[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR102647676B1 - 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102647676B1
KR102647676B1 KR1020210143301A KR20210143301A KR102647676B1 KR 102647676 B1 KR102647676 B1 KR 102647676B1 KR 1020210143301 A KR1020210143301 A KR 1020210143301A KR 20210143301 A KR20210143301 A KR 20210143301A KR 102647676 B1 KR102647676 B1 KR 102647676B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
composite oxide
lithium composite
active material
positive electrode
cobalt
Prior art date
Application number
KR1020210143301A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230060545A (ko
Inventor
천유경
최문호
최윤영
신종승
이진원
Original Assignee
주식회사 에코프로비엠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 에코프로비엠 filed Critical 주식회사 에코프로비엠
Priority to KR1020210143301A priority Critical patent/KR102647676B1/ko
Priority to EP22203313.6A priority patent/EP4174030A1/en
Priority to CN202211301211.XA priority patent/CN116031398A/zh
Priority to US18/049,541 priority patent/US20230129261A1/en
Priority to JP2022171071A priority patent/JP2023064746A/ja
Publication of KR20230060545A publication Critical patent/KR20230060545A/ko
Priority to KR1020240033732A priority patent/KR102671414B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102647676B1 publication Critical patent/KR102647676B1/ko
Priority to KR1020240069317A priority patent/KR102679388B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00—Compounds of nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00—Compounds of nickel
    • C01G53/40—Nickelates
    • C01G53/42—Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50—Solid solutions
    • C01P2002/52—Solid solutions containing elements as dopants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50—Solid solutions
    • C01P2002/52—Solid solutions containing elements as dopants
    • C01P2002/54—Solid solutions containing elements as dopants one element only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/85—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by XPS, EDX or EDAX data
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/30—Particle morphology extending in three dimensions
    • C01P2004/45—Aggregated particles or particles with an intergrown morphology
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/51—Particles with a specific particle size distribution
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/51—Particles with a specific particle size distribution
    • C01P2004/53—Particles with a specific particle size distribution bimodal size distribution
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/61—Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/80—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/32—Thermal properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/32—Thermal properties
    • C01P2006/37—Stability against thermal decomposition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

본 발명은 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 소립자인 제1 리튬 복합 산화물 및 대립자인 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 바이모달(bimodal) 타입의 양극 활물질로서 상기 소립자 및 상기 대립자 중 코발트가 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배의 기울기를 제어함으로써 상기 소립자 및 상기 대립자의 입자 안정성을 균일하게 향상시키는 것이 가능한 양극 활물질, 상기 양극 활물질을 포함하는 양극, 상기 양극을 사용하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

Description

양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 소립자인 제1 리튬 복합 산화물 및 대립자인 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 바이모달(bimodal) 타입의 양극 활물질로서 상기 소립자 및 상기 대립자 중 코발트가 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배의 기울기를 제어함으로써 상기 소립자 및 상기 대립자의 입자 안정성을 균일하게 향상시키는 것이 가능한 양극 활물질, 상기 양극 활물질을 포함하는 양극, 상기 양극을 사용하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써 전력을 저장하는 것이다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션/디인터칼레이션될 때의 화학전위(chemical potential)의 차이에 의하여 전기 에너지를 저장하는 리튬 이차 전지가 있다.
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.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 복합 산화물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 복합 산화물들이 연구되고 있다.
상기 양극 활물질들 중에 LiCoO2은 수명 특성 및 충방전 효율이 우수하여 가장 많이 사용되고 있지만, 원료로서 사용되는 코발트의 자원적 한계로 인해 고가이므로 가격 경쟁력에 한계가 있다는 단점을 가지고 있다.
LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물은 열적 안전성이 우수하고 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 용량이 작고, 고온 특성이 열악하다는 문제점이 있다. 또한, LiNiO2계 양극 활물질은 높은 방전용량의 전지 특성을 나타내고 있으나, Li과 전이금속 간의 양이온 혼합(cation mixing) 문제로 인해 합성이 어려우며, 그에 따라 레이트(rate) 특성에 큰 문제점이 있다.
한편, 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물은 충방전시 리튬 복합 산화물에 대한 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션에 따라 부피 변화를 수반하게 된다. 보통 리튬 복합 산화물은 복수의 1차 입자가 응집된 2차 입자 형태인데, 충방전시 1차 입자들의 급격한 부피 변화가 발생하거나, 반복된 충방전에 따른 스트레스가 누적될 경우, 2차 입자 내 크랙(crack)이 발생하거나, 결정 구조의 붕괴 또는 결정 구조의 변화(상전이)가 발생하는 문제가 있다.
이러한 문제는 결국 양극 활물질의 안정성 및 신뢰성을 저하시키는 원인으로 작용하기 때문에 충방전시 리튬 복합 산화물의 부피 변화를 완화시키거나, 부피 변화에 따른 응력 발생을 최소화하여 입자의 손상을 방지하기 위한 다양한 연구들이 이어져 오고 있다.
또한, 최근에는 리튬 이차전지의 고용량화를 위해 평균 입경이 서로 상이한 소립자와 대립자를 혼합한 바이모달(bimodal) 타입의 양극 활물질도 종종 사용되고 있다. 소립자와 대립자를 혼합할 경우, 대립자 사이의 공극을 상대적으로 평균 입경이 작은 소립자가 채울 수 있게 됨으로써, 단위 부피 내 리튬 복합 산화물의 집적 밀도가 향상되어 단위 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다.
한국공개특허공보 제10-2010-0131921호
기존에는 충방전시 리튬 복합 산화물의 부피 변화를 완화시키거나, 부피 변화에 따른 응력 발생을 최소화하여 입자의 손상을 방지하기 위해 1차 입자의 응집도를 의도적으로 떨어트려 1차 입자간 소정의 공극이 존재하도록 함으로써 1차 입자의 부피 변화에 따른 응력이 분산되도록 한 바 있다. 그러나, 이러한 리튬 복합 산화물은 단위 부피당 에너지 밀도가 낮다는 한계가 존재한다.
한편, 바이모달 타입의 양극 활물질의 경우, 반복된 충방전에 따라 소립자 및 대립자에 가해지는 스트레스를 완화하기 위해 소정의 물질로 코팅된 소립자와 대립자를 사용할 수 있다.
이 때, 소립자 및 대립자의 혼합물을 코팅 원료 물질과 혼합한 후 동시에 열처리 경우, 상대적으로 비표면적이 큰 소립자에 코팅 원료 물질이 편중됨에 따라 소립자와 대립자 사이의 코팅 불균형 문제가 발생할 수 있다. 이는 바이모달 타입의 양극 활물질 중 소립자와 대립자 사이의 입자 안정성의 불균형을 초래함에 따라 양극 활물질의 전기화학적 특성 및 안정성 등을 저하시키는 원인으로 작용할 수 있다.
상술한 코팅의 편중 현상을 줄이기 위해 소립자와 대립자를 각각 코팅 원료 물질과 혼합한 후 열처리하고, 코팅된 소립자와 대립자를 혼합하는 것을 고려해볼 수 있다. 그러나, 이 경우 대립자 내 소립자를 효과적으로 채우기 어려울 수 있으며, 이에 따라 단위 부피 내 리튬 복합 산화물의 집적 밀도 및 단위 부피당 에너지 밀도를 충분히 향상시킬 수 없다는 새로운 문제가 발생할 수 있다.
이러한 제반 사정 하에서, 소립자 및 대립자 중 코발트가 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배의 기울기를 각각 제어함으로써 상기 소립자 및 상기 대립자의 입자 안정성을 균일하게 향상시킬 수 있다는 것이 본 발명자들에 의해 규명되었다.
이에 따라, 본 발명은 소립자인 제1 리튬 복합 산화물 및 대립자인 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 바이모달(bimodal) 타입의 양극 활물질로서, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물은 적어도 니켈 및 코발트를 포함하며, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트는 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배를 가짐에 따라 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서 크랙(crack) 발생, 결정 구조의 붕괴 및/또는 결정 구조의 변화(상전이)를 완화 또는 방지하여 입자의 안정성을 향상시키는 것이 가능한 양극 활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 소립자인 제1 리튬 복합 산화물 및 대립자인 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 바이모달(bimodal) 타입의 양극 활물질로서, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물은 적어도 니켈 및 코발트를 포함하며, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기와 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기가 상이함에 따라 상기 소립자 및 상기 대립자의 입자 안정성을 균일하게 향상시키는 것이 가능한 양극 활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 본원에서 정의된 양극 활물질을 포함하는 양극을 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 본원에서 정의된 양극을 사용하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적(예를 들어, 전기 자동차용)으로 제한되지 않으며 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 소립자인 제1 리튬 복합 산화물 및 대립자인 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 바이모달(bimodal) 타입의 양극 활물질이 제공된다.
여기서, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물은 적어도 니켈 및 코발트를 포함하며, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트는 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배를 가질 수 있다.
이 때, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값을 s1이라 하고, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값을 s2라 할 때, 상기 s1 및 상기 s2는 하기의 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
s1<s2
상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물은 적어도 하나의 1차 입자를 포함하는 복합 입자이며, 상기 1차 입자는 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
LiwNi1-(x+y+z)CoxM1yM2zO2
(여기서,
M1은 Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M2는 P, Sr, Ba, B, Ce, Cr, Mn, Mo, Na, K, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Mg, V, Zn, Si, Y, Sn, Ge, Nb, W 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M1과 M2는 서로 상이하며,
0.5≤w≤1.5, 0≤x≤0.50, 0≤y≤0.20, 0≤z≤0.20이다)
또한, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 적어도 하나는 상기 1차 입자 및 상기 복합 입자의 표면 중 적어도 일부를 커버하는 코팅층을 포함하는 코어-쉘 입자이며, 상기 코팅층은 하기의 화학식 2로 표시되는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
LiaM3bOc
(여기서,
M3은 Ni, Mn, Co, Fe, Cu, Nb, Mo, Ti, Al, Cr, Zr, Zn, Na, K, Ca, Mg, Pt, Au, B, P, Eu, Sm, W, Ce, V, Ba, Ta, Sn, Hf, Ce, Gd 및 Nd로부터 선택되는 적어도 하나이며,
0≤a≤10, 0≤b≤8, 2≤c≤13이다)
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본원에 정의된 양극 활물질을 포함하는 양극이 제공된다.
아울러, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본원에 정의된 양극을 사용하는 리튬 이차전지가 제공된다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 활물질은 평균 입경이 서로 상이한 소립자인 제1 리튬 복합 산화물 및 대립자인 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 바이모달(bimodal) 타입의 양극 활물질로서 대립자 사이의 공극을 상대적으로 평균 입경이 작은 소립자가 채울 수 있게 됨으로써, 단위 부피 내 리튬 복합 산화물의 집적 밀도가 향상되어 단위 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 소립자 및 상기 대립자 중 코발트가 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배의 기울기를 제어함으로써 상기 소립자 및 상기 대립자의 입자 안정성을 균일하게 향상시키는 것이 가능하다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 것이다. 또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 양극 활물질 및 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
양극 활물질
본 발명의 일 측면에 따르면, 소립자인 제1 리튬 복합 산화물 및 대립자인 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 바이모달(bimodal) 타입의 양극 활물질이 제공된다.
본원에서 소립자 및 대립자의 평균 입경(D50)의 범위는 특별히 제한되지는 않으나, 임의의 리튬 복합 산화물가 소립자 또는 대립자인지 구분하기 위해 아래와 같은 소립자 및 대립자의 평균 입경(D50)의 기준 범위가 결정될 수 있다.
소립자는 평균 입경(D50)이 7μm 이하인 리튬 복합 산화물을 의미하며, 대립자는 평균 입경(D50)은 7μm 초과인 리튬 복합 산화물을 의미한다. 상기 대립자의 평균 입경(D50)의 상한은 제한없으나, 예를 들어, 상기 대립자는 7μm 초과 30.0μm 이하의 평균 입경을 가질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이모달 타입의 양극 활물질은 상기에 정의된 평균 입경(D50)을 나타내는 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물이 5:95 내지 50:50의 중량비로 혼합된 상태로 존재할 수 있다.
이 때, 상기 제1 리튬 복합 산화물은 상기 제2 리튬 복합 산화물 사이의 공극 내 충진된 형태로 존재하거나, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면에 부착되거나, 상기 제1 리튬 복합 산화물끼리 응집된 형태로도 존재할 수 있다. 다만, 적어도 복수의 상기 제2 리튬 복합 산화물이 형성하는 공극 내 상대적으로 작은 평균 입경을 가지는 상기 제1 리튬 복합 산화물이 충분히 충진된 상태로 존재하는 것이 바람직하다.
상기 양극 활물질 중 상기 제2 리튬 복합 산화물 대비 상기 제1 리튬 복합 산화물의 비율이 과도하게 적은 경우, 상기 제2 리튬 복합 산화물이 형성하는 공극 내 상기 제1 리튬 복합 산화물이 충분히 충진되기 어려울 수 있다. 반면에, 상기 양극 활물질 중 상기 제2 리튬 복합 산화물 대비 상기 제1 리튬 복합 산화물의 비율이 과도하게 많은 경우, 양극 활물질 내 상기 제1 리튬 복합 산화물끼리 응집된 비율이 늘어남에 따라 상기 양극 활물질의 프레스 밀도가 감소되는 등 양극 활물질의 안정성이 저하될 우려가 있다.
상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물은 적어도 니켈 및 코발트를 포함하며, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트는 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배를 가질 수 있다.
상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물은 적어도 하나의 1차 입자를 포함하는 복합 입자이며, 상기 1차 입자는 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다. 이 때, 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 리튬 복합 산화물의 조성은 동일 또는 상이할 수 있다.
[화학식 1]
LiwNi1-(x+y+z)CoxM1yM2zO2
(여기서,
M1은 Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M2는 P, Sr, Ba, B, Ce, Cr, Mn, Mo, Na, K, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Mg, V, Zn, Si, Y, Sn, Ge, Nb, W 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M1과 M2는 서로 상이하며,
0.5≤w≤1.5, 0≤x≤0.50, 0≤y≤0.20, 0≤z≤0.20이다)
또한, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및/또는 상기 제2 리튬 복합 산화물은 상기 화학식 1에서 Ni, Co, M1 및 M2의 농도(mol%)가 하기의 관계식 1을 만족하는 1차 입자를 포함하는 high-Ni 타입의 리튬 복합 산화물일 수 있다.
[관계식 1]
Ni/(Ni+Co+M1+M2) ≥ 80.0
또한, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및/또는 상기 제2 리튬 복합 산화물은 상기 화학식 1에서 Ni, Co, M1 및 M2의 농도(mol%)가 상기 관계식 1을 만족함과 동시에 Co의 함량이 10mol% 이하, 바람직하게는 5mol% 이하인 1차 입자를 포함하는 high-Ni / low-Co 타입의 리튬 복합 산화물일 수 있다.
일반적으로, 적어도 니켈 및 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물에 있어서, Ni의 함량이 증가할수록 Li/Ni cation mixing에 의한 리튬 복합 산화물의 구조적 불안정성이 초래될 수 있음이 알려져 있다. 또한, 적어도 Ni 및 Co를 포함하는 리튬 복합 산화물에 있어서, Co의 함량이 줄어들수록 초기 과전압(저항)이 증가하며, 이에 따라 율 특성의 저하가 불가피한 것으로 보고되고 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물은 상기 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배를 가짐으로써 high-Ni 타입 또는 high-Ni / low-Co 타입의 리튬 복합 산화물의 구조적 불안정성 및 율 특성의 저하를 완화 및/또는 방지할 수 있다.
한편, 본원에 정의된 양극 활물질에 포함된 상기 리튬 복합 산화물은 적어도 하나의 1차 입자(primary particle)를 포함하는 2차 입자(secondary particle)일 수 있다.
여기서, "적어도 하나의 1차 입자를 포함하는 2차 입자"는 "복수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자" 또는 "단일의 1차 입자를 포함하는 비응집 형태의 입자"를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기 1차 입자 및 상기 2차 입자는 각각 독립적으로 막대 형상, 타원 형상 및/또는 부정형 형상을 가질 수 있다.
상기 1차 입자 및 상기 2차 입자의 크기를 나타내는 지표로서 평균 장축 길이를 사용할 경우, 상기 리튬 복합 산화물을 구성하는 상기 1차 입자의 평균 장축 길이는 0.1μm 내지 5μm일 수 있으며, 상기 2차 입자의 평균 장축 길이는 1μm 내지 30μm일 수 있다. 상기 2차 입자의 평균 장축 길이는 상기 2차 입자를 구성하는 상기 1차 입자의 수에 따라 달라질 수 있으며, 상기 양극 활물질 내에는 다양한 평균 장축 길이를 가지는 입자가 포함될 수 있다.
상기 리튬 복합 산화물이 "단일의 1차 입자를 포함하는 비응집 형태의 입자"이거나, "비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자"인 경우, "단일의 1차 입자를 포함하는 비응집 형태의 입자" 또는 "비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자" 내 포함된 1차 입자의 크기(평균 입경)는 "수십~수백개 또는 그 이상의 1차 입자가 응집되어 형성된 2차 입자" 내에 포함된 1차 입자(평균 입경)보다 클 수 있다.
이와 같이, "단일의 1차 입자를 포함하는 비응집 형태의 입자"이거나, "비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자"인 리튬 복합 산화물은 일반적으로 "수십~수백개 또는 그 이상의 1차 입자가 응집되어 형성된 2차 입자"를 제조하는 경우 대비 강한 열처리 조건(높은 열처리 온도/장시간 열처리)을 요구한다.
상대적으로 고온(예를 들어, 800℃ 이상)에서 장시간 열처리할 경우, 입자 성장(결정 성장)이 촉진되어 단일의 입자의 크기가 커짐과 동시에 입자의 응집도가 낮아진 양극 활물질이 수득되는 것으로 알려져 있다.
예를 들어, 상기 리튬 복합 산화물이 "단일의 1차 입자를 포함하는 비응집 형태의 입자"이거나, "비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자"인 경우, 상기 1차 입자의 평균 장축 길이는 0.5μm 내지 20μm 범위 내에 존재할 수 있다. 반면에, 상기 리튬 복합 산화물이 "복수(수십~수백개 또는 그 이상)의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자"인 경우, 상기 1차 입자의 평균 장축 길이는 0.1μm 내지 5μm 범위 내에 존재할 수 있다.
또한, 상기 1차 입자는 적어도 하나의 결정자(crystallite)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 1차 입자는 단일의 결정자로서 이루어지거나 복수의 결정자를 포함하는 입자로서 존재할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 적어도 하나는 상기 1차 입자 및 상기 복합 입자의 표면 중 적어도 일부를 커버하는 코팅층을 포함하는 코어-쉘 입자이며, 상기 코팅층은 하기의 화학식 2로 표시되는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
LiaM3bOc
(여기서,
M3은 Ni, Mn, Co, Fe, Cu, Nb, Mo, Ti, Al, Cr, Zr, Zn, Na, K, Ca, Mg, Pt, Au, B, P, Eu, Sm, W, Ce, V, Ba, Ta, Sn, Hf, Ce, Gd 및 Nd로부터 선택되는 적어도 하나이며,
0≤a≤10, 0≤b≤8, 2≤c≤13이다)
상기 코팅층은 하나의 층 내 이종의 금속 산화물이 동시에 존재하거나, 상기의 화학식 2로 표시되는 이종의 금속 산화물이 각각 별개의 층에 존재하는 형태일 수 있다. 또한, 상기 코팅층은 적어도 Co를 포함하는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기의 화학식 2로 표시되는 금속 산화물은 상기 1차 입자 및/또는 상기 2차 입자와 물리적 및/또는 화학적으로 결합된 상태일 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물은 상기 1차 입자 및/또는 상기 2차 입자와 고용체를 형성한 상태로 존재할 수도 있다.
상기 금속 산화물은 리튬과 M3로 표시되는 원소가 복합화된 산화물이거나, M3의 산화물로서, 상기 금속 산화물은 예를 들어, LiaWbOc, LiaZrbOc, LiaTibOc, LiaNibOc, LiaBbOc, LiaCobOc, LiaAlbOc, CobOc, AlbOc, WbOc, ZrbOc, TibOc 또는 BbOc 등일 수 있으나, 상술한 예는 이해를 돕기 위해 편의상 기재한 것에 불과할 뿐 본원에서 정의된 상기 금속 산화물은 상술한 예에 제한되지 않는다.
또한, 상기 금속 산화물은 리튬과 M3로 표시되는 적어도 2종의 원소가 복합화된 산화물이거나, 리튬과 M3로 표시되는 적어도 2종의 원소가 복합화된 금속 산화물을 더 포함할 수 있다. 리튬과 M3로 표시되는 적어도 2종의 원소가 복합화된 금속 산화물은 예를 들어, Lia(W/Ti)bOc, Lia(W/Zr)bOc, Lia(W/Ti/Zr)bOc, Lia(W/Ti/B)bOc 등일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 양극 활물질에 포함된 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트가 나타내는 농도 구배 패턴은 상기 코팅층에 의해 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트가 나타내는 농도 구배는 1차 입자 및/또는 2차 입자 내 존재하는 코발트의 농도와 1차 입자 및/또는 2차 입자의 표면에 존재하는 금속 산화물 내 존재하는 코발트의 농도에 의해 구현될 수 있다.
상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 전이 금속의 농도는 공지된 다양한 방법으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물을 각각 단면 처리한 후 EDS 매핑을 통해 타겟 전이 금속의 농도를 line scanning 방식으로 타겟 전이 금속의 농도를 분석할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향하는 방향으로 타겟 전이 금속의 농도 변화를 확인할 수 있다.
또한, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면으로 조사하는 전자빔(electron beam)의 가속 전압(Vacc)을 변화시키면서 상기 리튬 복합 산화물의 표면으로부터 가속 전압별 전자빔이 침투한 특정 깊이까지 누적된 타겟 전이 금속의 농도를 측정하는 Engery Profiling-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EP-EDS) 방식이 있다.
본원에서는 전술한 EP-EDS 방식으로 전이 금속의 농도를 분석하였다. 구체적으로, 본원에 따른 양극 활물질에 포함된 제1 리튬 복합 산화물(소립자)과 제2 리튬 복합 산화물(대립자)을 각각 선별한 후, 선별된 제1 리튬 복합 산화물(소립자) 및 제2 리튬 복합 산화물(대립자)의 표면에 대하여 조사되는 전자빔의 가속 전압을 1kV에서 30kV (1kV, 3kV, 5kV, 7.5kV, 10kV, 12.5kV, 15kV, 20kV, 30kV)까지 변화시키면서 가속 전압별 전자빔이 침투한 특정 깊이까지의 전이 금속의 누적 농도(at%)를 분석할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면에 대하여 10kV의 가속 전압의 전자빔을 조사하여 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면으로부터 약 300nm의 깊이까지 전자빔을 침투시키는 것이 가능할 경우, 상기 EP-EDS 분석을 통해 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면으로부터 300nm의 깊이의 영역 내 존재하는 타겟 전이 금속의 농도를 측정할 수 있다. 또한, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면에 대하여 20kV의 가속 전압의 전자빔을 조사하여 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면으로부터 약 800nm의 깊이까지 전자빔을 침투시키는 것이 가능할 경우, 상기 EP-EDS 분석을 통해 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면으로부터 800nm의 깊이의 영역 내 존재하는 타겟 전이 금속의 농도를 측정할 수 있다.
즉, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면에 대하여 조사되는 전자빔의 가속 전압이 커짐에 따라 측정되는 타겟 전이 금속의 누적 농도가 감소할 경우, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 타겟 전이 금속의 농도가 감소하는 구배를 가지는 것으로 해석할 수 있다.
본원에 따른 양극 활물질에 포함된 제1 리튬 복합 산화물(소립자) 및 제2 리튬 복합 산화물(대립자)의 표면에 대하여 1kV에서 30kV까지 증가하는 가속 전압으로 조사되는 전자빔을 이용하여 상기 2차 입자의 표면으로부터 상기 전자빔이 침투한 깊이까지의 코발트의 누적 농도를 측정하는 EP-EDS (Energy Profiling-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) 분석시 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 모두 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배를 나타낼 수 있다.
상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 모두 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배는 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물이 코어-쉘 입자인 경우에도 동일하게 존재하며, 이 경우 쉘로부터 코발트를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 존재할 수 있다.
이 때, 상기 코발트의 농도 구배는 입자의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 연속적으로 감소하거나 불연속적으로 감소하는 농도 구배일 수 있다. 즉, 상기 코발트의 농도를 측정하는 임의의 구간 내 시점으로부터 종점까지 상기 코발트의 농도가 감소할 경우, 상기 코발트는 상기 임의의 구간 내 시점으로부터 종점을 향해 감소하는 농도 구배를 가지는 것으로 지칭할 수 있다.
다만, 이 경우, 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 리튬 복합 산화물이 나타내는 코발트의 농도 구배의 기울기는 서로 다르게 나타날 수 있다.
이 때, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값을 s1이라 하고, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값을 s2라 할 때, 상기 s1 및 상기 s2는 하기의 식 1을 만족하는 것이 바람직하다.
[식 1]
s1<s2
또한, 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 리튬 복합 산화물이 나타내는 코발트의 농도 구배의 기울기는 서로 독립적일 것이나, 동일한 부호를 가짐으로써 코발트의 농도 구배의 방향은 동일하다.
상기 식 1은 대립자인 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트의 농도 구배의 기울기가 소립자인 상기 제1 리튬 복합 산화물 내 코발트의 농도 구배의 기울기보다 큰 것을 의미한다.
여기서, 농도 구배의 기울기가 크다는 것은 결국 입자의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 폭이 크다는 것을 의미한다. 만약 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트의 함량이 동일하다는 전제 하에 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배의 기울기가 클 경우, 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트는 상기 제1 리튬 복합 산화물 내 코발트보다 상대적으로 표면부에 집중적으로 존재하는 것으로 예상할 수 있다.
그러나, 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트의 함량이 상기 제1 리튬 복합 산화물 내 코발트의 함량보다 많을 경우, 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배의 기울기가 크더라도 상기 제2 리튬 복합 산화물의 중심부 내 코발트의 함량은 상기 제1 리튬 복합 산화물의 중심부 내 코발트의 함량보다 많거나 유사할 수 있다.
예를 들어, 코어-쉘 입자를 형성하기 위해 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 리튬 복합 산화물을 각각 코팅하는 것이 아니라, 상기 제1 리튬 복합 산화물(또는 이의 전구체) 및 상기 제2 리튬 복합 산화물(또는 이의 전구체)과 상기 화학식 2로 표시되는 금속 산화물의 원료 물질을 혼합한 후 열처리할 경우, 상대적으로 비표면적이 크고, 결정립계 밀도가 작은 소립자인 상기 제1 리튬 복합 산화물에 코팅 원료 물질이 편중될 수 있다.
전술한 리튬 복합 산화물의 표면에 형성된 코팅층은 충방전시 리튬 복합 산화물의 부피 변화를 완화시키거나, 부피 변화에 따른 응력 발생을 최소화하여 입자의 손상을 방지하는 역할을 하나, 만약 상기 제1 리튬 복합 산화물에 코팅 원료 물질이 편중될 경우, 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 리튬 복합 산화물 사이의 입자 안정성의 편차가 더욱 크게 발생하게 된다.
또한, 상대적으로 입자의 크기가 작으며, 결정립계 밀도가 작은 상기 제1 리튬 복합 산화물의 경우, 2차 입자의 내부, 즉 1차 입자의 표면에 대한 코팅층의 형성이 상기 제2 리튬 복합 산화물보다 용이하기 때문에 상기 제1 리튬 복합 산화물에 코팅 원료 물질이 편중될 경우 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부와 중심부 내 1차 입자의 안정성의 편차가 발생할 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서 크랙(crack) 발생, 결정 구조의 붕괴 및/또는 결정 구조의 변화(상전이)를 완화 또는 방지하여 입자의 안정성을 균일하게 향상시킬 수 있도록 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값 s1과 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값 s2는 소정의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 상기 s1은 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면으로 조사하는 전자빔의 가속 전압이 1kV에서 30kV까지의 영역에서 측정된 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값일 수 있으며, 상기 s2는 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면으로 조사하는 전자빔의 가속 전압이 1kV에서 30kV까지의 영역에서 측정된 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트의 농도 구배의 기울기는 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부(쉘)로부터 중심부(코어)를 향하는 방향을 따라 소정의 영역 내에서 측정된 절대값일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값인 상기 s1은 하기의 식 2를 만족할 수 있다.
[식 2]
0.5<s1<2.0
상기 제1 리튬 복합 산화물 내 코발트가 나타내는 농도 구배의 기울기의 절대값인 s1이 0.5 이하라는 것은 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도 편차가 거의 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 이것은 달리 말하면 상기 제1 리튬 복합 산화물 내 코발트의 양이 부족함을 의미하는 것이다. 이 경우, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부 및 상대적으로 상기 제1 리튬 복합 산화물의 중심부와 인접한 영역에 존재하는 1차 입자의 안정성을 향상시키는 효과가 부족할 수 있다.
한편, 상기 제1 리튬 복합 산화물 내 코발트가 나타내는 농도 구배의 기울기의 절대값인 s1이 2.0 이상이라는 것은 상기 제1 리튬 복합 산화물로 코팅이 편중되어 상기 제2 리튬 복합 산화물에 대한 코팅이 부족함을 의미할 수 있다. 이 경우 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부 및 상대적으로 상기 제2 리튬 복합 산화물의 중심부와 인접한 영역에 존재하는 1차 입자의 안정성을 향상시키는 효과가 부족할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값인 상기 s2는 하기의 식 3을 만족할 수 있다.
[식 3]
1.5<s2<3.0
상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트가 나타내는 농도 구배의 기울기의 절대값인 s2가 1.5 이하라는 것은 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트의 양이 부족함을 의미하는 것이다. 이 경우 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부 및 상대적으로 상기 제2 리튬 복합 산화물의 중심부와 인접한 영역에 존재하는 1차 입자의 안정성을 향상시키는 효과가 부족할 수 있다.
한편, 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트가 나타내는 농도 구배의 기울기의 절대값인 s2가 3.0 이상이라는 것은 상기 제2 리튬 복합 산화물로 코팅이 편중되어 상기 제1 리튬 복합 산화물에 대한 코팅이 부족함을 의미하는 것이다. 이 경우, 오히려 상기 제2 리튬 복합 산화물보다 평균 입경 및 결정립계 밀도가 작아 코팅에 유리함에도 불구하고 절대적인 코팅량이 부족해짐에 따라 상기 제1 리튬 복합 산화물의 안정성의 향상 효과가 부족해질 수 있다.
전술한 식 1 내지 식 3을 종합하면, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트는 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배를 가지되, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값은 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값보다 작도록 제어되는 것이 바람직하다.
추가적으로, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 각각의 표면에 대하여 EP-EDS (Energy Profiling-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) 분석시 가속 전압이 1.0kV일 때 측정된 코발트의 농도는 상기 제2 리튬 복합 산화물이 상기 제1 리튬 복합 산화물보다 큰 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값이 상기 제1 리튬 복합 산화물보다 크더라도 상기 제2 리튬 복합 산화물의 중심부 내에서도 소정의 기준을 만족하는 코발트의 농도가 달성될 수 있다.
또한, 전술한 이유와 동일한 이유로, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 각각의 표면에 대하여 EP-EDS (Energy Profiling-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) 분석시 가속 전압이 30.0kV일 때 측정된 코발트의 농도는 상기 제2 리튬 복합 산화물이 상기 제1 리튬 복합 산화물보다 큰 것이 바람직하다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값인 상기 s1과 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값인 상기 s2는 하기의 식 4를 만족할 수 있다. 또한, 바람직하게는 s2/s1는 1.5 이상일 수 있다.
[식 4]
1.0<s2/s1≤3.0
상기 식 4로 계산되는 s2/s1이 3.0 보다 크다는 것은 상기 제1 리튬 복합 산화물보다 상기 제2 리튬 복합 산화물로 코팅이 과도하게 편중되어 상기 제1 리튬 복합 산화물에 대한 코팅이 부족함을 의미하는 것이다. 이 경우, 오히려 상기 제2 리튬 복합 산화물보다 평균 입경 및 결정립계 밀도가 작아 코팅에 유리함에도 불구하고 절대적인 코팅량이 부족해짐에 따라 상기 제1 리튬 복합 산화물의 안정성의 향상 효과가 부족해질 수 있다. 또한, 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 리튬 복합 산화물의 코팅 편차에 의해 바이모달 타입의 양극 활물질 내 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 리튬 복합 산화물의 안정성 편차에 따른 성능 열화가 가속될 우려가 있다.
한편, 상기 식 4로 계산되는 s2/s1이 1.0 이하라는 것은 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 코발트의 양이 부족함을 의미하는 것이다. 이 경우 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부 및 상대적으로 상기 제2 리튬 복합 산화물의 중심부와 인접한 영역에 존재하는 1차 입자의 안정성을 향상시키는 효과가 부족할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물은 리튬의 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 적어도 하나의 1차 입자를 포함하는 복합 입자일 수 있다. 만약, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및/또는 상기 제2 리튬 복합 산화물의 복수의 1차 입자를 포함할 경우, 상기 복수의 1차 입자는 서로 응집된 응집체인 2차 입자로서 존재할 수 있다.
상기 1차 입자는 하나의 결정립(grain or crystallite)를 의미하며, 2차 입자는 복수의 1차 입자가 응집하여 형성된 응집체를 의미한다. 상기 2차 입자를 구성하는 상기 1차 입자 사이에는 공극 및/또는 결정립계(grain boundary)가 존재할 수 있다.
이 때, 상기 바이모달 타입의 양극 활물질 중 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 리튬 복합 산화물의 서로 상이한 범위 내의 1차 입자의 응집 정도를 가질 수 있다.
상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 내 1차 입자의 응집 정도는 본원에서 정의된 결정립계 밀도에 의해 측정될 수 있다.
구체적으로, 상기 결정립계 밀도는 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물을 각각 단면 가공 처리한 후 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 단면을 촬영하여 얻어진 단면 SEM 이미지에서 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 중심을 단축 방향으로 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수와 결정자 사이의 경계면의 수를 하기의 식 5에 대입하여 계산될 수 있다.
[식 5]
결정립계 밀도 = (상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자 사이의 경계면의 수/상기 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수)
예를 들어, 상기 리튬 복합 산화물이 단일의 결정자로 이루어진 비응집된 단입자인 경우, 상기 리튬 복합 산화물의 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수는 1개이며, 이에 따라 결정자 사이의 경계면은 존재하지 않으므로, 상기 식 1에 따라 계산되는 결정립계 밀도는 0이 된다.
또한, 상기 리튬 복합 산화물이 비교적 적은 수의 1차 입자가 응집되어 형성된 입자인 경우, 상기 리튬 복합 산화물의 단면 SEM 이미지에서 상기 리튬 복합 산화물의 중심을 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자(1차 입자)의 수는 2개이며, 이에 따라 결정자 사이의 경계면은 1개가 존재하므로, 상기 식 1에 따라 계산되는 결정립계 밀도는 0.5가 된다.
일반적으로 소립자인 상기 제1 리튬 복합 산화물의 결정립계 밀도가 상기 제2 리튬 복합 산화물의 결정립계 밀도보다 작기 때문에, 상기 제2 리튬 복합 산화물 대비 상기 제1 리튬 복합 산화물의 중심부와 인접한 영역에서의 결정립계의 코팅이 유리할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 리튬 복합 산화물 대비 상대적으로 적은 양의 코팅 원료 물질만으로 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부뿐만 아니라 중심부에서의 코팅이 충분히 이루어질 수 있다.
그럼에도 불구하고, 소립자인 상기 제1 리튬 복합 산화물과 대립자인 상기 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 바이모달 형태의 양극 활물질에 있어서, 상대적으로 작은 평균 입경 및 결정립계 밀도를 가지는 제1 리튬 복합 산화물로 코팅이 편중되는 비율을 줄이는 것이 가능할 경우, 상대적으로 상기 제2 리튬 복합 산화물의 중심부와 가까운 영역에 존재하는 1차 입자들의 입자 안정성을 향상시킬 수 있을 것이다.
리튬 이차전지
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극이 제공될 수 있다. 여기서, 상기 양극 활물질층은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 활물질을 포함할 수 있다. 따라서, 양극 활물질은 앞서 설명한 바와 동일하므로, 편의상 구체적인 설명을 생략하고, 이하에서는 나머지 전술되지 아니한 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질층은 상기 양극 활물질과 함께 도전재 및 필요에 따라 선택적으로 바인더를 포함하는 양극 슬러리 조성물을 상기 양극 집전체에 도포하여 제조될 수 있다.
이 때, 상기 양극 활물질은 양극 활물질층 총 중량에 대하여 80 내지 99wt%, 보다 구체적으로는 85 내지 98.5wt%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기한 함량범위로 포함될 때 우수한 용량 특성을 나타낼 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 0.1 내지 15wt%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 0.1 내지 15 wt%로 포함될 수 있다.
상기 양극은 상기한 양극 활물질을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기한 양극 활물질 및 선택적으로, 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 양극 슬러리 조성물을 양극 집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조할 수 있다.
상기 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 용해 또는 분산시키고, 이후 양극제조를 위한 도포시 우수한 두께 균일도를 나타낼 수 있는 점도를 갖도록 하는 정도면 충분하다.
또한, 다른 실시예에 있어서, 상기 양극은 상기 양극 슬러리 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.
아울러, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 양극을 포함하는 전기화학소자가 제공될 수 있다. 상기 전기화학소자는 구체적으로 전지, 커패시터 등일 수 있으며, 보다 구체적으로는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 리튬 이차전지는 구체적으로,　양극, 상기　양극과 대향하여 위치하는 음극, 및 상기　양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막 및 전해질을 포함할 수 있다. 여기서, 상기　양극은 앞서 설명한 바와 동일하므로, 편의상 구체적인 설명을 생략하고, 이하에서는 전술되지 아니한 나머지 구성에 대해서만 구체적으로 설명한다.
상기 리튬 이차전지는 상기　양극, 상기 음극 및 상기 분리막의 전극 조립체를 수납하는 전지용기 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하는 음극　활물질층을 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3μm 내지 500μm의 두께를 가질 수 있으며,　양극　집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질층은 상기 음극 활물질과 함께 도전재 및 필요에 따라 선택적으로 바인더를 포함하는 음극 슬러리 조성물을 상기 음극 집전체에 도포하여 제조될 수 있다.
상기 음극　활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ (0 < β < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또한, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극 활물질은 음극　활물질층의 전체 중량을 기준으로 80 내지 99wt%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 도전재,　활물질　및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극　활물질층의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 10wt%로 첨가될 수 있다.　이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 음극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 음극　활물질층의 전체 중량을 기준으로 10wt% 이하, 바람직하게는 5wt% 이하로 첨가될 수 있다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 음극　활물질층은 음극 집전체 상에 음극　활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 음극　슬러리 조성물을 도포하고 건조함으로써 제조되거나, 또는 상기 음극　슬러리 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수 있다.
또한, 다른 실시예에 있어서, 상기 음극　활물질층은 음극 집전체 상에 음극　활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 음극　슬러리 조성물을 도포하고 건조하거나, 또는 상기 음극　슬러리 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.
한편, 상기 리튬 이차전지에 있어서, 분리막은 음극과　양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또한, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN (R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2.　LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2　등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0 M 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 wt%로 포함될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른　양극　활물질을 포함하는 리튬 이차전지는 우수한 방전 용량, 출력 특성 및 수명 특성을 안정적으로 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다. 또한, 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 리튬 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및/또는 이를 포함하는 전지팩이 제공될 수 있다.
상기 전지모듈 또는 상기 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범주위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는다 할 것이다.
제조예 1. 양극 활물질의 제조
(1) 실시예 1
(a) 황산 니켈, 황산 코발트 및 황산 망간을 사용하는 공지된 공침법(co-precipitation method)을 통해 소립자인 제1 리튬 복합 산화물 및 대립자인 제2 리튬 복합 산화물의 NiCoAl(OH)2 수산화물 전구체(Ni:Co:Al = 95:4:1 (at%))를 합성하였다.
합성된 NiCoAl(OH)2 수산화물 전구체를 분당 2℃로 승온하여 400℃에서 6시간 동안 열처리하여 산화물 전구체로 전환시켰다.
상기 제1 리튬 복합 산화물의 산화물 전구체(제1 산화물 전구체)의 평균 입경(D50)은 4.0μm이었으며, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 산화물 전구체(제2 산화물 전구체)의 평균 입경(D50)은 18.0μm이었다.
(b) 단계 (a)에서 제조된 상기 제1 산화물 전구체 및 상기 제2 산화물 전구체의 무게비가 80:20이 되도록 칭량한 후 LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.05)를 첨가하여 혼합한 후 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 800℃까지 분당 2℃로 승온하여 12시간 동안 열처리하여 중간 생성물을 수득하였다.
(c) 상기 중간 생성물에 증류수를 투입하고 7.0wt%의 황산 코발트 수용액을 상기 중간 생성물 중 리튬을 제외한 금속 원소(Ni+Co+Al) 대비 황산 코발트 수용액 유래 코발트가 3.0mol%가 되도록 투입하면서 1시간 동안 300rpm으로 교반하여 상기 중간 생성물 중 1 산화물 전구체 및 상기 제2 산화물 전구체의 표면을 코발트로 코팅하였다. 반응 완료 후, 120℃로 12시간 동안 건조시켰다.
(d) 상기 중간 생성물을 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 700℃까지 분당 2℃로 승온하고, 700℃에서 12시간 동안 열처리하여 소립자인 제1 리튬 복합 산화물과 대립자인 제2 리튬 복합 산화물이 소정의 비율로 혼합된 바이모달 타입의 양극 활물질을 수득하였다.
(2) 실시예 2
단계 (c)에서 황상 코발트 수용액을 투입하면서 상기 중간 생성물과 반응시킬 때 400rpm으로 교반한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 바이모달 타입의 양극 활물질을 제조하였다.
(3) 실시예 3
단계 (c)에서 7.0wt%의 황산 코발트 대신 5.7wt%의 황산 코발트 수용액을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 바이모달 타입의 양극 활물질을 제조하였다.
(4) 실시예 4
단계 (c)에서 황산 코발트 수용액을 1시간 동안 투입하면서 교반하는 대신 90분 동안 투입하면서 교반한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 바이모달 타입의 양극 활물질을 제조하였다.
(5) 실시예 5
단계 (b)에서 상기 제1 산화물 전구체, 상기 제2 산화물 전구체, LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.05) 및 H3BO3 (B/(Ni+Co+Al) mol ratio = 0.015)를 혼합한 후 열처리한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 바이모달 타입의 양극 활물질을 제조하였다.
(6) 비교예 1
단계 (c)에서 황산 코발트 수용액을 1시간 동안 투입하면서 교반하는 대신 30분 동안 투입하면서 교반한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 바이모달 타입의 양극 활물질을 제조하였다.
(7) 비교예 2
단계 (c)에서 7.0wt%의 황산 코발트 대신 9.6wt%의 황산 코발트 수용액을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 바이모달 타입의 양극 활물질을 제조하였다.
(8) 참고예
단계 (b)에서 상기 제1 산화물 전구체, 상기 제2 산화물 전구체, LiOH (Li/(Ni+Co+Al) mol ratio = 1.05) 및 H3BO3 (B/(Ni+Co+Al) mol ratio = 0.015)를 혼합한 후 열처리하고, 단계 (c)에서 7.0wt%의 황산 코발트 대신 9.6wt%의 황산 코발트 수용액을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 바이모달 타입의 양극 활물질을 제조하였다.
제조예 2. 리튬 이차전지의 제조
제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질 각각 92wt%, 인조 흑연 4wt%, PVDF 바인더 4wt%를 N-메틸-2 피롤리돈(NMP) 30g에 분산시켜 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 두께 15μm의 알루미늄 박막에 균일하게 도포하고 135℃에서 진공 건조하여 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다.
상기 양극에 대하여 리튬 호일을 상대 전극(counter electrode)으로 하며, 다공성 폴리에틸렌막(Celgard 2300, 두께: 25μm)을 분리막으로 하고, 에틸렌카보네이트 및 에틸메틸카보네이트가 3:7의 부피비로 혼합된 용매에 LiPF6가 1.15M 농도로 존재하는 전해액을 사용하여 코인 전지를 제조하였다.
실험예 1. 양극 활물질의 EP-EDS 분석
제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질에 포함된 리튬 복합 산화물 중 코발트의 함량을 측정하기 위해 EP-EDS 분석을 실시하였다. EP-EDS 분석은 제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질에 포함된 제1 리튬 복합 산화물(소립자)과 제2 리튬 복합 산화물(대립자)을 각각 선별한 후, 선별된 제1 리튬 복합 산화물(소립자) 및 제2 리튬 복합 산화물(대립자)의 표면으로 조사하는 전자빔의 가속 전압을 1kV에서 30kV (1kV, 3kV, 5kV, 7.5kV, 10kV, 12.5kV, 15kV, 22.5kV, 30kV)까지 변화시키면서 가속 전압별 전자빔이 침투한 특정 깊이까지의 코발트의 누적 농도(at%)를 분석하였다.
상기 제1 리튬 복합 산화물(소립자)의 표면으로 조사하는 전자빔의 가속 전압이 1kV에서 30kV까지의 영역에서 측정된 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값을 s1이라 하고, 상기 제2 리튬 복합 산화물(대립자)의 표면으로 조사하는 전자빔의 가속 전압이 1kV에서 30kV까지의 영역에서 측정된 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값을 s2이라 하였다.
코발트의 농도 구배의 기울기를 나타내는 s1 및 s2는 y축을 코발트의 농도의 변화량(△at%)으로 하고, x축을 EDS 가속전압 변화량(△kV%) 하여 계산되었으며, 각 측정 영역의 기울기를 합산하여 구한 평균값으로 계산되었다.
상기 EP-EDS 분석 결과는 하기의 표 1 및 표 2에 나타내었다. 하기의 표 2 및 표 3 중 s1 및 s2는 본원에 정의된 식 1 내지 식 3을 만족시키나, 식 4 (1.0<s2/s1≤3.0)를 만족시키지 않는 예를 참고예로 기재하였다.
구분 가속 전압별 코발트의 누적 농도(at%)
1kV 3kV 5kV 7.5kV 10kV 12.5kV 15kV 20kV 30kV
실시예 1 대립 38.5 28.31 21.71 16.89 14.05 12.91 10.98 10.41 9.38
소립 23.51 20.99 17.16 15.37 13.45 12.31 10.54 9.51 8.05
실시예 2 대립 38.05 27.98 19.88 16.35 13.77 13.22 11.75 10.51 9.57
소립 23.54 20.87 17.22 15.41 13.64 12.55 10.59 9.64 8.17
실시예 3 대립 46.6 34.46 25.53 19.42 15.29 14.23 11.98 10.69 9.78
소립 32.05 27.16 22.15 18.99 16.98 14.32 11.51 9.16 7.32
실시예 4 대립 54.77 41.27 28.83 20.92 16.33 14.7 12.35 10.83 9.83
소립 28.00 25.16 21.54 19.05 16.37 14.11 11.16 9.04 7.08
실시예 5 대립 49.8 38.77 29.34 22.81 18.77 15.5 13.03 11.5 9.58
소립 29.06 24.87 21.64 18.55 15.76 13.00 11.04 8.84 7.51
비교예 1 대립 29.17 22.52 18.89 15.81 14.3 12.00 11.11 10.31 9.44
소립 38.05 29.00 22.34 17.34 14.97 13.77 11.94 10.49 9.11
비교예 2 대립 32.05 27.16 22.15 18.99 16.98 14.32 11.64 9.87 8.11
소립 38.05 27.98 21.45 17 15.67 13.54 11.99 10.64 9.17
참고예 대립 54.77 41.27 28.83 20.92 16.33 14.7 12.35 10.83 9.83
소립 23.51 20.99 17.16 15.37 13.45 12.31 10.54 9.51 8.05
구분 절대값 s2/s1
실시예 1 s2 1.61 2.10
s1 0.77
실시예 2 s2 1.58 2.06
s1 0.77
실시예 3 s2 2.03 1.66
s1 1.22
실시예 4 s2 2.49 2.51
s1 0.99
실시예 5 s2 2.15 2.04
s1 1.05
비교예 1 s2 1.06 0.68
s1 1.55
비교예 2 s2 1.20 0.77
s1 1.56
참고예 s2 2.49 3.23
s1 0.77
상기 표 1 및 표 2의 결과를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 바이모달 타입의 양극 활물질에 포함된 제1 리튬 복합 산화물 및 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트는 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 형성되며, 이 때 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값은 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값보다 작은 것을 확인할 수 있다.
반면에, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 양극 활물질의 경우, 표면부로부터 중심부를 향해 코발트의 농도가 감소하는 농도 구배가 형성되기는 하나, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값은 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값보다 큰 것을 확인할 수 있다.
(2) 양극 활물질의 단면 SEM 분석
제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질에 포함된 제1 리튬 복합 산화물(소립자)과 제2 리튬 복합 산화물(대립자)의 결정립계 밀도를 측정하기 위해 단면 SEM 이미지로부터 확인되는 2차 입자 내 1차 입자의 응집 정도를 확인하였다.
우선, 제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질에 포함된 제1 리튬 복합 산화물(소립자)과 제2 리튬 복합 산화물(대립자)을 각각 선별한 후, 선별된 제1 리튬 복합 산화물(소립자) 및 제2 리튬 복합 산화물(대립자) 각각에 대하여 FE-SEM (Bruker社)을 사용하여 단면 SEM 이미지를 촬영하였다.
이어서, 상기 단면 SEM 이미지로부터 확인되는 복수의 입자들에 대하여 각각 상기 입자의 중심을 단축 방향으로 가로지르는 가상의 직선 상에 놓인 결정자의 수와 결정자 사이의 경계면의 수를 하기의 식 5에 대입하여 결정립계 밀도를 계산하였다.
[식 5]
결정립계 밀도 = (상기 가상의 직선 상에 놓인 1차 입자 사이의 경계면의 수/상기 가상의 직선 상에 놓인 1차 입자의 수)
하기의 표 3에는 상기 단면 SEM 이미지로부터 확인되는 복수의 입자들에 대하여 측정된 상기 결정립계 밀도의 평균값을 나타내었다.
구분 결정립계 밀도 평균값
제1 리튬 복합 산화물
(소립자)		 제2 리튬 복합 산화물
(대립자)
실시예 1 0.80 0.97
실시예 2 0.84 0.98
실시예 3 0.86 0.97
실시예 4 0.85 0.97
실시예 5 0.88 0.99
비교예 1 0.83 0.96
비교예 2 0.89 0.99
참고예 0.86 0.96
상기 표 3의 결과를 참조하면, 제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질 중 제1 리튬 복합 산화물(소립자)의 결정립계 밀도의 평균값이 제2 리튬 복합 산화물(대립자)의 결정립계 밀도의 평균값보다 작은 것을 확인할 수 있다.
즉, 상기 제2 리튬 복합 산화물 대비 결정립계 밀도가 작은 상기 제1 리튬 복합 산화물의 내부에는 상대적으로 적은 수의 1차 입자들이 존재함에 따라 1차 입자간 입계 역시 상기 제2 리튬 복합 산화물 대비 적게 존재한다는 것을 의미한다.
또한, 실시예 1 내지 실시예 5, 비교예 1, 비교예 2 및 참고예에 따른 양극 활물질 중 제1 리튬 복합 산화물 및 제2 리튬 복합 산화물의 결정립계 밀도의 평균값은 거의 유사하기 때문에 표 1 및 표 2에 기재된 가속 전압별 코발트의 누적 농도 및 가속 전압이 1kV에서 30kV까지의 영역에서 측정된 코발트의 농도 구배의 기울기의 차이는 표 4에 기재된 결정립계 밀도의 차이에 의해 기인한 것이 아니라 예상할 수 있다.
실험예 2. 리튬 이차전지의 전기화학적 특성 평가
제조예 2에서 제조된 리튬 이차전지(코인 셀)에 대하여 전기화학분석장치(Toyo, Toscat-3100)를 이용하여 25℃, 전압범위 3.0V ~ 4.25V, 0.2의 방전율을 적용하여 충방전 실험을 실시하여, 충전 및 방전 용량을 측정하였다.
또한, 동일한 리튬 이차전지에 대하여 25℃, 3.0V ~ 4.25V의 구동 전압 범위 내에서 1C/1C의 조건으로 50회 충/방전을 실시한 후 초기 용량 대비 50사이클째 방전용량의 비율(사이클 용량 유지율; capacity retention)을 측정하였다.
상기 측정 결과는 하기의 표 4에 나타내었다.
구분 충전용량(mAh/g) 방전용량(mAh/g) 충방전 효율(%) Retention@50cy (%)
실시예 1 238.1 211.9 89.0 92.0
실시예 2 237.9 212.5 89.3 92.4
실시예 3 238.6 213.0 89.3 91.9
실시예 4 238.7 213.1 89.3 91.7
실시예 5 239.5 214.3 89.5 94.0
비교예 1 235.4 207.1 88.0 83.0
비교예 2 236.3 208.0 88.0 81.1
참고예 236.1 206.7 87.5 84.5
상기 표 4의 결과를 참고하면, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값이 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값보다 큰 양극 활물질을 사용한 리튬 이차전지의 충방전 효율 및 수명 효율이 향상된 것을 확인할 수 있다.
한편, 참고예에 따른 양극 활물질을 사용한 리튬 이차전지의 경우, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 양극 활물질을 사용한 리튬 이차전지과 충방전 효율은 거의 유사하게 측정되었으나, 수명 효율은 약간 개선된 것을 확인할 수 있다. 그러나, 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 양극 활물질을 사용한 리튬 이차전지와 비교할 때, 상기 참고예에 따른 양극 활물질을 사용한 리튬 이차전지의 수명 효율은 다소 낮은 것을 확인할 수 있다.
실험예 3. 양극 활물질 및 리튬 이차전지의 안정성 평가
(1) 양극 활물질의 열적 안정성 평가
제조예 1에 따라 제조된 양극 활물질의 열적 안정성을 평가하기 열중량분석 장치(TA Instruments, Q20)를 사용하여 상압의 Ar 분위기 하 25℃에서 350℃까지 10℃/min의 승온 속도로 중량 손실을 측정하였다. 이 때, 각각의 양극 활물질에서 중량 손실(열분해) 피크가 나타나는 시작 온도(on-set)을 하기의 표 5에 나타내었다.
구분 On-set Temp.
(℃)
실시예 1 227.8
실시예 2 226.1
실시예 3 228.5
실시예 4 228.1
실시예 5 229.7
비교예 1 221.4
비교예 2 224.8
참고예 222.6
상기 표 5의 결과를 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 양극 활물질에서 중량 손실(열분해) 피크가 나타나는 시작 온도(on-set)는 비교예 1 내지 비교예 3에 따른 양극 활물질보다 높은 것으로 확인되었다. 즉, 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 양극 활물질의 열적 안정성이 비교예 1 내지 비교예 2에 따른 양극 활물질보다 우수한 것을 알 수 있다.
(2) 리튬 이차전지의 가스 발생량 측정
제조예 2에 따라 제조된 리튬 이차전지를 정전류 0.2C로 4.25V까지 충전한 후, 60℃에서 14일 동안 보관하여 리튬 이차전지 내 가스 발생에 기인한 리튬 이차전지의 부피 변화를 측정하였다. 부피 변화 측정 결과는 하기의 표 6에 나타내었다.
구분 가스 발생량(Δcm3)
실시예 1 0.40
실시예 2 0.41
실시예 3 0.39
실시예 4 0.37
실시예 5 0.39
비교예 1 0.60
비교예 2 0.62
참고예 0.61
상기 표 6의 결과를 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 양극 활물질을 사용한 리튬 이차전지의 부피 변화량은 비교예 1 내지 비교예 3에 따른 양극 활물질을 사용한 리튬 이차전지의 부피 변화량보다 작은 것을 확인할 수 있다.
(3) 리튬 이차전지의 수명 전/후 DC-IR 증가율 측정
제조예 3에 따라 제조된 리튬 이차전지의 1C 조건 1cycle 충전 후(SOC 100) DC-IR과, 1C/1C 조건으로 50회 충/방전을 실시한 후 충전 상태(SOC 100)에서의 DC-IR을 측정하여 DC-IR 증가량을 아래 표 7에 나타내었다.
구분 수명 전/후 DC-IR 증가량(△Ω)
실시예 1 3.87
실시예 2 2.92
실시예 3 3.05
실시예 4 3.35
실시예 5 2.51
비교예 1 7.91
비교예 2 7.11
참고예 7.05
상기 표 7의 결과를 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 양극 활물질을 사용한 리튬 이차전지의 수명 후 저항 증가량은 비교예 1 및 비교예 2에 따른 양극 활물질을 사용한 리튬 이차전지의 저항 증가량보다 작은 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 소립자인 제1 리튬 복합 산화물 및 대립자인 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 바이모달(bimodal) 타입의 양극 활물질로서,
    상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물은 적어도 니켈 및 코발트를 포함하며, 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트는 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 농도 구배를 가지며,
    상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값을 s1이라 하고, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 표면부로부터 중심부를 향해 감소하는 상기 코발트의 농도 구배의 기울기의 절대값을 s2라 할 때, 상기 s1 및 상기 s2는 하기의 식 1을 만족하는,
    [식 1]
    s1<s2
    양극 활물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 s1은 하기의 식 2를 만족하는,
    [식 2]
    0.5<s1<2.0
    양극 활물질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 s2는 하기의 식 3을 만족하는,
    [식 3]
    1.5<s2<3.0
    양극 활물질.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 s1 및 상기 s2는 하기의 식 4를 만족하는,
    [식 4]
    1.0<s2/s1≤3.0
    양극 활물질.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 각각의 표면에 대하여 1kV에서 30kV까지 증가하는 가속 전압으로 조사되는 전자빔을 이용하여 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 각각의 표면으로부터 상기 전자빔이 침투한 깊이까지의 코발트의 누적 농도를 측정하는 EP-EDS (Energy Profiling-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) 분석시 가속 전압이 1.0kV일 때 측정된 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트의 농도(at%)는 상기 제1 리튬 복합 산화물 중 코발트의 농도(at%)보다 큰,
    양극 활물질.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 각각의 표면에 대하여 1kV에서 30kV까지 증가하는 가속 전압으로 조사되는 전자빔을 이용하여 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 각각의 표면으로부터 상기 전자빔이 침투한 깊이까지의 코발트의 누적 농도를 측정하는 EP-EDS (Energy Profiling-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) 분석시 가속 전압이 30.0kV일 때 측정된 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 코발트의 농도(at%)는 상기 제1 리튬 복합 산화물 중 코발트의 농도(at%)보다 큰,
    양극 활물질.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 리튬 복합 산화물의 평균 입경(D50)은 7μm 이하인,
    양극 활물질.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 리튬 복합 산화물의 평균 입경(D50)은 7μm 초과 내지 30μm 이하인,
    양극 활물질.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물은 적어도 하나의 1차 입자를 포함하는 복합 입자이며,
    상기 1차 입자는 하기의 화학식 1로 표시되는,
    [화학식 1]
    LiwNi1-(x+y+z)CoxM1yM2zO2
    (여기서,
    M1은 Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 하나이며,
    M2는 P, Sr, Ba, B, Ce, Cr, Mn, Mo, Na, K, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Mg, V, Zn, Si, Y, Sn, Ge, Nb, W 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나이며,
    M1과 M2는 서로 상이하며,
    0.5≤w≤1.5, 0≤x≤0.50, 0≤y≤0.20, 0≤z≤0.20이다)
    양극 활물질.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물 중 적어도 하나는 상기 1차 입자 및 상기 복합 입자의 표면 중 적어도 일부를 커버하는 코팅층을 포함하는 코어-쉘 입자이며,
    상기 코팅층은 하기의 화학식 2로 표시되는 금속 산화물을 포함하는,
    [화학식 2]
    LiaM3bOc
    (여기서,
    M3은 Ni, Mn, Co, Fe, Cu, Nb, Mo, Ti, Al, Cr, Zr, Zn, Na, K, Ca, Mg, Pt, Au, B, P, Eu, Sm, W, Ce, V, Ba, Ta, Sn, Hf, Ce, Gd 및 Nd로부터 선택되는 적어도 하나이며,
    0≤a≤10, 0≤b≤8, 2≤c≤13이다)
    양극 활물질.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 양극 활물질 중 상기 제1 리튬 복합 산화물 및 상기 제2 리튬 복합 산화물의 중량비는 5:95 내지 50:50인,
    양극 활물질.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 양극.
  13. 제12항에 따른 양극을 사용하는 리튬 이차전지.
KR1020210143301A 2021-10-26 2021-10-26 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 KR102647676B1 (ko)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210143301A KR102647676B1 (ko) 2021-10-26 2021-10-26 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
EP22203313.6A EP4174030A1 (en) 2021-10-26 2022-10-24 Positive electrode active material and lithium secondary battery including the same
CN202211301211.XA CN116031398A (zh) 2021-10-26 2022-10-24 正极活性物质及包含其的锂二次电池
US18/049,541 US20230129261A1 (en) 2021-10-26 2022-10-25 Positive electrode active material and lithium secondary battery including the same
JP2022171071A JP2023064746A (ja) 2021-10-26 2022-10-26 正極活物質及びこれを含むリチウム二次電池
KR1020240033732A KR102671414B1 (ko) 2021-10-26 2024-03-11 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR1020240069317A KR102679388B1 (ko) 2021-10-26 2024-05-28 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210143301A KR102647676B1 (ko) 2021-10-26 2021-10-26 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020240033732A Division KR102671414B1 (ko) 2021-10-26 2024-03-11 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230060545A KR20230060545A (ko) 2023-05-04
KR102647676B1 true KR102647676B1 (ko) 2024-03-14

Family

ID=83995224

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210143301A KR102647676B1 (ko) 2021-10-26 2021-10-26 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR1020240033732A KR102671414B1 (ko) 2021-10-26 2024-03-11 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR1020240069317A KR102679388B1 (ko) 2021-10-26 2024-05-28 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020240033732A KR102671414B1 (ko) 2021-10-26 2024-03-11 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR1020240069317A KR102679388B1 (ko) 2021-10-26 2024-05-28 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230129261A1 (ko)
EP (1) EP4174030A1 (ko)
JP (1) JP2023064746A (ko)
KR (3) KR102647676B1 (ko)
CN (1) CN116031398A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102339704B1 (ko) 2020-06-18 2021-12-15 주식회사 에코프로비엠 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101113074B1 (ko) 2009-06-08 2012-02-16 주식회사 엘지화학 양극 활물질, 및 이를 포함하는 양극, 리튬 이차 전지
KR20160020982A (ko) * 2014-08-16 2016-02-24 주식회사 에너세라믹 리튬 이차 전지
WO2016053054A1 (ko) * 2014-10-02 2016-04-07 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 양극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
US10581110B2 (en) * 2015-04-30 2020-03-03 Lg Chem, Ltd. Positive electrode active material for secondary battery, method of preparing the same, and secondary battery including the positive electrode active material
KR101913897B1 (ko) * 2015-09-30 2018-12-28 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 이차전지
KR102012427B1 (ko) * 2015-11-30 2019-08-21 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극활물질, 이를 포함하는 이차전지용 양극 및 이차전지
KR20230074857A (ko) * 2016-07-05 2023-05-31 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 양극 활물질, 양극 활물질의 제작 방법, 및 이차 전지
DE202017007568U1 (de) * 2016-11-18 2022-11-18 Sk Innovation Co., Ltd. Lithium-Sekundärbatterie
US11699788B2 (en) * 2017-11-21 2023-07-11 Lg Energy Solution, Ltd. Positive electrode material for secondary battery and lithium secondary battery including the same
WO2019132332A1 (ko) * 2017-12-26 2019-07-04 주식회사 포스코 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR102410662B1 (ko) * 2018-02-01 2022-06-17 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지용 양극 활물질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102339704B1 (ko) 2020-06-18 2021-12-15 주식회사 에코프로비엠 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240082314A (ko) 2024-06-10
KR102671414B1 (ko) 2024-05-31
US20230129261A1 (en) 2023-04-27
KR20230060545A (ko) 2023-05-04
EP4174030A1 (en) 2023-05-03
KR20240035985A (ko) 2024-03-19
JP2023064746A (ja) 2023-05-11
KR102679388B1 (ko) 2024-06-28
CN116031398A (zh) 2023-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102511736B1 (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102339704B1 (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102615321B1 (ko) 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질
KR102584172B1 (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102646131B1 (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20240017880A (ko) 양극 활물질 및 이를 사용하는 리튬 이차전지
KR20230142678A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102657449B1 (ko) 양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지
KR102581269B1 (ko) 양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지
KR102264804B1 (ko) 리튬 복합 산화물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102679388B1 (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20230060766A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102671413B1 (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20230059280A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20220097196A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20230162572A (ko) 양극 활물질 및 이의 제조 방법
KR20230162577A (ko) 양극 활물질 및 이의 제조방법
KR20230162576A (ko) 양극 활물질 및 이의 제조방법
KR20240083059A (ko) 양극 활물질, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차 전지
KR20230054263A (ko) 양극 활물질 및 이를 사용하는 리튬 이차전지
KR20240032661A (ko) 양극 활물질 전구체, 이의 제조 방법, 이를 이용한 양극 활물질의 제조 방법 및 양극 활물질
KR20220091419A (ko) 양극 활물질, 그 제조 방법, 이를 포함하는 양극재, 양극 및 리튬 이차 전지
KR20230162573A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 양극

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
A107 Divisional application of patent
GRNT Written decision to grant