KR100986773B1 - 리튬 전이금속 인산화물 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양이온이 규칙적으로 배열된 올리빈(olivine) 구조의 리튬 전이금속 인산화물에 있어서 리튬과 전이금속간의 양이온 자리교환 결함이 1차원 결정 방향으로만 정렬된 리튬 전이금속 인산화물 및 그 제조 방법에 관한 것으로,

본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법은, 리튬, 전이금속, 그리고 인을 포함하는 고체 상태의 염(salt)을 출발 물질로 하고 상기 출발 물질에 알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물로 이루어진 첨가물을 첨가하여 제1 중간 물질을 생성하는 제1 단계; 250 내지 400℃ 온도로 1차 열처리하여 비정질 상태의 제2 중간 물질을 생성하는 제2 단계; 및, 상기 제2 중간 물질을 상온까지 냉각한 다음, 400 내지 800℃ 온도로 2차 열처리하여 양이온 결함 분포가 국부적으로 클러스터링(clustering)화되고 그 분포가 결정 내에서 어느 하나의 축 방향에 평행한 1차원 방향성 배열을 갖는 최종 물질을 생성하는 제3 단계를 포함한다.

리튬, 전이금속, 인산화물, 결정 결함

Description

리튬 전이금속 인산화물 및 그 제조 방법{Lithium Transition Metal Phosphates and the method thereof}

본 발명은 양이온이 규칙적으로 배열된 올리빈(olivine) 구조의 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄, 여기서 M은 Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물이며, 이하 본 명세서에서 M은 이를 뜻한다.)에 있어서 리튬과 전이금속간의 양이온 자리교환 결함(cation exchange defect 또는 cation anti-site defect)이 1차원 결정 방향으로만 정렬된 리튬 전이금속 인산화물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

M'M"(XO₄) (여기서, M' 및 M"는 전이금속을 포함한 금속 양이온이고, X는 P, S, As, Mo, Si 또는 B 중 어느 하나)의 화학식으로 표현되는 올리빈(olivine) 구조를 갖는 산화물들은 대부분 높은 녹는점과 열적, 화학적으로 매우 안정한 특성을 가지고 있다. 따라서, 열화학적으로 우수한 안정성이 요구되는 절연체 및 내화물로 널리 이용되어 왔다.

올리빈이란 원래 MgFeSiO₄의 광물 명칭이며 이와 동일한 결정구조를 갖는 많은 산화물들을 일반적으로 올리빈형(olivine-type) 산화물이라 통칭한다. 올리빈형 산화물들의 결정학적 특징을 살펴보면, M'이온은 변(edge)을 공유하고 있는 산소 팔면체(octahedral) 공극(interstitial site)에 위치하며, M"이온은 꼭지점 (corner)을 공유하는 산소팔면체 공극에 위치한다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, M'과 M"의 양이온들은 서로 다른 종류의 산소 팔면체에 존재하며, 각각의 산소팔면체 자리를 "M1 자리", "M2 자리"라고 부른다. 또한, X의 원자는 상대적으로 그 크기가 작아서 산소로 이루어진 사면체(tetrahedral) 자리에 위치한다. 뿐만 아니라, 상대적으로 산소와의 공유결합 성분이 다른 M'과 M"의 양이온들에 비해서 더 높아서 전체적으로 [XO₄]의 폴리음이온(polyanion) 골격을 형성하게 된다. 이러한 결정학적인 요인 때문에 올리빈형 산화물들은 대부분 열적, 화학적으로 매우 안정하다.

많은 올리빈 구조의 산화물들에 있어서 M1과 M2 자리에 위치하고 양이온들이 규칙적으로 배열되어 있지 않고 혼재되어 존재하는 것이 일반적이다. 하지만, 온도와 압력 변화에 따라서 이러한 두 종류의 양이온들이 각각 M1과 M2 자리에 규칙적으로 배열되는 정도가 상당히 달라지는 예를 많이 찾아 볼 수 있다(C. M. B. Henderson et al., Science, vol. 271, 1713-1715 (1996) 참고).

따라서, 이러한 두 종류의 다른 양이온들이 각각의 산소 팔면체에 어떻게 분 포되어 있는 지에 따라 전기 전도도, 각 이온의 확산도(diffusivity), 결정의 소성변형 등의 다양한 물리적 성질이 상당히 달라지기 때문에 올리빈 구조의 산화물에서는 자리교환 결함(anti-site defect)과 양이온 분포(cation partitioning)에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다(L M. Hirsch and T. J. Shankland, Geophys. J. Int., vol. 114, 21-35 (1993) 참고).

이와 같은 올리빈 결정구조를 가지고 있는 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄) 중에서도 LiFePO₄와 Li(Fe,Mn)PO₄은 이미 트리필라이트(Triphylite)라는 이름의 천연광물로 잘 알려져 있는 물질이다. 다른 올리빈 구조의 산화물들과는 조금 다르게 LiMPO₄에서는 리튬은 M1 자리의 산소팔면체에 위치하며, 전이금속(M)은 M2 자리의 산소팔면체에 위치하게 되어 매우 규칙적(ordered)인 올리빈 구조를 이루고 있는 특징을 보인다. 즉, 도 1에서 나타낸 바와 같이 LiMPO₄는 전이금속(M)을 포함한 산소 팔면체가 1차원 체인(chain) 형태로 연결되어 있으며, 직교좌표계에서 보았을 때 또다른 산소팔면체 안에 리튬이온이 y축 방향으로 즉, b축 방향으로 변(edge)을 공유하며 규칙적인 1차원적 배열을 하고 있기 때문에 리튬이온의 y축 방향 이동도가 매우 빠를 것으로 예측되고 있다(D. Morgan et al., Electrochem. Solid-State Lett., Vol.7, p.A30 (2004) 참고).

뿐만 아니라, 최근의 고온 중성자 회절 실험과 maximum entropy 방법을 이용한 실험 결과를 보면, 리튬이온은 격자 내에서 b축 방향으로 1차원적 이동을 한다는 사실을 알 수 있다(S.-I. Nishimura et al., Nature Mater. Vol.7, p.707 (2008) 참고).

따라서, 올리빈 결정구조를 가지고 있는 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄)은 리튬 이온전지의 양극 재료로 사용될 경우, 상온에서 빠른 리튬 이온의 intercalation 또는 deintercalation 반응이 가능하게 되어 매우 우수한 전기화학적 성능을 나타낼 수 있다. 그러나, 리튬 이온의 intercalation 또는 deintercalation 반응시, 만약 리튬이 있어야 할 M1 자리에 전이금속(M)이 위치하고 있는 자리교환 결함(anti-site defect)이 존재하면, 리튬의 b축 방향으로의 이동을 방해하는 장애물 역할을 하기 때문에 이러한 결함을 최대한 억제하도록 조절해야 한다. 뿐만 아니라, 만약 열역학적으로 자리교환 결함(anti-site defect)을 피할 수 없다면, 3차원적으로 무작위(random)로 배열되어 있는 결함들이 최대한 억제되도록 하고 국부적으로 1차원적 배열을 하도록 만들 필요가 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 규칙적인 올리빈 구조를 가지는 리튬 전이금속 인산화물의 결정 격자 내에서 M1 자리의 리튬(Li) 이온과 M2 자리의 전이금속 이온 간의 자리교환 결함(anti-site defect) 분포가 원자 레벨로 조절된 리튬 전이금속 인산화물 및 그 제조 방법을 제공한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법은,

리튬, 전이금속, 그리고 인을 포함하는 고체 상태의 염(salt)을 출발 물질로 하고 상기 출발 물질에 알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물로 이루어진 첨가물을 첨가하여 제1 중간 물질을 생성하는 제1 단계; 250 내지 400℃ 온도로 1차 열처리하여 비정질 상태의 제2 중간 물질을 생성하는 제2 단계; 및, 상기 제2 중간 물질을 상온까지 냉각한 다음, 400 내지 800℃ 온도로 2차 열처리하여 양이온 결함 분포가 국부적으로 클러스터링(clustering)화되고 그 분포가 결정 내에서 어느 하나의 축 방향에 평행한 1차원 방향성 배열을 갖는 최종 물질을 생성하는 제3 단계를 포함한다.

상기 알칼리 원소는 나트륨(Na) 또는 칼륨(K)이며, 상기 5+ 원자가를 갖는 원소는 니오븀(Nb) 또는 탄탈륨(Ta)인 것이 바람직하다.

상기 출발 물질은 카보네이트(carbonates), 옥살레이트(oxalates), 아세테이트(acetates), 암모늄 포스페이트(ammonium phosphates) 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 카보네이트는 탄산리튬(Li₂CO₃)일 수 있으며, 상기 옥살레이트는 MC₂O₄(2H₂O)일 수 있으며, 상기 아세테이트는 M(CO₂CH₃)₂일 수 있으며, 상기 암모늄 포스페이트는 인산이수소암모늄(NH₄H₂PO₄)일 수 있다.

상기 나트륨(Na), 칼륨(K), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물은 상기 출발 물질에 5 mol% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 제1 중간 물질은 화학양론 조성이 (Li_1-xA_x)(M_1-yB_y)PO₄ 또는 (LiA_x)(MB_y)PO₄일 수 있다. 여기서, A와 B는 Na, K, Nb, Ta 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물이고, M은 Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물이며, 0 < x ≤ 0.05, 0 < y ≤ 0.05 이다.

상기 1차 및 2차 열처리는 Ar, N₂, CO/CO₂ 중에서 선택되는 어느 하나의 가스가 1분간 100 내지 500cc의 유량으로 흐르는 가스 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기 나트륨(Na)을 위한 첨가물로서 탄산나트륨(Na₂CO₃)을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 칼륨(K)을 위한 첨가물로서 탄산칼륨(K₂CO₃)을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 니오븀(Nb)을 위한 첨가물로서 Nb(OCH₂CH₃)₅을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄탈륨(Ta)을 위한 첨가물로서 Ta(OCH₃CH₃)₅, 또는 Ta(OCH₃)₅를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 1차 열처리 및 2차 열처리는 1 내지 10시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 첨가물이 알칼리 원소를 포함하는 경우, 400 내지 700℃의 온도로 1 내지 10시간 동안 2차 열처리하는 것이 더욱 바람직하고, 상기 첨가물이 5+ 원자가를 갖는 원소를 포함하는 경우, 500 내지 800℃의 온도로 2 내지 10시간 동안 2차 열처리하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물은, 알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중 적어도 어느 하나를 함유하고, 결정 내에 리튬과 전이금속의 자리 교환 결함이 국부적으로 클러스터링되어 어느 하나의 축 방향에 평행한 1차원 방향성 배열로 분포된다.

상기 어느 하나의 축은 결정학적으로 b축인 것이 바람직하다.

상기 알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중 적어도 어느 하나는 5 mol% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 결정의 결정 구조는 올리빈 구조인 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면,

비교적 간단한 고상 합성법을 이용하여 리튬 전이금속 인산화물의 결정격자 내의 양이온 자리 교환 결함에 대한 배열을 1차원적으로 조절할 수 있다. 특히, 고가의 장비 없이도 원자 레벨에서의 결정결함을 용이하게 조절할 수 있다.

또한, 복잡한 공정을 수행할 필요없이 값싼 고상의 염(salt)을 가지고 합성하는 조절방법이기 때문에 쉽게 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 이처럼 제조된 리튬 전이금속 인산화물의 결정입자들은 결정격자 내의 특이한 결함 배열로 인하여 Li intercalation 반응시 Li 이온의 이동에 방해를 받지 않게 되어 전기화학적으로 우수한 Li intercalation 성능을 보인다.

그리고, 리튬이온 이차전지의 양극 활성물질로 사용될 경우 향상된 방전용량으로인해 높은 에너지 밀도를 나타내며, 빠른 시간 동안의 충전 및 방전성능을 기초로 하여 매우 높은 출력밀도 특성을 보이는 전지의 제조가 가능하다는 효과가 있다.

본 발명은 규칙적인 올리빈 구조를 가지는 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄) 의 결정 격자내에서 M1 자리의 리튬(Li) 이온과 M2 자리의 전이금속(M) 이온 간의 자리교환 결함(anti-site defect)의 분포를 원자 레벨로 조절한다. 보다 구체적으로 설명하자면 도 2에 모식적으로 나타낸 바와 같다. 즉, Li 이온과 치환된 M1 자리의 전이금속 M 이온의 자리교환 결함의 분포를, 도 2의 a)에 도시된 바와 같이, 결정격자 내에서 불규칙적으로 분포되는 것을 최대한 억제한다. 특히, 도 2의 b)에 도시된 바와 같이 국부적으로 서로 모여 있도록 클러스터링(clustering)되게 함과 동시에 그 분포가 결정 내에서 어느 하나의 축 방향, 예를 들면, b축(y축) 방향에 평행한 1차원 방향성 배열을 갖도록 제어한다.

본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법은, 도 12에 도시된 바와 같이, 출발 물질을 준비하는 단계(S10), 제1 중간 물질을 생성하는 단계(S20), 제2 중간 물질을 생성하는 단계(S30), 최종 물질을 생성하는 단계(S40)를 포함한다.

S10. 출발 물질을 준비하는 단계

본 발명의 제조 방법에서는 리튬, 전이금속, 그리고 인을 포함하는 고체 상태의 염(salt)을 출발 물질로 사용한다. 특히, 상기 염 중에서 카보네이트(carbonates), 옥살레이트(oxalates), 아세테이트(acetates), 암모늄 포스페이트(ammonium phosphates) 중에서 선택되는 어느 하나의 염이 고체 및 소량의 액상을 원료로서 이루어진 것이 바람직하다.

상기 카보네이트는 탄산리튬(Li₂CO₃)을 포함하여 이루어지고, 상기 옥살레이 트는 MC₂O₄(2H₂O)을 포함하여 이루어지고, 상기 아세테이트는 M(CO₂CH₃)₂ (여기서, M은 Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물)인 것이 바람직하다. 또한, 상기 암모늄 포스페이트는 인산이수소암모늄(NH₄H₂PO₄)을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

S20. 제1 중간 물질을 생성하는 단계

상기 출발 물질에 첨가물을 첨가하여 아세톤 용매로 흡식 혼합한 후, 건조하여 제1 중간 물질을 생성한다. 이때, 상기 첨가물은 예를 들어 칼륨(K), 나트륨(Na) 등과 같은 알칼리 원소 또는 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta) 등과 같은 5+의 원자가를 갖는 원소를 포함한다. 또한, 상기 첨가물은 상기 원소들의 혼합물을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 나트륨(Na)을 포함하는 첨가물은 탄산나트륨(Na₂CO₃)인 것이 바람직하고, 상기 칼륨(K)을 포함하는 첨가물은 탄산칼륨(K₂CO₃)인 것이 바람직하며, 상기 5+ 원자가를 갖는 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta)을 포함하는 첨가물로서는 해당 염(salt) 원료인 Nb(OCH₂CH₃)₅ 또는 Ta(OCH₃CH₃)₅, 또는 Ta(OCH₃)₅인 것이 바람직하다. 또한, 상기 나트륨(Na), 칼륨(K), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물을 포함하는 첨가물은 상기 출발 물질에 5 mol% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.

이들 첨가물을 첨가함으로써 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄)에서 리튬(Li)과 전이금속(M) 간의 양이온 자리교환 결함이 1차원 결정 방향으로만 정렬된 결정을 성장시키도록 할 수 있다. 이때, 상기 첨가물이 5 mol%를 초과하면 리튬과 전이금속 간의 양이온 자리교환 결함의 1차원 결정 방향으로의 정렬이 효과적으로 발생하지 않는다.

상기 제1 중간 물질은 초기 화학양론 조성이 (Li_1-xA_x)(M_1-yB_y)PO₄ 또는 (LiA_x)(MB_y)PO₄인 것이 바람직하다. 여기서, A와 B는 알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물이다. 특히, Na, K, Nb, Ta 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물이다. 또한, M은 Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물이며, 0 < x ≤ 0.05, 0 < y ≤ 0.05이다.

S30. 제2 중간 물질을 생성하는 단계

상기 제1 중간 물질을 250 내지 400℃ 온도로 1차 열처리하여 비정질 상태의 제2 중간 물질을 생성한다. 이 때, 가스 분위기는 산소가 포함되지 않은 Ar, N₂, ㄸ또는 CO/CO₂ 등의 가스를 1분간 100cc 내지 500cc의 유량으로 흘려주면서 열처리한다. 상기 1차 열처리하는 동안, 예를 들어 카보네이트, 옥살레이트, 암모늄 포스페이트 등의 출발 물질에 함유되어 있던 탄소, 수소, 산소, 암모늄 등이 분해되어 비 정질의 리튬 전이금속 인산화물을 형성하게 된다.

250℃ 미만의 온도에서 열처리하면 화학 반응이 효과적으로 진행되지 않고, 400℃ 이상의 온도에서 10시간 이상 열처리하면 비정질의 물질에서 서서히 결정핵이 생성되어 최종적으로 불필요하게 조대화된 입자가 만들어지므로 이를 억제하기 위해서는 온도와 시간을 상기와 같이 조절해 주어야 한다. 바람직하게는 330 내지 360℃의 온도로 4 내지 6시간을 넘지 않도록 조절한다. 더욱 바람직하게는 350℃에서 5시간을 넘지 않도록 조절한다. 또한, 1차 열처리 진행시간이 1시간 미만이 되는 경우에도, 화학 반응이 효과적으로 진행되지 않고, 10시간을 초과하는 경우, 입자의 조대화가 발생하므로, 1차 열처리는 1 내지 10시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

S40. 최종 물질을 생성하는 단계

상기 제2 중간 물질을 상온까지 냉각한 다음, 400 내지 800℃ 온도로 2차 열처리하여 양이온 결함 분포가 국부적으로 클러스터링(clustering)화되고 그 분포가 결정 내에서 어느 하나의 축 방향에 평행한 1차원 방향성 배열을 갖는 최종 물질을 생성한다. 이때, 상기 2차 열처리의 가스 분위기는 1차 열처리시의 가스 분위기와 동일하다. 즉, 산소가 포함되지 않은 Ar, N₂, 또는 CO/CO₂ 등의 가스를 1분간 100cc 내지 500cc의 유량으로 흘려주면서 2차 열처리한다. 상기 400 내지 800℃의 온도는 비정질 상태에서 결정핵을 생성하기 위해 필요한 온도이다. 상기 1차 열처리 시간 과 같은 이유로, 2차 열처리는 1 내지 10시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

이러한 2차 열처리를 통해서 비정질 상으로부터 결정핵이 생성되어 그것들을 중심으로 결정 입자들로 성장하게 된다. 이때 자리교환 결함(anti-site defect)의 원자 레벨 분포가 어느 하나의 축(예를 들면, b축)과 평행하게 배열되도록 2차 열처리의 온도와 시간을 적절히 조절함으로써 리튬 전이금속 인산화물을 제조할 수 있다.

예를 들어, 상기 첨가물이 칼륨(K), 나트륨(Na) 등의 알칼리 원소를 포함하는 경우, 400 내지 700℃의 온도로 1 내지 10시간 동안 2차 열처리하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 첨가물이 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta) 등의 5+ 원자가를 갖는 원소를 포함하는 경우, 500 내지 800℃의 온도로 2 내지 10시간 동안 2차 열처리하는 것이 바람직하다. 더욱 상세한 온도와 시간 조건은 실시예들에 대한 설명에서 후술한다.

본 발명은 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법에 대한 것이다. 따라서, 본 발명을 통하여 제조된 리튬 전이금속 인산화물의 결정 격자를 직접적으로 관찰하여 그 조절 여부를 확인하는 것이 필요하다. 이를 위하여, 전자현미경 기법인 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 주사 투과 전자 현미경(Scanning Transmission Electron Microscopy)을 사용하여 원자 레벨로 직접 관찰한 양이온 자리교환 결함의 규칙적 1차원 결정방향 배향성을 확인하였다.

일반적인 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscopy)에서 볼 수 있는 고분해능 격자 이미지는 시편의 두께와 현미경 관찰시 대물렌즈의 디포커스(defocus) 길이에 따라 같은 시편이라도 서로 다른 격자 무늬를 보이게 된다. 따라서, 정확히 원자의 위치를 파악하기 위해서는 최신의 분석 방법인 HAADF (High-Angle Annular Dark Field)법을 바탕으로한 Z-contrast STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy)을 사용하여 관찰하여야 한다.

이 방법은 원자번호(Z)에 따른 영상의 콘트라스트를 보여주는 것으로써, 무거운 원자, 즉, 원소번호가 큰 원자일수록 밝은 콘트라스트를 띠게 되어 원자 단위로 결정격자를 직접 구분할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, a)와 b)는 리튬 전이금속 인산화물의 결정구조를 각각 c축 및 b축에 평행하게 투영된 방향에서 보여주는 모식도이다. 도시된 바와 같이, 리튬 이온과 철 이온은 각각 M1 자리와 M2 자리에 규칙적으로 배열되어 있으며, 결과적으로 규칙적인 올리빈(olivine) 구조를 가진다. 또한, 인(P)과 산소(O) 사이는 강한 공유결합으로 이루어져 있어서 열적, 화학적으로 매우 안정한 골격(framework) 구조를 이룬다.

도 2에는 본 발명의 제조 방법을 통해 달성하고자 하는 리튬 전이금속 인산화물이 도시되어 있다. 빠른 이해를 위하여 규칙적 올리빈(olivine) 구조의 리튬 전이금속 인산화물 결정구조에서 M1 자리의 산소 팔면체만 나타내었다. 전술한 바와 같이 규칙적 올리빈(olivine) 구조의 리튬 전이금속 인산화물에서 Li 이온의 intercalation 반응시 Li의 확산은 격자 내에서 어느 한 축(예를 들면, b축)에 평 행한 방향으로 일어난다. 즉, Li 이온의 이동이 1차원적이다. 따라서, 만약 Li이 있어야 할 M1 자리에 전이금속(M)이 위치하고 있는 자리교환 결함(anti-site defect)이 존재하면, Li의 해당 축 방향으로의 이동을 방해하는 장애물 역할을 하기 때문에 이러한 결함이 존재할 경우, 이를 클러스터링화하여 최대한 국부적으로 분포하도록 조절해야 한다. 도 2의 a)는 Li이 있어야 할 M1 자리에 무작위로 전이금속(M)이 위치하고 있는 일반적인 경우를 나타낸 것이다.

이와는 달리, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 도 2의 b)에 도시된 바와 같이 M1 자리에 전이금속(M)이 위치하고 있는 자리교환 결함(anti-site defect)이 국부적으로 위치하게 된다. 따라서, Li의 축 방향으로의 이동이 방해되는 원자 컬럼(column)의 숫자를 크게 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 제조방법은 용이하게 처리 가능한 고체 상태의 원료 분말을 사용하는 고상 반응을 기본으로 한다. 이러한 고상 반응을 해당 고온에서 투과 전자 현미경을 사용하여 직접적으로 관찰하여 보면, 기존에 알려진 결정화 거동과는 완전히 다른 특징을 보인다. 즉, 본 발명에서는 2차 열처리에서의 결정화 단계에서 비정질의 리튬 전이금속 인산화물은 곧바로 규칙적 올리빈(olivine) 구조의 결정으로 상전이를 하는 것이 아니라, 준안정(metastable) 중간상(intermediate phases)으로 몇 차례 상전이를 하고 난 후, 최종적인 안정화 결정 구조를 갖게 되며, 이 사실을 여러 차례의 실험을 통하여 확인되었다.

도 3 및 도 4는 이러한 사실을 보여주는 고온 실시간 투과 전자 현미경 이미지를 연속적으로 보여 주고 있다. 따라서, 중간단계 결정상태를 신속히 벗어나 자 리교환 결함(anti-site defect)의 원자 단위 분포가 어느 한 축(b축)과 평행하게 배열되도록 결정 내부의 양이온 분포를 조절하기 위해서는 적절한 첨가 원소와 열처리 온도와 시간의 선택이 중요하다.

Na₂CO₃나 K₂CO₃와 같은 알칼리 금속이온을 포함하고 있는 염(salt)의 녹는점은 대부분 매우 낮다. 따라서, 이러한 첨가물들은 1차 열처리시 비교적 낮은 온도인 250 내지 400℃에서도 리튬과 전이금속 및 인을 포함하는 다른 원료 염들을 서로 효과적으로 반응시키는 역할을 한다. 또한, 보다 높은 온도에서 행해지는 2차 열처리시에는 균일하게 형성된 결정핵 주위로 결정입자가 성장하도록 해 주기 때문에 열처리 온도와 시간을 적절히 조절하면 비정질 상으로부터 원하는 양이온 분포를 갖는 리튬 전이금속 인산화물을 제조할 수 있다. 아울러 여러 차례의 실험을 통하여 Na 또는 K 뿐만 아니라 5+의 원자가를 가지는 원소인 Nb, Ta 등도 같은 효과를 보인다는 사실을 발견하였다.

따라서, 1차 열처리시에는 원하지 않은 중간상 입자가 생성되지 않도록 비정질 상을 유지하도록 조절해 주는 것이 무엇보다도 중요하다. 즉, 이러한 알칼리 금속이온과 5+ 원자가의 금속이온들의 첨가물들은 저온 1차 열처리 시에는 출발 물질의 녹는점을 낮추어 주어 비정질 상태로 쉽게 만들어 주며, 중간상 결정질로 변하는 상전이를 최대한 억제시키는 역할을 한다. 또한 상대적으로 고온인 2차 열처리로 비정질상으로부터 균일하게 결정핵이 생성되도록 하여 결정 내부의 자리교환 결함이 한 방향으로 배열된 규칙적 올리빈 구조를 가지는 리튬 전이금속 인산화물을 제조할 수 있다.

특히, 최근 발표된 연구에서는 리튬 철 인산화물(LiFePO₄)에서 이러한 자리교환 결함(anti-site defect) 형성 에너지가 다른 이온 빈자리 결함 형성 에너지보다 낮다는 것이 발표(M. S. Islam, D. J. Driscoll, C. A. J. Fisher, and P. R. Slater, Chem. Mater., Vol.17, p.5085 (2005) 참고)된 바 있어, 고온 열처리시에 쉽게 발생할 수 있는 결함임을 알 수 있다. 만약 이러한 결정이 리튬이온 이차전지의 양극물질로 사용되는 경우, 리튬 이온이 있는 M' 자리에 전이금속 이온이 위치하게 되면 충전/방전 반응시 리튬 이온의 이동 경로 상에 전이금속 이온이 존재하게 되어 결정격자에서 리튬 이온의 이동을 방해하는 역할을 하므로 방전용량을 감소시킨다. 뿐만 아니라, 빠른 리튬 이온의 확산을 저해하므로 출력 특성에도 악영향을 미치게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물 제조방법에 의하면, 결정학적으로 1차원 방향 배열의 자리교환 결함(anti-site defect)을 가지게 되어 방전용량 및 출력 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의해 제조된 리튬 전이금속 인산화물을, 주사 투과 전자 현미경(Scanning Transmission Electron Microscopy)에서 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 이미지로 관찰해 본 결과, 자리교환 결함들이 어느 한 축(b축)에 평행한 1차원 결정방향 배열을 가지고 있음을 확인하였다. 특히, 합성시 초기조성에서 리튬 이온과 전이금속 이온 간의 화학양론비(stoichiometry)가 정확히 1:1 이 아닌, 1-x:1 또는 1:1-x (0 < x ≤ 0.1)가 되도록 제조하여도 배열이 모두 동일하게 조절된다는 사실을 확인하였다. 즉, 리튬(Li)과 전이금속(M)의 이온 간의 비율이 1:1 이 아닌 상태로 출발하여 합성하여도 최종적인 결함의 배열이나 입자의 크기 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.

이러한 여러 장점을 가지고 있기 때문에 리튬이온 이차전지 등과 같은 전기화학 전지에서 양극재료로 쓰일 경우 이론용량에 해당하는 160 mAh/g에 가까운 충전/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, 본 발명의 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 실시 가능한 예 중에서 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 사용될 "C rate"란 용어의 의미는 전지 테스트를 할 경우 충전 또는 방전을 1시간동안 할 수 있도록 측정 전류 조건을 조절해 주는 것을 의미한다. 또한, "C/n rate"란 용어의 의미는 충전 또는 방전을 n 시간 동안 할 수 있도록 전류를 조절함을 의미한다.

<전산모사예>

본 전산모사예에서는 전자 현미경 기법 중 하나인 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 주사 투과 전자 현미경(Scanning Transmission Electron Microscopy)을 사용하여 원자 레벨로 직접 관찰한 양이온 자리교환 결함의 규칙적 1차원 결정방향 배향성을 확인하기 위하여 자리교환 결함분포를 실제 관찰한 결과와 이론적으로 예측한 결과를 서로 비교한다. 이를 통하여 본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법의 효과를 확인한다.

본 전산모사예에서는 multislice 방법을 기초로 하는 전산모사 프로그램을 이용하여 리튬 철 인산화물(LiFePO₄)의 결정에서 이론적으로 얻을 수 있는 HAADF 주사 투과 전자 현미경(Scanning Transmission Electron Microscopy, STEM) 이미지를 구해 보았다. HAADF-STEM 이미지에 기여하는 전자는 collection semiangle이 60 ~ 200 mrad 사이인 산란 전자를 고려하였다. 특히, 본 전산모사예에서는 M1 자리의 Li 이온과 M2 자리의 Fe 이온의 자리교환 정도를 달리하여 HAADF-STEM 이미지에 어떠한 변화가 나타나는지를 확인하였다.

도 3은 본 예에서 실시한 모사 결과를 보여주고 있다. 도 3의 a)와 b)는 각각 [010] 및 [001] 결정방향으로 투영했을 때의 전산모사된 HAADF-STEM 이미지 결과들이다. 이러한 HAADF-STEM 이미지는 기존의 고분해능 투과 전자 현미경(HRTEM)에서와는 달리 이미지의 밝기가 원자번호(Z)의 제곱에 비례하기 때문에 밝은 원자컬럼(column)이 해당 원자의 위치를 직접적으로 나타내 준다. 따라서, 도 3 a)의 첫번째 투영 이미지에서는 Fe와 P가 서로 가까이 위치하고 있어서 하나의 밝은 타원으로 나타나게 된다. 도 3 b)의 첫번째 투영 이미지에서 보는 경우는 Fe와 P가 서로 충분히 떨어져 있으므로 구분이 가능하다. 즉, 더 밝은 컬럼이 Fe에 해당하고 약간 더 흐린 컬럼이 P 원자컬럼에 해당한다. 하지만, 두 경우 모두 Li 이온은 원자번호가 무척 작기 때문에 M1 자리의 Li 원자 컬럼은 이미지화 되지 않고 배경의 검은 색으로 나타나게 된다. 원자 레벨의 이해를 돕기 위하여 각각의 투영방향에 대한 해당 원자배열을 이미지 위에 겹쳐 보여주고 있다.

이러한 HAADF-STEM 이미지에서 Li과 Fe의 자리 교환이 10%, 15%, 20% 발생할 경우 이미지의 밝기 변화를 전산모사하였다. 도 3에 도시된 바와 같이 두 가지의 투영방향 모두에서 15%의 자리 교환 결함이 발생하면 화살표로 표시된 Li자리의 원자 컬럼에서 검출 가능한 밝기 콘트라스트를 관찰할 수 있다. 따라서, 추후 아래의 실시예에서 실험적으로 얻어진 실제 이미지와 비교하면 Fe 이온의 자리교환 배향성을 확인할 수 있게 된다.

<실시예 1>

본 실시예 1에서는 알칼리 원소인 K 또는 Na가 첨가된 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄) 중에서 특히 (Li_1-xA_y)FePO₄ 또는 Li(Fe_1-xA_y)PO₄ (A는 Na 또는 K, 0 ≤ x ≤ 0.05, 0 < y ≤ 0.05)인 출발 물질로부터 생성되며 양이온 결함 분포가 원자 레벨로 조절된 리튬 철 인산화물의 제조 실시예를 설명한다.

이를 제조하기 위하여 사용된 출발 물질의 원료 분말은 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄이다. 또한, 첨가물 분말은 K₂CO₃와 Na₂CO₃를 사용하였다. 세 가지 출발 물질 원료분말 및 첨가물 분말은 모두 순도가 99.5 % 이상이다.

우선, K 또는 Na가 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄) 분말을 합성하기 위해서 일정 몰(mole)의 비율로 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 및 K₂CO₃, Na₂CO₃의 분말을 지르코니아 세라믹 볼과 함께 지르코니아 밀링(milling) 병(pot)에 넣어 아세톤(99.9 % 순도)을 용매로 24시간 습식으로 밀링하여 분쇄 및 혼합하였다. 그 다음, 건조하여 아세톤 용매를 모두 제거한 후, 공기와의 접촉으로 인한 산화 현상을 막기 위하여 Ar 가스가 채워진 glovebox 안으로 즉시 넣어 보관한다. 특히 Li과 Fe의 화학양론비를 서로 달리 하여 혼합분말을 준비한 후 서로 비교하였다.

첫번째로는 4 mol%의 K가 첨가된 LiFePO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.5:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합분말을 준비하였다. 두번째로는 4 mol%의 K가 첨가된 LiFe_0.98PO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.5:0.98:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합분말을 준비하였다. 세번째로는 4 mol%의 Na가 첨가된 LiFe_0.98PO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.5:0.98:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합분말을 준비하였다. 마지막으로, 5 mol%의 Na가 첨가된 Li_0.95FePO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합분말을 준비하였다.

이렇게 준비된 네가지의 분말 혼합물에 4 내지 5 mol%의 K 또는 Na를 첨가하기 위해서 K₂CO₃와 Na₂CO₃를 사용하였다. 순수한 리튬 철 인산화물(LiFePO₄) 분말을 준비할 때와 마찬가지의 같은 방법으로 혼합, 밀링, 건조한 후 Ar이 채워진 glovebox에 분말 혼합물들을 보관하였다.

이와 같이 준비된 네 종류의 혼합물들을 각각 glovebox에서 마노 유발 (mortar and pestle)을 사용하여 응집된 분말들을 다시 분쇄하였다. 분쇄 후에 각각의 혼합 분말들을 알루미나(alumina) 도가니에 넣어 350℃ 온도로 2 내지 5 시간 동안 1차 하소(calcination) 열처리하였다. 이 때, 산소의 유입으로 인한 Fe 이온의 산화를 막기 위하여 400 cc/min의 유량으로 99.999 % 순도의 Ar 가스를 흘려주면서 열처리하여 1차로 합성된 분말을 얻었다.

350℃ 열처리 후, 응집된 상태를 분쇄하고 보다 균일한 첨가제의 분포를 위하여 마노 유발을 이용하여 수 분간 다시 잘 분쇄하여 주었다. 이렇게 준비된 분말 을 1차 하소 열처리 때와 같은 유량의 400 cc/min의 Ar 가스를 흘려주면서, 450 내지 500℃에서 2 내지 10 시간 동안 2차 열처리하였다. 2차 열처리에서는 비정질상에서 결정상으로 상전이를 하기 위한 결정핵이 서서히 생긴 후 이를 중심으로 결정으로 성장하는 단계를 거친다. 이 과정에서 중간단계 준안정 결정 상태를 거쳐서 최종적으로 규칙적 올리빈 구조의 결정이 완성되며, 결정내의 자리교환 결함도 1차원 배향성을 갖게 된다. 따라서, 최종적으로 비정질상의 잔존양이 최대한 적으면서 불필요한 입자의 조대화를 억제하기 위해서는 500℃ 이하의 온도에서 10 시간 이내의 시간동안 열처리하는 것이 바람직하다.

도 4는 2차 열처리시 중간단계 준안정 결정 상태를 거쳐서 최종적으로 규칙적 올리빈 구조의 결정이 완성되는 과정을 실시간 고분해능 투과 전자 현미경(HRTEM)을 이용하여 직접적으로 보여주고 있다. 사용된 시편은 350℃에서 1차 하소 열처리가 완료된 4 mol%의 K가 첨가된 비정질 LiFePO₄ 분말이다. 이 분말 시편을 투과 전자 현미경 안에서 히팅 홀더(heating holder)를 사용하여 450℃로 가열한 후 그 변화를 직접적으로 관찰하였다.

도시된 바와 같이, 시간별로 차례대로 결정구조가 변화한다는 사실을 격자 이미지의 변화와 푸리에 변환(Fourier transform)의 회절 패턴변화를 관찰함으로써 알 수 있다. 최하단의 d)는 규칙적 올리빈 구조의 결정에 대한 [122] 투영방향에 대한 결과를 보여주고 있다. 이론적 회절 패턴과 고분해능 이미지에서 얻어진 Fourier transform의 회절 패턴이 서로 잘 일치한다는 사실을 알 수 있으며, 따라 서 최종적으로 안정된 결정상이 얻어졌음을 확인할 수 있다. 특히 4 mol%의 K를 첨가함으로써 도 4의 a), b), c)에서 나타나는 중간단계 결정상들이 30초 이내로 빠르게 변화하여 최종적인 안정화 결정상으로 도달하게 만듦으로써 양이온 자리 결함의 1차원적 배열을 용이하게 한다는 중요한 특징을 확인할 수 있다.

본 실시예1에서 얻어진 K 또는 Na의 알칼리 원소들이 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄)결정 분말에 대한 전체적인 양이온 자리교환 결함의 농도를 파악하기 위하여 X-선 회절분석 및 중성자 회절실험을 실시하였다. 우선 X-선 회절분석을 통하여 규칙적 올리빈 구조의 결정입자 형성을 확인하였다. 그 결과를 아래의 표 1에 정리하여 나타내었다.

[표 1]

조 성	1차 하소 열처리	2차 열처리
LiFe0.98K0.04PO4	350 8 h, Ar	450 4 h, Ar
LiFe0.98K0.04PO4	350 8 h, Ar	500 4 h, Ar
LiFe0.98K0.04PO4	350 8 h, Ar	500 10 h, Ar
LiFe0.98Na0.04PO4	350 8 h, Ar	500 10 h, 95N2-5H2
LiFe0.98Na0.04PO4	350 2 h, Ar	450 3 h, Ar
LiFe0.98Na0.04PO4	350 2 h, Ar	500 2 h, Ar
Li0.95Na0.05FePO4	350 5 h, Ar	450 2 h, Ar
K0.04LiFePO4	350 5 h, Ar	450 2 h, Ar

원자번호가 낮은 Li이온의 경우에는 X-선에 대한 산란 인자(scattering factor)가 매우 낮아서 해당 결정구조 내의 임의의 양이온 자리에서 Li 이온에 의한 occupation factor를 정확히 구할 수 없다. 따라서 X-선 대신 중성자 회절을 이용하여 규칙적 올리빈 구조를 갖는 결정에서 M1 자리 및 M2 자리에서의 Li과 Fe에 의한 occupation factor를 Rietveld 정산(refinement) 법으로 구하였다. 중성자 회절분석을 위하여 4 mol%의 K가 첨가된 LiFePO₄ 결정 분말을 사용하였다. 즉, K_0.04LiFePO₄ 의 초기조성을 갖는 혼합 분말 시편을 350℃ 온도에서 5 시간 동안 1차 하소 열처리를 한 후, 이를 다시 각각 450℃, 600℃, 800℃에서 2차 열처리를 한 결정 분말 시편을 제조하였다. 세 가지 경우 모두 규칙적 올리빈 구조의 LiFePO₄ 결정이 얻어졌음을 확인하였다. 특히, Rietveld 정산(refinement)을 통하여 Li 자리에 Fe가 자리교환된 결함 비율은 3% 이하였으며, 2차 열처리의 온도가 증가할수록 이러한 자리교환 결함의 농도는 크게 줄어들어 들었다. 800℃에서 2차 열처리를 한 경우에는 자리교환 결함의 농도가 1% 이하로 매우 적다는 사실을 확인하였다.

더욱 중요한 것은 본 실시예에서 보인 바와 같이 K이나 Na 원소를 첨가하여 출발물질을 혼합하여 제조할 때, Li과 Fe의 비율을 반드시 1:1 로 정확히 조절해 주지 않고도 원자 단위의 자리교환 결함 조절이 가능하다는 것을 확인하였다. 따라서, 실제 제조공정상의 화학조성에 있어서 비화학양론적 여유가 상당히 크게 존재하여 훨씬 쉽고 편하게 결정입자를 제조할 수 있는 큰 장점이 있다.

<분석예 1>

본 분석예 1에서는 본 발명에서 제시하는 방법으로 제조된 알칼리 원소가 첨가된 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄)의 입자에 있어서 결정격자 내부의 양이온들 간의 규칙적 배열 관계를 전자현미경 기법인 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 법을 이용하여 원자 레벨로 직접 관찰한 결과를 제시하고자 한다. 특히, 이러한 분석예를 통하여 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄) 결정 입자 내에서 양이온 자리 결함의 1차원적 배열이 잘 이루어졌음을 HAADF-STEM 이미지를 사용하여 원자 단위로 직접적으로 증명하고자 한다.

전자 현미경 관찰을 위한 시편은 실시예1에서 제조한 분말 시편 중 하나를 사용하였다. 즉, 350℃에서 5 시간 동안 1차 하소 열처리한 4 mol%의 K가 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄)의 분말을 금속 몰드에 주입하여 직경 9 mm 두께 1 mm의 원반형으로 성형하고, 이렇게 준비된 성형체를 2차 열처리를 위해서 동일한 아르곤(Ar) 분위기 하의 600℃에서 5 시간 동안 열처리를 하여 균일한 조직의 다결정체를 제조하였다. 전형적인 다결정체 투과 전자 현미경 시편 제작법을 따라 소결된 다결정체 시편을 100 ㎛ 두께까지 연마한 후 3 mm의 직경을 갖는 원반 디스크로 초음파 절단하였다. 이들 디스크 시편을 딤플링(dimpling)한 후, 최종적으로 이온-밀링(ion-milling)을 통하여 주사 투과 전자 현미경(STEM)상에서 관찰 가능하도록 얇게 제조하였다.

원자의 위치를 파악하기 위한 분석 방법인 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 법을 바탕으로한 Z-contrast STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy)은 원자번호(Z)에 따른 영상의 콘트라스트를 보여주는 것으로써, 무거운 원자, 즉, 원소번호가 큰 원자일수록 밝은 콘트라스트를 띠게 되어 원자 단위로 결정격자를 구분할 수 있다.

도 5는 본 분석예에서 실제로 HAADF 모드를 사용하여 얻은 Z-contrast STEM 격자 이미지를 보여주고 있다. 다결정 리튬 철 인산화물(LiFePO₄)의 시편에서 [010] 투영 방향, 즉, b축이 지면에 수직한 방향이 되도록 결정입자 방위를 조정하여 Li과 Fe 이온의 규칙 배열을 보다 잘 관찰하고자 하였다. 보다 명확한 원자위치를 표시하기 위해서 해당 이미지 위에 투영 방향을 결정격자 모식도를 겹쳐 나타내었다.

상기 전산모사예에서 보여진 도 3의 a)와 비교해 보면 동일한 이미지를 얻었음을 알 수 있다. 즉, M1 자리의 Li은 원자번호가 산소보다도 작은 3번이기 때문에 이미지 상에서 전혀 콘크라스트를 가질 수 없어 검게 나오며, 반면 M2 자리의 Fe는 26번의 매우 큰 원자번호를 가지고 있어서 밝게 회절되어 이미지를 이루게 된다.

Z-contrast STEM 격자 이미지를 보여주는 도 5에서 가장 주목할 만한 사실은 Li 자리에 교환되어 있는 Fe 이온을 시각화 시킬 수 있었다는 점이다. 이미지에서 실선 화살표로 나타낸 Li자리 원자컬럼들은 다른 원자컬럼들과는 달리 밝기 콘크라스트를 보여주고 있다. 따라서, 상기의 이미지 전산모사 결과와 비교해 보면, 이 자리에 Fe 이온들이 최소 15% 이상 교환되어 위치하고 있음을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 파선 화살표로 나타낸 바와 같이 Fe 자리에 Li이 교환되어 위치할 경우는 오히려 밝기 콘트리스트가 줄어들게 되어 이러한 자리교환 결함까지도 원자 단위로 관찰할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

결정 격자내 양이온 자리 결함의 1차원 배향성을 확인하기 위하여 본 분석예에서는 [010] 투영방향 뿐만 아니라 [001] 투영방향의 HAADF-STEM 격자 이미지를 관찰하였다. 도 6의 a)와 b)는 각각 [010] 투영방향과 [001] 투영방향에 대한 STEM 이미지를 보여 주고 있다. 도 6 a)의 [010] 방향에 대한 이미지에서는 Li이 위치한 원자 컬럼 중 일부가 화살표로 표시한 바와 같이 밝기 콘트라스트를 보여주고 있다. 따라서 결정 내부에는 분명히 자리교환 결함이 존재하고 있음을 알 수 있다.

하지만, 도 6 b)의 [001] 투영방향으로 관찰했을 경우에는 이러한 Li자리의 밝기 콘트라스트는 거의 찾을 수 없었다. 상기의 전산모사예의 도 3에서 보여진 결과와 비교해 보면 그 차이를 보다 명확히 이해할 수 있다. 즉, Li 자리에 위치한 Fe 자리교환 결함이 3차원 무작위적으로 배열되어 있다면 어느 결정 방향으로 관찰하여도 동일하게 밝기 콘트라스트의 변화를 검출해 낼 수 있어야 한다. 그러나, 이러한 자리교환 결함들이 어느 한 축(b축) 방향으로 1차원 배열을 하고 있기 때문에 결정을 [001] 투영방향으로 관찰하게 되면 도 2의 b) 모식도에서 나타낸 바와 같이 Li 자리의 Fe 자리교환 결함의 농도가 상대적으로 적게 관찰된다. 그러므로, 이러한 결함에 따른 밝기 콘트리스트 변화를 이미지 상에서 검출할 수 없게 된다.

결론적으로 본 분석예를 통하여 Li 자리의 Fe 자리교환 결함의 배열은 주로 b축 방향의 1차원 배향성을 가지고 있다는 것을 명확하게 증명해 주고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법은 매우 효과적임을 알 수 있다.

<실시예 2>

본 실시예2에서는 5+ 원자가를 가지는 Nb 또는 Ta이 첨가된 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄) 결정 중에서 특히 (Li_1-xA_y)FePO₄ (A는 Nb 또는 Ta, 0 ≤ x ≤ 0.05, 0 < y ≤ 0.05) 의 출발 물질에서 생성된 양이온 결함 분포가 원자 레벨로 조절된 리튬 철 인산화물의 제조 실시예를 설명하고자 한다.

이들을 제조하기 위하여 사용된 출발 물질 원료 분말은 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 이고, 첨가물 분말은 Nb(OCH₂CH₃)₅, Ta(OCH₃CH₃)₅, 또는 Ta(OCH₃)₅이다. 세 가지 출발 물질 원료 분말 및 첨가물 분말은 모두 순도가 99.5 % 이상이다.

Nb 및 Ta 가 첨가된 리튬 철 인산화물의 분말을 합성하기 위해서 상기 실시예1에서 제시한 동일한 방법으로 혼합 분말을 준비하였다. 특히, Li과 Fe의 화학양론비를 서로 달리 하여 혼합분말을 준비한 후 서로 비교하였다.

첫번째로는 5 mol%의 Nb가 첨가된 Li_0.95FePO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합 분말을 준비하였다. 두번째로는 4 mol%의 Nb가 첨가된 LiFePO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.5:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합 분말을 준비하였다. 세번째로는 3 mol%의 Ta가 첨가된 Li_0.97FePO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.485:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합 분말을 준비하였다. 마지막으로, 5 mol%의 Ta가 첨가된 Li_0.95FePO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합 분말을 준비하였다.

이렇게 준비된 네가지의 분말 혼합물에 3~5 mol%의 Nb 또는 Ta를 첨가하기 위해서 Nb(OCH₂CH₃)₅, Ta(OCH₃CH₃)₅, 또는 Ta(OCH₃)₅를 사용하였다. 실시예1의 순수한 리튬 철 인산화물(LiFePO₄) 분말을 준비할 때와 마찬가지의 같은 방법으로 혼합, 밀링, 건조한 후 Ar이 채워진 glovebox에 분말 혼합물들을 보관하였다.

이와 같이 준비된 네 종류의 혼합물들을 각각 glovebox에서 마노 유발 (mortar and pestle)을 사용하여 응집된 분말들을 다시 분쇄하였다. 분쇄 후에 각각의 혼합 분말들을 알루미나(alumina) 도가니에 넣어 350℃ 온도에서, 2 내지 5 시간 동안 1차 하소(calcination) 열처리하였다. 이 때, 산소의 유입으로 인한 Fe 이온의 산화를 막기 위하여 400 cc/min의 유량으로 99.999 % 순도의 Ar 가스를 흘려주면서 열처리하여 1차로 합성된 분말을 얻었다.

350℃ 열처리 후, 응집된 상태를 분쇄하고 보다 균일한 첨가제의 분포를 위하여 마노 유발을 이용하여 수 분간 다시 잘 분쇄하여 주었다. 이렇게 준비된 분말을 1차 하소 열처리 때와 같은 유량의 400 cc/min의 Ar 가스를 흘려주면서, 600 내지 800℃에서 2 내지 10 시간 동안 2차 소결 열처리하였다. 2차 소결 열처리에서는 비정질상에서 결정상으로 상전이를 하기 위한 결정핵이 서서히 생긴 후 이를 중심으로 결정으로 성장하는 단계를 거친다. 이 과정에서 중간단계 준안정 결정 상태를 거쳐서 최종적으로 규칙적 올리빈 구조의 결정이 완성되며 결정내의 자리교환 결함도 1차원 배향성을 갖게 된다.

따라서, 최종적으로 비정질상의 잔존양이 최대한 적으면서 불필요한 입자의 조대화를 억제하기 위해서는 800℃ 이하의 온도에서 10 시간 이내의 시간동안 열처리하는 것이 바람직하다.

본 실시예2에서 얻어진 Nb 또는 Ta의 알칼리 원소들이 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄)결정 분말에서 양이온 자리결함 1차원 분포조절을 위한 열처리 조건을 아래의 표 2에 정리하여 나타내었다.

[표 2]

조 성	1차 하소 열처리	2차 소결
Nb0.05Li0.95FePO4	350 5 h, Ar	800 2 h, Ar
Nb0.04LiFePO4	350 5 h, Ar	750 10 h, Ar
Ta0.03Li0.97FePO4	350 5 h, Ar	800 6 h, Ar
Ta0.05Li0.95FePO4	350 5 h, Ar	700 8 h, Ar

구체적인 원자 단위 1차원 배향성의 결함분포에 대한 결과는 아래의 분석예2에서 보여주고자 한다. Nb나 Ta 원소를 첨가하여 출발 물질을 혼합하여 제조할 때, Li과 Fe의 비율을 반드시 1:1 로 정확히 조절해 주지 않고도 원자 단위의 자리교환 결함 조절이 가능하다는 것을 확인하였다. 따라서, 실제 제조공정상의 화학조성에 있어서 비화학양론적 여유가 상당히 크게 존재하여 훨씬 쉽고 편하게 결정 내에서 결함을 조절할 수 있는 큰 장점이 있다.

<분석예 2>

본 분석예2에서는 본 발명에서 제시하는 방법으로 제조된 5+ 원자가를 갖는 원소를 첨가한 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄)의 입자에 있어서 결정격자 내부의 양이온들 간의 규칙적 배열 관계를 HAADF(High-Angle Annular Dark Field) 법을 이용하여 원자 레벨로 직접 관찰한 결과를 제시하고자 한다. 특히, 이러한 분석예를 통하여 리튬 전이금속 인산화물(LiMPO₄) 결정 입자 내애서 양이온 자리 결함의 1차원적 배열이 잘 이루어졌음을 HAADF-STEM 이미지를 사용하여 원자 단위로 직접적으로 증명하고자 한다.

전자 현미경 관찰을 위한 시편은 실시예1에서 제조한 분말 시편 중 하나를 사용하였다. 즉, 350℃에서 5 시간 동안 1차 하소 열처리한 4 mol%의 Nb가 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄)의 분말을 금속 몰드에 주입하여 직경 9 mm 두께 1 mm의 원반형으로 성형하고, 이렇게 준비된 성형체를 2차 열처리를 위해서 동일한 아르곤(Ar) 분위기 하의 750℃에서 5 시간 동안 열처리를 하여 균일한 조직의 다결정체를 제조하였다. 전형적인 다결정체 투과 전자 현미경 시편 제작법을 따라 소결된 다결정체 시편을 100 ㎛ 두께까지 연마한 후 3 mm의 직경을 갖는 원반 디스크로 초 음파 절단하였다. 이들 디스크 시편을 딤플링(dimpling)한 후 최종적으로 이온-밀링(ion-milling)을 통하여 주사 투과 전자 현미경(STEM)상에서 관찰 가능하도록 얇게 제조하였다

도 7은 본 분석예에서 실제로 HAADF 모드를 사용하여 얻은 Z-contrast STEM 격자 이미지를 보여주고 있다. 도 7의 a)에서는 다결정 리튬 철 인산화물(LiFePO₄)의 시편에서 [010] 투영 방향, 즉, b축이 지면에 수직한 방향이 되도록 결정입자 방위를 조정하여 Li과 Fe 이온의 규칙 배열을 보다 잘 관찰하고자 하였다. 또한, 도 7의 b)에서는 [001] 투영 방향, 즉 c축이 지면에 수직한 방향이 되도록 결정입자 방위를 조정하여 관찰하였다. 보다 명확한 원자 위치를 표시하기 위해서 해당 이미지 위에 투영 방향을 결정격자 모식도를 겹쳐 나타내었다. 전술한 전산모사예에서 보여진 도 3과 비교해 보면 두가지 이미지 모두 전산모사 이미지와 동일한 결과를 얻었음을 알 수 있다. 즉, M1 자리의 Li은 원자번호가 산소보다도 작은 3번이기 때문에 이미지 상에서 전혀 콘크라스트를 가질 수 없어 검게 나오며, 반면 M2 자리의 Fe는 26번의 매우 큰 원자번호를 가지고 있어서 밝게 회절되어 이미지를 이루게 된다. 뿐만 아니라 첨가된 Nb 이온이 결정 격자 내에 치환되어 들어 갔음을 EDS(energy dispersive spectroscopy)를 통하여 확인하였다.

결정 격자내 양이온 자리 결함의 1차원 배향성을 확인하기 위하여 본 분석예2에서는 상기의 분석예1에서와 동일하게 [010] 투영방향과 [001] 투영방향의 HAADF-STEM 격자 이미지를 관찰하였다. 도 8의 a)와 b)는 각각 [010] 투영방향과 [001] 투영방향에 대한 STEM 이미지를 보여 주고 있다. 앞서 도 6 a)의 [010] 방향에 대한 이미지에서는 Li이 위치한 원자 컬럼 중 일부가 밝기 콘트라스트를 보여주고 있다. 따라서 결정내부에는 분명히 자리교환 결함이 존재하고 있음을 알 수 있었다. 하지만, 도 8 b)의 [001] 투영방향으로 관찰했을 경우에는 이러한 Li자리의 밝기 콘트라스트는 거의 찾을 수 없었다. 상기 전산모사예의 도 3에서 보여진 결과와 비교해 보면 그 차이를 보다 명확히 이해할 수 있다. 즉 Li 자리에 위치한 Fe 자리교환 결함이 3차원 무작위적으로 배열되어 있다면 어느 결정 방향으로 관찰하여도 동일하게 밝기 콘트라스트의 변화를 검출해 낼 수 있어야 한다. 하지만 이러한 자리교환 결함들이 어느 한 축(b축) 방향으로 1차원 배열을 하고 있기 때문에 결정을 [001] 투영방향으로 관찰하게 되면 도 2의 b) 모식도와 같이 Li 자리의 Fe 자리교환 결함의 농도가 상대적으로 적게 관찰된다. 그러므로, 이러한 결함에 따른 밝기 콘트리스트 변화를 이미지 상에서 검출할 수 없게 된다.

결론적으로 본 분석예를 통하여 Li 자리의 Fe 자리교환 결함의 배열은 주로 b축 방향의 1차원 배향성을 가지고 있다는 것을 매우 명확하게 증명해 주고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 양이온 결함 분포가 원라 레벨로 조절된 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법은 매우 효과적임을 알 수 있다.

도 9는 본 발명을 통해 구현된 결정 결함의 1차원적 배열에 대한 모식도를 나타낸 것으로 본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물이 도시되어 있다.

본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물은, 알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중 적어도 어느 하나를 함유하고, 그 결정 내에서 리튬과 전이금속의 자리 교환 결함은 국부적으로 클러스터링되어 어느 하나의 축 방향에 평행한 1차원 방향성 배열로 분포된다. 이때, 상기 어느 하나의 축은 예를 들면 결정학적으로 b축이다.

<실시예 3>

본 실시예 3에서는 실시예 1, 2에서 예시한 것에 부가해서 철 이외의 망간, 코발트 등의 다른 전이금속으로 이루어진 리튬 금속 인산화물 제조 실시예를 설명한다. 즉, 역시 동일하게 K 또는 Na의 알칼리 원소 또는 Nb 및 Ta의 원소를 첨가물로 넣은 (Li_1-xA_y)FePO₄ 또는 Li(Fe_1-xA_y)PO₄ (A는 K, Na, Nb 또는 Ta, M은 Fe, Mn, Co 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물, 0 ≤ x ≤ 0.1, 0 < y ≤ 0.1)의 출발 물질로부터 생성된 리튬 전이금속 인산화물에 대해서 설명한다.

이들을 제조하기 위하여 사용된 출발 물질 원료 분말은 전술한 실시예 1과 2에서와 동일하게 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 이며 Mn과 Co의 원료를 위해서는 MnC₂O₄(2H₂O)와 CoC₂O₄(2H₂O)를 사용하였다. 또한 첨가물로 사용된 분말은 K₂CO₃를 사용하였다. 출발 물질 원료 분말 및 첨가물로 사용된 분말은 모두 순도가 99.5 % 이상이다.

본 실시예에서는 공통적으로 5 mol%의 K를 첨가한 Li_0.95FeO₄, Li_0.95MnO₄, Li_0.95CoO₄의 서로 다른 전이금속으로 이루어진 리튬 금속 인산화물의 나노결정입자를 합성하였다. 이를 위하여 상기 실시예 1과 2와 동일한 방법으로 혼합 분말을 준비하였다. 첫번째로는 5 mol%의 K가 첨가된 Li_0.95FeO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, FeC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합 분말을 준비하였다. 두번째로는 5 mol%의 K가 첨가된 Li_0.95MnO₄ 분말을 합성하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, MnC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합 분말을 준비하였다. 세번째로는 5 mol%의 K가 첨가된 Li_0.95CoO₄의 분말을 합성하기 위해서 0.475:1:1 몰(mole)의 비율로 혼합된 Li₂CO₃, CoC₂O₄(2H₂O), NH₄H₂PO₄ 의 혼합 분말을 준비하였다. 상기 실시예에서 보여준 바와 같이 Li의 첨가량이 감소할수록 결정립의 크기는 작아지는 특징이 관찰되었으므로 Li의 비화학양론비를 0.95로 적절히 조절하여 열처리 공정 동안에 균일한 입자 핵생성과 성장이 이루어지도록 하였다.

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 혼합하였다. 그 다음, 건조하여 아세톤 용매를 모두 제거한 후, 공기와의 접촉으로 인한 산화 현상을 막기 위하여 Ar 가스가 채워진 glovebox 안으로 즉시 넣어 보관한다.

이들 세 종류의 혼합물들을 실시예 1 및 2와 동일하게 각각 glovebox에서 마노 유발(mortar and pestle)을 사용하여 응집된 분말들을 다시 분쇄하였다. 분쇄 후에 각각의 혼합 분말들을 알루미나(alumina) 도가니에 넣어 350℃, 5 시간 동안 1차 하소(calcination) 열처리하였다. 이 때, 산소의 유입으로 인한 Fe, Mn 또는 Co 이온의 산화를 막기 위하여 400 cc/min의 유량으로 99.999 % 순도의 Ar 가스를 흘려주면서 열처리 하여 1차로 합성된 분말을 얻었다. 350℃ 열처리 후, 응집된 상태를 분쇄하고 보다 균일한 첨가제의 분포를 위하여 마노 유발을 이용하여 수 분간 다시 잘 분쇄하여 주었다. 이렇게 준비된 분말을 1차 하소 열처리 때와 같은 유량의 400 cc/min의 Ar 가스를 흘려주면서, 450℃에서 1 ~ 2 시간 동안 2차 열처리하였다.

본 실시예 3에서 제조된 여러 종류의 결정입자 분말들에 대한 열처리 조건을 아래의 표 3에 정리하여 나타내었다.

[표 3]

조 성	1차 하소 열처리	2차 열처리
Li0.95Na0.05FePO4	350 5 h, Ar	450 2 h, Ar
Li0.95Na0.05CoPO4	350 5 h, Ar	450 1 h, Ar
Li0.95Na0.05MnPO4	350 5 h, Ar	450 2 h, Ar
LiMn0.95Na0.05PO4	350 8 h, Ar	500 2 h, Ar
LiCo0.98Na0.04PO4	350 2 h, Ar	450 3 h, Ar

<시험예>

본 발명에서 제시된 방법으로 제조된 리튬 전이금속 인산화물의 전기화학적 성능을 측정하였다. 더욱 구체적으로는 리튬이온 이차전지에서의 양극물질로의 응용을 위하여 전지로서의 충전 및 방전 특성을 시험하였으며, 본 시험예를 통하여 본 발명에서 제조된 리튬 전이금속 인산화물 결정입자들은 높은 에너지 밀도를 갖을 뿐만 아니라 매우 우수한 출력 밀도 성능을 보일 수 있다는 특징을 가지고 있음을 보여준다.

본 시험예에서는 전기화학적 충전, 방전 특성을 측정하기 위해서 실시예에서 제조된 분말 시편 중, 4 mol%의 Na가 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄) 결정 분말과 4 mol%의 K가 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄) 결정 분말을 선택하였다.

우선, 전극제조를 위하여 4 mol%의 Na가 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄) 결정 분말과 켓젠 블랙 카본(Ketjen black carbon), 그리고 PVDF(polyvinylidene difluoride)(KynarFlex사의 제품 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, 진공오븐(oven)에서 건조하여 양극 코팅(coating)을 제조하였다.

전지 테스트를 위한 셀(cell) 제조는 기본적으로 알려진 일반적 방법으로 시행하였다. 즉, 리튬금속을 상대음극으로 사용하였으며, CELGARD 2400(CELGARD사 제품)의 분리막을 양극과 음극 사이에 넣어 사용했다. 전해질 용액은 1M의 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.

또한, 4 mol%의 K가 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄) 결정 분말을 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 0.5C, 즉 80 mA/g으로 일정하며 전압도 4.3V 로 일정하게 유지시켜주면서 충전을 해 주는 CCCV(constant current constant voltage) 충전법으로 하였다. 또한, 방전을 위해서는 일반적인 갈바노스태틱(galvanostatic)한 CC(constant current) 방법을 사용하여 다양한 방전 전류를 적용시켜 빠른 방전시에 얻을 수 있는 출력 특성을 파악하였다.

도 10은 이러한 방식으로 4 mol%의 K가 첨가된 리튬 철 인산화물(LiFePO₄) 나노 분말을 이용하여 0.2C의 낮은 전류부터 5C. 10C, 및 20C의 높은 전류 조건에서 전지 테스트를 한 충전 및 방전 결과를 나타내고 있다. 0.2C의 충분히 낮은 전류의 느린 방전조건에서는 앞서의 시험에서와 동일하게 약 150 mAh/g의 용량을 나타내므로 우수한 에너지 밀도 성질이 나온다는 사실을 알 수 있다. 뿐만 아니라 더욱 중요하게는 10C이상 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 11은 4 mol%의 Na가 첨가된 LiFe_0.98PO₄ 나노 분말을 이용하여 총 3개의 동일한 시편을 제조한 다음, 같은 방식으로 전지 테스트한 결과 중에서 다양한 방전율에 따른 방전용량을 나타낸 도표이다. 도 11에 도시된 바와 같이 0.2C의 낮은 방전율에서는 거의 이론 용량값에 해당하는 155 mAh/g의 높은 용량을 보이고 있으며, 특히, 20C와 같은 빠른 방전율에서도 80 mAh/g 이상의 우수한 방전용량을 유지하고 있다. 20C에서의 결과를 리튬금속 음극을 기준으로 할 때 출력 밀도를 계산해 보면 약 9,900 W/kg 이상의 매우 우수한 출력 특성을 보인다는 사실을 확인할 수 있었다.

따라서 본 시험예에서는 본 발명에서 제조된 리튬 전이금속 인산화물의 결정 입자들은 매우 우수한 에너지 밀도와 출력밀도를 갖는 리튬전지의 양극재료로 쓰일 수 있음을 보여주고 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물 및 그 제조 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 1은 리튬 전이금속 인산화물 결정의 구조를 도시한 모식도이다.

도 2에서 a)는 리튬 전이금속 인산화물 결정 내에서 일반적인 양이온 자리 결함 분포를 보여주는 모식도이며, b)는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 리튬 전이금속 인산화물을 비교하여 보여주는 모식도이다.

도 3는 본 발명에 의한 전산모사예에서 얻어진 Z-콘트라스트 주사 투과 전자 현미경(STEM) 이미지이며 자리교환결함의 변화에 따른 이미지 변화를 비교하여 보여주고 있다.

도 4는 본 발명에 의한 실시예 1에서 4 mol%의 K를 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO₄) 분말을 450℃에서 실시간으로 연속적으로 얻은 고분해능 투과 전자 현미경 조직 사진들이다.

도 5는 본 발명에 의한 실시예 1에서 제조한 4 mol%의 K를 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO₄) 결정에서 얻은 [010] 투영방향으로의 Z-콘트라스트 주사 투과 전자 현미경(STEM) 이미지이다.

도 6은 본 발명에 의한 실시예 1에서 제조한 4 mol%의 K를 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO₄) 결정에서 얻은 [010] 투영방향 및 [001] 투영방향으로의 Z-콘트라스트 주사 투과 전자 현미경(STEM) 이미지이며, 1차원 자리교환 결함에 의한 밝기 콘트라스트 차이를 보여주고 있다.

도 7은 본 발명에 의한 실시예 2에서 제조한 4 mol%의 Nb를 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO₄) 결정에서 얻은 [010] 투영방향 및 [001] 투영방향으로의 Z-콘트라스트 주사 투과 전자 현미경(STEM) 이미지들과 결정 구조 모식도 및 EDS 조성분석 결과를 보여주고 있다.

도 8은 본 발명에 의한 실시예 2에서 제조한 4 mol%의 Nb를 첨가한 리튬철 인산화물(LiFePO₄) 결정에서 얻은 [010] 투영방향 및 [001] 투영방향으로의 Z-콘트라스트 주사 투과 전자 현미경(STEM) 이미지이며, 1차원 자리교환 결함에 의한 밝기 콘트라스트 차이를 보여주고 있다.

도 9는 본 발명에 의한 분석예 1과 2에서 분석한 원자 단위의 양이온 자리교환 결함에 대한 1차원적 배열을 보여주는 모식도이다.

도 10은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 4 mol%의 K가 첨가된 리튬 철 인산화물의 결정 입자를 사용하여 실시한 충전, 방전 특성을 측정한 시험예에서의 전지 테스트 결과이다.

도 11은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 4 mol%의 Na가 첨가된 리튬 철 인산화물의 나노입자를 사용하여 실시한 3개의 전지테스트 결과를 다양한 방전율에 따른 용량변화로 나타낸 그래프이다.

도 12는 본 발명에 따른 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법을 도시한 순서도이다.

Claims (16)

1. 리튬, 전이금속, 그리고 인을 포함하는 고체 상태의 염(salt)을 출발 물질로 하고 상기 출발 물질에 알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물로 이루어진 첨가물을 첨가하여 제1 중간 물질을 생성하는 제1 단계;

   250 내지 400℃ 온도로 1차 열처리하여 비정질 상태의 제2 중간 물질을 생성하는 제2 단계; 및,

   상기 제2 중간 물질을 상온까지 냉각한 다음, 400 내지 800℃ 온도로 2차 열처리하여 양이온 결함 분포가 국부적으로 클러스터링(clustering)화되고 그 분포가 결정 내에서 어느 하나의 축 방향에 평행한 1차원 방향성 배열을 갖는 최종 물질을 생성하는 제3 단계

   를 포함하는 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 알칼리 원소는 나트륨(Na) 또는 칼륨(K)이며, 상기 5+ 원자가를 갖는 원소는 니오븀(Nb) 또는 탄탈륨(Ta)인 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 출발 물질은 카보네이트(carbonates), 옥살레이트(oxalates), 아세테이트(acetates), 암모늄 포스페이트(ammonium phosphates) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 카보네이트는 탄산리튬(Li₂CO₃)이고, 상기 옥살레이트는 MC₂O₄(2H₂O) (여기서, M은 Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물)이며, 상기 아세테이트는 M(CO₂CH₃)₂ (여기서, M은 Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물)이고, 상기 암모늄 포스페이트는 인산이수소암모늄(NH₄H₂PO₄)인 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물은 상기 출발 물질에 5 mol% 이하로 첨가되는 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 중간 물질은 화학양론 조성이 (Li_1-xA_x)(M_1-yB_y)PO₄ 또는 (LiA_x)(MB_y)PO₄ (여기서, A와 B는 Na, K, Nb, Ta 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물이고, M은 Fe, Mn, Co, Ni, Ti, Cu 중에서 선택되는 어느 하나의 원소 또는 이들의 혼합물이며, 0 < x ≤ 0.05, 0 < y ≤ 0.05)인 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 1차 및 2차 열처리는 Ar, N₂, CO/CO₂ 중에서 선택되는 어느 하나의 가스가 1분간 100 내지 500cc의 유량으로 흐르는 가스 분위기에서 수행되는 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 나트륨(Na)을 위한 첨가물로서 탄산나트륨(Na₂CO₃), 상기 칼륨(K)을 위한 첨가물로서 탄산칼륨(K₂CO₃), 상기 니오븀(Nb)을 위한 첨가물로서 Nb(OCH₂CH₃)₅, 상기 탄탈륨(Ta)을 위한 첨가물로서 Ta(OCH₃CH₃)₅, 또는 Ta(OCH₃)₅를 사용하는 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 1차 열처리 및 2차 열처리는 1 내지 10시간 동안 수행되는 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 첨가물이 알칼리 원소를 포함하는 경우, 450 내지 800℃의 온도로 2 내지 10시간 동안 2차 열처리하는 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
11. 청구항 1에 있어서,

    상기 첨가물이 5+ 원자가를 갖는 원소를 포함하는 경우, 600 내지 800℃의 온도로 2 내지 10시간 동안 2차 열처리하는 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
12. 청구항 1에 있어서,

    상기 최종 물질을 생성하는 제3 단계는 상기 비정질 상태의 제2 중간 물질을 준안정 중간상을 거쳐서 결정화시키는 리튬 전이금속 인산화물 제조 방법.
13. 리튬 전이금속 인산화물로서,

    알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중 적어도 어느 하나를 함유하고, 결정 내에 리튬과 전이금속의 자리 교환 결함이 국부적으로 클러스터링되어 어느 하나의 축 방향에 평행한 1차원 방향성 배열로 분포되는 리튬 전이금속 인산화물.
14. 청구항 13에 있어서,

    상기 어느 하나의 축은 결정학적으로 b축인 리튬 전이금속 인산화물.
15. 청구항 13에 있어서,

    상기 알칼리 원소 또는 5+ 원자가를 갖는 원소 중 적어도 어느 하나는 5 mol% 이하인 리튬 전이금속 인산화물.
16. 청구항 13에 있어서,

    상기 결정의 결정 구조는 올리빈 구조인 리튬 전이금속 인산화물.

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