KR100794168B1 - Positive active material for lithium secondary battery, method of preparing thereof, and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents

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조재필
장윤한
김진영
김유정
김현정
황해숙
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Abstract

An anode active material for a lithium secondary battery is provided to have thermal stability, inhibit decomposition of Ni, Co, and Mn upon charging and discharging of a battery, thereby improving life characteristics of a battery. An anode active material for a lithium secondary battery includes a lithium composite oxide represented by the formula of [Li_xM_yQ_z]_(3a)[Ni_mCo_nMn_t]_(3b)O_2, wherein M is at least one selected from the group consisting of alkali metals, alkali earth metals, and combinations thereof, Q is at least one selected from the group consisting of halogen, sulfur, phosphorous, and combinations thereof, 0.9<=x<=0.95, 0.04<=y<=0.06, 0.01<=z<=0.4, 0.1 <=m<=0.5, 0.01<=n<=0.5 0.005<=t<=0.5, and m+n+t=1.

Description

리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{POSITIVE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY, METHOD OF PREPARING THEREOF, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}A positive electrode active material for a lithium secondary battery, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same TECHNICAL FIELD

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 리튬 이차 전지의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a rectangular lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 2는 실시예 1 내지 4에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물의 X-선 회절스펙트럼이다.2 is an X-ray diffraction spectrum of the lithium composite metal oxide prepared in Examples 1 to 4.

도 3은 실시예 1 내지 3과 비교예 1에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물로 제조된 코인 전지의 시차주사 열량 그래프이다.3 is a differential scanning calorimetry graph of a coin battery prepared from lithium composite metal oxides prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열적으로 안정한 구조를 가지며, 리튬 이차 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, has a thermally stable structure and can improve the life characteristics of a lithium secondary battery. It relates to a manufacturing method thereof and a lithium secondary battery comprising the same.

[종래 기술][Prior art]

최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화 추세와 관련하여 이들 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고성능화 및 대용량화에 대한 필요성이 높아지고 있다.Recently, with the trend toward miniaturization and light weight of portable electronic devices, the need for high performance and high capacity of batteries used as power sources for these devices is increasing.

전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써 전력을 발생시키는 것이다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션/디인터칼레이션될 때의 화학전위(chemical potential)의 변화에 의하여 전기 에너지를 생성하는 리튬 이차 전지가 있다.  A battery generates power by using a material capable of electrochemical reactions at a positive electrode and a negative electrode. A typical example of such a battery is a lithium secondary battery that generates electric energy by a change in chemical potential when lithium ions are intercalated / deintercalated at a positive electrode and a negative electrode.

상기 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 물질을 양극과 음극 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다. The lithium secondary battery is manufactured by using a material capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium ions as a positive electrode and a negative electrode active material, and filling an organic electrolyte or a polymer electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.

리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 복합금속 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1 -xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합금속 산화물들이 연구되고 있다. As a cathode active material of a lithium secondary battery, a lithium composite metal compound is used. Examples thereof include a composite of LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNi 1- x Co x O 2 (0 <x <1), and LiMnO 2 . Metal oxides are being studied.

상기 양극 활물질 중 LiMn2O4, LiMnO2 등의 Mn계 양극 활물질은 합성하기도 쉽고, 값이 비교적 싸며, 과충전시 다른 활물질에 비하여 열적 안정성이 가장 우수하고, 환경에 대한 오염도 적어 매력이 있는 물질이기는 하나, 용량이 작다는 단점을 가지고 있다. Among the cathode active materials, Mn-based cathode active materials such as LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 are easy to synthesize, are relatively inexpensive, have the best thermal stability compared to other active materials when overcharged, and are less attractive to the environment due to less pollution. However, it has a disadvantage of small capacity.

LiCoO2는 양호한 전자 전도도와 높은 전지 전압 그리고 우수한 전극 특성을 보이며, 현재 Sony사 등에서 상업화되어 시판되고 있는 대표적인 양극 활물질이다. 그러나, 가격이 비싸고 고율 충방전시 안정성이 낮다는 단점을 내포하고 있다. 또 한 LiNiO2는 위에서 언급한 양극 활물질 중 가장 값이 싸며, 가장 높은 방전 용량의 전지 특성을 나타내고 있으나 합성하기 어려우며 상기 언급된 물질 중에 충방전시 가장 구조적으로 불안정하다는 단점이 있다. LiCoO 2 exhibits good electron conductivity, high battery voltage, and excellent electrode characteristics, and is a representative cathode active material commercialized and marketed by Sony. However, it has the disadvantage of high price and low stability at high rate charge and discharge. In addition, LiNiO 2 is the lowest of the above-mentioned positive electrode active material, exhibits the highest discharge capacity of the battery characteristics, but is difficult to synthesize and has the disadvantage of being the most structurally unstable during charge and discharge of the above-mentioned materials.

이와 같이 LiCoO2와 LiNiO2는 우수한 전기화학적 특성은 보이나 이는 보통 4.3 V정도로 국한되고, 4.5 V에서는 구조의 붕괴로 인한 용량 열화 현상이 발생한다. 부연하면 충전에 의해 LiNiO2로부터 Li가 빠지면 LiNiO2는 매우 불안정하게 되어, 200 ℃ 미만에서 분해가 일어나 비해 열적으로 매우 불안정하다. 이것은 전지의 양극 활물질로서 사용하는 경우는 치명적이고, 발생하는 산소가 요인으로 전지의 열폭주, 즉, 발화나 파열을 유도한다.As described above, LiCoO 2 and LiNiO 2 have excellent electrochemical properties, but they are limited to 4.3 V, and at 4.5 V, capacity deterioration due to structural collapse occurs. In other words, when Li is released from LiNiO 2 by charging, LiNiO 2 becomes very unstable, and decomposition occurs at less than 200 ° C., whereas thermally it is very unstable. This is fatal when used as a positive electrode active material of a battery, and the generated oxygen induces thermal runaway of the battery, that is, ignition or rupture.

이런 문제를 해결하기 위해 Ni:Mn:Co를 1:1:1의 비율로 고용시킨 산화물을 이용하는 방법이 제안되었으나, 이들을 포함한 양극 활물질 역시 전지 충방전시 Ni, Mn, 및 Co의 분해 반응을 크게 억제하지는 못하였다.In order to solve this problem, a method of using an oxide in which Ni: Mn: Co is dissolved in a ratio of 1: 1: 1 has been proposed, but the positive electrode active material including these also greatly increases the decomposition reaction of Ni, Mn, and Co during battery charging and discharging. It could not be suppressed.

상기 문제점을 해결하기 위한, 본 발명의 목적은 열적으로 안정한 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a positive electrode active material for a thermally stable lithium secondary battery.

본 발명의 다른 목적은 상기 양극 활물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the cathode active material.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 양극 활물질을 포함하는 양극이 구비된 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery provided with a cathode including the cathode active material.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 산화물을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium composite oxide represented by the following formula (1):

[화학식 1] [Formula 1]

[LixMyQz]3a[NimConMnt]3 bO2 [Li x M y Q z ] 3a [Ni m Co n Mn t ] 3 b O 2

(상기 화학식 1에서, M은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, Q는 할로겐, 황, 인, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, 0.9≤x≤0.95, 0.04≤y≤0.06, 0.01≤z≤0.4, 0.1≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5, 및 m+n+t=1이다)(In Formula 1, M is one selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, and combinations thereof, Q is one selected from the group consisting of halogen, sulfur, phosphorus, and combinations thereof, and 0.9≤ x≤0.95, 0.04≤y≤0.06, 0.01≤z≤0.4, 0.1≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5, and m + n + t = 1)

또한 본 발명은In addition, the present invention

니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 리튬 금속 산화물, M을 포함하는 금속염(M=알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 이들의 조합), 및 Q를 포함하는 화합물(Q=할로겐, 황, 인 또는 이들의 조합)을 혼합하여 반응시키는 단계; 및Lithium metal oxides including nickel, cobalt and manganese, metal salts containing M (M = alkaline metals, alkaline earth metals or combinations thereof), and compounds comprising Q (Q = halogen, sulfur, phosphorus or combinations thereof) Reacting by mixing; And

상기 반응에 의해 얻어진 화합물을 열처리한 후 급냉하는 단계를 포함하는 상기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 금속 산화물을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium composite metal oxide represented by the formula (1) comprising the step of quenching after heat-treating the compound obtained by the reaction.

이때 급냉은 700 ℃/min 이상, 바람직하게는 700 내지 1000 ℃/min, 가장 바람직하게는 700 내지 800 ℃/min의 속도로 수행한다.In this case, quenching is performed at a rate of 700 ° C./min or more, preferably 700 to 1000 ° C./min, and most preferably 700 to 800 ° C./min.

또한 본 발명은 상기 화학식 1의 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a lithium secondary battery comprising a positive electrode active material containing a lithium composite oxide of the formula (1).

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 리튬 복합 금속 산화물은 열처리 후 급냉 공정을 통해 금속 사이트가 아닌 리튬 사이트에 원소가 혼입되어 열적으로 안정한 구조를 가져 리튬 이차 전지의 수명 특성을 향상시킨다. The lithium composite metal oxide of the present invention has a thermally stable structure by incorporating elements into a lithium site rather than a metal site through a quenching process after heat treatment, thereby improving life characteristics of a lithium secondary battery.

상기 리튬 복합 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시된다:The lithium composite metal oxide is represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1] [Formula 1]

[LixMyQz]3a[NimConMnt]3 bO2 [Li x M y Q z ] 3a [Ni m Co n Mn t ] 3 b O 2

(상기 화학식 1에서, M은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, Q는 할로겐, 황, 인, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, 0.9≤x≤0.95, 0.04≤y≤0.06, 0.01≤z≤0.4, 0.1≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5, 및 m+n+t=1이다)(In Formula 1, M is one selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, and combinations thereof, Q is one selected from the group consisting of halogen, sulfur, phosphorus, and combinations thereof, and 0.9≤ x≤0.95, 0.04≤y≤0.06, 0.01≤z≤0.4, 0.1≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5, and m + n + t = 1)

바람직하기로, 상기 M은 Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이며, 더욱 바람직하기로 Na 또는 Mg가 가능하다. 이하 본 명세서 전체에 걸쳐 언급하는 M은 상기 원소를 포함한다.Preferably, M is one selected from the group consisting of Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, and combinations thereof, and more preferably Na or Mg. Hereinafter, M referred to throughout this specification includes the above element.

또한 상기 Q는 F와 같은 할로겐, 황, 인, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이다. 이하 본 명세서 전체에 걸쳐 언급하는 Q는 상기 원소를 포함한다.In addition, Q is one selected from the group consisting of halogen, sulfur, phosphorus, and combinations thereof, such as F. Q mentioned below throughout this specification includes the said element.

상기 리튬 복합 금속 산화물은 Li이 존재하는 3a 사이트와 금속이 존재하는 3b 사이트와 산소가 결합되어 규칙적으로 배열된 층상 암염 구조를 가진다. 이때 상기 리튬 복합 금속 산화물은 3a 사이트에 존재하는 Li의 일부가 M과 Q로 치환된 구조를 가진다.The lithium composite metal oxide has a layered rock salt structure in which the 3a site where Li is present, the 3b site where the metal is present, and oxygen are regularly arranged. At this time, the lithium composite metal oxide has a structure in which a part of Li present in the 3a site is substituted with M and Q.

종래 층상 암염 구조를 가지는 리튬 복합 금속 산화물은 3a 사이트에는 Li이 존재하고, 3b 사이트에는 금속이 존재하는 구조를 갖는다. 일예로, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 의 경우 3a 사이트에는 Li가 존재하고, 3b 사이트에는 Ni, Co, 및 Mn이 존재한다. 그러나 이러한 구조의 리튬 복합 금속 산화물은 충전에 의해 Li이 빠지면 LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2 구조가 매우 불안정하여 저온에서 산소를 분리하여 NiO, Cr2O3, 또는 MnO2 등으로 환원되는 분해 반응이 일어나고, 그 결과 전지가 폭발되거나, 발화 또는 파열되는 현상이 발생한다.A lithium composite metal oxide having a layered rock salt structure has a structure in which Li is present at a 3a site and a metal is present at a 3b site. For example, in the case of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , Li is present at the 3a site, and Ni, Co, and Mn are present at the 3b site. However, the lithium-metal composite oxide having such a structure is left out the filling by Li LiNi 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3 O 2 The structure is very unstable, so that oxygen is separated at a low temperature, so that decomposition reactions are reduced to NiO, Cr 2 O 3 , MnO 2 , or the like, and as a result, a battery may explode, ignite or rupture.

그러나 본 발명과 같이 3a 사이트에 일부 Li 대신 M 및 Q가 치환되어 Li가 빠져나가더라도 구조적으로 안정화하여 상기 분해 반응을 억제하여 전지의 폭박, 발화 또는 파열 현상을 방지한다.However, even when M and Q are substituted for some Li at 3a site as in the present invention, even when Li escapes, structural stabilization is suppressed to prevent the decomposition reaction, ignition or rupture of the battery.

상기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 금속 산화물은 The lithium composite metal oxide represented by Formula 1 is

니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 리튬 금속 산화물, M을 포함하는 금속염(M=알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 이들의 조합), 및 Q를 포함하는 화합물(Q=할로겐, 황, 인 또는 이들의 조합)을 혼합하여 반응시키는 단계; 및Lithium metal oxides including nickel, cobalt and manganese, metal salts containing M (M = alkaline metals, alkaline earth metals or combinations thereof), and compounds comprising Q (Q = halogen, sulfur, phosphorus or combinations thereof) Reacting by mixing; And

상기 반응에 의해 얻어진 화합물을 열처리한 후 급냉하는 단계를 거쳐 제조된다.After the heat treatment of the compound obtained by the reaction is prepared through a step of quenching.

먼저, 반응기에 용매를 주입한 다음 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 리튬 금속 산화물, M을 포함하는 금속염(M=알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 이들의 조합), 및 Q를 포함하는 화합물(할로겐, 황, 인 또는 이들의 조합)을 혼합하여 반응시킨다.First, a solvent is injected into the reactor, and then a lithium metal oxide including nickel, cobalt and manganese, a metal salt containing M (M = alkaline metal, alkaline earth metal or a combination thereof), and a compound containing Q (halogen, sulfur , Phosphorus or a combination thereof) are reacted by mixing.

상기 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 리튬 금속 산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 것이 바람직하다: The lithium metal oxide including nickel, cobalt and manganese is preferably represented by the following Chemical Formula 2:

[화학식 2][Formula 2]

LiNimConMntO2 LiNi m Co n Mn t O 2

(상기 화학식 2에서, 0.1≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5, 및 m+n+t=1이다)(In Formula 2, 0.1≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5, and m + n + t = 1)

상기 화학식 2의 리튬 금속 산화물은 공침법과 같은 공지된 방법을 이용하여 직접 제조하여 사용하거나 시판되는 것을 구입하여 사용한다.The lithium metal oxide of Chemical Formula 2 may be prepared and used directly by using a known method such as coprecipitation or a commercially available one.

상기 M을 포함하는 금속염은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 이들의 조합 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 포함하는 수산화물, 옥시수산화물, 질산염, 염화물, 탄산염, 초산염, 옥살산염, 시트르산염, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The metal salt containing M may be a hydroxide, oxyhydroxide, nitrate, chloride, carbonate, acetate, oxalate, citrate, and combinations thereof including one metal selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals or combinations thereof. One selected from the group consisting of may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 Q를 포함하는 화합물은 할로겐, 황, 인, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 원소를 포함하는 리튬 화합물이 가능하다. 대표적으로 LiF, LiP, Li3P, LiP5, LiP7, Li2S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.In addition, the compound containing Q may be a lithium compound containing one element selected from the group consisting of halogen, sulfur, phosphorus, and combinations thereof. Typically, one selected from the group consisting of LiF, LiP, Li 3 P, LiP 5 , LiP 7 , Li 2 S, and combinations thereof is possible.

이때 M을 포함하는 금속염과 Q를 포함하는 화합물은 화학식 1의 몰비를 만족하도록 화학양론비를 조절하여 사용한다. At this time, the metal salt containing M and the compound containing Q are used by adjusting the stoichiometric ratio to satisfy the molar ratio of the formula (1).

상기 사용되는 용매는 물, 및 알코올로 이루어진 군에서 선택된 단독 또는 이들의 혼합 용매가 사용되며, 바람직하기로는 물을 사용한다.  이때 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 C1 내지 C4의 저급 알코올이 바람직하다.As the solvent used, water or an alcohol selected from the group consisting of alcohols and mixed solvents thereof is used, and preferably water is used. In this case, the alcohol is preferably C1 to C4 lower alcohols selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, and combinations thereof.

이러한 반응은 150 ℃이하, 바람직하게는 80 내지 150 ℃에서 60 분 내지 180 분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 만약 상기 반응을 80 ℃ 보다 낮은 온도에서 실시하면 균일한 혼합을 이룰 수 없어 반응이 원활하지 않고, 이와 반대로 150 ℃를 초과하여 실시하면 사용한 용매의 끓는점이 낮아 용매 증발이 심화되어 바람직하지 않다. 아울러, 상기 반응을 실시하는 시간도 60분 미만이면 충분한 반응을 이룰 수 없으며, 180 분을 초과하여 실시하면 사용하는 용매가 증발되는 문제가 발생한다.This reaction is preferably carried out at 150 ° C or less, preferably at 80 to 150 ° C for 60 to 180 minutes. If the reaction is carried out at a temperature lower than 80 ℃ can not achieve a homogeneous mixing, the reaction is not smooth, on the contrary, if the reaction is carried out in excess of 150 ℃ low boiling point of the solvent used is deep solvent evaporation is not preferable. In addition, if the reaction time is also less than 60 minutes can not achieve a sufficient reaction, if the reaction is carried out for more than 180 minutes a problem that the solvent used evaporates.

다음으로, 상기 반응을 통해 제조된 화합물을 열처리한 후 급냉하여 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 금속 산화물을 제조한다.Next, the compound prepared through the reaction is quenched after heat treatment to prepare a lithium composite metal oxide represented by the formula (1).

상기 열처리는 700 내지 1100 ℃에서 1 시간 내지 5 시간 동안 공기나 산소의 산화성 분위기가 바람직하다. The heat treatment is preferably an oxidizing atmosphere of air or oxygen for 1 to 5 hours at 700 to 1100 ℃.

이때 열처리 공정 전에 250 내지 650 ℃에서 5 내지 15 시간 동안 유지시켜 예비 소성을 실시할 수 있다.At this time, the preliminary firing may be performed by maintaining at 250 to 650 ° C. for 5 to 15 hours before the heat treatment process.

상기 열처리 후 얻어진 산화물을 급냉하여 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 금속 산화물을 제조한다.The oxide obtained after the heat treatment is quenched to prepare a lithium composite metal oxide represented by Chemical Formula 1.

이때 급냉은 700 ℃/min 이상, 바람직하게는 700 내지 1000 ℃/min, 가장 바람직하게는 700 내지 800 ℃/min의 속도로 수행한다. 이러한 급냉을 통해 화학식 1의 구조에서 M 및 Q가 3b 사이트에 존재하는 금속이 아닌 3a 사이트에 존재하는 Li의 일부와 치환 반응이 일어난다. 또한 열처리 동안 또는 직후 고온에서의 무질서한 구조가 냉각시 재정렬되지 않고, 급냉을 통해 상기 무질서한 구조를 유지한다. 만약 상기 급냉 속도가 상기 범위 미만이거나 초과하는 경우 M, Q가 3a 사이트가 아닌 3b 사이트의 금속과 치환 반응을 일으켜 전술한 바의 효과를 얻을 수 없다.In this case, quenching is performed at a rate of 700 ° C./min or more, preferably 700 to 1000 ° C./min, and most preferably 700 to 800 ° C./min. This quenching causes a substitution reaction with a portion of Li present in the 3a site, not M and Q in the structure of Formula 1, but the metal present in the 3b site. In addition, the disordered structure at high temperature during or immediately after the heat treatment is not rearranged upon cooling, and maintains the disordered structure through quenching. If the quenching rate is less than or above the above range, M and Q cause a substitution reaction with the metal of the 3b site rather than the 3a site, thereby failing to obtain the effects described above.

이러한 단계를 거쳐 제조된 물질은 리튬 이차 전지의 양극 활물질로 바람직하게 사용된다.The material produced through these steps is preferably used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery.

리튬 이차 전지는 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 이들 사이에 존재하는 전해질을 포함하고, 이때 상기 양극 활물질로 본 발명에 따른 리튬 복합금속 산화물을 사용한다. The lithium secondary battery may include a positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte present therebetween, wherein a lithium composite metal oxide according to the present invention is used as the cathode active material.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 리튬 이차 전지의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 양극(2)과 음극(4) 사이에 세퍼레이터(6)를 삽입하여 이를 권취하여 전극조립체(8)를 형성한 다음 케이스(10)에 넣어 제조된다. 상기 전지의 상부는 캡 플레이트(12)와 가스켓(14)으로 밀봉한다. 상기 양극(2) 및 음극(4)에 각각 양극 탭(18)과 음극 탭(20)을 설치하고 절연체(22, 24)는 전지의 내부 단락을 방지하기 위하여 삽입된다. 전지를 밀봉하기 전에 전해질(26)을 주입하고, 주입된 전해 질(26)은 세퍼레이터(6)에 함침된다. 1 is a cross-sectional view of a rectangular lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a separator 6 is inserted between a positive electrode 2 and a negative electrode 4 to be wound up to form an electrode assembly 8, and then placed in a case 10. The top of the cell is sealed with a cap plate 12 and a gasket 14. The positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 20 are respectively provided on the positive electrode 2 and the negative electrode 4 and the insulators 22 and 24 are inserted to prevent internal short circuit of the battery. The electrolyte 26 is injected before sealing the cell, and the injected electrolyte 26 is impregnated in the separator 6.

도면에는 각형 이차 전지를 도시한 것이지만 본 발명의 리튬 이차 전지가 이 형상으로 한정되는 것은 아니며, 각형 이외에 원통형, 코인형, 파우치형 등 전지로서 작동할 수 있는 어떠한 형상도 가능함은 당연하다. Although the figure shows a rectangular secondary battery, the lithium secondary battery of the present invention is not limited to this shape, and it is natural that any shape capable of operating as a battery such as a cylinder, a coin type, a pouch type, etc. is possible.

상기 양극은 본 발명에 따른 양극 활물질과, 도전재, 결합제 및 용매를 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조한 다음, 알루미늄 집전체 상에 직접 코팅 및 건조하여 제조한다. 또는 상기 양극 활물질 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 알루미늄 집전체 상에 라미네이션하여 제조가 가능하다.The positive electrode is prepared by mixing a positive electrode active material according to the present invention, a conductive material, a binder and a solvent to prepare a positive electrode active material composition, and then coating and drying the aluminum active material directly. Alternatively, the cathode active material composition may be cast on a separate support, and then the film obtained by peeling from the support may be manufactured by laminating on an aluminum current collector.

이때 도전재는 카본 블랙, 흑연, 금속 분말을 사용하며, 결합제는 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물이 가능하다. 또한 용매는 N-메틸피롤리돈, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 데칸 등을 사용한다. 이때 양극 활물질, 도전재, 결합제 및 용매의 함량은 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용하는 수준으로 사용된다.The conductive material is carbon black, graphite, metal powder, the binder is vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene And mixtures thereof. In addition, N-methylpyrrolidone, acetone, tetrahydrofuran, decane, etc. are used as a solvent. In this case, the contents of the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent are used at levels commonly used in lithium secondary batteries.

상기 음극은 양극과 마찬가지로 음극 활물질, 결합제 및 용매를 혼합하여 애노드 활물질 조성물을 제조하며, 이를 구리 집전체에 직접 코팅하거나 별도의 지지체 상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 음극 활물질 필름을 구리 집전체에 라미네이션하여 제조한다. 이때 음극 활물질 조성물에는 필요한 경우에는 도전재를 더욱 함유하기도 한다.Like the positive electrode, the negative electrode is mixed with a negative electrode active material, a binder, and a solvent to prepare an anode active material composition, and the negative electrode active material film coated on the copper current collector or cast on a separate support and peeled from the support is coated on the copper current collector. It is prepared by lamination. At this time, the negative electrode active material composition may further contain a conductive material if necessary.

상기 음극 활물질로는 리튬을 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 재료를 사용하고, 예컨대, 리튬 금속이나 리튬 합금, 코크스, 인조 흑연, 천연 흑연, 유기 고분자 화합물 연소체, 탄소 섬유 등을 사용한다. 또한 도전재, 결합제 및 용매는 전술한 양극의 경우와 동일하게 사용한다. As the negative electrode active material, a material capable of intercalating / deintercalating lithium is used, and for example, lithium metal, lithium alloy, coke, artificial graphite, natural graphite, organic polymer compound combustor, carbon fiber, or the like is used. do. In addition, a conductive material, a binder, and a solvent are used similarly to the case of the positive electrode mentioned above.

상기 세퍼레이터는 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 일예로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용할 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용할 수 있음은 물론이다. The separator may be used as long as it is commonly used in lithium secondary batteries. For example, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or two or more multilayer films thereof may be used, and a polyethylene / polypropylene two-layer separator, It goes without saying that a mixed multilayer film such as polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, polypropylene / polyethylene / polypropylene three-layer separator and the like can be used.

상기 리튬 이차 전지에 충전되는 전해질로는 비수성 전해질 또는 공지된 고체 전해질 등이 사용 가능하며, 리튬염이 용해된 것을 사용한다.As the electrolyte to be charged in the lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte or a known solid electrolyte may be used, and a lithium salt is used.

상기 비수성 전해질의 용매는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트; 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트; 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 아세토니트릴 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등을 사용할 수 있다. 이들을 단독 또는 복수개 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네 이트와의 혼합 용매를 바람직하게 사용할 수 있다.Although the solvent of the said non-aqueous electrolyte is not specifically limited, Cyclic carbonates, such as ethylene carbonate, a propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; Esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate and γ-butyrolactone; Ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane and 2-methyltetrahydrofuran; Nitriles such as acetonitrile; Amides, such as dimethylformamide, etc. can be used. These can be used individually or in combination of two or more. In particular, a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate can be preferably used.

또한 전해질로서, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N 등의 무기 고체 전해질이 가능하다.As the electrolyte, a gel polymer electrolyte in which an electrolyte solution is impregnated with a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile, or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N can be used.

이때 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , One selected from the group consisting of LiCl and LiI is possible.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

[실시예]EXAMPLE

양극 활물질Positive electrode active material

(실시예 1)(Example 1)

반응기에 Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3(OH)2와 LiOH·H2O를 1:0.95의 몰비로 혼합 후 400 ℃에서 4시간 동안, 900 ℃에서 15시간 동안 열처리하여 Li0 .95Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3O2의 리튬 금속 산화물을 제조하였다.The reactor Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 and LiOH · H 2 O 1: at 400 ℃ then mixed in a molar ratio of 0.95, for 4 hours, and heat treated at 900 ℃ for 15 hours Li 0 the lithium metal oxide of .95 Ni 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3 O 2 was prepared.

반응기에 상기에서 제조된 리튬 금속 산화물 2 g과 Mg(OH)2 0.1 g과 LiF 0.1 g을 수용액 상태에서 균일하게 혼합하여 반응시켰다.2 g of the lithium metal oxide prepared above, 0.1 g of Mg (OH) 2, and 0.1 g of LiF were uniformly mixed in an aqueous solution to react with the reactor.

상기 반응에 의해 얻어진 화합물을 500 ℃에서 10 시간 열처리를 한 후 1000 ℃에서 1시간 열처리한 다음, 800 ℃/min의 속도로 급냉하여 리튬 복합 금속 산화물을 제조하였다.The compound obtained by the reaction was heat-treated at 500 ° C. for 10 hours and then heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour, and then quenched at a rate of 800 ° C./min to prepare a lithium composite metal oxide.

(실시예 2)(Example 2)

반응기에 Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3(OH)2와 LiOH·H2O를 1:0.95의 몰비로 혼합 후 400 ℃에서 4시간 동안, 900 ℃에서 15시간 동안 열처리하여 Li0 .95Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3O2의 리튬 금속 산화물을 제조하였다.The reactor Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 and LiOH · H 2 O 1: at 400 ℃ then mixed in a molar ratio of 0.95, for 4 hours, and heat treated at 900 ℃ for 15 hours Li 0 the lithium metal oxide of .95 Ni 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3 O 2 was prepared.

반응기에 상기에서 제조된 리튬 금속 산화물 2 g과 Mg(OH)2 0.2 g과 LiF 0.2 g을 수용액 상태에서 균일하게 혼합하여 반응시켰다.2 g of the lithium metal oxide prepared above, 0.2 g of Mg (OH) 2, and 0.2 g of LiF were uniformly mixed in an aqueous solution to react with the reactor.

상기 반응에 의해 얻어진 화합물을 500 ℃에서 10 시간 열처리를 한 후 1000 ℃에서 1시간 열처리한 다음, 800 ℃/min의 속도로 급냉하여 리튬 복합 금속 산화물을 제조하였다.The compound obtained by the reaction was heat-treated at 500 ° C. for 10 hours and then heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour, and then quenched at a rate of 800 ° C./min to prepare a lithium composite metal oxide.

(실시예 3)(Example 3)

반응기에 Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3(OH)2와 LiOH·H2O를 1:0.95의 몰비로 혼합 후 400 ℃에서 4시간 동안, 900 ℃에서 15시간 동안 열처리하여 Li0 .95Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3O2의 리튬 금속 산화물을 제조하였다.The reactor Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 and LiOH · H 2 O 1: at 400 ℃ then mixed in a molar ratio of 0.95, for 4 hours, and heat treated at 900 ℃ for 15 hours Li 0 the lithium metal oxide of .95 Ni 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3 O 2 was prepared.

반응기에 상기에서 제조된 리튬 금속 산화물 2 g과 NaOH 0.1 g과 LiF 0.1 g을 수용액 상태에서 균일하게 혼합하여 반응시켰다.2 g of the lithium metal oxide prepared above, 0.1 g of NaOH, and 0.1 g of LiF were uniformly mixed in an aqueous solution to react with the reactor.

상기 반응에 의해 얻어진 화합물을 300 ℃에서 10 시간 열처리를 한 후 900 ℃에서 1시간 열처리한 다음, 800 ℃/min의 속도로 급냉하여 리튬 복합 금속 산화물을 제조하였다.The compound obtained by the reaction was heat-treated at 300 ° C. for 10 hours and then heat-treated at 900 ° C. for 1 hour, and then quenched at a rate of 800 ° C./min to prepare a lithium composite metal oxide.

(실시예 4)(Example 4)

반응기에 Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3(OH)2와 LiOH·H2O를 1:0.95의 몰비로 혼합 후 400 ℃에서 4시간 동안, 900 ℃에서 15시간 동안 열처리하여 Li0 .95Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3O2의 리튬 금속 산화물을 제조하였다.The reactor Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 and LiOH · H 2 O 1: at 400 ℃ then mixed in a molar ratio of 0.95, for 4 hours, and heat treated at 900 ℃ for 15 hours Li 0 lithium metal oxides .95 Ni 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3 O 2 was prepared.

반응기에 상기에서 제조된 리튬 금속 산화물 2 g과 NaOH 0.2 g과 LiF 0.2 g을 수용액 상태에서 균일하게 혼합하여 반응시켰다.2 g of the lithium metal oxide prepared above, 0.2 g of NaOH, and 0.2 g of LiF were reacted by uniformly mixing in an aqueous solution.

상기 반응에 의해 얻어진 화합물을 300 ℃에서 10 시간 열처리를 한 후 900 ℃에서 1시간 열처리한 다음, 800 ℃/min의 속도로 급냉하여 리튬 복합 금속 산화물을 제조하였다.The compound obtained by the reaction was heat-treated at 300 ° C. for 10 hours and then heat-treated at 900 ° C. for 1 hour, and then quenched at a rate of 800 ° C./min to prepare a lithium composite metal oxide.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

반응기에 Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3(OH)2와 LiOH·H2O를 1:0.95의 몰비로 혼합 후 400 ℃에서 4시간 동안, 900 ℃에서 15시간 동안 열처리하여 Li0 .95Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3O2의 리튬 금속 산화물을 제조하였다.The reactor Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 and LiOH · H 2 O 1: at 400 ℃ then mixed in a molar ratio of 0.95, for 4 hours, and heat treated at 900 ℃ for 15 hours Li 0 the lithium metal oxide of .95 Ni 1/3 Co 1/ 3 Mn 1/3 O 2 was prepared.

(실험예 1)Experimental Example 1

상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물의 조성 및 구조를 알아보기 위해 ICP 분석, X-선 회절 스펙트럼 측정, 및 Rietveld 분석을 수행하였 다.In order to determine the composition and structure of the lithium composite metal oxides prepared in Examples 1 to 4, ICP analysis, X-ray diffraction spectrum measurement, and Rietveld analysis were performed.

도 2는 실시예 1 내지 4에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물의 X-선 회절스펙트럼이다. 이러한 X-선 회절스펙트럼 결과를 이용하여 Rietveld 분석을 통해 실시예 1 내지 4에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물의 구조를 확인하였다.2 is an X-ray diffraction spectrum of the lithium composite metal oxide prepared in Examples 1 to 4. The X-ray diffraction spectrum results were used to confirm the structure of the lithium composite metal oxides prepared in Examples 1 to 4 through Rietveld analysis.

상기 구조와 더불어 ICP 분석을 통해 리튬 복합 금속 산화물을 구성하는 조성을 확인하였으며, ICP 분석과 Rietveld 분석 결과를 통해 하기 표 1에 실시예 1 내지 4에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물의 구조 및 조성을 나타내었다.In addition to the above structure, the composition of the lithium composite metal oxide was confirmed through ICP analysis, and the structure and the composition of the lithium composite metal oxides prepared in Examples 1 to 4 are shown in Table 1 through ICP analysis and Rietveld analysis.

구조rescue 결정 구조Crystal structure 실시예 1Example 1 [Li0 .94Mg0 .04F0.02]3a[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]3 bO2 [Li 0 .94 Mg 0 .04 F 0.02] 3a [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3] 3 b O 2 층상 암염 구조Layered rock salt structure 실시예 2Example 2 [Li0 .90Mg0 .06F0.02]3a[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]3 bO2 [Li 0 .90 Mg 0 .06 F 0.02] 3a [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3] 3 b O 2 층상 암염 구조Layered rock salt structure 실시예 3Example 3 [Li0 .94Na0 .04F0.02]3a[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]3 bO2 [Li Na 0 .94 0 .04 0.02 F] 3a [1 Ni / Co 3 1/3 Mn 1/3] O 2 3 b 층상 암염 구조Layered rock salt structure 실시예 4Example 4 [Li0 .90Na0 .06F0.02]3a[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]3 bO2 [Li 0 .90 Na 0 .06 F 0.02] 3a [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3] 3 b O 2 층상 암염 구조Layered rock salt structure

상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 4에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물의 3a 사이트에 Li의 일부를 대신하여 Mg, Na, 및 F가 치환되어 있음을 알 수 있다. 이러한 결과로, 본 발명에 의해 열처리 후 급냉으로 인해 Mg 및 Na가 3b 사이트가 아니라 3a 사이트에 존재하고, F 또한 산소 사이트가 아닌 3a 사이트에 존재하게 됨을 알 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that in place of part of Li, Mg, Na, and F are substituted for 3a sites of the lithium composite metal oxides prepared in Examples 1 to 4. As a result, it can be seen that Mg and Na are present at the 3a site, not the 3b site, and F is also present at the 3a site and not the oxygen site due to the rapid cooling after the heat treatment.

반쪽 전지Half cell

실시예 1 내지 4와, 비교예 1의 리튬 복합 금속 산화물을 양극 활물질로 하여 코인형 전지를 제조하였다.Coin-type batteries were manufactured using Examples 1 to 4 and the lithium composite metal oxide of Comparative Example 1 as a cathode active material.

먼저, 리튬 복합 금속 산화물, 슈퍼 P(도전재), 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(바인더)를 96/2/2의 중량비로 혼합하여 양극 형성용 조성물을 제조하였다. 상기 양극 형성용 조성물을 300 ㎛의 두께로 Al-포일 위에 코팅한 다음 130 ℃에서 20 분간 건조하였다. 이어 1톤의 압력으로 압연하여 양극 극판을 제조하였다. First, a lithium composite metal oxide, super P (conductive material), and polyvinylidene fluoride (binder) were mixed in a weight ratio of 96/2/2 to prepare a composition for forming a positive electrode. The composition for forming an anode was coated on Al-foil to a thickness of 300 μm and then dried at 130 ° C. for 20 minutes. Then, the positive electrode plate was manufactured by rolling at a pressure of 1 ton.

상기 제조된 양극 극판과 리튬 금속을 대극으로 사용하여 코인 타입의 전지를 제조하였다. 이때, 전해질로는 에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC)를 1:1 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 것을 사용하였다. A coin-type battery was manufactured by using the prepared positive electrode plate and lithium metal as counter electrodes. In this case, as the electrolyte, 1M LiPF 6 dissolved in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) were mixed in a 1: 1 volume ratio was used.

(실험예 2)Experimental Example 2

상기에서 제조된 코인 전지를 충방전기를 이용하여 상온(30 ℃)에서 3.0 내지 4.3 V의 전압 범위에서 충방전 실험(@40)을 하였으며, 얻어진 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The coin battery prepared above was charged and discharged (@ 40) in a voltage range of 3.0 to 4.3 V at room temperature (30 ° C.) using a charger and a discharger. The results obtained are shown in Table 2 below.

초기 충전 용량Initial charge capacity 초기 방전 용량Initial discharge capacity 수명 (40회 후)Life Span (After 40 Times) 실시예 1Example 1 160 mAh/g160 mAh / g 153 mAh/g153 mAh / g 95%95% 실시예 2Example 2 155 mAh/g155 mAh / g 150 mAh/g150 mAh / g 94%94% 실시예 3Example 3 155 mAh/g155 mAh / g 151 mAh/g151 mAh / g 92%92% 실시예 4Example 4 155 mAh/g155 mAh / g 151 mAh/g151 mAh / g 92%92% 비교예 1Comparative Example 1 160 mAh/g160 mAh / g 156 mAh/g156 mAh / g 83%83%

상기 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 4의 리튬 복합 산화물을 사용한 전지는 비교예 1의 전지와 비교하여 초기 용량이 동등 또는 미만이었으나 수명 특성 면에서는 보다 향상됨을 알 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that the battery using the lithium composite oxide of Examples 1 to 4, the initial capacity was equal or less than the battery of Comparative Example 1, but it is further improved in terms of life characteristics.

(실험예 3)Experimental Example 3

상기에서 제조된 코인 전지를 4.5V까지 충전한 다음, 전지를 분해하여 양극 합제를 꺼냈다. 이 양극 합제를 그대로 DSC(시차주사 열량계)를 이용하여 발열 피크를 측정하였으며, 얻어진 결과를 도 3에 나타내었다.After charging the coin battery prepared above to 4.5V, the battery was disassembled and the positive electrode mixture was taken out. Exothermic peak was measured using DSC (differential scanning calorimeter) as it was, and the obtained result is shown in FIG.

도 3은 실시예 1 내지 3과 비교예 1에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물로 제조된 코인 전지의 시차주사 열량 그래프이다.3 is a differential scanning calorimetry graph of a coin battery prepared from lithium composite metal oxides prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG.

도 3을 참조하면, 비교예 1의 리튬 복합 금속 산화물로 제조된 코인 전지는 220 ℃ 부근에서 발열 피크를 보였다. 이와 비교하여, 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물로 제조된 코인 전지는 300 ℃ 부근에서 발열 피크를 나타내 발열 개시 온도가 80 ℃ 이상 상승하였고, 발열량 또한 급격히 감소됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 실시예 1 내지 3에서 제조된 리튬 복합 금속 산화물의 열적 안정성이 높음을 의미한다. Referring to FIG. 3, the coin battery made of the lithium composite metal oxide of Comparative Example 1 showed an exothermic peak at around 220 ° C. FIG. In comparison, the coin battery made of the lithium composite metal oxides prepared in Examples 1 to 3 of the present invention exhibited an exothermic peak at about 300 ° C., resulting in an exothermic onset temperature of 80 ° C. or more, and a rapid decrease in the amount of heat generated. have. These results indicate that the thermal stability of the lithium composite metal oxides prepared in Examples 1 to 3 is high.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

본 발명의 리튬 복합 금속 산화물은 열처리 후 급냉 공정을 통해 금속 사이트가 아닌 리튬 사이트에 원소가 혼입되어 열적으로 안정한 구조를 가져 리튬 이차 전지의 수명 특성을 향상시킨다. The lithium composite metal oxide of the present invention has a thermally stable structure by incorporating elements into a lithium site rather than a metal site through a quenching process after heat treatment, thereby improving life characteristics of a lithium secondary battery.

Claims (15)

하기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 산화물을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질:A cathode active material for a lithium secondary battery including a lithium composite oxide represented by Formula 1 below: [화학식 1] [Formula 1] [LixMyQz]3a[NimConMnt]3 bO2 [Li x M y Q z ] 3a [Ni m Co n Mn t ] 3 b O 2 (상기 화학식 1에서, M은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, Q는 할로겐, 황, 인, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, 0.9≤x≤0.95, 0.04≤y≤0.06, 0.01≤z≤0.4, 0.1 ≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5 이고, m+n+t=1이다)(In Formula 1, M is one selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals and combinations thereof, Q is one selected from the group consisting of halogen, sulfur, phosphorus, and combinations thereof, and 0.9≤x ≤ 0.95, 0.04 ≤ y ≤ 0.06, 0.01 ≤ z ≤ 0.4, 0.1 ≤ m ≤ 0.5, 0.01 ≤ n ≤ 0.5 0.005 ≤ t ≤ 0.5, and m + n + t = 1) 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 M은 Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.M is Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, and a positive electrode active material for a lithium secondary battery that is one selected from the group consisting of a combination thereof. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Q는 플로린(F), 황, 인, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.Q is one type selected from the group consisting of florin (F), sulfur, phosphorus, and a combination thereof. 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 리튬 금속 산화물, M을 포함하는 금속염(M=알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 이들의 조합), 및 Q를 포함하는 화합물(Q=할로겐, 황, 인, 또는 이들의 조합)을 혼합하여 반응시키는 단계; 및Lithium metal oxides including nickel, cobalt and manganese, metal salts containing M (M = alkaline metals, alkaline earth metals or combinations thereof), and compounds comprising Q (Q = halogen, sulfur, phosphorus, or combinations thereof) Reacting by mixing); And 상기 반응에 의해 얻어진 화합물을 열처리한 후 급냉하는 단계를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 산화물을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.Method of producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium composite oxide represented by the following formula (1) comprising the step of quenching after heat treatment the compound obtained by the reaction. [화학식 1] [Formula 1] [LixMyQz]3a[NimConMnt]3 bO2 [Li x M y Q z ] 3a [Ni m Co n Mn t ] 3 b O 2 (상기 화학식 1에서, M은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, Q는 할로겐, 황, 인, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, 0.9≤x≤0.95, 0.04≤y≤0.06, 0.01≤z≤0.4, 0.1≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5 이고, m+n+t=1이다)(In Formula 1, M is one selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals and combinations thereof, Q is one selected from the group consisting of halogen, sulfur, phosphorus, and combinations thereof, and 0.9≤x ≤ 0.95, 0.04 ≤ y ≤ 0.06, 0.01 ≤ z ≤ 0.4, 0.1 ≤ m ≤ 0.5, 0.01 ≤ n ≤ 0.5 0.005 ≤ t ≤ 0.5, and m + n + t = 1) 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 M은 Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.M is Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, and a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery that is one selected from the group consisting of a combination thereof. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 Q는 플로린(F), 황, 인, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1 종인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.Wherein Q is one type selected from the group consisting of florin (F), sulfur, phosphorus, and combinations thereof. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 리튬 금속 산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법:The lithium metal oxide containing the nickel, cobalt and manganese is a method of producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery is represented by the following formula (2): [화학식 2][Formula 2] LiNimConMntO2 LiNi m Co n Mn t O 2 (상기 화학식 2에서, 0.1≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5, 및 m+n+t=1이다)(In Formula 2, 0.1≤m≤0.5, 0.01≤n≤0.5 0.005≤t≤0.5, and m + n + t = 1) 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 M을 포함하는 금속염은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 이들의 조합 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 포함하는 수산화물, 옥시수산화물, 질산염, 염화물, 탄산염, 초산염, 옥살산염, 시트르산염, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.The metal salt containing M may be a hydroxide, oxyhydroxide, nitrate, chloride, carbonate, acetate, oxalate, citrate, and combinations thereof including one metal selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals or combinations thereof. Method for producing a positive active material for a lithium secondary battery which is one selected from the group consisting of. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 Q를 포함하는 화합물은 할로겐, 황, 인, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 원소를 포함하는 리튬 화합물인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.The compound containing Q is a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery that is a lithium compound containing one element selected from the group consisting of halogen, sulfur, phosphorus, and combinations thereof. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 Q를 포함하는 화합물은 LiF, LiP, Li3P, LiP5, LiP7, Li2S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.The compound containing Q is LiF, LiP, Li 3 P, LiP 5 , LiP 7 , Li 2 S, and a method for producing a positive active material for a lithium secondary battery that is one selected from the group consisting of a combination thereof. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 열처리는 700 내지 1100 ℃에서 수행하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.The heat treatment is a method of manufacturing a positive electrode active material for a lithium secondary battery that is carried out at 700 to 1100 ℃. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 추가로 열처리 전에 250 내지 650 ℃에서 예비 소성을 수행하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.In addition, a preliminary firing is performed at 250 to 650 ° C. before the heat treatment. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 급냉은 700 ℃/min 이상의 속도로 수행하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.The quenching is a method of manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery that is carried out at a rate of 700 ℃ / min or more. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 급냉은 700 내지 1000 ℃/min의 속도로 수행하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.The quenching is a method of manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery that is performed at a rate of 700 to 1000 ℃ / min. 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 이들 사이에 존재하는 전해질을 포함하고, A positive electrode including a positive electrode active material; A negative electrode including a negative electrode active material; And an electrolyte present between them, 상기 양극 활물질이 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 따른 양극 활물질인 것인 리튬 이차 전지.A lithium secondary battery, wherein the cathode active material is the cathode active material according to any one of claims 1 to 3.
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