KR101217461B1 - Composite Comprising Manganese-Based Cathode Active Material and Method of Preparing the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 망간 산화물이 2.5 내지 3.5 V 범위에서 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있도록 전도성 물질이 포함되어 있는 양극 활물질의 제조방법으로서, 상기 리튬 망간 산화물의 합성 원료인 리튬 전구체 및 망간 전구체와, 전도성 물질 또는 전도성 물질의 전구체를 혼합한 후, 상기 전도성 물질 또는 전구체가 산화되지 않은 온도 범위에서 혼합물을 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬 망간 산화물의 결정립들(crystal grains) 사이에 전도성 물질의 입자가 위치하고 있는 복합체(composite) 구조로 이루어져 있으며, 그에 따라 용량 및 사이클 특성도 우수하다.
The present invention is a method for producing a positive electrode active material containing a conductive material so that the lithium manganese oxide exhibits excellent charge and discharge characteristics in the range of 2.5 to 3.5 V, lithium precursor and manganese precursor as a raw material for the synthesis of the lithium manganese oxide, and conductive After mixing a precursor of a material or a conductive material, it provides a method for producing a positive electrode active material comprising the step of firing the mixture in a temperature range in which the conductive material or precursor is not oxidized.
The cathode active material according to the present invention is composed of a composite structure in which particles of a conductive material are located between crystal grains of lithium manganese oxide, and thus have excellent capacity and cycle characteristics.

Description

망간계 양극 활물질을 포함하는 복합체 및 그 제조 방법 {Composite Comprising Manganese-Based Cathode Active Material and Method of Preparing the Same}Composite containing manganese-based positive electrode active material and method for manufacturing the same {Composite Comprising Manganese-Based Cathode Active Material and Method of Preparing the Same}

본 발명은 리튬 망간 산화물이 2.5 내지 3.5 V 범위에서 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있도록 전도성 물질이 포함되어 있는 양극 활물질의 제조방법으로서, 더욱 상세하게는, 상기 리튬 망간 산화물의 합성 원료인 리튬 전구체 및 망간 전구체와, 전도성 물질 또는 전도성 물질의 전구체를 혼합한 후, 상기 전도성 물질 또는 전구체가 산화되지 않은 온도 범위에서 혼합물을 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a method for producing a positive electrode active material containing a conductive material so that the lithium manganese oxide exhibits excellent charge and discharge characteristics in the 2.5 to 3.5 V range, more specifically, a lithium precursor which is a synthetic raw material of the lithium manganese oxide and After mixing a manganese precursor, a conductive material or a precursor of a conductive material, and a method for producing a positive electrode active material comprising the step of firing the mixture in a temperature range in which the conductive material or precursor is not oxidized.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. As technology development and demand for mobile devices are increasing, the demand for secondary batteries as energy sources is rapidly increasing. Among such secondary batteries, lithium secondary batteries having high energy density and voltage, long cycle life and low self- It has been commercialized and widely used.

또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈수소 금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.In addition, as interest in environmental problems increases, researches on electric vehicles and hybrid electric vehicles, which can replace vehicles using fossil fuels such as gasoline and diesel vehicles, which are one of the main causes of air pollution, are being conducted. . Although a nickel-metal hydride secondary battery is mainly used as a power source of such an electric vehicle and a hybrid electric vehicle, research using a lithium secondary battery having a high energy density and a discharge voltage is being actively conducted, and some commercialization stages are in progress.

이러한 리튬 이차전지의 음극 활물질로는 탄소재료가 주로 사용되고 있고, 리튬 금속, 황 화합물 등의 사용도 고려되고 있다. 또한, 양극 활물질로는 주로 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 사용되고 있고, 그 외에 층상 결정구조의 LiMnO2, 스피넬 결정구조의 LiMn2O4 등의 리튬 함유 망간 산화물과, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiO2)의 사용도 고려되고 있다.As a negative electrode active material of such a lithium secondary battery, a carbon material is mainly used, and use of lithium metal, a sulfur compound, etc. is also considered. In addition, lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ) is mainly used as the positive electrode active material, and a lithium-containing manganese oxide such as LiMnO 2 having a layered crystal structure and LiMn 2 O 4 having a spinel crystal structure and a lithium- 2 ) is also considered.

상기 양극 활물질들 중 LiCoO2은 수명 특성 및 충방전 효율이 우수하여 가장 많이 사용되고 있지만, 구조적 안정성이 떨어지고, 원료로서 사용되는 코발트의 자원적 한계로 인해 고가이므로 가격 경쟁력에 한계가 있다는 단점을 가지고 있어서, 전기자동차 등과 같은 분야의 동력원으로 대량 사용함에는 한계가 있다.Among the above cathode active materials, LiCoO 2 is most widely used because it has excellent lifetime characteristics and charge / discharge efficiency, but it has a disadvantage that its structural stability is poor and its cost competitiveness is limited due to resource limitations of cobalt used as a raw material , Electric vehicles and so on.

LiNiO2계 양극 활물질은 비교적 값이 싸고 높은 방전용량의 전지 특성을 나타내고 있으나, 충방전 사이클에 동반하는 체적 변화에 따라 결정구조의 급격한 상전이가 나타나고, 공기와 습기에 노출되었을 때 안전성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.The LiNiO 2 cathode active material exhibits a relatively low cost and high discharge capacity, but exhibits a rapid phase transition of the crystal structure in accordance with the volume change accompanying the charging / discharging cycle, and the safety is significantly lowered when exposed to air and moisture There is a problem.

또한, LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물은 열적 안전성이 우수하고 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 용량이 작고, 사이클 특성이 나쁘며, 고온 특성이 열악하다는 문제점이 있다.In addition, lithium manganese oxides such as LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 have the advantages of excellent thermal safety and low price, but have a problem of small capacity, poor cycle characteristics, and poor high temperature characteristics.

이러한 리튬 망간 산화물 중에서 스피넬계 LiMn2O4의 경우, 3V 영역(2.5 내지 3.5V)에서는 사이클 및 저장 특성이 매우 떨어져서, 그 활용이 어려운 것으로 알려져 있다. 그 원인으로는 Jahn-Teller distortion의 상전이 현상에 의해 4V 영역에서 등축정계상(cubic phase)의 단일상으로 존재하다가, 3V 영역에서는 등축정계상과 정방정계상(tetragonal phase)의 복합상(two-phase)으로 변화되는 현상과, 망간의 전해액으로의 용출 현상 등을 들 수 있다.Among such lithium manganese oxides, spinel-based LiMn 2 O 4 is known to be difficult to utilize due to its poor cycle and storage characteristics in the 3V region (2.5 to 3.5V). The reason is that due to the phase transition phenomenon of Jahn-Teller distortion, it exists as a single phase of the cubic phase in the 4V region, but in the 3V region, it is a complex phase of the equiaxed and tetragonal phases. phase), elution to the manganese electrolyte, and the like.

이러한 스피넬계 리튬 망간 산화물의 3V 영역 활용시, 일반적으로는 실제 용량도 이론 용량도 낮은 편이며 C-rate 특성도 낮은 편이다.When the spinel lithium manganese oxide is used in the 3V region, the actual capacity and the theoretical capacity are generally low and the C-rate characteristics are also low.

따라서, 스피넬계 리튬 망간 산화물의 3V 영역의 활용에 대한 연구는 그 해결이 매우 어려운 것으로 알려져 있으며, 그 중 일부 연구는 각각 정방정계상의 형성 및 S-도핑(doping)에 의한 효과에 의하여 3V 영역에서 사이클 특성이 향상되었다고 보고하고 있으나, 그 효과가 미미하거나 향상 원인에 대하여 확실한 이유를 밝혀내지 못하였다.Therefore, studies on the utilization of the 3V region of the spinel-based lithium manganese oxide are known to be very difficult to solve, and some of them have been studied in the 3V region due to the formation of tetragonal phase and the effect of S-doping. It is reported that the cycle characteristics have been improved, but the effect is insignificant or the reason for the improvement has not been found.

또한, 일부 연구에서는 3V 영역의 활용을 위하여, 스피넬계 리튬 망간 산화물과 카본을 밀링에 의해 혼합하는 방식으로 3V 영역의 사이클 특성을 향상시키는 기술을 제시하고 있으나, 본 출원의 발명자들이 확인한 바로는, 상기와 같은 기술 방법은 제조 과정이 복잡하고 3V 영역에서 소망하는 수준으로 충방전 특성의 개선 효과를 발휘하지 못하였다.In addition, some studies have proposed a technique for improving the cycle characteristics of the 3V region by mixing the spinel lithium manganese oxide and carbon by milling, in order to utilize the 3V region, but as the inventors of the present application have confirmed, The above-described technical method is complicated in the manufacturing process and did not exhibit the effect of improving the charge and discharge characteristics to the desired level in the 3V region.

따라서, 간단한 방법에 의해 제조되면서도 3V 영역에서 우수한 충방전 특성을 발휘하는 스피넬계 리튬 망간 산화물의 제조 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a manufacturing technology of spinel-based lithium manganese oxide, which is manufactured by a simple method and exhibits excellent charge and discharge characteristics in the 3V region.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art and the technical problems required from the past.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 3V 영역에서의 낮은 전기화학적 성능을 개선하기 위하여, 특정한 스피넬계 리튬 망간 산화물의 합성 원료인 리튬 전구체 및 망간 전구체와, 전도성 물질 또는 전도성 물질의 전구체를 함께 사용하여 상기 리튬 망간 산화물을 제조할 경우, 간단한 방법에 의해 3V 영역에서 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있는 리튬 망간 산화물을 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. The inventors of the present application, after extensive research and various experiments, in order to improve low electrochemical performance in the 3V region, lithium precursors and manganese precursors, which are synthetic raw materials of specific spinel-based lithium manganese oxides, and conductive materials or conductive materials When the lithium manganese oxide is prepared using a precursor of a material, it was confirmed that a simple method can produce a lithium manganese oxide capable of exhibiting excellent charge and discharge characteristics in the 3V region, thus completing the present invention. .

따라서, 본 발명에 따른 리튬 망간 산화물이 2.5 내지 3.5 V 범위에서 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있도록 전도성 물질이 포함되어 있는 양극 활물질의 제조방법은, 상기 리튬 망간 산화물의 합성 원료인 리튬 전구체 및 망간 전구체와, 전도성 물질 또는 전도성 물질의 전구체를 혼합한 후, 상기 전도성 물질 또는 전구체가 산화되지 않은 온도 범위에서 혼합물을 소성하는 단계를 포함하는 것으로 구성되어 있다.Therefore, the method for producing a positive electrode active material containing a conductive material so that the lithium manganese oxide exhibits excellent charge and discharge characteristics in the range of 2.5 to 3.5 V according to the present invention, a lithium precursor and a manganese precursor as a raw material for the synthesis of the lithium manganese oxide And, after mixing the conductive material or precursors of the conductive material, firing the mixture in a temperature range in which the conductive material or precursor is not oxidized.

일반적인 스피넬계 리튬 망간 산화물은 4V 영역에서 등축정계상(cubic phase)의 단일상으로 존재하다가, 3V 영역(2.5 내지 3.5V)에서 Jahn-Teller distortion 효과에 의해 등축정계상에서 정방정계상(tetragonal phase)으로 상전이 현상이 발생하면서, 충방전 특성이 크게 감소하게 된다. 예를 들어, 동일한 조건으로 이차전지를 제조하였을 때, 4V 영역에서의 실제 용량은 이론 용량에 근접하지만(이론 용량은 3V 영역과 4V 영역 모두에서 약 130 mAh/g 임), 3V 영역에서의 실제 용량(90 mAh/g)은 이론 용량에 크게 미치지 못한다.In general, spinel-based lithium manganese oxide exists as a single phase of the cubic phase in the 4V region, and is tetragonal phase in the equiaxed phase due to the Jahn-Teller distortion effect in the 3V region (2.5 to 3.5V). As a result of the phase transition phenomenon, the charge and discharge characteristics are greatly reduced. For example, when the secondary battery is manufactured under the same conditions, the actual capacity in the 4V region is close to the theoretical capacity (theoretical capacity is about 130 mAh / g in both the 3V and 4V regions), but in the 3V region The capacity (90 mAh / g) falls far short of the theoretical capacity.

그러나, 본 출원의 발명자들은 다양한 실험들과 심도있는 연구를 통해, 3V 영역에서 상기와 같은 상전이 현상에 의해 충방전 특성이 크게 감소한다는 것을 계산화학적인 방법으로 밝혀 냈으며, 더 나아가, 전도성 물질이 포함된 상태로 스피넬계 리튬 망간 산화물을 제조하여 전도성을 향상시킬 경우, 놀랍게도 3V 영역(2.5 내지 3.5V)의 실제 용량이 이론 용량 수준으로 증가함을 확인하였다.However, the inventors of the present application, through various experiments and in-depth studies, found that the charge-discharge characteristics are greatly reduced by the above phase transition phenomenon in the 3V region, and furthermore, the conductive material is included. When the spinel-based lithium manganese oxide was prepared to improve conductivity, it was surprisingly found that the actual capacity of the 3V region (2.5 to 3.5V) increased to the theoretical capacity level.

리튬 망간 산화물의 전기 전도도를 개선하는 방법으로서, 스피넬계 리튬 망간 산화물의 입자 표면에 전도성 물질을 코팅하여 양극 활물질을 제조하는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 스피넬계 리튬 망간 산화물의 제조 과정과는 별도로, 전도성 물질의 코팅이라는 복잡한 공정을 거처야 하는 문제점이 있다.As a method of improving the electrical conductivity of lithium manganese oxide, a method of manufacturing a cathode active material by coating a conductive material on the surface of the spinel-based lithium manganese oxide may be considered. However, this method has a problem in that, apart from the manufacturing process of the spinel-based lithium manganese oxide, it has to go through a complicated process of coating a conductive material.

반면에, 본 발명에 따르면, 스피넬계 리튬 망간 산화물을 제조하는 과정에서, 합성 원료의 전구체 혼합물에 전도성 물질 또는 그것의 전구체를 첨가하고 소성 분위기를 상기 전도성 물질 등이 산화되지 않는 온도 범위로 조절하는 방법을 사용하기 때문에, 새로운 공정의 추가 없이 종래의 반응 조건을 최대한 활용하므로, 전반적인 제조 공정이 매우 효율적이다.On the other hand, according to the present invention, in the process of manufacturing the spinel-based lithium manganese oxide, the conductive material or a precursor thereof is added to the precursor mixture of the synthetic raw material and the firing atmosphere is adjusted to a temperature range in which the conductive material and the like are not oxidized Because of the method, the overall manufacturing process is very efficient since it makes full use of conventional reaction conditions without the addition of new processes.

하나의 바람직한 예에서, 상기 리튬 망간 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 조성의 스피넬 구조를 가진 산화물일 수 있다.In one preferred example, the lithium manganese oxide may be an oxide having a spinel structure of the composition represented by the following formula (1).

Li(1+x)Mn2-yAyO4-zA'z (1)Li(1 + x)Mn2-yAyO4-zA 'z (One)

상기 식에서, 0≤x≤1; 0≤y≤0.2; 0≤z≤0.5 이고;Wherein 0 ≦ x ≦ 1; 0? Y? 0.2; 0 ≦ z ≦ 0.5;

A는 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Ti, V, Zr 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이며;A is one or two or more selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Ti, V, Zr and Zn;

A'는 F, Cl, Br, I, S, 칼코게나이드 화합물, 및 질소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이다.A 'is one, two or more selected from the group consisting of F, Cl, Br, I, S, chalcogenide compounds, and nitrogen.

바람직하게는, x가 0보다 클 때, Mn의 함량은 Li의 과잉량(x) 만큼 Mn이 추가적으로 결핍된 Mn2 -x-y일 수 있다.Preferably, when x is greater than 0, the content of Mn may be Mn 2 -xy which additionally lacks Mn by an excess (x) of Li.

상기와 같이 Mn의 일부를 다른 금속 원소로 치환하거나 및/또는 O의 일부를 다른 음이온으로 치환하는 경우, 리튬 망간 산화물의 구조적 안정성을 향상시키고 수명 특성을 더욱 연장할 수 있다. As described above, when a part of Mn is substituted with another metal element and / or a part of O is substituted with another anion, the structural stability of the lithium manganese oxide can be improved and the lifespan characteristics can be further extended.

상기 리튬 망간 산화물의 합성 원료인 리튬 전구체는 바람직하게는 리튬 수산화물(LiOH)일 수 있다. 본 발명에서는 전도성 물질 또는 그것의 전구체를 망간 전구체와 함께 소성하는 과정에서 상기 전도성 물질 또는 그것의 전구체가 산화되면서 소실되는 것을 방지하기 위하여 종래보다 상대적으로 낮은 온도에서 소성 과정을 수행하는 바, 본 발명자들은 리튬 전구체로서 리튬 카보네이트(Li2CO3)를 사용하는 경우에 상기 소성 조건에서 만족스러운 결과가 얻어지지 못함을 확인하였다. 따라서, 리튬 전구체로는 리튬 수산화물(LiOH)을 사용하는 것이 바람직하다. The lithium precursor which is a synthetic raw material of the lithium manganese oxide may be preferably lithium hydroxide (LiOH). In the present invention, in order to prevent the conductive material or its precursor from being lost while being oxidized in the process of baking the conductive material or its precursor with a manganese precursor, the firing process is performed at a relatively lower temperature than the conventional one. It was confirmed that satisfactory results were not obtained in the firing conditions when lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) was used as the lithium precursor. Therefore, it is preferable to use lithium hydroxide (LiOH) as a lithium precursor.

상기 망간 전구체는 바람직하게는 망간옥시 히드록시드(MnOOH)일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 소성 조건을 고려할 때, 이산화망간(MnO2)보다 화합물 내에서 Mn의 결합력이 상대적으로 작은 망간옥시 히드록시드(MnOOH)은 소성 과정에서 분해가 용이하므로, 더욱 낮은 온도에서의 소성을 가능하게 한다. 다만, 최적화된 반응 조건에서는 MnO2를 사용하여 만족스러운 결과를 얻을 수도 있다. The manganese precursor may be preferably manganese oxy hydroxide (MnOOH). As described above, in consideration of the firing conditions of the present invention, manganese dioxide hydroxide (MnOOH) having a relatively smaller binding force of Mn in the compound than manganese dioxide (MnO 2 ) is easier to decompose during the firing process, and thus lower temperature Enable firing at However, under optimized reaction conditions, satisfactory results may be obtained using MnO 2 .

상기 전도성 물질은 전기 전도도가 우수하고 이차전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않으면서 상기 소성 조건에서 소실되지 않는 것이라면 특별히 제한되지는 않으나, 전도성이 높은 카본계 물질이 특히 바람직하다. 그러한 고전도성의 카본계 물질의 바람직한 예로는 그라파이트를 들 수 있다. 경우에 따라서는, 전도성이 높은 전도성 고분자도 가능함은 물론이다.The conductive material is not particularly limited as long as the conductive material is excellent in electrical conductivity and does not disappear in the firing conditions without causing side reactions in the internal environment of the secondary battery, but a carbon-based material having high conductivity is particularly preferable. Preferred examples of such highly conductive carbon-based materials include graphite. In some cases, a conductive polymer having high conductivity is also possible.

또한, 상기 전도성 물질의 전구체는 산소를 포함하는 분위기, 예를 들어, 공기 분위기에서 상대적으로 낮은 온도로 소성하는 과정에서 전도성 물질로 변환되는 물질이면 특별히 제한없이 사용될 수 있다. In addition, the precursor of the conductive material may be used without particular limitation as long as it is a material that is converted into a conductive material in the process of baking at a relatively low temperature in an atmosphere containing oxygen, for example, an air atmosphere.

코팅되는 상기 전도성 물질 또는 전구체의 양이 너무 적으면 소망하는 효과를 기대하기 어렵고, 반대로 너무 많으면 상대적으로 활물질의 양이 적어져서 용량이 감소할 수 있다. 따라서, 상기 전도성 물질 또는 전도성 물질의 전구체의 첨가량은 혼합물의 전체 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 15 중량%인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3 중량% 내지 10 중량%일 수 있다.If the amount of the conductive material or precursor to be coated is too small, it is difficult to expect the desired effect, on the contrary, if the amount is too large, the amount of the active material may be relatively small, thereby reducing the capacity. Accordingly, the amount of the conductive material or the precursor of the conductive material is preferably 0.5 wt% to 15 wt%, more preferably 3 wt% to 10 wt%, based on the total weight of the mixture.

앞서 설명한 바와 같이, 소성 온도는 전도성 물질 또는 그것의 전구체가 산화에 의해 소실되지 않는 온도로서, 바람직하게는 650℃ 내지 800℃의 범위이며, 소성 온도가 너무 낮으면 리튬 망간 산화물의 수율이 떨어지고 반대로 너무 높으면 전도성 물질 등의 산화가 일어날 수 있다. 이러한 소성 온도는 종래에 스피넬계 리튬 망간 산화물의 합성을 위한 소성 온도인 800℃ 내지 1000℃보다 낮은 범위이다.As described above, the firing temperature is a temperature at which the conductive material or its precursor is not lost by oxidation, preferably in the range of 650 ° C to 800 ° C, and if the firing temperature is too low, the yield of lithium manganese oxide decreases and conversely. Too high can lead to oxidation of conductive materials and the like. This firing temperature is in the range lower than 800 ℃ to 1000 ℃ the conventional firing temperature for the synthesis of spinel-based lithium manganese oxide.

상기 소성은 바람직하게는 산소 농도가 5 내지 30%인 분위기에서 수행할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 공기 분위기에서 수행할 수 있다.The firing may be preferably performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 5 to 30%, and more preferably in an air atmosphere.

소성 시간은 예를 들어 5 시간 내지 20 시간일 수 있으며, 바람직하게는 6 시간 내지 15 시간일 수 있다. The firing time may be, for example, 5 hours to 20 hours, preferably 6 hours to 15 hours.

본 발명에 따르면 비교적 저온에서 소성하는 과정을 거치므로, 바람직하게는, 상기 소성 단계 이전에 혼합물을 분쇄(grinding)하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. According to the present invention, since the process of firing at a relatively low temperature, preferably, may further comprise the step of grinding the mixture before the firing step.

본 발명은 또한 상기와 같은 방법으로 제조된 양극 활물질을 제공한다.The present invention also provides a cathode active material prepared by the above method.

본 발명에 따른 방법으로 제조된 양극 활물질은, 리튬 망간 산화물의 결정립들(crystal grains) 사이에 전도성 물질의 입자가 위치하고 있는 복합체(composite) 구조로 이루어져 있다. 이러한 복합체(composite) 구조의 양극 활물질은 전도성 물질을 단순히 코팅하는 것에 비해 3V 영역에서의 더욱 우수한 충방전 특성을 발휘한다.The cathode active material prepared by the method according to the present invention has a composite structure in which particles of a conductive material are located between crystal grains of lithium manganese oxide. The cathode active material having a composite structure exhibits more excellent charge / discharge characteristics in the 3V region than simply coating a conductive material.

즉, 일반적으로는 3V 영역에서 Jahn-Teller distortion의 상전이 현상에 의한 전기화학적 분쇄(electrochemical grinding) 현상이 일어남으로써(예를 들어, 무정형화(amorphorization)) 충방전 특성의 저하가 유발되는데, 본 발명에서와 같이 리튬 망간 산화물의 결정립들 사이에 전도성 물질의 입자가 위치하고 있는 복합체 구조에 의해, 이를 방지할 수 있는 것으로 추측된다.That is, in general, electrochemical grinding due to the phase transition phenomenon of Jahn-Teller distortion occurs in the 3V region (for example, amorphorization), leading to deterioration of charge and discharge characteristics. As can be seen by the composite structure in which particles of the conductive material are located between the grains of lithium manganese oxide, it is estimated that this can be prevented.

따라서, 본 발명에서 스피넬계 리튬 망간 산화물은 전도성 물질과의 복합체 구조의 형성에 기반하여 3V 영역에서 소망하는 수준의 충방전 특성을 발휘할 수 있다.Therefore, the spinel-based lithium manganese oxide in the present invention can exhibit the desired level of charge and discharge characteristics in the 3V region based on the formation of a composite structure with a conductive material.

본 발명에서 상기 스피넬계 리튬 망간 산화물은 등축정계상(cubic phase)을 포함할 수도 있고, 정방정계상(tetragonal phase)을 포함할 수도 있으며, 이들 모두를 포함할 수도 있다. 즉, 등축정계상의 리튬 망간 산화물의 결정립들 사이에 전도성 물질의 입자가 위치하고 있는 복합체 구조, 정방정계상의 리튬 망간 산화물의 결정립들 사이에 전도성 물질의 입자가 위치하고 있는 복합체 구조 등일 수 있으며, 경우에 따라서는 등축정계상과 정방정계상을 모두 포함하는 리튬 망간 산화물의 결정립들 사이에 전도성 물질의 입자가 위치하고 있는 복합체 구조일 수도 있다.In the present invention, the spinel-based lithium manganese oxide may include a cubic phase, a tetragonal phase, or both. That is, it may be a composite structure in which particles of a conductive material are located between grains of lithium manganese oxide on an equiaxed crystal system, a composite structure in which particles of a conductive material are located between crystal grains of lithium manganese oxide on a tetragonal system, and in some cases, May be a composite structure in which particles of a conductive material are located between grains of lithium manganese oxide including both an equiaxed and tetragonal phase.

본 발명은 또한 상기와 같은 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 합제를 제공한다.The present invention also provides a cathode mixture comprising the cathode active material as described above.

이러한 양극 합제는 상기의 양극 활물질 이외에도, 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등이 포함될 수 있다.In addition to the positive electrode active material, the positive electrode mixture may optionally include a conductive material, a binder, a filler, and the like.

경우에 따라서는, 상기와 같은 스피넬계 리튬 망간 산화물 이외에 추가로 기타 활물질을 포함할 수 있으며, 이 경우 스피넬계 리튬 망간 산화물은 전체 양극 활물질 중량을 기준으로 바람직하게는 30 내지 99%, 더욱 바람직하게는 50 내지 95%일 수 있다. 여기서, 기타 활물질은 당업계에 공지되어 있는 다양한 활물질들로서, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 니켈-망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 코발트-망간-니켈 산화물, 이들에 타원소(들)가 치환 또는 도핑된 산화물 등이 모두 포함된다.In some cases, in addition to the spinel-based lithium manganese oxide as described above may include other active materials, in this case, the spinel-based lithium manganese oxide is preferably 30 to 99%, more preferably based on the total weight of the positive electrode active material May be from 50 to 95%. Here, the other active materials are various active materials known in the art, such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium cobalt-manganese oxide, lithium nickel-manganese oxide, lithium cobalt-nickel oxide, lithium cobalt-manganese- Nickel oxides, oxides in which ellipsoid (s) are substituted or doped, etc. are all included.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. The conductive material is usually added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the cathode active material. Such a conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.

상기 바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 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 공중합제 등을 들 수 있다.The binder is added to the binder in an amount of 1 to 30% by weight, based on the total weight of the mixture containing the cathode active material, as a component that assists in bonding between the active material and the conductive agent and bonding to the current collector. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.

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 중합제; 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 fibers and carbon fibers are used.

본 발명은 또한 상기 양극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 이차전지용 양극을 제공한다.The present invention also provides a positive electrode for a secondary battery in which the positive electrode mixture is coated on a current collector.

이차전지용 양극은, 예를 들어, 상기 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.The positive electrode for a secondary battery can be produced, for example, by applying a slurry prepared by mixing the positive electrode mixture to a solvent such as NMP, coating the negative electrode collector, followed by drying and rolling.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 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 cathode current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. Such a positive electrode collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change to the battery, and may be formed on the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon or aluminum or stainless steel Carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used. The current collector may have fine irregularities on the surface thereof to increase the adhesive force of the cathode active material, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric are possible.

본 발명은 또한 상기 양극과, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 Li(1+x)Mn2O4에 전도성 물질로 코팅하여 2.5 내지 3.5V에서도 용량 및 사이클 특성이 우수한 장점이 있다. The present invention also provides a lithium secondary battery composed of the positive electrode, the negative electrode, the separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte. The lithium secondary battery according to the present invention has an advantage of excellent capacity and cycle characteristics even at 2.5 to 3.5V by coating with a conductive material on Li (1 + x) Mn 2 O 4 .

상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 포함될 수 있다.The negative electrode is prepared, for example, by coating a negative electrode mixture containing a negative electrode active material on a negative electrode collector and then drying the mixture. The negative electrode mixture may contain the above-described components as required.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 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 collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. Such an anode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, and examples thereof include copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like can be used. In addition, like the positive electrode collector, fine unevenness can be formed on the surface to enhance the bonding force of the negative electrode active material, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams and nonwoven fabrics.

상기 분리막은 양극과 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 separation membrane is interposed between the anode 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 0.01 to 10 mu m and the thickness is generally 5 to 300 mu m. Such separation membranes include, for example, olefinic polymers such as polypropylene, which are chemically resistant and hydrophobic; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as an electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.

상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The lithium salt-containing nonaqueous electrolyte solution is composed of an electrolyte solution and a lithium salt. As the electrolyte solution, a nonaqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, and an inorganic solid electrolyte may be used.

상기 비수계 유기용매로는, 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.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -Butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate Nonionic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyrophosphate, ethyl propionate and the like 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 중합제 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, A polymer containing an ionic dissociation group and the like may 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 material that is readily soluble 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, 전해액에는 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FEC(Fluoro-Ethlene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.For the purpose of improving the charge / discharge characteristics and the flame retardancy, the electrolytic solution is preferably mixed with an organic solvent such as pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, . In some cases, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further added to impart nonflammability. In order to improve the high-temperature storage characteristics, carbon dioxide gas may be further added. FEC (Fluoro-Ethylene carbonate, PRS (propene sultone), FEC (fluoro-ethylene carbonate), and the like.

본 발명에 따른 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.The secondary battery according to the present invention can be used not only in a battery cell used as a power source for a small device but also as a unit cell in a middle or large battery module including a plurality of battery cells.

상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등을 들 수 있지만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.Preferred examples of the medium and large devices include, but are not limited to, electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and the like.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 간단한 방법에 의해, 3V 영역(2.5 내지 3.5V)에서 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있는 스피넬계 리튬 망간 산화물을 제조할 수 있으며, 이러한 스피넬계 리튬 망간 산화물은 종래보다 우수한 용량 및 사이클 특성을 가진 리튬 이차전지의 제조에 사용될 수 있다.As described above, according to the present invention, a spinel-based lithium manganese oxide capable of exhibiting excellent charge and discharge characteristics in the 3V region (2.5 to 3.5V) can be manufactured by a simple method. May be used in the manufacture of a lithium secondary battery having superior capacity and cycle characteristics than the prior art.

도 1은 실험예 1에서 실시예 1의 이차전지에 대한 사이클 증가에 따른 전류-전압 변화 결과를 나타낸 그래프이다;
도 2는 실험예 1에서 비교예 1의 이차전지에 대한 사이클 증가에 따른 전류-전압 변화 결과를 나타낸 그래프이다;
도 3은 실험예 1에서 실시예 1의 이차전지와 비교예 1의 이차전지에 대한 사이클 증가에 따른 용량의 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing the results of the current-voltage change with increasing cycle for the secondary battery of Example 1 in Experimental Example 1;
Figure 2 is a graph showing the current-voltage change results with increasing cycle for the secondary battery of Comparative Example 1 in Experimental Example 1;
3 is a graph showing a change in capacity with increasing cycles for the secondary battery of Example 1 and Comparative Example 1 in Experimental Example 1.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are provided to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1]Example 1

리튬 수산화물(LiOH)과 망간옥시 히드록시드(MnOOH)를 화학적 양론비로 혼합하고, 이러한 혼합물에 그라파이트를 첨가한 후, 균일하게 분쇄(grinding)한 뒤 산소 농도가 20%인 분위기에서 750℃로 소성하여, 스피넬계 리튬 망간 산화물(92 중량%)과 그라파이트(8 중량%)의 복합체를 기반으로 한 양극 활물질을 제조하였다. Lithium hydroxide (LiOH) and manganese oxy hydroxide (MnOOH) are mixed in stoichiometric ratio, graphite is added to this mixture, and then uniformly ground and calcined at 750 ° C. in an atmosphere having an oxygen concentration of 20%. Thus, a cathode active material based on a composite of spinel lithium manganese oxide (92 wt%) and graphite (8 wt%) was prepared.

이렇게 제조된 양극 활물질 87 중량%(스피넬계 리튬 망간 산화물 80 중량% 및 그라파이트 7 중량% 함유)에 도전재로서 댕카블랙 7 중량%와 바인더로 PVDF 6 중량%를 첨가하여 양극 합제를 제조하였다.
The positive electrode mixture was prepared by adding 87 wt% of the positive electrode active material (containing 80 wt% of spinel-based lithium manganese oxide and 7 wt% of graphite) as a conductive material and 7 wt% of dangka black and 6 wt% of PVDF as a binder.

[비교예 1]Comparative Example 1

리튬 수산화물(LiOH)과 망간옥시 히드록시드(MnOOH)을 화학적 양론비로 혼합하고 균일하게 분쇄(grinding)한 뒤, 산소 농도가 20%인 분위기에서 750℃로 소성하여, 스피넬계 리튬 망간 산화물의 양극 활물질을 제조하였다.Lithium hydroxide (LiOH) and manganese oxy hydroxide (MnOOH) are mixed in a stoichiometric ratio and uniformly ground (grinding), and then calcined at 750 ℃ in an oxygen concentration of 20%, the cathode of the spinel lithium manganese oxide An active material was prepared.

이렇게 제조된 양극 활물질 80 중량%에 그라파이트 7 중량%와 도전재로서 댕카블랙 7 중량% 및 바인더로 PVDF 6 중량%를 첨가하여 양극 합제를 제조하였다.
A positive electrode mixture was prepared by adding 7 wt% graphite, 7 wt% dangka black as a conductive material, and 6 wt% PVDF as a binder to 80 wt% of the prepared positive electrode active material.

[실험예 1][Experimental Example 1]

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제조된 양극 합제를 NMP에 첨가하여 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체에 도포한 압연 및 건조하여 이차전지용 양극을 제조하였다. 이러한 양극과, 흑연을 기반으로 한 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 리튬 전해액을 주입하여, 코인형 리튬 이차전지를 제작하였다. The positive electrode mixture prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was added to NMP to make a slurry, and the resultant was rolled and dried to apply a positive electrode current collector to prepare a secondary battery positive electrode. A coin-type lithium secondary battery was manufactured by interposing a porous polyethylene separator between the positive electrode and the negative electrode based on graphite and injecting a lithium electrolyte.

이렇게 제작된 이차전지를 0.1C 조건으로 충방전을 반복하여 사이클에 따른 용량의 변화를 각각 측정하였고, 그 결과를 도 1 내지 도 3에 나타내었다.The secondary battery thus produced was repeatedly charged and discharged at 0.1 C, and the change in capacity according to the cycle was measured, respectively, and the results are shown in FIGS. 1 to 3.

도 1에는 실시예 1의 이차전지에 따른 3~4V 영역에서의 사이클 증가에 따른 전류-전압의 변화가 개시되어 있고, 도 2에는 비교예 1의 이차전지에 따른 3~4V 영역에서의 사이클 증가에 따른 전류-전압의 변화가 개시되어 있으며, 도 3에는 실시예 1의 이차전지와 비교예 1의 이차전지에 대한 사이클 증가에 따른 용량의 변화가 함께 개시되어 있다. 1 shows a change in current-voltage according to an increase in cycle in the region of 3 to 4 V according to the secondary battery of Example 1, and FIG. 2 shows an increase in cycle in the region of 3 to 4 V according to the secondary battery of Comparative Example 1 The change of the current-voltage according to the present invention is disclosed, and FIG. 3 also discloses the change in capacity with increasing cycles for the secondary battery of Example 1 and the secondary battery of Comparative Example 1. FIG.

이들 도면을 참조하면, 스피넬계 리튬 망간 산화물에 대한 그라파이트의 함량이 동일한 조건임에도 불구하고, 실시예 1의 이차전지는 비교예 1의 이차전지와 비교할 때, 초기 용량이 크고, 사이클 증가시에도 용량 감소가 미미하며, 평탄전위 구간의 길이가 거의 일정하게 유지되고 있어서, 충방전 성능이 매우 우수한 것을 알 수 있다.Referring to these figures, although the graphite content for the spinel-based lithium manganese oxide is the same condition, the secondary battery of Example 1, when compared with the secondary battery of Comparative Example 1, the initial capacity is large, even when the cycle increases The decrease is small and the length of the flat potential section is kept substantially constant, indicating that the charge and discharge performance is very good.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 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 (19)

하기 화학식 1로 표시되는 조성의 스피넬 구조를 가지고 있는 리튬 망간 산화물이 2.5 내지 3.5 V 범위에서 충방전 특성을 발휘할 수 있도록 전도성 물질이 포함되어 있는 양극 활물질의 제조방법으로서, 상기 리튬 망간 산화물의 합성 원료인 리튬 전구체 및 망간 전구체와, 전도성 물질 또는 전도성 물질의 전구체를 혼합한 후, 상기 전도성 물질 또는 전구체가 산화되지 않은 온도 범위에서 혼합물을 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법:

Li(1+x)Mn2-yAyO4-zA'z (1)
상기 식에서,
0≤x≤1;
0.01≤y≤0.2;
0≤z≤0.5;
A는 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Ti, V, Zr 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이며;
A'는 F, Cl, Br, I, S, 칼코게나이드 화합물, 및 질소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이다.
As a method for preparing a positive electrode active material containing a conductive material so that the lithium manganese oxide having a spinel structure of the composition represented by the following formula (1) exhibits charge and discharge characteristics in the 2.5 to 3.5 V range, a synthetic raw material of the lithium manganese oxide After mixing a phosphorus lithium precursor and a manganese precursor, a conductive material or a precursor of a conductive material, and firing the mixture in a temperature range where the conductive material or precursor is not oxidized:

Li (1 + x) Mn 2-y A y O 4-z A ' z (1)
In this formula,
0 ≦ x ≦ 1;
0.01 ≦ y ≦ 0.2;
0 ≦ z ≦ 0.5;
A is one or two or more selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Ti, V, Zr and Zn;
A 'is one, two or more selected from the group consisting of F, Cl, Br, I, S, chalcogenide compounds, and nitrogen.
삭제delete 제 1 항에 있어서, x가 0보다 클 때, Mn의 함량은 Li의 과잉량(x) 만큼 Mn이 추가적으로 결핍된 Mn2-x-y인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.2. The method of claim 1, wherein when x is greater than 0, the content of Mn is Mn 2-xy , in which Mn is additionally deficient by an excess (x) of Li. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 전구체는 리튬 수산화물(LiOH)인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the lithium precursor is lithium hydroxide (LiOH). 제 1 항에 있어서, 상기 망간 전구체는 망간옥시 히드록시드(MnOOH)인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the manganese precursor is manganese oxy hydroxide (MnOOH). 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 물질은 카본계 물질인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the conductive material is a carbon-based material. 제 6 항에 있어서, 상기 카본계 물질은 그라파이트인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 6, wherein the carbon-based material is graphite. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 물질 또는 전구체의 첨가량은 혼합물의 전체 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the amount of the conductive material or precursor added is 0.5 wt% to 15 wt% based on the total weight of the mixture. 제 1 항에 있어서, 상기 소성 온도는 650℃ 내지 800℃인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the firing temperature is 650 ° C. to 800 ° C. 6. 제 1 항에 있어서, 상기 소성은 산소 농도가 5 내지 30%인 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the firing is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 5 to 30%. 제 1 항에 있어서, 상기 소성은 5 시간 내지 20 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, wherein the firing is performed for 5 hours to 20 hours. 제 1 항에 있어서, 상기 소성 단계 이전에 혼합물을 분쇄(grinding)하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 1, further comprising grinding the mixture prior to the firing step. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 양극 활물질.The cathode active material prepared by the method according to any one of claims 1 and 3 to 12. 제 13 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 리튬 망간 산화물의 결정립들(crystal grains) 사이에 전도성 물질의 입자가 위치하고 있는 복합체(composite) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 양극 활물질. The cathode active material of claim 13, wherein the cathode active material has a composite structure in which particles of a conductive material are located between crystal grains of lithium manganese oxide. 제 13 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 합제.A cathode mixture comprising the cathode active material according to claim 13. 제 15 항에 따른 양극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.The positive electrode mixture for secondary batteries is coated on a current collector according to claim 15. 제 16 항에 따른 이차전지용 양극을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지. A lithium secondary battery comprising a positive electrode for a secondary battery according to claim 16. 제 17 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.18. The lithium secondary battery of claim 17, wherein the lithium secondary battery is used as a unit cell of a battery module which is a power source of a medium and large device. 제 18 항에 있어서, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 18, wherein the medium-to-large device is an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or a plug-in hybrid electric vehicle.
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