KR101323096B1 - Sagger for synthesizing positive electrode active material of secondary battery and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 3Al2O3·2SiO2와 Al2O3의 고용체로 이루어진 몸체 및 이차전지의 양극활물질이 수용되는 상기 몸체의 표면에 형성되어 있는 표면 치밀화를 위한 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약층을 포함하는 이차전지 양극활물질 합성용 내화갑 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 내화갑에 대한 표면 치밀화 공정을 통해서 Li의 확산으로 말미암은 내화갑의 파손을 방지하여 장기간 사용할 수 있는 내화갑의 제공이 가능하며, 내화갑의 몸체는 열팽창계수가 높은 물질을 사용하고 내화갑의 표면은 열팽창계수가 낮은 유약을 도포하여 유약층을 형성함으로써 내화갑의 강도 향상 효과를 달성할 수 있다.The present invention provides a body composed of a solid solution of 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 and Al 2 O 3 and Li 2 O—Al 2 O 3 for surface densification formed on the surface of the body in which the cathode active material of the secondary battery is accommodated. The present invention relates to a saggar for synthesizing a cathode active material of a secondary battery including a -SiO 2 based glaze layer, and a manufacturing method thereof. According to the present invention, through the surface densification process for the saggar box, it is possible to provide a saggar that can be used for a long time by preventing the breakage of the saggar caused by the diffusion of the saggar, the body of the saggar using a material having a high coefficient of thermal expansion The surface of the fireproof sap can be applied to the glaze having a low coefficient of thermal expansion to form a glaze layer, thereby achieving the effect of improving the strength of the saggar.
Description
본 발명은 이차전지 양극활물질 합성용 내화갑에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 Li+의 확산을 방지하기 위해서 기공율이 높은 내화갑의 표면이 유약층으로 형성되어 표면 치밀화된 이차전지 양극활물질 합성용 내화갑 및 그 제조방법에 대한 것이다.
The present invention relates to a fireproof sap for synthesizing a secondary battery positive electrode active material, and more particularly, to prevent the diffusion of Li + , the surface of the high sag fireproof sac is formed of a glaze layer, thereby densifying the surface of a secondary cell positive electrode active material. It relates to a shoebox and a method of manufacturing the same.
최근 전자산업, 이동통신, 정보통신 등 커뮤니케이션 산업의 급속한 발전과 함께 전자기기의 경박 단소화 요구에 부응하여 고성능, 고용량, 고밀도의 에너지 저장매체가 개발되고 있다. In recent years, with the rapid development of the communication industry, such as the electronics industry, mobile communication, and information communication, high-performance, high-capacity, and high-density energy storage media have been developed in response to the demand for light and short reduction of electronic devices.
최근에는 안정성이 우수하며, 높은 에너지 밀도를 갖는 고성능 리튬이차전지 개발이 세계 각국에서 경쟁적으로 이루어지고 있다.In recent years, the development of high performance lithium secondary batteries having excellent stability and high energy density has been made competitive in various countries.
리튬이차전지의 양극을 제조하기 위한 내화갑(sagger)은 양극활물질의 원료를 소성할 때에 양극 원료에 포함되는 리튬(Li)이나 코발트(Co)가 내화갑으로 확산되는 문제가 있다. 리튬(Li)이나 코발트(Co)가 내화갑으로 확산하여 내화갑의 구성 성분과 반응하게 되면 내화갑의 내구성이 열화되고 그 수명이 단축된다.The sagger for producing a cathode of a lithium secondary battery has a problem in that lithium (Li) or cobalt (Co) included in the cathode raw material is diffused into the saggar when firing the raw material of the positive electrode active material. When lithium (Li) or cobalt (Co) diffuses into the refractory pack and reacts with the components of the refractory pack, the durability of the refractory pack is degraded and its life is shortened.
이에 대한 원인으로는 내화갑과 양극활물질 간의 농도 구배가 한가지 주요한 원인이 될 수 있다. 내화갑에는 Li+이나 Co3 +가 존재하지 않는 반면에 양극활물질에는 Li+과 Co3 +의 농도가 높다. 따라서 내화갑과 양극활물질 사이에 농도 구배가 발생하고, 이러한 농도 차이는 Li+과 Co3 +의 확산의 원인이 된다.The main cause of this problem is the concentration gradient between the saggar and the cathode active material. Li + or Co 3 + is absent in the refractory, while Li + and Co 3 + concentrations are high in the cathode active material. Therefore, a concentration gradient occurs between the saggar and the cathode active material, and the difference in concentration causes the diffusion of Li + and Co 3 + .
리튬이나 코발트의 확산에 의해 내화갑의 표면에서 리튬이나 코발트와 내화갑의 구성성분 사이에서 화학 반응이 발생할 수 있다. 이렇게 되면 이차전지 양극활물질이 Li+이온의 탈리와 삽입이라는 제 용도를 발휘할 수 없게 된다.Due to the diffusion of lithium or cobalt, chemical reactions may occur between the lithium or cobalt and the components of the saggar on the surface of the saggar. As a result, the secondary battery cathode active material may not be able to perform its useful purpose of detachment and insertion of Li + ions.
양극활물질을 제조할 때 소성 후의 온도 하강 공정에 있어서는, 노(furnace) 안에 공기(air)를 주입하는 방법으로 내화갑 및 소성물을 강제적으로 냉각하고 있다. In the temperature lowering step after firing in the production of the positive electrode active material, the refractory pack and the fired product are forcibly cooled by a method of injecting air into the furnace.
내화갑의 열팽창율이 높으면, 내화갑을 냉각할 때 온도 차이에 의한 수축 정도의 차이로 말미암아 크랙이 발생할 수 있다. If the thermal expansion rate of the saggar is high, cracking may occur due to the difference in the degree of shrinkage due to the temperature difference when cooling the saggar.
또한, 내화갑에 요구되는 성질 중에 소성하여 얻어진 양극활물질과 내화갑의 분리가 쉬워야 한다. 만일 양극활물질과 내화갑과의 박리성이 좋지 않으면, 양극활물질과 내화갑이 서로 엉겨 붙게 된다. 그 결과 소성 후에 양극활물질로부터 내화갑을 분리하기 어려워져 제품 수율이 저하될 수 있다. In addition, separation of the positive electrode active material and the fireproof bag obtained by firing in the properties required for the fireproof bag should be easy. If the anode active material and the saggar have poor peeling properties, the cathode active material and the saggar become entangled with each other. As a result, it is difficult to separate the saggar from the positive electrode active material after firing, which may lower the product yield.
또한, 기계적 특성 및 열적 특성이 우수하지 않은 물질을 내화갑의 원료로 사용하여 양극활물질을 합성할 때 20~25회의 반복 사용만으로 내화갑이 파손되는 문제점이 있을 수 있다. In addition, when synthesizing the positive electrode active material using a material having excellent mechanical and thermal properties as a raw material of the fireproof sap, there may be a problem that the saggar breaks only after 20 to 25 repeated use.
또한, 양극활물질의 재료 용기로 사용되는 내화갑의 경우 기공율이 약 17%에 이르기 때문에 쉽게 파손되는 문제가 있었다.
In addition, in the case of the fireproof box used as a material container of the positive electrode active material, the porosity reached about 17%, so that there was a problem of easily broken.
본 발명이 해결하려는 과제는 Li+과 Co3 +의 확산을 막기 위해 내화갑의 표면을 치밀화할 수 있는 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약층이 형성되어 있는 내화갑을 제공함에 있다. The problem to be solved by the present invention is to provide a fireproof sap formed with a Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 based glaze layer that can densify the surface of the saggar to prevent the diffusion of Li + and Co 3 + have.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 내화갑 몸체와 유약층의 열팽창계수가 차이가 나도록 하여 내화갑의 표면 강화 효과를 달성할 수 있는 이차전지 양극활물질 합성용 내화갑의 제조방법을 제공함에 있다.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a fireproof sap for synthesizing a secondary battery cathode active material which can achieve the surface reinforcement effect of the saggar by making the thermal expansion coefficient of the fireproof sap body and the glaze layer is different.
본 발명은, 3Al2O3·2SiO2와 Al2O3의 고용체로 이루어진 몸체 및 이차전지의 양극활물질이 수용되는 상기 몸체의 표면에 형성되어 있는 표면 치밀화를 위한 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약층을 포함하는 이차전지 양극활물질 합성용 내화갑을 제공한다.The present invention provides a body composed of a solid solution of 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 and Al 2 O 3 and Li 2 O—Al 2 O 3 for surface densification formed on the surface of the body in which the cathode active material of the secondary battery is accommodated. Provides a fireproof shell for synthesizing a cathode active material of a secondary battery including a -SiO 2 based glaze layer.
상기 유약층은 Li2O 10~30중량%, Al2O3 25~60중량% 및 SiO2 25~60중량%를 포함할 수 있다.The glaze layer is Li 2 O 10-30% by weight, Al 2 O 3 25-60 wt% and SiO 2 It may include 25 to 60% by weight.
상기 유약층은 MgO 0.1~10중량%를 더 포함할 수 있다.The glaze layer may further comprise 0.1 to 10% by weight of MgO.
상기 유약층은 스피넬(MgAl2O4) 0.1∼10중량%를 더 포함할 수 있다.The glaze layer may further comprise 0.1 to 10% by weight of spinel (MgAl 2 O 4 ).
상기 유약층의 열팽창계수가 상기 몸체의 열팽창계수보다 작은 것이 바람직하다.It is preferable that the thermal expansion coefficient of the glaze layer is smaller than the thermal expansion coefficient of the body.
상기 유약층은 열팽창계수가 30×10-7~50×10-7/℃ 범위이고, 상기 몸체는 열팽창계수가 40×10-7~60×10-7/℃ 범위일 수 있다.The glaze layer may have a thermal expansion coefficient of 30 × 10 −7 to 50 × 10 −7 / ° C., and the body may have a thermal expansion coefficient of 40 × 10 −7 to 60 × 10 −7 / ° C.
상기 유약층의 밀도가 상기 몸체의 밀도보다 큰 것이 바람직하다.Preferably, the density of the glaze layer is greater than the density of the body.
또한, 본 발명은, 3Al2O3·2SiO2와 Al2O3의 고용체로 이루어지고 이차전지 양극활물질이 수용되는 내화갑 몸체를 준비하는 단계와, 상기 내화갑 몸체의 표면에 표면 치밀화를 위해 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약을 도포하는 단계 및 상기 유약이 도포된 내화갑 몸체를 열처리하여 상기 내화갑 몸체의 표면에 유약층을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지 양극활물질 합성용 내화갑의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a refractory body consisting of a solid solution of 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 and Al 2 O 3 and the secondary battery cathode active material is accommodated, and for the surface densification on the surface of the refractory body Synthesis of a secondary battery positive electrode active material comprising the step of coating the Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 type glaze and heat-treating the glazed fireproof body body to form a glaze layer on the surface of the fireproof body Provided is a method of manufacturing a fireproof saber.
상기 유약은 Li2O 10~30중량%, Al2O3 25~60중량% 및 SiO2 25~60중량%를 포함할 수 있다.The glaze is Li 2 O 10-30% by weight, Al 2 O 3 25-60 wt% and SiO 2 It may include 25 to 60% by weight.
상기 유약은 MgO 0.1~10중량%를 더 포함할 수 있다.The glaze may further comprise 0.1 to 10% by weight of MgO.
상기 유약은 스피넬(MgAl2O4) 0.1∼10중량%를 더 포함할 수 있다.The glaze may further comprise 0.1 to 10% by weight of spinel (MgAl 2 O 4 ).
상기 열처리는 산화 분위기에서 1000~1300℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.The heat treatment is preferably performed at a temperature of 1000 ~ 1300 ℃ in an oxidizing atmosphere.
상기 유약층의 열팽창계수가 상기 내화갑 몸체의 열팽창계수보다 작고, 상기 유약층은 열팽창계수가 30×10-7~50×10-7/℃ 범위이며, 상기 몸체는 열팽창계수가 40×10-7~60×10-7/℃ 범위일 수 있다.The thermal expansion coefficient of the glaze layer is less than the coefficient of thermal expansion of the inner hwagap body, the glaze layer is a thermal expansion coefficient in the range 30 × 10 -7 ~ 50 × 10 -7 / ℃, the body has a thermal expansion coefficient of 40 × 10 - 7 to 60 × 10 −7 / ° C.
상기 유약층의 밀도가 상기 몸체의 밀도보다 큰 것이 바람직하다.
Preferably, the density of the glaze layer is greater than the density of the body.
본 발명에 의하면, 내화갑에 대한 표면 치밀화 공정을 통해서 Li의 확산으로 말미암은 내화갑의 파손을 방지하여 장기간 사용할 수 있는 내화갑의 제공이 가능하다.According to the present invention, it is possible to provide a saggar that can be used for a long time by preventing breakage of the saggar caused by the diffusion of Li through the surface densification process for the saggar.
또한, 본 발명에 의하면, 내화갑의 몸체는 열팽창계수가 높은 물질을 사용하고, 내화갑의 표면은 열팽창계수가 낮은 유약을 도포하여 유약층을 형성함으로써 내화갑의 강도 향상 효과를 달성할 수 있다. In addition, according to the present invention, the body of the fireproof sap using a material having a high coefficient of thermal expansion, the surface of the fireproof sap can be achieved by applying a glaze having a low coefficient of thermal expansion to form a glaze layer to achieve the effect of improving the strength of the saggar. .
또한, 본 발명에 의한 이차전지 양극활물질 합성용 내화갑의 제조방법에 의하면, 유약에 대한 열처리의 방법으로 표면 강화 효과를 달성하고 이차전지 양극활물질 합성 후에 양극활물질을 내화갑으로부터 쉽게 박리할 수 있다.
In addition, according to the method of manufacturing a fireproof sap for synthesizing a secondary battery positive electrode active material according to the present invention, it is possible to achieve the surface strengthening effect by the method of heat treatment to the glaze and to easily peel the positive electrode active material from the fireproof sac after synthesis of the secondary battery positive electrode active material. .
도 1은 LiCoO2를 포함하는 양극활물질을 내화갑을 이용하여 합성하는 과정을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 내화갑의 구성을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 내화갑의 제조 공정을 보여주는 절차도이다. 1 is a schematic diagram showing a process of synthesizing a cathode active material including LiCoO 2 using a saggar.
Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of the fireproof pack according to the present invention.
3 is a procedure showing the manufacturing process of the saggar box according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.
전지는 화학 에너지를 전기 화학적 산화·환원반응에 의해 전기에너지로 변환하는 장치이다. 전지에서 산화·환원반응의 방향에 따라 이온화 경향이 작아 환원반응이 일어나는 전극을 환원전극(cathode), 산화반응이 일어나는 전극을 산화전극(anode)이라 명한다. A battery is a device that converts chemical energy into electrical energy by electrochemical oxidation and reduction reactions. In the battery, the ionization tendency is small according to the direction of oxidation / reduction reaction, so that the reduction reaction occurs as a cathode, and the oxidation reaction is called an anode.
또 다른 분류법으로 재충전에 의해 전지의 재사용 가능성에 따라 일차전지와 이차전지로 나뉜다. 일차전지로는 망간 전지, 알카라인 전지, 산화은전지, 리튬일차전지 등이 있고, 이러한 일차전지는 주용도가 소형 전자기기이다. 이차전지는 납축 전지, Ni-Cd, Ni-MH(metal hydrogen), 리튬이차전지 등이 대표적이다. 특히 리튬이차전지는 상업화에 성공한 이후, 이동통신 분야에서 많이 활용되고 있으며, 캠코더, 카메라, 셀룰라폰 및 컴퓨터를 중심으로 휴대전자기기의 급격한 발달과 HEV(Hybrid electric vehicle)용 및 전지 전력 저장용 전원으로 중요성이 크게 증가되고 있다.Another classification method is divided into primary battery and secondary battery according to the reusability of the battery by recharging. Primary batteries include manganese batteries, alkaline batteries, silver oxide batteries, lithium primary batteries, and the like, and these primary batteries are small electronic devices whose main uses are small. Rechargeable batteries include lead acid batteries, Ni-Cd, Ni-MH (metal hydrogen), and lithium secondary batteries. In particular, after the successful commercialization of lithium secondary battery, it is widely used in the mobile communication field, and the rapid development of portable electronic devices, power supply for HEV (Hybrid electric vehicle) and battery power storage, mainly in camcorders, cameras, cellular phones and computers. The importance is greatly increased.
초기의 리튬이차전지는 리튬 금속을 음극으로 사용하였다. 리튬 금속은 표준환원전위(standard reduction potential)가 낮아 음극으로 사용시 높은 기전력을 얻을 수 있다. 하지만 충·방전 동안 리튬 금속은 흡착(deposition)과 용해(dissolution)를 반복함에 따라 움직이지 않는 피막이 형성되고 리튬 금속의 용해가 불균일하게 일어난다. 게다가 용량 감소 및 표면적 증가와, 고전류 충·방전 시에 발생하는 수지상(dendrite) 형성에 의한 단락(short) 등의 안전성 문제가 발생한다. Early lithium secondary batteries used lithium metal as a negative electrode. Lithium metal has a low standard reduction potential, and thus high electromotive force can be obtained when used as a cathode. However, during charging and discharging, as the lithium metal repeats deposition and dissolution, a non-moving film is formed and dissolution of lithium metal occurs nonuniformly. In addition, safety problems such as a decrease in capacity, an increase in surface area, and shorts due to dendrite formation occurring during high current charge and discharge occur.
이러한 단점으로 인해 리튬 금속 대신 리튬 이온의 삽입(insertion)과 탈리(desertion) 반응을 이용한 탄소재료를 음극으로 이용하고, 리튬 금속산화물을 양극으로 이용하는 리튬이차전지의 개발이 진행되었다. 리튬이차전지의 구성요소인 양극, 음극, 전해질 및 분리막 중에서 양극의 특성이 전지 전체의 성능 발현에 많은 영향을 미친다. Due to these shortcomings, development of a lithium secondary battery using a carbon material using an insertion and desorption reaction of lithium ions as a negative electrode and using a lithium metal oxide as a positive electrode instead of lithium metal has been in progress. The characteristics of the positive electrode among the positive electrode, the negative electrode, the electrolyte, and the separator, which are components of the lithium secondary battery, have a great influence on the performance of the entire battery.
리튬이차전지에 사용되는 양극은 높은 에너지 밀도, 충·방전시의 가역성, 전해질에 대한 화학적 안정성 등의 조건을 충족시키면서 Li+이 들어갈 때 커다란 부피 팽창에 따른 구조 붕괴로 굉장히 큰 비가역 용량이 존재한다. 이러한 Li+의 삽입과 탈리에 따른 주격자의 부피 변화를 수용하여야 한다. The positive electrode used in the lithium secondary battery satisfies conditions such as high energy density, reversibility during charging and discharging, and chemical stability to the electrolyte, and there is a very large irreversible capacity due to structural collapse due to large volume expansion when Li + enters. . The volume change of the main lattice due to the insertion and desorption of Li + should be accommodated.
이러한 양극 재료 중에서 양극활물질로 층상구조를 가진 LiCoO2를 사용하고 음극 활물질로 탄소를 사용한 리튬이차전지가 상용화되었다. 하지만 LiCoO2는 구조적 불안정성을 가지고 있어서, 한계 용량이 150mAh/g 정도로 낮은 문제점과 코발트 화합물의 매장량의 한계에 따른 가격 상승의 여파로 양극활물질에 적용되는 데 한계가 있다.Among these cathode materials, a lithium secondary battery using LiCoO 2 having a layered structure as a cathode active material and carbon as a cathode active material has been commercialized. However, LiCoO 2 has structural instability, and thus has a limitation of being applied to the positive electrode active material due to the problem that the limit capacity is as low as 150mAh / g and the price increase due to the limit of the reserve of the cobalt compound.
LiCoO2의 단점을 보완하기 위한 노력으로 LiNiO2, LiFePO4, LiNi⅓Mn⅓Co⅓O2 및 LiNi1-yCoyO2 등의 리튬 전이금속 산화물이 대표적인 양극활물질로 연구되고 있다.LiNiO 2, LiFePO 4, LiNi ⅓ in an effort to overcome the disadvantages of the LiCoO 2 Mn 2 O ⅓ Co ⅓ And lithium transition metal oxides such as LiNi 1-y Co y O 2 have been studied as representative cathode active materials.
리튬이차전지의 전압은 사용되는 양극활물질의 종류에 따라 결정되는데, 현재 상용화되어 있는 LiCoO2 산화물은 카본을 음극으로 사용하였을 경우 3.8V의 공칭 전압을 가지고 있어, 기존의 니카드(Ni/Cd), 니켈 수소(Ni/MH) 전지에 비해 3배 이상의 높은 고에너지 밀도를 가진다. 이를 바탕으로 휴대용 단말기(personal digital assistants; PDA), 멀티미디어 플레이어(MP3(Media player3), PMP(portable multimedia player) 등, 노트북 PC(personal computer) 등의 모든 휴대용 전자기기의 이동용 전원으로 채용되어 그 수요가 날로 증가되고 있으며, 리튬이차전지의 고출력밀도 특성을 향상 개선시켜 전동공구, 전기자전거(Electric bicycle; EB) 및 하이브리드 자동차(HEV) 전원으로 적용 중에 있다. The voltage of a lithium secondary battery is determined by the type of cathode active material used. LiCoO 2 oxide, which is currently commercialized, has a nominal voltage of 3.8 V when carbon is used as a cathode. Therefore, conventional Nicard (Ni / Cd), It has a high energy density of more than three times that of a nickel hydride (Ni / MH) battery. Based on this, it is used as a mobile power source for all portable electronic devices such as personal digital assistants (PDA), multimedia players (MP3 (Media player3), PMP (portable multimedia player), notebook PCs, etc. Increasingly, the high power density characteristics of lithium secondary batteries have been improved and improved, and are being applied as power tools, electric bicycles (EBs), and hybrid vehicle (HEV) power sources.
현재 상용화되어 범용적으로 사용되고 있는 LiCoO2 양극활물질은 3.8V의 공칭 전압을 보이며, 가역적으로 리튬의 삽입과 탈리가 이루어지는 물질로서 합성이 용이하고, 우수한 수명 특성을 가지며, 높은 구조적 가역성을 보이는 물질이다. 이에 맞추어 본 발명에서는 LiCoO2를 양극활물질의 기본 구성소로 하여 서술하기로 한다. 하지만 본 발명의 범위가 LiCoO2로 한 양극활물질에 한정되는 것은 아니다. LiCoO 2 cathode active material, which is currently commercially available and used universally, exhibits a nominal voltage of 3.8V and is reversibly inserted and desorbed of lithium. It is easy to synthesize, has excellent life characteristics, and exhibits high structural reversibility. . Accordingly, in the present invention, LiCoO 2 will be described as a basic component of the positive electrode active material. However, the scope of the present invention is not limited to the cathode active material made of LiCoO 2 .
예를 들면 양극활물질로는 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, LiFePO4, LiNi⅓Mn⅓Co⅓O2 및 LiNi1 - yCoyO2, V2O5 등이 있으며, 합성 방법으로는 스퍼터링(sputtering), 펄스드 레이저 증착법(pulsed laser deposition), 전자 빔 증발(electron beam evaporation), 정전기적 스프레이 증착법(electrostatic spray deposition) 등이 있다. 여기서 V2O5를 제외한 모든 산화물이 Li+이온을 포함하고 있기 때문에 Li+의 탈리와 삽입을 조절하는 것이 리튬이차전지의 특성을 좌우하는 요소가 된다. For example, as the cathode active material, LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiFePO 4 , LiNi ⅓ Mn ⅓ Co ⅓ O 2 And LiNi 1 - y Co y O 2 , V 2 O 5 , and the synthesis methods include sputtering, pulsed laser deposition, electron beam evaporation, and electrostatic spray deposition. (electrostatic spray deposition). Since all oxides except V 2 O 5 contain Li + ions, controlling desorption and insertion of Li + becomes a factor that determines the characteristics of the lithium secondary battery.
재료에서 전기 화학 반응이 일어나면 전자의 이동이 수반된다. 이때 재료의 고유한 물성에 따라서 전기 화학적 포텐셜(electrochemical potential)이 다르게 나타난다. Electrochemical reactions in the material involve the movement of electrons. The electrochemical potential is different depending on the inherent properties of the material.
리튬 금속은 원자량(6.941g/mol)과 밀도가 낮고(0.54g/㎤), 표준환원전위 값이 지구상에서 존재하는 물질 중에서 가장 낮은 물질군이기 때문에 고에너지 밀도를 가지며, 또한 전지에 적용 시 이론 용량과 무게를 고려하면 이론적으로 3,861mAh/g, 2,062mAh/ℓ의 높은 전하량을 갖기 때문에 전지의 음극 재료로서 가장 각광받는 재료이다. 그러나 열역학적으로 활성이 매우 커서 수용액에서는 물과 활발하게 반응하여 전해질로서 용융염(molten salt) 또는 유기 용매를 사용한다. 그런데 리튬 금속은 충·방전이 진행함에 따라 표면에서 수지상을 형성할 뿐만 아니라, 유기용매와도 전기화학적 반응을 하기 때문에 전지 수명을 단축시킨다. 이러한 수지상이 계속 성장할 경우 양극 재료의 표면까지 도달하게 된다. Li의 수지상이 표면에 도달하면, 내부 단락이 발생하게 되고, 발화의 위험성을 초래한다.Lithium metal has high atomic density (6.941 g / mol) and low density (0.54 g / cm 3), and has a high energy density because the standard reduction potential value is the lowest group of materials on earth. Considering capacity and weight, it has the highest charge of 3,861 mAh / g and 2,062 mAh / l. However, due to its thermodynamic activity, it is very active in aqueous solution and uses molten salt or organic solvent as an electrolyte. However, lithium metal not only forms a dendritic phase on the surface as charging and discharging proceeds, but also shortens battery life because it reacts with an organic solvent. If the dendritic phase continues to grow, it reaches the surface of the positive electrode material. When the dendritic phase of Li reaches the surface, an internal short circuit occurs, causing a risk of ignition.
이러한 Li금속이 가지는 활성 때문에 Li 금속을 Li+ 이온으로 대체시키려는 노력이 이루어졌고, 이때 사용되는 음극은 탄소가 된다. 탄소를 리튬이차전지의 음극으로 사용하는 경우 Li+의 충·방전시 Li+이온은 육방정계의 결정구조를 이루는 흑연의 층 사이에 자유로운 이동이 가능하게 된다. 이와 같이, 리튬 금속 대신에 탄소를 음극으로 사용하면 리튬 금속을 음극으로 사용하였을 때 발생하는 리튬 금속의 변형은 발생하지 않고 음극의 사용 기간이 연장되는 특성을 보인다. 또한 수지상 성장이 발생하지 않기 때문에 발화의 위험성 등이 없다.Efforts have been made to replace Li metal with Li + ions because of the activity of Li metal, and the cathode used is carbon. When using carbon as the negative electrode of a lithium secondary battery Li + ions during charging and discharging of the Li + is to enable the free movement between the graphite forms a crystal structure of the hexagonal layer. As such, when carbon is used instead of lithium metal as a negative electrode, deformation of lithium metal generated when lithium metal is used as a negative electrode does not occur, and the service life of the negative electrode is extended. In addition, there is no risk of ignition because dendritic growth does not occur.
리튬 전이금속산화물을 양극재료로 사용하고, 흑연을 음극 재료로 사용하는 전지를 리튬이온전지라고도 부른다. 양극에서의 충·방전은 호스트(host) 재료의 결정 구조 내로 게스트 이온(guest ion)이 가역적으로 삽입 및 탈리되는 것을 의미한다. 리튬 이온전지가 충전될 때 외부회로에는 충전 전류가 흐르며 리튬 이온은 전해질을 통하여 양극에서 음극으로 이동하여 삽입된다. 방전 시, 반대로 음극에 삽입된 리튬 이온이 탈리되는 현상이 발생한다. 탈리 현상과 함께 Li+ 이온은 LiMO2(M은 금속을 나타낸다)의 4면체나 8면체의 자리로 복귀하는 현상이 생긴다. A battery using lithium transition metal oxide as a cathode material and graphite as a cathode material is also called a lithium ion battery. Charging and discharging at the anode means that guest ions are reversibly inserted and desorbed into the crystal structure of the host material. When the lithium ion battery is charged, a charging current flows in the external circuit, and lithium ions are inserted by moving from the positive electrode to the negative electrode through the electrolyte. On discharge, a phenomenon in which lithium ions inserted into the negative electrode detaches occurs. Along with the detachment phenomenon, Li + ions return to the tetrahedral or octahedral sites of LiMO 2 (M represents a metal).
상기 반응을 토대로 양극 재료로 LiCoO2를, 음극 활물질로 흑연을 사용하였을 경우, 그 반응식을 아래와 같이 정리할 수 있다. 화학식 1, 화학식 2 내지 화학식 3은 각각 양극, 음극 및 전체 반응을 나타내는 화학식이다.Based on the above reaction, when LiCoO 2 is used as the positive electrode material and graphite is used as the negative electrode active material, the reaction formula can be summarized as follows. Formula 1, Formulas 2 to 3 are chemical formulas representing the positive electrode, the negative electrode, and the entire reaction, respectively.
[화학식 1][Formula 1]
LiCoO2 ↔ Li1 - xCoO2 + xLi+ + xe- LiCoO 2 ↔ Li 1 - x CoO 2 + xLi + + xe -
[화학식 2](2)
xLi+ + xe- + C6 ↔ LixC6 xLi + + xe - + C 6 ↔ Li x C 6
[화학식 3](3)
LiCoO2 + C6 ↔ Li1 - xCoO2 + LixC6 LiCoO 2 + C 6 ↔ Li 1 - x CoO 2 + Li x C 6
리튬이차전지에서는 서로 다른 활물질 간의 전위차에 의해 Li+이온이 전해질을 통해 음극과 양극 사이를 이동하며 이때 전자는 전지의 외부 회로를 통해 이동한다. 리튬의 이동이 비가역적인 경우 1차 전지라고 하며, 가역적인 경우 이차전지라고 한다. 앞에서 상술한 반응은 이차전지에 대한 것이므로 가역적인 반응이다. In a lithium secondary battery, Li + ions move between an anode and a cathode through an electrolyte due to a potential difference between different active materials, and electrons move through an external circuit of the battery. When the movement of lithium is irreversible, it is called a primary battery, and when it is reversible, it is called a secondary battery. Since the reaction described above is for the secondary battery, it is a reversible reaction.
리튬이차전지용 양극재료는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능하여야 하기 때문에 전이금속의 산화물이 주로 사용된다. 비록 Li+이온이 작은 크기라고 하여도 Li+이온의 부착과 탈리가 쉽게 이루어지기 위해서는 층상구조나 터널링 구조를 가지고 있는 전이금속산화물이 적합하다.In the cathode material for a lithium secondary battery, an oxide of a transition metal is mainly used because insertion and desorption of lithium ions must be possible. Although Li + ions are small in size, transition metal oxides having a layered structure or a tunneling structure are suitable for easy attachment and detachment of Li + ions.
리튬이차전지의 양극활물질로 사용하기 위해서는 이차전지라는 특성상 높은 에너지 밀도를 가지는 동시에 충·방전시 가역성을 가져야 한다. 구조적인 안정성이 있어서, Li+이온의 탈리와 부착이 있어도 파괴되지 않아야 한다. 또한 양극활물질은 물질 자체의 전기전도도가 높아야 하며, 화학적 안정성이 높아서 전해질인 유기 용매에 녹지 않아야 한다. 상기의 조건을 만족시키는 리튬이차전지용 양극활물질로는 V5O13, TiS2, LiV3O 등과 같이 2V 부근의 작동전압을 가지는 저전압용과 LiNiO2, LiCoO2, LiNi1 - yCoyO2, LiFePO4 등과 같이 작동전압이 4V 정도의 전압을 가지는 고전압용이 있다. 또한 이러한 전극 재료는 리튬 이온의 삽입과 탈리가 용이한 층상 구조(layered structure) 또는 3차원 골격 구조(three-dimensional framework structure)를 가진다. 제조비용도 낮은 편이고, 환경 오염문제를 일으키지 않는다는 것도 또 하나의 선정요인이 된다. In order to use it as a cathode active material of a lithium secondary battery, it has to have a high energy density and reversibility at the time of charging and discharging. It is structurally stable and should not be destroyed even if there is detachment and adhesion of Li + ions. In addition, the positive electrode active material should have high electrical conductivity of the material itself, and should not be dissolved in an organic solvent as an electrolyte because of its high chemical stability. As the cathode active material for a lithium secondary battery that satisfies the above conditions, such as V 5 O 13 , TiS 2 , LiV 3 O, and the like, for low voltage having an operating voltage near 2V, and LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiNi 1 - y Co y O 2 , For example, LiFePO 4 has a high voltage for which the operating voltage is about 4V. This electrode material also has a layered structure or a three-dimensional framework structure that is easy to insert and detach lithium ions. The cost of manufacturing is also low, and it does not cause environmental pollution problems.
양극은 Li+ 이온을 포함하는 활물질로 방전 시 Li+ 이온이 활물질로 삽입 및 환원되며, 충전시 활물질로부터 탈리 및 산화되는 전극이다.The positive electrode is an active material including Li + ions, an electrode in which Li + ions are inserted and reduced into an active material during discharge, and are detached and oxidized from the active material during charging.
대표적인 양극활물질인 LiCoO2는 층상 암염 구조(α-NaFeO2)를 가진다. 동일한 층상 암염 구조인 LiNiO2 는 LiCoO2에 비하여 가격이 저렴하고, Li+ 이온의 탈리 및 삽입 가역도가 크기 때문에 높은 에너지 밀도를 가진다. 하지만, Ni3 +이 Ni2 +로 쉽게 환원되기 때문에 합성 과정에서 일부의 Ni이 Li 자리에 혼입되기 쉬운 단점이 있다. 혼입되기 쉬운 이유는 Ni2 +(0.69Å)와 Li+(0.76Å)의 이온반경이 비슷하기 때문이다. Representative cathode active material LiCoO 2 has a layered rock salt structure (α-NaFeO 2 ). LiNiO 2, which is the same layered rock salt structure, is cheaper than LiCoO 2 and has a high energy density because Li + ions have high detachment and insertion reversibility. However, Ni 3 + a There is a part of Ni tend to be incorporated into the Li-digit drawback in the synthesis process since the easily reduced to Ni + 2. The reason is that tend to be incorporated similar to the ionic radius of Ni 2 + (0.69Å) and Li + (0.76Å).
한편, 이들과 달리 스피넬 구조를 가지는 LiMn2O4는 구조적으로 안정하여 전지의 안전성을 높일 수 있다. On the other hand, unlike these LiMn 2 O 4 having a spinel structure is structurally stable to increase the safety of the battery.
상술한 바와 같이, 초기에는 리튬 금속이 사용되었지만, 안전성 등의 문제가 발현됨에 따라 육방정계의 구조를 가지고 있는 탄소가 구성원소인 흑연으로 대체되어가고 있다.As described above, although lithium metal was initially used, carbon having a hexagonal structure has been replaced with graphite, which is a member element, as a problem such as safety has emerged.
흑연은 리튬 금속의 전위와 유사하고, 유기 용매에 대하여 안정적인 특성을 보인다. 하지만 리튬 금속과 달리 수지상을 형성하지 않기 때문에 장기간의 사용이 가능한 특성이 있다. 또한 흑연은 372mAh/g의 용량 특성을 보이며, 음극 활물질로 사용 시 체적 변화가 매우 적다.Graphite is similar to the potential of lithium metal and exhibits stable properties with respect to organic solvents. However, unlike lithium metal, since it does not form a dendrite, there is a characteristic that can be used for a long time. In addition, graphite has a capacity characteristic of 372 mAh / g, and when used as a negative electrode active material, there is very little volume change.
Li+ 이온의 삽입 및 탈리 시 부피 변화가 10% 정도로서 100~300%의 부피 변화를 보이는 금속 또는 합금계 음극 활물질에 비해 작으므로 장기간 사용이 가능하다. When the insertion and desorption of Li + ions are about 10%, the volume change is small compared to the metal or alloy-based negative electrode active material which shows a volume change of 100 to 300%, and thus can be used for a long time.
양극활물질의 제조방법 중의 하나는 고상 반응법이다. 이 방법은 각 구성원소의 산화물이나 탄산염 등을 원료로 하여 산화물이나 탄산염의 분말을 혼합하여 산화물이나 탄산염의 분말을 소성하는 과정을 거쳐 제조하는 것이다. 고상 반응법의 단점은 혼합시 불순물 유입이 많으며, 제조시 높은 온도와 제조시간이 길어지는 문제점이 있다. One method for producing a positive electrode active material is a solid phase reaction method. This method is produced by mixing the powder of oxide or carbonate using the oxide, carbonate, etc. of each element as a raw material, and baking the powder of oxide or carbonate. Disadvantages of the solid phase reaction method is a large amount of impurities introduced when mixing, there is a problem that the high temperature and the production time is long in the manufacturing.
또 다른 방법으로 금속 알콕사이드를 이용한 졸-겔(sol-gel 법)과 금속 질산염(nitrate), 초산염(acetate) 및 황산염(sulfate)을 이용하고, 킬레이트 제(chelating agent)로 수산화 나트륨을 이용한 공침법이 있다. As another method, sol-gel using metal alkoxide, nitrate, acetate and sulfate, and co-precipitation using sodium hydroxide as a chelating agent There is this.
금속 알콕사이드를 이용한 졸-겔 법은 금속 알콕사이드의 가격이 높아 분말 합성에 적용하기에 힘든 단점이 있다. 반면, 공침법은 금속 알콕사이드에 비해 가격이 저렴한 금속 질산염(nitrate), 초산염(acetate) 및 황산염(sulfate)을 이용하기 때문에 경제성이 높다. 세라믹 제조분야에서는 공침법이 개발되는 중이며, 이 방법은 금속염을 용매에 용해한 후 금속염이 용해된 용매에 공침제로 수산화나트륨을 사용하여 금속 수산화물로 전환시켜 침전을 얻고, 침전을 분리시켜서 건조 및 열처리 공정을 거쳐 세라믹 분말을 얻게 된다.The sol-gel method using metal alkoxide has a disadvantage that it is difficult to apply to powder synthesis due to the high price of metal alkoxide. Coprecipitation, on the other hand, is economical because it uses metal nitrate, acetate, and sulfate, which are less expensive than metal alkoxide. In the ceramic manufacturing field, coprecipitation method is under development, and this method converts the metal salt into a solvent and then converts the metal salt into a metal hydroxide using sodium hydroxide as a coprecipitant in a solvent in which the metal salt is dissolved to obtain a precipitate, and separates the precipitate to dry and heat-treat it. Through the process, a ceramic powder is obtained.
양극활물질 제조하는 방법 중 졸-겔법과 관련하여 본 발명에 따른 내화갑에 대하여 설명한다. 하지만 본 발명의 범위가 이러한 졸-겔법에 한정되는 것은 아니고 고온에서 소성하는 모든 제조방법을 포함한다. The fireproof pack according to the present invention will be described with respect to the sol-gel method in the method of preparing the positive electrode active material. However, the scope of the present invention is not limited to this sol-gel method, but includes all manufacturing methods of firing at a high temperature.
본 발명에 따른 이차전지 양극활물질용 내화갑은 표면층이 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 유약층은 Li2O 10~30중량%, Al2O3 25~60중량% 및 SiO2 25~60중량%를 포함하는 것이 바람직하다. Refractory pack for secondary battery positive electrode active material according to the present invention is characterized in that the surface layer is composed of a Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 -based glaze layer. The glaze layer is Li 2 O 10-30% by weight, Al 2 O 3 25-60 wt% and SiO 2 It is preferable to contain 25 to 60 weight%.
유약층을 Li을 포함하는 산화물로 구성하게 되면 양극활물질의 제조시에 발생하는 Li+ 이온의 확산을 막을 수 있다. 내화갑은 뮬라이트(3Al2O3·2SiO2)와 Al2O3의 소결체로서, 3Al2O3·2SiO2와 Al2O3의 고용체로 이루어진다. When the glaze layer is composed of an oxide containing Li, it is possible to prevent the diffusion of Li + ions generated during the production of the cathode active material. My hwagap is a sintered body of mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) and Al 2 O 3, made of a solid solution of the 2 O 3 · 2SiO 2 and 3Al Al 2 O 3.
도 1은 LiCoO2를 포함하는 양극활물질을 내화갑을 이용하여 합성하는 과정을 보여주는 모식도이다. 1 is a schematic diagram showing a process of synthesizing a cathode active material including LiCoO 2 using a saggar.
도 1을 참고하면, Li(CH3COOH)ㆍ2H2O와 Co(NO3)2ㆍ6H20를 1:1~1.5의 몰비로 정량하여 증류수에 녹인 후 사과산(HOOC-CH2CH(OH)-COOH) 대 총 금속 이온 합의 몰비가 0.75 이상인 사과산 수용액을 만들어 상기 용액과 충분히 혼합한다. 그리고 상기 혼합 수용액에 암모니아수를 2cc/min로 적하하면서 pH를 4.5~5.5 범위로 조정한다. 상기 혼합 수용액을 50~90℃, 더욱 바람직하게는 70~80℃에서 서서히 가열하여 졸로 만든 후 이 졸을 서서히 계속 가열하여 겔 전구체(gel precursor)를 만든다. 이 겔 전구체를 400℃ 이상에서 1시간 이상 공기 분위기에서 열처리하여 전구체 분말을 제조하고, 이 전구체 분말을 500~900℃에서 1시간 이상 공기 분위기에서 소성하여 저온상과 고온상의 LiCoO2 분말을 얻는다.Referring to FIG. 1, Li (CH 3 COOH) .2H 2 O and Co (NO 3 ) 2 .6H 2 0 were dissolved in distilled water at a molar ratio of 1: 1 to 1.5, followed by malic acid (HOOC-CH 2 CH ( OH) -COOH) to aqueous solution of malic acid with a molar ratio of total metal ion sum of at least 0.75 is made and mixed well with the solution. And pH is adjusted to 4.5-5.5 range, while ammonia water is dripped at 2 cc / min to the said mixed aqueous solution. The mixed aqueous solution is gradually heated to 50-90 ° C., more preferably 70-80 ° C. to form a sol, and then the sol is continuously heated to form a gel precursor. The gel precursor is heat-treated at 400 ° C. or higher for 1 hour or longer in an air atmosphere to prepare a precursor powder, and the precursor powder is calcined at 500 to 900 ° C. for 1 hour or longer in an air atmosphere to obtain a low-temperature and high-temperature LiCoO 2 powder.
소성온도는, 예를 들면 500~900℃의 온도 범위로 한다. 소성 온도가 500℃ 미만이면 리튬복합금속 화합물이 생성되기 어렵게 되고, 900℃ 초과이면 결정이 필요 이상으로 성장하거나 일부 분해가 일어나서 바람직하지 않다. The firing temperature is, for example, a temperature range of 500 to 900 ° C. If the firing temperature is less than 500 ° C., the lithium composite metal compound is less likely to be produced. If the firing temperature is higher than 900 ° C., crystals grow more than necessary or some decomposition occurs, which is not preferable.
이러한 소성 온도에 도달하게 되면 Li+이온과 Co3 +이온은 해리된 상태가 되어 확산할 수 있게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, Li(CH3COOH)ㆍ2H2O와 Co(NO3)2ㆍ6H20를 1:1~1.5의 몰비로 정량하여 증류수에 녹인 용액과 사과산 용액을 혼합한 용액에서 밀도가 낮은 내화갑(20) 쪽으로 확산하게 된다. When the calcination temperature is reached, Li + ions and Co 3 + ions become dissociated to diffuse. As shown in FIG. 1, Li (CH 3 COOH) .2H 2 O and Co (NO 3 ) 2 .6H 2 0 were quantified in a molar ratio of 1: 1 to 1.5, mixed with a solution dissolved in distilled water and a malic acid solution. The solution will diffuse toward the
이러한 확산의 원인으로는 두 가지가 알려져 있다. 하나는 내화갑과 양극활물질 간의 농도 구배이고, 또 다른 하나는 내화갑(20)의 기공율이 15~20%에 달하기 때문에 확산된다고 하는 것이다. There are two known causes of such diffusion. One is the concentration gradient between the saggar and the positive electrode active material, and the other is that the porosity of the
확산에 따라서 Li+와 Co3 +의 3Al2O3·2SiO2와 Al2O3의 고용체와 반응층이 생성된다. 이러한 반응층의 생성에 따라, 결국 내화갑(20)의 기계적 강도를 약화시켜 내화갑(20)을 파손시키게 된다.As a result of diffusion, a solid solution and a reaction layer of 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 and Al 2 O 3 of Li + and Co 3 + are formed. As the reaction layer is generated, eventually, the mechanical strength of the
도 2는 본 발명에 따른 내화갑(20)의 구성을 보여주는 모식도이다. 2 is a schematic view showing the configuration of the
도 2를 참조하면, 내화갑(20)의 표면층을 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약으로 도포하면 유약층(30)에서의 Li+의 농도가 양극활물질(10)로부터 용해되어 해리되어 나오는 Li+의 농도보다 높기 때문에 농도 차이에 의한 확산이 일어나지 않는다. 따라서 Li+와 내화갑(20)의 구성물질인 3Al2O3·2SiO2와 Al2O3의 고용체와 반응이 일어나지 않는다. Referring to FIG. 2, when the surface layer of the
또한, 유약층(30)이 내화갑(20)의 몸체보다 밀도가 높도록 구성되어 있기 때문에 밀도 차이에 기인한 확산은 발생하지 않는다. In addition, since the
이것은 유약층(30)의 표면 치밀화 효과에 기인한다. 내화갑(20)을 보호하기 위한 유약층(30)으로는 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약을 사용하는 것이 바람직하다. This is due to the surface densification effect of the
유약층(30)에서 리튬(Li)을 포함하는 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약을 사용하는 이유는 상술한 바와 같이 Li+의 확산을 막기 위한 것이다. The reason for using the Li 2 O—Al 2 O 3 —SiO 2 based glaze containing lithium (Li) in the
특히 본 발명에 따른 내화갑(20)의 경우에는 하기의 공정으로 제조하는 것이 바람직하다. In particular, in the case of the
도 3은 본 발명에 따른 내화갑(20)의 제조 공정을 보여주는 절차도이다.3 is a procedure showing the manufacturing process of the
도 3을 참고하면, 뮬라이트(3Al2O3·2SiO2)와 알루미나(Al2O3)의 소결체로 이루어진 내화갑 몸체를 준비한다(S110). Referring to FIG. 3, a fireproof shell body made of a sintered body of mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) is prepared (S110).
뮬라이트(3Al2O3·2SiO2)와 알루미나(Al2O3)의 소결체에 대하여 표면 치밀화를 위해 유약층(30)으로 표면 코팅을 하는 작업을 수행한다(S120). 이때, Al2O3·2SiO2와 Al2O3의 고용체로 이루어지고 이차전지 양극활물질이 수용되는 내화갑 몸체 표면에 표면 치밀화를 위해 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약을 도포하고, 상기 유약이 도포된 내화갑 몸체를 1000~1300℃에서 열처리하는 과정을 포함한다. 상기 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약은 Li2O 10~30중량%, Al2O3 25~60중량% 및 SiO2 25~60중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 유약은 MgO 0.1∼10중량%를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 유약은 스피넬(MgAl2O4) 0.1∼10중량%를 더 포함할 수 있다. 상기 유약에 MgO 또는 스피넬(MgAl2O4)이 함유될 경우에 리튬의 확산에도 불구하고 내화갑의 부식을 억제할 수 있는 장점이 있다.Surface coating is performed on the
상기 열처리를 통해 형성된 유약층(30)은 결정질이든 비정질이든 문제되지 않는다. The
상기 유약이 도포된 내화갑(20)의 열처리 온도는 1000~1300℃인 것이 바람직하다(S130). 상기 열처리 온도를 양극활물질(10)의 소성 온도인 500~900℃보다 높게 하는 이유는 유약층(30)을 통해서 LiCoO2의 열분해에 의한 Li+의 확산을 막고 내화갑(20)과 양극활물질(10)의 반응을 억제하기 위함이다. 1300℃ 이하로 설정한 것은 경제성의 측면과 열처리 이외의 반응의 부산물이 생성되는 것을 막기 위함이다. 상기 열처리는 공기(air), 산소(O2)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The heat treatment temperature of the glaze-resistant
이때 유약층(30)의 열팽창계수가 내화갑(20) 몸체의 열팽창계수보다 작은 것이 바람직하다. 더욱 상세하게는 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약의 도포 및 열처리의 결과로 얻어지는 유약층(30)의 열팽창계수는 30×10-7~50×10-7/℃인 것이 바람직하다. 내화갑(20) 몸체의 열팽창계수가 40×10-7~60×10-7/℃ 정도이고, 유약층(30)의 열팽창계수는 내화갑(20) 몸체의 열팽창계수보다 작게 되면 표면 강화 효과가 나타나게 된다.At this time, the thermal expansion coefficient of the
세라믹스의 경우 압축강도가 인장강도에 비하여 강하다는 것은 주지의 사실이다. 이러한 성질을 이용하여 내화갑(20)의 외부(유약층(30))는 열팽창계수가 낮은 물질로 구성되게 하고 내화갑(20) 몸체는 열팽창계수가 높은 물질로 구성되게 제조하면 낮은 열팽창계수를 갖는 유약층(30)이 내부의 높은 열팽창계수를 가지고 있는 내화갑(20) 몸체를 압축시켜주는 효과가 발생한다. 이를 표면 강화 효과라고 한다. It is well known that in the case of ceramics, the compressive strength is stronger than the tensile strength. Using this property, if the outside of the saggar 20 (glaze layer 30) is made of a material having a low coefficient of thermal expansion, and the body of the
표면 강화 효과에 대하여 상술하면 다음과 같다. 유리를 예로 들어 설명한다. 유리판을 고온으로 가열한 뒤 급격히 냉각시키면, 표면층에는 압축 응력(compressive stress), 내부에는 인장 응력(tensile stress)이 형성된다. 이렇게 표면이 강화된 유리를 강화 유리라고 한다. 강화 유리는 압축 응력에 대해서 민감하지 않으며, 인장력이 가해지는 경우 표면층에 형성되어 있는 압축 응력과 유리 자체의 파괴 강도의 합보다도 더 큰 인장력이 가해져야 파괴가 일어난다. 따라서 이와 같이 강화된 유리의 경우에는 통상의 판유리보다 강도가 약 4~5배 정도 높다. The surface strengthening effect is described in detail as follows. It demonstrates taking glass as an example. When the glass plate is heated to a high temperature and then rapidly cooled, a compressive stress is formed on the surface layer and a tensile stress is formed inside. This hardened glass is called tempered glass. Tempered glass is not sensitive to compressive stress, and when tensile force is applied, fracture occurs only when a tensile force greater than the sum of the compressive stress formed in the surface layer and the breaking strength of the glass itself is applied. Therefore, in the case of such tempered glass, the strength is about 4 to 5 times higher than that of ordinary plate glass.
이러한 표면 강화 효과를 본 발명에 따른 이차전지 양극활물질용 내화갑(20)에 적용을 하는 것이다. 내화갑(20)의 표면층은 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약으로 도포하고 내화갑(20)의 표면에 형성되는 유약층(30)은 몸체보다 낮은 열팽창계수를 갖도록 구성을 한다. 그리고 내화갑(20)의 몸체는 열팽창계수가 유약층(30)보다 높은 물질들로 구성하면, 500~900℃의 양극활물질(10)의 합성 온도에서 열팽창계수의 차이에 의해서 내화갑(20) 표면층은 열팽창계수가 큰 내화갑(20) 몸체에 비하여 온도 증가에 따른 길이 변화가 적게 나타난다. 이러한 유약층(30)의 적은 열팽창율이 내화갑(20) 몸체에 대한 압축응력으로 작용한다. 따라서 내화갑(20)의 몸체를 압축 응력으로 강화시키는 효과가 생기기 때문에 표면 강화 효과에 의해 내화갑(20)에 대한 기계적 물성을 향상시킨다고 할 수 있다.This surface reinforcing effect is to apply to the
상기와 같은 표면 강화 효과에 의하여 내화갑(20)의 낮은 밀도에 의해서 발생하는 기계적 강도의 약화와 그에 따른 파손을 방지할 수 있어서 이차전지용 양극활물질(10)의 제조시에 발생하는 문제점인 반복 사용에 따른 파손을 방지하고 양극활물질(10)에서 Li+ 이온의 유출에 따른 성능 저하를 미연에 방지할 수 있다.
Due to the surface reinforcing effect as described above it is possible to prevent the weakening of the mechanical strength caused by the low density of the
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, This is possible.
10: 양극활물질
20: 내화갑
30: 유약층10: cathode active material
20: fireproof
30: glaze layer
Claims (14)
이차전지의 양극활물질이 수용되는 상기 몸체의 표면에 형성되어 있는 표면 치밀화를 위한 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약층을 포함하는 이차전지 양극활물질 합성용 내화갑.
A body composed of a solid solution of 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 and Al 2 O 3 ; And
Fireproof pack for synthesizing the positive electrode active material of a secondary battery comprising a Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 based glaze layer for surface densification formed on the surface of the body in which the positive electrode active material of the secondary battery is accommodated.
The method of claim 1, wherein the glaze layer is Li 2 O 10-30% by weight, Al 2 O 3 25-60 wt% and SiO 2 Fireproof sacks for secondary battery cathode active material synthesis, characterized in that containing 25 to 60% by weight.
The fireproof sap of claim 2, wherein the glaze layer further comprises 0.1 to 10% by weight of MgO.
According to claim 2, wherein the glaze layer is spinel (MgAl 2 O 4 ) Refractory box for synthesizing the secondary battery positive electrode active material, characterized in that it further comprises 0.1 to 10% by weight.
According to claim 1, wherein the thermal expansion coefficient of the glaze layer is smaller than the thermal expansion coefficient of the body, the saggar for synthesizing the positive electrode active material of the secondary battery.
According to claim 5, wherein the glaze layer has a coefficient of thermal expansion of 30 × 10 -7 ~ 50 × 10 -7 / ℃, the body has a coefficient of thermal expansion of 40 × 10 -7 ~ 60 × 10 -7 / ℃ range Fireproof sacks for the synthesis of secondary battery positive electrode active material, characterized in that.
The firebox for synthesizing a secondary battery cathode active material according to claim 1, wherein the density of the glaze layer is greater than that of the body.
상기 내화갑 몸체의 표면에 표면 치밀화를 위해 Li2O-Al2O3-SiO2계 유약을 도포하는 단계; 및
상기 유약이 도포된 내화갑 몸체를 열처리하여 상기 내화갑 몸체의 표면에 유약층을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지 양극활물질 합성용 내화갑의 제조방법.
Preparing a fireproof shell body made of a solid solution of 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 and Al 2 O 3 and containing a secondary battery cathode active material;
Applying a Li 2 O—Al 2 O 3 —SiO 2 based glaze to the surface of the refractory body for surface densification; And
A method of manufacturing a fireproof sap for synthesizing a secondary battery positive electrode active material, comprising: forming a glaze layer on a surface of the fireproof sac body by heat-treating the glaze-coated saggar body.
According to claim 8, wherein the glaze is Li 2 O 10-30% by weight, Al 2 O 3 25-60 wt% and SiO 2 A method of manufacturing a saggar for synthesizing a secondary battery cathode active material, comprising 25 to 60% by weight.
10. The method of claim 9, wherein the glaze further comprises 0.1 to 10% by weight of MgO.
10. The method of claim 9, wherein the glaze further comprises 0.1 to 10% by weight of spinel (MgAl 2 O 4 ).
The method of claim 8, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 1000 to 1300 ° C. in an oxidizing atmosphere.
The thermal expansion coefficient of the glaze layer is smaller than the thermal expansion coefficient of the fireproof armor body, wherein the glaze layer has a thermal expansion coefficient in the range of 30 × 10 -7 ~ 50 × 10 -7 / ℃, the body is thermal expansion A method of manufacturing a saggar for synthesizing a secondary battery cathode active material, characterized in that the coefficient is in the range 40 × 10 -7 ~ 60 × 10 -7 / ℃.
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