KR101145951B1 - Positive active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 양극 활물질은 하기 화학식 (1)로 표시되는 리튬 금속 복합 산화물을 양극으로, 리튬금속을 음극으로 하는 코인형 반쪽전지(Coin Half cell) 구성에 의해 4.3 ~ 3.0 V 전압 범위에서 첫사이클 방전용량이 165mAh/g 이상 이며, 4.3V에서 DSC(Differential Scanning Calorimetry, 시차주사 열량법)에 의한 주 발열 온도가 300℃ 이상이고, 4.6V에서 DSC 에 의한 주 발열 온도가 290℃ 이상이며, X선 회절에 의한 리트벨트 해석에 있어서 3a사이트를 점하는 Ni 이온자리 점유율이 1.9~3.1인 것을 나타내는 것을 특징으로 하는 리튬 금속 복합 산화물이다. The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same, wherein the positive electrode active material is a coin-type half cell comprising a lithium metal composite oxide represented by the following formula (1) as a positive electrode and a lithium metal as a negative electrode (Coin The first cycle discharge capacity is 165mAh / g or more in the 4.3 ~ 3.0 V voltage range by the half cell configuration, and the main exotherm temperature by DSC (Differential Scanning Calorimetry) at 4.3V is 300 ℃ or more, and 4.6 It is a lithium metal composite oxide which shows that main heating temperature by DSC at V is 290 degreeC or more, and Ni ion site occupying 3a site is 1.9-3.1 in the Rietveld analysis by X-ray diffraction.
본 발명의 양극 활물질은 Li/M비와 NiMnCo 비율 및 양이온 혼합정도를 조절하여 고용량이면서 우수한 열적 안정성을 갖는다.The positive electrode active material of the present invention has a high capacity and excellent thermal stability by adjusting the Li / M ratio, NiMnCo ratio and cation mixing degree.
Li[LizA(1-z-a)Da]EbO2-b .............................. (1)Li [Li z A (1-za) D a ] E b O 2-b ... One)
상기 식에서 A = Ni(1-x-y)M1 xCoy이고,Wherein A = Ni (1-xy) M 1 x Co y ,
M1은 Mn, Ti 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상의 금속원소이며,M 1 is at least one metal element selected from Mn, Ti, and Zr,
D는 Mg, Al, B, Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속원소이다.D is at least one metal element selected from Mg, Al, B and Zn.
E는 P, F로부터 선택된 적어도 1종 이상의 아니온(Anion)이고,E is at least one anion selected from P, F,
-0.05 ≤ z ≤ 0.1, 0 ≤ a ≤ 0.05, 0 ≤ b ≤ 0.05 이며-0.05 ≤ z ≤ 0.1, 0 ≤ a ≤ 0.05, 0 ≤ b ≤ 0.05
0.3 ≤ x ≤ 0.4 및 0.85< 2x+y ≤0.9 이다.0.3 ≦ x ≦ 0.4 and 0.85 <2x + y ≦ 0.9.
양극 활물질, 양이온 혼합, 열적 안정성, 리튬 이차 전지, 리튬 금속 복합 산화물 Positive electrode active material, cation mixing, thermal stability, lithium secondary battery, lithium metal composite oxide
Description
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최적의 Li/M 비와 NiCoMn 조성비율 및 양이온 혼합정도를 조절하여, 고용량이면서 열적 안정성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, to adjust an optimal Li / M ratio, NiCoMn composition ratio, and cation mixing degree, for a lithium secondary battery having high thermal stability and excellent thermal stability. It relates to a positive electrode active material and a lithium secondary battery comprising the same.
최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화 추세와 관련하여 이들 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고성능화 및 대용량화에 대한 필요성이 높아지고 있다.Recently, with the trend toward miniaturization and light weight of portable electronic devices, the need for high performance and high capacity of batteries used as power sources for these devices is increasing.
전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써 전력을 발생시키는 것이다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션/디인터칼레이션될 때의 화학전위(chemical potential)의 변화에 의하여 전기 에너지를 생성하는 리튬 이차 전지가 있다.Cells generate electricity by using materials that can electrochemically react to the positive and negative electrodes. A typical example of such a battery is a lithium secondary battery that generates electric energy by a change in chemical potential when lithium ions are intercalated / deintercalated at a positive electrode and a negative electrode.
상기 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 물질을 양극과 음극 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다.The lithium secondary battery is manufactured by using a material capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium ions as a positive electrode and a negative electrode active material, and filling an organic electrolyte or a polymer electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 금속 복합 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2 (0<x<1), LiMnO2 등의 복합금속 산화물들이 연구되고 있다.A lithium metal composite compound is used as a cathode active material of a lithium secondary battery, and examples thereof include a composite such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x O 2 (0 <x <1), LiMnO 2, and the like. Metal oxides are being studied.
상기 양극 활물질 중 LiMn2O4는 합성하기도 쉽고, 값이 비교적 싸며, 과충전시 다른 활물질에 비하여 열적 안정성이 가장 우수하고, 환경에 대한 오염이 낮아 매력이 있는 물질이기는 하나, 용량이 적고 사이클 특성 등이 나쁘다는 단점을 가지고 있다. Among the cathode active materials, LiMn 2 O 4 is easy to synthesize, relatively low in price, and has the highest thermal stability compared to other active materials when overcharged, and is attractive because of low pollution to the environment, but has a small capacity and cycle characteristics. This is bad.
LiCoO2는 양호한 전기 전도도와 약 3.7V 정도의 높은 전지 전압을 가지며, 사이클 수명 특성, 방전 용량과 같은 제반 물성이 우수하므로, 현재 상업화되어 시판되고 있는 대표적인 양극 활물질이다. 그러나 LiCoO2는 자원적 한계로 인해 고가이기 때문에 전지 가격의 30% 이상을 차지하므로 가격 경쟁력이 떨어지는 문제점이 있다.LiCoO 2 has a good electrical conductivity and a high battery voltage of about 3.7V, and has excellent physical properties such as cycle life characteristics and discharge capacity, and thus is a representative cathode active material that is currently commercialized and commercially available. However, since LiCoO 2 is expensive due to resource limitations, the cost of LiCoO 2 is 30% or more of the battery price.
또한 기존의 LiNiO2계 양극 활물질을 포함하는 이차전지는 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션의 과정을 거치는 동안 체적 변화에 따른 결정 구조의 급격한 퇴화를 보이며, 이러한 일련의 과정이 반복되어지면서 입자 및 결정구조에 균열이나 입자간 거리가 멀어질 수 있다. In addition, the secondary battery including the existing LiNiO 2 -based positive electrode active material shows a rapid deterioration of the crystal structure due to the volume change during the process of intercalation / deintercalation of lithium ions, and this series of processes is repeated. Particles and crystal structures may be cracked or separated from each other.
이의 해결을 위해 니켈의 일부를 다른 전이금속(Co, Mn)으로 치환한 다양한 조성계의 삼성분계 리튬 복합 산화물이 개시되고 있으나, 전이금속간 비율(Ni:Co:Mn)과 Li/M비로 이루어진 조성범위에서 구체적인 전지특성 및 열적안정성에 관한 관계를 제시하지 못하고 있다.In order to solve this problem, ternary lithium composite oxides of various compositions in which a part of nickel is substituted with other transition metals (Co, Mn) have been disclosed, but a composition consisting of a ratio between transition metals (Ni: Co: Mn) and a Li / M ratio The range of specific battery characteristics and thermal stability have not been presented.
Ni 함량이 높아지면 상대적으로 가역용량이 증대되나 열적안정성은 급격히 저하되며, Ni 함량이 상대적으로 낮아지고 Mn 함량이 높아지면, 열안정성은 향상되나 에너지밀도 측면에서 종전의 LiCoO2 대비 장점이 없어지게 된다. 따라서 종전의 LiCoO2를 완전 대체 혹은 일부 대체하기 위해서는 용량 및 안전성 측면에서의 최적의 Ni:Mn:Co 조성 및 Li/M가 선정되어야 한다. When Ni content is higher, the reversible capacity is relatively increased, but thermal stability is sharply decreased. When Ni content is relatively low and Mn content is high, thermal stability is improved, but the energy density has no advantage over conventional LiCoO 2 . do. Therefore, in order to completely replace or partially replace the conventional LiCoO 2 , an optimal Ni: Mn: Co composition and Li / M should be selected in terms of capacity and safety.
양극 활물질내 Li/M 비의 조절은 복합 전이금속 중 Mn 함량과 관계되며, 일정량 이상의 Mn 치환량에 의해 전이금속층에 여분의 리튬을 삽입시킬 수 있다. 전지특성 측면에서는 전이금속층에 삽입된 여분의 리튬에 의해 상대적으로 높은 고율특성 및 수명특성이 발현되며, 또한 낮은 Mn 함량을 포함하는 삼성분계 조성과 비교시 Mn 함량을 상대적으로 높인 조성계에서는 전이금속층에 리튬 삽입이 용이하여 합성시 투입되는 리튬량을 최소화 시켜 소성후 활물질 표면에 잔류하는 Li2CO3, LiOH 등의 수용성 염기함량 조절이 가능하다. 잔류 리튬성분은 충방전시 분해되거나 전해액과 반응하여 CO2 가스를 발생시키며, 그 결과 전지의 스웰링 현상을 발생시켜 특히 고온 안정성을 저하시키게 된다. Control of the Li / M ratio in the positive electrode active material is related to the Mn content in the composite transition metal, it is possible to insert extra lithium in the transition metal layer by a certain amount of Mn substitution amount or more. In terms of battery characteristics, the extra lithium inserted into the transition metal layer gives relatively high high-rate characteristics and lifespan characteristics. Also, in the composition system having a relatively high Mn content compared to a ternary composition including a low Mn content, It is easy to insert lithium to minimize the amount of lithium introduced during synthesis, and it is possible to control the water-soluble base content such as Li 2 CO 3 , LiOH remaining on the surface of the active material after firing. The residual lithium component decomposes during charging and discharging or reacts with the electrolyte to generate CO 2 gas. As a result, a swelling phenomenon of the battery is generated, thereby lowering the high temperature stability.
특히 LiNiO2계 양극 활물질 혹은 Ni을 주성분으로 포함하는 삼성분계 양극 활물질이 공기 및 습기에 노출되면, LiOH나 Li2CO3와 같은 불순물이 표면에 형성된다(반응식 1, 2 참조; J. Power Sources, 134, page 293, 2004년).In particular, when LiNiO 2- based positive electrode active material or ternary positive electrode active material containing Ni as a main component is exposed to air and moisture, impurities such as LiOH and Li 2 CO 3 are formed on the surface (see
반응식 1Scheme 1
LiNiO2 + yH2O → Li1-yNiO2-y/2 + yLiOHLiNiO 2 + yH 2 O → Li 1-y NiO 2-y / 2 + yLiOH
반응식 2
LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 + 4xO2 +yH2O → Li1-yNi0.8Co0.15Al0.05O2 + 2xLi2CO3 LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 + 4xO 2 + yH 2 O → Li 1-y Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 + 2xLi 2 CO 3
형성된 잔류 리튬성분은 극판 슬러리 제조시 pH를 상승시켜 NMP(1-메틸-2-피롤리디논(pyrrolidinone)), 결합제(Binder)가 포함된 슬러리(Slurry)가 중합되기 시작하여 겔화가 발생, 극판 제작 공정에 문제를 일으킨다.The residual lithium formed increases the pH when preparing the slurry of the electrode plate, and gelation occurs because the slurry containing NMP (1-methyl-2-pyrrolidinone) and the binder (Binder) starts to polymerize. It causes problems in the manufacturing process.
따라서, 많은 종래 기술들은 니켈을 주성분으로 하는 양극 활물질의 특성 및 제조공정을 개선하는데 초점을 맞추고 있다. 그러나, 높은 생산비용, 공정의 복잡성, 전지에서의 과도한 가스발생에 의한 전류차단소자(Current Interrupt Device: CID 소자)의 조기 작동, 스웰링 현상, 낮은 열적 안정성과 같은 문제를 충분히 해결하지 못하고 있다.Therefore, many prior arts focus on improving the properties and manufacturing process of nickel-based cathode active materials. However, problems such as high production costs, process complexity, premature operation of current interrupt devices (CID devices) due to excessive gas generation in batteries, swelling phenomenon, and low thermal stability have not been sufficiently solved.
리튬 이차 전지와 관련하여, 일본 공개특허 제1996-319120호에는 Ni을 주성분으로 하는 2원계 LixNi1-yMeyO2계(Me는 Ni 이외의 전이금속, 0<x<1, 0≤y<0.6)의 양이온 혼합 정도를 개시하고 있다. In connection with a lithium secondary battery, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1996-319120 discloses a binary Li x Ni 1-y Me y O 2 system based on Ni (Me is a transition metal other than Ni, 0 <x <1,0 The degree of cation mixing of ≦ y <0.6) is disclosed.
그러나 상기 특허는 본 발명과는 활물질 조성에서 차이가 있을 뿐만 아니라, 리튬 소스로서 저렴하고 쉽게 다룰 수 있는 Li2CO3가 아닌 LiOH만을 사용하고 있으며, 또한 특정한 반응 분위기인 산소 분위기하에서 소성을 진행하는 등 고가의 공정을 제시하고 있어 Li2CO3를 사용하여 공기 분위기에서 제조하는 본 발명과는 차이가 있다.However, the patent not only differs from the present invention in the composition of the active material, but also uses only LiOH, not Li 2 CO 3, which is inexpensive and easily handled as a lithium source, and also calcinates in an oxygen atmosphere which is a specific reaction atmosphere. Equipped with an expensive process, there is a difference from the present invention produced in the air atmosphere using Li 2 CO 3 .
또한, 국내 등록특허 제10-0790834호 및 제10-0790835호는 조성식이 Lix[{Ni(1-a-b)(Ni1/2Mn1/2)aCob}1-kAk]yO2 이며, 범위는 0.65≤a+b≤0.85 및 0.1≤b≤0.4이며, 0≤k<0.05로 한정되는 리튬복합산화물 및 상기 조성의 양이온 혼합정도를 개시하고 있다.In addition, Korean Patent Nos. 10-0790834 and 10-0790835 have the formula Li x [{Ni (1-ab) (Ni 1/2 Mn 1/2 ) a Co b } 1-k A k ] y O 2 , the ranges are 0.65 ≦ a + b ≦ 0.85 and 0.1 ≦ b ≦ 0.4, and the degree of cation mixing of the lithium composite oxide and the composition, which is limited to 0 ≦ k <0.05, is disclosed.
본 발명의 산화물은 조성 범위에 있어서 상기 발명과 차이가 있으며, 양이온 혼합 정도에서도 활물질의 Li/M비의 효과(잔류 Li2CO3, pH, 초기용량, 고율특성, 수명) 및 열적안정성에 근거한 양이온 혼합비 범위로 한정짓고 있다.The oxide of the present invention is different from the above invention in the composition range, and based on the effect of the Li / M ratio of the active material (residual Li 2 CO 3 , pH, initial capacity, high rate characteristics, lifetime) and thermal stability even at the degree of cation mixing It is limited to the cation mixing ratio range.
본 발명은 Ni을 주성분으로 포함하는 삼성분계 양극 활물질이 갖고 있는 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 최적의 Li/M 비와 NiCoMn 조성비율의 탐색 그리고 리튬 층(Layer)에 일부의 Ni 이온이 삽입되어 일어나는 양이온 혼합정도를 조절하여, 고용량이면서 열적 안정성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the conventional problems of the three-phase cathode active material containing Ni as a main component, the search for the optimal Li / M ratio and NiCoMn composition ratio and a part of Ni ions are inserted into the lithium layer (Layer) It is to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery comprising the same by adjusting the cation mixing degree to occur, and excellent thermal stability.
본 발명의 또 다른 목적은 하기 화학식 (1)의 리튬 금속 복합 산화물을 제조 하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a lithium metal composite oxide of the formula (1).
Li[LizA(1-z-a)Da]EbO2 -b ............................ (1)Li [Li z A (1-za) D a ] E b O 2 -b ... (1)
상기 식에서 A = Ni(1-x-y)M1 xCoy 이고,Wherein A = Ni (1-xy) M 1 x Co y ,
M1은 Mn, Ti 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상의 금속원소이며,M 1 is at least one metal element selected from Mn, Ti, and Zr,
D는 Mg, Al, B, Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속원소이다.D is at least one metal element selected from Mg, Al, B and Zn.
E는 P, F로부터 선택된 적어도 1종 이상의 아니온(Anion)이고,E is at least one anion selected from P, F,
-0.05 ≤ z ≤ 0.1, 0 ≤ a ≤ 0.05, 0 ≤ b ≤ 0.05 이며-0.05 ≤ z ≤ 0.1, 0 ≤ a ≤ 0.05, 0 ≤ b ≤ 0.05
0.3 ≤ x ≤ 0.4 및 0.85< 2x+y ≤0.9 이다.0.3 ≦ x ≦ 0.4 and 0.85 <2x + y ≦ 0.9.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 양극 활물질은 하기 화학식1로 표시되는 조성을 갖고, 리튬금속을 음극으로 하는 코인형 반쪽전지(Coin Half cell) 구성에 의해 4.3 ~ 3.0 V 전압 범위에서 첫 사이클 방전용량이 165 mAh/g 이상 이며, 4.3V 에서 DSC(Differential Scanning Calorimetry, 시차주사 열량법)에 의한 주 발열피크가 300℃ 이상이고, 4.6V 에서 DSC 에 의한 주 발열 온도가 290℃ 이상이며, X선 회절에 의한 리트벨트 해석에 있어서 3a 사이트를 점하는 Ni 이온자리 점유율이 1.9~3.1 이다.In order to achieve the above object, the positive electrode active material of the present invention has a composition represented by the following formula (1), the first cycle discharge in the voltage range of 4.3 ~ 3.0 V by the coin half cell (Coin Half cell) configuration of lithium metal as a negative electrode Capacity is 165 mAh / g or more, main heating peak by DSC (Differential Scanning Calorimetry) at 4.3V is 300 ℃ or higher, main heating temperature by DSC at 4.6V is 290 ℃ or higher, X In the Rietveld analysis by line diffraction, the occupancy ratio of Ni ion occupying the 3a site is 1.9 to 3.1.
Li[LizA(1-z-a)Da]EbO2 -b ............................ (1)Li [Li z A (1-za) D a ] E b O 2 -b ... (1)
상기 식에서 A = Ni(1-x-y)M1 xCoy 이고,Wherein A = Ni (1-xy) M 1 x Co y ,
M1은 Mn, Ti 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상의 금속원소이며,M 1 is at least one metal element selected from Mn, Ti, and Zr,
D는 Mg, Al, B, Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속원소이다.D is at least one metal element selected from Mg, Al, B and Zn.
E는 P, F로부터 선택된 적어도 1종 이상의 아니온(Anion)이고,E is at least one anion selected from P, F,
-0.05 ≤ z ≤ 0.1, 0 ≤ a ≤ 0.05, 0 ≤ b ≤ 0.05 이며-0.05 ≤ z ≤ 0.1, 0 ≤ a ≤ 0.05, 0 ≤ b ≤ 0.05
0.3 ≤ x ≤ 0.4 및 0.85< 2x+y ≤0.9 이다.0.3 ≦ x ≦ 0.4 and 0.85 <2x + y ≦ 0.9.
상기 화학식 1의 조성에서 Li[Ni0.47Co0.2Mn0.33]O2 이 바람직하다.In the composition of Formula 1, Li [Ni 0.47 Co 0.2 Mn 0.33 ] O 2 is preferable.
상기 리튬 금속 복합 산화물은 팔면체(Octahedra)로 이루어진 층 사이에 Li 이온이 팔면체 사이트(octahedral site)를 점유하고 있는 층구조(layered structure) (space group: )로서 개방층(open layer)를 통해 Li이온이 가역적으로 출입할 수 있는 구조의 결정계를 나타내고, X선 회절에 의한 리트벨트 해석에 의한 측정치와 계산치의 잔류 오차(Rp)가 15% 이하이다. The lithium metal composite oxide has a layered structure in which Li ions occupy an octahedral site between layers made of octahedra. ) Represents a crystal system having a structure in which Li ions can reversibly enter and exit through an open layer, and the residual error (Rp) between the measured value and the calculated value by Rietveld analysis by X-ray diffraction is 15% or less.
양이온 혼합은 리튬층에 전이금속 이온이, 전이금속층에 리튬이온이 삽입되는 자리바꿈 현상으로 전이금속 중 리튬이온과 이온반경이 유사한 2가의 Ni이 리튬층에 삽입되게 된다. 양이온 혼입량이 크면 충방전을 방해하여 가역용량을 떨어뜨게 된다. 따라서 양이온 혼합정도를 조절함으로써 리튬 금속 산화물의 가역용량을 증가시킬 수 있다In the cation mixing, transition metal ions are inserted into the lithium layer and lithium ions are inserted into the transition metal layer. Thus, divalent Ni having a similar ion radius to lithium ions among the transition metals is inserted into the lithium layer. If the amount of cation incorporation is large, the charge and discharge will be disturbed and the reversible capacity will be lowered. Therefore, the reversible capacity of the lithium metal oxide can be increased by controlling the degree of cation mixing.
상기 리튬 금속 복합 산화물은 4.3V에서 DSC 에 의한 주 발열온도가 300℃ 이상을 나타내고 4.6V에서 DSC 에 의한 주 발열 온도가 290℃ 이상을 나타낸다. 본 발명에서의 주 발열온도의 정의는 여러 개의 발열피크 존재시 고온 쪽의 피크(활물질 벌크(bulk)의 열분해피크)로 정의된다.The lithium metal composite oxide exhibits a main exotherm temperature of 300 ° C. or higher by DSC at 4.3 V and a main exotherm temperature of 290 ° C. or more by DSC at 4.6 V. The definition of the main exothermic temperature in the present invention is defined as the peak on the high temperature side (pyrolysis peak of the bulk of the active material) in the presence of several exothermic peaks.
상기 리튬 금속 복합 산화물이 1차 입자는 구상 또는 타원상으로 응집하여 평균 입경 4~20 um 의 2차 입자를 형성한다.Primary particles of the lithium metal composite oxide aggregate into spherical or elliptic phase to form secondary particles having an average particle diameter of 4 to 20 um.
본 발명의 제조방법은 Li2CO3와 복합 전이 금속 수산화물을 혼합하는 단계;The production method of the present invention comprises the steps of mixing Li 2 CO 3 and the composite transition metal hydroxide;
얻어진 혼합물을 공기 중에서 소성온도 700~1050℃로 12~24 시간 소성하여 소성체를 얻는 소성단계; Baking the obtained mixture in air at a firing temperature of 700 to 1050 ° C for 12 to 24 hours to obtain a fired body;
얻어진 소성체를 천천히 냉각하고, 분쇄하는 단계를 포함한다. Slowly cooling and pulverizing the resulting fired body.
상기 소성단계에서, 공기의 유량을 단계별로 조절하여 반응 중 발생되는 CO2 배출을 용이하게 만들어 카치온 혼합(Cation mixing) 비 및 잔류탄산 리튬을 조절하는 것을 특징으로 한다. 소성로의 프로파일(profile)은 승온/유지/냉각구간으로 구성되며, 각 구간은 해당구간의 시간을 3등분하여 초기, 중기, 말기로 정의하였다. 승온 말기 및 유지구간에 초기 유량의 4/5보다 높은 유량이 투입되면 과도한 공기 투입에 의한 열손실 및 이에 따른 설정 온도유지가 어려우며 1/3보다 낮은 공기를 투입하면 CO2 배출이 원활하지 못해 입경 성장의 어려움 및 잔류 Li성분이 과량으로 남게된다. 따라서 승온 말기 및 유지구간에 승온 초기 유량의 4/5 내지 1/3에 해당하는 공기를 투입하는 것이 바람직하다.In the firing step, by adjusting the flow rate of the air step by step to facilitate the emission of CO 2 generated during the reaction characterized in that it controls the Cation mixing ratio (Cation mixing) and the residual lithium carbonate. The profile of the kiln consists of heating / maintenance / cooling sections, and each section is defined as the initial, middle, and late periods by dividing the time into three sections. When a higher flow rate than 4/5 of the initial flow rate input to the elevated temperature and maintaining the end section when it is difficult to excessive heat loss due to the air input and thus maintain the set temperature in accordance with the input is lower than the third air is CO 2 emissions can not not smooth particle diameter Difficulties in growth and residual Li components remain in excess. Therefore, it is preferable to inject air corresponding to 4/5 to 1/3 of the initial temperature flow rate during the end of the temperature increase and the maintenance section.
본 발명의 리튬 금속 복합 산화물은 최적의 Li/M 비와 NiCoMn 조성범위로 구 성되며, 양이온 혼합정도를 적절히 조절하여 고용량이면서 우수한 열적 안정성을 갖는다.The lithium metal composite oxide of the present invention is composed of an optimal Li / M ratio and NiCoMn composition range, and has a high capacity and excellent thermal stability by appropriately adjusting the cation mixing degree.
또한, 본 발명의 리튬 금속 복합 산화물은 가격적으로 저렴한 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공한다.In addition, the lithium metal composite oxide of the present invention provides a cathode active material for a lithium secondary battery which is inexpensive.
본 발명에 따른 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표현되는 리튬 금속 복합 산화물을 포함한다.The cathode active material according to the present invention includes a lithium metal composite oxide represented by the following Chemical Formula 1.
Li[LizA(1-z-a)Da]EbO2 -b ............................ (1)Li [Li z A (1-za) D a ] E b O 2 -b ... (1)
상기 식에서 A = Ni(1-x-y)M1 xCoy 이고,Wherein A = Ni (1-xy) M 1 x Co y ,
M1은 Mn, Ti 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상의 금속원소이며,M 1 is at least one metal element selected from Mn, Ti, and Zr,
D는 Mg, Al, B, Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속원소이다.D is at least one metal element selected from Mg, Al, B and Zn.
E는 P, F로부터 선택된 적어도 1종 이상의 아니온(Anion)이고,E is at least one anion selected from P, F,
-0.05 ≤ z ≤ 0.1, 0 ≤ a ≤ 0.05, 0 ≤ b ≤ 0.05 이며-0.05 ≤ z ≤ 0.1, 0 ≤ a ≤ 0.05, 0 ≤ b ≤ 0.05
0.3 ≤ x ≤ 0.4 및 0.85< 2x+y ≤0.9 이다.0.3 ≦ x ≦ 0.4 and 0.85 <2x + y ≦ 0.9.
상기 화학식 1의 화합물에서, 리튬금속을 음극으로 코인형 반쪽전지(Coin Half cell) 구성시 4.3 ~ 3.0V 범위에서의 초기용량은 165 mAh/g 이상이 바람직하다. 니켈을 주성분으로 하는 양극 활물질의 경우, 평균 방전전압이 LiCoO2 보다 낮기 때문에 요구되는 초기용량은 LiCoO2의 160 mAh/g 대비 높은 수준이 요구된다. 초 기용량이 165 mAh/g 이하가 되면 LiCoO2 대비 에너지밀도 측면에서 장점이 없게 된다.In the compound of Formula 1, the initial capacity in the range of 4.3 ~ 3.0V when the coin-type half-cell (Coin Half cell) of the lithium metal as a negative electrode is preferably 165 mAh / g or more. In the case of the positive electrode active material mainly composed of nickel, since the average discharge voltage is lower than that of LiCoO 2 , the initial capacity required is higher than that of LiCoO 2 of 160 mAh / g. If the initial capacity is less than 165 mAh / g, there is no advantage in terms of energy density compared to LiCoO 2 .
본 발명의 양극 활물질을 구성하는 리튬 금속 복합 산화물은 Li/M 비와 NiCoMn 비율 특히 Ni과 Mn의 비를 적절하게 조절하여 열적 안정성 및 전기화학적 특성이 우수하다.The lithium metal composite oxide constituting the cathode active material of the present invention has excellent thermal stability and electrochemical properties by appropriately adjusting the ratio of Li / M and NiCoMn, in particular, the ratio of Ni and Mn.
상기 리튬 금속 복합 산화물의 평균입경은 4 내지 25㎛가 바람직하다. 평균입경이 4㎛ 보다 작으면 탭밀도가 충분히 나오지 않으며 비표면적 증가에 의해 열적안정성이 저하된다. 반면 25㎛를 초과하면 리튬 탈삽입 반응성이 저하되어 고율특성이 저하된다.As for the average particle diameter of the said lithium metal complex oxide, 4-25 micrometers is preferable. If the average particle diameter is smaller than 4 µm, the tap density does not sufficiently occur and the thermal stability decreases due to the increase of the specific surface area. On the other hand, when the thickness exceeds 25 μm, the lithium de-insertion reactivity is lowered and the high rate characteristic is lowered.
상기 리튬 금속 복합 산화물의 탭밀도는 높은 극판밀도를 구현하기 위해 1.8 내지 2.7 g/cc인 것이 바람직하다.The tap density of the lithium metal composite oxide is preferably 1.8 to 2.7 g / cc in order to realize high electrode plate density.
본 발명의 리튬 금속 복합 산화물 제조시 사용되는 출발 물질 중 복합 전이 금속 수산화물은 예를 들어 일본 특허공개 제2002-201028호에 기재된 방법으로 제조할 수 있다The composite transition metal hydroxide among the starting materials used in the production of the lithium metal composite oxide of the present invention can be produced by, for example, the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-201028.
본 발명에 따른 양극활물질의 제조시 복합전이금속 수산화물과 리튬 화합물(Li/Metal)의 배합 몰비는 바람직하게는 0.95 내지 1.15로, 혼합, 소성 및 분쇄 공정을 거친다.In the preparation of the positive electrode active material according to the present invention, the compounding molar ratio of the composite transition metal hydroxide and the lithium compound (Li / Metal) is preferably 0.95 to 1.15, which is subjected to mixing, firing, and grinding.
또한, 본 발명에 따른 리튬 금속 복합 산화물을 제조하기 위한 소성 공정은 700℃ 내지 1050℃의 소성 온도로 12 내지 24시간 소성을 행하는 일단계(one step) 소성 혹은 승온 구간에서 400℃ 내지 800℃의 온도로 일정 시간 유지하는 단계 및 700℃ 내지 1050℃의 소성 온도로 본 소성을 행하는 단계를 포함하는 다단계(multi step) 소성을 제공한다.In addition, the calcination process for producing a lithium metal composite oxide according to the present invention is a one-step calcination or heating step of 400 to 800 ℃ in a one-step calcination for 12 to 24 hours at a firing temperature of 700 ℃ to 1050 ℃. It provides a multi-step firing comprising the step of maintaining the temperature for a certain time and the main firing at a firing temperature of 700 ℃ to 1050 ℃.
본 발명의 리튬 금속 복합 산화물은 리튬 이차 전지의 양극에 유용하게 사용될 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 양극과 함께 음극 활물질을 포함하는 음극 및 전해질을 포함한다.The lithium metal composite oxide of the present invention can be usefully used for the positive electrode of a lithium secondary battery. The lithium secondary battery includes a negative electrode and an electrolyte including a negative electrode active material together with a positive electrode.
상기 양극은 본 발명에 따른 리튬 금속 복합 산화물의 양극 활물질과, 도전재, 결합제 및 용매를 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조한 다음, 알루미늄 집전체 상에 직접 코팅 및 건조하여 제조한다. 또는 상기 양극 활물질 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 알루미늄 집전체 상에 라미네이션하여 제조가 가능하다.The positive electrode is prepared by mixing a positive electrode active material of a lithium metal composite oxide according to the present invention, a conductive material, a binder, and a solvent to prepare a positive electrode active material composition, and then directly coating and drying the aluminum current collector. Alternatively, the cathode active material composition may be cast on a separate support, and then the film obtained by peeling from the support may be manufactured by laminating on an aluminum current collector.
이때 도전재는 카본 블랙, 흑연, 금속 분말을 사용하고, 결합제는 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물을 사용할 수 있다. At this time, the conductive material is carbon black, graphite, metal powder, binder is vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene And mixtures thereof.
또한 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 데칸 등을 사용한다. 이때 양극 활물질, 도전재, 결합제 및 용매의 함량은 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용하는 수준으로 사용된다.Moreover, N-methylpyrrolidone, acetone, tetrahydrofuran, decane, etc. are used as a solvent. In this case, the contents of the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent are used at levels commonly used in lithium secondary batteries.
상기 음극은 양극과 마찬가지로 음극 활물질, 결합제 및 용매를 혼합하여 음극(anode) 활물질 조성물을 제조하고, 이를 구리 집전체에 직접 코팅하거나 별도의 지지체 상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 음극 활물질 필름을 구리 집전체에 라미네이션하여 제조한다. 이때 음극 활물질 조성물에는 필요한 경우에는 도전재를 더욱 함유하기도 한다.Like the positive electrode, the negative electrode is mixed with a negative electrode active material, a binder, and a solvent to prepare an anode active material composition, which is directly coated on a copper current collector or cast on a separate support, and the negative electrode active material film peeled from the support is copper It is prepared by laminating on the current collector. At this time, the negative electrode active material composition may further contain a conductive material if necessary.
상기 음극 활물질로는 리튬을 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 재료가 사용되고, 예를 들어, 리튬 금속이나 리튬 합금, 코크스, 인조 흑연, 천연 흑연, 유기 고분자 화합물 연소체, 탄소 섬유 등을 사용한다. 또한 도전재, 결합제 및 용매는 전술한 양극의 경우와 동일하게 사용된다. As the negative electrode active material, a material capable of intercalating / deintercalating lithium is used, and for example, lithium metal, lithium alloy, coke, artificial graphite, natural graphite, organic polymer compound combustor, carbon fiber, or the like is used. use. In addition, a conductive material, a binder, and a solvent are used similarly to the case of the positive electrode mentioned above.
상기 세퍼레이터는 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하고, 일예로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있다. 또한 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.The separator may be used as long as it is commonly used in a lithium secondary battery. For example, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or two or more multilayer films thereof may be used. In addition, a mixed multilayer film such as polyethylene / polypropylene two-layer separator, polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, polypropylene / polyethylene / polypropylene three-layer separator, and the like may be used.
상기 리튬 이차 전지에 충전되는 전해질로는 비수성 전해질 또는 공지된 고체 전해질 등이 사용 가능하고, 리튬염이 용해된 것을 사용한다. As the electrolyte charged in the lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte or a known solid electrolyte may be used, and a lithium salt is used.
상기 비수성 전해질의 용매는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트; 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트; 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트 라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 아세토니트릴 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 복수개 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트와의 혼합 용매를 바람직하게 사용할 수 있다.Although the solvent of the said non-aqueous electrolyte is not specifically limited, Cyclic carbonate, such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; Esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate and γ-butyrolactone; Ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane and 2-methyltetrahydrofuran; Nitriles such as acetonitrile; Amides, such as dimethylformamide, etc. can be used. These can be used individually or in combination of two or more. In particular, a mixed solvent of a cyclic carbonate and a linear carbonate can be preferably used.
또한 전해질로서, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N 등의 무기 고체 전해질을 사용할 수 있다.As the electrolyte, a gel polymer electrolyte in which an electrolyte solution is impregnated with a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile, or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N can be used.
이때 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택된 1종이 사용 가능하다.The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , One selected from the group consisting of LiCl and LiI can be used.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 도면과 함께 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 실시예는 본 발명을 설명하기 위하여 예시적으로 제시되는 것으로, 이에 의하여 본 발명이 제한되지는 않고, 본 발명은 상세한 설명에 기재된 기술적 사상 및 특허청구범위에 의하여 정의된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are presented by way of example to illustrate the present invention, by which the present invention is not limited, the present invention is defined by the technical spirit and claims described in the detailed description.
제조예Manufacturing example
<복합 전이 금속 수산화물의 제조><Production of Complex Transition Metal Hydroxide>
반응조에 니켈, 코발트, 망간 각각의 황산 원료 물질을 하기 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 5에 나타낸 조성이 얻어지는 비율로 증류수에 용해시켜 니켈, 코 발트, 망간을 포함하는 용액을 제조하였다. The sulfuric acid raw materials of nickel, cobalt, and manganese were dissolved in distilled water in a ratio such that the compositions shown in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 5 were obtained in a reactor to prepare a solution containing nickel, cobalt, and manganese.
이 용액에 침전제로 5.5M의 수산화나트륨을 첨가하고, 1M의 암모니아수를 착염제로 첨가하고, pH를 11.5로 유지하였다. 이 공정에 따라 얻어진 침전물을 세척 /여과한 후 알칼리 수용액을 통한 불순물 Na 및 S의 제거, 다시 물로 세척/여과하는 과정을 반복한다. 5.5 M sodium hydroxide was added to this solution as a precipitant, 1 M ammonia water was added as a complexing agent, and pH was maintained at 11.5. After washing / filtering the precipitate obtained according to this process, the process of removing impurities Na and S through alkaline aqueous solution and then washing / filtering with water is repeated.
불순물인 Na의 함유량이 500 ppm 이상에서는 소결성 및 전지특성의 열화가 발생하며, SO4가 5000 ppm 이상에서는 소성과정 중 황화리튬이 형성되어 불순물로 남게 된다. 또한 Na, SO4는 대기중의 수분과 반응하여 전극슬러리 및 극판제조를 어렵게 하며, 전지의 고온방치시 부풀림(swelling) 현상이 일어나게 된다.If the Na content, which is an impurity, is more than 500 ppm, deterioration of sinterability and battery characteristics occurs. If SO 4 is more than 5000 ppm, lithium sulfide is formed during the firing process and remains as an impurity. In addition, Na, SO 4 is Reaction with moisture in the air makes electrode slurry and electrode plate difficult, and swelling occurs when the battery is left at high temperature.
얻어진 분말을 120℃로 설정된 오븐에서 건조한 후, 분쇄하여 복합 전이 금속 수산화물을 제조하였다. The powder obtained was dried in an oven set at 120 ° C. and then ground to prepare a composite transition metal hydroxide.
실시예 1Example 1
<리튬 금속 복합 산화물의 제조><Production of Lithium Metal Composite Oxide>
Li2CO3(상품명: SQM)와 상기 제조예에서 제조된 복합 전이 금속 수산화물Ni0.45Co0.2Mn0.35(OH)2를 1 : 1.03(M : Li)의 중량 비율로, 믹서를 사용하여 혼합하였다. Li 2 CO 3 (trade name: SQM) and the composite transition metal hydroxide Ni 0.45 Co 0.2 Mn 0.35 (OH) 2 prepared in the above Preparation Example were mixed using a mixer in a weight ratio of 1: 1.03 (M: Li). .
얻어진 혼합물을 공기 중에서 승온 반응 시간 6 시간, 유지 구간에서 950℃, 7 시간으로 총 소성 시간은 20 시간 이상으로 하고, 승온 초/중기에는 20m3/h의 공기를 공급하다가 승온 말기 및 유지구간에 승온 초기 유량의 1/2에 해당하는 공기를 투입하는 조건으로 소성체를 제조하였다. 얻어진 소성체를 천천히 냉각하고, 분쇄하여 본 발명의 리튬 금속 복합 산화물의 양극 활물질 분말을 제조하였다.The resulting mixture at the end and the retaining zone temperature was raised while supplying the air of the temperature increase the reaction time of 6 hours in air, 950 ℃ in the sustain period, a seven-time total burning time is, and the more than 20 hours, temperature was raised early / mid-term is 20m 3 / h The fired body was manufactured under the condition of introducing air corresponding to 1/2 of the temperature increase initial flow rate. The resulting fired body was slowly cooled and pulverized to prepare a positive electrode active material powder of the lithium metal composite oxide of the present invention.
상기 초기 및 말기는 해당구간의 시간을 3등분하여 초/중/말기로 정의하였다. 얻어진 소성체를 천천히 냉각하고, 분쇄하여 본 발명의 리튬 금속 복합 산화물의 양극 활물질 분말을 제조하였다. The initial and late stages were defined as the beginning, middle, and end by dividing the time period into three sections. The resulting fired body was slowly cooled and pulverized to prepare a positive electrode active material powder of the lithium metal composite oxide of the present invention.
실시예 2Example 2
상기 실시예 1에서, 복합 전이 금속 수산화물 Ni0 .47Co0 .2Mn0 .33(OH)2를 사용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 소성체를 제조하였다. 얻어진 소성체를 천천히 냉각하고, 분쇄하여 본 발명의 리튬 금속 복합 산화물의 양극 활물질 분말을 제조하였다. 상기 제조된 활물질의 전지특성 평가 결과는 표 1과 같다.In Example 1, except that the composite transition metal hydroxide is to use Ni 0 .47 Co 0 .2 Mn 0 .33 (OH) 2 to prepare a sintered body in the same manner as in Example 1. The resulting fired body was slowly cooled and pulverized to prepare a positive electrode active material powder of the lithium metal composite oxide of the present invention. The battery characteristic evaluation results of the prepared active material are shown in Table 1.
표 1 TABLE 1
실시예 2의 조성(LiNi0.47Co0.2Mn0.33O2)의 경우 총 금속중 Mn의 비율이 30% 이 상이므로 전이 금속층에 보다 많은 리튬을 삽입시킬 수 있다. 따라서 상대적으로 높은 Li/M 비를 갖는 양극활물질 제조가 가능하며, 표면에 잔류하는 Li2CO3의 양 조절도 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2대비 상대적으로 용이하다.In the case of the composition of Example 2 (LiNi 0.47 Co 0.2 Mn 0.33 O 2 ), since the ratio of Mn in the total metal is 30% or more, more lithium may be inserted into the transition metal layer. Therefore, it is possible to manufacture a cathode active material having a relatively high Li / M ratio, and the amount of Li 2 CO 3 remaining on the surface is also relatively easy compared to LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 .
표 1에서 Li/M비가 높아짐에 따라 잔류 Li2CO3의 양이 증가하였으며, 1.07이상이 되면 극판 슬러리 제조시에 문제가 될 정도의 높은 pH값(11.5)이 나타남을 알 수 있다. 전지특성 측면에서는 Li/M비가 0.97에서 1.052로 높아짐에 따라 Formation 방전용량의 증가 및 2C 특성이 향상됨을 알 수 있다. Li/M비가 1.07이 되면 용량 및 고율특성이 저하되었다. 따라서 잔류 리튬 조절과 전지특성을 고려할 때 바람직한 활물질의 Li/M비는 0.98 내지 1.06 이다. In Table 1, as the Li / M ratio was increased, the amount of residual Li 2 CO 3 was increased, and when it is 1.07 or more, it can be seen that a high pH value (11.5) appears to be a problem when preparing the slurry of the electrode plate. In terms of battery characteristics, it can be seen that as the Li / M ratio is increased from 0.97 to 1.052, the formation discharge capacity is increased and 2C characteristics are improved. When the Li / M ratio is 1.07, the capacity and high rate characteristics are deteriorated. Therefore, the Li / M ratio of the active material is preferably 0.98 to 1.06 in consideration of residual lithium control and battery characteristics.
비교예 1Comparative Example 1
Ni1/3Co1/3Mn1/3(OH)2 복합 수산화물을 Li2CO3와 (Ni + Co + Mn) : Li의 몰비가 1 : 1.03이 되도록 믹서를 사용하여 혼합하였다.Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 composite hydroxide was mixed using a mixer so that the molar ratio of Li 2 CO 3 and (Ni + Co + Mn): Li is 1: 1.03.
얻어진 혼합물을 승온 반응 시간 6 시간, 유지 구간에서 1000℃에서 7시간 동안 유지 소성하였다. 얻어진 소성체를 천천히 냉각하고, 다시 분쇄하여 양극 활물질을 제조하였다. The resulting mixture was held and calcined at 1000 ° C. for 7 hours in a heating reaction time of 6 hours and a holding section. The obtained fired body was cooled slowly and pulverized again to prepare a positive electrode active material.
비교예 2Comparative Example 2
Ni0.4Co0.15Mn0.45(OH)2 복합 수산화물을 Li2CO3 와 (Ni + Co + Mn) : Li의 몰비가 1 : 1.04가 되도록 믹서를 사용하여 혼합하였다.Ni 0.4 Co 0.15 Mn 0.45 (OH) 2 composite hydroxide was mixed using a mixer such that the molar ratio of Li 2 CO 3 and (Ni + Co + Mn): Li is 1: 1.04.
얻어진 혼합물을 승온 반응 시간 6 시간, 유지 구간에서 980℃에서 7시간 동안 유지 소성하였다. 얻어진 소성체를 천천히 냉각하고, 다시 분쇄하여 양극 활물질을 제조하였다. 비교예 2에서 얻어진 활물질의 분체 결과를 표 2에 나타내었다.The resulting mixture was held and calcined at 980 ° C. for 7 hours in a heating reaction time of 6 hours and a holding section. The obtained fired body was slowly cooled and pulverized again to prepare a positive electrode active material. Table 2 shows the powder results of the active material obtained in Comparative Example 2.
표 2Table 2
실시예 2의 샘플2-4과 비교시(동일수준의 Li/M비에서) 낮은 잔류 Li2CO3 함량과 pH 특성을 보이고 있다. 실시예 1내지 2에 비해 Mn 함량이 상대적으로 많아 적은 양의 리튬 소스로도 전이금속층에 과잉의 Li 삽입이 용이하며, 또한 니켈함량도 실시예 1 내지 2에 비해 작아 잔류 Li 함량 또한 작은 것으로 추정된다.Compared with sample 2-4 of Example 2 (at the same level of Li / M ratio) shows a low residual Li 2 CO 3 content and pH characteristics. Compared with Examples 1 to 2, the Mn content is relatively high, so even a small amount of lithium source facilitates the excessive Li insertion into the transition metal layer, and the nickel content is also smaller than that of Examples 1 to 2, so the residual Li content is also estimated to be small. do.
비교예 3Comparative Example 3
Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2 복합 수산화물을 Li2CO3 와 (Ni + Co + Mn) : Li의 몰비가 1 : 1.03이 되도록 믹서를 사용하여 혼합하였다.Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 (OH) 2 composite hydroxide was mixed using a mixer so that the molar ratio of Li 2 CO 3 and (Ni + Co + Mn): Li is 1: 1.03.
얻어진 혼합물을 승온 반응 시간 6 시간, 유지 구간에서 950℃에서 7시간 동안 유지 소성하였다. 얻어진 소성체를 천천히 냉각하고, 다시 분쇄하여 양극 활물 질을 제조하였다. 비교예 3에서 얻어진 활물질의 분체 결과를 표 3에 나타내었다.The resulting mixture was held and calcined for 7 hours at 950 ° C. in a heating reaction time of 6 hours and a holding section. The resulting fired body was cooled slowly and pulverized again to prepare a cathode active material. Table 3 shows the powder results of the active material obtained in Comparative Example 3.
표 3TABLE 3
비교예 3과 실시예 2의 샘플2-3과 비교(동일한 Li/M 수준에서 비교)시, 비교예 3의 잔류 Li2CO3 함량 및 pH 수준이 높으며 비교예 3의 pH는 실시예 2의 샘플2-6과 같은 수준으로 1.0 이상의 Li/M를 얻기 위해서는 과량의 Li원료를 투입하여야 하며 이에 따른 잔류 Li2CO3 함량 및 pH 상승이 발생하게 된다.Compared with Samples 2-3 of Comparative Examples 3 and 2 (compared at the same Li / M level), the residual Li 2 CO 3 content and pH level of Comparative Example 3 were high and the pH of Comparative Example 3 was To obtain more than 1.0 Li / M at the same level as Sample 2-6, an excessive amount of Li raw material should be added, resulting in a residual Li 2 CO 3 content and a rise in pH.
비교예 4Comparative Example 4
Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 복합 수산화물을 Li2CO3 와 (Ni + Co + Mn) : Li의 몰비가 1 : 1.03이 되도록 믹서를 사용하여 혼합하였다.The Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 composite hydroxide was mixed using a mixer such that the molar ratio of Li 2 CO 3 and (Ni + Co + Mn): Li is 1: 1.03.
얻어진 혼합물을 승온 반응 시간 6 시간, 유지 구간에서 900℃에서 7시간 동안 유지 소성하였다. 얻어진 소성체를 천천히 냉각하고, 다시 분쇄하여 양극 활물질을 제조하였다.The resulting mixture was held and calcined at 900 ° C. for 7 hours in a heating reaction time of 6 hours and a holding section. The obtained fired body was cooled slowly and pulverized again to prepare a positive electrode active material.
비교예 5Comparative Example 5
Ni0.7Co0.15Mn0.15(OH)2 복합 수산화물을 Li2CO3 와 (Ni + Co + Mn) : Li의 몰비 가 1 : 1.03이 되도록 믹서를 사용하여 혼합하였다.Ni 0.7 Co 0.15 Mn 0.15 (OH) 2 composite hydroxide was mixed using a mixer so that the molar ratio of Li 2 CO 3 and (Ni + Co + Mn): Li is 1: 1.03.
얻어진 혼합물을 승온 반응 시간 6 시간, 유지 구간에서 820℃에서 7시간 동안 유지 소성하였다. 얻어진 소성체를 천천히 냉각하고, 다시 분쇄하여 양극 활물질을 제조하였다.The resulting mixture was held and calcined at 820 ° C. for 7 hours in a heating reaction time of 6 hours and a holding section. The obtained fired body was cooled slowly and pulverized again to prepare a positive electrode active material.
실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 3에서 얻어진 활물질의 전지적용 평가 결과를 표 4에 종합하여 나타내었다. The battery application evaluation results of the active materials obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 are collectively shown in Table 4.
표 4Table 4
(mAh/g)Formation capacity
(mAh / g)
실시예 1 내지 2의 조성에서는 비교예 1 내지 2의 조성과 비교시 높은 가역방전용량 특성을 나타내고 있다. 비교예 2는 수명유지율에서 우수한 특성을 보였으나 초기용량이 낮아 고에너지밀도용 소재로서 부적합한 특성을 나타내었다. 비교예 3과 비교해서도 실시예 1에서 우수한 수명특성, 실시예 2에서 동등 이상의 가역용량, 우수한 2C/수명유지율 특성이 나타났다.The compositions of Examples 1 and 2 exhibit high reversible discharge capacity characteristics when compared to the compositions of Comparative Examples 1 and 2. Comparative Example 2 showed excellent characteristics in the life retention rate, but showed an inadequate characteristic as a material for high energy density due to its low initial capacity. In comparison with Comparative Example 3, excellent life characteristics were observed in Example 1, reversible capacity equivalent to or higher in Example 2, and excellent 2C / life retention characteristics.
실시예 3Example 3
실시예 3-1Example 3-1
한국 등록특허 제10-0864199호에 기재된 방법으로 제조된 고전압용 LiCoO2와 실시예 2-4 에서 제조된 리튬복합 산화물을 중량비 8:2 비율로 혼합, 극판을 제조. 제조된 극판을 양극으로 하고 리튬 금속을 음극으로 하여 코인 전지를 제작하였다. 4.3V까지 충전후, 셀을 해체하여 DSC 측정을 실시하였다.A high-voltage LiCoO 2 prepared by the method described in Korean Patent No. 10-0864199 and a lithium composite oxide prepared in Example 2-4 were mixed at a weight ratio of 8: 2 to prepare an electrode plate. A coin battery was manufactured using the manufactured electrode plate as a positive electrode and lithium metal as a negative electrode. After charging to 4.3V, the cell was disassembled and DSC measurement was performed.
실시예 3-2Example 3-2
상기 LiCoO2와 실시예 2-5 에서 제조된 리튬복합 산화물을 7:3 비율로 비율로 혼합한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 DSC 측정을 실시하였다.The DSC measurement was performed in the same manner except that the LiCoO 2 and the lithium composite oxide prepared in Example 2-5 were mixed at a ratio of 7: 3.
<X선 회절에 의한 리트벨트 해석>Rietveld analysis by X-ray diffraction
하기와 같은 측정 조건으로 XRD 회절 패턴을 구한다. The XRD diffraction pattern is obtained under the following measurement conditions.
- X선 튜브 : 구리(Cu) X-ray tube: Copper (Cu)
- 전력 : 전압 - 40kV, 전류 - 30mA Power: Voltage-40kV, Current-30mA
- 온도 : 상온 25℃ -Temperature: 25 ℃
- 회절값 기록 방법 : 스텝 스캔 (step-scan) -Diffraction value recording method: step-scan
- 주사 각도 범위 : 10ㅀ~ 120ㅀ -Scanning angle range: 10 ㅀ ~ 120 ㅀ
- 주사간격 : 0.01ㅀ ~ 0.03ㅀ -Scanning interval: 0.01 ㅀ ~ 0.03 ㅀ
- 주사간격의 시간 : 10초 ~ 60초 -Interval of scan interval: 10 seconds ~ 60 seconds
- 수광 스리트(Reciving Slit) : 0.15mm ~ 0.60mm Reciving Slit: 0.15mm ~ 0.60mm
- 발산 스리트(Divergence Slit) : 0.5ㅀ~ 2ㅀ Divergence Slit: 0.5 ㅀ ~ 2 ㅀ
육방정계 화합물의 경우에는 3a, 3b, 6c의 사이트가 있고 LiNiO2가 완전한 화학량론 조성의 경우에는 3a 사이트는 Li, 3b 사이트 Ni, 6c 사이트는 O가 각각 100%의 사이트 점유율을 나타낸다. In the case of a hexagonal compound, there are 3a, 3b, and 6c sites, and in the case of LiNiO 2 having a complete stoichiometric composition, the 3a site is Li, the 3b site Ni, and the 6c site are each 100% occupied by O.
리트벨트 해석법은 고해상도로 상세한 격자파라메터를 얻기 위하여 분말 X선 회절 패턴의 피크를 지수로 나타내어 공간군을 교차하고, 최소 2승법 또는 로레이(Rawlay) 법에 의하여 격자 정수를 정밀화 한다. 결정학적 지견 및 화학 조성 등으로 각 원자 배치를 추정하여 원자배치에서 구축한 구조모델을 기본으로 하여 분말 X선 회절을 시뮬레이션한다. The Rietveld analysis method expresses the peak of the powder X-ray diffraction pattern as an exponent in order to obtain detailed lattice parameters at high resolution, intersects the space group, and refines the lattice constant by the least-squares method or Rawlay method. Powder X-ray diffraction is simulated based on structural model constructed from atomic arrangements by estimating each atomic arrangement with crystallographic knowledge and chemical composition.
< 리트벨트 해석 순서><Rietveld analysis sequence>
리트벨트 해석 프로그램 : 머터리얼 스튜디오 리플렉스 (Materials Studio Reflex)Rietveld analysis program: Materials Studio Reflex
① XRD기기를 통해 얻은 데이터를 불러온다① Load data obtained through XRD device
② 결정학적 식견 및 원소분석 결과를 통해 구조모델을 설정② Establish structural model through crystallographic insights and elemental analysis
결정의 공간군과 원자 좌표, 격자상수를 입력 Enter the space group, atomic coordinates, and lattice constant of the crystal
- 공간군 : R-3m Space group: R-3m
- 원자좌표(X, Y, Z) 입력 -Enter atomic coordinates (X, Y, Z)
Li(3a사이트) : (0, 0, 0) Li (3a site): (0, 0, 0)
M(3b사이트) : (0, 0, 0.5) M (3b site): (0, 0, 0.5)
O(6c사이트) : (0, 0, 2.4~2.45) O (6c site): (0, 0, 2.4 ~ 2.45)
- 격자상수(a,b,c) 입력 Enter the grid constants (a, b, c)
a : 2.5~2.9Å a: 2.5 ~ 2.9Å
c : 14.0~14.9Å c: 14.0 ~ 14.9Å
③ 아래의 인자들을 조정하여 분석 오차를 줄이도록 한다. ③ Adjust the below factors to reduce the analysis error.
- 피크형태(Peak profile) 함수 Peak profile function
- 기저선(Background)함수 인자 Background function arguments
- 편향성(Preferred Orientation) 인자 Preferred Orientation Factor
- 열진동(Temperature) 인자 혹은 등방성 온도 인자 -Thermal oscillation factor or isotropic temperature factor
- 영점조준(Line Shift) 인자 Line Shift Factor
④ 원소별 점유율 입력(ICP측정치) 및 검증(refine) 여부를 체크 후 시뮬레이션을 행한다.④ Perform simulation after checking occupancy ratio (ICP measurement) and refinement by element.
⑤ R값(R factor) 및 검증 패턴 그래프(refinement pattern graph)를 통한 신뢰도 및 분석오차를 확인한다.⑤ Check reliability and analysis error through R factor and refinement pattern graph.
상기 실시예 2의 2-2 내지 2-6의 양극 활물질의 3a 사이트를 점하는 Ni 이온 자리 점유율을 상기와 같은 리트벨트 해석(Rietveld Mothed)에 의거 구하고 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 표 1 및 표 5부터 양이온 점유율은 1.9 내지 3.1이 바람직하다.Ni ion site occupancy occupying 3a site of the positive electrode active material of 2-2 to 2-6 of Example 2 was calculated based on Rietveld Mothed as described above and the results are shown in Table 5 below. From Table 1 and Table 5, cation occupancy is preferably 1.9 to 3.1.
표 5Table 5
X선 회절 장치를 이용하여 본 발명의 시료에 대한 X선 회절패턴을 측정하였다. X선 회절의 리트 밸트 해석 결과(표 5)에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예 1과 비교예 3에 있어서 분체 특성값은 거의 유사하나 양극 활물질의 양이온 혼합 정도의 차이가 전지특성에 영향을 미침을 알 수 있다. An X-ray diffraction pattern of the sample of the present invention was measured using an X-ray diffraction apparatus. As shown in the result of the Rietbelt analysis of the X-ray diffraction (Table 5), in Example 1 and Comparative Example 3 of the present invention, the powder characteristic values were almost similar, but the difference in the degree of cation mixing of the positive electrode active material affected the battery characteristics. You can see the madness.
상기 표 5에 나타낸 결과로부터 본 발명의 실시예 1 내지 2의 양극 활물질과 비교예 1내지 3의 양극 활물질은 구조적인 물성이 다름을 알 수 있으며, 이와 같은 다른 물성이 열적 안정성에 영향을 미치게 된다. From the results shown in Table 5, it can be seen that the positive electrode active materials of Examples 1 to 2 and the positive electrode active materials of Comparative Examples 1 to 3 of the present invention have different structural properties, and these other physical properties affect thermal stability. .
* 열적 안정성 측정* Thermal stability measurement
상기 실시예 2-5의 양극 활물질과 비교예 1 내지 5에 따른 양극 활물질의 열적 안정성을 알아보기 위하여, 리튬금속을 음극으로 하는 코인형 반쪽전지(Coin Half cell) 구성에 의해 4.3V로 충전하여, 시차중량열분석장치 (DSC: Differential Scanning Calorimeter) 측정을 수행하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. In order to determine the thermal stability of the positive electrode active material of Example 2-5 and the positive electrode active material according to Comparative Examples 1 to 5, by charging at 4.3V by the configuration of a coin-type half-cell (Coin Half cell) using a lithium metal as a negative electrode Differential Scanning Calorimeter (DSC) measurement was performed, and the results are shown in FIG. 1.
또한 실시예 2-5와 비교예 3의 고전압에서의 열적안정성을 알아보기 위하여 리튬금속을 음극으로 하는 코인형 반쪽전지(Coin Half cell) 구성에 의해 4.6V로 충전하여, DSC 측정을 수행하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. In addition, in order to examine the thermal stability at high voltages of Examples 2-5 and Comparative Example 3 was charged to 4.6V by a coin-type half-cell (Coin Half cell) configuration using lithium metal as a negative electrode, DSC measurement was performed The results are shown in FIG.
상기 실시예 3에 나타낸바와 같이 한국 등록특허 제10-0864199호에 기재된 방법으로 제조된 LiCoO2와 상기 발명의 양극활물질을 8:2(실시예 3-1) 내지 7:3(실시예 3-2) 비율로 혼합하여 극판을 제작후 코인 셀(음극: 리튬 금속, 전해액 1.0M LiPF6 EC/DMC 1:1)로 구성한 후 4.3 V로 충전하여, 시차중량열분석장치 측정을 수행하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. As shown in Example 3, LiCoO 2 prepared by the method described in Korean Patent No. 10-0864199 and the positive electrode active material of the present invention are 8: 2 (Example 3-1) to 7: 3 (Example 3-). 2) After mixing the ratio to prepare the electrode plate was configured with a coin cell (cathode: lithium metal, electrolyte solution 1.0M LiPF 6 EC / DMC 1: 1) and charged to 4.3 V, the differential weight thermal analysis device was measured, The results are shown in FIG.
사용팬 : 내압팬Fan Used: Pressure Fan
샘플 무게 : 5~10mg Sample weight: 5-10mg
질소 : 50ml/minNitrogen: 50ml / min
측정 범위 : 30~350℃Measuring range: 30 ~ 350 ℃
승온 속도 : 5℃ /minTemperature raising rate: 5 ℃ / min
도 1은 본 발명의 실시예 2-5 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 양극 활물질의 열적 안정성 특성(DSC)를 측정하여 나타낸 그래프로서, 도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예 2-5의 양극 활물질의 발열 온도가 비교예 1, 3 내지 5에 비하여 높으므로 열적 안정성이 우수함을 알 수 있다.FIG. 1 is a graph illustrating measurement of thermal stability characteristics (DSC) of the cathode active materials prepared in Examples 2-5 and Comparative Examples 1 to 5 of the present invention, and as shown in FIG. 1, Example 2- of the present invention. Since the exothermic temperature of the positive electrode active material of 5 is higher than Comparative Examples 1, 3 to 5, it can be seen that the thermal stability is excellent.
도 2는 본 발명의 실시예 2-5 및 비교예 3에서 제조된 양극 활물질의 4.6V에서의 열적 안정성 특성(DSC)를 측정하여 나타낸 그래프로서, 도 2에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예 2-5의 양극 활물질의 발열 온도가 비교예 3에 비하여 높으므로 열적 안정성이 우수함을 알 수 있다.FIG. 2 is a graph illustrating measurement and measurement of thermal stability (DSC) at 4.6V of the cathode active materials prepared in Examples 2-5 and Comparative Example 3 of the present invention. As shown in FIG. 2, an embodiment of the present invention. Since the exothermic temperature of the positive electrode active material of 2-5 is higher than that of Comparative Example 3, it can be seen that the thermal stability is excellent.
도 3은 본 발명의 실시예 3-1 및 3-2의 열적 안정성 특성(DSC)을 측정하여 나타낸 그래프로서, 도 3에 나타낸 것과 같이, 해당 코팅 LiCoO2와 본 발명의 양극활물질을 혼합 사용할 때, 단독으로 사용한 경우 대비 발열온도 피크가 10℃ 이상 고온쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다. Figure 3 is a graph showing the measurement of the thermal stability characteristics (DSC) of Examples 3-1 and 3-2 of the present invention, as shown in Figure 3, when the coating LiCoO 2 and the positive electrode active material of the present invention is used in combination In contrast, when used alone, it can be seen that the exothermic temperature peak moves toward the high temperature of 10 ° C or more.
발열 온도는 양극 활물질에서 금속과 산소 결합이 깨어져서 산소가 분해되는 온도로서, 높을수록 안정성이 우수함을 의미한다.The exothermic temperature is a temperature at which oxygen decomposes due to broken metal and oxygen bonds in the positive electrode active material, which means that the higher the temperature, the better the stability.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않고, 또한 본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and also all simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art and such modifications or changes Are all included in the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예 2-5 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 양극 활물질의 4.3V에서의 열적 안정성 특성(DSC)를 측정하여 나타낸 그래프. 1 is a graph showing the measurement of the thermal stability (DSC) at 4.3V of the positive electrode active material prepared in Examples 2-5 and Comparative Examples 1 to 5 of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예 2-5 및 비교예 3에서 제조된 양극 활물질의 4.6V에서의 열적 안정성 특성(DSC)를 측정하여 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the measurement of the thermal stability (DSC) at 4.6V of the positive electrode active material prepared in Example 2-5 and Comparative Example 3 of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예 3-1 및 실시예 3-2에서 제조된 양극 활물질의 4.3V에서의 열적 안정성 특성(DSC)를 측정하여 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the measurement of the thermal stability (DSC) at 4.3V of the positive electrode active material prepared in Example 3-1 and Example 3-2 of the present invention.
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