KR100868259B1 - Cathode Active Material for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Having the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질과 그것을 포함하고 있는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물과 상대적으로 낮은 작동전압을 가지는 리튬 금속 산화물을 포함하고 있어서, 우수한 고온 저장 특성과 사이클 수명을 가지는 양극 활물질, 및 그것을 양극의 구성성분으로 포함하고 있는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery containing the same, comprising a spinel structure lithium manganese oxide and a lithium metal oxide having a relatively low operating voltage, and thus having excellent high temperature storage characteristics and cycle life. It is to provide a positive electrode active material having a, and a lithium secondary battery containing it as a component of the positive electrode.

Description

리튬 이차전지용 양극 활물질과 그것을 포함하고 있는 리튬 이차전지 {Cathode Active Material for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Having the Same}Cathode Active Material for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Having the Same}

도 1 및 도 2는 본 발명에 사용가능한 하나의 예시적인 전지의 모식도들이다.1 and 2 are schematic diagrams of one exemplary battery usable in the present invention.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명] [Explanation of symbols on the main parts of the drawings]

10 : 음극 20 : 분리막10: cathode 20: separator

30 : 양극 40 : 양극 단자30: positive electrode 40: positive terminal

50 : 음극 단자 60 : 전지 케이스50: negative terminal 60: battery case

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질과 그것을 포함하고 있는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물과 상대적으로 낮은 작동전압을 가지는 리튬 금속 산화물을 포함하고 있어서, 우수한 고온 저장 특성과 사이클 수명을 가지는 양극 활물질, 및 그것을 양극의 구성성분으로 포함하고 있는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, to a lithium manganese oxide having a spinel structure and a lithium metal oxide having a relatively low operating voltage, and thus having excellent high temperature. The present invention provides a cathode active material having storage characteristics and cycle life, and a lithium secondary battery including the same as a component of a cathode.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.As the development and demand for mobile devices increases, the demand for secondary batteries as energy sources is increasing rapidly. Among them, many researches have been conducted and commercialized and widely used for lithium secondary batteries with high energy density and discharge voltage. It is used.

리튬 이차전지 중 리튬 코발트계 산화물을 양극 활물질로 사용하는 전지는 우수한 전극 수명과 높은 고속 충방전 효율로 인해 가장 많이 사용되고 있는 전지이다. 그러나, 이러한 리튬 코발트 산화물은 고온 안전성이 떨어지고 원료로서 사용되는 코발트가 고가의 물질이므로 가격 경쟁력에 한계가 있다는 단점을 가지고 있다. Among lithium secondary batteries, a battery using lithium cobalt oxide as a cathode active material is the most used battery because of its excellent electrode life and high fast charge and discharge efficiency. However, such lithium cobalt oxide has a disadvantage in that it is inferior in price competitiveness because it is inferior in high temperature stability and cobalt used as a raw material is expensive material.

이러한 리튬 코발트 산화물 전지의 문제점을 해결하기 위한 방안의 하나로서 제시되고 있는 양극 활물질이 리튬 망간계 산화물이다. 리튬 망간계 산화물을 양극 활물질로 사용하고 탄소재료를 음극 활물질로 사용한 리튬 이차저지에서의 반응은 하기와 같다.A cathode active material, which is proposed as one of the methods for solving the problems of the lithium cobalt oxide battery, is a lithium manganese oxide. Reaction in lithium secondary jersey using lithium manganese oxide as a positive electrode active material and a carbon material as a negative electrode active material is as follows.

양극반응: xLi+ + MnO2 + xe- ↔ LixMn2O4 (0<x≤2)Anode Reaction: xLi + + MnO 2 + xe - ↔ Li x Mn 2 O 4 (0 <x≤2)

음극반응: LixC ↔ C + xLi+ + xe- Cathode reaction: LixC ↔ C + xLi + + xe -

전체반응: Li1-xMn2O4 + LixC ↔ LiMn2O4 + CTotal reaction: Li 1-x Mn 2 O 4 + Li x C ↔ LiMn 2 O 4 + C

즉, 충전시에는 음극으로 전자가 보내지고 스피넬 전극에 흡장되어 있는 리튬이온이 빠져나와 음극에 삽입되어 전위차가 생기고, 반대로 방전시에는 음극에 삽입되어 있던 리튬이온이 전해질을 통해 스피넬 양극 내로 들어가면서 외부로 전자를 내보내어 전류가 흐르게 하는 형태이다. That is, during charging, electrons are sent to the cathode and lithium ions occluded in the spinel electrode are ejected and inserted into the cathode to generate a potential difference. On the contrary, when discharged, lithium ions inserted into the cathode enter the spinel anode through the electrolyte and are external The electrons are sent out to flow current.

스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물은 열적 안전성이 우수하고 가격이 저렴하며 합성이 용이하다는 장점이 있지만, 용량이 작고 부반응에 의한 수명 특성의 저하가 있으며 고온 특성이 열악하고 전도성이 낮다는 문제점이 있었다.The spinel-structured lithium manganese oxide has the advantages of excellent thermal safety, low cost, and easy synthesis, but has a problem of small capacity, low lifetime characteristics due to side reactions, high temperature characteristics, and low conductivity.

이러한 문제를 해결하기 위하여 일부 다른 금속을 치환한 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물을 사용하는 시도가 있어 왔다. 한국특허출원공개 제2002-65191호에는 열적 안전성이 우수한 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물이 개시되고 있지만, 전지의 용량이 적을 뿐만 아니라, 고온 저장 특성 및 사이클 수명이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.In order to solve this problem, attempts have been made to use spinel structure lithium manganese oxide in which some other metal is substituted. Korean Patent Application Publication No. 2002-65191 discloses a spinel structure lithium manganese oxide having excellent thermal safety, but has a problem of low battery capacity and low temperature storage characteristics and cycle life.

스피넬의 작은 용량 문제를 보완하고 망간계 활물질의 우수한 열적 안전성을 확보하기 위하여 층상구조의 리튬 망간 산화물을 사용하는 시도가 많이 있었다. 이 경우에는 구조가 불안정하여 충방전시 상전이가 일어나고 용량이 급속히 감소하며 수명 특성의 저하가 생긴다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 다른 금속을 도핑하거나 치환하여 구조의 안정성을 유지하려는 시도가 있어왔고, 예를 들어, 한국특허출원공개 제2002-24520호에는 측상 구조의 리튬 망간계 산화물을 사용하면서 충방전시 상전이가 일어나지 않는 양극 활물질이 개시되어 있으나, 고온 저장 특성 및 사이클 수명은 크게 개선되지 못하고 있다. Many attempts have been made to use a layered lithium manganese oxide to compensate for the small capacity of spinel and to ensure good thermal stability of the manganese-based active material. In this case, the structure is unstable, so phase change occurs during charging and discharging, the capacity is rapidly decreased, and the life characteristics are deteriorated. In order to solve this problem, attempts have been made to maintain the stability of the structure by doping or replacing other metals. For example, Korean Patent Application Publication No. 2002-24520 uses a lithium manganese oxide having a side structure to form a charge. A positive electrode active material in which phase transition does not occur during discharge is disclosed, but high temperature storage characteristics and cycle life are not greatly improved.

따라서, 열적으로 안전한 리튬 망간계 산화물을 주요성분으로 사용하면서 고온 저장 특성 및 사이클 수명이 우수한 양극 활물질에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high demand for a positive electrode active material having excellent high temperature storage characteristics and cycle life while using thermally safe lithium manganese oxide as a main component.

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

본 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 양극으로 높은 SOC에서 안정하지 못한 예를 들어 스피넬 구조를 가지는 LiMn2O4를 양극 활물질로 사용하며 음극 제한 용량을 가지는 리튬 이차전지에 있어서, 낮은 작동전압을 가지는 o-LiMO2과 같은 리튬 금속 산화물을 양극 활물질에 첨가하여 초기 충전시 음극 표면에서의 비가역적 반응을 상기 리튬 금속 산화물의 리튬이온에 의해 진행시켜 양극 활물질로서의 LiMn2O4의 작동 SOC를 조절함으로써, 양극의 고온 저장 및 사이클 수명을 크게 개선할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.After extensive research and various experiments, the present inventors have used LiMn 2 O 4 having a spinel structure as a positive electrode active material which is not stable at high SOC as a positive electrode, and has a negative electrode limiting capacity in a lithium secondary battery. Lithium metal oxide, such as o-LiMO 2 , having a low operating voltage was added to the positive electrode active material to cause an irreversible reaction on the surface of the negative electrode during initial charging by lithium ions of the lithium metal oxide to form LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material. By regulating the operating SOC, it has been found that the high temperature storage and cycle life of the anode can be greatly improved and the present invention has been completed.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양극 활물질은, 음극 제한 용량의 리튬 이차전지용 양극 활물질로서, 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물 70 ~ 90 중량%와, 상대적으로 낮은 작동전압을 가지는 리튬 금속 산화물 10 ~ 30 중량%로 포함하는 것으로 구성되어 있다.The cathode active material according to the present invention for achieving the above object is a cathode active material for a lithium secondary battery having a negative electrode limiting capacity, the lithium manganese oxide of the spinel structure of 70 to 90% by weight, lithium metal oxide having a relatively low operating voltage 10 And 30 wt%.

상기에서, 음극 제한 용량의 리튬 이차전지는, 양극 활물질보다 큰 용량을 가지는 음극 활물질을 사용하는 리튬 이차전지로서, 바람직하게는, 음극 활물질로서 탄소계 물질을 사용하고 양극 활물질로서 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물을 사용하는 리튬 이차전지를 들 수 있다.In the above, the lithium secondary battery having a negative electrode limiting capacity is a lithium secondary battery using a negative electrode active material having a capacity larger than that of the positive electrode active material, preferably a lithium manganese having a spinel structure using a carbon-based material as the negative electrode active material and a positive electrode active material The lithium secondary battery using an oxide of the type | system | group is mentioned.

상기 리튬 망간계 산화물은 스피넬 구조를 가지고 있으며, 하기 화학식 1로 표시되는 물질이다.The lithium manganese oxide has a spinel structure and is a material represented by the following Chemical Formula 1.

Li1+xMn2-x-yMyO4 Li 1 + x Mn 2-xy M y O 4

상기 식에서, Where

0 < x ≤0.2 이고, 0 < y ≤0.1 이며, M 은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Ti, V, Zr 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상의 원소이다.0 <x ≦ 0.2, 0 <y ≦ 0.1, and M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Ti, V, Zr and Zn.

특히 바람직한 리튬 망간계 산화물은 x 와 y 가 0 인 LiMn2O4 이다. Particularly preferred lithium manganese oxide is LiMn 2 O 4 in which x and y are zero.

음극 제한 용량의 리튬 이차전지에서 양극의 실제 사용 충전률(sate of charge: SOC)은 음극 표면에서의 초기 비가역 반응에 제한을 받는다. 즉, 최초 충 전시 음극의 표면에 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 막(film)이 형성되는 바, 이때 양극에서 방출된 리튬이온이 다량 사용되며, 실질적으로 충방전에 참여하는 리튬이온의 량이 감소하게 된다. In a lithium secondary battery with a negative electrode limiting capacity, the actual use of charge (SOC) of the positive electrode is limited by the initial irreversible reaction at the negative electrode surface. That is, a solid electrolyte interface (SEI) film is formed on the surface of the first charge-display cathode, in which a large amount of lithium ions emitted from the anode is used, and substantially the lithium ions participating in charge and discharge are used. The amount will be reduced.

본 발명에서는, 전지의 작동전압에 미치지 못하는 낮은 작동전압을 가지는 리튬 금속 산화물을 양극 활물질의 주요성분인 리튬 망간계 산화물과 함께 사용하여, 앞서 설명한 바와 같은 음극 표면에서의 초기 비가역 반응을 위한 리튬 소스를 상기 리튬 금속 산화물로부터 제공함으로써, 양극 활물질의 작동 SOC를 조절하도록 한다.In the present invention, using a lithium metal oxide having a low operating voltage of less than the operating voltage of the battery together with the lithium manganese oxide which is the main component of the positive electrode active material, the lithium source for the initial irreversible reaction on the negative electrode surface as described above By providing from the lithium metal oxide, it is possible to control the operating SOC of the positive electrode active material.

따라서, 상기에서 사용된 용어 "상대적으로 낮은 작동전압"이란, 전지의 작동전압보다 낮은 작동전압을 의미한다. 상대적으로 낮은 작동전압을 가지는 리튬 금속 산화물은, 다음의 것으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, LiMnO2, LiFePO4 등을 들 수 있다. 양극 활물질의 주요성분으로서 LiMn2O4을 사용할 때, 리튬 금속 산화물은 특히 바람직하게는 orthorhombic 결정구조의 LiMnO2(o-LiMnO2)이다. o-LiMnO2는 LiMn2O4와 동일한 구성원소들로 이루어져 있으므로 물질의 동질성 측면에서 바람직한 바, 그러한 이유는 이후 설명한다.Thus, the term "relatively low operating voltage" as used above means an operating voltage lower than the operating voltage of the battery. Lithium metal oxides having a relatively low operating voltage include, but are not limited to, LiMnO 2 , LiFePO 4 , and the like. When using LiMn 2 O 4 as the main component of the positive electrode active material, the lithium metal oxide is particularly preferably LiMnO 2 (o-LiMnO 2 ) having an orthorhombic crystal structure. Since o-LiMnO 2 consists of the same constituents as LiMn 2 O 4 , it is preferable in terms of homogeneity of the material, and the reason will be described later.

스피넬 구조를 가진 LiMn2O4의 양극 활물질은 작동 SOC에 따라 고온 저장 성능에 차이를 보이므로, 전지의 저장 성능은 양극 활물질의 SOC에 크게 좌우된다. 양극 활물질로서의 LiMn2O4은 높은 SOC에서는 불안정한데, 음극 표면에서의 초기 비 가역 반응으로 인해, 이후의 충방전 과정에서 실제로 높은 SOC 영역에서 작동하게 된다. Since the positive electrode active material of the LiMn 2 O 4 having the spinel structure shows a difference in high temperature storage performance according to the operating SOC, the storage performance of the battery largely depends on the SOC of the positive electrode active material. LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material is unstable at high SOC. Due to the initial irreversible reaction at the negative electrode surface, the LiMn 2 O 4 actually operates in the high SOC region during subsequent charge and discharge processes.

따라서, 본 발명에서와 같이, LiMn2O4에 o-LiMnO2를 첨가하여 양극 활물질을 구성하면, 초기 충전과정에서 음극 표면의 비가역 반응에 소모되는 리튬이온이 낮은 전압에서 o-LiMnO2로부터 제공되고, 그 보다 높은 전압에서 LiMn2O4로부터 제공되어 음극으로 삽입되는 리튬이온이 전지의 실제 용량에 기여하게 된다. 결과적으로, 전지의 실제 작동전압에서 작용하지 않는 o-LiMnO2의 리튬이온이 음극 표면의 비가역 반응에 소모되고, 전지의 실제 작동전압에서 작용하는 LiMn2O4의 리튬이온이 상기 비가역 반응에 소모되는 량을 크게 줄일 수 있다. 이는 LiMn2O4에서 리튬이온이 반응하는 범위를 낮은 SOC 범위로 확대시킬 수 있고, 그 결과 고온 저장 특성 및 고온 사이클 수명의 향상을 가져올 수 있다.Therefore, as in the present invention, when o-LiMnO 2 is added to LiMn 2 O 4 to form a positive electrode active material, lithium ions consumed for irreversible reaction on the surface of the negative electrode during initial charging are provided from o-LiMnO 2 at a low voltage. At higher voltages, lithium ions provided from LiMn 2 O 4 and inserted into the cathode contribute to the actual capacity of the battery. As a result, lithium ions of o-LiMnO 2 that do not act at the actual operating voltage of the battery are consumed for the irreversible reaction on the surface of the negative electrode, and lithium ions of LiMn 2 O 4 which act at the actual operating voltage of the battery are consumed for the irreversible reaction. The amount to be reduced can be greatly reduced. This can extend the range in which Li-ion reacts in LiMn 2 O 4 to a low SOC range, resulting in improved high temperature storage properties and high temperature cycle life.

전지의 작동전압, 즉, LiMn2O4의 작동전압은 대략 3.5 ~ 4.5 V이고, o-LiMnO2의 작동전압은 대략 2.5 ~ 3.5 V 이다. The operating voltage of the battery, that is, the operating voltage of LiMn 2 O 4 is approximately 3.5 to 4.5 V, and the operating voltage of o-LiMnO 2 is approximately 2.5 to 3.5 V.

층상 구조를 가진 o-LiMnO2은 초기 충전시에 2 개의 산소원자 당 1 개의 리튬이온을 방출하고, 그러한 충방전 이후 스피넬 구조로 변환되는 것으로 예상된다. 그러한 구조 변환에 의해, 2 개의 산소원자 당 1 개의 리튬이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질로 변환되는 것이다. 따라서, LiMn2O4의 사용시 LiMnO2의 사용이 더욱 바람직하다.The layered o-LiMnO 2 releases one lithium ion per two oxygen atoms during initial charging and is expected to be converted to a spinel structure after such charge and discharge. By such structural conversion, it is converted into a material capable of occluding and releasing one lithium ion per two oxygen atoms. Thus, the use of LiMnO 2 is more preferred when using LiMn 2 O 4 .

본 발명의 양극 활물질에서 상기 리튬 금속 산화물의 함량은, 앞서의 설명과 같이, 리튬 망간계 산화물의 중량을 기준으로 10 ~ 30 중량%이고, 함량이 너무 적으면 리튬 금속 산화물의 첨가에 따른 효과를 기대하기 어려우며, 반면에 너무 많으면 고온 저장 및 수명에 문제가 있으며 실제 용량에 기여하는 LiMn2O4의 리튬 양이 감소하여 전지의 용량이 감소되는 문제점이 있으므로 바람직하지 않다. In the cathode active material of the present invention, the content of the lithium metal oxide is 10 to 30% by weight based on the weight of the lithium manganese oxide, as described above, if the content is too small, the effect of the addition of lithium metal oxide On the other hand, too much is not preferable because there is a problem in high temperature storage and life and there is a problem that the capacity of the battery is reduced by reducing the amount of lithium of LiMn 2 O 4 which contributes to the actual capacity.

본 발명은 또한 상기 양극 활물질을 전지의 구성요소로서 포함하고 있는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 통상적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해질로 구성되어 있다. The present invention also relates to a lithium secondary battery comprising the positive electrode active material as a component of the battery. Typically, a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte.

도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 하나의 예시적인 구조가 도시되어 있다. 1 and 2 illustrate one exemplary structure of a lithium secondary battery according to the present invention.

도 1 및 2를 참조하면, 리튬 이차전지는 음극(10)과 양극(30)은 분리막(20)이 그 사이에 개재된 상태로 전지 케이스(60) 내부에 밀봉되어 있다. 음극(10)의 상단에는 전지를 구성하는 기타 소자 및 외부기기와의 전기적 연결을 위한 음극 단자(50)가 형성되어 있고, 양극(20)의 상단에도 그러한 전기적 연결을 위한 양극 단자(40)가 형성되어 있다.1 and 2, in the lithium secondary battery, the negative electrode 10 and the positive electrode 30 are sealed inside the battery case 60 with a separator 20 interposed therebetween. A negative terminal 50 is formed on the top of the negative electrode 10 for electrical connection with other devices constituting a battery and an external device, and a positive terminal 40 for such electrical connection is also formed on the top of the positive electrode 20. Formed.

도면에서와 같이 형태의 케이스(60)로 이루어진 전지를 일명 파우치형 전지라 칭하며, 본 발명은 이러한 파우치형 전지뿐만 아니라, 원통형 전지, 각형 전지 등에도 모두 적용될 수 있다.As shown in the figure, a battery composed of a case 60 of a shape is called a pouch-type battery, and the present invention can be applied to not only such a pouch-type battery but also a cylindrical battery and a square battery.

이하에서는 전지의 주요 구성요소들인 양극, 음극, 분리막, 전해질 등에 대 해 더욱 상술한다.Hereinafter, the main components of the battery will be described in more detail with respect to the positive electrode, the negative electrode, the separator, the electrolyte, and the like.

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

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 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. The positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 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.

상기 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 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 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 경우에 따라서는 양극 활물질에 도전성의 제 2 피복층이 부가됨ㅇ로 인해 상기 도전제의 첨가를 생략할 수도 있다.The conductive agent is typically added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. Such a conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. Examples of the conductive agent include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used. In some cases, addition of the conductive agent may be omitted because the conductive second coating layer is added to the positive electrode active material.

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

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

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

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

상기 음극 재료는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.The negative electrode 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, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 <x ≦ 1; 1 ≦ y ≦ 3; 1 ≦ z ≦ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and oxides such as Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based materials and the like can be used.

상기 분리막은 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.

리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte consists of a nonaqueous electrolyte and lithium. 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, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.As the inorganic solid electrolyte, for example, 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.

이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1] Example 1

Li1.1Mn1.85Al0.05O4인 리튬 망간 산화물과 o-LiMnO2인 orthorhombic 결정구조의 리튬 망간 산화물을 90:10(중량비)로 혼합하여, 양극 활물질을 제조하였다. 상기 양극 활물질과 카본 블랙을 결착제인 PVDF[Poly(vinylidene fluoride)]와 85:10:5(중량비)로 유기 용매인 NMP와 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 20 ㎛의 Al 박(foil) 양면에 도포한 후 건조하여 양극을 제작했다. 상기 양극과 함께, 음극으로 리튬 금속과 분리막으로 다공성 폴리에틸렌 필름을 사용하여 버튼형 전지를 제조하였고, 전해액으로는 1M LiPF6 EC/EMC용액을 사용하였다. 상기와 같이 제작된 전지로 4.3 V 충전/3.4 V 방전 작동 전압으로 양극의 g 당 용량을 측정하였고, 고온 수명을 평가하기 위하여, 50℃의 고온에서 0.2 C의 전류 밀도로 50 회의 충/방전 실험을 수행하여 하기 수학식 1에 따라 방전용량 유지율을 계산하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.A lithium active material was prepared by mixing lithium manganese oxide of Li 1.1 Mn 1.85 Al 0.05 O 4 and lithium manganese oxide of orthorhombic crystal structure of o-LiMnO 2 at 90:10 (weight ratio). A slurry was prepared by mixing the positive electrode active material and carbon black with PVDF [Poly (vinylidene fluoride)] as a binder and NMP as an organic solvent at 85: 10: 5 (weight ratio). The slurry was applied to both sides of Al foil having a thickness of 20 µm and dried to prepare a positive electrode. Along with the positive electrode, a button-type battery was manufactured using lithium metal as a negative electrode and a porous polyethylene film as a separator, and a 1M LiPF 6 EC / EMC solution was used as an electrolyte. In the battery manufactured as described above, the capacity per gram of the positive electrode was measured at 4.3 V charge / 3.4 V discharge operating voltage, and in order to evaluate the high temperature life, 50 charge / discharge experiments were performed at a current density of 0.2 C at a high temperature of 50 ° C. The discharge capacity retention rate was calculated according to Equation 1 below, and the results are shown in Table 1.

수학식 1: 방전용량 유지율(%) = (50 회의 방전용량 / 1 회의 방전용량) x 100Equation 1: Discharge Capacity Retention Rate (%) = (50 Discharge Capacity / 1 Discharge Capacity) x 100

50 회를 기준으로 한 것은 상대적인 비교의 최적을 찾기 위함이다.The basis for 50 times is to find the optimum of relative comparison.

[실시예 2 및 3] [Examples 2 and 3]

하기 표 2에 기재되어 있는 바와 같이, Li1.1Mn1.85Al0.05O4인 리튬 망간 산화물과 o-LiMnO2인 orthorhombic 결정구조의 리튬 망간 산화물의 혼합비를 조절하여 양극 활물질을 제조하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 조립하여, 양극의 g 당 용량 및 고온 수명을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.As described in Table 2 below, a positive electrode active material was prepared by adjusting a mixing ratio of lithium manganese oxide of Li 1.1 Mn 1.85 Al 0.05 O 4 and lithium manganese oxide of orthorhombic crystal structure of o-LiMnO 2 , and Example 1 The cells were assembled in the same manner to evaluate the capacity per gram of positive electrode and the high temperature life. The results are shown in Table 1 below.

[비교예 1]Comparative Example 1

Li1.1Mn1.85Al0.05O4인 리튬 망간 산화물과 o-LiMnO2인 orthorhombic 결정구조의 리튬 망간 산화물을 100:0(중량비)로 사용하여 양극 활물질을 제조하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 조립하여, 양극의 g 당 용량 및 고온 수명을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.A positive electrode active material was manufactured by using lithium manganese oxide of Li 1.1 Mn 1.85 Al 0.05 O 4 and lithium manganese oxide of orthorhombic crystal structure of o-LiMnO 2 at 100: 0 (weight ratio), and a battery was prepared in the same manner as in Example 1. The assembly was performed to evaluate the capacity per gram of the positive electrode and the high temperature life. The results are shown in Table 1 below.

[비교예 2]Comparative Example 2

Li1.1Mn1.85Al0.05O4인 리튬 망간 산화물과 o-LiMnO2인 orthorhombic 결정구조의 리튬 망간 산화물을 0:100(중량비)로 사용하여 양극 활물질을 제조하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 조립하여, 양극의 g 당 용량 및 고온 수명을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다 A positive electrode active material was prepared by using lithium manganese oxide of Li 1.1 Mn 1.85 Al 0.05 O 4 and lithium manganese oxide of orthorhombic crystal structure of o-LiMnO 2 at 0: 100 (weight ratio), and a battery was prepared in the same manner as in Example 1. The assembly was performed to evaluate the capacity per gram of the positive electrode and the high temperature life. The results are shown in Table 1 below.

Figure 112005022548415-pat00001
Figure 112005022548415-pat00001

상기 표 1에서 보는 바와 같이 3.4 ~ 4.3 V의 작동전압을 가지는 전지에서 양극의 g당 용량은 방전 용량 기준으로 o-LiMnO2의 비율이 증가할수록 작아짐을 알 수 있다. 이는 4.3 V 충전시 음극인 Li metal로 이동되었던 양극의 Li이 3.4 V까지의 방전에서는 모두 되돌아 오지 않음을 알 수 있는데 이것은 o-LiMnO2 양극 활물질의 작동전압이 3.4 V보다 낮은 전압 영역이기 때문이며, 방전 전압을 3.4 V로 제한한 이유는 실제로 사용되는 스피넬 리튬 망간 산화물의 전압이 3.4 V 이하로는 내려가지 않기 때문이다.As shown in Table 1, the capacity per gram of the positive electrode in the battery having an operating voltage of 3.4 ~ 4.3 V can be seen that as the ratio of o-LiMnO 2 increases as the discharge capacity is increased. This indicates that the Li of the positive electrode, which was moved to Li metal as the negative electrode during 4.3 V charging, did not return in the discharge up to 3.4 V because the operating voltage of the o-LiMnO 2 cathode active material was lower than 3.4 V. The reason for limiting the discharge voltage to 3.4 V is that the actual spinel lithium manganese oxide does not fall below 3.4 V.

50℃ 고온 싸이클의 경우는 스피넬 리튬 망간 산화물의 비율이 70% 이상 포함되었을 경우가 우수한데, 그 이유는 상기 표 1에서 보는 바와 같이 o-LiMnO2가 많은 양이 존재하게 되면, 자체의 고온 안전성이 떨어지므로 50℃ 고온 사이클 수명이 좋지 않지만, 30%까지 포함되어 있으면 o-LiMnO2가 4.3 V로 충전되었다가 3.4 V까지 방전되면서 그 구조가 스피넬 LiMn2O4의 구조로 변경되게 되는데 이렇게 변경된 새로운 스피넬 LiMn2O4가 기존의 스피넬 LiMn2O4를 용량 감소를 보충해 주기 때문이라 생각된다.In the case of 50 ° C high temperature cycles, the proportion of spinel lithium manganese oxide is preferably 70% or more. The reason is that when a large amount of o-LiMnO 2 is present, as shown in Table 1 above, The cycle life is not good because the temperature of 50 ℃ is high, but if it contains up to 30%, o-LiMnO 2 is charged to 4.3 V and then discharged to 3.4 V, and the structure is changed to the structure of spinel LiMn 2 O 4 . It is believed that the new spinel LiMn 2 O 4 compensates for the capacity reduction of the existing spinel LiMn 2 O 4 .

[실시예 4]Example 4

Li1.1Mn1.85Mg0.05O4인 리튬 망간 산화물과 o-LiMnO2인 orthorhombic 결정구조의 리튬 망간 산화물을 90:10(중량비)로 사용하여, 양극 활물질을 제조하였다. 상기 양극 활물질과 카본 블랙을 결착제인 PVDF[Poly(vinylidene fluoride)]와 85:10:5(중량비)로 유기 용매인 NMP와 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 20 ㎛의 Al 박(foil) 양면에 도포한 후 건조하여 양극을 제작했다.A positive electrode active material was prepared using lithium manganese oxide of Li 1.1 Mn 1.85 Mg 0.05 O 4 and lithium manganese oxide of orthorhombic crystal structure of o-LiMnO 2 at 90:10 (weight ratio). A slurry was prepared by mixing the positive electrode active material and carbon black with PVDF [Poly (vinylidene fluoride)] as a binder and NMP as an organic solvent at 85: 10: 5 (weight ratio). The slurry was applied to both sides of Al foil having a thickness of 20 µm and dried to prepare a positive electrode.

결정화도가 높은 구형의 평균입도 12 인조흑연 분말을 결착제인 PVDF와 90:10(중량비) 로 혼합한 후 NMP에 혼합하여 슬러리를 제조한 후 10 ㎛ 두께의 구리 박판(foil) 위에 도포한 후 건조하고 60 ㎛의 두께로 롤 프레싱(Roll pressing)하여 음극을 제조하였다. Spherical average particle size 12 artificial graphite powder with high crystallinity was mixed with PVDF as a binder at 90:10 (weight ratio), and then mixed with NMP to prepare a slurry, and then coated on 10 μm thick copper foil and dried. The negative electrode was prepared by roll pressing to a thickness of 60 μm.

상기 제조된 양극과 음극을 사용하고, 전지의 전해액으로는 1M LiPF6 EC/DEC 용액을 사용하여, 도 1과 같은 적층형 리튬전지를 제조하였다. 제조된 전지를 이용하여 4.2 ~ 2.5 V의 작동 전압을 가지는 전지의 초기 충전 용량과 방전 용량을 평가하고, 전지의 SOC(state of charge)를 50과 100으로 조정하여 65℃ 고온에 2 주간 저장을 수행하고, 하기 수학식 2에 따라 고온 저장후 용량 회복율을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Using the prepared positive and negative electrodes, using a 1M LiPF 6 EC / DEC solution as the electrolyte of the battery, a laminated lithium battery as shown in Figure 1 was prepared. Using the manufactured battery, the initial charge capacity and discharge capacity of the battery having an operating voltage of 4.2 to 2.5 V were evaluated, and the state of charge (SOC) of the battery was adjusted to 50 and 100 for two weeks of storage at a high temperature of 65 ° C. The capacity recovery rate after high temperature storage was calculated according to Equation 2 below, and the results are shown in Table 2 below.

[실시예 5 및 6][Examples 5 and 6]

하기 표 2에 기재되어 있는 바와 같이, Li1.1Mn1.85Mg0.05O4인 리튬 망간 산화물과 o-LiMnO2인 orthorhombic 결정구조의 리튬 망간 산화물의 혼합비를 조절하여 양극 활물질을 제조하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 전지를 조립하고, 전지의 초기 충전 용량과 방전 용량을 평가하고, 전지의 SOC(state of charge)를 50과 100으로 조정하여 65℃ 고온에 2 주간 저장을 수행하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.As described in Table 2 below, a positive electrode active material was prepared by adjusting a mixing ratio of lithium manganese oxide of Li 1.1 Mn 1.85 Mg 0.05 O 4 and lithium manganese oxide of orthorhombic crystal structure of o-LiMnO 2 . Assemble the cell in the same way, evaluate the initial charge capacity and discharge capacity of the cell, adjust the state of charge (SOC) to 50 and 100, store for 2 weeks at 65 ℃ high temperature, and display the result. 2 is shown.

[비교예 5][Comparative Example 5]

Li1.1Mn1.85Mg0.05O4인 리튬 망간 산화물과 o-LiMnO2인 orthorhombic 결정구조의 리튬 망간 산화물을 100:0(중량비)로 사용하여 양극 활물질을 제조하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 전지를 조립하고 전지의 초기 충전 용량과 방전 용량을 평가하고, 전지의 SOC(state of charge)를 50과 100으로 조정하여 65℃ 고온에 2 주간 저장을 수행하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.A positive electrode active material was manufactured by using lithium manganese oxide of Li 1.1 Mn 1.85 Mg 0.05 O 4 and lithium manganese oxide of orthorhombic crystal structure of o-LiMnO 2 at 100: 0 (weight ratio), and a battery was prepared in the same manner as in Example 4. Assembled and evaluated the initial charge capacity and discharge capacity of the cell, and adjusted the state of charge (SOC) of the cell to 50 and 100 to perform two weeks storage at 65 ℃ high temperature, the results are shown in Table 2 below.

[비교예 6]Comparative Example 6

Li1.1Mn1.85Mg0.05O4인 리튬 망간 산화물과 o-LiMnO2인 orthorhombic 결정구조의 리튬 망간 산화물을 0:100(중량비)로 사용하여 양극 활물질을 제조하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 전지를 조립하고 전지의 초기 충전 용량과 방전 용량을 평가하고, 전지의 SOC(state of charge)를 50과 100으로 조정하여 65℃ 고온에 2 주간 저장을 수행하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.A positive electrode active material was prepared by using lithium manganese oxide of Li 1.1 Mn 1.85 Mg 0.05 O 4 and lithium manganese oxide of orthorhombic crystal structure of o-LiMnO 2 at 0: 100 (weight ratio), and a battery was prepared in the same manner as in Example 4. Assembled and evaluated the initial charge capacity and discharge capacity of the cell, and adjusted the state of charge (SOC) of the cell to 50 and 100 to perform two weeks storage at 65 ℃ high temperature, the results are shown in Table 2 below.

Figure 112005022548415-pat00002
Figure 112005022548415-pat00002

상기 표 2에서 보는 바와 같이 o-LiMnO2의 비율이 30%까지는 전지의 충전대비 방전 효율이 비슷한데, 이는 음극에서 발생하는 비가역 반응에 초기 낮은 전압에서 반응하는 o-LiMnO2의 리튬이 참여하고, 스피넬 구조를 가지는 리튬 망간 복합 산화물의 리튬은 주로 전지의 용량에 기여하는 음극으로의 인터컬레이션(intercalation) 반응에 참여하기 때문이다. 실시예 6에서처럼 o-LiMnO2의 비율이 30% 보다 증가하면 실제 전지의 작동 전압 4.2 ~ 2.5 V에서 전지의 용량을 나타낼 수 있는 리튬의 양이 줄어 들게 되므로 전지의 효율은 떨어지게 된다. 따라서, 스피넬 리튬 망간 복합 산화물에 스피넬 리튬 망간 복합 산화물보다 낮은 작동 전압을 가지는 o-LiMnO2를 일정량만큼 첨가하게 되면 음극의 초기 비가역 반응에 o-LiMnO2의 리튬이 사용되므로 용량과 효율은 비슷하지만 스피넬 리튬 망간 복합 산화물의 리튬을 사용하는 양은 증가하게 된다. 65℃ 저장 특성을 살펴보면 전지를 SOC100에서 저장하였을 경우 양극의 스피넬 리튬 망간 복합 산화물 자체의 SOC가 동일하므로 고온 저장 특성의 차이는 거의 없으며, 실시예 6에서처럼 o-LiMnO2의 비율이 30%를 증가하면 o-LiMnO2 자체의 고온 성능이 스피넬 리튬 망간 복합 산화물보다 떨어지므로 전지의 저장 특성이 감소하게 된다. 그러나, 전지를 SOC50 상태에서 저장하면 o-LiMnO2의 함량이 일정 수준까지 증가하여 스피넬 리튬 망간 복합 산화물 자체의 SOC는 낮아지게 되고, 그러면서 고온에서 더 안정한 결과를 얻을 수 있다. 실시예 6의 경우는 앞서 언급한 바와 같이 o-LiMnO2 자체의 고온 성능이 스피넬 리튬 망간 복합 산화물보다 떨어지므로 전지의 저장 특성이 감소하게 된다.As shown in Table 2, up to 30% of the ratio of o-LiMnO 2 is similar to the discharge efficiency of the charge of the battery, which includes lithium of o-LiMnO 2 that reacts at an initial low voltage to the irreversible reaction occurring at the negative electrode, This is because lithium of a lithium manganese composite oxide having a spinel structure mainly participates in an intercalation reaction to a negative electrode, which contributes to the capacity of a battery. As in Example 6, when the ratio of o-LiMnO 2 is increased by more than 30%, the amount of lithium that can represent the capacity of the battery is decreased at the operating voltage of 4.2 to 2.5 V. Therefore, the efficiency of the battery is reduced. Therefore, when a certain amount of o-LiMnO 2 having a lower operating voltage than spinel lithium manganese composite oxide is added to the spinel lithium manganese composite oxide, the capacity and efficiency are similar because lithium of o-LiMnO 2 is used for the initial irreversible reaction of the cathode. The amount of lithium used in the spinel lithium manganese composite oxide is increased. Looking at the storage characteristics of 65 ℃, the SOC of the spinel lithium manganese composite oxide of the positive electrode when the battery is stored in SOC100 is almost the same, so there is almost no difference in high temperature storage characteristics, as in Example 6 o-LiMnO 2 ratio is increased by 30% When the high temperature performance of o-LiMnO 2 itself is lower than the spinel lithium manganese composite oxide, the storage characteristics of the battery are reduced. However, when the battery is stored in the SOC50 state, the content of o-LiMnO 2 is increased to a certain level, so that the SOC of the spinel lithium manganese composite oxide itself is lowered, and more stable results are obtained at high temperatures. In the case of Example 6, as described above, the high temperature performance of o-LiMnO 2 itself is lower than that of the spinel lithium manganese composite oxide, thereby reducing the storage characteristics of the battery.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 양극 활물질은 우수한 고온 저장 특성과 고온 사이클 수명을 제공한다.As described above, the positive electrode active material according to the present invention provides excellent high temperature storage characteristics and high temperature cycle life.

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

Claims (6)

음극 제한 용량의 리튬 이차전지용 양극 활물질로서, 하기 화학식 1로서 표시되는 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물 70 ~ 90 중량%와, 상대적으로 낮은 작동전압을 가지는 리튬 금속 산화물 10 ~ 30 중량%로 포함하는 것으로 구성되어 있는 양극 활물질:A cathode active material for a lithium secondary battery having a negative electrode limiting capacity, comprising 70 to 90 wt% of a lithium manganese oxide having a spinel structure represented by Formula 1 below, and 10 to 30 wt% of a lithium metal oxide having a relatively low operating voltage. The cathode active material is composed of: Li1+xMn2-x-yMyO4 (1)Li 1 + x Mn 2-xy M y O 4 (1) 상기 식에서, 0 < x ≤0.2 이고, 0 < y ≤0.1 이며, M 은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Ti, V, Zr 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상의 원소이다.Wherein 0 <x ≦ 0.2, 0 <y ≦ 0.1, and M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Ti, V, Zr and Zn. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 LiMnO2 및 LiFePO4 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The cathode active material according to claim 1, wherein the lithium metal oxide is one or more selected from the group consisting of LiMnO 2 and LiFePO 4 . 삭제delete 제 1 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 것으로 구성되어 있는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising the cathode active material according to claim 1.
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