KR101064791B1 - Mixed electrode active material and secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 a)충방전 프로파일 상에서 평탄전위 구간을 가지는 제 1전극 활물질; 및 b)작동전위 영역 내에 상기 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간을 포함하고, 작동전위의 전 영역에서 충방전 프로파일이 음 또는 양의 기울기를 가지는 제 2 전극 활물질을 포함하는 혼합 전극 활물질로서, 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간 이후의 충방전 프로파일이 제 2전극 활물질의 프로파일에 의해 보상되어 평탄전위 구간 이후 프로파일의 평균 기울기의 절대값이 0.05 V·g/mAh 이하가 되도록 조절된 것이 특징인 혼합 전극 활물질, 그 제조방법, 상기 전극 활물질을 포함하는 전극, 및 상기 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다. 본 발명은 a)충방전 프로파일 상 평탄전위를 가지는 제 1전극 활물질과 b)작동전위 영역 내에 상기 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간을 포함하고, 작동전위의 전 영역에서 충방전 프로파일이 음 또는 양의 기울기를 가지는 제 2 전극 활물질을 적절히 혼합한 전극 활물질을 이차전지에 사용함으로써, 평탄전위를 가지는 전극 활물질의 장점을 살리면서도, 충방전 말기의 충방전 상태를 용이하게 측정할 수 있는 이차전지를 제공할 수 있다. The present invention a) a first electrode active material having a flat potential section on the charge and discharge profile; And b) a second electrode active material including a flat potential section of the first electrode active material in an operating potential region, wherein the charge / discharge profile has a negative or positive slope in the entire region of the operating potential. The charging and discharging profile after the flat potential section of the first electrode active material is compensated by the profile of the second electrode active material so that the absolute value of the average slope of the profile after the flat potential section is adjusted to be 0.05 V · g / mAh or less. An electrode active material, a method of manufacturing the same, an electrode including the electrode active material, and a secondary battery including the electrode are provided. The present invention includes a) a first electrode active material having a flat potential on a charge and discharge profile, and b) a flat potential section of the first electrode active material in an operating potential region, wherein the charge and discharge profile is negative or positive in all regions of the operating potential. By using an electrode active material in which the second electrode active material having an inclination appropriately mixed therein for the secondary battery, a secondary battery capable of easily measuring the charge / discharge state at the end of charge / discharge, while utilizing the advantages of the electrode active material having a flat potential, Can provide.
충방전 상태, 평탄전위, 전극 활물질, 이차전지 State of charge and discharge, flat potential, electrode active material, secondary battery
Description
본 발명은 충방전 프로파일이 서로 상이한 2종의 전극 활물질이 혼합된 전극 활물질에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode active material in which two kinds of electrode active materials having different charge and discharge profiles are mixed.
최근, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 휴대용 기기의 발전에 따라 Ni-수소(Ni-MH) 2차전지나 리튬 2차전지 등의 소형2차전지에 대한 수요가 높아지고 있다. 특히, 리튬과 비수용매 전해액을 사용하는 리튬2차전지는 소형, 경량 및 고에너지 밀도의 전지를 실현할 수 있는 가능성이 높아 활발하게 개발되고 있다. 일반적으로 리튬 2차전지의 양극(cathode)재료로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등의 전이금속산화물이 사용되며, 음극(anode)재료로는 리튬(Lithium)금속 또는 탄소(Carbon)등이 사용되고, 두 전극사이에 전해질로서 리튬이온이 함유되어 있는 유기용매를 사용하여 리튬 2차전지가 구성된다. Recently, with the development of portable devices such as mobile phones, notebook computers, camcorders, and the like, demand for small secondary batteries such as Ni-MH (Ni-MH) secondary batteries and lithium secondary batteries is increasing. In particular, lithium secondary batteries using lithium and nonaqueous electrolytes have been actively developed due to the high possibility of realizing small, lightweight and high energy density batteries. Generally, transition metal oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 are used as cathode materials of lithium secondary batteries, and lithium metal or carbon as anode materials. And the like, and a lithium secondary battery is constructed by using an organic solvent containing lithium ions as an electrolyte between two electrodes.
LiCoO2은 1980년에 리튬 2차전지의 양극활물질로서 유용한 것으로 보고된 이래 현재까지 많은 연구가 이루어져 왔으며, 상용화된 리튬2차전지에 양극활물질로 채 용되어 왔다. 그러나, 코발트(Co)원소는 지구상에서 희소한 자원 중의 하나이므로, 이를 대신할 새로운 양극활물질의 개발이 진행되고 있다. 특히 LiFePO4는 체적밀도가 3.6g/cm2로 크고, 3.4V의 고전위를 발생하며, 이론용량도 170mAh/g으로 크다는 특징이 있다. 그리고, Fe는 자원이 풍부하고 저가로서 저렴한 가격으로 제조 가능하며, LiFePO4는 초기상태에서 전기화학적으로 탈리 가능한 Li을 Fe원자 1개당 1개씩 포함하고 있기 때문에 LiCoO2를 대신할 새로운 리튬2차전지의 양극활물질로 기대가 크다. 또한, LiFePO4의 Fe대신에 전이금속으로 치환된 LiMPO4도 알려져 있는데, 흥미로운 것은 M의 종류에 따라 Li대비 전위가 다양하게 변화할 수 있다는 것이다. LiCoO 2 has been reported to be useful as a cathode active material for lithium secondary batteries in 1980, and many studies have been conducted to date, and have been employed as a cathode active material for commercialized lithium secondary batteries. However, cobalt (Co) element is one of the scarce resources on the planet, so the development of a new cathode active material to replace it. In particular, LiFePO 4 has a large volume density of 3.6 g / cm 2 , generates a high potential of 3.4 V, and a theoretical capacity of 170 mAh / g. In addition, Fe is abundant in resources and can be manufactured at low cost and LiFePO 4 is a new lithium secondary battery that replaces LiCoO 2 since LiFePO 4 contains one electrochemically detachable Li per Fe atom. Is expected to be a positive electrode active material. In addition, LiMPO 4 which is substituted with a transition metal instead of Fe of LiFePO 4 is also known. It is interesting that the potential of Li can be varied in various ways depending on the type of M.
일반식 LixMPO4 (M은 Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Cr, V, Mo, Ti, Al, Nb, B, Ga중의 1종이상, 0.05≤x≤1.2)로 표시되는 화합물은 올리빈형 결정구조를 가지고 있으며, 충방전에 수반하는 결정구조 변화가 작기 때문에 사이클특성이 우수하다. 또한, 결정중의 산소원자가 인과의 공유결합에 의하여 안정하게 존재하기 때문에 전지가 고온환경에 노출되는 경우에도 산소 방출의 가능성이 작고 안전성이 우수하다는 장점이 있다. General formula Li x MPO 4 (M is at least one of Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Cr, V, Mo, Ti, Al, Nb, B, Ga, 0.05≤x≤1.2) The compound to be displayed has an olivine-type crystal structure and excellent cycle characteristics because the change in crystal structure accompanying charge and discharge is small. In addition, since oxygen atoms in the crystal are stably present by covalent bonds with phosphorus, there is an advantage that the possibility of oxygen emission is small and the safety is excellent even when the battery is exposed to a high temperature environment.
그러나, LixMPO4를 양극 활물질로 하여 이차전지를 제작할 경우, 충방전에 따른 전위의 프로파일(profile)이 매우 평탄한 특성을 가지고 있어, 충방전 상태(State Of Charge/Discharge)를 측정하기에 곤란한 문제점이 있다. 또한, 이러한 평탄전위에 의한 문제점은 상기의 올리빈형 양극 활물질에만 한정되는 것은 아니 며, 평탄전위가 나타나는 전압대는 다르지만 LiMn2O4계열 또는 LiTi2O4계열의 스피넬 형 활물질에도 나타나므로, 상기의 문제점을 해결할 필요가 있다. However, when fabricating a secondary battery using Li x MPO 4 as a positive electrode active material, the potential profile due to charge and discharge has a very flat characteristic, which makes it difficult to measure state of charge / discharge. There is a problem. In addition, the problem caused by the flat potential is not limited to the olivine-type positive electrode active material, and the voltage band at which the flat potential appears, but also appears in the spinel type active material of LiMn 2 O 4 series or LiTi 2 O 4 series, You need to solve the problem.
본 발명에서는 평탄전위를 가지는 제 1전극 활물질과 평탄전위를 가지지 않는 제 2전극 활물질을 적절히 혼합하는 경우, 평탄전위를 가지는 제 1전극 활물질의 장점을 살리면서도, 충방전 상태를 용이하게 측정할 수 있다는 것을 밝혀 내었다. In the present invention, when the first electrode active material having the flat potential and the second electrode active material having the flat potential are properly mixed, the charge and discharge state can be easily measured while taking advantage of the first electrode active material having the flat potential. It turns out that it is.
이에 본 발명은 평탄전위를 가지는 제 1전극 활물질과 평탄전위를 가지지 않는 제 2전극 활물질이 적절히 혼합된 전극활물질, 그 제조방법, 상기 제 2 전극 활물질에 해당하는 충방전 상태의 인디케이터, 상기 전극 활물질을 포함하는 전극 및 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. Accordingly, the present invention provides an electrode active material in which a first electrode active material having a flat potential and a second electrode active material having a flat potential are appropriately mixed, a method of manufacturing the same, an indicator of a charge / discharge state corresponding to the second electrode active material, and the electrode active material. An object of the present invention is to provide an electrode and a secondary battery.
본 발명은 a)충방전 프로파일 상에서 평탄전위 구간을 가지는 제 1전극 활물질; 및 b)작동전위 영역 내에 상기 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간을 포함하고, 작동전위의 전 영역에서 충방전 프로파일이 음 또는 양의 기울기를 가지는 제 2 전극 활물질을 포함하는 혼합 전극 활물질로서, The present invention a) a first electrode active material having a flat potential section on the charge and discharge profile; And b) a second electrode active material including a flat potential section of the first electrode active material in an operating potential region, wherein the charge / discharge profile has a negative or positive slope in the entire region of the operating potential.
제 1전극 활물질의 평탄전위 구간 이후의 충방전 프로파일이 제 2전극 활물질의 프로파일에 의해 보상되어 평탄전위 구간 이후 프로파일의 평균 기울기의 절대값이 0.05 V·g/mAh 이하가 되도록 조절된 것이 특징인 혼합 전극 활물질을 제공한다.The charge and discharge profile after the flat potential section of the first electrode active material is compensated by the profile of the second electrode active material so that the absolute value of the average slope of the profile after the flat potential section is adjusted to 0.05 V · g / mAh or less. It provides a mixed electrode active material.
또한, 본 발명은 a)충방전 프로파일 상에서 평탄전위 구간을 가지는 제 1전극 활물질; 및 b)작동전위 영역 내에 상기 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간을 포함하 고, 작동전위의 전 영역에서 충방전 프로파일이 음 또는 양의 기울기를 가지는 제 2 전극 활물질을 혼합하는 단계를 포함하는 혼합 전극 활물질의 제조방법으로서, In addition, the present invention a) a first electrode active material having a flat potential section on the charge and discharge profile; And b) mixing a second electrode active material including a flat potential section of the first electrode active material in an operating potential region, and having a negative or positive slope of a charge / discharge profile in an entire region of the operating potential. As a method for producing an electrode active material,
상기 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간 이후의 충방전 프로파일이 제 2전극 활물질의 프로파일에 의해 보상되어 평탄전위 구간 이후 평균 기울기의 절대값이 0.05 V·g/mAh 이하가 되도록 조절된 것이 특징인 혼합 전극 활물질의 제조방법을 제공한다. The charging and discharging profile after the flat potential section of the first electrode active material is compensated by the profile of the second electrode active material so that the absolute value of the average slope after the flat potential section is adjusted to be 0.05 V · g / mAh or less. It provides a method for producing an electrode active material.
그리고, 본 발명은 충방전 프로파일 상에서 평탄전위 구간을 가지는 제 1전극 활물질과 혼합되어 제 2전극 활물질로서 작용할 수 있으며, 작동전위 영역 내에 상기 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간을 포함하고, 작동전위의 전 영역에서 충방전 프로파일이 음 또는 양의 기울기를 가지는, 충방전 상태에 대한 인디케이터 물질로서, The present invention may be mixed with a first electrode active material having a flat potential section on a charge / discharge profile to act as a second electrode active material, and include a flat potential section of the first electrode active material within an operating potential region. An indicator material for a charge / discharge state, in which the charge / discharge profile in all areas has a negative or positive slope,
상기 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간 이후의 충방전 프로파일을 보상함으로써, 평탄전위 구간 이후 평균 기울기의 절대값이 0.035 V·g/mAh 이하가 되도록 조절할 수 있는 충방전 상태의 인디케이터 물질을 제공한다. Compensating the charge-discharge profile after the flat potential section of the first electrode active material, thereby providing an indicator material of the charge-discharge state that can be adjusted so that the absolute value of the average slope after the flat potential section is 0.035 V · g / mAh or less.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 전극활물질을 포함하는 전극 및 이차전지를 제공한다.The present invention also provides an electrode and a secondary battery comprising the electrode active material described above.
본 발명은 a)충방전 프로파일 상 평탄전위를 가지는 제 1전극 활물질과 b)작동전위 영역 내에 상기 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간을 포함하고, 작동전위의 전 영역에서 충방전 프로파일이 음 또는 양의 기울기를 가지는 제 2 전극 활물질을 적 절히 혼합한 전극 활물질을 이차전지에 사용함으로써, 평탄전위를 가지는 전극 활물질의 장점을 살리면서도, 충방전 말기의 충방전 상태를 용이하게 측정할 수 있는 이차전지를 제공할 수 있다. The present invention includes a) a first electrode active material having a flat potential on a charge and discharge profile, and b) a flat potential section of the first electrode active material in an operating potential region, wherein the charge and discharge profile is negative or positive in all regions of the operating potential. A secondary battery capable of easily measuring the charge / discharge state at the end of charge / discharge, while utilizing the advantages of the electrode active material having a flat potential, by using the electrode active material in which the second electrode active material having the slope of Can be provided.
본 발명에서 충방전 상태(State of Charge/Discharge)란, 이차전지에서 전극 활물질의 완전충전 상태를 기준으로 할 때, 충전 또는 방전 가능한 잔여 용량의 정도를 의미한다. In the present invention, the state of charge / discharge refers to a degree of remaining capacity that can be charged or discharged based on the fully charged state of the electrode active material in the secondary battery.
또한, 본 발명에서 평탄전위란, 충방전 프로파일 상에서 충방전의 초기 및/또는 말기를 제외하고 가역용량 영역 중 전극 활물질의 전위가 일정하게 유지되는 영역을 의미하며, 충방전 곡선에서 충방전 프로파일의 기울기의 절대값이 0에 가까운 구간을 의미한다. In addition, in the present invention, the flat potential means a region in which the potential of the electrode active material is kept constant in the reversible capacitance region except for the initial and / or end of charge / discharge on the charge / discharge profile. It means a section in which the absolute value of the slope is close to zero.
충방전상태의 측정방법은 충방전상태에 따른 전압 변화를 측정하여 그에 대한 충방전정도를 인식하는 방법, 전압 및 전류 값을 측정하여 충방전정도를 인식하는 방법 등이 있으나, 충방전 전압 만을 측정하는 방법이 가장 간편한 방법이라고 할 수 있다. 충방전 전압 값을 이용하여 충방전상태를 측정하기 위해서는 충방전 용량과 충방전 전압이 어느 정도 비례하는 모습을 보여야 하는 것이 일반적이나, 평탄전위를 가지는 제 1전극 활물질의 경우, 충방전이 진행되어도 전위가 변화하지 않는 평탄구간을 가지게 되며, 평탄구간 이후에 충방전 전위가 급격히 변화하게 되어 전지의 충전 또는 사용 중에 충방전 정도를 측정하기가 매우 곤란하다.The measuring method of the charge / discharge state includes a method of recognizing the charge / discharge degree by measuring the voltage change according to the charge / discharge state, and a method of recognizing the charge / discharge degree by measuring the voltage and current values, but only measuring the charge / discharge voltage. The easiest way is to do it. In order to measure the charge / discharge state by using the charge / discharge voltage value, the charge / discharge capacity and the charge / discharge voltage should generally be shown to be proportional to each other. It has a flat section where the potential does not change, and the charge / discharge potential rapidly changes after the flat section, and thus it is very difficult to measure the degree of charge / discharge during charging or use of the battery.
따라서, 본 발명에서는 a)충방전 프로파일 상에서 평탄전위 구간을 가지는 제 1전극 활물질; 및 b)작동전위 영역 내에 상기 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간을 포함하고, 작동전위의 전 영역에서 충방전 프로파일이 음 또는 양의 기울기를 가지는 제 2 전극 활물질을 혼합한 전극 활물질을 사용함으로써, 평탄전위를 가지는 제 1전극 활물질을 이차전지의 전극 활물질로 채용한 경우에도 충방전 상태의 측정이 용이하도록 한 것이 특징이다. Therefore, in the present invention, a) a first electrode active material having a flat potential section on the charge-discharge profile; And b) a flat potential section of the first electrode active material in the operating potential region, and using the electrode active material in which the charge and discharge profile is mixed with the second electrode active material having a negative or positive slope in the entire region of the operating potential, Even when the first electrode active material having the flat potential is used as the electrode active material of the secondary battery, the charging and discharging state can be easily measured.
즉, 평탄전위를 가지는 물질 만을 전극 활물질로 사용하는 경우에는 충방전이 진행되더라도 평탄전위 구간에서 전위가 변화하지 않으며, 충방전이 거의 완료되는 시점에서 급격한 전압의 변화를 일으키는 경우가 많으므로, 충방전 전압 값을 이용한 방전 상태의 측정이 어려웠다. 그러나, 본 발명의 제 2전극 활물질을 함께 혼합한 전극 활물질을 사용하는 경우에는 제 1전극활물질의 평탄전위 구간 이후에도 제 2전극 활물질이 충방전에 참여하여 전위의 변화를 보이기 때문에, 충방전 말기에서의 급격한 전위 변화를 피할 수 있다. That is, when only a material having a flat potential is used as the electrode active material, even when charging and discharging proceeds, the potential does not change in the flat potential section, and a sudden change in voltage is often caused when charging and discharging is almost completed. The measurement of the discharge state using the discharge voltage value was difficult. However, in the case of using the electrode active material mixed with the second electrode active material of the present invention, since the second electrode active material participates in charging and discharging even after the flat potential section of the first electrode active material, the potential change is observed. The abrupt change in potential can be avoided.
예컨대 제 1전극 활물질이 3.5V에서 평탄전위를 나타내는 경우, 여기에 3 ~ 4 V 영역에서 일정한 기울기를 갖는 제 2전극 활물질을 혼합하면, 방전의 작용원리는 다음과 같을 수 있다. For example, when the first electrode active material exhibits a flat potential at 3.5V, when the second electrode active material having a constant slope is mixed therein, the action principle of discharge may be as follows.
1) 4V ~ 3.5V : 제 2전극 활물질이 방전에 참여.1) 4V to 3.5V: The second electrode active material participates in the discharge.
2) 3.5V : 제 1전극 활물질이 평탄전위 종결시점까지 방전에 참여.2) 3.5V: The first electrode active material participates in the discharge until the end of the flat potential.
3) 3.5V ~ 3V : 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간 이후 제 2전극 활물질이 방전에 참여.3) 3.5V ~ 3V: The second electrode active material participates in the discharge after the flat potential section of the first electrode active material.
따라서, 4V에서 3V까지 전극 활물질을 방전시키는 경우에 3.5V에서 대부분의 방전구간을 보이는 경우라 하더라도 상기의 3)영역에서 전위의 강하를 측정할 수 있으므로, 방전의 정도 및 방전의 종지 시점을 측정하는 것이 가능해지며, 2)영역과 1), 3)영역 간의 충방전 용량비는 제 1전극 활물질과 제 2전극 활물질의 혼합비 및/또는 각 물질의 가역용량 등에 따라 달라질 것이다. Therefore, when the electrode active material is discharged from 4V to 3V, even if most of the discharge section is seen at 3.5V, the drop in potential can be measured in the above 3) area, so the degree of discharge and the end point of discharge are measured. The charging / discharging capacity ratio between the 2) regions and the 1) and 3) regions will vary depending on the mixing ratio of the first electrode active material and the second electrode active material and / or the reversible capacity of each material.
한편, 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간 이후인 상기 3)영역에서는 제 1전극 활물질도 방전에 참여하기는 하지만, 그 전위 강하가 급격하여 충방전 상태의 측정에 기여하기 힘들다. 다만, 제 2전극 활물질이 3)영역에서 함께 방전에 참여하여 충방전 프로파일의 급격한 감소를 보상해 줌으로써, 평탄전위 구간 이후 프로파일의 평균 기울기의 절대값은 0.05 V·g/mAh 이하가 될 수 있다. 상기의 기울기 값은 예컨대 도 1내지 도 4와 같은 충방전곡선으로부터 유추될 수 있으며, 도 1 및 도 3의 (C) 영역과 같이 평탄 전위 이후 구간의 평균 기울기 값에 해당하는 것으로서, 평탄전위를 갖는 제 1전극 활물질의 충방전 프로파일에서 평탄전위 구간 이후 프로파일의 평균 기울기의 절대값보다 작은 것이 바람직하다.On the other hand, in the region 3) after the flat potential section of the first electrode active material, although the first electrode active material also participates in the discharge, its potential drop is sharp, and thus it is difficult to contribute to the measurement of the charged / discharged state. However, since the second electrode active material participates in the discharge together in the region 3) to compensate for the sharp decrease in the charge / discharge profile, the absolute value of the average slope of the profile after the flat potential period may be 0.05 V · g / mAh or less. . The slope value may be inferred from, for example, the charge and discharge curves as shown in FIGS. 1 to 4, and corresponds to the average slope value of the section after the planar potential as shown in regions (C) of FIGS. 1 and 3. It is preferable that the charge and discharge profile of the first electrode active material is smaller than the absolute value of the average slope of the profile after the flat potential section.
본 발명에서 평균 기울기란, 충방전 프로파일이 직선 형태가 아니므로 실제 프로파일의 기울기를 나타낼 수 없음을 감안한 값으로서, 설정된 충방전 구간에서 (전위의 변화량 / 가역용량의 변화량)을 나타내는 것이다. In the present invention, the average inclination is a value in consideration of the fact that the inclination of the actual profile cannot be represented since the charge / discharge profile is not a straight line, and represents the change amount of potential / change in reversible capacity in the set charge / discharge interval.
본 발명에 있어서, 평탄전위 구간을 가지는 제 1전극활물질은 방전용량 vs. 방전전압 곡선에서 방전전압이 일정한 구간을 갖는 활물질이 될 수 있으며, 그 비제한적인 예로는 LixMPO4 (M은 Fe, Mn, Co, Ni로 구성된 군에서 선택된 1종 이상, 0.05≤x≤1.2), LiMn2 -xNixO4(0≤x≤0.5), LiTi2O4, Li4Ti5O12 등이 있으며, 상기 활물질이 단독으로 사용됨은 물론, 2종 이상의 혼합물로 사용되는 경우에도 마찬가지가 될 수 있다. In the present invention, the first electrode active material having the flat potential section has a discharge capacity vs. The discharge voltage may be an active material having a constant discharge voltage in the curve, non-limiting examples of Li x MPO 4 (M is at least one selected from the group consisting of Fe, Mn, Co, Ni, 0.05≤x≤ 1.2), LiMn 2 -x Ni x O 4 (0≤x≤0.5), LiTi 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12 And the like , as well as the active material is used as a mixture of two or more The same may be the case.
전극 활물질이 평탄전위를 갖는 이유는 충방전시 리튬이 삽입/탈리되면서 구조의 변화가 거의 없는 경우이거나 또는 충방전시 1상(1-phase) 반응이 아닌 2상(2-phase)반응을 하는 경우에 많이 나타나게 되며, 본 발명은 상기의 예에 한정하지 않고, 상기와 같은 이유에 의하여 평탄전위를 보이는 전극 활물질인 경우라면 어느 것이나 본 발명의 범위에 해당될 수 있다. The reason why the electrode active material has a flat potential is that when lithium is inserted / deleted during charging and discharging, there is almost no change in structure, or during charging or discharging, a two-phase reaction is performed instead of a one-phase reaction. In many cases, the present invention is not limited to the above examples, and any of the electrode active materials exhibiting a flat potential for the same reason may fall within the scope of the present invention.
본 발명의 제 2전극 활물질은 충방전상태의 인디케이터로서 작용할 수있으며, 충방전에 따른 전위의 변화가 충방전 전구간에 걸쳐 지속적으로 나타나기 때문에, 평탄전압을 가지는 제 1전극 활물질에 혼합됨으로써, 충방전 상태의 측정을 용이하게 해주는 역할을 하는 것으로서, 리튬의 삽입, 탈리에 의해 가역적인 전기화학적 용량을 가지며, 충방전에 따른 전위 변화가 방전 전구간에 걸쳐 지속적으로 나타나는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용 가능하다. 제 2전극 활물질의 비제한적인 예는 LiNixMnyCo1 -x- yO2 (0≤x≤1, 0≤y≤1), Li2Ti3O7, TiO2 등이 될 수 있으며, 상기 물질이 단독으로 사용되거나, 또는 2종 이상의 혼합물로 사용될 수도 있다. The second electrode active material of the present invention can act as an indicator in the state of charge and discharge, and since the change in potential due to charge and discharge is continuously shown throughout the charge and discharge period, it is mixed with the first electrode active material having a flat voltage, thereby charging and discharging It serves to facilitate the measurement of the state, and has a reversible electrochemical capacity by insertion and desorption of lithium, and can be used without particular limitation as long as the potential change due to charging and discharging continuously appears throughout the discharge period. Non-limiting examples of the second electrode active material may be LiNi x Mn y Co 1 -x- y O 2 (0≤x≤1, 0≤y≤1), Li 2 Ti 3 O 7 , TiO 2, etc. The above materials may be used alone or in a mixture of two or more thereof.
한편, 제 1 전극 활물질(즉, 평탄전위를 가지는 활물질)의 작동전압 범위 특히, 평탄전위 구간은 상기 제 2전극 활물질의 작동전위 영역에 포함되는 것이 바람직하다. On the other hand, the operating voltage range of the first electrode active material (that is, the active material having a flat potential), in particular, the flat potential section is preferably included in the operating potential region of the second electrode active material.
이 때, 제 2 전극 활물질의 작동전위 영역의 상한 및 하한은 제 1전극 활물질의 평탄전압 영역보다 ±0.5V 정도 차이가 나는 것이 바람직하다. 상기의 차이가 너무 작을 경우에는 두 물질 간의 전압차를 구별하기 힘든 경우가 있으므로, 0.5V 정도의 차이를 보이는 것이 좋다.At this time, it is preferable that the upper limit and the lower limit of the operating potential region of the second electrode active material differ by about 0.5V from the flat voltage region of the first electrode active material. If the difference is too small, it may be difficult to distinguish the voltage difference between the two materials, it is good to show a difference of about 0.5V.
예를 들어, LiMnPO4를 제 1전극 활물질로 사용하는 경우, LiMnPO4의 작동 전압 범위는 4.1V부근이므로, 제 2전극 활물질로 바람직한 물질은 작동 전압 범위가 3.5V ~ 4.5 V범위인 LiCoO2등이 가능할 것이다. For example, when LiMnPO 4 is used as the first electrode active material, since the operating voltage range of LiMnPO 4 is around 4.1V, a preferred material for the second electrode active material is LiCoO 2 or the like having an operating voltage range of 3.5V to 4.5V. This will be possible.
한편, 상기 제 2전극 활물질은 평탄전위를 가지는 제 1전극 활물질 100중량부 대비 0.1중량부 ~ 80 중량부의 범위로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 1중량부 ~ 50중량부 범위로 혼합될 수 있고, 제 2전극 활물질이 0.1중량부보다 적게 첨가되는 경우에는 본 발명에 의한 효과를 기대하기 어려우며, 80중량부보다 많이 첨가되는 경우에는 주 활물질인 평탄전압을 가지는 제 1전극활물질의 장점을 살리기 어렵다. 본 발명에 의하는 경우, 평탄전위를 가지는 제 1전극 활물질을 이차전지에 사용하더라고, 제 2전극 활물질과의 혼합에 의해 제 1전극 활물질의 평탄전위 구간 이후에 충방전 프로파일이 적절한 기울기를 가질 수 있게 되므로, 그 때의 충방전 전위를 측정함으로써, 그에 대응되는 충방전 용량을 측정할 수 있으며, 충방전 전위와 충방전 용량의 대응관계는 각각의 충방전 전위에 대해 방전용량을 미리 측정하여 테이블 등으로 작성한 뒤 그로부터 구해질 수 있다. On the other hand, the second electrode active material may be mixed in the range of 0.1 parts by weight to 80 parts by weight relative to 100 parts by weight of the first electrode active material having a flat potential, preferably in the range of 1 part by weight to 50 parts by weight. When the amount of the second electrode active material is less than 0.1 part by weight, it is difficult to expect the effect of the present invention. When the amount of the second electrode active material is added more than 80 parts by weight, it is difficult to take advantage of the first electrode active material having the flat voltage as the main active material. . According to the present invention, even if the first electrode active material having the flat potential is used in the secondary battery, the charge / discharge profile may have an appropriate slope after the flat potential section of the first electrode active material by mixing with the second electrode active material. Therefore, by measuring the charging and discharging potential at that time, it is possible to measure the charging and discharging capacity corresponding thereto, and the correspondence relation between the charging and discharging potential and the charging and discharging capacity is determined by measuring the discharge capacity in advance for each charging and discharging potential. And then you can get it from there.
<전극 및 이차전지의 제조><Production of Electrode and Secondary Battery>
본 발명에 기재된 물질을 전극 활물질로 포함하는 전극은 당업자에게 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있다. 예컨대, 상기 전극은 본 발명에 따라 상기의 물질을 활물질로 사용하는 이외에도 전기 전도성을 주기 위한 도전제와 재료와 집전체 사이에서 접착을 가능하게 해주는 결합제를 추가 사용할 수 있다. An electrode comprising the material described in the present invention as an electrode active material can be prepared by a method known to those skilled in the art. For example, in addition to using the material as an active material according to the present invention, the electrode may further use a conductive agent for providing electrical conductivity and a binder that enables adhesion between the material and the current collector.
상기와 같은 방법으로 제조된 전극 활물질에 대하여 도전제를 1 내지 30 wt% 로, 결합제를 1 내지 10 wt% 로 혼합하여 분산용매에 첨가 및 교반하여 페이스트를 제조한 후, 이를 금속 재료의 집전체에 도포하고 압축한 뒤 건조하여 라미네이트 형상의 전극을 제조할 수 있다. The paste was prepared by adding and stirring a conductive agent to 1 to 30 wt% and a binder to 1 to 10 wt% with respect to the electrode active material prepared by the above method, and then adding the mixture to the dispersion solvent and stirring the mixture. It may be applied to, pressed and dried to prepare a laminate electrode.
도전제는 일반적으로 카본블랙 (carbon black)을 사용한다. 현재 도전제로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열 (쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니 (Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙 (Ketjen Black) EC 계열(아르막 컴퍼니 (Armak Company) 제품), 불칸 (Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼 P (엠엠엠(MMM)사 제품)등이 있다. The conducting agent generally uses carbon black. Products currently marketed as conductive agents include acetylene black series (Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company), Ketjen Black EC series (Armak Company ), Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot Company), and Super P (manufactured by MMM).
상기 결합제의 대표적인 예로는 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVdF) 또는 그 공중합체, 셀룰로오즈(cellulose)등이 있으며, 분산제의 대표적인 예로는 아이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈 (NMP), 아세톤 등이 있다. Representative examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF) or copolymers thereof, cellulose, and the like, and representative examples of the dispersant are isopropyl alcohol and N-methylpyrrolidone. (NMP), acetone and the like.
상기 금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 재료의 페이스트가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어 느 것이라도 사용할 수 있다. 대표적인 예로, 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등의 메쉬 (mesh), 호일 (foil)등이 있다. The current collector of the metal material is a highly conductive metal, and a metal to which the paste of the material can easily adhere can be used as long as it is not reactive in the voltage range of the battery. Representative examples include meshes, foils, and the like, such as aluminum or stainless steel.
또한, 본 발명은 상기 본 발명의 전극을 포함하는 2차 전지를 제공한다. 본 발명의 2차 전지는 당 기술 분야에 알려져 있는 방법을 이용하여 제조할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 양극과 음극 사이에 분리막을 넣고 비수 전해액을 투입하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 전극, 분리막 및 비수 전해액과 필요한 경우 기타의 첨가제는 당 기술 분야에 알려져 있는 것을 사용할 수 있다.The present invention also provides a secondary battery comprising the electrode of the present invention. The secondary battery of the present invention can be produced using a method known in the art, and is not particularly limited. For example, the separator may be placed between the positive electrode and the negative electrode to add a nonaqueous electrolyte. In addition, the electrode, the separator and the nonaqueous electrolyte and, if necessary, other additives, may be those known in the art.
또한, 본 발명의 전지 제조시에는 분리막으로서 다공성 분리막을 사용할 수 있으며, 예컨대 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 다공성 분리막을 사용할 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.In addition, a porous separator may be used as a separator in manufacturing a battery of the present invention, and for example, a polypropylene-based, polyethylene-based, or polyolefin-based porous separator may be used, but is not limited thereto.
본 발명에서 사용할 수 있는 2차 전지의 비수전해액은 환형 카보네이트 및/또는 선형 카보네이트를 포함할 수 있다. 상기 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트 (EC), 프로필렌 카보네이트 (PC), 감마부티로락톤(GBL) 등이 있다. 상기 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트 (DEC), 디메틸 카보네이트 (DMC), 에틸메틸카보네이트 (EMC), 메틸 프로필 카보네이트 (MPC) 등이 있다. 또한, 본 발명의 2차 전지의 비수전해액은 상기 카보네이트 화합물과 함께 리튬염을 포함한다. 리튬염의 구체적인 예로는 LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, 및 LiN(CF3SO2)2 등이 있다.The nonaqueous electrolyte of the secondary battery that can be used in the present invention may include a cyclic carbonate and / or a linear carbonate. Examples of the cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), gamma butyrolactone (GBL), and the like. Examples of the linear carbonates include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), and the like. In addition, the nonaqueous electrolyte of the secondary battery of the present invention contains a lithium salt together with the carbonate compound. Specific examples of lithium salts include LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 .
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 자세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited thereto.
[실시예 1]Example 1
LiMnPO4와 LiCoO2를 50 : 50 의 중량비로 혼합하여 양극 활물질을 제조하였다. 상기 양극 활물질을 활물질 : 도전제 : 바인더의 중량비가 95 : 2.5 : 2.5가 되도록 혼합하고, NMP를 용매로 하여 슬러리를 제조한 후, 상기 슬러리를 Al foil에 도포하여 양극을 제조하였다. 음극에는 Li 금속을 사용하고, 전해액은 1M LiPF6가 용해된 EC/EMC(중량비1:2)를 사용하여 코인형 반전지를 제조하였다. LiMnPO 4 and LiCoO 2 were mixed at a weight ratio of 50:50 to prepare a cathode active material. The positive electrode active material was mixed so that the weight ratio of active material: conductive agent: binder was 95: 2.5: 2.5, a slurry was prepared using NMP as a solvent, and the slurry was coated on Al foil to prepare a positive electrode. Li metal was used for the negative electrode, and an electrolytic solution was prepared using a coin type half- cell using EC / EMC (weight ratio 1: 2) in which 1 M LiPF 6 was dissolved.
도 1에 상기 실시예 1의 코인형 반전지의 충방전 곡선을 나타내었다. 4.0V이상에서는 먼저 LiCoO2가 방전을 개시하며(A구간), 4.0V 부근에 이르면 LiMnPO4가 평탄전위를 나타내면서 방전하는 것을 볼 수 있다(B구간). 이후, LiMnPO4의 평탄전압에서의 방전용량이 모두 소모되면(도 2참조, 약 75mAh/g) LiCoO2가 일정한 전위 구배를 보이면서 방전을 지속해 나가는데 (C구간) 이러한 전위 구배에 의해 충방전 상태를 측정할 수 있으며 급격한 완전 방전(full discharge)을 피할 수 있다.1 shows a charge and discharge curve of the coin-type half-cell of the first embodiment. Above 4.0 V, LiCoO 2 starts to discharge (section A), and when near 4.0 V, LiMnPO 4 discharges while exhibiting a flat potential (section B). Subsequently, when the discharge capacity at the flat voltage of LiMnPO 4 is exhausted (see FIG. 2, about 75 mAh / g), LiCoO 2 continues to discharge while exhibiting a constant potential gradient (section C). It can measure and avoid sudden full discharge.
[실시예 2][Example 2]
Li4Ti5O12와 Li2Ti3O7를 50 : 50의 중량비로 혼합한 양극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인형 반전지를 제조하였다. A coin-type half-cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that a positive electrode active material in which Li 4 Ti 5 O 12 and Li 2 Ti 3 O 7 were mixed at a weight ratio of 50:50 was used.
도 2에 상기 실시예 2의 코인형 반전지의 충방전 곡선을 나타내었다. 2V 이상에서 먼저 Li2Ti3O7이 방전을 시작하여(A구간), 1.5V에 이르면 Li4Ti5O12가 평탄전 위(1.5V부근)를 보이면서 방전을 시작한다(B구간). 이후, Li4Ti5O12의 평탄전압에서의 방전용량이 모두 소모되면(도 4참조, 약 100mAh/g) Li2Ti3O7이 일정한 전위 구배를 보이면서 방전을 지속해 나가는데(C구간) 이러한 전위 구배에 의해 충방전 상태를 측정할 수 있으며 급격한 완전 방전(full discharge)을 피할 수 있다.2 shows the charge and discharge curves of the coin-type half-cell of Example 2. Above 2V, Li 2 Ti 3 O 7 starts to discharge (section A), and when it reaches 1.5V, Li 4 Ti 5 O 12 starts to discharge while showing flat potential (near 1.5V) (section B). Afterwards, when the discharge capacity at the flat voltage of Li 4 Ti 5 O 12 is consumed (see FIG. 4, about 100 mAh / g), Li 2 Ti 3 O 7 continues to discharge while exhibiting a constant potential gradient (section C). It is possible to measure the state of charge and discharge by the potential gradient and to avoid a sudden full discharge.
[비교예 1]Comparative Example 1
LiMnPO4만을 양극 활물질로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인형 반전지를 제조하였다. A coin-type half-cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that only LiMnPO 4 was used as the cathode active material.
도 2에 상기 비교예 1의 코인형 반전지의 충방전 곡선을 나타내었다. 4.1V에서 평탄전위를 보이다가 방전말기에 급작스러운 전위 강하를 나타내므로 충방전 상태를 측정하기 어렵고 완전 방전이 일어나는 시기를 예측하기 어렵다.2 shows the charge and discharge curves of the coin-type half-cell of Comparative Example 1. After showing the flat potential at 4.1V and showing a sudden potential drop at the end of the discharge, it is difficult to measure the state of charge and discharge and it is difficult to predict when the complete discharge occurs.
[비교예 2]Comparative Example 2
Li4Ti5O12만을 양극 활물질로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인형 반전지를 제조하였다. A coin-type half-cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that only Li 4 Ti 5 O 12 was used as the cathode active material.
도 4에 상기 비교예 2의 코인형 반전지의 충방전 곡선을 나타내었다. 1.5V에서 평탄전위를 보이다가 방전말기에 급작스러운 전위 강하를 나타내므로 충방전 상태를 측정하기 어렵고 완전 방전이 일어나는 시기를 예측하기 어렵다. 4 shows the charge and discharge curves of the coin-type half-cell of Comparative Example 2. The flat potential at 1.5V shows a sudden potential drop at the end of discharge, so it is difficult to measure the state of charge and discharge and it is difficult to predict when complete discharge occurs.
도 1은 LiMnPO4 + LiCoO2 혼합물을 활물질로 사용하여 제조한 전극에 대한 충방전 곡선이다. 이 때, A, C구간은 LiCoO2의 충방전 영역을 나타내며, B 구간은 LiMnPO4의 충방전 영역을 나타낸다.1 is a charge and discharge curve for an electrode prepared using a LiMnPO 4 + LiCoO 2 mixture as an active material. In this case, sections A and C represent charge and discharge regions of LiCoO 2 , and section B represents charge and discharge regions of LiMnPO 4 .
도 2는 LiMnPO4를 활물질로 사용하여 제조한 전극에 대한 충방전 곡선이다.2 is a charge / discharge curve of an electrode prepared using LiMnPO 4 as an active material.
도 3은 Li4Ti5O12 + Li2Ti3O7 혼합물을 활물질로 사용하여 제조한 전극에 대한 충방전 곡선이다. 이 때, A, C구간은 Li2Ti3O7의 충방전 영역을 나타내며, B 구간은 Li4Ti5O12의 충방전 영역을 나타낸다.3 is a charge / discharge curve of an electrode prepared by using a mixture of Li 4 Ti 5 O 12 + Li 2 Ti 3 O 7 as an active material. In this case, sections A and C represent charge and discharge regions of Li 2 Ti 3 O 7 , and section B represents charge and discharge regions of Li 4 Ti 5 O 12 .
도 4는 Li4Ti5O12를 활물질로 사용하여 제조한 전극에 대한 충방전 곡선이다. 4 is a charge / discharge curve of an electrode prepared using Li 4 Ti 5 O 12 as an active material.
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