KR100784637B1 - Synthetic method of lithium titanate spinel oxide material using a li based molten salt - Google Patents

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Abstract

A method for preparing lithium spinel titanate powder using a molten lithium salt is provided to simplify the overall process as compared with conventional wet processes, to prevent environmental pollution and generation of a significant amount of byproducts, and to obtain a useful electrode active material. A method for preparing lithium spinel titanate powder using a molten lithium salt comprises the steps of: (1) mixing lithium salt powder including lithium oxide with titanium oxide powder; (2) firing the mixed powder obtained from step (1) at a temperature higher than the melting point of the lithium salt; and (3) washing and drying the powder obtained from step (2). The lithium salt used in step (1) includes a lithium salt capable of melting lithium oxide at a temperature of 850 deg.C or lower.

Description

리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법{Synthetic method of lithium titanate spinel oxide material using a Li based molten salt}Synthetic method of lithium titanate spinel oxide material using a Li based molten salt}

도 1은 본 발명의 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법을 나타내고, 1 shows a method for producing the lithium titanate spinel powder of the present invention,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 티탄산 리튬 스피넬 분말의 X-선 회절상(X-ray diffraction pattern)을 나타낸다. 2 shows an X-ray diffraction pattern of lithium titanate spinel powder according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법에 관한 것으로, 특히 리튬계 염과 산화 티탄을 염의 용융점 이상의 온도에서 반응시킴으로써 종래 습식반응법에서 야기되었던 공정의 복잡성, 부산물에 의한 환경부담 등의 단점, 고상반응법에서의 부생성물 생성 및 고온의 반응온도 등의 단점을 극복하고, 리튬 2차 전지 등의 에너지 저장 장치의 양극 및 음극재료로 사용 가능한 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method for producing lithium titanate spinel powder using a lithium molten salt, and in particular, by the reaction of the lithium salt and titanium oxide at a temperature above the melting point of the salt, the complexity of the process caused by the conventional wet reaction method, the environment by-product Lithium titanate using lithium-based molten salt which can be used as positive and negative electrode materials for energy storage devices such as lithium secondary batteries, overcoming disadvantages such as burdens, by-products in the solid-phase reaction method, and high temperature reaction temperature It is about the manufacturing method of a spinel powder.

1차 전지는 말 그대로 한번만 쓰고 버리는 즉, 재사용이 불가능한 배터리를 가리키고, 2차 전지는 한번 쓴 배터리를 다시 충전해 여러 번 쓸 수 있는 배터리를 말한다. 충전이 가능한 2차 전지 중 가장 각광을 받고 있는 전지는 리튬 2차 전지이다. 리튬 2차 전지는 휴대폰, PDA(Personal Digital Assistants), MP3 플레이어, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등의 이동용 정보통신기기의 에너지원으로 사용되는 고성능 리튬 2차 전지와 전기전동기, 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV) 등 고출력 대형 수송기기용 2차 전지 등으로 광범위하게 적용 가능하다. 특히 노트북, 휴대폰 등의 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화 추세는 높은 에너지 밀도를 가지는 리튬 2차 전지에 대한 연구를 더욱 촉진시키고 있다. Primary batteries literally refer to batteries that cannot be reused, that is, used once and discarded, and secondary batteries refer to batteries that can be recharged once and used multiple times. Among the rechargeable secondary batteries, the most popular battery is a lithium secondary battery. Lithium secondary batteries include high performance lithium secondary batteries, electric motors, and hybrid electric vehicles used as energy sources for mobile information and communication devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), MP3 players, camcorders, and notebook computers; It is widely applicable to secondary batteries for high output large transport equipment such as HEV). In particular, the trend toward miniaturization and light weight of portable electronic devices such as notebooks and mobile phones has further promoted research on lithium secondary batteries having high energy density.

리튬 2차 전지는 구체적으로 양극/음극 활물질, 집전체 및 전해액으로 구성되는데, 양극/음극 활물질은 전기를 발생시키는 부분으로 양극 활물질로는 리튬 함유 복합 산화물, 바람직하게는 리튬-전이금속 산화물이 사용되고, 음극 활물질로는 리튬 금속, 리튬 합금, 탄소(결정질 또는 비정질) 또는 탄소 복합체가 사용되고 있다. 집전체는 상기 활물질에 발생되어 공급되는 전자를 움직일 수 있는 통로로서, 금속 집전체를 사용한다. 또한, 전해액은 이온전도의 매체 역할을 수행하는 것으로, 비수성 용매, 리튬염 및 기타 첨가제로 이루어진다.Specifically, the lithium secondary battery includes a cathode / cathode active material, a current collector, and an electrolyte. The cathode / cathode active material generates electricity, and a lithium-containing composite oxide, preferably a lithium-transition metal oxide, is used as the cathode active material. As the negative electrode active material, lithium metal, lithium alloy, carbon (crystalline or amorphous) or carbon composite material is used. The current collector uses a metal current collector as a passage through which electrons generated and supplied to the active material can move. In addition, the electrolyte serves as a medium for ion conduction, and consists of a non-aqueous solvent, lithium salt, and other additives.

리튬 2차 전지는 리튬 이온의 양극 및 음극에서의 삽입(intercalation) 및 탈리(deintercalation) 시 일어나는 산화·환원 반응에 의하여 생성되는 전기적 에너지를 이용하는 것이다. 일반적으로, 리튬 2차 전지의 음극(anode) 재료로는 리튬금속 및 탄소 등을 사용하고, 양극(cathode) 재료로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등의 전이금속 산화물을 사용한다. 그런데 LiNiO2는 충전용량은 크지만 합성하기가 어려우며, LiMn2O4는 용량이 작다는 단점이 있다. 그리고 리튬 2차 전지의 양극 재료로 현재 가장 널리 사용되는 LiCoO2는 특정 영역(x > 0.5, Li1 - xCoO2)에서 리튬 이온이 탈리되는 경우 전지성능이 급격히 퇴화되는 문제점이 보고되고 있다.The lithium secondary battery utilizes electrical energy generated by an oxidation / reduction reaction occurring during intercalation and deintercalation of lithium ions at the positive and negative electrodes. Generally, lithium metal and carbon are used as an anode material of a lithium secondary battery, and transition metal oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 are used as a cathode material. However, LiNiO 2 has a large charging capacity, but is difficult to synthesize, and LiMn 2 O 4 has a small capacity. In addition, LiCoO 2, the most widely used cathode material of lithium secondary batteries, has been reported to have a rapidly deteriorated battery performance when lithium ions are desorbed in a specific region (x> 0.5, Li 1 - x CoO 2 ).

현재 국내에서 주로 사용 중인 리튬코발트옥사이드(LiCoO2)를 제외한 다른 고용량계 또는 고출력용 양극 소재의 개발은 일본에 비해 기술력이 다소 열세에 있다. 특히 기존 LiCoO2보다 저가이면서 고출력 특성이 우수해 하이브리드카(HEV)용 전지의 양극 소재로 각광받고 있는 AB2O4로 표시되는 화합물로서 산소가 입방밀집을 이루고 있는 스피넬계 양극 소재는 아직 국내에서는 양산되지 않는 실정이지만 스피넬계 양극 소재는 저가이면서 고출력 특성이 우수하여 전지의 양극 소재로 각광받고 있다. Except for lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), which is currently used in Korea, the development of other high-capacity or high-output cathode materials is somewhat inferior to Japan. Particularly, it is a compound represented by AB 2 O 4 , which is attracting attention as a cathode material for HEV batteries because it is cheaper and has higher output characteristics than the existing LiCoO 2 . Although it is not mass produced, spinel-based cathode materials are in the spotlight as cathode materials for batteries because of their low cost and high output characteristics.

한편, 스피넬형 Li4Ti5O12는 충·방전이 안정하기 때문에 아래 식으로 나타낸 충·방전 사이클에서 우수한 삽입 및 탈리 가역성을 나타내며, 또한 리튬의 출입에 따라 구조변화도 일으키지 않는 물질이다(Zero-Strain Insertion Material of Li[Li1/3Ti5/3]O4 for Rechargeable Lithium Cells, T. Ohzuku, A. Ueda, N. Yamamoto, Journal of the Electrochemical Society, V. 142, p. 1431-1435, 1995).On the other hand, spinel type Li 4 Ti 5 O 12 is a material that exhibits excellent insertion and desorption reversibility in the charge / discharge cycle represented by the following equation because it is stable in charge and discharge, and also does not cause structural changes as lithium enters and exits (Zero -Strain Insertion Material of Li [Li 1/3 Ti 5/3 ] O 4 for Rechargeable Lithium Cells, T. Ohzuku, A. Ueda, N. Yamamoto, Journal of the Electrochemical Society, V. 142, p. 1431-1435 , 1995).

Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e- ↔ Li7Ti5O12 E = ~1.5 VLi 4 Ti 5 O 12 + 3Li + + 3e - ↔ Li 7 Ti 5 O 12 E = ~ 1.5 V

따라서, Li4Ti5O12는 유망한 양극물질로서 리튬금속 음극과 연결하여 2차 전지를 구성할 수 있다. 또한, Li4Ti5O12는 LiMn2O4 또는 LiCoO2와 같은 4V 전극과 연결된 음극으로 사용되면, 약 2.5 V 사용전압을 가지는 전지를 제공할 수 있다.Therefore, Li 4 Ti 5 O 12 is a promising positive electrode material and can be connected to a lithium metal negative electrode to construct a secondary battery. In addition, when Li 4 Ti 5 O 12 is used as a negative electrode connected to a 4V electrode such as LiMn 2 O 4 or LiCoO 2 , a battery having a voltage of about 2.5 V may be provided.

종래, 리튬 2차 전지용 전극 재료로 사용하기 위한 Li4Ti5O12를 이용하거나 이의 제조방법에 관하여 많은 연구가 진행되어 왔다. 예를 들면, 일본 공개특허 제2001-243950호에는 스피넬형 리튬 티탄산화물로 피복한 표면 개질 카본의 리튬 2차 전지용 음극재료의 제조방법을 공지되어 있고, 제1999-283624호에는 음극에 수산화 리튬 등의 결정구조를 갖는 리튬 티탄산화물이 공지되어 있다. 또한, 일본 공개특허 제2001-240498호에는 리튬 산화물과 티탄 화합물을 이용한 결정성이 높은 티탄산 리튬 제조방법이 공지되어 있으며, 캐나다 특허 제245585호에는 티탄과 리튬을 함유하는 화합물의 혼합용액으로 제조되는 Li4Ti5O12 제조공정이 보고된 바 있 다. 논문으로, 하오 등의 연구에서는 테트라부톡시티탄(Ti(OC4H9)4)과 리튬카보네이트(Li2CO3)에 킬레이트 시약인 옥살산을 이용한 솔겔법에 의해 제조된 Li4Ti5O12의 합성이 보고된바 있고(Hao, Y.J. et al., Journal of power sources, 158(2 SPEC.ISS), 1358-1364, 2006), 가오 등에 의해 원료인 염화티탄(TiCl4)으로 내부 겔(inner gel) 방법에 의해 제조되는 고밀도 구형 Li4Ti5O12 양극 재료 제조 및 성질에 대해 보고된바 있다(Gao, J. et al., Journal of power sources, 155(2), 364-367, 2006). Conventionally, many studies have been conducted on the use of Li 4 Ti 5 O 12 or a method for manufacturing the same as an electrode material for a lithium secondary battery. For example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-243950 discloses a method for producing a negative electrode material for lithium secondary battery of surface-modified carbon coated with spinel-type lithium titanium oxide, and in 1999-283624, lithium hydroxide or the like is used for the negative electrode. Lithium titanium oxides having a crystal structure of are known. In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-240498 discloses a method for producing lithium titanate having high crystallinity using lithium oxide and a titanium compound, and Canadian Patent No. 245585 is prepared from a mixed solution of a compound containing titanium and lithium. Li 4 Ti 5 O 12 manufacturing process has been reported. In the paper, Hao et al. Studied Li 4 Ti 5 O 12 prepared by the sol-gel method using oxalic acid as a chelate reagent in tetrabutoxytitanium (Ti (OC 4 H 9 ) 4 ) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ). Has been reported (Hao, YJ et al., Journal of power sources, 158 (2 SPEC.ISS), 1358-1364, 2006), and the internal gel (TiCl 4 ) as a raw material by Gao et al. Inner gel) has been reported for the fabrication and properties of high density spherical Li 4 Ti 5 O 12 anode material prepared by the method (Gao, J. et al., Journal of power sources, 155 (2), 364-367, 2006).

상술한 바와 같이, 스피넬형 Li4Ti5O12을 제조하는 종래 제조방법은 크게 액상반응법과 고상반응법의 두 가지로 나누어진다. 액상반응법은 i) 티탄과 리튬을 함유하는 화합물의 혼합용액을 제조하는 단계, ii) 킬레이트제를 상기 단계에서 제조된 혼합용액에 넣고 혼합하여 겔을 만드는 단계, iii) 상기 단계에서 제조된 겔을 열처리하여 분쇄하는 단계를 포함하여 이루어진다(WO 제2003/012901호, 미국특허 제2004/0217335호). 그런데 액상반응법은 결정성이 비교적 높은 티탄산 리튬을 제조할 수 있는 반면에 공정이 복잡하고 폐수 처리 등이 어려워 환경문제를 초래하는 단점이 있다. 또한, 고상반응법은 i) 티탄과 리튬을 함유하는 화합물을 혼합하는 단계, ii) 상기 단계에서 제조된 혼합물을 열처리하고 분쇄하는 단계를 포함하여 이루어진다. 이러한 고상반응법의 경우 공정은 단순하나 목적하는 Li4Ti5O12 상 외의 부산물이 생성되고, 리튬이 휘발되어 티탄과 리튬의 원자비를 제어하기가 어려워, Li4Ti5O12를 효율적으로 생산하기가 어렵다. As described above, the conventional manufacturing method for preparing the spinel type Li 4 Ti 5 O 12 is largely divided into two phases, a liquid phase reaction method and a solid phase reaction method. The liquid phase reaction method comprises the steps of: i) preparing a mixed solution of a compound containing titanium and lithium, ii) adding a chelating agent to the mixed solution prepared in the above step to make a gel, and iii) the gel prepared in the above step. Heat treatment and pulverizing (WO 2003/012901, US Patent No. 2004/0217335). However, while the liquid phase reaction method can produce lithium titanate having a relatively high crystallinity, the process is complicated and the waste water treatment is difficult, resulting in environmental problems. In addition, the solid-phase reaction method comprises the steps of i) mixing the compound containing titanium and lithium, ii) heat treating and pulverizing the mixture prepared in the above step. For such a solid state reaction process is a by-product other than the Li 4 Ti 5 O 12 phase that a simple one object is generated, and the lithium is volatile and difficult to control the atomic ratio of titanium and lithium, efficiently Li 4 Ti 5 O 12 Difficult to produce

한편, 고상반응법의 일종으로 600 ℃ 이상, 800 ℃ 이하의 온도에서 1차 소결을 수행한 다음, 800 ℃ 이상, 950 ℃ 이하의 온도에서 2차 소결을 수행하여 Li4Ti5O12 단일상을 제조하고자 연구가 진행되고 있다(미국특허 제6,654,673호). 또한, 티탄과 리튬을 함유하는 용액에서 액체성분을 증발시키고 소결하여 분말을 제조한 다음, 분말을 재화소(Re-firing)시키는 방식으로 Li4Ti5O12를 제조하고자 하는 시도도 있다(미국특허 제6,890,510호). 그러나 이러한 방법들도 공정이 복잡해지고 생산성이 떨어지는 단점이 있다.On the other hand, as a kind of solid-phase reaction method, the primary sintering is performed at a temperature of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and then the secondary sintering is performed at a temperature of 800 ° C. or higher and 950 ° C. or lower to form a Li 4 Ti 5 O 12 single phase. Research is underway to prepare the (US Pat. No. 6,654,673). In addition, attempts have been made to produce Li 4 Ti 5 O 12 by evaporating and sintering the liquid components in a solution containing titanium and lithium, and then re-firing the powder (US Patent 6,890,510). However, these methods also have the disadvantages of complicated process and low productivity.

이에 반해, 용융염 합성법(Molten Salt Synthesis)은 순수한 다성분 산화물 분말을 화학량론비적으로 합성할 수 있는 가장 간단한 방법 중 하나로 알려져 있다(Molten Salt Synthesis of a Complex Perovskite, Pb(Fe0 .5Nb0 .5)O3, C. C. Chiu, C. C. Li, S. B. Desu, Journal of the American Ceramic Society, V 74, p. 38-41, 1991). 이때 용융염은 용매나 반응물, 또는 두 가지 모두의 역할을 하게 된다. 일반적으로 반응물이 용융염에서는 아주 빠른 확산 속도를 나타내므로 용융염 합성법은 고상반응법에 비하여 훨씬 반응속도가 빠르다.On the other hand, the molten salt synthesis (Molten Salt Synthesis) is known as one of the simplest way can be synthesized in a stoichiometric bijeok pure multicomponent oxide powder (Molten Salt Synthesis of a Complex Perovskite , Pb (Fe 0 .5 Nb 0 .5 ) O 3 , CC Chiu, CC Li, SB Desu, Journal of the American Ceramic Society, V 74, p. 38-41, 1991). In this case, the molten salt serves as a solvent, a reactant, or both. In general, since the reactants have a very fast diffusion rate in the molten salt, the molten salt synthesis method is much faster than the solid phase reaction method.

종래, 용융염 합성법을 이용한 산화 티탄(TiO2)의 Li4Ti5O12로의 전환은 우선 산화 티탄 분말과 LiCl, 또는 Li2CO3 분말과의 반응에 의하여 시도되었다. LiCl과 Li2CO3의 녹는점은 각각 613 ℃와 730 ℃이고, 850 ℃ 이상의 온도에서는 리튬계 염은 휘발되어 버린다. 따라서 염의 녹는점 이상에서 850 ℃까지의 온도영역에서 Li4Ti5O12를 합성이 진행된다. 또한, 시간에 의존적인 입자성장과 이에 따른 분말 조대화를 극복하기 위하여 반응시간은 2시간으로 제한된다. 그러나 LiCl의 경우에는 Li4Ti5O12이 주생성물이었으나 미반응된 산화 티탄도 관찰되며, Li2CO3의 경우에는 미반응된 산화 티탄은 관찰되지 않으나 주생성물이 Li2TiO3이다.Conventionally, conversion of titanium oxide (TiO 2 ) to Li 4 Ti 5 O 12 using a molten salt synthesis method has been attempted by first reacting titanium oxide powder with LiCl or Li 2 CO 3 powder. The melting points of LiCl and Li 2 CO 3 are 613 ° C. and 730 ° C., respectively, and the lithium salt is volatilized at a temperature of 850 ° C. or higher. Therefore, the synthesis of Li 4 Ti 5 O 12 is carried out in the temperature range from the melting point of the salt up to 850 ℃. In addition, the reaction time is limited to 2 hours to overcome the time-dependent particle growth and thus the powder coarsening. In LiCl, however, Li 4 Ti 5 O 12 was the main product, but unreacted titanium oxide was also observed. In Li 2 CO 3 , unreacted titanium oxide was not observed, but the main product was Li 2 TiO 3 .

LiCl와 Li2CO3을 이용한 이성분염의 경우에도 연구되었는데, LiCl에 31.2 몰%의 Li2CO3를 혼합한 염은 공융점이 517 ℃이다. 이 혼합염 분말을 산화 티탄 분말과 반응시킨 경우에는 650 ℃의 반응온도에서도 미반응된 산화 티탄의 존재는 관찰되지 않았으나 주생성물이 Li2TiO3이라는 문제점이 여전히 있다. Binary salts using LiCl and Li 2 CO 3 have also been studied. Salts containing 31.2 mol% of Li 2 CO 3 in LiCl have a eutectic point of 517 ° C. When the mixed salt powder was reacted with the titanium oxide powder, the presence of unreacted titanium oxide was not observed even at the reaction temperature of 650 ° C., but there was still a problem that the main product was Li 2 TiO 3 .

이에 본 발명자들은 종래 기술의 기술적, 경제적 측면에서의 문제점을 해결하기 위하여 이종 금속 화합물을 연구하던 중, 반응속도가 빠르고 생산성이 높으며 부산물의 발생량이 적은 합성법을 발견함으로써 리튬을 포함하는 염과 산화 티탄을 염의 용융점 이상의 온도에서 반응시켜 스피넬형 Li4Ti5O12 분말을 효율적으로 제조 하여 본 발명을 완성하였다.Therefore, the inventors of the present invention, while researching dissimilar metal compounds in order to solve the technical and economical problems of the prior art, by discovering a synthesis method with a high reaction rate, high productivity and low by-products, salts containing titanium and titanium oxide The reaction was carried out at a temperature above the melting point of the salt to efficiently produce a spinel type Li 4 Ti 5 O 12 powder to complete the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 리튬을 포함하는 염과 산화 티탄을 이용하여 순수한 Li4Ti5O12 분말을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for preparing pure Li 4 Ti 5 O 12 powder using a salt containing lithium and titanium oxide.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산화 리튬을 포함하는 리튬계 염 분말과 산화 티탄 분말을 혼합하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 얻은 혼합 분말을 상기 리튬계 염의 용융점 이상의 온도에서 소성시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 생성된 분말을 세척 및 건조하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of mixing a lithium salt powder and titanium oxide powder containing lithium oxide (step 1); Calcining the mixed powder obtained in step 1 at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium salt (step 2); And it provides a method for producing lithium titanate spinel powder using a lithium-based molten salt comprising the step (step 3) of washing and drying the powder produced in step 2.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명은 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법을 포함한다.The present invention includes a method for producing lithium titanate spinel powder using a lithium-based molten salt.

구체적으로, 본 발명은 산화 리튬을 포함하는 리튬계 염 분말과 산화 티탄 분말을 혼합하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 얻은 혼합 분말을 상기 리튬계 염 의 용융점 이상의 온도에서 소성시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 생성된 분말을 세척 및 건조하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법을 포함한다.Specifically, the present invention comprises the steps of mixing the lithium-based salt powder and lithium oxide powder containing lithium oxide (step 1); Firing the mixed powder obtained in step 1 at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium salt (step 2); And a method of preparing lithium titanate spinel powder using a lithium-based molten salt, which comprises the step of washing and drying the powder produced in step 2 (step 3).

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 단일상의 티탄산 리튬 스피넬 분말을 용융염 합성법으로 제조하는 공정을 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 1 describes a process for producing a single-phase lithium titanate spinel powder according to the present invention by molten salt synthesis method as follows.

리튬과 티탄의 이종 금속 산화물을 제조하기 위하여 먼저 리튬계 염과 산화 티탄 분말을 일정 비율로 혼합한다. 혼합된 분말은 소성하는데, 리튬계 염의 휘발이 일어나지 않는 범위 내에서 염의 녹는점 이상의 온도로 녹인다. 이때 시간은 시간의존적으로 입자 크기가 커지는 분말 조대화를 막기 위하여 가능한 한 짧은 시간 동안 이뤄져야 한다. 소성을 마친 분말은 세척과정을 거치는데, 이때 미반응물이나 소성 중 생긴 기체 등이 제거된다. 마지막으로 건조를 거쳐 티탄산 리튬(Li4Ti5O12) 스피넬 분말을 얻을 수 있다.In order to prepare dissimilar metal oxides of lithium and titanium, first, a lithium salt and a titanium oxide powder are mixed at a predetermined ratio. The mixed powder is fired, but is melted at a temperature above the melting point of the salt within a range in which volatilization of the lithium salt does not occur. The time should be as short as possible in order to prevent powder coarsening which increases in particle size in time. After firing, the powder undergoes a washing process, at which time unreacted substances and gases generated during firing are removed. Finally, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) spinel powder may be obtained by drying.

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

본 발명의 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 산화 리튬을 포함하는 리튬계 염 분말과 산화 티탄 분말을 혼합하는 단계이다. In the method for preparing a lithium titanate spinel powder of the present invention, step 1 is a step of mixing a lithium salt powder and a titanium oxide powder containing lithium oxide.

상기 산화 리튬을 포함하는 리튬계 염은 상기 리튬계 염이 쉽게 휘발되는 온도(예를 들어, 850 ℃) 이하에서 산화 리튬(Li2O)을 녹일 수 있는 리튬계 염이면 어 느 염이나 사용이 가능하다. 예를 들어, 염화리튬, 탄산리튬(Li2CO3), 염화리튬-탄산리튬(Li2CO3) 등이 바람직하고, 보다 바람직하게는 염화리튬(LiCl)이다. 산화 리튬의 녹는점은 1570 ℃로, 용융염 합성법을 적용하기 위해서는 산화 리튬을 적합한 염과 함께 사용하여야 한다. 상기 LiCl의 녹는점은 613 ℃로 850 ℃ 이하에서 산화 리튬을 녹인다. 또한, 상기 산화 리튬이 포함된 염화리튬 분말을 사용할 때, 종래의 리튬계 염(예를 들어, LiCl 또는 Li2CO3) 분말과 산화 티탄 분말을 혼합하는 경우 문제가 되는 미반응물 또는 부산물의 발생을 해결할 수 있다.The lithium salt containing lithium oxide may be any salt or use as long as it is a lithium salt capable of dissolving lithium oxide (Li 2 O) at a temperature at which the lithium salt is easily volatilized (for example, 850 ° C.). It is possible. For example, lithium chloride, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium chloride-lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and the like are preferable, and lithium chloride (LiCl) is more preferable. The melting point of lithium oxide is 1570 ° C. Lithium oxide must be used with a suitable salt to apply molten salt synthesis. The melting point of the LiCl is 613 ° C to dissolve lithium oxide below 850 ° C. In addition, when using the lithium chloride powder containing lithium oxide, the generation of unreacted products or by-products that are a problem when mixing a conventional lithium-based salt (for example, LiCl or Li 2 CO 3 ) powder and titanium oxide powder Can be solved.

상기 산화 리튬은 LiCl에의 용해도 범위 내에서 첨가하는 것이 바람직하다. 산화 리튬의 LiCl에의 용해도는 650 ℃와 750 ℃에서 각각 12 몰%와 16 몰%이다. 따라서, 상기 산화 리튬의 함량은 염화리튬 1 몰에 대하여 0.136 몰 내지 0.19 몰이 보다 바람직하다. LiCl의 용해도보다 과량의 산화 리튬이 혼합될 경우, Li4Ti5O12 합성에 참여하지 못한 산화 리튬은 후속 세척단계에서 제거되어야만 한다. 그런데 LiCl 용융염에서의 산화 리튬 농도가 증가할수록 Li4Ti5O12 생성에 유리한 것으로 나타났다. 따라서 LiCl에 첨가되는 산화 리튬의 농도는 LiCl에의 용해도 범위 내에서 최대한 높은 것이 바람직하다.The lithium oxide is preferably added within the solubility range in LiCl. The solubility of lithium oxide in LiCl is 12 mol% and 16 mol% at 650 ° C and 750 ° C, respectively. Therefore, the content of lithium oxide is more preferably 0.136 mol to 0.19 mol with respect to 1 mol of lithium chloride. If excess lithium oxide is mixed than the solubility of LiCl, lithium oxide that did not participate in the Li 4 Ti 5 O 12 synthesis must be removed in a subsequent washing step. However, as the lithium oxide concentration in the LiCl molten salt increased, it was found to be advantageous for the formation of Li 4 Ti 5 O 12 . Therefore, the concentration of lithium oxide added to LiCl is preferably as high as possible within the solubility range in LiCl.

상기 리튬계 염 분말과 산화 티탄 분말의 혼합비는 티탄과 리튬의 몰비로 1:1.3 내지 1:4.0으로 혼합된 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1:1.5 내지 1:2.0이다. 이때 상기 티탄과 리튬의 몰비는 소성과정에서의 리튬의 휘발과 리튬계 염과 산화 티탄 분말과의 접촉 등을 고려하여 적합한 것이다. 티탄 1 몰에 대하여 리튬이 1.3 몰 미만으로 혼합되는 경우, 소성과정에서의 리튬의 휘발에 의하여 Li4Ti5O12 구조 생성에 필요한 리튬이 모자라고, 소량의 리튬계 염이 충분히 산화티탄 분말과 접촉하지 못하는 문제가 있고, 리튬이 4.0 몰을 초과하여 혼합되는 경우, 반응에 참여하지 못한 과량의 리튬계 염을 후속 단계에서 세척 등으로 제거하여야 하는 문제가 있다.The mixing ratio of the lithium salt powder and the titanium oxide powder is preferably 1: 1.3 to 1: 4.0 in a molar ratio of titanium and lithium. More preferably, it is 1: 1.5-1: 2.0. At this time, the molar ratio of titanium and lithium is suitable in consideration of the volatilization of lithium and the contact of lithium-based salt and titanium oxide powder in the firing process. When mixed with less than 1.3 mole of lithium with respect to the titanium per mol, Li 4 Ti 5 O 12 structure that produce lithium cap necessary for a small amount of lithium-based salt sufficient titanium oxide powder by the lithium volatilization of the sintering process, and There is a problem that can not be contacted, and when lithium is mixed in excess of 4.0 moles, there is a problem that the excess lithium salt that did not participate in the reaction must be removed by washing or the like in a subsequent step.

본 발명의 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 단계 1에서 얻은 혼합 분말을 상기 리튬계 염의 용융점 이상의 온도에서 소성시키는 단계이다.In the method for producing a lithium titanate spinel powder of the present invention, step 2 is a step of baking the mixed powder obtained in step 1 at a temperature above the melting point of the lithium salt.

상기의 소성 온도는 용융염 합성법의 특성상의 제한조건인 염의 녹는점 이상의 온도 및 염이 과량으로 증발되지 않는 온도 사이에서 균형을 찾아야 하는데, LiCl에 산화 리튬이 용해된 리튬계 염을 사용할 경우, 소성은 대기 중에서 650 ℃ 내지 850 ℃에서 수행할 수 있으며, 700 ℃ 내지 750 ℃에서 수행하는 것이 보다 바람직하다. 650 ℃ 미만의 온도에서는 리튬계 염이 녹지 않아 용융염 합성법에 적용할 수 없고, 850 ℃ 이상의 온도에서는 리튬계 염이 휘발되어 버린다. The firing temperature should be balanced between the temperature above the melting point of the salt, which is a limitation of the nature of the molten salt synthesis method, and the temperature at which the salt does not evaporate excessively. When using a lithium salt in which lithium oxide is dissolved in LiCl, May be performed at 650 ° C. to 850 ° C. in the atmosphere, and more preferably at 700 ° C. to 750 ° C. At a temperature below 650 ° C., the lithium salt does not melt and cannot be applied to the molten salt synthesis method. At a temperature of 850 ° C. or higher, the lithium salt is volatilized.

상기 소성의 시간은 0.5시간 내지 6시간, 보다 바람직하게는 2시간 이내로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 시간 범위 내에서 소성을 수행할 때 시간에 의존적인 입자성장에 따른 분말 조대화를 방지할 수 있다. 소성온도가 높을 경우에는 소성 시간을 짧게 하고, 소성 온도가 낮은 경우에는 소성 시간을 길게 조절할 수 있다. The baking time is preferably limited to 0.5 hours to 6 hours, more preferably 2 hours or less. It is possible to prevent powder coarsening due to time-dependent particle growth when firing within the time range. When the firing temperature is high, the firing time can be shortened, and when the firing temperature is low, the firing time can be adjusted long.

본 발명의 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3은 단계 2에서 생성된 분말을 세척 및 건조하는 단계이다. In the method for producing a lithium titanate spinel powder of the present invention, step 3 is a step of washing and drying the powder produced in step 2.

상기 단계를 통하여, 단계 2의 소성 과정에서 발생되는 Cl2, CO2 기체 등의 음이온 생성물을 합성된 분말로부터 분리해낼 수 있다. 또한, 이 과정에서 Li4Ti5O12 생성에 참여하지 않은 리튬계 염이 모두 제거된다. 세척 과정은 순수를 이용하여 수행되며, 세척액이 중성이 될 때까지 이뤄지며, 순수로 세척된 분말은 건조시킨다.Through the above step, anion products such as Cl 2 , CO 2 gas generated in the calcining process of step 2 may be separated from the synthesized powder. In addition, in this process, all of the lithium salts that do not participate in the generation of Li 4 Ti 5 O 12 are removed. The washing process is carried out with pure water, until the wash solution is neutral, and the powder washed with pure water is dried.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 티탄산 리튬(Li4Ti5O12) 스피넬 분말은 XRD(X-ray diffraction)을 통하여 분석한 결과 그 합성을 확인할 수 있으며, 도 2와 같이 미반응된 산화 티탄이나 부산물의 형성 없이 순수한 Li4Ti5O12 상으로 이루어져 있음을 확인할 수 있다.Lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) spinel powder prepared according to an embodiment of the present invention can be analyzed by XRD (X-ray diffraction) to confirm the synthesis, unreacted oxidation as shown in FIG. It can be seen that it consists of a pure Li 4 Ti 5 O 12 phase without the formation of titanium or by-products.

이하, 실시예 및 도면을 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예 및 도면은 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples and drawings. However, the following examples and drawings are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 1> LiCl와 Li2O을 이용한 Li4Ti5O12 제조 1Example 1 Preparation of Li 4 Ti 5 O 12 Using LiCl and Li 2 O 1

Li4Ti5O12 합성을 위한 출발물질로 고순도의 루틸 구조의 TiO2(10 g), LiCl(9.025 g) 및 Li2O(1.023 g) 미세 분말을 아르곤 가스 분위기의 글로브 박스에서 잘 혼합하였다. 혼합한 분말을 도가니에 담은 다음, 750 ℃ 온도에서 2시간 동안 소성하였다. 소성이 끝난 분말은 상온으로 냉각시킨 후 생성물을 순수로 세척하고 진공건조하여 Li4Ti5O12를 제조하였다. High purity rutile TiO 2 (10 g), LiCl (9.025 g) and Li 2 O (1.023 g) fine powders were mixed well in an argon gas atmosphere as a starting material for Li 4 Ti 5 O 12 synthesis. . The mixed powder was placed in a crucible and calcined at 750 ° C. for 2 hours. The calcined powder was cooled to room temperature, the product was washed with pure water and dried in vacuo to prepare Li 4 Ti 5 O 12 .

상기 실시예 1에 의해 제조된 Li4Ti5O12를 확인하기 위하여 X-선 회절(X-ray diffraction; XRD) 분석을 수행하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. X-ray diffraction (XRD) analysis was performed to confirm Li 4 Ti 5 O 12 prepared in Example 1, and the results are shown in FIG. 2 .

도 2에 나타난 바와 같이, 제조된 분말은 조성식 Li[Li1 /3Ti5 /3]O4의 스피넬 구조를 만족하는 순수한 Li4Ti5O12 상으로 이루어져 있음을 알 수 있다. 2, the prepared powder can be seen that consists of a pure Li 4 Ti 5 O 12 phase which satisfies the spinel structure of the composition formula Li [Li 1/3 Ti 5 /3] O 4.

<실시예 2> LiCl와 Li2O을 이용한 Li4Ti5O12 제조 2Example 2 Preparation of Li 4 Ti 5 O 12 Using LiCl and Li 2 O 2

Li4Ti5O12 합성을 위한 출발물질로 고순도의 루틸 구조의 TiO2(10 g), LiCl(15.37 g) 및 Li2O(2.06 g) 미세 분말을 아르곤 가스 분위기의 글로브 박스에서 잘 혼합하였다. 혼합한 분말을 도가니에 담은 다음, 800 ℃ 온도에서 1.5 시간 동안 소성하였다. 소성이 끝난 분말은 상온으로 냉각시킨 후 생성물을 순수로 세척하고 진공건조하여 Li4Ti5O12 상을 얻었다.High purity rutile TiO 2 (10 g), LiCl (15.37 g) and Li 2 O (2.06 g) fine powders were mixed well in an argon gas atmosphere as a starting material for the synthesis of Li 4 Ti 5 O 12. . The mixed powder was placed in a crucible and calcined at 800 ° C. for 1.5 hours. After firing, the powder was cooled to room temperature, and the product was washed with pure water and dried in vacuo to form Li 4 Ti 5 O 12. Won the award.

실시예 2의 경우, 실시예 1보다 조금 더 높은 온도에서 소성시간을 짧게 수행하여 역시 순수한 스피넬 구조의 Li4Ti5O12 분말을 제조하였다.In Example 2, the firing time was shorter at a slightly higher temperature than Example 1 to prepare Li 4 Ti 5 O 12 powder having a pure spinel structure.

<비교예 1> LiCl와 Li2CO3을 이용한 이성분염 제조Comparative Example 1 Preparation of Binary Salt Using LiCl and Li 2 CO 3

출발물질로 고순도의 루틸 구조의 TiO2(10 g), LiCl(19.48 g) 및 Li2CO3(15.40 g) 미세 분말을 아르곤 가스 분위기의 글로브 박스에서 잘 혼합하였다. 혼합한 분말을 도가니에 담은 다음, 750 ℃ 온도에서 2시간 동안 소성하였다. 소성이 끝난 분말을 상온으로 냉각시킨 후 생성물을 순수로 세척하고 진공건조한 결과, 그 주생성물은 Li2TiO3이며 소량의 LiTiO2 상도 관찰되었다.High purity rutile TiO 2 (10 g), LiCl (19.48 g) and Li 2 CO 3 (15.40 g) fine powders were well mixed in an argon gas atmosphere as a starting material. The mixed powder was placed in a crucible and calcined at 750 ° C. for 2 hours. After the calcined powder was cooled to room temperature, the product was washed with pure water and dried in vacuo. The main product was Li 2 TiO 3 and a small amount of LiTiO 2 phase was observed.

본 발명의 이산화 리튬 대신에 종래 용융염 합성법에 많이 이용된 Li2CO3을 이용하여 이성분염 분말을 제조한 결과, LiCl과 Li2CO3 혼합염 분말을 산화 티탄 분말과 반응시켜 750 ℃의 반응온도에서 소성하여 주생성물로 원하지 않는 화합물인 Li2TiO3 분말을 얻었다. As a result of preparing a bicomponent salt powder using Li 2 CO 3 which is widely used in the conventional molten salt synthesis method instead of the lithium dioxide of the present invention, LiCl and Li 2 CO 3 mixed salt powder was reacted with titanium oxide powder to react at 750 ° C. Firing at temperature gave Li 2 TiO 3 powder which is an unwanted compound as a main product.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 티탄산 리튬 스피넬 산화물인 Li4Ti5O12의 제조방법에 의하여, 산화 리튬을 포함하는 리튬계 염과 산화 티탄을 염의 용융점 이상의 온도에서 반응시킴으로써, 종래 습식반응법에서 야기되었던 공정의 복잡성, 부산물에 의한 환경부담 등의 단점과 고상반응법에서의 부생성물 생성과 고온의 반응온도 등의 단점을 극복하고, 리튬 2차 전지 등의 에너지 저장 장치의 양극 및 음극재료로 사용 가능한 Li4Ti5O12를 효율적으로 합성할 수 있다.As described above, according to the present invention, a conventional wet reaction is carried out by reacting a lithium salt containing lithium oxide and titanium oxide at a temperature higher than the melting point of the salt by a method for producing Li 4 Ti 5 O 12 , which is a lithium titanate spinel oxide. Overcoming disadvantages such as process complexity caused by the law, environmental burden by by-products, and disadvantages such as by-product generation and high temperature reaction temperature in solid-state reaction method, positive and negative electrodes of energy storage devices such as lithium secondary batteries Li 4 Ti 5 O 12 which can be used as a material can be efficiently synthesized.

Claims (12)

산화 리튬을 포함하는 리튬계 염 분말과 산화 티탄 분말을 혼합하는 단계(단계 1);Mixing a lithium salt powder containing lithium oxide and a titanium oxide powder (step 1); 상기 단계 1에서 얻은 혼합 분말을 상기 리튬계 염의 용융점 이상의 온도에서 소성시키는 단계(단계 2); 및Calcining the mixed powder obtained in step 1 at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium salt (step 2); And 상기 단계 2에서 생성된 분말을 세척 및 건조하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.Method for producing a lithium titanate spinel powder using a lithium-based molten salt, characterized in that it comprises a step (step 3) of washing and drying the powder produced in step 2. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 리튬계 염은 850 ℃ 이하에서 산화 리튬을 녹일 수 있는 리튬계 염인 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the lithium salt of step 1 is a lithium salt that can dissolve lithium oxide at 850 ° C. or less. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리튬계 염은 염화리튬인 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method for producing lithium titanate spinel powder using a lithium molten salt according to claim 1 or 2, wherein the lithium salt is lithium chloride. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 리튬계 염에 포함되는 산화 리튬의 양은 리튬계 염에의 용해도 범위 내인 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the amount of lithium oxide contained in the lithium salt of step 1 is in the range of solubility in the lithium salt. 제4항에 있어서, 상기 리튬계 염이 염화리튬인 경우 상기 산화리튬의 함량은 염화리튬 1몰에 대하여 0.136 몰 내지 0.19 몰인 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method of claim 4, wherein the lithium oxide is lithium chloride, and the content of the lithium oxide is 0.136 mol to 0.19 mol based on 1 mol of lithium chloride. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 리튬계 염 분말과 산화 티탄 분말의 혼합비는 티탄과 리튬의 몰비로 1:1.3 내지 1:4.0인 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the mixing ratio of the lithium salt powder and the titanium oxide powder of step 1 is 1: 1.3 to 1: 4.0 of the molten salt of titanium and lithium of the lithium titanate spinel powder using a lithium molten salt Manufacturing method. 제6항에 있어서, 상기 혼합비는 몰비로 1:1.5 내지 1:2.0인 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method of claim 6, wherein the mixing ratio is 1: 1.5 to 1: 2.0 in the molar ratio of the lithium titanate spinel powder manufacturing method using a lithium-based molten salt. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 소성은 650 ℃ 내지 850 ℃의 온도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the calcination of step 2 is carried out at a temperature range of 650 ℃ to 850 ℃ a method for producing lithium titanate spinel powder using a lithium-based molten salt. 제8항에 있어서, 상기 소성 온도는 700 ℃ 내지 750 ℃인 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method of claim 8, wherein the firing temperature is 700 ℃ to 750 ℃ manufacturing method of lithium titanate spinel powder using a lithium-based molten salt. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 소성은 0.5시간 내지 6시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the baking of step 2 is performed for 0.5 hours to 6 hours, the method for producing lithium titanate spinel powder using a lithium-based molten salt. 제10항에 있어서, 상기 소성 시간은 0.5시간 내지 2시간인 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method for preparing lithium titanate spinel powder using a lithium-based molten salt according to claim 10, wherein the firing time is 0.5 to 2 hours. 제1항에 있어서, 상기 단계 3은 순수로 세척하되 세척액이 중성이 될 때까지 수행한 후 건조시키는 것을 특징으로 하는 리튬계 용융염을 이용한 티탄산 리튬 스피넬 분말의 제조방법.The method of claim 1, wherein the step 3 is washed with pure water, but the method until the washing solution is neutral, and then dried until the lithium titanate spinner powder using a lithium-based molten salt.
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