KR101527532B1 - Electrode Active Material Having Improved Lithium Diffusivity and Lithium Secondary Battery Comprising The Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 충방전 시 리튬 이온을 삽입 및 탈리하는 스피넬 구조의 리튬 금속 산화물의 표면에, 리튬 이동 채널(channel)을 갖는 카본 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode active material characterized in that a carbon coating layer having a lithium transfer channel is formed on the surface of a lithium metal oxide having a spinel structure for inserting and desorbing lithium ions during charging and discharging and a lithium secondary Battery.

Description

리튬 확산성이 향상된 전극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 {Electrode Active Material Having Improved Lithium Diffusivity and Lithium Secondary Battery Comprising The Same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an electrode active material having improved lithium diffusivity and a lithium secondary battery including the electrode active material.

본 발명은, 반복적인 충방전이 가능한 이차전지와 상기 이차전지를 구성하는 전극 활물질에 관한 것이다. The present invention relates to a secondary battery capable of repeated charge and discharge and an electrode active material constituting the secondary battery.

화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.The increase in the price of energy sources due to the depletion of fossil fuels, the increase of interest in environmental pollution, and the demand for environmentally friendly alternative energy sources are becoming indispensable factors for future life. Various researches on power generation technologies such as nuclear power, solar power, wind power, and tidal power have been continuing, and electric power storage devices for more efficient use of such generated energy have also been attracting much attention.

특히, 리튬 이차전지의 경우, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있다.Particularly, in the case of a lithium secondary battery, the demand for an energy source is rapidly increasing due to an increase in technology development and demand for a mobile device. Recently, the use of a lithium secondary battery as a power source for an electric vehicle (EV) and a hybrid electric vehicle , And the area of use is also expanding for applications such as power assisted power supply through gridization.

리튬 이차전지는 양극 활물질로는, 층상 구조(layered structure)의 LiCoO2와 같은 리튬-함유 코발트 산화물, 층상 결정 구조의 LiNiO2와 같은 리튬-함유 니켈 산화물, 또는 스피넬 결정구조의 LiMn2O4와 같은 리튬-함유 망간 산화물 등이 있다.As the cathode active material, a lithium secondary battery may be a lithium-containing cobalt oxide such as LiCoO 2 of a layered structure, a lithium-containing nickel oxide such as LiNiO 2 of a layered crystal structure, or LiMn 2 O 4 of a spinel crystal structure And the same lithium-containing manganese oxide.

상기 스피넬 결정구조의 리튬-함유 망간 산화물은, 전기 전도성이 좋지 않고 입체 구조로 인하여 리튬 이온의 확산 경로가 길어지게 되므로 도전성이 매우 좋지 않다. The lithium-containing manganese oxide of the spinel crystal structure has poor electrical conductivity, and the diffusion path of lithium ions becomes long due to the three-dimensional structure, so that the conductivity is not very good.

전기 전도성을 향상시키기 위해서 카본 코팅이 많이 사용되고 있다. Carbon coatings are widely used to improve electrical conductivity.

종래의 리튬 이차전지의 음극은 음극 활물질로서 구조적, 전기적 성질을 유지하면서 가역적인 리튬 이온의 삽입(intercalation) 및 탈리가 가능한 탄소계 화합물이 주로 사용되었으나, 최근에는 종래의 탄소계 음극재에서 벗어나 실리콘(Si), 주석(Sn)을 이용한 Li 합금계(alloy)반응에 의한 음극재 및 리튬 티타늄 산화물에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. The negative electrode of a conventional lithium secondary battery is a negative electrode active material mainly used for reversible intercalation and desorption of lithium ions while maintaining structural and electrical properties. In recent years, however, There have been many studies on an anode material and a lithium titanium oxide by a Li alloy reaction using silicon (Si) and tin (Sn).

리튬 티타늄 산화물(Li4Ti5O12)은, 1.5 V의 높은 작동 전압을 가지므로,수지상 결정(dendrite)의 발생이 없고, 리튬 이온이 삽입/탈리 시 부피변화가 거의 없어 구조적으로 안정하여, 레이트 및 수명 특성이 우수한 물질로 알려져 있다.Since lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ) has a high operating voltage of 1.5 V, there is no generation of dendrite and lithium ions are structurally stable since there is little volume change during insertion / It is known as a material having excellent rate and lifetime characteristics.

리튬 티타늄 산화물은 낮은 전기 전도도로 고속 충방전이 어렵고 부피당 출력 밀도가 낮은 단점이 있다. Lithium titanium oxide has a drawback in that it is difficult to charge and discharge at a high speed with a low electric conductivity and the output density per volume is low.

또한, 리튬 티타늄 산화물의 이론용량은 175 mAh/g 으로, 현재 160 내지 170 mAh/g 수준까지 용량을 향상시켰음에도, 종래 탄소계 음극재 대비 부족한 용량의 한계를 갖고 있는 문제가 있다. In addition, although the theoretical capacity of lithium titanium oxide is 175 mAh / g and the capacity is improved to 160 to 170 mAh / g level at present, there is a problem that it has a limit of the capacity insufficient compared to the conventional carbonaceous anode material.

고속 충전 셀을 만들 경우에는 높은 전류를 부반응 없이 흘리기 위해서 전극 내 전달 경로가 매우 효율적이어야 한다. In the case of making a fast charge cell, the conduction path in the electrode must be very efficient in order to flow high current without side reaction.

특히, 용량이 적은 리튬 티타늄 산화물이 원하는 용량을 가지는 셀을 만들기 위해서는 두꺼운 코팅을 해야 하므로, 효율적인 전기적 연결이 필수적이다. 전기 전도성을 향상시키기 위해서 카본 코팅이 많이 사용되고 있다. Particularly, in order to make a cell having a desired capacity of lithium-titanium oxide having a small capacity, a thick coating is required, so efficient electrical connection is essential. Carbon coatings are widely used to improve electrical conductivity.

카본 코팅은 전자의 전달을 빠르게 할 수는 있으나, 리튬 이온의 전도성을 향상시키지는 않는다. Carbon coatings can accelerate the transfer of electrons, but do not improve the conductivity of lithium ions.

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 발명은, 카본 코팅층 내의 층상 결정구조의 일부에 결함(defect)을 만들어 전기 전도도 및 리튬 이온 전도도가 동시에 향상된 전극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide an electrode active material having a defect in a part of a layered crystal structure in a carbon coating layer and simultaneously improving electric conductivity and lithium ion conductivity, and a lithium secondary battery comprising the electrode active material.

본 발명에 따른 전극 활물질은, In the electrode active material according to the present invention,

충방전 시 리튬 이온을 삽입 및 탈리하는 스피넬 구조의 리튬 금속 산화물의 표면에, 리튬 이동 채널(channel)을 갖는 카본 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.And a carbon coating layer having a lithium movement channel is formed on the surface of a lithium metal oxide having a spinel structure for inserting and desorbing lithium ions during charging and discharging.

상기 카본 코팅층은 탄소 화합물을 포함하고 있을 수 있고, 상기 탄소 화합물은, 탄소(C)원소들의 결합만으로 이루어진 단일 탄소 물질을 포함하고 있을 수 있으며, 상기 탄소 화합물은 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다. 다만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.The carbon coating layer may include a carbon compound, and the carbon compound may include a single carbon material consisting only of bonds of carbon (C) elements. The carbon compound may be 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; Carbon fiber, and the like. However, the present invention is not limited to these.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 단일 탄소물질은 흑연일 수 있다. In a specific embodiment of the present invention, the single carbon material may be graphite.

상기 도전성 카본 코팅층의 코팅량은, 리튬 금속 산화물 100 중량부 당 0.2 내지 5 중량부일 수 있다. The coating amount of the conductive carbon coating layer may be 0.2 to 5 parts by weight per 100 parts by weight of the lithium metal oxide.

상기 카본 코팅층의 코팅량이, 리튬 금속 산화물 100 중량부 당 0.2 중량부 미만인 경우에는, 소망하는 전자 전도도를 발휘할 수 없고, 5 중량부 초과인 경우에는, 코팅층의 두께가 두꺼워져 코팅층이 저항으로 작용하므로 바람직하지 않다. If the coating amount of the carbon coating layer is less than 0.2 parts by weight per 100 parts by weight of the lithium metal oxide, the desired electron conductivity can not be exhibited. If the coating amount exceeds 5 parts by weight, the coating layer becomes thick, It is not preferable.

카본 코팅층의 두께는 2 nm 이상 내지 50 nm 이하 일 수 있다. The thickness of the carbon coating layer may be not less than 2 nm and not more than 50 nm.

2 nm 미만인 경우에는, 소망하는 전자 전도도를 발휘할 수 없고, 50 nm 초과인 경우에는, 카본 코팅층이 저항으로 작용할 수 있으므로 바람직하지 않다. If the thickness is less than 2 nm, the desired electron conductivity can not be exhibited. If the thickness is more than 50 nm, the carbon coating layer may act as a resistor, which is not preferable.

상기 카본 코팅층은 주기율표 상 13족 또는 15족 원소를 포함하고 있고, 구체적으로, 상기한 13족 또는 15족 원소는 카본 코팅층의 탄소 일부를 치환하고 있을 수 있다. The carbon coating layer includes a group 13 element or a group 15 element in the periodic table. Specifically, the group 13 element or the group 15 element may replace part of carbon in the carbon coating layer.

이로 인해, 카본 코팅층 내에서, 탄소원소들이 구성하는 육각평면의 일부가 평면 배열에서 벗어나게 됨으로써, 층상 결정구조의 결함이 발생하게 되는 결과, 상기 결함들이 연결된 통로는 리튬 이온의 이동경로로 작용할 수 있다.As a result, in the carbon coating layer, a part of the hexagonal plane constituted by the carbon elements deviates from the planar arrangement, so that defects of the layered crystal structure are generated. As a result, the path connecting the defects can act as a path of lithium ion migration .

본 발명에 따른 구체적인 실시예에서, 상기 13족 원소는 붕소(B)일 수 있다.In a specific embodiment according to the present invention, the Group 13 element may be boron (B).

본 발명에 따른 구체적인 실시예에서, 상기 15족 원소는 질소(N)일 수 있다.In a specific embodiment according to the present invention, the Group 15 element may be nitrogen (N).

본 발명의 전극 활물질은, 탄소 전구체, 제13족 원소 공급원, 제15족 원소 공급원을 선택적으로 용매에 첨가하여 코팅액을 제조한 후, 리튬 금속 산화물을 코팅액에 혼합하고, 혼합물을 열처리함으로써 제조할 수 있다. The electrode active material of the present invention can be prepared by adding a carbon precursor, a Group 13 element source and a Group 15 element source to a solvent to prepare a coating solution, mixing the lithium metal oxide into a coating solution, and heat- have.

화학 증착법(CVD, Chemical vapor deposition) 또는 물리 증착법(PVD, Physical vapor deposition)에 의해 리튬 금속 산화물의 표면에 리튬 이동 채널을 가진 카본 코팅층을 증착할 수도 있다. 이러한 화학 증착법으로는 유동상 화학 증착법, 회전 입체상 화학 증착법, 진동 화학 증착법 등이 사용될 수 있고, 물리 증착법으로는 스퍼터링, 진공 연차법, 플라즈마 코팅법 등이 사용될 수 있다.A carbon coating layer having a lithium transfer channel on the surface of the lithium metal oxide may be deposited by a chemical vapor deposition (CVD) method or a physical vapor deposition (PVD) method. As the chemical vapor deposition method, a fluid phase chemical vapor deposition method, a rotational three-dimensional chemical vapor deposition method, a vibration chemical vapor deposition method, or the like can be used, and as the physical vapor deposition method, sputtering, vacuum annual method, plasma coating method and the like can be used.

또한, 본 발명의 전극 활물질은, 탄소 전구체, 제13족 원소 공급원, 제15족 원소 공급원을 선택적으로 리튬 금속 산화물과 함께 메카노퓨전 장치, 또는 노빌타 장치 등을 이용하여 건식 혼합함으로서 제조될 수 있다. In addition, the electrode active material of the present invention can be produced by dry mixing the carbon precursor, the Group 13 element source, and the Group 15 element source with the lithium metal oxide selectively using a mechanofusion apparatus, have.

상기 탄소 전구체로는, 톨루엔 등의 탄화 수소, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 슈퍼-피 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유, 플로렌 등이 사용될 수 있다. Examples of the carbon precursor include hydrocarbons such as toluene, graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black, super-black black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, fluorenes and the like can be used.

제 13 족 원소 공급원은, 붕소 화합물, 알루미늄 화합물, 갈륨 화합물,인듐 화합물 등일 수 있고, 구체적으로, 붕사, 산화붕소(B2O3), 붕소-수소화물(borane), 삼페닐붕소((C5H5)3B), 할로겐화 붕소 등일 수 있다.The Group 13 element source may be a boron compound, an aluminum compound, a gallium compound, an indium compound, and the like, and specifically includes borax, boron oxide (B 2 O 3 ), boron-borane, 5 H 5 ) 3 B), boron halide, and the like.

제 15 족 원소 공급원은, 질소화합물, 인 화합물 등일 수 있고, 구체적으로, 피롤, 퀴놀린, 피리딘, 피리미딘 등일 수 있다. The Group 15 element source may be a nitrogen compound, a phosphorus compound, and the like, specifically, pyrrole, quinoline, pyridine, pyrimidine, and the like.

본 발명은, 상기한 전극 활물질을 포함하는 전극과 다공성 고분자 막을 포함하고, 양극과 음극 사이에 고분자 막을 개재시킨 구조의 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하고 밀봉한 구조의 리튬 이차전지를 제공한다. The present invention provides a lithium secondary battery having a structure in which an electrode assembly including an electrode active material and a porous polymer membrane and having a polymer membrane interposed between the anode and the cathode is housed in a battery case and sealed.

상기 리튬 이차전지는 리튬염 함유 비수계 전해질을 포함할 수 있다.The lithium secondary battery may include a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt.

상기 리튬 이차전지는 리튬 이온전지일 수 있고, 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있고, 리튬 폴리머 전지일 수 있다. The lithium secondary battery may be a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, or a lithium polymer battery.

상기 전극은, 양극 또는 음극일 수 있고, 하기의 과정들을 포함하는 제조방법으로 제조할 수 있다.The electrode may be a positive electrode or a negative electrode, and may be manufactured by a manufacturing method including the following processes.

상기 전극 제조방법은, In the electrode manufacturing method,

바인더를 용매에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조하는 과정; Dispersing or dissolving the binder in a solvent to prepare a binder solution;

상기 바인더 용액과 전극 활물질 및 도전재를 혼합하여 전극 합제 슬러리를 제조하는 과정;Preparing an electrode mixture slurry by mixing the binder solution, the electrode active material, and the conductive material;

상기 전극 합제 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 과정; Coating the electrode mixture slurry on a current collector;

전극을 건조하는 과정; 및Drying the electrode; And

전극을 일정한 두께로 압축하는 과정을 포함한다. And compressing the electrode to a predetermined thickness.

경우에 따라서는, 압연한 전극을 건조하는 과정을 더 포함할 수 있다. In some cases, the rolled electrode may further be dried.

상기 바인더 용액 제조 과정은, 바인더를 용매에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조하는 과정이다. The binder solution preparation process is a process of dispersing or dissolving the binder in a solvent to prepare a binder solution.

상기 바인더는, 당해 업계에서 공지된 모든 바인더들일 수 있고, 구체적으로는, 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈를 포함하는 셀룰로오스계 바인더, 폴리 알코올계 바인더, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더, 폴리 이미드계 바인더, 폴리 에스테르계 바인더, 홍합 접착제, 실란계 바인더로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2 종 이상의 바인더들의 혼합물이거나 공중합체일 수 있다. The binder may be any binder known in the art and specifically includes polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) A binder such as a fluorocarbon resin binder, a styrene-butadiene rubber, an acrylonitrile-butadiene rubber, a styrene-isoprene rubber, a carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose and regenerated cellulose One or more binders selected from the group consisting of a cellulose-based binder, a polyalcohol-based binder, a polyolefin-based binder including polyethylene, polypropylene, a polyimide-based binder, a polyester-based binder, a mussel adhesive, and a silane-based binder Mixtures or copolymers.

상기 용매는, 바인더의 종류에 따라 선택적으로 사용될 수 있고, 예를 들어, 이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등의 유기 용매와 물 등이 사용될 수 있다.The solvent can be selectively used depending on the type of the binder. For example, organic solvents such as isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), and acetone and water can be used.

본 발명의 하나의 구체적인 실시예로서, PVdF를 NMP(N-methyl pyrrolidone)에 분산/용해시켜 양극용 바인더 용액을 제조할 수도 있고, SBR(Styrene-Butadiene Rubber)/CMC(Carboxy Methyl Cellulose)를 물에 분산/용해시켜 음극용 바인더 용액을 제조할 수도 있다. As a specific example of the present invention, a binder solution for a positive electrode may be prepared by dispersing / dissolving PVdF in NMP (N-methyl pyrrolidone), or a styrene-butadiene rubber (SBR) / carboxy methyl cellulose (CMC) To prepare a negative electrode binder solution.

전극 활물질 및 도전재를 상기 바인더 용액에 혼합/분산시켜서 전극 합제 슬러리를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극 합제 슬러리는, 저장 탱크로 이송하여 코팅 과정 이전까지 보관할 수 있다. 상기 저장 탱크 내에서는, 전극 합제 슬러리가 굳는 것을 방지하기 위하여, 계속하여 전극 합제 슬러리를 교반할 수 있다. The electrode active material and the conductive material may be mixed / dispersed in the binder solution to prepare an electrode mixture slurry. The electrode slurry thus prepared can be transferred to a storage tank and stored until the coating process. In order to prevent the electrode mixture slurry from hardening in the storage tank, the electrode slurry can be continuously stirred.

상기 전극 활물질은, 양극 활물질 또는 음극 활물질일 수 있다. The electrode active material may be a positive electrode active material or a negative electrode active material.

구체적으로, 상기 양극 활물질은, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Specifically, the cathode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Li 1 + y Mn 2-y O 4 (where y is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 and LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; Formula LiNi 1-y M y O 2 ( where, the M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, y = 0.01 ~ 0.3 Im) Ni site type lithium nickel oxide which is represented by; Formula LiMn 2-y M y O 2 ( where, M = Co, Ni, Fe , Cr, and Zn, or Ta, y = 0.01 ~ 0.1 Im) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where, M = Fe, Co, Ni, Cu, or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 , and the like. However, the present invention is not limited to these.

본 발명의 비제한적인 실시예에서, 상기 전극 활물질은 양극 활물질로서, 하기 화학식 (1)로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 금속 산화물을 포함할 수 있다.In a non-limiting embodiment of the present invention, the electrode active material may include a lithium metal oxide having a spinel structure represented by the following chemical formula (1) as a cathode active material.

LixMyMn2-yO4-zAz(1) Li x M y Mn 2 - y O 4 - z z (1)

상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이고, Wherein 0 < y < 2, 0 z < 0.2,

M은 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 이상의 원소이며;M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, ;

A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.A is one or more of an anion of -1 or -2.

A의 최대 치환량은 0.2 몰%미만일 수 있으며, 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 A는 F, Cl, Br, I 과 같은 할로겐, S 및 N으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 음이온일 수 있다. The maximum substitution amount of A may be less than 0.2 mol%. In a specific embodiment of the present invention, A may be at least one anion selected from the group consisting of halogens such as F, Cl, Br, I, S and N.

이러한 음이온들의 치환에 의해 전이금속과의 결합력이 우수해지고 화합물의 구조 전이가 방지되기 때문에, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 반면에, 음이온 A의 치환량이 너무 많으면(t≥0.2) 불완전한 결정구조로 인해 오히려 수명 특성이 저하되므로 바람직하지 않다. By substituting these anions, the binding force with the transition metal is improved and the structural transition of the compound is prevented, so that the lifetime of the battery can be improved. On the other hand, if the substitution amount of the anion A is too large (t? 0.2), the life characteristic is deteriorated due to the incomplete crystal structure, which is not preferable.

구체적으로, 상기 화학식 (1)의 산화물은 하기 화학식 (2)로 표현되는 리튬 금속 산화물일 수 있다. Specifically, the oxide of the formula (1) may be a lithium metal oxide represented by the following formula (2).

LixNiyMn2-yO4 (2)Li x Ni y Mn 2-y O 4 (2)

상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y≤0.5이다.In the above formula, 0.9? X? 1.2 and 0.4? Y? 0.5.

보다 구체적으로, 상기 리튬 금속 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4 일 수 있다.More specifically, the lithium metal oxide may be LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 or LiNi 0.4 Mn 1.6 O 4 .

상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 더 포함할 수 있다. The negative electrode active material may include, for example, carbon such as non-graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0≤x≤1 ), Li x WO 2 (0≤x≤1), Sn x Me 1-x Me 'y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' : Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, Halogen, 0 &lt; x &lt; Lithium metal; Lithium alloy; Silicon-based alloys; Tin alloy; SnO, SnO 2, PbO, PbO 2, Pb 2 O 3, Pb 3 O 4, Sb 2 O 3, Sb 2 O 4, Sb 2 O 5, GeO, GeO 2, Bi 2 O 3, Bi 2 O 4, Bi 2 O 5 and the like; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based material, and the like.

본 발명의 비제한적인 실시예예서, 상기 전극 활물질은 음극 활물질로서, 리튬 금속 산화물을 포함할 수 있고, 상기 리튬 금속 산화물은 바람직하게는 하기 화학식 (3)으로 표시될 수 있다.In a non-limiting embodiment of the present invention, the electrode active material may include a lithium metal oxide as a negative electrode active material, and the lithium metal oxide may preferably be represented by the following chemical formula (3).

LiaM’bO4-cAc (3)Li a M ' b O 4-ca c (3)

상기 식에서, M’은 Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이고; In the above formula, M 'is at least one element selected from the group consisting of Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al and Zr;

a 및 b는 0.1≤a≤4; 0.2≤b≤4의 범위에서 M’의 산화수(oxidation number)에 따라 결정되며;a and b are 0.1? a? 4; Is determined according to the oxidation number of M 'in the range of 0.2? B? 4;

c는 0≤c<0.2의 범위에서 산화수에 따라 결정되고;c is determined according to the oxidation number in the range of 0? c <0.2;

A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.A is one or more of an anion of -1 or -2.

상기 화학식 (3)의 산화물은 하기 화학식 (4)로 표시될 수 있다.The oxide of the formula (3) may be represented by the following formula (4).

LiaTibO4 (4)Li a Ti b O 4 (4)

상기 식에서, 0.5≤a≤3, 1≤b≤2.5 이다.In the above formula, 0.5? A? 3, 1? B? 2.5.

상기 리튬 금속 산화물은 Li0.8Ti2.2O4, Li2.67Ti1.33O4, LiTi2O4, Li1.33Ti1.67O4, Li1.14Ti1.71O4 등일 수 있다. 다만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. The lithium metal oxide may be Li 0.8 Ti 2.2 O 4 , Li 2.67 Ti 1.33 O 4 , LiTi 2 O 4 , Li 1.33 Ti 1.67 O 4 , Li 1.14 Ti 1.71 O 4, or the like. However, the present invention is not limited to these.

본 발명의 비제한적인 실시예에서, 상기 리튬 금속 산화물은Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4일 수 있다. Li1.33Ti1.67O4는 충방전시 결정 구조의 변화가 적고 가역성이 우수한 스피넬 구조를 가진다. In a non-limiting embodiment of the present invention, the lithium metal oxide may be Li 1.33 Ti 1.67 O 4 or LiTi 2 O 4 . Li 1.33 Ti 1.67 O 4 has a spinel structure with less change in crystal structure during charging and discharging and excellent reversibility.

상기 리튬 금속 산화물은 당해 업계에서 공지된 제조방법으로 제조할 수 있고, 예를 들어, 고상법, 수열법, 졸-겔 법 등으로 제조할 수 있다. The lithium metal oxide can be produced by a production method known in the art and can be produced by, for example, a solid phase method, a hydrothermal method, a sol-gel method, or the like.

상기 리튬 금속 산화물은 1차 입자가 응집된 2차 입자의 형태일 수 있다. The lithium metal oxide may be in the form of secondary particles in which primary particles are aggregated.

상기 2 차 입자의 입경은 200 nm 내지 30 ㎛ 일 수 있다. The particle size of the secondary particles may be 200 nm to 30 탆.

2차 입자의 입경이 200 nm 미만이면, 음극 제조 과정에서 접착력의 저하를 초래한다. 이를 보완하기 위해서는 더 많은 바인더의 사용을 필요로 하므로, 에너지 밀도의 측면에서 바람직하지 않다. 2차 입자의 입경이 30 ㎛ 초과인 경우에는, 리튬 이온의 확산 속도가 느려서 고출력을 구현하기 어려우므로 바람직하지 않다. When the particle diameter of the secondary particles is less than 200 nm, the adhesion force is lowered in the course of manufacturing the negative electrode. In order to compensate for this, the use of more binder is required, which is not preferable in terms of energy density. When the particle size of the secondary particles is more than 30 占 퐉, the diffusion rate of lithium ions is slow and it is difficult to realize a high output, which is not preferable.

상기 리튬 금속 산화물은 전체 음극 활물질의 중량 대비 50 중량% 이상 내지 100 중량% 이하로 포함되어 있을 수 있다. The lithium metal oxide may be contained in an amount of 50 wt% or more to 100 wt% or less based on the weight of the entire negative electrode active material.

상기 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 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 전극 합제 슬러리에는, 필요에 따라 충진제 등이 선택적으로 추가될 수 있다. 상기 충진제는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질 등이 사용될 수 있다. A filler or the like may be optionally added to the electrode mixture slurry as required. The filler is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing a chemical change in the battery, and examples thereof include olefin-based polymerizers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fiber, carbon fiber and the like can be used.

상기 전극 합제 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 과정은, 전극 합제 슬러리를 코터(coater) 헤드를 통과시켜 정해진 패턴 및 일정한 두께로 집전체 상에 코팅하는 과정이다.The process of coating the electrode mixture slurry on the current collector is a process of passing the electrode mixture slurry through a coater head to coat the current collector with a predetermined pattern and a predetermined thickness.

상기 전극 합제 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 방법은, 전극 슬리러를 집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 방법, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법 등을 들 수 있다. 또한, 별도의 기재(substrate) 위에 성형한 후 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 전극 합제 슬러리를 집전체와 접합시킬 수도 있다. The method of coating the electrode mixture slurry on the current collector may include a method of uniformly dispersing the electrode slurry on the current collector using a doctor blade or the like, a method of die casting, comma coating, screen printing, and the like. Alternatively, the electrode mixture slurry may be bonded to a collector by molding on a separate substrate and then pressing or laminating.

상기 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. The current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, the current collector may be made of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, a surface of copper or stainless steel A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like can be used.

집전체는, 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. The current collector may be formed in various shapes such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a nonwoven fabric, or the like, by forming fine irregularities on the surface thereof to enhance the bonding force of the cathode active material.

구체적으로, 양극 집전체는, 알루미늄을 포함하는 금속 집전체일 수 있고, 음극 집전체는, 구리를 포함하는 금속 집전체일 수 있다. 상기 전극 집전체는 금속 호일일 수 있고, 알루미늄(Al) 호일 또는 구리(Cu) 호일일 수 있다.Specifically, the cathode current collector may be a metal current collector including aluminum, and the anode current collector may be a metal current collector including copper. The electrode current collector may be a metal foil, and may be an aluminum foil or a copper foil.

상기 건조 공정은, 금속 집전체에 코팅된 슬러리를 건조하기 위하여 슬러리 내의 용매 및 수분을 제거하는 과정으로, 구체적인 실시예에서, 50 내지 200℃의 진공 오븐에서 1 일 이내로 건조한다. The drying process is a process of removing the solvent and moisture in the slurry to dry the slurry coated on the metal current collector. In a specific example, the drying process is performed within one day in a vacuum oven at 50 to 200 ° C.

상기 건조 과정 이후에는, 냉각 과정을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각 과정은 바인더의 재결정 조직이 잘 형성되도록 실온까지 서냉(slow cooling)하는 것일 수 있다. After the drying process, a cooling process may be further included, and the cooling process may be a slow cooling process to room temperature to form a recrystallized structure of the binder.

코팅 과정이 끝난 전극의 용량 밀도를 높이고 집전체와 활물질들 간의 접착성을 증가시키기 위해서, 고온 가열된 2개의 롤 사이로 전극을 통과시켜 원하는 두께로 압축할 수 있다. 이 과정을 압연과정이라 한다. In order to increase the capacity density of the coated electrode and increase the adhesion between the current collector and the active materials, an electrode can be passed between two rolls heated at a high temperature and compressed to a desired thickness. This process is called the rolling process.

상기 전극을 고온 가열된 2개의 롤 사이로 통과시키기 전에, 상기 전극은 예열될 수 있다. 상기 예열 과정은, 전극의 압축 효과를 높이기 위해서 롤로 투입되기 전에 전극을 예열하는 과정이다. The electrode can be preheated before passing the electrode between two heated, heated rolls. The preheating process is a process of preheating the electrode before it is introduced into the roll to increase the compression effect of the electrode.

상기와 같이 압연 과정이 완료된 전극은, 바인더의 융점 이상의 온도를 만족하는 범위로서 50 내지 200℃의 진공 오븐에서 1일 이내로 건조할 수 있다. 압연된 전극은 일정한 길이로 절단된 후 건조될 수도 있다.The electrode having completed the rolling process as described above can be dried within one day in a vacuum oven at 50 to 200 DEG C in a range satisfying a temperature equal to or higher than the melting point of the binder. The rolled electrode may be cut to a certain length and then dried.

상기 건조 과정 이후에는, 냉각 과정을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각 과정은 바인더의 재결정 조직이 잘 형성되도록 실온까지 서냉(slow cooling)하는 것일 수 있다. After the drying process, a cooling process may be further included, and the cooling process may be a slow cooling process to room temperature to form a recrystallized structure of the binder.

상기 고분자 막은, 양극과 음극 사이를 격리시키는 분리막이고, 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The polymer membrane is a separator separating the anode and the cathode. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.

상기 분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. The separator is made of an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 mu m and the thickness is generally 5 to 300 mu m.

이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포; 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다. 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; Kraft paper and the like are used. Representative examples currently on the market include the Celgard R 2400, 2300 (from Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (from Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene series (from Tonen or Entek).

경우에 따라서, 상기 분리막 위에는 전지의 안정성을 높이기 위하여 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수 있다. 이러한 겔 폴리머의 대표적인 예로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로나이트릴 등을 들 수 있다. In some cases, a gel polymer electrolyte may be coated on the separation membrane to increase the stability of the cell. Representative examples of such a gel polymer include polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, and polyacrylonitrile.

상기 전극 조립체는, 당해 업계에서 공지된 구조의 젤리-롤형 전극조립체(또는 권취형 전극조립체), 스택형 전극조립체(또는 적층형 전극조립체) 또는 스택 & 폴딩형 전극조립체를 모두 포함할 수 있다. The electrode assembly may include both a jelly-roll type electrode assembly (or a wound electrode assembly), a stacked electrode assembly (or a stacked electrode assembly), or a stacked & folded electrode assembly having a structure known in the art.

본 명세서에서, 상기 스택 & 폴딩형 전극조립체는, 분리막 시트 상에 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 단위셀을 배열한 후, 분리막 시트를 접거나(folding) 권취(winding)하는 방법으로 제조하는 스택 & 폴딩형 전극조립체를 포함하는 개념으로 이해할 수 있다.In this specification, the stacked & folded type electrode assembly is a method of arranging unit cells having a structure in which a separator is interposed between an anode and a cathode on a separator sheet, folding and winding the separator sheet A stack &amp; folding type electrode assembly.

또한, 상기 전극 조립체는, 양극과 음극 중 어느 하나가 분리막들 사이에 개재된 구조로 적층된 상태에서 열융착 등의 방법으로 접합(laminate)되어 있는 구조의 전극 조립체를 포함할 수 있다. In addition, the electrode assembly may include an electrode assembly having a structure in which one of an anode and a cathode is laminated with a structure interposed therebetween, and is laminated by a method such as thermal fusion.

상기 비수계 전해질로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like is used.

상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 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 nonaqueous electrolyte include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate , Gamma -butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, Diethyl ether, formamide, dimethyl formamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane A non-protonic organic solvent such as an ether, a methyl pyrophosphate, or an ethyl propionate is used as the solvent, a sulfone, a methyl sulfolane, a 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, a propylene carbonate derivative, a tetrahydrofuran derivative, .

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

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.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, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (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, LiSCN, LiC (CF 3 SO 2) 3, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, 4-phenylborate, imide, and the like can be used.

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), FPC(fluoro-propylene 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), FPC (fluoro-propylene carbonate), and the like.

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

또한, 본 발명은 상기 전지모듈을 중대형 디바이스의 전원으로 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차 및 전력 저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Also, the present invention provides a battery pack including the battery module as a power source of a middle- or large-sized device, wherein the middle- or large-sized device is an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV) An electric vehicle including a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), a power storage device, and the like, but the present invention is not limited thereto.

상기 전지모듈 및 전지팩의 구조 및 그것들의 제작 방법은 당업계 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.The structure of the battery module and the battery pack and the method of manufacturing the battery module and the battery pack are well known in the art, so a detailed description thereof will be omitted herein.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 양극 활물질은, 높은 전류를 부반응 없이 흘리기 위한 효율적인 전극 내 전자 전달경로를 확보할 수 있는 동시에, 리튬 이온의 이동 경로를 확보할 수 있는 효과가 있다. As described above, the positive electrode active material according to the present invention has an effect of ensuring an efficient electron transfer path in the electrode for flowing a high current without side reaction and securing the movement path of lithium ions.

따라서, 상기 양극 활물질을 포함하는, 리튬 이차전지는 고율 충방전 특성을 발휘할 수 있다. Therefore, the lithium secondary battery including the positive electrode active material can exhibit a high rate charge / discharge characteristic.

도 1은 본 발명에 따른 비제한적인 실시예와 비교예들의 고율 충방전 특성을 비교한 비교실험 결과이다.1 is a comparative experimental result comparing the high rate charge / discharge characteristics of the non-limiting embodiment and the comparative example according to the present invention.

이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

피리딘(Pyridine)을 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor deposition; CVD)을 이용하여 LiNi0.5Mn1.5O4 표면에 코팅시켜 전극 활물질을 제조하였다.Pyridine was coated on the surface of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 by chemical vapor deposition (CVD) to prepare an electrode active material.

전극 활물질: Super-P : PVDF의 양이 90 : 5 : 5 가 되도록 계량한 후 믹서에 넣고 믹싱(mixing)하여 전극 합제를 제조하고, 20 ㎛ 두께의 알루미늄 호일에 상기 양극 합제를 80 ㎛ 두께로 코팅한 후 공극률이 40%가 되도록 압연하여 60 ℃로 24 시간 건조하여 작업전극을 제조하였다.The electrode mixture was weighed in an amount of 90: 5: 5 as an electrode active material: Super-P: PVDF, and then mixed in a mixer to prepare an electrode mixture. An aluminum foil having a thickness of 20 [ After coating, the coating was rolled to a porosity of 40% and dried at 60 DEG C for 24 hours to prepare a working electrode.

리튬 금속을 상대전극으로 하고, 분리막으로서 폴리 에틸렌막(Celgard, 두께: 20 ㎛) 및 전해질로 LiPF6가 1몰 녹아있고 EC:DMC:EMC의 양이 1:1:1인 카보네이트 전해액을 이용하여 코인형 전지(N-doped C coating)를 제작하였다.
A lithium metal as a counter electrode, and the polyethylene film as a separator: There is LiPF 6 in (Celgard, thickness 20 ㎛) and an electrolyte dissolved 1 mol of EC: DMC: the amount of the EMC 1: 1: 1 by using the carbonate electrolyte A coin-type battery (N-doped C coating) was fabricated.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

톨루엔(Toluene)을 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor deposition; CVD)을 이용하여 LiNi0.5Mn1.5O4 표면에 코팅시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지(C coating)를 제작하였다.
A cell (C coating) was prepared in the same manner as in Example 1, except that Toluene was coated on the surface of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 by chemical vapor deposition (CVD).

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

LiNi0.5Mn1.5O4 표면에 카본 코팅층을 형성시키지 않은 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 전지(Bare)를 제작하였다.
A battery (Bare) was fabricated in the same manner as in Comparative Example 1, except that a carbon coating layer was not formed on the surface of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 .

<실험예 1><Experimental Example 1>

실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 전지들을 25℃의 온도에서 0.1C의 충전 전류로 충전하고, 방전 전류를 0.1 C, 0.5C, 1.0C 로 변화시키면서, 8 회 동안 충방전 시험을 수행하였다. 도 1은 초기 사이클 방전 용량을 첫 사이클의 0.1C 용량 대비로 나타낸 것이다. The batteries of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were charged at a charging current of 0.1 C at a temperature of 25 캜 and subjected to a charging / discharging test for 8 times while changing the discharging current to 0.1 C, 0.5 C and 1.0 C Respectively. Figure 1 shows the initial cycle discharge capacity as a function of the 0.1 C capacity of the first cycle.

도 1을 참조하면, 고율 방전 시 실시예 1이 비교예 1 및 비교예 2 보다 높은 용량 유지율을 발휘함을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 1, it can be seen that Example 1 exhibits a higher capacity retention rate than Comparative Examples 1 and 2 during high rate discharge.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 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 (18)

충방전 시 리튬 이온을 삽입 및 탈리하는 스피넬 구조의 리튬 금속 산화물의 표면에, 리튬 이동 채널(channel)을 갖도록, 주기율표 상 13족 또는 15족 원소를 포함하는 카본 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 활물질.Characterized in that a carbon coating layer comprising a Group 13 element or a Group 15 element in the periodic table is formed on the surface of a lithium metal oxide having a spinel structure for inserting and desorbing lithium ions during charging and discharging, Electrode active material. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 하기 화학식 (1)로 표현되는 것을 특징으로 하는 전극 활물질:
LixMyMn2-yO4-zAz (1)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이고,
M은 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 이상의 원소이며;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
2. The electrode active material according to claim 1, wherein the lithium metal oxide is represented by the following formula (1): < EMI ID =
Li x M y Mn 2 - y O 4 - z z (1)
Wherein 0 < y < 2, 0 z &lt; 0.2,
M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, ;
A is one or more of an anion of -1 or -2.
제 2 항에 있어서, 상기 화학식 (1)의 산화물은 하기 화학식 (2)으로 표현되는 것을 특징으로 하는 전극 활물질:
LixNiyMn2-yO4 (2)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y≤0.5이고;
The electrode active material according to claim 2, wherein the oxide of the formula (1) is represented by the following formula (2)
Li x Ni y Mn 2-y O 4 (2)
Wherein 0.9? X? 1.2, 0.4? Y? 0.5;
제 3 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4인 것을 특징으로 하는 전극 활물질.The electrode active material according to claim 3, wherein the lithium metal oxide is LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 or LiNi 0.4 Mn 1.6 O 4 . 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 하기 화학식 (3)으로 표현되는 것을 특징으로 하는 전극 활물질:
LiaM’bO4-cAc (3)
상기 식에서, M’은 Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이고;
a 및 b는 0.1≤a≤4; 0.2≤b≤4의 범위에서 M’의 산화수(oxidation number)에 따라 결정되며;
c는 0≤c<0.2의 범위에서 산화수에 따라 결정되고;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
2. The electrode active material according to claim 1, wherein the lithium metal oxide is represented by the following formula (3): < EMI ID =
Li a M ' b O 4-ca c (3)
In the above formula, M 'is at least one element selected from the group consisting of Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al and Zr;
a and b are 0.1? a? 4; Is determined according to the oxidation number of M 'in the range of 0.2? B? 4;
c is determined according to the oxidation number in the range of 0? c <0.2;
A is one or more of an anion of -1 or -2.
제 5 항에 있어서, 상기 화학식 (3)의 산화물은 하기 화학식 (4)로 표현되는 것을 특징으로 하는 전극 활물질:
LiaTibO4 (4)
상기 식에서, 0.5≤a≤3, 1≤b≤2.5 이다.
The electrode active material according to claim 5, wherein the oxide of the formula (3) is represented by the following formula (4)
Li a Ti b O 4 (4)
In the above formula, 0.5? A? 3, 1? B? 2.5.
제 6 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4인 것을 특징으로 하는 전극 활물질.The electrode active material according to claim 6, wherein the lithium metal oxide is Li 1.33 Ti 1.67 O 4 or LiTi 2 O 4 . 제 1 항에 있어서, 상기 카본 코팅층은 탄소 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 활물질.The electrode active material according to claim 1, wherein the carbon coating layer comprises a carbon compound. 제 8 항에 있어서, 상기 탄소 화합물은 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소 섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 전극 활물질.The carbon compound according to claim 8, wherein the carbon compound is at least one selected from the group consisting of graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, Electrode active material. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 주기율표 상 13족 또는 15족 원소는 카본 코팅층의 탄소 일부를 치환한 것을 특징으로 하는 전극 활물질.The electrode active material according to claim 1, wherein the Group 13 element or the Group 15 element on the Periodic Table of Elements replaces a part of carbon of the carbon coating layer. 제 11 항에 있어서, 상기 13족 원소는 붕소(B)인 것을 특징으로 하는 전극 활물질.12. The electrode active material according to claim 11, wherein the Group 13 element is boron (B). 제 11 항에 있어서, 상기 15족 원소는 질소(N)인 것을 특징으로 하는 전극 활물질.12. The electrode active material according to claim 11, wherein the Group 15 element is nitrogen (N). 제 1 항에 따른 전극 활물질을 포함하는 전극과 고분자 막을 포함하고, 양극과 음극 사이에 고분자 막이 개재된 구조의 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되어 있는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising an electrode assembly including an electrode active material according to claim 1 and a polymer membrane, wherein the electrode assembly having a polymer membrane interposed between the anode and the cathode is embedded in the battery case. 제 14 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는, 리튬 이온전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.15. The lithium rechargeable battery of claim 14, wherein the lithium secondary battery is a lithium ion battery. 제 14 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는, 리튬 이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.15. The lithium secondary battery according to claim 14, wherein the lithium secondary battery is a lithium ion polymer battery. 제 14 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는, 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery according to claim 14, wherein the lithium secondary battery is a lithium polymer battery. 제 1 항에 있어서, 카본 코팅층의 두께는 2 nm 이상 내지 50 nm 이하의 범위 내인 전극 활물질.The electrode active material according to claim 1, wherein the thickness of the carbon coating layer is in the range of 2 nm or more and 50 nm or less.
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