KR101520634B1 - Lithium Manganese-Based Oxide of High Capacity and Lithium Secondary Battery Comprising the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 망간계 산화물을 포함하고 있는 양극 활물질로서, 상기 리튬 망간계 산화물은 하기 화학식 1과 같은 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 양극 활물질을 제공한다.
Li1+3w+xMyMn1-w-yO2-zQz*Li1+aM'bMn2-bO4-cQ'c (1)
상기 식에서, w, x, y, z, a, b, c, M, M', Q 및 Q'은 명세서에 정의되어 있는 바와 같다.
본 발명에 따른 리튬 망간계 산화물은 과잉의 리튬을 포함하고 있으며, 그에 따라 3V 영역을 활용할 수 있어 용량 및 사이클 특성도 우수하다.
The present invention provides a cathode active material comprising a lithium manganese-based oxide, wherein the lithium manganese-based oxide has a composition represented by the following formula (1).
Li 1 + 3w + x M y Mn 1-wy O 2-z Q z * Li 1 + a M 'b Mn 2-b O 4-c Q' c (1)
Wherein w, x, y, z, a, b, c, M, M ', Q and Q' are as defined in the specification.
The lithium manganese-based oxide according to the present invention contains excessive lithium, and thus can utilize the 3V region, thereby exhibiting excellent capacity and cycle characteristics.

Description

고용량 리튬 망간계 산화물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 {Lithium Manganese-Based Oxide of High Capacity and Lithium Secondary Battery Comprising the Same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-capacity lithium manganese-based oxide and a lithium secondary battery comprising the same. 2. Description of the Related Art Lithium manganese-

본 발명은 리튬 망간계 산화물을 포함하고 있는 양극 활물질로서, 상기 리튬 망간계 산화물은 3V 영역에서 작동할 수 있어 고용량을 발휘하는 양극 활물질과 그러한 리튬 망간계 산화물을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material containing a lithium manganese-based oxide, wherein the lithium manganese-based oxide is capable of operating in a 3 V range to exhibit a high capacity and a lithium secondary battery comprising such a lithium manganese-based oxide.

최근 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈수소 금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.Recently, as the interest in environmental problems grows, researches on electric vehicles and hybrid electric vehicles that can replace fossil fuel-based vehicles such as gasoline vehicles and diesel vehicles, which are one of the main causes of air pollution, are being conducted. Although a nickel metal hydride secondary battery is mainly used as a power source for such electric vehicles and hybrid electric vehicles, researches using a lithium secondary battery having a high energy density and a discharge voltage, a long cycle life and a low self-discharge rate are actively conducted And is in the process of commercialization.

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

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

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

또한, LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물은 열적 안전성이 우수하고 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 용량이 작고, 사이클 특성이 나쁘며, 고온 특성이 열악하다는 문제점이 있다.In addition, lithium manganese oxides such as LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 have an advantage that they are excellent in thermal stability and low in cost, but have a small capacity, poor cycle characteristics, and poor high temperature characteristics.

이러한 리튬 망간 산화물 중에서 스피넬계 LiMn2O4의 경우, 4V 영역(3.7 내지 4.3V)과 3V 영역(2.7 내지 3.1V)에서 비교적 평탄한 전위를 나타내며, 두 영역이 모두 사용될 경우 약 220 mAh/g 이상의 큰 용량을 얻을 수 있다. 그러나, 스피넬계 LiMn2O4의 경우 4V 영역을 위한 Li 만을 포함하고 있어, 상기 3V 영역을 활용하기 위해서는 여분의 Li 이온이 필요하다. 하지만, 현재 주로 사용되는 음극은 흑연 또는 카본으로 기본적으로 Li 이온을 공급할 수 없다. 따라서, 비교적 안전하고 낮은 가격에도 불구하고 120 mAh/g 이하의 용량을 가진 4V 영역만 활용할 수 있어 스피넬계 LiMn2O4는 고용량 재료로는 한계를 가진다.Among these lithium manganese oxides, spinel-type LiMn 2 O 4 exhibits a relatively flat potential in the 4V region (3.7 to 4.3 V) and the 3V region (2.7 to 3.1 V), and when both the regions are used, A large capacity can be obtained. However, the spinel-based LiMn 2 O 4 contains only Li for the 4V region, and extra Li ions are required to utilize the 3V region. However, currently used cathodes are basically not able to supply Li ions with graphite or carbon. Therefore, despite the relatively safe and low price, only the 4V region with a capacity of 120 mAh / g or less can be utilized, and thus the spinel type LiMn 2 O 4 has a limitation with a high capacity material.

이뿐 아니라, 최초 충전시 음극의 표면에 고체 전해질 계면(SEI layer: solid electrolyte interface layer) 생성 등의 반응을 통해, 양극에서 방출된 리튬 이온이 다량 소모됨으로써 가역적으로 충방전에 사용될 수 있는 리튬의 양이 줄어들어 실제 사용 충전률(SOC: state of charge)이 낮아지는 문제가 있다.In addition, the amount of lithium that can be reversibly charged and discharged by consuming a large amount of lithium ions discharged from the anode through a reaction such as formation of a solid electrolyte interface layer (SEI layer) on the surface of the cathode at the time of initial charging And the actual use charge (SOC) is lowered.

상기와 같은 이유로 인하여, 리튬을 과잉으로 포함한 스피넬 구조의 물질을 이용하여 3V 영역을 활용하는 방안이 모색되어 왔다. 그러나, 안정적인 구조를 가진 리튬 과잉의 스피넬이 쉽게 만들어지지 않는다는 문제점이 있다.For the above reasons, it has been sought to utilize the 3V region by using a material having a spinel structure containing excess lithium. However, there is a problem that lithium excess spinel having a stable structure is not easily produced.

따라서, 3V/4V 영역을 모두 사용함으로써 고용량을 발휘할 수 있는 안정적인 구조의 스피넬계 리튬 망간 산화물을 제조할 수 있는 방법에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a method capable of producing a spinel-type lithium manganese oxide having a stable structure capable of exhibiting a high capacity by using all 3V / 4V regions.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art and the technical problems required from the past.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 소정 조성을 기반으로 한 리튬 망간계 산화물의 경우, 3V 영역에서도 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. The inventors of the present application have conducted intensive research and various experiments and have confirmed that lithium manganese oxide based on a predetermined composition can exhibit excellent charge and discharge characteristics even in a 3 V range and have completed the present invention .

따라서, 본 발명은 리튬 망간계 산화물을 포함하고 있는 양극 활물질로서, 상기 리튬 망간계 산화물은 하기 화학식 1과 같은 조성을 가지는 양극 활물질을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a positive electrode active material comprising a lithium manganese-based oxide, wherein the lithium manganese-based oxide has a composition represented by the following formula (1).

Li1+3w+xMyMn1-w-yO2-zQz*Li1+aM'bMn2-bO4-cQ'c (1) Li 1 + 3w + x M y Mn 1-wy O 2-z Q z * Li 1 + a M 'b Mn 2-b O 4-c Q' c (1)

상기 식에서, In this formula,

0≤w≤0.05, 0<x≤1, 0≤y≤0.3, 0≤z≤0.5, -0.3≤a≤0.3, 0≤b≤0.5, 0≤c≤1;0? W? 0.05, 0 <x? 1, 0? Y? 0.3, 0? Z? 0.5, -0.3? A? 0.3, 0? B? 0.5,

M 및 M'은 서로 독립적으로 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이며; M and M 'are independently selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, Lt; / RTI &gt;;

Q 및 Q'은 서로 독립적으로 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.Q and Q 'are, independently of each other, one or more elements selected from the group consisting of N, F, S and Cl.

상기 Q 및 Q'의 산화수가 -2가 아닌 경우에는 z 및 c의 값이 산화수에 맞게 변화될 수 있다.When the oxidation number of Q and Q 'is not -2, the values of z and c may be changed according to the oxidation number.

리튬 이차전지의 음극에 리튬 소스를 추가하거나, 양극 활물질로 Li2Mn2O4로 표현되는 스피넬 결정구조를 가진 리튬 망간계 산화물을 사용할 경우, 4V 및 3V 영역에서 최대 약 260 mAh/g의 용량을 가질 수 있다는 것이 알려져 있다.When a lithium source is added to the cathode of a lithium secondary battery or a lithium manganese oxide having a spinel crystal structure represented by Li 2 Mn 2 O 4 is used as a cathode active material, a maximum capacity of about 260 mAh / g in the 4 V and 3 V regions Lt; / RTI &gt;

그러나, 음극에 리튬 소스를 추가할 경우, 양극에서 탈리된 리튬 이온이 음극에 삽입되기 어려워져, 전해질 상에서 결정으로 석출이 되어 수지상을 형성하게 된다. 이 경우, 분리막 손상 및 양극과의 접촉으로 인한 내부 단락이 일어나 리튬 이차전지의 안전성에 문제가 생길 수 있다.However, when a lithium source is added to the negative electrode, lithium ions desorbed from the positive electrode are hardly inserted into the negative electrode, and precipitate into crystals on the electrolyte to form a dendritic phase. In this case, internal short-circuiting may occur due to damage to the separator and contact with the anode, which may cause a problem in the safety of the lithium secondary battery.

또한, Li2Mn2O4로 표현되는 안정한 스피넬 결정구조를 가진 리튬 망간계 산화물을 합성하는 것은 어려운 실정이다.In addition, it is difficult to synthesize a lithium manganese oxide having a stable spinel crystal structure represented by Li 2 Mn 2 O 4 .

리튬 이차전지의 경우, 리튬이 전해질을 구성하는 일부 성분과 반응하여 음극 표면에 SEI(solid electrolyte interface) 막을 형성하고 초기 충전 과정에서 음극의 비활성 부위에서 소모되므로, 약 90~95% 정도의 리튬 이온만이 양극으로 회귀하게 되어, 결과적으로 충방전 효율이 떨어진다. 즉, 최초 충전시 리튬의 일부가 음극의 비가역을 소모하기 위해 사용된다.In the case of a lithium secondary battery, since lithium reacts with a part of components constituting the electrolyte to form a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of the cathode and is consumed in an inactive portion of the cathode during the initial charging process, Only the anode returns to the anode, resulting in a decrease in charge / discharge efficiency. That is, a portion of lithium is used to consume the irreversible portion of the cathode during the initial charge.

반면에, 본 발명의 화학식 1의 리튬 망간계 산화물은, 과잉의 리튬을 포함하는 층상 구조를 가지고 있음으로써, 상기 과잉의 리튬이 충방전 과정에서 상기와 같은 음극의 비가역 용량을 상쇄할 수 있다. 또한, 3V 영역에서 작동을 위한 리튬 소스로 사용될 수 있어, 3V 영역 내지 4V 영역에서 작동할 수 있다. 이로 인하여, 이차전지의 충방전 용량을 높일 수 있다.On the other hand, the lithium manganese-based oxide of Formula 1 of the present invention has a layered structure containing excess lithium, so that the irreversible capacity of the negative electrode can be offset in the charge and discharge process of the excess lithium. It can also be used as a lithium source for operation in the 3V region and can operate in the 3V to 4V region. As a result, the charge / discharge capacity of the secondary battery can be increased.

즉, 상기 화학식 1과 같은 조성을 가지는 물질을 양극 활물질로 사용하는 경우, 4V 영역 뿐만 아니라 3V 영역까지 사용할 수 있어서, 일반적인 스피넬 결정구조의 리튬 망간계 산화물에 비하여 고용량인 양극 활물질을 얻을 수 있다.That is, when a material having a composition as shown in Formula 1 is used as a cathode active material, it can be used not only in a 4V region but also in a 3V region. Thus, a cathode active material having a higher capacity than a lithium manganese oxide having a general spinel crystal structure can be obtained.

상기 화학식 1에서, 음극의 비가역을 소모하고 3V 영역의 사용을 위해서는, Li의 양이 많을수록 좋다. 그러나, 산화수 문제로 인하여 초과 Li의 양(x)이 0.6 초과인 것은 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로, 바람직하게는 0.2≤x≤0.6일 수 있다.In the above formula (1), in order to consume the irreversible portion of the negative electrode and to use the 3V region, the larger the amount of Li, the better. However, due to the oxidation problem, it is not preferable that the amount (x) of excess Li exceeds 0.6. For the above reason, it is preferable that 0.2? X? 0.6.

상기 화학식 1의 물질은 혼합물 또는 복합체(composite) 형태일 수 있다. 혼합물로서 층상 구조와 스피넬 구조가 각각 리튬의 충방전에 관여할 수도 있고, 층상 구조와 스피넬 구조가 하나의 복합체(composite)로 형성되어 있을 수도 있다. 바람직하게는, 층상 구조와 스피넬 구조가 결정 입계(grain boundary)를 가지는 수준으로 복합체(composite)를 형성하고 있는 것을 들 수 있다.The material of Formula 1 may be in the form of a mixture or a composite. As the mixture, the layered structure and the spinel structure may be involved in charge / discharge of lithium, respectively, or the layered structure and the spinel structure may be formed of a composite. Preferably, the layered structure and the spinel structure form a composite at a level having a grain boundary.

상기 양극 활물질은 화학식 1의 리튬 망간계 산화물 이외에 층상 구조의 리튬 금속 산화물 및 올리빈 구조의 리튬 함유 인산화물로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 물질이 추가로 포함될 수도 있다.The cathode active material may further include at least one material selected from the group consisting of a lithium metal oxide having a layered structure and a lithium-containing phosphorous having an olivine structure in addition to the lithium manganese oxide represented by the general formula (1).

상기 층상 구조의 리튬 금속 산화물은 그 종류에 있어 제한되지는 않지만, 바람직한 예로, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 망간-니켈 산화물, 리튬 코발트-니켈-망간 산화물 및 이들에 타원소가 치환 또는 도핑된 물질로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 들 수 있다. The lithium metal oxide of the layered structure is not limited in its kind but preferable examples thereof include lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium cobalt-nickel oxide, lithium cobalt-manganese oxide, lithium manganese- Lithium-cobalt-nickel-manganese oxide, and materials in which these elements are substituted or doped with other elements.

상기 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염 또한 그 종류에 있어 제한되지는 않지만, 바람직한 예로, 리튬 철인산화물 및 이에 타원소가 치환 또는 도핑된 물질로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 들 수 있다.The lithium-containing phosphate of the olivine structure is not limited in its kind, but a preferable example thereof is one or two or more selected from the group consisting of a lithium iron phosphate and a substance substituted or doped with the other element.

상기 타원소는 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V 및 Fe로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 원소일 수 있다.The other element may be one or two or more elements selected from the group consisting of Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V and Fe.

상기 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물 이외의 물질은 전체 양극 활물질 중량 대비 50 중량% 이내로 함유되는 것이 바람직하다.The material other than the lithium manganese oxide of the spinel structure is preferably contained in an amount of 50 wt% or less based on the weight of the total cathode active material.

본 발명은 또한, 화학식 1의 리튬 망간계 산화물을 제조하는 방법으로서, 환원 분위기에서 스피넬 결정구조를 가지는 리튬 망간계 산화물과 리튬 화합물을 반응시켜 화학식 1의 리튬 망간계 산화물을 합성하는 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a process for producing a lithium manganese-based oxide represented by the formula (1) by reacting a lithium manganese-based oxide having a spinel crystal structure in a reducing atmosphere with a lithium compound do.

본 출원의 발명자들은 다양한 실험들과 심도 있는 연구를 통해, 환원 분위기에서 스피넬 결정구조를 가지는 리튬 망간계 산화물과 리튬 화합물을 반응시키는 경우, 상기 리튬 망간계 산화물에서 결정 그레인(grain)이 깨지면서 Li이 삽입되어 화학식 1에서와 같은 리튬 망간계 산화물을 합성할 수 있다는 것을 밝혀 내었다.The inventors of the present application have conducted various experiments and in-depth studies to find that when a lithium manganese-based oxide having a spinel crystal structure is reacted with a lithium compound in a reducing atmosphere, the crystal grain of the lithium manganese- It is possible to synthesize a lithium manganese-based oxide such as that shown in formula (1).

본 발명의 제조방법에서, 상기 리튬 화합물은, 예를 들어, 리튬 아세테이트, 리튬 수산화물, 리튬 탄산염, 리튬 산화물, 리튬 질산화물 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 바람직하게는 리튬 아세테이트 또는 리튬 수산화물일 수 있다.In the production process of the present invention, the lithium compound may be, for example, one or more selected from the group consisting of lithium acetate, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium oxide and lithium nitrate, preferably lithium acetate or Lithium hydroxide.

상기 반응은 다가알코올법, 수열합성법, 초임계법, 및 고에너지 밀링법으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 방법으로 진행될 수 있으며, 바람직하게는 다가알코올법으로 진행될 수 있다.The reaction may be carried out by one or more methods selected from the group consisting of polyhydric alcohol method, hydrothermal synthesis method, supercritical system method, and high energy milling method, preferably by polyhydric alcohol method.

상기 다가알코올법은 스피넬 결정구조의 리튬 망간계 산화물과 리튬 화합물을 용매로서 다가알코올에 넣고 환원성 분위기에서 환류시키는 과정을 포함할 수 있다.The polyhydric alcohol method may include a step of adding a lithium manganese-based oxide having a spinel crystal structure and a lithium compound as a solvent into a polyhydric alcohol and refluxing in a reducing atmosphere.

상기 방법에서 다가알코올은 탄소 사슬에 히드록시기가 2개 이상 포함되어 있는 것이면 어느 것이나 사용이 가능하고, 상기 탄소 사슬에 연결되어 있는 하나 또는 그 이상의 수소가 다른 원자, 원자단 또는 탄소 사슬로 치환된 유도체의 사용도 가능하다. 상기 다가알코올의 비제한적인 예로, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 헥실렌 글리콜, 부틸렌 글리콜 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상일 수 있다. 바람직하게는 테트라에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜 및 디에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상일 수 있다.In the above method, the polyhydric alcohol may be any polyhydric alcohol having two or more hydroxy groups in the carbon chain, and one or more hydrogen atoms connected to the carbon chain may be substituted with another atom, atomic group or carbon chain It can also be used. Non-limiting examples of the polyhydric alcohol may be one or more selected from the group consisting of diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, hexylene glycol, butylene glycol and glycerol. And preferably one or more selected from the group consisting of tetraethylene glycol, triethylene glycol and diethylene glycol.

상기 환류의 온도는 사용되는 다가알코올의 종류에 따라 달라질 수 있지만, 180 내지 350℃의 범위일 수 있다. 환류(reflux)는 용매의 기화 가능 온도에서 반응을 일으키고, 상부에 냉각수가 통과하는 콘덴서를 설치하여 반응이 연속적으로 일어나도록 한다. 따라서, 용매의 비점에 따라 반응의 온도도 달라질 수 있다. The temperature of the reflux may vary depending on the type of polyhydric alcohol used, but may range from 180 to 350 ° C. The reflux causes a reaction at the vaporization temperature of the solvent, and a condenser through which the cooling water passes is provided at the upper part so that the reaction is continuously performed. Therefore, the temperature of the reaction may vary depending on the boiling point of the solvent.

하지만, 온도가 너무 높은 경우에는 원하지 않는 반응까지 일어날 수 있고, 온도가 너무 낮은 경우에는 반응 시간이 너무 오래 걸릴 수 있다. 따라서, 예를 들어, 상기 다가알코올로 테트라에틸렌 글리콜을 사용할 경우 200 내지 350℃의 범위가 바람직하고, 220 내지 330℃의 범위가 더욱 바람직할 수 있다. 또한, 디에틸렌 글리콜 또는 트리에틸렌 글리콜의 경우 180 내지 310℃의 범위가 바람직하고, 200 내지 300℃의 범위가 더욱 바람직할 수 있다.However, if the temperature is too high, an unwanted reaction may occur. If the temperature is too low, the reaction time may be too long. Thus, for example, when tetraethylene glycol is used as the polyhydric alcohol, a range of 200 to 350 ° C is preferable, and a range of 220 to 330 ° C is more preferable. In the case of diethylene glycol or triethylene glycol, the temperature is preferably in the range of 180 to 310 ° C, more preferably 200 to 300 ° C.

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

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

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

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

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component for suppressing expansion of the anode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing a chemical change in the battery. Examples of the filler include olefin-based polymerizers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.

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

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

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The cathode current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. Such a positive electrode collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change to the battery, and may be formed on the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon or aluminum or stainless steel Carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used. The current collector may have fine irregularities on the surface thereof to increase the adhesive force of the cathode active material, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric are possible.

본 발명은 또한 상기 양극과, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium secondary battery comprising the positive electrode, the negative electrode, the separator, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt.

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

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. Examples of the negative electrode current collector include copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like can be used. In addition, like the positive electrode collector, fine unevenness can be formed on the surface to enhance the bonding force of the negative electrode active material, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams and nonwoven fabrics.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separation membrane is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 mu m and the thickness is generally 5 to 300 mu m. Such separation membranes include, for example, olefinic polymers such as polypropylene, which are chemically resistant and hydrophobic; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as an electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.

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

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -Butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate Nonionic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyrophosphate, ethyl propionate and the like can be used.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, A polymer containing an ionic dissociation group and the like may be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides and sulfates of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be used.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4, LiB 10 Cl 10, LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.

또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FEC(Fluoro-Ethlene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.For the purpose of improving the charge / discharge characteristics and the flame retardancy, the electrolytic solution is preferably mixed with an organic solvent such as pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, . In some cases, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further added to impart nonflammability. In order to improve the high-temperature storage characteristics, carbon dioxide gas may be further added. FEC (Fluoro-Ethylene carbonate, PRS (propene sultone), FEC (fluoro-ethylene carbonate), and the like.

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

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

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 리튬 망간계 산화물을 양극 활물질은 음극의 초기 비가역 반응에 의한 리튬 손실을 보상하거나 및/또는 3V 영역에서 활용될 수 있는 추가적인 리튬이 첨가되어 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있으며, 이러한 리튬 망간계 산화물은 종래보다 우수한 용량 및 사이클 특성을 가진 리튬 이차전지의 제조에 사용될 수 있다.As described above, the lithium manganese-based oxide of the present invention can be used as a cathode active material to compensate for lithium loss due to the initial irreversible reaction of the negative electrode and / or to exhibit excellent charge / discharge characteristics by adding additional lithium that can be utilized in the 3V range These lithium manganese based oxides can be used for the production of lithium secondary batteries having better capacity and cycle characteristics than the conventional lithium manganese oxide.

도 1은 실시예 1에 따른 양극 합제를 사용한 리튬 반전지의 전압-전류 프로파일을 나타내는 그래프이다;
도 2는 비교예 1에 따른 양극 합제를 사용한 리튬 반전지의 전압-전류 프로파일을 나타내는 그래프이다;
도 3은 비교예 2에 따른 양극 합제를 사용한 리튬 반전지의 전압-전류 프로파일을 나타내는 그래프이다;
도 4는 실시예 1에 따른 양극 합제를 사용한 리튬 풀셀의 전압-전류 프로파일을 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a graph showing a voltage-current profile of a lithium ion battery using a cathode mix according to Example 1; FIG.
2 is a graph showing a voltage-current profile of a lithium-ion battery using a cathode mix according to Comparative Example 1;
3 is a graph showing a voltage-current profile of a lithium ion battery using a cathode mix according to Comparative Example 2;
4 is a graph showing a voltage-current profile of a lithium pull cell using the positive electrode material mixture according to Example 1. FIG.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in further detail with reference to the following examples. However, the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

18.1 g의 LiMn2O4과 13.2 g의 Li 아세테이트를 테트라에틸렌 글리콜에 넣고 260℃에서 10분 동안 환류시켜, Li1 .95Mn0 .97O2*LiMn2O4를 제조하였다. 이렇게 제조된 양극 활물질 87 중량%에 도전재로서 댕카블랙 7 중량%와 바인더로 PVDF 6 중량%를 첨가하여 양극 합제를 제조하였다.
18.1 g of LiMn 2 O 4 and 13.2 g of Li acetate were charged into tetraethylene glycol and refluxed at 260 ° C for 10 minutes to prepare Li 1 .95 Mn 0 .97 O 2 * LiMn 2 O 4 . A cathode mixture was prepared by adding 7 wt% of Dinka black as a conductive material and 6 wt% of PVDF as a binder to 87 wt% of the thus prepared cathode active material.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

테트라에틸렌 글리콜에 넣고 190℃에서 10분 동안 환류시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 합제를 제조하였다.
A positive electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mixture was added into tetraethylene glycol and refluxed at 190 占 폚 for 10 minutes.

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

양극 활물질로 LiMn2O4를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 합제를 제조하였다.
A positive electrode material mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that LiMn 2 O 4 was used as the positive electrode active material.

<실험예 1><Experimental Example 1>

상기 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 양극 합제를 NMP에 첨가하여 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체에 도포한 후 압연 및 건조하여 이차전지용 양극을 제조하였다. 이러한 양극과 리튬 금속을 기반으로 한 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 리튬 전해액을 주입하여, 코인형 리튬 반전지를 제작하였다.The positive electrode mixture prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was added to NMP to prepare a slurry, which was applied to a positive electrode current collector, followed by rolling and drying to prepare a positive electrode for a secondary battery. A porous lithium polyethylene separator was interposed between the positive electrode and a negative electrode based on lithium metal, and a lithium electrolyte was injected thereinto to prepare a coin type lithium secondary battery.

상기 코인형 리튬 반전지의 전압-전류 프로파일을 도 1 내지 3에 도시하였다. 도 1에는 실시예 1에 따른 양극 합제를 사용한 리튬 반전지의 전압-전류 프로파일을 도시되어 있고, 도 2에는 비교예 1에 따른 양극 합제를 사용한 리튬 반전지의 전압-전류 프로파일을 도시하고 있으며, 도 3에는 비교예 2에 따른 양극 합제를 사용한 리튬 반전지의 전압-전류 프로파일을 도시하고 있다.The voltage-current profiles of the coin-type lithium reversal paper are shown in FIGS. FIG. 1 shows a voltage-current profile of a lithium ion battery using a cathode mix according to Example 1, and FIG. 2 shows a voltage-current profile of a lithium ion battery using a cathode mixture according to Comparative Example 1. FIG. Shows a voltage-current profile of a lithium reversed-phase paper using the positive electrode mixture according to Comparative Example 2. Fig.

이들 도면들을 참조하면, 비교예 1 및 2의 반전지는 첫번째 충전시 4.0V에서 약 120 mAh/g의 용량을 나타내고 있다. 하지만, 실시예 1의 반전지는 첫번째 충전시 3.75V에서 용량이 발현되기 시작하여 225 mAh/g의 용량을 나타내고 있다. 첫번째 충전의 경우, 양극의 리튬이 빠져서 음극으로 들어가는 과정으로, 비교예 1 및 2에 비하여 약 2배의 용량 증가가 확인되었다. 이는 리튬 과잉의 리튬 망간계 산화물이 형성된 증거이다.
Referring to these figures, the inverting cells of Comparative Examples 1 and 2 exhibited a capacity of about 120 mAh / g at 4.0 V on the first charge. However, the reversed phase of Example 1 began to exhibit a capacity at 3.75 V during the first charge, indicating a capacity of 225 mAh / g. In the case of the first charge, a capacity increase of about 2 times as compared with Comparative Examples 1 and 2 was confirmed by the process in which lithium in the positive electrode was removed and entered into the negative electrode. This is evidence that lithium-excess lithium manganese oxide was formed.

<실험예 2><Experimental Example 2>

상기 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 양극 합제를 NMP에 첨가하여 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체에 도포한 후 압연 및 건조하여 이차전지용 양극을 제조하였다. 이러한 양극과 흑연을 기반으로 한 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 리튬 전해액을 주입하여, 코인형 리튬 이차전지를 제작하였다.The positive electrode mixture prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was added to NMP to prepare a slurry, which was applied to a positive electrode current collector, followed by rolling and drying to prepare a positive electrode for a secondary battery. A coin-type lithium secondary battery was fabricated by interposing a porous polyethylene separator between the positive electrode and the graphite-based negative electrode, and injecting a lithium electrolyte.

실시예 1에 따른 양극 합제를 사용한 리튬 이차전지의 전압-전류 프로파일을 도 4에 개시하였다.The voltage-current profile of the lithium secondary battery using the positive electrode material mixture according to Example 1 is shown in Fig.

상기 실험예 1의 방전 프로파일은 음극으로 Li 금속을 사용하는 관계로 3V 영역에서의 평탄구간이 리튬 과잉의 리튬 망간계 산화물에 기인한 것인지, 리튬 음극에서 기인한 것인지 확인할 수 없다. 따라서, 음극으로 흑연을 사용한 풀셀의 방전 프로파일에서 상기 3V 영역의 구간이 나타난다면 이는 리튬 과잉의 리튬 망간계 산화물이 양극 활물질로 사용되었음을 확인할 수 있다.Since the discharge profile of Experimental Example 1 uses Li metal as the negative electrode, it can not be confirmed whether the flat section in the 3V range is caused by lithium-excess lithium manganese oxide or lithium negative electrode. Therefore, if the interval of the 3V region appears in the discharge profile of the full cell using graphite as the cathode, it can be confirmed that lithium-excess lithium manganese-based oxide is used as the cathode active material.

도 4를 참조하면, 실시예 1의 풀셀은 첫번째 충전시 3.5V에서 용량이 발현되기 시작하여 225 mAh/g의 용량을 나타내고 있다. 또한, 방전시 2.6V에서 3V 영역의 구간이 나타난다. 상기 3V 영역의 구간이 평탄하지 못한 것은 흑연계 음극의 전위가 방전 말미에 상승하여 발생하는 현상이다.Referring to FIG. 4, the capacity of the pull cell of Example 1 begins to be expressed at 3.5 V during the first charge, and the capacity is 225 mAh / g. In addition, a period of 2.6 V to 3 V appears at the time of discharging. The region of the 3V region that is not flat is a phenomenon that the potential of the black cathode is raised at the end of the discharge.

비교예 1 및 2의 풀셀들의 충방전 프로파일에서는 3V 영역 구간이 나타나지 않았다. 이는 반전지의 경우 리튬 음극으로부터 나온 리튬 이온에 의해 3V 영역 구간이 나타났으나, 풀셀의 경우 음극이 흑연이므로 추가 리튬의 공급이 없어 3V 영역 구간을 형성하지 못하는 것이다.
In the charge / discharge profiles of the full cells of Comparative Examples 1 and 2, the 3V region section did not appear. This is because in the case of the half-cell, the 3V region appears by the lithium ion generated from the lithium anode. In the case of the full cell, the cathode is graphite, so no additional lithium is supplied.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims.

Claims (21)

리튬 망간계 산화물을 포함하고 있는 양극 활물질로서, 상기 리튬 망간계 산화물은 하기 화학식 1과 같은 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
Li1+3w+xMyMn1-w-yO2-zQz*Li1+aM'bMn2-bO4-cQ'c (1)
상기 식에서,
0≤w≤0.05, 0<x≤1, 0≤y≤0.3, 0≤z≤0.5, -0.3≤a≤0.3, 0≤b≤0.5, 0≤c≤1;
M 및 M'은 서로 독립적으로 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이며;
Q 및 Q'은 서로 독립적으로 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.
1. A cathode active material comprising a lithium manganese-based oxide, wherein the lithium manganese-based oxide has a composition represented by the following Formula 1:
Li 1 + 3w + x M y Mn 1-wy O 2-z Q z * Li 1 + a M 'b Mn 2-b O 4-c Q' c (1)
In this formula,
0? W? 0.05, 0 <x? 1, 0? Y? 0.3, 0? Z? 0.5, -0.3? A? 0.3, 0? B? 0.5,
M and M 'are independently selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, Lt; / RTI &gt;;
Q and Q 'are, independently of each other, one or more elements selected from the group consisting of N, F, S and Cl.
제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 3V 영역 내지 4V 영역에서 작동하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The positive electrode active material according to claim 1, wherein the positive electrode active material operates in a range of 3V to 4V. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 음극의 비가역 용량을 상쇄하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The positive electrode active material according to claim 1, wherein the positive electrode active material offsets the irreversible capacity of the negative electrode. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 리튬 망간계 산화물은 혼합물 또는 복합체(composite)인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The positive electrode active material according to claim 1, wherein the positive electrode lithium manganese oxide is a mixture or a composite. 제 4 항에 있어서, 상기 복합체는 입계(grain boundary)를 가지는 수준의 복합체인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.5. The cathode active material according to claim 4, wherein the composite is a complex having a grain boundary. 제 4 항에 있어서, 상기 혼합물은 층상 구조 리튬 망간계 산화물과 스피넬 구조 리튬 망간계 산화물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.5. The cathode active material according to claim 4, wherein the mixture is a mixture of a layered lithium manganese oxide and a spinel structure lithium manganese oxide. 하기 화학식 1의 리튬 망간계 산화물을 제조하는 방법으로서,
환원 분위기에서 스피넬 결정구조를 가지는 리튬 망간계 산화물과 리튬 화합물을 반응시켜 화학식 1의 리튬 망간계 산화물을 합성하는 것을 특징으로 하는 리튬 망간계 산화물의 제조방법:
Li1+3w+xMyMn1-w-yO2-zQz*Li1+aM'bMn2-bO4-cQ'c (1)
상기 식에서,
0≤w≤0.05, 0<x≤1, 0≤y≤0.3, 0≤z≤0.5, -0.3≤a≤0.3, 0≤b≤0.5, 0≤c≤1;
M 및 M'는 서로 독립적으로 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이며;
Q 및 Q'는 서로 독립적으로 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.
1. A method for producing a lithium manganese-based oxide represented by the following formula (1)
A process for producing a lithium manganese-based oxide characterized by reacting a lithium manganese-based oxide having a spinel crystal structure with a lithium compound in a reducing atmosphere to synthesize a lithium manganese-
Li 1 + 3w + x M y Mn 1-wy O 2-z Q z * Li 1 + a M 'b Mn 2-b O 4-c Q' c (1)
In this formula,
0? W? 0.05, 0 <x? 1, 0? Y? 0.3, 0? Z? 0.5, -0.3? A? 0.3, 0? B? 0.5,
M and M 'are independently selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, Lt; / RTI &gt;;
Q and Q 'are, independently of each other, one or more elements selected from the group consisting of N, F, S and Cl.
제 7 항에 있어서, 상기 리튬 화합물은 리튬 아세테이트, 리튬 수산화물, 리튬 탄산화물, 리튬 산화물 및 리튬 질산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 망간계 산화물의 제조방법.The method according to claim 7, wherein the lithium compound is at least one selected from the group consisting of lithium acetate, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium oxide, and lithium nitrate. 제 8 항에 있어서, 상기 리튬 화합물은 리튬 아세테이트 또는 리튬 수산화물인 것을 특징으로 하는 리튬 망간계 산화물의 제조방법.The method for producing a lithium manganese based oxide according to claim 8, wherein the lithium compound is lithium acetate or lithium hydroxide. 제 7 항에 있어서, 상기 반응은 다가알코올법, 수열합성법, 초임계법 및 고에너지 밀링법으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 망간계 산화물의 제조방법.The method according to claim 7, wherein the reaction is carried out by one or more methods selected from the group consisting of polyhydric alcohol method, hydrothermal synthesis method, supercritical system method and high energy milling method. 제 10 항에 있어서, 상기 반응은 다가알코올법으로 달성되는 것을 특징으로 하는 리튬 망간계 산화물의 제조방법.The method for producing a lithium manganese-based oxide according to claim 10, wherein the reaction is achieved by a polyhydric alcohol method. 제 11 항에 있어서, 상기 다가알코올법은 스피넬 결정구조를 가지는 리튬 망간계 산화물과 리튬 화합물을 용매로서 다가알코올에 넣고 환류시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 망간계 산화물의 제조방법.12. The method for producing a lithium manganese-based oxide according to claim 11, wherein the polyhydric alcohol method comprises the step of refluxing a lithium manganese oxide having a spinel crystal structure and a lithium compound as a solvent in a polyhydric alcohol. 제 12 항에 있어서, 상기 다가알코올은 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 헥실렌 글리콜, 부틸렌 글리콜 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 망간계 산화물의 제조방법.13. The method according to claim 12, wherein the polyhydric alcohol is one or two or more selected from the group consisting of diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, hexylene glycol, butylene glycol and glycerol By weight based on the total weight of the lithium manganese-based oxide. 제 13 항에 있어서, 상기 다가알코올은 테트라에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜 및 디에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 망간계 산화물의 제조방법.14. The method according to claim 13, wherein the polyhydric alcohol is at least one selected from the group consisting of tetraethylene glycol, triethylene glycol and diethylene glycol. 제 12 항에 있어서, 상기 환류는 180℃ 내지 350℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 망간계 산화물의 제조방법.13. The method according to claim 12, wherein the reflux is performed at a temperature of 180 to 350 &lt; 0 &gt; C. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 합제.A positive electrode material mixture comprising the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 6. 제 16 항에 따른 양극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극. A positive electrode for a secondary battery, characterized in that the positive electrode mixture according to claim 16 is applied on a current collector. 제 17 항에 따른 이차전지용 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising a positive electrode for a secondary battery according to claim 17. 제 18 항에 따른 리튬 이차전지가 단위전지로서 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.A battery module comprising the lithium secondary battery according to claim 18 as a unit cell. 제 19 항에 따른 전지모듈을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.20. A device comprising a battery module according to claim 19 as a power source. 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.21. The device of claim 20, wherein the device is an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle or a system for power storage.
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