed in a weight ratio of 97.6:2.2:0.2 with water as a solvent to prepare anode slurry (solid content: 60 wt%). The anode slurry was applied to a 6 μm-thick copper (Cu) thin film as anode current collector, dried, and then roll-pressed to prepare the anode.
前記正極、無機物粒子(Al2O3)が塗布されたポリオレフィン系多孔性セパレータ、および負極を順に積層して電極組立体を製造した。 The positive electrode, a polyolefin-based porous separator coated with inorganic particles (Al 2 O 3 ), and a negative electrode were sequentially stacked to prepare an electrode assembly.
パウチ形の電池ケース内に上記で組み立てられた電極組立体を収納し、上記で製造された非水電解液を注液してリチウム二次電池を製造した。 The electrode assembly assembled above was placed in a pouch-shaped battery case, and the non-aqueous electrolyte prepared above was poured into it to produce a lithium secondary battery.
実施例2.
非水電解液の製造時に、前記化学式1Aで表される化合物の含量を1.0wt%に変更したことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Example 2.
A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the content of the compound represented by Formula 1A was changed to 1.0 wt % when preparing the non-aqueous electrolyte.
実施例3.
非水電解液の製造時に、前記化学式2Aで表される化合物の含量を1.0wt%に変更したことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Example 3.
A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the content of the compound represented by Formula 2A was changed to 1.0 wt % when preparing the non-aqueous electrolyte.
実施例4.
非水電解液の製造時に、前記化学式1Aで表される化合物の含量を1.0wt%に変更し、前記化学式2Aで表される化合物の含量を1.0wt%に変更したことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Example 4.
A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the content of the compound represented by Chemical Formula 1A was changed to 1.0 wt % and the content of the compound represented by Chemical Formula 2A was changed to 1.0 wt % during the preparation of the non-aqueous electrolyte solution.
実施例5.
非水電解液の製造時に、前記化学式1Aで表される化合物の含量を2.0wt%に変更し、前記化学式2Aで表される化合物の含量を2.0wt%に変更したことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Example 5.
A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the content of the compound represented by Chemical Formula 1A was changed to 2.0 wt % and the content of the compound represented by Chemical Formula 2A was changed to 2.0 wt % during the preparation of the non-aqueous electrolyte solution.
比較例1.
非水電解液の製造時に、前記化学式1Aで表される化合物および前記化学式2Aで表される化合物を添加しなかったことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Comparative Example 1.
A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the compound represented by Chemical Formula 1A and the compound represented by Chemical Formula 2A were not added during the preparation of the non-aqueous electrolyte solution.
比較例2.
非水電解液の製造時に、前記化学式2Aで表される化合物を添加しなかったことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Comparative Example 2.
A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the compound represented by Formula 2A was not added during the preparation of the non-aqueous electrolyte solution.
比較例3.
非水電解液の製造時に、前記化学式1Aで表される化合物を添加しなかったことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Comparative Example 3.
A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the compound represented by Formula 1A was not added during the preparation of the non-aqueous electrolyte.
<実験例>
実験例1.還元電位の測定
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)を20:80の体積比で混合した後、LiPF6が1.0Mとなるように溶解させて非水性有機溶液を製造した。前記非水性有機溶液99gに前記化学式1Aで表される化合物1gを投入して混合し、非水電解液を製造した。
<Experimental Example>
Experimental Example 1. Measurement of Reduction Potential Ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) were mixed in a volume ratio of 20:80, and LiPF6 was dissolved therein to prepare a non-aqueous organic solution to a concentration of 1.0 M. 1 g of the compound represented by Formula 1A was added to 99 g of the non-aqueous organic solution and mixed to prepare a non-aqueous electrolyte.
このように製造された非水電解液を、黒鉛電極とリチウム箔電極との間にポリエチレン(PE)セパレータが介在された構成の2032コインセルに注液した後、黒鉛電極の電位が0.05Vに達するまでリチウムイオンを黒鉛電極に挿入させながら、前記化学式1Aで表される化合物が反応する電位を測定した。測定された電位値を下記表1に還元電位範囲として記載し、これは基準電極であるLiに対する電位値である。 The nonaqueous electrolyte solution thus prepared was poured into a 2032 coin cell having a polyethylene (PE) separator sandwiched between a graphite electrode and a lithium foil electrode. Then, lithium ions were inserted into the graphite electrode until the potential of the graphite electrode reached 0.05 V, and the potential at which the compound represented by Chemical Formula 1A reacted was measured. The measured potential values are listed in Table 1 below as the reduction potential range, and are potential values relative to the reference electrode, Li.
前記化学式2Aで表される化合物の還元電位範囲も同様の過程により測定し、下記表1に記載した。 The reduction potential range of the compound represented by chemical formula 2A was also measured using a similar procedure and is shown in Table 1 below.
実験例2.ガス発生量の評価
前記実施例および比較例で製造されたそれぞれのリチウム二次電池を、25℃で0.2C CCで活性化した後、脱ガスを行った。次いで、常温でエージングした後、4.20Vまで0.33C CC/CVで充電した後、70℃で4週間保管した。高温保管後、リチウム二次電池内で発生したCOおよびCO2などのガス発生量を測定し、比較例1で測定されたガス発生量を100%としたときの各電池の相対的なガス発生量を計算し、下記表2に示した。
Experimental Example 2. Evaluation of Gas Generation Amount Each of the lithium secondary batteries manufactured in the above examples and comparative examples was activated at 0.2 C/CV at 25°C and then degassed. After aging at room temperature, the batteries were charged to 4.20 V at 0.33 C/CV and then stored at 70°C for 4 weeks. After high-temperature storage, the amounts of gases generated in the lithium secondary batteries, such as CO and CO2 , were measured. The relative gas generation amount of each battery was calculated, assuming the gas generation amount measured in Comparative Example 1 as 100%, and is shown in Table 2 below.
実験例3.電圧降下の評価
前記実施例および比較例で製造されたそれぞれのリチウム二次電池を、0.1C CCで活性化した後、脱ガスを行った。次いで、25℃でのOCV(Open Circuit Voltage、mV)を測定し、この電池を60℃で8週間保管した後、OCVをさらに測定した。高温保管前と後のOCV値の差(dOCV)を下記表2に示した。
Experimental Example 3: Evaluation of Voltage Drop Each of the lithium secondary batteries prepared in the Examples and Comparative Examples was activated at 0.1 C cc and then degassed. The OCV (Open Circuit Voltage, mV) was measured at 25°C. The batteries were then stored at 60°C for 8 weeks, after which the OCV was measured again. The difference in OCV (dOCV) before and after high-temperature storage is shown in Table 2 below.
前記表2の結果から、化学式1で表される第1添加剤および化学式2で表される第2添加剤を両方とも含む電解液を使用した実施例1~5の電池は、高ニッケル正極活物質を含んでいるにもかかわらず、高温保管後におけるガス発生量およびOCV減少量が、比較例1~3の電池に比べて少ないことが確認できる。 The results in Table 2 confirm that the batteries of Examples 1 to 5, which used electrolytes containing both the first additive represented by Chemical Formula 1 and the second additive represented by Chemical Formula 2, showed less gas generation and OCV reduction after high-temperature storage than the batteries of Comparative Examples 1 to 3, despite containing a high-nickel positive electrode active material.
中でも、第1添加剤および第2添加剤の含量が何れも1重量%以上である実施例4および5は、ガス発生量およびOCV減少量が少なく測定されたことが確認できる。特に、実施例5は、最も少ないガス発生量およびOCV減少量が測定されたことが確認できる。 Among these, Examples 4 and 5, in which the contents of both the first additive and the second additive were 1% by weight or more, were found to have low measured gas generation and OCV reduction. In particular, Example 5 was found to have the lowest measured gas generation and OCV reduction.
これに対し、第1添加剤および第2添加剤を何れも含まない電解液を使用した比較例1の電池、第1添加剤のみを含む電解液を使用した比較例2の電池、および第2添加剤のみを含む電解液を使用した比較例3の電池は、実施例1の電池に比べて、高温保管後におけるガス発生量およびOCV減少量が何れもより高いことが確認できる。 In contrast, the battery of Comparative Example 1, which uses an electrolyte containing neither the first nor the second additive, the battery of Comparative Example 2, which uses an electrolyte containing only the first additive, and the battery of Comparative Example 3, which uses an electrolyte containing only the second additive, were found to have higher gas generation and OCV reduction rates after high-temperature storage than the battery of Example 1.
Claims (7)
遷移金属の全含量中のニッケルの含量が70モル%以上であるリチウム複合遷移金属酸化物を含む正極活物質を含む正極と、
負極活物質を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータと、を含み、
前記非水電解液の全重量を基準として前記第1添加剤および前記第2添加剤の含量がそれぞれ0.01重量%以上5重量%以下である、リチウム二次電池:
R1およびR2は、それぞれ独立して、直接結合;または炭素数1~5のアルキレン基であり、
R3およびR4は、それぞれ独立して、炭素数1~5のアルキル基であり、
R5は、炭素数1~3のアルキレン基である。 a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt, an organic solvent, a first additive represented by the following chemical formula 1, and a second additive represented by the following chemical formula 2-1 or 2-2 ;
a positive electrode including a positive electrode active material including a lithium transition metal composite oxide in which the content of nickel in the total content of transition metals is 70 mol % or more;
a negative electrode including a negative electrode active material;
a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode,
A lithium secondary battery, wherein the contents of the first additive and the second additive are from 0.01 wt % to 5 wt % based on the total weight of the non-aqueous electrolyte solution :
R1 and R2 each independently represent a direct bond; or an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms;
R3 and R4 are each independently an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms;
R5 is an alkylene group having 1 to 3 carbon atoms .
[化学式3]
Li1+x(NiaCobMncMd)O2
(前記化学式3中、
Mは、W、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、およびMoからなる群から選択される1種以上であり、
0≦x≦0.2、0.70≦a<1、0<b≦0.25、0<c≦0.25、0≦d≦0.1、a+b+c+d=1である。) The lithium secondary battery according to claim 1 , wherein the lithium composite transition metal oxide is represented by the following Chemical Formula 3:
[Chemical formula 3]
Li 1+x ( Nia Co b Mn c M d ) O 2
(In the above chemical formula 3,
M is one or more selected from the group consisting of W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and Mo;
0≦x≦0.2, 0.70≦a<1, 0<b≦0.25, 0<c≦0.25, 0≦d≦0.1, a+b+c+d=1.)
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