KR101475288B1 - Li-Ni-Mn Composite Oxide and Method for preparing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 Li-Mn-Ni계 복합 산화물에 관한 것이다.
본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법은 고상 혼합 및 습식 분쇄법을 적용하여 제조가 용이하면서도 분무 건조에 의하여 2차 입자의 구형 형상 및 크기를 제어 할 수 있으며, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 층상 구조로서 구조 안정성 및 열 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 전기 화학 특성이 우수하다.
The present invention relates to a process for producing a Li-Mn-Ni composite oxide and a Li-Mn-Ni composite oxide produced thereby.
The method for producing the Li-Mn-Ni composite oxide of the present invention can control the spherical shape and size of the secondary particles by spray-drying while being easily manufactured by applying solid-phase mixing and wet grinding, The Li-Mn-Ni composite oxide produced by the method has not only excellent structural stability and thermal stability as a layered structure, but also has excellent electrochemical properties.

Description

Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 Li-Mn-Ni계 복합 산화물 {Li-Ni-Mn Composite Oxide and Method for preparing thereof}The present invention relates to a method for producing a Li-Mn-Ni composite oxide and a Li-Mn-Ni composite oxide produced thereby,

본 발명은 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 Li-Mn-Ni계 복합 산화물에 관한 것이다.
The present invention relates to a process for producing a Li-Mn-Ni composite oxide and a Li-Mn-Ni composite oxide produced thereby.

현재 시판되고 있는 리튬(Lithium) 2차 전지의 대부분은 정극활물질으로서 4V의 고전압을 가지는 LiCoO2 이 사용되고 있는데, 코발트가 고가이기 때문에 LiCoO2 의 값이 높다. Most of the currently available lithium secondary batteries use LiCoO 2 having a high voltage of 4 V as a positive electrode active material, and the value of LiCoO 2 is high because cobalt is expensive.

이에 따라 LiCoO2 에 대신하는 다양한 정극활물질이 연구되고 있으며, 니켈(nickel) 및 망간(mangaan)에 관해서도 연구가 진행되고 있다. Accordingly, various positive electrode active materials replacing LiCoO 2 have been studied, and nickel and manganese have been studied.

Ni 및 Mn의 복합 산화물을 리튬(Lithium) 2차 전지의 정극활물질으로서 사용하는 종래 기술로 미국 특허 제5393622호 공보에서는 Ni의 수산화물, Mn의 수산화물 및 Li의 수산화물을 일시에 건식 혼합하고 소성하고, 또한 실온까지 냉각한 뒤 다시 한번 가열 소성하는 LiyNi1 - xMnxO2 (식중,0≤x≤0.3, 0≤y≤1.3)으로 표시되는 조성의 활물질을 제조하는 방법이 제안되어 있다.In the prior art using a composite oxide of Ni and Mn as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, US Patent No. 5393622 discloses a method of dryly mixing Ni hydroxide, hydroxide of Mn and hydroxide of Li at the same time, A method of producing an active material having a composition represented by Li y Ni 1 - x Mn x O 2 (where 0? X ? 0.3, 0? Y? 1.3) which is further heated and calcined after cooling to room temperature has been proposed .

또, 미국 특허 제5370948호 공보에는, 수용액에 Li염, Ni염 및 Mn 염을 일시에 혼합하고,얻어지는 혼합물을 건조 및 소성하여 LiNi1-xMnxO2 (식중,0.005≤x≤0.45)으로 나타나는 활물질을 얻는 방법이 제안되어 있다.In addition, U.S. Patent No. 5,370,948, the aqueous solution of the Li salt, Ni salt and LiNi1-xMnxO 2 by mixing Mn salt at a time, and drying and firing the obtained mixture (In the formula, 0.005? X? 0.45).

종래,이와 같은 Li-Ni-Mn 복합 산화물의 합성에는, NiO, MnO, LiOH·H2O 등의 분말을 혼합하고 얻어지는 건식 혼합법이 많이 사용되고 왔다. 그렇지만, 건식 혼합의 경우 Mn 함유량이 높은 경우, 원자의 균일성이 불충분하기 때문에 불순물상을 함유하고 결정성이 낮고 충분한 전기 화학 특성을 얻을 수 없다는 문제점이 있었다. Conventionally, for the synthesis of such a Li-Ni-Mn composite oxide, a dry mixing method obtained by mixing powders such as NiO, MnO, and LiOH.H 2 O has been widely used. However, in the case of dry mixing, when the Mn content is high, there is a problem that the homogeneity of the atoms is insufficient, the impurity phase is contained, the crystallinity is low, and sufficient electrochemical characteristics can not be obtained.

이에 반하여 Mn 산화물 등의 분말과 Ni 용액, Li 용액 등을 슬러리상으로 하고 혼합,소성하는 습식 슬러리(slurry)를 이용하는 방법에 있어서는, 건식법에 비교할 때 결정성,전기 화학 특성 등의 면에서는 개선되지만, 질소산화물 등의 부식성 가스(gas)의 발생 등의 문제가 있었다. On the other hand, in the case of using a wet slurry in which powders such as Mn oxides, Ni solution, Li solution and the like are slurried and mixed and baked, the crystallinity and the electrochemical characteristics are improved in comparison with the dry method , And the generation of corrosive gas (gas) such as nitrogen oxides.

공침법으로 제조하는 경우, 수산화물, 탄산염, 수산염의 형태로 공침시켜서 구성 원자의 균일 분산성의 향상이 가능하다. 그러나, 망간(mangaan) 2가의 수산화물이 불안정하므로, 대기중에 노출될 경우 전구체의 균일성에 문제가 생기는 가능성이 있다.When coprecipitated, coprecipitates in the form of hydroxides, carbonates, and oxides can improve the uniform dispersibility of constituent atoms. However, since the hydroxides of manganese dioxide are unstable, there is a possibility that when exposed to the atmosphere, the uniformity of the precursor may be problematic.

또, 일본특허공개 2002-42813 호에는 공침법에 의하여 Ni-Mn 복합 수산화물을 전구체로 하는 LiNi0 .5Mn0 .5O2 의 합성시 1000℃ 이상의 고온에서의 소성이 바람직하고, 850℃ 이하에서 소성시 사이클(cycle) 수명에 문제가 있다고 설명하고 있다. Further, Japanese Unexamined Patent Publication 2002-42813 discloses the firing of LiNi 0 .5 at least 1000 ℃ the synthesis of Mn 0 .5 O 2 to the high-temperature Ni-Mn composite hydroxide by coprecipitation as a precursor preferably, less than 850 ℃ , There is a problem in the cycle life during firing.

한편, LiNiO2 을 Mn으로 치환한 LiNi1 - XMnXO2 의 제조를 위해서는 600∼800℃ 정도의 비교적 저온에서의 소성시에도 입자 형성이 가능하다는 견해도 있지만, 일본특허 특개평 8-171910 호에는 LiNiO2 을 기본으로 하는 리튬(Lithium) 함유 복합 산화물을 800 ℃ 이상의 고온으로 합성하는 것은 오히려 바람직하지 않다고 설명하고 있다.
On the other hand, for the production of LiNi 1 - X Mn x O 2 in which LiNiO 2 is substituted with Mn, there is a view that particles can be formed even at a relatively low temperature of about 600 to 800 ° C. However, Japanese Patent Laid- It is rather undesirable to synthesize a lithium-containing complex oxide based on LiNiO 2 at a high temperature of 800 ° C or higher.

미국 특허 제5393622호 공보U.S. Patent No. 5393622 미국 특허 제5370948호 공보U.S. Patent No. 5370948 일본특허공개 2002-42813 호Japanese Patent Laid-Open No. 2002-42813 일본특허 특개평 8-171910 호Japanese Patent Laid-Open No. 8-171910

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 충분한 결정성으로 구조 안정성을 나타내면서도 수명 특성과 율특성 등의 전기 화학 특성이 우수한 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 Li-Mn-Ni계 복합 산화물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a method for producing a Li-Mn-Ni composite oxide excellent in electrochemical characteristics such as life characteristics and rate characteristics while exhibiting structural stability with sufficient crystallinity, It is another object of the present invention to provide a Li-Mn-Ni composite oxide produced by the above method.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 The present invention has been made to solve the above problems

리튬원, 니켈원, 망간원을 당량비로 혼합하는 단계;A lithium source, a nickel source, and a manganese source at an equivalent ratio;

상기 혼합물을 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리에 기계적 에너지를 인가하여 분쇄하는 단계; Mixing the mixture with a solvent to prepare a slurry, and pulverizing the slurry by applying mechanical energy;

분무 건조하는 단계; 및 Spray drying; And

800 내지 900℃ 의 온도로 소성하는 단계; 에 의하여 제조되고 아래 일반식으로 표시되는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법을 제공한다. Calcining at a temperature of 800 to 900 占 폚; And a method for producing a Li-Mn-Ni composite oxide represented by the following general formula.

[일반식] Li[Ni0 .6+3 xMn0 .4-3x]O2 (단 0.01≤x≤0.1)
[Formula] Li [Ni 0 .6 + 3 x Mn 0 .4-3x] O 2 ( stage 0.01≤x≤0.1)

본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법은 종래 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 일반적인 제조 방법과는 달리, 고상 혼합 및 습식 분쇄법을 적용하여 제조가 용이하면서도 분무 건조에 의하여 2차 입자의 구형 형상 및 크기를 제어할 수 있는 장점이 있다.Unlike conventional Li-Mn-Ni composite oxides, Li-Mn-Ni composite oxide according to the present invention can be easily prepared by solid-phase mixing and wet grinding, There is an advantage in that the shape and size of the spherical shape of the tea particles can be controlled.

상기 리튬원, 니켈원, 망간원을 당량비로 혼합하는 단계에서는 리튬, 니켈, 망간을 포함하는 탄산염, 수산화염, 황산염, 인산염 등이 일반적으로 사용될 수 있다. In the step of mixing the lithium source, the nickel source and the manganese source in an equivalent ratio, carbonates, hydroxides, sulfates, and phosphates including lithium, nickel, and manganese can be generally used.

상기 혼합물을 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리에 에너지를 인가하여 분쇄하는 단계에서는 물리적인 기계적 에너지 또는 화학적 에너지를 인가하여 입자를 분쇄할 수 있다.
The mixture is mixed with a solvent to prepare a slurry. In the step of pulverizing the slurry by applying energy, physical mechanical energy or chemical energy may be applied to pulverize the particles.

본 발명에서는 잘 알려진 바와 같이 산화물에 함유되는 니켈 원소의 비율이 증가하면, 고온 소성시에, 리튬 이온과 니켈 이온이 치환되는 디스오더(disorder)가 발생하여 본래 리튬 이온이 차지하는 사이트에 니켈 이온이 혼재하는 cation mixing 현상이 발생하여 충방전에 수반하는 리튬 이온의 이동이 저해되어 용량이 저하될 수 있으므로, 소성 온도를 800 내지 900℃로 유지하는 것이 바람직하다.
As is well known in the present invention, when the ratio of the nickel element contained in the oxide is increased, a disorder occurs in which the lithium ion and the nickel ion are substituted at the time of high-temperature firing, and nickel ions It is preferable to keep the firing temperature at 800 to 900 占 폚 because the mixed cation mixing phenomenon occurs and the movement of lithium ions accompanying charge and discharge is inhibited and the capacity may be lowered.

본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법은 Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 원소로 표면을 도핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The method for producing a Li-Mn-Ni composite oxide according to the present invention is a method for producing a Li-Mn-Ni composite oxide which is doped with at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, Further comprising the steps of:

본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법은 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 표면에 Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, 및 Sn 으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 도핑시킴으로써, Li층에 Ni가 들어가는 cation mixing 현상을 방지할 수 있다. 즉, 양극활물질 표면이 코팅되면 표면으로부터 전이 금속이 용출되는 것을 억제하거나 고전압에서 표면의 안정성을 강화시키고, 도핑에 의해 불순물을 미량 첨가함으로써 금속 자리를 일부 치환하여 구조적인 안정성을 향상시킴으로써 고전압 충방전이 가능하게 되어 기존보다 더 큰 용량이나, 더 좋은 수명을 얻을 수 있다.
The method for producing a Li-Mn-Ni composite oxide according to the present invention is characterized in that the surface of a Li-Mn-Ni composite oxide is formed from a group consisting of Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, By doping at least one selected element, cation mixing phenomenon in which Ni enters the Li layer can be prevented. That is, when the surface of the cathode active material is coated, the transition metal is prevented from being eluted from the surface or the stability of the surface is enhanced at a high voltage, and a small amount of impurities are doped by doping to partially replace the metal sites, This allows for greater capacity or better life than ever before.

본 발명은 또한, 상기 본 발명의 제조 방법에 의하여 제조된 아래 일반식으로 표시되는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물을 제공한다. The present invention also provides a Li-Mn-Ni composite oxide represented by the following general formula prepared by the production method of the present invention.

[일반식] Li[Ni0 .6+3 xMn0 .4-3x]O2 (단 0.01≤x≤0.1) [Formula] Li [Ni 0 .6 + 3 x Mn 0 .4-3x] O 2 ( stage 0.01≤x≤0.1)

본 발명은 또한, 표면이 Mg, Ti, Cr, Fe,Co,Cu,Zn,Al,Ge,및 Sn으로 되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 원소로 도핑되고 상기 일반식으로 표시되는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물을 제공한다. The present invention also provides a method for producing a Li-Mn-Al-based alloy, which is doped with at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, Ni composite oxide.

본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 α-NaFeO2 형 결정 구조, 즉, NCM 복합 산화물과 같이 층상 구조로, 전이금속과 산소로 구성된 금속 산화물 층과 리튬을 둘러싸고 있는 산소 팔면체 층이 서로 교대로 배열하고 있으며, MO2층 내부는 강한 이온결합을 형성하여 MO2와 MO2층 사이에는 쿨롱 반발력이 작용하기 때문에 리튬이온은 intercalation/deintercalation이 가능하며 2차원 평면을 따라서 확산하므로 이온전도도가 높아진다. The Li-Mn-Ni composite oxide of the present invention has an α-NaFeO 2 type crystal structure, that is, a layered structure such as an NCM composite oxide, and a metal oxide layer composed of a transition metal and oxygen and an oxygen octahedron layer surrounding lithium Since the MO 2 layer forms a strong ionic bond and the Coulomb repulsion between the MO 2 and MO 2 layers acts, lithium ions can intercalate / deintercalate and diffuse along the two-dimensional plane, .

본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 1차 입자가 응집되고 2차 입자를 형성한 복합 산화물이고, 상기 2차 입자의 D50 이 10∼15 ㎛이고, 상기 1 차 입자의 평균 입경이 0.5 내지 3 ㎛인 것을 특징으로 한다. The Li-Mn-Ni composite oxide of the present invention is a composite oxide in which primary particles are aggregated and formed secondary particles, and the D 50 of the secondary particles is 10 to 15 탆, and the average particle diameter of the primary particles is 0.5 to 3 mu m.

본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물에 있어서, 1차 입자의 입경이 3 ㎛ 이상으로 큰 경우에는, 리튬 함유 복합 산화물의 반응 면적이 커져, 활성점이 많아지기 때문에 대기 중의 수분; 전극의 전극 합제층의 형성에 사용하는 결착제 ; 및 비수전해질과, 리튬 함유 복합 산화물의 불가역 반응이 일어나기 쉬워진다. 이에 따라, 전기 화학 소자 내에서 가스가 발생하여 외장체가 변형되거나, 전극 합제층의 형성에 사용하는 용제를 포함하는 조성물(페이스트, 슬러리 등)이 겔화되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물에 있어서, 1차 입자의 입경을 조절하는 것이 중요하다. In the Li-Mn-Ni composite oxide of the present invention, when the particle diameter of the primary particles is as large as 3 m or more, the reaction area of the lithium-containing complex oxide becomes large and the number of active sites increases. A binder used for forming an electrode mixture layer of the electrode; And the non-aqueous electrolyte and the lithium-containing complex oxide tend to occur irreversibly. As a result, a problem may arise in that the composition (paste, slurry, etc.) containing the solvent used for forming the electrode mixture layer is gelated because gas is generated in the electrochemical device to deform the casing. Therefore, in the Li-Mn-Ni composite oxide of the present invention, it is important to control the particle diameter of the primary particles.

본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 시차 주사 열량계에 의한 발열 피크가 270℃ 이상에서 나타나 열안정성이 매우 높은 것을 특징으로 한다.The Li-Mn-Ni composite oxide of the present invention is characterized in that an exothermic peak due to a differential scanning calorimeter is 270 DEG C or more, and the heat stability is very high.

본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 구성하는 산소 원자의 배열이 입방최밀구조인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 Ni 원자와 Mn 원자가 원자 레벨에서 고용되는 층구조로 산소의 배열은 입방최밀구조를 나타낸다.
The Li-Mn-Ni composite oxide of the present invention is characterized in that the arrangement of oxygen atoms constitutes a cubic dense structure. The Li-Mn-Ni composite oxide of the present invention has a layer structure in which Ni atoms and Mn atoms are solved at the atomic level, and the arrangement of oxygen exhibits a cubic dense structure.

본 발명의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법은 고상 혼합, 및 습식 분쇄법을 적용하여 제조가 용이하면서도, 분무 건조에 의하여 2차 입자의 구형 형상 및 크기를 제어할 수 있으며, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 층상 구조로 구조 안정성 및 열 안정성이 우수할 뿐만 아니라 이를 포함하는 전지는 전기 화학 특성이 우수하다. The method for producing the Li-Mn-Ni composite oxide of the present invention can control the spherical shape and size of the secondary particles by spray drying, while facilitating the production by applying solid-phase mixing and wet grinding, The Li-Mn-Ni composite oxide prepared by the method of the present invention has a layered structure, which is excellent in structural stability and thermal stability, and has excellent electrochemical properties.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 조성 변화에 따른 SEM 사진을 측정한 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 조성 변화에 따른 XRD 측정 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 LiNi0 .7Mn0 .3O2 복합 산화물에 대한 입도를 분석한 결과를 나타내었다.
도 4와 도 5 는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 양극활물질을 포함하는 전지에 대해서 수명 특성 및 율 특성을 측정한 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 소성 온도별 LiNi0 .7Mn0 .3O2 복합 산화물에 대한 SEM 사진을 측정한 결과를 나타내었다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 소성 온도별 LiNi0 .7Mn0 .3O2 복합 산화물에 대한 XRD 사진을 나타내었다.
도 8 과 도 9 는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 소성 온도별 양극활물질을 포함하는 전지에 대해서 각각 수명 특성 및 율 특성을 측정한 결과를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 Mg 이 도핑된 활물질에 대한 SEM 사진을 나타내었다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 Mg 이 도핑된 활물질에 대한 XRD 를 측정한 결과를 나타내었다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 Mg 이 도핑된 활물질과 Mg 이 도핑되지 않은 활물질에 대해 DSC 를 측정한 결과를 나타내었다.
FIG. 1 shows SEM photographs of a Li-Mn-Ni composite oxide prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows XRD measurement results according to the compositional change of the Li-Mn-Ni composite oxide prepared in one embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows the result of analyzing the particle size of LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 composite oxide prepared in one embodiment of the present invention.
FIGS. 4 and 5 show results of measurement of lifetime characteristics and rate characteristics for a battery including a cathode active material manufactured in an embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows SEM photographs of LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 composite oxides prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows the XRD picture for the sintering temperature by LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 composite oxide prepared in one embodiment of the present invention.
FIGS. 8 and 9 show the results of measurement of life characteristics and rate characteristics for a battery including a cathode active material according to an embodiment of the present invention.
10 is a SEM photograph of the Mg-doped active material prepared in one embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows XRD measurement results of the Mg-doped active material prepared in one embodiment of the present invention.
FIG. 12 shows DSC measurement results of Mg-doped active material and Mg-doped active material prepared in one embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited by the following examples.

<< 실시예Example 1>  1> LiLi -- MnMn -- NiNi 계 복합 산화물을 제조Composite oxides

니켈원으로서 망간원으로서 리튬원으로서 각각 당량비로 혼합하고, 860℃ 에서 소성하여 다음 표 1과 같은 Li-Mn-Ni계 복합 산화물을 제조하였다. 비교예로서, LiNi0 .5Mn0 .5O2 을 제조하였다. And a lithium source as a source of manganese as a source of nickel, and then calcined at 860 占 폚 to prepare a Li-Mn-Ni composite oxide shown in Table 1 below. As a comparative example, LiNi 0 .5 Mn 0 .5 O 2 .

실시예 1-1Example 1-1 실시예 1-2Examples 1-2 실시예 1-3Example 1-3 비교예 1 Comparative Example 1 LiNi0.65Mn0.35O2LiNi0.65Mn0.35O2 LiNi0.7Mn0.3O2LiNi0.7Mn0.3O2 LiNi0.8Mn0.2O2LiNi0.8Mn0.2O2 LiNi0.5Mn0.5O2LiNi0.5Mn0.5O2

<< 실험예Experimental Example 1-1> 조성 분석 1-1> Composition analysis

상기 실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물에 대한 조성 분석을 평가하고 그 결과를 표 2에 나타내었다. The compositional analysis of the Li-Mn-Ni composite oxide of Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples was evaluated, and the results are shown in Table 2.

실시예 1-1Example 1-1 실시예 1-2Examples 1-2 실시예 1-3Example 1-3 비교예 1 Comparative Example 1 구 분division LiNi0.65Mn0.35O2LiNi0.65Mn0.35O2 LiNi0.7Mn0.3O2LiNi0.7Mn0.3O2 LiNi0.8Mn0.2O2LiNi0.8Mn0.2O2 LiNi0.5Mn0.5O2LiNi0.5Mn0.5O2 ContentsContents Ni/(Ni+Co+Mn)Ni / (Ni + Co + Mn) 0.6470.647 0.6890.689 0.7920.792 0.4970.497 Mn/(Ni+Co+Mn)Mn / (Ni + Co + Mn) 0.3530.353 0.3110.311 0.2080.208 0.5030.503 ImpuritiesImpurities Fe[ppm]Fe [ppm] 3232 1717 1515 2121 Al[ppm]Al [ppm] -- 8282 9898 6767 Ca[ppm]Ca [ppm] 4444 5353 4848 5151 Mg[ppm]Mg [ppm] 1919 2626 1919 2424 Na[ppm]Na [ppm] 361361 546546 390390 437437 Zn[ppm]Zn [ppm] -- 1One 1One -- Cu[ppm]Cu [ppm] 1One -- -- -- S[ppm]S [ppm] 10541054 13041304 10691069 11201120

<< 실험예Experimental Example 1-2>  1-2> SEMSEM 사진 측정 Photo measurement

상기 실시예에서 제조된 실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예의 Li-Mn-Ni계 복합 산화물에 대한 SEM 사진을 측정하고 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이 1차 입자의 크기가 1 내지 3 ㎛ 범위이지만, 조성에 따라 1차 입자의 크기가 달라지는 것을 알 수 있다.
SEM photographs of the Li-Mn-Ni composite oxide of Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples prepared in the above Examples were measured, and the results are shown in FIG. As shown in FIG. 1, the size of the primary particles is in the range of 1 to 3 μm, but the size of the primary particles varies depending on the composition.

<< 실험예Experimental Example 1-3>  1-3> XRDXRD 측정 Measure

상기 실시예 1-2에서 제조된 LiNi0 .7Mn0 .3O2 복합 산화물이 층상 구조를 형성하는지 여부를 XRD 를 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 비교예로서 유미코아의 LiNi0 .5Co0 .2Mn0 .3O2 에 대한 XRD 측정 결과를 함께 나타내었다. 도 2에서 본 발명의 실시예 1-2에서 제조된 Li-Mn-Ni 계 복합 산화물이 층상 구조를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
Example 1-2 The LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 composite oxide prepared in the XRD measurements whether to form a layered structure and the results are shown in Figure 2. Comparative Example LiNi 0 of Umicore as 0.5 exhibited XRD measurement results for Co 0 .2 Mn 0 .3 O 2 together. FIG. 2 shows that the Li-Mn-Ni composite oxide prepared in Example 1-2 of the present invention exhibits a layered structure.

<< 실험예Experimental Example 1-4> 입도 분석 1-4> Particle size analysis

상기 실시예 1-2에서 제조된 LiNi0 .7Mn0 .3O2 복합 산화물에 대한 입도를 분석하고 그 결과를 도 3 및 표 3에 나타내었다. 평균 입경 분석 결과 LiNi0 .7Mn0 .3O2 복합 산화물의 D50 는 12㎛ 로 측정되었다. The particle size of LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 composite oxide prepared in Example 1-2 was analyzed and the results are shown in FIG. 3 and Table 3. As a result of the analysis of average particle diameter, D 50 of LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 composite oxide was measured to be 12 μm.

구분division PSDPSD 입도 분포Particle size distribution D10 D 10 D50 D 50 D90 D 90 Dmax D max 4.814.81 12.2812.28 31.0931.09 69.1869.18

<< 제조예Manufacturing example > 전지 제조> Battery Manufacturing

Binder(PVDF8%)에 도전재(Denka black)을 넣고 균일하게 고속 교반한 후 상기 실시예 1 내지 2의 양극 활물질을 넣고 20 min 이상 고속 교반기로 균일하게 교반하였다. 이때 슬러리의 조성 비율은 92 : 4 : 4 (활물질 : Binder : 도전재)로 하였다. Denka black was added to the binder (PVDF 8%) and uniformly stirred at a high speed. Then, the cathode active materials of Examples 1 and 2 were added and stirred uniformly with a high-speed stirrer for 20 min or more. At this time, the composition ratio of the slurry was 92: 4: 4 (active material: Binder: conductive material).

균일하게 혼합된 슬러리를 잘 펼쳐진 Al Foil 위에 일정한 두께로 도포하는데, 이 때 Loading Level은 9.0 ± 1.0 mg/cm2 이 되도록 하였다. 슬러리로 Coating 된 Al Foil을 Dry Oven 130 온도에서 1hr 동안 1차 건조를 한 후 압연을 하는데 압연 후 코팅두께는 32.0± 1.0 ㎛ 가 되도록 하며 압연 밀도는 2.5 ± 0.1 g/cm3 이 되도록 하였다. Vacuum Oven 100℃ 에서 3 시간동안 건조하여 최종적으로 극판을 제조하였다. 제조된 전극은 Punch를 이용하여 잘라 양극 Can에 Welding을 하여 사용하며, 음극 Can은 Ni mesh를 Welding 한 후 Glove Box나 Dry room에서 Coin Cell을 조립하였다.
The uniformly mixed slurry was applied to a uniformly spread Al foil with a constant thickness, with a Loading Level of 9.0 ± 1.0 mg / cm 2 . Al Foil coated with slurry was first dried at 130 ° C for 1 hour and then rolled. The thickness of the coating after rolling was 32.0 ± 1.0 μm and the rolling density was 2.5 ± 0.1 g / cm 3 . Vacuum Oven After drying at 100 ° C for 3 hours, an electrode plate was finally prepared. The prepared electrode was cut using punch and welded to the anode can. The anode Can was welded with a Ni mesh, and then the coin cell was assembled in a glove box or a dry room.

<< 실험예Experimental Example 1-5>  1-5> 조성별By composition 수명 특성 및 율 특성 측정 Measurement of life characteristics and rate characteristics

상기 제조예에서 제조된 실시예 1-1 내지 1-3의 양극활물질을 포함하는 전지에 대해서 수명 특성 및 율 특성을 측정하고 그 결과를 표 4, 도 4 및 도 5 에 각각 나타내었다. The life characteristics and the rate characteristics of the batteries including the cathode active materials of Examples 1-1 to 1-3 prepared in the above Production Example were measured and the results are shown in Tables 4, 4 and 5, respectively.

실시예 1-1Example 1-1 실시예 1-2Examples 1-2 실시예 1-3Example 1-3 비교예 1Comparative Example 1 구분division LiNi0 .65Mn0 .35O2 LiNi 0 .65 Mn 0 .35 O 2 LiNi0 .7 Mn0 .3O2 LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 LiNi0 .8Mn0 .2O2 LiNi 0 .8 Mn 0 .2 O 2 LiNi0 .5Mn0 .5O2 LiNi 0 .5 Mn 0 .5 O 2 0.2C0.2C 155.9155.9 161.6161.6 174.8174.8 132.4132.4 7C/0.2C7C / 0.2C 64.664.6 71.971.9 69.669.6 58.158.1 Cycle@50Cycle @ 50 122.1122.1 131.1131.1 122.8122.8 102.2102.2

상기 표 4, 도 5 및 도 6 에서 본원 발명의 Li-Ni-Mn 산화물이 비교예인 LiNi0.5Mn0.5O2 보다 수명 특성 및 율 특성이 현저하게 개선되는 것을 알 수 있다.
In Table 4, FIG. 5, and FIG. 6, it can be seen that the Li-Ni-Mn oxide of the present invention is significantly improved in life characteristics and rate characteristics than LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 of the comparative example.

<< 실시예Example 2> 소성 온도별  2> By firing temperature LiLi -- MnMn -- NiNi 계 복합 산화물을 제조Composite oxides

본 발명의 Li-Ni-Mn 복합 산화물의 소성 온도에 의한 구조적 특성 및 전기 화학적 특성을 알아보기 위해 상기 실시예 1-2의 LiNi0 .7Mn0 .3O2 조성에 대해 소성 온도를 860, 880, 900 ℃ 로 변화시키면서 복합 산화물 실시예 2-1, 2-2, 2-3 을 제조하였다.
In order to investigate the structural and electrochemical properties of the Li-Ni-Mn composite oxide according to the present invention, the calcination temperature was 860 ° C. for the composition of LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 of Example 1-2, 880 and 900 ° C, composite oxides Examples 2-1, 2-2 and 2-3 were prepared.

<< 실험예Experimental Example 2-1> 소성 온도별  2-1> By firing temperature SEMSEM 사진 측정 Photo measurement

상기 실시예 2에서 소성 온도를 다르게 하여 제조된 실시예 2-1 내지 실시예 2-3의 LiNi0 .7Mn0 .3O2 복합 산화물에 대한 SEM 사진을 도 6에 나타내었다. 도 6에서 소성 온도가 상승함에 따라 1차 입자의 크기가 성장하는 것을 알 수 있다.
FIG. 6 shows SEM photographs of LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 composite oxides of Examples 2-1 to 2-3 prepared at different firing temperatures in Example 2. In FIG. 6, it can be seen that as the firing temperature rises, the size of primary particles grows.

<< 실험예Experimental Example 2-2> 소성 온도별  2-2> By firing temperature XRDXRD 측정 Measure

실시예 2-1 내지 실시예 2-3의 소성 온도별 LiNi0 .7Mn0 .3O2 복합 산화물에 대한 XRD 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7에서 소성 온도가 달라지더라도 결정 구조는 크게 달라지지 않는 것을 확인할 수 있다.
Embodiment is shown in Example 2-1 to Example 2-3 firing temperature by LiNi 0 .7 Mn 0 .3 O 2 7 photographs the XRD for the compound oxide. It can be seen from FIG. 7 that even if the firing temperature is changed, the crystal structure does not change greatly.

<< 실험예Experimental Example 2-3> 소성 온도별 수명 특성 및 율 특성 측정  2-3> Measurement of lifetime characteristics and rate characteristics by firing temperature

상기 소성 온도별 실시예 2-1 내지 실시예 2-3의 양극활물질을 포함하는 전지에 대해서 수명 특성 및 율 특성을 측정하고 그 결과를 표 4, 도 8 및 도 9 에 각각 나타내었다. 소성 온도가 860℃ 일 때 수명 특성 및 율 특성이 가장 높게 측정되었다.
The life characteristics and the rate characteristics of the batteries including the cathode active materials of Examples 2-1 to 2-3 were measured according to the firing temperatures, and the results are shown in Tables 4, 8, and 9, respectively. When the firing temperature was 860 ℃, the life characteristics and the rate characteristics were the highest.

<< 실시예Example 3> 표면  3> Surface 도핑된Doped LiLi [[ Ni0Ni0 .7.7 Mn0Mn0 .3]O2 활물질 제조.3] O2 active material preparation

Li[Ni0 .7Mn0 .3]O2 활물질에 Al, Mg, An 염 용액을 첨가하여 표면 코팅을 실시하고 실시예 3-1 내지 3-3 의 활물질을 제조하였다. 도핑시키지 않은 Li[Ni0.7Mn0.3]O2 활물질을 비교예로 제조하였다.
The active material of Examples 3-1 to 3-3 was prepared by surface coating with addition of Al, Mg, and An salts solution to Li [Ni 0 .7 Mn 0 .3 ] O 2 active material. Li [Ni 0.7 Mn 0.3 ] O 2 active material not doped was prepared as a comparative example.

<< 실험예Experimental Example 3-1> 도핑 원소별  3-1> by doping element SEMSEM 사진 측정 Photo measurement

Al, Mg, An 염 용액을 첨가하여 도핑을 실시한 실시예 3-1 내지 3-3 의 활물질에 대한 SEM 사진을 측정하고 그 결과를 도 10에 나타내었다.
SEM photographs of the active materials of Examples 3-1 to 3-3 in which doping was performed by adding Al, Mg, and An salt solutions were measured, and the results are shown in FIG.

<< 실험예Experimental Example 3-1> 도핑 후  3-1> After doping XRDXRD 측정 Measure

상기 실시예 3-2 에서 제조된 Mg 이 도핑된 활물질에 대한 XRD 를 측정하고 그 결과를 도 11 에 나타내었다. 도 11에서 Mg 도핑후에도 층상 구조를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
The XRD of the Mg-doped active material prepared in Example 3-2 was measured and the results are shown in FIG. It can be confirmed that the layered structure is maintained even after Mg doping in FIG.

<< 실험예Experimental Example 3-2> 도핑에 따른  3-2> According to doping 열안전성Thermal stability 측정 Measure

상기 실시예 3-2 에서 제조된 Mg 이 도핑된 활물질과 Mg 이 도핑되지 않은 활물질에 대해 DSC 를 측정하고 그 결과를 도 12 에 나타내었다. DSC was measured for the Mg-doped active material prepared in Example 3-2 and the Mg-doped non-doped active material, and the results are shown in FIG.

도 12 에서 Mg 도핑 후 발열 시작점의 온도가 높아졌으며, 발열 피크의 세기가 감소하여 Mg 도핑에 의해 구조적 안정성 및 열안정성이 증가했다는 것을 알 수 있다. In FIG. 12, it can be seen that the temperature of the heat generation starting point after the Mg doping is increased, and the intensity of the exothermic peak is decreased, thereby increasing the structural stability and thermal stability by Mg doping.

Claims (8)

리튬원, 니켈원, 망간원을 당량비로 혼합하는 단계;
상기 혼합물을 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리에 기계적 에너지를 인가하여 분쇄하는 단계;
분무 건조하는 단계;
800 내지 900℃ 의 온도로 소성하는 단계;에 의하여 아래 일반식으로 표시되는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물을 제조하는 단계; 및
[일반식] Li[Ni0.6+3xMn0.4-3x]O2 (단 0.01≤x≤0.1)
Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, Sn으로 되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 원소로 표면을 도핑하는 단계;에 의하여 제조되고,
상기 일반식으로 표시되고 표면이 Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge 및 Sn 으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 원소로 도핑되는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물의 제조 방법.
A lithium source, a nickel source, and a manganese source at an equivalent ratio;
Mixing the mixture with a solvent to prepare a slurry, and pulverizing the slurry by applying mechanical energy;
Spray drying;
Firing the mixture at a temperature of 800 to 900 DEG C to produce a Li-Mn-Ni composite oxide represented by the general formula below; And
[General Formula] Li [Ni 0.6 + 3x Mn 0.4-3x ] O 2 ( 0.01? X? 0.1 )
Doping the surface with at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge and Sn,
The production of a Li-Mn-Ni composite oxide represented by the above general formula and doped with at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Way.
삭제delete 삭제delete 제 1 항의 제조 방법에 의하여 제조되고, 상기 일반식으로 표시되며, 표면이 Mg, Ti, Cr, Fe,Co,Cu,Zn,Al,Ge 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 원소로 도핑되는 것을 특징으로 하는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물.
A method of manufacturing a semiconductor device, which is manufactured by the manufacturing method of claim 1 and is represented by the general formula and doped with at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Li-Mn-Ni-based composite oxide.
제 4 항에 있어서,
상기 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 α-NaFeO2 형 결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물.
5. The method of claim 4,
Wherein the Li-Mn-Ni composite oxide has an? -NaFeO 2 type crystal structure.
제 4 항에 있어서,
상기 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 1차 입자가 응집되고 2차 입자를 형성한 복합 산화물이고, 상기 2차 입자의 D50 이 10∼15 ㎛이고, 상기 1 차 입자의 평균 입경이 1 내지 3 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물.
5. The method of claim 4,
Wherein the Li-Mn-Ni-based composite oxide is a composite oxide in which primary particles are aggregated and formed secondary particles, the D 50 of the secondary particles is 10 to 15 탆, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; Li-Mn-Ni &lt; / RTI &gt;
제 4 항에 있어서,
상기 Li-Mn-Ni계 복합 산화물은 시차 주사 열량계에 의한 발열 피크가 270℃ 이상에서 나타나는 것을 특징으로 하는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물.
5. The method of claim 4,
Wherein the Li-Mn-Ni composite oxide exhibits an exothermic peak at 270 占 폚 or higher by a differential scanning calorimeter.
제 4 항에 있어서,
상기 Li-Mn-Ni계 복합 산화물을 구성하는 산소 원자의 배열이 입방최밀충전인 것을 특징으로 하는 Li-Mn-Ni계 복합 산화물.
5. The method of claim 4,
Wherein the arrangement of oxygen atoms constituting the Li-Mn-Ni composite oxide is a cubic closest packing.
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