KR100440931B1 - Lithuim vanadium oxide doped with Cu, method for manufacturing thereof and lithium secondary battery usin the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 화학식 1의 구리가 혼입(doping)된 리튬 바나듐 산화물 (vanadium oxide, Li1+xCuyV3O8), 그 제조방법 및 이를 채용한 리튬 2차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to lithium vanadium oxide (Li 1 + x Cu y V 3 O 8 ) doped with copper of Formula 1, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery employing the same.

Li1+xCuyV3O8 Li 1 + x Cu y V 3 O 8

상기 식에서 x는 0∼0.3이고,Wherein x is 0 to 0.3,

y는 0.1∼0.3이다.y is 0.1-0.3.

본 발명은 캐소드 물질로서 고상 반응 (solid-state reaction)을 이용하여 구리가 혼입된 리튬 바나듐 산화물을 제공하며, 본 발명에 따른 캐소드 물질을 채용한 리튬 2차 전지는 고용량, 빠른 충방전 속도를 가지며, 생산비용이 낮다는 장점이 있다.The present invention provides a lithium vanadium oxide in which copper is incorporated using a solid-state reaction as a cathode material, and a lithium secondary battery employing a cathode material according to the present invention has a high capacity and a fast charge / discharge rate. This has the advantage of low production cost.

Description

구리가 혼입된 리튬 바나듐 산화물, 그 제조방법 및 이를 채용한 리튬 2차 전지{Lithuim vanadium oxide doped with Cu, method for manufacturing thereof and lithium secondary battery usin the same}Lithium vanadium oxide incorporating copper, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery employing the same {Lithuim vanadium oxide doped with Cu, method for manufacturing applications and lithium secondary battery usin the same}

본 발명은 구리가 혼입된 리튬 바나듐 산화물 (Li1+xCuyV3O8), 그 제조방법 및 이를 채용한 리튬 2차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬 바나듐 산화물 제조시 구리 산화물을 첨가하고, 고온 고상반응을 통해 얻어지는 구리가 혼입된 리튬 바나듐 산화물, 그 제조방법 및 이를 채용한 리튬 2차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium vanadium oxide (Li 1 + x Cu y V 3 O 8 ) in which copper is mixed, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery employing the same. The present invention relates to a lithium vanadium oxide added with copper obtained through a high temperature solid-state reaction, a method for producing the same, and a lithium secondary battery employing the same.

정보화 사회의 급속한 발전으로 노트북 컴퓨터와 휴대 전화기 등의 휴대용 정보 단말기기의 보급이 급속히 확대되고 있다. 이러한 휴대용 정보기기와 무공해 전기자동차의 전력원으로 이차전지의 개발이 최근 각광을 받아 왔으며, 이를 위해서는 고밀도 에너지를 가진 고성능 이차전지의 개발이 필수적이다. 리튬 이차전지는 기존의 이차전지에 비해 가볍고 이론 용량이 크며 작동 전압이 높고 보관 수명이 긴 장점이 있기 때문에 최근 크게 주목받고 있다.With the rapid development of the information society, the spread of portable information terminal devices such as notebook computers and mobile phones is expanding rapidly. The development of secondary batteries as a power source of such portable information devices and pollution-free electric vehicles has been in the spotlight recently, and for this purpose, development of high-performance secondary batteries having high density energy is essential. Lithium secondary batteries have attracted much attention recently because they have advantages such as lighter, larger theoretical capacity, higher operating voltage, and longer shelf life than conventional secondary batteries.

현재 리튬 이차전지의 애노드로 사용하는 탄소계 전극의 이론 용량은 372 Ah/kg이지만 캐소드로 사용되는 대부분의 금속 산화물은 200 Ah/kg이하의 용량을 나타낸다. 즉 리튬 이차전지의 주된 성능 제한 요소는 캐소드 물질임을 알 수 있다. 또한 현재 사용되는 대표적인 캐소드 물질인 LiCoO2,LiNiO2는 중심 금속이 희귀 금속이며 독성을 나타내기 때문에 경제적이나 환경보호 측면에서 새로운 종류의 금속 산화물에 대한 연구가 진행되어왔으며, 현재는 리튬 바나듐 옥사이드(LiV3O5)에 여러 첨가물을 첨가한 전극 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.At present, the theoretical capacity of the carbon-based electrode used as an anode of a lithium secondary battery is 372 Ah / kg, but most metal oxides used as a cathode have a capacity of 200 Ah / kg or less. That is, the main performance limiting factor of the lithium secondary battery can be seen that the cathode material. Typical cathode material of LiCoO 2, LiNiO 2 has been the center metal is a study for a new kind of metal oxide is conducted in the protection of economic and environment because it represents a rare metal is toxic and is now lithium vanadium oxide also currently used ( LiV 3 O 5 ) is actively researched on the electrode material added with various additives.

미국 특허 제US 6004697호에는 리튬 바나듐 옥사이드에 플루오린을 첨가한 전극물질이 개시되어 있으나, 초기 방전 용량 값이 220 mAh 내외로서 통상적인 리튬 바나듐 옥사이드 전극 물질과 비교할 때 용량 증가가 그리 크지않다는 문제점이 있다.U.S. Patent No. 6004697 discloses an electrode material in which fluorine is added to lithium vanadium oxide, but an initial discharge capacity value of about 220 mAh has a problem in that the increase in capacity is not so large compared with conventional lithium vanadium oxide electrode materials. have.

한편, 리튬 바나듐 옥사이드의 제조방법으로는 고상 반응법 (solid-state reaction), 수열 반응법 (hydrothermal reaction), 저온 합성법 등이 있다.On the other hand, the manufacturing method of lithium vanadium oxide is a solid-state reaction (solid-state reaction), hydrothermal reaction (hydrothermal reaction), low temperature synthesis method and the like.

대한민국 특허출원 제98-048459호에는 수열반응을 이용하여, 리튬과 바나듐을 함유하는 이중산화물막을 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 수열 반응을 통해 얻어지는 리튬 바나듐 산화물은 무정질성(amorphorous)의 문제 때문에 충방전 수명이 떨어진다는 단점을 가지고 있으며, 합성법의 특성상 생성물에 물 분자 등이 함유되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 고상 반응에 비해 반응 공정이 복잡하고 제조비용이 고가라는 문제점이 있다.Korean Patent Application No. 98-048459 discloses a method for producing a double oxide film containing lithium and vanadium by using a hydrothermal reaction, but lithium vanadium oxide obtained through the hydrothermal reaction is charged due to the problem of amorphous. It has a disadvantage in that the discharge life is short, and there is a problem in that water molecules are contained in the product due to the nature of the synthesis method, and the reaction process is complicated and the manufacturing cost is high compared to the solid phase reaction.

따라서, 본 발명의 첫 번째 기술적 과제는 종래의 리튬 바나듐 산화물에 제3의 물질을 첨가하여 기존의 캐소드 물질에 비하여 성능이 우수한 캐소드 물질을 제공하는 것이다.Accordingly, the first technical problem of the present invention is to add a third material to the conventional lithium vanadium oxide to provide a cathode material which is superior in performance to the conventional cathode material.

본 발명의 두 번째 기술적 과제는 종래의 리튬 바나듐 산화물의 제조방법보다 간단하고 성능이 향상된 전극 물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.A second technical problem of the present invention is to provide a method of manufacturing an electrode material which is simpler and has improved performance than a conventional method of manufacturing lithium vanadium oxide.

본 발명의 세 번째 기술적 과제는 상기 캐소드 물질을 채용한 리튬 2차 전지를 제공하는 것이다.A third technical problem of the present invention is to provide a lithium secondary battery employing the cathode material.

도 1은 구리의 혼입에 따른 리튬 바나듐 산화물의 구조 변화를 관찰하기 위한 X-선 회절 분석(x-ray diffraction) 측정 결과를 나타낸다.Figure 1 shows the results of the X-ray diffraction measurement (x-ray diffraction) to observe the structural change of the lithium vanadium oxide with the incorporation of copper.

도 2는 종래의 LiV3O5와 본 발명에 따른 Li1+xCuyV3O8(y=0.2)를 캐소드 물질로 채용한 리튬 2차 전지의 충방전 곡선을 나타낸다.2 shows a charge and discharge curve of a lithium secondary battery employing LiV 3 O 5 and Li 1 + x Cu y V 3 O 8 (y = 0.2) according to the present invention as a cathode material.

도 3은 본 발명에 따른 Li1+xCuyV3O8(y=0.2)를 캐소드 물질로 채용한 리튬 2차 전지의 충방전에 따른 수명 특성을 나타낸다.Figure 3 shows the life characteristics according to the charge and discharge of a lithium secondary battery employing Li 1 + x Cu y V 3 O 8 (y = 0.2) according to the present invention as a cathode material.

도 4는 본 발명의 실시예 2, 비교예 1-2에 따른 캐소드 물질을 채용한 리튬 2차 전지의 충방전 곡선을 나타낸다.4 shows charge and discharge curves of a lithium secondary battery employing a cathode material according to Example 2 and Comparative Examples 1-2 of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

(a) 실시예 2(a) Example 2

(b) 비교예 1(b) Comparative Example 1

(c) 비교예 2(c) Comparative Example 2

상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 리튬 바나듐 산화물을 제공한다.In order to achieve the first technical problem, the present invention provides a lithium vanadium oxide having a structure of formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Li1+xCuyV3O8 Li 1 + x Cu y V 3 O 8

상기 식에서 x는 0∼0.3이고,Wherein x is 0 to 0.3,

y는 0.1∼0.3이다.y is 0.1-0.3.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 리튬 바나듐 산화물에 있어서, y가 0.2인 것이 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, in the lithium vanadium oxide, y is preferably 0.2.

또한, 상기 리튬 바나듐 산화물은 DMcT(2,5-디메르캅토-1,3,4-티아디아졸)을 더 포함할 수도 있다.In addition, the lithium vanadium oxide may further include DMcT (2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole).

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 DMcT의 첨가량은 리튬에 대해 0.1∼0.4인 것이 바람직하다. 0.1 미만인 경우에는 도핑효과가 나타나지 않는 단점이 있고 0.4를 초과할 때에는 2차상이 존재하기 때문에 바람직하지 않다.According to another embodiment of the present invention, the amount of DMcT added is preferably 0.1 to 0.4 relative to lithium. If it is less than 0.1 there is a disadvantage that doping effect does not appear and when it exceeds 0.4 is not preferable because the secondary phase is present.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 리튬카보네이트 (Li2CO3), 바나듐 옥사이드(V2O5) 및 구리 산화물(CuO) 혼합한 후, 600∼800℃에서 가열하는 단계;The present invention is a mixture of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ) and copper oxide (CuO) to achieve the second technical problem, and then heating at 600 ~ 800 ℃;

상기 물질을 상온으로 냉각시키는 단계;Cooling the material to room temperature;

상기에서 얻어진 물질을 분말로 제조한 다음, 건조시키는 단계를 포함하는것을 특징으로 하는 리튬 바나듐 산화물의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a lithium vanadium oxide, characterized in that it comprises the step of preparing the material obtained in the above powder and then drying.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 리튬 카보네이트와 바나듐 옥사이드의 혼합비율은 Li과 V의 몰비율 기준으로 1:3이고, 상기 구리 산화물의 혼합비율이 Li에 대해 0.1∼0.3인 것이 바람직하다. 구리 산화물의 혼합비율이 0.1 미만인 때에는 첨가효과가 나타나지 않는 단점이 있고, 0.3을 초과할 때에는 2차상이 존재하기 때문에 바람직하지 않다.According to another embodiment of the present invention, the mixing ratio of lithium carbonate and vanadium oxide is 1: 3 based on the molar ratio of Li and V, and the mixing ratio of copper oxide is preferably 0.1 to 0.3 with respect to Li. . When the mixing ratio of copper oxide is less than 0.1, there is a disadvantage in that the additive effect does not appear, and when it exceeds 0.3, the secondary phase is not preferable.

본 발명에 따른 제조방법은 상기 리튬카보네이트, 바나듐 옥사이드 및 구리 산화물의 혼합물에 DMcT를 추가로 더 포함할 수도 있다.The manufacturing method according to the present invention may further include DMcT in a mixture of the lithium carbonate, vanadium oxide and copper oxide.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 DMcT의 혼합비율은 리튬에 대해 0.1∼0.4인 것이 바람직하다. 0.1 미만인 경우에는 도핑효과가 나타나지 않는 단점이 있고 0.4를 초과할 때에는 2차상이 존재하기 때문에 바람직하지 않다.According to a preferred embodiment of the present invention, the mixing ratio of the DMcT is preferably 0.1 to 0.4 with respect to lithium. If it is less than 0.1 there is a disadvantage that doping effect does not appear and when it exceeds 0.4 is not preferable because the secondary phase is present.

상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 상기에서 얻어진 캐소드 물질을 채용한 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지를 제공한다.In order to achieve the third technical problem, the present invention provides a lithium secondary battery characterized by employing the cathode material obtained above.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 따른 리튬 이차전지용 캐소드 물질은 리튬 바나듐 산화물 합성시 구리 산화물을 소량 첨가하여 고온 고상 반응시 구리가 리튬 바나듐 산화물에 혼입되게 함으로써 구리가 혼입되지 않는 바나듐 산화물에 비해 높은 용량과 우수한 충방전 수명을 나타낼 수 있다는 데에 그 특징이 있다.The cathode material for a lithium secondary battery according to the present invention has a high capacity and excellent charge and discharge life compared to vanadium oxide in which copper is not mixed by adding a small amount of copper oxide during synthesis of lithium vanadium oxide so that copper is incorporated into lithium vanadium oxide during a high temperature solid phase reaction. Its characteristics are that it can be represented.

본 발명에 따른 리튬 바나듐 산화물의 제조방법에서 리튬카보네이트, 바나듐옥사이드 및 구리산화물을 혼합한 후 가열하는 단계는 1∼2시간인 것이 바람직하다.In the method for producing lithium vanadium oxide according to the present invention, the step of heating after mixing lithium carbonate, vanadium oxide and copper oxide is preferably 1 to 2 hours.

본 발명에 따른 구리가 혼입된 화합물은 결정구조적 변화 없이 내부저항의 감소를 일으켜 IR drop이 적어지며 이에 따라 높은 용량을 실현할 수 있도록 한다.The copper-containing compound according to the present invention causes a decrease in the internal resistance without changing the crystal structure, thereby reducing the IR drop, thereby realizing a high capacity.

본 발명에 따른 구리가 혼입된 리튬 바나듐 산화물은 DMcT (2,5-디메르캅토-1,3,4-티아디아졸)를 추가로 더 포함할 수 있다. 유기황계 물질인 DMcT는 산화 환원 반응에 따라 단량체에서 고분자로 변화될 수 있어 리튬 이차전지의 캐소드 물질로 많이 연구되고 있는 물질이다. 본 발명에 따라, 유기물로서 DMcT, 무기물로서 구리를 사용한 유기/무기 복합체의 경우 다음과 같은 효과가 있다. 첫째, 사용되는 DMcT는 전자와의 반응 개수를 증가시키는 효과가 있고 구리는 복합물의 저항을 감소시키는 역할을 하여 전지용량이 증가한다. 둘째, DMcT가 층상 구조로 삽입되게 되면 혼입된 구리의 층간 거리가 증가되어 리튬 이온의 확산 계수가 증가되게 되며, 결과적으로 캐소드 물질의 율속 특성이 향상될 수 있다.The lithium vanadium oxide incorporating copper according to the present invention may further include DMcT (2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole). DMcT, an organic sulfur-based material, can be changed from monomers to polymers according to redox reactions, and thus has been studied as a cathode material for lithium secondary batteries. According to the present invention, an organic / inorganic composite using DMcT as an organic material and copper as an inorganic material has the following effects. First, the DMcT used has an effect of increasing the number of reactions with the electron, and copper serves to reduce the resistance of the composite, thereby increasing the battery capacity. Second, when the DMcT is inserted into the layered structure, the interlayer distance of the mixed copper is increased to increase the diffusion coefficient of lithium ions, and as a result, the rate-performing property of the cathode material may be improved.

이하 본 발명을 하기 실시예 및 실험예를 통하여 보다 상세히 설명하나, 본 발명이 이로 인해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples and Experimental Examples, but the present invention is not limited thereto.

<실시예 1><Example 1>

Li2CO3와 V2O5를 Li : V = 1 : 3의 몰비율로 섞고, 구리 산화물(CuO)을 Li 원소에 대해 0.1몰의 비율로 혼합하였다. 다음으로, 막자사발에서 건식 혼합한 후 전기로를 사용하여 700℃로 가열하고 1시간 동안 유지시킨 다음, 상온으로 냉각시켰다. 합성된 물질을 분말로 만들기 위해 Freezer Mill을 사용하여 분말로 제조한 후120℃의 오븐에서 하루 동안 건조시켜 Li1+xCuyV3O8분말을 얻었다.Li 2 CO 3 and V 2 O 5 were mixed at a molar ratio of Li: V = 1: 1, and copper oxide (CuO) was mixed at a ratio of 0.1 mole with respect to the Li element. Next, dry mixing in a mortar and pestle, and then heated to 700 ℃ using an electric furnace and maintained for 1 hour, and then cooled to room temperature. In order to make the synthesized powder into a powder using a Freezer Mill to prepare a powder and then dried in an oven at 120 ℃ for 1 day to obtain a Li 1 + x Cu y V 3 O 8 powder.

<실시예 2><Example 2>

구리 산화물을 Li 원소에 대해 0.2몰의 비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 바나듐 산화물을 얻었다.A lithium vanadium oxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the copper oxide was mixed at a ratio of 0.2 mol to the Li element.

<실시예 3><Example 3>

구리 산화물을 Li 원소에 대해 0.3몰의 비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 바나듐 산화물을 얻었다.A lithium vanadium oxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the copper oxide was mixed at a ratio of 0.3 mol to the Li element.

<실시예 4><Example 4>

Li2CO3와 V2O5를 Li : V = 1 : 3의 몰비율로 섞고, 구리 산화물(CuO)을 Li 원소에 대해 0.1몰의 비율로 혼합하였다. 다음으로, 막자사발에서 건식 혼합한 후 전기로를 사용하여 700℃로 가열하고 1시간 동안 유지시킨 다음, 상온으로 냉각시켰다. 합성된 물질을 분말로 만들기 위해 Freezer Mill을 사용하여 분말로 제조한 후 120℃의 오븐에서 하루 동안 건조시켜 Li1+xCuyV3O8분말을 얻었다. DMcT는 아세톤에 리튬 대비 0.1∼0.4의 몰비를 유지할 수 있도록 용해시킨 후, 상기에서 얻어진 분말을 분산시켰다. 이처럼 DMcT와 혼합된 슬러리를 120℃에서 4시간 건조시켜 양극 소재로 사용하였다.Li 2 CO 3 and V 2 O 5 were mixed at a molar ratio of Li: V = 1: 1, and copper oxide (CuO) was mixed at a ratio of 0.1 mole with respect to the Li element. Next, dry mixing in a mortar and pestle, and then heated to 700 ℃ using an electric furnace and maintained for 1 hour, and then cooled to room temperature. In order to make the synthesized powder into a powder using a Freezer Mill to prepare a powder and then dried in an oven at 120 ℃ for 1 day to obtain a Li 1 + x Cu y V 3 O 8 powder. DMcT was dissolved in acetone to maintain a molar ratio of 0.1 to 0.4 relative to lithium, and then the powder obtained above was dispersed. Thus, the slurry mixed with DMcT was dried for 4 hours at 120 ℃ was used as a cathode material.

<비교예 1>Comparative Example 1

하기와 같이, 수열반응법을 사용하여 LiV3O8을 제조하였다. LiOH와 V2O5분말을 2 : 3의 몰분율로 물에 용해시킨 다음 약 50℃로 가열하면서 교반하여 적갈색의LiV3O8를 얻었다. 상기에서 얻어진 적갈색의 침전물을 여과시켜, 물로 세척한 후 상온 진공하에서 예비 건조시키고, 200℃에서 6시간 동안 건조하였다. 건조된 LiV3O8침전물 덩어리를 분쇄한 후 캐소드 분말로 사용하였다.As described below, LiV 3 O 8 was prepared using hydrothermal reaction. LiOH and V 2 O 5 powder were dissolved in water at a molar fraction of 2: 3, and then stirred while heating to about 50 ° C. to obtain a reddish brown LiV 3 O 8 . The reddish brown precipitate obtained above was filtered off, washed with water and then dried under vacuum at room temperature, and dried at 200 ° C. for 6 hours. The dried LiV 3 O 8 precipitate mass was pulverized and used as a cathode powder.

<비교예 2>Comparative Example 2

하기와 같이, 저온 합성법을 사용하여 LiV3O8를 제조하였다. 수용액에서 Li2CO3와 NH4VO3를 1 : 3 (Li : V)의 몰비로 혼합한 후 형성된 침전물을 300℃의 전기로에서 10시간 동안 반응시켰다.As described below, LiV 3 O 8 was prepared using a low temperature synthesis method. After mixing Li 2 CO 3 and NH 4 VO 3 in an aqueous solution at a molar ratio of 1: 3 (Li: V), the precipitate formed was reacted for 10 hours in an electric furnace at 300 ° C.

<비교예 3>Comparative Example 3

구리 산화물을 Li 원소에 대해 1몰의 비율로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 바나듐 산화물을 얻었다.A lithium vanadium oxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the copper oxide was mixed at a ratio of 1 mol with respect to the Li element.

<시험예 1><Test Example 1>

실시예 1-3 및 비교예 1의 캐소드 물질에 대하여 구리의 혼입 유무에 따른 Li1+xV3O8의 결정 구조 변화를 조사하기 위해 X-선 회절 분석 (x-ray diffraction)을 측정하였으며 그 결과를 도 1에 나타내었다. 그 결과 구리가 혼입되어도 Li1+xV3O8의 구조에는 큰 변화가 없음이 관찰되었다.X-ray diffraction (X-ray diffraction) was measured to investigate the crystal structure change of Li 1 + x V 3 O 8 with or without copper in the cathode materials of Examples 1-3 and Comparative Example 1. The results are shown in FIG. As a result, no significant change was observed in the structure of Li 1 + x V 3 O 8 even if copper was mixed.

<실험예 1>Experimental Example 1

리튬 이차전지의 캐소드 물질로의 특성을 관찰하기 위하여 아르곤 가스 분위기의 글로브 박스 내에서 도 2와 같은 2-전극 시스템을 제작하여 실험하였다. 애노드는 리튬 금속 (99.9%, Aldrich)을 잘라서 사용하였으며, 캐소드는 실시예 2 및 비교예 1에서 얻어진 활물질과 도전재(conductor)로서 아세틸렌 블랙, 접합재 (binder)로서 PTFE (폴리테트라플루오로에틸렌)를 혼합한 후 압력을 가하여 전극을 제조하였다. 전해질은 1M LiPF6/EC:DEC (중량비 1:1) [Merck, Battery grade]를 사용하였다. 충방전 측정 조건은 약 2 - 3.5 V의 전압 범위에서 다양한 전류 밀도로 실험하여 그 특성을 도 3에 나타내었다.In order to observe the characteristics of the lithium secondary battery as a cathode material, a 2-electrode system as shown in FIG. 2 was manufactured and tested in a glove box under an argon gas atmosphere. The anode was cut and used lithium metal (99.9%, Aldrich), the cathode was acetylene black as the active material and the conductive material obtained in Example 2 and Comparative Example 1, PTFE (polytetrafluoroethylene) as a binder After mixing the pressure was added to prepare an electrode. As the electrolyte, 1M LiPF 6 / EC: DEC (weight ratio 1: 1) [Merck, Battery grade] was used. The charging and discharging measurement conditions were tested at various current densities in the voltage range of about 2-3.5 V and the characteristics thereof are shown in FIG. 3.

도 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 바나듐 산화물 (Li1+xV3O8)은 0.5 mA/cm2의 전류 밀도에서 약 220 mAh/g의 용량을 나타내는 반면에 본 발명의 실시예 2에 의한 구리가 혼입된 캐소드 물질을 사용한 경우에는 247 mAh/g로 약 12 % 정도의 용량 증가가 관찰되었다. 이 물질의 충방전 수명 특성을 살펴보기 위해 정전류 조건하에서 충방전 용량의 변화를 관찰하였으며 그 결과를 도 4에 나타내었다. 리튬 이차전지의 전극 물질로 사용되기 위해서는 충방전에 따라 용량 변화가 적어야 하는데 도 4와 같이 구리가 혼입된 바나듐 산화물은 충방전에 따라 일정한 용량을 나타내므로 리튬 2차 전지의 캐소드 물질로서 적합하다는 것을 알 수 있었다.As shown in FIG. 3, the vanadium oxide (Li 1 + x V 3 O 8 ) of Comparative Example 1 exhibited a capacity of about 220 mAh / g at a current density of 0.5 mA / cm 2 , while Example 2 of the present invention In case of using a cathode material containing copper, an increase of about 12% was observed at 247 mAh / g. In order to examine the charge and discharge life characteristics of the material, the change in charge and discharge capacity was observed under constant current conditions, and the results are shown in FIG. 4. In order to be used as an electrode material of a lithium secondary battery, a change in capacity should be small according to charging and discharging. As shown in FIG. 4, vanadium oxide containing copper has a constant capacity according to charging and discharging, and thus it is suitable as a cathode material of a lithium secondary battery. Could know.

<실험예 2>Experimental Example 2

본 발명의 실시예 5에 의한 캐소드 물질의 충방전 특성을 측정하기 위하여 전류 밀도는 0.2 mA/cm2, 충방전 전압 구간은 2 ∼ 3.2 V로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 조건으로 충방전 측정을 하였다. 이때의 초기 방전 용량은 358 mAh/g으로서 Li1+xV3O8의 초기 방전 용량 223 mAh/g이나 Li1+xCuyV3O8의 초기 방전 용량247 mAh/g에 비하여 매우 높음을 알 수 있었다.In order to measure the charge and discharge characteristics of the cathode material according to Example 5 of the present invention, the current density was 0.2 mA / cm 2, and the charge and discharge voltage range was 2 to 3.2 V, except that the charge and discharge were carried out under the same conditions as in Experimental Example 1. The measurement was made. The initial discharge capacity is very high as compared with 358 mAh / g as Li 1 + x V 3 O 8 The initial discharge capacity 223 mAh / g and the initial discharge capacity of 247 mAh / g of Li 1 + x Cu y V 3 O 8 in the And it was found.

<실험예 3>Experimental Example 3

실시예 2, 비교예 1-2에서 얻어진 캐소드 물질의 충방전 특성을 측정하였다. 1 ∼ 3.5 V의 전압 구간에서 0.1 mA/cm2이하의 전류 밀도로 충방전을 할 경우, 리튬 바나듐 산화물은 이론 용량에 해당하는 3 몰의 리튬 이온이 삽입된다. 하지만 이런 실험 조건은 실제 전지의 작동 조건과 비교해 볼 때 많은 차이가 있기 때문에 본 실험에서는 2 ∼ 3.2 V의 전압 구간에서 0.2 mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 실험을 하여 캐소드 물질의 특성을 조사하여 그 첫 번째 충방전 곡선을 도 5에 나타내었다. 실시예 2에 의한 캐소드 물질의 초기 방전 용량은 약 247 mAh/g이며 비교예 1 및 비교예 2에 의한 캐소드 물질의 초기 방전 용량은 각각 182 mAh/g와 125 mAh/g로 구리를 혼합하여 고상 반응법을 통해 얻은 캐소드 물질이 가장 큰 용량을 나타냄을 알 수 있었다. 상기에서 얻은 방전 용량을 이용하여 층간삽입되는 리튬 몰 수와 이론 용량 대비 캐소드 이용률을 환산하여 하기 표 1에 나타내었다.The charge and discharge characteristics of the cathode material obtained in Example 2 and Comparative Example 1-2 were measured. When charging and discharging at a current density of 0.1 mA / cm 2 or less in a voltage range of 1 to 3.5 V, 3 mol of lithium ions corresponding to the theoretical capacity are inserted into the lithium vanadium oxide. However, these experimental conditions are much different from the actual operating conditions of the battery, so in this experiment, a constant current experiment was conducted at a current density of 0.2 mA / cm 2 in the voltage range of 2 to 3.2 V to investigate the characteristics of the cathode material. The first charge and discharge curve is shown in FIG. 5. The initial discharge capacity of the cathode material according to Example 2 is about 247 mAh / g and the initial discharge capacity of the cathode material according to Comparative Examples 1 and 2 is 182 mAh / g and 125 mAh / g, respectively, by mixing the solid phase It was found that the cathode material obtained through the reaction showed the largest capacity. Using the discharge capacity obtained above, the number of lithium molar intercalated and the cathode utilization compared to the theoretical capacity are shown in Table 1 below.

Li1+xV3O8의이론 용량Theoretical Capacity of Li 1 + x V 3 O 8 초기 방전 용량Initial discharge capacity Li (몰)Li (Mall) 캐소드 이용률(%)Cathode utilization (%) 실시예 2Example 2 280 mAh/g280 mAh / g 247 mAh/g247 mAh / g 2.392.39 79.679.6 비교예 1Comparative Example 1 182 mAh/g182 mAh / g 1.961.96 65.065.0 비교예 2Comparative Example 2 125 mAh/g125 mAh / g 1.341.34 44.644.6

상기의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 구리를 혼입한 리튬 바나듐 산화물은 현재 리튬 이차전지의 정극 물질로 사용되는 전이금속 산화물의 용량(110∼200 mAh/g)과 비교할 때, 용량면에서 매우 우수함을 알 수 있다.As can be seen from the above results, the lithium vanadium oxide incorporating copper according to the present invention has a capacity in comparison with the capacity (110-200 mAh / g) of the transition metal oxide currently used as a cathode material of a lithium secondary battery. It can be seen that it is very excellent.

본 발명을 통한 구리가 혼입된 리튬 바나듐 산화물은 기존의 여러 방법과 달리 제조가 용이하며 낮은 비용으로 리튬 2차 전지용 전극 물질 재료를 개발할 수 있다. 본 발명에 따른 캐소드 물질을 채용한 리튬 2차 전지는 기존의 리튬 바나듐 산화물보다 높은 용량을 나타내고 높은 전류 밀도 (current density)에서도 용량 감소가 적다. 또한 충방전 속도가 빠르며 안정한 수명을 보이며, 생산비용이 낮다는 장점이 있다.The lithium vanadium oxide incorporating copper through the present invention is easy to manufacture, unlike many existing methods, and can develop electrode material materials for lithium secondary batteries at low cost. The lithium secondary battery employing the cathode material according to the present invention exhibits higher capacity than conventional lithium vanadium oxide and has a small capacity reduction even at high current density. In addition, the charging and discharging speed is fast, has a stable life, and has the advantage of low production cost.

Claims (9)

하기 화학식 1의 구조를 갖는 리튬 바나듐 산화물.Lithium vanadium oxide having the structure of formula (1). Li1+xCuyV3O8(1)Li 1 + x Cu y V 3 O 8 (1) 상기 식에서 x는 0∼0.3이고,Wherein x is 0 to 0.3, y는 0.1∼0.3이다.y is 0.1-0.3. 제 1항에 있어서, y가 0.2인 것을 특징으로 하는 리튬 바나듐 산화물.The lithium vanadium oxide of claim 1 wherein y is 0.2. 제 1항 또는 제 2항의 리튬 바나듐 산화물에 DMcT(2,5-디메르캅토-1,3,4-티아디아졸)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기/무기 복합체.The organic / inorganic composite of claim 1 or 2, further comprising DMcT (2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole). 제 3항에 있어서, 상기 DMcT의 첨가량은 리튬에 대해 0.1∼0.4인 것을 특징으로 하는 유기/무기 복합체.The organic / inorganic composite according to claim 3, wherein the amount of DMcT added is 0.1 to 0.4 with respect to lithium. 리튬 카보네이트, 바나듐 옥사이드(V2O5) 및 구리 산화물(CuO) 혼합한 후, 600∼800℃에서 가열하는 단계;Mixing lithium carbonate, vanadium oxide (V 2 O 5 ) and copper oxide (CuO), and then heating at 600 to 800 ° C .; 상기 물질을 상온으로 냉각시키는 단계;Cooling the material to room temperature; 상기에서 얻어진 물질을 분말로 제조한 다음, 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 바나듐 산화물의 제조방법.Method for producing a lithium vanadium oxide, characterized in that it comprises the step of preparing the material obtained in the above powder and then drying. 제 5항에 있어서, 상기 리튬 카보네이트와 바나듐 옥사이드의 혼합비율이 Li과 V의 몰비율 기준으로 1:3이고, 상기 구리 산화물의 혼합비율이 Li에 대해 0.1∼0.3몰인 것을 특징으로 하는 리튬 바나듐 산화물의 제조방법.The lithium vanadium oxide according to claim 5, wherein the mixing ratio of the lithium carbonate and the vanadium oxide is 1: 3 based on the molar ratio of Li and V, and the mixing ratio of the copper oxide is 0.1 to 0.3 moles with respect to Li. Manufacturing method. 제 5항에 있어서, 상기 리튬 카보네이트, 바나듐 옥사이드 및 구리 산화물의 혼합물에 DMcT를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 바나듐 산화물의 제조방법.6. The method of claim 5, further comprising DMcT in the mixture of lithium carbonate, vanadium oxide and copper oxide. 제 7항에 있어서, 상기 DMcT의 혼합비율이 리튬에 대해 0.1∼0.4인 것을 특징으로 하는 리튬 바나듐 산화물의 제조방법.The method for producing lithium vanadium oxide according to claim 7, wherein the mixing ratio of DMcT is 0.1 to 0.4 with respect to lithium. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 물질을 채용한 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지.The lithium secondary battery which employ | adopted the cathode material in any one of Claims 1-4.
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