KR100354259B1 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캐소드와 애노드, 이 캐소드와 애노드 사이에 개재되는 세퍼레이타를 포함하는 전극 조립체와, 캐소드와 애노드, 이 캐소드와 애노드 사이에 개재되는 세퍼레이타를 포함하는 전극 조립체와, 폴리실록산-폴리옥시알킬렌 화합물, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 아크릴레이트, 에톡실레이트드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 및 리튬염을 함유하는 유기용매로 이루어진 조성물을 경화시켜 제조되는 겔형 전해질과, 상기 전극 조립체와 전해액을 내장하고 있는 케이스를 구비하고 있는 리튬 2차전지를 제공한다. 이 리튬 2차전지는 전해액에 의한 스웰링 현상을 효과적으로 억제하고 전해액이 외부로 누출될 염려가 없어서 이로 인한 전지의 신뢰성 및 안전성 저하를 미연에 방지할 수 있다.The present invention relates to an electrode assembly comprising a cathode and an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, an electrode assembly comprising a cathode and an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, and a polysiloxane-poly A gel electrolyte prepared by curing a composition comprising an oxyalkylene compound, polyethylene glycol dimethacrylate, polyethylene glycol monomethyl acrylate, ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, and an organic solvent containing a lithium salt, Provided is a lithium secondary battery having a case in which the electrode assembly and the electrolyte are incorporated. This lithium secondary battery effectively suppresses the swelling phenomenon caused by the electrolyte and there is no fear of leakage of the electrolyte to the outside, thereby preventing the reliability and safety degradation of the battery.
Description
본 발명은 리튬 2차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 겔상태의 전해액을 사용하여 안전성과 신뢰성을 향상시킨 리튬 2차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly, to a lithium secondary battery having improved safety and reliability by using a gel electrolyte.
리튬 2차 전지는 리튬 이온이 캐소드와 애노드 사이를 왕복함으로써 전기를 발생시킨다. 이러한 리튬 2차 전지는 니켈 카드뮴 전지 및 니켈 수소전지에 비하여 부피 대비 에너지 밀도가 높고 전압이 높고, 전지의 무게는 이러한 니켈 카드뮴 전지와 니켈 수소 전지에 비하여 1/2 정도밖에 안되기 때문에 휴대용 전자기기의 소형 경량화 및 장시간 사용에 적합하다.Lithium secondary batteries generate electricity by lithium reciprocating between the cathode and the anode. Compared to nickel cadmium and nickel hydride batteries, such lithium secondary batteries have a higher energy density and higher voltage / volume than the nickel cadmium and nickel hydride batteries. Suitable for small size, light weight and long time use.
상술한 바와 같이 리튬 2차 전지는 종래의 니켈 카드뮴 전지 및 니켈 수소 전지에 비하여 전압이 높고 훨씬 많은 충방전싸이클이 가능하고 환경문제를 일으키기 않기 때문에 차세대 고성능 배터리로 많은 관심을 받고 있다. 그러나, 리튬 2차전지는 폭발 등의 위험성이 있어 안전성을 확보하는 것이 큰 관건이 되고 있다.As described above, lithium secondary batteries have received much attention as next generation high performance batteries because they have higher voltage, much more charge / discharge cycles, and do not cause environmental problems than conventional nickel cadmium batteries and nickel hydrogen batteries. However, the lithium secondary battery has a risk of explosion, etc., and ensuring safety is a key issue.
한편, 리튬 2차전지는 전해질의 종류에 따라서 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고체형 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.Meanwhile, lithium secondary batteries may be classified into lithium ion batteries using liquid electrolytes and lithium ion polymer batteries using solid electrolytes, depending on the type of electrolyte.
리튬 이온 전지는 전극 조립체를 밀봉하는 케이스로서 원통형 케이스 또는 각형 케이스를 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 최근에는 이러한 케이스 대신 파우치를 사용하는 방법이 각광받고 있다. 그 이유는 케이스로서 파우치를 사용하면, 단위중량 및 체적당 에너지밀도가 보다 높아지고 전지의 박형화 및 경량화가 가능해질 뿐만 아니라 케이스 재료비가 적게 들기 때문이다.The lithium ion battery generally uses a cylindrical case or a rectangular case as a case for sealing the electrode assembly. Recently, however, the use of the pouch instead of the case has been in the spotlight. The reason is that the use of the pouch as a case not only increases the energy density per unit weight and volume, makes the battery thinner and lighter, but also lowers the case material cost.
도 1은 케이스로서 파우치를 사용하는 리튬 이온 전지의 일예를 모식적으로 도시한 분리사시도이다.1 is an exploded perspective view schematically showing an example of a lithium ion battery using a pouch as a case.
도 1을 참조하면, 리튬 이온 전지는 캐소드(11), 애노드(12) 및 세퍼레이터(13)를 포함하는 전극 조립체(10)와, 이 전극 조립체(10)를 감싸서 밀봉하는 케이스(11)를 구비하여 이루어진다. 이 때 전극 조립체는 캐소드와 애노드 사이에 세퍼레이터를 삽입하고 이를 권취하여 형성한 것이다. 그리고 상기 전극 조립체(10)와 외부의 전기적 통로 역할을 하는 캐소드탭(12) 및 애노드탭(12')은 캐소드 및 애노드로부터 인출되어 전극 단자(13, 13')를 형성한다.Referring to FIG. 1, a lithium ion battery includes an electrode assembly 10 including a cathode 11, an anode 12, and a separator 13, and a case 11 surrounding and sealing the electrode assembly 10. It is done by At this time, the electrode assembly is formed by inserting a separator between the cathode and the anode and winding it. The cathode tab 12 and the anode tab 12 ′, which serve as an external electrical passage with the electrode assembly 10, are drawn out from the cathode and the anode to form electrode terminals 13 and 13 ′.
도 2는 종래의 리튬 이온 폴리머 전지의 일예를 모식적으로 도시한 분리사시도이다.2 is an exploded perspective view schematically showing an example of a conventional lithium ion polymer battery.
이를 참조하면, 리튬 이온 폴리머 전지는 캐소드, 애노드 및 세퍼레이타를 구비하는 전극 조립체(21)와, 상기 전극 조립체(21)를 감싸서 밀봉하는 케이스 (12)를 구비하여 이루어진다. 그리고 상기 전극 조립체(21)에서 형성된 전류를 외부로 유도하기 위한 전기적 통로 역할을 하는 전극 단자(또는 리드선)(24, 24')는 캐소드 및 애노드에 마련된 캐소드탭 및 애노드탭(23, 23')에 연결되며 케이스 (22) 밖으로 소정 길이 노출되도록 설치된다.Referring to this, the lithium ion polymer battery includes an electrode assembly 21 having a cathode, an anode, and a separator, and a case 12 enclosing and sealing the electrode assembly 21. In addition, the electrode terminals (or lead wires) 24 and 24 ′ serving as electrical paths for guiding the current formed in the electrode assembly 21 to the outside are provided at the cathode tabs and the anode tabs 23 and 23 ′. It is connected to and installed to expose a predetermined length out of the case (22).
상술한 바와 같은 도 1의 리튬 이온 전지 및 도 2의 리튬 이온 폴리머 전지에서는, 전극단자 (13, 13') 및 (24, 24')의 일부분만을 노출시킨 채 케이스 (11, 22) 내에 전극 조립체 (10, 21)을 넣고 여기에 전해액을 주입한 다음, 열과 압력을 가하여 상부 케이스의 가장자리 부분과 하부 케이스의 가장자리 부분의 열접착성 물질끼리 접착시켜 밀봉함으로써 전지를 완성하고 있다.In the lithium ion battery of FIG. 1 and the lithium ion polymer battery of FIG. 2 as described above, the electrode assemblies in the cases 11 and 22 are exposed while only a portion of the electrode terminals 13 and 13 'and 24 and 24' are exposed. (10, 21) was added thereto, an electrolyte solution was injected therein, and heat and pressure were applied to bond the heat-adhesive material between the edge of the upper case and the edge of the lower case to seal the battery.
상기에서 살펴본 바와 같이, 전해액은 후공정에 주입함으로 비점이 낮은 유기용매를 사용하는 경우, 전극 조립체나 파우치가 부푸는 현상이 발생한다. 또한, 이로 인하여 전지의 신뢰성 및 안전성이 저하된다.As described above, when using an organic solvent having a low boiling point by injecting the electrolyte into the post-process, the phenomenon of the electrode assembly or pouch is swollen. In addition, this lowers the reliability and safety of the battery.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 평면형 전지를 자외선이나 전자빔으로 경화시켜 만들거나, 겔을 전극판에 코팅하여 전해액을 별도로 주입하지 않는 방법 등이 제안되었다(미국 특허 제5,972,539호, 미국 특허 제5,279,910, 미국 특허 제5, 972,539호, 미국 특허 제5,437,942호 및 미국 특허 제5, 340,368). 그러나, 상기방법들을 실질적으로 적용하는 경우, 전극 조립체나 파우치가 부푸는 현상을 다소 완화시킬 수는 있지만, 아직도 만족할 만한 수준에 도달하지 못하였다.In order to solve this problem, a method of hardening a planar battery by ultraviolet rays or an electron beam, or coating a gel on an electrode plate and separately injecting an electrolyte solution has been proposed (US Pat. No. 5,972,539, US Pat. No. 5,279,910, US Pat. 5,972,539, U.S. Patent 5,437,942 and U.S. Patent 5,340,368. However, when the above methods are practically applied, the swelling phenomenon of the electrode assembly or pouch can be alleviated somewhat, but still not satisfactory.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 전해액에 의한 스웰링 현상을 효과적으로 억제하여 이로 인한 전지의 신뢰성 및 안전성 저하를 미연에 방지할 수 있는 리튬 2차전지를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a lithium secondary battery that can solve the above problems and effectively suppress swelling caused by an electrolyte solution, thereby preventing a decrease in reliability and safety of the battery.
도 1은 종래기술에 따른 리튬 이온 전지의 일례를 모식적으로 도시한 분리사시도이고,1 is an exploded perspective view schematically showing an example of a lithium ion battery according to the prior art,
도 2는 종래기술에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 다른 일예를 모식적으로 도시한 분리사시도이다.2 is an exploded perspective view schematically showing another example of a lithium ion polymer battery according to the prior art.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 21... 전극 조립체 11, 22... 케이스10, 21 ... electrode assembly 11, 22 ... case
13, 13', 24, 24'... 전극 단자13, 13 ', 24, 24' ... electrode terminals
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above technical problem,
캐소드와 애노드, 이 캐소드와 애노드 사이에 개재되는 세퍼레이타를 포함하는 전극 조립체와,An electrode assembly comprising a cathode and an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode;
하기 화학식 1로 표시되는 폴리실록산-폴리옥시알킬렌 화합물 0.1 내지 10중량%, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 0.5 내지 50중량%, 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 아크릴레이트 0.4 내지 50중량%, 에톡실레이트드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 0 초과 5 이하의 중량%, 및 리튬염 4 내지 15몰을 함유하는 유기용매 50 내지 95중량%로 이루어진 조성물을 경화시켜 제조되는 겔형 전해질과,0.1 to 10% by weight of polysiloxane-polyoxyalkylene compound represented by Formula 1, 0.5 to 50% by weight of polyethylene glycol dimethacrylate, 0.4 to 50% by weight of polyethylene glycol monomethyl acrylate, ethoxylate trimethylolpropane A gel electrolyte prepared by curing a composition consisting of 50% to 95% by weight of an organic solvent containing 4% to 15% by weight of triacrylate and not more than 5 and lithium salt,
상기 전극 조립체와 전해액을 내장하고 있는 케이스를 구비하고 있는 리튬 2차전지를 제공한다.Provided is a lithium secondary battery having a case in which the electrode assembly and the electrolyte are incorporated.
[상기 식에서, R1및 R5는 각각 독립적으로 -C(O)CR6=C(R7R8) 또는 -CR9(R10R11)이고, R2및 R3는 각각 독립적으로 -CaH(2a+1)(여기서 a는 1 내지 5), 페닐, 벤질, 알릴로 이루어진 군에서 선택되며, R4는 수소 또는 -CaH(2a+1)(여기서 a는 1 내지 5)이며, m은 1 내지 5, n은 1 내지 100, x는 1 내지 10, y는 1 내지 50이며 또한, R6, R7, R8, R9, R10, R11은 각각 독립적으로 수소 또는 -CbH(2b+1)(여기서 b는 1 내지 5)임][Wherein, R 1 and R 5 are each independently —C (O) CR 6 ═C (R 7 R 8 ) or —CR 9 (R 10 R 11 ), and R 2 and R 3 are each independently — CaH (2a + 1), where a is 1 to 5, phenyl, benzyl, allyl, R 4 is hydrogen or -CaH (2a + 1), where a is 1 to 5, m Is 1 to 5, n is 1 to 100, x is 1 to 10, y is 1 to 50, and R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 are each independently hydrogen or -CbH (2b + 1), where b is 1 to 5
본 발명에 따른 리튬 2차전지에 있어서, 상기 조성물은 벤조페논, 과산화벤조일, 과산화아세틸, 과산화라우로일, 아조비스이소부티로니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 중합개시제를 0.1 내지 2중량% 더 포함하는 것이 바람직하다.In the lithium secondary battery according to the present invention, the composition is 0.1 to 2 weight of any one or more polymerization initiators selected from the group consisting of benzophenone, benzoyl peroxide, acetyl peroxide, lauroyl peroxide, azobisisobutyronitrile It is preferable to further contain%.
본 발명에 따른 리튬 2차전지에 있어서, 상기 경화는 열중합, 전자 빔에 의한 중합 및 UV에 의한 중합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 의해 이루어지는 것이 바람직하며, 또한 열중합에 의할 경우 중합온도는 60 내지 100℃인 것이 바람직하다.In the lithium secondary battery according to the present invention, the curing is preferably performed by any one selected from the group consisting of thermal polymerization, polymerization by electron beam, and polymerization by UV, and polymerization by thermal polymerization. It is preferable that temperature is 60-100 degreeC.
본 발명에 따른 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 리튬염은 과염소산 리튬(LiClO4), 사불화붕산 리튬(LiBF4), 육불화인산 리튬(LiPF6), LiAsF6, 삼불화메탄술폰산 리튬(LiCF3SO3) 및 리튬 비스트리플루오로메탄술포닐아미드(LiN(CF3SO2)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.In the lithium secondary battery according to the present invention, the lithium salt is lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), LiAsF 6 , lithium trifluoride methane sulfonate (LiCF Preferably at least one selected from the group consisting of 3 SO 3 ) and lithium bistrifluoromethanesulfonylamide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ).
본 발명에 따른 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 유기용매가 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 디에틸카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 트리글라임, 테트라글라임, γ-부티로 락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.In the lithium secondary battery according to the present invention, the organic solvent is propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, methylethyl carbonate, diethyl carbonate, vinylene carbonate, triglyme, tetraglyme, γ-butyrolactone It is preferably at least one selected from the group consisting of.
본 발명에 따른 리튬 2차 전지는 상기 전극 조립체가 권취형이고, 상기 케이스가 파우치 형태인 것이 바람직하다.In the lithium secondary battery according to the present invention, it is preferable that the electrode assembly is a wound type and the case is a pouch type.
종래의 겔형 폴리머 전해질의 경우에는 주로 고분자 주 사슬이 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드와 같은 폴리알킬렌옥사이드 계열의 물질에 아크릴, 비닐, 에폭시 등의 기능기를 가지는 물질으로 주로 이용하였는데, 본 발명에서는 폴리알킬렌 옥사이드 계열 외에 새로이 실록산 유니트, 옥시알킬렌 유니트를 함유하는 폴리실록산-폴리옥시알킬렌을 사용하여 전해질의 물리적 특성 및 전기화학적 특성을 향상시킨 것이다.In the case of the conventional gel polymer electrolyte, the polymer main chain is mainly used as a material having functional groups such as acrylic, vinyl, and epoxy on polyalkylene oxide-based materials such as polyethylene oxide and polypropylene oxide. Polysiloxane-polyoxyalkylene containing siloxane units and oxyalkylene units in addition to the ethylene oxide series is used to improve the physical and electrochemical properties of the electrolyte.
상기와 같은 본 발명에 따른 겔형 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 폴리실록산-폴리옥시알킬렌 화합물 0.1 내지 10중량%, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 0.5 내지 50중량%, 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 아크릴레이트 0.4 내지 50중량%, 에톡실레이트드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 0 초과 5 이하의 중량%, 및 리튬염 4 내지 15몰을 함유하는 유기용매 50 내지 95중량%로 이루어진 조성물을 경화시켜 제조되며, 상기 조성물은 벤조페논, 과산화벤조일, 과산화아세틸, 과산화라우로일, 아조비스이소부티로니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 중합개시제를 0.1 내지 2중량% 더 포함할 수 있다.The gel electrolyte according to the present invention as described above is 0.1 to 10% by weight of a polysiloxane-polyoxyalkylene compound represented by the following formula (1), 0.5 to 50% by weight polyethylene glycol dimethacrylate, 0.4 to 50 polyethylene glycol monomethyl acrylate It is prepared by curing a composition consisting of weight percent, ethoxylated trimethylolpropane triacrylate greater than 0 and 5 weight percent, and 50 to 95 weight percent of an organic solvent containing 4 to 15 moles of lithium salt, the composition comprising It may further comprise 0.1 to 2% by weight of any one or more polymerization initiators selected from the group consisting of benzophenone, benzoyl peroxide, acetyl peroxide, lauroyl peroxide, azobisisobutyronitrile.
<화학식 1><Formula 1>
R1-O-{(CH2)m-[Si(R2R3)-O]n-Si(R2R3)-(CH2)n-O}x-(CH2-CHR4-O-)y-R5 R 1 -O-{(CH 2 ) m- [Si (R 2 R 3 ) -O] n -Si (R 2 R 3 )-(CH 2 ) n -O} x- (CH 2 -CHR 4- O-) y -R 5
[상기 식에서, R1및 R5는 각각 독립적으로 -C(O)CR6=C(R7R8) 또는 -CR9(R10R11)이고, R2및 R3는 각각 독립적으로 -CaH(2a+1)(여기서 a는 1 내지 5), 페닐, 벤질, 알릴로 이루어진 군에서 선택되며, R4는 수소 또는 -CaH(2a+1)(여기서 a는 1 내지 5)이며, m은 1 내지 5, n은 1 내지 100, x는 1 내지 10, y는 1 내지 50이며 또한, R6, R7, R8, R9, R10, R11은 각각 독립적으로 수소 또는 -CbH(2b+1)(여기서 b는 1 내지 5)임][Wherein, R 1 and R 5 are each independently —C (O) CR 6 ═C (R 7 R 8 ) or —CR 9 (R 10 R 11 ), and R 2 and R 3 are each independently — CaH (2a + 1), where a is 1 to 5, phenyl, benzyl, allyl, R 4 is hydrogen or -CaH (2a + 1), where a is 1 to 5, m Is 1 to 5, n is 1 to 100, x is 1 to 10, y is 1 to 50, and R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 are each independently hydrogen or -CbH (2b + 1), where b is 1 to 5
상술한 바와 같은 조성물을 이용하여 겔형 전해질을 제조하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the process of producing a gel electrolyte using the composition as described above are as follows.
상기 화학식 1로 표시되는 폴리실록산-폴리옥시아킬렌은 다양한 방법에 의해 제조가능하나, 그 일예를 들면, 디하드록시 터미네이트 폴리실록산과 에틸렌 옥사이드를 반응시켜 제조되는 폴리실록산-폴리옥시알킬렌에 아크릴 클로라이드를 반응시켜 제조할 수 있다.The polysiloxane-polyoxyacylene represented by Chemical Formula 1 may be prepared by various methods. For example, acrylic chloride is added to polysiloxane-polyoxyalkylene prepared by reacting dihydroxy terminated polysiloxane with ethylene oxide. Can be prepared by reaction.
상술한 바와 같이 제조한 화학식 1로 표시되는 폴리실록산-폴리옥시알킬렌, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 아크릴레이트, 에톡실레이트드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트를 상술한 바와 같은 비율로 혼합한다. 상술한 바와 같은 비율은 제조되는 리튬 2차 전지의 전기화학적 안정성, 전징의 성능 등을 고려하여 최적으로 선택된 것이다.The polysiloxane-polyoxyalkylene represented by the formula (1) prepared as described above, polyethylene glycol dimethacrylate, polyethylene glycol monomethyl acrylate, ethoxylated trimethylolpropane triacrylate are mixed in the ratio as described above. do. The ratio as described above is optimally selected in consideration of the electrochemical stability of the lithium secondary battery manufactured, the performance of the charging.
이러한 조성물에 벤조페논, 과산화벤조일, 과산화아세틸, 과산화라우로일, 아조비스이소부티로니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 중합개시제를 더 부가할 수 있다.One or more polymerization initiators selected from the group consisting of benzophenone, benzoyl peroxide, acetyl peroxide, lauroyl peroxide and azobisisobutyronitrile may be further added to the composition.
이어서, 상술한 바와 같은 조성물에 리튬염 4 내지 15몰을 함유하는 유기용매를 더 부가하고 교반하여 균일하게 혼합한다.Subsequently, an organic solvent containing 4 to 15 mol of lithium salt is further added to the composition as described above, stirred and mixed uniformly.
다음으로, 이 혼합물을 열중합, 전자 빔 중합 또는 UV 중합방법으로 중합하면 겔형의 전해질을 얻을 수 있다. 열중합하는 경우에는 중합온도는 60 내지 100℃가 바람직하다.Next, a gel electrolyte can be obtained by polymerizing this mixture by thermal polymerization, electron beam polymerization or UV polymerization. In the case of thermal polymerization, the polymerization temperature is preferably 60 to 100 ° C.
본 발명에서 전해액을 구성하는 리튬염과 유기용매는 본 발명이 속하는 기술분야에 널리 알려진 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하나, 리튬염으로는 과염소산 리튬(LiClO4), 사불화붕산 리튬(LiBF4), 육불화인산 리튬(LiPF6), LiAsF6, 삼불화메탄술폰산 리튬(LiCF3SO3) 및 리튬 비스트리플루오로메탄술포닐아미드 (LiN(CF3SO2)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하고, 유기용매로는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 디에틸카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 트리글라임, 테트라글라임, γ-부티로 락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.Lithium salt and organic solvent constituting the electrolyte in the present invention can be used without particular limitation as long as it is widely known in the art to which the present invention belongs, lithium salt perchlorate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), At least one selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), LiAsF 6 , lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ) and lithium bistrifluoromethanesulfonylamide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) Preferably, the organic solvent is at least one selected from the group consisting of propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, methylethyl carbonate, diethyl carbonate, vinylene carbonate, triglyme, tetraglyme, and γ-butyrolactone. desirable.
이하, 상술한 전해액을 포함한 본 발명의 리튬 2차전지의 제조방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing the lithium secondary battery of the present invention including the above-described electrolyte will be described.
먼저, 전극 활물질, 결합제, 도전제 및 용매를 포함하는 전극 활물질 조성물을 이용하여 집전체상에 전극 활물질층을 형성한다. 이 때 전극 활물질층을 형성하는 방법은 전극 활물질 조성물을 집전체상에 직접 코팅하는 방법이나 또는 전극 활물질 조성물을 별도의 지지체 상부에 코팅 및 건조한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻어진 필름을 집전체 상에 라미네이션하는 방법이 있다. 여기에서 지지체는 활물질층을 지지할 수 있는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 구체적인 예로서 마일라 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 등이 있다.First, an electrode active material layer is formed on a current collector using an electrode active material composition containing an electrode active material, a binder, a conductive agent, and a solvent. At this time, the method of forming the electrode active material layer is a method of directly coating the electrode active material composition on the current collector, or by coating and drying the electrode active material composition on a separate support, and peeling from the support, the film obtained on the current collector There is a method of lamination. Herein, the support may be used as long as it can support the active material layer, and specific examples thereof include a mylar film and a polyethylene terephthalate (PET) film.
본 발명의 전극 활물질은 캐소드의 경우에는 LiCoO2등의 리튬 복합 산화물, 애노드의 경우는 카본, 그래파이트 등의 물질이 사용되며, 도전제로는 카본 블랙 등이 사용된다. 여기에서 도전제의 함량은 전극 활물질(예: LiCoO2) 100중량부를 기준으로 하여 1 내지 20 중량부인 것이 바람직하다.In the electrode active material of the present invention, a lithium composite oxide such as LiCoO 2 is used for the cathode, and carbon, graphite, etc. are used for the anode, and carbon black is used as the conductive agent. Herein, the content of the conductive agent is preferably 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the electrode active material (eg, LiCoO 2 ).
상기 결합제로는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(VdF/HFP 코폴리머), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 및 그 혼합물이 사용되며, 그 함량은 전극 활물질 100중량부를 기준으로 하여 5 내지 30 중량부인 것이 바람직하다.As the binder, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (VdF / HFP copolymer), polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate and mixtures thereof are used, and the content thereof is an electrode. It is preferably 5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the active material.
상기 용매로는 통상적인 리튬 2차전지에서 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 구체적인 예로서 아세톤, N-메틸피롤리돈 등이 있다.The solvent may be used as long as it is used in a conventional lithium secondary battery, and specific examples thereof include acetone and N-methylpyrrolidone.
한편, 본 발명의 세퍼레이타는 특별히 제한되지는 않으나, 본 발명에서는 권취하기가 용이한 폴리에틸렌 세퍼레이타, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 삼층 세터레이타를 사용한다.On the other hand, the separator of the present invention is not particularly limited, but in the present invention, a polyethylene separator and a polypropylene / polyethylene / polypropylene three-layer separator that are easy to wind up are used.
상술한 방법에 따라 제조된 캐소드 전극판과 애노드 전극판 사이에 세퍼레이타를 삽입하고, 이를 젤리롤 방식으로 권취하여 된 전극 조립체(도 1)를 만들거나 또는 바이셀 구조의 전극 조립체(도 2)를 만든다. 이어서, 이 전극 조립체를 케이스안에 넣는다.A separator is inserted between the cathode electrode plate and the anode electrode plate manufactured according to the above-described method, and the electrode assembly (FIG. 1) is wound up by winding it in a jellyroll manner, or the electrode assembly of the bi-cell structure (FIG. 2). ) This electrode assembly is then placed in a case.
다음으로는, 하기 화학식 1로 표시되는 폴리실록산-폴리옥시알킬렌 화합물 01 내지 10중량%, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 0.5 내지 50중량%, 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 아크릴레이트 0.4 내지 50중량%, 에톡실레이트드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 0 초과 5 이하의 중량%, 및 리튬염 4 내지 15몰을 함유하는 유기용매 50 내지 97중량%로 이루어진 조성물 또는 벤조페논, 과산화벤조일, 과산화아세틸, 과산화라우로일, 아조비스이소부티로니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 중합개시제를 0.1 내지 2중량% 더 포함하는 조성물을 상기 케이스내로 주입한다.Next, 01 to 10% by weight of the polysiloxane-polyoxyalkylene compound represented by the following formula (1), 0.5 to 50% by weight of polyethylene glycol dimethacrylate, 0.4 to 50% by weight of polyethylene glycol monomethyl acrylate, ethoxylate Detrimethylolpropane triacrylate composition consisting of more than 0% by weight of 5 or less, and 50-97% by weight of organic solvent containing 4-15 mol of lithium salt or benzophenone, benzoyl peroxide, acetyl peroxide, lauroyl peroxide A composition comprising 0.1 to 2% by weight of any one or more polymerization initiators selected from the group consisting of azobisisobutyronitrile is injected into the case.
그 후, 상기 케이스를 밀봉한 다음, 얻어진 결과물을 소정 온도로 조절된 오븐에서 소정시간 방치한다. 이 때 오븐의 온도는 60 내지 100℃ 범위를 유지하도록 조절하는 것이 바람직하다.After that, the case is sealed, and the resultant product is left for a predetermined time in an oven adjusted to a predetermined temperature. At this time, the temperature of the oven is preferably adjusted to maintain the range of 60 to 100 ℃.
상기 반응의 결과물로서 겔형의 전해질을 얻을 수 있다. 이와 같이 전해액이 겔상태로 존재하게 되면 외부로 누출될 가능성이 작으므로 전해액 누출에 따른 전지의 안전성 및 신뢰성 저하를 미연에 예방할 수 있다.As a result of the reaction, a gel electrolyte can be obtained. As such, when the electrolyte is present in a gel state, it is less likely to leak to the outside, thereby preventing a decrease in safety and reliability of the battery due to leakage of the electrolyte.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited only to the following examples.
실시예 1Example 1
아세톤 600㎖에 폴리비닐리덴플루오라이드 15g을 부가하여 볼밀에서 2시간동안 혼합하여 용해하였다. 이 혼합물에 LiCoO2470g과 슈퍼피 15g을 부가한 다음, 이를 5시간동안 혼합하여 캐소드 활물질 조성물을 형성하였다.15 g of polyvinylidene fluoride was added to 600 ml of acetone, and the mixture was dissolved in a ball mill for 2 hours. 470 g of LiCoO 2 and 15 g of SuperP were added to the mixture, which was then mixed for 5 hours to form a cathode active material composition.
상기 캐소드 활물질 조성물을 320㎛ 갭의 닥터 블래이드를 사용하여 두께가 147㎛이고 폭이 4.9cm인 알루미늄 박막상에 코팅 및 건조하여 단위 캐소드 전극판을 만들었다.The cathode active material composition was coated and dried on an aluminum thin film having a thickness of 147 μm and a width of 4.9 cm using a doctor blade having a 320 μm gap to form a unit cathode electrode plate.
한편, 애노드 전극판은 다음 과정에 따라 제조하였다.Meanwhile, the anode electrode plate was manufactured according to the following procedure.
아세톤 600㎖에 폴리비닐리덴플루오라이드 50g을 부가하여 볼밀에서 2시간동안 혼합하여 용해하였다. 이 혼합물에 메조카본파이버(MCF) 449g과 옥살산 1g을 부가한 다음, 이를 5시간동안 혼합하여 애노드 활물질 조성물을 형성하였다.50 g of polyvinylidene fluoride was added to 600 ml of acetone, and the mixture was dissolved in a ball mill for 2 hours. 449 g of mesocarbon fiber (MCF) and 1 g of oxalic acid were added to the mixture, which was then mixed for 5 hours to form an anode active material composition.
상기 애노드 활물질 조성물을 420㎛ 갭의 닥터 블래이드를 사용하여 두께가 178㎛이고 폭이 5.1cm인 구리 박막상에 코팅 및 건조하여 단위 애노드 전극판을 만들었다.The anode active material composition was coated and dried on a copper thin film having a thickness of 178 µm and a width of 5.1 cm using a doctor blade having a gap of 420 µm to form a unit anode electrode plate.
이와 별도로, 세퍼레이타로는 폴리에틸렌 세퍼레이타(Asahi사)를 사용하였고, 이 때 세퍼레이타의 폭은 5.25cm이었고, 두께는 18㎛이었다.Separately, a polyethylene separator (Asahi) was used as the separator, and the separator had a width of 5.25 cm and a thickness of 18 μm.
상기 캐소드 전극판과 애노드 전극판사이에 폴리에틸렌 세퍼레이타를 개재한 다음, 이를 젤리롤 방식으로 권취하여 전극 조립체를 만들었다. 이 전극 조립체를 파우치안에 넣었다.The polyethylene separator was interposed between the cathode electrode plate and the anode electrode plate, and then wound in a jellyroll manner to form an electrode assembly. This electrode assembly was placed in a pouch.
한편, 화학식 1로 표시되는 폴리실록산-폴리옥시알킬렌 화합물 0.2g, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 1.8g, 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 아크릴레이트 1g, 에톡실레이트드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 0.05g, 아조비스이소부티로니트릴 0.01g과 1M의 LiPF6을 포함하며, EC/DMC/DEC가 3:3:1의 용량비로 혼합된 용액 30g과 혼합하여 겔형 전해질 제조용 조성물을 제조하였다. 이 조성물 3g을 상기 과정에 따라 얻어진 파우치 전지에 주입하고 나서, 이를 밀봉하였다. 이어서, 결과물을 80℃로 조절된 오븐에서 4시간동안 방치함으로써 리튬 2차전지를 완성하였다.Meanwhile, 0.2 g of the polysiloxane-polyoxyalkylene compound represented by the formula (1), 1.8 g of polyethylene glycol dimethacrylate, 1 g of polyethylene glycol monomethyl acrylate, 0.05 g of ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, and azobisiso 0.01 g of butyronitrile and 1 M of LiPF 6 were mixed, and EC / DMC / DEC was mixed with 30 g of a solution mixed at a volume ratio of 3: 3: 1 to prepare a gel electrolyte composition. 3 g of this composition was injected into the pouch cell obtained according to the above procedure, and then sealed. Subsequently, the resultant was allowed to stand for 4 hours in an oven controlled at 80 ° C. to complete a lithium secondary battery.
실시예 2Example 2
아세톤 600㎖에 폴리비닐리덴플루오라이드 15g을 부가하여 볼밀에서 2시간동안 혼합하여 용해하였다. 이 혼합물에 LiCoO2470g과 슈퍼피 15g을 부가한 다음, 이를 5시간동안 혼합하여 캐소드 활물질 조성물을 형성하였다.15 g of polyvinylidene fluoride was added to 600 ml of acetone, and the mixture was dissolved in a ball mill for 2 hours. 470 g of LiCoO 2 and 15 g of SuperP were added to the mixture, which was then mixed for 5 hours to form a cathode active material composition.
상기 캐소드 활물질 조성물을 320㎛ 갭의 닥터 블래이드를 사용하여 두께가 147㎛이고 폭이 4.9cm인 알루미늄 박막상에 코팅 및 건조하여 단위 캐소드 전극판을 만들었다.The cathode active material composition was coated and dried on an aluminum thin film having a thickness of 147 μm and a width of 4.9 cm using a doctor blade having a 320 μm gap to form a unit cathode electrode plate.
다음으로, 화학식 1로 표시되는 폴리실록산-폴리옥시알킬렌 화합물 0.2g, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 1.8g, 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 아크릴레이트 1g, 에톡실레이트드 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 0.05g, 벤조페논 0.01g과 1M의 LiPF6을 포함하며, EC/DMC/DEC가 3:3:1의 용량비로 혼합된 용액 30g과 혼합하여 겔형 전해질 제조용 조성물을 제조하였다. 이 조성물을 상기에서 제조한 캐소드 전극판에 닥터 블레드를 이용하여 캐스팅한 후 UV를 조사하여 경화시켰다.Next, 0.2 g of the polysiloxane-polyoxyalkylene compound represented by the formula (1), 1.8 g of polyethylene glycol dimethacrylate, 1 g of polyethylene glycol monomethyl acrylate, 0.05 g of ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, and benzophenone 0.01 g and 1 M of LiPF 6 were mixed and EC / DMC / DEC was mixed with 30 g of a solution mixed at a volume ratio of 3: 3: 1 to prepare a gel electrolyte composition. The composition was cast on the cathode electrode plate prepared above using a doctor blade and then cured by UV irradiation.
한편, 애노드 전극판은 다음 과정에 따라 제조하였다.Meanwhile, the anode electrode plate was manufactured according to the following procedure.
아세톤 600㎖에 폴리비닐리덴플루오라이드 50g을 부가하여 볼밀에서 2시간동안 혼합하여 용해하였다. 이 혼합물에 메조카본파이버(MCF) 449g과 옥살산 1g을 부가한 다음, 이를 5시간동안 혼합하여 애노드 활물질 조성물을 형성하였다.50 g of polyvinylidene fluoride was added to 600 ml of acetone, and the mixture was dissolved in a ball mill for 2 hours. 449 g of mesocarbon fiber (MCF) and 1 g of oxalic acid were added to the mixture, which was then mixed for 5 hours to form an anode active material composition.
상기 애노드 활물질 조성물을 420㎛ 갭의 닥터 블래이드를 사용하여 두께가 178㎛이고 폭이 5.1cm인 구리 박막상에 코팅 및 건조하여 단위 애노드 전극판을 만들었다.The anode active material composition was coated and dried on a copper thin film having a thickness of 178 µm and a width of 5.1 cm using a doctor blade having a gap of 420 µm to form a unit anode electrode plate.
이와 별도로, 세퍼레이타로는 폴리에틸렌 세퍼레이타(Asahi사)를 사용하였고, 이 때 세퍼레이타의 폭은 5.25cm이었고, 두께는 18㎛이었다.Separately, a polyethylene separator (Asahi) was used as the separator, and the separator had a width of 5.25 cm and a thickness of 18 μm.
상기 겔형 전해질이 형성되어 있는 캐소드 전극판과 애노드 전극판사이에 폴리에틸렌 세퍼레이타를 개재한 다음, 이를 젤리롤 방식으로 권취하여 전극 조립체를 만들었다. 이 전극 조립체를 파우치안에 넣어 리튬 2차 전지를 완성하였다.The polyethylene separator was interposed between the cathode electrode plate and the anode electrode plate on which the gel electrolyte was formed, and then wound in a jelly roll manner to form an electrode assembly. This electrode assembly was placed in a pouch to complete a lithium secondary battery.
실시예 3Example 3
겔형 전해질을 제조하기 위한 조성물을 캐소드 전극판 대신에 애노드 전극판에 캐스팅한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 리튬 2차전지를 완성하였다.A lithium secondary battery was completed in the same manner as in Example 4 except that the composition for preparing the gel electrolyte was cast on the anode electrode plate instead of the cathode electrode plate.
실시예 4Example 4
겔형 전해질을 제조하기 위한 조성물을 캐소드 전극판과 애노드 전극판 모두에 캐스팅한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 리튬 2차전지를 완성하였다.A lithium secondary battery was completed in the same manner as in Example 4 except that the composition for preparing the gel electrolyte was cast on both the cathode electrode plate and the anode electrode plate.
비교예Comparative example
전해액으로서, 1.15M 1M LiPF6EC:DMC:DEC(3:3:4) 용액(UBE사)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 리튬 2차전지를 완성하였다.A lithium secondary battery was completed in the same manner as in Example 1 except that a 1.15 M 1 M LiPF 6 EC: DMC: DEC (3: 3: 4) solution (UBE) was used as the electrolyte.
상기 실시예 1-4 및 비교예에 따라 제조된 리튬 2차전지에 있어서, 전지의 신뢰성 및 안전성을 평가하였다. 여기에서 전지의 신뢰성 평가 방법은 전지 수명에 따르고, 안전성 평가 방법은 관통에 의하여 실시하였다.In the lithium secondary battery manufactured according to Examples 1-4 and Comparative Examples, the reliability and safety of the battery were evaluated. Here, the battery reliability evaluation method was followed by battery life, and the safety evaluation method was implemented by penetration.
평가 결과, 실시예 1-4 리튬 2차전지는 비교예의 경우와 비교하여 신뢰성과 안전성이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 이는 실시예 1-4의 리튬 2차전지는 액상의 전해액을 사용하는 비교예의 경우와 비교하여 겔상태의 전해액의 사용으로 전해액이 외부로 누출되거나 전해액에 의하여 전극 조립체나 파우치가 부푸는 현상이 없기 때문에 이로 인하여 신뢰성과 안전성이 저하될 가능성이 없기 때문이다.As a result of the evaluation, it was found that the lithium secondary battery of Example 1-4 was superior in reliability and safety as compared with the case of the comparative example. This is because the lithium secondary battery of Example 1-4 has no phenomenon that the electrolyte leaks to the outside or the electrode assembly or the pouch is not swollen by the electrolyte compared to the case of the comparative example using the liquid electrolyte. This is because there is no possibility of lowering reliability and safety.
본 발명에 따르면, 전해액에 의한 스웰링 현상을 효과적으로 억제하고 전해액이 외부로 누출될 염려가 없어서 이로 인한 전지의 신뢰성 및 안전성 저하를 미연에 방지할 수 있는 리튬 2차전지를 얻을 수 있다.According to the present invention, it is possible to obtain a lithium secondary battery that can effectively suppress the swelling phenomenon by the electrolyte and prevent the electrolyte from leaking to the outside, thereby preventing the reliability and safety of the battery from being lowered.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
Claims (7)
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