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

KR20220055942A - 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법 - Google Patents

리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220055942A
KR20220055942A KR1020200140546A KR20200140546A KR20220055942A KR 20220055942 A KR20220055942 A KR 20220055942A KR 1020200140546 A KR1020200140546 A KR 1020200140546A KR 20200140546 A KR20200140546 A KR 20200140546A KR 20220055942 A KR20220055942 A KR 20220055942A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
lithium
composite oxide
secondary battery
lithium composite
Prior art date
Application number
KR1020200140546A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102461125B1 (ko
Inventor
전재우
서준원
윤진경
손진오
윤미혜
최문호
노형주
나수빈
김주철
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 KR1020200140546A priority Critical patent/KR102461125B1/ko
Priority to CN202180065299.7A priority patent/CN116235314A/zh
Priority to PCT/KR2021/007315 priority patent/WO2022092477A1/ko
Priority to JP2023515721A priority patent/JP2023542856A/ja
Priority to EP21886476.7A priority patent/EP4201889A1/en
Publication of KR20220055942A publication Critical patent/KR20220055942A/ko
Priority to KR1020220139072A priority patent/KR102575336B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102461125B1 publication Critical patent/KR102461125B1/ko
Priority to US18/176,669 priority patent/US20230202863A1/en

Links

Classifications

    • 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
    • C01G53/44—Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2 containing manganese
    • C01G53/50—Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2 containing manganese of the type [MnO2]n-, e.g. Li(NixMn1-x)O2, Li(MyNixMn1-x-y)O2
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00—Compounds of nickel
    • C01G53/006—Compounds containing, besides nickel, two or more other elements, with the exception of oxygen or hydrogen
    • 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
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • 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
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/12—Surface area
    • 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)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 양극 활물질의 비표면적을 제어함으로써 전기화학적 특성 및 안정성을 향상시키는 것이 가능한 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법{METHOD FOR PREPARING POSITIVE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 양극 활물질의 비표면적을 제어함으로써 전기화학적 특성 및 안정성을 향상시키는 것이 가능한 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법에 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.
또한, 이러한 양이온 혼합의 심화 정도에 따라 다량의 Li 부산물이 발생하게 되고, 이들 Li 부산물의 대부분은 LiOH 및 Li2CO3의 화합물로 이루어져 있어서, 양극 페이스트 제조시 겔(gel)화되는 문제점과 전극 제조 후 충방전 진행에 따른 가스 발생의 원인이 된다. 잔류 Li2CO3는 셀의 스웰링 현상을 증가시켜 사이클을 감소시킬 뿐만 아니라 배터리가 부풀어 오르는 원인이 된다.
이러한 단점을 보완하기 위해 이차 전지 양극 활물질로서 Ni 함량이 50% 이상인 high-Ni 양극 활물질의 수요가 증가하기 시작하였다. 그러나, 이러한 high-Ni 양극 활물질은 고용량 특성을 나타내는 반면, 양극 활물질 중 Ni 함량이 증가함에 따라 Li/Ni cation mixing에 의한 구조적 불안정성이 초래되는 문제점이 있다. 이러한 양극 활물질의 구조적 불안정성에 의해 고온뿐만 아니라 상온에서도 리튬 이차전지가 급격히 열화될 수 있다.
따라서, 이러한 high-Ni 양극 활물질의 문제점을 보완하기 위한 양극 활물질의 개발이 필요한 실정이다.
한국공개특허공보 제10-2015-0069334호
리튬 이차전지 시장에서는 전기 자동차용 리튬 이차전지의 성장이 시장의 견인 역할을 하고 있는 가운데, 리튬 이차전지에 사용되는 양극 활물질의 수요 역시 지속적으로 변화하고 있다.
예를 들어, 종래에는 안전성 확보 등의 관점에서 LFP를 사용한 리튬 이차전지가 주로 사용되어 왔으나, 최근들어 LFP 대비 중량당 에너지 용량이 큰 니켈계 리튬 복합 산화물의 사용이 확대되는 추세이다.
또한, 최근에는 니켈계 리튬 복합 산화물의 고용량 실현을 위해 상기 리튬 복합 산화물 중 Ni 함량이 증가된 high-Ni 양극 활물질을 사용하는 시도가 이어져오고 있다. 그러나, high-Ni 양극 활물질의 경우, 과량의 Li 부산물을 포함하거나 구조적으로 불안정하기 때문에 도펀트 또는 코팅을 통해 이를 완화하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
양극 활물질의 표면은 리튬 이차전지의 충방전 및/또는 저장 중 전해질과 부반응이 일어날 수 있는 영역으로서, 양극 활물질의 표면적(예를 들어, BET 비표면적이라는 지표로서 나타낼 수 있음)이 넓을수록 부반응 가능성이 높아져 양극 활물질의 표면 내 결정 구조가 상 변이(phase transformation)할 수 있다(예를 들어, 층상 구조 → 암염 구조). 이와 같은 양극 활물질의 표면 내 결정 구조의 상 변이는 리튬 이차전지의 수명 특성을 감소시키는 원인 중 하나로 지목되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기 양극 활물질의 비표면적을 제어함으로써 상기 양극 활물질의 전기화학적 특성 및 안정성을 향상시키는 것이 가능한 리튬 이차전지용 양극 활물질을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 본원에서 정의된 제조 방법에 따라 제조된 양극 활물질을 포함하는 양극 및 상기 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, (a) 니켈 복합 전구체, 리튬 화합물 및 제1 첨가제를 혼합하여 제1 혼합물을 준비하는 단계, (b) 상기 제1 혼합물을 1차 열처리하여 제1 리튬 복합 산화물을 수득하는 단계, (c) 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 첨가제를 혼합하여 제2 혼합물을 준비하는 단계 및 (d) 상기 제2 혼합물을 2차 열처리하여 제2 리튬 복합 산화물을 수득하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법이 제공된다.
여기서, 상기 제1 첨가제 및 상기 제2 첨가제는 각각 독립적으로 Al2O3, Al(OH)3, AlPO4, Al(PO3)3, WO3, Mg(OH)2, NH4F, TiO2, H3BO3, H2B4O7, B2O3, B2O5, C6H5B(OH)2, (C6H5O)3B, [(CH3(CH2)3O)3B, C3H9B3O6 및 (C3H7O3)B로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하며, 상기 제1 첨가제와 상기 제2 첨가제를 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
한편, 상기 2차 열처리 온도는 상기 1차 열처리 온도보다 낮도록 조절함으로써 상기 단계 (d)에서 수득된 상기 제2 리튬 복합 산화물의 비표면적이 과도하게 커지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 단계 (c) 전 상기 제1 리튬 복합 산화물과 수세 용액을 반응시켜 상기 제1 리튬 복합 산화물에 잔류하는 상기 제1 첨가제를 제거한 후 후속 단계를 수행함으로써 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 첨가제의 원활한 반응을 유도할 수 있으며, 이를 통해 본원에서 의도한 리튬 복합 산화물의 비표면적 제어가 가능하다.
상술한 제조 방법에 따라 수득한 상기 제2 리튬 복합 산화물은 하기의 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
LiwNi1-(x+y+z)CoxM1yM2zO2
(여기서,
M1은 Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M2는 Mn, B, Ba, Ce, Hf, Ta, Cr, F, Mg, Al, Cr, V, Ti, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W, P, Sr, Ge, Nd, Gd 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M1과 M2는 서로 상이한 원소이며,
0.5≤w≤1.5, 0≤x≤0.50, 0<y≤0.20, 0≤z≤0.20, 0≤z'≤0.20이다)
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 제조 방법에 따라 제조되는 양극 활물질을 포함하는 양극이 제공된다.
아울러, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 양극을 사용하는 리튬 이차전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 양극 활물질을 제조하는 공정 중 니켈 복합 전구체와 제1 첨가제를 혼합한 후 1차 열처리함으로써 수득된 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적이 상기 니켈 복합 전구체 대비 소정의 범위 내에 존재하도록 제어하고, 상기 제1 리튬 복합 산화물과 제2 첨가제를 혼합한 후 2차 열처리함으로써 수득된 제2 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적이 상기 제1 리튬 복합 산화물 대비 소정의 범위 내에 존재하도록 제어함으로써 상기 양극 활물질에 특정 금속 원소를 도핑하거나 상기 양극 활물질의 표면에 코팅층을 도입하는 경우에도 상기 양극 활물질의 전기화학적 특성 및/또는 안정성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 상기 양극 활물질 중 특정 금속 원소의 도핑량 또는 상기 양극 활물질의 표면 중 코팅량을 충분히 확보함과 동시에 상기 양극 활물질을 구성하는 리튬 복합 산화물의 비표면적이 불필요하게 커지는 것을 방지할 수 있다.
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 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법, 상기 제조 방법에 따라 제조된 양극 활물질을 포함하는 양극 및 상기 양극이 사용된 리튬 이차전지에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 니켈 복합 전구체, 리튬 화합물 및 제1 첨가제를 혼합하여 제1 혼합물을 준비하는 단계, (b) 상기 제1 혼합물을 1차 열처리하여 제1 리튬 복합 산화물을 수득하는 단계, (c) 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제3 첨가제를 혼합하여 제3 혼합물을 준비하는 단계 및 (d) 상기 제3 혼합물을 3차 열처리하여 제3 리튬 복합 산화물을 수득하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법이 제공된다.
상기 단계 (a)는 니켈 복합 전구체, 리튬 화합물 및 제1 첨가제를 혼합하여 제1 혼합물을 준비하는 단계이다.
상기 단계 (a)에서 사용되는 니켈 복합 전구체는 양극 활물질로서 사용되는 리튬 복합 산화물의 전구 물질로서, 니켈 복합 수산화물 및/또는 니켈 복합 산화물이며, Li 원료 물질로서 리튬 화합물과 반응하여 리튬 복합 산화물을 형성할 수 있다.
상기 니켈 복합 전구체는 적어도 니켈 및 코발트를 포함할 수 있으며, 타겟으로 하는 리튬 복합 산화물의 조성에 따라 금속 원소를 추가적으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 니켈 복합 전구체는 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 니켈-코발트-망간 복합 수산화물 또는 복합 산화물이거나, 니켈, 코발트 및 알루미늄을 포함하는 니켈-코발트-알루미늄 복합 수산화물 또는 복합 산화물이거나, 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄을 포함하는 니켈-코발트-망간-알루미늄 복합 수산화물 또는 복합 산화물일 수 있다. 또한, 상술한 니켈-코발트-(망간/알루미늄) 복합 수산화물 또는 복합 산화물에는 이종의 금속 원소가 도핑될 수 있다.
상기 이종의 금속 원소는 B, Ba, Ce, Hf, Ta, Cr, F, Mg, Cr, V, Ti, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W, P, Sr, Ge, Nd, Gd 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 니켈 복합 전구체와 반응하여 리튬 복합 산화물을 형성할 수 있는 리튬 화합물로는 수산화리튬, 탄산리튬, 질산리튬 또는 아세트산리튬 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬 화합물은 상기 제1 혼합물 중 리튬 이외의 금속 원소의 총 원자수(Metal)에 대한 리튬의 원자수(Li)의 비(Li/Metal)가 0.95 내지 1.10이 되는 범위로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 단계 (a)에서 사용되는 상기 제1 첨가제는 Al2O3, Al(OH)3, AlPO4, Al(PO3)3, WO3, Mg(OH)2, NH4F, TiO2, H3BO3, H2B4O7, B2O3, B2O5, C6H5B(OH)2, (C6H5O)3B, [(CH3(CH2)3O)3B, C3H9B3O6 및 (C3H7O3)B로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 첨가제는 Al2O3, Al(OH)3, AlPO4, Al(PO3)3, WO3, Mg(OH)2 NH4F 및 TiO2,로부터 선택되는 적어도 하나와 H3BO3, H2B4O7, B2O3, B2O5, C6H5B(OH)2, (C6H5O)3B, [(CH3(CH2)3O)3B, C3H9B3O6 및 (C3H7O3)B로부터 선택되는 적어도 하나의 혼합물로서 제공될 수도 있다.
상기 단계 (a)에서 상기 제1 첨가제는 상기 니켈 복합 전구체에 대하여 0.5 내지 1.0mol%가 되도록 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 제1 첨가제가 상기 니켈 복합 전구체에 대하여 0.5mol% 미만이 되도록 첨가될 경우, 후술할 단계 (b)의 1차 열처리 단계에서 수득한 제1 리튬 복합 산화물의 비표면적 증가 효과가 미미할 수 있다. 이 경우, 최종 산물인 제2 리튬 복합 산화물(양극 활물질)의 비표면적이 과도하게 감소하여 양극 활물질의 전기화학적 특성의 충분한 향상 효과를 기대하기 어렵다.
반면에, 상기 제1 첨가제가 상기 니켈 복합 전구체에 대하여 1.0mol%을 초과하도록 첨가될 경우, 후술할 단계 (b)의 1차 열처리 단계에서 수득한 제1 리튬 복합 산화물의 비표면적이 과도하게 증가할 우려가 있다. 이 경우, 최종 산물인 제2 리튬 복합 산화물(양극 활물질)의 비표면적이 커지기 때문에 양극 활물질의 안정성이 저하될 우려가 있다.
이어서, 단계 (b)에서는 상기 단계 (a)에서 준비된 상기 제1 혼합물을 1차 열처리하여 제1 리튬 복합 산화물을 수득한다.
상기 단계 (b)의 1차 열처리는 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 600 내지 800℃까지 분당 2℃로 승온하여 5 내지 10시간 동안 수행될 수 있다. 상기 1차 열처리의 온도가 600℃ 미만인 경우, 상기 제1 혼합물의 소성이 불충분하게 진행됨에 따라 상기 제1 리튬 복합 산화물의 결정 성장이 불충분할 수 있다. 반면에, 상기 1차 열처리의 온도가 800℃를 초과할 경우, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 열분해가 일어날 수 있다.
상기 단계 (b)에서 수득한 상기 제1 리튬 복합 산화물은 하기의 화학식 1-1로 표시될 수 있다.
[화학식 1-1]
LiwNi1-(x+y+z)CoxM1yM2zO2
(여기서,
M1은 Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M2는 Mn, B, Ba, Ce, Hf, Ta, Cr, F, Mg, Al, Cr, V, Ti, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W, P, Sr, Ge, Nd, Gd 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M1과 M2는 서로 상이한 원소이며,
0.5≤w≤1.5, 0≤x≤0.50, 0<y≤0.20, 0≤z≤0.20, 0≤z'≤0.20이다)
상기 제1 리튬 복합 산화물의 조성은 후술할 상기 제2 리튬 복합 산화물의 조성과 동일할 수 있으나, 일부 금속 원소의 함량에서 차이가 날 수 있다.
상기 화학식 1-1로 표시되는 상기 제1 리튬 복합 산화물이 상기 니켈 복합 전구체, 상기 리튬 화합물 및 상기 제1 첨가제에 함유된 금속 원소 이외의 이종 금속 원소를 포함하기 위해서는 상기 단계 (a)에서 상기 제1 혼합물에 상기 이종 금속 원소를 포함하는 원료 물질을 추가적으로 혼합할 필요가 있다.
상기 제1 리튬 복합 산화물이 상기 니켈 복합 전구체, 상기 리튬 화합물 및 상기 제1 첨가제에 함유된 금속 원소 이외의 이종 금속 원소는 상기 제1 리튬 복합 산화물의 결정 격자 내 도핑됨에 따라 상기 제1 리튬 복합 산화물의 결정 구조를 안정화시키거나, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 전기화학적 특성을 향상시키는데 기여할 수 있다.
또한, 본 발명은 양극 활물질의 비표면적을 제어함으로써 전기화학적 특성 및 안정성을 향상시키는 것이 가능한 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법에 관한 것으로서, 상술한 본 발명의 기술적 과제에 기초하여 상기 단계 (b)에서 수득한 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적은 1.5 내지 1.8m2/g가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적은 가스 흡착법 비표면적 측정 장치를 이용하여 액체 질소 온도 하에서의 질소가스 흡착량으로부터 산출되는 지표이다.
상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적은 상기 니켈 복합 전구체의 BET 비표면적에 의존적일 수 밖에 없으나, 상기 단계 (b)에서는 상기 제1 혼합물 중 상기 제1 첨가제에 의해 상기 니켈 복합 전구체 대비 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적이 증가하도록 할 수 있다.
이에 따라, 상기 단계 (b)는 상기 니켈 복합 전구체의 BET 비표면적(s1)에 대한 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s2)의 비(s2/s1)가 0.098을 초과하도록 수행될 수 있다.
상기 니켈 복합 전구체의 BET 비표면적(s1)에 대한 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s2)의 비(s2/s1)가 0.098 이하인 경우, 후속 공정을 통해 수득한 최종 산물인 제2 리튬 복합 산화물(양극 활물질)의 비표면적이 과도하게 작아질 수 있다. 이 경우, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 과도하게 작은 비표면적에 의해 이를 포함하는 양극 활물질이 충분한 전기화학적 특성을 발휘하기 어려울 수 있다.
반면에, 상기 니켈 복합 전구체의 BET 비표면적(s1)에 대한 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s2)의 비(s2/s1)가 0.137 이상일 경우, 후술할 단계 (d)의 2차 열처리 단계에도 불구하고 최종 산물인 제2 리튬 복합 산화물의 비표면적이 1.2m2/g을 초과할 가능성이 높아진다. 즉, 상기 단계 (b)에서 수득한 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적이 상기 니켈 복합 전구체 대비 소정의 비율로 제어되지 못함에 따라 상기 제2 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적 역시 의도된 범위 내에 존재하기 어려울 수 있다. 이와 같이, 과도하게 큰 BET 비표면적을 가지는 상기 제2 리튬 복합 산화물은 양극 활물질의 안정성을 저하시키는 원인으로 작용할 수 있다.
추가로, 단계 (c)를 수행하기 전, 상기 단계 (b)에서 수득한 상기 제1 리튬 복합 산화물에 대하여 해쇄(disintegration), 분급(distribution), 탈철(iron removal) 및/또는 수세 공정이 수행될 수 있다.
상기 단계 (b)에서 수득한 상기 제1 리튬 복합 산화물과 수세 용액을 반응시켜 상기 제1 리튬 복합 산화물에 잔류하는 상기 제1 첨가제를 제거한 후 후속 단계를 수행함으로써 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 첨가제의 원활한 반응을 유도할 수 있다.
상기 수세 공정은 단계 (c)를 수행하기 전, 적어도 하나의 금속 원소 함유 원료 물질을 상기 제1 리튬 복합 산화물과 혼합한 후 600 내지 800℃의 온도 범위에서 열처리하는 단계 (b-1)가 추가적으로 수행될 때 상기 단계 (b-1) 이후에 수행되는 것이 바람직하다.
상기 단계 (b-1) 이후 수세 공정을 수행함으로써 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면에 잔류하는 상기 제1 첨가제 및 적어도 하나의 금속 원소 함유 원료 물질을 제거함으로써 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 첨가제의 원활한 반응을 유도할 수 있다.
상기 단계 (b-1)이 추가적으로 수행되는 경우라 하더라도, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적은 1.5 내지 1.8m2/g가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 단계 (b-1)에서 사용되는 금속 원소 함유 원료 물질로는 화학식 1에 표시된 M1 함유 원료 물질 및/또는 M2 함유 원료 물질이 사용될 수 있다. 상기 원료 물질은 M1 및/또는 M2를 포함하는 산화물 또는 수산화물로서 제공될 수 있다.
상기 단계 (b-1)에서 사용된 M1 함유 원료 물질 및/또는 M2 함유 원료 물질에 의해 상기 제1 리튬 복합 산화물의 결정 격자 내 M1 및/또는 M2가 도핑되거나, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 표면에 M1 및/또는 M2를 포함하는 산화물이 코팅될 수 있다.
상술한 M1 및/또는 M2의 도핑 및 코팅은 최종 산물인 양극 활물질의 열적 안정성 및 저장 안정성을 향상시킴과 동시에 상기 양극 활물질의 전기화학적 특성을 향상시키는데 기여할 수 있다. 다만, M1 및/또는 M2의 도핑 및 코팅에 의해 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적이 소정의 크기만큼 커질 수 있으며, 이는 반대로 최종 산물인 양극 활물질의 전기화학적 특성 및/또는 안정성을 저하시키는 원인으로 작용할 수도 있다.
다만, 본 발명에 따르면, 상기 양극 활물질 중 특정 금속 원소의 도핑량 또는 상기 양극 활물질의 표면 중 코팅량을 충분히 확보함과 동시에 상기 양극 활물질을 구성하는 리튬 복합 산화물의 비표면적이 불필요하게 커지는 것을 방지함으로써 상기 양극 활물질에 특정 금속 원소를 도핑하거나 상기 양극 활물질의 표면에 코팅층을 도입하는 경우에도 상기 양극 활물질의 전기화학적 특성 및/또는 안정성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 단계 (d)에서는 상기 단계 물질과 제2 첨가제를 혼합하여 제2 혼합물을 준비한다.
상기 단계 (c)에서 사용되는 상기 제2 첨가제는 상기 제1 첨가제와 동일 또는 상이할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 첨가제는 Al2O3, Al(OH)3, AlPO4, Al(PO3)3, WO3, Mg(OH)2, NH4F, TiO2, H3BO3, H2B4O7, B2O3, B2O5, C6H5B(OH)2, (C6H5O)3B, [(CH3(CH2)3O)3B, C3H9B3O6 및 (C3H7O3)B로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제2 첨가제로서 Al2O3, Al(OH)3, H3BO3, B2O3 및 B2O5로부터 선택되는 적어도 하나가 사용될 수 있다.
상기 단계 (c)에서 상기 제2 첨가제는 상기 니켈 복합 전구체에 대하여 0.1 내지 0.5mol%가 되도록 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 제2 첨가제가 상기 니켈 복합 전구체에 대하여 0.1mol% 미만이 되도록 첨가될 경우, 후술할 단계 (d)의 2차 열처리 단계에서 수득한 제2 리튬 복합 산화물의 비표면적 감소 효과가 미미할 수 있다. 이 경우, 최종 산물인 제2 리튬 복합 산화물(양극 활물질)의 비표면적이 과도하게 크기 때문에 양극 활물질의 안정성이 저하될 우려가 있다.
반면에, 상기 제2 첨가제가 상기 니켈 복합 전구체에 대하여 0.5mol%을 초과하도록 첨가될 경우, 후술할 단계 (d)의 2차 열처리 단계에서 수득한 제2 리튬 복합 산화물의 비표면적이 과도하게 감소할 우려가 있다. 이 경우, 최종 산물인 제2 리튬 복합 산화물(양극 활물질)의 전기화학적 특성이 충분히 향상되기 어렵다.
이어서, 단계 (d)에서는 상기 단계 (c)에서 준비된 상기 제2 혼합물을 2차 열처리하여 최종 산물인 제2 리튬 복합 산화물(양극 활물질)을 수득한다.
상기 단계 (d)의 2차 열처리는 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 200 내지 500℃까지 분당 2℃로 승온하여 5 내지 10시간 동안 수행될 수 있다. 상기 2차 열처리의 온도가 200℃ 미만인 경우, 상기 제2 리튬 복합 산화물의 비표면적의 감소 효과가 미미할 수 있다. 반면에, 상기 2차 열처리의 온도가 500℃를 초과할 경우, 오히려 상기 제2 리튬 복합 산화물의 비표면적이 증가함에 따라 최종 산물인 양극 활물질의 안정성이 저하될 우려가 있다.
이에 따라, 상기 단계 (d)에서 수득한 상기 제2 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적은 0.8 내지 1.2m2/g일 수 있다. 이 때, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s2)에 대한 상기 제2 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s3)의 비(s3/s2)는 0.4 내지 0.8인 것이 바람직하다.
상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s2)에 대한 상기 제2 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s3)의 비(s3/s2)가 0.394 이하인 경우, 상기 단계 (d)에서 수득한 최종 산물인 상기 제2 리튬 복합 산화물의 비표면적이 과도하게 작아져 상기 제2 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질의 전기화학적 특성이 충분히 향상되기 어렵다.
반면에, 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s2)에 대한 상기 제2 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s3)의 비(s3/s2)가 0.823 이상인 경우, 수득한 제2 리튬 복합 산화물의 비표면적 감소 효과가 미미할 수 있다. 이 경우, 최종 산물인 제2 리튬 복합 산화물(양극 활물질)의 비표면적이 과도하게 크기 때문에 양극 활물질의 안정성이 저하될 우려가 있다.
상술한 일련의 방법에 따라 제조된 상기 제2 리튬 복합 산화물은 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
LiwNi1-(x+y+z)CoxM1yM2zO2
(여기서,
M1은 Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M2는 Mn, B, Ba, Ce, Hf, Ta, Cr, F, Mg, Al, Cr, V, Ti, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W, P, Sr, Ge, Nd, Gd 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나이며,
M1과 M2는 서로 상이한 원소이며,
0.5≤w≤1.5, 0≤x≤0.50, 0<y≤0.20, 0≤z≤0.20, 0≤z'≤0.20이다)
양극 활물질
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 제조 방법에 따라 제조된 양극 활물질이 제공된다.
상기 양극 활물질은 리튬의 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 1차 입자 및 상기 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함하는 리튬 복합 산화물로서 제공된다. 상기 리튬 복합 산화물은 상술한 제조 방법에 따라 제조된 제2 리튬 복합 산화물(이하에서는 편의상 리튬 복합 산화물이라 함)일 수 있다.
여기서, 상기 리튬 복합 산화물의 1차 입자는 하나의 결정립(grain or crystallite)를 의미하며, 2차 입자는 복수의 1차 입자가 응집하여 형성된 응집체를 의미한다. 상기 1차 입자는 막대 형상, 타원 형상 및/또는 부정형 형상을 가질 수 있다. 상기 2차 입자를 구성하는 상기 1차 입자 사이에는 공극 및/또는 결정립계(grain boundary)가 존재할 수 있다.
예를 들어, 상기 1차 입자는 상기 2차 입자의 내부에서 이웃한 1차 입자와 이격되어 내부 공극을 형성할 수 있다. 또한, 상기 1차 입자는 이웃한 1차 입자와 서로 접하여 결정립계를 형성하지 않고 내부 공극과 접함으로써 상기 2차 입자 내부에 존재하는 표면을 형성할 수 있다. 한편, 상기 2차 입자의 최표면에 존재하는 상기 1차 입자가 외기(外氣)에 노출된 면은 상기 2차 입자의 표면을 형성하게 된다.
여기서, 상기 1차 입자의 평균 장축 길이는 0.1μm 내지 5μm, 바람직하게는 0.1μm 내지 2μm 범위 내 존재함으로써 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 활물질을 사용하여 제조된 양극의 최적 밀도를 구현할 수 있다. 또한, 2차 입자의 평균 입경은 응집된 1차 입자의 수에 따라 달라질 수 있으나, 1μm 내지 30μm일 수 있다.
또한, 상기 양극 활물질은 상기 1차 입자(예를 들어, 상기 1차 입자 사이의 계면) 및/또는 상기 1차 입자가 응집되어 형성된 2차 입자의 표면 중 적어도 일부를 커버하는 코팅층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 코팅층은 상기 1차 입자의 노출된 표면 중 적어도 일부를 커버하도록 존재할 수 있다. 특히, 상기 코팅층은 상기 2차 입자의 최외곽에 존재하는 상기 1차 입자의 노출된 표면 중 적어도 일부를 커버하도록 존재할 수 있다.
이에 따라, 상기 코팅층은 상기 1차 입자 및/또는 상기 1차 입자가 응집되어 형성된 상기 2차 입자의 표면을 연속적 또는 불연속적으로 코팅하는 층으로서 존재할 수 있다. 상기 코팅층이 불연속적으로 존재할 경우, 아일랜드(island) 형태로서 존재할 수 있다.
또한, 경우에 따라, 상기 산화물은 상기 1차 입자 사이의 계면 및 상기 2차 입자의 표면 중 적어도 일부뿐만 아니라, 상기 2차 입자의 내부에 형성된 내부 공극에도 존재할 수 있다.
이와 같이 존재하는 코팅층은 양극 활물질의 물리적 및 전기 화학적 특성 향상에 기여할 수 있다.
이 때, 상기 코팅층은 상기 1차 입자 및/또는 상기 1차 입자가 응집되어 형성된 상기 2차 입자와 경계를 형성하지 않는 고용체 형태로서 존재할 수도 있으나, 반드시 그러한 것은 아니다.
상기 코팅층에는 보론(B) 함유 산화물이 존재할 수 있다. 즉, 상기 코팅층은 보론 함유 산화물이 존재하는 영역으로 정의될 수 있다.
또한, 다른 실시예에 있어서, 상기 코팅층에는 하기의 화학식 2로 표시되는 적어도 하나의 산화물이 더 존재할 수도 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≤6, 0≤b≤8, 2≤c≤13이다)
상기 코팅층에 화학식 2로 표시되는 적어도 하나의 산화물이 더 존재할 경우, 상기 산화물은 보론 함유 산화물과는 상이한 산화물일 수 있다.
상기 화학식 2로 표시되는 산화물은 리튬과 M3로 표시되는 원소가 복합화된 산화물이거나, M3의 산화물로서, 상기 산화물은 예를 들어, LiaWbOc, LiaZrbOc, LiaTibOc, LiaNibOc, LiaCobOc, LiaAlbOc, CobOc, AlbOc,WbOc, ZrbOc 또는 TibOc 등일 수 있으나, 상술한 예는 이해를 돕기 위해 편의상 기재한 것에 불과할 뿐 본원에서 정의된 상기 산화물은 상술한 예에 제한되지 않는다.
다른 실시예에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 산화물은 리튬과 M3로 표시되는 적어도 2종의 원소가 복합화된 산화물이거나, 리튬과 M3로 표시되는 적어도 2종의 원소가 복합화된 산화물을 더 포함할 수 있다. 리튬과 M3로 표시되는 적어도 2종의 원소가 복합화된 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.
이 때, 상기 보론 함유 산화물은 하기의 화학식 3으로 표시되는 borate계 화합물 또는 LBO (lithium borate)계 화합물이거나, 하기의 화학식 3으로 표시되는 화합물과 다른 화합물(예를 들어, 화학식 2로 표시되는 산화물)의 복합 산화물일 수 있다.
[화학식 3]
LiaBbM4b'Oc
(여기서, M4는 Ni, Mn, Co, Fe, Cu, Nb, Mo, Ti, Al, Cr, Zr, Zn, Na, K, Ca, Mg, Pt, Au, P, Eu, Sm, W, Ce, V, Ba, Ta, Sn, Hf, Ce, Gd 및 Nd로부터 선택되는 적어도 하나이며, 0≤a≤6, 0≤b≤8, 0≤b'≤8, 2≤c≤13이다)
상기 보론 함유 산화물의 비제한적인 예로는 B2O3, Li2O-B2O3, Li3BO3, Li2B4O7, Li2B2O7, Li2B8O13 등이 있다.
또한, 상기 코팅층은 하나의 층 내 보론을 포함하는 산화물과 화학식 2로 표시되는 산화물이 동시에 존재하거나, 보론을 포함하는 산화물과 화학식 2로 표시되는 산화물이 각각 별개의 층에 존재하는 형태일 수 있다.
예를 들어, 상기 코팅층은 상기 화학식 2로 표시되는 적어도 하나의 산화물을 포함하는 제1 산화물층과 보론 함유 산화물을 포함하는 제2 산화물층을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제1 산화물층은 상기 2차 입자의 최외곽에 존재하는 상기 1차 입자의 노출된 표면(즉, 상기 2차 입자의 표면) 중 적어도 일부를 커버하도록 존재할 수 있다. 또한, 상기 제2 산화물층은 상기 제1 산화물층에 의해 커버되지 않은 상기 1차 입자의 노출된 표면 및 상기 제1 산화물층의 표면 중 적어도 일부를 커버하도록 존재할 수 있다.
특히, 상기 제2 산화물층은 상기 제1 산화물층에 의해 커버되지 않은 상기 1차 입자의 노출된 표면 및 상기 제1 산화물층의 표면을 전체적으로 커버하지 않도록 존재함으로써 리튬 이온 전도의 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 리튬 복합 산화물은 상기 1차 입자(예를 들어, 상기 1차 입자 사이의 계면) 및/또는 상기 1차 입자가 응집되어 형성된 2차 입자의 표면 중 적어도 일부를 커버하는 코팅층을 포함함으로써 구조적인 안정성이 높아질 수 있다. 또한, 이러한 리튬 복합 산화물을 리튬 이차전지용 양극 활물질로서 사용함으로써 수명 및 용량 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 코팅층은 상기 리튬 복합 산화물 내 잔류 리튬을 저감시킴과 동시에 리튬 이온의 이동 경로(diffusion path)로서 작용함으로써 리튬 이차전지의 효율 특성을 향상시키는데 영향을 줄 수 있다.
추가적으로, 상기 산화물은 상기 2차 입자의 표면부로부터 상기 2차 입자의 중심부를 향해 감소하는 농도 구배를 나타낼 수 있다. 이에 따라, 상기 산화물의 농도는 상기 2차 입자의 최표면으로부터 상기 2차 입자의 중심부를 향해 감소할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 산화물이 상기 2차 입자의 표면부로부터 상기 2차 입자의 중심부를 향해 감소하는 농도 구배를 나타냄으로써 상기 양극 활물질의 표면에 존재하는 잔류 리튬을 효과적으로 감소시켜 미반응 잔류 리튬에 의한 부반응을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 상기 산화물에 의해 상기 양극 활물질의 표면 내측 영역에서의 결정성이 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전기 화학 반응 중 상기 산화물에 의해 양극 활물질의 전체적인 구조가 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.
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 양극 활물질로서 상술한 본 발명의 다양한 실시예에 따른 제조 방법에 따라 제조된 양극 활물질을 포함할 수 있다.
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 99 wt%, 보다 구체적으로는 85 내지 98.5 wt%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 15 wt%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 15wt%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/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), 액정피치계탄소섬유 (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 99 wt%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 도전재,　활물질　및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극　활물질층의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 10 wt%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 사용 가능하며, 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 5wt%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
공침법(co-precipitation method)에 의해 구형의 Ni0.80Co0.12Mn0.08(OH)2 수산화물 전구체를 합성하였다. 구체적으로, 90L 급의 반응기에서 황산 니켈, 황산 코발트 및 황산 망간을 80:12:8의 몰비로 혼합한 1.5 M의 복합 전이금속 황산 수용액에 25 wt%의 NaOH와 30 wt%의 NH4OH를 투입하였다. 반응기 내의 pH는 11.5를 유지시켰고 이때의 반응기 온도는 60℃로 유지하였으며, 불활성 가스인 N2를 반응기에 투입하여, 제조된 전구체가 산화되지 않도록 하였다. 합성 교반 완료 후, Filter press (F/P) 장비를 이용하여 세척 및 탈수를 진행하여, Ni0.80Co0.12Mn0.08(OH)2 수산화물 전구체(니켈 복합 전구체)를 수득하였다.
이어서, 상기 니켈 복합 전구체에 리튬 화합물로서 LiOH (Li/(Ni+Co+Mn) mol ratio = 1.01) 및 상기 니켈 복합 전구체 대비 0.5mol%의 제1 첨가제(H3BO3)를 혼합한 후 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 700℃까지 분당 2℃로 승온하여 12시간 동안 열처리하고, 해쇄하여 제1 리튬 복합 산화물을 수득하였다.
상기 제1 리튬 복합 산화물에 상기 제1 리튬 복합 산화물 대비 0.15mol%의 Al2O3 및 0.3mol%의 TiO2를 혼합한 후 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 680℃까지 분당 2℃로 승온하여 8시간 동안 추가 열처리하였다.
다음으로, 상기 제1 리튬 복합 산화물과 증류수를 혼합한 후 30분 동안 수세하였으며, 수세된 상기 제1 리튬 복합 산화물을 여과한 후 건조하였다.
건조된 상기 제1 리튬 복합 산화물에 상기 제1 리튬 복합 산화물 대비 0.15mol%의 제2 첨가제(H3BO3)를 혼합한 후 소성로에서 O2 분위기를 유지하며 300℃까지 분당 2℃로 승온하여 8시간 동안 열처리하여 제2 리튬 복합 산화물을 수득하였다.
(2) 실시예 2
상기 제1 첨가제(H3BO3)를 상기 니켈 복합 전구체 대비 1.0mol%가 되도록 혼합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
(3) 실시예 3
Al2O3를 상기 제1 리튬 복합 산화물 대비 0.5mol%가 되도록 혼합하고, 상기 제2 첨가제(H3BO3)를 제1 리튬 복합 산화물 대비 0.5 mol%가 되도록 혼합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
(4) 실시예 4
TiO2를 제1 리튬 복합 산화물 대비 0.5mol%가 되도록 혼합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
(5) 실시예 5
상기 제1 리튬 복합 산화물에 Al2O3 및 TiO2를 혼합한 후 추가 열처리하는 단계를 수행하지 않는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
(6) 비교예 1
건조된 상기 제1 리튬 복합 산화물에 상기 제2 첨가제(H3BO3)를 혼합하지 않고 열처리한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
(7) 비교예 2
상기 니켈 복합 전구체에 상기 제1 첨가제(H3BO3)를 혼합하지 않고 열처리한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
(8) 비교예 3
상기 제1 첨가제(H3BO3)를 상기 니켈 복합 전구체 대비 1.25 mol% 혼합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
(9) 비교예 4
상기 제1 첨가제(H3BO3)를 상기 니켈 복합 전구체 대비 0.25 mol% 혼합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
(10) 비교예 5
상기 제2 첨가제(H3BO3)를 제1 리튬 복합 산화물 대비 1.0 mol% 혼합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 양극 활물질을 제조하였다.
(11) 비교예 6
건조된 상기 제1 리튬 복합 산화물에 상기 제2 첨가제(H3BO3)를 혼합한 후 별도로 열처리하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 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. 니켈 복합 전구체 및 리튬 복합 산화물의 BET 측정
제조예 1에 따라 양극 활물질을 제조하는 공정 중 니켈 복합 전구체, 제1 리튬 복합 산화물 및 제2 리튬 복합 산화물을 취득하여 각각 BET 비표면적을 측정하였다. BET 비표면적은 가스 흡착법 비표면적 측정 장치(MicrotaracBEL社, BELSORP-mini Ⅱ)를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소가스 흡착량으로부터 산출하였다.
상기 BET 비표면적 측정 결과는 하기의 표 1에 나타내었다.
구분 비표면적 BET (m2/g)
니켈 복합 전구체
(s1)		 제1 리튬 복합 산화물
(s2)		 제2 리튬 복합 산화물
(s3)		 s2/s1 s3/s2
실시예 1 14.3 1.63 1.18 0.114 0.724
실시예 2 14.1 1.78 1.2 0.126 0.674
실시예 3 14.7 1.72 1.08 0.117 0.628
실시예 4 13.8 1.68 0.98 0.122 0.583
실시예 5 14.4 1.65 0.92 0.115 0.558
비교예 1 14.1 1.62 1.42 0.115 0.877
비교예 2 13.8 1.32 0.68 0.096 0.515
비교예 3 14.5 1.98 1.63 0.137 0.823
비교예 4 14.8 1.45 0.78 0.098 0.538
비교예 5 14.3 1.65 0.65 0.115 0.394
비교예 6 14.3 1.63 1.38 0.114 0.847
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 ~ 4.3V, 0.1C의 방전율을 적용하여 충방전 실험을 실시하여, 충전 및 방전 용량을 측정하였다.
또한, 동일한 리튬 이차전지에 대하여 25℃, 3.0V ~ 4.4V의 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 2에 나타내었다.
구분 충전용량(mAh/g) 방전용량(mAh/g) 충방전 효율(%) Retention@50cy (%)
실시예 1 228.5 217.3 95.1% 95.1%
실시예 2 227.8 219.5 96.4% 95.8%
실시예 3 227.8 214.1 94.0% 94.7%
실시예 4 229.1 218.4 95.3% 95.3%
실시예 5 229.3 218.2 95.2% 94.5%
비교예 1 227.0 207.7 91.5% 94.5%
비교예 2 224.6 205.8 91.6% 95.0%
비교예 3 224.8 208.2 92.6% 95.2%
비교예 4 235.4 219.0 93.0% 93.2%
비교예 5 224.9 204.9 91.1% 92.8%
비교예 6 238.7 216.1 90.5% 91.5%
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 (15)

  1. (a) 니켈 복합 전구체, 리튬 화합물 및 제1 첨가제를 혼합하여 제1 혼합물을 준비하는 단계;
    (b) 상기 제1 혼합물을 1차 열처리하여 제1 리튬 복합 산화물을 수득하는 단계;
    (c) 상기 제1 리튬 복합 산화물과 상기 제2 첨가제를 혼합하여 제2 혼합물을 준비하는 단계; 및
    (d) 상기 제2 혼합물을 2차 열처리하여 제2 리튬 복합 산화물을 수득하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제1 첨가제 및 상기 제2 첨가제는 각각 독립적으로 Al2O3, Al(OH)3, AlPO4, Al(PO3)3, WO3, Mg(OH)2, NH4F, TiO2, H3BO3, H2B4O7, B2O3, B2O5, C6H5B(OH)2, (C6H5O)3B, [(CH3(CH2)3O)3B, C3H9B3O6 및 (C3H7O3)B로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하며,
    상기 2차 열처리 온도는 상기 1차 열처리 온도보다 낮은,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 상기 제1 첨가제는 상기 니켈 복합 전구체에 대하여 0.5 내지 1.0mol%가 되도록 혼합되는,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 수득한 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적은 1.5 내지 1.8m2/g인,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 니켈 복합 전구체의 BET 비표면적(s1)에 대한 상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s2)의 비(s2/s1)는 0.098 초과 0.137 미만인,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)의 1차 열처리 온도는 600 내지 800℃인,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 상기 제2 첨가제는 상기 제1 리튬 복합 산화물에 대하여
    0.1 내지 0.5mol%가 되도록 혼합되는,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 상기 제2 첨가제는 Al2O3, Al(OH)3, H3BO3, B2O3 및 B2O5로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (d)에서 수득한 상기 제2 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적은 0.8 내지 1.2m2/g인,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s2)에 대한 상기 제2 리튬 복합 산화물의 BET 비표면적(s3)의 비(s3/s2)는 0.394 초과 0.823 미만인,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (d)의 2차 열처리 온도는 200 내지 500℃인,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 리튬 복합 산화물은 하기의 화학식 1로 표시되는,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
    [화학식 1]
    LiwNi1-(x+y+z)CoxM1yM2zO2
    (여기서,
    M1은 Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 하나이며,
    M2는 Mn, B, Ba, Ce, Hf, Ta, Cr, F, Mg, Al, Cr, V, Ti, Fe, Zr, Zn, Si, Y, Nb, Ga, Sn, Mo, W, P, Sr, Ge, Nd, Gd 및 Cu로부터 선택되는 적어도 하나이며,
    M1과 M2는 서로 상이한 원소이며,
    0.5≤w≤1.5, 0≤x≤0.50, 0<y≤0.20, 0≤z≤0.20, 0≤z'≤0.20이다)
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단계 (c) 전 M1 함유 원료 물질 및 M2 함유 원료 물질로부터 선택되는 적어도 하나를 상기 제1 리튬 복합 산화물과 혼합한 후 600 내지 800℃의 온도 범위에서 열처리하는 단계를 더 포함하는,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c) 전 상기 제1 리튬 복합 산화물과 수세 용액을 반응시키는 단계를 더 포함하는,
    리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따라 제조되는 양극 활물질을 포함하는 양극.
  15. 제14항에 따른 양극을 사용하는 리튬 이차전지.
KR1020200140546A 2020-10-27 2020-10-27 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법 KR102461125B1 (ko)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200140546A KR102461125B1 (ko) 2020-10-27 2020-10-27 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법
CN202180065299.7A CN116235314A (zh) 2020-10-27 2021-06-11 锂二次电池用正极活性物质的制备方法
PCT/KR2021/007315 WO2022092477A1 (ko) 2020-10-27 2021-06-11 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법
JP2023515721A JP2023542856A (ja) 2020-10-27 2021-06-11 リチウム二次電池用正極活物質の製造方法
EP21886476.7A EP4201889A1 (en) 2020-10-27 2021-06-11 Method for manufacturing positive electrode active material for lithium secondary battery
KR1020220139072A KR102575336B1 (ko) 2020-10-27 2022-10-26 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조 방법
US18/176,669 US20230202863A1 (en) 2020-10-27 2023-03-01 Method of preparing positive electrode active material for lithium secondary battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200140546A KR102461125B1 (ko) 2020-10-27 2020-10-27 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220139072A Division KR102575336B1 (ko) 2020-10-27 2022-10-26 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220055942A true KR20220055942A (ko) 2022-05-04
KR102461125B1 KR102461125B1 (ko) 2022-11-01

Family

ID=81384102

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200140546A KR102461125B1 (ko) 2020-10-27 2020-10-27 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법
KR1020220139072A KR102575336B1 (ko) 2020-10-27 2022-10-26 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조 방법

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220139072A KR102575336B1 (ko) 2020-10-27 2022-10-26 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230202863A1 (ko)
EP (1) EP4201889A1 (ko)
JP (1) JP2023542856A (ko)
KR (2) KR102461125B1 (ko)
CN (1) CN116235314A (ko)
WO (1) WO2022092477A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220271285A1 (en) * 2021-02-17 2022-08-25 Sk On Co., Ltd. Cathode Active Material for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Including the Same
KR102724568B1 (ko) * 2023-04-28 2024-10-31 한국세라믹기술원 음극 프리도핑을 위한 양극 첨가제용 금속-리튬 불화물 복합체 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬이온 커패시터

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116332146A (zh) * 2023-03-10 2023-06-27 无锡晶石新型能源股份有限公司 一种熔融包覆法提升磷酸锰铁锂比表面的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010170993A (ja) * 2008-12-22 2010-08-05 Sumitomo Chemical Co Ltd 電極合剤、電極および非水電解質二次電池
KR20150069334A (ko) 2013-12-13 2015-06-23 삼성정밀화학 주식회사 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지
KR20170103699A (ko) * 2016-03-04 2017-09-13 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차전지
JP2018172257A (ja) * 2017-03-31 2018-11-08 住友化学株式会社 リチウム金属複合酸化物の製造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5040073B2 (ja) * 2005-07-05 2012-10-03 ソニー株式会社 リチウムイオン二次電池用正極活物質およびその製造方法、並びにリチウムイオン二次電池
JP4586991B2 (ja) * 2006-03-24 2010-11-24 ソニー株式会社 正極活物質およびその製造方法、並びに二次電池
JP6485232B2 (ja) * 2014-11-27 2019-03-20 日立金属株式会社 正極活物質の製造方法
JP6848333B2 (ja) * 2016-10-24 2021-03-24 株式会社Ｇｓユアサ 非水電解質二次電池用正極活物質、その製造方法、非水電解質二次電池用正極、及び非水電解質二次電池
KR102213174B1 (ko) * 2017-10-12 2021-02-05 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 양극 활물질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 및 리튬 이차전지
KR102315787B1 (ko) * 2017-11-30 2021-10-21 주식회사 엘지에너지솔루션 양극 첨가제, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차 전지
EP3723176A4 (en) * 2018-01-12 2022-01-26 Battery Solution POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, METHOD OF MANUFACTURE THEREOF AND LITHIUM SECONDARY BATTERY THEREOF
JP6630864B1 (ja) * 2019-04-12 2020-01-15 住友化学株式会社 リチウム金属複合酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、及びリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法
CN110137488B (zh) * 2019-05-28 2021-07-02 郑州中科新兴产业技术研究院 一种锂二次电池用高镍正极材料及其制备方法
CN110589901A (zh) * 2019-06-26 2019-12-20 浙江美都海创锂电科技有限公司 镍钴锰酸锂正极材料(Ni≥0.8)的制备方法
CN111435735B (zh) * 2019-12-27 2022-10-25 蜂巢能源科技有限公司 富锂锰基正极材料及其制备方法和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010170993A (ja) * 2008-12-22 2010-08-05 Sumitomo Chemical Co Ltd 電極合剤、電極および非水電解質二次電池
KR20150069334A (ko) 2013-12-13 2015-06-23 삼성정밀화학 주식회사 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지
KR20170103699A (ko) * 2016-03-04 2017-09-13 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이차전지
JP2018172257A (ja) * 2017-03-31 2018-11-08 住友化学株式会社 リチウム金属複合酸化物の製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220271285A1 (en) * 2021-02-17 2022-08-25 Sk On Co., Ltd. Cathode Active Material for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Including the Same
KR102724568B1 (ko) * 2023-04-28 2024-10-31 한국세라믹기술원 음극 프리도핑을 위한 양극 첨가제용 금속-리튬 불화물 복합체 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬이온 커패시터

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023542856A (ja) 2023-10-12
KR20220151577A (ko) 2022-11-15
US20230202863A1 (en) 2023-06-29
KR102461125B1 (ko) 2022-11-01
CN116235314A (zh) 2023-06-06
WO2022092477A1 (ko) 2022-05-05
KR102575336B1 (ko) 2023-09-06
EP4201889A1 (en) 2023-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102397756B1 (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102575336B1 (ko) 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조 방법
KR102506478B1 (ko) 리튬 복합 산화물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102292889B1 (ko) 리튬 복합 산화물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
US20240030435A1 (en) Positive electrode active material and lithium secondary battery comprising the same
KR20220116105A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20210097646A (ko) 리튬 이차전지용 양극 활물질 및 이의 제조 방법
KR20220079429A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102559194B1 (ko) 리튬 복합 산화물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20220048228A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20220057843A (ko) 양극 활물질 및 이의 제조방법
KR20220135707A (ko) 양극 활물질 및 이를 사용하는 리튬 이차전지
KR20190044444A (ko) 리튬 이차전지용 양극 활물질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 및 리튬 이차전지
KR20230142678A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102513972B1 (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102264804B1 (ko) 리튬 복합 산화물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20230060046A (ko) 양극 활물질 및 이의 제조 방법
KR20210154748A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20220113195A (ko) 양극 활물질 및 이의 제조방법
EP4418361A1 (en) Method for producing positive electrode active material
KR20240032661A (ko) 양극 활물질 전구체, 이의 제조 방법, 이를 이용한 양극 활물질의 제조 방법 및 양극 활물질
KR20220109629A (ko) 양극 활물질의 제조방법
KR20220055045A (ko) 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20220040755A (ko) 양극 활물질 및 이의 제조방법
KR20210128820A (ko) 양극 활물질의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant