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KR20240154468A - Positive electrode active material, positive electrode and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents

Positive electrode active material, positive electrode and lithium secondary battery comprising the same Download PDF

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Publication number
KR20240154468A
KR20240154468A KR1020240051382A KR20240051382A KR20240154468A KR 20240154468 A KR20240154468 A KR 20240154468A KR 1020240051382 A KR1020240051382 A KR 1020240051382A KR 20240051382 A KR20240051382 A KR 20240051382A KR 20240154468 A KR20240154468 A KR 20240154468A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
cathode active
positive electrode
lithium
electrode active
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020240051382A
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Korean (ko)
Inventor
한기범
박강준
이유신
이재영
박병천
박신영
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 화학식 1로 표시되는 과리튬 망간계 산화물을 포함하며, 표면에서 측정된 황의 함량이 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 4,000ppm 이상인 양극 활물질, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material comprising a lithium manganese oxide represented by the chemical formula 1 and having a sulfur content measured on the surface of 4,000 ppm or more based on the total weight of the cathode active material, a method for producing the same, a cathode comprising the same, and a lithium secondary battery.

Description

양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차 전지 {POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, POSITIVE ELECTRODE AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, POSITIVE ELECTRODE AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME

본 발명은 표면에 존재하는 S계 불순물의 함량을 조절함으로써 수명 개선 효과를 도모한 망간 리치 양극 활물질 및 이의 제조 방법, 상기 양극 활물질을 포함하는 양극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a manganese-rich cathode active material and a method for producing the same, which improve the lifespan by controlling the content of S-based impurities present on the surface, and to a cathode and lithium secondary battery including the cathode active material.

리튬 이차 전지는 1991년에 상용화된 이래로 다양한 분야에서 적용되는 에너지 저장 매체이다. 리튬 이차 전지를 탑재한 제품의 시장이 확대됨에 따라, 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 그 중 가장 주목받고 있는 방법 중 하나가 기존보다 더 많은 양의 리튬을 가용할 수 있는 조성의 양극 활물질을 개발하는 것이다.Lithium secondary batteries have been used as energy storage media in various fields since their commercialization in 1991. As the market for products equipped with lithium secondary batteries expands, research is being actively conducted to increase the energy density of lithium secondary batteries, and one of the most notable methods is the development of a cathode active material with a composition that can utilize a larger amount of lithium than before.

보다 많은 리튬을 가용할 수 있는 양극 활물질로, 층상 구조를 가지며, 전이금속에 대한 리튬의 몰비가 1을 초과하는 과리튬계 전이금속 산화물들이 개발되고 있다. 이러한 과리튬계 전이금속 산화물들은 전이금속의 양이온 산화환원 반응(cation redox) 뿐만 아니라, 양극 구조 내 산소를 이용한 음이온 산화환원 반응(anion redox)을 동시에 활용하여 용량을 구현하기 때문에 높은 용량을 구현할 수 있다. 현재 활발하게 연구되고 있는 대표적인 과리튬계 전이금속 산화물로는 전이금속에 대한 리튬의 몰비가 1을 초과하고, 전체 전이금속 중 망간의 함량이 50몰% 초과인 과리튬 망간계 산화물(이하, Mn-rich 과리튬 망간계 산화물이라 함)이 있다. As positive electrode active materials that can utilize more lithium, perlithium-based transition metal oxides having a layered structure and a molar ratio of lithium to transition metal exceeding 1 are being developed. These perlithium-based transition metal oxides can implement high capacities because they implement capacity by utilizing not only the cation redox reaction of the transition metal but also the anion redox reaction using oxygen in the positive electrode structure. A representative perlithium-based transition metal oxide that is currently being actively studied is a perlithium manganese-based oxide (hereinafter referred to as Mn-rich perlithium manganese-based oxide) in which the molar ratio of lithium to transition metal exceeds 1 and the manganese content among the total transition metal exceeds 50 mol%.

그러나, Mn-rich 과리튬 망간계 산화물의 경우 율 특성이 낮은, 즉 저항이 높은 특성이 있기 때문에, 리튬 이동거리를 줄여 확산 저항을 낮추기 위해 주로 1차 입자가 응집한 2차 입자의 형태로 제조된다. 그러나 구조적 안정성을 개선하기 위해 소성 온도를 높일 경우 1차 입자의 크기가 증가하면서 저항을 개선할 수 없으므로, 소성 온도를 높여 구조적 완성도는 높이면서도 1차 입자의 크기는 일정 이상 키우지 않을 수 있는 기술이 필요한 실정이다. However, since Mn-rich lithium manganese oxides have low rate characteristics, that is, high resistance, they are mainly manufactured in the form of secondary particles in which primary particles are aggregated to reduce the lithium movement distance and lower the diffusion resistance. However, if the sintering temperature is raised to improve the structural stability, the resistance cannot be improved as the size of the primary particles increases. Therefore, a technology is needed that can increase the structural completeness by raising the sintering temperature without increasing the size of the primary particles beyond a certain level.

KRKR 2019-00521032019-0052103 AA

본 발명은 양극 활물질 합성 시 표면에 S계 불순물이 일정 이상 잔류하도록 조절함으로써, 구조적 완성도는 높이면서도 1차 입자의 크기는 과도하게 키우지 않은 양극 활물질 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다. The present invention aims to provide a cathode active material and a method for manufacturing the same, which increases structural completeness while not excessively increasing the size of primary particles by controlling S-based impurities to remain on the surface at a certain level during the synthesis of the cathode active material.

일 구현예에 따르면, 본 발명은, According to one embodiment, the present invention,

하기 화학식 1로 표시되는 과리튬 망간계 산화물을 포함하며,Contains a lithium manganese oxide represented by the following chemical formula 1,

황의 함량이 양극 활물질 전체 중량을 기준으로, 4,000ppm 이상인, 양극 활물질을 제공한다. A cathode active material is provided, wherein the sulfur content is 4,000 ppm or more based on the total weight of the cathode active material.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Li1+a[Mn1-(b+c)NibMc]O2 Li 1+a [Mn 1-(b+c) Ni b M c ]O 2

상기 화학식 1에서, In the above chemical formula 1,

M은 Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, B, W, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이고,M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, B, W, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr, and Zr,

0.1≤a≤0.5, 0≤b<0.5, 0≤c≤0.1, 0≤a+b+c≤0.5이다.0.1≤a≤0.5, 0≤b<0.5, 0≤c≤0.1, 0≤a+b+c≤0.5.

또 다른 일 구현예에 따르면, 본 발명은, According to another embodiment of the present invention,

반응기에 니켈 및 망간의 황산염 또는 황화물을 포함하는 전이금속 함유 용액, 암모늄 양이온 착물 형성제 및 염기성 화합물을 공급하면서 공침 반응시켜 양극 활물질용 전구체 입자를 형성하는 단계;A step of forming precursor particles for a cathode active material by supplying a transition metal-containing solution containing nickel and manganese sulfate or sulfide, an ammonium cation complex forming agent, and a basic compound to a reactor and performing a co-precipitation reaction;

상기 양극 활물질용 전구체 입자를 물로 수세하여 양극 활물질용 전구체를 제조하는 단계; 및A step of manufacturing a precursor for a cathode active material by washing the precursor particles for the cathode active material with water; and

상기 양극 활물질용 전구체와 리튬 원료물질을 혼합하고 800℃ 내지 950℃에서 소성하는 단계를 포함하는 전술한 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다.A method for producing the above-described positive electrode active material is provided, comprising the step of mixing a precursor for the positive electrode active material and a lithium raw material and calcining at 800°C to 950°C.

또 다른 일 구현예에 따르면, 본 발명은, 전술한 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 양극을 제공한다.According to another embodiment, the present invention provides a positive electrode for a lithium secondary battery comprising the positive electrode active material described above.

또 다른 일 구현예에 따르면, 본 발명은, 전술한 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.According to another embodiment, the present invention provides a lithium secondary battery including the above-mentioned positive electrode; a negative electrode including a negative electrode active material; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte.

본 발명은 율 특성이 낮은 Mn-rich 과리튬 망간계 산화물을 포함하는 양극 활물질의 제조 방법에 있어서, 별도의 추가 공정 없이 황계 불순물의 함량을 조절하는 방식으로 구조적 안정성은 높이되 1차 입자의 과도한 성장은 억제할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for manufacturing a cathode active material including a Mn-rich lithium manganese oxide having low rate characteristics, wherein the structural stability can be increased while suppressing excessive growth of primary particles by controlling the content of sulfur-based impurities without a separate additional process.

이와 같이 제조된 양극 활물질은 리튬 이동거리가 짧아 확산 저항이 낮기 때문에 저항 및 용량 특성이 우수한 이점이 있다. The cathode active material manufactured in this way has the advantage of excellent resistance and capacity characteristics because the lithium movement distance is short and the diffusion resistance is low.

도 1은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 양극 활물질 입자를 주사전자현미경(SEM)을 통해 50k의 배율로 관찰한 사진이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 양극 활물질 입자를 주사전자현미경(SEM)을 통해 20k의 배율로 관찰한 사진이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 양극 활물질 입자를 주사전자현미경(SEM)을 통해 5k의 배율로 관찰한 사진이다.
도 4는 비교예 2에서 제조된 양극 활물질 입자를 주사전자현미경(SEM)을 통해 5k의 배율, 20k의 배율, 및 50k의 배율로 각각 관찰한 사진이다.
Figure 1 is a photograph of the positive electrode active material particles manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 observed at a magnification of 50k using a scanning electron microscope (SEM).
Figure 2 is a photograph of the positive electrode active material particles manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 observed at a magnification of 20k using a scanning electron microscope (SEM).
Figure 3 is a photograph of the positive electrode active material particles manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 observed at a magnification of 5k using a scanning electron microscope (SEM).
Figure 4 is a photograph of the positive electrode active material particles manufactured in Comparative Example 2 observed at magnifications of 5k, 20k, and 50k using a scanning electron microscope (SEM).

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

리튬을 제외한 전체 금속 중 망간의 함량이 50몰% 초과인 Mn-rich 과리튬 망간계 산화물을 포함하는 양극 활물질은, 현재 상용화된 리튬 니켈코발트망간(NCM)계 활물질에 비해 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라 가격이 비싼 코발트 사용량을 줄일 수 있으므로 제조 단가를 절감할 수 있는 장점이 있다. A cathode active material including a Mn-rich lithium manganese oxide having a manganese content exceeding 50 mol% of all metals excluding lithium not only has a higher energy density than the currently commercialized lithium nickel cobalt manganese (NCM) active material, but also has the advantage of reducing the manufacturing cost because it can reduce the amount of expensive cobalt used.

다만, Mn-rich 양극재는 산소 이온 및 Mn 이온의 산화/환원 반응이 상대적으로 느리게 진행되기 때문에 저항이 높고 율 특성이 낮은 단점이 있으므로 Mn-rich 양극재를 적용한 리튬 이차전지의 상용화를 위해서는 이에 대한 개선이 반드시 필요하다. However, Mn-rich cathode materials have the disadvantages of high resistance and low rate characteristics because the oxidation/reduction reactions of oxygen ions and Mn ions proceed relatively slowly. Therefore, improvements in these are essential for commercialization of lithium secondary batteries using Mn-rich cathode materials.

이에, 본 발명자들은 Mn-rich 과리튬 망간계 산화물을 포함하는 양극 활물질 제조 시, 전구체 세정 과정에서 별도의 플럭스(flux) 물질이 포함되지 않은 물로만 수세를 진행함으로써, 잔존하는 황의 함량을 양극 활물질 전체 중량에 대하여 4,000ppm 이상으로 조절하였고, 이를 통해 양극 활물질의 구조적 완성도는 높이면서도 저항 특성은 낮출 수 있음을 확인하였다. Accordingly, the inventors of the present invention controlled the content of residual sulfur to 4,000 ppm or more with respect to the total weight of the cathode active material by washing only with water that did not contain a separate flux material during the precursor cleaning process when manufacturing a cathode active material including Mn-rich lithium manganese oxide, thereby increasing the structural completeness of the cathode active material while lowering the resistance characteristics.

구체적으로, 양극 활물질 제조 시 양극 활물질용 전구체와 리튬 원료 물질을 혼합 및 열처리하는 단계에서 열처리 온도를 높이면 입자의 결정성이 우수해지며 소성 완성도가 높아질 수 있다. 그러나, 과리튬 망간계 산화물의 경우 높은 열처리 온도로 인해 1차 입자의 크기가 커지면서 저항이 증가하는 문제가 발생하게 되는데, 이 때 양극 활물질 내 황의 함량이 4,000ppm 이상인 경우 1차 입자가 성장하는 과정을 방해하게 되므로, 높은 온도에서의 열처리에 의해 1차 입자가 과도하게 성장하는 것을 방지할 수 있다. Specifically, when the heat treatment temperature is increased in the step of mixing and heat-treating the precursor for the positive electrode active material and the lithium raw material during the manufacture of the positive electrode active material, the crystallinity of the particles can be improved and the degree of sintering completion can be improved. However, in the case of lithium manganese oxide, the problem occurs that the resistance increases as the size of the primary particles increases due to the high heat treatment temperature. In this case, when the sulfur content in the positive electrode active material is 4,000 ppm or more, the process of growing the primary particles is hindered, so that excessive growth of the primary particles can be prevented by heat treatment at a high temperature.

즉, 소성 온도를 높여 결정 사이즈는 일정 이상 확보하면서도 1차 입자의 성장은 방지할 수 있으므로, 1차 입자가 응집된 2차 입자의 형태가 유지되면서 리튬 이온의 이동 거리는 짧아져 확산 저항을 낮출 수 있는 것이다. That is, by increasing the sintering temperature, the crystal size can be secured to a certain level while preventing the growth of primary particles, so that the shape of secondary particles in which primary particles are aggregated is maintained while the movement distance of lithium ions is shortened, thereby reducing the diffusion resistance.

본 발명에서 상기 황은 예컨대 금속 설페이트(MeSO4) 등의 형태로 존재할 수 있으며, 황의 함량은 이 중 S 원소의 함량 만을 의미한다. In the present invention, the sulfur may exist in the form of, for example, metal sulfate (MeSO 4 ), and the content of sulfur refers only to the content of the S element among these.

본 발명에서 "황의 함량"은, ICP 분석을 통해 얻어진 양극 활물질 내 황 원소의 함량을 의미하며, 구체적으로 분석 대상인 양극 활물질 0.1g을 증류수 2mL 및 진한 질산 1mL와 혼합한 후 초순수 50mL로 희석한 다음 ICP-OES(PERKIN-ELMER, Optima 7300DV) 기기를 이용하여 분석한 것을 의미한다.In the present invention, the “sulfur content” means the content of elemental sulfur in a cathode active material obtained through ICP analysis, and specifically means the result of mixing 0.1 g of the cathode active material to be analyzed with 2 mL of distilled water and 1 mL of concentrated nitric acid, then diluting it with 50 mL of ultrapure water, and then analyzing it using an ICP-OES (PERKIN-ELMER, Optima 7300DV) device.

본 발명에서 "1차 입자"는 주사전자현미경을 이용하여 5,000배 내지 20,000배의 시야에서 관찰했을 때 외관상 입계가 존재하지 않는 입자 단위를 의미하며, "2차 입자"는 복수개의 1차 입자들이 응집되어 형성된 입자를 의미한다.In the present invention, “primary particle” means a particle unit that has no apparent grain boundary when observed at a magnification of 5,000 to 20,000 times using a scanning electron microscope, and “secondary particle” means a particle formed by the agglomeration of multiple primary particles.

본 발명에서 "1차 입자의 평균 입경"은 주사전자현미경 이미지에서 관찰되는 1차 입자들의 입경을 최소 20개 이상 측정한 후 계산된 이들의 산술평균 값을 의미한다. 이 때 입경은 1차 입자의 최장축 직경을 의미한다.In the present invention, the "average particle diameter of primary particles" means an arithmetic mean value calculated by measuring the particle diameters of at least 20 primary particles observed in a scanning electron microscope image. In this case, the particle diameter means the longest axis diameter of the primary particles.

본 발명에서 "D50"은 해당 입자 분말의 체적 누적 입도 분포에서 체적 누적 50%에 해당하는 입경을 의미하는 것으로, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정될 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질 분말을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들면, Microtrac 社의 S-3500)에 도입하여 약 28kHz의 초음파를 출력 60W로 조사한 후 체적 누적 입도 분포 그래프를 얻고, 얻어진 체적 누적 입도 분포 그래프에서 체적 누적량이 50%인 지점에서의 입경을 구하는 방법으로 측정될 수 있다.In the present invention, "D 50 " means a particle size corresponding to 50% of the volume accumulation in the volume accumulation particle size distribution of the corresponding particle powder, and can be measured using a laser diffraction method. For example, after dispersing the positive active material powder in a dispersion medium, it can be measured by introducing it into a commercially available laser diffraction particle size measuring device (e.g., S-3500 of Microtrac Corporation) and irradiating it with ultrasonic waves of about 28 kHz with an output of 60 W to obtain a volume accumulation particle size distribution graph, and then finding the particle size at a point where the volume accumulation amount is 50% in the obtained volume accumulation particle size distribution graph.

본 발명에서 "결정자(crystallite)"는 실질적으로 동일한 결정 방위를 갖는 입자 단위를 의미하는 것으로, EBSD(Electron Backscatter Diffraction) 분석을 통해 확인될 수 있다. 구체적으로는 이온 밀링을 통해 절단된 양극 활물질 단면을 EBSD 분석하여 얻어진 IPF 맵에서 동일한 색상으로 표시되는 최소 입자 단위이다.In the present invention, "crystallite" means a particle unit having substantially the same crystal orientation, which can be confirmed through EBSD (Electron Backscatter Diffraction) analysis. Specifically, it is the minimum particle unit displayed in the same color in an IPF map obtained by EBSD analysis of a cross-section of a cathode active material cut through ion milling.

한편, 본 발명에서, "평균 결정자 크기"는 Cu Kα X선에 의한 X선 회절 분석(XRD)을 이용하여 정량적으로 분석될 수 있다. 구체적으로는, 측정하고자 하는 입자를 홀더에 넣어 X선을 상기 입자에 조사하여 나오는 회절 격자를 분석함으로써 결정립의 평균 결정 크기를 정량적으로 분석할 수 있다. 샘플링은 일반 분말용 홀더 가운데 패인 홈에 측정 대상 입자의 분말 시료를 넣고 슬라이드 글라스를 이용하여 표면을 고르게 하고, 시료 높이를 홀더 가장자리와 같도록 하여 준비하였다. 그런 다음, LynxEye XE-T 위치 감지기(position sensitive detector)가 장착된 Bruker D8 Endeavor(광원: Cu Kα, λ=1.54Å)를 이용하여, FDS 0.5°, 2θ=15°~90° 영역에 대하여 step size 0.02도, total scan time이 약 20분인 조건으로 X선 회절 분석을 실시하였다. 측정된 데이터에 대하여, 각 사이트(site)에서의 charge(전이금속 사이트의 금속이온들은 +3, Li 사이트의 Ni 이온은 +2) 및 양이온 혼합(cation mixing)을 고려하여 Rietveld refinement를 수행하였다. 결정립 크기 분석 시에 instrumental brodadening은 Bruker TOPAS 프로그램에서 구현(implement)되는 Fundamental Parameter Approach(FPA)를 이용하여 고려되었고, fitting 시 측정 범위의 전체 피크(peak)들이 사용되었다. Peak shape은 TOPAS에서 사용가능한 peak type 중 FP(First Principle)로 Lorenzian contribution 만 사용되어 fitting 되었고, 이때, strain은 고려하지 않았다.Meanwhile, in the present invention, the "average crystallite size" can be quantitatively analyzed using X-ray diffraction analysis (XRD) by Cu Kα X-rays. Specifically, the average crystallite size of the crystal grains can be quantitatively analyzed by putting the particles to be measured in a holder, irradiating the particles with X-rays, and analyzing the diffraction grating that appears. Sampling was prepared by putting a powder sample of the target particle into the groove in the middle of a general powder holder, smoothing the surface using a slide glass, and making the sample height the same as the edge of the holder. Then, X-ray diffraction analysis was performed using a Bruker D8 Endeavor (light source: Cu Kα, λ=1.54Å) equipped with a LynxEye XE-T position sensitive detector under the conditions of a step size of 0.02 degrees, a total scan time of about 20 minutes, and an FDS of 0.5°, 2θ=15° to 90°. For the measured data, Rietveld refinement was performed considering the charge (+3 for metal ions at the transition metal site and +2 for Ni ions at the Li site) and cation mixing at each site. When analyzing the grain size, instrumental brodadening was considered using the Fundamental Parameter Approach (FPA) implemented in the Bruker TOPAS program, and the entire peaks of the measurement range were used for fitting. Among the peak types available in TOPAS, only the Lorenzian contribution was used for the peak shape fitting with the First Principle (FP), and strain was not considered.

본 발명에서 "BET 비표면적"은 BELSORP-MAX(MicrotracBEL corp.)를 이용하여 얻은 77K 액체 질소 분위기 하에서의 질소 흡착 등온선으로부터 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 다점법을 통해 산출한 것이다.In the present invention, the “BET specific surface area” is calculated using the BET (Brunauer-Emmett-Teller) multi-point method from a nitrogen adsorption isotherm under a 77K liquid nitrogen atmosphere obtained using BELSORP-MAX (MicrotracBEL corp.).

양극 활물질Bipolar active material

본 발명에 따른 양극 활물질은, 하기 화학식 1로 표시되는 과리튬 망간계 산화물을 포함하며, 황의 함량이 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 4,000ppm 이상, 바람직하게는 4,000ppm 내지 8,000ppm, 더욱 바람직하게는 5,000ppm 내지 7,000ppm일 수 있다.The cathode active material according to the present invention comprises a lithium manganese oxide represented by the following chemical formula 1, and the sulfur content may be 4,000 ppm or more, preferably 4,000 to 8,000 ppm, and more preferably 5,000 to 7,000 ppm based on the total weight of the cathode active material.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Li1+a[Mn1-(a+b+c)NibMc]O2 Li 1+a [Mn 1-(a+b+c) Ni b M c ]O 2

상기 화학식 1에서, In the above chemical formula 1,

M은 Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, B, W, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이고,M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, B, W, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr, and Zr,

0.1≤a≤0.5, 0≤b<0.5, 0≤c≤0.1, 0≤a+b+c≤0.5이다.0.1≤a≤0.5, 0≤b<0.5, 0≤c≤0.1, 0≤a+b+c≤0.5.

상술한 바와 같이 다만, 양극 활물질 내 황의 함량이 4,000ppm 이상인 경우 높은 온도의 열처리에서도 1차 입자의 과도한 성장을 방지할 수 있으나, 황의 함량이 지나치게 높아질 경우, 불순물 비율 증가로 인한 용량 감소의 문제가 심화될 수 있으므로 이 점을 고려하여 황의 함량을 조절할 필요성이 있다.As described above, however, when the sulfur content in the positive electrode active material is 4,000 ppm or more, excessive growth of primary particles can be prevented even during high-temperature heat treatment. However, when the sulfur content becomes excessively high, the problem of capacity reduction due to an increase in the impurity ratio can be aggravated. Therefore, it is necessary to control the sulfur content by taking this into consideration.

한편, 상기 화학식 1에서, 상기 a는 과리튬 망간계 산화물 내 Li의 몰비로 0.1≤a≤0.5, 0.1≤a≤0.4, 또는 0.12≤a≤1.17일 수 있다. a가 상기 범위를 만족할 때, 고용량을 구현할 수 있다.Meanwhile, in the chemical formula 1, a is the molar ratio of Li in the lithium manganese oxide, and may be 0.1≤a≤0.5, 0.1≤a≤0.4, or 0.12≤a≤1.17. When a satisfies the above range, high capacity can be achieved.

상기 b는 과리튬 망간계 산화물 내 Ni의 몰비로, 0≤b<0.5, 0.1≤b≤0.4 또는 0.25≤b≤0.35일 수 있다.The above b is the molar ratio of Ni in the lithium manganese oxide, and may be 0≤b<0.5, 0.1≤b≤0.4, or 0.25≤b≤0.35.

상기 c는 과리튬 망간계 산화물 내 도핑 원소 M의 몰비로, 0≤c≤0.1, 0≤c≤0.05 또는 0≤c≤0.01일 수 있다. 상기 도핑 원소 M은 바람직하게는 Co일 수 있으며, 도핑 원소의 함량이 너무 많으면 활물질 용량에 악영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라 산소-산화 환원 반응의 증가로 인해 가스 발생 및 양극 활물질의 퇴화가 심화되어 수명 특성이 저하될 우려가 있다. The above c is a molar ratio of the doping element M in the lithium manganese oxide, and may be 0≤c≤0.1, 0≤c≤0.05, or 0≤c≤0.01. The above doping element M may preferably be Co, and if the content of the doping element is too high, not only may it have a negative effect on the capacity of the active material, but also there is a concern that the life characteristics may be deteriorated due to the increased oxygen-redox reaction, which may aggravate gas generation and deterioration of the positive electrode active material.

상기 1-(a+b+c)는 과리튬 망간계 산화물 내 Mn의 몰비로, 0≤a+b+c≤0.5, 0≤a+b+c<0.5, 또는 0.35≤a+b+c≤0.45일 수 있다. a+b+c가 0.5 초과인 경우, 즉 1-(a+b+c)가 0.5 미만인 경우, 암염상의 비율이 너무 적어져 구조적 안정성 개선 효과가 미미하다. The above 1-(a+b+c) is a molar ratio of Mn in the lithium manganese oxide, and may be 0≤a+b+c≤0.5, 0≤a+b+c<0.5, or 0.35≤a+b+c≤0.45. When a+b+c exceeds 0.5, that is, when 1-(a+b+c) is less than 0.5, the ratio of the rock salt phase becomes too small, so the effect of improving the structural stability is minimal.

바람직하게는, 상기 화학식 1에서 0.1≤a≤0.4, 0.1≤b≤0.4, 0≤c≤0.05, 0≤a+b+c<0.5일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.12≤a≤0.17, 0.25≤b≤0.35, 0≤c≤0.01, 0.35≤a+b+c≤0.45일 수 있다.Preferably, in the chemical formula 1, 0.1≤a≤0.4, 0.1≤b≤0.4, 0≤c≤0.05, 0≤a+b+c<0.5, and more preferably, 0.12≤a≤0.17, 0.25≤b≤0.35, 0≤c≤0.01, 0.35≤a+b+c≤0.45.

한편, 상기 화학식 1로 표시되는 과리튬 망간계 산화물에서, Li을 제외한 전체 금속원소의 몰수에 대한 Li의 몰수 비(Li/Me)는 1.1 내지 1.5, 바람직하게는 1.1 내지 1.4, 더욱 바람직하게는 1.12 내지 1.17일 수 있다. Li/Me 비가 상기 범위를 만족할 때, 율 특성 및 용량 특성이 우수하게 나타난다. Li/Me 비가 너무 높으면 전기 전도도가 떨어지고 암염상(Li2MnO3)이 증가하여 퇴화 속도가 빨라질 수 있으며, 너무 낮으면 에너지 밀도 향상 효과가 미미하다. Meanwhile, in the lithium manganese oxide represented by the above chemical formula 1, the molar ratio of Li to the molar number of total metal elements excluding Li (Li/Me) may be 1.1 to 1.5, preferably 1.1 to 1.4, and more preferably 1.12 to 1.17. When the Li/Me ratio satisfies the above range, the rate characteristics and capacity characteristics are excellent. If the Li/Me ratio is too high, the electrical conductivity may decrease and the rock salt phase (Li 2 MnO 3 ) may increase, which may accelerate the degradation rate, and if it is too low, the effect of improving the energy density is minimal.

한편, 리튬을 과잉으로 포함하는 과리튬 망간계 산화물의 경우, 층상(LiM’O2)과 암염상(Li2MnO3)이 혼재된 구조를 가지며, 상기 과리튬 망간계 산화물의 조성은 하기 화학식 2로 표시될 수도 있다. Meanwhile, in the case of lithium manganese oxide containing an excess of lithium, it has a structure in which a layered phase (LiM'O 2 ) and a rock salt phase (Li 2 MnO 3 ) are mixed, and the composition of the lithium manganese oxide can be represented by the following chemical formula 2.

[화학식 2][Chemical formula 2]

X Li2MnO3·(1-X)Li[Ni1-y-zMnyMz]O2 X Li 2 MnO 3 ·(1-X)Li[Ni 1-yz Mn y M z ]O 2

상기 화학식 2에서, In the above chemical formula 2,

M은 Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, B, W, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이고,M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, B, W, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr, and Zr,

0.1≤X≤0.5, 0.4≤y<1, 0≤z≤0.2이다.0.1≤X≤0.5, 0.4≤y<1, 0≤z≤0.2.

상기 X는 과리튬 망간계 산화물 내 Li2MnO3상의 비율을 의미하는 것이며, 상기 y 및 z는 각각 LiM’O2 층상에서 Mn 및 도핑원소 M의 몰비를 의미하는 것이다.The above X represents the ratio of the Li 2 MnO 3 phase in the lithium manganese oxide, and the above y and z represent the molar ratios of Mn and the doping element M in the LiM'O 2 layer, respectively.

한편, 본 발명에 따른 양극 활물질은, 필요에 따라, 상기 과리튬 망간계 산화물의 표면에 코팅층을 더 포함할 수 있다. 양극 활물질이 코팅층을 포함할 경우, 코팅층에 의해 과리튬 망간계 산화물과 전해질과의 접촉이 억제되어 전해액 부반응이 감소하고, 이로 인해 수명 특성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다. Meanwhile, the cathode active material according to the present invention may further include a coating layer on the surface of the lithium manganese oxide, if necessary. When the cathode active material includes a coating layer, the contact between the lithium manganese oxide and the electrolyte is suppressed by the coating layer, thereby reducing the electrolyte side reaction, and thereby improving the life characteristics.

상기 코팅층은, 코팅 원소 M1을 포함할 수 있으며, 상기 코팅 원소 M1은 예를 들면, Al, B, Co, W, Mg, V, Ti, Zn, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 Al, Co, Nb, W 및 이들의 조합일 수 있고, 더 바람직하게는 Al, Co 및 이들의 조합일 수 있다. 상기 코팅 원소 M1은 2종 이상 포함될 수 있으며, 예를 들면, Al 및 Co를 포함할 수 있다. The coating layer may include a coating element M 1 , and the coating element M 1 may be at least one selected from the group consisting of Al, B, Co, W, Mg, V, Ti, Zn, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr and Zr, preferably Al, Co, Nb, W and combinations thereof, and more preferably Al, Co and combinations thereof. The coating element M 1 may include two or more types, and may include, for example, Al and Co.

상기 코팅 원소는 코팅층 내에서 산화물 형태, 즉, M1Oz(1≤z≤4)로 존재할 수 있다. The above coating element may exist in the coating layer in the form of an oxide, i.e., M 1 Oz (1≤z≤4).

상기 코팅층은, 건식 코팅, 습식 코팅, 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD), 원자층증착(ALD) 등의 방식을 통해 형성할 수 있다. 이 중에서도 코팅층 면적을 넓게 형성할 수 있다는 점에서 원자층 증착법을 통해 형성되는 것이 바람직하다. The above coating layer can be formed through methods such as dry coating, wet coating, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), and atomic layer deposition (ALD). Among these, it is preferable to form the coating layer through atomic layer deposition because it can form a large coating layer area.

상기 코팅층의 형성 면적은 상기 과리튬 망간계 산화물 입자의 전체 표면적을 기준으로 10% 내지 100%, 바람직하게는 30% 내지 100%, 더 바람직하게는 50% 내지 100%일 수 있다. 코팅층 형성 면적이 상기 범위를 만족할 때, 수명 특성 개선 효과가 우수하다.The formation area of the above coating layer may be 10% to 100%, preferably 30% to 100%, and more preferably 50% to 100%, based on the total surface area of the lithium manganese oxide particles. When the formation area of the coating layer satisfies the above range, the effect of improving the life characteristics is excellent.

한편, 본 발명에 따른 양극 활물질은 복수 개의 1차 입자들이 응집된 2차 입자 형태일 수 있으며, 상기 1차 입자의 평균 입경은 0.01㎛ 내지 5㎛, 바람직하게는 0.01㎛ 내지 2㎛, 더 바람직하게는 0.01㎛ 내지 0.1㎛일 수 있다. 구조적 안정성을 향상시키기 위해 일정 온도 이상의 소성이 이루어지면서 1차 입자의 평균 입경이 커지게 되지만, 1차 입자의 평균 입경이 5㎛ 초과일 경우 리튬 이동거리가 길어짐에 따라 확산 저항이 증가하므로 바람직하지 못하다.Meanwhile, the positive electrode active material according to the present invention may be in the form of secondary particles in which a plurality of primary particles are aggregated, and the average particle diameter of the primary particles may be 0.01 ㎛ to 5 ㎛, preferably 0.01 ㎛ to 2 ㎛, and more preferably 0.01 ㎛ to 0.1 ㎛. In order to improve structural stability, the average particle diameter of the primary particles increases as sintering is performed above a certain temperature, but when the average particle diameter of the primary particles exceeds 5 ㎛, the lithium movement distance increases, which is not preferable because the diffusion resistance increases.

또한, 상기 양극 활물질의 D50, 즉 상기 2차 입자의 D50이 2㎛ 내지 15㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 13㎛, 더 바람직하게는 5㎛ 내지 12㎛일 수 있다. 양극 활물질의 D50이 상기 범위를 만족할 때, 전극 밀도를 우수하게 구현할 수 있으며, 용량 및 율 특성 저하를 최소화할 수 있다. In addition, the D 50 of the positive electrode active material, that is, the D 50 of the secondary particles, may be 2 μm to 15 μm, preferably 2 μm to 13 μm, and more preferably 5 μm to 12 μm. When the D 50 of the positive electrode active material satisfies the above range, the electrode density can be excellently implemented, and the deterioration of the capacity and rate characteristics can be minimized.

또한, 상기 양극 활물질의 평균 결정자 크기(crystallite size)는 20nm 내지 150nm, 바람직하게는 20nm 내지 100nm, 더 바람직하게는 60nm 내지 100nm일 수 있다. 결정성을 강화하는 측면에서는 평균 결정자 크기가 큰 것이 바람직하지만, 이에 따른 저항 증가를 고려하였을 때 150nm는 넘지 않는 것이 바람직하다.In addition, the average crystallite size of the positive electrode active material may be 20 nm to 150 nm, preferably 20 nm to 100 nm, and more preferably 60 nm to 100 nm. In terms of reinforcing crystallinity, a larger average crystallite size is desirable, but considering the resulting increase in resistance, it is desirable that it does not exceed 150 nm.

또한, 상기 양극 활물질의 BET 비표면적은 0.1m2/g 내지 10m2/g, 구체적으로 1m2/g 내지 6m2/g, 더욱 구체적으로 1.2m2/g 내지 3m2/g일 수 있다. 양극 활물질 BET 비표면적이 너무 낮으면 전해질과의 반응 면적이 부족하여 충분한 용량 구현이 어렵고, 비표면적이 너무 높으면 수분 흡습이 빠르고, 전해질과의 부반응이 가속화되어 수명 특성 확보가 어렵다.In addition, the BET specific surface area of the positive electrode active material may be 0.1 m 2 /g to 10 m 2 /g, specifically 1 m 2 /g to 6 m 2 /g, and more specifically 1.2 m 2 /g to 3 m 2 /g. If the BET specific surface area of the positive electrode active material is too low, the reaction area with the electrolyte is insufficient, making it difficult to implement sufficient capacity, and if the specific surface area is too high, moisture absorption is fast and side reactions with the electrolyte are accelerated, making it difficult to secure life characteristics.

양극 활물질의 제조 방법Method for manufacturing positive electrode active material

본 발명에 따른 양극 활물질의 제조 방법은, 반응기에 니켈 및 망간의 황산염 또는 황화물을 포함하는 전이금속 함유 용액, 암모늄 양이온 착물 형성제 및 염기성 화합물을 공급하면서 공침 반응시켜 양극 활물질용 전구체 입자를 형성하는 단계; 상기 양극 활물질용 전구체 입자를 물로 수세하여 양극 활물질용 전구체를 제조하는 단계; 및 상기 양극 활물질용 전구체와 리튬 원료물질을 혼합하고 800℃ 내지 950℃에서 소성하는 단계를 포함한다.The method for producing a cathode active material according to the present invention comprises the steps of: supplying a transition metal-containing solution containing sulfate or sulfide of nickel and manganese, an ammonium cation complex forming agent, and a basic compound to a reactor while performing a co-precipitation reaction to form precursor particles for a cathode active material; washing the precursor particles for a cathode active material with water to produce a precursor for a cathode active material; and mixing the precursor for a cathode active material with a lithium raw material and calcining the mixture at 800°C to 950°C.

상기 양극 활물질용 전구체 입자를 형성하는 단계는, 예를 들면, 각 전이금속 함유 원료 물질을 용매에 용해시켜 전이금속 함유 용액을 제조한 후, 상기 전이금속 함유 용액, 암모늄 양이온 착물 형성제 및 염기성 화합물을 혼합한 후 공침 반응을 진행하는 방법으로 제조될 수 있다. 또한, 필요에 따라 상기 공침 반응 시에 산화제 혹은 산소 기체를 더 투입할 수 있다. The step of forming the precursor particles for the above-mentioned positive electrode active material can be produced by, for example, dissolving each transition metal-containing raw material in a solvent to produce a transition metal-containing solution, then mixing the transition metal-containing solution, an ammonium cation complex forming agent, and a basic compound, and then performing a coprecipitation reaction. In addition, an oxidizing agent or oxygen gas may be additionally added during the coprecipitation reaction, if necessary.

한편, 상기 전이금속 함유 원료 물질은 각 전이금속의 아세트산염, 탄산염, 질산염, 황산염, 할라이드, 황화물 등일 수 있다. 다만, 본 발명의 전이금속 함유 용액은 니켈 및 망간의 황산염 또는 황화물을 포함한다. 구체적으로는 상기 전이금속 함유 원료 물질은 NiO, NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O, NiC2O2·2H2O, Ni(NO3)2·6H2O, NiSO4, NiSO4·6H2O, 황화니켈, Mn2O3, MnO2, Mn3O4, MnCO3, Mn(NO3)2, MnSO4·H2O, 아세트산 망간, 망간 할로겐화물, 황화망간 등일 수 있으며, 상기 전이금속 함유 용액은 NiSO4, NiSO4·6H2O, 황화니켈, MnSO4·H2O 및 황화망간으로 이루어진 군에서 선택된 중 적어도 하나 이상을 포함한다. Meanwhile, the transition metal-containing raw material may be an acetate, carbonate, nitrate, sulfate, halide, sulfide, etc. of each transition metal. However, the transition metal-containing solution of the present invention contains a sulfate or sulfide of nickel and manganese. Specifically, the transition metal-containing raw material may be NiO, NiCO 3 .2Ni(OH) 2 .4H 2 O, NiC 2 O 2 .2H 2 O, Ni(NO 3 ) 2 .6H 2 O, NiSO 4 , NiSO 4 .6H 2 O, nickel sulfide, Mn 2 O 3 , MnO 2 , Mn 3 O 4 , MnCO 3 , Mn(NO 3 ) 2 , MnSO 4 .H 2 O, manganese acetate, manganese halides, manganese sulfide, etc., and the transition metal-containing solution includes at least one selected from the group consisting of NiSO 4 , NiSO 4 .6H 2 O, nickel sulfide, MnSO 4 .H 2 O, and manganese sulfide.

상기 암모늄 양이온 착물 형성제는, NH4OH, (NH4)2SO4, NH4NO3, NH4Cl, CH3COONH4, 및 NH4CO3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다.The above ammonium cation complex forming agent may be at least one selected from the group consisting of NH 4 OH, (NH 4 ) 2 SO 4 , NH 4 NO 3 , NH 4 Cl, CH 3 COONH 4 , and NH 4 CO 3 .

상기 염기성 화합물은, NaOH, Na2CO3, KOH, 및 Ca(OH)2로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다. 사용되는 염기성 화합물의 종류에 따라 전구체의 형태가 달라질 수 있다. 예를 들면, 염기성 화합물로 NaOH를 사용할 경우 수산화물 형태의 전구체를 얻을 수 있고, 염기성 화합물로 Na2CO3를 사용할 경우 탄산염 형태의 전구체를 얻을 수 있다. 또한, 염기성 화합물과 산화제를 함께 사용할 경우, 산화물 형태의 전구체를 얻을 수 있다. The above basic compound may be at least one selected from the group consisting of NaOH, Na 2 CO 3 , KOH, and Ca(OH) 2 . The form of the precursor may vary depending on the type of the basic compound used. For example, when NaOH is used as the basic compound, a precursor in the form of a hydroxide may be obtained, and when Na 2 CO 3 is used as the basic compound, a precursor in the form of a carbonate may be obtained. In addition, when the basic compound and the oxidizing agent are used together, a precursor in the form of an oxide may be obtained.

한편, 상기 양극 활물질용 전구체는 수산화물, 산화물 또는 탄산염 형태일 수 있다. Meanwhile, the precursor for the positive electrode active material may be in the form of a hydroxide, oxide or carbonate.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극 활물질용 전구체 입자를 물로 수세하는 단계는 초순수(Deionized water)를 이용하여 수행될 수 있으며, 수세 시 물 외에 다른 물질은 첨가되지 않는 것이 바람직하다. 일반적인 전구체 수세 단계에서는 NaOH 등의 플럭스(flux) 물질이 사용되는데, 이 경우 황의 함량이 4,000ppm 이상 잔류하기 어렵다.In one embodiment of the present invention, the step of washing the precursor particles for the positive electrode active material with water can be performed using deionized water, and it is preferable that no other substance is added during the washing. In a typical precursor washing step, a flux material such as NaOH is used, and in this case, it is difficult for the sulfur content to remain at 4,000 ppm or more.

구체적으로, 상기 수세는 전구체 입자를 20℃ 내지 30℃의 온도에서, 전구체와 물의 중량비율을 2:1 내지 10:1로 맞춰 10분 동안 1,000rpm 내지 3,000rpm으로 교반하여 수행되는 것이 바람직하다. 상기 세정 후 필터 처리하여 100℃ 내지150℃ 온도에 5시간 내지 15시간 동안 노출시키는 방법으로 건조가 이루어질 수 있다.Specifically, the washing is preferably performed by stirring the precursor particles at 1,000 rpm to 3,000 rpm for 10 minutes at a temperature of 20°C to 30°C, adjusting the weight ratio of the precursor to water to 2:1 to 10:1. After the washing, the particles are filtered and dried by exposing them to a temperature of 100°C to 150°C for 5 to 15 hours.

한편, 상기 리튬 원료물질로는, 예를 들면, 리튬 함유 탄산염(예를 들어, 탄산리튬 등), 수화물(예를 들어 수산화리튬 수화물(LiOH·H2O) 등), 수산화물(예를 들어 수산화리튬 등), 질산염(예를 들어, 질산리튬(LiNO3) 등), 염화물(예를 들어, 염화리튬(LiCl) 등) 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. Meanwhile, examples of the lithium raw material include lithium-containing carbonates (e.g., lithium carbonate, etc.), hydrates (e.g., lithium hydroxide hydrate (LiOH H 2 O)), hydroxides (e.g., lithium hydroxide, etc.), nitrates (e.g., lithium nitrate (LiNO 3 )), chlorides (e.g., lithium chloride (LiCl)), etc., and one of these may be used alone or a mixture of two or more may be used.

한편, 상기 양극 활물질용 전구체와 리튬 원료 물질은 전체 전이금속(Ni+Co+Mn) : Li의 몰비가 1 : 1.1 ~ 1 : 1.5, 바람직하게는 1 : 1.1 ~ 1 : 1.4, 더 바람직하게는 1 : 1.12 ~ 1 : 1.17이 되도록 하는 양으로 혼합될 수 있다.Meanwhile, the precursor for the positive electrode active material and the lithium raw material can be mixed in an amount such that the molar ratio of the total transition metal (Ni+Co+Mn):Li is 1:1.1 to 1:1.5, preferably 1:1.1 to 1:1.4, and more preferably 1:1.12 to 1:1.17.

한편, 상기 소성은 800℃ 내지 950℃, 바람직하게는 850℃ 내지 950℃, 더욱 바람직하게는 870℃ 내지 920℃의 온도에서 수행될 수 있다. 소성 온도가 800℃ 이상일 때 구조 완성도를 향상시킬 수 있으나 1차 입자의 과도한 성장을 방지하기 위해서 950℃는 넘지 않는 것이 바람직하다. 소성 시간은 5시간 내지 20시간, 바람직하게는 10시간 내지 15시간일 수 있다. 또한, 소성 분위기는 대기 분위기 또는 산소 분위기일 수 있고, 예를 들면, 산소를 20 ~ 100부피%로 포함하는 분위기일 수 있다. Meanwhile, the sintering can be performed at a temperature of 800°C to 950°C, preferably 850°C to 950°C, and more preferably 870°C to 920°C. When the sintering temperature is 800°C or higher, the degree of structural perfection can be improved, but it is preferable not to exceed 950°C in order to prevent excessive growth of primary particles. The sintering time can be 5 hours to 20 hours, and preferably 10 hours to 15 hours. In addition, the sintering atmosphere can be an air atmosphere or an oxygen atmosphere, and for example, can be an atmosphere containing 20 to 100 volume% of oxygen.

일반적으로, Mn-rich 과리튬 망간계 산화물을 포함하는 양극 활물질을 제조할 때 소성 온도를 800℃ 이상으로 높일 경우 1차 입자 크기가 과도하게 커지면서 저항이 커지는 문제가 있으나, 본 발명과 같이 표면에 4,000ppm 이상의 황이 잔류하는 경우 이를 방지할 수 있다. In general, when manufacturing a cathode active material including Mn-rich lithium manganese oxide, there is a problem that resistance increases as the primary particle size becomes excessively large when the sintering temperature is increased to 800°C or higher, but this can be prevented when 4,000 ppm or more of sulfur remains on the surface as in the present invention.

양극 및 리튬 이차전지Bipolar and lithium secondary batteries

본 발명에 따른 양극은 상기 양극 활물질을 포함하며, 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 상기 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 전해질을 포함한다. The positive electrode according to the present invention includes the positive electrode active material, and the lithium secondary battery according to the present invention includes the positive electrode, the negative electrode including the negative electrode active material; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte.

본 발명에 따른 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지는 상기 전술한 양극 활물질을 사용하는 것을 제외하고는, 당 업계의 통상적인 양극 및 리튬 이차전지의 제조 방법을 통해 제조될 수 있다. The positive electrode according to the present invention and the lithium secondary battery including the same can be manufactured through a conventional method for manufacturing a positive electrode and a lithium secondary battery in the art, except that the positive electrode active material described above is used.

예를 들면, 양극 활물질을 포함하는 양극 및 음극 활물질을 포함하는 음극 사이에 분리막을 개재시켜 순차적으로 적층 및 건조하여 전극 조립체를 제조하고, 이를 케이스에 삽입한 후 전해질을 주입하여 밀봉함으로써 리튬 이차전지를 제조할 수 있다. 상기 리튬 이차전지는 원통형, 각형, 코인형 또는 파우치형 전지일 수 있다.For example, a lithium secondary battery can be manufactured by sequentially stacking and drying electrode assemblies by interposing a separator between a positive electrode including a positive active material and a negative electrode including a negative active material, inserting the electrode assembly into a case, injecting an electrolyte, and sealing the assembly. The lithium secondary battery can be a cylindrical, square, coin-shaped, or pouch-shaped battery.

상기 양극 및 음극은 각각 집전체 상에 전극 활물질을 포함하는 활물질층 형성용 조성물을 도포한 후 건조하여 제조될 수 있다. The above positive and negative electrodes can be manufactured by applying a composition for forming an active material layer including an electrode active material on a current collector and then drying it.

양극 활물질층 형성용 조성물에는 상기 양극 활물질 외에 필요에 따라 바인더, 도전재, 충진재 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다. 음극 활물질층 형성용 조성물에는 음극 활물질 외에 필요에 따라 바인더, 도전재, 충진재 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.The composition for forming a positive electrode active material layer may optionally further contain a binder, a conductive material, a filler, etc. in addition to the positive electrode active material, as needed. The composition for forming a negative electrode active material layer may optionally further contain a binder, a conductive material, a filler, etc. in addition to the negative electrode active material, as needed.

상기 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 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, and for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., an aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. In addition, the current collector can typically have a thickness of 3 ㎛ to 500 ㎛, and fine unevenness can be formed on the surface of the current collector to strengthen the binding force of the active material. For example, the current collector can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a non-woven fabric, etc.

상기 양극은, 전술한 양극 활물질 외에 통상의 양극 활물질을 더 포함할 수 있으며, 예를들면 LCO(LiCoO2), LNO(LiNiO2), LFP(LiFePO4) 및 NCM(Li[NipCoqMnr1]O2, 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1=1)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 양극 활물질을 더 포함할 수 있으나, 바람직하게는 상기 양극 활물질만 단독으로 사용될 수 있다.The above positive electrode may further include a conventional positive electrode active material in addition to the above-described positive electrode active material, and for example, may further include at least one positive electrode active material selected from the group consisting of LCO (LiCoO 2 ), LNO (LiNiO 2 ), LFP (LiFePO 4 ), and NCM (Li[Ni p Co q Mn r1 ]O 2 , 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1=1), but preferably, only the positive electrode active material may be used alone.

상기 양극 활물질은 양극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 80중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다.The above positive electrode active material may be included in an amount of 80 wt% to 99 wt% based on the total weight of the positive electrode active material layer.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극은, 음극 활물질로서 탄소계 물질; 실리콘계 물질; 금속 또는 이들 금속과 리튬의 합금; 금속 복합 산화물; 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질; 리튬 금속; 및 전이 금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 탄소계 물질, 실리콘계 물질 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the negative electrode may include at least one selected from the group consisting of a carbon-based material; a silicon-based material; a metal or an alloy of these metals and lithium; a metal composite oxide; a material capable of doping and dedoping lithium; lithium metal; and a transition metal oxide as a negative electrode active material, and preferably may include a carbon-based material, a silicon-based material, or a mixture thereof.

상기 탄소계 물질로는, 리튬 이차전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 인편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소), 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.As the above carbon-based material, any carbon-based negative electrode active material generally used in lithium secondary batteries may be used without particular limitation, and representative examples thereof include crystalline carbon, amorphous carbon, or a combination of these. Examples of the crystalline carbon include graphite such as amorphous, plate-shaped, flake-shaped, spherical, or fibrous natural graphite or artificial graphite, and examples of the amorphous carbon include soft carbon (low-temperature calcined carbon), hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, and the like.

상기 실리콘계 물질은 Si, SiOx(0<x<2) 및 Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합 중 선택되는 원소이며, Si는 될 수 없음.) 중 선택된 1종 이상이고, 바람직하게는 SiO이다. 실리콘계 음극 활물질은 용량이 그라파이트 대비 약 10배 가까이 높아 질량 로딩(mg·cm-2)을 낮추어 전지의 급속 충전 성능을 향상 시킬 수 있다.The above silicon-based material is at least one selected from Si, SiO x (0<x<2), and a Si-Y alloy (wherein Y is an element selected from an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a transition metal, a rare earth element, and a combination thereof, and cannot be Si), and is preferably SiO. The silicon-based negative electrode active material has a capacity that is about 10 times higher than that of graphite, and thus can lower the mass loading (mg cm -2 ) and improve the rapid charging performance of the battery.

상기 금속 또는 이들 금속과 리튬의 합금으로는 Cu, Ni, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 이들 금속과 리튬의 합금이 사용될 수 있다.As the above metal or an alloy of these metals with lithium, a metal selected from the group consisting of Cu, Ni, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al and Sn or an alloy of these metals with lithium can be used.

상기 금속 복합 산화물로는 PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5, LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1) 및 SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.As the above metal composite oxide, at least one selected from the group consisting of PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO , GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , Bi 2 O 5 , Li x Fe 2 O 3 (0≤x≤1), Li x WO 2 (0≤x≤1), and Sn x Me 1-x Me' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, elements of group 1, 2, and 3 of the periodic table, halogen; 0<x≤1;1≤y≤3; 1≤z≤8) may be used.

상기 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질로는 Sn, SnO2, Sn-Y(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. Materials capable of doping and dedoping the lithium include Sn, SnO 2 , Sn-Y (wherein Y is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, Group 13 elements, Group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, but is not Sn), and at least one of these may be mixed with SiO 2 for use.

상기 Si-Y 및 Sn-Y에서, 원소 Y는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db(dubnium), Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.In the above Si-Y and Sn-Y, the element Y can be selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db(dubnium), Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, and combinations thereof.

상기 전이 금속 산화물의 예로는 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등을 들 수 있다.Examples of the above transition metal oxides include lithium-containing titanium composite oxide (LTO), vanadium oxide, and lithium vanadium oxide.

상기 음극 활물질은 음극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 80 중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다.The above negative active material may be included in an amount of 80 wt% to 99 wt% based on the total weight of the solid content in the negative electrode slurry.

상기 바인더는 도전재, 활물질 및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 활물질층의 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 10중량%로 첨가된다. 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.The above binder is a component that assists in bonding between the conductive material, the active material, and the current collector, and is typically added in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the active material layer. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene-butadiene rubber, nitrile-butadiene rubber, fluororubber, various copolymers thereof, and the like.

상기 도전재는 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 활물질층의 전체 중량을 기준으로 10중량% 이하, 구체적으로는 5중량% 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 휘스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive agent is a component for further improving the conductivity of the active material, and can be added in an amount of 10 wt% or less, specifically 5 wt% or less, based on the total weight of the active material layer. The conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity and does not cause a chemical change in the battery, and for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black such as acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, or thermal black; conductive fibers such as carbon fiber or metal fiber; metal powders such as fluorinated carbon, aluminum, or nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide or potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; conductive materials such as polyphenylene derivatives, etc. can be used.

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. 또, 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.Meanwhile, in the lithium secondary battery, the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions to move. Any separator that is commonly used as a separator in a lithium secondary battery can be used without special restrictions, and in particular, one that has low resistance to ion movement of the electrolyte and excellent electrolyte moisture retention capacity is preferable. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, and an ethylene/methacrylate copolymer, or a laminated structure of two or more layers thereof, can be used. In addition, a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high-melting-point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc. can also be used. In addition, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material to secure heat resistance or mechanical strength can be used, and can be selectively used in a single-layer or multi-layer structure.

또한, 상기 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. In addition, examples of the electrolyte include, but are not limited to, organic liquid electrolytes, inorganic liquid electrolytes, solid polymer electrolytes, gel-type polymer electrolytes, solid inorganic electrolytes, and molten inorganic electrolytes that can be used in the manufacture of lithium secondary batteries.

구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.

상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 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. As the organic solvent, any solvent that can act as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move may be used without particular limitation. Specifically, the organic solvent may include ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, γ-butyrolactone, and ε-caprolactone; ether solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; ketone solvents such as cyclohexanone; aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and fluorobenzene; Examples of solvents that can be used include carbonate solvents such as dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), and propylene carbonate (PC); alcohol solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (wherein R represents a linear, branched, or cyclic hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms and may include a double-bonded aromatic ring or an ether bond); amides such as dimethylformamide; dioxolanes such as 1,3-dioxolane; and sulfolanes. Among these, a carbonate solvent is preferable, and a mixture of a cyclic carbonate (e.g., ethylene carbonate or propylene carbonate, etc.) having high ionic conductivity and high dielectric constant that can improve the charge/discharge performance of the battery and a low-viscosity linear carbonate compound (e.g., ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, or diethyl carbonate, etc.) is more preferable.

상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있고, 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 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The above lithium salt can be used without any special restrictions as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in a lithium secondary battery. Specifically, the anion of the lithium salt may be at least one selected from the group consisting of F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - , and the lithium salt may be at least one selected from the group consisting of LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2. LiCl, LiI, or LiB(C 2 O 4 ) 2 can be used. It is preferable to use the concentration of the lithium salt within the range of 0.1 to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte can exhibit excellent electrolyte performance because it has appropriate conductivity and viscosity, and lithium ions can move effectively.

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 중량%로 포함될 수 있다.In addition to the electrolyte components, the electrolyte may further contain one or more additives, such as, for example, haloalkylene carbonate compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ethers, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxy ethanol, or aluminum trichloride, for the purpose of improving the life characteristics of the battery, suppressing battery capacity decrease, and improving the discharge capacity of the battery. In this case, the additives may be contained in an amount of 0.1 to 5 wt% with respect to the total weight of the electrolyte.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples.

[실시예: 양극 활물질의 제조] [Example: Production of positive electrode active material]

실시예 1.Example 1.

공침 반응기(용량 20L)에 증류수 4리터를 넣은 뒤 50℃로 온도를 유지시키며 28중량% 농도의 암모니아 수용액 100mL를 투입하였다. 그런 다음, 상기 공침 반응기에 NiSO4 및 MnSO4를 니켈:망간의 몰비=35:65가 되도록 혼합된 전이금속 용액, 암모니아 수용액 및 수산화나트륨 용액을 투입하고, 공침 반응시켜 전구체를 형성하였다. 상기 전구체 입자를 분리하여 25℃의 온도에서 전구체와 초순수의 중량비율을 5:1로 맞춰 10분 동안 2,000rpm으로 교반하여 세척하는 방법으로 수세한 후, 130℃의 오븐에서 건조하여 전구체를 제조하였다.After adding 4 L of distilled water to a co-precipitation reactor (capacity 20 L), the temperature was maintained at 50°C, and 100 mL of an ammonia aqueous solution having a concentration of 28 wt% was added. Then, a transition metal solution in which NiSO 4 and MnSO 4 were mixed so that the molar ratio of nickel:manganese was 35:65, an ammonia aqueous solution, and a sodium hydroxide solution were added to the co-precipitation reactor, and a co-precipitation reaction was performed to form a precursor. The precursor particles were separated, washed by stirring at 2,000 rpm for 10 minutes at a weight ratio of the precursor to ultrapure water of 5:1 at a temperature of 25°C, and then dried in an oven at 130°C to produce a precursor.

공침 반응으로 합성된 상기 전구체와 LiOH를 전이금속:Li의 몰비가 1:1.3이 되도록 혼합하고, 산소 분위기 하 900℃에서 15시간 동안 열처리하여 Li1.13Ni0.31Mn0.56O2의 조성을 갖는 양극 활물질을 제조하였다. 제조된 양극 활물질은, 1차 입자의 평균 입경이 0.05㎛, 2차 입자의 D50이 10㎛, 평균 결정자 크기가 80nm, BET 비표면적이 1.5m2/g였다.The precursor synthesized by the coprecipitation reaction and LiOH were mixed so that the molar ratio of transition metal:Li was 1:1.3, and heat-treated at 900°C for 15 hours in an oxygen atmosphere to manufacture a cathode active material having a composition of Li 1.13 Ni 0.31 Mn 0.56 O 2 . The manufactured cathode active material had an average primary particle size of 0.05 μm, a D 50 of secondary particles of 10 μm, an average crystallite size of 80 nm, and a BET surface area of 1.5 m 2 /g.

비교예 1.Comparative example 1.

상기 실시예 1에서 전구체 입자 세척 시 초순수 대신 1M의 NaOH 수용액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다. 비교예 1에서 제조된 양극 활물질은, 1차 입자의 평균 입경이 0.2㎛, 2차 입자의 D50이 10㎛, 평균 결정자 크기가 80nm, BET 비표면적이 1.0m2/g였다.A cathode active material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a 1 M NaOH aqueous solution was used instead of ultrapure water when washing the precursor particles in the above Example 1. The cathode active material manufactured in Comparative Example 1 had an average primary particle size of 0.2 μm, a D 50 of secondary particles of 10 μm, an average crystallite size of 80 nm, and a BET specific surface area of 1.0 m 2 /g.

비교예 2.Comparative example 2.

상기 실시예 1에서 전구체 입자 세척 시 초순수 대신 0.5M의 NaOH 수용액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다. 비교예 2에서 제조된 양극 활물질은, 1차 입자의 평균 입경이 0.1㎛, 2차 입자의 D50이 10㎛, 평균 결정자 크기가 80nm, BET 비표면적이 1.2m2/g였다.A cathode active material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a 0.5 M NaOH aqueous solution was used instead of ultrapure water when washing the precursor particles in Example 1. The cathode active material manufactured in Comparative Example 2 had an average primary particle size of 0.1 μm, a D 50 of secondary particles of 10 μm, an average crystallite size of 80 nm, and a BET specific surface area of 1.2 m 2 /g.

실시예 2.Example 2.

상기 실시예 1에서 전구체 공침 반응 시간을 침전된 전구체의 D50값이 3㎛ 수준이 되는 수준을 제어하고, 전구체 입자 세척 시 전구체와 초순수의 중량비율을 5:1에서 2:1로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다. 실시예 2에서 제조된 양극 활물질은, 1차 입자의 평균 입경이 0.05㎛, 2차 입자의 D50이 3㎛, 평균 결정자 크기가 80nm, BET 비표면적이 2.5m2/g였다.A cathode active material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the precursor precipitation reaction time in Example 1 was controlled to a level where the D50 value of the precipitated precursor was 3 μm and the weight ratio of the precursor to ultrapure water was changed from 5:1 to 2:1 when washing the precursor particles. The cathode active material manufactured in Example 2 had an average primary particle size of 0.05 μm, a D50 of secondary particles of 3 μm, an average crystallite size of 80 nm, and a BET specific surface area of 2.5 m 2 /g.

비교예 3.Comparative example 3.

상기 실시예 2에서 전구체 입자 세척 시 초순수 대신 0.5M의 NaOH 수용액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다. 비교예 3에서 제조된 양극 활물질은, 1차 입자의 평균 입경이 0.1㎛, 2차 입자의 D50이 3㎛, 평균 결정자 크기가 80nm, BET 비표면적이 1.7m2/g였다.A cathode active material was manufactured in the same manner as in Example 2, except that a 0.5 M NaOH aqueous solution was used instead of ultrapure water when washing the precursor particles in Example 2. The cathode active material manufactured in Comparative Example 3 had an average primary particle size of 0.1 μm, a D 50 of secondary particles of 3 μm, an average crystallite size of 80 nm, and a BET specific surface area of 1.7 m 2 /g.

비교예 4.Comparative example 4.

상기 실시예 2에서 전구체 입자 세척 시 초순수 대신 1M의 NaOH 수용액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다. 비교예 4에서 제조된 양극 활물질은, 1차 입자의 평균 입경이 0.2㎛, 2차 입자의 D50이 3㎛, 평균 결정자 크기가 80nm, BET 비표면적이 1.4m2/g였다.A cathode active material was manufactured in the same manner as in Example 2, except that a 1 M NaOH aqueous solution was used instead of ultrapure water when washing the precursor particles in Example 2. The cathode active material manufactured in Comparative Example 4 had an average primary particle size of 0.2 μm, a D 50 of secondary particles of 3 μm, an average crystallite size of 80 nm, and a BET specific surface area of 1.4 m 2 /g.

[실험예] [Experimental example]

실험예 1. 양극 활물질 내 S 함량 측정Experimental Example 1. Measurement of S content in positive electrode active material

상기 실시예 1-2 및 비교예 1-4에서 제조된 양극 활물질 분말 0.1g을 증류수 2mL 및 진한 질산 1mL와 혼합한 후 초순수 50mL로 희석한 다음 ICP-OES(PERKIN-ELMER, Optima 7300DV) 기기를 이용하여 황 원소의 함량을 측정한 결과를 하기 표 1에 기재하였다.0.1 g of the positive electrode active material powder manufactured in the above Examples 1-2 and Comparative Examples 1-4 was mixed with 2 mL of distilled water and 1 mL of concentrated nitric acid, then diluted with 50 mL of ultrapure water. The content of elemental sulfur was measured using an ICP-OES (PERKIN-ELMER, Optima 7300DV) device. The results are shown in Table 1 below.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 비교예 4Comparative Example 4 6,000ppm6,000ppm 6500ppm6500ppm 1,500ppm1,500ppm 3,000ppm3,000ppm 3000ppm3000ppm 2000ppm2000ppm

실험예 2. SEM 분석Experimental Example 2. SEM Analysis

상기 실시예 1 및 비교예 1-2에서 제조된 양극 활물질을 주사전자현미경(SEM)을 통해 50k, 20k 및 5k의 배율로 관찰한 사진을 도 1~도 3에 나타내었다.The photographs of the positive electrode active materials manufactured in Example 1 and Comparative Examples 1-2 observed at magnifications of 50k, 20k, and 5k using a scanning electron microscope (SEM) are shown in FIGS. 1 to 3.

사진을 통해 비교예 1-2의 양극 활물질이 실시예 1의 양극 활물질에 비해 더 큰 1차 입자로 이루어져 있음을 확인할 수 있다.It can be confirmed through the photograph that the cathode active material of Comparative Example 1-2 is composed of larger primary particles than the cathode active material of Example 1.

실험예 3. 코인셀 성능 평가Experimental Example 3. Coin Cell Performance Evaluation

1) 양극의 제조1) Manufacturing of the anode

N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 상기 실시예 1의 양극 활물질, 도전재(카본 블랙) 및 바인더(폴리비닐리덴플루오라이드)를 94:3:3 중량비로 첨가하여 고형분 함량이 60 중량%인 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 15㎛ 두께의 양극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 45㎛의 두께로 도포 및 건조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 로딩량이 2.8 mAh/cm2인 양극을 제조하였다. 이와 동일한 방식으로 실시예 2 및 비교예 1-4의 양극 활물질을 사용한 양극도 각각 제조하였다.The positive electrode active material of Example 1, a conductive agent (carbon black), and a binder (polyvinylidene fluoride) were added to N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) in a weight ratio of 94:3:3 to prepare a positive electrode slurry having a solid content of 60 wt%. The positive electrode slurry was applied to a 15 μm thick aluminum (Al) film as a positive electrode collector to a thickness of 45 μm and dried, and then roll pressed to prepare a positive electrode having a loading of 2.8 mAh/cm 2 . Positive electrodes using the positive electrode active materials of Example 2 and Comparative Examples 1-4 were also prepared in the same manner, respectively.

2) 코인셀의 제조 2) Manufacturing of coin cells

음극 활물질(Graphite), 바인더(SBR-CMC) 및 도전재(카본 블랙)를 95:3.5:1.5의 중량비로 용매인 물에 첨가하여 고형분 함량이 60 중량%인 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 10㎛ 두께의 음극 집전체인 구리(Cu) 박막에 67㎛의 두께로 도포 및 건조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 로딩량이 3.0 mAh/cm2인 음극을 제조하였다.A negative electrode slurry having a solid content of 60 wt% was prepared by adding a negative electrode active material (graphite), a binder (SBR-CMC), and a conductive agent (carbon black) to a solvent (water) in a weight ratio of 95:3.5:1.5. The negative electrode slurry was applied to a 10 μm thick copper (Cu) film as a negative electrode collector to a thickness of 67 μm, dried, and then roll pressed to prepare a negative electrode having a loading of 3.0 mAh/cm 2 .

상기 1)에서 제조한 실시예 1-2의 양극 및 비교예 1-4의 양극 각각에 대하여, 양극과 음극 사이에 15㎛ 두께의 폴리에틸렌계 분리막을 개재하여 전극 조립체를 제조한 다음, 이를 코인형(2032 type) 이차전지 케이스 내부에 위치시킨 후, 상기 케이스 내부로 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 이때, 전해액으로서 에틸렌카보네이트(EC):에틸메틸카보네이트(EMC)를 1:2의 부피비로 혼합한 혼합 유기 용매에 1M의 LiPF6를 용해시킨 전해액을 주입하여, 리튬 이차전지를 제조하였다.For each of the positive electrode of Example 1-2 and the positive electrode of Comparative Example 1-4 manufactured in 1) above, a 15 ㎛ thick polyethylene separator was interposed between the positive electrode and the negative electrode to manufacture an electrode assembly, which was then placed inside a coin-shaped (2032 type) secondary battery case, and an electrolyte was injected into the case to manufacture a lithium secondary battery. At this time, an electrolyte in which 1 M LiPF 6 is dissolved in a mixed organic solvent of ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1:2 was injected to manufacture a lithium secondary battery.

3) 수명 평가3) Life evaluation

상기 실시예 1-2 및 비교예 1-4의 양극 활물질이 적용된 코인셀을 45℃에서 포메이션(formation)시킨 후, 25℃에서 CCCV 모드로 4.4V가 될 때까지 0.5C의 속도로 충전을 실시하였다. 이 후, 0.5C의 정전류로 2.5V가 될 때까지 방전을 실시하여 초기 방전용량 및 초기 저항을 측정하였다. 이와 같은 충방전을 50회 진행하면서, 방전 용량 유지율 및 저항 증가율을 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Coin cells to which the positive active materials of the above Examples 1-2 and Comparative Examples 1-4 were applied were formed at 45°C, and then charged at a rate of 0.5C until the voltage reached 4.4 V in CCCV mode at 25°C. Thereafter, discharge was performed at a constant current of 0.5C until the voltage reached 2.5 V, and the initial discharge capacity and initial resistance were measured. The discharge capacity retention rate and the resistance increase rate were measured while performing 50 such charge and discharge cycles, and the results are shown in Table 2 below.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 4Comparative Example 4 비교예 5Comparative Example 5 상온 1 사이클 충방전1 cycle charge/discharge at room temperature 초기 방전용량 [mAh/g]Initial discharge capacity [mAh/g] 200200 205205 198198 198198 200200 195195 초기 저항 [Ohm @SOC 100%]Initial Resistance [Ohm @SOC 100%] 2828 2525 3030 2929 2828 3030 상온 50 사이클 충방전50 cycles of charge/discharge at room temperature 방전 용량 유지율 [%]Discharge capacity retention rate [%] 9595 9090 8989 9191 8787 8686 저항 증가율 [%]Resistance Increase Rate [%] 2020 3030 5555 4040 4545 6060

상기 표 2의 결과를 통해, 양극 활물질 내 황 원소의 함량이 4,000ppm 이상인 실시예 1-2의 양극 활물질을 사용한 코인셀이, 황 원소의 함량이 4,000ppm 미만인 비교예 1-4의 양극 활물질을 사용한 코인셀에 비해 초기 용량 및 초기 저항 측면에서 개선된 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 이는 동일한 소성 온도를 적용하더라도, 양극 활물질 내 황의 함량이 조절될 경우, 결정성은 향상시키고 1차 입자의 성장은 억제시켜 저항 증가를 방지하는 효과가 있음을 입증하는 결과이다. 또한, 50 사이클 이후의 용량 유지율과 저항 증가율에서도 실시예 1-2의 양극 활물질을 적용한 코인셀이 비교예 1-4의 양극 활물질을 적용한 코인셀에 비해 우수한 성능을 나타내는데, 이는 1차 입자 크기가 제어됨에 따라 반복되는 충방전 과정에서의 스트레스가 감소되어 사이클 진행에 따른 용량 및 저항 변화가 개선된 결과이다. Through the results in Table 2 above, it can be confirmed that the coin cell using the cathode active material of Example 1-2 having a sulfur element content of 4,000 ppm or more in the cathode active material shows improved values in terms of initial capacity and initial resistance compared to the coin cell using the cathode active material of Comparative Example 1-4 having a sulfur element content of less than 4,000 ppm. This is a result that proves that even when the same firing temperature is applied, when the sulfur content in the cathode active material is controlled, there is an effect of improving crystallinity and suppressing the growth of primary particles, thereby preventing an increase in resistance. In addition, in terms of capacity retention rate and resistance increase rate after 50 cycles, the coin cell using the cathode active material of Example 1-2 shows superior performance than the coin cell using the cathode active material of Comparative Example 1-4. This is because the stress during repeated charge and discharge processes is reduced as the primary particle size is controlled, thereby improving the change in capacity and resistance according to the progression of the cycle.

Claims (11)

하기 화학식 1로 표시되는 과리튬 망간계 산화물을 포함하며,
황의 함량이 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 4,000ppm 이상인, 양극 활물질:
[화학식 1]
Li1+a[Mn1-(a+b+c)NibMc]O2
상기 화학식 1에서,
M은 Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, B, W, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이고,
0.1≤a≤0.5, 0≤b<0.5, 0≤c≤0.1, 0≤a+b+c≤0.5이다.
Contains a lithium manganese oxide represented by the following chemical formula 1,
Cathode active material having a sulfur content of 4,000 ppm or more based on the total weight of the cathode active material:
[Chemical Formula 1]
Li 1+a [Mn 1-(a+b+c) Ni b M c ]O 2
In the above chemical formula 1,
M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg, B, W, Ga, In, Ru, Nb, Sn, Sr, and Zr,
0.1≤a≤0.5, 0≤b<0.5, 0≤c≤0.1, 0≤a+b+c≤0.5.
청구항 1에 있어서,
1차 입자의 평균 입경이 0.01㎛ 내지 5㎛인, 양극 활물질.
In claim 1,
A cathode active material having an average primary particle size of 0.01 ㎛ to 5 ㎛.
청구항 2에 있어서,
1차 입자의 평균 입경이 0.01㎛ 내지 0.1㎛인, 양극 활물질.
In claim 2,
A cathode active material having an average primary particle diameter of 0.01 ㎛ to 0.1 ㎛.
청구항 1에 있어서,
D50이 2㎛ 내지 15㎛인, 양극 활물질.
In claim 1,
D 50 is a cathode active material having a diameter of 2㎛ to 15㎛.
청구항 1에 있어서,
평균 결정자 크기가 20nm 내지 150nm인, 양극 활물질.
In claim 1,
A cathode active material having an average crystallite size of 20 nm to 150 nm.
청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1에서 0.1≤a≤0.4, 0.1≤b≤0.4, 0≤c≤0.05, 0≤a+b+c<0.5인, 양극 활물질.
In claim 1,
A positive electrode active material, wherein in the chemical formula 1, 0.1≤a≤0.4, 0.1≤b≤0.4, 0≤c≤0.05, and 0≤a+b+c<0.5.
청구항 1에 있어서,
황의 함량이 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 4,000ppm 내지 8,000ppm인, 양극 활물질.
In claim 1,
A cathode active material having a sulfur content of 4,000 ppm to 8,000 ppm based on the total weight of the cathode active material.
반응기에 니켈 및 망간의 황산염 또는 황화물을 포함하는 전이금속 함유 용액, 암모늄 양이온 착물 형성제 및 염기성 화합물을 공급하면서 공침 반응시켜 양극 활물질용 전구체 입자를 형성하는 단계;
상기 양극 활물질용 전구체 입자를 물로 수세하여 양극 활물질용 전구체를 제조하는 단계; 및
상기 양극 활물질용 전구체와 리튬 원료물질을 혼합하고 800℃ 내지 950℃에서 소성하는 단계를 포함하는 청구항 1에 따른 양극 활물질의 제조 방법.
A step of forming precursor particles for a cathode active material by supplying a transition metal-containing solution containing nickel and manganese sulfate or sulfide, an ammonium cation complex forming agent, and a basic compound to a reactor and performing a co-precipitation reaction;
A step of manufacturing a precursor for a cathode active material by washing the precursor particles for the cathode active material with water; and
A method for producing a cathode active material according to claim 1, comprising the step of mixing a precursor for the cathode active material and a lithium raw material and calcining at 800°C to 950°C.
청구항 8에 있어서,
상기 수세 시 물 외에 다른 물질은 첨가되지 않는 것인, 양극 활물질의 제조 방법.
In claim 8,
A method for manufacturing a positive electrode active material, wherein no other substance is added other than water during the washing process.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나에 따른 양극 활물질을 포함하는 양극.
A positive electrode comprising a positive electrode active material according to any one of claims 1 to 7.
청구항 9에 따른 양극;
음극 활물질을 포함하는 음극;
상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막; 및
전해질을 포함하는 리튬 이차전지.
Anode according to claim 9;
A cathode comprising a cathode active material;
A separator interposed between the positive and negative electrodes; and
A lithium secondary battery containing an electrolyte.
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