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KR100398744B1 - 전기화학적 성능이 향상된 리튬망간 스피넬 복합산화물의 제조방법 - Google Patents

전기화학적 성능이 향상된 리튬망간 스피넬 복합산화물의 제조방법 Download PDF

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KR100398744B1
KR100398744B1 KR10-2000-0007343A KR20000007343A KR100398744B1 KR 100398744 B1 KR100398744 B1 KR 100398744B1 KR 20000007343 A KR20000007343 A KR 20000007343A KR 100398744 B1 KR100398744 B1 KR 100398744B1
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manganese composite
lithium manganese
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권용훈
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이기영
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 리튬 또는 리튬 이온 2차 전지의 양극 활물질로 사용되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물에 관한 것으로, 특히 실온 이상의 온도에서 수명특성이 향상된 리튬 망간 복합산화물의 제조방법 및 이 제조방법으로 제조된 산화물을 양극 활물질로 사용하는 리튬 또는 리튬 이온 2차 전지에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위하여, 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 제조방법에 있어서, a) 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 제공하는 단계; b) 리튬화합물과 망간화합물을 혼합하는 단계; c) 상기 b)단계의 혼합물을 a)단계의 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물에 피복하는 단계; 및 d) 상기 c)단계의 피복된 리튬 망간 복합산화물을 소성하는 단계를 포함하는 리튬 망간 복합산화물의 제조방법 및 이 제조방법으로 제조된 리튬 망간 복합산화물을 양극 활물질로 사용하는 리튬 또는 리튬 이온 2차 전지를 제공한다.
본 발명의 방법으로 새로운 리튬 망간 스피넬 상을 표면층에 형성시킨 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 양극 활물질로 사용한 리튬 또는 리튬이온 2차 전지는 실온 이상의 고온에서 용량의 감소가 적으면서도 수명특성이 우수하다.

Description

전기화학적 성능이 향상된 리튬망간 스피넬 복합산화물의 제조방법{METHOD FOR PREPARING LITHIUM MANGANESE SPINEL OXIDE WITH IMPROVED ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE}
[산업상 이용분야]
본 발명은 리튬 또는 리튬 이온 2차 전지의 양극 활물질로 사용되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물에 관한 것으로, 특히 실온 이상의 온도에서 수명특성이 향상된 리튬 망간 복합산화물의 제조방법 및 이 제조방법으로 제조된 산화물을 양극 활물질로 사용하는 리튬 또는 리튬 이온 2차 전지에 관한 것이다.
[종래 기술]
스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물은 4 V(voltage) 전위의 리튬 2차 전지에서 다른 활물질에 비하여 안전성과 가격 측면에서 장점을 가지고 있어서 최근에 많이 연구되고 있는 활물질 중의 하나이다.
그러나 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 리튬 2차 전지의 활물질로 사용할 경우 충방전 싸이클(cycle)이 진행됨에 따라서 용량의 감소가 진행되며, 특히 40 ℃ 이상의 고온에서는 용량의 감소가 심하게 일어나서 실제적인 응용에 많은 제약을 받고 있다. 이러한 용량 감소의 원인은 여러 가지 종류가 있지만 대표적으로 리튬 망간 복합산화물 내에서 망간(Mn3+)이 하기 반응식 1에서와 같이 불균일 반응에 의해 Mn2+와 Mn4+의 형태로 분해되고, 그 중에서 Mn2+가 전해질로 용출(dissolution)되기 때문이다.
따라서 용량의 감소를 수반하더라도 스피넬 화합물 내에 존재하는 Mn3+의 농도를 줄이는 것이 연구의 초점이 되어 왔다.
대표적인 방법으로는 이종 금속의 도핑(dopping)을 통한 스피넬 구조의 안정화, 스피넬 입자 표면에 이종 화합물의 코팅 등이 있다. 그러나 이와 같은 방법들은 수명특성을 향상시킬 수는 있으나 스피넬 화합물의 용량이 Mn3+의 농도에 비례하기 때문에 결과적으로 스피넬 화합물의 초기용량 감소를 초래한다.
다른 방법으로 미국특허 제5,773,685호에 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3등의 화합물을 리튬 망간 복합산화물에 코팅한 결과, 60 ℃에서 충전상태로 숙성(storage)시켜도 자가 방전(self-discharge)이 낮을 뿐만 아니라 스피넬 화합물의 상온 수명특성도 향상된다고 하였다. 그러나 이 방법은 고온에서의 수명특성에 대해서는 언급하지 않았다.
또 다른 방법으로, Mn2+의 용출을 억제하기 위하여 MgO, CaO, BaO, SiO2와 같은 첨가제를 사용하여 스피넬 표면에서의 산화, 환원 반응을 억제하는 방법이 있는데, 스피넬 입자의 표면에 흡착되어 있거나 전해질에 불순물의 형태로 존재하면서 Mn2+의 용출을 조장하는 수분(H2O)을 제거하여 망간의 용출을 억제하는 것이다. 그러나 이러한 방법은 첨가되는 산화물들이 무게 당 부피가 크기 때문에 스피넬을 이용하여 양극 극판을 제조할 경우 부피 당 활물질(스피넬)의 양을 감소시켜서 결과적으로 양극 전극의 용량을 감소시키게 되는 문제점이 있다.
또 다른 방법으로 스피넬 화합물의 비표면적을 감소시키는 방법이 있는데, 비표면적을 감소시키기 위해서는 입자의 크기를 증가시켜야 하기 때문에 합성공정에서 장시간의 열처리가 요구되고, 또한 입자가 클 경우에 스피넬 내에서 리튬의확산거리가 증가하여 충방전 과정에서 충방전율(C-rate)을 감소시키게 되는 문제점이 있다.
이외의 방법으로 스피넬 입자의 표면에 리튬에 대한 이온 전도성이 있는 비정질 상을 코팅하는 방법이 있는데, 이 방법은 용량의 감소를 막지 못하며, 고온에서의 수명특성도 향상시키지 못하였다.
따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여, 전지의 양극 활물질로 사용될 때 실온 이상의 온도에서 용량의 감소를 최소화하고, 수명특성을 향상시키는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 제조방법 및 이 제조방법으로 제조되는 리튬 망간 복합산화물을 양극 활물질로 사용하는 리튬 또는 리튬 이온 2차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 기계용융 혼합기(mechanofusion mixer)를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 피복 전, 후에 있어서의 상기 스피넬 화합물의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 2의 고온에서의 전지 수명 특성을 나타낸 그래프이다.
도면부호 1은 혼합챔버(mixing chamber)이며, 2는 챔버벽(chamber wall)이며, 3은 고정축이며, 4는 챔버 회전 방향이며, 5는 열전대이며, 6은 스크레이퍼이며, 7은 외부히터(external heater)이다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 제조방법에 있어서,
a) 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 제공하는 단계;
b) 리튬화합물과 망간화합물을 혼합하는 단계;
c) 상기 b)단계의 혼합물을 a)단계의 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물에
피복하는 단계; 및
d) 상기 c)단계의 피복된 리튬 망간 복합산화물을 소성하는 단계
를 포함하는 리튬 망간 복합산화물의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 활물질로 사용하는 양극을 포함하는 리튬 또는 리튬이온 2차 전지에 있어서, 상기 양극 활물질이
a) 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 제공하는 단계;
b) 리튬화합물과 망간화합물을 혼합하는 단계;
c) 상기 b)단계의 혼합물을 a)단계의 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물에
피복하는 단계; 및
d) 상기 c)단계의 피복된 리튬 망간 복합산화물을 소성하는 단계
를 포함하는 제조방법으로 제조되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물인 리튬 또는 리튬이온 2차 전지를 제공한다.
[작 용]
리튬 망간 복합 산화물은 리튬, 또는 리튬이온 2차 전지의 양극 활물질로 사용될 때 제조되는 열처리 온도, 조성, 분위기 등에 의하여 전지의 용량 및 수명특성이 크게 영향을 받는다. 또한 스피넬의 용량은 스피넬 내에 존재하는 Mn3+의 양에 비례하지만 수명특성은 반비례하는 특징을 갖는다. 일반적으로 실온이상의 고온에서 우수한 수명특성을 나타내는 스피넬 화합물은 용량이 90 내지 110 mAh/g 정도의 값을 나타낸다. 본 발명에서는 수명특성이 우수하지만 용량이 작은 스피넬 상을 다른 리튬 망간 스피넬 입자의 표면에 피복시켜서 전지의 용량의 감소를 최소화하면서도 수명특성을 우수하게 하는 것이다.
이와 같은 수단은 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 입자 표면에 균일하게 혼합된 새로운 조성의 리튬과 망간 화합물의 혼합물을 후막 또는 박막 형태로 피복한 후 적절한 열처리 조건에서 소성하여 새로운 리튬 망간 스피넬 상을 상기 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 표면층에 형성시키는 것이다. 이러한 표면 층의 리튬 망간 스피넬 화합물은 내부의 스피넬 화합물과 동일한 결정학적 구조를 지니기 때문에 열처리 과정에서 구조적으로도 안정한 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 얻을 수 있다. 표면 층에 형성된 스피넬 화합물은 조성이 균일하고 결함이 없는 스피넬이 형성되기 때문에 피복된 스피넬 분말의 고온에서의 수명특성을 향상시킬 수 있다. 또한 실온 이상의 고온에서 수명특성이 우수한 리튬 망간 스피넬 화합물을 피복하므로 이종물질의 코팅이나 도핑에서 나타나는 용량감소의 우려도 없다. 결과적으로 용량과 수명특성을 모두 향상시킨 리튬 망간 스피넬 화합물을 얻을 수 있는 것이다.
상기 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 표면에 리튬화합물과 망간화합물의 혼합물을 피복하는 방법은 기계적인 힘과 열에너지를 이용하는 것이 바람직하다. 특히 기계적 에너지에 의한 전단 응력은 피복재료를 피복시키고, 열에너지는 피복재료의 점도를 감소시켜 피복성을 향상시킨다.
본 발명은 상기 피복 효과를 향상시키기 위하여 기계용융 혼합기(mechanofusion mixer)라는 표면코팅 장치를 사용하였다. 이 장치는 입자에 전단응력, 압축응력, 회전력 등의 기계적인 힘과 외부에서 열을 가하여 온도를 조절할 수 있는 장점을 갖고 있다. 도 1은 이러한 기계응용 혼합기의 구체적인 작동원리를 모식적으로 나타낸 것이다.
스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물(Li1.03Mn1.97O4.02)의 표면에 리튬화합물과 망간화합물의 혼합물을 피복하는 방법은 먼저 리튬화합물과 망간화합물을 균일하게 혼합하는 것이 필요하다. 이러한 혼합은 리튬화합물 분말과 망간화합물 분말을 물, 알코올 등과 같은 수용액 또는 유기용제의 용매에 용해 또는 분산시켜 혼합한 후 건조시키면 보다 균일한 리튬화합물과 망간화합물의 혼합물을 제조할 수 있다. 이때의 조성은 Li와 Mn의 몰비를 0.5∼2.0 : 1.0 으로 혼합하는 것이 바람직하다. 사용가능한 리튬화합물은 LiOH, LiOH·H2O, LiCH3COO, LiCHO2, LiCHO2·H2O, Li2CO3, LiNO3등으로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택할 수 있으며, 사용가능한 망간화합물은 MnO2, Mn2O3, Mn3O4, Mn(CH3COO)2, Mn(CHO2)2, Mn(NO3)2, MnSO4, MnCO3등으로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택할 수 있다.
이러한 리튬화합물과 망간화합물의 혼합물은 피복하고자 하는 리튬 망간 복합산화물 100 중량부에 대하여 2 내지 30 중량부를 투입하여 혼합한다. 이 투입량은 피복하고자 하는 리튬화합물과 망간화합물의 혼합물 조성과 원료 종류에 따라서 이 범위 내에서 조정된다. 리튬화합물과 망간화합물의 혼합물과 리튬 망간 복합산화물을 혼합한 후 상기에서 설명한 기계용융 혼합기에 투입하여 피복한다. 피복은 200 ℃ 이하의 온도에서 10 내지 120 분 동안 실시되는 것이 바람직하다.
상기에서 피복이 완료된 후 피복된 스피넬을 400 내지 800 ℃의 온도에서 가스를 흘리면서 1 내지 30 시간 동안 열처리하여 스피넬의 표면에 새로운 상의 스피넬을 형성시킨다. 여기에서 사용되는 가스는 공기 또는 산소함량이 10 부피% 이상인 혼합가스이며, 유량은 무게·시간당으로 0.05 내지 3.0 ℓ/gh가 바람직하다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것이 아니다.
[실시예]
실시예 1
(리튬화합물과 망간화합물의 혼합물 제조)
피복재료로 리튬화합물과 망간화합물의 혼합물을 제조하기 위하여 리튬화합물로 LiOH·H2O와 망간화합물로 Mn(CH3COO)2를 사용하고, 이들의 Li와 Mn의 몰비를 1.1 : 2로 하여 무수 알콜에 용해한 후 30 분 이상 교반하여 균일한 혼합용액을 제조하고, 이 혼합용액을 건조 오븐에서 건조하여 균일한 혼합물 분체를 제조하였다.
(피복)
스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물(Li1.03Mn1.97O4.02) 100 중량부에 상기에서 제조된 혼합물 8 중량부의 비율로 기계용융 혼합기에 투입하고, 100 ℃의 온도로 30 분간 피복을 실시하였다.
(열처리)
상기에서 피복된 스피넬을 튜브형(tube type) 전기로에서 480 ℃의 온도로 공기를 0.1 ℓ/gh의 유량으로 흘리면서 10 시간 동안 열처리하였다.
도 2는 피복 전, 후에 있어서의 상기 스피넬 화합물의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
(양극 활물질 적용 및 전지 특성 평가)
상기에서 피복된 리튬 망간 스피넬 복합산화물 분말을 활물질로 사용하여 전극을 제조하였다.
도전체로 흑연(graphite), 결합제로 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVdF; polyvinylidenedifluoride)를 사용하였으며, 이러한 활물질, 도전체, 결합제를 중량비로 85 : 10 : 5의 비율로 하고, 먼저 결합제를 NMP(n-methyl pyrrolidinone) 용매에 용해시킨 후 활물질과 도전제를 첨가하여 슬러리를 제조하였다.
얻은 슬러리를 알루미늄 호일에 테이프 캐스팅(tape casting) 방법으로 코팅한 후, 130 ℃의 진공 건조기에서 2 시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다.
음극으로 리튬 금속을 사용하고, 상기 양극과 음극을 적당한 크리로 자른 후 단추 형태의 셀(coin cell)을 제조하였다. 이때 사용한 전해질은 LiPF61 몰 용액이며, 전해액은 에틸렌카보네이트(EC; ethylene carbonate)와 에틸메틸 카보네이트(EMC; ethylmethyl carbonate)가 몰비 1 : 2의 비율로 혼합된 용액을 사용하였다.
얻어진 셀은 [LiMn2O4/LiPF6(1 M) in EC+2EMC/Li]로 표시되며, 이 셀을 충방전 특성과 수명특성으로 평가하였다. 이때의 충방전 전압의 범위는 용량을 평가할 경우 3.0∼4.5 V로, 수명특성을 평가할 경우 3.4∼4.3 V의 범위에서 실시하였다.
표 1과 도 3에 각각 45 ℃에서의 충방전 특성과 45 ℃에서의 수명특성을 나타내었다.
실시예 2
열처리시 피복된 리튬 망간 복합산화물을 750 ℃의 온도에서 공기의 유량을 0.1ℓ/gh로 하여 5 시간 동안 열처리하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 피복 리튬 망간 복합산화물을 제조하였다.
또한 실시예 1과 동일한 방법으로 상기에서 제조된 리튬 망간 복합산화물을 양극 활물질로 사용하여 전지를 제조하고, 그 용량 및 수명특성을 평가하였다.
표 1과 도 3에 각각 45 ℃에서의 충방전 특성과 45 ℃에서의 수명특성을 나타내었다.
실시예 3
리튬화합물과 망간화합물의 혼합물 제조에서 Li와 Mn의 몰비를 1 : 1로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 피복 리튬 망간 복합산화물을 제조하였다.
또한 실시예 1과 동일한 방법으로 상기에서 제조된 리튬 망간 복합산화물을 양극 활물질로 사용하여 전지를 제조하고, 그 용량 및 수명특성을 평가하였다.
표 1과 도 3에 각각 45 ℃에서의 충방전 특성과 45 ℃에서의 수명특성을 나타내었다.
비교예 1
리튬화합물과 망간화합물의 혼합물로 피복하지 않은 리튬 망간 복합산화물을 상기 실시예 1의 열처리 방법과 동일한 조건으로 열처리를 실시하였다.
또한 실시예 1과 동일한 방법으로 상기에서 제조된 리튬 망간 복합산화물을 양극 활물질로 사용하여 전지를 제조하고, 그 용량 및 수명특성을 평가하였다.
표 1과 도 3에 각각 45 ℃에서의 충방전 특성과 45 ℃에서의 수명특성을 나타내었다.
비교예 2
리튬화합물로 LiCH3COO와 망간화합물로 Mn(CH3COO)2를 Li와 Mn의 몰비를 0.538 : 1로 하여 혼합한 후, 480 ℃의 온도에서 10 시간 동안 공기를 0.1 ℓ/gh의 유량으로 흘리는 공기 분위기에서 열처리하고, 반응을 촉진시키기 위하여 냉각시키고 재혼합을 충분하게 한 후, 700 ℃의 온도에서 20 시간 동안 공기를 0.1 ℓ/gh의 유량으로 흘리는 공기 분위기에서 반응시켜 스피넬 분말을 합성하였다.
얻어진 리튬 망간 스피넬 화합물은 Li1.05Mn1.95O4이다.
이 화합물을 실시예 1과 동일한 방법으로 상기에서 제조된 리튬 망간 복합산화물을 양극 활물질로 사용하여 전지를 제조하고, 그 용량 및 수명특성을 평가하였다. 표 1과 도 3에 각각 45 ℃에서의 충방전 특성과 45 ℃에서의 수명특성을 나타내었다.
구 분 초기 용량(mAh/g) 10 싸이클 후 용량(mAh/g)
충전용량 방전용량 충전용량 방전용량
실시예 1 132 129 126 125
실시예 2 130 128 125 124
실시예 3 127 126 124 123
비교예 1 134 130 118 116
비교예 2 134 130 118 116
본 발명의 방법으로 새로운 리튬 망간 스피넬 상을 표면층에 형성시킨 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 양극 활물질로 사용한 리튬 또는 리튬이온 2차 전지는 실온 이상의 고온에서 용량의 감소가 적으면서도 수명특성이 우수하다.

Claims (8)

  1. a) 스피넬 구조의 제1 리튬 망간 복합산화물을 제공하는 단계;
    b) 상기 제1 리튬 망간 복합산화물 보다 용량이 작은 스피넬 구조의 제2 리튬 망간 복합산화물을 제공하기 위한 Li/Mn의 몰비로 리튬화합물과 망간화합물을 혼합하는 단계;
    c) 상기 b)단계의 혼합물을 a)단계의 제1 리튬 망간 복합산화물에 피복하는 단계; 및
    d) 상기 c)단계의 피복된 리튬 망간 복합산화물을 소성하여 제1 리튬 망간 복합산화물 상에 이 보다 용량이 작은 스피넬 구조의 제2 리튬 망간 복합산화물이 피복된 리튬 망간 복합 산화물을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 b)단계의 리튬화합물은 LiOH, LiOH·H2O, LiCH3COO, LiCHO, LiCHO·H2O, 및 LiNO3로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되고, 망간화합물은 MnO2, Mn2O3, Mn3O4, Mn(CH3COO)2, Mn(CHO2)2, Mn(NO3)2, MnSO4, 및 MnCO3로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되고,
    상기 b)단계의 리튬화합물과 망간화합물의 혼합비가 Li와 Mn의 몰비로 0.5∼2.0 : 1.0 인 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 b)단계의 리튬화합물과 망간화합물의 혼합이 용매에 리튬화합물 분말과 망간화합물 분말을 분산, 또는 용해시킨 후 용매를 제거하여 혼합물을 제조하는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 c)단계의 피복이 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물 100 중량부에 혼합물 2 내지 30 중량부를 기계 용융 혼합기에 투입하고, 200 ℃ 이하의 온도에서 10 내지 120 분 동안 혼합하는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 d)단계의 소성은 400∼800 ℃의 소성온도, 1∼30 시간의 소성시간, 및 공기 또는 산소함량이 10 부피% 이상인 혼합가스를 0.05 내지 3.0 ℓ/gh의 유량으로 흘려주는 소성분위기 하에 소성시키는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 제조방법.
  7. 스피넬 구조의 제1 리튬 망간 복합산화물; 및 상기 제1 리튬 망간 복합산화물 상에 피복되는 스피넬 구조의 제2 리튬 망간 복합산화물을 포함하고,
    상기 제2 리튬 망간 복합산화물은 상기 제1 리튬 망간 복합산화물 보다 용량이 작은 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 제공하는 Li/Mn의 몰비를 갖으며, 제2 리튬 망간 복합산화물 내 Li와 Mn의 몰비가 0.5∼2.0 : 1.0 인 것이 특징인 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물.
  8. 제7항에 기재된 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물을 활물질로 포함하는 양극을 사용하는 리튬 또는 리튬이온 2차 전지.
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