JP2018506140A - 濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質を製造する方法、及びこれによって製造された濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質 - Google Patents

濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質を製造する方法、及びこれによって製造された濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質 Download PDF

Info

Publication number
JP2018506140A
JP2018506140A JP2017533200A JP2017533200A JP2018506140A JP 2018506140 A JP2018506140 A JP 2018506140A JP 2017533200 A JP2017533200 A JP 2017533200A JP 2017533200 A JP2017533200 A JP 2017533200A JP 2018506140 A JP2018506140 A JP 2018506140A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
active material
positive electrode
electrode active
lithium secondary
aqueous solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017533200A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6722673B2 (ja
Inventor
モンホウ チョイ,
モンホウ チョイ,
ジクスー キム,
ジクスー キム,
ジンキョン ユン,
ジンキョン ユン,
スクヨン ジョン,
スクヨン ジョン,
ジェヨン ジュン,
ジェヨン ジュン,
ヨンチュル スン,
ヨンチュル スン,
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecopro BM Co Ltd
Original Assignee
Ecopro BM Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ecopro BM Co Ltd filed Critical Ecopro BM Co Ltd
Publication of JP2018506140A publication Critical patent/JP2018506140A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6722673B2 publication Critical patent/JP6722673B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00Compounds of nickel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00Compounds of nickel
    • C01G53/006Compounds containing, besides nickel, two or more other elements, with the exception of oxygen or hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00Compounds of nickel
    • C01G53/40Nickelates
    • C01G53/42Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2
    • C01G53/44Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2 containing manganese
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50Solid solutions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/85Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by XPS, EDX or EDAX data
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/01Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

本発明は濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質の製造方法、及びこれによって製造された濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質に関し、より詳しくは、以後の熱処理過程による熱拡散が起こっても濃度勾配層が維持できるように障壁層を形成することを特徴とする濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質の製造方法、及びこれによって製造された濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質に関する。【選択図】 図2

Description

本発明は濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質を製造する方法、及びこれによって製造された濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質に関し、より詳しくは、以後の熱処理過程による熱拡散が起こっても濃度勾配層が維持できるように障壁層を含むことを特徴とする濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質を製造する方法、及びこれによって製造された濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質に関する。
現在適用されている二次電池のうち、1990年代初に開発されたリチウムイオン電池は、小型、軽量、大容量電池として1991年に登場した以来、携帯機器の電源として広く使われた。
リチウム二次電池は、水系電解液を使用するNi−MH、Ni−Cd、硫酸−鉛電池などの在来式電池に比べて作動電圧が高く、エネルギー密度が格段に大きいという長所により脚光を浴びている。特に、最近には内燃機関とリチウム二次電池を混成化(hybrid)した電気自動車用動力源に関する研究が米国、日本、及びヨーロッパなどで活発に進行中である。
しかしながら、エネルギー密度の観点から電気自動車用の大型電池にリチウムイオン電池の使用を考慮してはいるが、今までは安全性の観点からニッケル水素電池が使われている。電池自動車用に使われるためのリチウムイオン電池において、最大の当面課題は高い価格と安全性である。特に、現在商用化されて使われているLiCoOやLiNiOのような正極活物質は、過充電状態の電池を200〜270℃で加熱すれば、急激な構造変化が発生するようになり、そのような構造変化によって格子内の酸素が放出される反応が進行されて充電時の脱リチウムによる結晶構造の不安定により熱的特性が非常に劣る短所を有している。
これを改善するためにニッケルの一部を遷移金属元素の置換して発熱開始温度を若干高温側に移動させるか、または急激な発熱を防止するなどが試みられている。ニッケルの一部をコバルトに置換したLiNi1−xCoxO(x=0.1−0.3)物質の場合、優れる充・放電特性と寿命特性を見せるが、熱的安全性の問題は解決できなかった。また、Ni個所に熱的安全性に優れるMnを一部置換したLi−Ni−Mn系複合酸化物またはMn及びCoに置換したLi−Ni−Mn−Co系複合酸化物の組成とその製造に関連した技術もたくさん知られており、最近、日本特許2000−227858号ではLiNiOやLiMnOに遷移金属を部分置換する概念でなく、MnとNi化合物を原子レベルで均一に分散させて固溶体を作る新たな概念の正極活物質を開示した。例えば、NiをMn及びCoに置換したLi−Ni−Mn−Co系複合酸化物の組成に対するヨーロッパ特許0918041や米国特許6040090によれば、LiNi1−xCoxMnyO(0<y ≦0.3)は既存のNiとCoだけで構成された材料に比べて向上した熱的安全性を有するが、相変らずNi系の熱的安全性を解決できなかった。
このような短所を解決するために電解質と接する正極活物質の表面組成を変化させる方法を適用するようになったし、このような方法のうちの一つが表面コーティング方法である。一般的に、コーティング量は正極活物質対比1〜2重量%以下の小さな量で、コーティング層は数ナノミリメートル位の極めて薄い薄膜層を形成して電解液との副反応を抑制することと知られているか、またはコーティング後の熱処理温度が高い場合、粉末粒子の表面に固溶体を形成して粒子の内部と異なる金属組成を有する場合がある。この場合、コーティング物質と結合した表面層が数十ナノミリメートル以下に知られており、コーティング層と粒子バルクとの急激な組成差があって数百サイクルの長期使用時、その効果が減るようになる。
また、前記コーティング層が表面に均等に分布しない不完全なコーティングによってその効果が半減される。
このような短所を無くすために韓国特許出願番号第10−2005−7007548号に金属組成の濃度勾配を有するリチウム遷移金属酸化物に対する特許が提案されている。しかしながら、この方法は合成時、内部層と外部層の金属組成を異なるように合成することができるが、生成された正極活物質で金属組成が連続して漸進的に変わらない。熱処理過程を通じて金属組成の漸進的な勾配がなされることはできるが、850℃以上の高い熱処理温度では金属イオンの熱拡散によって濃度勾配差がほとんど生じない。また、この発明により合成された粉末はキレーティング剤であるアンモニアを使用しないため、粉末のタブ密度が低くて、リチウム二次電池用正極活物質に使用するには適合しない。また、この方法は内部物質にリチウム遷移金属酸化物を使用する場合、外部層のリチウム量の制御が困難であるので、再現性が落ちる。
韓国特許出願番号第10−2004−0118280号には、コア−シェル構造を有する二重層構造を提案している。この特許ではCSTR反応器を使用して、コアには高い容量特性を有する正極組成を、外部シェルには熱的安全性に優れる正極組成物を組み合わせて高容量特性と熱的安全性に優れる材料を報告している。
しかしながら、この特許による場合にも内部コアと外部シェルとが合う界面で金属元素の拡散によって2つ界面の間の連続的な濃度分布を有する構造を形成し難いという問題点があった。
本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために、コアと外部シェルとが合う界面でも意図した連続的な濃度分布を示すことができる濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法、正極活物質の製造方法、及びこれによって製造された正極活物質前駆体、正極活物質を提供することを目的とする。
本発明は前記のような課題を解決するために、
キレーティング剤水溶液を反応器に投入する第1ステップ;
コア形成用水溶液、キレーティング剤水溶液、及び塩基性水溶液を反応器に同時に連続投入してコア層をなす球形の沈殿物を得る第2ステップ;
障壁層形成用水溶液、キレーティング剤水溶液、及び塩基性水溶液を反応器に同時に連続投入して障壁層をなす球形の沈殿物を得る第3ステップ;
シェル形成用水溶液を準備し、キレーティング剤水溶液、塩基性水溶液及び前記コア形成用水溶液とシェル形成用水溶液を混合させながら反応器に同時に連続投入して前記障壁層の表面にニッケルマンガンコバルトの濃度が相対的に漸進的に変わる濃度勾配層をなす沈殿物を得る第4ステップ;及び
前記沈殿物を乾燥させる第5ステップ;
前記乾燥された沈殿物を熱処理する第6ステップ;を含む濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法を提供する。
本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法において、前記障壁層形成用水溶液はNi及びMnを含むことを特徴とする。
本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法において、前記障壁層形成用水溶液はNiとMnを30:70乃至は70:30のモル比で含むことを特徴とする。
本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法において、前記障壁層形成用水溶液はNiとMnを50:50のモル比で含むことを特徴とする。
本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法において、前記コア形成用水溶液はNi:Co:Mn=a:b:1−(a+b)(0.7 ≦a ≦0.9、0 ≦b ≦0.2)のモル比で含むことを特徴とする。
本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法において、前記シェル形成用水溶液はNi:Co:Mn=a:b:1−(a+b)(0.3 ≦a ≦0.6、0 ≦b ≦0.4)のモル比で含むことを特徴とする。
本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法において、前記第4ステップでは前記コア形成用水溶液とシェル形成用水溶液を別途の予備反応器で混合し、混合溶液を反応器に同時に連続投入することを特徴とする。
本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法は、前記第4ステップと第5ステップとの間にシェル形成用水溶液、キレーティング剤水溶液、及び塩基性水溶液を混合させながら反応器に同時に連続投入してシェル層をなす球形の沈殿物を得る第4−2ステップをさらに含むことを特徴とする。
また、本発明は、本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法により製造された濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体を提供する。
本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体で障壁層は厚さが0.01μm以上から2.0μm未満であるか、または粒子体積対比1%以上から20%未満であることを特徴とする。
本発明による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の1次粒子のサイズは、障壁層を含まない同一組成の正極活物質前駆体の1次粒子のサイズより10〜40%減少することを特徴とする。
また、本発明は、
本発明により製造された濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体をリチウム化合物と混合させるステップ;
750〜1000℃で空気や酸素の酸化性雰囲気で10〜25時間熱処理するステップ;を含むことを特徴とする、濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供する。
また、本発明は、本発明により製造された濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質を提供する。
本発明は、濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質を製造する方法は、濃度が一定のコアと濃度勾配を示すシェル部の間に障壁層を含むことを特徴とし、このような本願発明により製造された正極活物質は、コアとシェルとの間の遷移金属の拡散が起こってもコアと外部シェルとが合う界面でも設計時に意図した連続的な濃度分布を示す効果を示す。
本発明の一実施例及び比較例で製造された活物質粒子のSEM写真を測定した結果を示す。 本発明の一実施例及び比較例で製造された活物質粒子内での遷移金属の濃度を測定した結果を示す。 本発明の一実施例及び比較例で製造された活物質粒子を含む電池の充放電特性を測定した結果を示す。 本発明の一実施例及び比較例で製造された活物質粒子を含む電池の残留リチウムを測定した結果を示す。
以下、本発明を実施例に従ってより詳細に説明する。しかしながら、本発明が以下の実施例により限定されるものではない。
<実施例−1>
回分式反応器(batch reactor)(容量90L)蒸溜水20リットルとアンモニア1kgを入れた後、コア形成用水溶液に硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が90:10:0の割合で混合された2.5M濃度の水溶液を53g投入した。
次に、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が90:10:0の割合で混合された2.5M濃度のコア形成用水溶液を2.41L/時間で、28%濃度のアンモニア水溶液を0.29リットル/時間で反応器に連続投入した。また、pH調整のために25%濃度の水酸化ナトリウム水溶液を供給してpHが11.2に維持されるようにした。インペラ速度は350rpmに調節した。作られたコア形成用水溶液とアンモニア、水酸化ナトリウム溶液を反応器内に連続して60.5L投入した。反応器の容量を勘案して決まった時間に上澄液を排出しながら反応を進行した。
次に、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が50:0:50の割合で混合された2.5モル濃度の障壁層形成用水溶液を作って、前記障壁層形成用水溶液を2.41L/時間で、28%濃度のアンモニア水溶液を0.29リットル/時間で反応器に連続投入した。この際、投入された前記障壁層形成用水溶液とアンモニア、水酸化ナトリウム3.7Lである。
次に、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比65:15:20を合せるために、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比が19.4:24.3:56.3の割合で混合された2.5M濃度の濃度勾配層形成用水溶液を作って、前記回分式反応器(batch reactor)の他の別途の撹拌機で前記硫酸ニッケル、硫酸コバルトのモル比が90:10の割合で混合された2.5M濃度のコア形成用水溶液と混合した。28%濃度のアンモニア水溶液は0.29L/時間の速度で投入し、水酸化ナトリウム溶液はpHが11.2になるように維持した。この際、投入されたシェル形成用水溶液とアンモニア水酸化ナトリウムは9.91Lである。
次に、第5ステップとして、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比が40:20:40の割合で混合されたシェル形成用水溶液を回分式反応器(batch reactor)で2.41L/時間、28%濃度のアンモニア水溶液は0.29L/時間の速度で投入し、水酸化ナトリウム溶液はpHが11.2になるように投入し、反応が終結された後、回分式反応器(batch reactor)から球形のニッケルマンガンコバルト複合水酸化物沈殿物を得た。
前記沈殿された複合金属水酸化物を濾過し、水洗浄した後、110℃の温風乾燥器で乾燥させて粉末を得ることができる。
次に、第7ステップとして、前記6ステップで得た複合金属水酸化物を水酸化リチウムと混合後、810℃で10〜20時間熱処理してリチウム二次電池用正極活物質を得た。
<実施例−2>
コア層の形成後、濃度勾配層を先に形成し、障壁層を形成したことを除いては、前記実施例1と同一にしてリチウム二次電池用正極活物質を得た。
<実施例−3>
コア層、濃度勾配層、シェル層を形成し、シェル層の最外郭に障壁層を形成したことを除いては、前記実施例1と同一にしてリチウム二次電池用正極活物質を得た。
<実施例−4>
コア層の形成後、濃度勾配層を形成せず、障壁層及びシェル層を形成したことを除いては、前記実施例1と同一にしてリチウム二次電池用正極活物質を得た。
<実施例−5>
粒子平均組成がNi:Co:Mnが64:19:17になるようにしたことを除いては、前記実施例1と同一にしてリチウム二次電池用正極活物質を得た。
<実施例−6>
粒子平均組成がNi:Co:Mnが66:17:17になるように設計し、熱処理温度を920℃で実施したことを除いては、前記実施例1と同一にしてリチウム二次電池用正極活物質を得た。
<比較例−1>
回分式反応器(batch reactor、容量90L)に蒸溜水20リットルとアンモニア1kgを入れた後、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が90:10:0の割合で混合された2.5M濃度の水溶液を53g投入した。
反応器内の温度を46℃に維持しながら350rpmで撹拌した。
次に、第2ステップとして、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が90:10:0の割合で混合された2.5M濃度の第1前駆体水溶液を2.41L/時間で、28%濃度のアンモニア水溶液を0.29リットル/時間で反応器に連続投入した。また、pH調整のために、25%濃度の水酸化ナトリウム水溶液を供給してpHが11.2に維持されるようにした。インペラ速度は350rpmに調節した。作られた第1前駆体水溶液とアンモニア、水酸化ナトリウム溶液を反応器内に連続して63.87L投入した。
次に、第3ステップとして、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比65:15:20を合せるために、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比が19.4:24.3:56.3の割合で混合された2.5M濃度の濃度勾配層形成用水溶液を作って、前記回分式反応器(batch reactor)の他の別途の撹拌機で第2ステップの硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が90:10:0の割合で混合された2.5M濃度の水溶液8.016kg計量後、第3ステップの濃度勾配層形成用水溶液を第2ステップ水溶液に投入した。28%濃度のアンモニア水溶液は0.29L/時間の速度で投入し、水酸化ナトリウム溶液はpHが11.2になるように維持した。この際、投入された前駆体水溶液とアンモニア及び水酸化ナトリウムは10.06Lである。
次に、第4ステップとして、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比が40:20:40の割合で混合された第4前駆体水溶液を回分式反応器(batch reactor)で2.41L/時間、28%濃度のアンモニア水溶液は0.29L/時間の速度で投入し、水酸化ナトリウム溶液はpHが11.2になるように投入した。この際、投入された前駆体水溶液とアンモニア、水酸化ナトリウム量は11.07Lである。
比較例2、比較例3は、熱処理温度を各々810℃、790℃にしたことを除いては、前記比較例1と同一にして活物質粒子を製造した。
<比較例−4>
回分式反応器(batch reactor、容量90L)に蒸溜水20リットルとアンモニア1kgを入れた後、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が80:10:10の割合で混合された2.5M濃度の水溶液を80.6g投入した。
反応器内の温度を46℃を維持しながら400rpmで撹拌した。
次に、第2ステップとして、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が80:10:10の割合で混合された2.5M濃度の第1前駆体水溶液を2.41L/時間で、28%濃度のアンモニア水溶液を0.29リットル/時間で反応器に連続投入した。また、pH調整のために25%濃度の水酸化ナトリウム水溶液を供給してpHが11.4〜11.5に維持されるようにした。インペラ速度は300〜400rpmに調節した。作られた第1前駆体水溶液とアンモニア、水酸化ナトリウム溶液を反応器内に連続して77.22L投入した。
<比較例−5>
回分式反応器(batch reactor、容量90L)蒸溜水20リットルとアンモニア1kgを入れた後、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が60:20:20の割合で混合された2.5M濃度の水溶液を80.6g投入した。
反応器内の温度を46℃を維持しながらモーターを400rpmで撹拌した。
次に、第2ステップとして、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンのモル比が60:20:20の割合で混合された2.5M濃度の第1前駆体水溶液を2.41L/時間で、28%濃度のアンモニア水溶液を0.29リットル/時間で反応器に連続投入した。また、pH調整のために、25%濃度の水酸化ナトリウム水溶液を供給してpHが11.4〜11.5に維持されるようにした。インペラ速度は400〜450rpmに調節した。作られた第1前駆体水溶液とアンモニア、水酸化ナトリウム溶液を反応器内に連続して77.22L投入した。反応器の容量を勘案して決まった時間に上澄液を排出しながら反応を進行した。
前記実施例及び比較例で製造された粒子組成は以下の<表1>の通りである。
<実験例>SEM観察
前記実施例1、実施例2、及び比較例2で製造された活物質粒子のSEM写真を測定し、その結果を図1に示した。
図1で、長手方向の1次粒子の幅平均値を測定した結果がない比較例の場合、約0.6〜0.7μmであることに反して、層表面にバリア層を適用した実施例1と濃度勾配層の表面にバリア層を適用した実施例2は、長手方向1次粒子の幅平均値を測定した結果、約0.4〜0.5μmにバリア層を適用するによって、1次粒子成長が抑制されることが分かる。
<実験例>EDX観察
前記実施例2、実施例5、及び比較例2で製造された活物質の粒子内での遷移金属の濃度をEDXで測定し、実際デザインした濃度と比較し、その結果を図2に示した。
障壁層がない正極活物質である比較例2は、熱処理後、金属拡散が進行されて設計した濃度勾配(実線)と実際濃度勾配(点線)との間に明確な差が発見されたが、濃度勾配層の終了後、障壁層を適用した実施例2とコア層終了後の障壁層を適用した実施例5は、設計濃度勾配(実線)と実際濃度勾配(点線)との差が少なくて金属拡散が抑制されたことを確認した。
<実験例>充放電特性評価
前記実施例及び比較例で製造された正極活物質を正極に使用し、リチウム金属を負極に使用して各々のコインセルを製造し、C/10充電及びC/10放電速度(1C=150mA/g)で3〜4.3Vの間で充放電実験を遂行した結果を図3に示した。
コア層の表面に障壁層を適用した実施例1は、障壁層を適用しない比較例1に比べて焼成温度が高いが、寿命は同等な水準である反面、障壁層を適用せず、実施例1と同一な温度で熱処理を実施した比較例2は、寿命が格段に低下した。実施例1は濃度勾配がないNCM811組成である比較例4に比べて寿命特性が優れた。
<実験例>未反応リチウム測定
未反応リチウムの測定は、pH適正によりpH4になるまで使われた0.1M HClの量で測定する。まず、正極活物質5gをDIW100mlに入れて15分間撹拌した後、フィルタリングし、フィルタリングされた溶液50mlを取った後、ここに0.1M HClを加えてpH変化に従うHCl消耗量を測定してQ1、Q2を決定し、以下の計算式によって未反応LiOH及びLiCOを計算した。
M1 = 23.94 (LiOH Molecular weight)
M2 = 73.89 (Li2CO3 Molecular weight)
SPL Size = (Sample weight × Solution Weight) / Water Weight
LiOH(wt %) = [(Q1-Q2)×C×M1×100]/(SPL Size ×1000)
Li2CO3 (wt%)=[2×Q2×C×M2/2×100]/(SPL Size×1000)
このような方法を適用して前記実施例及び比較例で製造されたNCA系列リチウム複合酸化物において、未反応LiOH及びLiCOの濃度を測定した結果は、図4の通りである。
コア層の表面に障壁層を適用した実施例1は、防壁層を適用しない比較例1に比べて最適の熱処理温度が高いので、残留リチウムは低い。
<産業上の利用可能性>
以上のように、本発明による濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質は、濃度が一定のコアと濃度勾配を示すシェル部の間に障壁層を含み、製造された正極活物質はコアとシェルとの間の遷移金属の拡散が起こってもコアと外部シェルとが合う界面でも設計時の意図した連続的な濃度分布を示すという点で産業上利用が非常に有用であるということができる。

Claims (13)

  1. キレーティング剤水溶液を反応器に投入する第1ステップと、
    コア形成用水溶液、キレーティング剤水溶液、及び塩基性水溶液を反応器に同時に連続投入してコア層をなす球形の沈殿物を得る第2ステップと、
    障壁層形成用水溶液、キレーティング剤水溶液、及び塩基性水溶液を反応器に同時に連続投入して障壁層をなす球形の沈殿物を得る第3ステップと、
    シェル形成用水溶液を準備し、キレーティング剤水溶液、塩基性水溶液及び前記コア形成用水溶液とシェル形成用水溶液を混合させながら反応器に同時に連続投入して前記障壁層の表面にニッケルマンガンコバルトの濃度が相対的に漸進的に変わる濃度勾配層をなす沈殿物を得る第4ステップと、
    前記沈殿物を乾燥させる第5ステップと、
    前記乾燥された沈殿物を熱処理する第6ステップと、
    を含む濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
  2. 前記障壁層形成用水溶液はNi及びMnを含むことを特徴とする、請求項1に記載の濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
  3. 前記障壁層形成用水溶液はNiとMnを30:70乃至は70:30のモル比で含むことを特徴とする、請求項1に記載の濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
  4. 前記障壁層形成用水溶液はNiとMnを50:50のモル比で含むことを特徴とする、請求項1に記載の濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
  5. 前記コア形成用水溶液はNi:Co:Mn=a:b:1−(a+b)(0.7 ≦a ≦1.0、0 ≦b ≦0.2)のモル比で含むことを特徴とする、請求項1に記載の濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
  6. 前記シェル形成用水溶液はNi:Co:Mn=a:b:1−(a+b)(0.3 ≦a ≦0.6、0 ≦b ≦0.4)のモル比で含むことを特徴とする、請求項1に記載の濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
  7. 前記第4ステップでは、前記コア形成用水溶液とシェル形成用水溶液を別途の予備反応器で混合し、混合溶液を反応器に同時に連続投入することを特徴とする、請求項1に記載の濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
  8. 前記第4ステップと第5ステップとの間にシェル形成用水溶液、キレーティング剤水溶液、及び塩基性水溶液を混合させながら反応器に同時に連続投入してシェル層をなす球形の沈殿物を得る第4−2ステップをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
  9. 請求項1から請求項8のうちのいずれか一つにより製造されたことを特徴とする、濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体。
  10. 前記濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体において、障壁層は厚さが0.01μm以上から2.0μm未満であるか、または粒子体積対比1%以上から20%未満であることを特徴とする、請求項9に記載の濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体。
  11. 前記濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体の1次粒子のサイズは障壁層を含まない同一組成の正極活物質前駆体の1次粒子のサイズより10〜40%減少することを特徴とする、請求項9に記載の濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体。
  12. 請求項9による濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体をリチウム化合物と混合させるステップと、
    750〜1000℃で空気や酸素の酸化性雰囲気で10〜25時間熱処理するステップと、
    を含むことを特徴とする、濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
  13. 請求項12により製造された濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質。
JP2017533200A 2014-12-31 2015-07-24 濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質を製造する方法、及びこれによって製造された濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質 Active JP6722673B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2014-0195306 2014-12-31
KR1020140195306A KR101953155B1 (ko) 2014-12-31 2014-12-31 농도 구배를 나타내는 리튬 이차전지용 양극활물질 전구체 및 양극활물질을 제조하는 방법, 및 이에 의하여 제조된 농도 구배를 나타내는 리튬 이차전지용 양극활물질 전구체 및 양극활물질
PCT/KR2015/007718 WO2016108375A1 (ko) 2014-12-31 2015-07-24 농도 구배를 나타내는 리튬 이차전지용 양극활물질 전구체 및 양극활물질을 제조하는 방법, 및 이에 의하여 제조된 농도 구배를 나타내는 리튬 이차전지용 양극활물질 전구체 및 양극활물질

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018506140A true JP2018506140A (ja) 2018-03-01
JP6722673B2 JP6722673B2 (ja) 2020-07-15

Family

ID=56284499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017533200A Active JP6722673B2 (ja) 2014-12-31 2015-07-24 濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質を製造する方法、及びこれによって製造された濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10749205B2 (ja)
EP (1) EP3242348B1 (ja)
JP (1) JP6722673B2 (ja)
KR (1) KR101953155B1 (ja)
CN (1) CN107112516B (ja)
WO (1) WO2016108375A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022070807A (ja) * 2020-10-27 2022-05-13 エコプロ ビーエム カンパニー リミテッド 正極活物質およびこれを含むリチウム二次電池

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101875868B1 (ko) * 2016-07-11 2018-07-06 주식회사 에코프로비엠 리튬 이차전지용 리튬복합 산화물 및 이의 제조 방법
US10693136B2 (en) 2016-07-11 2020-06-23 Ecopro Bm Co., Ltd. Lithium complex oxide for lithium secondary battery positive active material and method of preparing the same
KR102123541B1 (ko) 2017-06-29 2020-06-16 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체의 제조 방법
RU2749535C1 (ru) * 2018-06-11 2021-06-15 Микроваст Пауэр Системс Ко., Лтд. Способ получения частиц прекурсора и частица прекурсора, полученная этим способом
KR102537010B1 (ko) * 2022-06-23 2023-05-26 주식회사 엘 앤 에프 이차전지용 양극 활물질

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013002457A1 (ko) * 2011-06-27 2013-01-03 주식회사 에코프로 양극활물질, 상기 양극활물질을 포함하는 전극, 및 리튬 전기 화학 전지
JP2013517599A (ja) * 2010-01-14 2013-05-16 株式会社エコプロ 回分式反応器(batchreactor)を用いて濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体、正極活物質を製造する方法、及びこれにより製造されたリチウム二次電池用正極活物質前駆体、正極活物質
WO2014178628A1 (ko) * 2013-04-29 2014-11-06 한양대학교 산학협력단 리튬 이차 전지용 양극활물질

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100548988B1 (ko) * 2003-11-26 2006-02-02 학교법인 한양학원 리튬이차전지용 양극활물질 제조방법, 그 방법에 사용되는반응기 및 그 방법으로 제조되는 리튬이차전지용 양극활물질
KR100752703B1 (ko) * 2006-06-29 2007-08-29 한양대학교 산학협력단 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 그 제조 방법 및 그를사용한 리튬 이차 전지
KR101292757B1 (ko) * 2011-01-05 2013-08-02 한양대학교 산학협력단 입자 전체 농도 구배 리튬이차전지 양극활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR101429531B1 (ko) * 2012-01-05 2014-08-14 한국교통대학교산학협력단 코어-쉘 이중층 구조를 갖는 리튬이차전지 양극활물질 및 제조방법 그리고, 그 양극활물질을 포함한 리튬이차전지
EP2833446B1 (en) * 2012-03-31 2017-08-23 IUCF-HYU (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) Method for preparing cathode active material precursor for lithium secondary battery and cathode active material precursor for lithium secondary battery prepared thereby

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013517599A (ja) * 2010-01-14 2013-05-16 株式会社エコプロ 回分式反応器(batchreactor)を用いて濃度勾配層を有するリチウム二次電池用正極活物質前駆体、正極活物質を製造する方法、及びこれにより製造されたリチウム二次電池用正極活物質前駆体、正極活物質
WO2013002457A1 (ko) * 2011-06-27 2013-01-03 주식회사 에코프로 양극활물질, 상기 양극활물질을 포함하는 전극, 및 리튬 전기 화학 전지
KR20130001703A (ko) * 2011-06-27 2013-01-04 주식회사 에코프로 양극활물질, 상기 양극활물질을 포함하는 리튬 이차 전지 및 상기 리튬 이차 전지를 전기화학적으로 활성화시키는 방법
WO2014178628A1 (ko) * 2013-04-29 2014-11-06 한양대학교 산학협력단 리튬 이차 전지용 양극활물질
WO2014178623A1 (ko) * 2013-04-29 2014-11-06 한양대학교 산학협력단 리튬 이차 전지용 양극활물질

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022070807A (ja) * 2020-10-27 2022-05-13 エコプロ ビーエム カンパニー リミテッド 正極活物質およびこれを含むリチウム二次電池
JP7440463B2 (ja) 2020-10-27 2024-02-28 エコプロ ビーエム カンパニー リミテッド 正極活物質およびこれを含むリチウム二次電池

Also Published As

Publication number Publication date
CN107112516B (zh) 2021-02-02
US10749205B2 (en) 2020-08-18
EP3242348B1 (en) 2024-01-03
WO2016108375A1 (ko) 2016-07-07
EP3242348A1 (en) 2017-11-08
KR101953155B1 (ko) 2019-02-28
EP3242348A4 (en) 2018-08-01
KR20160081452A (ko) 2016-07-08
JP6722673B2 (ja) 2020-07-15
CN107112516A (zh) 2017-08-29
US20170288262A1 (en) 2017-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10490809B2 (en) Positive electrode active material for lithium secondary battery
JP6204196B2 (ja) 全粒子濃度勾配を有するリチウム二次電池の正極活物質、その製造方法、及びそれを含むリチウム二次電池
JP6722673B2 (ja) 濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質を製造する方法、及びこれによって製造された濃度勾配を示すリチウム二次電池用正極活物質前駆体及び正極活物質
EP2833446B1 (en) Method for preparing cathode active material precursor for lithium secondary battery and cathode active material precursor for lithium secondary battery prepared thereby
CN107004852B (zh) 具有多孔结构的锂电池用正极活性物质及其制造方法
JP2022000856A (ja) リチウム二次電池用正極活物質
KR101746899B1 (ko) 리튬 전지용 양극 활물질 및 이의 제조방법
JP2017533568A (ja) リチウム二次電池用正極活物質及びこれを含むリチウム二次電池
US20150357638A1 (en) Cathode active material for lithium secondary battery, method for manufacturing the same, and lithium secondary battery using the same
JP6894419B2 (ja) 二次電池用正極活物質及びその製造方法
US20160079595A1 (en) Method of manufacturing cathode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery manufactured using the same
JP2020514970A (ja) 正極活物質、その製造方法、およびこれを含むリチウム二次電池
US20160049648A1 (en) Positive electrode active material and secondary battery comprising the same
JP2011219354A (ja) 結晶性マンガン複合酸化物、リチウム二次電池用リチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法
JP2011187178A (ja) リチウムイオン電池用正極及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20171226

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180713

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190708

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190820

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20190927

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20191106

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20191122

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200117

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200609

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200622

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6722673

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250