JP2021508161A - 二次電池用正極活物質、その製造方法、及びこ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2月23日付韓国特許出願第10−2018−0022084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。
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)を含み、マンガン(Mn)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つ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複合コーティング部;を含む。
[化学式1]
LipNi1−(x1+y1+z1)Cox1Ma y1Mb z1Mc q1O2
前記式中、Maは、Mn及びAlよりなる群から選択された少なくとも一つであり、Mbは、Zr、W、Mg、Al、Ce、Hf、Ta、La、Ti、Sr、Ba、Nb、Mo及びCrよりなる群から選択された少なくとも一つであり、Mcは、Al、Zr、Ti、Mg、Ta、Nb、Mo及びCrよりなる群から選択される少なくとも一つであり、0.9≦p≦1.5、0<x1≦0.2、0<y1≦0.2、0≦z1≦0.1、0≦q1≦0.1であり、0<x1+y1+z1≦0.35である。
本発明の正極活物質は、ニッケル(Ni)及びコバルト(Co)を含み、且つ、マンガン(Mn)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つを含み、遷移金属の全含量のうちニッケル(Ni)の含量が65モル%以上のリチウム複合遷移金属酸化物を設ける段階;及び前記リチウム複合遷移金属酸化物と、コバルト(Co)コーティングソースと、ボロン(B)コーティングソースと、ランタン(La)、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つを含むコーティングソースを乾式混合して熱処理し、前記リチウム複合遷移金属酸化物の粒子表面に複合コーティング部を形成する段階;を含んで製造する。
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。
Ni:Co:Mnのモル比が65:20:15である前駆体に、Li/金属(Ni、Co、Mn)のモル比が1.08となるように炭酸リチウム(Li2CO3)を入れて混合し、熱処理のために混合された粉末をアルミナるつぼに投入した。その後、酸素雰囲気、750℃で5時間熱処理を進め、870℃で10時間熱処理してLi1.08Ni0.65Co0.20Mn0.15O2のリチウム複合遷移金属酸化物を製造した。
コーティングソースとして、La2O3 0.6重量部の代わりにTiO2 0.8重量部を用いたことを除いては、実施例1と同一に実施してCo‐Ti‐Bの複合コーティング部(Co 5,000ppm、Ti 5,000ppm、B 200ppm)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、La2O3 0.6重量部の代わりにAl2O3 1.0重量部を用いたことを除いては、実施例1と同一に実施してCo‐Al‐Bの複合コーティング部(Co 5,000ppm、Al 5,000ppm、B 200ppm)が形成された正極活物質を製造した。
Li1.07Ni0.6Co0.2Mn0.2O2のリチウム複合遷移金属酸化物100重量部に対してW2O3 0.6重量部、H3BO3 0.3重量部を混合した。前記混合された混合物を、大気(air)雰囲気、400℃で4時間熱処理して正極活物質を製造した。
Li1.08Ni0.65Co0.20Mn0.15O2のリチウム複合遷移金属酸化物を用いたことを除いては、比較例1と同一に実施して正極活物質を製造した。
Li1.08Ni0.65Co0.20Mn0.15O2のリチウム複合遷移金属酸化物100重量部に対してCo(OH)2 0.9重量部、B4C 0.03重量部を混合した。前記混合された混合物を、大気(air)雰囲気、600℃で5時間熱処理して正極活物質(Co 5,000ppm、B 200ppm)を製造した。
実施例1〜3及び比較例1〜3によって製造されたそれぞれの正極活物質、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96.5:1.5:2の比率で混合して正極合材(粘度:5000mPa・s)を製造し、これをアルミニウム集電体の一面に塗布した後、130℃で乾燥後、圧延して正極を製造した。
前記実施例1〜3及び比較例1〜3で製造された正極活物質の熱安定性を評価するため、示差走査熱量測定器(SETARAM社製SENSYS Evo)を用いて温度による熱流量(Heat Flow)を測定した。具体的に、実施例1〜3及び比較例1〜3の正極活物質を用いて製造例のように製造されたリチウム二次電池を、SOC(充電状態) 100%の充電状態で分解してDSC測定用セルに正極と新たな電解液を投入し、分当り10℃ずつ常温から400℃まで昇温しながら測定を進めた。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の正極活物質を用いて製造例のように製造されたリチウム二次電池に対し、常温(25℃)でSOC 50%の状態で放電10秒抵抗を測定し、その結果を図2に示した。
実施例1〜3及び比較例1の正極活物質を用いて製造例のように製造されたリチウム二次電池に対し、SOC 100%、90℃で4週間貯蔵して1週間ずつガス発生量を測定し、その結果を図3に示した。
Claims (18)
- ニッケル(Ni)及びコバルト(Co)を含み、且つ、マンガン(Mn)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つ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複合コーティング部、を含み、
前記リチウム複合遷移金属酸化物は、遷移金属の全含量のうちニッケル(Ni)の含量が65モル%以上であり、
前記複合コーティング部は、コバルト(Co)及びボロン(B)を含み、且つ、ランタン(La)、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つを含む、二次電池用正極活物質。 - 前記複合コーティング部に含まれたコバルト(Co)は、正極活物質の総重量に対して1,000ppmから8,000ppmで含有されている、請求項1に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記複合コーティング部に含まれたボロン(B)は、正極活物質の総重量に対して50ppmから700ppmで含有されている、請求項1又は2に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記複合コーティング部に含まれたランタン(La)、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つは、正極活物質の総重量に対して1,000ppmから8,000ppmで含有されている、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。
- 前記複合コーティング部は、リチウム複合遷移金属酸化物100重量部に対して1.0から2.5重量部で含まれている、請求項1から4のいずれか一項に記載の二次電池用正極活物質。
- 前記複合コーティング部は、100から300nmの厚さで形成されている、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は、下記化学式1で表さ、
[化学式1]
LipNi1−(x1+y1+z1)Cox1Ma y1Mb z1Mc q1O2
前記化学式1中、Maは、Mn及びAlよりなる群から選択された少なくとも一つであり、Mbは、Zr、W、Mg、Al、Ce、Hf、Ta、La、Ti、Sr、Ba、Nb、Mo、及びCrよりなる群から選択された少なくとも一つであり、Mcは、Al、Zr、Ti、Mg、Ta、Nb、Mo及びCrよりなる群から選択される少なくとも一つであり、0.9≦p≦1.5、0<x1≦0.2、0<y1≦0.2、0≦z1≦0.1、0≦q1≦0.1であり、0<x1+y1+z1≦0.35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。 - 前記二次電池用正極活物質は、示差走査熱計量法(DSC)による熱分析時、熱流量が最大であるメインピークが280℃以上で示され、前記メインピークでの最大熱流量が1,500W/g以下である、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。
- ニッケル(Ni)及びコバルト(Co)を含み、且つ、マンガン(Mn)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つを含み、遷移金属の全含量のうちニッケル(Ni)の含量が65モル%以上のリチウム複合遷移金属酸化物を設ける段階、及び
前記リチウム複合遷移金属酸化物と、コバルト(Co)コーティングソースと、ボロン(B)コーティングソースと、ランタン(La)、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つを含むコーティングソースを乾式混合して熱処理し、前記リチウム複合遷移金属酸化物の粒子表面に複合コーティング部を形成する段階、を含む二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記コバルト(Co)コーティングソースは、Co(OH)2、Co2O3、CO3(PO4)2、CoF3、CoOOH、Co(OCOCH3)2・4H2O、Co(NO3)・6H2O、CO3O4、Co(SO4)2・7H2O及びCoC2O4よりなる群から選択された少なくとも一つを含む、請求項9に記載の二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記ボロン(B)コーティングソースは、B4C、B2O3、BF3、H3BO3、(C3H7O)3B、(C6H5O)3B、[CH3(CH2)3O]3B、C13H19O3、C6H5B(OH)2、及びB2F4よりなる群から選択された少なくとも一つを含む、請求項9又は10に記載の二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記ランタン(La)、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つを含むコーティングソースは、La2O3、LaN3O9、H12LaN3O15、LaCl3、LaB6、La(CH3CO2)3・xH2O、La(OH)3、LaC2、C3H16La2O17、LaAlO3、TiO2、Ti(OBu)4、TiB2、TiC、TiF3、Ti(NO3)4、TiCl2、Ti4P3、Al2O3、Al(NO3)3、Al(OH)3、AlPO4、Al2(SO4)3、Al2O、AlF3、Al4C3及びC6H15AlO3よりなる群から選択された少なくとも一つを含む、請求項9から11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。
- 前記コバルト(Co)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0.5から1.5重量部で混合される、請求項9から12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。
- 前記ボロン(B)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0.01から0.06重量部で混合される、請求項9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。
- 前記ランタン(La)、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)よりなる群から選択された少なくとも一つを含む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0.4から1.5重量部で混合される、請求項9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。
- 前記熱処理は、500から750℃で行われる、請求項9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。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の正極活物質を含む二次電池用正極。
- 請求項17に記載の正極を含むリチウム二次電池。
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