KR101503433B1 - Manufacturing method of lithium-titanium composite comprising carbon in crystal, lithium-titanium composite comprising carbon in crystal made by the same, and the use of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 결정 내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물을 사용하여 우수한 용량 특성을 나타내는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
더욱 상세하게는 습식 분쇄 및 분무 건조 방법을 이용한 결정 내에 탄소가 포함된 리튬티탄복합산화물의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의하여 제조된 결정 내에 탄소가 포함된 리튬티탄복합산화물, 및 이를 포함하는 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 결정 내에 탄소가 포함된 리튬티탄복합산화물의 제조 방법은 전기화학적 특성이 우수한 리튬 이온 전지용 리튬 망간 복합 산화물을 제공한다.
The present invention relates to a method for producing a lithium-titanium composite oxide containing carbon in a crystal, and a lithium secondary battery exhibiting excellent capacity characteristics by using a lithium-titanium composite oxide containing carbon in the crystal produced thereby.
More particularly, the present invention relates to a method for producing a lithium-titanium composite oxide containing carbon in a crystal by a wet pulverization and spray drying method and a lithium-titanium composite oxide containing carbon in the crystal produced by the method and a lithium ion The present invention relates to a secondary battery.
The method for producing a lithium-titanium composite oxide containing carbon in the crystal according to the present invention provides a lithium-manganese composite oxide for lithium ion batteries excellent in electrochemical characteristics.

Description

결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법, 이에 의하여 제조된 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물 및 이의 용도{MANUFACTURING METHOD OF LITHIUM-TITANIUM COMPOSITE COMPRISING CARBON IN CRYSTAL, LITHIUM-TITANIUM COMPOSITE COMPRISING CARBON IN CRYSTAL MADE BY THE SAME, AND THE USE OF THE SAME} TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a lithium-titanium composite oxide containing carbon in a crystal, a lithium-titanium composite oxide containing carbon in the crystal thus produced, and a use thereof. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention COMPRISING CARBON IN CRYSTAL MADE BY THE SAME, AND THE USE OF THE SAME}

본 발명은 결정 내에 탄소가 포함된 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 결정 내에 탄소가 포함된 리튬-티탄 복합 산화물, 상기 결정 내에 탄소가 포함된 리튬-티탄 복합 산화물을 리튬 이차 전지의 양극 또는 음극 활물질로 사용하는 용도에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a lithium-titanium composite oxide containing carbon in a crystal, a lithium-titanium composite oxide containing carbon in the crystal produced thereby, and a lithium-titanium composite oxide containing carbon in the crystal, As a positive electrode or a negative electrode active material.

리튬-티탄 복합 산화물에는 일반식 Li(1+x)Ti(2-x)Oy(x = -0.2 내지 1.0, y = 3 내지 4)로 표시되는 티탄산리튬이 포함되고, 그의 대표적인 예에는 Li4 /3Ti5 /3O4, LiTi2O4 및 Li2TiO3 가 있다. 이들은 리튬 기준으로 1.5 V 의 전압을 가지고, 수명이 길다. 또한 시계용 리튬 이온 전지 중의 활성물로서 성공적으로 사용되어온 재료이고, 충전-방전시의 팽창 및 수축을 무시할 수 있으므로 전지의 대형화시에 주목되는 전극 재료이다. 이 재료는 양극활성물로서 종래로부터 사용되어 왔고, 음극 활성물로서도 활용할 수 있어서, 전지의 양극 및 음극 활성물로서 그의 장래가 기대된다.
The lithium-titanium composite oxide includes lithium titanate represented by the general formula Li (1 + x) Ti (2-x) O y (x = -0.2 to 1.0, y = 3 to 4) a 4/3 Ti 5/3 O4 , LiTi 2 O 4 , and Li 2 TiO 3. They have a voltage of 1.5 V on a lithium basis and have a long lifetime. Further, it is a material that has been successfully used as an active material in a lithium ion battery for a watch, and it can neglect the expansion and shrinkage during charging-discharging. This material has been conventionally used as a positive electrode active material and can also be utilized as a negative electrode active material, and its future as a positive electrode and negative electrode active material of a battery is expected.

이러한 티탄산리튬 또는 그의 제조 방법에 대해 다음과 같은 방법이 제안되어 있다.The following methods have been proposed for lithium titanate or a method for producing the same.

JPA 제 320784/95 호에는 아나타제(anatase)형 이산화티탄과 수산화리튬을 원자비 5:4 의 비율로 혼합하고, 이 혼합물을 900 ℃ 에서 15 시간 소성하여 Li4/3Ti5/3O4 를 수득하는 방법, 및 이산화티탄과 탄산리튬을 수소 기류 중에 800 내지 950 ℃ 에서 소성하여 LiTi2O4 를 수득하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이러한 제조 방법에 의해 수득한 티탄산리튬은 불균일한 형성으로 인해 유동성이 약화된다. 이것은, 전극 제작시의 유전제(conducting agent) 또는 결착제(binder)와의 혼합시의 취급 문제를 일으켜서, 균일 혼합이 곤란하게 된다. 또한, 전해액의 흡수/유지가 불충분하기 때문에, 상기 생성물의 집전체(collector)상으로의 도공이 어렵게 되어, 사이클링 특성이 우수한 전지를 제조할 수 없다.In JPA No. 320784/95, anatase-type titanium dioxide and lithium hydroxide were mixed at a ratio of 5: 4 in atomic ratio and the mixture was calcined at 900 ° C for 15 hours to obtain Li 4/3 Ti 5/3 O 4 , And a method of obtaining LiTi 2 O 4 by calcining titanium dioxide and lithium carbonate in a hydrogen stream at 800 to 950 ° C. However, the lithium titanate obtained by such a production method has poor fluidity due to non-uniform formation. This leads to handling problems during mixing with a conducting agent or a binder at the time of preparing the electrode, and it becomes difficult to uniformly mix. In addition, since the absorption / holding of the electrolyte is insufficient, it is difficult to coat the product on a collector, and a battery having excellent cycling characteristics can not be produced.

JPA 제 309726/97 호에는 티탄 화합물과 암모니아 화합물을 수중에서 반응시켜 티탄산 화합물을 수득하는 공정, 및 상기 티탄산 화합물과 리튬 화합물을 수중에서 반응시켜 티탄산리튬 수화물을 수득하는 공정으로 이루어지는, 티탄산리튬 수화물의 제조 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이 방법에 의해 수득한 티탄산리튬은 수화물이기 때문에 물을 함유한다. 전해질로서 LiPF6 또는 LiBF4 를 사용하는 경우에는, 물과 전해질이 반응하여 플루오르화수소산이 유리되고, 이어서 리튬 또는 대극(counter electrode) 활성물과 반응하여 용량 또는 사이클링을 바람직하지 않게 저하시킨다.
JPA No. 309726/97 discloses a process for producing a lithium titanate hydrate comprising the steps of reacting a titanium compound and an ammonia compound in water to obtain a titanic acid compound and a step of reacting the titanic acid compound with a lithium compound in water to obtain lithium titanate hydrate A manufacturing method is described. However, the lithium titanate obtained by this method contains water because it is a hydrate. As the electrolyte, LiPF 6 Or LiBF 4 is used, water and electrolyte react to liberate hydrogen fluoride, which in turn reacts with lithium or counter electrode active materials to undesirably reduce capacity or cycling.

한국 출원 10-2006-0039137에는 종래 티탄산 리튬을 탄소계 음극 활물질을 포함하고 있는 리튬이차전지용 음극 합체에 소정량 포함시켜서 저온에서의 출력 특성이 우수하여 상온에서뿐만 아니라 저온에서도 고출력을 제공하여야 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용될 수 있는 리튬 이차 전지를 제조하는데 사용하고자 하는 시도가 기재되어 있다. 그러나, 이 경우 탄소계 음극 활물질과 리튬 티탄 화합물이 단순 혼합되어 있어 원하는 만큼의 용량 증가 및 저온 안정성을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
Korean Patent Application No. 10-2006-0039137 discloses a lithium secondary battery comprising a lithium titanate containing a predetermined amount of lithium titanate as a negative electrode active material for a lithium secondary battery including a carbonaceous anode active material and having excellent output characteristics at a low temperature, , Attempts have been made to use lithium secondary batteries which can be used as a power source for hybrid electric vehicles. However, in this case, since the carbon-based anode active material and the lithium titanium compound are simply mixed, the capacity increase and the low-temperature stability can not be obtained as desired.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for producing a lithium-titanium composite oxide containing carbon in a crystal.

또한, 본 발명은 상기 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법에 의하여 제조된 리튬-티탄 복합 산화물을 리튬이차전지의 양극, 음극 활물질로서 사용하는 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a use of the lithium-titanium composite oxide produced by the above-described method for producing a lithium-titanium composite oxide as a positive electrode and a negative electrode active material of a lithium secondary battery.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여In order to achieve the above object,

i)탄소 화합물, 리튬함유 화합물, 티탄 산화물을 양론비로 고상 혼합하는 단계;i) solid-phase mixing the carbon compound, the lithium-containing compound, and the titanium oxide in a stoichiometric ratio;

ii)상기 i)의 고상 혼합물을 용매에 분산시키고 약 0.5㎛ 미만의 평균입자 직경을 갖는 입자를 함유할 때까지 습식 분쇄하여 슬러리를 제조하는 단계;ii) dispersing the solid phase mixture of i) in a solvent and wet milling the slurry until it contains particles having an average particle diameter of less than about 0.5 占 퐉;

iii)상기 ii)의 슬러리를 분무건조하는 단계: 및iii) spray-drying the slurry of ii); and

iv)상기 iii)의 분무건조된 슬러리를 소성하는 단계로 구성되는 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법을 제공한다.
and iv) calcining the spray-dried slurry of iii). The present invention also provides a process for producing a lithium-titanium composite oxide comprising carbon in a crystal.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소 화합물은 피로탄소류(pyrocarbon), 코크류, 유리상 탄소, 유기 중합체 화합물 소성체 및 탄소 섬유로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 한다.
In the production method of the present invention, the carbon compound is at least one selected from the group consisting of pyrocarbon, coke, glassy carbon, sintered organic polymer compound, and carbon fiber.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 티탄 산화물은 순도 95% 이상의 아나타제형, 루타일형 이산화티탄 또는 순도 90% 이상의 함수 산화티탄인 것을 특징으로 한다.
In the production method of the present invention, the titanium oxide is anatase type, rutile type titanium dioxide having a purity of 95% or more, or hydrous titanium oxide having a purity of 90% or more.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 리튬함유 화합물은 수산화리튬 또는 탄산리튬인 것을 특징으로 한다.
In the production method of the present invention, the lithium-containing compound is lithium hydroxide or lithium carbonate.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 리튬-티탄 복합 산화물 내의 티탄과 탄소의 원자비는 1:0.01 내지 1:0.1 인 것을 특징으로 한다.
In the production method of the present invention, the atomic ratio of titanium to carbon in the lithium-titanium composite oxide is 1: 0.01 to 1: 0.1.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 ii)단계에서의 습식 분쇄는 용매로서 물을 사용하고, 지르코니아 비드를 이용하여 3000 내지 4000 rpm 으로 습식 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
In the production method of the present invention, the wet grinding in the step (ii) is characterized by using water as a solvent and wet pulverizing at 3000 to 4000 rpm using zirconia beads.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 iii)단계에서 상기 ii)의 슬러리를 분무건조하는 단계에서는 투입 열풍온도를 250 내지 300℃, 배기 열풍 온도를 100 내지 150℃로 분무건조하는 것을 특징으로 한다.
In the manufacturing method of the present invention, in the step of spray drying the slurry of ii) in the step iii), the hot air is heated to a temperature of 250 to 300 ° C and the hot air temperature of the exhaust is 100 to 150 ° C.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 iv)단계에서의 소성 공정은 상기 iii)단계에서의 분무 건조체를 환원 분위기 하, 700~800℃에서, 5 시간 내지 10 시간 동안 소성하는 것을 특징으로 한다.
In the manufacturing method of the present invention, the firing step in the step iv) is characterized in that the spray dried body in the step iii) is fired at 700 to 800 ° C for 5 hours to 10 hours under a reducing atmosphere.

본 발명은 또한, 본 발명의 제조 방법에 의하여 제조되고, 일차 입자가 집합하여 형성된 입자 직경 1 내지 50 ㎛ 의 구형 이차 입자로 형성되는 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물을 제공한다.
The present invention also provides a lithium-titanium composite oxide comprising carbon in a crystal prepared by the production method of the present invention and formed of spherical secondary particles having a particle diameter of 1 to 50 mu m formed by aggregation of primary particles.

본 발명은 또한, 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물을 양극활물질로서 사용하는 양극 또는 음극활물질로서 사용하는 음극, 및 상기 양극 또는 음극을 함유하는 리튬이차전지를 제공한다.
The present invention also provides a negative electrode used as a positive electrode or negative electrode active material using a lithium-titanium composite oxide containing carbon as a positive electrode active material, and a lithium secondary battery containing the positive electrode or the negative electrode.

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

본 발명의 제조 방법에 있어서는 고상 혼합, 습식 분쇄 및 분무 건조법을 사용하며, 리튬 화합물, 티탄 화합물 및 탄소 화합물을 초기부터 동시에 혼합하여 탄소가 결정구조 내에 포함된 리튬 티탄 화합물을 제조하는 것을 기술적 특징으로 한다. In the production method of the present invention, a lithium titanium compound in which carbon is contained in a crystal structure is produced by simultaneously mixing a lithium compound, a titanium compound and a carbon compound from the beginning using solid phase mixing, wet pulverization and spray drying. do.

출발 물질로서 사용하는 티탄 산화물의 출발 원료는, 염화물, 황산염 또는 유기염 등의 어느 것이라도 좋다. 또한, 결정 구조는 아나타세형, 루틸형 또는 무정형 등의 어느 것이라도 좋으나, 본 발명에서와 같이, 방전 용량 또는 전지 특성이 우수한 리튬-티탄 복합 산화물을 제조하기 위해서는, 아나타세형 이산화티탄 또는 함수 산화티탄을 사용하는 것이 바람직하다. 아나타세형 이산화 티탄은 순도가 95% 이상, 바람직하게는 98% 이상일 필요가 있다. 순도가 95% 미만인 경우, 활성물 중량당 용량이 감소하기 때문에 바람직하지 않다. 고순도, 예를 들어 순도 99.99% 의 것을 사용할 수도 있지만, 이 경우 비용이 높게 된다. 전극 활성물의 관점에서 생각한 경우, 순도가 98% 이상이면, 입자 직경 및 형상의 영향이 고순도화 영향보다 커진다. 함수 산화티탄은 전술한 아나타세형이 산화티탄과 동일한 이유로 소성 후에 상기 범위의 순도를 갖는 아나타세형 이산화티탄을 수득하기 위해 소성 전의 순도가 90% 이상이어야 한다
The starting material of the titanium oxide used as the starting material may be chloride, sulfate or organic salt. The crystal structure may be any of anatase, rutile or amorphous. However, in order to produce a lithium-titanium composite oxide having excellent discharge capacity or cell characteristics as in the present invention, It is preferable to use titanium oxide. The anatase-type titanium dioxide needs to have a purity of 95% or more, preferably 98% or more. If the purity is less than 95%, the capacity per weight of active material decreases, which is not preferable. High purity, for example, 99.99% purity may be used, but in this case the cost is high. From the viewpoint of the electrode active material, when the purity is 98% or more, the influence of the particle diameter and the shape becomes greater than the effect of high purity. The hydrous titanium oxide should have a purity of 90% or more before firing in order to obtain anatase-type titanium dioxide having the above range of purity after firing, because the above-described anatase type is the same as titanium oxide

본 발명의 제조 방법에 있어서, 출발 물질로서 사용하는 상기 탄소 화합물은 리튬을 가역적으로 도핑 및 탈도핑 가능한 것, 예를 들어 피로탄소류(pyrocarbon), 코크류(피치 코크, 니들 코크, 석유 코크 등), 흑연류, 유리상 탄소류, 유기 중합체 화합물 소성체(적절한 온도에서 소성시켜 탄소화된 페놀 수지, 푸란 수지 등), 탄소 섬유, 활성탄 및 기타 탄소 물질 또는 금속 리튬, 리튬 합금 및 폴리아센, 폴리피롤 등과 같은 중합체가 사용될 수 있다. In the production method of the present invention, the carbon compound used as the starting material is one capable of reversibly doping and undoping lithium, for example, pyrocarbon, coke (pitchcoke, needlecoke, petroleum coke, etc. ), Graphite, glassy carbon, organic polymer compound sintered body (carbonized phenol resin or furan resin calcined at a suitable temperature), carbon fiber, activated carbon and other carbon materials or metallic lithium, lithium alloy and polyacene, polypyrrole And the like can be used.

본 발명에 따른 탄소 화합물은 통상적으로 사용되는 고상 탄소 또는 액상 탄소가 가능하며 본 발명에서 특별이 한정하지는 않는다. 대표적으로, 상기 고상 탄소는 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 폴리비닐알콜 수지, 우레탄 수지, 폴리이미드수지, 퓨란 수지, 풀푸릴 알콜, 셀룰로오스 수지, 에폭시 수지, 폴리스티렌 수지 등을 약 1000℃로 열처리하여 얻을 수 있다. 또한, 석유계, 석탄계 탄소 원료 또는 수지계 탄소를 300 내지 600 ℃로 열처리한 메조페이스 피치, 원료 코크스(raw cokes) 및 탄소 원료를 불융화 처리한 후 또는 불융화 처리하지 않고 600 내지 1500 ℃로 열처리한 메조페이스 핏치 탄화물, 소성된 코크스 등의 비정질 탄소가 가능하다. 상기 액상 탄소는 석탄계 핏치, 석유계 핏치, 타르(tar), 저분자량의 중질유를 약 1000 ℃로 열처리하여 제조된 핏치로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종이 가능하다.The carbon compound according to the present invention can be solid-state carbon or liquid-state carbon which is generally used, and is not particularly limited in the present invention. Typically, the solid carbon is obtained by heat-treating a phenol resin, a naphthalene resin, a polyvinyl alcohol resin, a urethane resin, a polyimide resin, a furan resin, a furfuryl alcohol, a cellulose resin, an epoxy resin, a polystyrene resin, have. It is also possible to heat treat the petroleum-based, coal-based carbon raw material or the resin-based carbon at 600 to 1500 ° C after the mesophase pitch, the raw cokes and the carbon raw material heat-treated at 300 to 600 ° C are not subjected to the infusibilization treatment, Amorphous carbon such as a mesophase pitch carbide and a calcined coke can be used. The liquid carbon may be one selected from the group consisting of coal-based pitch, petroleum pitch, tar, and pitch produced by heat treating low-molecular weight heavy oil at about 1000 캜.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 출발 물질로서 사용하는 리튬 화합물은 수산화리튬, 수산화리튬·1수화물, 산화리튬, 탄산수소리튬 또는 탄산리튬과 같은 리튬염이 가능하다.
In the production method of the present invention, the lithium compound to be used as a starting material is lithium hydroxide such as lithium hydroxide, lithium hydroxide monohydrate, lithium oxide, lithium hydrogen carbonate or lithium carbonate.

본 발명에 따른 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물을 제조하는 방법은 출발 물질로서 리튬 화합물, 티탄 화합물, 탄소 화합물을 양론비로 혼합하고, 상기 고상 혼합물을 액체 매체 중에 분산시키고 습식 분쇄하여 만들어진 슬러리를 공지의 방법으로 분무하여 건조 조립함으로써 얻어지는 조립 분말을 사용할 수 있다.
The method for producing a carbon-containing lithium-titanium composite oxide in a crystal according to the present invention is characterized in that a lithium compound, a titanium compound, and a carbon compound are mixed as a starting material in a stoichiometric ratio, and the solid mixture is dispersed in a liquid medium and wet pulverized A granulated powder obtained by spray-drying and assembling a slurry by a known method can be used.

본 발명의 제조 방법에 있어서는 상기 동시 혼합된 리튬 화합물, 티탄 화합물 및 탄소 화합물을 분산매에 분산시킨 후 매체교반형 분쇄기 등을 사용하여 습식 분쇄하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 슬러리의 습식분쇄를 위해 사용되는 분산매로는 각종 유기용매, 수성용매를 사용할 수 있지만, 바람직한 것은 물이다. 슬러리 전체의 중량에 대한 원료 화합물의 총중량 비율은, 50중량% 이상이며, 60중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 중량비율이 상기 범위 미만인 경우는, 슬러리 농도가 극단적으로 희박하기 때문에 분무 건조에 의해 생성된 구형 입자가 필요 이상으로 작아지거나 파손되기 쉽다. 이 중량비율이 상기 범위를 초과하면 슬러리의 균일성을 유지하기 어렵다.In the production method of the present invention, it is preferable to use a method in which the simultaneously mixed lithium compound, titanium compound, and carbon compound are dispersed in a dispersion medium, followed by wet grinding using a medium agitation type pulverizer or the like. As the dispersion medium used for the wet pulverization of the slurry, various organic solvents and aqueous solvents can be used, but water is preferred. The ratio of the total weight of the raw material compound to the weight of the whole slurry is preferably 50 wt% or more and 60 wt% or less. When the weight ratio is less than the above range, spherical particles produced by spray drying tend to be smaller or more likely to break due to the extremely low slurry concentration. If the weight ratio exceeds the above range, it is difficult to maintain the uniformity of the slurry.

슬러리 중의 고형물의 평균 입자 직경은 통상 2㎛ 이하, 특히 1㎛ 이하, 특히 0.5㎛ 이하로 되도록 3000 내지 4000 rpm 으로 습식 분쇄하는 것이 바람직하다. 슬러리 중의 고형물의 평균 입자 직경이 너무 크면 소성 공정에서의 반응성이 저하할 뿐만 아니라 구형도가 저하하여, 최종적인 분체 충전 밀도가 낮아지는 경향이 있다. 그러나, 필요 이상으로 소립자화하는 것은 분쇄의 비용 상승으로 연결되기 때문에, 분쇄물의 평균 입자 직경은 통상 0.5㎛ 이하로 한다.
It is preferable that the wet grinding is performed at 3000 to 4000 rpm so that the average particle diameter of the solid matter in the slurry is usually 2 탆 or less, particularly 1 탆 or less, particularly 0.5 탆 or less. If the average particle diameter of the solid in the slurry is too large, the reactivity in the firing step is lowered and the sphericity is lowered, and the final powder filling density tends to be lowered. However, since pulverization more than necessary leads to an increase in the cost of pulverization, the average particle diameter of the pulverized product is usually 0.5 탆 or less.

슬러리의 분무 건조시에 공급하는 가스로는 공기, 질소 등을 사용할 수 있지만, 통상은 공기가 사용된다. 이들은 가압하여 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 리튬 망간 복합 산화물 분체의 분무 건조에 의하여 생성되는 입자의 입경(D50)이 1 내지 50 ㎛ 이다. Air, nitrogen, or the like can be used as the gas to be supplied during spray drying of the slurry, but air is usually used. These are preferably used under pressure. The particle size (D50) of particles produced by spray drying of the lithium manganese composite oxide powder of the present invention is 1 to 50 mu m.

분무시키는 수단은 특별히 중요하지 않고 특정된 구멍 크기를 지닌 노즐을 가압하는데 한정되지 않으며, 사실, 임의의 공지된 분무-건조 장치가 사용될 수 있다. 분무기는 일반적으로 회전원반식과 노즐식으로 대별되며, 노즐식은 압력 노즐형(pressure nozzle)과 2 유체 노즐형(two-fluid nozzle)으로 구분된다. 이외에도 회전식 분무기, 압력 노즐, 공기식 노즐, 소닉 노즐 등과 같이 당해 분야에 익히 공지된 수단 모두 이용될 수 있다. 공급 속도, 공급물 점도, 분무-건조된 제품의 원하는 입자 크기, 분산액, 유중수 에멀션 또는 유중수 마이크로에멀션의 비말 크기 등은 분무 수단의 선택시 전형적으로 고려되는 인자이다.The means for atomizing is not particularly critical and is not limited to pressurizing nozzles with a specified pore size, in fact, any known spray-drying apparatus can be used. Sprayers are generally divided into two types, rotating-type and nozzle-type. The nozzle type is divided into a pressure nozzle and a two-fluid nozzle. In addition, any means known in the art can be used, such as rotary atomizers, pressure nozzles, pneumatic nozzles, sonic nozzles, and the like. The feed rate, feed viscosity, the desired particle size of the spray-dried product, the dispersion, the water droplet size of the water-in-oil emulsion or the water-in-water microemulsion are typically considered factors in the selection of the atomizing means.

상기 iii)단계에서 상기 ii)의 슬러리를 분무건조하는 단계에서는 투입 열풍온도를 250 내지 300℃, 배기 열풍 온도를 100 내지 150℃로 분무건조하는 것이 입자의 모양, 크기 및 결정도를 높이기 위해 바람직하다.
In the step of spray drying the slurry of ii) in the step iii), it is preferable to spray-dry the supplied hot air at 250 to 300 ° C and the hot air temperature at 100 to 150 ° C in order to increase the shape, size and crystallinity of the particles .

이렇게 하여 얻어진 혼합 분체는 이어서 소성 처리된다. 이때의 소성 조건은 원료 조성에도 의존하지만, 소성 온도가 너무 높으면 일차입자가 과도하게 성장되고, 반대로 너무 낮으면 부피밀도가 작고, 또한 비표면적이 과도하게 커진다. 소성 온도로는, 원료로서 사용되는 리튬 화합물, 티탄 산화물, 탄소 등 그 밖의 금속화합물 등의 종류에 따라서도 다르지만, 통상 600℃ 이상, 바람직하게는 700℃ 이상이고, 또한 통상 900℃ 이하, 바람직하게는 800℃ 이하이다.The mixed powder thus obtained is then subjected to a firing treatment. At this time, the firing conditions depend on the composition of the raw material. However, if the firing temperature is too high, the primary particles excessively grow, while if too low, the bulk density becomes small and the specific surface area becomes excessively large. The firing temperature is usually 600 占 폚 or higher, preferably 700 占 폚 or higher, and usually 900 占 폚 or lower, preferably 600 占 폚 or higher, although it depends on the kind of the lithium compound, titanium oxide, Lt; / RTI >

소성 시간은 온도에 따라서도 다르지만, 통상 상기 서술한 온도 범위라면 30분 이상, 바람직하게는 5시간 이상, 또한 통상 20시간 이하, 바람직하게는 10시간 이하이다. 소성 시간이 너무 짧으면 결정성이 좋은 리튬 티탄 복합 산화물 분체를 얻기 어렵고, 또 너무 긴 것은 그다지 실용적이지 않다. 소성 시간이 너무 길면 또 그 후 해쇄 (pulverization) 가 필요해지거나 해쇄가 곤란해지기도 하기 때문에, 바람직하게는 10시간 이하이다.The firing time varies depending on the temperature, but is usually 30 minutes or more, preferably 5 hours or more, and usually 20 hours or less, preferably 10 hours or less, in the above-mentioned temperature range. When the firing time is too short, it is difficult to obtain a lithium-titanium composite oxide powder having good crystallinity, and it is not very practical that the firing time is too long. If the baking time is too long, it is preferably not more than 10 hours, since pulverization may be required afterwards or cracking may become difficult.

소성시의 분위기는 제조하는 화합물의 조성이나 구조에 따라 질소나 아르곤 등의 불활성 가스 분위기로 할 수 있다.
The atmosphere at the time of firing may be an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon depending on the composition and structure of the compound to be produced.

본 발명에 있어서 합성되는 결정내에 탄소가 포함된 리튬 티탄 복합 산화물의 각 성분의 조성은 혼합시의 각 화합물의 투입(혼합비) 에 의해 조정할 수 있다. 또, 분체 특성인 입도 분포, BET 비표면적, 탭 밀도 및 압분체 밀도는 혼합 방법 및 산화 처리에 의해 조정할 수 있다. The composition of each component of the lithium-titanium composite oxide in which carbon is contained in the synthesized crystals in the present invention can be adjusted by the introduction (mixing ratio) of each compound at the time of mixing. The particle size distribution, BET specific surface area, tap density and green compact density, which are powder characteristics, can be adjusted by a mixing method and an oxidation treatment.

본 발명에 있어서, 상기 리튬-티탄 복합 산화물 내의 티탄과 탄소의 중량비는 1:0.08 내지 1:0.1 인 것이 바람직하다. 상기 탄소의 함량이 0.08 이하일 경우 전지의 안전성 향상 효과가 미미하게 되며, 0.1 이상일 경우 음극의 전도성이 현저하게 저하되어 전지의 제반 성능 저하가 초래될 수 있다. In the present invention, the weight ratio of titanium to carbon in the lithium-titanium composite oxide is preferably 1: 0.08 to 1: 0.1. When the content of carbon is less than 0.08, the effect of improving the safety of the battery is insignificant. When the content of carbon is less than 0.1, the conductivity of the negative electrode is remarkably lowered, resulting in deterioration of the battery performance.

본 발명의 결정내에 탄소가 포함된 리튬 티탄 복합 산화물에 있어서는, 입도는 1 내지 50 ㎛으로 한다.
In the lithium-titanium composite oxide containing carbon in the crystal of the present invention, the particle size is 1 to 50 탆.

본 발명에 따르는 제조 방법에 의할 경우 탄소가 리튬-티탄 복합 산화물 결정내에 포함되게 되게 되고, 이러한 결정 구조 내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물을 사용한 리튬이차전지는 고율특성을 나타낸다. According to the production method of the present invention, carbon is contained in the lithium-titanium composite oxide crystal, and the lithium secondary battery using the lithium-titanium composite oxide containing carbon in such a crystal structure exhibits high-rate characteristics.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예의 양극활물질 절단면의 분석 사진(실시예 도 1A, 비교예 도 1B) 및 실시예의 양극활물질의 SEM 사진(도 1C)를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 결정내에 탄소가 포함된 리튬 티탄 복합 산화물을 양극활물질로 사용하여 제조된 코인 전지를 충전후 전류밀도를 달리하면서 용량을 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 3은 종래 리튬 티탄 복합 산화물을 양극활물질로 사용하여 제조된 코인 전지를 충전후 전류밀도를 달리하면서 용량을 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
Fig. 1 shows an analysis photograph (Example 1A, Comparative Example 1B) of a cut surface of a cathode active material according to Examples of the present invention and Comparative Example and SEM photograph (Fig. 1C) of a cathode active material of the Example.
FIG. 2 is a graph showing a result of measuring the capacitance while charging a coin battery manufactured by using a lithium-titanium composite oxide containing carbon in the crystal of the present invention as a cathode active material and then varying the current density.
FIG. 3 is a graph showing a result of measuring the capacity while charging a coin battery manufactured using a conventional lithium-titanium composite oxide as a cathode active material and then varying the current density.

<실시예 1> 양극활물질의 제조 &Lt; Example 1 > Preparation of cathode active material

출발물질로서 수산화리튬 1 몰과 아나타제형 산화티탄 1몰 및 흑연 1 몰을 고상 혼합하고, 물에 교반하며 용해하였다. 지르코니아 비드를 사용하여 3000 rpm 으로 습식 분쇄한 후, 열풍온도를 270℃, 배기 열풍 온도를 120 ℃로 분무건조하고, 700℃ 산소분위기하에서 10시간 동안 열처리함으로써 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물을 제조하였다.
1 mol of lithium hydroxide, 1 mol of anatase type titanium oxide and 1 mol of graphite as a starting material were mixed in a solid phase and dissolved in water with stirring. Zirconia beads at 3000 rpm and then spray-dried at a hot air temperature of 270 ° C and an exhaust hot air temperature of 120 ° C and heat-treated at 700 ° C for 10 hours in an oxygen atmosphere to obtain a lithium-titanium composite Oxide.

<비교예><Comparative Example>

출발물질로서 수산화리튬 1 몰을 451 g 의 물에 교반하며 용해하였다. 용액에 순도 98% 의 아나타세형 산화티탄을 (TiO2 로서 2.453 몰) 첨가하고 교반하였다. Li 대 Ti 의 원자비는 4:5 이다. 혼합 슬러리의 부피는 0.502 L 이고, 건조전의 Li 원 및 Ti 원의 슬러리 농도는 각각 3.91 몰/L 및 4.89 몰/L 였다. 혼합물을 110 ℃에서 분무-건조한 후, 건조 혼합물을 N2 기체 분위기 하에서 800 ℃ 에서 6 시간 열처리하여, 리튬-티탄 복합 산화물을 제조하였다.
1 mol of lithium hydroxide as a starting material was dissolved in 451 g of water with stirring. Anatase-type titanium oxide (2.453 mol as TiO2) having a purity of 98% was added to the solution and stirred. The atomic ratio of Li to Ti is 4: 5. The volume of the mixed slurry was 0.502 L, and the slurry concentrations of Li source and Ti source before drying were 3.91 mol / L and 4.89 mol / L, respectively. The mixture was spray-dried at 110 DEG C, and then the dried mixture was heat-treated at 800 DEG C for 6 hours in an N2 gas atmosphere to prepare a lithium-titanium composite oxide.

<SEM 사진 측정><SEM photograph measurement>

이와 같이 제조된 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물 및 비교예의 리튬-티탄 복합 산화물의 절단면을 SEM EDAX 를 찍어, 각 단면에서의 각 금속 원소의 검출 여부를 실험하였으며, 그 결과를 도 1A 및 도 1B 에 나타내었다. 본 발명의 실시예에 따른 LTO의 경우 단면에서 탄소 원소가 검출되어, 본 발명의 제조 방법에 의할 경우 탄소가 결정 내에 포함되는 구조라는 것을 확인할 수 있었다. 그에 비하여 비교예에 의한 LTO의 경우 단면에서 산소 및 티탄 원소만이 검출되는 것을 확인할 수 있었다. The cut surfaces of the lithium-titanium composite oxide containing carbon and the lithium-titanium composite oxide of the comparative example were observed by SEM EDAX to determine whether or not each metal element was detected in each cross section. And FIG. 1B. In the case of LTO according to the embodiment of the present invention, a carbon element was detected in the cross section, and it was confirmed that carbon according to the present invention is a structure including carbon in the crystal. On the other hand, in the case of LTO according to the comparative example, it was confirmed that only oxygen and titanium elements were detected in the cross section.

본 발명의 실시예에 따른 리튬-티탄 복합 산화물의 2차 입자의 주사전자현미경 사진을 도 1C 에 나타내었다. 본 발명의 실시예에 따른 리튬-티탄 복합 산화물의 경우 1차 입자가 응집된 2차 입자의 형상으로 구성되며, 2차 입자의 경우 직경이 1 내지 50 ㎛ 의 구형으로 나타남을 확인할 수 있다. A scanning electron micrograph of the secondary particles of the lithium-titanium composite oxide according to the embodiment of the present invention is shown in FIG. 1C. In the case of the lithium-titanium composite oxide according to the embodiment of the present invention, the primary particles are composed of aggregated secondary particles, and the secondary particles have a diameter of 1 to 50 탆.

<실시예 2> 코인 전지의 제조&Lt; Example 2 > Preparation of coin battery

상기 실시예 1에서 제조된 실시예의 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물을 양극활물질로 하고, 리튬호일을 상대 전극으로 하며, 다공성 폴리에틸렌막(셀가르드 엘엘씨 제, Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 하고, 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트가 부피비로 1:2로 혼합된 용매에 LiPF6 가 1몰 농도로 녹아 있는 액체 전해액을 사용하여 통상적으로 알려져 있는 제조공정에 따라 코인 전지를 제조하였다. 비교예의 경우도 동일하게 코인 전지를 제조하였다.
The lithium-titanium composite oxide containing carbon was used as the cathode active material, the lithium foil was used as the counter electrode, and a porous polyethylene film (Celgard 2300, thickness: 25 Mu m) as a separator, and a liquid electrolyte in which LiPF 6 was dissolved in a concentration of 1 mol in a solvent in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate were mixed at a ratio of 1: 2 by volume, was used to prepare a coin battery . In the case of the comparative example, a coin battery was similarly manufactured.

<전기화학적 특성 평가>&Lt; Evaluation of electrochemical characteristics &

상기 실시예 및 비교예의 양극활물질로 제조된 테스트셀의 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 전기화학 분석장치(TOSCAT 3100, Toyo 사 제품)을 이용하였으며 0.2㎃/㎠의 전류밀도로 0.1C 내지 5C에서 충ㆍ방전 실험을 하였으며, 그 결과를 도 2(실시예) 및 도 3(비교예)에 도시하였다.
An electrochemical analyzer (TOSCAT 3100, manufactured by Toyo Co., Ltd.) was used to evaluate the electrochemical characteristics of the test cell made of the cathode active materials of the examples and comparative examples. The electrochemical analysis was carried out at a current density of 0.2 mA / And discharge experiments were carried out. The results are shown in Fig. 2 (Example) and Fig. 3 (Comparative Example).

Claims (13)

i)탄소 화합물, 리튬함유 화합물, 티탄 산화물을 양론비로 고상 혼합하는 단계;
ii)상기 i)의 고상 혼합물을 용매에 분산시키고 0.5㎛ 미만의 평균입자 직경을 갖는 입자를 함유할 때까지 습식 분쇄하여 슬러리를 제조하는 단계;
iii)상기 ii)의 슬러리를 분무건조하는 단계: 및
iv)상기 iii)의 분무건조된 슬러리를 소성하는 단계로 구성되고,
티탄과 탄소의 중량비는 1:0.01 내지 1:0.1 인 것을 특징으로 하는,
결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법.
i) solid-phase mixing the carbon compound, the lithium-containing compound, and the titanium oxide in a stoichiometric ratio;
ii) dispersing the solid mixture of i) in a solvent and wet-milling the slurry until it contains particles having an average particle diameter of less than 0.5 mu m;
iii) spray-drying the slurry of ii); and
iv) calcining the spray-dried slurry of iii)
Wherein the weight ratio of titanium to carbon is from 1: 0.01 to 1: 0.1.
Titanium composite oxide containing carbon in the crystal.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소 화합물은 피로탄소류(pyrocarbon), 코크류, 유리상 탄소, 유기 중합체 화합물 소성체 및 탄소 섬유로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon compound is at least one material selected from the group consisting of pyrocarbon, cokes, glassy carbon, organic polymer compound sintered body, and carbon fiber. Gt;
제 1 항에 있어서,
상기 티탄 산화물은 순도 95% 이상의 아나타제형, 루타일형 이산화티탄 또는 순도 90% 이상의 함수 산화티탄인 것을 특징으로 하는 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the titanium oxide is anatase type, rutile type titanium dioxide having a purity of 95% or more, or titanium oxide hydrate having a purity of 90% or more.
제 1 항에 있어서
상기 리튬함유 화합물은 수산화리튬 또는 탄산리튬인 것을 특징으로 하는 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein
Wherein the lithium-containing compound is lithium hydroxide or lithium carbonate.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 ii)단계에서의 습식 분쇄는 용매로서 물을 사용하고, 지르코니아 비드를 이용하여 3000 내지 4000 rpm 으로 습식 분쇄하는 것을 포함하는 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the wet grinding in the step ii) includes carbon in a crystal including wet grinding at 3000 to 4000 rpm using water as a solvent and zirconia beads as a solvent.
제1항에 있어서,
상기 iii)단계에서 상기 ii)의 슬러리를 분무건조하는 단계에서는 투입 열풍온도를 250 내지 300℃, 배기 열풍 온도를 100 내지 150℃로 분무건조하는 것을 포함하는 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법.
The method according to claim 1,
In the step of spray drying the slurry of ii) in the step iii), the step of spray drying the slurry of ii) may include spray-drying the hot air stream at a temperature of 250 to 300 ° C and the hot air stream temperature at 100 to 150 ° C, Oxide.
제1항에 있어서,
상기 iv)단계에서의 소성 공정은 상기 iii)단계에서의 분무 건조체를 환원 분위기 하에서, 700~800℃에서, 5 시간 내지 10 시간 동안 소성하는 것인 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The firing step in the step iv) is a step of firing the spray dried product in the step iii) at 700 to 800 DEG C for 5 hours to 10 hours under a reducing atmosphere. The lithium-titanium composite oxide containing carbon Gt;
제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 의하여 제조되고,
일차 입자가 집합하여 형성된 입자 직경 1 내지 50 ㎛ 의 구형 이차 입자로 형성되는 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물.
9. A process for producing a polyurethane foam according to any one of claims 1 to 4, 6 to 8,
A lithium-titanium composite oxide comprising carbon in a crystal formed by spherical secondary particles having a particle diameter of 1 to 50 mu m formed by aggregation of primary particles.
제9항의 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물을 양극활물질로서 사용하는 리튬 이차 전지용 양극
A positive electrode for a lithium secondary battery using a lithium-titanium composite oxide containing carbon as a positive electrode active material in the crystal of claim 9
제9항의 결정내에 탄소를 포함하는 리튬-티탄 복합 산화물을 음극활물질로서 사용하는 리튬 이차 전지용 음극
A lithium secondary battery cathode using a lithium-titanium composite oxide containing carbon as a negative electrode active material in the crystal of claim 9
제10항의 양극을 함유하는 리튬 이차 전지.
A lithium secondary battery containing the positive electrode of claim 10.
제11항의 음극을 함유하는 리튬 이차 전지.
12. A lithium secondary battery comprising the negative electrode of claim 11.
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