KR101383681B1 - 리튬망간산화물 전극재료 제조방법, 그 방법으로 제조된 리튬망간산화물 전극재료, 및 상기 전극재료를 포함하는 2차 전지 - Google Patents

리튬망간산화물 전극재료 제조방법, 그 방법으로 제조된 리튬망간산화물 전극재료, 및 상기 전극재료를 포함하는 2차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극재료에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 산화법에 의해 제조된 비정질 형태의 리튬망간산화물을 출발 물질로 하여 단사정계결정구조 또는 다양한 상들이 동시에 존재하는 결정구조로 이루어진 리튬망간산화물 전극재료를 제조하는 방법, 그 방법으로 제조된 전극재료 및 상기 전극재료를 포함하는 2차전지에 관한 것이다.

Description

리튬망간산화물 전극재료 제조방법, 그 방법으로 제조된 리튬망간산화물 전극재료, 및 상기 전극재료를 포함하는 2차 전지{Method for preparing lithium manganese oxides electrode materials, lithium manganese oxides electrode materials prepared thereby and rechargeable battery comprising the electrode materials}
본 발명은 전극재료에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 산화법에 의해 제조된 비정질 형태의 리튬망간산화물을 출발 물질로 하여 단사정계결정구조 또는 다양한 상들이 동시에 존재하는 결정구조로 이루어진 리튬망간산화물 전극재료를 제조하는 방법, 그 방법으로 제조된 전극재료 및 상기 전극재료를 포함하는 2차전지에 관한 것이다.
전지는 Mobile Energy 시대의 동력원으로서 신산업 창출의 견인차 역할로서 그 중요성이 부각되고 있으며, 전자 정보기기, 미래형 자동차, 지능형 로봇 등 현재와 미래 첨단 산업의 경쟁력을 좌우하는 핵심 산업이라고 할 수 있다. 전 세계적으로 이차 전지 산업규모는 약 100 ~ 120 억 달러이며, 이 중 약 50% 가 연축전지이고 나머지 50%가 소형 이차전지를 구성하고 있다.
이차전지는 수요산업이 다양하고 수출비중이 높은 산업으로서 현재는 휴대폰, 데스크탑 및 노트북 PC 수요가 대부분을 차지하지만, Mobile IT, 미래형 자동차, 지능형 로봇 등 다양한 첨단산업을 수요산업으로 하고 있어 성장 가능성이 매우 높다고 할 수 있다. 또한 전력 생산과 주파수 변동이 불규칙한 신재생에너지의 저장 및 전력의 품질 개선을 위해 이차전지의 중요성이 더욱 부각되고 있으며, 특히 최근 들어 세계적으로 석유 시장에 대한 불안감이 커지고 국제사회의 온실가스 배출 저감 노력이 증대되면서 차세대 이차전지에 모든 산업계가 주목하고 있다.
차세대자동차 기술로서는 특히, 환경 친화적이어야 함이 필요충분조건으로 대두되고 있는데, 이는 화석연료고갈의 심각성 외에 대기오염 문제, 지구 온난화 현상의 주범으로서 자동차 배기가스에 의한 오염이 지목됨으로써 친환경차량이 가장 중요한 기술개발대상이 되고 있는 상황이다. 대표적인 전동차량이 전력에 의한 모터 구동과 엔진을 병용하는 하이브리드자동차(HV : Hybrid Vehicle)와 가까운 장래 하이브리드차보다 전기 주행거리가 긴 플러그 인 하이브리드자동차(PHEV : Plug in Hybrid Electric Vehicle), 그리고 전기자동차(EV : Electric Vehicle)가 있다.
이러한 전기자동차에는 무엇보다 배터리의 성능이 중요한데 이차전지의 시장 경쟁은 부품ㅇ소재의 원천기술, 특히 에너지 밀도가 높고 안전성이 뛰어난 새로운 소재 개발에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. High Energy & High Power 배터리에서 중량이나 가격에 있어서 가장 많은 부분을 차지하고 있는 부분이 전극소재(특히 양극소재)이기 때문에 전기자동차용 배터리의 상용화를 위해서는 고용량, 고에너지 전극소재의 개발과 제조비용 단가를 낮추는 합성공정을 개발하는 것은 필수라고 볼 수 있다.
대표적인 양극소재로서 현재 판매되고 있는 소형 리튬이온전지에 사용되는 리튬산화코발트(LiCoO₂)는 산화코발트나 수산화코발트 등의 코발트염과 탄화리튬 등의 리튬염과를 고온에서 소성해 합성해 성능 면에서는 우수하지만 비용과 자원 량에서 한계가 있어 보다 값싼 양극재료의 개발이 요망되고 있다. 그리고 휴대용전자기기에 채용되는 기존 리튬이온전지는 소형화, 경량화, 고용량화 등의 요구에는 적절히 부응할 수 있으나, 순수 전기자동차용 전지는 상대적으로 고출력/대용량 전지로서의 특성을 요구하므로 이를 만족시키기 위해서는 고용량, 장수명, 안전성 확보가 필수적인 상황이다.
LiCoO2 외에 리튬 이온전지의 양극재료로서 사용되고 있는 물질들로서 LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2, LiMn2O4, Li1+xM1-xO2 (M=NiMn 또는 NiMnCo)및 LiMPO4 (M=Fe, Mn, Co 등) 등과 같은 전이금속산화물들이 많은 주목을 받아오고 있다.
일반적으로 리튬 전이금속 산화물들을 합성하는 방법들에는 고상고온합성법, 수열합성법, 졸겔법, 공침법등이 사용되고 있는데, 약 600∼900℃의 온도범위에서 공기 또는 산소 그리고 비활성 기체(Ar, N2)의 흐름 하에, 미리 혼합된 리튬 산화물과 전이금속 산화물의 혼합물을 고체상태 또는 용액상태로 반응시켜서 제조한다.
하지만, 고상고온반응법에 의한 리튬 전이금속 산화물들의 합성방법의 경우 비교적 합성 공정이 복잡하고, 고온에서 반응이 이루어져 열처리로 인한 비용이 많이 들며 입자 성장으로 인해 고율전극이 가져야 할 나노입자(크기 및 모양)로 형성시키기 어렵고, 수열합성법은 나노입자화의 용이성은 있으나 대량생산에 있어서의 어려움과 고가의 공정이며, 그리고 졸겔법은 후공정으로 고온에서 열처리가 필수적임과 동시에 합성방법의 복잡성 및 공정단가에 있어서의 가격상승 등의 문제점들이 있다.
또한 양극소재 용량면에 있어서 각국에서 현재 리튬이온 전지의 한계 Energy density를 약 250 Wh/kg으로 보고 이를 넘기 위한 노력들을 하고 있는 상황을 고려할 때 고용량을 갖는 새로운 양극소재의 개발은 필수적인 부분이라고 할 수 있다.
본 발명자들은 상술된 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과 비정질 형태의 리튬망간산화물(LixMnyOz)을 출발 물질로 하여 결정구조를 갖는 고용량 리튬망간산화물 전극재료를 합성할 수 있는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 산화법에 의해 제조된 비정질 형태의 리튬망간산화물을 출발 물질로 하여 단사정계결정구조 또는 다양한 상들(Layered, Spinel 구조 등)이 동시에 존재하는 결정구조로 이루어진 리튬망간산화물 전극재료 제조방법, 그 방법으로 제조된 리튬망간산화물 전극재료, 및 상기 전극재료를 포함하는 2차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 리튬망간산화물에 포함되는 리튬과 망간의 몰비를 변화시킴으로써 최종적으로 얻어지는 전극재료의 결정구조가 단일상, 2상, 3상 중 어느 하나 이상으로 구성되도록 조절이 가능한 리튬망간산화물 전극재료 제조방법, 그 방법으로 제조된 리튬망간산화물 전극재료, 및 상기 전극재료를 포함하는 2차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노크기의 결정구조로 구성되어 전기화학적 특성이 매우 우수한 리튬망간산화물 전극재료 제조방법, 그 방법으로 제조된 리튬망간산화물 전극재료, 및 상기 전극재료를 포함하는 2차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 비정질 리튬망간산화물(LixMnyOz)에 리튬을 혼합하여 균일한 혼합물을 얻는 혼합단계; 및 상기 혼합물을 산소분위기하에서 열처리하는 열처리단계를 포함하는 리튬망간산화물 전극재료 제조방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 혼합물에 포함된 리튬 : 망간의 몰비는 6:5 내지 10:5이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 혼합단계는 비정질리튬망간산화물과 리튬을 건식으로 Ball-milling하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 열처리단계는 진공로에서 400℃ 내지 900℃에서 8시간 내지 20시간 처리된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 혼합물에 포함된 리튬과 망간의 몰비를 변화시켜 다양한 온도에서 열처리함으로써 리튬망간산화물 전극재료의 결정구조 및 상기 결정구조의 크기가 제어된다.
또한, 본 발명은 상술된 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 리튬망간산화물 전극재료를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전극재료는 단일상, 2상, 3상 결정구조 중 어느 하나 이상의 구조를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 다양한 상들을 포함하고 있는 리튬망간산화물 전극재료는 충방전 특성에서 각각 포함되어 있는 상에 해당하는 전기화학적 특성에 의한 다양한 커브들을 나타내며, 200 mAh/g 이상의 고용량을 보여주고 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전극재료에 포함된 리튬과 망간의 몰비가 10:5이면, 상기 전극재료는 단사정계결정구조의 단일상 결정구조로 구성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전극재료는 10 내지 50㎚ 크기의 결정구조로 이루어진다.
또한, 본 발명은 상술된 리튬망간산화물 전극재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 리튬망간산화물 전극재료는 고상법을 이용하여 합성된 비교 샘플과 비교할 때 초기 충전 시 4.6V 부근에서 평탄한 곡선을 보여주면서 300 mAh/g 정도의 충전용량을 구현하고, 방전 시 비교적 완만한 곡선을 그리면서 250 mAh/g인 고용량을 구현한다.
또한 고율특성에 있어서, 상기 리튬망간산화물 전극재료는 고상법을 이용하여 합성된 비교 샘플에 비해 매우 우수한 고율 특성을 보여주고 있으며 전류밀도 6.4 mA/cm2에서 100 mAh/g의 고용량을 구현하고 있다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명에 의하면 공지된 산화법에 의해 제조된 비정질 형태의 리튬망간산화물을 출발 물질로 하여 단사정계결정구조 또는 다양한 상들(Layered, Spinel 구조 등)이 동시에 존재하는 결정구조로 이루어진 리튬망간산화물 전극재료를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 리튬망간산화물에 포함되는 리튬과 망간의 몰비를 변화시킴으로써 최종적으로 얻어지는 전극재료의 결정구조가 단일상, 2상, 3상 중 어느 하나 이상으로 구성되도록 조절이 가능하다.
또한, 본 발명의 리튬망간산화물 전극재료에 의하면 나노크기의 결정구조로 구성되어 전기화학적 특성이 매우 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬망간산화물 전극재료의 합성과정을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예1 내지 3에 따라 제조된 리튬망간산화물들의 X-ray diffraction patterns이다.
도 3은 본 발명의 실시예4 내지 6에 따라 제조된 리튬망간산화물을 포함하는 2차전지들의 초기 충방전 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예7에 따라 제조된 리튬망간산화물(Activated Li2MnO3)과 비교예1에 따라 제조된 Li2MnO3의 X-ray diffraction patterns이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예7에 따라 제조된 리튬망간산화물(Activated Li2MnO3) 및 비교예1에 따라 제조된 Li2MnO3의 FE-SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예8에 따라 제조된 리튬망간산화물을 포함하는 2차전지(Activated Li2MnO3)와 비교예2에 따라 제조된 Li2MnO3을 포함하는 2차전지(Solid-state Li2MnO3)의 초기 충방전 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예8에 따라 제조된 리튬망간산화물을 포함하는 2차전지(Activated Li2MnO3)와 비교예2에 따라 제조된 Li2MnO3을 포함하는 2차전지(Solid-state Li2MnO3)의 고율 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 기술적 특징은 산화법에 의해 제조된 비정질 리튬망간산화물에 리튬을 추가한 후 열처리함으로써 단사정계결정구조 또는 다양한 상들(Layered, Spinel 구조 등)이 동시에 존재하는 결정구조로 이루어진 리튬망간산화물 전극재료를 제조하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 특징은 추가되는 리튬의 함량을 조절하여 리튬망간산화물에 포함되는 리튬과 망간의 몰비를 변화시킴으로써 최종적으로 얻어지는 전극재료의 결정구조가 단일상, 2상, 3상 중 어느 하나 이상으로 구성되도록 조절이 가능한 것이다.
따라서, 본 발명의 리튬망간산화물 전극재료 제조방법은 비정질 리튬망간산화물(LixMnyOz)에 리튬을 혼합하여 균일한 혼합물을 얻는 혼합단계; 및 상기 혼합물을 산소 or Air 분위기하에서 열처리하는 열처리단계를 포함한다.
여기서, 혼합단계는 비정질리튬망간산화물과 리튬을 건식으로 Ball-milling하는 단계를 포함하는데, 20시간 이상 처리될 수 있으며, Ball milling 후 일정 크기(예를 들어 150 mesh)의 체를 이용하여 분말과 볼들을 분리할 수 있다.
혼합되는 리튬의 함량은 혼합단계를 통해 얻어진 혼합물에 포함되는 리튬 : 망간의 몰비를 고려하여 결정될 수 있는데, 리튬 : 망간의 몰비가 6:5 내지 10:5의 범위 내에 있도록 결정되는 것이 바람직하다. 통상 산화법에 의해 얻어진 비정질 리튬망간산화물에 포함된 리튬 : 망간의 몰비가 4:5인 것을 고려한 것으로 포함된 리튬 : 망간의 몰비가 6:5 이상이 되면 리튬망간산화물 전극재료의 결정구조가 단일상을 포함하여 2상 및/또는 3상을 이루게 되고, 리튬 : 망간의 몰비가 10:5이면 단일상의 결정구조로만 이루어지는 것을 실험적으로 확인하였다.
그 결과 본 발명의 리튬망간산화물 전극재료 제조방법에 의하면 혼합물에 포함된 리튬과 망간의 몰비를 변화시켜서 다양한 온도에서 열처리함으로서 리튬망간산화물 전극재료의 결정구조 및 상기 결정구조의 크기를 제어할 수 있다.
열처리단계는 진공로(Vacuum furnace)에서 400℃ 내지 900℃에서 8시간 내지 20시간 처리되는 것이 바람직한데, 승온 속도는 열처리 온도까지 분당 5℃인 일 수 있고, 고순도 산소 및 Air 분위기 유지를 위하여 산소를 진공로에 주입하는 경우에는 gas flow는 0.5 L/min일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 리튬산화물 전극재료가 나노크기로 된 결정구조로 이루어져 전기화학적 특성이 매우 우수하다는 것이다.
즉, 본 발명에 따른 리튬망간산화물 전극재료는 단일상, 2상, 3상 결정구조 중 어느 하나 이상의 구조를 포함하여 동시에 다양한 상이 병존할 수 있을 분만 아니라, 10 내지 50㎚ 크기의 나노결정구조로 이루어지기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 리튬망간산화물 전극재료에 포함된 리튬과 망간의 몰비가 10:5이면, 전극재료는 단사정계결정구조의 단일상 결정구조로 구성됨을 확인할 수 있었다.
실시예1
산화법으로 출발 물질인 비정질 리튬망간산화물(LixMnyOz)을 합성하기 위해 기존에 알려진 방법(참조문헌 J. Electrochem. Soc. 145 (1998) L53)을 참조하여 도 1에 도시된 바와 같이 수행하였다.
보다 구체적으로는 Lithium hydroxide 0.04 mol (1.678g), Lithium peroxide 0.02 mol (0.916g), Manganese acetate 0.005 mol (1.225g) 을 각각 3차 증류수 160-180 mL, 70-80 mL, 20-30 mL에 용해시겼다. 각각 용해된 solution을 먼저 Lithium hydroxide와 Lithium peroxide 용액을 혼합하여 교반시킨 후 혼합된 용액을 Manganese acetate 용액에 넣고 충분한 반응에 의해 균일한 침전물이 생성되도록 24시간 정도 교반시켰다. 그 후 침전물을 다공질 세라믹 필터를 이용하여 걸러준 뒤 120℃의 건조기에서 24시간 동안 건조시켜 비정질 리튬망간산화물을 얻었다.
얻어진 비정질 리튬망간산화물을 출발물질로 하여 고결정성을 갖는 리튬망간산화물을 제조하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 수행하였다.
얻어진 비정질 리튬망간산화물과 리튬을 혼합한 혼합물에 포함된 리튬과 망간이 몰비가 6:5가 되도록 Lithium hydroxide를 0.002 mol (0.0839g)을 혼합하고 혼합물을 24시간 동안 건식으로 Ball-milling하였다. Ball milling 후 150 mesh의 체를 이용하여 분말과 볼들을 분리하고 각각의 얻어진 분말들은 Vacuum furnace를 사용하여 산소 분위기, 800℃에서 열처리하였다. 이때 gas flow는 0.5 L/min, 승온 속도는 800℃까지 분당 5도씩, 그리고 800℃에서 10시간 동안 열처리 후 전기로 내에서 자연 냉각시켜 리튬망간산화물(Li:Mn=6:5)을 얻었다.
실시예 2
얻어진 비정질 리튬망간산화물과 리튬을 혼합한 혼합물에 포함된 리튬과 망간이 몰비가 8:5가 되도록 Lithium hydroxide를 0.004 mol (0.1678g) 혼합한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬망간산화물(Li:Mn=8:5)을 얻었다.
실시예 3
얻어진 비정질 리튬망간산화물과 리튬을 혼합한 혼합물에 포함된 리튬과 망간이 몰비가 10:5가 되도록 Lithium hydroxide를 0.006 mol (0.2517g) 혼합한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬망간산화물(Li:Mn=10:5)을 얻었다.
실시예 4
실시예 1에서 얻어진 리튬망간산화물(Li:Mn=6:5) 7mg을 Ketjen Black 3mg과 TAB 바인더 5mg과 혼합시키고, 상기 혼합물을 스테인레스 스틸 메쉬에 압축하였다. 다음으로 각각의 압축된 상기 혼합물들을 진공상태에서 120℃로 5시간 동안 건조시켜 2차 전지용 전극을 제조하였다. 이때, 상기 건조된 혼합물을 캐소드로 이용하고 리튬 메탈을 애노드로 이용하며, 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate)와 디메틸 카보네이트(Dimethyl Carbonate; DMC)를 1:1로 혼합한 혼합물에 LiPF6 1M이 함유된 전해질을 이용하여 2차 전지(Li:Mn=6:5)를 제조하였다.
실시예 5
실시예 2에서 얻어진 리튬망간산화물(Li:Mn=8:5)을 사용한 것을 제외하면 실시예 4와 동일한 방법으로 2차 전지(Li:Mn=8:5)를 제조하였다.
실시예 6
실시예 2에서 얻어진 리튬망간산화물(Li:Mn=10:5)을 사용한 것을 제외하면 실시예 4와 동일한 방법으로 2차 전지(Li:Mn=10:5)를 제조하였다.
실험예 1
실시예 1 내지 3에서 얻어진 리튬망간산화물들(Li:Mn=6:5, Li:Mn=8:5, Li:Mn=10:5)의 X-ray diffraction patterns을 관찰하고 그 결과를 도 2에 도시하였고, 상기 리튬망간산화물 전극재료의 전기화학적 특성을 고찰하기 위하여 실시예 4 내지 6에서 얻어진 2차전지의 초기 충방전 곡선을 관찰하고 그 결과를 도 3에 도시하였다.
XRD 결과가 도시된 도 2 및 전기화학적 특성이 도시된 도3에 나타난 바와 같이 XRD 결과로는 본 발명에 의해 제조된 리튬망간산화물들(Li:Mn=6:5, Li:Mn=8:5, Li:Mn=10:5)이 다양한 상들이 혼합되어 있는 나노복합체임을 명확히 구분하기는 어렵지만, 전기화학적 특성에서는 확실히 구분할 수 있는 것을 알 수 있다.
특히 Li과 Mn의 몰비가 6:5인 리튬망간산화물(Li:Mn=6:5)의 경우 전기화학 특성인 충방전 curve에서 다양한 평탄영역을 보여주고 있다. 초기 충전곡선에서 각각의 평탄영역은 3.0V와 4.0V 부근은 Spinel인 Li2Mn2O4의 Octahedral, Tetrahedral site에 위치하고 있는 Li에 의한 것이며, 3.7V 부근은 Layered phase인 LiMnO2 or Li1.5Mn0.97O2로부터 나오는 것으로 판단되며, 4.5V 이상의 고전압에서 나타나는 curve의 경우는 Li2MnO3가 Li2O와 MnO2로의 분해반응으로 인해 나타나는 결과인 것으로 예측된다.
이러한 결과는 본 발명에 의해 합성된 리튬망간산화물이 Spinel, Layered phase에 해당하는 LiMn2O4, Li2Mn2O4, LiMnO2, Li1.5Mn0.97O2, Li2MnO3 등 다양한 상들이 포함되어 있는 고용량 나노 복합체임을 보여주는 것이라고 할 수 있다.
또한 리튬과 망간의 몰비에서 리튬의 함량이 증가할수록 리튬망간산화물(Li:Mn=10:5)에 대한 결과가 도시된 그래프에서 알 수 있듯이, 결정구조가 단사정계결정구조(Monoclinic 구조) (공간군 C2/m)의 Li2MnO3에 가까워짐을 XRD 결과를 통해 알 수 있으며, 전기화학 특성 또한 전형적인 마이크로 사이즈의 Li2MnO3에서 나타나는 전기화학적으로 비활성인 특성을 보여주고 있음을 알 수 있다.
실시예 7
전기화학적으로 활성화된 Li2MnO3 나노입자를 다음과 같이 합성하였다.
실시예1에서 제조된 비정질 리튬망간산화물에 Lithium Hydroxide를 추가하였는데, 즉 최종적으로 Li과 Mn의 몰비가 10:5가 되도록 Lithium hydroxide를 0.006 mol (0.2517g)을 넣고 혼합하고 각각의 혼합물을 24시간 동안 건식으로 Ball-milling하였다. Ball milling 후 150 mesh의 체를 이용하여 분말과 볼들을 분리하고 얻어진 분말은 Vacuum furnace를 사용하여 산소 분위기, 600℃에서 열처리 되었다. 이때 gas flow는 0.5 L/min, 승온 속도는 600℃까지 분당 5℃씩, 그리고 600℃에서 10시간 동안 열처리 후 전기로 내에서 자연 냉각시켜 활성화된 결정성 Li2MnO3 나노입자 전극재료[Activated Li2MnO3(Li:Mn=10:5)]를 제조하였다.
실시예 8
실시예 1에서 얻어진 리튬망간산화물(Li:Mn=6:5) 대신 실시예 7에서 얻어진 Activated Li2MnO3(Li:Mn=10:5)를 사용한 것을 제외하면 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 2차 전지[Activated Li2MnO3(Li:Mn=10:5)]를 제조하였다.
비교예 1
공지된 고상방법으로 Li2MnO3를 제조하였다.
비교예 2
실시예 1에서 얻어진 리튬망간산화물(Li:Mn=6:5) 대신 비교예 1에서 얻어진 Li2MnO3를 사용한 것을 제외하면 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 비교예 2차 전지(solid-state Li2MnO3)를 제조하였다.
실험예 2
실시예 7에서 얻어진 Activated Li2MnO3(Li:Mn=10:5)와 비교예 1에서 얻어진Li2MnO3의 X-ray diffraction patterns을 관찰하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. 또한, 각 전극재료를 FE-SEM으로 관찰하고 그 결과사진을 도 5a 및 도 5b에 나타내었다.
도 4에 도시된 바와 같이 단사정계결정구조(Monoclinic 구조) (공간군 C2/m)에 잘 일치하는 XRD 패턴을 보여주고 있으며, 특히 고상법에 의해 준비된 샘플과 비교할 때 본 발명에 의한 Activated Li2MnO3(Li:Mn=10:5) 경우 선폭이 넓고 Intensity 또한 작게 나타나는 것으로 상당히 작은 나노 사이즈 particle임을 알 수 있는데, 바람직하게는 10 내지 50㎚ 크기를 갖는다. 또한 이러한 결과는 도 5a 및 도5b에 도시된 FE-SEM 비교 사진과 정확히 일치하는 것을 알 수 있다.
실험예 3
실시예 7에서 얻어진 Activated Li2MnO3(Li:Mn=10:5)와 비교예 1에서 얻어진Li2MnO3의 전기화학적 특성을 관찰하기 위해 실시예 8에서 얻어진 2차 전지[Activated Li2MnO3(Li:Mn=10:5)] 및 비교예 2에서 얻어진 2차 전지(solid-state Li2MnO3)의 초기 충방전 곡선을 관찰하고 그 결과를 도 6에 도시하였고, 고율특성을 조사하여 그 결과를 도 7에 도시하였다.
도 6에 도시된 바와 같이 전기화학적으로 활성화된 실시예7의 Activated Li2MnO3 전극재료는 비교예 1에서 얻어진 Li2MnO3와 전기화학 특성 결과에서도 뚜렷한 차이를 보여주고 있다. 즉, 초기 충방전 곡선을 보여주는 도 6으로부터 기존 연구 결과에서 Li2MnO3 물질은 Mn의 산화수가 +4로서 더 이상 Li이 빠져나올 수 없는 전기화학적으로 비활성이라고 알려져 왔지만 (Solid-state Li2MnO3 샘플), 실시예 7과 같이 나노사이즈로 합성될 경우 초기 충전시 거의 300 mAh/g, 방전시 250 mAh/g에 가까운 고용량을 구현하고 있음을 알 수 있기 때문이다.
또한, 고율 특성면에서도 도 7은 본 발명 즉 실시예7에 의해 얻어진 2차전지에 포함된 Activated Li2MnO3(Li:Mn=10:5)가 나노사이즈 결정구조로 이루어져 기존 합성법에 의한 비교 2차 전지에 포함된 Solid-state Li2MnO3 과 비교할 때 매우 우수한 특성을 갖는 것을 보여주고 있으며, 특히 6.4 mA/cm2의 고율에서도 100mAh/g의 용량을 유지하고 있는 것을 알 수 있다.
이상의 실험결과들은 본 발명의 리튬망간산화물 전극재료가 나노사이즈 즉 10 내지 50㎚ 크기의 결정구조로 이루어질 뿐만 아니라, 단일상, 2상, 3상 결정구조 중 어느 하나 이상의 결정구조를 포함함으로써 다양한 결정구조가 동시에 존재하게 되는 특성으로 인해 본 발명의 리튬망간산화물 전극재료를 포함하는 2차전지가 전기화학적 특성이 극히 우수함을 보여준다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 비정질 리튬망간산화물(LixMnyOz)에 리튬을 혼합하여 균일한 혼합물을 얻는 혼합단계; 및
    상기 혼합물을 산소 또는 공기 분위기하에서 열처리하는 열처리단계를 포함하는데,
    상기 혼합물에 포함된 리튬 : 망간의 몰비는 6:5 내지 10:5인 것을 특징으로 하는 리튬망간산화물 전극재료 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합단계는 비정질리튬망간산화물과 리튬을 건식으로 볼밀링(Ball-milling)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬망간산화물 전극재료 제조방법.
  4. 비정질 리튬망간산화물(LixMnyOz)에 리튬을 혼합하여 균일한 혼합물을 얻는 혼합단계; 및
    상기 혼합물을 산소 또는 공기 분위기하에서 열처리하는 열처리단계를 포함하는데,
    상기 열처리단계는 진공로에서 400℃ 내지 900℃에서 8시간 내지 20시간 처리되는 것을 특징으로 하는 리튬망간산화물 전극재료 제조방법.
  5. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합물에 포함된 리튬과 망간의 몰비를 변화시켜 열처리함으로써 리튬망간산화물 전극재료의 결정구조가 LiMn2O4, Li2Mn2O4, LiMnO2, Li1.5Mn0.97O2, Li2MnO3 중 하나 이상을 포함하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 리튬망간산화물 전극재료 제조방법.
  6. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 리튬망간산화물 전극재료로서, 상기 전극재료의 결정구조가 LiMn2O4, Li2Mn2O4, LiMnO2, Li1.5Mn0.97O2, Li2MnO3 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬망간산화물 전극재료.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극재료에 포함된 리튬과 망간의 몰비가 10:5이면, 상기 전극재료는 단사정계결정구조의 단일상 결정구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬망간산화물 전극재료.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극재료는 10 내지 50㎚ 크기의 결정구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬망간산화물 전극재료.
  10. 제 6 항의 리튬망간산화물 전극재료를 포함하는데, 상기 리튬망간산화물 전극재료는 초기 충전시 300 mAh/g, 방전시 250 mAh/g인 고용량을 구현하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 리튬망간산화물 전극재료는 전류밀도 6.4 mA/cm2에서 100 mAh/g의 고용량을 구현하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
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