KR100426958B1 - 분위기 제어를 통한 리튬이차전지용 ＬｉＦｅＰＯ4 정극분말의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휴대전원으로서 각광받고 있는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법에 관한 것으로, 정극 분말의 제조과정 중에 요구되는 환원성 분위기를 원료 물질을 소정 재질의 튜브에 밀봉시키는 수단을 이용하여 제어하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법을 개시한다.
본 발명에 의하면 기존의 고상반응법, 졸겔법 등에서 불활성 기체를 흘려주면서 환원분위기를 조절하는 방법과는 달리 밀봉을 통해 간단하게 환원성 분위기를 제어할 수 있다.

Description

분위기 제어를 통한 리튬이차전지용 ＬｉＦｅＰＯ4 정극 분말의 제조방법 {Synthesis Method of LiFePO4 Powder by Controlling Heat Treatment Atmosphere for Lithium Secondary Battery cathode}
본 발명은 휴대전원으로서 각광받고 있는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 정극 분말의 제조과정 중에 요구되는 환원성 분위기를 원료 물질을 소정 재질의 튜브에 밀봉시키는 수단을 이용하여 제어하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법에 관한 것이다.
현재까지 정극 물질로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4등이 주로 연구되어 왔으며 상용화에도 성공하고 있다. 하지만 현재 가장 널리 쓰이고 있는 LiCoO2의 경우 그 원료가격이 높으며 환경적인 문제를 발생시키고 있다. 또한 LiCoO2의 대체재료로서 연구되는 LiNiO2의 경우 그 제조가 어렵고 열적 안정성이 떨어지며, LiMn2O4는 고온에서 전극 퇴화가 빠르게 일어나고 전기 전도도가 낮다는 단점을 가지고 있다.
새로운 전지재료인 LiFePO4는 환경친화적이고 매장량도 풍부하며 원료가격도 매우 저렴하다. 또한 방전전압이 3.4V vs. Li/Li+로서 기존 재료보다 쉽게 저전력, 저전압을 구현할 수 있으며, 이론 용량이 170mAh/g으로서 전지용량 또한 우수하다. 하지만 이 물질의 문제점은 Fe의 산화수가 2+라는 것인데, 이는 Fe의 안정한 산화수가 3+임에 비추어 볼 때 환원성 분위기가 필요함을 시사하고 있다.
본 발명의 LiFePO4분말제조에 관련된 선행기술로는 고상반응법, 졸겔(Sol-Gel)법 등이 보고되고 있다. 특히 본 발명과 같은 방법인 기존의 고상반응법의 경우 환원성 분위기를 유지하기 위하여 상형성시 반응성이 없는 N2기체 등을 분당 800cm3정도로 많이 흘려주는데(Journal of the electrochemical society, 148(3) A224, 2001), 이로 인해 그 제조단가가 올라가고 리튬의 휘발 또한 유발될 수 있다. 또한 졸겔(Sol-Gel)법 역시 상형성을 N2기체를 흘려주면서 수행하기 때문에 기존의 고상반응법과 같은 문제점을 가진다(Electrochemical and Solid-State Letters, 4(10) A170, 2001).
고상반응법은 분말을 합성하는데 있어서 가장 기본적인 방법이다. 고상반응법의 경우 환원성 분위기가 필요할 때 주로 Ar, N2등 반응성이 낮은 기체를 흘려주면서 반응을 진행시키게 된다. 하지만 LiFePO4와 같이 Fe의 산화수가 반응 분위기에 매우 민감한 경우에는 기체를 흘려주면서 반응시키는 방법이 비효율적이라는 문제가 있다. 따라서 효율적인 환원성 분위기의 제어는 LiFePO4분말제조의 핵심기술이라 할 수 있다.
본 발명의 목적은 이처럼 환원성 분위기의 제어를 위해 반응성이 낮은 기체를 흘려주면서 반응시키는 종래의 방법을 탈피하여 간단한 밀봉과정을 통해 분위기를 제어하는 방법을 제공함에 있다.
도 1은 합성된 분말의 X-선 회절결과로서, (a)는 밀봉을 한 후 분해시켰을 때의 결과이며 (b), (c), (d)는 밀봉을 한 후 각각 500, 600, 700℃에서 열처리했을 경우의 결과이다.
도 2는 합성된 분말의 미세조직을 나타내는 주사전자현미경 사진이며, (a), (b), (c)는 각각 밀봉을 한 후 500, 600, 700℃에서 열처리했을 경우의 결과이다.
도 3은 500℃에서 상형성시킨 분말의 정전류 충방전 결과이다.
도 4는 500, 600℃에서 상형성된 분말의 사이클에 따른 용량변화결과이다.
도 5는 원료물질의 분해는 질소 기체 분위기에서 실시하였으며 상형성은 밀봉을 통해 각각 (a) 600℃, (b) 700℃, (c) 800℃에서 시킨 최종 분말의 X-선 회절결과이다.
본 발명은 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법으로서,
정극 분말의 제조과정 중에 요구되는 환원성 분위기를 원료 물질을 소정 재질의 튜브에 밀봉시키는 수단을 이용하여 제어하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법을 포함한다.
본 발명에 사용가능한 튜브의 재질은 환원성 분위기가 요구되는 처리단계에 따라 적절히 선정하여 사용하는 것으로 충분하고 특별한 한정을 요하지는 아니한다. 이들 튜브재질의 예로서는 석영 또는 유리 재질 등이 있으며 이들은 열처리 온도에 따라 적의 선택하여 사용되어진다.
정극 분말의 제조과정 중 환원성 분위기가 요구되는 단계는 정극 분말의 제조과정 중에서 예를 들면 원료물질의 분해 단계와, 최종 상형성 단계 등의 열처리 단계가 대표적이다. 이들 단계는 종래 주로 Ar, N2등 반응성이 낮은 불활성 기체를 흘려주면서 반응을 수행하던 것에 대해 본 발명에서는 밀봉과정을 통해 수행하여 효율적으로 환원성 분위기를 제어한다. 바람직하기로 상기 원료물질의 분해과정은 환원성 분위기 속에서 300℃부근의 저온에서 10시간 정도 열처리함으로써 진행시키며, 최종 상형성 과정은 환원성 분위기 속에서 바람직하기로는 500-800℃의 온도에서 10∼40시간동안 진행시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 정극 분말의 제조방법을 구성하는 밀봉과정은, (a) 원료 물질을 펠렛형태로 성형하여 튜브에 삽입하는 단계와, (b) 튜브내의 진공을 뽑는 단계와, (c) 튜브내에 소정의 불활성 기체를 충진하고 외기와 차단하는 단계를 포함한다.
이하 상기 단계를 포함하는 밀봉과정을 구체적인 예를 들어 설명하기로 한다. 먼저 Li, Fe, PO4등의 원료물질을 일정한 몰비로 하여 유발에서 혼합과 분쇄를 수행한다. 석영 튜브 또는 저온열처리의 경우 유리튜브의 한쪽 끝을 프로판 토치(torch) 등을 이용하여 봉한 후 분말을 가압성형하여 펠렛(pellet)으로 만든 후 이를 튜브에 넣고 밀봉되지 않은 튜브의 나머지 끝을 통해 진공을 충분히 뽑는다. 이후 환원성 분위기 조절을 위해 Ar, N2등의 기체를 주입한다. 이렇게 진공을 뽑고 불활성 기체를 채우는 과정을 2∼3회 반복하여 튜브 내의 분위기를 제어하게 된다. 제어된 분위기를 가지는 튜브는 프로판 토치를 이용하여 나머지 한쪽도 밀봉하여 외기와 완전히 차단시킨다.
상기와 같은 밀봉과정을 통해 최종 제조된 LiFePO4분말은 500℃의 낮은 온도에서 이미 단일상이 나타나서 기존 고상반응법을 이용한 분말합성의 결과보다 그 합성온도가 낮았으며, 미세조직 면에서도 입자가 작아서 분말의 도전성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 발명에 의해 제조되는 정극 분말은 리튬이차전지용 정극재료로서 매우 유용함을 알 수 있다.
이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.
<실시예 1>
Li, Fe, PO4의 원료로서 Li2CO3, Fe(CH3CO2), NH4H2PO4를 각각 사용하였다. 상기 재료들은 아세톤을 베이스로 하여 1:2:2 몰비율로 유발에서 혼합과 분쇄를 수행하였다. 이렇게 혼합된 분말은 일축가압성형을 통해 펠렛(pellet) 형태로 만든 후 밀봉하였다.
밀봉 과정은 다음과 같다. 석영튜브(quartz tube)의 한쪽 끝을 프로판 토치(torch)를 이용하여 밀봉한 후 성형된 펠렛을 넣고 로터리 펌프를 이용하여 10mtorr까지 진공을 충분히 뽑았다. 이후 환원성 분위기 조절을 위해 Ar 기체를 주입하였다. 이렇게 진공을 뽑고 Ar 기체를 채우는 과정을 2 내지 3회 반복하여 튜브 내의 분위기를 완벽히 제어하게 된다. 제어된 분위기를 가지는 튜브는 프로판 토치를 이용하여 나머지 한쪽도 밀봉하여 외기와 완벽히 차단시켰다.
밀봉을 한 후 300℃에서 10시간 열처리함으로서 원료분말의 분해를 진행시켰다. 분해가 종료된 후 튜브를 깨고 그 속의 펠렛을 분쇄, 혼합하여 다시 펠렛으로 일축가압성형하였다. 그런 다음 환원성 분위기에서의 최종 열처리를 위해 다시 위에 기술한 바와 같은 밀봉과정을 수행하였다. 밀봉 후 최종 열처리는 500∼700℃의 온도에서 20시간동안 진행시켰다.
상기 과정을 통해 제조된 LiFePO4분말은 500℃의 낮은 온도에서 이미 단일상이 나타남을 X-선 회절결과로서 확인할 수 있으며(도 1), 이는 기존 고상반응법을 이용한 분말합성 결과보다 합성온도 면에서 낮음을 알 수 있다.
또한 상기 과정을 거친 분말은 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 미세구조 면에서도 입자가 매우 작아 도전성을 향상시킬 수 있다. 정전류 충방전 결과에서도 전형적인 LiFePO4정극의 전압곡선을 얻을 수 있었으며(도 3), 충방전 사이클 특성 또한 전류밀도를 변화(전류밀도는 10 사이클까지는 0.1C로, 10 사이클 이후부터는 0.2C로 변화)시키면서 실험을 통해 측정해 보았다(도 4). 이에 의하면 전류밀도가 증가할 때 용량이 감소함을 확인할 수 있다.
<실시예 2>
Li, Fe, PO4의 원료로서 Li2CO3, Fe(CH3CO2), NH4H2PO4를 각각 사용하였다. 상기 재료들은 아세톤을 베이스로 하여 1:2:2 몰비율로 유발에서 혼합과 분쇄를 수행하였다. 이렇게 혼합된 분말은 상기 실시예 1과는 달리 N2기체를 불어주면서 300℃에서 10시간 열처리함으로서 분해시켰다. 분해가 끝난 후 분말을 펠렛형태로 일축가압성형하였다.
최종 열처리를 위해 석영튜브(quartz tube)의 한쪽 끝을 프로판 토치(torch)를 이용하여 밀봉한 후 성형된 펠렛을 넣고 로터리 펌프를 이용하여 10mtorr까지 진공을 충분히 뽑았다. 이후 환원성 분위기 조절을 위해 Ar 기체를 주입하였다. 이렇게 진공을 뽑고 Ar 기체를 채우는 과정을 2 내지 3회 반복하여 튜브 내의 분위기를 완벽히 제어하게 된다. 제어된 분위기를 가지는 튜브는 프로판 토치를 이용하여 나머지 한쪽도 밀봉하여 외기와 완벽히 차단시켰다. 밀봉 후 최종 열처리는 600∼800℃의 온도에서 24시간동안 진행시켰다.
위와 같은 과정을 통해 제조된 분말은 600℃의 낮은 온도에서는 Fe 3+ 상이 나타났으나 700℃ 이후부터는 Fe 2+을 가지는 LiFePO4단일상을 합성할 수 있었다(도 5). 따라서 밀봉을 통한 열처리 방법이 Fe 3+을 가지는 상을 환원을 통해 Fe 2+를 가지는 상으로 만드는 데에 매우 효과적임을 알 수 있다.
본 발명에 의하면 기존의 고상반응법, 졸겔법 등에서 불활성 기체를 흘려주면서 환원분위기를 조절하는 방법과는 달리 밀봉을 통해 간단하게 환원성 분위기를 제어할 수 있다. 따라서 LiFePO4정극분말을 제조할 때 경제적인 면 등에서 효율적이며 리튬의 휘발도 방지할 수 있을 뿐만 아니라 저온합성을 가능하게 하여 분말특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 고상 반응법을 이용한 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법에 있어서, 정극 분말의 제조과정 중에 요구되는 환원성 분위기는 원료 물질을 소정 재질의 튜브에 밀봉시켜 제어함을 특징으로 하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법
  2. 제 1항에 있어서,
    튜브의 재질은 석영 또는 유리임을 특징으로 하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법
  3. 제 1항에 있어서, 상기 밀봉은
    원료 물질을 펠렛형태로 성형하여 튜브에 삽입하는 단계와, 튜브내의 진공을 뽑는 단계와, 튜브내에 소정의 불활성 기체를 충진하고 외기와 차단하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법
  4. 제 1항에 있어서, 정극 분말의 제조과정 중 환원성 분위기가 요구되는 단계는 원료물질의 분해 단계임을 특징으로 하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의제조방법
  5. 제 1항에 있어서,
    원료물질의 분해는 300℃부근의 저온에서 수행됨을 특징으로 하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법
  6. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    정극 분말의 제조과정 중 환원성 분위기가 요구되는 단계는 상형성 단계임을 특징으로 하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법
  7. 제 6항에 있어서,
    상형성과정은 500∼800℃에서 수행됨을 특징으로 하는 리튬이차전지용 LiFePO4정극 분말의 제조방법
  8. 제 1항에 의해 제조된 정극 분말로 제조되는 리튬이차전지
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