KR101280319B1 - The manufacturing method of producing lithium manganese complex oxide by hydrothermal reaction, lithium manganese complex oxide manufactured by the method, and electrochemical device using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬이차전지의 활물질로서 사용되는 리튬망간복합산화물인 Li1+xMn2-x-yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)의 수열합성법, 이에 의하여 제조된 Li1 + xMn2 -x- yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)및 이를 사용하는 전기화학소자에 대한 것이다. The present invention relates to Li 1 + x Mn 2-xy M y O 4 (0 ≦ x ≦ 0.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, M = Al, Mg and Ni, Co, which is a lithium manganese composite oxide used as an active material of a lithium secondary battery). Hydrothermal synthesis method of the same transition metal), and thus, Li 1 + x Mn 2 -x- y M y O 4 (0 x ≦ 0.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, M = Al, Mg and Ni, Co, etc. Metal) and electrochemical devices using the same.

Description

수열합성법을 이용하여 리튬망간복합산화물을 합성하는 방법, 이에 의하여 제조된 리튬망간복합산화물 및 이를 사용하는 전기화학소자{THE MANUFACTURING METHOD OF PRODUCING LITHIUM MANGANESE COMPLEX OXIDE BY HYDROTHERMAL REACTION, LITHIUM MANGANESE COMPLEX OXIDE MANUFACTURED BY THE METHOD, AND ELECTROCHEMICAL DEVICE USING THE SAME}Method for synthesizing lithium manganese composite oxide using hydrothermal synthesis method, the lithium manganese composite oxide prepared by the same and electrochemical device using the same METHOD, AND ELECTROCHEMICAL DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 수열합성법을 이용하여 리튬망간복합산화물을 합성하는 방법, 이에 의하여 제조된 리튬망간복합산화물 및 이를 사용하는 전기화학소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로 리튬이차전지의 활물질로서 사용되는 Li1 + xMn2 -x- yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)의 수열합성법, 이에 의하여 제조된 Li1 + xMn2 -x-yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속) 및 이를 사용하는 전기화학소자에 대한 것이다.
The present invention relates to a method for synthesizing a lithium manganese composite oxide using a hydrothermal synthesis method, a lithium manganese composite oxide prepared thereby and an electrochemical device using the same, more specifically Li 1 + used as an active material of a lithium secondary battery Hydrothermal synthesis of x Mn 2 -x- y M y O 4 (0 x ≦ 0.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, M = Al, Mg and Ni, Co, etc. transition metals), thereby preparing Li 1 + x Mn 2 -xy M y O 4 (0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M = Al, Mg and transition metals such as Ni, Co) and the electrochemical device using the same.

PDA, 이동전화, 노트북 컴퓨터 등 정보통신을 위한 휴대용 전자 기기나 전기자전거, 전기자동차 등의 전원으로, 충전과 방전을 거듭하며 사용하는 2차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다. 특히, 이들의 제품 성능이 핵심부품인 전지에 의해 좌우되므로 고성능 전지에 대한 요구는 대단히 크다. 전지에 요구되는 특성은 충·방전특성, 수명, 고율특성과 고온에서의 안정성 등 여러 가지 측면이 있다. 리튬 이차 전지는 높은 전압과 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 가장 주목받고 있는 전지이다.
As a power source for portable electronic devices such as PDAs, mobile phones, and notebook computers for information and communication, electric bicycles, and electric vehicles, the demand for secondary batteries that are repeatedly charged and discharged is rapidly increasing. In particular, the demand for high performance batteries is very large because their product performance depends on batteries, which are the key components. The characteristics required for the battery have various aspects such as charge and discharge characteristics, life, high rate characteristics, and stability at high temperatures. Lithium secondary batteries have the highest voltage and high energy density and are the most attracting attention.

이러한 리튬 이차전지에 대하여는 1980년 미즈시마 등에 의해 코발트산 리튬이 리튬 이차 전지의 양극활물질로서 유용하다는 보고(「머트리얼 리서치 블리틴」vol 115, 783∼789페이지(1980년))가 이루어진 이래, 리튬계 복합산화물에 관한 연구·개발이 활발하게 진행되고 있으며, 지금까지 양극활물질로서 코발트산 리튬, 니켈산 리튬 및 망간산 리튬 등이 알려져 있다. 이 중 망간산 리튬(LiMn2O4)는 코발트산 리튬이나 니켈산 리튬과 비교하면, 원료가 저렴하고 제조비용이 싸기 때문에 종래부터 여러 가지 제안이 이루어지고 있다.
Lithium secondary batteries have been reported by Mizushima et al in 1980 as a cathode active material for lithium secondary batteries (Material Research Bulletin vol 115, pages 783 to 789 (1980)). Research and development on the composite oxides are actively underway, and lithium cobalt, lithium nickelate, and lithium manganate are known as cathode active materials. Among them, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) has been proposed in the past because of the low cost of raw materials and low manufacturing cost compared to lithium cobalt or lithium nickelate.

이러한 망간산 리튬 LiMn2O4은 일반적으로 고상법을 이용하여 합성하였으나, 이것은 각 구성원소의 탄산염 혹은 수산화물을 원료로 하여 이들의 분말을 혼합ㆍ소성하는 과정을 수차례 거침으로써 제조하는 것이다. 그러나, 고상반응법은 고체상들의 고용체(solid solution) 형성이 어렵고 혼합시 불순물의 유입이 많고, 입자의 크기를 일정하게 제어하기 곤란하며, 제조시 온도가 높고 제조시간이 길다는 단점이 있었다.Such lithium manganate LiMn 2 O 4 is generally synthesized by using a solid phase method, but this is produced by several steps of mixing and baking these powders using carbonates or hydroxides of each element as raw materials. However, the solid-phase reaction method has a disadvantage in that it is difficult to form a solid solution of the solid phases, has a high inflow of impurities during mixing, difficult to control the size of the particles constantly, and has a high temperature and a long manufacturing time in manufacturing.

종래 이러한 문제점을 해결하기 위하여 공침법, 졸겔법, 수열합성법 등의 습식공정이 이용되고 있으나, 이러한 습식 공정 중 공침법은 전구체를 합성한 후 리튬염과 다시 열처리를 통해 합성해야 하는 단점이 있고 졸겔법은 합성 과정에서 부피팽창으로 인한 문제가 있었다. 또한, 습식 공정 중 수열합성법의 경우 용매로 주로 물만을 사용하여 합성시간이 길고, 결정성이 높은 LiMn2O4를 얻는 것이 어려워 별도의 열처리 공정을 거쳐야 하는 단점이 있었다.
Conventionally, wet processes such as co-precipitation, sol-gel, and hydrothermal synthesis have been used to solve these problems. However, co-precipitation during such a wet process has a disadvantage of synthesizing a precursor after synthesis of a lithium salt and heat treatment. Gel method has a problem due to volume expansion during the synthesis process. In addition, in the hydrothermal synthesis method of the wet process, it is difficult to obtain LiMn 2 O 4 having a long synthesis time and high crystallinity using only water as a solvent, and thus has to undergo a separate heat treatment process.

본 발명은 종래 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 생성되는 리튬망간복합산화물의 결정성을 높이고, 균일한 형상의 입자를 얻을 수 있으며, 제조 시간을 줄일 수 있는 새로운 수열합성법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems in the related art, and an object of the present invention is to provide a new hydrothermal synthesis method capable of increasing the crystallinity of the produced lithium manganese composite oxide, obtaining particles having a uniform shape, and reducing manufacturing time. .

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 리튬망간복합산화물을 합성하는 방법으로서, 원료로서 리튬 화합물, 망간 화합물 및 M 원소 화합물을 화학양론비로 혼합하고, 용매로서 물과 공용매를 사용하여, 160 내지 250℃에서 1일 내지 4일간 수열처리하는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용하여 Li1 + xMn2 -x-yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)를 합성하는 방법을 제공한다.
The present invention is a method for synthesizing a lithium manganese composite oxide in order to solve the above problems, by mixing the lithium compound, manganese compound and M element compound as a raw material in a stoichiometric ratio, using water and a cosolvent as a solvent, 160 Li 1 + x Mn 2 -xy M y O 4 (0 ≦ x ≦ 0.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, M = Al, using a hydrothermal synthesis method characterized by hydrothermal treatment at 1 to 4 days at 250 ° C.). Provided is a method for synthesizing Mg and transition metals such as Ni and Co.

본 발명에 있어서, 상기 공용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 벤조일알코올을 포함하는 알코올류, 모노에탄올아민, 다이에탄올아민, 트리에탄올아민, 카본테트라클로라이드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 테트라하이드로퓨란 등의 물질에서 1종 단독물이나 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
In the present invention, the cosolvent may be used in substances such as methanol, ethanol, isopropanol, benzoyl alcohol, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, carbon tetrachloride, acetone, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran and the like. It is characterized by the fact that it is one kind alone or a mixture of two or more kinds.

본 발명에 있어서, 상기 공용매는 상기 물에 대해 0.5 내지 5 부피% 로 사용하는 것을 특징으로 한다.
In the present invention, the cosolvent is used at 0.5 to 5% by volume based on the water.

본 발명의 다른 실시예에서는 이러한 제조 방법에 의하여 제조된 Li1 + xMn2 -x- yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)을 제공한다.
In another embodiment of the present invention is manufactured by the manufacturing method Li 1 + x Mn 2 -x- y M y O 4 (0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M = Al, Mg , and Ni, Co And the like transition metal).

본 발명의 또 다른 실시예에서는 이러한 제조 방법에 의하여 제조된 Li1 + xMn2 -x-yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)을 양극활물질로 사용하는 전기화학소자를 제공한다.
In another embodiment of the present invention Li 1 + x Mn 2 -xy M y O 4 (0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M = Al, Mg and Ni, Co, etc. prepared by this manufacturing method Provided is an electrochemical device using a transition metal) as a cathode active material.

본 발명에 있어서, 상기 전기화학소자는 리튬이차전지 또는 하이브리드 커패시터인 것을 특징으로 하는 제4항의 Li1 + xMn2 -x-yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)를 양극활물질로 사용하는 전기화학소자를 제공한다.
In the present invention, the electrochemical device is Li 1 + x Mn 2 -xy M y O 4 of claim 4, characterized in that the lithium secondary battery or a hybrid capacitor (0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M It provides an electrochemical device using =, Al, Mg and transition metals such as Ni, Co) as a cathode active material.

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

본 발명은 Li1 + xMn2 -x- yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)를 수열 합성법으로 합성하는 방법에 관한 것으로서, 수열합성법은 고온고압하에서 비결정질의 분말을 결정화하는 방법(Byrappa, K., Handbook of Crystal Growth, Vol.2, 1994, edited by Hurl, D.T.J.)으로, 이러한 방법은 광물학자들에 의해 지각을 이루고 있는 광석의 생성과정을 연구하던 도중에 발견되었다. 이러한 수열합성법에서 결정의 생성과정과 원리는, 고온고압하에서 결정의 구성물질이 수용액 내에서 이온화하고, 이 이온들이 주어진 조건하에서 가장 안정된 결정상을 생성하고 성장하는 것이다.
The present invention is a method for synthesizing Li 1 + x Mn 2 -x- y M y O 4 (0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M = Al, Mg and Ni, Co and other transition metals) by hydrothermal synthesis In this regard, hydrothermal synthesis is a method of crystallizing amorphous powders under high temperature and high pressure (Byrappa, K., Handbook of Crystal Growth, Vol. 2, 1994, edited by Hurl, DTJ). It was discovered while studying the formation of the crust ores. The process and principle of crystal formation in hydrothermal synthesis is that the constituents of the crystals ionize in aqueous solution under high temperature and high pressure, and these ions produce and grow the most stable crystal phase under given conditions.

일반적으로 수열 합성법에서는 원료를 오토클레이브 안에 넣고, 물을 상당 부분 채운다음 밀폐시켜서 고온 상태가 되도록 가열한다. 본 발명에 있어서는, 원료로서 리튬 화합물, 망간 화합물 및 M 원소 화합물을 화학양론비로 혼합하고, 오토클레이브 용기에 넣은 후, 용매로서 물과 공용매를 사용하여, 160 내지 250℃에서 1일 내지 4일간 수열처리하여 Li1 + xMn2 -x- yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)를 합성한다.
Generally, in hydrothermal synthesis, the raw material is placed in an autoclave, filled with a substantial portion of water, and then sealed to heat to a high temperature. In the present invention, a lithium compound, a manganese compound, and an M element compound are mixed at stoichiometric ratios as raw materials, placed in an autoclave container, and then water and cosolvent as solvents are used at 160 to 250 ° C. for 1 to 4 days. Hydrothermal treatment synthesizes Li 1 + x Mn 2 -x- y M y O 4 (0 x ≦ 0.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, M = Al, Mg and Ni, Co and other transition metals).

본 발명에서는 공용매를 사용하여 리튬 화합물과 망간 화합물을 반응을 촉진시킴으로서, 물만을 용매로 사용하는 종래 방법보다 짧은 시간에 결정성이 높으면서도 균일한 형상을 갖는 Li1 + xMn2 -x-yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속) 입자를 만들 수 있다. 본 발명에서 사용가능한 상기 공용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 벤조일알코올을 포함하는 알코올류, 모노에탄올아민, 다이에탄올아민, 트리에탄올아민, 카본테트라클로라이드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 테트라하이드로퓨란 등의 물질에서 1종 단독물이나 또는 2종 이상의 혼합물이다. 이러한 공용매는 물에 대해 0.5 내지 5 부피% 로 사용하는 것이 바람직하다.
In the present invention, by promoting the reaction between the lithium compound and manganese compound using a co-solvent, Li 1 + x Mn 2 -xy M having a high crystallinity and uniform shape in a short time than the conventional method using only water as a solvent y 0 4 (0 ≦ x ≦ 0.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, M = Al, Mg, and transition metal such as Ni, Co) particles can be made. The cosolvent usable in the present invention may be used in substances such as methanol, ethanol, isopropanol, benzoyl alcohol, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, carbon tetrachloride, acetone, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran and the like. It is single 1 type or a mixture of 2 or more types. Such cosolvent is preferably used at 0.5 to 5% by volume with respect to water.

본 발명에서의 수열처리 온도는 160 내지 250℃, 수열처리 시간은 1일 내지 4일이 바람직하다. 160℃ 이하에서는 결정이 성장하지 않으며, 250℃ 이상에서는 용매가 끓어버리는 문제점이 있으며, 수열처리 시간이 1일 이하일 경우 결정의 생성이 충분하지 못하다는 문제점이 있고, 4일 이상일 경우 생성된 Li1 + xMn2 -x- yMyO4 분말의 크기 분포가 크다는 문제점이 있다.
As for the hydrothermal temperature in this invention, 160-250 degreeC, and hydrothermal treatment time are 1 day-4 days are preferable. There is a problem that the crystal does not grow at 160 ℃ or less, the solvent is boiled at 250 ℃ or more, there is a problem that the production of crystal is not enough when the hydrothermal treatment time is less than 1 day, Li 1 produced when more than 4 days + x Mn 2 -x- y M y O 4 There is a problem that the size distribution of the powder is large.

본 발명은 또한 이러한 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해질의 구성에 의해 리튬 이차전지를 제조하는 방법은 당업계에 공지되어 있다.The present invention also provides a lithium secondary battery comprising such a positive electrode. Methods for producing a lithium secondary battery by the construction of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte are known in the art.

양극은, 앞서 설명한 바와 같이, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 양극 합제와 강유전체 물질의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.As described above, the positive electrode is prepared by applying a mixture of a positive electrode mixture of a positive electrode active material, a conductive agent and a binder and a ferroelectric material on a positive electrode current collector, and then drying it, and optionally adding a filler to the mixture. do.

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, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 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 generally has a thickness of 3 to 500 mu m. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. Examples of the positive electrode current collector include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, aluminum or stainless steel A surface treated with 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.

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 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive agent is usually added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the cathode active material. Such a conductive agent is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing a chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and 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 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 which assists in binding of the active material and the conductive agent and bonding to the current collector, and is usually added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture containing the cathode active material. 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, 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 suppressing the expansion of the anode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing a chemical change in the battery. Examples of the filler include olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.

반면에, 음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작된다. 경우에 따라서는, 양극 합제에서와 같은 도전제, 결착제, 충진제 등이 선택적으로 포함될 수도 있다.On the other hand, the negative electrode is produced by applying and drying the negative electrode material on the negative electrode current collector. In some cases, a conductive agent, a binder, a filler, or the like as in the positive electrode mixture may be optionally 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, 스테인레스 스틸, 알루미늄,니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 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 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 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 음극 재료는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMep1 - xMe'yOz (Mep: 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 및 Bi2O5 등의 금속 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 Mep 1 - x Me ' y O z (Mep: 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 alloy; Silicon-based alloys; Tin alloy; 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 Bi 2 O 5 and the like; 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.The separator is interposed between the cathode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.

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 pore diameter of the membrane is generally 0.01 ~ 10 ㎛ ㎛, thickness is generally 5 ~ 300 ㎛. 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.

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 non-aqueous electrolyte, a non-aqueous 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, dioxolon, 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, 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 중합체 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, Polymers containing ionic dissociation 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) 2NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide .

또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올 아민, 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, the non-aqueous electrolyte includes pyridine, triethyl phosphite, triethanol amine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, for the purpose of improving charge and discharge characteristics, flame retardancy, and the like. 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, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further added to impart nonflammability, or a carbon dioxide gas may be further added to improve high-temperature storage characteristics.

본 발명에 의하여 수열 합성법에 따라 Li1 + xMn2 -x- yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)를 제조할 경우 제조 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 결정성이 높고 균일한 크기의 입자를 얻을 수 있으며, 이러한 양극활물질을 포함하는 이차전지의 경우 용량 및 율 특성이 향상된다.
Li 1 + x Mn 2 -x- y M y O 4 (0 x ≦ 0.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, M = Al, Mg and Ni, Co, etc.) according to the hydrothermal synthesis method according to the present invention In this case, not only can shorten the manufacturing time, but also obtain crystal particles with high crystallinity and uniform size. In the case of the secondary battery including the cathode active material, capacity and rate characteristics are improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 LiMn2O4의 SEM 사진을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 비교예에 의하여 제조된 LiMn2O4의 SEM 사진을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 LiMn2O4의 XRD 사진을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예의 양극활물질로 만들어진 셀의 율(C-rate)특성을 나타낸다.
Figure 1 shows a SEM photograph of LiMn 2 O 4 prepared by the embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a SEM photograph of LiMn 2 O 4 prepared by the comparative example of the present invention.
Figure 3 shows an XRD photograph of LiMn 2 O 4 prepared by the Examples and Comparative Examples of the present invention.
Figure 4 shows the rate (C-rate) characteristics of a cell made of the positive electrode active material of Examples and Comparative Examples of the present invention.

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

<실시예><Examples>

물과 공용매로서 에탄올을 에탄올의 부피비가 1.5%가 되도록 혼합하고, 여기에 LiOH와 MnO2 (EMD)를 몰비로 1:2로 넣은 후 교반하였다. 이후 교반된 상기 혼합물을 오토클레이브에 넣고 섭씨 200도에서 4일간 수열처리 하였으며, 이후 세척, 건조 과정을 통해 LiMn2O4를 얻었다.
Ethanol was mixed with water as a cosolvent so that the volume ratio of ethanol was 1.5%, and LiOH and MnO 2 (EMD) were added in a molar ratio of 1: 2, followed by stirring. Then, the stirred mixture was placed in an autoclave and hydrothermally treated at 200 ° C. for 4 days, and then washed and dried to obtain LiMn 2 O 4 .

<비교예><Comparative Example>

용매로서 물 만을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 하여 LiMn2O4를 얻었다.
LiMn 2 O 4 was obtained in the same manner as in the above example except that only water was used as the solvent.

<SEM 사진 측정><SEM photo measurement>

이와 같이 제조된 실시예, 비교예의 LiMn2O4 를 SEM 사진을 찍어 비교하였으며, 그 결과를 도 1 및 도 2 에 나타내었다. LiMn 2 O 4 of Examples and Comparative Examples thus prepared were taken by a SEM photograph, and the results are shown in FIGS. 1 and 2.

공용매를 사용한 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 LiMn2O4의 경우 도 1에서 보는 바와 같이 1 마이크론 수준의 균일한 입자를 얻을 수 있는 반면, 공용매 없이 물 만을 사용한 도 2의 비교예의 경우 수십 나노미터 크기의 작은 입자들이 심하게 응집되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
In the case of LiMn 2 O 4 prepared according to an embodiment of the present invention using a cosolvent, uniform particles having a level of 1 micron can be obtained as shown in FIG. 1, while in the comparative example of FIG. 2 using only water without a cosolvent Small particles of several tens of nanometers in size were found to be heavily aggregated.

<XRD 측정><XRD measurement>

이와 같이 제조된 실시예, 비교예의 LiMn2O4의 XRD를 비교하였으며, 그 결과를 도 3 에 나타내었다. The XRD of LiMn 2 O 4 of Examples and Comparative Examples thus prepared was compared, and the results are shown in FIG. 3.

도 3에서 보는 바와 같이, 4일 동안 수열처리를 한 경우 본 발명의 실시예에 따라 공용매를 사용하였을 때, 훨씬 높은 결정성을 가지며, 공용매를 사용하지 않은 비교예의 경우 결정성이 낮고 MnO2와 같은 불순물이 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
As shown in Figure 3, when the hydrothermal treatment for 4 days when using a co-solvent according to an embodiment of the present invention, it has a much higher crystallinity, in the case of the comparative example without the co-solvent is low in crystallinity and MnO It was confirmed that impurities such as 2 existed.

<테스트 셀의 제작 ><Production of test cell>

이와 같이 제조된 실시예 및 비교예의 양극활물질, 결합제로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 도전재로서 슈퍼 P(Super P)를, 중량비로 80 : 10 : 10으로 용매(N-메틸피롤리돈)와 함께 혼합하여 양극 활물질조성물 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 테이프 형태로 캐스팅하여 극판을 제조하였다. The positive electrode active material of the examples and comparative examples thus prepared, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, super P (Super P) as a conductive material, solvent (N-methylpyrrolidone in a weight ratio of 80:10:10) ) And a positive electrode active material composition slurry was prepared, and the slurry was cast in the form of a tape to prepare an electrode plate.

이 극판에 대한 대극으로서 Li-호일을 사용하고, 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 1:1 부피비의 혼합물 및 LiPF6를 포함하는 전해액을 사용하여 코인 셀 타입의 반쪽 전지를 제조하였다.
A coin cell type half cell was produced using Li-foil as a counter electrode for this electrode plate and using a 1: 1 volume ratio mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate and an electrolyte solution containing LiPF 6 .

<충방전 테스트><Charge / Discharge Test>

상기와 같이 얻어진 셀은 [Li2MnO4/LiPF6 (1 M) in EC+2EMC/Li]로 표시되는데, 이 셀의 율(C-rate) 특성을 평가하였다. The cell obtained as described above is represented by [Li 2 MnO 4 / LiPF 6 (1 M) in EC +2 EMC / Li], and the rate (C-rate) characteristics of the cell were evaluated.

율(C-rate)특성을 평가하기 위하여 전기화학 분석장치(Toyo사 Toscat3000U, Japan)를 이용하여 상온(30℃), 3.0~4.3V의 전위영역, 다양한 전류밀도 조건에서 충, 방전 실험을 하여 사이클에 따른 용량 변화를 도 4에 나타내었다. To evaluate the rate characteristics, charge and discharge experiments were conducted at room temperature (30 ℃), 3.0 ~ 4.3V potential range, and various current density conditions using an electrochemical analyzer (Toscat3000U, Japan, Toyo). The capacity change with the cycle is shown in FIG. 4.

공용매를 넣은 본 발명의 실시예의 경우, 도 4에서 보는 바와 같이 초기용량 127mAh/g 수준의 용량을 얻을 수 있고 율 특성 측면에서 볼 때, 10 C-rate에서 0.1 C-rate 대비 70% 가량의 용량 유지율을 얻을 수 있으나, 공용매를 넣지 않은 비교예의 경우, 초기용량 97mAh/g 및 10 C-rate에서 0.1 C-rate 대비 64% 수준의 용량 유지율을 얻을 수 있었다. 즉, 공용매를 넣을 실시예의 경우, 보다 높은 초기용량과 우수한 율 특성을 얻을 수 있으며, 합성기간이 2일로서 공용매를 넣지 않았을 때의 10일보다 매우 짧아지는 이점이 있다는 것을 확인할 수 있었다. In the case of the embodiment of the present invention containing a co-solvent, as shown in Figure 4, the initial capacity of 127mAh / g level can be obtained in terms of rate characteristics, in terms of rate characteristics, about 70% of 0.1 C-rate at 10 C-rate The capacity retention rate can be obtained, but in the comparative example without the co-solvent, a capacity retention rate of 64% compared to 0.1 C-rate was obtained at an initial capacity of 97mAh / g and 10 C-rate. That is, in the case of the embodiment to add a co-solvent, it can be confirmed that a higher initial capacity and excellent rate characteristics can be obtained, and that the synthesis period is 2 days, which is much shorter than 10 days when no co-solvent is added.

Claims (6)

리튬망간복합산화물을 합성하는 방법으로서,
원료로서 리튬 화합물, 망간 화합물 및 M 원소 화합물을 화학양론비로 혼합하고, 용매로서 물과 공용매를 사용하며, 상기 공용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 벤조일알코올, 모노에탄올아민, 다이에탄올아민, 트리에탄올아민, 카본테트라클로라이드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 테트라하이드로퓨란으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 공용매의 혼합비는 상기 물에 대해 0.5 내지 5 부피%이며, 160 내지 250℃에서 1일 내지 4일간 수열처리하는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용하여 리튬망간복합산화물 Li1+xMn2-x-yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)를 합성하는 방법.
As a method for synthesizing lithium manganese composite oxide,
As a raw material, a lithium compound, a manganese compound, and an M element compound are mixed in a stoichiometric ratio, and water and a cosolvent are used as a solvent, and the cosolvent is methanol, ethanol, isopropanol, benzoyl alcohol, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine , At least one selected from the group consisting of carbon tetrachloride, acetone, methyl ethyl ketone, and tetrahydrofuran, and the mixing ratio of the cosolvent is 0.5 to 5% by volume with respect to the water, and 1 to 4 at 160 to 250 ° C. Lithium manganese composite oxide Li 1 + x Mn 2-xy M y O 4 (0 ≦ x ≦ 0.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, M = Al, Mg and Ni, using a hydrothermal synthesis method characterized in that the hydrothermal treatment for a day) Transition metals such as Co).
삭제delete 삭제delete 제1항의 제조 방법에 의하여 제조된 Li1+xMn2-x-yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속).
Li 1 + x Mn 2-xy M y O 4 prepared by the method of claim 1 (0 ≦ x ≦ 0.1, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, M = Al, Mg, Ni, Co and other transition metals).
제4항의 Li1 + xMn2 -x- yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)를 양극활물질로 사용하는 전기화학소자.
Electric using Li 1 + x Mn 2 -x- y M y O 4 (0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M = Al, Mg and Ni, Co, etc.) of claim 4 as a cathode active material Chemical element.
제5항에 있어서
상기 전기화학소자는 리튬이차전지 또는 하이브리드 커패시터인 것을 특징으로 하는 Li1+xMn2-x-yMyO4(0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M=Al, Mg 및 Ni, Co 등 전이금속)를 양극활물질로 사용하는 전기화학소자.
The method of claim 5, wherein
The electrochemical device is Li 1 + x Mn 2-xy M y O 4 (0≤x≤0.1, 0.01≤y≤0.5, M = Al, Mg and Ni, Co, characterized in that the lithium secondary battery or a hybrid capacitor) Electrochemical device using a transition metal) as a cathode active material.
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