KR100434551B1

KR100434551B1 - 2차전지용양극활물질의제조방법및그장치

Info

Publication number: KR100434551B1
Application number: KR1019970039364A
Authority: KR
Inventors: 오주열
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2004-09-18
Also published as: KR19990016711A

Abstract

본 발명에 따른 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치는, 소정의 원료분말이 담겨져 화학적 반응이 행해지는 도가니와, 상기 도가니를 에워싸며 상기 화학적 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열처리로와, 상기 열처리로의 벽면 내부에 설치되며 상기 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열을 발생시키는 히터를 구비하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치에 있어서, 상기 도가니 내부에는 상기 원료 분말을 섞어주기 위한 교반기가 설치되어 있고, 그 상부에는 활물질의 합성중 열해리된 중간 생성물이 도가니 밖으로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 뚜껑이 설치되고, 그 뚜껑에는 도가니 내의 압력을 조절해주기 위한 압력조절기가 설치되어 있으며, 상기 열처리로 상면에는 상기 교반기를 회전시켜주기 위한 교반기 회전수단이 마련되어 있는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 도가니 내에 설치된 복수의 프로펠러를 갖는 교반기에 의해 도가니 내에서 원료 분말을 직접 섞어주고, 원료분말의 교반시 반응 촉진을 위한 분위기 가스를 주입해주며, 도가내 내의 압력을 적절히 조절해 주게 되므로, 원료 분말의 균일한 화학반응 및 반응시간 단축의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 뚜껑에 의해 열해리된 리튬이 증발되는 것이 차단되므로, 한층 정밀한 화학당량비로 활물질을 합성할 수 있는 장점이 있다.

Description

2차 전지용 양극 활물질의 제조방법 및 그 장치{Method for manufacturing anode active material for 2ndry battery and an apparatus thereof}

본 발명은 2차 전지용 양극 활물질의 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 양극 활물질을 합성하는 과정에 있어서 도가니 내의 반응 가스의 압력을 적절히 조절함으로써 원하는 화학 조성비를 용이하게 얻을 수 있는 2차 전지용 양극 활물질의 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.

도 1에는 종래의 2차전지용 양극 활물질의 제조장치가 개략적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치는 소정의 원료분말이 담겨져 화학적 반응이 행해지는 도가니(101)와, 그 도가니(101)를 에워싸며 화학적 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열처리로(102)와, 그 열처리로(102)의 벽면 내부에 설치되며 상기 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열을 발생시키는 히터(103)로 구성되어 있다.

이와 같은 구성의 종래 장치에 의한 활물질의 제조에 있어서, 상기 원료 분말로는 리튬염과 금속산화물이 사용되는데, 먼저 볼밀(ball mill) 등과 같은 장치에서 장시간 혼합된 후, 상기 열처리로(102) 내에서 균일한 반응이 일어나도록 열처리된다. 이와 같은 열처리는 전극 활물질로서 적합한 특성이 나오도록 각각의 금속산화물에 알맞는 온도에서 소정 시간 동안 지속되며, 이와 같은 과정에서 리튬염이 열해리에 의해서 분해되고, 분해된 이온 중 리튬 이온은 금속산화물의 격자속으로 고용(固溶)된다. 이와 같이 고용된 금속산화물을 리튬금속산화물이라고 하며,리튬2차 전지용의 양극 활물질로 사용된다.

그런데, 이와 같은 종래 장치에 의한 양극 활물질의 제조는 전술한 바와 같이 원료 분말을 외부의 다른 장치에 의해 혼합한 뒤, 상기 장치내에서 열처리 공정을 수행하게 되므로, 원료 분말을 옮겨 담아야 하는 작업상의 번거로움이 수반되고, 그와 같은 작업에 따른 시간 손실로 인해 활물질 생성까지의 전체적인 소요 시간이 길다는 문제점이 있다. 특히, 원료 분말이 도가니 속에서 반응을 일으킬 때 강제적으로 원료 분말을 계속 섞어주는 한편 도가니 내에 소정의 분위기 가스를 투입시켜 줄 수가 없어서 다량의 활물질을 제조하는 과정에서는 균일한 반응을 얻을 수가 없고, 반응시간도 단축시킬 수가 없어서 제조 원가의 경제적 부담이 크다는 문제점이 있다.

한편, 이상과 같은 문제점을 극복하기 위하여, 본원 발명자에 의해 본원과 동일한 명칭으로 선출원(특허출원 제97-18430호)된 바 있고, 본원은 그 선출원에 개시된 기술을 더욱 개선 및 보완한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 도가니 내의 모든 원료 분말의 합성 반응이 균질하면서도 빠르게 진행될 수 있고, 원하는 화학조성비를 용이하게 얻을 수 있는 2차 전지용 양극 활물질의 제조방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치의 개략적인 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치의 개략적인 구성도.

도 3은 도 2의 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치에 있어서, 교반기 및 도가니의 부분 발췌 확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101,201...도가니 102,202...열처리로

103,203...히터 204...교반기

204p...프로펠러 204s...회전축

204t,204t'...가스 통로 204h...가스방출공

205...교반기 회전수단 205c...회전속도 콘트롤러

205g...기어 205m...모터

205s...모터축 201c...뚜껑

206...압력조절기

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 2차 전지용 양극 활물질의제조방법은, 2차 전지용 양극 활물질의 제조를 위한 원료 분말을 혼합하는 1차혼합 단계와, 상기 1차 혼합된 원료 분말을 열처리로 내의 도가니 속에서 소정 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 1차혼합 단계가 열처리로 내에서 수행되고, 상기 혼합된 원료분말의 반응시 원료분말을 계속하여 강제적으로 섞어주며, 원료 분말이 채워진 상기 도가니 속에 소정의 분위기 가스를 공급해주고, 상기 도가니 내의 압력을 소정 값으로 유지해 주는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치는, 소정의 원료 분말이 담겨져 화학적 반응이 행해지는 도가니와, 상기 도가니를 에워싸며 상기 화학적 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열처리로와, 상기 열처리로의 벽면 내부에 설치되며 상기 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열을 발생시키는 히터를 구비하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치에 있어서, 상기 도가니 내부에는 상기 원료 분말을 섞어주기 위한 교반기가 설치되어 있고, 그 상부에는 활물질의 합성중 열해리된 중간 생성물이 도가니 밖으로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 뚜껑이 설치되고, 그 뚜껑에는 도가니 내의 압력을 조절해주기 위한 압력조절기가 설치되어 있으며, 상기 열처리로 상면에는 상기 교반기를 회전시켜주기 위한 교반기 회전수단이 마련되어 있는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 도가니 내에 설치된 복수의 프로펠러를 갖는 교반기에 의해 도가니 내에서 원료 분말을 직접 섞어주고, 원료분말의 교반시 반응 촉진을 위한 분위기 가스를 주입해주며, 도가내 내의 압력을 적절히 조절해 주게되므로, 원료 분말의 균일한 화학반응 및 반응시간 단축의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 뚜껑에 의해 열해리된 리튬이 증발되는 것이 차단되므로 한층 정밀한 화학당량비로 활물질을 합성할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치의 개략적인 장치구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치는 소정의 원료 분말이 담겨져 화학적 반응이 행해지는 도가니(201)와, 그 도가니(201)를 에워싸며 상기 화학적 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열처리로(202)와, 그 열처리로(202)의 벽면 내부에 설치되며 상기 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열을 발생시키는 히터(203)와, 상기 도가니(201) 및 열처리로(202)에 걸쳐 설치되며 상기 원료 분말을 섞어주기 위한 교반기(204)와, 상기 열처리로(202) 상면에 설치되며 상기 교반기(204)를 회전시켜주기 위한 교반기 회전수단(205)을 구비한다. 또한, 상기 도가니(201)에는 활물질의 합성중 열해리된 중간 생성물이 도가니 밖으로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 뚜껑(201c)이 설치되고, 그 뚜껑(201c)에는 도가니(201) 내의 압력을 조절해주기 위한 압력 조절기(206)가 설치된다.

상기 교반기(204)는 회전축(204s)과, 그 회전축(204s)에 적층으로 고정된 복수의 프로펠러(204p)로 구성되는데, 회전축(204s) 및 복수의 프로펠러(204p) 내부에는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 원료 분말의 교반 시 반응 촉진을 위한 소정의 분위기 가스를 공급해주기 위한 가스 통로(204t)(204t')가 각각 형성된다. 그리고, 상기 복수의 프로펠러(204p)에는 상기 분위기 가스의 방출을 위한 복수의 가스방출공(204h)이 또한 각각 형성된다. 여기서, 물론 상기 회전축(204s) 및 복수의 프로펠러(204p) 내부에 형성되어 있는 가스 통로(204t)(204t')는 상호 연통구조를 가지며, 프로펠러(204p)의 내부에 형성되어 있는 가스 통로(204t')와 상기 가스방출공(204h)도 상호 연통구조를 가진다. 그리고, 상기 가스방출공(204h)은 직경이 약 0.1∼1mm의 크기로 형성되며, 상기 회전축(204s) 및 복수의 프로펠러(204p)의 재질로는 원료분말(예컨대, 리튬염)과 고온에서 반응이 일어나는 것을 방지하기 위하여 99% 이상의 고순도 알루미나(alumina)가 사용된다.

상기 교반기 회전수단(205)은 회전력을 발생시키는 모터(205m)와, 그 모터(205m)의 축(205s) 및 교반기(204)의 회전축(204s)에 각각 설치되어 상기 모터(205m)로부터의 회전력을 전달하는 기어(205g) 및 상기 모터(205m)의 회전속도를 제어하기 위한 회전속도 콘트롤러(205c)로 구성된다. 여기서, 상기 기어(205g)는 베벨 기어가 사용된다.

그러면 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치의 동작 및 도가니 속에서 수행되는 반응에 대해 설명해 보기로 한다.

도가니(201) 속에 원료 분말인 리튬염(예컨대, Li2CO3)과 금속산화물(예컨대, NiCO3)이 채워진 상태에서 모터(205m)를 구동시키면, 모터(205m)로부터 발생된 회전력이 기어(205g) 및 회전축(204s)을 거쳐 프로펠러(204p)로 전달되고, 그에 따라 프로펠러(204p)는 소정의 회전속도로 회전된다. 이때, 상기 모터(205m)의 회전속도는 상기 원료 분말의 양이나 밀도 등에 따라 회전속도 콘트롤러(205c)에 의해 1∼20rpm의 범위에서 적절하게 조정된다.

한편, 프로펠러(204p)의 회전에 의해 원료 분말은 도 3의 화살표로 표시된 바와 같이 하부에서 상부로, 그리고 상부까지 이동된 원료 분말은 다시 하부로 이동된다. 이와 같은 과정에 의해 원료분말은 골고루 섞이면서 합성반응을 일으키게 된다. 이때, 회전축(204s) 및 프로펠러(204p) 내부에 각각 형성되어 있는 가스 통로(204t)(204t')를 통해 반응 촉진을 위한 분위기 가스(예컨대, O2 또는 일반 공기)가 공급되며, 그 분위기 가스는 프로펠러(204p)에 형성되어 있는 가스방출공(204h)을 통해 방출되어 원료 분말에 투입된다. 이때, 상기 압력조절기(206)에 의해 상기 도가니(201) 내부의 압력을 조절하게 되는데, 대기압보다 0.1∼2기압 높은 압력을 유지시켜주는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 원료 분말에 의한 화학반응식을 개괄적으로 표현해 보면 다음과 같다.

리튬염 + 금속산화물 → 리튬금속산화물 + 가스(↑)

상기 화학식 1에서, 리튬염으로는 LiOH·H2O, LiNO3, Li2CO3 등이 사용될 수 있고, 금속산화물로는 망간(Mn)계 산화물인 MnO2, MnCO3, 니켈(Ni)계 산화물인 Ni(NO3)2, Ni(OH)2, NiCO3, 코발트(Co)계 산화물인 CoCO3, Co(NO3)2, Co3O4, 크롬(Cr)계 산화물인 Cr2O3, Cr2O5 및 바나듐(V)계 산화물인 V2O3, V2O5 등이 사용될 수 있다.

예를 들어, 리튬염으로 Li2CO3를 사용했을 경우, 우선 다음과 같은 화학반응식이 예상될 수 있다.

상기 화학식 2에서와 같이, 리튬염(Li2CO3)은 700-800℃의 열처리과정에서 분해되어 가스(CO2)가 리튬염 밖으로 방출되고, 리튬이온(Li+)이 생성되며, 이 리튬이온(Li+)이 상기 금속산화물의 격자속으로 고용되어 리튬금속산화물이 생성된다. 이 리튬금속산화물은 전술한 바와 같이 리튬 2차 전지용의 양극 활물질로 사용된다. 여기서, 이와 같은 리튬금속산화물은 열처리 온도, 분위기 가스, 냉각 속도 등 반응에 영향을 미치는 여러 가지 요소들에 의해 스피넬(spinel) 구조 또는 층상구조를 가지게 된다. 예를 들면, 스피넬 구조의 리튬금속산화물로는 LiM2O4(M= Co, Cr, Ni, Mn, V)를 들 수 있고, 층상구조의 리튬금속산화물로는 LiMO2(M= Co, Cr, Ni, Mn, V)를 들 수 있다.

한편, 상기 열처리과정에서 가스(CO2)가 리튬염 밖으로 방출됨에 따라 입자간의 간격이 좁아지고, 남은 이온이 다른 인접 원료와 결합하여 점차 크게 성장하는데, 열처리의 온도가 높을수록 열처리 시간이 길수록 입자는 더욱 커지게 된다. 그러나, 본 발명의 장치에서는 상기 프로펠러(204p)에 의해 계속 원료 분말이 순환됨으로써 입자의 성장이 지체된다. 그에 따라 도가니(201) 내의 모든 장소에서 균일한 반응이 진행된다.

그러면, 여기서 종래의 방법과 본 발명의 방법 및 장치를 채용하여 실제로 수행된 실험의 일예를 그 결과 데이터와 함께 살펴보기로 한다.

Li-Ni-CO-O계의 양극 산화물을 합성하는데 있어서, 먼저 각 원소의 화학량론적인 조성비를 LiNi0.7CO0.3O2로 설정하였다. 그리고, 고온 열처리에 의한 합성에 앞서 500g-LiOH·H2O, 782g-Ni(OH)2, 272g-CO(OH)2를 48시간 동안 볼밀링하여 균일하게 혼합하였다. 혼합이 끝난 원료를 반씩 나누어 일측에는 교반기를 사용하지 않는 열처리로를 이용하였고, 타측은 본 발명의 장치에 의해 반응시켰다. 합성 열처리 과정은 양쪽 모두 동일하게 승온속도 21℃/hr, 600℃에서 72시간 동안 유지시킨 후, 10℃/hr 속도로 150℃가 될 때까지 냉각시켰다. 그때, 교반기(204)의 회전속도는 4 rpm으로 유지시켰다. 합성이 완전히 끝난 시료를 양쪽 모두 도가니의 원료 위치별로 상,중,하 분리 채취하여 충방전시험기를 통해서 전지의 용량과 수명 싸이클을 측정하였다. 충방전기에 사용된 전지는 2018 코인 타입을 이용하였고, 음극은 리튬 금속을 사용하였다. 전지의 전해액은 에틸렌 카보네이트(EC; ethylene carbonate) + 디메틸 카보네이트(DMC; dimethyle carbonate)(1:1)를 넘치도록 충분히 주입하였다. 전지의 충방전 시험 조건은 0.1mA/㎠의 비교적 낮은 전류값으로 하여 합성 조건에 따른 변화를 뚜렸하게 알아보고자 하였다. 전압 범위는 4.2∼3.0V로 정전류 방식으로 하였다. 아래의 (표 1)에서와 같이 교반기와 압력조절기를 사용한 합성 조건에서 우수한 전지용량을 보인 것에 대해 다음과 같이 추론해 볼 수 있다.

(표 1) 합성 조건에 따른 전지의 용량 비교

즉, 원료 분말을 교반시켜 줌으로써 합성중에 각 원료의 혼합이 보다 균일해 지고, 도가니(201) 속으로 반응성 가스를 직접 주입시켜 줌으로써 산소가 원료물질에 골고루 전달되어 Li-Ni-CO-O의 균일한 화학 조성비를 얻을 수 있다. 그러나, 도가니(201) 내의 압력이 0.5kg/㎠ 이상이 되면 뚜껑(201c)에 부착된 세라믹 필터(미도시)를 통해 반응 가스가 도가니(201) 밖으로 빠져나가고, 새로운 산소가 도가니(201) 내부로 유입되지만, 설정된 압력이하에서는 도가니(201) 내부에 반응성 가스가 균일하게 분포되어 있다. 또한, 뚜껑(201c)과 압력조절기(206)의 필터에 의해 합성중의 중간 생성물이 도가니(201) 밖으로 빠져나가는 것이 최대한 방지되어 상기 (표 1)에서와 같이 상,중,하 구분없이 거의 균일한 조성의 합성물을 용이하게 얻을 수 있었다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 2차전지용 양극 활물질의 제조방법 및 그 장치는 도가니 내에 설치된 복수의 프로펠러를 갖는 교반기에 의해 도가니 내에서 원료 분말을 직접 섞어주고, 원료분말의 교반시 반응 촉진을 위한 분위기 가스를 주입해주며, 도가니 내의 분위기 가스의 압력을 적절히 조절해 주게 되므로, 원료 분말의 균일한 화학반응 및 반응시간 단축의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 뚜껑에 의해 열해리된 리튬이 증발되는 것이 차단되므로 한층 정밀한 화학당량비로 활물질을 합성할 수 있는 장점이 있다.

Claims

2차전지용 양극 활물질의 제조를 위한 원료분말을 혼합하는 1차혼합 단계와, 상기 1차혼합된 원료분말을 열처리로 내의 도가니 속에서 소정 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 2차전지용 양극 활물질의 제조방법에 있어서,

상기 1차혼합 단계가 열처리로 내에서 수행되고, 상기 혼합된 원료분말의 반응시 원료분말을 계속하여 강제적으로 섞어주며, 원료 분말이 채워진 상기 도가니 속에 소정의 분위기 가스를 공급해주고, 상기 도가니 속의 압력을 소정 값으로 유지해 주는 것을 특징으로 하는 2차전지용 양극 활물질의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 압력은 대기압 보다 0.1∼2기압 높게 유지되는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조방법.
소정의 원료분말이 담겨져 화학적 반응이 행해지는 도가니와, 상기 도가니를 에워싸며 상기 화학적 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열처리로와, 상기 열처리로의 벽면 내부에 설치되며 상기 반응에 필요한 온도를 유지해주기 위한 열을발생시키는 히터를 구비하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치에 있어서,

상기 도가니 내부에는 상기 원료 분말을 섞어주기 위한 교반기가 설치되어 있고, 그 상부에는 활물질의 합성중 열해리된 중간 생성물이 도가니 밖으로 빠져나가는 것을 방지하기 위한 뚜껑이 설치되고, 그 뚜껑에는 도가니 내의 압력을 조절해주기 위한 압력조절기가 설치되어 있으며, 상기 열처리로 상면에는 상기 교반기를 회전시켜주기 위한 교반기 회전수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치.
제 3항에 있어서,

상기 교반기는 회전축과, 상기 회전축에 적층으로 고정된 복수의 프로펠러로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 2차전지용 양극 활물질의 제조장치.
제 4항에 있어서,

상기 회전축 및 복수의 프로펠러 내부에는 상기 원료분말의 교반 시 소정의 분위기 가스를 공급해주기 위한 가스 통로가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치.
제 5항에 있어서,

상기 복수의 프로펠러에는 상기 분위기 가스의 방출을 위한 복수의 가스방출공이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2차전지용 양극 활물질의 제조장치.
제 6항에 있어서,

상기 가스방출공은 직경이 약 0.1∼1mm의 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2차전지용 양극 활물질의 제조장치.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,

상기 회전축 및 복수의 프로펠러는 99% 이상의 고순도 알루미나 재질로 되어 있는 것을 특징으로 하는 2차전지용 양극 활물질의 제조장치.
제 3항에 있어서,

상기 교반기 회전수단은 회전력을 발생시키는 모터와, 상기 모터의 축 및 교반기의 회전축에 각각 설치되어 상기 모터로부터의 회전력을 전달하는 기어 및 상기 모터의 회전속도를 제어하기 위한 회전속도 콘트롤러로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치.
제 9항에 있어서,

상기 기어는 베벨 기어인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치.
제 9항에 있어서,

상기 모터의 회전속도는 1∼20rpm으로 제어되는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 활물질의 제조장치.