KR100821832B1 - 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법 - Google Patents

리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은, 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)을 입자 크기가 100 nm 이하의 나노입자 분말로 합성을 함으로써 리튬이온의 입자 내 확산 거리가 급격히 줄어들게 하여 이론치에 해당하는 용량까지 사용할 수 있도록 하며, 짧은 시간 안에 높은 전기전도도를 보이는 나노 입자를 형성할 수 있도록 하는, 고상상태의 원료물질을 가지고 낮은 전기전도도를 갖는 약점을 극복하면서 600℃ 이하의 낮은 온도에서 5시간 이하의 짧은 시간 동안 열처리함으로써 효율적으로 대량생산할 수 있는, 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법에 관한 것으로서,
리튬, 전이금속 및 인을 포함하는 염(salt)을 출발물질로 사용하여 10 at% 이하의 나트륨(Na), 칼륨(K), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소를 첨가함으로써 1차 열처리에서 핵생성을 억제할 수 있는 혼합원료분말을 얻는 단계와, 250℃~350℃에서 2시간~5시간 동안 1차로 열처리하여 비정질화시키는 단계와, 400℃~600℃에서 2~10 시간 동안 2차 열처리를 시행함으로써 결정핵이 균일하게 형성되어 100nm 이하의 나노결정입자로 성장시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
리튬, 전이금속, 핵생성, 열처리, 나노 결정입자

Description

리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법{Method for Making Nanoparticles of Lithium Transition Metal Phosphates}
도 1은 본 발명에서 균일한 크기의 나노입자 제조를 위해 필요한 개념을 모식도로 비교하여 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명에 의한 실시예 1에서 제조한 분말시편의 X-ray 회절패턴의 비교 결과로서, 350℃에서 1차 하소 열처리한 3개의 리튬 철 인산화물 시편을 비교하여 보여주고 있다.
도 3a는 본 발명에 의한 실시예 1에서 4 mol%의 나트륨(Na)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말과 4 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 각각 350℃에서 1차 하소 열처리하고 난 후의 투과전자현미경 조직사진이다.
도 4는 본 발명에 의한 실시예 1에서 4 mol%의 나트륨(Na)이나 칼륨(K)을 첨가한 리튬 철 인산화물을 450℃에서 2차 열처리한 후 얻은 나노입자 시편의 X-ray 회절 패턴이다.
도 5는 본 발명에 의한 실시예 1에서 4 mol%의 나트륨(Na)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말과, 4 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 각각 450℃에서 2-3시간 동안 2차 열처리한 후의 투과전자현미경 조직사진 이다.
도 6은 본 발명에 의한 실시예 1에서 제조한 4 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 리튬 철 인산화물 나노입자 시편의 격자이미지를 보여주는 고분해능 투과전자현미경 (HRTEM) 사진이다.
도 7은 본 발명에 의한 실시예 1에서 4 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 리튬 철 인산화물을 850℃에서 2차 소결 열처리한 후 얻은 다결정체의 미세조직을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 8은 본 발명에 의한 실시예 2에서 2 mol%의 에르븀(Er)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말과 2 mol%의 세륨(Ce)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 각각 500℃에서 2차 열처리한 후의 투과전자현미경(TEM) 조직사진을 보여주고 있다.
도 9는 본 발명에 의한 실시예 2에서 2 mol%의 에르븀(Er)을 첨가한 리튬 철 인산화물(LiFePO4)을 500℃에서 2차 열처리한 후 얻은 나노입자 시편의 투과전자현미경 조직 및 응집된 부분에서 서로 다른 격자 이미지를 보여주는 고분해능 투과전자현미경 사진이다.
도 10은 본 발명에 의한 실시예 3에서 4 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 리튬 철 인산화물(LiFePO4)을 리튬의 화학양론비를 달리하여 350℃에서 1차 하소 열처리한 후 얻은 분말 시편들의 X-ray 회절 패턴이다.
도 11은 본 발명에 의한 실시예 3에서 4 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 리튬 철 인산화물(LiFePO4)을 리튬의 화학양론비를 달리하여 450℃에서 2차 하소 열처리한 후 얻은 분말 시편들의 X-ray 회절 패턴이다.
도 12는 본 발명에 의한 실시예 4에서 5 mol%의 나트륨(Na)을 첨가한 리튬 철 인산화물, 리튬 망간 인산화물, 리튬 코발트 인산화물들을 450℃에서 2차 열처리한 후 얻은 나노입자 시편들의 투과전자현미경 조직 사진이다.
도 13은 본 발명에 의한 실시예 4에서 4 mol%의 나트륨(Na)을 첨가한 리튬 코발트 인산화물을 700℃에서 2차 소결 열처리한 후 얻은 다결정체의 미세조직을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 14는 본 발명의 분석예 1에서 투과전자현미경을 사용하여 관찰한 나노입자의 형성과정을 보여주는 고분해능 투과전자현미경 사진이다.
도 15는 본 발명의 분석예 2에서 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 법을 이용하여 관찰한 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 결정격자 이미지이다.
도 16은 본 시험예 2에서 사용된 다결정 리튬철 인산화물(LiFePO4) 시편의 대표적 미세조직 사진이다.
도 17은 본 발명의 시험예 2에서 마이크로프로브(microprobe)와 백금(Pt) 마이크로전극(microelctrode)을 이용하여 입자와 입자간 전류-전압 관계를 측정한 결과이다.
도 18은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 4 mol%의 나트륨(Na)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 나노입자를 사용하여 실시한 충전, 방전 특성을 측정한 시 험예 3에서의 전지 테스트 결과이다.
도 19는 본 발명의 실시예 1 및 3에서 제조한 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 나노입자를 사용하여 실시한 충전, 방전 특성을 측정한 시험예 3에서의 전지 테스트 결과이다.
도 20은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 4 mol%의 나트륨(Na)이 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO4)의 나노입자를 사용하여 실시한 전지테스트 결과를 다양한 방전율에 따른 용량변화로 나타낸 그래프이다.
이 발명은 리튬이온 이차전지의 차세대 양극재료로서 최근 크게 주목받고 있는 올리빈(Olivine) 결정구조를 갖는 리튬 전이금속 인산화물(phosphate), 즉 LiMPO4 (M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)의 합성 및 공정조건과 그 응용에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)을 입자 크기가 100 nm 이하의 나노입자 분말로 합성을 함으로써 리튬이온의 입자 내 확산 거리가 급격히 줄어들게 하여 이론치에 해당하는 용량까지 사용할 수 있도록 하며, 짧은 시간 안에 높은 전기전도도를 보이는 나노 입자를 형성할 수 있도록 하며, 고상상태의 원료물질을 가지고 낮은 전기전도도를 갖는 약점을 극복하면서 600℃ 이하의 낮은 온도에서 5시간 이하의 짧은 시간 동안 열처리함으로써 이를 효율적으로 대량생산할 수 있는, 리튬 전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법에 관한 것이다.
휴대용, 무선전자 제품들의 개발이 증가하고 있는 현재의 추세로 볼 때, 이들 제품들의 소형화 및 경량화를 위해서는 에너지 밀도가 높은 이차 전지의 필요성이 크게 대두되고 있다.
상기한 이차 전지로서 납축전지, 니켈카드늄(니카드) 전지, 니켈수소 전지 등이 많이 사용되어 왔으며, 근래에 들어서는 리튬이온 전지가 많이 사용되고 있는 추세이다. 특히, 리튬이온 전지는 1991년 처음 상용화된 이후로 가볍고 높은 에너지 밀도를 갖는 특징으로 인하여 널리 사용되고 있다.
상기한 리튬이온 전지의 양극재료로서, 암염(rocksalt) 결정구조를 기본으로 하는 층상 구조의 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)은 현재까지도 가장 널리 쓰이는 재료로서, 리튬이온 전지를 구성하는 소재 중 가장 핵심적인 부분으로 인식되어 왔다 (G.-A. Nazri and G. Pistoia, "Lithium Batterries", Kluwer Academic Publusher, 2004).
하지만, 상기한 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)은 코발트(Co) 원료 자체가 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni)과 같은 다른 전이금속 물질에 비하여 상대적으로 비싸며 환경적으로 유해하다는 단점이 있다. 이 때문에, 코발트(Co)를 망간(Mn)이나 니켈(Ni)로 대체하여 합성한 고용체 산화물을 개발하기 위한 연구가 꾸준하게 이루어지고 있다.
또한 상기한 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)과 같은 층상구조의 산화물 재료는 리튬이온의 충,방전 반응시 산소가 방출되어 구조적 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
그리고, 상기한 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)은 입자의 크기가 나노미터 스케일로 작아지면 급격한 산화, 환원 반응으로 인한 폭발의 위험성이 매우 커서 안전성에 대한 근본적인 문제가 꾸준히 제기되고 있기 때문에, 높은 출력특성을 얻기 위해 비표면적이 넓은 나노미터 크기의 입자를 제조하여 사용하는 데는 한계가 있는 문제점이 있다.
이와 같이 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)을 양극재료로서 사용함에 있어서 많은 문제점이 노출됨에 따라, 그리고 보다 큰 에너지 밀도를 갖는 특성 뿐만이 아니라, 과충전이나 과열로 인한 폭발을 방지하여 안정성을 확보하기 위해서, 새로운 합성 방법이나 기존의 산화물 소재와는 전혀 다른 새로운 양극재료 개발에 대한 연구가 활기를 띠고 있다. 그 중에서도 올리빈(Olivine) 구조의 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)은 미래의 차세대 양극재료로서 많은 관심을 불러 일으키고 있다 (J.-M. Tarascon and M. Armand, Nature, Vol.414, p.359 (2001)).
상기한 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4)의 일종인 리튬철 인산화물(LiFePO4)에서 리튬이온의 전기화학적 충,방전 반응이 가능하다는 것을, 1997년에 처음으로 미국 텍사스 대학의 구드니오프(Goodenough) 교수 그룹이 실험적으로 보여준 이후로(A. K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy, and J. B. Goodenough, J. Electrochem . Soc., Vol.144, p.1188 (1997)), 많은 연구그룹에서 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)의 다양한 합성방법을 제시하며 실제 양극물질로서 응용하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
일반적으로 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4)은 M'M"(XO4) (여기서, M' 및 M" = 전이금속을 포함한 금속 양이온, X = P, S, As, Mo, Si 또는 B)의 화학식으로 나타낼 수 있으며, 결정구조는 MgFe(SiO4)의 올리빈(Olivine) 광물과 동일한 구조를 가지는 화합물이다. 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4)에서, 리튬(Li)은 M'자리의 산소팔면체에 위치하며, 전이금속(M)은 M"자리의 산소팔면체에 위치하게 되어 규칙적(ordered) 올리빈 구조를 이루고 있는 특징을 보인다. 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)중에서도 리튬철 인산화물(LiFePO4) 및 Li(Fe,Mn)PO4 의 화합물은 이미 트리필라이트(Triphylite)라는 이름의 천연광물로 잘 알려져 있는 물질이다.
이와 같은 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)을 리튬이온 전지의 양극재료로서 사용하기 위해서는 열적, 화학적 안정성이 요구되는데, 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)의 결정구조를 보면 인(P)과 산소(O)가 강한 공유결합을 이루면서 사면체 구조를 형성하고 있기 때문에, 리튬이온의 충,방전 반응시 산소가 방출되어 구조적 안정성이 떨어지는 단점을 가진 기존의 층상구조의 산화물 재료와 달리, 열적, 화 학적으로 상당히 안정하다는 큰 장점이 있다.
이와 함께, 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)을 리튬이온 전지의 양극재료로서 사용하기 위해서 요구되는 기술적으로 또다른 중요한 사항은, 전기전도도에 대한 것이다. 일반적으로 리튬이온 전지에서 쓰이는 전극재료는 산화, 환원 반응에 따른 분극효과를 최소화하고 연결된 외부저항에 효과적으로 전자를 공급하기 위해서 전기전도도가 우수해야 한다는 것은 기본 요건이다. 상기한 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)은 전이금속(M)과 산소(O)의 팔면체가 1차원 체인(chain) 형태로 연결되어 있으며, 직교좌표계에서 보았을 때 또다른 산소팔면체 안에 리튬이온이 y축 방향으로 규칙적인 1차원적 배열을 하고 있기 때문에 리튬이온의 y축 방향 이동도가 매우 빠를 것으로 예측되고 있다(D. Morgan, A. Van der Ven, and G. Ceder, Electrochem. Solid-State Lett ., Vol.7, p.A30 (2004)).
상기한 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4)의 일종인 리튬철 인산화물(LiFePO4)에서 리튬이온의 전기화학적 충,방전 반응이 가능하다는 것이 실험적으로 입증된 후에, 상기한 리튬철 인산화물(LiFePO4)에 관한 연구가 계속된 바 있다.
그러나, 상기한 리튬철 인산화물(LiFePO4)은 전기전도도가 10-9 S/cm 이하로서 상온에서는 거의 절연체라고 볼 수 있기 때문에, 리튬이온 전지에서 쓰이는 전극재료로서 산화, 환원 반응에 따른 분극효과를 최소화하고 연결된 외부저항에 효과적으로 전자를 공급하기 위해서는 전기적으로 전도도가 우수해야 함을 고려할 때, 상기한 리튬철 인산화물(LiFePO4)은 우수한 결정학적, 열적, 화학적 특성에도 불구하고 실제로 리튬이온 전지에서의 양극재료로서 사용하기에는 적합하지 않은 치명적인 단점을 가지고 있음이 드러났다.
이러한 단점을 극복하기 위한 다양한 실험적 접근방법이 시도된 바 있는데, 전기전도도가 우수한 흑연을 포함한 여러 탄소 물질을 이미 합성된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 입자의 표면에 코팅하여 입자와 입자간 저항을 감소시켜 전자가 충분히 전도될 수 있는 경로를 제공하는 방법을 사용하거나(H. Huang, S. C. Yin, and L. F. Nazar, Electrochem . Solid-State Lett ., Vol.4, p.A170 (2001); Y.-H. Huang, K.-S. Park, and J. B. Goodenough, J. Electrochem . Soc ., Vol.153, p.A2282 (2006)), 또는 리튬철 인산화물(LiFePO4) 입자의 합성시 작은 크기의 은이나 구리금속 입자를 함께 첨가하여 전기 전도도 향상을 꾀하려는 연구가 이루어진 바 있다(F. Croce et al., Electrochem . Solid-State Lett ., Vol.5, p.A47 (2002)).
그러나, 이러한 대부분의 연구 방법 및 시도들은 제조공정상에 있어서 부가적인 코팅공정이 발생하거나 전극재료와는 상관없는 비활물질이 첨가된다는 추가적인 단점을 가지고 있다. 따라서 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)에 대한 다른 연구 방법이 모색될 필요가 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 기술적 과제에 부응하기 위한 것으로서, 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)을 입자 크기가 100 nm 이하의 나노입자 분말로 합성을 함으로써 리튬이온의 입자 내 확산 거리가 급격히 줄어들게 하여 이론치에 해당하는 용량까지 사용할 수 있도록 하는, 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 통상의 고상상태 합성은 400℃ 이하의 1차 열처리를 통해 카보네이트(carbonate), 옥살레이트(oxalate), 암모늄 포스페이트(ammonium phosphate) 등의 원료물질에 함유되어 있던 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 암모늄(NH4)등을 분해하는 과정과 이를 가지고 2차로 500℃ 이상에서 2차 열처리하여 결정화시키는 단계로 이루어지게 되는데, 이러한 기본조성에, 이온 반경이 상대적으로 큰 칼륨(K)과 나트륨(Na)의 알칼리 원소를 비롯하여 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er) 등의 란탄계열의 원소를 첨가함으로써 짧은 시간 안에 높은 전기전도도를 보이는 나노 입자를 형성할 수 있도록 하는, 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 고상상태의 원료물질을 가지고 낮은 전기전도도를 갖는 약점을 극복하면서 600℃ 이하의 낮은 온도에서 5시간 이하의 짧은 시간 동안 열처리함으로써 수십 나노미터 크기의 미세한 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)의 나노 미립자 분말을 효율적으로 대량생산할 수 있는, 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 높은 에너지 밀도와 수분 이내의 급속 충전을 할 수 있는 빠른 충,방전 성능과 이를 바탕으로 하는 높은 출력 밀도의 방전 성능 특성을 보일 수 있는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법을 제공하는 데 있다.
일반적으로 단일 조성으로 이루어진 1성분계 금속 나노입자나 2성분계 금속간 화합물 또는 그 산화물에 대한 나노입자 제조에 대한 방법은 다양하게 제시되어 있어서 쉽게 제조할 수 있지만, 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4) 같이 4개의 복합 원소로 이루어져 있을 뿐만 아니라 각 원소들이 결정구조 내에서 규칙적으로 배열되어 있어야 하는 물질에 대한 나노 미립자의 합성은 상당히 어렵고 까다롭다. 따라서 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)에 대해서 제조공정이 단순하며, 대량적으로 합성이 용이한 제조방법을 제시하는 것은 기술적으로 매우 중요한 과제이며, 본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 리튬, 전이금속 및 인을 포함하는 염(salt)을 출발물질로 사용하여 10 at% 이하의 나트륨(Na), 칼륨(K), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소를 첨가함으로써 1차 열처리에서 핵생성을 억제할 수 있는 혼합원료분말을 얻는 단계와, 250℃~350℃에서 2시간~5시간 동안 1차로 열처리함으로써 비정질화시키는 단계와, 400℃~600℃에서 2~10 시간 동안 2차 열처리를 시행함으로써 결정핵이 균일하게 형성되어 100nm 이하의 나노결정입자로 성장시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
이 발명의 구성은, 상기한 출발물질은 카보네이트(carbonates), 옥살레이트(oxalates), 아세테이트(acetates), 암모늄 포스페이트(ammonium phosphates)로 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 카보네이트는 탄산리튬(Li2CO3)으로 이루어지고, 상기한 옥살레이트는 MC2O4(2H2O) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합)로 이루어지고, 상기한 암모늄 포스페이트는 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)로 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 나트륨(Na)을 위한 첨가물은 탄산나트륨(Na2CO3)으로 이루어지고, 상기한 칼륨(K)을 위한 첨가물은 탄산칼륨(K2CO3)으로 이루어지고, 상기한 란탄계열의 원소를 위한 첨가물로서 탄소를 포함하는 염(salt)원료인 A2(C2O4)3(nH2O) (여기서, A = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Er, 1 ≤ n ≤ 9)로 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 란탄계열의 원소를 위한 첨가물로서 Ce2(C2O4)3(9H2O), Nd2(C2O4)3(5H2O), Gd2(C2O4)3(5H2O), Er2(C2O4)3(5H2O) 중에서 선택되는 어느 하나의 옥살레이트를 사용하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 첨가에 의하여 초기 화학양론 조성이 (Li1-xAx)(M 1-yBy)PO4 또는 (LiAx)(MBy)PO4 (여기서, A 혹은 B = Na, K, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Er, 0 < x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)이 되면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 혼합분말은 아세톤을 용매로 흡식 혼합한 후 건조하여 얻으면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 1차 열처리 및 2차 열처리는 아르곤(Ar), 질소(N2), 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)의 혼합가스 중에서 선택되는 어느 하나의 가스가 1분간 100cc~500cc의 유량으로 흐르는 분위기에서 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 1차 열처리는 350℃에서 5시간을 넘지 않도록 하면 바람직하다.
상기한 구성에 따른 본 발명의 제조 과정을 좀더 구체적으로 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 결정화의 핵생성 시기를 조절하여 최종입자의 크기를 작게 유지할 뿐만 아니라, 그 분포를 좁게 만들 수 있는 개념을 모식적으로 나타내고 있다. 도 1의 a의 경우에서 보여주는 바와 같이 전체 합성 공정에 있어서 열처리를 하는 동안 불규칙하게 결정핵이 생성되는 것을 최대한 방지해야 한다. 이를 위하여 도 1의 b의 경우에서 나타낸 바와 같이 초기 열처리시 균일하게 핵이 생성되도록 조절해야 최종적으로 성장한 입자의 크기와 분포가 작고 균일해 질 수 있다.
이와 같이 초기 열처리시 균일하게 핵이 생성되도록 하기 위하여, 알칼리 금속 또는 란탄 계열의 금속을 첨가하게 되는데, 우선 리튬과 전이금속 및 인을 포함하는 카보네이트(carbonates), 옥살레이트(oxalates), 아세테이트(acetates), 암모늄 포스페이트(ammonium phosphates) 등의 염(salt)을 출발물질로 하고, 10 mol% 이하의 나트륨(Na), 칼륨(K), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소를 첨가하여 초기 화학양론 조성이 (Li1-xAx)(M 1-yBy)PO4 또는 (LiAx)(MBy)PO4 (여기서, A 혹은 B = Na, K, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Er, 0 < x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합) 가 되도록 한다.
다음에, 이러한 원료분말들을 첨가물 분말과 함께 아세톤을 용매로 흡식 혼합한 후 건조하여 얻어진 혼합원료분말을 250℃~350℃에서 2시간~5시간 동안 1차로 하소한다. 이 때 산소가 포함되지 않은 아르곤(Ar), 질소(N2), 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO/CO2)의 혼합가스 등의 가스를 1분간 100cc~500cc의 유량으로 흘려주면서 열처리한다. 이와 같은 1차 열처리시에는 원료분말에 포함되어 있던 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 암모니아(NH3) 등이 분해되어 비정질의 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)을 형성하게 된다. 만약 350℃ 이상의 온도에서 5시간 이상 열처리를 해 주면 비정질의 물질에서 서서히 결정핵이 생성되어 최종적으로 불균일하게 조대화된 입자가 만들어지므로, 최대한 불균일 핵생성을 억제하기 위해서는 바람직하게는 350℃에서 5시간을 넘지 않도록 조절하는 것이 좋다.
다음에, 이렇게 얻어진 비정질 분말을 상온까지 냉각한 후 다시 400℃~600℃에서 2~10 시간 동안 2차 열처리를 동일한 가스분위기에서 시행한다. 이러한 2차 열처리를 통해서 비정질 상으로부터 결정핵이 생성되어 그것들을 중심으로 100nm 이하의 나노미터 크기의 입자들로 성장하게 된다. 따라서 2차 열처리의 온도와 시간을 적절히 조절함으로써 원하는 크기의 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)의 나노미립자를 제조할 수 있다.
일반적으로 탄산나트륨(Na2CO3)이나 탄산칼륨(K2CO3)과 같이 알칼리 금속이온을 포함하고 있는 염(salt)의 녹는점은 대부분 매우 낮다. 따라서 이러한 첨가물들은 1차 열처리시에 비교적 낮은 온도인 250℃~350℃에서도 리튬과 전이금속 및 인을 포함하는 다른 원료 염들을 서로 효과적으로 반응시켜 결정질 핵생성이 최대한 억제된 비정질의 출발물질로 합성시키는 역할을 한다. 또한, 보다 높은 온도에서 행해지는 2차 열처리시에는 균일하게 형성된 결정핵 주위로 나노입자가 성장하도록 해 주기 때문에 열처리 온도와 시간을 적절히 조절하면 비정질상으로부터 100nm 이하의 수십 나노미터의 크기를 갖는 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)의 나노결정입자를 제조할 수가 있다.
이와 함께, 여러 차례의 실험을 통하여 알칼리 금속인 나트륨(Na) 및 칼륨(K) 뿐만 아니라 란탄계열 원소인 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er) 등도 같은 효과를 보인다는 사실을 발견하였다.
본 발명에서는, 1차 열처리시에 원하지 않은 거대입자가 생성되지 않도록 비정질 상을 유지하도록 조절해 주는 것이 무엇보다도 중요하다. 상기한 알칼리 금속이온과 란탄계열의 금속이온들의 첨가물들은 저온 1차 열처리시에는 출발원료의 녹는점을 낮추어 주어 비정질 상태로 쉽게 만들어 주며, 결정질로 변하는 상전이를 최대한 억제시키는 역할을 하고, 또한 상대적으로 고온인 2차 열처리시에는 비정질상으로부터 균일하게 결정핵이 생성되도록 하여 최종적으로는 그 크기가 모두 비슷하면서 100nm 이하의 수십 나노미터 수준의 작은 초미세결정입자로 형성되도록 하는 역할을 한다.
따라서 본 발명은 이러한 알칼리 원소와 란탄계열 원소를 10 mol% 이내로 첨가하여 결정입자의 핵생성 속도를 균일하게 만들어줌으로써 최종적으로 미세하고 균일한 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합) 나노입자를 제조할 수가 있게 된다.
기존의 다른 연구자들에 의해서 측정된 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4) (여기서, M = Fe, Mn, Co)의 전기전도도는 10-9 ~ 10-12 S/cm 이하로서 전기적 절연체로 알려져 있으나, 본 발명의 제조방법을 통하여 제조된 입자들은 최소 10-3 S/cm 이상의 향상된 전기전도도 특성을 보인다. 알칼리 원소와 란탄계열 원소들의 첨가물들은 이온반경이 리튬이온(Li+)이나 전이금속이온(Fe2 +, Mn2 +, Co2 +, Ni2 +, Ti2 +, Cu2 +)보다 훨씬 크기 때문에 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)의 결정격자 내부에 고용되어 들어가지 않고 대부분 최종적으로는 이차상(secondary phase)을 형성하게 된다. 참고로, 각 원소들의 이온반경(단위 nm)을 비교하여 보면, Li+은 0.076, Fe2 +은 0.078, Mn2 +은 0.083, Co2 +은 0.075, Ni2 +은 0.069, Ti2 +은 0.086, Cu2 +은 0.073 이며, 그리고, K+은 0.138, Na+은 0.102, La3 +은 0.103, Ce4 +은 0.087, Nd3 +은 0.098, Sm3 +은 0.096, Gd3 +은 0.094, Er3 +은 0.089 이다. 이와 같이 대신 첨가된 이온들이 400℃ 이상의 온도에서 2차 열처리될 경우에, 생성된 결정핵을 중심으로 비교적 빠르게 결정성장 및 거대화(Ostwald ripening) 가 일어나게 하는데 중요한 역할을 한다는 사실을 고분해능 투과전자현미경에서 고온 실시간 관찰을 통하여 확인하였다. 이러한 열역학적인 준평형(metastable)인 성장 과정 중, 결정격자 내부에 리튬이온(Li+)의 빈자리(vacancy)가 형성되거나 혹은 출발물질에 있었던 탄소 원자들이 격자 내부로 들어가 인(P) 이온을 대체할 수 있다. 이런 경우에 리튬이온(Li+) 빈자리와 탄소원자는 이온화되어 상대적으로 음의 유효전하를 띠게 된다. 그러므로, 결정격자 내부에서는 전체적으로 전기적 중성 조건을 항상 만족하여야 하므로 생성된 리튬이온(Li+)의 빈자리나, 또는 치환된 탄소원자의 음의 유효전하를 보상시켜 주기 위해서 일부 전이금속 이온은 2+의 원자가 대신 3+를 갖게 된다. 따라서, M2 + 와 M3 + 간의 전자홀(electron hole) 이동에 의한 전도도 증가 효과를 얻을 수 있다. 특히, 출발물질에 처음부터 존재하던 탄소가 고용되는 경우에는 훨씬 더 쉽게 음의 유효전하를 가질 수 있기 때문에 일부 전이금속 이온이 2+의 원자가 대신 3+를 갖게 될 확률은 높아지게 된다. 따라서 더욱 바람직하게는 원료출발물질로서, 탄소원자가 포함되어 있는 카보네이트(carbonates), 옥살레이트(oxalates), 아세테이트(acetates), 암모늄 포스페이트(ammonium phosphates) 등의 출발물질을 사용하여 제조하게 되면 전기적으로 우수한 전도도를 띠는 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4) 입자를 제조할 수 있다.
또 한편으로는, 본 발명을 통하여 리튬(Li) 및 전이금속(M)의 양이온들이 결정격자내에서 규칙적으로 잘 배열된 입자를 빠른 시간내에 제조할 수 있다. 앞서 언급했듯이, 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4)은 이론적으로 단위 결정격자 안에서 리튬(Li)은 M' 자리의 산소팔면체에 위치하며 전이금속(M)은 M" 자리의 산소팔면체에 위치하게 되어 규칙적 올리빈(ordered olivine) 구조를 이루게 된다. 그러나, MgFeSiO4의 광물에서 이미 보고된 바와 같이 올리빈 구조의 물질에서는 M'과 M" 자리의 양이온들이 서로 불규칙하게 위치하는 불규칙 혼합 결함(intermixing defect)이 존재할 수 있다. 특히, 최근 발표된 연구에서는 리튬철 인산화물(LiFePO4)에서 이러한 불규칙 혼합 결함 형성 에너지가 다른 이온빈자리 결함 형성 에너지보다 낮다는 것이 발표된 바 있어(M. S. Islam, D. J. Driscoll, C. A. J. Fisher, and P. R. Slater, Chem . Mater., Vol.17, p.5085 (2005)) 고온 열처리시에 쉽게 발생할 수 있는 결함임을 알 수 있다. 만약 리튬 이온이 있는 M' 자리에 전이금속 이온이 위치하게 되면 충,방전 반응시 리튬 이온의 이동 경로상에 전이금속 이온이 존재하게 되어 결정격자에서 리튬 이온의 이동을 방해하는 역할을 하므로 방전용량을 감소시킬 뿐만 아니라 빠른 리튬 이온의 확산을 저해하므로 출력 특성에도 악영향을 미치게 된다. 그러므로 결정학적으로 규칙적인 양이온 배열을 지닌 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4) 물질을 제조하는 것은 매우 중요하다.
본 발명에 의해 제조된 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4) 물질을 주사투과전자현미경(Scanning Transmission Electron Microscopy)에서 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 이미지로 관찰해 본 결과, 매우 규칙적인 양이온 배열을 가지고 있음을 확인하였다. 특히, 합성시 초기조성에서 리튬이온과 전이금속이온간의 화학양론비(stoichiometry)가 정확히 1:1 이 아닌, 1-x:1 또는 1:1-x (0 < x ≤ 0.1)가 되도록 제조하여도 모두 동일하게 초미세 나노결정입자로 합성된다는 사실을 확인하였다. 즉, 리튬(Li)과 전이금속(M)의 이온간의 비율이 1:1 이 아닌 상태로 출발하여 합성하여도 최종적인 입자의 크기 조절이나 전기전도도 및 전기화학적 특성에는 영향을 미치지 않는다는 사실을 발견하였다. 그러므로 제조시에 양이온의 비율을 정확히 조절해 주지 않아도 되므로 훨씬 넓은 영역의 비화학양론비를 갖게 되어 제조상의 편의성을 확보할 수 있다는 큰 장점을 띠게 된다.
본 발명에서는 10 mol% 이하의 나트륨(Na), 칼륨(K), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er)의 원소를 첨가하여 초기 화학양론 조성이 (Li1 - xAx)(M 1 - yBy)PO4 또는 (LiAx)(MBy)PO4, (여기서, A 혹은 B = Na, K, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Er, 0 < x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)가 되도록 조절하여 기존보다도 더 낮은 온도에서 짧은 시간동안 합성하여 크기가 100 nm 이하의 초미세 나노결정입자를 제 조할 수 있음을 보여준다.
그리고, 이렇게 제조된 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4) 결정입자들은 기존 합성법으로 제조된 입자보다 훨씬 우수한 전기전도도를 보이며, 리튬(Li) 이온과 전이금속(M) 이온들이 결정격자 내의 M' 자리와 M" 자리에 서로 규칙적으로 배열되어 있다는 특징을 가지고 있다.
이러한 여러 장점을 가지고 있기 때문에 리튬이온 이차전지 등과 같은 전기화학 전지에서 양극재료로 쓰일 경우 이론용량에 해당하는 160 mAh/g에 가까운 충/방전용량 값을 가질 수 있다. 또한, 격자 내에서 빠른 리튬 이온의 이동을 수반할 수 있기 때문에 수 분 안에 충전되거나 방전할 수 있는, 즉 높은 출력밀도를 갖는 또다른 우수한 전기화학적 특성을 보일 수 있다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예, 분석예 및 시험예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
또한, 이하 쓰이게될 “C rate”란 용어의 의미는 전지 테스트를 할 경우 충전 또는 방전을 1시간동안 할 수 있도록 측정 조건을 조절해 주는 것을 의미한다. 또한, 더욱 일반적으로 "C/n rate"란 용어의 의미는 충전 또는 방전을 n 시간 동안 할 수 있도록 조절함을 의미한다.
<실시예 1>
본 실시예 1에서는 우선 알칼리 원소인 칼륨(K) 또는 나트륨(Na)이 첨가된 (Li1-xAy)FePO4 또는 Li(Fe1 - xAy)PO4 (여기서, A = Na 또는 K, 0 < x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1)의 출발조성을 갖는 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노결정입자를 제조하는 방법을 설명하고자 한다.
이들을 제조하기 위하여 사용된 출발 원료분말은 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)이다. 또한 첨가물로 사용된 분말은 탄산나트륨(Na2CO3)과 탄산칼륨(K2CO3)이다. 세가지 출발원료분말 및 첨가물로 사용된 분말은 모두 순도가 99.5 % 이상이다.
우선, 첨가물을 넣지 않은 순수한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 합성하기 위해서 0.5:1:1 몰(mole)의 비율로 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 분말을 준비한다. 다음에 이들을 지 르코니아 세라믹 볼과 함께 지르코니아 밀링(milling) 병(pot)에 넣어 아세톤(99.9 % 순도)을 용매로 24시간 습식으로 밀링하여 분쇄 및 혼합한다. 그 후 건조하여 아세톤 용매를 모두 제거한후 공기와의 접촉으로 인한 산화현상을 막기 위하여 아르곤(Ar) 가스가 채워진 글로브박스(glovebox) 안으로 즉시 넣어 보관한다.
또한, 4 mol%의 나트륨(Na) 및 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 분말을 합성하기 위해서 동일한 방법으로 혼합 분말을 준비한다. 특히, 리튬(Li)과 철(Fe)의 화학양론비를 서로 달리하여 혼합분말을 준비한 후 서로 비교해 보도록 한다.
첫 번째로는 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 합성하기 위해서 0.5:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다. 두 번째로는 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 LiFe0 .98PO4 분말을 합성하기 위해서 0.5:0.98:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다. 세 번째로는 4 mol%의 나트륨(Na)이 첨가된 LiFe0 .98PO4 분말을 합성하기 위해서 0.5:0.98:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다. 네 번째로, 5 mol%의 나트륨(Na)이 첨가된 Li0 .95FePO4 분말을 합성 하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다.
이렇게 준비된 네가지의 분말 혼합물에 이미 언급한대로 4 ~ 5 mol%의 나트륨(Na) 혹은 칼륨(K)을 첨가하기 위해서 탄산나트륨(Na2CO3)과 탄산칼륨(K2CO3)을 사용한다. 순수한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 준비할 때와 마찬가지의 같은 방법으로 혼합, 밀링, 건조한 후 아르곤(Ar)이 채워진 글로브박스(glovebox)에 분말 혼합물들을 보관한다. 그리고, 이와 같이 준비된 네 종류의 혼합물들을 각각 글로브박스(glovebox)에서 마노 유발(mortar and pestle)을 사용하여 응집된 분말들을 다시 분쇄한다. 이와 같이 분쇄한 후에 각각의 혼합 분말들을 알루미나(alumina) 도가니에 넣어 350℃, 2 시간 내지 5 시간 동안 1차 하소(calcination) 열처리한다. 이 때 산소의 유입으로 인한 철(Fe) 이온의 산화를 막기 위하여 400 cc/min의 유량으로 99.999 % 순도의 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서 열처리하여 1차로 합성된 분말을 얻는다.
도 2는 합성된 분말들의 X-ray 분석 결과를 비교하여 보여주고 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 나트륨(Na)이나 칼륨(K)을 첨가하지 않은 순수한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말의 경우(a)에는 X-ray의 회절 피크들이 상대적으로 매우 강하게 나타나고 있는 반면에, 나트륨(Na)을 첨가한 분말의 경우(b)나 칼륨(K)을 첨가한 분말의 경우(c)에서는 강도가 매우 약할 뿐만 아니라 반가폭(FWHM, Full Width at a Half Maximum)이 상당히 넓은 회절 피크를 관찰할 수 있다. 즉, 순수한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말의 경우(a)에는 이미 상당 부분 결정화 및 입자의 조대화가 이루어졌음을 알 수 있지만, 이와는 달리 나트륨(Na)이나 칼륨(K)을 첨가한 분말들의 경우(b, c)에서는 첨가물들의 영향으로 인하여 대부분 비정질 상태로 남아 있으며, 이 중 일부만이 작은 나노결정핵으로 존재하고 있을 것이라고 예측할 수 있다.
이러한 사실들은 투과전자현미경(TEM)을 사용한 직접적 관찰을 통해서 다시 확인된다. 도 3은 4 mol%의 나트륨(Na)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말과 4 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 각각 350℃에서 1차 하소 열처리하고 난 후의 투과전자현미경(TEM) 조직사진을 보여주고 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부에서 나노클러스터들이 관찰되기도 하였으나, 대부분 비정질 상으로 되어 있으며, 도 2에서 보여준 X-ray 결과와도 일치함을 알 수 있다.
이와같이 350℃에서 1차 열처리한 후, 응집된 상태를 분쇄하고 보다 균일한 첨가제의 분포를 위하여 마노 유발을 이용하여 수 분간 다시 잘 분쇄하여 준다.
이어서, 이렇게 준비된 분말을 1차 하소 열처리 때와 같은 유량의 400 cc/min의 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서, 450℃ 내지 500℃에서 2 시간에서 10 시간 동안 2차 열처리한다. 2차 열처리에서는 비정질상에서 결정상으로 상전이를 하기 위한 결정핵이 서서히 생긴 후, 이를 중심으로 나노크기의 결정으로 성장하는 단계를 거치게 된다. 따라서 최종적으로 비정질상의 잔존량이 최대한 적으면서 입자의 조대화를 억제하기 위해서는 500℃ 이하의 온도에서 10 시간 이내의 시간동안 열처리하는 것이 바람직하다.
도 4는 4 mol%의 나트륨(Na)이 첨가된 LiFe0 .98PO4 분말의 경우(a)와 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 LiFe0 .98PO4 분말의 경우(b)를 450℃에서 2-3시간 동안 2차 열처리한 시편들의 X-ray 회절분석 결과를 보여주고 있다. 모두 이차상의 형성없이 단일상(single phase)의 올리빈 구조를 갖는 리튬철 인산화물(LiFePO4)으로 합성되었음 확인할 수 있다.
입자 크기를 직접적으로 알아보기 위해서 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 입자 모양과 크기에 대한 조직 사진을 도 5에 나타내었다. 도 5는 4 mol%의 나트륨(Na)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말과 4 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 각각 450℃에서 2-3시간 동안 2차 열처리한 후의 투과전자현미경(TEM) 조직사진을 보여주고 있다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 모두 비슷한 크기 분포를 가지고 있으며 50 nm 이하의 크기를 갖는 초미세 나노결정입자라는 사실을 파악할 수 있다.
특히, 이와 같이 제조된 나노입자들은 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)으로 관찰해보면 결정도(crystallinity)가 매우 우수한 규칙적(ordered) 올리빈 구조의 결정격자를 이루고 있는 특징을 원자단위 레벨로 확인할 수 있다. 이와 같은 특징 을 보여주기 위해 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노결정 분말 시편의 고분해능 전자현미경 격자 이미지를 도 6에서 보여주고 있다.
더욱 중요한 것은 본 실시예 1에서 보인 바와 같이 나트륨(Na)이나 칼륨(K) 원소를 첨가하여 출발물질을 혼합하여 제조할 때, 리튬(Li)과 철(Fe)의 비율을 반드시 1:1 로 정확히 조절해 주지 않고도 100 nm 이하의 나노미립자를 제조할 수가 있다. 따라서 실제 제조공정상의 화학조성에 있어서 비화학양론적 여유가 상당히 크게 존재하여 훨씬 쉽고 편하게 나노입자를 제조할 수 있는 큰 장점이 있다.
4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 LiFe0 .98PO4 의 1차로 하소된 분말을 금속몰드에 주입하여 6 MPa의 압력을 가하여 직경 9 mm 두께 1 mm의 원반형으로 성형하였다. 이렇게 준비된 분말 성형체를 2차 열처리를 위해서 상기한 아르곤(Ar) 분위기하의 850℃에서 5 시간 동안 열처리를 하여 균일한 조직의 다결정체를 제조하였다. 도 7은 이렇게 얻어진 다결정 미세조직의 광학 현미경 사진이다. 도 7에서 보는 바와 같이 850℃에서 5 시간의 짧은 시간 동안에 무려 50 마이크론 이상까지 결정성장이 일어났음을 확인할 수 있다. 따라서 위에서 언급한 대로 나트륨(Na)이나 칼륨(K)의 첨가 원소들은 400℃ 이상의 고온에서 2차 열처리 할 경우 상당히 빠른 결정립 성장을 촉진시키는 역할을 한다. 결과적으로 최종적으로 얻어지는 결정입자의 크기를 조절하기 위해서는 2차 열처리의 온도와 시간 결정이 매우 중요함을 의미한다.
본 실시예 1에서 제조된 여러 종류의 나노입자 분말들에 대한 열처리 조건과
결정립의 크기를 파악하기 위해서 잘 알려진 쉐러(Scherrer) 식, 즉 d = 0.9λ /Bcosθ (여기에서, d: 나노입자의 크기, λ: X-ray의 파장, B: X-ray 회절피크의 반가폭, θ: Bragg 회절각)을 이용하여 X-ray 회절패턴에서 20-40도 사이의 주요 회절피크에서 계산한 결정입자의 크기를 아래의 표 1에 정리하여 나타내었다.
[표 1]
조 성 1차 하소 열처리 2차 열처리 입자크기 (nm)
LiFePO4 (undoped) 350℃ 8 h, Ar 700℃ 20 h, Ar N/A (1,000 nm 이상)
LiFe0 .98K0 .04PO4 350℃ 8 h, Ar 450℃ 4 h, Ar 40~50
LiFe0 .98K0 .04PO4 350℃ 8 h, Ar 500℃ 4 h, Ar 44~46
LiFe0 .98K0 .04PO4 350℃ 8 h, Ar 500℃ 10 h, Ar 47~59
LiFe0 .98Na0 .04PO4 350℃ 8 h, Ar 500℃ 10 h, 95N2-5H2 /47~55
LiFe0 .98Na0 .04PO4 350℃ 2 h, Ar 450℃ 3 h, Ar 35~42
LiFe0 .98Na0 .04PO4 350℃ 2 h, Ar 500℃ 2 h, Ar 44~55
Li0 .95Na0 .05FePO4 350℃ 5 h, Ar 450℃ 2 h, Ar 39~44
K0 .04LiFePO4 350℃ 5 h, Ar 450℃ 2 h, Ar 36~41
< 실시예 2> :
본 실시예 2에서는 란탄계열 원소인 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er)이 첨가된 (Li1 - xAy)FePO4 또는 Li(Fe1-xAy)PO4 (여기서, A = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Er 중 어느 하나, 0 < x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1) 의 출발조성을 갖는 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노결정입자를 제조하는 방법을 설명하고자 한다.
이들을 제조하기 위하여 사용된 출발 원료분말은 앞의 실시예 1에서와 동일하게 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)이다. 또한 첨가물로 사용된 분말은 Ce2(C2O4)3(9H2O), Nd2(C2O4)3(5H2O), Gd2(C2O4)3(5H2O), Er2(C2O4)3(5H2O)의 옥살레이트(oxalate)를 사용한다. 세 가지 출발원료분말 및 첨가물로 사용된 분말은 모두 순도가 99.5 % 이상이다.
이러한 옥살레이트(oxalate)를 사용하여 2 mol%의 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er)의 첨가원소를 각각 넣은 4 종류의 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 합성하기 위해서 0.5:1:1 몰(mole)의 비율로 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 분말을 준비한다. 다음에, 이들을 지르코니아 세라믹 볼과 함께 지르코니아 밀링(milling) 병(pot)에 각각 넣어 아세톤(99.9 % 순도)을 용매로 24시간 습식으로 밀링하여 분쇄 및 혼합한다. 그 후 건조하여 아세톤 용매를 모두 제거한 후 공기와의 접촉으로 인한 산화현상을 막기 위하여 아르곤(Ar) 가스가 채워진 글로브박스(glovebox) 안으로 즉시 넣어 보관한다.
이와 같이 준비된 네 종류의 혼합물들을 실시예 1과 동일하게 각각 글로브박스(glovebox)에서 마노 유발 (mortar and pestle)을 사용하여 응집된 분말들을 다시 분쇄한다. 이와 같이 분쇄한 후에 각각의 혼합 분말들을 알루미나(alumina) 도가니에 넣어 350℃, 8 시간 동안 1차 하소(calcination) 열처리한다. 이 때 산소의 유입으로 인한 철(Fe) 이온의 산화를 막기 위하여 400 cc/min의 유량으로 99.999 % 순도의 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서 열처리 하여 1차로 합성된 분말을 얻는다.
상기한 바와 같이 350℃에서 1차 열처리 후, 응집된 상태를 분쇄하고 보다 균일한 첨가제의 분포를 위하여 마노 유발을 이용하여 수 분간 다시 잘 분쇄하여 준다.
이어서, 이렇게 준비된 분말을 1차 하소 열처리 때와 같은 유량의 400 cc/min의 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서, 500℃에서 10 시간 동안 2차 열처리한다. 알칼리 원소를 첨가하였던 실시예 1과 동일하게 2차 열처리에서는 비정질상에서 결정상으로 상전이를 하기 위한 결정핵이 서서히 생긴 후 이를 중심으로 나노크기의 결정으로 성장하는 단계를 거친다.
이와 같이 2차 열처리한 시편들의 X-ray 회절분석을 한 결과 모두 이차상의 형성없이 단상(single phase)의 올리빈 구조를 갖는 리튬철 인산화물(LiFePO4) 임을 확인할 수 있는데, 입자 크기를 직접적으로 알아보기 위해서 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 입자 모양과 크기에 대한 조직 사진을 도 8에 나타내었다.
도 8은 2 mol%의 에르븀(Er)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말과 2 mol%의 세륨(Ce)을 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 각각 500℃에서 2차 열처리한 후의 투과전자현미경(TEM) 조직사진을 보여주고 있다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 모두 비슷한 크기 분포를 가지고 있으며 50 nm 이하의 크기를 갖는 초미세 나노결정입자라는 사실을 파악할 수 있다.
특히, 이와 같이 제조된 나노입자들은 입자들이 서로 응집된 부분에서 10-20nm 단위로 고분해능 격자 이미지 관찰을 해 보면, 도 9에 제시되어 있는 바와 같이 각 부분에서 서로 다른 결정 격자 방위를 가지고 있음을 확인할 수 있으며, 따라서 실제로 매우 작은 결정립으로 구성되어 있다는 사실을 파악할 수 있다.
본 실시예 2에서 제조된 여러 종류의 나노입자 분말들에 대한 열처리 조건과
결정립의 크기를 파악하기 위해서 실시예 1에서 사용하였던 쉐러(Scherrer) 식을 이용하여 X-ray 회절패턴에서 20-40도 사이의 주요회절 피크에서 계산한 결정입자의 크기를 아래의 표 2에 정리하여 나타내었다.
[표 2]
조 성 1차 하소 열처리 2차 열처리 입자크기 (nm)
Nd0 .02LiFePO4 350℃ 8 h, Ar 500℃ 10 h, Ar 30~38
Er0 .02LiFePO4 350℃ 8 h, Ar 500℃ 10 h, Ar 31~38
Er0 .02LiFePO4 350℃ 8 h, Ar 600℃ 10 h, Ar 36~47
Gd0 .02LiFePO4 350℃ 8 h, Ar 500℃ 10 h, Ar 32~35
Gd0 .02LiFePO4 350℃ 8 h, Ar 600℃ 10 h, Ar 40~45
Li0 .95Ce0 .02FePO4 350℃ 8 h, Ar 500℃ 10 h, Ar 33~38
LiFe0 .98Ce0 .02PO4 350℃ 5 h, Ar 500℃ 10 h, Ar 33~44
LiFe0 .98Ce0 .02PO4 350℃ 5 h, Ar 600℃ 10 h, Ar 44~49
< 실시예 3> :
본 실시예 3에서는 알칼리 원소를 첨가물로 넣은 (Li1 - xAy)FePO4 (A = K, Na, 0 < x ≤ 0.5, 0 < y ≤ 0.1) 의 출발조성을 갖는 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노결정입자를 제조하는 방법을 설명하고자 한다. 즉, 리튬(Li)의 비화학양론을 최대 50 %까지 조절해 주어 리튬(Li) 이온 비화학양론에 따른 전체적인 상형성(phase formation)과 나노입자형성의 변화 양상 조절 방법에 대해 자세히 설명하고자 한다.
이들을 제조하기 위하여 사용된 출발 원료분말은 앞의 실시예 1과 실시예 2에서와 동일하게 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)이다. 또한 첨가물로 사용된 분말은 탄산칼륨(K2CO3)을 사용한다. 출발원료분말 및 첨가물로 사용된 분말은 모두 순도가 99.5 % 이상이다.
본 실시예 3에서는 공통적으로 4 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 네 종류의 서로 다른 리튬(Li) 양을 가지는 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 분말을 합성하고자 한다. 이를 위하여 앞의 실시예 1과 실시예 2와 동일한 방법으로 혼합 분말을 준비한다. 첫 번째로는 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말을 합성하기 위해서 0.5:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다. 두 번째로는 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 Li0.85FePO4 분말을 합성하기 위해서 0.425:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수 소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다. 세 번째로는 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 Li0 .70FePO4 분말을 합성하기 위해서 0.35:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다. 네 번째로, 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 Li0 .50FePO4 분말을 합성하기 위해서 0.25:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다.
이렇게 준비된 네 가지의 분말 혼합물들을 지르코니아 세라믹 볼과 함께 지르코니아 밀링(milling) 병(pot)에 각각 넣어 아세톤(99.9 % 순도)을 용매로 24시간 습식으로 밀링하여 분쇄 및 혼합한다. 그 후 건조하여 아세톤 용매를 모두 제거한 후 공기와의 접촉으로 인한 산화현상을 막기 위하여 아르곤(Ar) 가스가 채워진 글로브박스(glovebox) 안으로 즉시 넣어 보관한다.
이들 네 종류의 혼합물들을 실시예 1 및 실시예 2와 동일하게 각각 글로브박스(glovebox)에서 마노 유발(mortar and pestle)을 사용하여 응집된 분말들을 다시 분쇄한다. 이와 같이 분쇄한 후에 각각의 혼합 분말들을 알루미나(alumina) 도가니에 넣어 350℃에서 5 시간 동안 1차 하소(calcination) 열처리한다. 이 때 산소의 유입으로 인한 철이온의 산화를 막기 위하여 400 cc/min의 유량으로 99.999 % 순도의 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서 열처리하여 1차로 합성된 분말을 얻는다.
이와 같이 350℃에서 1차 열처리한 후, 응집된 상태를 분쇄하고 보다 균일한 첨가제의 분포를 위하여 마노 유발을 이용하여 수 분간 다시 잘 분쇄한다. 이렇게 준비된 분말을 1차 하소 열처리 때와 같은 유량의 400 cc/min의 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서, 450℃에서 3 시간 동안 2차 열처리한다.
상기한 바와 같이 350℃, 5 시간 동안 1차 열처리한 네 종류의 분말 시편에 대한 X-ray 회절패턴을 도 10에 나타내었다. 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 리튬(Li)과 철(Fe)이 1:1의 정확한 화학양론비를 가진 시편에 비하여, 리튬(Li)의 양이 적어질수록 회절 피크들의 강도가 감소하고 있으며, 반가폭(FWHM)도 점점 넓어지고 있다. 즉, 결정의 성장을 위한 핵으로 작용하는 나노클러스터들이 리튬(Li)의 첨가량이 적어질수록 보다 작아질 뿐만 아니라, 그 개수도 감소하여 50 %의 리튬(Li)이 부족한 네 번째의 Li0 .50FePO4 분말의 경우에는 거의 대부분 비정질 상으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 따라서 1차 열처리시 불균일적으로 발생할 수 있는 핵생성을 최대한 억제하여 최종적으로 불균일하게 조대화된 결정입자들의 원치 않는 생성을 방지하기 위해서는 리튬(Li)의 첨가량을 철(Fe)의 양보다 적도록 적절히 조절하여 주는 것이 더욱 바람직함을 알 수 있다.
다음에, 이들 시편을 450℃, 3 시간 동안 2차로 열처리를 한 후 분석한 X-ray 회절 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11에 도시되어 있는 바와 같이 15 %의 리튬(Li)이 부족한 Li0.85FePO4 분말의 경우에는 다른 이차상의 형성없이 단상(single phase)의 회절결과를 보여준다. 반면, 30 %의 리튬(Li)이 부족한 Li0 .70FePO4 분말의 경우부터는 화살표로 표시한 대로 Fe2P2O7에 해당하는 이차상이 발생하고 있음을 알 수 있다. 즉 다시 말해서 약 15 %의 리튬(Li)이 부족한 Li0 .85FePO4 의 경우에도 다른 이차상이 발생하지 않는 점으로 보아 이를 수반한 전하불균형 차이를 철(Fe) 이온 중에서 일부가 2+에서 3+의 원자가로 바뀌게 되어 보상시켜 준다는 것을 알 수 있다. 따라서 앞서 이미 언급한 전자홀(electron hole)에 의한 우수한 전기전도도를 띠게 된다는 사실과 밀접한 관계를 보여주고 있다.
본 실시예 3에서 제조된 여러 종류의 나노입자 분말들에 대한 열처리 조건과
결정립의 크기를 파악하기 위해서 실시예 1에서 사용하였던 쉐러(Scherrer) 식을 이용하여 X-ray 회절패턴에서 20-40도 사이의 주요회절 피크에서 계산한 결정입자의 크기를 아래의 표 3에 정리하여 나타내었다. 특히, 리튬(Li)의 첨가량이 감소할수록 결정립의 크기는 작아지는 특징이 관찰되므로 최종적으로 보다 작은 크기의 입자를 제조하기 위해서는 리튬(Li)의 양을 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
[표 3]
조 성 1차 하소 열처리 2차 열처리 입자크기 (nm)
K0 .04LiFePO4 350℃ 5 h, Ar 450℃ 2 h, Ar 36~41
K0 .04Li0 .85FePO4 350℃ 5 h, Ar 450℃ 3 h, Ar 34~45
K0 .04Li0 .70FePO4 350℃ 5 h, Ar 450℃ 3 h, Ar 23~47
K0 .04Li0 .70FePO4 350℃ 5 h, Ar 600℃ 5 h, Ar 27~47
K0 .04Li0 .50FePO4 350℃ 5 h, Ar 450℃ 3 h, Ar 12~22
K0 .04Li0 .50FePO4 350℃ 5 h, Ar 600℃ 5 h, Ar 12~25
< 실시예 4> :
본 실시예 4에서는 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3에서 예시한 것에 부가해서 철 이외의 망간, 코발트 등의 다른 전이금속으로 이루어진 리튬 금속 인산화물의 나노결정 입자를 제조하는 방법을 설명하고자 한다. 즉, 역시 동일하게 칼륨(K) 혹은 나트륨(Na)의 알칼리 원소또는 란탄 계열의 원소를 첨가물로 넣은 (Li1 - xAy)MPO4 (여기서, A = K, Na 혹은 란탄계열 원소, M = Fe, Mn, Co, 0 < x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1)의 출발조성을 리튬 전이금속 인산화물의 나노입자 제조에 대해서 설명하고자 한다.
이들을 제조하기 위하여 사용된 출발 원료분말은 앞의 실시예 1과 실시예 2에서와 동일하게 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)이며, 망간(Mn)과 코발트(Co)의 원료를 위해서는 MnC2O4(2H2O)와 CoC2O4(2H2O)를 사용한다. 또한 첨가물로 사용된 분말은 탄산칼륨(K2CO3)을 사용한다. 출발원료분말 및 첨가물로 사용된 분말은 모두 순도가 99.5 % 이상이다.
본 실시예 4에서는 공통적으로 5 mol%의 칼륨(K)을 첨가한 Li0 .95FePO4, Li0.95MnPO4, Li0 .95CoPO4의 서로 다른 전이금속으로 이루어진 리튬 금속 인산화물의 나노결정입자를 합성하고자 한다. 이를 위하여 앞의 실시예 1과 실시예 2와 동일한 방법으로 혼합 분말을 준비한다. 첫 번째로는 5 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 Li0.95FePO4 분말을 합성하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), 옥살산제일철(FeC2O4(2H2O)), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다. 두 번째로는 5 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 Li0 .95MnPO4 분말을 합성하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), MnC2O4(2H2O), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다. 세 번째로는 5 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 Li0 .95CoPO4의 분말을 합성하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 탄산리튬(Li2CO3), CoC2O4(2H2O), 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)의 혼합분말을 준비한다. 상기의 실시예 3에서 보여준 바와 같이 리튬(Li)의 첨가량이 감소할수록 결정립의 크기는 작아지는 특징이 있으므로 리튬(Li)의 비화학양론비를 0.95로 적절히 조절하여 열처리 공정 동안에 균일한 입자 핵생성과 성장이 이루어지도록 한다.
이렇게 준비된 세 가지의 분말 혼합물들을 지르코니아 세라믹 볼과 함께 지르코니아 밀링(milling) 병(pot)에 각각 넣어 아세톤(99.9 % 순도)을 용매로 24시간 습식으로 밀링하여 분쇄 및 혼합한다. 그 후 건조하여 아세톤 용매를 모두 제거한 후 공기와의 접촉으로 인한 산화현상을 막기 위하여 아르곤(Ar) 가스가 채워진 글로브박스(glovebox) 안으로 즉시 넣어 보관한다.
이들 세 종류의 혼합물들을 실시예 1 및 실시예 2와 동일하게 각각 글로브박스(glovebox)에서 마노 유발 (mortar and pestle)을 사용하여 응집된 분말들을 다시 분쇄한다. 이와 같이 분쇄한 후에 각각의 혼합 분말들을 알루미나(alumina) 도가니에 넣어 350℃, 5 시간 동안 1차 하소(calcination) 열처리한다. 이 때 산소의 유입으로 인한 철(Fe), 망간(Mn) 혹은 코발트(Co) 이온의 산화를 막기 위하여 400 cc/min의 유량으로 99.999 % 순도의 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서 열처리하여 1차로 합성된 분말을 얻는다.
이와 같이 350℃에서 1차로 열처리한 후, 응집된 상태를 분쇄하고 보다 균일한 첨가제의 분포를 위하여 마노 유발을 이용하여 수 분간 다시 잘 분쇄한다. 이렇게 준비된 분말을 1차 하소 열처리 때와 같은 유량의 400 cc/min의 아르곤(Ar) 가스를 흘려주면서, 450℃에서 1-2 시간 동안 2차 열처리한다.
본 실시예 4에서 제조된 5 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 Li0 .95FePO4, Li0 .95MnPO4, Li0.95CoPO4의 리튬 금속 인산화물의 나노결정입자에 대한 투과전자현미경(TEM) 조직 사진을 도 12에 나타내었다. 도 12에서 나타낸 바와 같이 모두 평균 100 nm 이하의 초미세 나노입자가 제조되었음을 알 수 있다. 따라서, 나트륨(Na) 및 칼륨(K)의 알칼리 원소와 란탄계열의 원소를 첨가함으로써 기존의 제조방법과는 달리 낮은 온도에서 매우 짧은 시간동안의 열처리 공정을 통하여 100 nm 이하 크기의 미세한 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4)의 나노입자를 손쉽게 제조할 수 있다.
또한, 실시예 1에서 보여준 바와 일관되게, 나트륨(Na) 및 칼륨(K)의 알칼리 원소와 란탄계열의 원소들의 첨가물들은 2차 열처리의 온도가 증가할수록 입자들의 성장을 촉진시키는 역할을 한다. 도 13은 동일한 방법으로 제조된 리튬 코발트 인산화물의 다결정체 광학현미경 조직사진을 나타내고 있다. 즉, 4 mol%의 나트륨(Na)이 첨가된 LiCo0 .98PO4을 700℃에서 20 시간 동안 2차 열처리하여 균일한 조직의 다결정체를 제조하였다. 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 수 십 마이크로미터 의 입자크기를 가지고 있음을 확인할 수 있으며, 실시예 1의 도 7에 예시한 조직사진과 일관적인 특징을 나타내고 있다.
본 실시예 4에서 제조된 여러 종류의 나노입자 분말들에 대한 열처리 조건과
결정립의 크기를 파악하기 위해서 실시예 1에서 사용하였던 쉐러(Scherrer) 식을 이용하여 X-ray 회절패턴에서 20-40도 사이의 주요회절 피크에서 계산한 결정입자의 크기를 아래의 표 4에 정리하여 나타내었다.
[표 4]
조 성 1차 하소 열처리 2차 열처리 입자크기 (nm)
Li0 .95Na0 .05FePO4 350℃ 5 h, Ar 450℃ 2 h, Ar 39~44
Li0 .95Na0 .05CoPO4 350℃ 5 h, Ar 450℃ 1 h, Ar 64~72
Li0 .95Na0 .05MnPO4 350℃ 5 h, Ar 450℃ 2 h, Ar 42~56
LiMn0 .95Na0 .05PO4 350℃ 8 h, Ar 500℃ 2 h, Ar 47~52
LiCo0 .98Na0 .04PO4 350℃ 2 h, Ar 450℃ 3 h, Ar 49~61
< 분석예 1> :
본 분석예 1에서는 본 발명에서 제시하는 알칼리 원소와 란탄계열 원소가 첨가된 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)의 나노입자를 손쉽게 제조할 수 있음을 직접적 관찰로 보여주고자 한다. 이를 위하여 실제 400℃ 이상의 열처리 온도에서 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 나노입자가 형성되는 것을 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 실시간(in-situ)으로 직접 관찰한 결과를 예시하고자 한다.
본 분석예 1에서 사용된 분말시편은 실시예 1에서 준비된 분말 중 하나를 선택하였다. 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4)로써, 350℃의 온도에서 5 시간 동안 1차 열처리한 분말시편을 이용하여 이를 투과전자현미경(TEM)내에서 고온으로 직접 올리면서 나노결정입자의 형성과 성장을 관찰하였다. 이러한 분석을 위해서 1,250 keV의 가속전압을 가지는 전자현미경에서 시편을 고온으로 가열시키는 장치를 포함하는 전용 스펙트럼 홀더(specimen holder)를 사용하여 450℃에서 고분해능 영상을 실시간으로 연속적으로 얻었다.
도 14는 350℃의 온도에서 5 시간 동안 1차 열처리한 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 비정질 상태의 리튬철 인산화물(LiFePO4) 분말시편을 사용하여 투과전자현미경 내에서 450℃에서 실시간(in-situ)으로 나노입자의 형성과정을 관찰한 고분해능 이미지를 연속적으로 보여주고 있다. 고온에서 열팽창으로 인한 시편의 드리프트(drift)를 안정화시키기 위해서 20분간 유지시킨 후 a의 이미지를 얻었다. 그 후, b, c 및 d는 같은 영역을 각각 15분, 20분, 35분 후에 촬영한 고분해능 이미지이다. a에서 보여지는 바와 같이 열처리 초기에 전체 비정질상내부에서 수 나노의 결정핵이 분화, 생성됨을 알 수 있다. 또한 b, c 및 d에서와 같이 이러한 핵들은 시간이 지남에 따라서 서서히 균일하게 성장하여 결국 수 십 나노미터 크기를 가지는 결정입자로 제조될 수 있다는 것을 직접적으로 증명하고 있다.
< 분석예 2> :
상기에 언급한 바와 같이 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)의 결정은 단위격자 내에서 리튬(Li) 이온은 M' 자리의 산소팔면체 공극에 위치하며, 전이금속(M) 이온은 M" 자리의 산소팔면체 공극에 위치하여 규칙적(ordered) 올리빈 구조를 이루게 된다. 따라서, 만약 리튬(Li) 이온이 있는 M' 자리에 전이금속(M) 이온이 위치하게 되면 b축방향으로의 리튬(Li) 이온의 이동에 방해가 되어 리튬(Li) 이온의 확산을 저해하므로 리튬이온 이차전지로의 활용시 방전용량과 출력특성의 감소를 초래하게 된다. 그러므로 결정학적으로 규칙적인 양이온 배열을 지닌 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4) 물질을 제조하는 것은 매우 중요하다.
본 분석예 2에서는 본 발명에서 제시하는 방법으로 제조된 알칼리 원소와 란탄계열 원소가 첨가된 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)의 입자에 있어서 결정격자 내부의 양이온들간의 규칙적 배열관계를 최신의 전자현미경 기법인 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 법을 이용하여 원자레벨로 직접 관찰한 결과를 제시하고자 한다. 이러한 분석예를 통하여 본 발명에서 제조된 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4)의 결정입자들은 매우 우수한 이온 규칙성을 가지고 있음을 보여주고자 한다.
전자현미경 관찰을 위한 시편은 실시예 1에서 제조한 분말시편 중 하나를 사용하였다. 즉, 350℃에서 5 시간 동안 1차 하소 열처리한 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가 된 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 분말을 금속몰드에 주입하여 6 MPa의 압력을 가하여 직경 9 mm 두께 1 mm의 원반형으로 성형하고, 이렇게 준비된 성형체를 2차 열처리를 위해서 동일한 아르곤(Ar) 분위기 하의 700℃에서 5 시간 동안 열처리를 하여 균일한 조직의 다결정체를 제조하였다. 전형적인 다결정체 투과전자현미경 시편제작법을 따라 소결된 다결정체 시편을 100 ㎛ 두께까지 연마한 후 3 mm의 직경을 갖는 원반 디스크로 초음파 절단하였다. 이들 디스크 시편을 딤플링(dimpling)한 후 최종적으로 이온밀링(ion-milling)을 통하여 투과전자현미경(TEM)상에서 관찰 가능하도록 얇게 제조하였다.
일반적인 투과전자현미경(TEM)에서 볼 수 있는 고분해능 격자이미지는 시편의 두께와 현미경 관찰시 대물렌즈의 디포커스(defocus) 길이에 따라 같은 시편이라도 서로 다른 격자 무늬를 보이게 된다 (D. B. Williams and C. B. Carter, "Transmission Electron Microscopy, A Textbook for Materials Science (Part 3. Imaging)", Plenum Press, 1996). 따라서 정확히 원자의 위치를 파악하기 위해서는 최신의 분석 방법인 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 법을 바탕으로한 Z-contrast Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM)을 사용하여 원자레벨의 관찰을 하여야 한다 (M. Varela et al., Annu . Rev. Mater. Res., Vol.35, p.539 (2005)). 이 방법은 말그대로 원자번호(Z)에 따른 영상의 콘트라스트를 보여주는 것으로써, 무거운 원자 즉, 원소번호가 큰 원자일수록 밝은 콘트라스트를 띠게 되어 원자단위로 결정격자를 구분할 수 있다.
도 15는 본 발명의 분석예 2에서 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 법을 이용하여 관찰한 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 결정격자 이미지로서, 도 15에서 왼쪽에 있는 이미지는 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 결정격자 모양을 모식도로 나타낸 것이다. 도 15에서와 같이 리튬(Li)과 철(Fe) 이온들은 각각 M'과 M" 자리에 규칙적으로 배열되어 있는구조를 가지고 있어야 한다. 또한, 도 15에서 오른쪽에 있는 이미지는 본 분석예 2에서 실제로 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 모드를 사용하여 얻은 Z-contrast STEM 격자 이미지를 보여주고 있다. 이미지 내부에 표시한 흰색 직사각형은 단위포(unit cell)을 표시하고 있으며 한 변이 0.47 nm임을 나타내고 있다. [010] 방향, 즉 b축이 지면에 수직한 방향이 되도록 결정입자 방위를 조정하여 리튬(Li)과 철(Fe) 이온의 규칙배열을 보다 잘 관찰하고자 하였다. 리튬(Li)은 원자번호가 산소보다도 낮은 3번이기 때문에 이미지상에서 전혀 콘크라스트(contrast)를 가질 수 없어 검게 나오게 된다. 반면, 철(Fe)는 26번의 매우 큰 원자번호를 가지고 있어서 밝게 회절되어 이미지를 이루게 된다. 도 15의 이미지에서 관찰된 바와같이 리튬(Li) 자리는 전혀 밝은 콘트라스트를 띠지 않고 있다는 사실로부터 리튬(Li) 자리에 철(Fe) 이온이 불규칙적으로 혼재되어 있지 않고 왼쪽의 모식도에서 보여지는 것과 같이 매우 규칙적 올리빈 결정 구조를 이루고 있다는 것을 직접적으로 확인할 수 있다. 따라서 본 발명을 통해 매우 우수한 이온 규칙성을 가지고 있는 리튬전이금속 인산화물(LiMPO4)의 결정입자들을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
< 시험예 1> :
상기 실시예에 의해 제조한 다양한 조성의 (Li1-xAx)(M 1-yBy)PO4 또는 (LiAx)(MBy)PO4 (여기서, A 혹은 B = Na, K, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Er, 0 < x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합)의 분말을 가지고 소결한 시편의 전기저항을 측정하였다. 본 시험예 1에서는 본 발명을 통하여 제조된 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO4)들이 기존의 방법에 의해 제조된 것들보다 우수한 전기 전도도 특성을 보인다는 것을 보여준다.
전기저항 측정을 위한 시편은 도 7과 도 13에서 보여준 바와 같은 미세조직을 갖도록 동일한 방법으로 제조하였다. 즉, 350℃에서 2-5 시간동안 1차 하소 열처리한 분말들을 금속몰드에 주입하여 6 MPa의 압력을 가하여 직경 9 mm 두께 1 mm의 원반형으로 성형하고, 이렇게 준비된 성형체를 2차 열처리를 위해서 동일한 아르곤(Ar) 분위기 하의 700℃-850℃에서 5-10 시간 동안 열처리를 하여 균일한 조직의 다결정체를 제조하였다.
이와같이 제조된 다결정 소결체들의 표면을 #1200의 SiC 연마지를 사용하여 갈아낸 후 멀티미터기(multimeter)를 이용하여 1 cm 간격을 두고 전극을 위치시켜서 표면의 전기저항을 상온에서 측정하였다. 아무런 첨가물을 넣지 않은 순수한 리튬철 인산화물(LiFePO4), 리튬코발트 인산화물(LiCoPO4), 리튬망간 인산화물(LiMnPO4)들은 앞서 언급한대로 매우 높은 전기저항으로 인하여 측정이 안되었지 만(out of scale), 본 발명을 통해서 제조된 다른 리튬 전이금속 인산화물은 수 십 kΩ에서 수 백 kΩ의 낮은 저항값을 나타낸다는 사실을 확인하였다. 본 측정에서 측정이 불가능한 경우는 저항이 최소 100 MΩ 이상임을 의미한다. 본 시험예 1에서 측정한 시편의 조성 및 2차 열처리한 소결조건과 표면의 전기저항 값을 아래의 표 5에 정리하여 나타내었다.
[표 5]
조 성 1차 하소 열처리 2차 소결 열처리 전기저항 (k?)
LiFePO4 (undoped) 350℃ 8 h, Ar 700℃ 20 h, Ar out of scale (최소 100 M? 이상)
LiFe0 .98Na0 .04PO4 350℃ 8 h, Ar 700℃ 20 h, Ar 1,000~2,000
LiCo0 .98Na0 .04PO4 350℃ 8 h, Ar 700℃ 18 h, Ar 20~90
LiFe0 .98K0 .04PO4 350℃ 8 h, Ar 700℃ 12 h, Ar 200~500
LiK0 .04FePO4 350℃ 5 h, Ar 800℃ 8 h, Ar 20~50
Li0 .85K0 .04FePO4 350℃ 5 h, Ar 800℃ 8 h, Ar 20~30
Li0 .70K0 .04FePO4 350℃ 5 h, Ar 800℃ 8 h, Ar 40~50
Li0 .50K0 .04FePO4 350℃ 5 h, Ar 800℃ 8 h, Ar 20~40
LiFe0 .98Na0 .04PO4 350℃ 8 h, Ar 800℃ 5 h, Ar 50~200
Li0 .95Na0 .05FePO4 350℃ 8 h, Ar 850℃ 5 h, Ar 30~100
Li0 .95Na0 .05FePO4 350℃ 5 h, Ar 800℃ 5 h, Ar 50~300
< 시험예 2> :
본 시험예 2에서는 시험예 1에서 측정한 시편들의 낮은 전기저항값이 입자와 입자간 사이의 입계에 다른 이차상의 존재에 의한 부수적인 결과가 아닌, 결정격자 자체의 전기저항이 감소했음을 보여주고자 한다. 이를 위하여 다결정 소결체를 미 세 연마하여 입자 한 개의 표면에 마이크로 백금전극을 입힌 후 전류-전압 특성을 측정하였다.
본 시험예 2에서 사용된 다결정 소결시편은 상기의 시험예 1에서 제조된 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 시편으로서, 850℃에서 10 시간 동안 소결한 것을 사용하였다. 우선, 미세조직의 관찰을 위해서 호마이카(불포화 폴리에스텔 수지)로 마운팅(mounting)하여 연마한 뒤, 6㎛, 3㎛, 1㎛의 크기 순으로 다이아몬드 연마제로 미세연마하였다. 이와같이 준비된 시편을 3 vol%의 염산(HCl)이 용해된 증류수에서 5초간 화학 에칭(chemical etching)하였다.
도 16은 본 시험예 2에서 사용된 다결정 리튬철 인산화물(LiFePO4) 시편의 대표적 미세조직 사진이다. 도 16에 나타난 바와 같이, 40-50 ㎛의 크기를 갖는 입자의 내부에 한 변의 길이가 20 ㎛인 정사각형 모양의 백금(Pt) 마이크로전극(microelctrode)을 증착하였다. 이러한 마이크로 백금 전극들은 입자보다 그 크기가 작기 때문에 입계와는 상관없이 순수히 입자 내부에 대한 전류-전압 특성을 파악하는데 매우 유용한 구조를 지니고 있음을 알 수 있다. 또한, 도 16에 나타난 바와 같이, 1 ㎛의 직경을 갖는 마이크로 프로브(microprobe)를 이들 전극 위에 각각 위치시킨 후 전압을 6V 까지 서서히 인가시키면서 전류의 변화를 측정하였다.
도 17은 본 발명의 시험예 2에서 마이크로프로브(microprobe)와 백금(Pt) 마이크로전극(microelctrode)을 이용하여 입자와 입자간 전류-전압 관계를 측정한 결과이다. 통상의 리튬철 인산화물(LiFePO4)의 경우는 이러한 마이크로 전류-전압 특 성에서 수 십 pA (10-14 A) 수준의 전류를 나타내는데 반하여(S.-Y. Chung and Y.-M. Chiang, Electrochem . Solid-State Lett ., Vol.6, p.A278 (2003)), 본 발명에서 제조된 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 시편의 경우는 도 17에서 나타난 바와 같이 수 μA (10-6 A) 수준의 높은 전류가 흐른다는 사실을 확인할 수 있다.
따라서 본 시험예 1 및 시험예2를 통하여 전기저항이 낮고 전기전도도가 우수한 리튬 전이금속 인산화물을 쉽게 제조할 수 있음을 알 수 있다.
< 시험예 3> :
본 발명에서 제조된 리튬 전이금속 인산화물의 나노결정입자들을 사용하여 전기화학적 성능을 측정하였다. 더욱 구체적으로는 리튬이온 이차전지에서의 양극물질로의 응용을 위하여 전지로서의 충전 및 방전 특성을 시험하였으며, 본 시험예 3을 통하여 본 발명에서 제조된 리튬 전이금속 인산화물 나노입자들은 높은 에너지 밀도를 갖을 뿐만 아니라 매우 우수한 출력 밀도 성능을 보일 수 있다는 특징을 가지고 있음을 보여준다.
본 시험예 3에서는 전기화학적 충전, 방전 특성을 측정하기 위해서 실시예에서 제조된 분말 시편 중, 4 mol%의 나트륨(Na)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노분말과 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노분말을 선택하였다.
우선, 전극제조를 위하여 4 mol%의 나트륨(Na)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노분말과 켓젠 블랙 카본(Ketjen black carbon), 그리고 PVDF(polyvinylidene difluoride)(KynarFlex 2801)을 각각 무게비로 80:10:10의 비율이 되도록 혼합하였다. 이때 용매로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)를 사용하였으며, 균일한 혼합을 위하여 내부에 분당 3000회 (3000 RPM) 회전하는 호모지나이저(homogenizer)가 장착된 믹서(mixer)를 사용하여 혼합하였다. 이렇게 준비된 슬러리(slurry)를 알루미늄 호일 위에 도포한 후, 진공오븐에서 건조하여 양극 코팅(coating)을 제조하였다.
전지테스트를 위한 셀(cell) 제조는 기본적으로 알려진 일반적 방법으로 시행하였다. 즉, 리튬금속을 상대음극으로 사용하였으며, CELGARDⓡ 2400 의 분리막을 양극과 음극 사이에 넣어 사용했다. 전해질 용액은 1 M의 LiPF6 가 용해되어 있는 에틸렌 카보네이트(EC, ethylene carbornate) 및 디에틸 카보네이트(DEC, diethyl carbonate), 또는 디메틸 카보네이트(DMC, dimethyl carbonate)의 혼합용액을 사용하여 테스트를 하였다.
이와 같이 제조된 전극을 테스트한 결과를 도 18에 나타내었다. 도 18에 나타난 바와 같이 160 mAh/g을 이론용량으로 가정하여 32 mA/g의 전류, 즉 0.2 C /rate의 전류 속도로 갈바노스태틱(galvanostatic) 측정을 실시하였을 때의 충전 및 방전 곡선을 보여주고 있다. 2.5 - 4.3 V 사이에서 측정한 결과, 용량은 약 150 mAh/g을 나타내었다. 따라서 본 발명에서 제조된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노분 말은 이론용량에 가까운 매우 우수한 용량을 보인다는 사실을 알 수 있다.
또한, 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노분말을 사용하여 마찬가지로 켓젠 블랙 카본(Ketjen black carbon)과 PVDF(polyvinylidene difluoride)(KynarFlex 2801)을 각각 무게비로 80:10:10으로 혼합하여 상기와 동일한 방법으로 전극 코팅(coating)을 제조한 후 테스트용 셀(cell)을 조립하였다. 이번 시험에서 사용된 충전조건으로는 전류가 0.5 C, 즉 80 mA/g으로 일정하며 전압도 4.3V로 일정하게 유지시켜주면서 충전을 해주는 CCCV(constant current constant voltage) 충전법으로 하였다. 또한, 방전을 위해서는 일반적인 갈바노스태틱(galvanostatic)한 CC(constant current) 방법을 사용하여 다양한 방전전류를 적용시켜 빠른 방전시에 얻을 수 있는 출력특성을 파악하였다.
도 19는 이러한 방식으로 4 mol%의 칼륨(K)이 첨가된 리튬철 인산화물(LiFePO4) 나노분말을 이용하여 다양한 조건에서 전지 테스트를 한 충전 및 방전 결과를 나타내고 있다. 도 19에서 나타난 바와 같이, 0.2 C의 충분히 느린 저전류 방전조건에서는 앞서의 시험에서와 동일하게 약 150 mAh/g의 용량을 나타내므로 우수한 에너지 밀도 성질이 나온다는 사실을 알 수 있다. 뿐만 아니라 더욱 중요하게는 10 C 이상 고전류의 빠른 방전에서도 약 110 mAh/g 이상의 매우 높은 용량을 유지할 수 있는 특징을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 짧은 시간 안에 많은 양의 전류를 방전시킬 수 있으므로 높은 출력의 성능을 보이는 리튬전지에서의 양극재료로 응용될 수 있음을 직접적으로 예시하고 있다.
도 20는 4 mol%의 나트륨(Na)이 첨가된 LiFe0 .98PO4 나노분말을 같은 방식으로 전지 테스트한 결과 중에서 다양한 방전율에 따른 방전용량을 나타낸 도표이다. 도 20에 도시된 바와 같이 0.2 C 의 낮은 방전율에서는 거의 이론용량값에 해당하는 약·155 mAh/g의 높은 용량을 보이고 있으며, 특히 20 C 와 같은 빠른 방전율에서도 80 mAh/g 이상의 우수한 방전용량을 유지하고 있다. 20 C 에서의 결과를 리튬금속 음극을 기준으로 할 때 출력밀도를 계산해 보면 약 9,900 W/kg 이상의 매우 우수한 출력 특성을 보인다는 사실을 확인할 수 있었다.
따라서 본 시험예 3에서는 본 발명에서 제조된 리튬전이금속 인산화물의 나노입자들은 매우 우수한 에너지 밀도와 출력밀도를 갖는 리튬전지의 양극재료로 쓰일 수 있음을 보여주고 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 단순한 고상 합성법을 바탕으로 하여 500℃ 이하의 저온에서 10 시간 이내의 빠른 시간 안에한 100 nm 이하의 균일한 크기를 갖는 리튬 전이금속 인산화물의 나노입자들을 손쉽게 제조할 수 있음을 알 수 있다. 특히 액상의 원료나 까다로운 코팅 공정 등을 전혀 동반하지 않고 값싼 고상의 염(salt)을 가지고 합성하는 방법이기 때문에 쉽게 대량 생산이 가능하다는 잇점이 있다. 뿐만 아니라, 이러한 제조방법을 이용하여 합성된 리튬 전이금속 인산화물의 나노입자들은 우수한 전기 전도도를 가지고 있으며, 결정격자내의 리튬이온과 전이금속이온간의 불규칙 혼합 결함도 없기 때문에 전기화학적으로 매우 우수한 성능을 보일 수 있다는 매우 큰 장점을 지니고 있다. 따라서 실제적으 로 리튬이온 이차전지의 양극 활물질로 응용될 경우 뛰어난 방전용량을 바탕으로 높은 에너지 밀도를 나타낼 수 있으며, 더욱 중요하게는 빠른시간동안의 충전 및 방전성능을 기초로 하여 매우 높은 출력밀도 특성을 보이는 전지의 제조가 가능하다는 사실을 파악할 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 의하면 단순한 고상 합성법을 바탕으로 하여 600℃ 이하의 저온에서 5 시간 이내의 빠른 시간 안에 100 nm 이하의 균일한 크기를 갖는 리튬 전이금속 인산화물의 나노입자들을 손쉽게 제조할 수 있음을 알 수 있다. 특히 액상의 원료나 까다로운 코팅 공정 등을 전혀 동반하지 않고 값싼 고상의 염(salt)을 가지고 합성하는 방법이기 때문에 쉽게 대량 생산이 가능하다는 잇점이 있다. 뿐만 아니라, 이러한 제조방법을 이용하여 합성된 리튬 전이금속 인산화물의 나노입자들은 우수한 전기 전도도를 가지고 있으며, 결정격자내의 리튬이온과 전이금속이온간의 불규칙 혼합 결함도 없기 때문에 전기화학적으로 매우 우수한 성능을 보일 수 있다는 매우 큰 장점을 지니고 있다. 따라서 실제적으로 리튬이온 이차전지의 양극 활물질로 응용될 경우 뛰어난 방전용량을 바탕으로 높은 에너지 밀도를 나타낼 수 있으며, 더욱 중요하게는 빠른시간동안의 충전 및 방전성능을 기초로 하여 매우 높은 출력밀도 특성을 보이는 전지의 제조가 가능한 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 리튬, 전이금속 및 인을 포함하는 염(salt)을 출발물질로 사용하여 10 at% 이하의 나트륨(Na), 칼륨(K), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소를 첨가함으로써 1차 열처리에서 핵생성을 억제할 수 있는 혼합원료분말을 얻는 단계와,
    250℃~350℃에서 2시간~5시간 동안 1차로 열처리하여 비정질화시키는 단계와,
    400℃~600℃에서 2~10 시간 동안 2차 열처리를 시행함으로써 결정핵이 균일하게 형성되어 100nm 이하의 나노결정입자로 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기한 출발물질은 카보네이트(carbonates), 옥살레이트(oxalates), 아세테이트(acetates), 암모늄 포스페이트(ammonium phosphates)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기한 카보네이트는 탄산리튬(Li2CO3)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기한 옥살레이트는 MC2O4(2H2O) (여기서, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기한 암모늄 포스페이트는 인산이수소암모늄(NH4H2PO4)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기한 나트륨(Na)을 위한 첨가물로서 탄산나트륨(Na2CO3)을 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기한 칼륨(K)을 위한 첨가물로서 탄산칼륨(K2CO3)을 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기한 란탄계열의 원소를 위한 첨가물로서 탄소를 포함하는 염(salt)원료인 A2(C2O4)3(nH2O) (여기서, A = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Er, 1 ≤ n ≤ 9)을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기한 란탄계열의 원소를 위한 첨가물로서 Ce2(C2O4)3(9H2O), Nd2(C2O4)3(5H2O), Gd2(C2O4)3(5H2O), Er2(C2O4)3(5H2O) 중에서 선택되는 어느 하나의 옥살레이트를 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기한 첨가에 의하여 초기 화학양론 조성이 (Li1-xAx)(M 1-yBy)PO4 (여기서, A 혹은 B = Na, K, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Er, 0 < x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합) 가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기한 첨가에 의하여 초기 화학양론 조성이 (LiAx)(MBy)PO4 (여기서, A 혹은 B = Na, K, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Er, 0 < x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 또는 이들의 혼합) 가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서,
    상기한 1차 열처리는 아르곤(Ar), 질소(N2), 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)의 혼합가스 중에서 선택되는 어느 하나의 가스가 1분간 100cc~500cc의 유량으로 흐르는 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제 1항에 있어서,
    상기한 2차 열처리는 아르곤(Ar), 질소(N2), 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)의 혼합가스 중에서 선택되는 어느 하나의 가스가 1분간 100cc~500cc의 유량으로 흐르는 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬전이금속 인산화물의 나노입자 분말의 제조방법.
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