KR100704277B1 - Active material for electrical device, method for preparing the same and lithium secondary battery comprising thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기소자의 전극 활물질로 사용될 수 있는 신규의 복합산화물에 관한 것으로, γ-LiFeO2의 결정구조를 갖는 Li3CuFe3O7, 및 그의 제조방법을 제공하며, 이 복합산화물을 함유하는 전기소자용 활물질과, 이 활물질을 함유하여 용량, 및 수명특성이 향상된 리튬 2차 전지를 제공한다.The present invention relates to a novel composite oxide that can be used as an electrode active material of an electric device, and provides a Li 3 CuFe 3 O 7 having a crystal structure of γ-LiFeO 2 , and a method for producing the same. Provided is an active material for an electric element, and a lithium secondary battery containing the active material with improved capacity and lifespan characteristics.

전극 활물질, 리튬 2차 전지, 활물질, γ-LiFeO2, Li3CuFe3O7, 대용량Electrode active material, lithium secondary battery, active material, γ-LiFeO2, Li3CuFe3O7, large capacity

Description

전기소자용 활물질과 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 2차 전지{ACTIVE MATERIAL FOR ELECTRICAL DEVICE, METHOD FOR PREPARING THE SAME AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THEREOF}ACTIVE MATERIAL FOR ELECTRICAL DEVICE, METHOD FOR PREPARING THE SAME AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THEREOF

도 1은 본 발명의 고상합성으로 제조된 γ-LiFeO2의 결정구조를 갖는 Li3CuFe3O7의 XRD 패턴이다.1 is an XRD pattern of Li 3 CuFe 3 O 7 having a crystal structure of γ-LiFeO 2 prepared by the high phase synthesis of the present invention.

도 2는 본 발명의 솔-겔법으로 제조된 γ-LiFeO2의 결정구조를 갖는 Li3CuFe3O7의 XRD 패턴이다.2 is an XRD pattern of Li 3 CuFe 3 O 7 having a crystal structure of γ-LiFeO 2 prepared by the sol-gel method of the present invention.

도 3은 Li3CuFe3O7의 XRD 패턴이다.3 is an XRD pattern of Li 3 CuFe 3 O 7 .

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도 4는 실시예 3의 코인 셀 전지의 C-rate(0.2C, 0.1C, 0.02)에 대한 특성 그래프이다.4 is a characteristic graph of C-rate (0.2C, 0.1C, 0.02) of the coin cell battery of Example 3.

도 5는 실시예 3의 코인 셀 전지를 C-rate(0.2C, 0.1C, 0.02)에 대한 충방전 수명을 측정한 그래프이다.5 is a graph measuring charge and discharge life of the coin cell battery of Example 3 with respect to C-rate (0.2C, 0.1C, 0.02).

도 6은 실시예 3, 4, 및 5에서 제조한 코인 셀 전지를 C-rate(0.2C, 0.1C, 0.02)에 대한 각각의 전극 구성 물질의 조성에 따른 전기화학적 특성을 비교한 그래프이다.6 is a graph comparing the electrochemical characteristics of the coin cell batteries prepared in Examples 3, 4, and 5 according to the composition of the respective electrode constituents for C-rate (0.2C, 0.1C, 0.02).

도 7은 상기 실시예 3, 4, 및 5에서 제조한 코인 셀 전지의 C-rate(0.1C)에 대한 충방전 수명특성 그래프이다.7 is a graph showing charge and discharge life characteristics of C-rate (0.1C) of the coin cell batteries prepared in Examples 3, 4, and 5.

본 발명은 전기화학적 특성을 나타내는 신규의 물질에 관한 것으로, 특히 리튬 2차 전지의 양극 또는 음극의 활물질로 사용될 수 있는 신규의 복합산화물 및 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 2차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a novel material exhibiting electrochemical properties, and more particularly, to a novel composite oxide that can be used as an active material of a positive electrode or a negative electrode of a lithium secondary battery, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery including the same.

최근 휴대용 전화기, 비디오 카메라, 컴퓨터 등의 전자기기들이 휴대화되면서 소형화되고 있는 추세이다. 이러한 상황과 더불어 이들 기기에서 전원의 주요 공급 장치인 배터리의 경우도 소형화가 되고 있다. 그러나 이들 기기들의 기능이 다양화되기 때문에 소모되는 전력은 오히려 증가하는 방향으로 가고 있다. 리튬 또는 리튬 이온 2차 전지는 종래의 Ni/Cd 전지나 Ni/MH 전지에 비하여 높은 에너지밀도를 가지고, 고용량이면서 높은 전압을 보이기 때문에 이러한 요구조건을 잘 만족하는 전지 중의 하나이다. 리튬 이온 2차 전지는 비수계 전해액을 사용하면서 리튬을 삽입 탈리 가능한 재료를 양극과 음극으로 사용하며 전해액 속에서 이들 두 전극을 분리막(separator)으로 분리시켜 전지로서 구동되고 있다. Recently, electronic devices such as portable telephones, video cameras, computers, etc. have been miniaturized as portable devices. In addition to this situation, the battery, the main power supply of these devices, is also becoming smaller. However, as these devices diversify, the power consumed is on the rise. Lithium or lithium ion secondary batteries are one of the batteries that satisfies these requirements because they have a higher energy density and show higher voltage and higher voltage than conventional Ni / Cd batteries or Ni / MH batteries. Lithium ion secondary batteries use a non-aqueous electrolyte solution and use a material capable of inserting and removing lithium as a positive electrode and a negative electrode, and are driven as a battery by separating these two electrodes in a electrolyte by a separator.

전지의 수명특성에 가장 영향을 주는 인자는 양극과 음극 활물질의 전기화학적 특성으로서, 최근 음극 활물질 분야에 대한 많은 연구가 있어 왔다. The most influential factor on the battery life characteristics is the electrochemical characteristics of the positive electrode and the negative electrode active material, and there have been many studies in the field of the negative electrode active material in recent years.                         

현재 상용화되고 있는 음극 활물질들은 리튬의 탈, 삽입 반응을 통하여 시스템을 움직였으나, 근래에 들어 리튬과 활물질 간의 화학반응(분해/조합)에 의한 새로운 형태의 반응 메커니즘이 대두되었다. 이 반응 메커니즘에 사용된 물질은 MO(M = Co, Cu, Fe, Ni), Co3O4 등이 알려져 있다.Currently, commercially available negative electrode active materials operate a system through lithium desorption and insertion reaction, but recently, a new type of reaction mechanism has emerged by chemical reaction (decomposition / combination) between lithium and active materials. As the material used for this reaction mechanism, MO (M = Co, Cu, Fe, Ni), Co 3 O 4 and the like are known.

그러나 종래의 활물질들은 전지의 용량 향상에 한계가 있으며, 이로 인해 전지의 수명특성이 제한되는 문제점이 있었다. 따라서, 종래의 리튬 2차 전지와 비교하여 용량을 현저히 향상시킬 수 있는 리튬 2차 전지용 양극 또는 음극 활물질에 대한 연구가 더욱 필요하다.However, the conventional active materials have a limitation in improving the capacity of the battery, and thus there is a problem in that the life characteristics of the battery are limited. Therefore, there is a further need for a study on a cathode or an anode active material for a lithium secondary battery that can significantly improve capacity compared with a conventional lithium secondary battery.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여, 전기화학적 특성을 나타내는 신규의 Li-Cu-Fe계 복합산화물 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Disclosure of Invention It is an object of the present invention to provide a novel Li-Cu-Fe-based composite oxide exhibiting electrochemical properties and a method of manufacturing the same, in consideration of the problems of the prior art.

본 발명의 다른 목적은 종래의 용량을 현저히 향상시킬 수 있는 전기소자용 활물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an active material for an electric device that can significantly improve the conventional capacity.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 활물질을 함유하여 용량, 및 수명특성이 향상된 리튬 2차 전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery containing the active material with improved capacity and lifespan characteristics.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 하기 화학식 1로 표시되는 결정질 복합산화물을 제공한다.The present invention provides a crystalline composite oxide represented by the following formula (1) to achieve the above object.

[화학식 1] [Formula 1]                     

Li3CuFe3O7 Li 3 CuFe 3 O 7

또한 본 발명은In addition, the present invention

a) ⅰ) 리튬 산화물, 또는 리튬염;a) lithium oxide, or lithium salt;

ⅱ) 구리 산화물, 또는 구리염; 및   Ii) copper oxide or copper salt; And

ⅲ) 철 산화물, 또는 철염   Iii) iron oxide or iron salt

을 각각 Li3CuFe3O7 의 당량비로 혼합하는 단계; 및Mixing each of the equivalent ratios of Li 3 CuFe 3 O 7 ; And

b) 상기 혼합물을 소성하는 단계b) calcining the mixture

를 포함하는 결정질 Li3CuFe3O7의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 comprising a.

또한 본 발명은In addition, the present invention

a) ⅰ) 리튬 산화물, 또는 리튬염;a) lithium oxide, or lithium salt;

ⅱ) 구리 산화물, 또는 구리염; 및   Ii) copper oxide or copper salt; And

ⅲ) 철 산화물, 또는 철염   Iii) iron oxide or iron salt

을 각각 Li3CuFe3O7 의 당량비로 용매에 용해시켜 솔을 생성시키는 단계; Respectively dissolving in a solvent in an equivalent ratio of Li 3 CuFe 3 O 7 to generate a sol;

b) 상기 솔에 킬레이트제(chelate agent)를 가하여 겔을 생성시키는 단계;b) adding a chelate agent to the sol to produce a gel;

c) 상기 용매를 제거하여 겔 분말을 얻는 단계;c) removing the solvent to obtain a gel powder;

d) 상기 겔 분말을 소결(sintering)하는 단계d) sintering the gel powder

를 포함하는 결정질 Li3CuFe3O7의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 comprising a.

또한 본 발명은 결정질 Li3CuFe3O7을 포함하는 전기소자용 활물질을 제공한 다.In another aspect, the present invention provides an active material for an electric device comprising crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 .

또한 본 발명은 결정질 Li3CuFe3O7을 활물질로 포함하는 리튬 2 차 전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium secondary battery comprising crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 as the active material.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 리튬 2차 전지의 용량을 향상시킬 수 있는 방법에 대하여 연구하던 중, γ-LiFeO2의 결정구조를 갖는 Li3CuFe3O7을 전기소자에 적용한 결과, 이 화합물이 우수한 전기화학적 특성을 나타냄을 확인하고, 또한 이를 리튬 2차 전지의 활물질로 적용한 결과 리튬이온의 저장 능력이 있음을 확인하고, 특히 음극 활물질로 사용할 경우에는 종래의 카본계열의 음극 활물질보다 전지 용량이 3∼4 배 향상됨을 확인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors studied a method for improving the capacity of a lithium secondary battery, and when applying Li 3 CuFe 3 O 7 having a crystal structure of γ-LiFeO 2 to an electric device, the compound exhibited excellent electrochemical properties. In addition, when it is applied as an active material of a lithium secondary battery, it is confirmed that the lithium ion has a storage capacity, and especially when used as a negative electrode active material, the battery capacity is 3 to 4 times higher than that of a conventional carbon-based negative electrode active material. It was confirmed that the improvement, and based on this, the present invention was completed.

본 발명은 전기화학적 특성을 나타내는 신규의 물질로 γ-LiFeO2의 결정구조를 갖는 Li3CuFe3O7 복합산화물 및 그의 제조방법을 제공하며, 이 복합산화물을 함유하는 전기소자용 활물질과, 이 활물질을 함유하여 용량, 및 수명특성이 향상된 리튬 2차 전지를 제공하는 것이다.The present invention provides a Li 3 CuFe 3 O 7 composite oxide having a crystal structure of γ-LiFeO 2 as a novel material exhibiting electrochemical properties, and a method for manufacturing the same, comprising an active material for an electric device containing the composite oxide, and It is to provide a lithium secondary battery containing an active material and improved capacity and life characteristics.

본 발명의 Li3CuFe3O7는 γ-LiFeO2의 결정구조를 갖는다. 종래에 알려진 γ-LiFeO2는 전기화학적 특성이 약하지만, 본 발명의 신규 합성된 결정질 Li3CuFe3 O7는 γ-LiFeO2와 동일한 XRD(X-ray diffraction) 패턴과 정방정계(tetragonal)의 결정구조를 그대로 따르면서도 리튬이온과 같은 전기화학적 요소를 저장하는 등의 전기화 학적 특성을 나타낸다. 실제로 본 발명의 Li3CuFe3O7의 XRD 패턴을 γ-LiFeO 2의 XRD 패턴과 비교하면 동일함을 알 수 있다. 이들의 XRD 패턴은 도 1, 2, 및 3에 나타내었다.Li 3 CuFe 3 O 7 of the present invention has a crystal structure of γ-LiFeO 2 . Conventionally known γ-LiFeO 2 has weak electrochemical properties, but the newly synthesized crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 of the present invention has the same X-ray diffraction (XRD) pattern and tetragonal (tetragonal) pattern as γ-LiFeO 2 . While maintaining the crystal structure, it exhibits electrochemical characteristics such as storing electrochemical elements such as lithium ions. In fact, it can be seen that the XRD pattern of Li 3 CuFe 3 O 7 of the present invention is the same as compared with the XRD pattern of γ-LiFeO 2 . Their XRD patterns are shown in FIGS. 1, 2, and 3.

본 발명의 결정질 Li3CuFe3O7의 복합산화물은 매우 큰 용량을 가지는 새로운 산화물이다. 종래에 알려진 다른 산화물과 마찬가지로 초기 비가역이 매우 크다. 따라서 이들을 전지에 적용할 때에는 수명특성과 전기화학적 특성을 개선하기 위하여, 이 복합산화물의 형상(morphology)을 조절하고, 적당한 전해질, 도전제, 및 바인더를 선택하고, 입자크기 등을 조절하여 리튬 2차 전지 등의 전기소자의 활물질로 적용하는 것이 바람직하다.The composite oxide of crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 of the present invention is a new oxide having a very large capacity. Like other oxides known in the art, the initial irreversibility is very large. Therefore, when applying them to the battery, in order to improve the life characteristics and the electrochemical characteristics, by adjusting the morphology of the composite oxide, select the appropriate electrolyte, conductive agent and binder, and adjust the particle size, lithium 2 It is preferable to apply it as an active material of electric elements, such as a tea battery.

본 발명의 γ-LiFeO2의 결정구조를 함유하는 Li3CuFe3O7는 전기화학적으로 특이한 물성을 나타낸다. 리튬 2차 전지의 경우에는 양극 활물질, 및 음극 활물질로 모두 사용될 수 있다. 이는 0.5 내지 1.0 V에서 리튬을 전극쪽으로 받아들이며, 이 과정에서의 용량은 1000 내지 1500 mAh/g이며, 또한 다시 반대 극 쪽으로 이동하는 전압은 1.0 내지 2.0 V 사이이다. 다시 말하면 리튬의 이동에 의한 분해와 재조립 반응을 모두 수행할 수 있는 복합산화물인 것이다. 또한 충방전 특성도 가지고 있다. Li 3 CuFe 3 O 7 containing the crystal structure of γ-LiFeO 2 of the present invention exhibits electrochemically specific physical properties. In the case of a lithium secondary battery, both a positive electrode active material and a negative electrode active material can be used. It accepts lithium towards the electrode at 0.5 to 1.0 V, the capacity in this process is 1000 to 1500 mAh / g, and again the voltage traveling to the opposite pole is between 1.0 and 2.0 V. In other words, it is a composite oxide capable of performing both decomposition and reassembly reaction by the movement of lithium. It also has charge and discharge characteristics.

또한 본 발명의 γ-LiFeO2의 결정구조를 함유하는 Li3CuFe3O7는 리튬 2차 전 지의 음극 활물질로 사용할 경우에는 종래의 흑연계 음극 활물질보다 3 내지 4 배의 용량 향상이 되며, 전지의 수명 특성도 우수하게 된다. 따라서 종래의 흑연계 음극 활물질을 완전히 대체할 수도 있고, 부분 대체하여 사용할 수도 있다. 또한 양극 활물질로도 동일한 효과를 얻을 수 있다.In addition, Li 3 CuFe 3 O 7 containing the crystal structure of γ-LiFeO 2 of the present invention, when used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery, a capacity improvement of 3 to 4 times that of a conventional graphite-based negative electrode active material, The service life characteristic of is also excellent. Therefore, the conventional graphite-based negative electrode active material may be completely replaced or partially replaced. The same effect can also be obtained with the positive electrode active material.

본 발명의 γ-LiFeO2의 결정구조를 함유하는 Li3CuFe3O7가 리튬 2차 전지에서 음극 활물질로 적용될 경우에는 반대 전극은 리튬 이온을 흡장 방출할 수 있는 전이금속 산화물이나 리튬이 적용될 수 있으며, 특히 활물질은 Li를 포함하는 것이 바람직하다. 대표적인 Li를 포함하는 활물질은 Li를 포함하는 대부분의 산화물이다. 그 예는 LiMO2(여기에서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, 또는 Sc), LiMaMbO2(여기에서, Ma는 Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, Sc, 또는 Co이며, Mb는 Co, Ni, Fe, Ci, V, Ti, Sc, 또는 Co), LiM2O4(여기에서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, 또는 Sc), LixMaOy(여기에서, x, 및 y는 0 내지 10의 실수이고, Ma는 Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, 또는 Sc), LixMaMbOy(여기에서, x, 및 y는 0 내지 10의 실수이고, Ma는 Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, 또는 Sc이며, Mb는 Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, 또는 Sc) 등이 있다.When Li 3 CuFe 3 O 7 containing the crystal structure of γ-LiFeO 2 of the present invention is applied as a negative electrode active material in a lithium secondary battery, the opposite electrode may be applied with a transition metal oxide or lithium capable of absorbing and releasing lithium ions. In particular, the active material preferably contains Li. Representative active materials comprising Li are most oxides containing Li. Examples include LiMO 2 (here, M is Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, or Sc), LiMaMbO 2 (here, Ma is Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, Sc, or Co, Mb is Co, Ni, Fe, Ci, V, Ti, Sc, or Co), LiM 2 O 4 (where M is Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, or Sc), Li x MaO y (where x, and y are real numbers from 0 to 10, and Ma is Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, or Sc), Li x MaMbO y (where x, and y are 0 to 10, Ma is Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, or Sc, Mb is Co, Ni, Fe, Cr, V, Ti, or Sc).

본 발명의 γ-LiFeO2의 결정구조를 함유하는 Li3CuFe3O7가 리튬 2차 전지에서 양극 활물질로 적용될 경우에는 반대 전극의 활물질은 흑연계 활물질을 적용하는 것이 바람직하다.When Li 3 CuFe 3 O 7 containing the crystal structure of γ-LiFeO 2 of the present invention is applied as a positive electrode active material in a lithium secondary battery, the active material of the counter electrode is preferably a graphite active material.

본 발명의 γ-LiFeO2의 결정구조를 함유하는 Li3CuFe3O7는 다양한 방법으로 제조될 수가 있으며, 그 중에서도 고상 합성과 솔-겔(sol-gel)법에 의한 제조가 바람직하다.Li 3 CuFe 3 O 7 containing the crystal structure of γ-LiFeO 2 of the present invention can be prepared by various methods, and among them, solid phase synthesis and sol-gel method are preferable.

상기 고상 합성은 Li3CuFe3O7를 이루는 리튬, 구리, 철 성분의 원료로, 이들의 산화물, 또는 염을 각각 최종적으로 얻으려는 Li3CuFe3O7의 당량비 대로 혼합한 후, 고온에서 소성하는 것이다. 상기 당량비는 각각의 당량에서 10 당량%의 상하한 값 내에서 선택하면 제조에 어려움이 없다. 상기 소성은 300 내지 1200 ℃의 온도에서 2 내지 48 시간 동안 공기 분위기에서 실시하는 것이 바람직함, 더욱 바람직하게는 600 내지 1000 ℃의 온도에서 5 내지 24 시간이다.The solid phase synthesis is a raw material of lithium, copper and iron components forming Li 3 CuFe 3 O 7 , and the oxides or salts thereof are mixed at the equivalent ratio of Li 3 CuFe 3 O 7 to be finally obtained, and then fired at high temperature. It is. If the equivalent ratio is selected within the upper and lower limits of 10 equivalent% in each equivalent, there is no difficulty in manufacturing. The firing is preferably carried out in an air atmosphere for 2 to 48 hours at a temperature of 300 to 1200 ℃, more preferably 5 to 24 hours at a temperature of 600 to 1000 ℃.

상기 솔 겔법은 Li3CuFe3O7를 이루는 리튬, 구리, 철 성분의 원료로, 이들의 산화물, 또는 염을 각각 최종적으로 얻으려는 Li3CuFe3O7의 당량비 대로 용매에 투입용해하여 솔을 생성시키고, 킬레이트제(chelate agent)를 가하고, pH를 중성(pH 4 내지 10, 바람직하게는 6 내지 8)으로 맞추어 에이징(aging)시키면 겔을 얻는다. 사용된 용매는 제거하고 가열하면 분말을 얻을 수 있다. 생성된 분말은 소결 열처리(sintering)하여 최종 Li3CuFe3O7를 얻는다. 상기 당량비는 각각의 당량에서 10 당량%의 상하한 값 내에서 선택하면 제조에 어려움이 없다. 상기 용매는 다양한 용매가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 물, 또는 알코올 등의 극성 용매이다. 킬레이트제는 구연산(citric acid)과 같이 저온 소결에서 손쉽게 타서 휘발될 수 있는 것이 높은 순도의 최종물을 얻는데 바람직하다. 상기 에이징은 70 내지 80 ℃ 의 온도에서 1 내지 12 시간을 유지하면 손쉽게 겔을 형성시킬 수 있다. 상기 소결은 400 내지 1000 ℃의 온도에서 1 내지 48 시간 동안 공기 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.The sol-gel method is a lithium, copper, a raw material of the iron component constituting the Li 3 CuFe 3 O 7, the oxides thereof, or a brush by putting dissolving the salt in each and finally, as the equivalent ratio of trying to Li 3 CuFe 3 O 7 obtain solvent The gel is obtained by adding, chelating agent and aging the pH to neutral (pH 4-10, preferably 6-8). The solvent used can be removed and heated to obtain a powder. The resulting powder is sintered to obtain the final Li 3 CuFe 3 O 7 . If the equivalent ratio is selected within the upper and lower limits of 10 equivalent% in each equivalent, there is no difficulty in manufacturing. The solvent may be a variety of solvents, preferably a polar solvent such as water or alcohol. Chelating agents, such as citric acid, which can be easily burned and volatilized at low temperature sintering, are preferred for obtaining high purity end products. The aging can be easily formed a gel by maintaining 1 to 12 hours at a temperature of 70 to 80 ℃. The sintering is preferably carried out in an air atmosphere for 1 to 48 hours at a temperature of 400 to 1000 ℃.

본 발명의 γ-LiFeO2의 결정구조를 함유하는 Li3CuFe3O7는 리튬 2차 전지의 활물질로 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 고유의 전기화학적 특성을 고려하여 슈퍼 캐퍼스터(super capacitor), 울트라 캐퍼스터(ultra capacitor), 2차 전지, 1차 전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등의 다양한 전기소자의 활물질로 적용될 수 있다.Li 3 CuFe 3 O 7 containing the crystal structure of γ-LiFeO 2 of the present invention can be applied not only as an active material of a lithium secondary battery, but also in consideration of the intrinsic electrochemical properties of a super capacitor, It can be applied as an active material of various electric devices such as ultra capacitors, secondary batteries, primary batteries, fuel cells, various sensors, electrolysis devices, electrochemical reactors, and the like.

이하의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것이 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, an Example is for illustrating this invention and is not limited only to these.

[실시예]EXAMPLE

실시예 1Example 1

(고상 합성에 의한 결정질 Li3CuFe3O7의 제조)(Preparation of crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 by solid phase synthesis)

리튬 소스(source)로 리튬산화물 분말, 구리 소스로 구리산화물 분말, 및 철 소스로 철산화물 분말을 Li3CuFe3O7의 당량비로 각각 혼합한 후, 전기로에서 900 ℃의 온도로 공기분위기 하에 15 시간 동안 소성하여 Li3CuFe3O7 분말을 얻었다. Lithium oxide powder as a lithium source, copper oxide powder as a copper source, and iron oxide powder as an iron source were respectively mixed in an equivalence ratio of Li 3 CuFe 3 O 7 , and then heated at 900 ° C. in an electric furnace under an air atmosphere. Firing for a time to obtain a Li 3 CuFe 3 O 7 powder.

상기에서 제조된 분말을 XRD 회절 분석한 결과를 도 1에 나타내었다. γ-LiFeO2의 XRD 패턴(기준 패턴; reference)은 도 3에 나타내었다. XRD diffraction analysis of the powder prepared above is shown in FIG. 1. The XRD pattern (reference pattern; reference) of γ-LiFeO 2 is shown in FIG. 3.

제조된 결정성 Li3CuFe3O7은 γ-LiFeO2의 XRD 패턴과 동일함을 알 수 있다.It can be seen that the prepared crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 is the same as the XRD pattern of γ-LiFeO 2 .

실시예 2Example 2

(솔 겔법에 의한 결정질 Li3CuFe3O7의 제조)(Preparation of crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 by sol gel method)

리튬 소스(source)로 수산화리튬(LiOH), 구리 소스로 질산구리(copper nitrate; Cu(NO3)2·6H2O), 질산철(ferric nitrate; Fe(NO3) 3·9H2O)를 Li3CuFe3O7의 당량비로 각각 물에 투입하여 완전히 녹인 후, 이 용액에 킬레이트제로 구연산(citric acid)을 적량 투입하여 용해시켰다. 모든 물질이 완전히 용해된 후에 암모니아를 첨가하여 용액의 pH를 7로 맞추어 주었다. 이 용액을 70 ℃의 온도에서 교반(stirring)하면서 용매를 건조하여 겔을 생성시켰다.Lithium hydroxide (LiOH) as a lithium source, copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) as a copper source, ferric nitrate (Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O) Was dissolved in water in an equivalence ratio of Li 3 CuFe 3 O 7 , respectively, and then dissolved in an appropriate amount of citric acid as a chelating agent. After all the material was completely dissolved, the pH of the solution was adjusted to 7 by adding ammonia. The solvent was dried while stirring the solution at a temperature of 70 ° C. to produce a gel.

생성된 겔을 60 내지 220 ℃(130 ℃ 사용)의 온도로 가열함으로써 구연산을 분해제거하여 분말을 얻었다. 다시 이를 300 ℃의 온도로 열처리하여 불순물을 완전히 제거하였다.The resulting gel was heated to a temperature of 60 to 220 deg. C (using 130 deg. C) to decompose and remove citric acid to obtain a powder. Again it was heat-treated to a temperature of 300 ℃ to remove impurities completely.

생성된 분말을 전기로에서 600 ℃의 온도로 공기분위기 하에 5 시간 동안 소성하여 Li3CuFe3O7 분말을 얻었다.The resulting powder was calcined in an electric furnace at 600 ° C. under an air atmosphere for 5 hours to obtain Li 3 CuFe 3 O 7 powder.

제조된 분말을 XRD 분석한 결과를 도 2에 나타내었다. 제조된 결정성 Li3CuFe3O7은 도 3과 비교하면 γ-LiFeO2의 XRD 패턴과 동일함을 알 수 있다.XRD analysis of the prepared powder is shown in FIG. 2. It can be seen that the prepared crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 is the same as the XRD pattern of γ-LiFeO 2 compared to FIG. 3.

실시예 3Example 3

(리튬 2차 전지의 제조) (Manufacture of lithium secondary battery)                     

상기 실시예 1에서 제조한 γ-LiFeO2의 결정구조를 갖는 Li3CuFe3O7 , 도전재(카본계 KS-6), 및 폴리비닐리덴 디클로라이드(PVDF) 바인더를 유기용매에 혼합하여 음극 전극용 슬러리를 제조하였다. 이때의 음극 활물질:도전재:바인더의 혼합비율은 40:53:7의 중량비로 하였다. 이 슬러리를 구리 포일(Cu foil) 위에 도포한 후, 건조하고 일정 두께로 롤 프레스(roll press)하여 음극을 제조하였다.Li 3 CuFe 3 O 7 having a crystal structure of γ-LiFeO 2 prepared in Example 1, a conductive material (carbon-based KS-6), and a polyvinylidene dichloride (PVDF) binder were mixed with an organic solvent to form a negative electrode. A slurry for the electrode was prepared. The mixing ratio of the negative electrode active material: conductive material: binder at this time was 40: 53: 7 by weight. After applying the slurry on a copper foil (Cu foil), it was dried and roll press (roll press) to a predetermined thickness to prepare a negative electrode.

리튬 이온 공급을 위한 전극으로 리튬 포일(Li-fole)을 사용하여 양극을 구성하고 상기 음극과 합판하여 코인 셀(coin-cell)을 제조하였다. 이 전지는 전해액으로 1 M 농도의 LiPF6 가 함유된 에틸렌카보네이트(EC)/에틸메틸카보네이트(EMC)의 부피 혼합비가 1:1인 혼합용액을 사용하였다.A positive electrode was formed using lithium foil (Li-fole) as an electrode for supplying lithium ions, and a coin cell was manufactured by plywood with the negative electrode. This battery used a mixed solution having a volume mixing ratio of 1: 1 of ethylene carbonate (EC) / ethyl methyl carbonate (EMC) containing 1 M LiPF 6 as an electrolyte.

실시예 4Example 4

음극 활물질:도전재:바인더의 혼합비율을 60:33:7의 중량비로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 같은 방법으로 코인 셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the mixing ratio of the negative electrode active material: conductive material: binder was changed to the weight ratio of 60: 33: 7.

실시예 5Example 5

음극 활물질:도전재:바인더의 혼합비율을 80:13:7의 중량비로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 같은 방법으로 코인 셀을 제조하였다.A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the mixing ratio of the negative electrode active material: conductive material: binder was changed to the weight ratio of 80: 13: 7.

상기 실시예 3에서 제조한 코인 셀 전지를 충방전 특성을 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.Charge and discharge characteristics of the coin cell battery prepared in Example 3 were measured, and the results are shown in FIG. 4.

또한 상기 실시예 3에서 제조한 코인 셀 전지를 C-rate(0.2C, 0.1C, 0.02)에 대한 특성 분석을 하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. 이때 1C를 700 mAh/g으로 동일하게 하여 분석하였다. 결과를 살펴보면 본 발명의 활물질은 저항이 큰 물질이어서 C-rate가 클수록 전기화학적 특성은 낮아졌다.In addition, the coin cell battery prepared in Example 3 was characterized for the C-rate (0.2C, 0.1C, 0.02) and the results are shown in FIG. At this time, 1C was analyzed in the same manner at 700 mAh / g. Looking at the results, the active material of the present invention is a material having a high resistance, the greater the C-rate, the lower the electrochemical properties.

또한 상기 실시예 3에서 제조한 코인 셀 전지를 C-rate(0.2C, 0.1C, 0.02)에 대한 충방전 수명을 측정하고 그 결과를 도 5에 나타내었다.In addition, the charge and discharge life of the coin cell battery prepared in Example 3 for C-rate (0.2C, 0.1C, 0.02) was measured and the results are shown in FIG. 5.

또한 상기 실시예 3, 4, 및 5에서 제조한 코인 셀 전지를 C-rate(0.2C, 0.1C, 0.02)에 대한 특성 분석을 하고 각각의 전극 구성 물질의 조성에 따른 전기화학적 특성을 비교하여 도 6에 나타내었다. 결과를 살펴보면 도전재의 양이 증가할수록 전기화학적 특성이 좋아졌다.In addition, the coin cell batteries prepared in Examples 3, 4, and 5 were analyzed for C-rate (0.2C, 0.1C, 0.02) and compared with electrochemical characteristics according to the composition of each electrode constituent material. 6 is shown. The results showed that the electrochemical properties improved as the amount of the conductive material increased.

또한 상기 실시예 3, 4, 및 5에서 제조한 코인 셀 전지를 C-rate(0.1C)에 대한 충방전 수명을 측정하고 각각의 전극 구성 물질의 조성에 따른 수명특성을 비교하여 도 7에 나타내었다.In addition, the charge and discharge life of the coin cell battery prepared in Examples 3, 4, and 5 for C-rate (0.1C) was measured and compared with the life characteristics according to the composition of each electrode constituent material, and are shown in FIG. 7. It was.

본 발명의 γ-LiFeO2의 결정구조를 갖는 Li3CuFe3O7는 전기화학적 특성을 나타내어 전기소자의 양극 또는 음극 활물질로 사용할 수 있으며, 특히 리튬 2차 전지의 음극 활물질로 사용하는 경우에는 종래의 흑연계 음극 활물질보다 3~4 배의 용량을 나타내며, 수명특성도 우수하다.Li 3 CuFe 3 O 7 having a crystal structure of γ-LiFeO 2 of the present invention exhibits electrochemical properties and can be used as a positive electrode or a negative electrode active material of an electric device. In particular, when used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery, Exhibits a capacity of 3 to 4 times that of the graphite-based negative electrode active material, and is excellent in life characteristics.

Claims (15)

하기 화학식 1로 표시되는 결정질 복합산화물:Crystalline composite oxide represented by the following formula (1): [화학식 1][Formula 1] Li3CuFe3O7 Li 3 CuFe 3 O 7 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 결정질 복합산화물이 γ-LiFeO2의 결정구조를 함유하는 결정질 복합산화물.A crystalline composite oxide, wherein the crystalline composite oxide contains a crystal structure of γ-LiFeO 2 . a) ⅰ) 리튬 산화물, 또는 리튬염;a) lithium oxide, or lithium salt; ⅱ) 구리 산화물, 또는 구리염; 및   Ii) copper oxide or copper salt; And ⅲ) 철 산화물, 또는 철염   Iii) iron oxide or iron salt 을 각각 Li3CuFe3O7 의 당량비로 혼합하는 단계; 및Mixing each of the equivalent ratios of Li 3 CuFe 3 O 7 ; And b) 상기 혼합물을 소성하는 단계b) calcining the mixture 를 포함하는 결정질 Li3CuFe3O7의 제조방법.Method for producing a crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 comprising a. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 b)단계의 소성은 300 내지 1200 ℃의 온도에서 2 내지 48 시간 동안 공 기 분위기에서 실시하는 결정질 Li3CuFe3O7의 제조방법.Firing step b) is a method for producing crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 is carried out in an air atmosphere for 2 to 48 hours at a temperature of 300 to 1200 ℃. a) ⅰ) 리튬 산화물, 또는 리튬염;a) lithium oxide, or lithium salt; ⅱ) 구리 산화물, 또는 구리염; 및   Ii) copper oxide or copper salt; And ⅲ) 철 산화물, 또는 철염   Iii) iron oxide or iron salt 을 각각 Li3CuFe3O7 의 당량비로 용매에 용해시켜 솔을 생성시키는 단계; Respectively dissolving in a solvent in an equivalent ratio of Li 3 CuFe 3 O 7 to generate a sol; b) 상기 솔에 킬레이트제(chelate agent)를 가하여 겔을 생성시키는 단계;b) adding a chelate agent to the sol to produce a gel; c) 상기 용매를 제거하여 겔 분말을 얻는 단계;c) removing the solvent to obtain a gel powder; d) 상기 겔 분말을 소결(sintering)하는 단계d) sintering the gel powder 를 포함하는 결정질 Li3CuFe3O7의 제조방법.Method for producing a crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 comprising a. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 a)단계의 용매가 극성 용매인 결정질 Li3CuFe3O7의 제조방법.Method for producing crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 wherein the solvent of step a) is a polar solvent. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 b)단계의 킬레이트제가 구연산인 결정질 Li3CuFe3O7의 제조방법. Method for producing crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 wherein the chelating agent of step b) is citric acid. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 d)단계의 소결은 400 내지 1000 ℃의 온도에서 1 내지 48 시간 동안 공기 분위기에서 실시되는 결정질 Li3CuFe3O7의 제조방법.The sintering of step d) is a method for producing crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 is carried out in an air atmosphere for 1 to 48 hours at a temperature of 400 to 1000 ℃. 결정질 Li3CuFe3O7 복합산화물을 포함하는 전기소자용 활물질.An active material for an electric device comprising a crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 composite oxide. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 활물질이 음극 활물질인 전기소자용 활물질.An active material for an electric device, wherein the active material is a negative electrode active material. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 활물질이 양극 활물질인 전기소자용 활물질.An active material for an electric device, wherein the active material is a cathode active material. 결정질 Li3CuFe3O7 복합산화물을 활물질로 포함하는 리튬 2 차 전지.A lithium secondary battery comprising a crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 composite oxide as an active material. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 활물질이 음극 활물질인 리튬 2차 전지.A lithium secondary battery, wherein the active material is a negative electrode active material. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 활물질이 양극 활물질인 리튬 2차 전지.A lithium secondary battery, wherein the active material is a positive electrode active material. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 결정질 Li3CuFe3O7 복합산화물이 γ-LiFeO2의 결정구조를 함유하는 리튬 2차 전지.A lithium secondary battery, wherein said crystalline Li 3 CuFe 3 O 7 composite oxide contains a crystal structure of γ-LiFeO 2 .
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