상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식1로 나타내어지는 비전이 금속을 포함하는 리튬-니켈 복합 산화물을 제공한다.
Li2NixMaO2
(단, M은 Al, Si, P 및 Ga로 이루어진 군으로부터 선택된 원소이며, x+a = 1이고, 0 < a ≤ 0.1이다.)
비전이금속을 포함하는 상기 화학식1의 리튬-니켈 복합 산화물에서 비전이금속 M은 바람직하게 Al, Si, P 및 Ga로 이루어진 군으로부터 선택되고, 이 때, 0 < a ≤ 0.1, 더욱 바람직하게는 0.01 ≤ a ≤ 0.05 이다.
또한, 화학식1의 산화물에서 비전이금속인 M이 존재할 경우, 즉, a가 0이 아닌 경우, 보다 좋은 성능 특성, 보다 안정한 결정 구조를 얻을 수 있다. 단, 그 첨가량이 일정량 이상이면 용량이 저하되므로, 리튬 니켈 산화물 Li2NiO2 대비 몰 비율이 0.1 ~ 10%, 더 바람직하게는 0.1 ~ 3% 로 한다.
비전이금속은 그것의 에스테르 또는 산화물을 전구체로 사용하는데, 그 구체적인 예는 질산알루미늄(Al nitrate), 알루미늄산화물(Al Oxide), 아세트산 알루미늄(Al acetate), 황산알루미늄(Al sulfate) 등이다. 상기 비전이금속은 리튬 니켈 산화물 입자의 표면을 피복하거나 입자의 표면에 존재한다.
양극이 최초 사이클 동안 음극에 의하여 겪게 되는 비가역 손실을 극복하기 위하여는, 여분의 리튬 이온 또는 리튬 이온 저장기를 갖는 양극 재료를 제공하는 것이 필요하다. 종래의 양극 재료, 예를 들어, LiCoO2, LiMn2O4, 및 LiNiO
2는 이러한 여분의 저장기를 갖지 않는다.
"저장기"재료는 LiCoO2, LiMn2O4와 같은 현존하는 재료와 필적할 만한 가역 용량과 더불어 큰 초기 충전 용량을 갖는 것이어야 한다.
따라서, 본 발명은 상기 화학식1의 리튬-니켈 복합 산화물을 포함하는 비수계 전해질 2차 전지용 양극 활물질을 제공한다.
바람직한 양에 있어서, 상기 화학식1의 리튬-니켈 복합 산화물은 양극 활물질의 1 ~ 100중량%, 더욱 바람직하게는 0.1 ~ 5중량%를 차지하도록 사용될 수 있다.
리튬 니켈 산화물 Li2NiO2는 불활성 가스 환경에서 고온 반응에 의하여 합성될 수 있다. 본 발명에서, 불활성 가스 환경은 헬륨, 질소 및 아르곤 가스 환경을 의미한다.
형성 공정 중에 사용될 수 있는 Li 및 Ni의 전구체 화합물은, 예를 들어, Ni(OH)2, Ni 분말 또는 NiO 및 LiOH 또는 Li2O이 있다. Ni(OH)2 및 LiOH를 사용할 때, 약 450℃ 이상에서 하기의 전체 반응이 일어날 수 있다.
Ni(OH)2 + 2LiOH(용융) → Li2NiO2 + H2O(증기)
한편, NiO 및 LiOH를 출발 재료로서 사용하는 경우, 하기의 반응이 일어날 수 있다.
NiO + 2LiOH(용융) → Li2NiO2 + H2O(증기)
다른 니켈 및 리튬 염을 출발 재료로서 사용할 수 있으나, 최종 생성물을 위해서는 NiO 및 Li2O를 출발 재료로서 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 다른 염, 예를 들어, 탄산염 또는 질산염을 사용하는 경우 Li2CO3 등 부산물이 형성될 수 있기 때문이다. 이것은 약 700℃ 이하에서는 분해되지 않으나, Ni2+ 이온이 높은 원자가로 산화되어 Li2Ni8O10와 같은 안정한 상을 형성할 수 있다.
상기 반응은 약 500℃를 넘는 온도에서 적당한 속도로 일어난다. 따라서, 500℃를 넘는 반응 온도가 바람직하나 보다 높은 온도에서는 생성물이 Li2O 와 NiO로 분해될 수 있기 때문에, 약 850℃ 미만으로 조절되어야 한다. 본 발명은 하기의 실시예로부터 보다 잘 이해될 것이다.
아울러, 리튬-니켈 복합 산화물은 다양한 방법으로 제조가 가능하나 충분히 발명의 효과가 있도록 하기 위해 본 발명은 그것의 최적화된 제조방법을 제공한다.
본 발명의 비전이금속을 포함하는 리튬-니켈 복합 산화물은 하기 두 가지 방법으로 제조될 수 있다.
첫째, Ni 전구체 화합물과 비전이금속 화합물로부터 수득된 화합물에 Li 전 구체 화합물을 혼합하여 열처리하는 것이다. 상기 Ni 전구체 화합물과 상기 비전이금속 화합물을 수용액 중에 교반하여 혼합용액으로 만든 후, 용매를 건조시키므로써 화합물을 얻는다. 다음으로, 상기 화합물과 Li 전구체를 혼합하여 열처리한다.
둘째, 리튬 니켈 산화물 Li2NiO2을 먼저 합성한 후, 이것을 비전이금속 화합물과 혼합하여 열처리하는 방법이 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예로써, 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
Li 전구체 화합물로서 Li2O 와 Ni 전구체 화합물을 몰비 2.1 대 1로써 혼합하였다. Ni 전구체 화합물은 NiO-G(녹색의 NiO), NiO-B(검정색의 NiO), Ni(OH)2-열처리 3가지의 원료를 사용하였다.
혼합물을 질소 분위기하에서 10시간 동안 가열하였다. 이어서, 재료를 분쇄하고 2회의 단속적인 연마 공정과 더불어 질소 분위기하에서 650℃로 대략 10시간 동안 가열하였다.
최종 생성물은 녹색이고, Ni 전구체 화합물에 따라 그 명도에 차이가 있었다.
전기화학 전지의 양극 재료로서 상기 수득된 Li2NiO2 재료가 양극 중에서 실질적으로 100%의 활성 재료를 구성하도록 하였다. 또한, 음극 재료로는 리튬 포일 을 사용하고, 전해질은 1.0M의 LiPF6 EC/DMC/DEC 용매를 사용하여 Ar 분위기의 글로브 박스 속에서 2016형 코인전지를 제작했다. 상기 전지의 충전량 및 방전량을 구하고, ICP분석을 통하여 Li와 Ni의 비를 구하여 표1에 나타내었다.
제 1 사이클 후, 충전 및 방전 곡선은 거의 대칭이 되고, 사실상 거의 동일하게 유지된다. 따라서, 이 재료의 용량은 매우 안정하다고 추측할 수 있다.
실시예 2
Li2O와 NiO-B를 몰비 2.1 대 1로써 혼합하였다. 상기 Li2O는 입도의 차이에 의한 2종류를 사용하였다. 혼합물을 질소 분위기 하에서 10시간 동안 가열하였다. 이어서, 재료를 분쇄하고 2회의 단속적인 연마 공정과 더불어 질소 분위기 하에서 650℃로 대략 10시간 동안 가열하였다. 상대적으로 미분의 Li2O를 사용하여 반응한 최종 생성물이 더 진한 녹색임을 알 수 있다.
전기화학 전지의 양극 재료로서, 상기 수득된 Li2NiO2 재료가 양극 중에서 실질적으로 100%의 활성 재료를 구성하도록 하여 실시예1과 동일한 방법으로, 전지의 용량 및 Li와 Ni의 비를 측정하였다. 결과를 표2에 나타내었다.
제 1 사이클 후, 충방 특성은 실시예1과 유사하였다. 따라서, 이 재료의 용량은 매우 안정하다고 추측할 수 있다.
실시예 3
NiO-B에 Al 니트레이트(nitrate) 수용액을 가할 때 Al 화합물이 NiO-B 화합 물의 몰비가 3%가 되도록 하고, 교반·건조하여 수득한 화합물과 Li2O 미분을 몰비 1 대 2.1로써 혼합하였다.
상기 혼합물을 질소 분위기하에서 10시간 동안 가열하였다. 이어서, 재료를 분쇄하고 2회의 단속적인 연마 공정과 더불어 질소 분위기하에서 650℃로 대략 10시간 동안 가열하였다. 최종 생성물은 진녹색이었다.
Cu의 Kα선을 이용한 분말 X선 회절로 분석한 결과, 도2의 XRD 특성 곡선을 얻었고, 이것으로부터 형성한 물질 중에 아주 소량의 미반응 NiO 및 LiO 가 존재함을 확인하였다.
전기화학 전지의 양극 재료로서 상기 수득된 Li2Ni0.97Al0.03O2를 양극 중에서 실질적으로 100%의 활성 재료를 구성하도록 하여 실시예1과 동일한 방법으로, 전지의 용량 및 Li와 Ni의 비를 측정하였다. 결과를 표3에 나타내었다.
제 1 사이클 후, 충방 특성은 실시예1과 유사하였다. 따라서, 이 재료의 용량은 매우 안정하다고 추측할 수 있다.
실시예 4
NiO-B에 Al 니트레이트(nitrate) 수용액을 가할 때 Al 화합물이 NiO-B 화합물의 몰비가 3%가 되도록 하고, 교반·건조하여 수득한 화합물과 Li2O 미분을 몰비 1 대 2.1로써 혼합하였다. 혼합물을 질소 분위기하에서 10시간 동안 가열하였다. 이어서, 재료를 분쇄하고 2회의 단속적인 연마 공정과 더불어 질소 분위기하에서 600℃, 625℃, 650℃ 및 700℃ 4종류의 온도로 대략 10시간 동안 가열하였다. 최종 생성물의 색상 및 딱딱한 정도가 달랐다.
또한, Cu의 Kα선을 이용한 분말 X선 회절로 분석한 결과, 상기에서 형성한 물질 중에는 미반응 NiO 및 LiO가 존재하는 양에 차이가 있음을 알 수 있었다.
전기화학 전지의 양극 재료로서 상기 수득된 Li2Ni0.97Al0.03O2를 양극 중에서 실질적으로 100%의 활성 재료를 구성하도록 하여 실시예1과 동일한 방법으로, 전지의 용량 및 Li와 Ni의 비를 측정하였다. 결과를 표4에 나타내었다.
제 1 사이클 후, 충방 특성은 실시예1과 유사하였다. 따라서, 이 재료의 용량은 매우 안정하다고 추측할 수 있다.
실시예 5
NiO-B에 Al 니트레이트(nitrate) 수용액을 가할 때 Al 화합물이 NiO-B 화합물의 몰비가 3%가 되도록 하고, 교반·건조하여 수득한 화합물과 Li2O 미분을 몰비 1 대 2.1로써 혼합하였다. 혼합물을 질소 분위기하에서 10시간 동안 가열하였다. 이어서, 재료를 분쇄하고 2회의 단속적인 연마 공정과 더불어 질소 분위기하에서 650℃의 온도로 대략 10시간 동안 가열하였다.
그런다음, 냉각 시 질소 가스의 흐름을 승온 및 10시간 유지 때의 반으로 줄여 냉각하였다. 최종 생성물의 색깔이 진한 녹색이었다.
전기화학 전지의 양극 재료로서 상기 수득된 Li2Ni0.97Al0.03O2를 양극 중에서 실질적으로 100%의 활성 재료를 구성하도록 하여 실시예1과 동일한 방법으로, 전지의 용량 및 Li와 Ni의 비를 측정하였다. 결과를 표5에 나타내었다.
제 1 사이클 후, 충방 특성은 실시예1과 유사하였다. 따라서, 이 재료의 용량은 매우 안정하다고 추측할 수 있다.
도3에 초기 충전 및 방전 프로파일을 도시하였다. 비교예와 비교할 때, 충 방전량이 현저히 증가되었음을 알 수 있다.
도4에 SEM 분석 결과를 도시하였다.
비교예
LiOH와 Ni(OH)2를 몰비 2.1 대 1로써 혼합하였다. 혼합물을 질소 분위기 하에서 10시간 동안 가열하였다. 이어서, 재료를 분쇄하고 2회의 단속적인 연마 공정과 더불어 질소 분위기하에서 650℃로 대략 10시간 동안 가열하였다.
최종 생성물은 녹색이었다. Cu의 Kα선을 이용한 분말 X선 회절로 분석한 도1의 XRD 특성 곡선으로부터 형성된 물질 중에 미반응이거나 불완전반응한 NiO 및 Li2O가 많이 존재함을 알 수 있다.
전기화학 전지의 양극 재료로서 상기 수득된 Li2NiO2를 양극 중에서 실질적으로 100%의 활성 재료를 구성하도록 하여 실시예1과 동일한 방법으로, 전지의 용량 및 Li와 Ni의 비를 측정하였다.
도3에 초기 충전 및 방전 프로파일을 도시하여 실시예5와 비교되도록 하였다.
상기 실시예 및 비교예로부터, 본 발명의 리튬-니켈 복합 산화물을 제조하기 위한 최적의 조건으로 Li 전구체 화합물로 LiO를 사용하되, 미분일수록 바람직하 고, Ni전구체 화합물로는 NiO-B를 사용하는 것이다. 또한, 비전이금속을 포함하는 경우에 전지의 용량이 증가됨을 알 수 있다.
|
Li 전구체 |
Ni 전구체 |
충전량 (mAh/g) |
방전량 (mAh/g) |
Li/Ni 비율 |
비교예 |
LiOH |
Ni(OH)2
|
320 |
81 |
1.78 |
실시예1 |
Li2O |
NiO-G |
344 |
94 |
1.85 |
NiO-B |
361 |
99 |
1.91 |
Ni(OH)2-열처리 |
352 |
96 |
1.88 |
상기 표1에서 실시예1의 초기 충방전 용량이 비교예 재료보다 크다. 따라서, Li 및 Ni 전구체 화합물에 따라 극적인 비가역 용량 손실을 극복하는데 필요한 Li이온의 저장기를 더 많이 보유할 수 있음을 알 수 있다.
특히, Ni 전구체 화합물로는 NiO-B를 사용할 때, 가장 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
|
Li 전구체 |
Ni 전구체 |
충전량 (mAh/g) |
방전량 (mAh/g) |
Li/Ni 비율 |
비교예 |
LiOH |
Ni(OH)2
|
320 |
81 |
1.78 |
실시예2 |
Li2O |
NiO-B |
361 |
99 |
1.91 |
Li2O-미분 |
370 |
101 |
1.95 |
상기 표2로부터 Li 전구체 화합물로서 상대적으로 미분의 Li2O를 사용한 경우에 전지의 충 방전량이 증가됨을 알 수 있다.
|
Li 전구체 |
Ni 전구체 |
Al 첨가 유무 |
충전량 (mAh/g) |
방전량 (mAh/g) |
Li/Ni 비율 |
비교예 |
LiOH |
Ni(OH)2
|
무 |
320 |
81 |
1.78 |
실시예3 |
Li2O-미분 |
NiO-B |
유 |
380 |
104 |
1.98 |
실시예2의 재료와 비교할 때, 비전이금속 Al을 포함하는 경우 충 방전량이 증가됨을 알 수 있다.
|
Li 전구체 |
Ni 전구체 |
소성온도 |
충전량 (mAh/g) |
방전량 (mAh/g) |
Li/Ni 비율 |
비교예 |
LiOH |
Ni(OH)2
|
650 |
320 |
81 |
1.78 |
실시예4 |
Li2O-미분 |
NiO-B |
600 |
373 |
100 |
1.94 |
625 |
375 |
102 |
1.95 |
650 |
380 |
104 |
1.98 |
700 |
370 |
101 |
1.91 |
상기 표4로부터 열처리 온도가 650℃일 때, 전지의 충 방전량이 가장 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
|
Li 전구체 |
Ni 전구체 |
냉각시 N2가스량 |
충전량 (mAh/g) |
방전량 (mAh/g) |
Li/Ni 비율 |
비교예 |
LiOH |
Ni(OH)2
|
기존 |
320 |
81 |
1.78 |
실시예5 |
Li2O-미분 |
NiO-B |
기존 |
380 |
104 |
1.98 |
1/2 |
382 |
105 |
1.99 |
상기 표5에서 냉각시 흘려주는 질소 가스의 양은 전지의 충방전 용량에 큰 영향을 주는 것은 아니다.