KR100792157B1 - Cathode active material for lithium secondary batteries and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극 활물질의 표면에 하기 화학식 1의 화합물에 구성된 코팅층이 형성되어 있는 양극 활물질, 그것의 제조방법, 그것을 사용한 양극 및 리튬 이차전지를 제공하는 바, 이러한 양극 활물질은 향상된 사이클 특성과 고율 충방전에 따른 용량 감소가 개선된 효과를 발휘한다.The present invention provides a cathode active material in which a coating layer composed of the compound of Formula 1 is formed on the surface of a cathode active material, a method of manufacturing the same, and a cathode and a lithium secondary battery using the same. The capacity reduction with the discharge exhibits an improved effect.
MHPO4 (1)MHPO 4 (1)
상기에 있어서, M 은 d 궤도를 포함하는 금속 및 준금속이다.
In the above, M is a metal and metalloid containing a d orbit.
Description
도 1 내지 4는 본 발명의 실시예 1 내지 3과 비교예에서 각각 제조된 양극 활물질을 사용한 코인형 전지의 실험 결과를 나타낸 그래프로서, 3 V 및 4.3 V 구간에서 0.1, 0.2, 0.5 및 1 C rate로 각각 1 회 충방전하고 1 C rate로 50 회 충방전을 실시한 결과를 보여주고 있다;1 to 4 are graphs showing experimental results of coin-type batteries using the positive electrode active materials prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples of the present invention, respectively, at 0.1, 0.2, 0.5, and 1 C at 3 V and 4.3 V sections. charging and discharging at a rate of 1 C and 50 charging and discharging at a 1 C rate are shown;
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 코팅층을 구성하는 SrHPO4의 XRD 그래프이다.
5 is an XRD graph of SrHPO 4 constituting the coating layer in Examples 1 to 3 of the present invention.
본 발명은 양극 활물질, 그것의 제조방법, 그것을 사용한 양극 및 리튬 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극 활물질의 표면에 이후 설명하는 화학식 1의 화합물에 구성된 코팅층이 형성되어 있는 양극 활물질을 제공하는 바, 이러한 양극 활물질은 향상된 사이클 특성과 고율 충방전에 따른 용량 감소가 개선된 특성 을 발휘한다.The present invention relates to a positive electrode active material, a method of manufacturing the same, a positive electrode and a lithium secondary battery using the same, and more particularly, to provide a positive electrode active material having a coating layer composed of the compound of Formula 1 described later on the surface of the positive electrode active material The positive electrode active material exhibits improved cycle characteristics and improved capacity reduction due to high rate charge and discharge.
리튬 이차전지의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 주로 사용되고 있다. 상기 양극 활물질 중 LiMn2O4, LiMnO2 등의 망간계 양극 활물질은 합성방법 및 가격적인 측면에서 장점이 있으나, 방전용량이 낮다는 단점을 가지고 있다. LiCoO2는 양호한 전기 전도도, 높은 전지 전압 및 우수한 전극 특성을 보이며, 현재 시판되고 있는 대부분의 전지에 적용되고 있는 대표적인 양극 활물질이다. 그러나, 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 니켈계 양극 활물질인 LiNiO2는 상기에서 언급된 양극 활물질들 중 가장 높은 방전 용량의 전지 특성을 나타내고 있으나, 급격한 수명 열화 및 고온에서의 특성이 다른 물질들에 비해 급격히 떨어지는 등의 단점을 가지고 있다. As a cathode active material of a lithium secondary battery, composite metal oxides such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x O 2 (0 <x <1), and LiMnO 2 are mainly used. Among the cathode active materials, manganese-based cathode active materials such as LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 have advantages in terms of synthesis method and cost, but have a disadvantage of low discharge capacity. LiCoO 2 exhibits good electrical conductivity, high battery voltage, and excellent electrode characteristics, and is a representative cathode active material applied to most batteries currently on the market. However, the disadvantage is that the price is expensive. LiNiO 2, which is a nickel-based positive electrode active material, exhibits the highest discharge capacity of battery characteristics among the above-mentioned positive electrode active materials, but has disadvantages such as rapid deterioration of life and rapid drop in characteristics at high temperatures.
충방전시 양극 활물질의 안정성을 향상시키기 위한 방법으로, Ni계 또는 Co계 리튬 산화물에 다른 원소를 도핑하는 방법이 제시되었으며, 이러한 방법의 예로 일본특허공개 제12-149945호에는 LiNiO2의 성능을 개선시킨 활물질인 LiNixMy CozO2(M 은 Mn 및 Al 중 적어도 하나의 원소이고, x+y+z=1)가 개시되어 있다. As a method for improving the stability of the positive electrode active material during charging and discharging, a method of doping other elements to Ni-based or Co-based lithium oxide has been proposed. As an example of this method, Japanese Patent Publication No. 12-149945 describes the performance of LiNiO 2 . LiNi x M y Co z O 2 (M is at least one element of Mn and Al, x + y + z = 1), which is an improved active material, is disclosed.
양극 활물질의 안정성을 개선하기 위한 또 다른 방법으로, 양극 활물질의 표면을 개질하는 방법이 알려져 있다. 일본특허공개 제9-55210호에는 리튬 니켈계 산화물을 Co, Al, Mn 의 알콕사이드로 코팅한 후 열처리하여 제조되는 양극 활물질 이 개시되어 있으며, 일본특허공개 제11-16566호에는 Ti, Sn, Bi, Cu, Si, Ga, W, Zr, B 또는 Mo의 금속 및/또는 이들의 산화물로 코팅된 리튬계 산화물이 개시되어 있다. As another method for improving the stability of the positive electrode active material, a method of modifying the surface of the positive electrode active material is known. Japanese Patent Laid-Open No. 9-55210 discloses a positive electrode active material prepared by coating lithium nickel-based oxide with an alkoxide of Co, Al, Mn, and then heat-treating it, and Japanese Patent Laid-Open No. 11-16566 discloses Ti, Sn, Bi. Lithium-based oxides coated with metals of Cu, Si, Ga, W, Zr, B or Mo and / or oxides thereof are disclosed.
양극 활물질의 구조적 안정성을 증가시키는 방법으로, 미국특허 제5,705,291호에는 표면에 보레이트, 알루미네이트, 실리케이트, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 조성물로 코팅하는 방법이 개시되어 있다.As a method of increasing the structural stability of the positive electrode active material, US Pat. No. 5,705,291 discloses a method of coating a surface with a composition comprising borate, aluminate, silicate, or mixtures thereof.
그러나, 이들 종래기술의 양극 활물질은 여전히 구조적인 안정성이 좋지 못하여 고율 충방전에 따른 수명 특성이 만족할 만한 수준에 도달하지 못하고 있다.
However, these cathode active materials of the prior art still have poor structural stability and thus have not reached a satisfactory level of life characteristics due to high rate charging and discharging.
따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art and the technical problem that has been requested from the past.
본 발명의 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 반복한 끝에, 리튬 이차전지에서 사용되는 양극 활물질의 표면상에 화학식 1로서 표시되는 특정 성분이 포함된 코팅층을 형성하였을 때, 양극의 구조적 안전성을 향상시켜, 고율 충방전에 따른 수명 특성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
After repeating in-depth studies and various experiments, the inventors of the present invention improve the structural safety of a positive electrode when a coating layer containing a specific component represented by Formula 1 is formed on the surface of a positive electrode active material used in a lithium secondary battery. It was confirmed that the life characteristics due to high rate charging and discharging can be improved, and the present invention was completed.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 양극 활물질의 표면의 일부 또는 전부에 하기 화학식 1로 표기되는 다성분계 코팅층을 포함하는 것으로 구성되어 있다.The positive electrode active material according to the present invention for achieving this object is composed of a multi-component coating layer represented by the following formula (1) on part or all of the surface of the positive electrode active material that can occlude and release lithium.
상기에 있어서, M 은 d 궤도를 포함하는 금속 및 준금속이다. In the above, M is a metal and metalloid containing a d orbit.
본 발명은 또한 상기 양극 활물질의 제조방법을 제공하는 바, 그러한 제조방법은,The present invention also provides a method for producing the positive electrode active material, such a production method,
a) 화학식 1에서의 M의 전구체 및 인 전구체 화합물을 용매에 용해시켜 코팅액을 제조하는 단계; a) preparing a coating solution by dissolving a precursor of M and a phosphorus precursor compound in Formula 1 in a solvent;
b) 상기 코팅액에 양극 활물질을 첨가 및 교반하여 코팅하는 단계; 및b) adding and stirring the positive electrode active material to the coating solution; And
c) 상기 코팅된 양극 활물질을 열처리하는 단계;c) heat treating the coated cathode active material;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.It is configured to include.
본 발명은 또한 상기 양극 활물질을 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지용 양극을 제공한다.The present invention also provides a cathode for a lithium secondary battery comprising the cathode active material.
더나아가, 본 발명은 상기와 같은 양극, 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 음극 활물질을 포함하는 음극, 분리막, 및 전해질을 포함하는 것으로 구성되어 있는 리튬 이차전지를 제공한다.
Furthermore, the present invention provides a lithium secondary battery comprising the above positive electrode, a negative electrode including a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium, a separator, and an electrolyte.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 양극 활물질은 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 통상적인 리튬 전 이금속 복합 산화물이 사용 가능하며, 다음의 것으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNi 1-XCoXMYO2(M = Al, Ti, Mg, Zr, 0<X≤1, 0≤Y≤0.2) 또는 LiNiXCoYMn1-X-YO2(0<X≤0.5, 0<Y≤0.5) 등이 사용될 수 있다.As the cathode active material of the present invention, a conventional lithium transition metal composite oxide capable of occluding and releasing lithium may be used, but is not limited thereto, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2. O 4 , LiNi 1-X Co X M Y O 2 (M = Al, Ti, Mg, Zr, 0 <X≤1, 0≤Y≤0.2) or LiNi X Co Y Mn 1-XY O 2 (0 < X≤0.5, 0 <Y≤0.5) and the like may be used.
본 발명은 이러한 양극 활물질의 표면에 화학식 1에서와 같은 다성분계 화합물의 코팅층을 형성하는 표면 개질법에 의해 전지의 사이클 특성, 고율 충방전에 따른 수명 특성의 향상을 도모한다.The present invention seeks to improve the cycle characteristics of the battery and the life characteristics due to high rate charging and discharging by a surface modification method of forming a coating layer of a multicomponent compound as in
상기 양극 활물질의 표면상에 형성되는 화합물 코팅층을 이루는 원소 중 M 은, 원자의 오비탈 구조상에서 d 궤도를 포함하는 원소로서, 예를 들어 Al, Sr, Zr, Co, Cr, Ga, Ge, Fe 등을 들 수 있으며, 그 중에서 양극 활물질 상에 도핑이 용이한 Al, Zr, Sr, Co 등이 더욱 바람직하다. 그 중에서도, Sr 이 특히 바람직하다.Of the elements constituting the compound coating layer formed on the surface of the positive electrode active material, M is an element containing a d orbit on the orbital structure of the atom, for example, Al, Sr, Zr, Co, Cr, Ga, Ge, Fe, etc. Among these, Al, Zr, Sr, Co, etc. which are easy to doping on a positive electrode active material are more preferable. Especially, Sr is especially preferable.
또한, 상기 양극 활물질의 표면 상에 형성되는 화합물 코팅층을 이루는 원소인 P 는 산소와 강한 결합력을 가지고 있다. 그러나, 상기 화학식 1과 같이 산소 원자와 결합 가능한 화합물이면 기타의 원소도 가능할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In addition, P, an element constituting the compound coating layer formed on the surface of the positive electrode active material, has a strong bonding force with oxygen. However, as long as it is a compound capable of bonding with an oxygen atom as shown in
양극 활물질에서 코팅층의 량은 양극 활물질 100 중량%를 기준으로 0.1 내지 10 중량%의 범위인 것이 바람직하다. 0.1 중량% 미만일 경우, Li 인터칼레이션 전위의 상승에 따른 양극의 구조적 안정성을 효과적으로 도모하기 어려우며, 10 중량% 초과시에는 양극 활물질량이 상대적으로 저하되어 전지 충방전 용량이 저하되므 로 바람직하지 않다.The amount of the coating layer in the positive electrode active material is preferably in the range of 0.1 to 10% by weight based on 100% by weight of the positive electrode active material. When less than 0.1% by weight, it is difficult to effectively achieve the structural stability of the positive electrode according to the increase of the Li intercalation potential, and when the amount exceeds 10% by weight, the amount of the positive electrode active material is relatively lowered, and thus the battery charge and discharge capacity is not preferable.
코팅층은 양극 활물질의 표면 전체를 피복할 수도 있지만, 경우에 따라서는 일부만을 피복할 수도 있다. 바람직하게는, 코팅층이 양극 활물질의 표면 전체를 피복하고 있다.The coating layer may cover the entire surface of the positive electrode active material, but in some cases, only a part thereof may be coated. Preferably, the coating layer covers the whole surface of the positive electrode active material.
코팅층은 바람직하게는 berlinite, cristobalite 또는 tridymite 상을 포함하고 있으며, 바람직하게는 berlinite 상을 포함하고 있다.The coating layer preferably comprises a berlinite, cristobalite or tridymite phase, and preferably comprises a berlinite phase.
코팅층은 비정질, 결정질 또는 이들의 혼합 형태일 수 있다.
The coating layer may be in amorphous, crystalline or mixed form thereof.
본 발명의 다성분계 코팅층을 포함하는 양극 활물질의 제조방법으로는 당업계에 알려진 통상적인 코팅법이나 그것을 일부 응용한 방법이 사용될 수 있다. 바람직한 예를 들면 다음과 같다.As a method of manufacturing the positive electrode active material including the multicomponent coating layer of the present invention, a conventional coating method known in the art or a method of applying the same may be used. Preferred examples are as follows.
우선, 코팅액은 화학식 1에서의 M의 전구체 화합물 및 인 전구체 화합물을 용매에 용해시켜 제조될 수 있다. First, the coating solution may be prepared by dissolving the precursor compound and phosphorus precursor compound of M in the formula (1) in a solvent.
상기 전구체 화합물들은 상기 원소를 각각 포함하는 수용성 또는 비수용성 화합물로서, 다음의 것으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 각 원소를 포함하는 알콕시드, 나이트레이트, 아세테이트, 할로겐화물, 하이드록사이드, 옥사이드, 카보네이트, 옥살레이트, 설페이트, 또는 상기 원소를 포함하는 염으로서, 이온화가 가능한 화합물 등이 있다. 특히, 스트론튬 알콕시드, 스트론튬 나이트레이트, 스트론튬 하이드록사이드, 스트론튬 옥사이드, 스트론튬 아세테이트, 스트론튬 설페이트, 스트론튬 클로라이드, 모노도데실 포스페이트, 디암모늄 하이드로겐포스 페이트, 인산 등이 바람직하다. 또한, 상기 원소들을 1 종 이상 포함하거나 이들의 조합을 포함하는 화합물도 사용 가능하다. The precursor compounds are water-soluble or water-insoluble compounds each containing the above elements, but are not limited to, for example, alkoxides, nitrates, acetates, halides, hydroxides, oxides containing each element. , Carbonate, oxalate, sulfate, or a salt containing the above-mentioned elements include compounds capable of ionizing. In particular, strontium alkoxide, strontium nitrate, strontium hydroxide, strontium oxide, strontium acetate, strontium sulfate, strontium chloride, monododecyl phosphate, diammonium hydrogen phosphate, phosphoric acid and the like are preferable. In addition, a compound containing one or more of the above elements or a combination thereof may also be used.
상기 용매로는 물 또는 알코올 등 유기 용매를 사용할 수 있다. As the solvent, an organic solvent such as water or alcohol may be used.
본 발명자들의 실험에 따르면, 코팅액의 산도(pH)는 전구체 화합물의 해리도에 영향을 미치며, 결과적으로 코팅층의 결정 구조에 영향을 미쳐, 양극 활물질의 전기적 특성에 차이를 주는 것으로 확인되었다. 코팅액의 바람직한 산도는 바람직하게는 pH 6 내지 10이고, 더욱 바람직하게는 7 내지 8이다. 코팅액의 산도 조절은 예를 들어 암모니아수를 코팅액에 부가함으로써 행할 수 있다.According to the experiments of the present inventors, it was confirmed that the acidity (pH) of the coating liquid affects the dissociation degree of the precursor compound, and as a result, the crystal structure of the coating layer affects the electrical properties of the positive electrode active material. Preferred acidity of the coating liquid is preferably pH 6-10, more preferably 7-8. Acidity control of a coating liquid can be performed, for example by adding ammonia water to a coating liquid.
상기와 같이 제조된 코팅액에 양극 활물질, 즉, 리튬 인터칼레이션 화합물을 첨가, 혼합 및 교반함으로써 코팅이 이루어지며, 코팅 공정은 당업계에서 통상적으로 사용되는 일반적인 코팅 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 용매증발법(solvent evaporation), 공침법, 침전법, 졸겔법, 흡착 후 필터법, 스퍼터, CVD 등이 사용될 수 있다. Coating is performed by adding, mixing, and stirring a positive electrode active material, that is, a lithium intercalation compound, to the coating solution prepared as described above, and the coating process may use a general coating method commonly used in the art. For example, solvent evaporation, co-precipitation, precipitation, sol-gel method, post-sorption filter method, sputtering, CVD and the like can be used.
이와 같이 다성분계 화합물의 전구체로 코팅된 양극 활물질의 열처리 온도 범위는 100 내지 700℃가 바람직하다. 또한 열처리 시간은 1 내지 20 시간이 바람직하고, 2 내지 5 시간이 더욱 바람직하다.As such, the heat treatment temperature range of the positive electrode active material coated with the precursor of the multicomponent compound is preferably 100 to 700 ° C. The heat treatment time is preferably 1 to 20 hours, more preferably 2 to 5 hours.
본 발명에 따른 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 양극은, 당업계에 공지되어 있는 바와 같이, 상기 양극 활물질에 바인더, 바람직하게는 바인더와 함께 도전제를 포함하는 것으로 구성되어 있다. The positive electrode for a lithium secondary battery including the positive electrode active material according to the present invention, as is known in the art, is configured to include a conductive agent together with a binder, preferably a binder, in the positive electrode active material.
상기 바인더는 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가되며, 그것의 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. 바람직하게는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 등을 사용할 수 있다.The binder is added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material, and examples thereof include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, and hydroxy. Propylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various And copolymers. Preferably, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), or the like can be used.
상기 도전제는 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가되며, 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 agent is added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material, and is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, natural graphite or Graphite such as 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.
경우에 따라서는, 상기 성분 이외에 양극의 팽창을 억제하는 충진제가 더 포함될 수도 있으며, 상기 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용될 수 있다.In some cases, in addition to the component may further include a filler for inhibiting the expansion of the positive electrode, the filler is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical changes in the battery, for example, polyethylene, poly Olefinic polymers such as propylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, can be used.
양극은 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 양극 활물질을 바인더와 혼합하여 제조한 양극 슬러리를 집전체에 도포한 후, 용매나 분산매를 건조 등으로 제거하고, 집전체에 활물질을 결착시킴과 더불어 활물질끼리를 결착시켜 제조할 수 있다. The positive electrode can be prepared by conventional methods known in the art. For example, after applying the positive electrode slurry prepared by mixing the positive electrode active material of the present invention with a binder to a current collector, the solvent or dispersion medium is removed by drying, and the active material is bound to the current collector and the active materials are bound to each other. It can manufacture.
상기 양극 집전체는 일반적으로 1 내지 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, 소성 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. 바람직하게는 알루미늄 시트가 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is generally made to a thickness of 1 to 500 μm. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined 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. Preferably aluminum sheets can be used.
슬러리를 집전체에 도포하는 방법도 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 닥터블레이드, 침지, 솔칠 등에 의해서 도포될 수 있으며, 도포량도 특별히 제한되지 않지만, 용매나 분산매를 제거한 후에 형성되는 활물질 층의 두께가 보통 0.005 내지 5 mm, 바람직하게는 0.05 내지 2 mm 범위가 되는 정도의 양이 바람직하다. 용매 또는 분산매를 제거하는 방법도 특별히 제한되지 않지만, 응력집중이 발생하여 활물질 층에 균열이 발생하거나, 활물질층이 집전체로부터 박리되지 않는 정도의 속도범위 내에서 가능하면 신속하게 용매 또는 분산매가 휘발하도록 조정하여 제거하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.The method of applying the slurry to the current collector is also not particularly limited. For example, it may be applied by a doctor blade, dipping, brushing, etc., the coating amount is not particularly limited, but the thickness of the active material layer formed after removing the solvent or the dispersion medium is usually 0.005 to 5 mm, preferably 0.05 to 2 mm range The amount to which it becomes is preferable. The method of removing the solvent or the dispersion medium is not particularly limited, but the solvent or the dispersion medium is volatilized as quickly as possible within the speed range in which stress concentration occurs and cracks occur in the active material layer or the active material layer does not peel off from the current collector. It is preferable to use a method of adjusting to remove.
또한, 본 발명은 상기의 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하며, 리튬 이차전지는 리튬 금속 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등을 포함한다. In addition, the present invention provides a lithium secondary battery comprising the positive electrode, the negative electrode and the electrolyte, the lithium secondary battery includes a lithium metal secondary battery, lithium ion secondary battery, lithium polymer secondary battery or lithium ion polymer secondary battery, etc. .
본 발명의 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법으로 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고 전해질을 투입하여 제조할 수 있다. Lithium secondary battery of the present invention can be prepared by putting a porous separator between the positive electrode and the negative electrode in a conventional manner known in the art to put the electrolyte.
음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 양극과 관련하여 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 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 optionally, components as described above with respect to the positive electrode may be further included as necessary.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), Snx
Me1-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, Sb
2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2
, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 탄소, 리튬 금속 또는 이의 합금이 사용될 수 있다. The negative electrode active material may be, for example, carbon such as hardly graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ≦ x ≦ 1), Li x WO 2 (0 ≦ x ≦ 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,
상기 전해질은 리튬염과 전해액 화합물을 포함하는 비수전해액으로서, 상기 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. The electrolyte is a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt and an electrolyte compound. As the nonaqueous electrolyte, a nonaqueous electrolyte, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.
상기 비수 전해액으로는, 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.As said non-aqueous electrolyte, N-methyl- 2-pyrrolidinone, a propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyl Low lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, formamide, dimethylformamide, dioxorone, aceto Nitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative Aprotic organic solvents such as 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, Li3 N-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, 비수계 전해질에는 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, for the purpose of improving charge / discharge characteristics, flame retardancy, etc., for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, etc. Nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. It may be. 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.
상기 분리막은 음극과 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 또는 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 cathode 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 non-woven fabrics 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.
본 발명의 리튬 이차전지는 외형에 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등일 수 있다. The lithium secondary battery of the present invention is not limited in appearance, but may be a cylindrical, square, pouch type or coin type using a can.
본 발명은 하기의 실시예 및 실험예에 의거하여 더욱 상세히 설명되지만, 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
Although the present invention will be described in more detail based on the following Examples and Experimental Examples, the Examples and Experimental Examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
실시예 1: 양극 활물질의 제조 - 1Example 1 Preparation of Positive Electrode Active Material-1
Sr nitrate (1 g)와 H3PO4 (0.4 g)를 1:1의 몰비로 물(50 g)에 녹인 후 LiCoO2 100 g과 교반하고, 130℃에서 6 시간 동안 건조한 뒤, 700℃에서 5 시간 동안 열처리를 하였다. 열처리시의 승온속도는 시간당 200℃로 하였다. 양극 활물질인 LiCoO2을 투입 전의 용액의 pH는 4를 나타내었다. 이 공정에서 석출된 SrHPO4 분말은 LiCoO2 분말의 표면에 코팅층을 형성한다. 이 분말을 이용하여 코인 형태의 반쪽 전지를 조립하였다. 양극은 도전제로서 Super P carbon black 및 바인더로서 PVDF 각각 3 wt%와 양극 활물질이 94 wt%로 구성하였다. 이 반쪽 셀을 3 V와 4.3 V 구간에서 0.1, 0.2, 0.5 및 1 C rate로 각각 1 회 충방전한 후, 1 C rate로 50 회 충방전을 실시하였다. 그 결과가 도 1에 개시되어 있다.
Sr nitrate (1 g) and H 3 PO 4 (0.4 g) were dissolved in water (50 g) in a molar ratio of 1: 1, stirred with 100 g of LiCoO 2 , dried at 130 ° C. for 6 hours, and then at 700 ° C. Heat treatment was performed for 5 hours. The temperature increase rate at the time of heat processing was 200 degreeC per hour. The pH of the solution before putting the positive electrode active material of LiCoO 2 are shown four. SrHPO 4 powder precipitated in this process forms a coating layer on the surface of the LiCoO 2 powder. This powder was used to assemble a coin-shaped half cell. The positive electrode was composed of Super P carbon black as a conductive agent and 3 wt% of PVDF as a binder and 94 wt% of a positive electrode active material, respectively. This half cell was charged and discharged once at 0.1, 0.2, 0.5 and 1 C rates, respectively, at 3 V and 4.3 V sections, and then charged and discharged 50 times at 1 C rate. The results are shown in FIG.
실시예 2: 양극 활물질의 제조 - 2Example 2: Preparation of Positive Electrode Active Material-2
코팅 용액의 산도를 암모니아수를 이용하여 pH 8로 조절하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 행하였고, 그 결과가 도 2에 개시되어 있다.
Experiment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the acidity of the coating solution was adjusted to pH 8 using ammonia water, the results are shown in FIG.
실시예 3: 양극 활물질의 제조 - 3Example 3: Preparation of Positive Electrode Active Material-3
코팅 용액의 산도를 암모니아수를 이용하여 pH 11로 조절하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 행하였고, 그 결과가 도 3에 개시되어 있다.
The experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that the acidity of the coating solution was adjusted to pH 11 using ammonia water, and the results are shown in FIG. 3.
비교예 1Comparative Example 1
표면 코팅을 행하지 않은 LiCoO2를 양극 활물질로 사용하여 양극을 제조하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 행하였고, 그 결과가 도 4에 개시되어 있다.
The experiment was conducted in the same manner as in Example 1, except that LiCoO 2, which had not been surface-coated, was used as the positive electrode active material, and the results were shown in FIG. 4.
실험예 1: 구조분석(XRD) 실험Experimental Example 1: Structural Analysis (XRD) Experiment
본 발명에 따라 제조된 코팅층의 구조 분석을 위하여, 석출되는 코팅용액을 건조한 후 700℃에서 열처리 후 하기와 같은 실험을 행하였다. 시료로는 실시예 1, 2 및 3의 각 조건의 코팅 침전물들이 사용되었다. In order to analyze the structure of the coating layer prepared according to the present invention, the precipitated coating solution was dried and then subjected to heat treatment at 700 ° C. as follows. As samples, coating precipitates of the conditions of Examples 1, 2, and 3 were used.
구조분석 결과, 코팅 용액의 산도에 따라 코팅층의 구조가 달라지고 있음을 확인할 수 있었다. 이것은 코팅층을 형성하는 조건 중 용액의 조성, 특히, 산도가 중요한 요인임을 알 수 있으며, 그 이유는 각 전구체의 화합물의 해리도가 용액의 산도와 관계가 있고 그 차이로 인하여 코팅층의 구조가 달라짐을 확인할 수 있다.
As a result of the structural analysis, it was confirmed that the structure of the coating layer was changed according to the acidity of the coating solution. It can be seen that the composition of the solution, in particular, the acidity is an important factor among the conditions for forming the coating layer, because the dissociation degree of the compound of each precursor is related to the acidity of the solution and the structure of the coating layer is changed due to the difference. Can be.
실험예 2: 리튬 이차전지의 성능 평가Experimental Example 2: Performance Evaluation of Lithium Secondary Battery
본 발명에 따라 제조된 다성분계 코팅층을 포함하는 양극 활물질을 이용한 리튬 이차전지의 성능 평가를 하기와 같이 수행하였다.
Performance evaluation of the lithium secondary battery using the positive electrode active material including the multicomponent coating layer prepared according to the present invention was performed as follows.
실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 다성분계 코팅층을 포함하는 양극 활물질을 이용하여 제조된 전지의 용량을 측정하기 위하여, 하기와 같이 실험을 실시하였다. 대조군으로는 코팅되지 않은 LiCoO2 양극 활물질을 이용한 비교예 1의 전지를 사용하였다. In order to measure the capacity of the battery manufactured using the positive electrode active material including the multicomponent coating layers prepared in Examples 1 to 3, respectively, experiments were performed as follows. As a control, a battery of Comparative Example 1 using an uncoated LiCoO 2 positive electrode active material was used.
각 전지를 3 V 내지 4.3 V 구간에서 0.1 C, 0.2 C 및 0.5 C로 1 회 씩 충방전 진행 후 , 1 C으로 50 회 충방전을 실시하였다. 그 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다. Each battery was charged and discharged once at 0.1 C, 0.2 C and 0.5 C at 3 V to 4.3 V, and then charged and discharged at 1
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1 ~ 3의 전지는 비교예 1의 전지와 비슷한 초기 충방전 용량을 보여 주었으나, 1 C으로 50 회 사이클 진행 후의 방전 용량에서는 현저하게 높은 용량 및 용량 유지율을 보여 주었다. 이는 양극 활물질 상의 코팅층 화합물에 의해 전극의 구조적 안정성이 향상된 것을 나타낸다. 특히, SrHPO4 코팅층은 pH의 변화에 따라 1 C 초기 용량 및 50 회 충방전 후의 용량이 큰 차이를 보이고 있으며, pH 8에서 가장 좋은 수명 특성을 보임을 알 수 있다. As shown in Table 1, the batteries of Examples 1 to 3 showed an initial charge and discharge capacity similar to that of Comparative Example 1, but at a discharge capacity after 50 cycles at 1 C, a significantly higher capacity and capacity retention rate were observed. Showed. This indicates that the structural stability of the electrode is improved by the coating layer compound on the positive electrode active material. In particular, the SrHPO 4 coating layer shows a large difference in the initial capacity of 1 C and the capacity after 50 charge / discharge cycles according to the pH change. pH It can be seen that 8 shows the best life characteristics.
이를 확인하기 위하여, 코팅층을 구성하는 SrHPO4의 pH 변화별 X-ray 구조 분석을 실시하였다. 그 결과가 도 5에 개시되어 있다. 도 5의 XRD로부터 알 수 있 듯이, Berlinite 상이 주상으로 존재할 때(실시예 2 및 3)가 수명 특성이 더욱 우수함을 알 수 있다. 또한, 사이클 특성도 코팅층이 없는 양극 활물질(비교예 1)에 비해, berninite 구조를 가지는 SrHPO4로 코팅된 양극 활물질이 20% 이상 향상됨을 알 수 있다. To confirm this, an X-ray structure analysis for each pH change of SrHPO 4 constituting the coating layer was performed. The results are shown in FIG. As can be seen from the XRD of FIG. 5, it can be seen that the life characteristics are better when the Berlinite phase is present as the main phase (Examples 2 and 3). In addition, it can be seen that the positive electrode active material coated with SrHPO 4 having a berninite structure is improved by 20% or more as compared with the positive electrode active material (Comparative Example 1) without a coating layer.
따라서, 본 발명에 따른 화합물로 표면의 일부 또는 전부가 코팅된 양극 활물질은 전극의 구조적 안정성을 향상시켜 고율 충방전 특성을 향상시킴을 확인할 수 있다.
Therefore, it can be seen that the positive electrode active material coated part or all of the surface with the compound according to the present invention improves the structural stability of the electrode to improve the high rate charge and discharge characteristics.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 양극 활물질은 기존 양극 활물질 표면의 일부 또는 전부에 MHPO4 화합물로 구성된 코팅층을 형성하는 조건을 최적화하여 결정구조를 조절함으로써 구조적 안정성을 향상시켜 고율 충방전에 따른 수명 특성 및 사이클 특성이 향상된 리튬 이차전지를 제조할 수 있다. As described above, the positive electrode active material of the present invention optimizes the conditions for forming a coating layer composed of MHPO 4 compound on part or all of the surface of the existing positive electrode active material to improve the structural stability by adjusting the crystal structure to improve the lifespan characteristics according to high rate charge and discharge And a lithium secondary battery having improved cycle characteristics.
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