JP2021506091A - 二次電池用正極活物質、その製造方法及びそれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2018年1月24日付韓国特許出願第10−2018−0008909号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
[化学式1]
LiaM1 bOc
前記式で、M1は、B、Al、Si、Ti、Pからなる群から選択された少なくとも1つであり、1≦a≦4、1≦b≦8、1≦c≦20である。
[化学式1]
LiaM1 bOc
前記式で、M1は、B、Al、Si、Ti、Pからなる群から選択された少なくとも1つであり、1≦a≦4、1≦b≦8、1≦c≦20である。
本発明の二次電池用正極活物質は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)及びマンガン(Mn)を含むリチウム複合遷移金属酸化物;及び前記リチウム複合遷移金属酸化物の粒子表面に形成されたガラス質コーティング層;を含む。
[化学式2]
LipNi1−(x1+y1+z1)Cox1Mny1M2 z1M3 q1O2
前記式で、M2は、Al、Zr、B、W、Mg、Al、Ce、Hf、Ta、Ti、Sr、Ba、F、P、S及びLaからなる群から選択された少なくとも1つの元素であり、M3は、Al、Zr、Ti、Mg、Ta、Nb、Mo、W及びCrからなる群から選択される少なくとも1つの元素であり、0.9≦p≦1.1、0<x1≦0.4、0<y1≦0.4、0≦z1≦0.1、0≦q1≦0.1で、x1<y1、0<x1+y1+z1≦0.4である。
[化学式1]
LiaM1 bOc
前記式で、M1は、B、Al、Si、Ti、Pからなる群から選択された少なくとも1つであり、1≦a≦4、1≦b≦8、1≦c≦20である。
本発明の正極活物質は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)及びマンガン(Mn)を含むリチウム複合遷移金属酸化物を準備する段階;及び前記リチウム複合遷移金属酸化物及びB、Al、Si、Ti、Pからなる群から選択された少なくとも1つを含むコーティングソースを乾式混合して熱処理し、ガラス質コーティング層を形成する段階;を含んで製造される。
[化学式1]
LiaM1 bOc
前記式で、M1は、B、Al、Si、Ti、Pからなる群から選択された少なくとも1つであり、1≦a≦4、1≦b≦8、1≦c≦20である。
本発明のまた他の一実施形態によれば、前記正極活物質を含むリチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池を提供する。
リチウム複合遷移金属酸化物LiNi0.65Co0.15Mn0.20O2 100重量部、及びコーティングソースとしてH3BO3 0.29重量部を混合した後、650℃で5時間の間熱処理し、LiNi0.65Co0.15Mn0.20O2の粒子の表面にリチウムホウ素酸化物(LiBO2、Li2B4O7)(B 500ppm)のコーティング層が形成された正極活物質を製造した。
コーティングソースとしてH3BO3 0.58重量部を混合したことを除いては、実施例1と同一に実施してリチウムホウ素酸化物(LiBO2、Li2B4O7)(B 1,000ppm)のコーティング層が形成された正極活物質を製造した。
コーティングソースとしてH3BO3 0.29重量部及びAl2O3 0.22重量部を混合したことを除いては、実施例1と同一に実施してリチウム‐ホウ素‐アルミニウム酸化物(Li2B5AlO10、LiB4Al7O17)(B 500ppm、Al 1,000ppm)のコーティング層が形成された正極活物質を製造した。
コーティングソースを混合しないことを除いては、実施例1と同一に実施してコーティング層が形成されていない正極活物質を製造した。
リチウム複合遷移金属酸化物LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2を用いたことを除いては、実施例3と同一に実施して正極活物質を製造した。
リチウム複合遷移金属酸化物LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2を用いたことを除いては、実施例3と同一に実施して正極活物質を製造した。
実施例1〜3及び比較例1〜3で製造された正極活物質に対し、島津製作所(Shimadzu)MCT‐W500装備で圧子を正極活物質粒子に接触して力を加える方式で粒子の強度を測定し、その結果を表1及び図1に示した。
実施例1〜3及び比較例1〜2で製造された正極活物質10gを水100mLに分散させた後、0.1MのHClで滴定しながらpH値の変化を測定してpH滴定曲線(pH titration Curve)を得た。前記pH滴定曲線を用いて、各正極活物質内のLiOHの残留量とLi2CO3の残留量を計算し、これらを合算した値をリチウム副産物全体の残留量として評価して下記表2に示した。
実施例1〜3及び比較例1〜3で製造された各正極活物質、カーボンブラック導電材及びPVDFバインダを、N‐メチルピロリドン溶媒中で重量比で96.5:1.5:2の比率で混合して正極合剤(粘度:5000mPa・s)を製造し、これをアルミニウム集電体の片面に塗布した後、130℃で乾燥後、孔隙率25%、圧延密度3.35g/cm3で圧延して正極を製造した。
実施例1〜3及び比較例1〜3で製造された各正極活物質、カーボンブラック導電材及びPVDFバインダを、N‐メチルピロリドン溶媒中で重量比で96.5:1.5:2の比率で混合して正極合剤(粘度:5000mPa・s)を製造し、これをアルミニウム集電体の片面に塗布した後、130℃で乾燥後、圧延して正極を製造した。
Claims (19)
- ニッケル(Ni)、コバルト(Co)及びマンガン(Mn)を含むリチウム複合遷移金属酸化物、及び前記リチウム複合遷移金属酸化物の粒子表面に形成されたガラス質コーティング層を含み、
前記リチウム複合遷移金属酸化物は、遷移金属全体の含量のうちニッケル(Ni)の含量が60モル%以上であり、マンガン(Mn)の含量がコバルト(Co)の含量より大きく、
前記ガラス質コーティング層は、下記化学式1で表されるガラス質化合物を含み、
[化学式1]
LiaM1 bOc
前記化学式1で、M1は、B、Al、Si、Ti及びPからなる群から選択された少なくとも1つであり、1≦a≦4、1≦b≦8、1≦c≦20である、二次電池用正極活物質。 - 前記二次電池用正極活物質の残留リチウム副産物の含量が1.0重量%以下である、請求項1に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記二次電池用正極活物質の粒子強度が150MPa以上である、請求項1又は2に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記ガラス質コーティング層は、リチウム‐ホウ素‐アルミニウム酸化物を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記ガラス質コーティング層は、ホウ素とアルミニウムを0.3重量部:1重量部から0.8重量部:1重量部で含有する、請求項4に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム複合遷移金属酸化物は、下記化学式2で表され、
[化学式2]
LipNi1−(x1+y1+z1)Cox1Mny1M2 z1M3 q1O2
前記化学式2で、M2はAl、Zr、B、W、Mg、Al、Ce、Hf、Ta、Ti、Sr、Ba、F、P、S及びLaからなる群から選択された少なくとも1つの元素であり、M3はAl、Zr、Ti、Mg、Ta、Nb、Mo、W及びCrからなる群から選択される少なくとも1つの元素であり、0.9≦p≦1.1、0<x1≦0.4、0<y1≦0.4、0≦z1≦0.1、0≦q1≦0.1で、x1<y1、0<x1+y1+z1≦0.4である、請求項1から5のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質。 - 前記リチウム複合遷移金属酸化物の遷移金属全体の含量のうちニッケル(Ni)の含量が80モル%以上である、請求項1から6のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記ガラス質コーティング層が前記リチウム複合遷移金属酸化物の1次粒子表面に形成されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記ガラス質コーティング層は、リチウム複合遷移金属酸化物100重量部に対して0.02から0.2重量部で含まれる、請求項1から8のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記ガラス質コーティング層は、20から100nmの厚さに形成されている、請求項1から9のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質。
- ニッケル(Ni)、コバルト(Co)及びマンガン(Mn)を含むリチウム複合遷移金属酸化物を準備する段階、及び
前記リチウム複合遷移金属酸化物とB、Al、Si、Ti及びPからなる群から選択された少なくとも1つを含むコーティングソースを乾式混合して熱処理を行い、ガラス質コーティング層を形成する段階を含み、
前記リチウム複合遷移金属酸化物の遷移金属全体の含量のうちニッケル(Ni)の含量が60モル%以上であり、マンガン(Mn)の含量がコバルト(Co)の含量より大きく、
前記ガラス質コーティング層は、下記化学式1で表されるガラス質化合物を含み、
[化学式1]
LiaM1 bOc
前記化学式1で、M1は、B、Al、Si、Ti及びPからなる群から選択された少なくとも1つであり、1≦a≦4、1≦b≦8、1≦c≦20である、二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記ガラス質コーティング層を形成する段階で、リチウムソースを投入しないことを特徴とする、請求項11に記載の二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記二次電池用正極活物質の残留リチウム副産物の含量が1.0重量%以下である、請求項11又は12に記載の二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記コーティングソースは、ホウ素(B)及びアルミニウム(Al)からなる群から選択された少なくとも1つを含有する化合物を含む、請求項11から13のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記ガラス質コーティング層は、ホウ素とアルミニウムを0.3重量部:1重量部から0.8重量部:1重量部で含有する、請求項11から14のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記コーティングソースは、リチウム複合遷移金属酸化物100重量部に対して0.02から2.0重量部で混合される、請求項11から15のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記熱処理は、500から750℃で行われる、請求項11から16のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質の製造方法。
- 請求項1から10のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質を含む二次電池用正極。
- 請求項18に記載の二次電池用正極を含むリチウム二次電池。
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