KR100477400B1 - Method for manufacturing Lil + xMn2-xO4 for secondary battery electrode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학식 Li1+xMn2-xO4로 표시되는 리튬 망간 산화물 충간 화합물을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은 수산화리튬 또는 리튬 염 및 산화망간 또는 망간 염을 충분히 혼합시키는 단계, 충분히 혼합된 염들을 반응기(5)에 공급하는 단계, 혼합된 염들을 반응기(5)에서 연속적으로 교반시키는 단계, 교반되고 혼합된 염들을 반응기(5)에서 약 650℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도에서 약 4 시간을 초과하지 않는 시간 동안 산소 함유 대기 중에서 가열하는 단계, 및 반응 생성물을 산소 함유 대기 중에서 약 2 시간을 초과하지 않는 시간 동안 약 200℃ 이하로 냉각시키는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for preparing a lithium manganese oxide intercalation compound represented by the formula Li 1 + x Mn 2-x O 4 , the method of the present invention is to sufficiently mix lithium hydroxide or lithium salt and manganese oxide or manganese salt Supplying sufficiently mixed salts to the reactor 5, continuously stirring the mixed salts in the reactor 5, and stirring the mixed salts in the reactor 5 in the range of about 650 ° C to about 800 ° C. Heating in an oxygen containing atmosphere for a time not exceeding about 4 hours at a temperature of and cooling the reaction product to about 200 ° C. or less for a time not exceeding about 2 hours in an oxygen containing atmosphere.

Description

2차 축전지 전극용 L i 1 +x M n 2 - x O 4의 제조 방법Method for manufacturing L i 1 + x M n 2-x O 4 for secondary battery electrodes

본 발명은 3원 산화물을 함유하는 리튬의 미세 분말 및/또는 필름을 제조하는 연속적인 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 2차 축전지(secondary battery)용으로 주목을 받는 층간 화합물(intercalation compound)인 Li1+xMn2-xO4의 합성에 관한 것이다.The present invention relates to a continuous process for producing fine powders and / or films of lithium containing ternary oxides. More specifically, the present invention relates to the synthesis of Li 1 + x Mn 2-x O 4, an intercalation compound of interest for secondary batteries.

종래, 리튬 함유 3원 수산화물은 구성 성분 화합물의 탄산염 및 산화물을 혼합하고, 그 혼합물을 고온에서 가열함으로써 제조하였다. 이 방법은 유효한 전지 재료를 생성하지만, 반응 및 냉각 시간이 길어서 상업적으로는 실용적이지 못하다.Conventionally, lithium-containing ternary hydroxides were prepared by mixing carbonates and oxides of constituent compounds and heating the mixture at high temperature. This method produces an effective cell material but is not commercially viable due to the long reaction and cooling times.

본 발명은 2차, 재충전 가능한 리튬 및 리튬 이온 전지에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 이러한 전지의 양(+)극에 사용하기 위한, x가 약 0.022 내지 약 0.20인 Li1+xMn2-xO4 층간 화합물을 제조하는 연속적인 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to secondary, rechargeable lithium and lithium ion batteries, and more particularly Li 1 + x Mn 2-x O, wherein x is from about 0.022 to about 0.20 for use in the positive electrode of such cells. It relates to a continuous process for preparing four interlayer compounds.

리튬 코발트 산화물은 상업적인 4볼트 리튬 이온 전지에서 양극 물질로 통상 사용된다. 저원가, 풍부한 원료, 부수적인 안전성, 환경상의 허용 가능성 및 전기 화학적 성능에 기초하여, Li1+xMn2-xO4 층간 화합물은 상기 전지에서 양극 물질로 각광을 받아 왔다. 그러나, Li1+xMn2-xO4이 캐소드(cathode) 물질로서 상업적인 성공을 거두기 위해서는 종래 발견되지 않았던, 전기 화학적인 성능 특성을 가진 물질을 신속하고 경제적으로 생산하는 방법을 개발해야 한다. 본 발명은 이러한 문제점에서 제기된 것이다.Lithium cobalt oxide is commonly used as the positive electrode material in commercial 4-volt lithium ion batteries. Based on low cost, abundant raw materials, incidental safety, environmental acceptability and electrochemical performance, Li 1 + x Mn 2-x O 4 interlayer compounds have been spotlighted as positive materials in such cells. However, in order for Li 1 + x Mn 2-x O 4 to be commercially successful as a cathode material, it is necessary to develop a method for rapidly and economically producing a material having electrochemical performance characteristics, which has not been found before. The present invention addresses this problem.

LiMn2O4(x=0인 Li1+xMn2-xO4)는 일찍이 1958년도에 Li2CO3와 임의의 망간 산화물을 Li/Mn 몰 비율을 0.50으로 하여 충분하게 혼합시키고, 그 혼합물을 공기 중에서 800∼900℃ 하에 반응시킨 후에, 다시 분쇄하고 그 혼합물을 상기 온도에서 샘플이 일정한 중량에 도달할 때까지 반응시키는 방법에 의해 합성되었다[D.G. 위크햄 및 W.J. 크로프트, J. Phys. Chem. Solids 7 (1958) 351-360]. LiMn2O4를 산으로 용출시켜 LiMn2O4 결정 골격을 갖는 λ -MnO2를 생성하고, 차후에 λ -MnO2를 리튬 전지에서 양극 물질로서 사용하는 방법이 헌터에 의해 보고된 바 있다[J.C. 헌터(유니온 카바이드), 미국 특허 제4,246,253호, 1981년 1월 20일; J.C. 헌터(유니온 카바이드), 미국 특허 제4,312,930호, 1982년 1월 26일; J.C. 헌터, J. Solid State Chem. 39(1981) 142-147]. 헌터는 상기 λ -MnO2를 LiMn2O4로 전기화학적으로 환원시켰으며, 이 반응은 4V에서 일어나지만, 이들은 전지를 사이클링(cycling)하지 않는다. 또한 헌터는 상기 위크햄과 크로프트의 문헌에 명시된 것 이외의 리튬과 망간 화합물을, 그 화합물이 리튬 또는 망간 산화물을 사용된 반응 조건 하에 분해시킬 수 있는 것인 한, 합성에 사용할 수 있음을 발견하였다. 태커레이 등의 문헌[M. 태커레이, P. 존슨, L, 드 피치오토, P 브루스 및 J. 구드너프, Mat. Res. Bull. 19(1984) 179-187; M. 태커레이, L. 드 피치오토, A. 드 코크, P. 존슨, V. 니콜라스 및 K. 아덴도르프, J. Power Sources 21 (1987) 1-8]에서는, LiMn2O4 스피넬(spinel) 구조 내로 Li를 층간 삽입시키는 반응은 전기화학적으로 가역적이며 Li에 대하여 약 4.1 V와 3.0 V하에 2개의 전압 평탄역을 제공하며, 이는 각각 제1 Li 이온과 제2 Li 이온이 λ -MnO2내로 층간 삽입되고/탈리되는 것에 대응한다.LiMn 2 O 4 (x = 0 Li 1 + x Mn 2-x O 4 ) is a sufficient mixture of Li 2 CO 3 and any manganese oxide as early as 1958 with a Li / Mn molar ratio of 0.50. The mixture was reacted under air at 800-900 ° C., then ground again and the mixture was synthesized by reacting the mixture at this temperature until the sample reached a constant weight [DG Wickham and WJ Croft, J. Phys. Chem. Solids 7 (1958) 351-360. The method of eluting LiMn 2 O 4 with acid to produce λ-MnO 2 having a LiMn 2 O 4 crystal backbone, and subsequently using λ-MnO 2 as a positive electrode material in a lithium battery, has been reported by Hunter [JC. Hunter (Union Carbide), US Patent No. 4,246,253, 20 January 1981; JC Hunter (Union Carbide), US Patent No. 4,312,930, January 26, 1982; JC Hunter, J. Solid State Chem. 39 (1981) 142-147. Hunter electrochemically reduced the λ-MnO 2 to LiMn 2 O 4 , which reaction occurs at 4V, but they do not cycle the cell. Hunter also found that lithium and manganese compounds other than those specified in the literature of Wickham and Croft can be used in the synthesis as long as the compounds can degrade lithium or manganese oxide under the reaction conditions used. . Tachray et al., M. Tucker Ray, P. Johnson, L, De Fitchauto, P Bruce and J. Guduff, Mat. Res. Bull. 19 (1984) 179-187; M. Tuckerley, L. de Pichotto, A. De Cork, P. Johnson, V. Nicholas and K. Adendorff, J. Power Sources 21 (1987) 1-8, LiMn 2 O 4 spinels The intercalation of Li into the structure is electrochemically reversible and provides two voltage plateaus under Li about 4.1 V and 3.0 V for Li, where the first Li ion and the second Li ion are λ -MnO 2, respectively. Corresponding to intercalation / deintercalation into.

다수의 연구진들은 리튬과 망간 화합물의 열에 의한 반응을 통해 LiMn2O4를 합성하는 방법을 연구하였으며, 그 결과 이 방법은 광범위한 온도 범위에 걸쳐, 즉, 300∼900℃에서 수행할 수 있음을 발견하였다. 그 생성물이 Li를 삽입 및 탈리시키는 가능성도 조사하였다. 약 550℃ 이하에서 제조되는 소위 "저온" 물질은 결정도가 낮고 비틀린 스피넬 구조를 가지며, Li에 대하여 약 3V에서 사이클링하지만 4V에서는 사이클링하지 않는다[W.J. 맥클린, R.J. 니트 및 R.J. 포웰, J. Power Sources 34(1991) 39-49; T. 나가우라, M. 요코가와 및 T. 하시모토(소니 코포레이숀), 미국 특허 제4,828,834호, 1989년 5월 9일; M.M 태커레이 및 A. 드 코크(CSIR), 미국 특허 제4,980,251호, 1990년 12월 25일; V. 마네프, A. 몸킬로프, A. 나사레프스카 및 A. 고자와, J. Power Sources, 43-44 (1993) 551-559]. 이러한 물질은 본 출원에서 대상으로 하는 물질이 아니다.Many researchers have studied the method of synthesizing LiMn 2 O 4 by thermal reaction of lithium and manganese compounds, and found that the method can be carried out over a wide range of temperatures, ie from 300 to 900 ° C. It was. The possibility of the product inserting and detaching Li was also investigated. The so-called "cold" materials produced below about 550 ° C have a low crystallinity and twisted spinel structure and cycle at about 3V for Li but not at 4V [WJ McClean, RJ Knit and RJ Powell, J. Power Sources 34 (1991) 39-49; T. Nagaura, M. Yokogawa and T. Hashimoto (Sony Corporation), US Patent No. 4,828,834, May 9, 1989; MM Tackerray and A. De Cork (CSIR), US Pat. No. 4,980,251, December 25, 1990; V. Manev, A. Momkylov, A. Nazalevska and A. Gozawa, J. Power Sources, 43-44 (1993) 551-559]. Such materials are not the subject of this application.

공기중에서 약 600∼900℃하에 제조되는 소위 "고온" 재료는 결정도가 높다. 이들은 Li에 대하여 4 V에서 사이클링 성능(cylcing capacity)을 나타내지만, Li에 대하여 3 V에서는 잘 사이클링되지 못하여 용량을 급격하게 손실한다[J.M. 타라스콘, E. 왕, J.K 쇼쿠히, W.R. 맥키논 및 S. 콜슨, J. Electrochem. Soc. 138(1991) 2859-2868]. 졸-겔 공정의 경우와 같이, LiMn2O4를 저온에서 합성한 경우 조차도, 상기 재료는 먼저 고온, 예를 들면 600∼800℃에서 소성/어니일링 할 경우에는 4 V 체계에 따라 사이클링될 수 있다[P. 바르북스, F.K 쇼쿠히 및 J.M. 타라스콘(벨코어), 미국 특허 제5,135,732호, 1992년 8월 4일]. 고온 LiMn2O4 재료는 본 출원의 나머지 부분에서 대상 물질이 될 것이다.So-called "hot" materials produced under air at about 600-900 ° C. have high crystallinity. They exhibit cycling capacity at 4 V for Li but do not cycle well at 3 V for Li, resulting in a dramatic loss of capacity [JM Tarascon, E. Wang, JK Shokuhi, WR McKinnon and S. Colson, J. Electrochem. Soc. 138 (1991) 2859-2868]. As with the sol-gel process, even when LiMn 2 O 4 is synthesized at low temperatures, the material can be cycled according to the 4 V scheme when first calcined / annealed at a high temperature, for example 600 to 800 ° C. [P. Barbooks, FK Shokuhi and JM Tarascon (Belcore), US Patent No. 5,135,732, 4 August 1992]. The high temperature LiMn 2 O 4 material will be the subject material in the remainder of this application.

일반적으로 다수의 연구진들은, (정적) 간접 가열 요로에서 단일 상 생성물을 합성하는 데는 많은 시간, 즉, 수 일의 반응 시간이 소요되고, 이와 함께 가열된 생성물을 재분쇄하고 재분쇄된 분말을 재가열할 필요가 있다는 사실을 발견하였다[P. 바르북스, F.K. 쇼쿠히 및 J.M. 타라스콘(벨코어), 미국 특허 제5,135,732호, 1992년 8월 4일; W.J. 맥클린, R.J. 니트 및 R.J. 포웰, J. Power Sources 34(1991)39-49; A. 모스바, A. 버베리 및 M. 투르눅스, Mat. Res. Bull. 18 (1983)1375-1381; T. 오즈쿠, M. 기타가와 및 T. 히라이, J. Electrochem. Soc. 137(1990) 769-775]. 이와 같은 실험에 의한 합성 절차가 아니라면, LiMn2O4 이외에 다양한 부산물들, 즉, Mn2O3, Mn3O4 및 Li2MnO3가 생성된다. 이러한 물질들은 리튬 전지에는 바람직하지 못한데, 낮은 용량과 높은 페이드(fade) 비율을 나타내기 때문이다.In general, many researchers take many hours, or days of reaction time, to synthesize a single phase product in a (static) indirect heating tract, together with regrinding the heated product and reheating the regrind powder. Found that it was necessary [P. Bar Books, FK Shokuhi and JM Tarascon (Belcore), US Pat. No. 5,135,732, August 4, 1992; WJ McClean, RJ Knit and RJ Powell, J. Power Sources 34 (1991) 39-49; A. Mosva, A. Burberry and M. Tourux, Mat. Res. Bull. 18 (1983) 1137-1381; T. Ozuku, M. Kitagawa and T. Hirai, J. Electrochem. Soc. 137 (1990) 769-775. If this is not the synthetic procedure by this experiment, various by-products other than LiMn 2 O 4 are generated, namely Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 and Li 2 MnO 3 . These materials are undesirable for lithium batteries because of their low capacity and high fade ratio.

바람직하지 못한 부산물들이 생성되는 것 이외에도, 상기 합성 파라미터는 LiMn2O4의 분자/결정 구조와 물리적 성질에도 영향을 미치며, 이러한 재료들의 성질은 전지 용량과 재료의 사이클링 가능성에 크게 영향을 미친다. 몸킬로프, 마네프 등은 문헌 [A. 몸킬로프, V. 마네프 및 A. 나살레프스카, J. Power Sources 41(1993) 305-314]에서 공기 중에서 냉각시키기 전에 리튬 반응물, MnO2 반응물, 반응 온도 및 반응 시간을 변화시켰다. 이들은 가능한한 융점이 가장 낮은 리튬 염과 가능한한 표면적이 가장 큰 MnO2 샘플로부터 스피넬을 제조하는 것이 유리하다는 사실을 밝혀냈다. 그 장점은 반응 시간이 훨씬 빠르고 생성물의 다공도가 더 높아져서 보다 큰 용량과 우수한 전지 사이클링 가능성을 제공한다는 점이다(즉, 사이클 회수에 경과에 따라 용량 페이드가 줄어듬). 그러나, 반응 시간은 어느 경우라도 수일 정도이다. 또한, 상기 연구진은 최적 반응 온도가 약 750℃라는 것을 발견하였다[V. 마네프, A. 몸킬로프, A. 나살레프스카 및 A. 고자와, J. Power Sources, 43-44 (1993) 551-559; A. 몸킬로프, V. 마네프 및 A. 나살레프스카, J. Power Sources 41 (1993) 305-314]. 이보다 높은 온도에서는 재료가 용량을 손실하게 되는데, 그 이유는 표면적이 감소하고 산소 손실로 인해 LiMn2O4 내의 망간 일부가 환원되기 때문인 것으로 추정된다. 보다 낮은 온도에서는, 합성에 보다 긴 시간이 필요하고, 스피넬 비틀림의 증거가 나타나는데, 이로써 용량이 저하되는 것으로 보인다. 상기 연구진들은 또한 반응 혼합물을 리튬 반응물의 융점 바로 이상인 온도에서 예열한 후에 최종 온도에서 반응시킴으로써 얻어지는 장점을 입증하였다.In addition to the generation of undesirable by-products, the synthesis parameters also affect the molecular / crystal structure and physical properties of LiMn 2 O 4 , and the properties of these materials greatly affect the cell capacity and the cycling potential of the material. Momkilov, Manev and others are described in A. Mumkyloff, V. Manev and A. Nasalevska, J. Power Sources 41 (1993) 305-314] changed the lithium reactant, MnO 2 reactant, reaction temperature and reaction time before cooling in air. They found it advantageous to make the spinel from the lowest possible melting point lithium salt and the highest possible surface area MnO 2 sample. The advantage is that the reaction time is much faster and the porosity of the product is higher, providing greater capacity and better cell cycling potential (ie, capacity fade decreases over cycle number of cycles). However, the reaction time is a few days in any case. The researchers also found that the optimum reaction temperature was about 750 ° C. [V. Manev, A. Momkylov, A. Nasalevska and A. Gozawa, J. Power Sources, 43-44 (1993) 551-559; A. Momkylov, V. Manev and A. Nasalevska, J. Power Sources 41 (1993) 305-314]. At higher temperatures, the material loses capacity, presumably because the surface area decreases and the loss of oxygen reduces some of the manganese in LiMn 2 O 4 . At lower temperatures, longer time is required for the synthesis, and evidence of spinel torsion appears, which appears to reduce capacity. The researchers also demonstrated the advantage obtained by preheating the reaction mixture at a temperature just above the melting point of the lithium reactant and then reacting at the final temperature.

타라스콘과 공동 연구진은 높은 용량과 높은 사이클 수명이 (1) Li/Mn 몰비가 1/2 이상인(즉, Li/Mn= 1.00/2.00 내지 1.20/2.00이므로, Li1+xMn2-xO4에서 x는 0.0 내지 0.125임) 반응 물질들의 혼합물을 사용하고, (2) 그 반응 물질을 장시간(예를 들면 72 시간) 동안 800∼900℃에서 가열하고, (3) 반응 생성물을 산소 함유 대기 중에서 매우 낮은 속도, 즉, 2℃/h 내지 10℃/h 하에 약 500℃로 냉각시키고, 마지막으로 (4) 요로를 작동 중지시킴으로써 생성물을 비교적 신속하게 주위 온도까지 냉각시키는 방법에 의해, 높은 용량과 오랜 사이클 수명을 최량의 형태로 얻을 수 있다는 사실을 발견하였다[J.M.타라스콘, W.R.맥키논, F.쿠와르, T.N.바우머, G.아마투치 및 D.기오마르, J.Electrochem.Soc.141(1994) 1421-1431; J.M.타라스콘(벨코어) 국제 특허 출원 WO94/26666: 미국 특허 제5,425,932호 1995년 6월 20일]. 대기중에 산소가 농후할 경우에는 800℃에서 500℃까지 냉각시키는 속도는 30℃/h까지 증가시킬 수 있다. 상기 연구진들은 생성물의 격자 파라미터 a0가 전지에서 그 생성물의 효능의 척도가 되며, a는 약 8.23 Å 이하이어야 한다는 사실을 발견하였다. 대조적으로 Li/Mn = 1.00/2.00이고 공기 냉각을 이용하는 조성물에 대해서는 a=8.247 Å이다.Tarascon and co-workers found that Li 1 + x Mn 2-x O because of high capacity and high cycle life (1) Li / Mn molar ratios of 1/2 or more (ie, Li / Mn = 1.00 / 2.00 to 1.20 / 2.00). X at 4 is 0.0 to 0.125) using a mixture of reactants, (2) heating the reactant at 800 to 900 ° C. for a long time (eg 72 hours), and (3) reacting the reaction product to an oxygen containing atmosphere High capacity by cooling the product to ambient temperature relatively quickly by cooling to about 500 ° C. under very low rates in the air, ie from 2 ° C./h to 10 ° C./h and finally (4) shutting down the urinary tract. And long cycle life can be obtained in the best form [JM Tarascon, WR Mackinon, F. Kuwar, TN Baumer, G. Amatucci and D. Giomar, J. Electrochem. Soc. .141 (1994) 1421-1431; JM Tarascon (Belcore) International Patent Application WO 94/26666: US Patent No. 5,425,932, June 20, 1995]. If oxygen is rich in the atmosphere, the rate of cooling from 800 ° C to 500 ° C can be increased to 30 ° C / h. The researchers found that the lattice parameter a 0 of the product is a measure of the product's efficacy in the cell and that a should be about 8.23 kPa or less. In contrast Li / Mn = 1.00 / 2.00 and a = 8.247 kPa for compositions using air cooling.

또한, 마네프 등은 Li/Mn 몰비가 1.00/2.00 이상인 것이 용량과 사이클링 가능성 면에서 유리하다는 사실을 밝혀냈다[V. 마네프, A. 몸킬로프, A. 나살레프스카 및 A. 사토, J. Power Sources 54 (1995) 323-328]. 이들은 최적 비율로서 1.05/2.00을 채택하였다. 상기 연구진은 또한 간접 가열 요로 내에서 예비 혼합물/반응물의 양이 약 10 g에서 약 100 g으로 증가할 때 용량이 현저하게 감소함을 발견하엿다. 따라서 이들은 요로 내의 공기를 소모시키고자 계획하였으며, 그 결과 생성물은 부분적으로 감소하였다. 이러한 문제점은 요로를 통해 공기를 유동시킴으로써 완화되었다. 기류가 너무 많을 경우에는, 생성물의 용량이 역시 감소하므로, 기류는 장점을 얻을 수 있도록 최적화시켜야 한다. 마네프 등은 가장 유리한 냉각 속도가 1분당 수십도이며, 이는 타라스콘 등이 사용한 냉각 속도보다 100배 이상 빠른 것이다. 질산리튬과 다공성이 큰 화학물질인 이산화망간을 반응 물질로서 사용하는 것을 비롯하여 모든 조건을 최적화시킨 후에, 마네프 등은 용량이 매우 크고 페이드 비율이 낮은 생성물인 Li1+xMn2-xO4(x=0.033)을 얻었다. 질산리튬을 사용하면 합성하는 동안에 독성이 있는 NOx 연기가 배출되기 때문에 공정에 나쁜 영향을 미친다. 마네프는 질산리튬 대신에 탄산리튬을 사용하는 성공적인 합성 방법을 개발하였지만[V. 마네프, Paper given at 9th IBA Battery Materials Symposium, 케이프 타운, 사우스 아프리카, 1995년 3월 20∼22일. (초록 입수 가능함)], 이러한 새로운 방법도 마찬가지로 수 일의 반응 시간을 소요한다.Manef et al. Also found that a Li / Mn molar ratio of 1.00 / 2.00 or greater is advantageous in terms of capacity and cycling potential [V. Manev, A. Momkylov, A. Nasalevska and A. Sato, J. Power Sources 54 (1995) 323-328]. They adopted 1.05 / 2.00 as the optimum ratio. The researchers also found that the dose decreased significantly when the amount of premix / reactant increased from about 10 g to about 100 g in an indirect heating tract. They therefore planned to consume air in the urinary tract, resulting in a partial reduction of the product. This problem was alleviated by flowing air through the urinary tract. If there is too much air flow, the volume of the product is also reduced, so the air flow must be optimized to benefit. Manef et al. Have the most advantageous cooling rate of several tens of degrees per minute, which is more than 100 times faster than that used by Tarascon. After optimizing all conditions, including the use of lithium nitrate and manganese dioxide, a highly porous chemical, as a reactant, Manef et al. (Li 1 + x Mn 2-x O 4 (a product of very high capacity and low fade ratio) x = 0.033). The use of lithium nitrate adversely affects the process because it releases toxic NO x fumes during synthesis. Manefe has developed a successful synthesis method using lithium carbonate instead of lithium nitrate [V. Manef, Paper given at 9th IBA Battery Materials Symposium, Cape Town, South Africa, March 20-22, 1995. (Available abstract)], these new methods likewise require several days of reaction time.

호워드는 주로 경제적인 비용의 관점에서 대체 사용 가능한 LiMn2O4 생산 설비에 관해 논의하였다[W.F. 호워드, 쥬니어, in Proceedings of the 11th Int'1 Seminar on Primary and Secondary Battery Technology & Application, 1994년 2월 28일∼3월 3일, 디어필드 비치, 플로리다, S.P.울스키 및 N. 마린식 협찬]. 호워드는 데이터를 전혀 개발/제공하지 않았지만, 그는 회전식 요로가 정적 오븐보다 열을 더 빠르게 전달하므로, 반응 시간을 단축시키는 기능을 한다고 제안하였다.Howard mainly discussed alternative LiMn 2 O 4 production facilities in terms of economic cost [WF Howard, Jr., in Proceedings of the 11th Int'1 Seminar on Primary and Secondary Battery Technology & Application, 1994 February 28-March 3, Deerfield Beach, Florida, SP Ulski and N. Marine Foods]. Howard did not develop / provide any data at all, but he suggested that the rotary tract delivers heat faster than a static oven, thus reducing the reaction time.

바람직한 느린 냉각 속도와 함께 오랜 열 반응 시간을 사용하는 것은, 파일롯(pilot) 플랜트 또는 상업적인 작업에서와 같이 대규모로 수행하기는 곤란하다. 그러므로, 반응 시간과 냉각 시간을 단축시키는 동시에 원하지 않는 부산물을 배제하고, 보다 작은 격자 파라미터로 입증되는 바와 같은 소정의 Li1+xMn2-xO4 화학양론과 구조를 보유하는 것이 바람직하다.Using long thermal reaction times with desirable slow cooling rates is difficult to perform on a large scale, such as in pilot plants or commercial operations. Therefore, it is desirable to reduce the reaction time and cooling time while at the same time excluding unwanted by-products and to retain the desired Li 1 + x Mn 2-x O 4 stoichiometry and structure as evidenced by smaller lattice parameters.

발명의 개요Summary of the Invention

본 발명에 의하면, 리튬 염/수산화물과 산화망간을 혼합하고, 그 혼합물을 공기, 산소 또는 산소가 농후한 대기 하에 약 650℃ 내지 약 800℃에서 약 2 시간 이하의 기간동안 가열하면서 연속적으로 교반시킨 후에, 생성물을 공기, 산소 또는 산소가 농후한 대기 하에서 유사한 교반 수단을 사용하여 약 2 시간 이하의 시간 내에 냉각시킴으로써, 화학식이 Li1+xMn2-xO4(여기서, x는 약 0.022 내지 약 0.20임)이고, 격자 파라미터가 약 8.235Å 이하인 리튬 망간 산화물을 제조하는 방법이 제공된다.According to the present invention, lithium salt / hydroxide and manganese oxide are mixed, and the mixture is continuously stirred while heating at a temperature of about 650 ° C. to about 800 ° C. for up to about 2 hours under an atmosphere rich in air, oxygen or oxygen. Thereafter, the product is cooled in a time of up to about 2 hours using a similar stirring means under air, oxygen or oxygen rich atmosphere, whereby the formula is Li 1 + x Mn 2-x O 4 , where x is from about 0.022 to About 0.20) and a lattice parameter of about 8.235 Pa or less is provided.

이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명을 설명하고자 하며, 도면에서 유사한 구성 요소들은 동일한 도면 부호로 나타내었다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, in which like components are designated by like reference numerals.

도 1은 본 발명의 방법에 사용되는 연속적인 반응기의 바람직한 실시양태의 부분 단면도이다.1 is a partial cross-sectional view of a preferred embodiment of a continuous reactor used in the process of the present invention.

도 2는 도 1의 반응기 쉘(shell)의 횡단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of the reactor shell of FIG. 1.

도 3은 비수성 실험용 전지의 횡단면도이다.3 is a cross-sectional view of a nonaqueous laboratory cell.

도 4의 [샘플 B]는 공기 중에서 725℃하에 회전식 요로에서 가열하고(2 시간) 실험용 회전식 요로에서 O2 하에 서서히 냉각시킨(24 시간) EMD와 LiOH로부터 제조된 Li1+xMn2-xO4 스피넬의 X선 회절 패턴을 도시한 것이다.[Sample B] of FIG. 4 is Li 1 + x Mn 2-x prepared from EMD and LiOH, heated in a rotary urinary furnace at 725 ° C. in air (2 hours) and slowly cooled under O 2 in an experimental rotary urinary furnace (24 hours). X-ray diffraction pattern of O 4 spinel is shown.

도 5의 [샘플 C]는 공기 중에서 725℃하에 회전식 요로에서 가열하고(2 시간) 공기 하에 요로에서 서서히 냉각시킨(1½ 시간) EMD와 LiOH로부터 제조된 Li1+xMn2-xO4 스피넬의 X선 회절 패턴을 도시한 것이다.[Sample C] of FIG. 5 is a Li 1 + x Mn 2-x O 4 spinel prepared from EMD and LiOH, heated in a rotary urinary furnace at 725 ° C. in air (2 hours) and slowly cooled in the urinary furnace under air (1½ hour). The X-ray diffraction pattern of is shown.

도 6의 [샘플 D]는 725℃에서 N2 하에 회전식 요로에서 가열하고(1½ 시간) 공기 냉각시킨 EMD와 Li2CO3로부터 제조된 Li1+xMn2-xO4 스피넬의 X선 회절 패턴을 도시한 것이다.[Sample D] of FIG. 6 shows X-ray diffraction of a Li 1 + x Mn 2-x O 4 spinel prepared from EMD and Li 2 CO 3 heated in a rotary urinary furnace (1½ hour) under N 2 at 725 ° C. The pattern is shown.

도 7의 [샘플 E]는 공기 중에서 725℃하에 정지 층에서 가열하고(2 시간) 공기 냉각시킨 EMD와 Li2CO3로부터 제조된 Li1+xMn2-xO4 스피넬의 X선 회절 패턴을 도시한 것이다.[Sample E] of FIG. 7 shows an X-ray diffraction pattern of a Li 1 + x Mn 2-x O 4 spinel prepared from EMD and Li 2 CO 3 heated in a stationary layer at 725 ° C. in air (2 hours) and air cooled. It is shown.

도 8의 [샘플 I]는 공기 중에서 725℃하에 정지 층에서 가열하고(2 시간) 공기 냉각시킨 EMD와 LiOH로부터 제조된 Li1+xMn2-xO4 스피넬의 X선 회절 패턴을 도시한 것이다.[Sample I] of FIG. 8 shows the X-ray diffraction pattern of a Li 1 + x Mn 2-x O 4 spinel prepared from EMD and LiOH heated in a stationary layer at 725 ° C. in air (2 hours) and air cooled will be.

도 9의 [샘플 K]는 공기 중에서 725℃하에 정지 층에서 가열하고(24 시간) 서서히 냉각시킨(36 시간) EMD와 Li2CO3로부터 제조된 대조용 Li1+xMn2-xO4 스피넬의 X선 회절 패턴을 도시한 것이다.[Sample K] of FIG. 9 is a control Li 1 + x Mn 2-x O 4 prepared from EMD and Li 2 CO 3 , heated in a stationary bed at 725 ° C. in air (24 hours) and slowly cooled (36 hours). The X-ray diffraction pattern of the spinel is shown.

도 10의 [샘플 C]는 2시간의 사이클에 걸쳐 스피넬에 대한 사이클링 곡선(전압 대비 시간)을 도시한 그래프이다.[Sample C] in FIG. 10 is a graph showing the cycling curve (time versus voltage) for the spinel over a 2 hour cycle.

도 11의 [샘플 K]는 50 사이클의 페이드 비율을 얻는 방식(최소 자승)을 보여주는 방전 용량 대비 사이클 수의 관계를 나타낸 그래프이다.[Sample K] of Fig. 11 is a graph showing the relationship between the discharge capacity and the number of cycles showing the manner of obtaining a fade ratio of 50 cycles (minimum square).

본 발명은 리튬 망간 산화물의 화학식을 기준으로 하여 화학 양론적인 양으로 수산화리튬 또는 분해 가능한 리튬 염과 산화망간 또는 분해 가능한 망간 염을 충분하게 혼합시키는 단계; 충분히 혼합된 혼합물을 반응기에 공급하는 단계; 반응기 내에서 혼합된 염을 연속적으로 교반시키는 단계; 공기, 산소 또는 산소 농후 기체를 반응기를 통해 유동시키는 단계; 반응기내에서 교반시킨 혼합된 화합물을 약 4 시간을 초과하지 않는 시간 동안, 바람직하게는 2 시간을 초과하지 않는 시간 동안 약 650℃ 내지 약 800℃의 온도에서 가열하는 단계; 및 반응 생성물을 조절된 조건 하에서 약 100℃ 이하로 냉각시키는 단계를 포함하여, 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, 0.022≤ x≤ 0.20임, 유리하게는 0.022≤ x≤ 0.125임)로 표시되는 단일 상의 리튬 함유 망간 산화물 층간 화합물을 제조하는 연속적인 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, 0.022≤ x≤ 0.20이며, 유리하게는 0.022≤ x≤0.125임)로 표시되고, 입방정 스피넬형 결정 구조를 가지는 본질적으로 단일 상인 리튬 망간 산화물을 합성하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 상기 산화물을 합성하여 리튬 또는 적합한 리튬 함유 합금을 포함하는 애노드(anode)를 가진 전기 화학 전지에서 캐소드(cathode)로서 사용하는 데 적합한 산화물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이외에도, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 산화물 및 상기 산화물을 그 캐소드로 하는 전기 화학 전지에 관한 것이다.The present invention comprises the steps of sufficiently mixing the lithium hydroxide or degradable lithium salt and manganese oxide or degradable manganese salt in a stoichiometric amount based on the formula of lithium manganese oxide; Feeding the sufficiently mixed mixture to the reactor; Continuously stirring the mixed salt in the reactor; Flowing air, oxygen or oxygen rich gas through the reactor; Heating the mixed compound stirred in the reactor at a temperature of about 650 ° C. to about 800 ° C. for a time not exceeding about 4 hours, preferably for a time not exceeding 2 hours; And cooling the reaction product to below about 100 ° C. under controlled conditions, wherein the formula Li 1 + x Mn 2-x O 4 , wherein 0.022 ≦ x ≦ 0.20, advantageously 0.022 ≦ x ≦ 0.125 It relates to a continuous process for preparing a lithium-containing manganese oxide interlayer compound represented by a single phase. The present invention is also represented by the formula Li 1 + x Mn 2-x O 4 , wherein 0.022 ≦ x ≦ 0.20, advantageously 0.022 ≦ x ≦ 0.125, and is essentially single having a cubic spinel type crystal structure. A method for synthesizing a commercial lithium manganese oxide is provided. In particular, the present invention relates to a process for synthesizing said oxides to produce oxides suitable for use as cathodes in electrochemical cells having an anode comprising lithium or a suitable lithium containing alloy. In addition, the present invention relates to an oxide produced by the above method and an electrochemical cell using the oxide as a cathode thereof.

본 발명에 의하면, 스피넬형 결정 구조를 가진 리튬 망간 산화물을 합성하는 방법은, 본 명세서에 기재된 바와 같은 1종 이상의 수산화리튬 또는 리튬 염과 본 명세서에 기재된 바와 같은 1종 이상의 산화망간 또는 망간 염으로 이루어진 미분쇄된 고체 형태의 혼합물을 형성시키는 단계, 및 약 650℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도에서 상기 혼합물을 가열하여 상기 화합물들을 동시 분해에 의해 서로 반응시켜서 스피넬형 결정 구조와 입방정 최밀 충전 산소 격자 구조를 갖는 상기 리튬 망간 산화물을 얻는 단계를 포함한다.According to the present invention, a method for synthesizing a lithium manganese oxide having a spinel crystal structure includes at least one lithium hydroxide or lithium salt as described herein and at least one manganese oxide or manganese salt as described herein. Forming a mixture of finely divided solid forms, and heating the mixture at a temperature in the range of about 650 ° C. to about 800 ° C. to react the compounds with one another by co-decomposition to form a spinel crystal structure and a cubic closest packed oxygen lattice. Obtaining the lithium manganese oxide having a structure.

본 명세서에서 리튬 염은 공기 중에서 가열하였을 때 분해되어 리튬 산화물을 형성하는 리튬 화합물을 의미하며, 마찬가지로 본 명세서에서 망간 염은 공기중에서 가열하였을 때 분해되어 망간 산화물을 형성하는 망간 화합물을 의미한다.In the present specification, the lithium salt refers to a lithium compound that decomposes when heated in air to form lithium oxide. Likewise, the manganese salt herein refers to a manganese compound that decomposes when heated in air to form manganese oxide.

리튬 화합물은 LiOH, Li2CO3, LiNO3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군중에서 선택된 성분일 수 있으며, 망간 화합물은 MnO2(전기 분해에 의해 또는 화학적으로 제조됨), MnO, Mn2CO3, Mn3O, Mn3O4, 망간 아세테이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군중에서 선택된 성분일 수 있다. 혼합물은 화학양론적인 비율로 제조할 수 있으므로, Li:Mn 몰 비율은 약 1:1 이상이고, 리튬이 약간 과량으로, 즉, 상기 비율이 약 1.022:1 내지 약 1.200:1이 되도록 존재하는 것이 바람직하다. 혼합물은, 상기 염들을 충분히 친밀하게 혼합시키는 것인 한, 회전식 드럼 혼합기, 진동식 밀, 제트 밀, 볼 밀 등에서 혼합시킴으로써 제조할 수 있다.The lithium compound may be a component selected from the group consisting of LiOH, Li 2 CO 3 , LiNO 3 and mixtures thereof, and the manganese compound may be MnO 2 (prepared by electrolysis or chemically), MnO, Mn 2 CO 3 , May be a component selected from the group consisting of Mn 3 O, Mn 3 O 4 , manganese acetate, and mixtures thereof. Since the mixture can be produced in stoichiometric ratios, the Li: Mn molar ratio is at least about 1: 1 and lithium is present in a slight excess, ie, the ratio is from about 1.022: 1 to about 1.200: 1. desirable. The mixture can be prepared by mixing in a rotary drum mixer, vibratory mill, jet mill, ball mill, and the like, as long as the salts are mixed intimately intimately.

이어서 친밀하게 혼합된 상기 화합물들을 호퍼로 옮겨서 스크루 공급기, 압축 공기 콘베이어, 펄스형 에어 제트 등에 의해서 반응기로 이송한다.The intimately mixed compounds are then transferred to a hopper and transferred to the reactor by a screw feeder, a compressed air conveyor, a pulsed air jet, or the like.

반응기는 수평형 회전식 하소 장치, 회전 스크루를 구비한 수평형 하소 장치, 유동층, 가열된 진동형 콘베이어 벨트, 또는 수직형 회전 요로의 케스케이드인 것이 유리하다. 반응기 유형의 선택은 공정 파라미터와 사용된 염에 좌우될 것이다.The reactor is advantageously a horizontal rotary calcination apparatus, a horizontal calcination apparatus with a rotary screw, a fluidized bed, a heated vibratory conveyor belt, or a cascade of vertical rotary tracts. The choice of reactor type will depend on the process parameters and the salt used.

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시양태에 따라서, 출발 물질(1)은 공급 호퍼(2)로 주입된다. 이 물질은 중력의 작용에 의해 스크루 콘베이어(3) 내로 낙하하고, 상기 콘베이어는 출발 물질의 반응기로의 공급 속도를 제어하는 데 사용된다. 스크루 콘베이어(3)는 출발 물질을 회전형 쉘 반응기(5)에 배출시킨다. 쉘(5)은 통상의 회전형 구동 수단에 의해 회전할 수 있다. 이 고체는 회전형 쉘(5)의 길이를 따라 하강 이동하여, 먼저 외부 쉘에 의해 포위된 별도로 가열된 영역(6a,6b,6c)을 통과한다. 이 고체는 밸브(9)를 통해 회전형 쉘(5)로부터 배출되어 생성물 드럼(10) 내로 공급된다. 반응기는 공급 스크루 콘베이어(3)와 배출 밸브(9) 사이에서 공기 밀폐식으로 되어 있으며, 도면 상에는 쉘(5) 내의 압력이 파이프(8)를 통한 백 필터(11)로의 배기에 기인하여 거의 대기압인 것으로 도시되어 있지만, 파이프(8)로부터 배출되기 이전에 생성물과 접촉하게 되는 대기로부터 유래한 약간의 양의 압력하에 존재할 수도 있다. 임의의 기체 소기 주입 파이프(7)에 의하면 공기 또는 산소 농후 기체의 역류식 흐름을 연속적으로 반응물 상에서 유동시킬 수 있다. 소기용 기체는 파이프(8)을 통과한 폐 가스와 함께 반응기로부터 배기된다. 스크루 콘베이어 및 회전형 쉘에 대한 구동 수단은 도시하지 않았는 데, 이들은 당업자에게 잘 알려져 있는 것이기 때문이다.Referring to FIG. 1, according to one embodiment of the invention, the starting material 1 is injected into the feed hopper 2. This material falls into the screw conveyor 3 by the action of gravity, which is used to control the feed rate of the starting material into the reactor. The screw conveyor 3 discharges the starting material into the rotary shell reactor 5. The shell 5 can be rotated by conventional rotary drive means. This solid moves downward along the length of the rotatable shell 5 and first passes through the separately heated regions 6a, 6b, 6c surrounded by the outer shell. This solid exits the rotatable shell 5 via the valve 9 and is fed into the product drum 10. The reactor is airtight between the feed screw conveyor 3 and the discharge valve 9, in which the pressure in the shell 5 is almost atmospheric due to the exhaust to the bag filter 11 through the pipe 8. Although shown to be, it may also be present under some amount of pressure from the atmosphere that comes into contact with the product before exiting the pipe 8. The optional gas scavenging inlet pipe 7 allows the countercurrent flow of air or oxygen rich gas to be continuously flowed over the reactants. The scavenging gas is exhausted from the reactor together with the waste gas which has passed through the pipe 8. The drive means for the screw conveyor and the rotatable shell are not shown, as they are well known to those skilled in the art.

도 2를 참조하면, 회전형 쉘(220)은 경우에 따라 쉘의 내부에 부착된 4개의 등간격으로 된 리프트 날개(210)를 구비한다. 상기 리프트 날개는 회전형 쉘(220)에 용접시키거나 다른 방법으로 적합하게 부착시킬 수 있다. 상기 날개는 각각 그 인접한 날개로부터 등간격으로 이격되어 있으며, 각각 회전형 쉘(220)의 전장에 걸쳐 축방향으로 연장한다. 이와 같은 날개의 수와 그 크기는, 날개가 고체를 쉘 내부의 대기와 혼합되고 친밀하게 접촉된 상태로 유지시키는 것인 한, 상당히 다양할 수 있다. 또한 날개는 쉘(220)을 통해 고체를 이동시키는 데 도움을 준다. 쉘(220)을 통해 하류로 고체를 이동시키는 것을 더욱 용이하게 하기 위해서, 쉘은 반응기 길이 1피트당 최대 ¼ 인치, 바람직하게는 1피트당 1/16 인치의 경사로 유동 방향을 따라 아래로 경사를 이룰 수 있다. 반응기의 크기는 소정의 용량에 따라 달라질 수 있다.Referring to FIG. 2, the rotatable shell 220 optionally has four equally spaced lift vanes 210 attached to the interior of the shell. The lift vane may be welded to the rotatable shell 220 or otherwise suitably attached. The wings are each spaced at equal intervals from their adjacent wings, each extending axially over the entire length of the rotatable shell 220. The number and size of such wings can vary considerably as long as the wings maintain solids in intimate contact with the atmosphere inside the shell. The wings also help to move the solid through the shell 220. In order to make it easier to move the solid downstream through the shell 220, the shell is inclined down along the flow direction at a ramp of up to ¼ inch per foot of reactor length, preferably 1/16 inch per foot. Can be achieved. The size of the reactor may vary depending on the desired capacity.

실시예에 사용된 실험용 유닛은 직경 2"이고 3'의 가열 영역을 구비한 수평형 회전 튜브 요로로 구성된 것이다. 기체 유속은 50 cc/분 내지 500 cc/분으로, 회전 속력은 30 RPM으로 설정하였다.The experimental unit used in the examples consisted of a horizontal rotary tube tract with a 2 "diameter and 3 'heating zone. The gas flow rate was set at 50 cc / min to 500 cc / min and the rotational speed was set at 30 RPM. It was.

유사한 파일롯 유닛이 8' 가열 영역을 구비한 6" 직경 반응기로 구성되었다. 기체 유속은 20∼40 SCFH로 설정하였다. 회전 속력은 3∼10 RPM으로 설정하였다.A similar pilot unit consisted of a 6 "diameter reactor with an 8 'heating zone. The gas flow rate was set at 20-40 SCFH. The rotation speed was set at 3-10 RPM.

처리하는 동안에 반응물들을 교반된 상태로 유지시키는 것이 중요하다. 유동화 작용에 의해서 신속한 열 전달을 가능하게 할 수 있으며, 연속적으로 재생된 기체/표면 계면 노출을 제공한다. 이러한 조건을 겸비함으로써 처리 과정의 반응 속도론적 양상을 정지 층 처리 과정에 비해서 크게 증가시킬 수 있다.It is important to keep the reactants stirred during the treatment. The fluidization action may enable rapid heat transfer and provide continuously regenerated gas / surface interface exposure. By combining these conditions, the kinetics of the process can be greatly increased compared to the stationary bed process.

혼합물을 가열하는 단계는 공기, 산소 또는 산소가 농후한 대기의 역류식 흐름에 의해 연속적으로 소기되는 대기 중에서 약 650℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도까지 수행하는 것이 유리하며, 혼합물은 최고 온도에서, 바람직하게는 ± 10℃의 오차 한도에서 약 4 시간 이하의 시간 동안, 바람직하게는 약 2 시간 이하의 시간 동안 유지된다. 가열 단계에 이어서 공기 중에서 급냉시키거나 자연적인 요로 냉각 속도로 냉각시킴으로써 냉각시키는 단계를 수행할 수 있다.The step of heating the mixture is advantageously carried out to a temperature ranging from about 650 ° C. to about 800 ° C. in an atmosphere which is continuously evacuated by a countercurrent flow of air, oxygen or oxygen enriched atmosphere, the mixture being at the highest temperature, Preferably at a margin of error of ± 10 ° C. for up to about 4 hours, preferably for up to about 2 hours. The heating step may be followed by cooling by quenching in air or by cooling at a natural urine cooling rate.

--본 발명의 가열 단계는 약 650℃ 내지 약 800℃의 온도에서 약 4 시간을 초과하지 않는 시간 동안 수행한다. 가열 단계의 온도는 약 1½시간 내지 약 2 시간 동안에 약 700℃ 내지 약 750℃로 하는 것이 바람직하다.The heating step of the invention is carried out at a temperature of about 650 ° C. to about 800 ° C. for a time not exceeding about 4 hours. The temperature of the heating step is preferably about 700 ° C. to about 750 ° C. for about 1½ hour to about 2 hours.

가열 단계 이후에, 반응 생성물은 약 2 시간 이하의 시간 내에 약 200℃ 이하로 냉각시키는 것이 유리하다. 생성물은 약 100℃ 이하의 온도로 냉각시키고, 냉각 단계는 약 1 시간 내지 1½ 시간 내에 수행하는 것이 바람직하다. 냉각 단계를 1½ 시간 이하의 시간 동안에 수행하는 경우에, 생성물이 산소를 흡수하도록 생성물을 어니일링시켜서 격자내에 비틀림을 유발시키는 것이 유리하다. 냉각 단계를 약 1½ 시간 이하의 시간 내에 수행하는 경우에, 냉각 단계는 점차적으로 더 낮은 온도를 갖는 2개 이상의 영역에서 수행하는 것이 유리하다. 이와 같은 냉각 단계는 3개 이상의 불연속된 영역에서 수행하고, 여기서 각 영역의 온도는 점차로 바로 앞의 영역보다 약 90℃ 이상 더 낮은 것이 바람직하다. 3개의 냉각 영역 내의 온도는 약 725℃, 625℃ 및 525℃인 것이 가장 바람직하다.After the heating step, it is advantageous to cool the reaction product to about 200 ° C. or less within a time of about 2 hours or less. The product is cooled to a temperature below about 100 ° C. and the cooling step is preferably performed within about 1 hour to 1½ hours. In the case where the cooling step is carried out for a time of 1½ hours or less, it is advantageous to anneal the product so that the product absorbs oxygen, causing distortion in the lattice. If the cooling step is carried out in a time of about 1½ hours or less, the cooling step is advantageously carried out in two or more zones with progressively lower temperatures. This cooling step is performed in three or more discontinuous regions, where the temperature of each region is preferably about 90 ° C. or more lower than the immediately preceding region. Most preferably, the temperatures in the three cooling zones are about 725 ° C, 625 ° C and 525 ° C.

Li1+xMn2-xO4 생성물은 여러 가지 방식에 따라서, 예를 들면 Li/Mn 비율과 Mn 산화수를 제공하는 표준 화학 및 분광 분석 방법을 사용하여 분석학적으로 특성 규명된다. 이러한 방법을 샘플에 적용하여 당해 재료를 표시하는 데 사용된 화학식을 확인한다.Li 1 + x Mn 2-x O 4 products are characterized analytically in a number of ways using, for example, standard chemical and spectroscopic methods of providing Li / Mn ratios and Mn oxidation numbers. This method is applied to the sample to identify the chemical formula used to represent the material.

이러한 재료의 분석에 가장 유용한 분석 방법 중의 하나는 분말 기법을 사용하는 X선 회절(XRD) 분석법이다. XRD는 2가지 유형의 유용한 정보, 즉, (1) 생성물의 순도와 (2) 격자 파라미터를 제공한다. 모든 물질은 고유하고 명확히 한정된 XRD 패턴을 갖기 때문에, XRD 패턴을 표준 패턴과 비교해 보면 단일 상의 생성물이 얻어졌는지 여부를 결정할 수 있다. 다수의 연구진에 의해서 XRD 패턴과 전지 성능 사이에 약간의 상관 관계가 있다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들면, 스피넬은 Li2MnO3, Mn2O3 및 Mn3O4에서 유래한 유효한 피이크가 없이 선명한 LiMn2O4 XRD 패턴을 가져야 한다. 이 재료는 사이클링하지 않으며, 캐소드로부터 용출되어 유해한 작용을 함으로써 양호한 캐소드 재료로서 사용될 수 없다.One of the most useful analytical methods for the analysis of these materials is X-ray diffraction (XRD) analysis using powder techniques. XRD provides two types of useful information: (1) product purity and (2) lattice parameters. Since all materials have unique and clearly defined XRD patterns, comparing XRD patterns with standard patterns can determine whether a single phase product has been obtained. Many researchers have found a slight correlation between XRD patterns and cell performance. For example, the spinel should have a clear LiMn 2 O 4 XRD pattern without valid peaks derived from Li 2 MnO 3 , Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 . This material does not cycle and can not be used as a good cathode material by eluting from the cathode and causing harmful action.

도 4, 도 5, 도 8 및 도 9는 각각 샘플 B, C, I 및 K에 대한 선명한 LiMn2O4 XRD 패턴을 도시한 것이다. LiMn2O4 XRD 피이크는 그것의 잘 알려진 2θ 위치에 의해 식별되며, 그 위치는 정수 501 내지 508로 표지화된다. 이러한 2θ 값은 물론, x선이 CuKα 선이라는 인식 하에 표준 방법을 사용하여 잘 알려진 "d" 값으로 전환시킬 수 있다. XRD 패턴은 상기 재료들에 대해서 거의 동일한 것으로 나타나지만, 이들 4종의 재료는 하기 표 1a와 표 1b에 상세히 기재된 바와 같이 그들을 합성한 방식에 의해 구분될 수 있다.4, 5, 8 and 9 show the clear LiMn 2 O 4 XRD patterns for samples B, C, I and K, respectively. LiMn 2 O 4 XRD peaks are identified by their well known 2θ positions, which are labeled with integers 501 to 508. These 2θ values, of course, can be converted to well known “d” values using standard methods with the recognition that x-rays are CuKα rays. XRD patterns appear to be nearly identical for the materials, but these four materials can be distinguished by the way they are synthesized as detailed in Tables 1A and 1B below.

도 6과 도 7은 부산물로 오염된 스피넬에 대한 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 주요 생성물인 Li1+xMn2-xO4에 대한 피이크는 도 4, 도 5, 도 8 및 도 9에서의 순수한 Li1+xMn2-xO4에 대한 상응하는 피이크와 동일한 정수로 표지화하였다. 700대의 정수로 표지화된 피이크는 Li2MnO3에 속하며, 600대의 정수로 표지화된 피이크는 Mn2O3 또는 Mn3O4에 속한다(후자의 2종의 화합물은 극소수의 피이크로부터 구분하기는 곤란하다).6 and 7 show XRD patterns for spinel contaminated with by-products. The peak for the main product Li 1 + x Mn 2-x O 4 is the same integer as the corresponding peak for the pure Li 1 + x Mn 2-x O 4 in FIGS. 4, 5, 8 and 9. Labeled. Peaks labeled 700 integers belong to Li 2 MnO 3 , peaks labeled 600 integers belong to Mn 2 O 3 or Mn 3 O 4 (the latter two compounds are difficult to distinguish from very few peaks) Do).

제2 유형의 XRD 정보, 즉, 격자 파라미터는 도면에 도시된 바와 같은 스캐닝 상태를 육안으로 관찰함으로써 얻을 수 없는 것이다. 대신에, 결정 분석학 및 XRD에 관해 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 "격자 파라미터 개량"에 관한 특수한 기법에 의해서 모든 피이크의 정확한 위치를 매우 정확하게 조사하고, 이 정보로부터 결정 분석 상의 "a" 축 상의 최량의 입방정 스피넬 단위 셀 치수를 계산할 수 있는 데, 이것이 격자 파라미터 a0가 된다.The second type of XRD information, i. E. Grating parameter, is one that cannot be obtained by visual observation of the scanning state as shown in the figure. Instead, very precise investigations of the exact location of all peaks by special techniques of "lattice parameter refinement" well known to those skilled in the art of crystal analysis and XRD, and from this information the "a" axis in the crystal analysis The best cubic spinel unit cell dimension of the phase can be calculated, which is the lattice parameter a 0 .

다수의 연구진들은 격자 파라미터가 사이클 수에 따라서 방전 용량이 감소하는 형태로 용량 페이드 비율과 직접적인 상관 관계를 갖기 때문에, 매우 유용한 진단 수단이 될 수 있다는 사실을 발견하였다. 격자 파라미터는 입방형 Li-Mn 스피넬의 화학양론(즉, Li1+xMn2O4에서 x)에 따라서, 그리고 스피넬의 산화도에 따라서 변화한다. Li1.00Mn2.00O4의 격자 파라미터 a0는 8.2476Å이다(Standard X-ray Diffraction Powder Patterns, 제21부-- Data for 92 Substances, M.C. 모리스, H.F. 맥머디, E.H. 에반스, B. 파레츠킨, H.S. 파커, W.Wong-Ng, D.M. 글라드힐 및 C.R 허바드, National Bureau of Standards, U.S. Monograph 25, 21 78 (1984)). a0의 값은 Li 제거도(산화도)에 따라 감소하며, 입방정 Mn2O4(λ -MnO2) 상에 대해서는 8.03Å의 값에 이른다. 리튬이 LiMn2O4에 첨가될 때(Li1+xMn2-xO4에서 x>0), 망간은 더욱 산화된 상태로 되어, a0는 약 8.2Å까지 감소하며[J.M. 타라스콘, W.R. 맥키논, F. 쿠와르, T.N. 바우머, G. 아마투치 및 D. 기오마르, J. Electrochem. Soc, 141 (1994) 1421-1431], 스피넬의 용량 페이드 비율은 감소한다. 추가된 리튬과 망간의 산화 반응은 방전 용량을 감소시키며, Mn 산화수의 이론적인 최대값은 4.00인 것으로 측정될 경우에, 이론적인 최대의 4V 방전 용량은 분자 단위의 Li1+xMn2-xO4당 (1-3x) 리튬 이온/전자이다.Many researchers have found that lattice parameters can be a very useful diagnostic tool because they directly correlate with the capacity fade rate in the form of a reduction in discharge capacity with cycle number. The lattice parameters change according to the stoichiometry of the cubic Li—Mn spinel (ie x in Li 1 + x Mn 2 O 4 ) and the degree of oxidation of the spinel. The lattice parameter a 0 of Li 1.00 Mn 2.00 O 4 is 8.2476 μs (Standard X-ray Diffraction Powder Patterns, Part 21--Data for 92 Substances, MC Morris, HF McMuddy, EH Evans, B. Paretkins, HS Parker, W.Wong-Ng, DM Gladhill and CR Hubbard, National Bureau of Standards, US Monograph 25, 21 78 (1984)). The value of a 0 decreases with the degree of Li removal (oxidation degree), and reaches a value of 8.03 kPa for the cubic Mn 2 O 4 (λ-MnO 2 ) phase. When lithium is added to LiMn 2 O 4 (x> 0 in Li 1 + x Mn 2-x O 4 ), manganese becomes more oxidized, a 0 decreases to about 8.2 kPa [JM tarascon, WR McKinnon, F. Kuwar, TN Baumer, G. Amatucci and D. Giomar, J. Electrochem. Soc, 141 (1994) 1421-1431], the rate of dose fade in spinel decreases. The added oxidation reaction between lithium and manganese reduces the discharge capacity, and when the theoretical maximum value of Mn oxidation number is determined to be 4.00, the theoretical maximum 4V discharge capacity is Li 1 + x Mn 2-x in molecular units. (1-3x) lithium ion / electron per O 4 .

전술한 기법에 따라서 제조한 리튬 망간 산화물의 샘플을 소량의 그래파이트(10∼40 중량%) 및 결합제(약 5 중량%)와 친밀하게 혼합하여 캐소드 혼합 재료를 형성시키고, 상기 캐소드 혼합 재료를 전도성 지지체 상에 압착시킨 후에, 상기 캐소드 혼합 재료/지지체 조립체(양극으로 명명함)을 건조 기류 중에서 가열함으로써 건조하여 2차 전지 양극으로 만들었다. 이어서 이 전극을 편평한 전기 화학 시험 전지에서 통상적인 방식에 따라 시험하였다. 이와 같은 전지의 한 유형은 도 3에 도시된 바와 같은 탈착식 전지이다. 전지는 건조 아르곤 대기 하에서 50/50(중량비)의 에틸렌 카르보네이트(EC)와 디메틸 카르보네이트(DMC) 용액 중의 1몰 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)의 혼합물을 포함하는 전해질로 포화된 다공성 유리 섬유 및/또는 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌 분리지(305 및 306)에 의해 스테인레스 스틸 전도성 지지체(304)를 갖는 리튬 박막 음극(303)으로부터 분리된 전도성 지지체(302)를 갖는 Li1+xMn2-xO4 함유 양극(301)을 사용하여 조립하였다. 상기 활성 전지 성분을 친밀하게 접촉하도록 압착시켜서 대기로부터 절연시켰다. 도 3의 탈착식 전지에 있어서, 이러한 절연은 전지 몸체를 구성하는 2개의 편평한 원통형의 반쪽 전지(307)과 (308)을 사용하여 달성하였다. 2개의 폴리프로필렌 단편(이 단편들 사이에 활성 전지가 개재함)을 볼트로 조여서(도 3에는 도시하지 않음), 전지 성분들을 함께 압착시켰다. 2개의 원통형 반쪽 전지(307)과 (308) 사이에서 상기 전지의 원주 주위에 있는 폴리프로필렌-폴리에틸렌 "O" 링(309)은 전지를 전해질의 배출이나 공기 유입으로부터 밀봉하고, 동시에 일단 전지 성분들이 함께 조여진 후에는 볼트의 과잉 압력을 흡수하는 2가지 기능을 갖는다. 2개의 반쪽 전지는 그 중심(310)과 (311)에 밀봉된 금속 볼트를 갖는 형태로 구성됨으로써, 상기 볼트는 활성 전지 성분 내외로 전류를 전도시킨다. 또한 O 링은 전류 포집 볼트(312)와 (313) 주위를 단단히 밀봉하는 데에도 사용되었다. 너트(314)와 와셔(315)를 사용하여 볼트를 "0" 링에 대해 견고하게 고정시켰다.A sample of lithium manganese oxide prepared according to the above technique is intimately mixed with a small amount of graphite (10-40 wt.%) And a binder (about 5 wt.%) To form a cathode mixed material, and the cathode mixed material is converted into a conductive support. After being pressed onto the phase, the cathode mixed material / support assembly (named positive) was dried by heating in a dry air stream to make a secondary battery positive electrode. This electrode was then tested in a conventional manner in a flat electrochemical test cell. One type of such battery is a removable battery as shown in FIG. 3. The cell was saturated with an electrolyte comprising a mixture of 1 mol lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a 50/50 (by weight) ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) solution under a dry argon atmosphere. Li 1 + x with conductive support 302 separated from lithium thin film cathode 303 with stainless steel conductive support 304 by porous glass fibers and / or polypropylene and / or polyethylene separators 305 and 306. It assembled using the Mn 2-x O 4 containing positive electrode 301. The active battery components were pressed in intimate contact and insulated from the atmosphere. In the removable battery of FIG. 3, this insulation was achieved using two flat cylindrical half cells 307 and 308 constituting the cell body. Two polypropylene pieces (with an active cell between them) were bolted (not shown in FIG. 3) to squeeze the cell components together. A polypropylene-polyethylene “O” ring 309 around the circumference of the cell between two cylindrical half cells 307 and 308 seals the cell from the discharge of the electrolyte or the air inlet, while at the same time After tightened together, they have two functions to absorb the excess pressure of the bolts. The two half cells are configured with metal bolts sealed at their centers 310 and 311, whereby the bolts conduct current into and out of the active cell component. The O ring was also used to tightly seal around the current collecting bolts 312 and 313. Nuts 314 and washers 315 were used to secure the bolts against the "0" ring.

이어서 시험 전지를 Li1+xMn2-xO4의 점차적인 가역적 전환 단계 동안에 화학식 단위당 리튬 이온의 변화량의 함수로서 충전-방전 사이클 동안의 전지 전압의 양상을 조사하기 위해 평가하였다. 충전이 개시될 때(즉, 전지 전압 약 3.1 볼트 내지 3.5 볼트), 망간은 산화되기 시작하고 리튬 이온은 Li1+xMn2-xO4로부터 배출되어 전해질을 통해 리튬 박막 내로 이동한다. 이러한 과정은 전압 4.3 볼트에 도달할 때까지 계속되며, 이 전압은 대부분의 리튬 원자가 리튬 애노드로 이동한 때의 전압이다. 이어서 전지를 3.0 볼트까지 방전시키고 캐소드 면적 1 ㎠ 당 0.5 mA의 비율로 수 회 재충전시켰다. 이와 같은 2회의 충전과 방전 사이클을 도 10에 나타내었다.The test cells were then evaluated to investigate the behavior of the cell voltage during the charge-discharge cycle as a function of the amount of change of lithium ions per formula unit during the gradual reversible conversion step of Li 1 + x Mn 2-x O 4 . When charging is initiated (ie, battery voltage about 3.1 volts to 3.5 volts), manganese begins to oxidize and lithium ions are released from Li 1 + x Mn 2-x O 4 and migrate through the electrolyte into the lithium thin film. This process continues until the voltage reaches 4.3 volts, which is when most of the lithium atoms have moved to the lithium anode. The cell was then discharged to 3.0 volts and recharged several times at a rate of 0.5 mA per cm 2 of cathode area. Two such charge and discharge cycles are shown in FIG. 10.

전지는 대개 각각의 ½ 사이클에 있어서 활성 캐소드 재료인 Li1+xMn2-xO4 1 g당 120 mAh의 충전량을 통과하였다. 이러한 충전량은 어떠한 전지계에서도 전형적으로 나타나는 바와 같이, 사이클 수에 따라서 감소하였다. 사이클 페이드로서 명명되는 이와 같은 감소 현상은 초기 방전 용량과 함께 캐소드 재료의 가장 중요한 전지 성능 특성 중의 하나이다. 전지에 대한 최대 방전 용량을 기록하였다. 이는 통상 제1 사이클에 대한 방전 용량이지만, 소수의 전지에 있어서는 제2 사이클 또는 심지어는 제3 사이클에 대하여 용량이 최대화된다. 전지에 대한 페이드 비율은 30 사이클 및 50 사이클 후에 사이클 수에 대비하여 방전 용량을 나타낸 그래프를 통해서 직선의 최소 자승 기울기로서 계산하였다(도 11 참조). 이러한 기울기는 Li1+xMn2-xO4 1 g당 mAh 단위로 나타낸 것으로서, 이 기울기를 초기 방전 용량으로 나누어 100을 곱함으로써 1 사이클 당 용량 손실율(%)로서의 페이드 비율로 전환시켰다.The cell typically passed a charge of 120 mAh per 1 g of Li 1 + x Mn 2-x O 4 , the active cathode material, in each ½ cycle. This amount of charge decreased with the number of cycles, as is typical for any battery system. This reduction phenomenon, termed cycle fade, is one of the most important cell performance characteristics of the cathode material along with the initial discharge capacity. The maximum discharge capacity for the cell was recorded. This is usually the discharge capacity for the first cycle, but for a few cells the capacity is maximized for the second or even third cycle. The fade ratio for the cell was calculated as the least square slope of the straight line through a graph showing the discharge capacity against the number of cycles after 30 and 50 cycles (see FIG. 11). This slope, expressed in mAh per 1 g of Li 1 + x Mn 2-x O 4 , was converted to the fade rate as percent capacity loss per cycle by dividing the slope by the initial discharge capacity and multiplying by 100.

파일롯 규모의 회전식 요로(반응기)에서 전술한 바와 같이 제안된 방법에 의해 스피넬을 합성하였다. 또한 본 발명의 방법과 비교할 목적으로, 여러 가지 다른 공개 또는 특허된 방법에 의해 합성하였다. 이러한 방법으로는 (a) 표준 실험용 절차, 즉, 간접 가열 요로에서 열에 의해 반응시킨 후에 주위 대기 중에서 냉각시키는 방법, (b) 서서히 냉각시키는 단계(요로 상의 컴퓨터 처리된 제어기 사용)를 이용하는 표준 실험용 절차, 및 (c) 공기 냉각시킨 후에 850℃에서 특수하게 어니일링시키고, 이어서 매우 느리게(10℃/h) 500℃ 또는 실온까지 냉각시키는 방법이 있다. 또한 각종 처리 파라미터를 평가할 목적으로, 파일롯 반응기에서 여러 가지 변형된 수단을 사용하여 합성을 수행하였다.Spinels were synthesized by the proposed method as described above in a pilot scale rotary urinary tract (reactor). It was also synthesized by various other published or patented methods for the purpose of comparison with the method of the present invention. These methods include (a) a standard laboratory procedure, i.e., a method of cooling in an ambient atmosphere after heat reaction in an indirect heating furnace, and (b) a standard laboratory procedure using a slow cooling step (using a computerized controller on the urinary tract). And (c) air cooling followed by special annealing at 850 ° C. followed by cooling very slowly (10 ° C./h) to 500 ° C. or room temperature. In addition, for the purpose of evaluating various processing parameters, the synthesis was carried out using various modified means in a pilot reactor.

공기 또는 산소 농후 대기 중에서의 "매우 느린 냉각/어니일링" 단계 동안에, 스피넬은 결정 격자 내로 산소를 흡수하는 것으로 알려져 있다. 이러한 현상은 열 중량 분석법(TGA)을 사용하여 중량 증가를 모니터함으로써 관찰할 수 있다.During the “very slow cooling / annealing” step in air or oxygen rich atmospheres, the spinels are known to absorb oxygen into the crystal lattice. This phenomenon can be observed by monitoring weight gain using thermal gravimetric analysis (TGA).

본 발명에 따라서 서서히 냉각시키는 단계를 사용할 경우, 스피넬 재료를 연속적으로 교반시킨다면 냉각 속도를 크게 증가시킬 수 있다. 이로써 고체/기체 계면의 노출은 더욱 커진다. 또한, 공기 또는 산소로 연속적으로 소기하면, 격자 내로의 신속한 흡수를 위해 표면 계면에서 산소를 연속적으로 이용할 수 있게 된다.When using the slow cooling step according to the invention, the cooling rate can be greatly increased by continuously stirring the spinel material. This results in greater exposure of the solid / gas interface. In addition, continuous scavenging with air or oxygen makes it possible to continuously use oxygen at the surface interface for rapid absorption into the lattice.

일례로서, 본 발명의 방법에 의해 제조된 스피넬에 대한 용량과 사이클 페이드 비율은, 수 시간 또는 수일에 걸친 가열과 냉각 시간을 포함하는 종래 거론된 최적 실험용 방법에 의해 제조된 스피넬에 대한 것과 거의 대등하였다. 반면에, 실험용 방법을 본 발명의 방법에 사용된 시간에 필적하는 수 시간 동안만 수행한 경우에는, 용량이 상당히 저하되고, 경우에 따라서는 페이드 비율이 더 높았다.As an example, the capacity and cycle fade ratios for the spinels produced by the method of the present invention are approximately equivalent to those for the spinels produced by conventionally discussed optimal experimental methods, including heating and cooling times over several hours or days. It was. On the other hand, when the experimental method was performed for only a few hours comparable to the time used in the method of the present invention, the capacity was considerably lowered and, in some cases, the fade rate was higher.

상관 관계의 신뢰성을 높이기 위해 여러 가지 샘플을 평가하였다. 각각의 샘플은 매회 시험에서 불확정성을 제공하도록 반복 시험에서 사이클링시킨 전지로 하였다. 따라서, 용량과 페이드 비율 면에서의 차이가 통계학적인 조사 대상이 된다. 하기 표 1a와 표 1b에는 재료를 제조하는 방법에 대한 설명을, 그리고 하기 표 2에는 모든 평균 결과와 표준 편차(σ )를 제시하였다.Several samples were evaluated to increase the reliability of the correlation. Each sample was a cell that was cycled in repeated testing to provide uncertainty in each test. Therefore, the difference in dose and fade ratio is the subject of statistical investigation. Tables 1a and 1b below describe the method of making the material, and Table 2 below shows all the average results and standard deviations (σ).

본 발명의 방법의 가장 중요한 특징은 대부분 쌍을 이룬(pairwise) 비교 시험을 통해 설명된다(모든 데이터의 선형 다중 회귀법과는 다름). 쌍 비교를 실시할 경우에, 조사 중인 파라미터를 제외한 모든 파라미터는 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상이한 가열/냉각 처리를 비교할 경우에, 동일한 재료를 비교하는 것이 바람직하다. 또한, 주어진 조성 차이에 대하여(예를 들면 리튬/망간 비율) 상이한 재료를 비교하는 경우, 그 재료는 동일한 전구물질인 EMD와 리튬 화합물로부터 제조되는 것이 바람직하다. 가능한 한 이와 같은 방식으로 하였다. 모든 실시예의 스피넬은 재현 가능한 특성을 갖는 케르 맥기 케미칼 코포레이션에서 시판하는 전지 등급의 EMD로부터 합성하였다. 가능하다면 동일한 리튬 화합물, 즉, 수산화리튬 또는 탄산리튬으로부터 합성한 재료를 비교하였다.The most important features of the method of the present invention are explained mostly through pairwise comparison tests (unlike linear multiple regression of all data). When performing a pair comparison, it is desirable to keep all parameters except the parameter under investigation constant. For example, when comparing different heating / cooling treatments, it is preferable to compare the same materials. In addition, when comparing different materials for a given compositional difference (eg lithium / manganese ratio), the materials are preferably made from the same precursor EMD and lithium compound. In this way as possible. Spinels of all examples were synthesized from cell grade EMD commercially available from Ker McGee Chemical Corporation with reproducible properties. Where possible, materials synthesized from the same lithium compound, ie lithium hydroxide or lithium carbonate, were compared.

실시예 1Example 1

본 발명의 실시예는 시험된 기타 임의의 재료와 동등하게 우수하거나 그보다 더 우수하였다. 본 발명의 실시예에 사용된 방법은, 공기 하에 약 2 시간 동안 회전식 요로에서 반응시키는 단계, 공기 하에서 약 2 시간 동안 회전식 요로에서 냉각시키는 단계로 이루어지며, 과량의 리튬을 사용하여 제조한 것이다. 즉, Li/Mn2 비율은 1.05이다(Li/Mn2=1.00이 아님). 본 발명의 실시예는 샘플 B와 C이다. 이 2가지 샘플은 동일하게 처리하였으며, 다만 냉각 단계를 샘플 B의 경우에는 O2 대기 하에 소형 실험용 회전식 요로에서(샘플을 제1 단계로 725℃까지 가열한 후에) 수행하였으며, 샘플 C의 경우에는 공기 하에 파일롯 요로에서 영역별로 냉각하였다. 하기 표 2는 샘플 B와 C가 적합한 방전 용량 및 표에 제시된 결과 중에서 최저의 페이드 비율(또는 그것과 등가인 비율)을 나타냄을 보여준다. 또한, 이들의 XRD 패턴(도 4 및 도 5)은 선명하였으며, 격자 파라미터는 제시된 격자 파라미터 중 최소의 것이었다.Examples of the present invention were equally better than or better than any other material tested. The method used in the embodiments of the present invention consists of reacting in a rotary urinary tract for about 2 hours under air, cooling in the rotary urinary tract for about 2 hours under air, prepared using excess lithium. That is, the Li / Mn 2 ratio is 1.05 (not Li / Mn 2 = 1.00). Examples of the invention are samples B and C. These two samples were treated identically, except that the cooling step was carried out in a small laboratory rotary urinary furnace (after heating the sample to 725 ° C. in the first step) under O 2 atmosphere for sample B, and for sample C Cooled zone by zone in a pilot tract under air. Table 2 below shows that Samples B and C represent the lowest discharge rate (or equivalent) of suitable discharge capacity and the results presented in the table. In addition, their XRD patterns (FIGS. 4 and 5) were clear and the grating parameters were the minimum of the grating parameters presented.

구체적으로, 본 발명의 실시예는 20 시간의 반응 시간과 (a) 12 시간의 냉각 시간(60℃/h), 소위 "실험실의 느린 냉각", 또는 (b) 샘플을 800℃ 이상으로 어니일링하고 매우 느리게, 즉, 10℃/h로 냉각시키는 것을 포함하는 처리, 소위 [어니일링/매우 느린 냉각]중 어느 하나를 포함하는 장기간의 실험 경로(정지층 요로)에 의해 제조된 재료와 동등하게 우수한 것이었다. 하기 표 2로부터 구체적인 비교 대상은 다음과 같다.Specifically, an embodiment of the present invention provides a reaction time of 20 hours and (a) a cooling time of 12 hours (60 ° C./h), so-called “slow cooling of the laboratory”, or (b) annealing the sample above 800 ° C. And very slowly, i.e., equivalent to the material produced by the long-term experimental route (stop layer urinary) comprising any one of the so-called [annealing / very slow cooling] comprising cooling to 10 ° C./h. It was excellent. Specific comparison targets from Table 2 are as follows.

a. B 및 C(본 발명)와 H("동일한" 파일롯 재료이지만 합성후에 [어니일링/매우 느린 냉각]을 실시함)를 비교해 보면, 본 발명의 재료가 [어니일링/매우 느리게 냉각]시킨 재료와 비교하여 보다 우수하지는 않을지라도, 그와 대등한 정도로 우수한 것임을 보여준다.a. Comparing B and C (invention) and H ("same" pilot material but performing [annealing / very slow cooling] after synthesis), the material of the invention is [annealing / very slow cooling] Although not as good as comparable, it is shown to be comparably superior.

b. 샘플 I는 본 발명의 샘플과 전구물질 및 조성이 동일한 실험실에서 제조된 샘플이지만, 샘플 I는 [어니일링/매우 느린 냉각] 처리를 받은 것이다. 재료 I는 평균적으로 B 및 C 이상으로 우수한 것은 아니다. I의 50 사이클 페이드 비율은 다른 2가지 재료의 페이드 비율과 통계학적으로 대등한 것이었는데, "I" 값에 대한 표준 편차가 상당히 크기 때문이다. 샘플 I는 선명한 XRD 패턴을 나타내었다(도 8).b. Sample I is a sample prepared in the same laboratory with the same precursor and composition as the sample of the present invention, but Sample I was subjected to annealing / very slow cooling. Material I is not superior to B and C on average. The 50 cycle fade rate of I was statistically equivalent to the fade rate of the other two materials, since the standard deviation for the “I” value is quite large. Sample I showed a clear XRD pattern (FIG. 8).

c. 샘플 K는 전구물질과 조성 면에서 B 및 C와 동일하지만, K는 [어니일링/매우 느린 냉각] 처리 대신에 실험실용 정지 요로에서 20 시간 동안 반응시킨 후에 "실험실에서 서서히 냉각시킨"것이다. 샘플 K는 최량의 재료 중의 하나이지만, 용량과 페이드 비율 면에서 B 및 C 만큼 우수한 것은 아니었다. K에 대한 XRD 패턴은 선명하였다(도 9).c. Sample K is identical to B and C in terms of precursor and composition, but K is “slowly cooled in laboratory” after 20 hours of reaction in a laboratory stationary tract instead of annealing / very slow cooling. Sample K is one of the best materials, but not as good as B and C in terms of capacity and fade ratio. The XRD pattern for K was clear (FIG. 9).

d. 샘플 L'는 Li2CO3로부터 제조한 후에 [어니일링/매우 느린 냉각] 처리를 받은 파일롯 재료이다. (이것에 비하여 [어니일링/매우 느린 냉각] 처리를 받은 샘플 H는 LiOH로부터 제조된 것이다). 본 발명의 실시예는 Li2CO3로부터 제조된 것이 없다. 그러나, 샘플 O는 실험실에서 서서히 냉각시켰다는 것을 제외하고는, L'와 동일한 실험실에서 제조된 샘플이다. 샘플 O는 샘플 L'와 대등하게 우수한 것이었으며, 이는 [어니일링/매우 느린 냉각] 처리가 725℃에서 반응한 후에 실험실에서 서서히 냉각시키는 절차에 비해 전혀 개선된 결과를 제공하지 않음을 시사한다.d. Sample L 'is a pilot material that was subjected to [annealing / very slow cooling] after preparation from Li 2 CO 3 . (Sample H subjected to [annealing / very slow cooling] treatment in comparison to that prepared from LiOH). Embodiments of the invention are not made from Li 2 CO 3 . However, sample O is a sample prepared in the same laboratory as L ', except that it was slowly cooled in the laboratory. Sample O was comparable to Sample L ', suggesting that the [Annealing / Very Slow Cooling] treatment did not provide any improved results compared to the procedure of slowly cooling in the laboratory after reaction at 725 ° C.

e. 샘플 G는 L'와 동일하게 합성한 것이지만, 재가열하고 실험실에서 서서히 냉각시킨 것이었다. 샘플 G는 L'보다 느린 페이드 비율을 나타내며, 이는 (d)의 경우와 마찬가지로 [어니일링/매우 느린 냉각] 처리가, 심지어는 725℃에서 반응한 후에 실험실에서 서서히 냉각시키는 절차에 비해 열등할 수도 있음을 시사한다.e. Sample G was synthesized the same as L ', but was reheated and slowly cooled in the laboratory. Sample G exhibits a slower fade rate than L ', which, as in the case of (d), may be inferior to the procedure for annealing / very slow cooling, even slowly cooling in the laboratory after reacting at 725 ° C. Imply that there is.

g. 샘플 I와 I', 그리고 J와 J'를 비교해 보면, 725℃에서 제조된 재료를 [어니일링/매우 느린 냉각] 처리하는 것이 성능을 개선시킴을 알 수 있다.g. Comparing samples I and I 'and J and J', it can be seen that the annealing / very slow cooling treatment of the material produced at 725 ° C. improves performance.

실시예 2Example 2

하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 (1) 기류를 사용한 회전식 요로에 의해서는 대략 2 시간에 불과한 반응 시간이 허용되는 반면에, 정지 요로에서 2 시간 동안의 반응은 완전히 부적합한 생성물을 제공하며, (2) 공기를 사용하는 회전식 요로에서의 약 2 시간의 반응과 동일한 효과를 산출하기 위해서는 실험실용 정지 요로에서 약 20 시간의 반응 시간이 필요하다는 것을 보여준다. 본 실시예에서는, 공기 냉각을 사용하였는데, 사실상 실험실에서의 느린 냉각이 반응 시간을 2시간 이상으로 연장시켜 시험을 실패하게 하기 때문이다.As shown in Table 2 below, the present invention permits a reaction time of only about 2 hours by (1) a rotary urinary tract with airflow, whereas the reaction for 2 hours in a stationary tract provides a completely unsuitable product. (2) It is shown that a reaction time of about 20 hours is required in a laboratory stationary tract to produce the same effect as a reaction of about 2 hours in a rotary urinary tract using air. In this example, air cooling was used because, in fact, slow cooling in the laboratory would prolong the reaction time beyond 2 hours, causing the test to fail.

a. 샘플 M은 단 2 시간 동안 정지 요로에서 합성한 후에 공기 냉각시켰다. 이 방법은 재료를 유해한 부산물로 오염시켰으며, 이는 XRD 스캔에 의해 확인된다. 초기 용량은 76.8 mAh/g에 불과하며, 조립된 4개의 전지 중에서 2개는 10회를 사이클링할 수도 없었다. 이러한 문제는 고 농도의 불순물에 기인하는 것이다. 이 재료는 전지 캐소드으로서는 완전히 부적합한 것이다. Li/Mn2 비율 1.00으로서 LiOH로부터 제조하되 정지 요로에서 20 시간 동안 반응시킨 대등한 출발 물질은 샘플 N이다. 이 재료는 우수한 XRD 패턴과 초기 용량을 나타내었지만, 페이드 비율은 우수한 재료의 기준에 비추어 보통의 것이었다. 회전식 요로에서 Li/Mn2 비율 1.00을 사용하여 제조한 재료는 없었다.a. Sample M was air cooled after synthesis in a stationary urinary tract for only 2 hours. This method contaminated the material with harmful byproducts, which is confirmed by XRD scan. The initial capacity was only 76.8 mAh / g, and two of the four assembled batteries could not even cycle 10 times. This problem is due to the high concentration of impurities. This material is completely unsuitable as a battery cathode. A comparable starting material prepared from LiOH with a Li / Mn 2 ratio of 1.00 and reacted for 20 hours in a stationary urinary tract is sample N. This material showed good XRD patterns and initial capacity, but the fade ratio was normal in view of good material criteria. No material was produced using the Li / Mn 2 ratio 1.00 in the rotary urinary tract.

b. 샘플 A와 F는 동등한 예비 혼합물로부터 출발하여 회전식 요로에서 기류를 사용하여 반응시킨 후에 공기 냉각시킨 2가지 재료이다. 전구 물질과 조성 면에서 A 및 F와 동일한 샘플 I'를 실험실용 정지 요로에서 20 시간의 반응 시간을 사용하여 제조하였다. 회전식 샘플(A 및 F)는 방전 용량 및 페이드 비율 면에서 실험실 요로에서 20 시간 동안 반응시킨 재료(I')와 대등한 정도로 우수하였다. 본 실시예 및 2.a는 회전 요로에서의 2 시간의 반응 시간이 정지 요로에서의 20 시간의 반응시간과 대략 동등한 효과를 가지며, 정지 요로에서의 2 시간의 반응 시간보다 실질적으로 더 유효함을 보여준다.b. Samples A and F are two materials starting from an equivalent premix and then air cooled after reacting with airflow in a rotary urinary tract. Samples I ′, identical to A and F in terms of precursors and composition, were prepared using a reaction time of 20 hours in a laboratory stationary urinary tract. Rotating samples (A and F) were superior in terms of discharge capacity and fade ratio with material (I ') reacted for 20 hours in a laboratory urinary tract. This Example and 2.a show that the reaction time of 2 hours in the rotary urinary tract has an effect approximately equal to the reaction time of 20 hours in the stationary urinary tract, and is substantially more effective than the reaction time of 2 hours in the stationary urinary tract. Shows.

c. 동등한(Li2CO3) 전구물질로부터 제조되고, 동등한 조성을 갖는 3가지 샘플은 E(실험실용 정지 요로에서 단 2시간의 반응 시간을 사용한 후에 공기 냉각시켜 제조함), L(회전식 파일롯 요로에서 2시간의 반응 시간을 사용한 후에 공기 냉각시켜 제조함) 및 J'(실험실용 정지 요로에서 20 시간의 반응 시간을 사용한 후에 공기 냉각시켜 제조함)이다. 상기 E의 처리 과정에 의하면 오염된 재료가 생성되었으며(도 7의 XRD 패턴 비교) 다소 낮은 방전 용량을 나타내었다(112 mAh/g). 또한 J'는 다소 낮은 용량을 나타내었지만, 그것의 XRD 패턴은 선명하였다. 파일롯 샘플인 L은 3가지 재료 중 최량의 용량을 나타내었으며, XRD 패턴도 선명하였다. 페이드 비율은 모든 경우에 보통이거나 열등하였지만, 의외로 2시간 처리한 실험실용 샘플이 최량의 페이드 비율을 나타내었다.c. Three samples, prepared from equivalent (Li 2 CO 3 ) precursors and having equivalent composition, were prepared by using E (air cooled after using only 2 hours of reaction time in a laboratory stop tract), L (2 in a rotary pilot tract) Prepared by air cooling after using a reaction time of time) and J '(prepared by air cooling after using a reaction time of 20 hours in a lab stop urine). The treatment process of E produced contaminated material (compare the XRD pattern in FIG. 7) and showed a somewhat lower discharge capacity (112 mAh / g). J 'also showed a somewhat lower capacity, but its XRD pattern was clear. The pilot sample L showed the best capacity among the three materials, and the XRD pattern was also clear. The fade rate was moderate or inferior in all cases, but the lab sample treated surprisingly 2 hours showed the best fade rate.

실시예 3Example 3

회전식에서 산소 함유 기체는 본 발명의 방법에 필수적이다. 이를 표 2에 샘플 D로 나타내었으며, 이것은 반응 및 냉각시키는 동안에 요로를 통해 유동하는 N2를 사용하여 제조한 것이다. 용량은 허용 불가능한 정도로 낮았으며(101 mAh/g), 이는 오염된 XRD 스캔(도 6)에 상응한다. 또한 페이드 비율도 보통이거나 열등하였다. 회전 요로에서 공기를 사용한 대등한 샘플은 L이며, 이 샘플은 허용 가능한 용량과 선명한 XRD 스캔을 나타내었고 D에 비해 탁월한 것으로 입증되었다. L의 페이드 비율은 D의 것과 대등하였지만, L의 페이드 비율은 보다 높은 용량에서 진행하는 것이다. 본 발명의 실시예 B 및 C에 대한 비교 결과 산소 또는 공기 대기가 만족할 만한 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다.Oxygen-containing gases in rotation are essential to the process of the invention. This is shown as Sample D in Table 2, which was prepared using N 2 flowing through the urinary tract during the reaction and cooling. The capacity was unacceptably low (101 mAh / g), which corresponds to a contaminated XRD scan (FIG. 6). Fade rates were also moderate or inferior. The equivalent sample with air in the rotary urinary tract was L, which showed an acceptable capacity and a clear XRD scan and proved to be superior to D. The fade rate of L was comparable to that of D, but the fade rate of L proceeds at higher doses. Comparisons of Examples B and C of the present invention have shown that oxygen or air atmospheres provide satisfactory results.

실시예 4Example 4

회전식 요로(2 시간)에서 서서히 영역별로 냉각시키는 본 발명의 방법이 유리하다. 하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 이는 위와 같은 방식으로 냉각시킨 샘플 B 및 C와, 동일한 예비 혼합물로 제조된 것으로 동일한 반응 생성물이지만 공기 냉각시킨 것인 샘플 A를 비교함으로써 입증된다. 샘플 B 및 C는 A보다 더 우수한 용량과 특히 페이드 비율을 나타낸다.The method of the invention is advantageous in that it gradually cools zone by zone in a rotary urinary tract (2 hours). As shown in Table 2 below, this is demonstrated by comparing Samples B and C, cooled in the same manner as above, and Sample A, which is made from the same premix and is the same reaction product but air cooled. Samples B and C show better capacity and especially fade ratio than A.

실시예 5Example 5

하기 표 2는 본 발명의 방법에 있어서 Li/Mn2 비율이 1.00보다 큰 것이 유리함을 보여준다. Li/Mn2 비율이 1.00인 경우에 대하여 회전식 요로에서 제조하고 냉각시킨 샘플은 없다. 즉, 샘플 B 및 C와 직접 비교할 대상은 없다. 왜냐하면, 사전에 실험실에서 합성된 재료를 사용하여 과량의 리튬을 사용하는 것이 명확한 이점이 있다는 것을 확인하였기 때문이다. 따라서, 파일롯 플랜트에서 열등한 재료를 생산할 필요가 없었다. 상기 (1.c)에서, 본 발명의 합성 방법이 최량의 실험실 합성법, 즉, 20 시간 반응시키고 실험실에서 서서히(즉, 60℃/시간 또는 12 시간 냉각) 냉각시키는 방법과 같은 정도로 우수함을 밝힌 바 있다. 그러므로, 최량의 실험용 재료가 Li/Mn2=1.00인 것을 제외하고는 동일한 것인 재료보다 우수한 것으로 입증된다면, Li/Mn2>1.00인 파일롯(본 발명의 방법) 재료가 Li/Mn2=1.00인 본 발명의 방법의 재료보다 우수할 것이라고 추론할 수 있다.Table 2 below shows that it is advantageous for the Li / Mn 2 ratio to be greater than 1.00 in the method of the present invention. No sample was prepared and cooled in a rotary urinary tract for a Li / Mn 2 ratio of 1.00. That is, there is no direct comparison with Samples B and C. This is because the use of excess lithium using materials synthesized in the laboratory has confirmed that there is a clear advantage. Thus, there was no need to produce inferior materials in the pilot plant. In (1.c) above, the synthesis method of the present invention was found to be as good as the best laboratory synthesis method, i.e., a method of reacting for 20 hours and cooling slowly in the laboratory (ie, cooling at 60 ° C / hour or 12 hours). have. Therefore, if the Preferred experimental material Li / Mn 2 = and has proven to be superior to the same material, except that 1.00, Li / Mn 2> 1.00 and the pilot (the method of the present invention), the material is Li / Mn 2 = 1.00 It can be deduced that phosphorus will be superior to the material of the process of the invention.

본 발명의 방법에 의한 재료 B 및 C와 동등한 샘플 K를 Li/Mn2 비율이 1.00인 것을 제외하고는 동등한 것인 K'와 비교하였다. 샘플 K'는 K보다 큰 용량을 나타내었으며, 이는 이론적으로도 예상되는 결과이다. 그러나, K의 용량은 여전히 적합한 정도로 충분히 큰 것이었다. 필수적인 특징인 페이드 비율에 있어서, 샘플 K는 샘플 K는 샘플 K'보다 더 우수하였다. 추론하건대, 본 발명의 방법의 재료는 Li/Mn2=1.00인 회전식 재료보다 더 우수한 것임에 틀림이 없다.Samples K equivalent to materials B and C by the method of the present invention were compared to K 'which is equivalent except that the Li / Mn 2 ratio is 1.00. Sample K 'showed a larger capacity than K, which is the theoretically expected result. However, the capacity of K was still large enough to be suitable. For the fade ratio, which is an essential feature, sample K was better than sample K '. Inferring, the material of the process of the invention must be better than the rotary material with Li / Mn 2 = 1.00.

실시예 6Example 6

본 실시예는 Li/Mn2 몰 비율이 1.00인 경우에 비하여 Li/Mn2 몰 비율이 1.033인 경우(Li1+xMn2-xO4에 대하여 x=0.022)의 장점을 입증한다. 샘플 P는 본 발명의 방법에 의해 Li/Mn2 몰 비율 1.033(Li1+xMn2-xO4에 대하여 x=0.022)을 사용하여 실험실에서 제조한 것이다. 이 재료의 평균 방전 용량은 124.7 mAh/g이었으며, 30 사이클 및 50 사이클의 페이드 비율은 각각 1사이클 당 0.33%와 0.26%이었다(표 2 참조). 비교용으로, 샘플 K'는 Li/Mn2 몰 비율을 1.00으로 한 것을 제외하고는, 동일한 방법에 의해서 실험실에서 제조하였다. 샘플 K'는 평균 방전 용량이 132 mAh/g이고, 30 사이클 및 50 사이클 페이드 비율은 각각 1사이클 당 0.61% 및 0.47%이었다. 샘플 K'에 대한 방전 용량은 예상한 바와 같이 P의 경우보다 약간 크지만, 샘플 P에 대한 방전 용량은 적합한 것이었다. 샘플 P에 대한 페이드 비율이 샘플 K'에 대한 페이드 비율보다 상당히 크다는 것이 중요하다.This example demonstrates the advantage of the Li / Mn 2 molar ratio of 1.033 (x = 0.022 for Li 1 + x Mn 2-x O 4 ) compared to the Li / Mn 2 molar ratio of 1.00. Sample P was prepared in the laboratory using the Li / Mn 2 molar ratio 1.033 (x = 0.022 for Li 1 + x Mn 2-x O 4 ) by the method of the present invention. The average discharge capacity of this material was 124.7 mAh / g, and the fade rates for 30 and 50 cycles were 0.33% and 0.26% per cycle, respectively (see Table 2). For comparison, sample K 'was prepared in the laboratory by the same method, except that the Li / Mn 2 molar ratio was 1.00. Sample K 'had an average discharge capacity of 132 mAh / g and the 30 cycle and 50 cycle fade rates were 0.61% and 0.47% per cycle, respectively. The discharge capacity for sample K 'was slightly larger than for P as expected, but the discharge capacity for sample P was suitable. It is important that the fade ratio for sample P is significantly greater than the fade ratio for sample K '.

실시예 7Example 7

본 실시예는 Li/Mn2 몰 비율이 1.00인 경우(x=0에서)에 비해 Li/Mn2 몰 비율이 1.112(Li1+xMn2-xO4에 대하여 x=0.072)인 경우의 장점을 설명한 것이다. 샘플 Q는 본 발명의 방법에 의해서 회전식 요로에서 제조한 후에 그 요로에서 서서히 냉각시킨 것이다. 하기 표 2는 이 샘플의 평균 방전 용량이 126.3 mAh/g이고, 30 사이클 및 50 사이클 페이드 비율이 각각 1사이클 당 0.084% 및 0.086%임을 보여준다. 샘플 K'는 Li/Mn2 몰 비율이 1.00인 대조용 재료로서 작용한다. 샘플 K'에 대한 방전 용량은 132 mAh/g이며, 30 사이클 및 50 사이클 페이드 비율은 1사이클 당 0.61%와 0.47%이다. 샘플 K'에 대한 방전 용량은 예상한 바와 같이 Q보다 약간 크지만, 샘플 Q에 대한 방전 용량은 적합한 것이다. 반면에, 샘플 Q에 대한 페이드 비율은 샘플 K'에 대한 것보다 상당히 더 크다. 샘플 K'는 실험실용 정지 요로에서(샘플 Q의 경우와 같은 회전식 요로가 아님) 리튬 공급원으로서 LiOH를 사용하여 합성한 것이다. 이러한 합성법에 있어서의 차이는 다른 실시예들에 의해 입증되는 바와 같이, 샘플 K'와 Q의 페이드 비율에 있어서의 차이의 원인이 되는 것은 아니다. 샘플 I'와 J', 그리고 K와 O의 결과를 비교해보면(표 2), LiOH로부터 합성된 생성물이 Li2CO3로부터 합성된 생성물보다 우수하거나 또는 그와 동등한 페이드 비율을 산출함을 알 수 있다. 샘플 K와 샘플 B 및 C를 비교해보면, 실험실에서 20 시간의 반응시간으로 "실험실에서 서서히 냉각"시켜 합성한 샘플이 회전식 요로에서 합성하고 서서히 냉각시킨(본 발명 방법) 생성물과 동등한 페이드 비율을 산출함을 알 수 있다. 그러므로, 샘플 K'의 경우보다 샘플 Q의 페이드 비율이 더 낮은 것은 샘플 Q의경우에 Li/Mn2 비율이 더 크기 때문에 유발되는 것이다.This example shows a case where the Li / Mn 2 molar ratio is 1.112 (x = 0.072 for Li 1 + x Mn 2-x O 4 ) compared to the case where the Li / Mn 2 molar ratio is 1.00 (at x = 0). The advantages are explained. Sample Q was prepared in a rotary urinary tract by the method of the present invention and then slowly cooled in the urinary tract. Table 2 below shows that the average discharge capacity of this sample is 126.3 mAh / g and the 30 cycle and 50 cycle fade ratios are 0.084% and 0.086% per cycle, respectively. Sample K 'acts as a control material with a Li / Mn 2 molar ratio of 1.00. The discharge capacity for sample K 'is 132 mAh / g and the 30 cycle and 50 cycle fade rates are 0.61% and 0.47% per cycle. The discharge capacity for sample K 'is slightly larger than Q as expected, but the discharge capacity for sample Q is suitable. On the other hand, the fade ratio for sample Q is significantly larger than that for sample K '. Sample K 'was synthesized using LiOH as a lithium source in a laboratory stationary urinary tract (not a rotary urinary tract as in the case of Sample Q). The difference in this synthesis does not cause a difference in the fade ratio of sample K 'and Q, as evidenced by other examples. Comparing the results of samples I 'and J' and K and O (Table 2), it can be seen that the product synthesized from LiOH yields a better or equivalent fade ratio than the product synthesized from Li 2 CO 3 . have. Comparing Sample K with Samples B and C, a 20-hour reaction time in the lab yields a fade ratio equivalent to the product synthesized in the urinary tract and slowly cooled (inventive method) synthesized in the labyrinth. It can be seen. Therefore, a lower fade ratio of sample Q than that of sample K 'is caused because of a larger Li / Mn 2 ratio for sample Q.

Claims (52)

스피넬형 구조를 가지며 a축 격자 파라미터가 8.235Å 이하인, 화학식 Li1+xMn2-xO4(식 중, x는 0.022 내지 0.125임)로 표시되는 단일상 리튬 함유 망간 산화물 층간 화합물을 연속적으로 제조하는 방법으로서,Continuously carrying a single-phase lithium-containing manganese oxide interlayer compound represented by the formula Li 1 + x Mn 2-x O 4 , wherein x is 0.022 to 0.125, having a spinel-like structure and having an a-axis lattice parameter of 8.235 μs or less As a manufacturing method, (a) 상기 리튬 함유 망간 산화물 화합물을 기준으로 하여 정해진 양의 수산화리튬 또는 리튬 염과 산화망간 또는 망간 염을 충분히 혼합시키는 단계,(a) sufficiently mixing a predetermined amount of lithium hydroxide or lithium salt with manganese oxide or manganese salt based on the lithium-containing manganese oxide compound, (b) 충분히 혼합된 화합물을 반응기에 공급하는 단계,(b) feeding a sufficiently mixed compound to the reactor, (c) 혼합된 화합물들을 반응기에서 연속적으로 교반시키는 단계,(c) continuously stirring the mixed compounds in a reactor, (d) 반응기에서 교반되고 혼합된 화합물을 공기 또는 산소 농후 대기 하에 650℃ 내지 850℃의 온도에서 4 시간을 초과하지 않는 시간 동안 가열하는 단계,(d) heating the stirred and mixed compound in a reactor at a temperature of 650 ° C. to 850 ° C. under air or oxygen enriched atmosphere for a time not exceeding 4 hours, (e) Li1+xMn2-xO4 스피넬 구조의 층간 화합물을 형성시키는 단계, 및(e) forming an interlayer compound of Li 1 + x Mn 2-x O 4 spinel structure, and (f) 반응 생성물을 2 시간 이하의 시간 내에 200℃ 이하로 냉각시키는 단계(f) cooling the reaction product to 200 ° C. or less within 2 hours or less 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Method comprising a. 제1항에 있어서, 반응 생성물을 100℃ 이하의 온도로 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법.The method of claim 1, further comprising cooling the reaction product to a temperature of 100 ° C. or less. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)를 수행하는 동안에 상기 대기를 기류, 산소 또는 산소 농후 공기로 연속적으로 소기하는 방법.The method of claim 1 wherein the atmosphere is continuously evacuated to airflow, oxygen or oxygen rich air while performing step (c). 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)를 수행하는 동안에 상기 대기를 산소 농후 대기의 역류로 연속적으로 소기하는 방법.The method of claim 1 wherein the atmosphere is continuously evacuated to a backflow of an oxygen rich atmosphere while performing step (c). 제1항에 있어서, 상기 반응기가 주입 단부보다 낮은 배출 단부를 가진 수평형 회전 튜브인 방법.The method of claim 1, wherein the reactor is a horizontal rotating tube having a discharge end lower than the injection end. 제1항에 있어서, 상기 반응기가 회전 스크루를 구비한 수평형 하소 장치인 방법.The method of claim 1 wherein the reactor is a horizontal calcination apparatus with a rotating screw. 제1항에 있어서, 상기 반응기가 유동층인 방법.The method of claim 1 wherein the reactor is a fluidized bed. 제1항에 있어서, 상기 반응기가 가열된 진동형 콘베이어 벨트인 방법.The method of claim 1 wherein the reactor is a heated vibratory conveyor belt. 제1항에 있어서, 상기 반응기가 수직형 회전 요로의 캐스케이드인 방법.The method of claim 1, wherein the reactor is a cascade of vertical rotary furnaces. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계를 2 시간 이하의 시간 내에 수행하는 방법.The method of claim 1 wherein said heating step is performed within a time of 2 hours or less. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계를 1.5 시간 이하의 시간 내에 수행하는 방법.The method of claim 1 wherein said heating step is performed within a time of 1.5 hours or less. 제11항에 있어서, 상기 가열 단계의 온도가 700℃ 내지 800℃인 방법.The method of claim 11, wherein the temperature of the heating step is between 700 ° C. and 800 ° C. 13. 제1항에 있어서, 상기 단계 (d)를 수행하는 동안에 기류, 산소 또는 산소 농후 대기를 사용하여 연속적으로 소기하는 것을 포함하는 방법.The method of claim 1 comprising continuously evacuating with airflow, oxygen or an oxygen rich atmosphere while performing step (d). 제13항에 있어서, 상기 연속적인 소기 단계를 공기의 역류를 사용하여 수행하는 방법.The method of claim 13, wherein said continuous scavenging step is performed using backflow of air. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계를 회전 스크루를 구비한 수평형 하소 장치에서 수행하는 방법.The method of claim 1 wherein said cooling step is performed in a horizontal calcination device with a rotating screw. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계를 유동층에서 수행하는 방법.The method of claim 1 wherein said cooling step is performed in a fluidized bed. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계를 회전식 요로에서 수행하는 방법.The method of claim 1 wherein said cooling step is performed in a rotary urinary tract. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계를 가열된 진동형 콘베이어 벨트에서 수행하는 방법.The method of claim 1 wherein said cooling step is performed in a heated vibratory conveyor belt. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계를 수직형 회전 요로의 캐스케이드에서 수행하는 방법.The method of claim 1 wherein said cooling step is carried out in a cascade of vertical rotary tracts. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계를 1.5시간 이하의 시간 내에 수행하는 방법.The method of claim 1 wherein said cooling step is performed within a time of 1.5 hours or less. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계를 1.5시간 미만의 시간 내에 수행하는 방법.The method of claim 1 wherein said cooling step is performed in less than 1.5 hours. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계를 그 온도가 점차적으로 감소하는 영역들에서 수행하는 방법.The method of claim 1, wherein said cooling step is performed in areas where said temperature is gradually decreasing. 제22항에 있어서, 상기 냉각 단계를 2개 또는 3개의 영역에서 수행하는 방법.The method of claim 22 wherein said cooling step is performed in two or three zones. 제23항에 있어서, 각각의 점차적인 냉각 영역의 온도가 바로 앞의 영역보다 약 90℃ 이상 더 낮은 것인 방법.The method of claim 23, wherein the temperature of each gradual cooling zone is at least about 90 ° C. lower than the immediately preceding zone. 제24항에 있어서, 상기 점차적인 냉각 영역에서의 온도가 725℃, 625℃ 및 525℃인 방법.The method of claim 24, wherein the temperatures in the gradual cooling zones are 725 ° C., 625 ° C., and 525 ° C. 25. 제24항에 있어서, 상기 점차적인 냉각 영역에서의 온도가 800℃, 650℃ 및 500℃인 방법.The method of claim 24, wherein the temperatures in the gradual cooling zone are 800 ° C., 650 ° C. and 500 ° C. 25. 제24항에 있어서, 상기 점차적인 냉각 영역에서의 온도가 750℃, 600℃ 및 450℃인 방법.The method of claim 24, wherein the temperatures in the gradual cooling zones are 750 ° C., 600 ° C. and 450 ° C. 25. 제24항에 있어서, 상기 냉각된 생성물을 산소를 흡수할 수 있는 상태에서 어니일링시켜 화학식 Li1+xMn2-xO4로 표시되는 스피넬 구조의 리튬 함유 층간 화합물을 제조하기 위한 것인 방법.The method of claim 24, wherein the cooled product is annealed in a state capable of absorbing oxygen to prepare a lithium-containing interlayer compound having a spinel structure represented by Formula Li 1 + x Mn 2-x O 4 . . 제28항에 있어서, 상기 냉각된 생성물을 가능한 한 다량의 산소를 흡수할 수 있는 상태에서 어니일링시키는 방법.The method of claim 28, wherein said cooled product is annealed in a state capable of absorbing as much oxygen as possible. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계 동안에 상기 대기를 기류, 산소 또는 산소 농후 대기에 의해 연속적으로 소기하는 방법.The method of claim 1 wherein the atmosphere is continuously evacuated by an airflow, oxygen or oxygen rich atmosphere during the cooling step. 제30항에 있어서, 상기 냉각 단계 동안에 상기 대기를 공기의 역류에 의해 연속적으로 소기하는 방법.31. The method of claim 30, wherein said atmosphere is continuously evacuated by backflow of air during said cooling step. 제1항에 있어서, 상기 산화망간 또는 망간염이MnO2(전기 분해에 의해 또는 화학적으로 제조됨), MnCO3, Mn2O3, Mn3O4, MnO, 망간 아세테이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.The method according to claim 1, wherein the manganese oxide or manganese salt is composed of MnO 2 (prepared by electrolysis or chemically), MnCO 3 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , MnO, manganese acetate and mixtures thereof The method selected from the group. 제1항에 있어서, 상기 산화망간이 단계 (a)에 앞서 열 처리된 것인 방법.The method of claim 1, wherein the manganese oxide is heat treated prior to step (a). 제1항에 있어서, 상기 수산화리튬 또는 리튬염이 LiOH, Li2CO3, LiNO3 및 이들의 혼합물과 수화물로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.The method of claim 1, wherein the lithium hydroxide or lithium salt is selected from the group consisting of LiOH, Li 2 CO 3 , LiNO 3 and mixtures and hydrates thereof. 제33항에 있어서, 전기 화학적으로 제조된 MnO2를 그것을 합성하는 동안에 LiOH 또는 NH4OH로 중화시킨 것인 방법.The method of claim 33, wherein the electrochemically prepared MnO 2 is neutralized with LiOH or NH 4 OH during its synthesis. a축 격자 파라미터가 8.235Å 이하인 스피넬형 결정 구조를 갖는 리튬 망간 산화물을 합성하는 방법으로서,A method of synthesizing a lithium manganese oxide having a spinel crystal structure having an a-axis lattice parameter of 8.235 Pa or less, LiOH, Li2CO3, LiNO3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 수산화리튬 또는 리튬 염 및 MnO2, Mn2O3, MnCO3, Mn3O4, MnO, 망간 아세테이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 산화망간 또는 망간 염으로 이루어진 미(微)분쇄된 고체 형태의 충분히 혼합된 혼합물을 형성시키는 단계, 및At least one lithium hydroxide or lithium salt selected from the group consisting of LiOH, Li 2 CO 3 , LiNO 3 and mixtures thereof and MnO 2 , Mn 2 O 3 , MnCO 3 , Mn 3 O 4 , MnO, manganese acetate and Forming a sufficiently mixed mixture in the form of a finely divided solid consisting of at least one manganese oxide or manganese salt selected from the group consisting of mixtures, and 상기 혼합물을 반응기에서 650℃ 내지 800℃ 범위의 온도에서 4 시간을 초과하지 않는 시간 동안 공기의 역류에 의한 연속적인 소기 하에 교반하고 가열하여 상기 염들을 서로 반응시키는 단계Reacting the salts with each other by stirring and heating the mixture in a reactor under continuous scavenging by backflow of air for a time not exceeding 4 hours at a temperature in the range of 650 ° C. to 800 ° C. 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Method comprising a. 제36항에 있어서, 상기 혼합물을 가열하는 단계는, 공기 중에서 700℃ 내지 800℃ 범위의 온도에서 수행하며, 상기 혼합물을 2 시간 이하의 기간 동안 최고 온도에 유지시키는 방법.The method of claim 36, wherein heating the mixture is carried out in air at a temperature in the range of 700 ° C. to 800 ° C. and maintaining the mixture at the highest temperature for a period of up to 2 hours. 제36항에 있어서, 상기 산화망간이 혼합물을 형성시키기 전에 열처리된 것인 방법.37. The method of claim 36, wherein the manganese oxide is heat treated prior to forming the mixture. 제36항에 있어서, 상기 리튬 망간 산화물이 화학식 Li1+xMn2-xO4(식 중, x는 0.022 내지 0.2임)로 표시되는 것인 방법.The method of claim 36, wherein the lithium manganese oxide is represented by the formula Li 1 + x Mn 2-x O 4 , wherein x is 0.022 to 0.2. 제39항에 있어서, 상기 Li1+xMn2-xO4가 (Mn2)O2(Mn2)O4 n-1 골격 구조를 가지며, 이 구조에서 Mn 양이온의 양은 화학양론적인 값으로부터 변화하는 것인 방법.The method of claim 39, wherein the Li 1 + x Mn 2-x O 4 has a (Mn 2 ) O 2 (Mn 2 ) O 4 n-1 framework structure, wherein the amount of Mn cation in the structure is from stoichiometric values How to change. 스피넬형 구조를 가지며 a축 격자 파라미터가 8.235Å 이하인 화학식 Li1+xMn2-xO4(식 중, x는 0.022 내지 0.200임)로 표시되는 단일상의 리튬 함유 망간 산화물 층간 화합물을 회분식 공정에 의해 제조하는 방법으로서,A single phase lithium-containing manganese oxide interlayer compound represented by the formula Li 1 + x Mn 2-x O 4 (wherein x is 0.022 to 0.200) having a spinel-type structure and having an a-axis lattice parameter of 8.235 μs or less, is subjected to a batch process. As a method of manufacturing by (a) 상기 리튬 함유 망간 산화물 화합물을 기준으로 하여 화학양론적인 양으로 수산화리튬 또는 리튬 염과 산화망간 또는 망간 염을 충분히 혼합시키는 단계,(a) sufficiently mixing the lithium hydroxide or lithium salt with manganese oxide or manganese salt in a stoichiometric amount based on the lithium-containing manganese oxide compound, (b) 충분히 혼합된 화합물을 반응기에 공급하는 단계,(b) feeding a sufficiently mixed compound to the reactor, (c) 혼합된 화합물들을 반응기에서 교반시키는 단계,(c) stirring the mixed compounds in a reactor, (d) 반응기에서 교반되고 혼합된 화합물을 공기 또는 산소 농후 대기 하에 650℃ 내지 800℃의 온도에서 4시간을 초과하지 않는 시간 동안 가열하는 단계,(d) heating the stirred and mixed compound in a reactor at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C. under air or oxygen enriched atmosphere for a time not exceeding 4 hours, (e) Li1+xMn2-xO4 스피넬 층간 화합물을 형성시키는 단계, 및(e) forming a Li 1 + x Mn 2-x O 4 spinel interlayer compound, and (f) 반응 생성물을 2 시간 이하의 시간 내에 100℃ 이하로 냉각시키는 단계(f) cooling the reaction product to 100 ° C. or less within 2 hours or less. 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Method comprising a. 제41항에 있어서, 상기 냉각 용기가 회전 스크루를 구비한 수평형 하소 장치인 방법.42. The method of claim 41 wherein the cooling vessel is a horizontal calcination device having a rotating screw. 제41항에 있어서, 상기 냉각 용기가 유동층인 방법.42. The method of claim 41 wherein the cooling vessel is a fluidized bed. 제41항에 있어서, 상기 냉각 용기가 가열된 진동형 콘베이어 벨트인 방법.42. The method of claim 41 wherein the cooling vessel is a heated vibratory conveyor belt. 제41항에 있어서, 상기 냉각 용기가 수직형 회전 요로의 캐스케이드인 방법.42. The method of claim 41 wherein the cooling vessel is a cascade of vertical rotary urinary tracts. 제41항에 있어서, 상기 냉각 용기가 회전식 요로인 방법.42. The method of claim 41 wherein the cooling vessel is a rotary urinary tract. 제41항에 있어서, 상기 냉각 단계를 1.5시간 이하의 시간 내에 수행하는 방법.42. The method of claim 41 wherein said cooling step is performed within a time of 1.5 hours or less. 제41항에 있어서, 상기 냉각 단계를 1시간 이하의 시간 내에 수행하는 방법.42. The method of claim 41 wherein the cooling step is performed within a time of 1 hour or less. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계 (d)를 그 온도가 점차적으로 증가하는 영역들에서 수행하는 방법.The method according to claim 1, wherein said heating step (d) is carried out in regions in which the temperature gradually increases. 제49항에 있어서, 상기 가열 단계를 4개의 영역에서 수행하는 방법.The method of claim 49, wherein said heating step is performed in four zones. 제50항에 있어서, 상기 각각의 점차적인 가열 영역의 온도가 바로 앞의 영역보다 25℃ 이상 더 높은 것인 방법.51. The method of claim 50, wherein the temperature of each gradual heating zone is at least 25 ° C higher than the immediately preceding zone. 제49항에 있어서, 상기 교반되고 혼합된 화합물을 각각의 영역에 30분 이상의 시간 동안 유지시키는 방법.The method of claim 49, wherein the stirred and mixed compound is maintained in each zone for at least 30 minutes.
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