KR101551355B1 - The Method for Preparing Cathode Active Material for Secondary Battery and Cathode Active Material Using The Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법으로서,
(a) 하기 화학식 1의 리튬 금속 산화물을 제조하는 단계;
Li1 + zNiaMnbCo1 -(a+b)O2 (1)
(상기 식에서, 0≤z≤0.1, 0.1≤a≤0.8, 0.1≤b≤0.8 및 a+b<1이다)
(b) 지르코늄 함유 전구체를 유기 용매로 희석하여, 상기 리튬 금속 산화물과 혼합하여 교반하는 단계;
(c) 제 1 열처리를 수행하여 유기 용매를 제거하는 단계; 및
(d) 제 2 열처리를 수행하여 지르코늄 함유 전구체를 지르코니아(ZrO2)로 변환시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 지르코니아가 코팅된 양극 활물질의 제조 방법 및 이를 사용하여 제조되는 양극 활물질을 제공한다.
이를 포함하는 리튬 이차전지는 스웰링 현상의 최소화로 인해 향상된 안전성을 가지며, 사이클 특성이 향상되는 효과를 발휘한다.The present invention relates to a method for producing a cathode active material for a secondary battery,
(a) preparing a lithium metal oxide represented by the following formula (1);
Li 1 + z Ni a Mn b Co 1 - (a + b) O 2 (1)
(Where 0? Z? 0.1, 0.1? A? 0.8, 0.1? B? 0.8 and a + b <1)
(b) diluting the zirconium-containing precursor with an organic solvent, and mixing and stirring the lithium metal oxide;
(c) performing a first heat treatment to remove the organic solvent; And
(d) performing a second heat treatment to convert the zirconium-containing precursor to zirconia (ZrO 2 );
The present invention also provides a method for producing a zirconia-coated cathode active material and a cathode active material prepared using the same.
The lithium secondary battery including the lithium secondary battery has improved safety due to minimization of the swelling phenomenon and exhibits an effect of improving cycle characteristics.
Description
본 발명은 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법 및 이를 사용해서 제조되는 양극 활물질로서, 상세하게는, The present invention relates to a method for producing a cathode active material for a secondary battery and a cathode active material produced using the same,
(a) 하기 화학식 1의 리튬 금속 산화물을 제조하는 단계;(a) preparing a lithium metal oxide represented by the following formula (1);
Li1 + zNiaMnbCo1 -(a+b)O2 (1)Li 1 + z Ni a Mn b Co 1 - (a + b) O 2 (1)
(상기 식에서, 0≤z≤0.1, 0.1≤a≤0.8, 0.1≤b≤0.8 및 a+b<1이다)(Where 0? Z? 0.1, 0.1? A? 0.8, 0.1? B? 0.8 and a + b <1)
(b) 지르코늄 함유 전구체를 유기 용매로 희석하여, 상기 리튬 금속 산화물과 혼합하여 교반하는 단계;(b) diluting the zirconium-containing precursor with an organic solvent, and mixing and stirring the lithium metal oxide;
(c) 제 1 열처리를 수행하여 유기 용매를 제거하는 단계; 및(c) performing a first heat treatment to remove the organic solvent; And
(d) 제 2 열처리를 수행하여 지르코늄 함유 전구체를 지르코니아(ZrO2)로 변환시키는 단계;를 포함하는 지르코니아가 코팅된 양극 활물질의 제조 방법 및 이를 사용하여 제조되는 이차전지용 양극 활물질에 관한 것이다.(d) conducting a second heat treatment to convert the zirconium-containing precursor to zirconia (ZrO 2 ), and a cathode active material for a secondary battery manufactured using the same.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. As the technology development and demand for mobile devices have increased, the demand for secondary batteries has increased sharply as an energy source. Among such secondary batteries, lithium secondary batteries having high energy density and operating potential, long cycle life, Have been commercialized and widely used.
또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.In addition, as the interest in environmental issues 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, . Although nickel-metal hydride secondary batteries are mainly used as power sources for such electric vehicles and hybrid electric vehicles, researches using lithium secondary batteries having high energy density and discharge voltage are being actively carried out, and they are in the commercialization stage.
리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoMO2)이 주로 사용되고 있고, 그 외에도, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiMO2), 층상 구조의 리튬 망간 산화물(LiMnMO2), 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물(LiMn2MO4) 의 사용도 고려되고 있으며, 최근에는 LiMO2(M은 Co, Ni, 및 Mn)이 사용되고 있다. Lithium-containing cobalt oxide (LiCoMO 2 ) is mainly used as a cathode active material of a lithium secondary battery, and lithium-containing nickel oxide (LiNiMO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnMO 2 ) having a layered structure, lithium manganese oxide (LiMn 2 MO 4 ) is also considered, and recently, LiMO 2 (M is Co, Ni, and Mn) is used.
이러한 LiMO2(M은 Co, Ni, 및 Mn) 표면에는 합성 과정 중에 다량의 Li 부산물이 발생하게 되고, 이들 Li 부산물의 대부분은 LiOH 및 Li2CO3의 화합물로 이루어져 있어서, 양극 페이스트 제조시 겔(gel)화 되는 문제점과, 전극 제조 후 충방전 진행에 따른 가스 발생의 원인이 된다.On the surface of LiMO 2 (M is Co, Ni, and Mn), a large amount of Li by-products are generated during the synthesis process. Most of these Li by-products are composed of a compound of LiOH and Li 2 CO 3 , and the generation of gas due to the progress of charge / discharge after manufacturing the electrode.
한편, 리튬 이차전지에는 이온을 전달하는 매개체로서 전해질이 필수적이고, 상기 전해질은 일반적으로 용매와 리튬염으로 구성되어 있으며, 상기 리튬염으로는 염의 용해도와 화학적 안정성 등의 관점에서 4불화붕산리튬(LiBF4), 6불화인산리튬(LiPF6) 등이 주로 사용되고 있다. 그러나, 상기와 같이 불소(F)를 포함하는 리튬염을 용해시킨 전해질은 전해질 내의 미량의 수분과 반응하여 불산(HF)을 형성시킨다. On the other hand, in the lithium secondary battery, an electrolyte is essential as an agent for transferring ions. The electrolyte is generally composed of a solvent and a lithium salt. The lithium salt is preferably lithium tetrafluoroborate LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), and the like are mainly used. However, as described above, the electrolyte in which the lithium salt containing fluorine (F) is dissolved reacts with a trace amount of moisture in the electrolyte to form hydrofluoric acid (HF).
상기 탄산 리튬(Li2CO3)은 비수용성 순수용매에서는 용출되지 않고 안정하게 존재하지만, 불산(HF)과 반응하는 경우에는 전해질로 용출되어 이산화탄소(CO2)를 발생시키기 때문에, 저장 또는 사이클 동안 과량의 가스가 발생하는 단점이 있다. 그에 따라, 전지의 스웰링(swelling) 현상을 유발하며, 고온 안전성을 저하시키는 문제점을 가지고 있다.Since the lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) is not dissolved in the non-aqueous pure solvent but stably exists, it reacts with hydrofluoric acid (HF) to elute into the electrolyte to generate carbon dioxide (CO 2 ) An excessive amount of gas is generated. Thereby causing swelling of the battery and deteriorating high-temperature safety.
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, 이후 설명하는 바와 같이, 소정의 방법을 이용하여 지르코니아가 코팅되어 있는 리튬 전이 금속 산화물을 제조하는 경우, 양극 활물질 입자 표면의 손상 및 전지의 스웰링 현상을 방지하여, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present application have conducted intensive research and various experiments. As described later, when a zirconia-coated lithium transition metal oxide is produced by using a predetermined method, damage to the surface of the cathode active material particle, The present inventors have completed the present invention by confirming that the desired effect can be achieved.
따라서, 본 발명은 이차전지용 양극 활물질의 제조 방법으로서,Accordingly, the present invention provides a method for producing a cathode active material for a secondary battery,
(a) 하기 화학식 1의 리튬 금속 산화물을 제조하는 단계;(a) preparing a lithium metal oxide represented by the following formula (1);
Li1 + zNiaMnbCo1 -(a+b)O2 (1)Li 1 + z Ni a Mn b Co 1 - (a + b) O 2 (1)
(상기 식에서, 0≤z≤0.1, 0.1≤a≤0.8, 0.1≤b≤0.8 및 a+b<1이다)(Where 0? Z? 0.1, 0.1? A? 0.8, 0.1? B? 0.8 and a + b <1)
(b) 지르코늄 함유 전구체를 유기 용매로 희석하여, 상기 리튬 금속 산화물과 혼합하여 교반하는 단계;(b) diluting the zirconium-containing precursor with an organic solvent, and mixing and stirring the lithium metal oxide;
(c) 제 1 열처리를 수행하여 유기 용매를 제거하는 단계; 및(c) performing a first heat treatment to remove the organic solvent; And
(d) 제 2 열처리를 수행하여 지르코늄 함유 전구체를 지르코니아(ZrO2)로 변환시키는 단계;(d) performing a second heat treatment to convert the zirconium-containing precursor to zirconia (ZrO 2 );
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 지르코니아가 코팅된 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다.Wherein the cathode active material is coated with zirconia.
본 발명의 제조방법에 따른 지르코니아(ZrO2) 피막은 양극 활물질 표면에 존재하는 불순물(Li2CO3, LiOH)과 전해질 내의 불산(HF)의 접촉을 막을 수 있고, 또한, 전해질 내의 불산(HF)과 반응하여 안정한 형태의 ZrO2ㅇ5HFㅇH2O를 형성할 수 있어 양극 활물질의 표면을 안정화시키는 작용을 한다.The zirconia (ZrO 2 ) coating according to the production method of the present invention can prevent the contact between the impurities (Li 2 CO 3 , LiOH) present on the surface of the cathode active material and the hydrofluoric acid (HF) in the electrolyte, ) To form a stable form of ZrO 2 O 5 HF H H 2 O, thereby stabilizing the surface of the cathode active material.
따라서, 본 발명에 따라 제조되는 양극 활물질은 전해액과 접촉으로 인한 양극 활물질의 구조 붕괴 및 부반응 산물로서 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있으므로, 이를 포함하는 리튬 이차전지는 스웰링 현상의 최소화로 인해 향상된 안전성을 갖고, 사이클 특성이 향상되는 효과를 발휘한다.Therefore, the cathode active material produced according to the present invention can suppress the structural collapse of the cathode active material due to contact with the electrolyte and the generation of carbon dioxide as a side reaction product. Therefore, the lithium secondary battery including the lithium secondary battery has improved safety And exhibits an effect of improving cycle characteristics.
상기 화학식 1의 리튬 금속 산화물은 니켈의 함량(a) 및 망간의 함량(b)이 상세하게는, 각각 0.2 이상 내지 0.7 이하일 수 있고, 좀 더 상세하게는, 상기 화학식 1의 리튬 금속 산화물은 Li1Ni1 /3Mn1 /3Co1 /3O2 또는 LiNi0 .5Mn0 .3Co0 .2O2일 수 있다.The lithium metal oxide represented by Formula 1 may have a nickel content (a) and a manganese content (b) of 0.2 or more to 0.7 or less. More specifically, the lithium metal oxide of Formula 1 may be Li 1 Ni 1/3 Mn 1/ 3 Co 1/3 O 2 or LiNi 0 .5 may be a Mn 0 .3 Co 0 .2 O 2 .
이러한 리튬 전이금속 산화물 입자는 고상법, 공침법 등 당업계에서 공지된 제조방법에 따라 준비될 수 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Such lithium transition metal oxide particles can be prepared by a solid-phase method, coprecipitation method, or the like known in the art, and thus a detailed description thereof will be omitted.
본 발명에 따른 제조방법에서, 상기 지르코늄 함유 전구체는, Zr이 유래할 수 있는 화합물이라면 제한이 없으나, 예를 들어 Zr(C5H7O2)4, C26H44O16Zr, Zr[OC(CH3)3]4, Zr(OC4H9)4, Zr(OH)2CO3ㅇZrO2, ZrCl4, Zr(OCC(CH3)3CHCOC(CH3)3)2(O3H7)2, Zr(OC2H5)4, ZrH2, Zr(OH)4, Zr(OCH(CH3)2)4ㅇ(CH3)2CHOH, Zr(OCH(CH3)2)4, Zr(OCC(CH3)3CHCOC(CH3)3)4, Zr(C5H4F3O2)4, 및 ZrO(NO3)2로 이루어지는 군에서 선택되는 하나일 수 있고, 상세하게는 ZrCl4일 수 있다.In the production method according to the present invention, the zirconium-containing precursor is not limited as long as it is a compound from which Zr can originate, and examples thereof include Zr (C 5 H 7 O 2 ) 4 , C 26 H 44 O 16 Zr, Zr [ OC (CH 3) 3] 4 , Zr (OC 4 H 9) 4, Zr (OH) 2 CO 3 o ZrO 2, ZrCl 4, Zr ( OCC (CH 3) 3 CHCOC (CH 3) 3) 2 (o 3 H 7) 2, Zr ( OC 2 H 5) 4, ZrH 2, Zr (OH) 4, Zr (OCH (CH 3) 2) 4 o (CH 3) 2 CHOH, Zr (OCH (CH 3) 2 ) 4, Zr (OCC (CH 3) 3 CHCOC (CH 3) 3) 4, Zr (C 5 H 4 F 3 O 2) 4, and ZrO (NO 3) may be one selected from the group consisting of 2 Specifically, It can ZrCl 4.
상기 유기 용매는, 예를 들어, 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 아세톤, 디메틸설폭사이드, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 아세트산, 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 및 프로피온산 에틸로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 특히 무수 알코올계 용매를 사용하는 경우, 양극 활물질 손상을 방지할 수 있어 바람직하며, 좀 더 상세하게는 에탄올이 사용될 수 있다. Examples of the organic solvent include organic solvents such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetone, dimethyl sulfoxide, formamide, dimethyl formamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, acetic acid, methyl formate, An ether, a methyl pyrophosphate, and an ether, and a reaction product of a compound represented by the following general formula (1): wherein R 1 and R 2 are independently selected from the group consisting of a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, And ethyl propionate. In particular, when an anhydrous alcohol-based solvent is used, damage to the cathode active material can be prevented, and more particularly, ethanol can be used.
다만, 용매로서 물을 사용할 경우 양극 활물질에 손상을 가할 수 있으므로 바람직하지 않다.However, when water is used as a solvent, it is not preferable because it may damage the cathode active material.
상기 단계(b)에서 리튬 전이금속 산화물에 코팅되는 지르코니아(ZrO2)의 양이 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.001 내지 0.100 중량%가 되도록, 리튬 전이금속 산화물의 양을 조절하여 혼합할 수 있고, 좀 더 상세하게는 0.001 내지 0.010 중량%가 되도록 혼합할 수 있다.In the step (b), the amount of zirconia (ZrO 2 ) coated on the lithium transition metal oxide may be adjusted to the amount of 0.001 to 0.100 wt% based on the total weight of the cathode active material, More specifically, it may be mixed in an amount of 0.001 to 0.010% by weight.
상기 지르코니아의 양이 지나치게 작을 경우 소망하는 효과를 발휘하기 어렵고, 지나치게 많을 경우 경우에는 비용량(specific capacity)이 감소될 수 있어 바람직하지 않다.If the amount of the zirconia is too small, it is difficult to exert the desired effect, and when it is too large, the specific capacity may be reduced, which is not preferable.
상기 제 1 열처리는 100 내지 200℃의 온도에서 5 내지 15 시간 동안 수행하여 유기 용매를 제거한다.The first heat treatment is performed at a temperature of 100 to 200 DEG C for 5 to 15 hours to remove the organic solvent.
이러한 제 1 열처리 후, 400 내지 1000℃의 온도, 상세하게는 500 내지 800 ℃의 온도에서 10 시간 동안 공기 분위기 하에서 제 2 열처리를 수행하면 지르코늄 함유 전구체가 지르코니아(ZrO2)로 변환되어 지르코니아 층이 코팅된 리튬 전이금속 산화물을 제조할 수 있다.After the first heat treatment, if the second heat treatment is performed at a temperature of 400 to 1000 ° C, specifically 500 to 800 ° C for 10 hours in an air atmosphere, the zirconium-containing precursor is converted into zirconia (ZrO 2 ) A coated lithium transition metal oxide can be produced.
상기 제 1 및 2 열처리 온도 범위는 본 발명에서 소망하는 양극 활물질을 얻을 수 있는 최적의 범위로 지나치게 높거나 낮은 경우, 불순물, 결정 결함, 시편 깨짐 등의 문제점이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.If the temperature range of the first and second heat treatment is excessively high or low, which is the optimum range for obtaining the desired cathode active material in the present invention, problems such as impurities, crystal defects, and specimen breakage may occur.
본 발명은, 또한, 상기 제조 방법을 사용하여 제조한 지르코니아(ZrO2)가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극 활물질을 제공한다.The present invention also provides a cathode active material for a secondary battery, which is coated with zirconia (ZrO 2 ) produced by the above-described production method.
상기 지르코니아(ZrO2) 코팅의 두께는 0.01 내지 0.10 ㎛일 수 있고, 상세하게는, 0.04 내지 0.06 ㎛일 수 있다.The thickness of the zirconia (ZrO 2 ) coating may be 0.01 to 0.10 탆, and more specifically, 0.04 to 0.06 탆.
상기 코팅층의 두께가 지나치게 얇을 경우에는 전해액과의 접촉을 방지할 수 없거나 전지의 작동 과정에서 손상되기 쉬울 수 있고, 지나치게 두꺼운 경우에는 비용량(specific capacity)이 감소될 수 있어 바람직하지 않다.If the thickness of the coating layer is too small, contact with the electrolyte can not be prevented or the battery can be easily damaged during operation. If the coating layer is too thick, the specific capacity may be reduced.
상기 지르코니아(ZrO2)는 양극 활물질 표면적을 기준으로 60 내지 100%의 코팅 면적으로 도포될 수 있고, 상세하게는, 80 내지 100%의 코팅 면적으로 도포될 수 있다. The zirconia (ZrO 2 ) may be applied with a coating area of 60 to 100% based on the surface area of the cathode active material, and more specifically, a coating area of 80 to 100%.
상기 코팅층의 면적이 지나치게 작은 경우, 양극 활물질과 전해액과의 접촉면적이 늘어날 수 있어 바람직하지 않다.If the area of the coating layer is excessively small, the contact area between the positive electrode active material and the electrolytic solution may increase, which is not preferable.
본 발명은 또한 상기와 같은 양극 활물질을 포함하는 이차전지용 양극 합제 및 상기 양극 합제를 포함하는 이차전진용 양극을 제공한다.The present invention also provides a positive electrode mixture for a secondary battery comprising the above-mentioned positive electrode active material and a secondary positive electrode comprising the positive electrode mixture.
상기 양극 합제에는 상기 양극 활물질 이외에, 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등이 포함될 수 있다.In addition to the positive electrode active material, the positive electrode mixture may optionally contain 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, 폴리테트라플루오로에틸렌, 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, polytetrafluoroethylene, Polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
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 발명에 따른 양극은 상기와 같은 화합물들을 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.The positive electrode according to the present invention can be prepared by applying a slurry prepared by mixing a positive electrode mixture containing the above-described compounds to a solvent such as NMP, coating the positive 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 표면 처리한 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 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, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 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, , B, P, Si, Group 1, Group 2 and Group 3 elements of the periodic table, Halogen, 0 <x <1> 1 <y> 3, 1 <z <8); 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, and Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based materials and the like can be used.
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, sulfates and the like 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 있고, LiPF6가 가장 바람직하다.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4,
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 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.
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.
상기에서 설명하는 바와 같이, 본 발명에 따른 양극 활물질 제조방법은 소정의 용매에서 지르코늄 전구체와 리튬 전이금속 산화물의 혼합 후 가열하는 단계를 포함함으로써, 이에 따라 제조되는 양극 활물질 표면은 지르코니아가 도포되어, 양극 활물질의 표면에 존재하는 불순물(Li2CO3, LiOH)과 전해질내의 불산(HF)과의 접촉을 막고, 지르코니아가 전해질 내의 불산(HF)과 반응하여 안정한 물질을 생성할 수 있다.As described above, the method for producing a cathode active material according to the present invention includes a step of mixing and heating a zirconium precursor and a lithium transition metal oxide in a predetermined solvent, and then the surface of the cathode active material thus prepared is coated with zirconia, It is possible to prevent contact between impurities (Li 2 CO 3 , LiOH) present on the surface of the cathode active material and hydrofluoric acid (HF) in the electrolyte, and zirconia reacts with hydrofluoric acid (HF) in the electrolyte to produce a stable substance.
따라서 전해액과의 접촉으로 인한 양극 활물질의 구조 붕괴 및 부반응 산물로서 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있고, 이를 포함하는 리튬 이차전지는 스웰링 현상의 최소화로 인해 향상된 안전성을 가지며, 사이클 특성이 향상되는 효과를 발휘한다.Therefore, it is possible to suppress the structural collapse of the cathode active material due to contact with the electrolyte and the generation of carbon dioxide as a side reaction product, and the lithium secondary battery including the lithium secondary battery has improved safety due to minimization of the swelling phenomenon, .
도 1 은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조되는 지르코니아가 코팅된 양극 활물질의 SEM 사진이다;
도 2 은 본 발명의 비교예 1 따라 제조되는 지르코니아가 코팅되지 않은 양극 활물질의 SEM 사진이다; 및
도 3 은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조되는 지르코니아가 코팅된 양극 활물질의 EDX 데이터를 나타낸 그래프이다.1 is a SEM photograph of a zirconia-coated cathode active material prepared according to Example 1 of the present invention;
2 is an SEM photograph of a zeolite-free cathode active material prepared according to Comparative Example 1 of the present invention; And
3 is a graph showing EDX data of a zirconia-coated cathode active material prepared according to Example 1 of the present invention.
<실시예 1>≪ Example 1 >
LiNi0 .6Mn0 .2Co0 .2O2 로 표시되는 리튬 금속 산화물을 제조한 후 ZrCl4를 에탄올로 희석하여, 상기 리튬 금속 산화물과 혼합하여 교반하였다. 그 후, 130℃에서 제 1 열처리를 하여 에탄올을 제거한 후, 500℃에서 제 2 열처리를 하여 지르코니아(ZrO2)가 코팅된 양극 활물질로서, 상기 지르코니아(ZrO2) 함량은 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.005 중량%이고, 0.05 ㎛ 코팅 두께를 가지는 지르코니아(ZrO2)가 코팅된 양극 활물질을 제조하였다. LiNi 0 .6 Mn 0 .2 Co 0 .2 O After preparation the lithium metal oxide represented by 2 to the ZrCl 4 was diluted with ethanol, and the mixture was stirred and mixed with the lithium metal oxide. Then, after removing the ethanol to a first heat treatment at 130 ℃, the second heat treatment at 500 ℃ to zirconia (ZrO 2) is a coated positive electrode active material, wherein the zirconia (ZrO 2) content based on the total weight of the positive electrode active material To prepare zirconia (ZrO 2 ) -coated cathode active material having a coating thickness of 0.05 μm and 0.005% by weight.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
LiNi0 .6Mn0 .2Co0 .2O2 로 표시되는 리튬 금속 산화물을 제조하였다.
The lithium metal oxide represented by LiNi 0 .6 Mn 0 .2 Co 0 .2 O 2 was prepared.
<실험예 1><Experimental Example 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 양극 활물질의 SEM 사진을 각각 도 1 및 2에 나타내었고, 실시예 1에서 제조된 양극 활물질의 조성을 측정장비(EDX)을 사용하여 확인한 데이터를 도 3에 나타내었다. SEM photographs of the positive electrode active material prepared in Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. Data obtained by checking the composition of the positive electrode active material prepared in Example 1 using the measuring equipment (EDX) Respectively.
하기 도 1에서는 도 2와 비교하여 양극 활물질 표면에 부분적으로 지르코니아가 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 하기 도 3에서는, 실시예 1에 따른 양극 활물질에 Zr이 포함되었음을 확인할 수 있다.In FIG. 1, zirconia is partially coated on the surface of the cathode active material as compared with FIG. Further, in FIG. 3, it can be confirmed that Zr is contained in the cathode active material according to the first embodiment.
따라서, 이러한 지르코니아 코팅으로 인하여 양극 제조시, 양극 활물질 표면과 전해액간의 접촉이 상대적으로 적을 것이라는 것을 쉽게 예상할 수 있다.
Therefore, it can be easily expected that the contact between the surface of the cathode active material and the electrolytic solution will be relatively small when the cathode is produced due to the zirconia coating.
<실험예 2><Experimental Example 2>
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 양극 활물질의 표면에 존재하는 불순물인 Li2CO3 및 LiOH의 양을 HCl을 사용하여 측정한 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.The results of measurement of the amounts of impurities Li 2 CO 3 and LiOH on the surface of the cathode active material prepared in Example 1 and Comparative Example 1 using HCl are shown in Table 1 below.
<표 1><Table 1>
상기 표 1에서 볼 수 있듯이 양극 활물질의 표면의 Li2CO3 및 LiOH의 양을 HCl을 사용하여 측정한 결과 비교예 1에 비하여, 실시예 1에서 그 양이 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
As shown in Table 1, the amount of Li 2 CO 3 and LiOH on the surface of the cathode active material was measured by using HCl. As a result, it was confirmed that the amount of Li 2 CO 3 and LiOH was significantly reduced in Example 1 as compared with Comparative Example 1.
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 (17)
(a) 하기 화학식 1의 리튬 금속 산화물을 제조하는 단계;
Li1+zNiaMnbCo1-(a+b)O2 (1)
(상기 식에서, 0≤z≤0.1, 0.1≤a≤0.8, 0.1≤b≤0.8 및 a+b<1이다)
(b) 지르코늄 함유 전구체를 유기 용매로 희석하여, 리튬 전이금속 산화물에 코팅되는 지르코니아(ZrO2)의 양이 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.001 내지 0.100 중량%가 되도록 상기 리튬 전이금속 산화물의 양을 조절하고 혼합하여 교반하는 단계;
(c) 100 내지 200℃의 온도에서 5 내지 15 시간 동안 제 1 열처리를 수행하여 유기 용매를 제거하는 단계; 및
(d) 500 내지 800℃의 온도에서 공기 분위기 하에서 제 2 열처리를 수행하여 지르코늄 함유 전구체를 지르코니아(ZrO2)로 변환시키는 단계;
를 포함하고,
상기 지르코늄 함유 전구체는, ZrCl4, Zr(C5H4F3O2)4, 및 ZrO(NO3)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 지르코니아가 코팅된 양극 활물질의 제조 방법.A method for producing a cathode active material for a secondary battery,
(a) preparing a lithium metal oxide represented by the following formula (1);
Li 1 + z Ni a Mn b Co 1 - (a + b) O 2 (1)
(Where 0? Z? 0.1, 0.1? A? 0.8, 0.1? B? 0.8 and a + b <1)
(b) diluting the zirconium-containing precursor with an organic solvent so that the amount of zirconia (ZrO 2 ) coated on the lithium transition metal oxide is 0.001 to 0.100 wt% based on the total weight of the cathode active material, Adjusting and mixing and stirring;
(c) performing a first heat treatment at a temperature of 100 to 200 DEG C for 5 to 15 hours to remove the organic solvent; And
(d) subjecting the zirconium-containing precursor to zirconia (ZrO 2 ) by performing a second heat treatment in an air atmosphere at a temperature of 500 to 800 ° C;
Lt; / RTI >
The zirconium-containing precursor, ZrCl 4, Zr (C 5 H 4 F 3 O 2) 4, and ZrO (NO 3) 2, the production of the zirconia-coated positive electrode active material, characterized in that at least one selected from the group consisting of Way.
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SHAO-KANG HU, JOURNAL OF POWER SOURCES, 2009* |
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