KR100790834B1 - Material for Lithium Secondary Battery of High Performance - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 가지고, 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')들 사이로 리튬 이온이 흡장 및 방출되며, 상기 리튬 이온의 흡장 및 방출 층('가역적 리튬층')에는 MO층으로부터 유래된 일부 Ni 이온이 삽입되어 MO층들을 상호 결합하고 있는 것을 특징으로 하는 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제공한다.The present invention has a composition represented by Formula 1 below, lithium ions are occluded and released between the mixed transition metal oxide layers ('MO layer'), the storage and release layer of the lithium ions ('reversible lithium layer') Some Ni derived from layers Provided is a nickel-based lithium mixed transition metal oxide wherein ions are inserted to couple MO layers together.

LixMyO2 (1)                            LixMyO2 (One)

(상기 식에서, M, x 및 y는 명세서에 정의된 바와 같다)             (Wherein M, x and y are as defined in the specification)

본 발명에 따른 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물은 안정적인 층상 구조를 가지므로 충방전시 결정구조의 안정성이 향상되어, 이러한 양극 활물질을 포함하는 전지는 고용량이고 높은 사이클 안정성을 발휘할 수 있다. 또한, 실질적으로 수용성 염기들이 존재하지 않으므로, 우수한 저장 안정성, 가스 발생의 감소 및 이로 인한 고온 안전성이 우수하며 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하다.Since the nickel-based lithium mixed transition metal oxide according to the present invention has a stable layered structure, the stability of the crystal structure during charging and discharging is improved, and thus a battery including the cathode active material may exhibit high capacity and high cycle stability. In addition, since there are substantially no water-soluble bases, it has excellent storage stability, reduced gas generation, and thus high temperature safety, and enables mass production at low cost.

Description

고성능 리튬 이차전지용 재료 {Material for Lithium Secondary Battery of High Performance}Material for high performance lithium secondary battery {Material for Lithium Secondary Battery of High Performance}

도 1은 종래 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물의 결정 구조의 모식도이고, 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물 결정구조의 모식도이다;1 is a schematic diagram of a crystal structure of a conventional nickel-based lithium mixed transition metal oxide, Figure 2 is a schematic diagram of a nickel-based lithium mixed transition metal oxide crystal structure according to an embodiment of the present invention;

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물의 바람직한 조성 범위를 보여주는 그래프이다; 3 and 4 are graphs showing a preferred composition range of the nickel-based lithium mixed transition metal oxide according to the present invention;

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 LiNiMO2의 FESEM 현미경(x 2000) 사진이다: (A) 850℃, (B) 900℃, (C) 950℃, (D) 1000℃;5 is a FESEM microscope (x 2000) photograph of LiNiMO 2 according to Example 1 of the present invention: (A) 850 ° C., (B) 900 ° C., (C) 950 ° C., (D) 1000 ° C .;

도 6은 비교예 1에 따른 시판 LiMO2(M=Ni0.8Co0.2)의 FESEM 현미경 사진이고, 여기서 (A)는 샘플 자체의 FESEM 현미경 사진이고, (B)는 공기 중에서 850℃로 가열한 후의 샘플의 FESEM 현미경 사진이다;6 is a FESEM photomicrograph of commercial LiMO 2 (M = Ni 0.8 Co 0.2 ) according to Comparative Example 1, wherein (A) is a FESEM micrograph of the sample itself, and (B) after heating to 850 ° C. in air. FESEM micrograph of the sample;

도 7은 비교예 2에서 시판 high-Ni LiNiO2의 평균 pH 적정을 보여주는 그래프이며, 여기서 (A)는 샘플 자체이고, (B)는 산소 분위기에서 850℃로 가열한 후의 샘플이며, (C)는 (A)의 복사본이다;7 is a graph showing the average pH titration of commercially available high-Ni LiNiO 2 In Comparative Example 2, wherein (A) is the sample itself, (B) is the sample after heating to 850 ℃ in an oxygen atmosphere, (C) Is a copy of (A);

도 8은 습식 챔버 내에 저장 동안에 비교예 3에 따른 샘플의 pH 적정을 측정한 그래프이며, 여기서 (A)는 샘플 자체이고, (B)는 17시간 동안 보존한 후의 샘플, (C)는 3 일 동안 보존한 후의 샘플이다;8 is a graph measuring the pH titration of a sample according to Comparative Example 3 during storage in a wet chamber, where (A) is the sample itself, (B) the sample after storage for 17 hours, and (C) is 3 days Sample after preservation;

도 9는 습식 챔버 내에 저장 동안에 실시예 2에 따른 샘플의 pH 적정을 측정한 그래프이며, 여기서 (A)는 샘플 자체이고, (B)는 17 시간 저장 후의 샘플, (C)는 3 일 동안 보존한 후의 샘플이다;9 is a graph measuring the pH titration of a sample according to Example 2 during storage in a wet chamber, where (A) is the sample itself, (B) the sample after 17 hours storage, and (C) is preserved for 3 days One sample later;

도 10은 실시예 3에서 따른 샘플의 SEM 사진이다;10 is a SEM photograph of a sample according to Example 3;

도 11은 실시예 3에 따른 샘플의 X-ray 회절패턴의 Rietveld refinement를 나타낸다;11 shows Rietveld refinement of an X-ray diffraction pattern of a sample according to Example 3;

도 12는 실험예 1에서 실시예 3에 따른 LiNiMO2의 전기화학적 특성을 보여주는 그래프이며, 여기서 (A)는 실온에서 행한 전압 프로파일과 레이트 특성을 보여주는 그래프이고(사이클 1 ~ 7), (B)는 25℃ 및 60℃에서 C/5 속도에서의 사이클 안정성(3.0 ~ 4.3V)을 보여주는 그래프이며, (C)는 25℃ 및 60℃에서 사이클 동안 얻어진 2 사이클과 31 사이클의 방전 프로파일(C/10 속도)을 보여주는 그래프이다;12 is a graph showing the electrochemical characteristics of LiNiMO 2 according to Example 3 in Experimental Example 1, wherein (A) is a graph showing the voltage profile and the rate characteristic at room temperature (cycles 1 to 7), (B) Is a graph showing cycle stability (3.0 to 4.3 V) at C / 5 speeds at 25 ° C. and 60 ° C., (C) is the discharge profile (C / 10 speeds);

도 13은 실험예 2에서 비교예 3 및 4의 샘플의 DCS 수치를 보여주는 그래프이며, 여기서 (A)는 비교예 3의 시판 Al/Ba-개질 LiMO2(M=Ni)이고, (B)는 비교예 4의 시판 AlPO4-코팅 LiMO2(M=Ni)이다;FIG. 13 is a graph showing DCS values of samples of Comparative Examples 3 and 4 in Experimental Example 2, wherein (A) is a commercial Al / Ba-modified LiMO 2 (M = Ni) of Comparative Example 3, and (B) is Commercially available AlPO 4 -coated LiMO 2 (M = Ni) of Comparative Example 4;

도 14는 실험예 2에서 실시예 3에 따른 LiNiMO2의 DCS 수치를 보여주는 그래프이다;14 is a graph showing DCS values of LiNiMO 2 according to Example 3 in Experimental Example 2;

도 15는 실험예 3에서 본 발명의 하나의 실시예에 따른 폴리머 전지의 전기물리적 특성의 결과를 보여 준다;15 shows the results of the electrophysical properties of a polymer battery according to one embodiment of the present invention in Experimental Example 3;

도 16은 실험예 3에서 고온에서 저장하는 동안 폴리머 전지의 스웰링을 보여주는 그래프이다;16 is a graph showing swelling of a polymer cell during storage at high temperature in Experimental Example 3;

도 17은 실험예 4에서 다른 Li : M 비율을 가지는 샘플들의 결정학적 인 단위 셀의 a 축과 c 축의 길이를 나타낸 것이다.FIG. 17 shows the lengths of a and c axes of crystallographic unit cells of samples having different Li: M ratios in Experimental Example 4. FIG.

본 발명은 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물 및 그것을 포함하는 이차전지용 양극 활물질에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명에 따른 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물은 소정의 조성을 가지고 있고, 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')들 사이로 리튬 이온이 흡장 및 방출되며, 상기 리튬 이온의 흡장 및 방출 층('가역적 리튬층')에는 MO층으로부터 유래된 일부 Ni 이온이 삽입되어 MO층들을 상호 결합하고 있어서, 충방전시 결정구조의 안정성을 향상시키므로 소결 안정성이 우수하고, 이러한 양극 활물질을 포함하는 전지는 고용량이고 높은 사이클 안정성을 발휘할 수 있다. 또한, 실질적으로 수용성 염기들이 존재하지 않으므로, 우수한 저장 안정성 및 내화학성을 나타내고, 가스 발생의 감소 및 이로 인한 고온 안 전성이 우수하며 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하다. The present invention relates to a nickel-based lithium mixed transition metal oxide and a cathode active material for a secondary battery including the same. More specifically, the nickel-based lithium mixed transition metal oxide according to the present invention has a predetermined composition, and lithium ions are occluded and released between the mixed transition metal oxide layers ('MO layer'), and the lithium ion is occluded and The emitting layer ('reversible lithium layer') contains some Ni derived from the MO layer. Since ions are inserted to bond the MO layers to each other, thereby improving stability of the crystal structure during charging and discharging, the sintering stability is excellent, and a battery including the cathode active material may exhibit high capacity and high cycle stability. In addition, since there are substantially no water-soluble bases, it exhibits excellent storage stability and chemical resistance, and is capable of mass production at a low cost with excellent gas safety and high temperature safety.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. As the development and demand for mobile devices increases, the demand for secondary batteries as energy sources is rapidly increasing. Among them, lithium secondary batteries with high energy density and voltage, long cycle life, and low self discharge rate It is commercially used and widely used.

리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 주로 사용되고 있고, 그 외에 층상 결정구조의 LiMnO2, 스피넬 결정구조의 LiMn2O4 등의 리튬 함유 망간 산화물과, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiO2)의 사용도 고려되고 있다.Lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ) is mainly used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery. In addition, lithium-containing manganese oxides such as LiMnO 2 in a layered crystal structure and LiMn 2 O 4 in a spinel crystal structure, and lithium-containing nickel oxide The use of (LiNiO 2 ) is also contemplated.

상기 양극 활물질들 중 LiCoO2은 우수한 사이클 특성 등 제반 물성이 우수하여 현재 많이 사용되고 있지만, 안전성이 낮으며, 원료로서 코발트의 자원적 한계로 인해 고가이고, 전기자동차 등과 같은 분야의 동력원으로 대량 사용하기에는 한계가 있다. Among the positive electrode active materials, LiCoO 2 is widely used because of its excellent physical properties such as excellent cycle characteristics. However, it is low in safety, expensive due to the resource limitation of cobalt as a raw material, and is not suitable for mass use as a power source in fields such as electric vehicles. There is a limit.

LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물은 원료로서 자원이 풍부하고 환경친화적인 망간을 사용한다는 장점을 가지고 있으므로, LiCoO2를 대체할 수 있는 양극 활물질로서 많은 관심을 모으고 있다. 그러나, 이들 리튬 망간 산화물은 용량이 작고, 사이클 특성 등이 나쁘다는 단점을 가지고 있다. Lithium manganese oxides such as LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 have the advantage of using a resource-rich and environmentally friendly manganese as a raw material, attracting a lot of attention as a cathode active material that can replace LiCoO 2 . However, these lithium manganese oxides have disadvantages of small capacity and poor cycle characteristics.

반면에, LiNiO2 등의 리튬 니켈계 산화물은 상기 코발트계 산화물보다 비용이 저렴하면서도 4.3 V로 충전되었을 때 높은 방전 용량을 나타내는 바, 도핑된 LiNiO2 의 가역 용량은 LiCoO2의 용량(약 165 mAh/g)을 초과하는 약 200 mAh/g에 근접한다. 따라서, 약간 낮은 평균 방전 전압 및 체적 밀도(volumetric density)에도 불구하고, LiNiO2 양극 활물질을 포함하는 상용화 전지는 개선된 에너지 밀도를 가지므로, 최근 고용량 전지를 개발하기 위하여 이러한 니켈계 양극 활물질에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나, LiNiO2계 양극 활물질은 하기와 같은 문제로 인해 실용화가 제한되고 있는 실정이다. On the other hand, lithium nickel-based oxides such as LiNiO 2 have a lower discharge cost than the cobalt-based oxides and exhibit high discharge capacity when charged to 4.3 V. The reversible capacity of doped LiNiO 2 is equivalent to that of LiCoO 2 (about 165 mAh). / g) in excess of about 200 mAh / g. Thus, despite slightly lower average discharge voltages and volumetric densities, commercialized cells containing LiNiO 2 positive electrode active materials have improved energy densities. Research is active. However, the LiNiO 2 based positive electrode active material is limited in practical use due to the following problems.

첫째, LiNiO2계 산화물은 충방전 사이클에 동반하는 체적 변화에 따라 결정 구조의 급격한 상전이가 나타나고, 이에 따라 입자의 균열이나 결정입계에 공극이 발생될 수 있다. 따라서, 리튬 이온의 흡장 및 방출이 방해를 받아 분극저항을 증가시키므로 충방전 성능이 저하되는 문제가 있었다. 이를 방지하기 위해, 종래에는 제조과정에서 Li 소스를 과잉으로 넣고 산소 분위기에서 반응시켜 LiNiO2계 산화물을 제조하였는 바, 이러한 방식으로 제조된 양극 활물질은 충전된 상태에서 산소 원자간의 반발력에 의해 구조가 팽창하면서 불안정해지고, 충방전의 반복에 의해 사이클 특성이 심각하게 저하되는 문제가 있다.First, the LiNiO 2 -based oxide has a sudden phase transition of the crystal structure according to the volume change accompanying the charge-discharge cycle, and thus voids may occur in the cracks or grain boundaries of the particles. Therefore, since the occlusion and release of lithium ions are disturbed to increase the polarization resistance, there is a problem that the charge and discharge performance is lowered. In order to prevent this, conventionally, LiNiO 2 based oxides were prepared by excessively adding a Li source and reacting in an oxygen atmosphere in the manufacturing process. The cathode active material prepared in this manner has a structure by repulsive force between oxygen atoms in a charged state. There is a problem in that it becomes unstable while expanding and the cycle characteristics are seriously deteriorated by repetition of charge and discharge.

둘째, LiNiO2은 저장 또는 사이클 동안 과량의 가스가 발생하는 문제가 있는 바, 이는 결정 구조를 잘 형성시키기 위해 LiNiO2계 산화물을 제조하는 과정에서 Li 소스를 과잉으로 넣고 열처리하기 때문에 반응 잔류물로서 Li2CO3, LiOH 등의 수용성 염기가 1차 입자 사이에 남아, 충전시에 이들이 분해되거나 전해액과 반응하여 CO2 가스를 발생시키기 때문이다. 또한, LiNiO2 입자는 특히 1차 입자가 응집된 2차 입자의 구조를 가지고 있기 때문에 전해액이 접촉하는 면적이 커서 이러한 현상이 더욱 심각해지고, 그에 따라 전지의 스웰링(swelling) 현상을 발생시키며, 고온 안전성을 저하시키는 문제점을 가지고 있다. Secondly, LiNiO 2 has a problem in that excess gas is generated during storage or cycle, which is a reaction residue because an excessive amount of Li source is added and heat-treated during the production of LiNiO 2 based oxide to form a crystal structure well. This is because water-soluble bases such as Li 2 CO 3 , LiOH and the like remain between the primary particles, and when they are charged, they decompose or react with the electrolyte to generate CO 2 gas. In addition, since LiNiO 2 particles have a structure of secondary particles in which primary particles are agglomerated, the area of contact of the electrolyte solution is large, and this phenomenon becomes more serious, thereby causing swelling of the battery. It has a problem of degrading high temperature safety.

셋째, LiNiO2는 공기와 습기에 노출되었을 때 표면에서 내화학성이 급격히 저하되고, 높은 pH로 인해 NMP-PVDF 슬러리가 중합되기 시작하면서 슬러리의 겔화가 발생하는 문제가 있다. 이러한 특성들은 전지를 생산하는 동안 심각한 공정상의 문제를 유발한다. Third, LiNiO 2 has a problem in that the chemical resistance is sharply lowered at the surface when exposed to air and moisture, and gelation of the slurry occurs as the NMP-PVDF slurry starts to polymerize due to high pH. These properties cause serious process problems during cell production.

넷째, 양질의 LiNiO2는 LiCoO2의 생산에 사용된 것과 같은 간단한 고상 반응으로는 생산될 수 없고, 필수 도펀트인 코발트와 그 외 도펀트인 망간, 알루미늄 등을 포함하는 LiNiMeO2(Me=Co, Mn, Al) 양극 활물질들은 LiOHH2O와 같은 리튬 원료와 혼합 전이금속 수산화물을 산소나 합성 가스 분위기(즉, CO2 결핍 분위기)에서 반응시켜 생산되므로 일반적으로 제조비용이 높다. 또한, LiNiO2의 제조시 불순물을 제거하기 위해 세척이나 코팅과 같은 부가적 단계를 거치는 경우, 생산비용이 더욱 증가한다. Fourthly, high quality LiNiO 2 cannot be produced by simple solid phase reactions such as those used in the production of LiCoO 2 , and contain LiNiMeO 2 (Me = Co, Mn) containing cobalt as an essential dopant, manganese as other dopants, and aluminum. , Al) Cathode active materials are generally expensive because they are produced by reacting a lithium raw material such as LiOHH 2 O and a mixed transition metal hydroxide in an oxygen or syngas atmosphere (ie, a CO 2 deficient atmosphere). In addition, the production costs are further increased when additional steps such as washing or coating are carried out to remove impurities in the production of LiNiO 2 .

이러한 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명은 하기 설명하는 바와 같이, 특정한 조성식을 갖고 가역적 리튬층에 혼합 전이금속 산화물 층으로부터 유래된 일부 Ni 이온이 삽입되어 이들을 상호 결합하고 있는 신규한 구조의 리튬 혼합 전이금 속 산화물을 제공한다. To solve these problems, the present invention provides some Ni derived from a mixed transition metal oxide layer in a reversible lithium layer with a specific compositional formula, as described below. The ions are inserted to provide oxides in the lithium mixed transition metal of the novel structure which are bonded to each other.

이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2004-281253호, 제2005-150057호 및 제2005-310744호에는, 조성식 LiaMnxNiyMzO2 [M=Co, Al]이고, 1≤a≤1.2, 0≤x≤0.65, 0.35≤y≤1, 0≤z≤0.65의 범위이며, x+y+z=1인 산화물이 개시되어 있다. 상기 산화물은 조성 범위에 있어서 본 발명과 부분적으로 중복되지만, 본 발명자들이 수행한 실험에 의하면, 본 발명의 리튬 혼합 전이금속 산화물과는 다른 구조, 즉, 가역적 리튬 층에 니켈 이온이 일부 삽입된 구조를 갖지 않고 탄산 리튬 등의 불순물을 다량 포함함으로써, 고온에서의 가스발생 이 심각할 뿐만 아니라, 구조적 안정성에 심각한 문제가 있는 것으로 확인되었다. In this regard, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2004-281253, 2005-150057, and 2005-310744 describe the composition formula Li a Mn x Ni y M z O 2 [M = Co, Al], where 1≤a An oxide having a range of? 1.2, 0? X? 0.65, 0.35? Y? 1, 0? Z? 0.65, and x + y + z = 1 is disclosed. The oxide is partially overlapped with the present invention in the composition range, but according to the experiments performed by the present inventors, a structure different from the lithium mixed transition metal oxide of the present invention, that is, a structure in which nickel ions are partially inserted into the reversible lithium layer By including a large amount of impurities such as lithium carbonate without having a high temperature, it was confirmed that not only gas generation at a high temperature was serious but also serious problems in structural stability.

따라서, 고용량화에 적합한 리튬 니켈계 양극 활물질을 이용하면서도 결정구조가 안정적이고, 불순물이 적어 고온 안전성을 달성할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다. Therefore, while using a lithium nickel-based positive electrode active material suitable for high capacity, the crystal structure is stable, there is a high need for a technology capable of achieving high temperature safety with few impurities.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 리튬 혼합 전이금속 산화물이 이하에서와 설명하는 바와 같이 소정의 조성과 원자단위의 특정한 조직 구조를 가지는 경우, 충방전시 결정구조의 안정성이 향상되어 열안정 성이 우수하고, 고용량이면서 높은 사이클 안정성을 발휘할 수 있음을 발견하였다. 더욱이, 이러한 리튬 혼합 전이금속 산화물은 실질적으로 수용성 염기를 포함하지 않는 상태로 제조될 수 있으므로, 우수한 저장 안정성, 가스 발생의 감소 및 이로 인한 고온 안전성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량생산이 가능함을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present application, after in-depth study and various experiments, the stability of the crystal structure during charging and discharging when the lithium mixed transition metal oxide has a specific composition and a specific structure of atomic units as described below. As a result, it was found that the thermal stability is excellent and high cycle stability can be obtained with high capacity. In addition, since the lithium mixed transition metal oxide can be prepared in a substantially free state of water-soluble base, it has been confirmed that the excellent storage stability, the reduction of gas generation and the high temperature safety resulting from this, and mass production at low cost is possible. The present invention has been completed.

따라서, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은, 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 가지고, 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')들 사이로 리튬 이온이 흡장 및 방출되며, 상기 리튬 이온의 흡장 및 방출 층('가역적 리튬층')에는 MO층으로부터 유래된 일부 Ni 이온이 삽입되어 MO층들을 상호 결합하고 있는 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물에 관한 것이다. Accordingly, the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention has a composition represented by the following Chemical Formula 1, and lithium ions are occluded and released between the mixed transition metal oxide layers ('MO layer'), and the lithium ions are occluded and released. The layer ('reversible lithium layer') contains some Ni derived from the MO layer. It relates to a lithium mixed transition metal oxide characterized in that the ions are inserted to bond the MO layers to each other.

LixMyO2 (1)Li x M y O 2 (1)

상기 식에서, Where

M = M'1 - kAk이고, 여기서, M = M ' 1 - k A k , where

M'는 Ni1 -a-b(Ni1 /2Mn1 /2)aCob로서, 0.65≤a+b≤0.85 및 0.1≤b≤0.4 이며;M 'is Ni 1 -ab (Ni 1/2 Mn 1/2) a a Co b, 0.65≤a + b≤0.85, and 0.1≤b≤0.4, and;

A 는 도펀트이고;A is a dopant;

0≤k<0.05; 및0 ≦ k <0.05; And

x+y≒2로서 0.95≤x≤1.05 이다. As x + y ≒ 2, 0.95 ≦ x ≦ 1.05.

종래의 리튬 혼합 전이금속 산화물은 도 1에서와 같은 층상 결정 구조를 가지고, MO층들 사이로 리튬이 삽입 또는 탈리되면서 충전과 방전을 수행한다. 그러나, 이러한 구조의 산화물을 양극 활물질로서 사용하는 경우, 충전 상태에서 가역적 리튬층으로부터 리튬이 탈리되면 MO층의 산소 원자들간 반발력에 의해 결정 구조가 팽창하면서 불안정해지고, 이에 따라 충방전 반복에 의해 결정구조가 변화함으로써, 용량 및 사이클 특성이 급격히 감소되는 문제가 있었다. The conventional lithium mixed transition metal oxide has a layered crystal structure as shown in FIG. 1, and performs charging and discharging as lithium is inserted or desorbed between MO layers. However, when an oxide having such a structure is used as the positive electrode active material, when lithium is detached from the reversible lithium layer in a charged state, the crystal structure expands and becomes unstable due to repulsion between oxygen atoms in the MO layer, and thus is determined by charge and discharge repetition. As the structure changes, there is a problem that the capacity and cycle characteristics are drastically reduced.

이에, 본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 수행하여, 도 2에서와 같이, 일부 니켈이 가역적 리튬층으로 내려와 고정되는 경우, 리튬의 흡장 및 방출이 방해를 받게 될 것이라는 종래의 통념과는 달리, 오히려 결정구조가 안정화되어 리튬의 흡장 및 방출에 의해 결정구조가 붕괴되는 문제점을 방지할 수 있음을 확인하였다. 이에 따라, 산소 탈리에 의한 추가적인 구조 붕괴가 일어나지 않고 더 이상의 Ni2+의 발생을 방지함으로써 수명특성과 안전성이 동시에 향상되는 바, 전지 용량 및 사이클 특성이 크게 향상될 수 있고, 소망하는 수준의 레이트 특성을 발휘할 수 있다. 이러한 본 발명의 개념은 종래의 관념을 완전히 뒤엎는 획기적인 것이라 할 수 있다. Accordingly, the inventors of the present application perform in-depth studies and various experiments, and as shown in FIG. 2, when some nickel is lowered into the reversible lithium layer and fixed, the occlusion and release of lithium will be disturbed. On the contrary, it was confirmed that the crystal structure can be stabilized to prevent the problem that the crystal structure collapses due to occlusion and release of lithium. As a result, further structural collapse due to oxygen desorption does not occur, and further generation of Ni 2+ is prevented, thereby improving the lifespan characteristics and safety, and thus greatly improving the battery capacity and cycle characteristics. Can exhibit characteristics. This concept of the present invention can be said to be a breakthrough completely overturning the conventional concept.

즉, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은, 가역적 리튬층에 일부 Ni 이온이 삽입되어 있어서, 충전 과정에서 리튬이 방출되는 경우에도 상기 가역적 리튬층에 삽입되어 있는 Ni 이온의 산화수 값이 유지되면서 결정 구조의 붕괴가 발생하지 않고, 잘 발달된 층상 구조를 유지할 수 있다. 따라서, 이러한 구조의 리튬 혼합 전이금속 산화물을 양극 활물질로서 포함하는 전지는 고용량이고 높은 사이클 안정성을 발휘할 수 있다. That is, the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention is partially Ni in the reversible lithium layer. Since the ions are inserted, even when lithium is released during the charging process, the oxidation number of the Ni ions inserted into the reversible lithium layer is maintained while the crystal structure is not collapsed, and the well-developed layered structure can be maintained. Therefore, a battery including a lithium mixed transition metal oxide having such a structure as a positive electrode active material can exhibit high capacity and high cycle stability.

더욱이, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은 제조과정에서 상대적으로 높은 온도의 소결시에도 결정 구조가 안정적으로 유지되는 바, 열 안정성이 매우 우수하다. Moreover, the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention has a very good thermal stability because the crystal structure is stably maintained even during sintering at a relatively high temperature in the manufacturing process.

일반적으로, 종래 니켈 고함량의 LiMO2를 미량의 CO2를 포함하는 공기 중에서 고온 소결하면, 하기 식에서와 같이 Ni3+이 감소하면서 분해되고, 이 과정에서 Li2CO3 불순물이 증가한다. In general, when the high-temperature sintering of LiMO 2 having a high nickel content in air containing a small amount of CO 2 is carried out, Ni 3+ decomposes as shown in the following equation, and Li 2 CO 3 impurities are increased in this process.

LiM3 + O2 + CO2a Li1 - xM1 +x 3+,2+ O2 + b Li2CO3 + c O2 LiM 3 + O 2 + CO 2a Li 1 - x M 1 + x 3 +, 2 + O 2 + b Li 2 CO 3 + c O 2

또한, 양이온 혼합(cation mixing) 및 격자 상수가 증가하고, c : a 비율이 감소하는 등 결정 구조의 계속적인 열화가 나타나게 되며, 용융된 Li2CO3는 입자들을 분리시키는 바, 1차 입자들이 접촉 상태를 잃게 되어 2차 입자가 붕괴된다. In addition, there is continuous deterioration of the crystal structure, such as increased cation mixing and lattice constants, and a reduced c: a ratio. The molten Li 2 CO 3 separates the particles. Loss of contact causes secondary particles to collapse.

그러나, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은 원자단위 조직 구조의 안정성으로 인해, 공기 분위기에서 고온 소결을 수행하는 경우에도 상기 식과 같은 공기 분위기에서의 Ni3+의 감소 및 분해로 인한 산소 결핍에 의해 발생하는 Li2CO3 불순물이 형성되지 않고, 결정 구조의 열화가 발생하지 않는다. 또한, 리튬 소스를 과잉 첨가하여 제조하지 않아도 되므로, 실질적으로 수용성 염기들이 존재하지 않는다. 따라서, 우수한 저장 안정성, 가스 발생의 감소 및 이로 인한 고온 안전성이 우수하며 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하다. However, the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention, due to the stability of the atomic structure, the oxygen deficiency due to the reduction and decomposition of Ni 3+ in the air atmosphere as described above even when performing high temperature sintering in the air atmosphere. Li 2 CO 3 impurities do not form, and deterioration of the crystal structure does not occur. In addition, since there is no need to make an excessive addition of the lithium source, substantially water-soluble bases are not present. Therefore, excellent storage stability, reduction of gas generation and thereby high temperature safety are excellent and mass production is possible at low cost.

이하, 본 명세서에서는 경우에 따라, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물을 'LiNiMO2'로 표현하기도 하고, 가역적 리튬층에 삽입되어 결합되는 Ni를 '삽입된 Ni'로 표현하기도 한다. 따라서, 상기 LiNiMO2 중의 NiM은 화학식 1에서 Ni, Mn 및 Co의 복합적인 조성을 함축적으로 표현한 표기이다.Hereinafter, in this specification, in some cases, the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention may be referred to as 'LiNiMO 2 ', or Ni inserted into the reversible lithium layer may be referred to as 'inserted Ni'. Therefore, NiM in LiNiMO 2 is a notation expressing the complex composition of Ni, Mn and Co in the formula (1).

하나의 바람직한 예에서, 상기 리튬 혼합 전이금속 산화물에서 MO층에는 Ni2+와 Ni3+가 공존하고 있고, 그 중 일부 Ni2+가 가역적 리튬층에 삽입되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 이러한 구조에서 가역적 리튬층에 삽입된 Ni 이온은 모두 Ni2+이고 충전 과정에서 이온의 산화수 값이 변하지 않는다.In one preferred embodiment, in the lithium mixed transition metal oxide Ni 2+ and Ni 3+ coexist in the MO layer, some of the Ni 2+ may have a structure inserted into the reversible lithium layer. That is, in this structure, the Ni ions inserted into the reversible lithium layer are all Ni 2+ and the oxidation number value of the ions does not change during the charging process.

구체적으로, 니켈 과잉의 리튬 혼합 전이금속 산화물에서 Ni2 +와 Ni3 +가 공존할 때, 소정의 조건(반응 분위기, Li의 함량 등) 하에서 산소 원자 결핍 상태가 존재하게 되고, 그에 따라 Ni의 산화수 값이 변화되면서 일부 Ni2+가 가역적 리튬층으로 삽입될 수 있다. In particular, when the lithium mixed transition metal oxide of nickel over coexist Ni 2 + and Ni 3 +, and to an oxygen atom deficiency exists under a predetermined condition (reaction atmosphere, the amount of Li and the like), the Ni accordingly As the oxidation number value changes, some Ni 2+ may be inserted into the reversible lithium layer.

상기 리튬 혼합 전이금속 산화물의 조성은, 하기 식들과 같이 표현될 수 있는, 상기 화학식 1로 정의되는 특정 조건을 만족시켜야 한다.The composition of the lithium mixed transition metal oxide should satisfy certain conditions defined by Chemical Formula 1, which may be expressed as in the following formulas.

(i) Ni1-(a+b)(Ni1/2Mn1/2)aCob 및 0.65≤a+b≤0.85(i) Ni 1- (a + b) ( Ni 1/2 Mn 1/2 ) a Co b and 0.65 ≦ a + b ≦ 0.85

(ii) 0.1≤b≤0.4(ii) 0.1 ≦ b ≦ 0.4

(iii) x+y≒2 및 0.95≤x≤1.05(iii) x + y ≒ 2 and 0.95 ≦ x ≦ 1.05

상기 조건 (i)과 관련하여, 상기 Ni1-(a+b)는 Ni3+의 함량을 의미하는 바, Ni3+의 몰분율이 0.35를 초과하는 경우(a+b < 0.65인 경우), Li2CO3를 원료로서 사용하여 공기 중에서 양산 규모로 제조될 수 없고, 산소 분위기 중에서 LiOH를 원료로서 사용하여 제조해야 하므로 생산 효율이 저하되어 제조 비용이 상승하는 문제가 있다. 반면에, Ni3+의 함량이 0.15 미만인 경우 (a+b > 0.85인 경우)에는 LiNiMO2 부피당 용량이 LiCoO2와 비교할 때 경쟁력이 없게 된다. With respect to the condition (i), the Ni 1- (a + b) is when the mole fraction of the bar, Ni 3+, which means the content of Ni 3+ exceeds 0.35 (a + b <0.65 in the case), Since Li 2 CO 3 as a raw material cannot be manufactured on a mass production scale in air, and LiOH must be used as a raw material in an oxygen atmosphere, production efficiency is lowered and manufacturing costs are increased. On the other hand, when the Ni 3+ content is less than 0.15 (a + b> 0.85), the content of LiNiMO 2 The capacity per volume is not competitive compared to LiCoO 2 .

한편, 상기 조건 (i) 및 (ii)를 함께 고려할 때, 본 발명에 따른 LiNiMO2에서 Ni2+와 Ni3+를 포함한 상기 Ni의 전체 몰분율은 바람직하게는 망간 및 코발트에 비해 상대적으로 니켈 과잉의 조성으로서 0.4 ~ 0.7 일 수 있다. 니켈의 함량이 너무 적은 경우에는 높은 용량을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 많은 경우에는 안전성이 크게 저하될 수 있다. 결과적으로, 리튬 코발트계 산화물에 비해 체적용량이 크고 원료 비용이 낮다. On the other hand, considering the above conditions (i) and (ii) together, the total mole fraction of Ni including Ni 2+ and Ni 3+ in LiNiMO 2 according to the present invention is preferably nickel excess relative to manganese and cobalt. The composition may be 0.4 to 0.7. When the content of nickel is too small, it is difficult to expect a high capacity, on the contrary, when too much, the safety may be greatly reduced. As a result, the volumetric capacity is large and the raw material cost is lower than that of lithium cobalt oxide.

또한, 상기 Ni 함량에 대한 Ni2+의 몰분율이 너무 높으면 양이온 혼합이 증가하여 국부적으로 전기화학적으로 반응이 없는 암염구조(Rock salt Structure)가 형성되므로 충전 및 방전을 방해할 뿐만 아니라 이에 따라 방전 용량이 감소될 수 있 다. 반면에, Ni2+의 몰분율이 너무 낮으면 구조적인 불안정이 증가하여 사이클 안정성이 저하될 수 있는 바, 이를 고려하여 적절히 조절할 수 있으며, 바람직하게는 도 3에 나타난 범위 내에서, Ni2+의 몰분율은 Ni 의 전체 함량에 대하여 0.05 ~ 0.4일 수 있다. In addition, if the mole fraction of Ni 2+ with respect to the Ni content is too high, the cation mixing is increased to form a rock salt structure that does not locally react electrochemically, thus preventing charging and discharging, and thus discharging capacity. This can be reduced. On the other hand, if the mole fraction of Ni 2+ in too low structural instability increases and bars in the cycle stability can be reduced, and can be appropriately adjusted in consideration of this, preferably, in the range shown in Figure 3, the Ni 2+ The mole fraction may be 0.05 to 0.4 with respect to the total content of Ni.

따라서, 상기 삽입된 Ni2+는 MO층들 간에 삽입되어 이들을 지지하는 역할을 수행하는 바 소망하는 충전 안정성 및 사이클 안정성의 향상을 발휘할 수 있도록, 적어도 MO층 사이를 안정적으로 지지할 수 있는 정도로 함유되는 것이 바람직하고, 그와 동시에, 가역적 리튬층에서 리튬 이온의 흡장 및 방출에 방해가 되지 않을 정도로 삽입됨으로써 레이트 특성을 저하시키지 않을 필요가 있다. 이러한 점을 종합적으로 고려할 때, 상기 가역적 리튬층에 삽입되어 결합되는 Ni2+의 몰분율은 바람직하게는 상기 Ni 전체 함량을 기준으로 0.03 ~ 0.07 일 수 있다. Therefore, the inserted Ni 2+ is intercalated between the MO layers to serve to support them, so that the Ni 2+ may be contained at least enough to stably support the MO layers so that the desired charging and cycle stability can be improved. It is preferable that the rate characteristic is not decreased by being inserted to such an extent that it does not interfere with the occlusion and release of lithium ions in the reversible lithium layer. Considering this point as a whole, the mole fraction of Ni 2+ inserted and bonded to the reversible lithium layer may be preferably 0.03 to 0.07 based on the total Ni content.

상기 Ni2+의 함량이나 삽입된 Ni2+의 함량은, 예를 들어, 소결 분위기, 리튬의 함량 등을 조절함으로써 결정될 수 있는 바, 소결 분위기 중의 산소 농도가 높을 경우 상대적으로 Ni2+의 함량이 적어지게 된다. The content of the content or inserting the Ni 2+ of the Ni 2+ is, for example, the content of Ni 2+ if relatively higher the bar, oxygen concentration in the sintering atmosphere, which may be determined by controlling the sintering atmosphere, the content of lithium, such as Will be less.

상기 조건 (ii)와 관련하여, 코발트의 함량 (b)은 0.1 ~ 0.4인 바, b > 0.4으로 코발트의 함량이 지나치게 높은 경우, 코발트의 높은 함량으로 인해 원료 물질의 비용이 전체적으로 증가하고 가역 용량이 다소 감소한다. 반면에, 코발트의 함량이 지나치게 낮은 경우(b < 0.1)에는 충분한 레이트 특성과 전지의 높은 분말 밀도를 동시에 달성하기 어렵다. In relation to the above condition (ii), the cobalt content (b) is 0.1 to 0.4, and when the cobalt content is too high at b> 0.4, the high content of cobalt increases the overall cost of the raw material and reversible capacity. This decreases somewhat. On the other hand, when the content of cobalt is too low (b <0.1), it is difficult to simultaneously achieve sufficient rate characteristics and high powder density of the battery.

상기 조건 (iii)과 관련하여, 리튬의 함량이 지나치게 높은 경우, 즉, x > 1.05인 경우, 특히 T=60℃에서 고전압(U = 4.35 V)으로 사이클 동안에 안정성이 낮아질 수 있으므로 문제가 있다. 반면에, 리튬의 함량이 지나치게 낮으면, 즉, x < 0.95인 경우에는 낮은 레이트 특성을 나타내고, 가역 용량이 감소될 수 있다. Regarding the above condition (iii), there is a problem when the content of lithium is too high, that is, when x> 1.05, in particular, the stability may be lowered during the cycle at a high voltage (U = 4.35 V) at T = 60 ° C. On the other hand, when the content of lithium is too low, that is, when x <0.95, it shows low rate characteristics, and the reversible capacity can be reduced.

또한, 상기 LiNiMO2는 선택적으로 미량의 도펀트를 더 포함할 수 있다. 상기 도펀트는, 예를 들어, 결정구조에 합체되는 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 등일 수 있다. 또한, B, Ca, Zr, F, P, Bi, Al, Mg, Zn, Sr, Ga, In, Ge, Sn 등의 기타 도펀트들이 결정구조에 합체되지 않고 그것의 입계 상에 축적되거나 표면에 코팅되어 포함될 수 있다. 이들 도펀트들의 도핑 수치는 가역 용량을 현저히 저하시키지 않으면서, 전지의 안전성, 용량 및 과충전 안정성을 증가시킬 수 있는 정도로 포함되어야 하는 바, 화학식 1에서 정의된 바와 같이, 5% 미만(k < 0.05)으로 포함된다. 또한, 가역 용량을 저하시킴이 없이 안정성을 향상시킬 수 있는 범위에서 상기 도펀트들은 바람직하게는 <1%로 가해질 수 있다. In addition, the LiNiMO 2 may optionally further include a trace amount of dopant. The dopant may be, for example, aluminum, titanium, magnesium, or the like incorporated in a crystal structure. In addition, other dopants such as B, Ca, Zr, F, P, Bi, Al, Mg, Zn, Sr, Ga, In, Ge, Sn, etc. do not coalesce into the crystal structure and accumulate on its grain boundaries or are coated on the surface. Can be included. Doping values of these dopants should be included to an extent that can increase the safety, capacity and overcharge stability of the cell without significantly lowering the reversible capacity, as defined in Formula 1, below 5% (k <0.05) It is included. Further, the dopants may be preferably added at <1% in a range capable of improving stability without lowering the reversible capacity.

상기 전이금속(M)에 대한 Li의 비(Li/M)가 낮아질수록 MO층에 삽입된 Ni의 양이 점점 증가하게 되는 바, 너무 많은 양이 가역적 리튬층으로 내려올 경우, 충전 및 방전 과정에서 Li+의 움직임이 방해를 받아 가역 용량이 감소되거나 레이트 특성이 저하되는 문제점이 있다. 반대로, Li/M의 비가 너무 높은 경우, MO층에 삽 입된 Ni의 양이 너무 작아 구조적으로 불안정이 유발되어 전지의 안전성이 저하하고 수명 특성이 나빠질 수 있으므로 바람직하지 않다. 더욱이, 지나치게 높은 Li/M의 값에서는 미반응 Li2CO3의 양이 많아져 pH 적정 값이 높게 나타나는 바, 즉, 불순물이 다량 생성되므로 내화학성 및 고온 안정성이 저하될 수 있다. 따라서, 하나의 바람직한 예에서, 상기 LiNiMO2에서 Li : M의 비율은 0.95 ~ 1.04 : 1 일 수 있다. As the ratio of Li to Li (M) to the transition metal (M) is lowered, the amount of Ni inserted into the MO layer is gradually increased. When too much amount is lowered into the reversible lithium layer, There is a problem in that the movement of Li + is disturbed and the reversible capacity is reduced or the rate characteristic is lowered. On the contrary, when the ratio of Li / M is too high, the amount of Ni inserted in the MO layer is too small to cause structural instability, which may lower the safety of the battery and deteriorate the life characteristics. In addition, when the value of Li / M is too high, the amount of unreacted Li 2 CO 3 is increased so that the pH proper value is high. That is, since a large amount of impurities are generated, chemical resistance and high temperature stability may be lowered. Therefore, in one preferred example, the ratio of Li: M in the LiNiMO 2 may be 0.95 to 1.04: 1.

하나의 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은 불순물로서 수용성 염기, 특히 Li2CO3가 실질적으로 포함되어 있지 않다.In one preferred embodiment, the lithium mixed transition metal oxide according to the invention is substantially free of water soluble bases, in particular Li 2 CO 3 , as impurities.

일반적으로 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물에는 리튬 산화물, 황산 리튬, 탄산 리튬 등의 수용성 염기가 다량 포함되어 있는 바, 이러한 수용성 염기는 첫째, LiNiMO2에 존재하는 Li2CO3, LiOH 등과 같은 염기일 수 있고, 둘째, LiNiMO2 표면에서의 이온교환(H+ (물) ← → Li+ (표면, 벌크의 외면))에 의해 생성된 염기일 수 있다. 후자의 경우는 통상 무시할 수 있는 수준이다. In general, nickel-based lithium mixed transition metal oxides contain a large amount of water-soluble bases such as lithium oxide, lithium sulfate, and lithium carbonate. The water-soluble bases may be, for example, bases such as Li 2 CO 3 and LiOH present in LiNiMO 2 . And second, a base produced by ion exchange (H + (water) ← → Li + (surface, outer surface of the bulk)) on the LiNiMO 2 surface. The latter case is usually negligible.

상기 첫 번째 수용성 염기는 주로 소결시의 미반응 리튬 원료로 인해 형성된다. 이는, 종래 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물의 층상 결정 구조의 붕괴를 방지하기 위해 상대적으로 많은 양의 리튬을 첨가하고 저온에서 소결하였는 바, 코발트계 산화물에 비해 상대적으로 많은 입계를 가지게 되고, 소결시 리튬 이온이 충분하게 반응하지 못하기 때문이다. The first water soluble base is mainly formed due to the unreacted lithium raw material upon sintering. In order to prevent the collapse of the layered crystal structure of the conventional nickel-based lithium mixed transition metal oxide, since a relatively large amount of lithium is added and sintered at low temperature, it has a relatively larger grain boundary than cobalt-based oxide. This is because lithium ions do not react sufficiently.

반면에, 본 발명에 따른 LiNiMO2에는, 앞서 설명한 바와 같이, 층상 결정구조가 안정적으로 유지되므로, 공기 분위기에서 상대적으로 고온의 소결 공정을 수행할 수 있어서, 상대적으로 적은 결정 입계를 갖는다. 또한, 미반응 리튬이 입자 표면에 잔류하는 것이 방지됨으로써, 입자 표면에 탄산 리튬, 황산 리튬 등의 리튬염이 실질적으로 존재하지 않는다. 또한, LiNiMO2의 제조시 리튬 소스를 과잉 첨가할 필요가 없으므로, 분말 내 잔류하는 미반응 리튬 소스로 인해 불순물들이 형성되는 문제점을 근본적으로 방지할 수 있다. On the other hand, LiNiMO 2 according to the present invention, as described above, since the layered crystal structure is stably maintained, it is possible to perform a relatively high temperature sintering process in the air atmosphere, and has a relatively small grain boundaries. In addition, since unreacted lithium is prevented from remaining on the particle surface, lithium salts such as lithium carbonate and lithium sulfate are substantially not present on the particle surface. In addition, since the lithium source does not need to be excessively added in the production of LiNiMO 2 , it is possible to fundamentally prevent a problem that impurities are formed due to the unreacted lithium source remaining in the powder.

따라서, 수용성 염기가 존재하는 경우에 발생할 수 있는 많은 문제점들, 특히 고온에서 전해액의 분해 반응을 촉진하여 가스를 발생시킴으로써 전지의 안전성을 해치는 문제를 근본적으로 해결할 수 있다. Therefore, it is possible to fundamentally solve many problems that may occur when a water-soluble base is present, particularly a problem that impairs the safety of the battery by promoting the decomposition reaction of the electrolyte at a high temperature to generate gas.

본 발명에서, 상기 "수용성 염기가 실질적으로 포함되어 있지 않다"는 것은, 바람직하게는, 리튬 혼합 전이금속 산화물이 포함된 용액 200 ml를 0.1M HCl로 적정하여 pH 5 이하에 도달하기 위해 사용된 HCl 용액이 20 ml 미만으로 소모되는 정도일 수 있고, 더욱 바람직하게는 10 ml 미만으로 소모되는 정도일 수 있다. 여기서, 상기 200 ml의 용액은 실질적으로 리튬 혼합 전이금속 산화물 중의 모든 수용성 염기를 포함하고 있고, 10 g의 리튬 혼합 전이금속 산화물에 대한 반복적인 소킹(soaking)과 디켄팅(decanting)에 의해 제조된다. In the present invention, "substantially free of water-soluble base" is preferably used to titrate 200 ml of a solution containing a lithium mixed transition metal oxide with 0.1 M HCl to reach pH 5 or less. The HCl solution may be consumed to less than 20 ml, more preferably less than 10 ml. Here, the 200 ml solution contains substantially all of the water soluble bases in the lithium mixed transition metal oxide and is prepared by repeated soaking and decanting on 10 g of the lithium mixed transition metal oxide. .

더욱 구체적으로, 우선, 양극 활물질 분말 5 g을 물 25 ml에 넣고 간단히 교반한 후, 소킹과 디켄팅에 의해 투명 용액 약 20 ml를 분말로부터 분리하여, 투명 용액을 모은다. 다시, 약 20 ml의 물을 분말에 가하여 교반하며, 디켄팅한 후 모은다. 소킹과 디케팅을 적어도 5 번 더 반복한다. 이런 방식으로, 수용성 염기를 함유한 총 100 ml의 투명 용액을 모은다. 0.1M HCl 용액을 상기 용액에 가하여 교반하면서 pH 적정을 수행하고, 시간 함수로 pH 프로파일을 기록한다. 실험은 pH=3 이하의 값에 도달할 때 종료하고, 유속은 적정이 약 20 ~ 30 분 소요되는 범위에서 선택할 수 있다. 수용성 염기의 함량은 pH 5 이하에 도달할 때까지 사용된 산의 양으로 주어진다. More specifically, first, 5 g of the positive electrode active material powder is added to 25 ml of water and briefly stirred, and about 20 ml of the transparent solution is separated from the powder by soaking and decanting to collect the transparent solution. Again, about 20 ml of water is added to the powder, stirred, decanted and collected. Repeat soaking and decking at least five more times. In this way, a total of 100 ml of clear solution containing water soluble bases are collected. 0.1 M HCl solution is added to the solution to perform pH titration with stirring and the pH profile is recorded as a function of time. The experiment ends when the value reaches pH = 3 or less, and the flow rate can be selected in the range where the titration takes about 20-30 minutes. The content of water soluble base is given by the amount of acid used until pH 5 or below is reached.

이러한 방식으로 상기 분말에 포함된 수용성 염기의 함량을 측정할 수 있으며, 이 경우, 물속에 분말을 넣는 총 시간 등과 같은 변수들에는 크게 영향을 받지 않는다. In this way it is possible to determine the content of the water-soluble base contained in the powder, in which case it is not significantly affected by variables such as the total time to put the powder in water.

본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제조하는 방법은 바람직하게는 산소 결핍분위기에서 제조될 수 있다. 산소 결핍분위기는 바람직하게는 산소 농도가 10 ~ 50%, 더욱 바람직하게는 10 내지 30%인 분위기일 수 있다. 특히 바람직하게는, 공기 분위기에서 Li2CO3과 혼합 전이금속 전구체를 고상 반응시켜 제조할 수 있다. 따라서, 종래기술에서와 같이, 산소 분위기 중에서 LiOH와 각각의 전이금속 전구체를 첨가하여 혼합 및 소결하여 제조함에 따른 제조 비용의 상승과 수용성 염기 등이 다수 존재하는 등의 문제점도 해결할 수 있다. 즉, 저렴하고 취급이 용이한 원료물질을 사용하여 공기 중에서 간단한 고상 반응을 통해 소정의 조성을 갖는 니켈 고함량의 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제조할 수 있으므로, 제조 비용을 크 게 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 생산 효율로 대량 생산이 가능하다.The method for producing a lithium mixed transition metal oxide according to the present invention may preferably be prepared in an oxygen deficient atmosphere. The oxygen depletion atmosphere may be an atmosphere having an oxygen concentration of preferably 10 to 50%, more preferably 10 to 30%. Preferably, there in air Li 2 CO 3 and the mixture transition can be produced by solid state reaction of a metal precursor. Therefore, as in the prior art, it is also possible to solve problems such as the increase in manufacturing cost and the presence of a large number of water-soluble bases, which are produced by mixing and sintering LiOH and the respective transition metal precursors in an oxygen atmosphere. That is, by using a low cost and easy to handle raw material, it is possible to manufacture a nickel-containing lithium-containing transition metal oxide having a predetermined composition through a simple solid phase reaction in the air, thereby greatly reducing manufacturing costs. Therefore, mass production is possible with high production efficiency.

즉, 종래기술에서는 열동력학적 한계로 인해 미량의 이산화탄소를 포함하는 공기 중에서는 니켈 고함량의 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제조할 수 없었다. 또한, 종래기술에서는 Li2CO3를 전구체로 사용하는 경우, Li2CO3의 분해로 CO2가 발생하고 이는 낮은 분압에서도 Li2CO3의 추가적 분해를 열역학적으로 방해하여 반응이 더 이상 진행되지 않는 등의 문제가 발생하였으므로, 실제 제조 공정에서 Li2CO3가 전구체로 사용되지는 못하였다. That is, in the prior art, due to thermodynamic limitations, it is not possible to produce a nickel mixed transition metal oxide having a high nickel content in air containing a small amount of carbon dioxide. In addition, the prior art case of using the Li 2 CO 3 as a precursor, CO 2 is generated by decomposition of the Li 2 CO 3, and which not proceed the reaction more than at low partial pressure to hinder the further decomposition of the Li 2 CO 3 thermodynamically Since a problem such as not being generated, Li 2 CO 3 was not used as a precursor in the actual manufacturing process.

반면에, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은 반응 원료로서 Li2CO3과 혼합 전이금속 전구체를 사용하고, 산소 결핍분위기, 바람직하게는 공기 중에서 반응시켜 제조할 수 있으므로, 제조 비용이 현저히 절감될 수 있고, 상대적으로 간단한 방법으로 제조되므로 생산 효율이 크게 증가될 수 있다. 이는, 본 발명의 리튬 혼합 전이금속 산화물이 결정 구조가 안정하기 때문에, 고온에서의 소결 안정성, 즉 열동력학적 안정성이 매우 우수하기 때문이다. On the other hand, the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention can be produced by using a mixed transition metal precursor and Li 2 CO 3 as a reaction raw material, and reacted in an oxygen deficient atmosphere, preferably air, significantly reducing the manufacturing cost Can be produced in a relatively simple manner and the production efficiency can be greatly increased. This is because, since the crystal structure of the lithium mixed transition metal oxide of the present invention is stable, the sintering stability at high temperature, that is, the thermodynamic stability is very excellent.

더욱이, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물의 제조시 리튬 원료와 혼합 전이금속 원료는 바람직하게는 0.95 ~ 1.04 : 1의 비율로 첨가될 수 있는 바, 리튬 원료가 과잉 첨가될 필요가 없고, 잔류 리튬 소스로부터 유래된 수용성 염기의 잔존 가능성을 크게 줄일 수 있다.Furthermore, in the production of the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention, the lithium raw material and the mixed transition metal raw material may be preferably added in a ratio of 0.95 to 1.04: 1, so that the lithium raw material does not need to be added excessively and remains The possibility of residual water soluble bases derived from a lithium source can be greatly reduced.

상기 리튬 혼합 전이금속 산화물을 대규모 양산 공정으로 제조시 높은 공기의 순환을 통해 반응이 원활히 수행될 수 있도록, 바람직하게는 최종 리튬 혼합 전 이금속 산화물 1 kg 당 적어도 2 m3(실온에서의 체적)의 공기가 반응기 내부 또는 외부로 펌핑될 수 있다. 이 과정에서, 열 교환기를 사용할 수 있는 바, 배출 공기를 냉각시키면서, 반응기 안으로 들어오는 유입 공기를 예열함으로써 에너지 사용의 효율성을 더욱 높일 수 있다.Preferably, at least 2 m 3 (volume at room temperature) per kg of dimetal oxide prior to final lithium mixing, so that the reaction can be performed smoothly through high air circulation when the lithium mixed transition metal oxide is produced in a large scale mass production process. Air may be pumped into or out of the reactor. In this process, a heat exchanger can be used, which further enhances the efficiency of energy use by preheating the incoming air entering the reactor while cooling the exhaust air.

본 발명은 또한 상기 리튬 니켈계 산화물을 포함하는 것으로 구성된 이차전지용 양극 활물질을 제공한다. The present invention also provides a cathode active material for a secondary battery comprising the lithium nickel-based oxide.

본 발명에 따른 양극 활물질은 상기 소정의 조성 및 특정한 원자단위의 조직 구조를 갖는 리튬 혼합 전이금속 산화물만으로 구성될 수도 있고, 경우에 따라서는 기타 리튬 함유 전이금속 산화물과 함께 구성될 수도 있다. The positive electrode active material according to the present invention may be composed of only a lithium mixed transition metal oxide having the predetermined composition and the structure of a specific atomic unit, and in some cases, may be composed together with other lithium-containing transition metal oxides.

상기 리튬 함유 전이금속 산화물의 예로는, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Examples of the lithium-containing transition metal oxides include layered compounds such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or compounds substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Li 1 + y Mn 2-y O 4 (where y is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2, and the like; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , Cu 2 V 2 O 7 and the like; Ni-site-type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-y M y O 2 , wherein M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, or Ga, and y = 0.01 to 0.3; Formula LiMn 2-y M y O 2 , wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and y = 0.01 to 0.1, or Li 2 Mn 3 MO 8 , where M = Fe, Co, Lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with alkaline earth metal ions; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like, but are not limited to these.

본 발명은 또한 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 리튬 이차전지는 일반적으로 양극, 음극, 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질로 구성되어 있으며 리튬 이차전지를 제조하는 방법은 당업계에 공지되어 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다. The present invention also provides a lithium secondary battery comprising the cathode active material. A lithium secondary battery is generally composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte, and a method of manufacturing a lithium secondary battery is well known in the art, and thus a detailed description thereof is omitted herein.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.The positive electrode is prepared by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder to a positive electrode current collector, followed by drying, and optionally, a filler is further added to the mixture.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소결 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. The positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ㎛. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, a surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used. The current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으 로 1 ~ 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is typically added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. Such a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 ~ 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in bonding the active material, the conductive material, and the like to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery. Examples of the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.The negative electrode is manufactured by coating and drying a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and if necessary, the components as described above may be further included.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소결 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is generally made of a thickness of 3 ~ 500 ㎛. Such a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, aluminum-cadmium alloy, and the like can be used. In addition, like the positive electrode current collector, fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LiyFe2O3(0≤y≤1), LiyWO2(0≤y≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.As said negative electrode active material, For example, carbon, such as hardly graphitized carbon and graphite type carbon; Li y Fe 2 O 3 (0 ≦ y ≦ 1), Li y WO 2 (0 ≦ y ≦ 1), Sn x Me 1-x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 <x ≦ 1; 1 ≦ y ≦ 3; 1 ≦ z ≦ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and metal oxides such as Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based materials and the like can be used.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또 는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 ㎛ ㎛, thickness is generally 5 ~ 300 ㎛. As such a separator, for example, olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or nonwovens made of glass fibers or polyethylene are used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.

상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution consists of an electrolyte solution and a lithium salt, and a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used as the electrolyte solution.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be used.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolytes include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymers containing ionic dissociating groups and the like can be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.

또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.In addition, in the electrolyte solution, for the purpose of improving the charge and discharge characteristics, flame retardancy, etc., for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride and the like may be added. . In some cases, in order to impart nonflammability, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics.

본 발명은 또한, Ni, Mn 및 Co의 혼합 전이금속을 포함하는 리튬 혼합 전이금속 산화물로서, 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')들 사이로 리튬 이온이 흡장 및 방출되며, 상기 리튬 이온의 흡장 및 방출 층('가역적 리튬층')에는 MO층으로부터 유래된 일부 Ni 이온이 삽입되어 MO층들을 상호 결합하고 있는 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제공한다. The present invention also relates to a lithium mixed transition metal oxide including a mixed transition metal of Ni, Mn, and Co, wherein lithium ions are occluded and released between mixed transition metal oxide layers ('MO layers'), and the lithium ions are occluded. And in the emitting layer ('reversible lithium layer') some Ni derived from the MO layer Ions are inserted to provide a lithium mixed transition metal oxide that couples MO layers together.

일반적으로 니켈계 리튬 혼합 전이금속 산화물을 양극 활물질로서 사용하는 경우, 리튬의 흡장 및 방출시에 결정 구조의 붕괴가 발생될 수 있는 바, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은 상기 가역적 리튬층에 삽입된 니켈 이온으로 인해 결정구조가 안정화되어 산소 탈리에 의한 추가적인 구조 붕괴가 일어나지 않고 수명특성과 안전성이 동시에 향상될 수 있다. In general, when a nickel-based lithium mixed transition metal oxide is used as the positive electrode active material, the collapse of the crystal structure may occur when lithium is occluded and released, and the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention may be added to the reversible lithium layer. The inserted nickel ions stabilize the crystal structure, and thus, lifespan characteristics and safety may be simultaneously improved without additional structure collapse due to oxygen desorption.

본 발명은 또한 하기 화학식 2의 조성을 가지고, 리튬 자리에 일부 Ni이 위치한 양이온 혼합(cation mixing) 비율이 Ni의 전체 함량을 기준으로 0.02 내지 0.07로 층상 결정 구조를 안정적으로 지지하는 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제공한다. The present invention also has a composition of formula (2), wherein the proportion of cation mixing (cation mixing) in which some Ni is located in place of lithium stably supports the layered crystal structure from 0.02 to 0.07 based on the total content of Ni It provides a mixed transition metal oxide.

Lix'M"y'A'z'O2 (2)Li x ' M "y' A 'z' O 2 (2)

상기 식에서, Where

0.95≤x'≤1.05, 0≤z'<0.05, x'+y'≒2, y'+z'=1이고, 0.95≤x'≤1.05, 0≤z '<0.05, x' + y '≒ 2, y' + z '= 1,

M"은 Ni, Mn 및 Co의 혼합전이금속이며, M "is a mixed transition metal of Ni, Mn and Co,

A'는 B, Ca, Zr, S, F, P, Bi, Al Mg, Zn, Sr, Cu, Fe, Ga, In, Cr, Ge 및 Sn로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이다. A 'is at least one element selected from the group consisting of B, Ca, Zr, S, F, P, Bi, Al Mg, Zn, Sr, Cu, Fe, Ga, In, Cr, Ge and Sn.

본 발명자들이 실험적으로 확인한 바로는, 충전 안정성 및 사이클 안정성과 레이트 특성을 모두 고려할 때, 양이온 혼합 비율이 0.02 내지 0.07인 경우가 특히 바람직하다. 즉, 양이온 혼합 비율이 상기 범위에서 결정 구조가 더욱 안정적으로 유지될 수 있을 뿐만 아니라, 리튬 이온의 흡장 및 방출을 최대화할 수 있다.From the inventors' experimental confirmation, the case where the cation mixing ratio is 0.02 to 0.07 is particularly preferable in consideration of both charge stability, cycle stability, and rate characteristics. That is, the cation mixing ratio can not only maintain the crystal structure more stably in the above range, but also maximize the occlusion and release of lithium ions.

또한, 상기 화학식 2의 조성을 가지고, 혼합 전이금속(M)에 대한 리튬의 비율이 0.95 ~ 1.04 이며, 상기 리튬 자리에 일부 Ni 이 삽입되어 층상 결정 구조를 안정적으로 지지하는 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제공한다.In addition, having a composition of the formula (2), the ratio of lithium to the mixed transition metal (M) is 0.95 ~ 1.04, the lithium mixed transition, characterized in that some Ni is inserted into the lithium site to stably support the layered crystal structure Provides metal oxides.

따라서, 리튬 원료가 과잉 첨가될 필요가 없고, 리튬 소스로부터 유래된 불순물인 수용성 염기의 잔존 가능성을 크게 줄일 수 있다. Therefore, the lithium raw material does not need to be added excessively, and the possibility of remaining of the water-soluble base which is an impurity derived from the lithium source can be greatly reduced.

혼합 전이금속(M)에 대한 리튬의 비율이 0.95 ~ 1.04인 경우, 적절한 양이온 혼합이 발생함으로써 구조적으로 더욱 안정될 수 있고, 충전 및 방전 과정에서 Li+ 이동의 방해를 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 리튬 혼합 전이금속 산화물은 안정성, 수명 특성 및 레이트 특성이 우수할 뿐만 아니라, 고용량이고, 실질적으로 불순물이 존재하지 않아 내화학성 및 고온 안정성이 높다. When the ratio of lithium to the mixed transition metal (M) is 0.95 to 1.04, the proper cation mixing can be generated to be more structurally stable, minimizing the disturbance of Li + migration during the charging and discharging process. Therefore, the lithium mixed transition metal oxide is not only excellent in stability, lifespan characteristics and rate characteristics, but also has a high capacity, substantially free of impurities, and thus has high chemical resistance and high temperature stability.

하나의 바람직한 예에서, 상기 화학식 2의 조성을 가지고, 혼합 전이금속(M)에 대한 리튬의 비율이 0.95 ~ 1.04 인 리튬 혼합 전이금속 산화물은, 리튬 자리에 일부 Ni이 위치한 양이온 혼합(cation mixing) 비율이 Ni의 전체 함량을 기준으로 0.02 내지 0.07로서 층상 결정 구조를 안정적으로 지지하는 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물일 수 있다. 상기 양이온 혼합 비율 범위는 앞서 설명한 바와 같다. In one preferred embodiment, the lithium mixed transition metal oxide having the composition of Formula 2, wherein the ratio of lithium to the mixed transition metal (M) is 0.95 to 1.04, the cation mixing ratio in which some Ni is located in the lithium site The lithium mixed transition metal oxide may be stably supporting the layered crystal structure as 0.02 to 0.07 based on the total content of Ni. The cation mixing ratio range is as described above.

본 발명은 또한, Ni, Mn 및 Co의 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')과 리튬 이온이 흡장 및 방출되는 층('가역적 리튬층')을 포함하고 상기 MO층과 상기 가역 적 리튬층이 교번하여 반복적으로 구성된 층상 결정 구조를 가지는 리튬 혼합 전이금속 산화물로서, 상기 MO층은 Ni3+ 및 Ni2+를 포함하고, MO층으로부터 유래된 일부 Ni2+ 이온이 가역적 리튬층에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제공한다. The present invention also includes a mixed transition metal oxide layer of Ni, Mn and Co ('MO layer') and a layer in which lithium ions are occluded and released ('reversible lithium layer'), and the MO layer and the reversible lithium layer. A lithium mixed transition metal oxide having a layered crystal structure alternately and repeatedly configured, wherein the MO layer includes Ni 3+ and Ni 2+ , and some Ni 2+ ions derived from the MO layer are inserted into the reversible lithium layer. Provided are lithium mixed transition metal oxides.

이러한 구조는 이제껏 알려져 있지 않은 구조이며, 앞서 설명한 바와 같이, 안정성, 수명 특성 등에 크게 기여한다.Such a structure is a structure which is not known so far, and, as described above, greatly contributes to stability, life characteristics, and the like.

또한, 상기 화학식 1로 표시되는 조성을 가지고, 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')들 사이로 리튬 이온이 흡장 및 방출되며, 원료 물질을 산소 결핍 분위기에서 반응시켜 제조됨으로써, 상기 MO층에는 Ni3+ 및 Ni2+이 포함되고, MO층으로부터 유래된 일부 Ni2+ 이온이 가역적 리튬층에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제공한다. In addition, the composition represented by the formula (1), the lithium ion is occluded and released between the mixed transition metal oxide layer ('MO layer'), is prepared by reacting the raw material in an oxygen deficient atmosphere, Ni 3 in the MO layer + And Ni 2+ are included, and some Ni 2+ ions derived from the MO layer are inserted into the reversible lithium layer, thereby providing a lithium mixed transition metal oxide.

종래의 리튬 혼합 전이금속 산화물은 원료 물질들을 산소 분위기에서 반응시켜 MO층에 Ni2+ 이온이 삽입되지 않은 상태의 결정 구조를 가지고 있었으나, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은 산소 결핍 분위기에서 반응을 수행함으로써 Ni2+ 이온이 상대적으로 많은 양으로 생성되고 그 중 일부가 가역적 리튬층에 삽입된 구조를 갖는다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 결정 구조가 안정적으로 유지됨으로써 소결 안정성이 우수하고 이를 포함하는 이차 전지는 사이클 안정성이 우수하다. Conventional lithium mixed transition metal oxides have a crystal structure in which Ni 2+ ions are not inserted into the MO layer by reacting raw materials in an oxygen atmosphere, but the lithium mixed transition metal oxides according to the present invention react in an oxygen deficient atmosphere. Ni 2+ ions are generated in a relatively large amount, and some of them are inserted into the reversible lithium layer. Therefore, as described above, the crystal structure is stably maintained, so that the sintering stability is excellent and the secondary battery including the same has excellent cycle stability.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are provided to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1]Example 1

혼합 전이금속 전구체로서 혼합 수산화물 MOOH (M=Ni4/15(Mn1/2Ni1/2)8/15Co0.2)을 사용하였고, 상기 혼합 수산화물과 Li2CO3를 화학양론적 비율(Li : M = 1.02 : 1)로 혼합하고, 혼합물을 공기 중에서 850 ~ 1000℃의 다양한 온도 범위에서 10 시간 동안 소결하여, 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제조하였다. 이 때, 2차 입자들은 전혀 붕괴되지 않고 고스란히 유지되었으며, 결정 크기는 소결 온도의 증가에 따라 증가하였다. Mixed hydroxide MOOH (M = Ni 4/15 (Mn 1/2 Ni 1/2 ) 8/15 Co 0.2 ) was used as the mixed transition metal precursor, and the mixed hydroxide and Li 2 CO 3 were stoichiometric ratio (Li : M = 1.02: 1) and the mixture was sintered in air at various temperature ranges from 850 to 1000 ° C. for 10 hours to prepare a lithium mixed transition metal oxide. At this time, the secondary particles did not collapse at all and remained intact, and the crystal size increased with increasing sintering temperature.

X-ray 분석으로 모든 샘플들이 잘 발달된 층상 결정 구조를 가지고 있음을 확인하였다. 또한, 단위 셀 체적은 소결 온도의 증가와 함께 현저하게 변화하지 않았는 바, 이는 현저한 산소 결핍 및 양이온 혼합의 현저한 증가가 나타나지 않고, 본질적으로 리튬 증발이 일어나지 않았음을 의미한다. X-ray analysis confirmed that all samples had a well-developed layered crystal structure. In addition, the unit cell volume did not change significantly with increasing sintering temperature, which means that no significant oxygen deficiency and no significant increase in cation mixing occurred, and essentially no lithium evaporation occurred.

제조된 리튬 혼합 전이금속 산화물의 결정학적 데이터가 하기 표 1에 개시되어 있고, FESEM 현미경 사진이 도 5에 개시되어 있다. 이들 결과로부터, 상기 리튬 혼합 전이금속 산화물은 3.9 ~ 4.5% 정도로 니켈이 가역적 리튬층에 삽입되어 있는 잘 발달된 층상 구조의 LiNiMO2임을 확인할 수 있고, Li2CO3를 원료로서 사용 하고 공기 중에서 소결하였음에도 불구하고, 적정한 양의 Ni2+가 리튬 층에 삽입되어 구조적 안정성을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. Crystallographic data of the prepared lithium mixed transition metal oxide is shown in Table 1 below, and FESEM micrographs are shown in FIG. 5. From these results, it can be confirmed that the lithium mixed transition metal oxide is a well-developed layered LiNiMO 2 in which nickel is inserted into the reversible lithium layer at about 3.9 to 4.5%, and sintered in air using Li 2 CO 3 as a raw material. In spite of this, it was confirmed that an appropriate amount of Ni 2+ can be inserted into the lithium layer to obtain structural stability.

특히 900℃에서 소결된 샘플(B)는 c : a 비율이 높게 나타나므로 결정화도가 우수하며, 단위 셀 체적이 낮고 적절한 양이온 혼합 비율을 나타내는 바, 가장 우수한 전기화학적 특성을 나타내었으며, BET 표면적은 약 0.4 ~ 0.8 m2/g 정도였다. Particularly, the sample (B) sintered at 900 ° C. has a high c: a ratio, so that the crystallinity is excellent, the unit cell volume is low, and an appropriate cation mixing ratio is exhibited, which shows the best electrochemical properties. It was about 0.4-0.8 m <2> / g.

<표 1>TABLE 1

Figure 112007033725966-pat00001
Figure 112007033725966-pat00001

[비교예 1]Comparative Example 1

LiNi1-xMxO2 (x=0.3, M=Mn1/3Ni1/3Co1/3)로 표현되는 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2의 조성을 갖는 시판 샘플 50 g을 공기 중에서 각각 750℃, 850℃, 900℃ 및 950℃ (10 시간)로 가열하였다. 50 g of commercially available samples having a composition of LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 , represented by LiNi 1-x M x O 2 (x = 0.3, M = Mn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 ), each in air Heated to 750 ° C, 850 ° C, 900 ° C and 950 ° C (10 hours).

고해상도로 상세한 격자 파라미터를 얻기 위해 X-ray 분석을 수행하였다. Rietveld refinement로 양이온 혼합 여부를 관찰하였고, FESEM으로 몰포로지를 분석하였으며 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 하기 표 2를 참조하면, T≥750℃로 가열된 모든 샘플들에서 결정 구조의 계속적인 열화(양이온 혼합의 증가, 격자 상수의 증가, 및 c : a 비율의 감소)가 나타났음을 알 수 있었다. 도 6은 시판 샘플 자체의 FESEM 사진과 공기 중에서 850℃로 가열한 동일 샘플의 FESEM 사진을 개시하고 있는 바, T≥850℃로 가열된 샘플이 붕괴되었음을 알 수 있다. 이는 공기 중에서 가열하는 동안 형성된 Li2CO3가 용융되어 입자들을 분리시키기 때문인 것으로 추측된다. X-ray analysis was performed to obtain detailed lattice parameters at high resolution. It was observed whether the cation was mixed by Rietveld refinement, morphology was analyzed by FESEM and the results are shown in Table 2 below. Referring to Table 2 below, it was found that all samples heated to T ≧ 750 ° C. showed continuous degradation of crystal structure (increased cation mixing, increased lattice constant, and decreased c: a ratio). FIG. 6 discloses a FESEM photograph of a commercial sample itself and a FESEM photograph of the same sample heated at 850 ° C. in air, indicating that the sample heated at T ≧ 850 ° C. collapsed. This is presumably because Li 2 CO 3 formed during heating in air melts to separate the particles.

<표 2>TABLE 2

Figure 112007033725966-pat00002
Figure 112007033725966-pat00002

따라서, 상기와 같은 조성의 종래의 리튬 혼합 전이금속 산화물은 열동력학적 한계로 인해 미량의 이산화탄소를 포함하는 공기 중에서 제조할 수 없음을 알 수 있다. 또한, 상기와 같은 조성의 종래의 방법에 따라 리튬 혼합 전이금속 산화물의 제조시, Li2CO3를 원료로 사용하는 경우 Li2CO3의 분해로 CO2가 발생하고, 그에 따라 Li2CO3의 추가적 분해를 열역학적으로 방해할 수 있기 때문에 더 이상 반응이 진행되기 어려워지게 되므로 실제 공정에 적용할 수 없음을 확인할 수 있다. Therefore, it can be seen that the conventional lithium mixed transition metal oxide of the composition as described above cannot be prepared in the air containing a trace amount of carbon dioxide due to thermodynamic limitations. Also, accordingly, if you use in the manufacture of a lithium mixed transition metal oxide in accordance with the conventional method of composition as mentioned above, Li 2 CO 3 as a raw material, CO 2 is generated by decomposition of the Li 2 CO 3, and Li 2 CO 3 It can be seen that it can not be applied to the actual process because it is difficult to proceed further reaction because it can thermodynamically prevent further decomposition of.

[비교예 2]Comparative Example 2

조성이 LiNi0.8Co0.2O2인 시판 샘플 400 g에 대해 > 2 l/min 유속으로 pH 적정 을 수행하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에서 곡선 (A)는 그 자체의 pH 적정을 나타내고, 곡선 (B)는 순수 산소의 유동 중에서 24 시간 동안 800℃로 가열한 후의 pH 적정을 나타낸다. pH 프로파일의 분석을 통해, 열처리 전과 후의 Li2CO3의 함량이 동일하고 Li2CO3 불순물이 전혀 반응하지 않았음을 알 수 있다. 즉, 산소 분위기에서 가열시에는 추가적인 Li2CO3 불순물이 생성되지는 않았으나, 입자 내에 존재하는 Li2CO3 불순물이 분해되지도 않음을 알 수 있다. 반면에, X-ray 분석으로부터 양이온 혼합의 소량 증가, c : a 비율의 소량 감소 및 단위 셀 부피의 소량 감소를 통해, LiNiO2의 결정 구조에서 Li 함량이 소량 감소되었고, 소량의 Li2O가 형성되었음을 확인하였다. 따라서, 산소 가스나 합성 공기의 유동 중에서는 불순물이 없고 리튬 결핍이 발생되지 않은 화학양론적인 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제조할 수 없음을 알 수 있다. Commercially available sample with LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 PH titration was performed at a flow rate of> 2 l / min for 400 g and the results are shown in FIG. 7. In FIG. 7 curve (A) shows its own pH titration and curve (B) shows the pH titration after heating to 800 ° C. for 24 hours in a flow of pure oxygen. Analysis of the pH profile shows that the content of Li 2 CO 3 before and after the heat treatment is the same, and the Li 2 CO 3 impurities do not react at all. That is, when heating in an oxygen atmosphere, additional Li 2 CO 3 impurities are not generated, but it can be seen that Li 2 CO 3 impurities present in the particles are not decomposed. On the other hand, a small increase in the cation mixing, a small decrease in the c: a ratio, and a small decrease in the unit cell volume from the X-ray analysis resulted in a small decrease in the Li content in the crystal structure of LiNiO 2 and a small amount of Li 2 O It was confirmed that it was formed. Therefore, it can be seen that it is not possible to produce a stoichiometric lithium mixed transition metal oxide free of impurities and no lithium deficiency in the flow of oxygen gas or synthetic air.

[비교예 3]Comparative Example 3

시판 Al/Ba-개질 니켈 고함량 LiNiO2로서 3% 미만의 알루미늄 화합물을 포함하는 LiAl0.02Ni0.78Co0.2O2을 60℃에서 90%의 습식 챔버 내에서 공기 중에 저장하였고, 습기에 노출되기 전의 샘플과, 각각 17 시간 및 3 일 동안 습식 보관 후의 샘플들에 대해 pH 적정을 수행하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8을 참조하면, 저장하기 전에는 수용성 염기의 양이 낮았으나, 공기에 노출되었을 때 주로 Li2CO3인 수용성 염기가 상당량 계속적으로 형성되었다. 따라서, Li2CO3 불순물의 초기량이 낮은 경우에도, 시판 중인 니켈 고함량 LiNiO2는 공기 중에서 안정하지 않고 상당한 속도로 분해되며, 저장하는 동안에 상당량의 Li2CO3 불순물이 형성된다는 것을 보여 준다.Commercially available Al / Ba-modified nickel high content LiNiO 2 , LiAl 0.02 Ni 0.78 Co 0.2 O 2 containing less than 3% aluminum compound was stored in air in a 90% wet chamber at 60 ° C. before exposure to moisture. PH titration was performed on the samples and samples after wet storage for 17 hours and 3 days, respectively, and the results are shown in FIG. 8. Referring to FIG. 8, the amount of water-soluble base was low before storage, but a considerable amount of water-soluble base, mainly Li 2 CO 3 , was continuously formed when exposed to air. Thus, even when the initial amount of Li 2 CO 3 impurities is low, commercial nickel high content LiNiO 2 is not stable in air and decomposes at a considerable rate, showing that a considerable amount of Li 2 CO 3 impurities are formed during storage.

[실시예 2]Example 2

상기 실시예 1에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물의 습기에 노출되기 전의 샘플과, 60℃에서 90%의 습식 챔버 내에서 공기 중 각각 17 시간 및 3 일 동안 저장 한 샘플들에 대해 pH 적정을 수행하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9을 참조하여 실시예 2의 리튬 혼합 전이금속 산화물과 비교예 3의 샘플(도 8 참조)을 비교하면, 17 시간 저장 샘플의 경우, 비교예 3의 샘플은 대략 20 ml의 HCl이 소모된 반면, 실시예 2의 샘플은 10 ml의 HCl이 소모되었는 바, 수용성 염기의 발생량이 2배 가량 감소되었음을 알 수 있다. 또한, 3일 저장 샘플의 경우 비교예 3의 샘플은 대략 110 ml의 HCl이 소모된 반면, 실시예 2의 샘플은 26 ml의 HCl이 소모됨으로써, 수용성 염기의 발생량이 대략 5배 정도 감소되었는 바, 실시예 2의 샘플이 비교예 3의 샘플에 비해 약 5 배 더 느리게 분해되었음을 알 수 있다. 따라서, 실시예 2의 리튬 혼합 전이금속 산화물은 공기와 습기에 노출되었을 때 내화학성이 우수함을 확인할 수 있다. PH titration was performed on the samples before exposure to moisture of the lithium mixed transition metal oxide according to Example 1 and the samples stored for 17 hours and 3 days in air in a 90% wet chamber at 60 ° C, respectively. The results are shown in FIG. 9. Referring to FIG. 9, when comparing the lithium mixed transition metal oxide of Example 2 with the sample of Comparative Example 3 (see FIG. 8), for the 17-hour storage sample, the sample of Comparative Example 3 consumed approximately 20 ml of HCl. On the other hand, the sample of Example 2 consumed 10 ml of HCl, it can be seen that the amount of water-soluble base generated by about 2 times reduced. In addition, the sample of Comparative Example 3 consumed approximately 110 ml of HCl for the 3-day stored sample, whereas the sample of Example 2 consumed 26 ml of HCl, resulting in a reduction of about 5 times the amount of water-soluble base. , It can be seen that the sample of Example 2 degraded about 5 times slower than the sample of Comparative Example 3. Therefore, it can be seen that the lithium mixed transition metal oxide of Example 2 has excellent chemical resistance when exposed to air and moisture.

[비교예 4][Comparative Example 4]

AlPO4로 표면을 코팅한 후 가벼운 열처리를 행한 시판 샘플로서, LiNi0.8Mn0.05Co0.15O2의 조성을 갖는 니켈 고함량 LiNiO2 샘플을 대상으로, 습식 챔버에 저장 전, 후에 대해 pH 적정을 수행하였다. pH 적정 결과, 양극 10 g 당 12 ml의 0.1M HCl이 소모되었는 바, Li2CO3 초기 함량이 낮았으나, 저장 후 Li2CO3의 함량은 비교예 3의 샘플에 비해서는 약간 낮은 형성 비율(80 ~ 90%)로 나타났으나, 실시예 2의 샘플보다 높은 함량의 Li2CO3가 형성되었음을 확인하였다. 따라서, 상기 니켈 고함량 LiNiO2은 표면 코팅된 경우에도 공기 안정성이 개선되지 않았고, 사이클 안정성과 레이트 특성 등 전기화학적 특성의 증가가 미미하다는 것을 확인하였다.As a commercial sample coated with AlPO 4 and subjected to mild heat treatment, a pH titration was performed on nickel high content LiNiO 2 samples having a composition of LiNi 0.8 Mn 0.05 Co 0.15 O 2 before and after storage in a wet chamber. . pH titration results, the bar doeeotneun 0.1M HCl in 12 ml per 10 g consumed anode, Li 2 CO 3 ateuna the initial content is low, the amount of Li 2 CO 3 after storage are slightly lower than the formation rate of Comparative Example 3 Sample (80 to 90%), but it was confirmed that a higher content of Li 2 CO 3 was formed than the sample of Example 2. Accordingly, the nickel high content LiNiO 2 did not improve the air stability even when surface-coated, it was confirmed that the increase in the electrochemical properties such as cycle stability and rate characteristics is insignificant.

[실시예 3]Example 3

약 20 리터 부피의 챔버를 갖는 퍼니스(furnace)에 Li2CO3와 혼합 수산화물 MOOH (M=Ni4/15(Mn1/2Ni1/2)8/15Co0.2) 혼합물을 넣고 920℃에서 10 시간 동안 소결하였고, 소결하는 동안 10 m3 이상의 공기를 퍼니스 내로 펌핑하여, 대략 5 kg의 LiNiMO2를 하나의 배취에서 제조하였다.A mixture of Li 2 CO 3 and mixed hydroxide MOOH (M = Ni 4/15 (Mn 1/2 Ni 1/2 ) 8/15 Co 0.2 ) was added to a furnace having a chamber of about 20 liter volume at 920 ° C. Sintering was carried out for 10 hours and at least 10 m 3 of air was pumped into the furnace during sintering to produce approximately 5 kg of LiNiMO 2 in one batch.

소결 후, X-ray 분석으로 단위 셀 상수를 측정하였고, 단위 셀 체적을 목표 값(실시예 1의 샘플 (B): 33.921 Å3)과 비교하였다. ICP 분석으로, Li과 M의 비율 이 1.00에 매우 근접하다는 것이 확인되었고, 단위 셀 체적은 목표 영역 내에 있었다. 도 10은 제조된 양극 활물질의 SEM 현미경 사진이고, 도 11는 Rietveld refinement 결과를 나타낸다. 이들 도면을 참조하면, 샘플은 높은 결정성을 가지고 잘 발달된 층상 구조를 나타내며, 리튬의 가역적 리튬층 내에 삽입된 Ni2 +의 몰분율은 3.97%이며, 계산치와 측정치가 대략 동일함을 확인하였다. After sintering, the unit cell constant was measured by X-ray analysis, and the unit cell volume was compared with the target value (Sample (B) of Example 1: 33.921 × 3 ). ICP analysis confirmed that the ratio of Li and M was very close to 1.00 and the unit cell volume was within the target area. 10 is a SEM micrograph of the prepared cathode active material, Figure 11 shows the Rietveld refinement results. Referring to these drawings, the sample shows a well-developed layer structure has a high crystallinity, a molar fraction of Ni 2 + inserted into the reversible lithium layer of lithium is 3.97%, it was confirmed that the calculated and measured values substantially equal.

한편, pH 적정을 수행하여 pH 5 이하로 10 g 양극을 적정하는데 10 ml 미만의 0.1M HCl이 소모되었는 바, 이는 약 0.035 중량% 미만의 Li2CO3 불순물의 함량에 상응한다. 따라서, 결정구조가 안정적이고, Li2CO3 불순물이 없는 LiNiMO2을 고상 반응에 의해 혼합 수산화물과 Li2CO3로부터 대량으로 제조할 수 있음을 보여 준다. On the other hand, less than 10 ml of 0.1 M HCl was consumed to titrate the 10 g positive electrode below pH 5 by performing pH titration, corresponding to the content of Li 2 CO 3 impurities of less than about 0.035% by weight. Therefore, it is shown that LiNiMO 2 having a stable crystal structure and free of Li 2 CO 3 impurities can be produced in large quantities from mixed hydroxide and Li 2 CO 3 by solid phase reaction.

[실험예 1] 전기 화학적 특성 시험Experimental Example 1 Electrochemical Characteristic Test

상기 실시예 3의 산화물과, 비교예 2 ~ 4에 따른 LiNiMO2과, M=(Ni1/2Mn1/2)1-xCox이고 각각 x=0.17('비교예 5') 및 x=0.33('비교예 6')인 시판 LiMO2를 양극으로 사용하고, 리튬 금속을 음극으로 사용하여 코인 셀을 제조하였으며, 전기화학적 특성을 시험하였다. 사이클 특성은 25℃ 및 60℃에서 주로 C/5 충전 및 C/5 방전 속도(1 C=150 mA/g)로 3 ~ 4.3 V 사이에서 수행하였다. The oxide of Example 3, LiNiMO 2 according to Comparative Examples 2 to 4, M = (Ni 1/2 Mn 1/2 ) 1-x Co x and x = 0.17 (Comparative Example 5) and x, respectively. Coin cells were prepared using commercial LiMO 2 = 0.33 ('Comparative Example 6') as a positive electrode and lithium metal as the negative electrode, and electrochemical properties were tested. Cycle characteristics were performed between 3 and 4.3 V at 25 ° C. and 60 ° C. with mainly C / 5 charge and C / 5 discharge rates (1 C = 150 mA / g).

비교예 2 ~ 4에 대한 전기화학적 특성 실험 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 표 3을 참조하면, 비교예 3(샘플 B)를 제외하고, 사이클 안정성은 열악하였다. 비 교예 4(샘플 C)는 표면 리튬 결핍에 의해 열악한 사이클 안정성을 나타내는 것으로 추측된다. 반면, 비교예 2(샘플 A)와 비교예 3(샘플 B)은 리튬-결핍은 아니지만, 오직 비교예 4(샘플 C)만이 낮은 함량의 Li2CO3를 가지고 있다. 이러한 Li2CO3의 존재는 가스를 유발할 뿐 아니라 점점 성능의 열화를 유발할 수 있다 (4.3 V에서, Li2CO3는 천천히 분해되고 결정이 붕괴된다). 즉, 사이클 안정성과 낮은 불순물 함량을 모두 만족하는 니켈계 활물질이 존재하지 않는 바, 종래의 니켈계 활물질들은 사이클 안정성 및 공기 안정성이 낮고, Li2CO3 불순물 수준 및 제조 비용이 높다는 문제가 있음을 확인할 수 있다. The results of the electrochemical experiments for Comparative Examples 2 to 4 are shown in Table 3 below. Referring to Table 3, except for Comparative Example 3 (Sample B), the cycle stability was poor. Comparative Example 4 (Sample C) is believed to exhibit poor cycle stability due to surface lithium deficiency. On the other hand, Comparative Example 2 (Sample A) and Comparative Example 3 (Sample B) are not lithium-deficient, but only Comparative Example 4 (Sample C) has a low content of Li 2 CO 3 . This presence of Li 2 CO 3 not only leads to gas but also to progressively deteriorate performance (at 4.3 V, Li 2 CO 3 slowly decomposes and crystals collapse). That is, since there is no nickel-based active material that satisfies both cycle stability and low impurity content, conventional nickel-based active materials have problems of low cycle stability and air stability, and high Li 2 CO 3 impurity levels and manufacturing costs. You can check it.

<표 3>TABLE 3

Figure 112007033725966-pat00003
Figure 112007033725966-pat00003

한편, 비교예 5 및 6의 전지에서, 결정학적 밀도는 각각 4.7과 4.76 g/cm3로서 거의 일치하였고, C/10 레이트(3 ~ 4.3 V)에서 157 ~ 159 mAh/g의 방전 용량을 나타냈다. 결정학적 밀도가 5.04 g/cm3 이고 방전 용량은 157 mAh/g인 LiCoO2과 비교할 때, 비교예 5의 체적 용량은 LiCoO2의 93%에 상응하고, 비교예 6의 밀도는 LiCoO2의 94%에 상응하는 정도이다. 따라서, Ni 함량이 낮은 경우 열악한 체적 용량을 가진다는 것을 알 수 있다.On the other hand, in the cells of Comparative Examples 5 and 6, the crystallographic densities were almost identical as 4.7 and 4.76 g / cm 3 , respectively, and exhibited a discharge capacity of 157 to 159 mAh / g at the C / 10 rate (3 to 4.3 V). . Compared to LiCoO 2 with a crystallographic density of 5.04 g / cm 3 and a discharge capacity of 157 mAh / g, the volumetric capacity of Comparative Example 5 corresponds to 93% of LiCoO 2 , and the density of Comparative Example 6 is 94 of LiCoO 2 . That's the equivalent of%. Thus, it can be seen that when the Ni content is low, it has a poor volume capacity.

반면에, 실시예 3에 따른 LiNiMO2의 결정학적 밀도는 4.74 g/cm3 (cf. LiCoO2: 5.05 g/cm3)이었다. 방전 용량은 C/20에서 170 mAh/g 이상(cf. LiCoO2: 157 mAh/g)인 바, 체적 용량이 LiCoO2에 비해 훨씬 향상되었음을 알 수 있다. On the other hand, the crystallographic density of LiNiMO 2 according to Example 3 was 4.74 g / cm 3 (cf. LiCoO 2 : 5.05 g / cm 3 ). As the discharge capacity is 170 mAh / g or more (cf. LiCoO 2 : 157 mAh / g) at C / 20, it can be seen that the volume capacity is much improved compared to LiCoO 2 .

하기 표 4에는 실시예 3에 따른 LiNiMO2를 양극으로 사용한 코인 셀의 전기화학적 결과들이 요약되어 있고, 도 12에는 전압 프로파일, 방전 곡선들 및 사이클 안정성이 개시되어 있다.Table 4 below summarizes the electrochemical results of the coin cell using LiNiMO 2 as an anode according to Example 3, and FIG. 12 discloses voltage profiles, discharge curves and cycle stability.

<표 4>TABLE 4

Figure 112007033725966-pat00004
Figure 112007033725966-pat00004

[실험예 2] 열 안전성 측정Experimental Example 2 Thermal Safety Measurement

상기 실시예 3의 산화물과 비교예 3 및 4에 따른 LiNiMO2의 열 안정성을 알아보기 위해, DSC 측정을 수행하였고 그 결과를 도 13 및 도 14에 나타내었다. 측정을 위하여, 코인 셀(음극: 리튬 금속)들을 4.3 V로 충전하고 분해한 후, 밀봉된 DSC캔 내에 삽입하였으며 전해질을 주입하였다. 양극의 총량은 약 50 ~ 60 mg이었고, 전해질의 총량은 대략 동일하였다. 따라서, 발열반응은 매우 양극-한정적이다. DSC 측정은 0.5 K/min의 가열 속도로 행해졌다.In order to determine the thermal stability of the oxide of Example 3 and LiNiMO 2 according to Comparative Examples 3 and 4, DSC measurements were performed and the results are shown in FIGS. 13 and 14. For the measurement, the coin cells (cathode: lithium metal) were charged to 4.3 V, disassembled, inserted into a sealed DSC can and injected with electrolyte. The total amount of the positive electrode was about 50 to 60 mg, and the total amount of the electrolyte was about the same. Therefore, the exothermic reaction is very anode-limited. DSC measurements were made at a heating rate of 0.5 K / min.

그 결과, 비교예 3(Al/Ba-개질 LiNiO2) 및 비교예 4(AlPO4-코팅 LiNiO2)은 상대적으로 낮은 온도에서 강한 발열반응이 개시되었다. 특히, 비교예 3의 경우, 발열량은 디바이스의 한계를 초과하였다. 발열의 전체 누적량은 2000 kJ/g 이상으로 크게 나타나는 바 열 안정성이 낮음을 알 수 있다 (도 13 참조).As a result, Comparative Example 3 (Al / Ba-modified LiNiO 2 ) and Comparative Example 4 (AlPO 4 -coated LiNiO 2 ) exhibited strong exothermic reactions at relatively low temperatures. In particular, in the case of Comparative Example 3, the calorific value exceeded the limit of the device. The total cumulative amount of exotherm is larger than 2000 kJ / g, it can be seen that the thermal stability is low (see Fig. 13).

반면에, 본 발명에 따른 실시예 3의 LiNiMO2는 총 발열량이 낮고, 상기 비교예들(대략 200℃ 정도)에 비해 상대적으로 높은 온도(대략 260℃ 정도)에서 발열 반응이 개시되었다(도 14 참조). 따라서, 본 발명에 따른 LiNiMO2의 열 안전성이 매우 우수함을 알 수 있다. On the other hand, LiNiMO 2 of Example 3 according to the present invention has a low total calorific value and an exothermic reaction was started at a relatively high temperature (about 260 ° C.) compared to the comparative examples (about 200 ° C.) (FIG. 14). Reference). Therefore, it can be seen that the thermal stability of the LiNiMO 2 according to the present invention is very excellent.

[실험예 3] 폴리머 전지에 적용시 전기화학적 특성 실험Experimental Example 3 Electrochemical Characteristic Experiments when Applied to Polymer Battery

상기 실시예 3에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물을 양극 활물질로서 사용하여 383562 타입의 파일롯 플랜트 폴리머 셀을 제조하였다. 양극을 17% LiCoO2와 혼합하였고, 양극 슬러리는 NMP/PVDF-계를 사용하였으며, 겔화 방지를 위한 어떠한 첨가제도 부가하지 않았다. 음극은 MCMB을 사용하였고, 전해질은 초과 스웰링을 감소시키는 첨가제가 없는 표준 시판 전해질을 사용하였다. 실험은 60℃에서 C/5의 충전 및 방전 속도로 수행되었고 충전 전압은 3.0 ~ 4.3 V이었다. A pilot plant polymer cell of type 383562 was manufactured using the lithium mixed transition metal oxide according to Example 3 as a cathode active material. The positive electrode was mixed with 17% LiCoO 2 , the positive electrode slurry was NMP / PVDF-based, and no additives were added to prevent gelation. The negative electrode used MCMB and the electrolyte used a standard commercial electrolyte without additives to reduce excess swelling. The experiment was performed at 60 ° C. at a charge and discharge rate of C / 5 and the charge voltage was 3.0-4.3 V.

도 15는 본 발명에 따른 전지의 25℃에서의 사이클 안정성(0.8 C 충전, 1C 방전, 3 ~ 4 V, 2 V)을 보여 준다. 300 사이클 후 C/1 속도에서 91%로서 사이클 안정성이 매우 우수함을 알 수 있다. 임피던스의 빌더-업은 낮았다. 또한, 저장 동안의 가스 발생을 측정하여 도 16에 나타내었다. 90℃에서 완충전(4.2 V)으로 4 시간 저장 동안에 매우 적은 양의 가스가 발생하였고, 약간의 두께 증가만이 관찰되었다. 이는 유사한 조건으로 시험된 양질의 LiCoO2 양극 사용시 예상되는 수치 내이거나 그 이하였다. 따라서, 본 발명에 따른 LiNiMO2의 안정성 및 내화학성이 매우 우수함을 알 수 있다. 15 shows the cycle stability (0.8 C charge, 1 C discharge, 3-4 V, 2 V) at 25 ° C. of the cell according to the invention. It can be seen that the cycle stability is very good as 91% at C / 1 speed after 300 cycles. The builder-up of the impedance was low. In addition, gas generation during storage was measured and shown in FIG. 16. Very small amounts of gas were generated during storage for 4 hours at 90 ° C. before buffering (4.2 V) and only a slight increase in thickness was observed. This was below or below the expected value when using a good quality LiCoO 2 anode tested under similar conditions. Therefore, it can be seen that the stability and chemical resistance of LiNiMO 2 according to the present invention is very excellent.

[실험예 4] Experimental Example 4

MOOH(M=Ni4/15(Mn1/2Ni1/2)8/15Co0.2)와 리튬 소스로서 Li2CO3을 사용하고 공기 중에서 910 ~ 920℃로 소결하여 서로 다른 Li : M 비율을 갖는 샘플들을 제조하였다. Li : M 비율의 범위가 0.925 내지 1.125인 각각 약 50 g의 7 개의 샘플들은 제조하였고, 전기화학적 특성을 테스트하였다. MOOH (M = Ni 4/15 (Mn 1/2 Ni 1/2 ) 8/15 Co 0.2 ) and Li 2 CO 3 as Lithium source and sintered at 910 ~ 920 ℃ in air Samples were prepared. About 50 g of seven samples each with a Li: M ratio ranging from 0.925 to 1.125 were prepared and tested for electrochemical properties.

하기 표 5는 결정학적 데이터를 개시하고 있는 바, 표 5에서 보는 바와 같이, 단위 셀 체적이 Li : M 비율에 따라 완만하게 변화하였다. 도 17은 그것의 결정학적 맵(crystallographic map)을 나타내고 있는 바, 모든 샘플들이 일직선상에 위치하고 있음을 알 수 있다. pH 적정의 결과, 수용성 염기의 함량은 Li : M 비율의 증가에 따라 약간 증가하였다. 상기 수용성 염기는 아마도 비교예 1과 같이 Li2CO3의 분해에 의한 것이 아니라 표면 염기도(이온 교환)에 의한 것으로 추측된다. Table 5 below discloses crystallographic data, and as shown in Table 5, the unit cell volume slowly changed according to the Li: M ratio. 17 shows its crystallographic map, showing that all the samples are located in a straight line. As a result of the pH titration, the water-soluble base content slightly increased with increasing Li: M ratio. The water soluble base is presumably due to surface basicity (ion exchange) and not by decomposition of Li 2 CO 3 as in Comparative Example 1.

따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 리튬 혼합 전이금속 산화물이 화학양론적인 범위 내에 있고 리튬이 추가적으로 결정 구조에 삽입된다는 것을 확실히 보여 준다. 또한, 전구체로서 Li2CO3을 사용하고, 공기 중에서 소결을 수행하는 경우에도 Li2CO3 불순물이 없는 샘플들이 제조될 수 있음을 알 수 있다. It is thus clearly shown that the lithium mixed transition metal oxides produced by the process according to the invention are within the stoichiometric range and that lithium is additionally incorporated into the crystal structure. In addition, it can be seen that even when Li 2 CO 3 is used as a precursor and the sintering is performed in air, samples without Li 2 CO 3 impurities can be prepared.

즉, Li/M의 비가 낮아질수록 가역적 리튬층에 삽입되는 Ni2+의 양이 점점 증가하며, 지나치게 많은 양의 Ni2+이 가역적 리튬층에 삽입되는 경우, 충전 및 방전 과정에서 Li+의 움직임이 방해를 받게 되므로 용량이 작아지거나 레이트 특성이 저하되는 문제점이 있다. 반대로, Li/M의 비가 지나치게 높은 경우, 가역적 리튬층에 삽입되는 Ni2+의 양이 너무 작아, 구조적으로 불안정이 유발되어 전지의 안전성이 저하하고 수명특성이 나빠질 수 있다. 더욱이, 높은 Li/M의 값에서는 미반응 Li2CO3의 양이 많아져 pH 적정 값이 높게 나타나게 된다. 따라서, 성능과 안전성을 고려하면, 리튬 층에 삽입된 Ni2 +의 값이 3 ~ 7% 정도가 되도록 Li/M의 비가 0.95 ~ 1.04 정도(샘플 B, C, D)인 것이 특히 바람직하다. That is, as the ratio of Li / M decreases, the amount of Ni 2+ inserted into the reversible lithium layer is gradually increased, and when too much Ni 2+ is inserted into the reversible lithium layer, the movement of Li + during charging and discharging is performed. Because of this interference, there is a problem that the capacity is reduced or the rate characteristic is lowered. On the contrary, when the ratio of Li / M is too high, the amount of Ni 2+ inserted into the reversible lithium layer may be too small, resulting in structural instability, resulting in deterioration of safety of the battery and deterioration of life characteristics. Moreover, at high Li / M values, the amount of unreacted Li 2 CO 3 increases, resulting in a high pH titration value. Therefore, in consideration of the performance and safety, to the value of the Ni 2 + into the lithium layer is 3 to rain 0.95 ~ 1.04 degree of Li / M so that about 7% (sample B, C, D) is particularly preferred.

<표 5>TABLE 5

Figure 112007033725966-pat00005
Figure 112007033725966-pat00005

[실시예 4]Example 4

혼합 전이금속 전구체로서 혼합 수산화물 MOOH (M=Ni4/15(Mn1/2Ni1/2)8/15Co0.2)을 사용하였고, 상기 혼합 수산화물과 Li2CO3를 Li : M = 1.01 : 1로 혼합하였으며 혼합물을 공기 중에서 900℃에서 10 시간 동안 소결하여 LiNi0 .53Co0 .2Mn0 .27O2의 조성을 갖는 리튬 혼합 전이금속 산화물 50 g을 얻었다. Mixed hydroxide MOOH (M = Ni 4/15 (Mn 1/2 Ni 1/2 ) 8/15 Co 0.2 ) was used as the mixed transition metal precursor, and the mixed hydroxide and Li 2 CO 3 were converted into Li: M = 1.01: sintering the mixture was mixed to 1 900 ℃ in air for 10 hours to LiNi 0 .53 Co 0 .2 0 .27 Li-Mn having a composition of O 2 to give the mixed transition metal oxide, 50 g.

고해상도로 상세한 격자 파라미터를 얻기 위해 X-ray 분석을 수행하였고, Rietveld refinement로 양이온 혼합 여부를 관찰하였으며, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다. X-ray analysis was performed to obtain detailed lattice parameters at high resolution, and cation mixing was observed by Rietveld refinement, and the results are shown in Table 6 below.

[비교예 7]Comparative Example 7

Li : M의 비를 1 : 1로 하였고, O2 분위기에서 소성하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제조하였고, X-ray 분석 및 양이온 혼합 여부를 관찰하였으며, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다. A lithium mixed transition metal oxide was prepared in the same manner as in Example 4 except that the Li: M ratio was 1: 1 and calcined in an O 2 atmosphere, and X-ray analysis and cation mixing were performed. It observed, and the results are shown in Table 6 below.

<표 6>TABLE 6

Figure 112007033725966-pat00006
Figure 112007033725966-pat00006

상기 표 6에서 보는 바와 같이, 비교예 7의 리튬 혼합 전이금속 산화물은 산소 분위기에서 열처리를 수행함에 따라 양이온 혼합 비율이 현저히 낮음을 알 수 있다. 이 경우 구조적인 안정성이 저하되는 문제가 있는 바, 즉, 산소 분위기에서 열처리 시 양이온 혼합이 지나치게 적어 층상 구조를 발달시키지만, 전지의 사이클 안정성을 방해할 정도로 Ni2+의 이동이 방해되었음을 알 수 있다. As shown in Table 6, the lithium mixed transition metal oxide of Comparative Example 7 can be seen that the cation mixing ratio is significantly low as the heat treatment in the oxygen atmosphere. In this case, there is a problem that the structural stability is deteriorated, that is, when the heat treatment in the oxygen atmosphere is too small cation mixing to develop a layered structure, but it can be seen that the movement of Ni 2+ to the extent that it interferes with the cycle stability of the battery .

[실시예 5]Example 5

혼합 전이금속 전구체로서 혼합 수산화물 MOOH (M=Ni1/10(Mn1/2Ni1/2)6/10Co0.3)을 사용하였고, 상기 혼합 수산화물과 Li2CO3를 Li : M = 1 : 1로 혼합하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 LiNi0 .4Co0 .3Mn0 .3O2의 조성을 갖는 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제조하였고, X-ray 분석 및 Rietveld refinement로 양이온 혼합 여부를 관찰하였으며, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.A mixed hydroxide MOOH (M = Ni 1/10 (Mn 1/2 Ni 1/2 ) 6/10 Co 0.3 ) was used as a mixed transition metal precursor, and the mixed hydroxide and Li 2 CO 3 were converted into Li: M = 1: 1: except the mixture had a point 1 in the same manner as in example 4 LiNi 0 .4 Co 0 .3 Mn 0 lithium mixed transition having a composition of O 2 .3 was prepared a metal oxide, X-ray analysis and Rietveld It was observed whether the cation was mixed by refinement, the results are shown in Table 7.

<표 7>TABLE 7

Figure 112007033725966-pat00007
Figure 112007033725966-pat00007

[실시예 6]Example 6

혼합 전이금속 전구체로서 혼합 수산화물 MOOH (M=Ni5 /10(Mn1 /2Ni1 /2)3/10Co0 .2)을 사용하였고, 상기 혼합 수산화물과 Li2CO3를 Li : M = 1 : 1로 혼합하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 LiNi0 .65Co0 .2Mn0 .15O2의 조성을 갖는 리튬 혼합 전이금속 산화물을 제조하였고, X-ray 분석 및 Rietveld refinement로 양이온 혼합 여부를 관찰하였으며, 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다. As a mixed transition metal precursor (M = Ni 5/10 ( Mn 1/2 Ni 1/2) 3/10 Co 0 .2) the mixed hydroxide MOOH was used, the mixed hydroxide and Li 2 CO 3 Li: M = 1 except for the points was mixed in a 1 and the example 4 was the same method to manufacture the lithium mixed transition metal oxide having a composition of LiNi 0 .65 Co 0 .2 0 .15 Mn 2 O and, X-ray analysis And whether the cation was mixed by Rietveld refinement was observed, the results are shown in Table 8.

<표 8>TABLE 8

Figure 112007033725966-pat00008
Figure 112007033725966-pat00008

상기 표 7 및 8에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은 소정의 범위에서 앞서 설명하는 바와 같은 소망하는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. As shown in Tables 7 and 8, it can be seen that the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention can obtain a desired effect as described above in a predetermined range.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물은 소정의 조성을 가지고 있고, 가역적 리튬층에 MO층으로부터 유래된 일부 Ni 이온이 삽입되어 MO층들을 상호 결합하고 있어서, 결정구조를 안정적으로 지지할 수 있으므로 사이클 특성의 저하를 방지할 뿐만 아니라, 전지 용량이 높고, 수용성 염기 등의 불순물이 실질적으로 포함되어 있지 않으므로, 우수한 저장 안정성, 가스 발생의 감소 및 이로 인한 고온 안전성이 우수하다. As described above, the lithium mixed transition metal oxide according to the present invention has a predetermined composition, and some Ni derived from the MO layer in the reversible lithium layer. Since the ions are interbonded with each other and the MO layers are stable, the crystal structure can be stably supported, thereby not only reducing cycle characteristics but also having high battery capacity and substantially no impurities such as water-soluble bases. It has good storage stability, reduced gas generation and therefore high temperature safety.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

Claims (17)

하기 화학식 1로 표시되는 조성을 가지고, 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')들 사이로 리튬 이온이 흡장 및 방출되며, 상기 리튬 이온의 흡장 및 방출 층('가역적 리튬층')에는 MO층으로부터 유래된 Ni 이온이 삽입되어 MO층들을 상호 결합하고 있고, 상기 가역적 리튬층에 삽입되어 결합되는 Ni 이온의 몰분율은 Ni 전체량을 기준으로 0.03 ~ 0.07인 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물: The composition represented by Formula 1 below, lithium ions are occluded and released between the mixed transition metal oxide layers ('MO layer'), and the occlusion and release layer of the lithium ions ('reversible lithium layer') is derived from the MO layer Ni Lithium mixed transition metal oxide, characterized in that the ions are inserted to bond the MO layers and the mole fraction of Ni ions inserted and bonded to the reversible lithium layer is 0.03 to 0.07 based on the total amount of Ni: LixMyO2 (1)Li x M y O 2 (1) 상기 식에서, Where M = M'1-kAk이고, 여기서, M = M ' 1-k A k , where M'는 Ni1-a-b(Ni1/2Mn1/2)aCob로서, 0.65≤a+b≤0.85 및 0.1≤b≤0.4 이며;M 'is Ni 1-ab (Ni 1/2 Mn 1/2 ) a Co b with 0.65 ≦ a + b ≦ 0.85 and 0.1 ≦ b ≦ 0.4; A 는 도펀트이고;A is a dopant; 0≤k<0.05; 및0 ≦ k <0.05; And x+y≒2로서 0.95≤x≤1.05 이다.As x + y ≒ 2, 0.95 ≦ x ≦ 1.05. 제 1 항에 있어서, 상기 MO층에는 Ni2+와 Ni3+가 공존하고 있고, 그 중 Ni2+가 가역적 리튬층에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물. 2. The lithium mixed transition metal oxide according to claim 1, wherein Ni 2+ and Ni 3+ coexist in the MO layer, and Ni 2+ is inserted into a reversible lithium layer. 제 1 항에 있어서, 상기 산화물에서 Ni의 몰분율은 0.4 ~ 0.7이고, Mn의 몰분율은 0.05 ~ 0.4이며, Co의 몰분율은 0.1 ~ 0.4인 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물. The lithium mixed transition metal oxide of claim 1, wherein the mole fraction of Ni in the oxide is 0.4 to 0.7, the mole fraction of Mn is 0.05 to 0.4, and the mole fraction of Co is 0.1 to 0.4. 제 1 항에 있어서, 상기 Ni 함량을 기준으로 Ni2+의 몰분율은 0.05 ~ 0.4인 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물. The lithium mixed transition metal oxide of claim 1, wherein the mole fraction of Ni 2+ is 0.05 to 0.4 based on the Ni content. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 Li : M의 비율은 0.95 ~ 1.04 : 1 인 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물.The lithium mixed transition metal oxide according to claim 1, wherein the ratio of Li: M is 0.95 to 1.04: 1. 제 1 항에 있어서, 상기 산화물에는 불순물로서 Li2CO3가 포함되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물.The lithium mixed transition metal oxide according to claim 1, wherein the oxide does not contain Li 2 CO 3 as impurities. 제 7 항에 있어서, 상기 Li2CO3은 리튬 전이금속 산화물이 포함된 용액 200 ml에 0.1M HCl를 가하면서 pH 적정을 실시하여, pH 5 이하에 도달할 때까지 20 ml 이하의 HCl 용액이 사용되는 정도로 포함되고, 상기 200 ml의 용액은 용액 중에 모든 수용성 염기를 포함하고 있으며, 10 g의 리튬 전이금속 산화물의 반복적인 소킹(soaking)과 디켄팅(decanting)에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물. The method of claim 7, wherein the Li 2 CO 3 is a pH titration while adding 0.1M HCl to 200 ml of a solution containing a lithium transition metal oxide, until 20 ml or less HCl solution until Included to the extent used, the 200 ml solution contains all of the water soluble bases in solution and is prepared by repeated soaking and decanting of 10 g of lithium transition metal oxide. Lithium mixed transition metal oxide. 제 8 항에 있어서, 상기 pH 5 이하에 도달할 때까지 사용된 0.1M HCl의 양은 10 ml 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물.9. The lithium mixed transition metal oxide of claim 8, wherein the amount of 0.1 M HCl used until the pH reaches 5 or less is 10 ml or less. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 따른 리튬 혼합 전이금속 산화물을 포함하는 것으로 구성된 이차전지용 양극 활물질. 10. A cathode active material for a secondary battery, comprising a lithium mixed transition metal oxide according to any one of claims 1 to 4. 제 10 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising the cathode active material according to claim 10. Ni, Mn 및 Co의 혼합 전이금속을 포함하는 리튬 혼합 전이금속 산화물로서, 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')들 사이로 리튬 이온이 흡장 및 방출되며, 상기 리튬 이온의 흡장 및 방출 층('가역적 리튬층')에는 MO층으로부터 유래된 Ni 이온이 삽입되어 MO층들을 상호 결합하고 있고, 상기 가역적 리튬층에 삽입되어 결합되는 Ni 이온의 몰분율은 Ni 전체량을 기준으로 0.03 ~ 0.07인 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물. A lithium mixed transition metal oxide comprising a mixed transition metal of Ni, Mn, and Co, wherein lithium ions are occluded and released between mixed transition metal oxide layers ('MO layers'), and the occlusion and release layers of lithium ions (' Reversible Lithium layer ') contains Ni derived from MO layer The ions are inserted to bond the MO layers, and the mole fraction of Ni ions inserted and bonded to the reversible lithium layer is 0.03 to 0.07 based on the total amount of Ni. 하기 화학식 2의 조성을 가지고, 리튬 자리에 Ni이 위치한 양이온 혼합(cation mixing) 비율이 Ni의 전체 함량을 기준으로 0.03 내지 0.07로서 층상 결정 구조를 안정적으로 지지하는 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물:Lithium mixed transition metal oxide having a composition of the formula (2), characterized in that the cation mixing ratio (Cation mixing) where Ni is located in the lithium site stably supports the layered crystal structure as 0.03 to 0.07 based on the total content of Ni: Lix'M"y'A'z'O2 (2)Li x ' M "y' A 'z' O 2 (2) 상기 식에서, Where 0.95≤x'≤1.05, 0≤z'<0.05, x'+y'≒2, y'+z'=1이고, 0.95≤x'≤1.05, 0≤z '<0.05, x' + y '≒ 2, y' + z '= 1, M"은 Ni, Mn 및 Co의 혼합전이금속이며, M "is a mixed transition metal of Ni, Mn and Co, A'는 B, Ca, Zr, S, F, P, Bi, Al, Mg, Zn, Sr, Cu, Fe, Ga, In, Cr, Ge 및 Sn로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이다. A 'is at least one element selected from the group consisting of B, Ca, Zr, S, F, P, Bi, Al, Mg, Zn, Sr, Cu, Fe, Ga, In, Cr, Ge and Sn. 제 13 항의 화학식 2에 따른 조성을 가지고, 혼합 전이금속(M)에 대한 리튬의 비율이 0.95 ~ 1.04이며, 상기 리튬 자리에 Ni이 삽입되어 층상 결정 구조를 안정적으로 지지하며, 상기 리튬 자리에 삽입되는 Ni의 몰분율은 Ni 전체량을 기준으로 0.03 ~ 0.07인 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물.The composition according to Formula 2 of claim 13, wherein the ratio of lithium to the mixed transition metal (M) is 0.95 ~ 1.04, Ni is inserted into the lithium site to stably support the layered crystal structure, is inserted into the lithium site Mole fraction of Ni is a lithium mixed transition metal oxide, characterized in that 0.03 ~ 0.07 based on the total amount of Ni. 삭제delete Ni, Mn 및 Co의 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')과 리튬 이온이 흡장 및 방출되는 층('가역적 리튬층')을 포함하고 상기 MO층과 상기 가역적 리튬층이 교번하여 반복적으로 구성된 층상 결정 구조를 가지는 리튬 혼합 전이금속 산화물로서, 상기 MO층은 Ni3+ 및 Ni2+를 포함하고, MO층으로부터 유래된 Ni2+가 가역적 리튬층에 삽입되어 있으며, 상기 가역적 리튬층에 삽입되어 결합되는 Ni2+의 몰분율은 Ni 전체량을 기준으로 0.03 ~ 0.07인 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물.A mixed transition metal oxide layer of Ni, Mn, and Co ('MO layer') and a layer in which lithium ions are occluded and released ('reversible lithium layer'), and the MO layer and the reversible lithium layer are alternately and repeatedly configured. a lithium mixed transition metal oxide having a layered crystal structure, the MO layer comprises an Ni 3+ and Ni 2+, Ni 2+ and the derived from the MO layer is inserted into the reversible lithium layers, inserted into the reversible lithium layer And the mole fraction of Ni 2+ bonded to each other is 0.03 to 0.07 based on the total amount of Ni. 제 1 항의 화학식 1에 따른 조성을 가지고, 혼합 전이금속 산화물 층('MO층')들 사이로 리튬 이온이 흡장 및 방출되며, 원료 물질을 산소 농도가 10 ~ 50%인 분위기에서 반응시켜 제조됨으로써, 상기 MO층에는 Ni3+ 및 Ni2+이 포함되고, MO층으로부터 유래된 Ni2+가 가역적 리튬층에 삽입되어 있으며, 상기 가역적 리튬층에 삽입되어 결합되는 Ni2+의 몰분율은 Ni 전체량을 기준으로 0.03 ~ 0.07인 것을 특징으로 하는 리튬 혼합 전이금속 산화물.The composition according to claim 1 has a composition according to Formula 1, lithium ions are occluded and released between the mixed transition metal oxide layer ('MO layer'), and is prepared by reacting the raw material in an atmosphere having an oxygen concentration of 10 to 50%, MO layer, containing the Ni 3+ and Ni 2+, Ni 2+ and the derived from the MO layer is inserted into the reversible lithium layer, a molar fraction of Ni 2+ to be coupled are inserted into the reversible lithium layer is the total amount of Ni Lithium mixed transition metal oxide, characterized in that 0.03 ~ 0.07 on the basis.
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