KR20180053411A - 충전식 배터리용 리튬 전이금속 산화물 캐소드 재료를 위한 전구체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이온 배터리에서 활성 양극 재료로서 사용하기 위한 리튬 전이금속(M) 산화물 분말을 제조하기 위한 미립자 전구체 화합물로서, (M)은 Ni_xMn_yCo_zA_v이고, A는 도펀트이며, 0.33 ≤ x ≤ 0.60, 0.20 ≤ y ≤ 0.33 및 0.20 ≤ z ≤ 0.33, v ≤ 0.05, 및 x + y + z + v = 1이고, 전구체는 몰비 x:y:z로 Ni, Mn 및 Co를 포함하며, m²/g으로 표시되는 비표면적 BET 및 중량%로 표시되는 황 함량 S를 갖고, 하기 수식(I)을 갖는 것인 미립자 전구체 화합물을 제공한다.
[수식 Ⅰ]

Description

충전식 배터리용 리튬 전이금속 산화물 캐소드 재료를 위한 전구체

본 발명은 자동차 응용분야와 같은 기술에 요구되는 매우 우수한 배터리 재료를 제공하는 특징들의 독특한 조합을 갖는 충전식 배터리에서 사용하기 위한 리튬 전이금속 산화물에 대한 전구체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 이 전구체는 전구체의 Ni 함량에 대하여 수식으로 언급되어 있는 황 함량 및 비표면적과 같은 물리적 및 화학적 특징들을 갖고 있는 수산화물 또는 옥시수산화물 화합물일 수 있다.

고 에너지 밀도로 인하여, 충전식 리튬 및 리튬 이온 배터리는 핸드폰, 랩톱 컴퓨터, 디지탈 카메라 및 비디오 카메라와 같은 다양한 휴대용 전자제품 응용분야에서 사용될 수 있다. 상업적으로 이용가능한 리튬 이온 배터리는 전형적으로 흑연계 애노드 및 LiCoO₂계 캐소드 재료로 구성된다. 그러나, LiCoO₂계 캐소드 재료는 비싸고 전형적으로 대략 150 m/Ah/g의 비교적 낮은 용량을 갖는다.

LiCoO₂계 캐소드 재료에 대한 대체재는 LNMCO 유형 캐소드 재료를 포함한다. LNMCO은 리튬-니켈-망간-코발트 산화물을 의미한다. 그 조성은 LiMO₂ 또는 Li_{1 + x'}M_{1 -x'}O₂이고, 여기서 M = Ni_xCo_yMn_zA_m(이것은 보다 일반적으로 "NMC"라고 지칭하며, A는 하나 이상의 도펀트이다)이다. LNMCO는 LiCoO₂(공간군 r-3m)와 같은 유사 층상 결정 구조를 갖는다. LNMCO 캐소드의 이점은 순수 Co에 대한 조성 M의 훨씬 더 낮은 원료 가격이다. Ni의 첨가는 방전 용량에서의 증가를 부여하지만, 증가하는 Ni 함량에 따른 감소하는 열적 안정성에 의해 제한된다. 이러한 문제를 보완하기 위해서, Mn이 구조 안정화 원소로서 첨가되지만, 동시에 일부 용량이 상실된다. 전형적인 캐소드 재료는 화학식 Li_{1 +X}(Ni_{0 . 51}Mn_{0 . 29}Co_{0 . 20})_{1 -X}O₂(예를 들면, x = 0.00-0.03, NMC532이라고 지칭함), 화학식 Li_{1 +X}(Ni_{0 . 38}Mn_{0 . 29}Co_{0 . 33})_{1 -X}O₂(예를 들면, x = 0.08-0.10, NMC433이라고 지칭함), 화학식 Li_{1 +X}(Ni_{0 . 6}Mn_{0 . 2}Co_{0 . 2})_{1 -X}O₂(예를 들면, x = 0.02-0.04, NMC622이라고 지칭함) 또는 화학식 Li_{1 +X}(Ni_{0 . 35}Mn_{0 . 32}Co_{0 . 33})_{1 -X}O₂(예를 들면, x = 0.06-0.08, NMC111이라고 지칭함)을 갖는 조성을 포함한다.

표적 리튬 함유 복합 산화물은 일반적으로 (최종 캐소드 재료가 갖는 바와 같은 금속 조성을 갖고 있는) 전구체 물질로서 니켈-코발트-망간 복합 (옥시)수산화물을 리튬 화합물과 혼합하고 소성함으로써 합성되고, 전지 특징들은 니켈, 코발트 및 망간의 일부를 다른 금속 원소로 치환함으로써 개선될 수 있다. 그 다른 금속 원소로서는 Al, Mg, Zr, Ti, Sn 및 Fe가 예시되어 있다. 적합한 치환 분량은 니켈, 코발트 및 망간 원자의 총 분량의 0.1 내지 10%이다.

일반적으로, 복합 조성을 지닌 캐소드 재료를 제조하기 위해서는 혼성 전이금속 수산화물과 같은 특수 전구체가 사용된다. 그 이유는 고 성능 Li-M-O₂이 매우 잘 혼성된 전이금속 양이온들을 필요로 하기 때문이다. 이를 "과다소결"(리튬 전구체, 전형적으로 Li₂CO₃ 또는 LiOH와 함께 보다 긴 시간 동안 고온 소결) 없이 달성하기 위해서, 캐소드 전구체는 혼성 전이금속 수산화물, 탄산염 등으로 제공되는 바와 같은 잘 혼성된 형태로 전이금속(원자 수준에서)을 함유할 필요가 있다. 혼성 수산화물 또는 탄산염은 전형적으로 침전 반응에 의해 제조된다. 혼성 수산화물의 침전(예를 들면, 제어된 pH 하에 M-SO₄의 흐름에 의한 NaOH의 흐름의 침전) 또는 혼성 탄산염의 침전(예를 들면, M-SO₄의 흐름에 의한 Na₂CO₃의 흐름의 침전)은 적합한 형태의 전구체가 달성되는 것을 허용한다. 그 침전은 전형적으로 연속 교반형 탱크 반응기(CSTR 반응기)에서 일어날 수 있다.

2차 리튬 전지를 특성화하기 위해서, 방전 용량 이외에도 가장 중요한 파라미터 중 하나는 비가역적 용량이며, 이것은 사이클링 동안 용량의 약화의 원인이 된다. 리튬 과다 층상 전이금속 산화물 Li_{1 +X}M_1-XO₂는 종종 제1 충전 과정의 종료시 그 층상 산화물의 호스트 구조로부터의 산소 및 리튬 손실과 연관된 거대한 비가역적 용량 손실을 갖는다. 그 비가역적 용량 손실이 절연 물질(예를 들면, Al₂O₃ 또는 MgO)에 의한 코팅에 의해 유의적으로 감소될 수 있긴 하지만, 나노구조화 리튬 층상 산화물과 관련된 고 표면적은 전극과 전해질 사이의 부반응을 유도하는 고 표면 반응성을 가질 수 있다. 이는 활성 물질의 탈안정화 및 지연되는 부동태화에서의 증가를 초래할 수 있다. 그러므로, 전해질 안전성이 중요한 관심사항이므로, 문헌[Lu and Dahn, "Layered Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂ Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries", Electrochemical and Solid-State Letters, 4(12) A200-A203(2001), for x=1/4 and 3/8, when cycling between 2.5 and 4.4 V at current of 40 mA/g, an irreversible capacity loss of 12% is quite acceptable.]에서 기술되어 있는 바와 같이, 부반응을 제거하고 비가역적 용량 Q_irr를 낮추는 방식들이 발견되어야 한다. 그러나, 본 발명에서, 본 발명자들은 훨씬 더 좋은 결과를 달성한다. US 8,268,198과 같은 특허에서는, 전구체 화합물의 화학적 조성(즉, 설페이트 함량)과 리튬 전이금속 산화물 캐소드 재료의 비가역적 용량 간의 관련성이 확립되어 있다. 전구체의 물리적 특징과 리튬 전이금속 산화물 캐소드 재료의 비가역적 용량 간의 직접적인 관련성은 아직 제공되어 있지 않으며, 여기에는 그 캐소드 재료의 Ni 함량이 또한 고려되어 있다.

미래에 리튬 배터리 시장은 자동차 응용분야에 의해 점진적으로 지배될 것으로 예상된다. 자동차 응용분야는 비싼 매우 큰 배터리를 필요로 하고, 최저 가능한 비용으로 생산되어야 한다. 그 비용의 상당한 분율이 캐소드, 즉 양극으로부터 비롯된다. 그러한 전극을 값싼 공정에 의해 제공하는 것은 비용늘 낮추고 시장 용인성을 촉진시키는데 도움을 줄 수 있다. 자동차 배터리는 또한 수년 동안 지속되어야 할 필요가 있다. 이러한 시간 동안, 배터리는 항상 작동하지 않는다. 긴 배터리 수명은 2가지 특성: (a) 저장 동안 용량의 적은 손실 및 (b) 고 사이클 안정성과 관련이 있다.

자동차 시장은 다른 주요 응용분야를 포함한다. EV(전기 차량)용 배터리는 수백 km의 운전 범위 동안 에너지를 저장하는 것이 필요하다. 따라서, 전지는 매우 크다. 명백하게도 요구되는 방전 레이트는 수 시간 이내에 완전 방전을 넘어서지 않는다. 따라서, 충분한 전력 밀도가 용이하게 달성되고, 배터리의 전력 성능을 현저히 개선하는데 특별한 관심이 부여되지 않는다. 그러한 배터리에서 캐소드 재료는 고 용량 및 우수한 캘린더 수명을 가질 필요가 있다.

이와 대조적으로, (P)HEV((플러그-인) 하이브리드 전기 차량)은 훨씬 더 높은 특수한 전력 요건을 갖는다. 전기적 보조 가속 및 회생 제동은 배터리가 몇초 내에 방전 또는 충전되는 것을 필요로 한다. 그러한 높은 레이트에서 일명 직류 저항(DCR: Direct Current Resistance)이 중요해진다. DCR은 배터리의 적당한 펄스 시험에 의해 측정된다. DCR의 측정은, 예를 들면 문헌[Appendix G, H, I and J of the USABC Electric Vehicle Battery Test Procedures" which can be found at http://www.uscar.org. USABC stands for "US advanced battery consortium" and USCAR stands for "United States Council for Automotive Research"]에 기술되어 있다.

DCR 저항이 작다면, 충전-방전 사이클은 매우 효율적이고, 단지 소량의 저항 열만이 생성된다. 이러한 고 전력 요건을 달성하기 위해서, 배터리는 얇은 전극을 지닌 전지를 함유한다. 이는 (1) Li이 오직 짧은 거리에 걸쳐 확산되는 것, 및 (2) (전극 면적당) 전류 밀도가 작은 것을 허용하는데, 이것은 고 전력 및 저 DCR 저항에 기여한다. 그러한 고 전력 배터리는 캐소드 재료에 엄격한 요건을 부과한다: 그 배터리는 전체 배터리 DCR에 가능한 적게 기여함으로써 매우 높은 방전 또는 충전 레이트를 유지할 수 있어야 한다. 과거에는 캐소드의 DCR 저항을 개선하고자 하는 과제가 있었다. 게다가, 배터리의 장기간 작동 동안 DCR의 증가를 제한하고자 하는 과제도 있었다.

본 발명은 값싼 공정에 의해 제조된 고 Ni 함량에 대한 중간체를 갖고, 2차 배터리에서 사이클링시 감소된 비가역적 용량 Q_irr을 가지며, 그리고 개선된 DCR 저항을 갖는 양극용 리튬 전이금속 캐소드 재료의 개선된 전구체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 개요

제1 양태에서 볼 때, 본 발명은 하기 전구체 실시양태를 제공 할 수 있다.

실시양태 1:

리튬 이온 배터리에서 활성 양극 재료로서 사용하기 위한 리튬 전이금속(M) 산화물 분말을 제조하기 위한 미립자 전구체 화합물로서, (M)은 Ni_xMn_yCo_zA_v이고, A는 도펀트이며, 0.33 ≤ x ≤ 0.60, 0.20 ≤ y ≤ 0.33 및 0.20 ≤ z ≤ 0.33, v ≤ 0.05, 및 x + y + z + v = 1이고, 전구체는 몰비 x:y:z로 Ni, Mn 및 Co를 포함하며, m²/g으로 표시되는 비표면적 BET 및 중량%로 표시되는 황 함량 S를 갖고, 하기 수식을 갖는 것인 미립자 전구체 화합물.

실시양태 2:

실시양태 1에 있어서, 전구체는 12 < BET < 50 m²/g인 비표면적을 갖는 것인 미립자 전구체 화합물.

실시양태 3 및 4:

실시양태 1 또는 2에 있어서, 전구체는 하기 수식을 갖는 것인 미립자 전구체 화합물.

실시양태 5 및 6:

실시양태 1 또는 2에 있어서, 전구체는 x ≤ 0.50, 및 하기 수식을 갖는 것인 미립자 전구체 화합물.

실시양태 7:

미립자 전구체 화합물은 수산화물 M-OH 또는 옥시수산화물 M-OOH 화합물일 수 있다. 도펀트 A는 Al, Mg, Zr, W, Ti, Cr 및 V의 군으로부터의 하나 이상의 원소일 수 있다. 이들은 종래 기술로부터 공지되어 있는 이점을 지닌 도펀트이다.

상기 기술된 개별 전구체 실시양태 각각은 앞서 기술된 실시양태들 중 하나 이상과 조합될 수 있다.

제2 양태에서 볼 때, 본 발명은 하기 용도 실시양태를 제공할 수 있다.

실시양태 8:

하이브리드 전기 차량용 리튬 이온 배터리의 활성 양극 재료를 위한 리튬 전이금속(M) 산화물 분말의 제조에서의 전구체 화합물의 용도로서, 전구체는 3 ㎛ ≤ D50 ≤ 6 ㎛인 중앙 입자 크기를 갖는 것인 용도.

제3 양태에서 볼 때, 본 발명은 본 발명의 제1 양태의 미립자 전구체 화합물을 제조하기 위한 하기 방법 실시양태를 제공할 수 있다.

실시양태 9:

본 발명의 미립자 전구체 화합물을 제조하는 방법으로서,

- 액체 매질의 스트림을 포함하는 루프 반응 구역 및 액체 매질의 스트림에 전력을 전달하는 수단을 갖는 루프 반응기를 제공하는 단계,

- M-SO₄의 흐름 및 NaOH 또는 Na₂CO₃의 흐름을 루프 반응 구역의 별개 부분으로 공급하는 단계로서, 이로써 M-SO₄ 및 NaOH 또는 Na₂CO₃의 적어도 일부가 반응하여 액체 매질의 스트림 중에 미립자 전구체를 형성하는 것인 단계,

- 액체 매질을 루프 반응 구역을 통해 연속적으로 (재)순환시키는 단계, 및

- 침전된 전구체를 포함하는 액체 매질의 일부를 루프 반응 구역으로부터 배출하는 단계

를 포함하고, 상기 수단에 의해 액체 매질의 스트림에 전달된 전력은 1 내지 25 W/kg, 바람직하게는 2 내지 15 W/kg인 방법. 그 전력은 주어진 엔진 주파수 드라이브를 갖는 엔진에 의해 루프 반응기 내부의 회전 임펠러에 전달되는 것이 바람직하다. NaOH 또는 Na₂CO₃ 대신에, 또다른 염기, 예컨대 NaHCO₃ 또는 NH₄HCO₃이 사용될 수 있다.

실시양태 10:

실시양태 9에 있어서, 루프 반응기는 5 내지 90 분의 평균 체류 시간을 갖는 것인 방법.

실시양태 11:

실시양태 9에 있어서, 루프 반응기 내의 온도는 45℃ 내지 200℃, 바람직하게는 120℃ 내지 170℃인 방법.

상기 기술된 개별 방법 실시양태 각각은 앞서 기술된 방법 실시양태 중 하나 이상과 조합될 수 있다.

제4 양태에서 볼 때, 본 발명은 하기 방법 실시양태를 제공할 수 있다.

실시양태 12:

리튬 이온 배터리에서 활성 양극 재료로서 사용하기 위한 리튬 전이금속(M) 산화물 분말을 제조하는 방법으로서,

- 본 발명에 따른 M 전구체를 제공하는 단계,

- Li 전구체 화합물을 제공하는 단계,

- M 전구체와 Li 전구체를 혼합하는 단계, 및

- 혼합물을 600℃ 내지 1100℃의 온도에서 1 hr 이상 동안 소성하는 단계

를 포함하는 방법. 도펀트 A의 공급원은 M 전구체 및/또는 Li 전구체 내에 제공될 수 있고, M 전구체 및/또는 Li 전구체는 A에 의해 도핑된다. 도펀트 A는 소성 전에 M 전구체 및 Li 전구체와 혼합되는 별도의 A 전구체 내에 제공되는 것도 또한 가능할 수 있다.

도 1은 NMC532의 초기 충전 용량과 해당 전구체의 황 함량 사이의 상관관계를 도시한 것이며, 여기서 점선은 선형 해석이다.
도 2는 NMC622의 초기 충전 용량과 해당 전구체의 황 함량 사이의 상관관계를 도시한 것이며, 여기서 점선은 선형 해석이다.
도 3은 일축 응력에 의해 가압된 상태와 가압되지 않은 상태의 EX30에서의 캐소드 재료의 입자 크기 분포 곡선을 도시한 것이다.
도 4는 NMC433 캐소드 재료(실시예 1, 2, 3 및 6)에 대해 상이한 충전 상태(SOC)에서 25℃에서의 하이브리드 펄스 전력 특성화에 의해 측정된 직류 저항(DCR)을 도시한 것이다.
도 5는 NMC433 캐소드 재료(실시예 1, 2, 3 및 6)에 대해 상이한 충전 상태 (SOC)에서 -10℃에서의 하이브리드 펄스 전력 특성화에 의해 측정된 직류 저항 (DCR)을 도시한 것이다.
도 6은 NMC532 캐소드 재료(실시예 7, 8 및 13)에 대해 상이한 충전 상태 (SOC)에서 25℃에서의 하이브리드 펄스 전력 특성화에 의해 측정된 직류 저항 (DCR)을 도시한 것이다.
도 7은 NMC532 캐소드 재료(실시예 7, 8 및 13)에 대해 상이한 충전 상태 (SOC)에서 -10℃에서의 하이브리드 펄스 전력 특성화에 의해 측정된 직류 저항 (DCR)을 도시한 것이다.
도 8은 NMC622 캐소드 재료(실시예 24 및 28)에 대해 상이한 충전 상태 (SOC)에서 25℃에서의 하이브리드 펄스 전력 특성화에 의해 측정된 직류 저항 (DCR)을 도시한 것이다.
도 9는 NMC622 캐소드 재료(실시예 24 및 28)에 대해 상이한 충전 상태 (SOC)에서 -10℃에서의 하이브리드 펄스 전력 특성화에 의해 측정된 직류 저항(DCR)을 도시한 것이다.

본 발명에 따른 전구체는 전형적으로 침전 반응에 의해 제조된 혼성 수산화물 또는 탄산염이다. 혼성 수산화물의 침전(예를 들어, 제어된 pH 하에서의 M-SO₄의 흐름에 의한 NaOH의 흐름의 침전) 또는 혼성 탄산염(예를 들어, M-SO₄의 흐름에 의한 Na₂CO₃의 흐름의 침전)은 적합한 형태의 전구체가 달성되는 것을 허용한다. 그 침전 반응은 US 8,609,068에 예시된 바와 같이 연속 흐름 또는 루프 반응기(또한 CFR 반응기라고도 지칭됨)에서 일어날 수 있다. 반응기에서는 다음과 같은 작용들이 일어난다:

a) 원하는 형태를 달성하기 위해서, (킬레이트화제로서) 암모나아를 임의로 첨가하면서, M-SO₄의 흐름 및 NaOH 또는 Na₂CO₃와 같은 염기의 흐름을, 액체 매질의 스트림을 포함하는 루프 반응 구역의 별개 부분으로 공급하는 작용으로서, 여기서 M-SO₄ 및 NaOH 또는 Na₂CO₃의 적어도 일부가 반응하여 루프 반응 구역의 액체 매질 중에 전구체를 형성하는 것인 작용;

b) (전형적으로 임펠러에 의해 전달된 에너지에 의해) 액체 매질을 루프 반응 구역을 통해 연속적으로 재순환시키는 작용;

c) 침전된 전구체를 포함하는 액체 매질의 일부를 루프 반응 구역으로부터 연속적으로 배출하는 작용;

d) 50 ｕS 미만의 전도도가 세척수 중에서 도달될 때까지 그 침전된 전구체를 여과 및 세척하는 작용; 및

e) 침전물을 70-150℃의 온도에서 12 내지 30 시간 동안 건조시키는 작용.

이러한 반응기는 전구체의 물리적 특성, 즉 BET 및 황 함량을, 온도, 루프 반응기에서의 에너지 입력, 및 반응물을 운반하는 액체의 첨가 속도(시약을 운반하는 액체의 배출 속도와 동일한 것)를 변경함으로써, 유의하여 제어하는 것을 허용하며, 여기서 첨가 속도는 연속 루프 반응기를 통한 액체 매질의 패스 수를 한정하고, 체류 시간에 상응한다. 체류 시간이란 반응기 체적을 첨가 속도로 나눈 값, 예를 들면

으로부터 계산된 반응기 체적에서의 평균 체류 시간인 것으로 이해된다. 실제로, 당업자에 의해 작동될 때, pH, 체류 시간 및 액체 매질에 대한 에너지 입력에 대한 특정 값들을 선택함으로써, 입자 크기 및 다른 생성물 특징이 변경될 수 있다. 이러한 루프 장치에서는 처리된 물질 kg당 높은 전력 입력이 인가될 수 있으며, 모든 물질이 임펠러를 자주 통과하게 된다. 체류 시간이 낮아질 때, 보다 높은 BET 값이 얻어진다. pH는 암모니아 함량 및 침전시 금속 M당 사용된 NaOH의 (몰) 비에 의해 영향을 받으며, 황 함량 및 BET에 영향을 미친다. pH가 낮아 질때, 보다 높은 황 함량 및 보다 높은 BET가 도달하게 된다.

본 발명에 있어서, 전구체 화합물 물질은, 결과로 얻어지는 캐소드 재료가 낮은 Q_irr 및 낮은 DCR을 갖는 것을 보장하도록, 특정 범위에 속하는 BET 및 S%에 대한 값 둘 다를 가질 필요가 있다. 가우시안 입자 크기 분포에 의한 주어진 D50에 있는 미립자 전구체 화합물에 있어서, 낮은 BET는 일반적으로 리튬 전구체와의 반응 후에 조밀한 캐소드 재료를 유도하는 조밀한 구상 전구체를 의미한다. 높은 BET는 전구체가 특정 양의 다공성을 포함한다는 것을 의미하며, 이는 리튬화 후에 다공성 캐소드 재료를 결과적으로 형성하게 된다. 특정한 양의 다공성은 캐소드 입자와 전해질 간의 충분한 접촉을 허용할 수 있는데, 이는 Li 이온 확산의 확산 경로를 단축시키므로, Li 이온 확산이 더욱 어려워지는 매우 낮은 충전 상태에서 보다 낮은 DCR을 유도하게 된다. 그러나, 너무 높은 BET 전구체는 리튬화 후에 캐소드 재료 내에 너무 많은 소공을 유발할 수 있다. 한편으로는, 이것은 캐소드 밀도를 감소시킬 것이다. 다른 한편으로는, 너무 많은 입자 균열 및 파괴가 전극 캘린더링 동안 발생할 것이며, 이는 캐소드 습윤화를 위해 보다 더 많은 전해질을 필요로 하고, 보다 많은 SEI 형성을 유도하며, 아마도 낮은 Li 이온 확산 문제를 야기하게 된다.

금속 수산화물 전구체 침전을 위한 공급원 물질로서 금속 황산염을 사용할 때, 특정량의 황산염이 일반적으로 불순물로서 잔류하게 되며, 하지만 그것은 매우 낮거나 심지어는 제로일 수 있다. 이 황산염은 리튬 공급원과의 반응 후에 황산리튬으로 변환하고, 캐소드 재료의 입자 표면 상에 잔류하게 된다. 과량의 황산리튬은 물론 충전 용량의 손실을 야기하는데, 이는 바람직하지 않다. 그러나, 입자 표면을 피복하고 있는 특정량의 황산리튬은 입자의 결정 입계가 리튬 추출 및 삽입 중에 균열되는 것을 방지할 수 있는데, 이는 높은 Ni NMC 캐소드 재료에 매우 유리하다. 특정 BET를 지닌 전구체 화합물의 경우, 소량의 황산리튬이 또한 결과로 얻어지는 캐소드 재료의 Q_irr을 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 황산리튬의 용해는 전해질과 캐소드 입자 사이의 임피던스를 감소시킬 수 있으므로, 보다 낮은 DCR가 결과로 얻어진다.

작은 입자 크기(예, 4-6 ㎛)를 지닌 전구체는 작은 입자 크기를 지닌 캐소드 분말을 결과로 얻게 되고, 하이브리드 전기 차량과 같은 고 레이트 응용분야에 사용된다. 이를 위해 9% 미만과 같이 낮은 Q_irr를 갖는 것이 중요하다. 큰 입자 크기(예, 10-12 ㎛)를 지닌 전구체는 큰 입자 크기를 지닌 캐소드 분말을 결과로 얻게 되고, 순수 전기 차량과 같이 고용량 응용분야에 사용된다. 이를 위해 다소 높은 Q_irr, 예컨대 10% 미만이 허용 가능하다.

최종 리튬화 캐소드 재료의 DCR 시험은 단일 값을 산출하지는 않지만, 그 값은 배터리의 충전 상태(SOC)의 함수이다. LNMCO 캐소드의 경우, DCR이 낮은 충전 상태에서 증가하는 반면, 그것은 고 충전 상태에서 평평하거나 최소 값을 나타낸다. 고 충전 상태는 충전된 배터리를 언급하며, 저 충전 상태는 방전된 배터리를 언급한다. DCR은 온도에 강하게 의존한다. 특히, 낮은 온도에서 전지의 DCR에 대한 캐소드 기여가 지배적이므로, 낮은 T 측정은 캐소드 재료의 거동에 직접 기인할 수 있는 DCR의 개선을 관찰하는데 매우 선택적이다. 실시예에는, 본 발명에 따른 물질을 사용하는 실제 풀 전지의 캐소드의 DCR 결과가 보고되어 있다. 전형적으로 SOC는 20% 내지 90%로 다양하며, 시험은 25℃와 -10℃의 대표 온도에서 수행된다.

실험 데이타의 일반적인 설명

a) PEBT 전구체 비표면적

비표면적은 Micromeritics Tristar 3000을 사용하여 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법으로 측정한다. 2g의 전구체 분말 시료를 먼저 120℃ 오븐에서 2 시간 동안 건조시키고, 이어서 N₂ 정화를 수행한다. 이어서, 흡착된 화학 종을 제거하기 위해서, 측정 전에 전구체를 120℃에서 1 시간 동안 진공 하에 탈기한다. 전구체가 비교적 높은 온도에서 산화될 수 있는데, 이것이 결과적으로 균열 또는 나노 크기 홀을 유발할 수 있어 결국 비현실적인 고 BET를 초래할 수 있기 때문에, 전구체 BET 측정에서는 보다 높은 건조 온도가 권장되지 않는다.

b) 세정 및 건조 후 전구체의 S 함량

S 함량은 Agillent ICP 720-ES를 사용하여 ICP(Inductively Coupled Plasma) 방법으로 측정한다. 2g의 전구체 분말 시료를 삼각 플라스크에서 10 mL의 고순도 염산에 용해시킨다. 플라스크는 유리로 덮고 전구체의 완전한 용해를 위해 핫 플레이트에서 가열할 수 있다. 실온으로 냉각시킨 후, 용액을 100 mL 용적 플라스크에 옮기고 플라스크는 증류(DI)수를 사용하여 3 ~ 4회 헹군다. 그 후, 용적 플라스크를 DI수로 100 mL 표시까지 채우고, 완전 균질화를 수행한다. 5 mL의 용액을 5 mL의 피펫으로 꺼내어 2차 희석을 위해 50 mL의 용적 플라스크에 넣고 여기서 용적 플라스크는 50 mL까지 10% 염산으로 채운 후 균질화한다. 최종적으로 이 50 mL 용액을 ICP 측정에 사용한다.

c) 캐소드 재료 제조

본 발명에서, 코인 전지에서의 전기 화학적 거동을 평가하기 위해서, 캐소드 재료는, 예를 들면 US 2014/0175329에 기술된 바와 같이, 통상적인 고온 소결을 이용함으로써, 본 발명에 따른 전구체 화합물로부터 제조한다. Henschel Mixer®를 사용하여 30 분 동안 Li₂CO₃(Chemetall) 또는 LiOH(SQM)를 특정 Li:M 몰비로 전구체 화합물과 건식 혼합한다. 이 혼합물을, 파일럿 규모의 장비를 사용하여 공기 하에 10 시간 동안 고온에서 반응시킨다. Li:M 몰 블렌딩 비율 및 소결 온도는 표준이지만, 이들은 각 개별 실시예에서 특정되는 상이한 Ni 함유량을 지닌 전구체에 따라 상이하다. 소성 후, 소결된 케이크를 분쇄, 분류 및 체질하여 전구체의 것과 유사한 평균 입자 크기 D50을 갖는 비응집된 분말을 얻는다.

d) 코인 전지에서의 전기화학적 특성 평가

전극은 다음과 같이 제조한다. 활성 캐소드 재료 약 27.27 중량%, 폴리비닐리덴 플루오라이드 중합체(KF polymer L #9305, Kureha America Inc.) 1.52 중량%, 전도성 카본 블랙(Super P®, Erachem Comilog Inc.) 1.52 중량% 및 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)(Sigma-Aldrich) 69.70 중량%를 고속 균질화기에 의해 친밀 혼합함으로써 전극을 제조한다. 이어서, 슬러리를 테이프 캐스팅 방법으로 알루미늄 호일 상에 박층(일반적으로 100 마이크로미터 두께)으로 전연시킨다. 120℃에서 3 시간 동안 NMP 용매를 증발시킨 후, 그 캐스딩된 필름을 40 마이크로미터 갭을 갖는 2 개의 일정 회전하는 롤을 통해 처리한다. 직경이 14 mm로 측정되는 원형 다이 커터를 사용하여 그 필름으로부터 전극을 펀칭한다. 이어서, 전극을 90℃에서 밤새 건조시킨다. 전극을 연속적으로 칭량하여 활성 물질 적재량을 측정한다. 전형적으로, 전극은 약 17 mg (~ 11 mg/cm²)의 활성 물질 적재 중량을 갖는 활성 물질 90 중량%를 함유한다. 이어서, 전극을 아르곤으로 채운 글로브 박스에 넣고 2325형 코인 전지 본체 내에 조립한다. 애노드는 두께가 500 마이크로미터인 리튬 호일(출처: Hosen)이고; 세퍼레이터는 Tonen 20MMS 마이크로다공성 폴리에틸렌 필름이다. 그 코인 전지를 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 혼합물(1:2 부피비) 중에 용해된 LiPF₆의 1M 용액(출처: Techno Semichem Co.)으로 충전한다.

각 전지는 Toscat-3100 컴퓨터 제어 정전류 사이클링 스테이션(Toyo)을 사용하여 4.3~3.0 V/Li 금속 윈도우 범위의 다른 레이트로 25℃에서 사이클링한다. 초기 충전 용량(CQ1) 및 방전 용량(DQ1)을 정전류 모드(CC)에서 측정한다. 비가역 용량 Q_irr는 하기 수식으로서 %로 표시한다:

e) 슬러리 제조, 전극 코팅 및 완전 전지 어셈블리

슬러리는 도핑 및 코팅된 NMC 433 700g을 NMP, 47.19g의 Super P(등록상표)(Timcal의 도전성 카본 블랙) 및 393.26g의 10 중량% PVDF계 결합제와 함께 NMP 용액 중에 혼합함으로써 제조한다. 이 혼합물을 유성식 혼합기에서 2.5 시간 동안 혼합한다. 혼합 동안 추가 NMP를 첨가한다. 이 혼합물을 디스퍼 믹서(Disper mixer)로 옮기고, 추가의 NMP 첨가 하에 1.5 시간 동안 혼합한다. 사용된 NMP의 전형적인 총량은 423.57g이다. 슬러리 중의 최종 고형분은 약 65 중량%이다. 슬러리를 코팅 라인으로 옮긴다. 이중 코팅 전극을 제조한다. 전극 표면은 평활한다. 전극 적재량은 9.6 mg/cm²이다. 전극은 약 2.7 g/cm³의 전극 밀도를 달성하기 위해서 롤 프레스로 압축한다. 파우치 전지 유형 완전 전지를 제조하기 위해서, 이들 양극(캐소드)를 전형적으로 흑연 형 탄소인 음극(애노드) 및 다공성 전기 절연성 멤브레인(세퍼레이터)과 조립한다. 완전 전지는 다음의 주요 단계: (1) 전극 슬리팅 단계, (2) 탭 부착 단계, (3) 전극 건조 단계, (4) 젤리롤 권취 단계, 및 (5) 포장 단계로 제조한다:

(1) 전극 슬리팅 단계: NMP 코팅 후 전극 활성 물질은 슬리팅 기기에 의해 슬리팅할 수 있다. 전극의 폭과 길이는 배터리 응용분야에 따라 결정한다.

(2) 탭 부착 단계: 두 종류의 탭이 있다. 알루미늄 탭은 양극(캐소드)에 부착하고, 구리 탭은 음극(애노드)에 부착한다.

(3) 전극 건조 단계: 제조된 양극(캐소드)과 음극(애노드)을 진공 오븐에서 85~120℃에서 8 시간 동안 건조시킨다.

(4) 젤리롤 권취(jellyroll winding) 단계: 전극을 건조시킨 후 권취 기기를 사용하여 젤리롤을 제조한다. 젤리롤은 적어도 음극(캐소드), 다공성 전기 절연 멤브레인(세퍼레이터) 및 양극(캐소드)으로 구성된다.

(5) 포장 단계: 제조된 젤리롤을, 알루미늄 라미네이트 필름 패키지를 지닌 360 mAh 전지에 통합하는데, 이는 결과적으로 파우치 전지를 형성한다. 또한, 젤리롤을 전해질로 함침한다. 전해질의 분량은 양극 및 음극의 다공성 및 치수, 및 다공성 세퍼레이터에 따라 계산한다. 최종적으로, 포장된 완전 전지를 밀봉 기기로 밀봉한다.

f) DCR(직류 저항) 평가

DCR 저항은 전류 펄스에 대한 전압 반응으로부터 얻어지며, 이용된 절차는 앞서 언급된 USABC 표준에 따른다. DCR 저항은 데이터가 배터리 수명을 예측하기 위해 미래의 약화 레이트를 추론하는 데 사용될 수 있기 때문에 실제 응용분야에 매우 관련성이 있으며, 또한 DCR 저항은 전해질과 애노드 또는 캐소드 사이의 반응의 반응 생성물이 낮은 전도성 표면 층으로서 침전되기 때문에 전극에 대한 손상을 검출하는 데 매우 민감하다.

절차는 다음과 같다. 충전(SOC) 단계의 각 10% 스테이지에서 10초 충전 및 10초 방전 펄스를 통합하는 시험 프로파일을 이용하여, 전지를 하이브리드 펄스 전력 특성화(HPPC)로 시험하여 장치의 사용 가능한 전압 범위에 대한 동적 전력 성능을 측정한다. 본 발명에서는, HPPC 테스트를 25 ℃ 및 -10℃ 둘 다에서 수행한다. 25℃ HPPC의 시험 절차는 다음과 같다 : (1 시간 내에 충전된 전지를 방전하는 전류에 해당하는) 1C 레이트에서 CC/CV(정전류/정전압) 모드 하에 전지를 2.7 ~ 4.2V로 최초 충전-방전-충전한다. 이후, 전지를 CC 모드 하에 1C 레이트에서 90% SOC로 방전하는데, 여기서 (1/6 시간 내에 충전된 전지를 방전하는 전류에 해당하는) 6C 레이트에서 10초 방전을 적용하고 이어서 4C 레이트에서 10초 충전을 수행한다. 펄스 방전 및 펄스 충전 중 전압에서의 차이를 이용하여 90% SOC에서 방전 및 충전 직류 저항(DCR)을 계산한다. 이어서, 전지를 1C 레이트에서 단계별로 상이한 SOC(80% ~ 20%)에 따라 방전시키고 각 SOC에서 상기 기술된 바와 같이 10초 HPPC 시험을 반복한다. -10℃에서의 HPPC 시험은 기본적으로 25℃에서의 시험과 동일한 프로토콜을 이용하는데, 단 10초 방전 펄스는 2C 레이트에서 수행하고 10초 충전 펄스는 1C 레이트에서 수행하는 것을 예외로 한다. 충전 및 방전 동안 전지 온도에 미치는 전지의 자체 가열의 영향을 회피하기 위해서, 각 충전 및 방전 단계 후에 고정된 이완 시간을 적용한다. HPPC 시험은 각 온도에서 각 캐소드 재료의 2개 전지에서 수행하며 DCR 결과는 2개 전지에 대해 평균을 내어 SOC에 대해 플롯팅한다. 기본적으로, 보다 낮은 DCR은 보다 높은 전력 성능에 해당한다.

본 발명은 하기 실시예에서 추가로 설명된다:

실시예의 제조: 파라미터의 영향

NMC 전구체는 전형적으로 금속염 용액 및 염기를 교반형 반응기에서 배합함으로써 제조한다. pH는 침전 동안 금속 이온당 사용된 염기의 비율(OH/Me)에 의해 영향을 받는다. 금속(II)에 대한 수산화나트륨의 화학양론적 비율은 2이다. 이 비율이 2보다 낮으면 pH가 감소한다. 경우에 따라, 암모니아가 첨가되는데, 이것은 또한 pH에 영향을 준다. 상기 앞서 언급된 바와 같이, 작동 중에 입자 크기는 예를 들어, 반응기에서 pH에 대한 특정 값, 체류 시간 및 에너지 입력(= 전력 x 시간)을 선택함으로써 조정될 수 있다. 임펠러의 분당 회전 수(rpm) 및 임펠러 크기는 액체 매질에 전달된 전력의 원인이 된다. 그 전력은 (임펠러 모터의) 엔진 주파수 드라이브에 의해 전달된 전력으로부터 계산 또는 측정될 수 있다.

침전 동안 pH가 낮아질 때, 보다 높은 황 함량 및 보다 높은 BET가 달성된다. 낮은 체류 시간은 조밀한 결정의 침전을 회피하게 하고 또한 입자 내부에 보다 덜 조밀한 결정 배열을 유도할 수 있다. 황의 일부가 입자를 구성하는 결정 내부에 존재하며 황의 일부가 입자의 표면 상에 흡수된다. 결정 내에 존재하는 황은 세척에 의해 제거하기 어렵다. 표면 상에 흡수된 황은 세척 매질에 의한 황의 접근성에 따라 세척될 수 있다. 이 접근성은 결정 배열과 BET 둘 다에 의해 결정된다. 따라서, 원하는 BET 및 황 함량에 도달하기 위해서는 pH, 체류 시간 및 전력간에 절충을 구성하는 것이 필요하다. 원하는 제품을 제조하는데 가능한 여러 조합들이 있다. (하기에 상세히 논의되어 있는) 본 발명의 실시예 및 비교예 중 일부의 경우, 7L의 CFR 반응기 용적에서의 침전 파라미터가 하기에 제시되어어 있다. 이 공정에서는 수산화나트륨이 사용되지만, 암모니아가 사용되지 않았다.

표 1: 체류 시간의 영향

EX20 대 EX9의 경우, (rpm으로 표시된) 동일 전력 및 (OH/Me 비율로 표시된) pH에서의 보다 낮은 체류 시간은 유사한 BET를 부여한다. BET 측정의 세번째 유효 숫자는 유의적이지 않다는 점을 주의해야 한다. EX9에서 보다 긴 체류 시간은 BET에 너무 큰 영향을 미치지 않지만 보다 긴 체류 시간으로 인해 S는 결정에 혼입되어 있지 않다. 그 결정은 원자를 그의 구조 내로 배열하고 황을 방출하는데, 즉 연속적으로 세척되는 데 보다 많은 시간을 갖는다.

표 2: pH의 영향

OH/Me는, 작은 변동이라도 pH와 결국 입자 크기 및 BET와 같은 다른 입자 특징에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에, 유의하여 조정되어야 한다. pH는 또한 황 함량에도 영향을 미친다. 실시예 10에는, BET가 충분히 높지만 황 함량이 보다 낮도록 절충이 이루어져 있다.

표 3: 전력 입력의 영향

실시예 11 및 20 둘 다는 낮은 체류 시간에서 제조되었지만, 반응기가 심지어는 낮은 체류 시간에서도 매우 빨리 혼합을 수행할 수 있기 때문에, 그것은 물질 kg당 적절한 전력을 경험할 수 있다. 이는 모든 물질이 펌프 임펠러를 자주 통과하는 루프 장치를 이용함으로써 달성된다. 너무 많은 전력이 인가되면, 입자 내부의 결정 배열은 느슨하게 고정된 결정 또는 보다 연한 결정이 입자로부터 제거됨에 따라 보다 더 조밀하게 된다. 기록된 BET도 보다 낮다. BET가 보다 낮고 배열이 보다 조밀하기 때문에, 세척 매질에 의한 접근성이 보다 낮아 지고 황을 제거하는 것이 더 어렵다.

7L의 반응기 용적의 경우, 임펠러에 의한 전력은 전형적으로 1W/kg보다 더 높을 필요가 있으며, 제품 kg당 심지어는 10 W 이상까지 높아 질 수 있다. 이는 생산 규모 CFR에 비하여 대규모 CFR에서 용이하게 도달될 수 있는 값이다. 높은 BET 입자를 제조하기 위한 평균 체류 시간은 5 ~ 90 분이다.

다른 실시예는 반응기에서 온도의 영향을 나타낼 수 있다: 45℃ 이하의 온도에서 침전된 전구체의 형태는 더 이상 구형이 아니다. 200℃ 이상으로 온도를 높이는 것은 반응기 내부의 압력을 증가시키고 작동에 너무 많은 비용을 들게 한다.

다양한 실시예 및 비교예의 분석

실시예 1~6:

실시예 1~6은 표 4에 나타낸 바와 같이 상이한 BET 및 상이한 황 함량을 지닌 6 ㎛ NMC 433 전구체 화합물로부터 제조한다. 각 전구체 화합물을 1.08인 Li:M 몰비로 Li₂CO₃과 블렌딩하고, 공기 중에서 10 시간 동안 930℃에서 소성한다. 이어서, 소결된 케이크를 분쇄하고, 전구체의 것과 유사한 평균 입자 크기 D50를 지닌 비응집된 분말을 수득하도록 분급한다. 실시예 1~5에서 전구체 화합물은 1보다 더 작은 (x=0.38)을 가지며, 이러한 전구체 화합물로부터 제조된 캐소드 재료는 바람직한 9% 미만의 Q_irr를 나타낸다. 이와 대조적으로, 실시예 6에서 전구체 화합물은 1보다 더 큰

에 대한 값을 가지며, 이 전구체로부터 제조된 캐소드 재료는 우수하지 않은 9% 초과의 Q_irr를 갖는다. 결론:

를 지닌 NMC433 전구체 화합물이 바람직하다.

실시예 7~23:

실시예 7~23은 표 5에 나타낸 바와 같이 상이한 BET 및 상이한 황 함량을 지닌 약 6 ㎛ NMC 532 전구체 화합물이다. 각 전구체 화합물을 1.02인 Li:M 몰비로 Li₂CO₃과 블렌딩하고, 공기 중에서 10 시간 동안 920℃에서 소성한다. 이어서, 소결된 케이크를 분쇄하고, 전구체의 것과 유사한 평균 입자 크기 D50를 지닌 비응집된 분말을 수득하도록 분급한다. 실시예 7~12에서 전구체 화합물은 1보다 더 작은

(x=0.50)을 가지며, 이러한 전구체 화합물로부터 제조된 캐소드 재료는 바람직한 9% 미만의 Q_irr를 나타낸다. 이와 대조적으로, 실시예 13~23에서 전구체 화합물은 1보다 더 큰

를 가지며, 이 전구체로부터 제조된 캐소드 재료는 우수하지 않은 9% 초과의 Q_irr를 갖는다. 결론:

를 만족하는 NMC532 전구체 화합물이 바람직하다.

실시예 24~30:

실시예 24~30은 표 6에 나타낸 바와 같이 상이한 BET 및 상이한 황 함량을 지닌 약 6 ㎛ NMC 532 전구체 화합물이다. 각 전구체 화합물을 1.02인 Li:M 몰비로 Li₂CO₃과 블렌딩하고, 공기 중에서 10 시간 동안 860℃에서 소성한다. 이어서, 소결된 케이크를 분쇄하고, 전구체의 것과 유사한 평균 입자 크기 D50를 지닌 비응집된 분말을 수득하도록 분급한다. 실시예 24~27에서 전구체 화합물은 1보다 더 작은

(x=0.60)을 가지며, 이러한 전구체 화합물로부터 제조된 캐소드 재료는 바람직한 9% 미만의 Q_irr를 나타낸다. 이와 대조적으로, 실시예 28~29에서 전구체 화합물은 1보다 더 큰

를 가지며, 이 전구체로부터 제조된 캐소드 재료는 우수하지 않은 9% 초과의 Q_irr를 갖는다. 추가로, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 전구체 황 함량이 증가함에 따라 CQ1가 감소하는 것으로 다시 확인된다. EX30에서, 전구체 화합물은 50 m²/g 초과의 BET를 가지며, 이것은 최종적으로 매우 약한 캐소드 재료를 부여한다. 그 캐소드 재료는, 미분쇄 및 분급 후, 도 3에 도시된 바와 같이 다량의 미세 입자를 이미 함유하고 있다. 캐소드 전극 압연 동안 인가된 압력과 유사한 200 MPa의 압력 하에 스테인레스강 다이에서 가압될 때, 입자는 심하게 파괴되지는데, 이는 훨씬 더 미세한 입자를 생성하고, 게다가 가장 가능성 있게는 입자내 다수의 균열도 생성한다. 그래서, 매우 높은 BET를 지닌 전구체는 회피되어야 한다. 결론:

를 만족하는 NMC532 전구체 화합물이 바람직하다.

실시예 31~35:

약 4~6 ㎛ 전구체인 모든 이전 실시예와는 다르게, 실시예 31~35는 상이한 BET 및 상이한 황 함량을 지닌 10~12 ㎛ NMC 532 전구체 화합물(표 7 참조)을 기술한 것이다. 각 전구체 화합물을 1.02인 Li:M 몰비로 Li₂CO₃과 블렌딩하고, 공기 중에서 10 시간 동안 920℃에서 소성한다. 이어서, 소결된 케이크를 분쇄하고, 전구체의 것과 유사한 평균 입자 크기 D50를 지닌 비응집된 분말을 수득하도록 분급한다. 실시예 31~32에서 전구체 화합물은 1보다 더 작은

(x=0.50)을 가지며, 이러한 전구체 화합물로부터 제조된 캐소드 재료는 10~12 ㎛ 큰 NMC532 캐소드 재료의 경우에 바람직한 10% 미만의 Q_irr를 나타낸다. 이와 대조적으로, 실시예 33~35에서 전구체 화합물은 1보다 더 큰

를 가지며, 이 전구체로부터 제조된 캐소드 재료는 실시예 31~32의 것보다 더 열악한 11% 초과의 Q_irr를 갖는다. 그러므로, 큰 크기의 전구체 화합물의 경우,

를 만족하는 것들이 바람직하다.

모든 실시예의 개관을 통해 확인된 바에 의하면, Q_irr에 대한 원하는 낮은 값을 수득하기 위해서, 12 ＜BET＜50 m²/g인 비표면적을 갖는 전구체를 보유하는 것이 바람직하다. 추가로 확인된 바에 의하면, 기준

을 설정하는 것은 결과로 Q_irr에 대한 훨씬 더 작은 값을 얻게 한다. 추가로, 실시예 1 내지 23은 BET 및 S의 값에 대한 기준이 원하는 낮은 Q_irr을 수득하기 위해서 훨씬 더 심한 값으로 설정될 수 있다는 점을 보여준다. 구체적으로, x ≤ 0.50에 의한 조성의 경우,

은 바람직한 기준이다.

각각 NMC 조성 내에서, 일부 파우치 유형 완전 전지는 선택된 캐소드 재료, (i) Ex. 1, 2, 3 및 6의 경우 NMC433으로부터의 것, (ii) Ex. 7, 8 및 9의 경우 NMC532로부터의 것, 및 (iii) Ex. 24 및 28의 경우 NMC622로부터의 것을 사용하여 DCR 평가를 위해 제조한다. 그 DCR 시험은 20 내지 90%의 SOC 범위 내에서 25℃ 및 -10℃의 대표 온도에서 수행한다. 도 4, 6 및 8은 이들 선택된 NMC433, NMC532 및 NMC622 캐소드 재료 각각의 25℃ DCR 성능을 예시한 것이다. 도 5, 7 및 9는 NMC433, NMC532 및 NMC622 캐소드 재료 각각의 -10℃ DCR 성능을 도시한 것이다. 모든 도면에 의해 입증된 바에 따르면,

를 만족하는 전구체 화합물로부터의 캐소드 재료는 그 부등식을 만족하지 않은 전구체 화합물로부터의 캐소드 재료보다 비교적 더 낮은 DCR를 가지므로, 보다 우수한 전력 성능을 갖는다. 이는 상이한 온도 및 상이한 SOC에서 시험된, 상이한 NMC 조성의 경우에 유효하다. 그러므로,

를 지닌 전구체 화합물은 전력 응용분야에 바람직하다.

표 4: 6 ㎛ NMC433 전구체 화합물 특성, 소성 조건 및 코인 전지 특성

표 5: 6 ㎛ NMC532 전구체 화합물 특성, 소성 조건 및 코인 전지 비가역적 용량

표 5(계속)

표 6: 4 ㎛ NMC622 전구체 화합물 특성, 소성 조건 및 코인 전지 비가역적 용량

표 7: 10~12 ㎛ NMC532 전구체 화합물 특성, 소성 조건 및 코인 전지 비가역적 용량

Claims (13)

1. 리튬 이온 배터리에서 활성 양극 재료로서 사용하기 위한 리튬 전이금속(M) 산화물 분말을 제조하기 위한 미립자 전구체 화합물로서, (M)은 Ni_xMn_yCo_zA_v이고, A는 도펀트이며, 0.33 ≤ x ≤ 0.60, 0.20 ≤ y ≤ 0.33 및 0.20 ≤ z ≤ 0.33, v ≤ 0.05, 및 x + y + z + v = 1이고, 전구체는 몰비 x:y:z로 Ni, Mn 및 Co를 포함하며, m²/g으로 표시되는 비표면적 BET 및 중량%로 표시되는 황 함량 S를 갖고, 하기 수식을 갖는 것인 미립자 전구체 화합물.
   

   
2. 제1항에 있어서, 전구체는 12 < BET < 50 m²/g인 비표면적을 갖는 것인 미립자 전구체 화합물.
3. 제1항에 있어서, 하기 수식을 갖는 미립자 전구체 화합물.
   

   
4. 제2항에 있어서, 하기 수식을 갖는 미립자 전구체 화합물.
   

   
5. 제1항에 있어서, x ≤ 0.50, 및 하기 수식을 갖는 미립자 전구체 화합물.
   

   
6. 제2항에 있어서, x ≤ 0.50, 및 하기 수식을 갖는 미립자 전구체 화합물.
   

   
7. 제1항에 있어서, 전구체가 수산화물 M-OH 또는 옥시수산화물 M-OOH 화합물인 미립자 전구체 화합물.
8. 하이브리드 전기 차량용 리튬 이온 배터리의 활성 양극 재료를 위한 리튬 전이금속(M) 산화물 분말의 제조에서의 제1항에 따른 전구체 화합물의 용도로서, 전구체는 3 ㎛ ≤ D50 ≤ 6 ㎛인 중앙 입자 크기를 갖는 것인 용도.
9. 제1항의 미립자 전구체 화합물을 제조하는 방법으로서,
   - 액체 매질의 스트림을 포함하는 루프 반응 구역 및 액체 매질의 스트림에 전력을 전달하는 수단을 갖는 루프 반응기를 제공하는 단계,
   - M-SO₄의 흐름 및 NaOH 또는 Na₂CO₃의 흐름을 루프 반응 구역의 별개 부분으로 공급하는 단계로서, 이로써 M-SO₄ 및 NaOH 또는 Na₂CO₃의 적어도 일부가 반응하여 액체 매질의 스트림 중에 미립자 전구체를 형성하는 것인 단계,
   - 액체 매질을 루프 반응 구역을 통해 연속적으로 순환시키는 단계, 및
   - 침전된 전구체를 포함하는 액체 매질의 일부를 루프 반응 구역으로부터 배출하는 단계
   를 포함하고, 상기 수단에 의해 액체 매질의 스트림에 전달된 전력은 1 내지 25 W/kg인 방법.
10. 제9항에 있어서, 루프 반응기는 5 내지 90 분의 평균 체류 시간을 갖는 것인 방법.
11. 제19항에 있어서, 루프 반응기 내의 온도는 45℃ 내지 200℃인 방법.
12. 리튬 이온 배터리에서 활성 양극 재료로서 사용하기 위한 리튬 전이금속(M) 산화물 분말을 제조하는 방법으로서,
    - 제1항에 따른 M 전구체를 제공하는 단계,
    - Li 전구체 화합물을 제공하는 단계,
    - M 전구체와 Li 전구체를 혼합하는 단계, 및
    - 혼합물을 600℃ 내지 1100℃의 온도에서 1 hr 이상 동안 소성하는 단계
    를 포함하는 방법.
13. 리튬 이온 배터리에서 활성 양극 재료로서 사용하기 위한 리튬 전이금속(M) 산화물 분말을 제조하는 방법으로서,
    - 제2항에 따른 M 전구체를 제공하는 단계,
    - Li 전구체 화합물을 제공하는 단계,
    - M 전구체와 Li 전구체를 혼합하는 단계, 및
    - 혼합물을 600℃ 내지 1100℃의 온도에서 1 hr 이상 동안 소성하는 단계
    를 포함하는 방법.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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