KR101706487B1 - Lithium-ion battery positive electrode active material, lithium-ion battery positive electrode, and lithium-ion battery - Google Patents

Lithium-ion battery positive electrode active material, lithium-ion battery positive electrode, and lithium-ion battery Download PDF

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Abstract

입자의 균열이 양호하게 억제되고, 이것에 의해 전지 수명 등의 전지 특성이 양호해지며, 또한 전지 제조시의 정극 활물질을 사용한 정극 합제의 도포성 및 정착성이 양호한 리튬 이온 전지용 정극 활물질을 제공한다.
조성식 : LixNi1-yMyO2+α
(상기 식에 있어서, M 은 금속이고, 0.9 ≤ x ≤ 1.2 이고, 0 < y ≤ 0.7 이고, -0.1 ≤α ≤ 0.1 이다) 로 나타내고,
평균 입자경 D50 이 7 ㎛ 이상 12 ㎛ 이하이고,
미소 압축 시험에 있어서, 정극 활물질의 2 차 입자의 1 입자에 다이아몬드제 압자에 의해 부하 속도 2.67 mN/초로 설정 하중 49 mN 까지 부하했을 때의 평균 기계 강도가 10 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하, 또한, 입자에 압자가 맞닿아 압압을 시작하는 위치로부터 압열된 위치까지의 압자의 이동 거리를 변위로 했을 때의 평균 변위가 0.2 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하인 리튬 이온 전지용 정극 활물질.
The present invention provides a positive electrode active material for a lithium ion battery in which cracking of particles is satisfactorily suppressed to improve battery characteristics such as battery life and the coating performance and fixability of a positive electrode mixture using a positive electrode active material at the time of manufacturing a battery .
Composition formula: Li x Ni 1-y M y O 2 + α
(In the above formula, M is a metal, 0.9? X? 1.2, 0 <y? 0.7, and -0.1?? 0.1)
An average particle diameter D50 of 7 占 퐉 or more and 12 占 퐉 or less,
In the micro compression test, the average mechanical strength when loaded up to a set load of 49 mN at a load speed of 2.67 mN / sec by a diamond impregnator was 10 MPa or more and 60 MPa or less, Wherein an average displacement when the displacement of the indenter from the position where the indenter contacts the indenter to the position where the indenter is pressed to the fired position is in the range of 0.2 占 퐉 or more to 1 占 퐉 or less.

Description

리튬 이온 전지용 정극 활물질, 리튬 이온 전지용 정극, 및, 리튬 이온 전지{LITHIUM-ION BATTERY POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, LITHIUM-ION BATTERY POSITIVE ELECTRODE, AND LITHIUM-ION BATTERY}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium ion battery, a positive electrode for a lithium ion battery, and a lithium ion battery. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은, 리튬 이온 전지용 정극 활물질, 리튬 이온 전지용 정극, 및 리튬 이온 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium ion battery, a positive electrode for a lithium ion battery, and a lithium ion battery.

리튬 이온 전지의 정극 활물질에는, 일반적으로 리튬 함유 천이 금속 산화물이 사용되고 있다. 구체적으로는, 코발트산리튬 (LiCoO2), 니켈산리튬 (LiNiO2), 망간산리튬 (LiMn2O4) 등이고, 특성 개선 (고용량화, 사이클 특성, 보존 특성, 내부 저항 저감, 레이트 특성) 이나 안전성을 높이기 위해 이들을 복합화하는 것이 진행되고 있다. 차재용이나 로드 레벨링용과 같은 대형 용도에 있어서의 리튬 이온 전지에는, 지금까지의 휴대 전화용이나 퍼스널 컴퓨터용과는 다른 특성이 요구되고 있다.Lithium-containing transition metal oxide is generally used for the positive electrode active material of a lithium ion battery. Concretely, it is possible to improve the characteristics (high capacity, cycle characteristics, storage characteristics, internal resistance reduction, rate characteristics) of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) In order to increase safety, it is progressing to composite them. Lithium ion batteries in large-sized applications such as automobile use and load leveling are required to have characteristics different from those of conventional cellular phones and personal computers.

상기한 바와 같은 코발트산리튬 (LiCoO2), 니켈산리튬 (LiNiO2), 혹은 망간산리튬 (LiMn2O4) 은, 예를 들어 특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이 정극 활물질에 사용되는 대표적인 재료이지만, 각각 장점 단점이 있다. 코발트산리튬은 용량 및 안전성 등 균형을 이룬 재료이지만, 코발트는 레어 메탈이라는 매우 희소한 금속이기 때문에, 비용이 높다. 니켈산리튬은 상당히 전지 용량을 갖지만, 안전성이 부족하다. 망간산리튬은 매우 열적 안정성이 있지만, 용량이 낮다는 등의 문제가 보고되어 있다.The lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) as described above is a typical example of the positive electrode active material used in the positive electrode active material Material, but each has its advantages and disadvantages. Lithium cobalt oxide is a balanced material such as capacity and safety, but cobalt is a very rare metal, rare metal, which is expensive. Lithium nickel oxide has a considerable battery capacity, but lacks safety. Lithium manganese oxide is very thermally stable, but its capacity has been reported to be low.

일본 공개특허공보 2006-004724호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2006-004724

최근에는 고용량, 안전성, 비용의 면에서 NiMnCo, NiCoAl 으로 대표되는 3 원계 정극 활물질이 사용되고 있는데, 예를 들어, 이 3 원계 정극 활물질이 니켈 비율이 높은 것인 경우에서는, 그것을 사용하여 제조된 리튬 이온 2 차 전지가 충방전됨으로써 정극 활물질의 입자에 균열 (크랙) 이 생기고, 이것에 의해 전지 수명의 열화가 일어나는 것으로 전해지고 있다. 또한, 일반적으로, 정극 활물질을 도전 보조제 및 바인더와 혼합함으로써 정극 합제를 조제하고, 이것을 알루미늄박 등으로 이루어지는 집전체의 편면 또는 양면에 도포함으로써 정극을 제조하고 있다. 정극 합제를 집전체에 도포할 때, 정극 활물질의 입자에 압 (壓) 이 가해져 입자가 탄성 또는 소성 변형되는 경우가 있다. 이러한 정극 활물질의 입자의 변형에 의해, 그것을 사용한 정극 합제의 집전체에 대한 도포성이 열화된다는 문제가 있다.In recent years, ternary positive electrode active materials typified by NiMnCo and NiCoAl have been used in terms of high capacity, safety and cost. For example, when the ternary positive electrode active material has a high nickel ratio, lithium ions It has been reported that the secondary battery is charged and discharged to cause cracks (cracks) in the particles of the positive electrode active material, thereby deteriorating the life of the battery. Generally, a positive electrode mixture is prepared by mixing a positive electrode active material with a conductive auxiliary agent and a binder, and the negative electrode active material is coated on one surface or both surfaces of a current collector made of aluminum foil or the like to produce a positive electrode. When the positive electrode mixture is applied to the current collector, a pressure is applied to the particles of the positive electrode active material, so that the particles may be elastically or plastically deformed. The deformation of the particles of the positive electrode active material causes a problem that the performance of the positive electrode mixture using the positive electrode mixture is deteriorated.

본 발명은, 입자의 균열이 양호하게 억제되고, 이것에 의해 전지 수명 등의 전지 특성이 양호해지며, 또한, 전지 제조시의 정극 활물질을 사용한 정극 합제의 도포성 및 정착성이 양호한 리튬 이온 전지용 정극 활물질을 제공하는 것을 과제로 한다.Disclosure of the Invention The present invention is to provide a lithium ion battery capable of satisfactorily suppressing cracking of particles and improving cell characteristics such as battery life and the like and also having good applicability and fixability of a positive electrode mixture using a positive electrode active material at the time of battery production And to provide a positive electrode active material.

본 발명자는, 리튬 이온 2 차 전지가 충방전되는 것에 의한 정극 활물질의 입자 내 균열의 발생을 억제하기 위해서, 및 정극 합제의 도포성 및 정착성을 향상시키기 위해서 정극 활물질의 입자의 강도에 착안하고, 거기서 더 깊이 들어가 검토하여, 단순한 강도가 아니라 정극 활물질의 입자 1 단위의 경도, 즉 미소 압축 경도를 소정 범위로 제어하는 것이, 충방전 후의 입자의 균열의 저감 및 정극 합제 도포시의 정극 활물질의 입자의 변형의 억제에 매우 유효한 것을 알아내었다. 또한, 정극 활물질의 조성을 소정의 조성으로 하고, 정극 활물질의 입자경을 균일하게 함으로써, 한층 더 이들 특성이 양호해지는 것을 알아내었다.The present inventors have focused on the strength of the particles of the positive electrode active material in order to suppress the generation of cracks in the particles of the positive electrode active material caused by charging and discharging of the lithium ion secondary battery and to improve the coating property and fixability of the positive electrode mixture , It is possible to control the hardness of one particle of the positive electrode active material, that is, the micro-compression hardness to a predetermined range, rather than the simple strength, to reduce the cracks of the particles after charging and discharging, Which is very effective in suppressing the deformation of the particles. Further, it has been found that these characteristics are further improved by making the composition of the positive electrode active material a predetermined composition and making the particle diameter of the positive electrode active material uniform.

상기 지견을 기초로 하여 완성한 본 발명은 일 측면에 있어서, 조성식 : LixNi1-yMyO2+α According to one aspect of the present invention, which is completed on the basis of the above finding, the present invention provides a composition represented by a composition formula: Li x Ni 1-y M y O 2 +

(상기 식에 있어서, M 은 금속이고, 0.9 ≤ x ≤ 1.2 이고, 0 < y ≤ 0.7 이고, -0.1 ≤α ≤ 0.1 이다) 로 나타내고, (In the above formula, M is a metal, 0.9? X? 1.2, 0 <y? 0.7, and -0.1?? 0.1)

평균 입자경 D50 이 7 ㎛ 이상 12 ㎛ 이하이고, 미소 압축 시험에 있어서, 정극 활물질의 2 차 입자의 1 입자에 다이아몬드제 압자에 의해 부하 속도 2.67 mN/초로 설정 하중 49 mN 까지 부하했을 때의 평균 기계 강도가 10 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하, 또한, 입자에 압자가 맞닿아 압압 (押壓) 을 시작하는 위치로부터 압열 (壓裂) 된 위치까지의 압자의 이동 거리를 변위로 했을 때의 평균 변위가 0.2 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하인 리튬 이온 전지용 정극 활물질이다.An average particle diameter D50 of not less than 7 mu m and not more than 12 mu m and having an average mechanical load at a loading speed of 2.67 mN / sec to a set load of 49 mN by a diamond impregnator to one particle of the secondary particles of the positive electrode active material in the micro compression test The average displacement when the displacement is the moving distance of the indenter from the position where the indenter abuts on the particle to the position where the pressing is started to the split point is 0.2 Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1 &lt; / RTI &gt;

본 발명에 관련된 리튬 이온 전지용 정극 활물질은 일 실시형태에 있어서, 보다 양호한 상기 평균 기계 강도가 15 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하이다.The positive electrode active material for a lithium ion battery according to the present invention has a better average mechanical strength of 15 MPa or more and 60 MPa or less in one embodiment.

본 발명에 관련된 리튬 이온 전지용 정극 활물질은 다른 일 실시형태에 있어서, 상기 M 이, Mn, Co, Cu, Al, Zn, Mg 및 Zr 에서 선택되는 1 종 이상이다.In another embodiment, the positive electrode active material for a lithium ion battery according to the present invention is at least one selected from Mn, Co, Cu, Al, Zn, Mg and Zr.

본 발명에 관련된 리튬 이온 전지용 정극 활물질은 또 다른 일 실시형태에 있어서, 상기 M 이, Mn 및 Co 에서 선택되는 1 종 이상이다.In another embodiment of the positive electrode active material for a lithium ion battery according to the present invention, M is one or more selected from Mn and Co.

본 발명에 관련된 리튬 이온 전지용 정극 활물질은 또 다른 일 실시형태에 있어서, 상기 평균 기계 강도 및 평균 변위가, 미소 압축 시험에 있어서, 정극 활물질의 2 차 입자의 1 입자에 다이아몬드제 압자에 의해 부하 속도 2.67 mN/초 미만으로 설정 하중 49 mN 까지 부하했을 때의 것이다.In the positive electrode active material for a lithium ion battery according to another embodiment of the present invention, the average mechanical strength and the average displacement of the positive electrode active material for a lithium ion battery are set such that, in the micro compression test, The load is less than 2.67 mN / sec and the load is applied to 49 mN.

본 발명은, 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에 관련된 리튬 이온 전지용 정극 활물질을 사용한 리튬 이온 전지용 정극이다.The present invention is, in another aspect, a positive electrode for a lithium ion battery using the positive electrode active material for a lithium ion battery according to the present invention.

본 발명은, 또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에 관련된 리튬 이온 전지용 정극을 사용한 리튬 이온 전지이다.The present invention is, in another aspect, a lithium ion battery using a positive electrode for a lithium ion battery according to the present invention.

본 발명에 의하면, 입자의 균열이 양호하게 억제되고, 이것에 의해 전지 수명 등의 전지 특성이 양호해지고, 또한, 전지 제조시의 정극 활물질을 사용한 정극 합제의 도포성 및 정착성이 양호한 리튬 이온 전지용 정극 활물질을 제공할 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, cracks in particles are satisfactorily suppressed, whereby battery characteristics such as battery life are improved, and a positive electrode mixture prepared by using a positive electrode active material at the time of battery manufacturing is excellent in coating properties and fixability. A positive electrode active material can be provided.

도 1 은 실시예 3 의 미소 압축 시험에 있어서의 기계 강도 (CS) 및 변위의 관계도이다.
도 2 는 비교예 2 의 미소 압축 시험에 있어서의 기계 강도 (CS) 및 변위의 관계도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a diagram showing the relationship between the mechanical strength CS and the displacement in the micro compression test according to the third embodiment. Fig.
2 is a graph showing the relationship between mechanical strength (CS) and displacement in the micro compression test of Comparative Example 2. Fig.

(리튬 이온 전지용 정극 활물질의 구성) (Constitution of positive electrode active material for lithium ion battery)

본 발명의 리튬 이온 전지용 정극 활물질의 재료로는, 일반적인 리튬 이온 전지용 정극용의 정극 활물질로서 유용한 화합물을 널리 사용할 수 있는데, 특히 코발트산리튬 (LiCoO2), 니켈산리튬 (LiNiO2), 망간산리튬 (LiMn2O4) 등의 리튬 함유 천이 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료를 사용하여 제조되는 본 발명의 리튬 이온 전지용 정극 활물질은, As a material of the positive electrode active material for a lithium ion battery of the present invention, a compound useful as a positive electrode active material for a general lithium ion battery positive electrode can be widely used. In particular, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) It is preferable to use a lithium-containing transition metal oxide such as lithium (LiMn 2 O 4 ). The positive electrode active material for a lithium ion battery of the present invention, which is manufactured using such a material,

조성식 : LixNi1-yMyO2+α Composition formula: Li x Ni 1-y M y O 2 + α

(상기 식에 있어서, M 은 금속이고, 0.9 ≤ x ≤ 1.2 이고, 0 < y ≤ 0.7 이고, -0.1 ≤α ≤ 0.1 이다) 로 나타낸다.(In the above formula, M is a metal, 0.9? X? 1.2, 0 <y? 0.7, and -0.1?? 0.1).

또한, M 은, 바람직하게는 Mn, Co, Cu, Al, Zn, Mg 및 Zr 에서 선택되는 1 종 이상이고, 보다 바람직하게는 Mn 및 Co 에서 선택되는 1 종 이상이다.M is preferably at least one element selected from Mn, Co, Cu, Al, Zn, Mg, and Zr, and more preferably at least one element selected from Mn and Co.

본 발명의 리튬 이온 전지용 정극 활물질은, 1 차 입자, 1 차 입자가 응집하여 형성된 2 차 입자, 또는 1 차 입자 및 2 차 입자의 혼합물로 구성되어 있다. 이러한 1 차 입자, 1 차 입자가 응집하여 형성된 2 차 입자, 또는 1 차 입자 및 2 차 입자의 혼합물의 평균 입자경 D50 은 7 ㎛ 이상 12 ㎛ 이하이다. 평균 입자경 D50 이 7 ㎛ 이상 12 ㎛ 이하이면, 편차가 억제된 분체 (粉體) 가 되어, 리튬 이온 전지의 전극 제조시에 정극 활물질을 함유한 정극 합제의 균일한 도포가 가능해져, 더욱 전극 조성의 편차를 억제할 수 있다. 이 때문에, 리튬 이온 전지에 사용했을 때에 레이트 특성 및 사이클 특성 등의 전지 특성이 양호해진다. 평균 입자경 D50 은 바람직하게는 7 ㎛ 이상 9 ㎛ 이하이다.The positive electrode active material for a lithium ion battery of the present invention is composed of primary particles, secondary particles formed by aggregation of primary particles, or a mixture of primary particles and secondary particles. The average particle diameter D50 of the primary particles, the secondary particles formed by aggregation of the primary particles, or the mixture of the primary particles and the secondary particles is 7 占 퐉 or more and 12 占 퐉 or less. When the average particle diameter D50 is in the range of 7 탆 or more and 12 탆 or less, it is possible to uniformly coat the positive electrode material mixture containing the positive electrode active material at the time of manufacturing the electrode of the lithium ion battery, Can be suppressed. Therefore, when used in a lithium ion battery, battery characteristics such as rate characteristics and cycle characteristics are improved. The average particle diameter D50 is preferably 7 占 퐉 or more and 9 占 퐉 or less.

본 발명에 관련된 미소 압축 시험은, 미소 압축 시험 장치를 사용하여 실시할 수 있다. 미소 압축 시험 장치는, 시험 대상이 되는 입자를 올리는 평대 (平臺) 와, 평대에 올린 입자를 압압하여 압축하기 위한, 예를 들어 50 ∼ 500 ㎛ 직경의 압압면을 갖는 다이아몬드제 압자를 구비하고 있다. 미소 압축 시험 장치는 전자력 (電磁力) 에 의해서 예를 들어 9.8 ∼ 4903 mN 의 부하를 압자로부터 입자에 가하는 것이 가능하고, 이것에 의해, 예를 들어 1 ∼ 500 ㎛ 직경의 입자를 한 알갱이씩, 즉 1 입자씩 압축할 수 있다. 시료에 대해서는, 현미경에 의해 정극 활물질의 2 차 입자인 것을 확인하여, 이것을 측정 대상인 입자로 한다. 본 발명의 리튬 이온 전지용 정극 활물질은, 미소 압축 시험에 있어서, 정극 활물질의 2 차 입자의 1 입자에 부하 속도 2.67 mN/초로 설정 하중 49 mN 을 부하했을 때의 평균 기계 강도가 10 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하, 또한, 평균 변위가 0.2 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하이다. 본 발명에 관련된 미소 압축 시험에서는, 시험 대상으로 하는 정극 활물질의 2 차 입자를 수십 ∼ 수백 알갱이 채취하여, 이것을 1 입자씩 시험하여 상기 기계 강도 및 변위를 측정하고, 측정 결과의 평균값을 구하여 각각 평균 기계 강도 및 평균 변위로 한다. 입자에 부하 속도 2.67 mN/초로 설정 하중 49 mN 까지 부하하여 입자를 압축 변위시켜 나가, 변위가 급격히 증가한 포인트 (압축에 필요한 시험력이 일정해지는 포인트) 를 입자가 압열된 포인트로 판정하고, 당해 포인트에 있어서의 기계 강도 및 변위를 구한다.The micro compression test according to the present invention can be carried out using a micro compression test apparatus. The micro compression testing apparatus is provided with a flat base on which particles to be tested are placed and a diamond indenter having a pressing surface of, for example, 50 to 500 탆 in diameter for compressing and pressing the particles placed on the platform . The micro compression test apparatus is capable of applying a load of, for example, 9.8 to 4903 mN to the particles from the indenter by an electromagnetic force (electromagnetic force). By this, for example, particles having diameters of 1 to 500 탆, That is, one particle can be compressed. The sample is confirmed to be secondary particles of the positive electrode active material by a microscope, and this is regarded as a particle to be measured. The positive electrode active material for a lithium ion battery of the present invention has an average mechanical strength of not less than 10 MPa and not more than 60 MPa when load of 49 mN is applied to one particle of secondary particles of the positive electrode active material at a load speed of 2.67 mN / Hereinafter, the average displacement is 0.2 mu m or more and 1 mu m or less. In the micro compression test according to the present invention, several tens to several hundreds of particles of the positive electrode active material to be tested are sampled and tested by one particle, and the mechanical strength and displacement are measured. The average value of the measurement results is obtained, Mechanical strength and average displacement. The particle is subjected to a load displacement of 2.67 mN / sec to a set load of 49 mN to compressively displace the particle, and the point at which the displacement increases sharply (the point at which the test force required for compression is constant) The mechanical strength and the displacement in the machine direction.

즉, 변위는 미소 압축 시험 장치의 압자의 이동 거리를 나타내고, 보다 구체적으로는, 평대에 올린 입자에 압자가 맞닿아 압압을 시작하는 위치로부터, 입자를 압축 변위시켜 나가 변위가 급격히 증가한 위치 (압열된 위치) 까지의 압자의 이동 거리로 구해진다.That is, the displacement represents the moving distance of the indenter of the micro compression testing apparatus. More specifically, the particle is compressed and displaced from the position where the indenter abuts against the particle placed on the platform to start the pressing, (I.e., the position at which the indenter is moved).

또한, 기계 강도 (CS) 는, JIS R 1639-5 로부터 하기 식 (1) 에 의해 구한다.Further, the mechanical strength CS is obtained from the following formula (1) from JIS R 1639-5.

CS (㎫) = 2.48×P/πd2 (1) CS (㎫) = 2.48 × P / πd 2 (1)

〔P : 시험력 (N), d : 입자경 (㎚)〕[P: test force (N), d: particle diameter (nm)]

정극 활물질의 2 차 입자는 미소한 입자 (1 차 입자) 가 집합하여 이루어지는 것이기 때문에, 미소 압축 시험 장치에 있어서 하중을 급격히 가하면, 급격한 변형 등이 생겨, 목적으로 하는 정극 활물질의 평균 기계 강도 및 평균 변위를 정확히 측정하기가 곤란해진다. 그래서, 본 발명에서는, 정극 활물질의 2 차 입자의 1 입자에 부하 속도 2.67 mN/초라는 느린 속도로 하중을 부하함으로써, 정확한 평균 기계 강도 및 평균 변위를 측정하고 있다. 또한, 본 발명의 리튬 이온 전지용 정극 활물질의 평균 기계 강도 및 평균 변위는, 미소 압축 시험에 있어서, 정극 활물질의 2 차 입자의 1 입자에 다이아몬드제 압자에 의해 부하 속도 2.67 mN/초 미만으로 설정 하중 49 mN 까지 부하했을 때의 것이어도 된다. 또, 본 발명에서 상기 평균 기계 강도 및 평균 변위의 범위인 것으로 확인할 수 있었던 최소의 부하 속도는 0.446 mN/초였다.Since the secondary particles of the positive electrode active material are formed by aggregation of minute particles (primary particles), when the load is suddenly increased in the micro compression test apparatus, abrupt deformation or the like occurs and the average mechanical strength and average It becomes difficult to accurately measure the displacement. Thus, in the present invention, accurate average mechanical strength and average displacement are measured by applying a load to a particle of the secondary particles of the positive electrode active material at a slow speed of 2.67 mN / sec. The average mechanical strength and average displacement of the positive electrode active material for a lithium ion battery of the present invention were measured in a micro compression test by using a diamond insulator to set a load of 2.67 mN / The load may be up to 49 mN. In the present invention, the minimum load speed which was found to be in the range of the average mechanical strength and the average displacement was 0.446 mN / sec.

정극 활물질의 2 차 입자의 1 입자의 상기 기계 강도가 10 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하이고, 또한, 평균 변위가 0.2 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하이면, 리튬 이온 2 차 전지가 충방전되는 것으로 인한 정극 활물질의 입자 내의 균열의 발생이 억제된다. 또한, 이러한 정극 활물질을 사용한 정극 합제의 도포성 및 정착성이 향상된다. 상기 기계 강도가 10 ㎫ 미만이면, 정극 활물질의 강도가 부족하여, 충방전 후의 입자의 균열이 증대한다. 또한, 상기 기계 강도가 60 ㎫ 를 초과하면, AS 수지와 같이 경질이 되어 오히려 깨지기 쉽다는 문제가 생길 (충격 강도가 약할) 가능성이 있다. 상기 변위가 0.2 ㎛ 미만이면, 정극 활물질의 강도가 부족하여, 충방전 후의 입자의 균열이 증대한다. 또한, 상기 변위가 1 ㎛ 를 초과하면, 연질의 입자로, 소성 및 소결이 불충분하여 흐물흐물 찌그러져 파괴 강도가 얻어지지 않는 등 결정성이 불량한 것이 발생되어 있을 가능성이 있다. 본 발명은 정극 활물질 전체의 강도가 아니라, 거기서 더 깊이 들어가 검토하여, 정극 활물질의 입자 1 단위의 기계 강도 및 변위를 상기 범위로 제어하는 것이, 충방전 후의 입자의 균열의 저감, 및 정극 합제 도포시의 정극 활물질의 입자 변형의 억제에 매우 유효하다는 지견에 근거한 것이다. 이와 같이 2 차 입자의 1 입자의 기계 강도 및 변위를 제어함으로써, 결정성 및 전지 특성이 양호한 정극재 활물질을 제조하는 것이 가능해진다. 평균 기계 강도는 바람직하게는 10 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하이고, 평균 기계 강도는 바람직하게는 15 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하이다.When the mechanical strength of one particle of the secondary particles of the positive electrode active material is 10 to 60 MPa and the average displacement is 0.2 to 1 μm, The generation of cracks in the substrate is suppressed. In addition, the coating property and fixability of the positive electrode mixture using such a positive electrode active material are improved. If the mechanical strength is less than 10 MPa, the strength of the positive electrode active material is insufficient and the cracks of particles after charging and discharging are increased. If the mechanical strength exceeds 60 MPa, there is a possibility that the resin becomes hard as the AS resin and is rather fragile (the impact strength is weak). If the displacement is less than 0.2 탆, the strength of the positive electrode active material is insufficient and the cracks of the particles after charging and discharging are increased. If the displacement is more than 1 占 퐉, there is a possibility that soft particles, such as insufficient calcination and sintering, may not be crushed due to insufficient fracture strength and poor crystallinity. The present invention aims at controlling the mechanical strength and displacement of one particle of the positive electrode active material within the above range by examining the entire positive electrode active material rather than the strength of the whole positive electrode active material to reduce the cracks of the particles after charging and discharging, The present invention is based on the knowledge that it is very effective in suppressing particle deformation of the positive electrode active material. By controlling the mechanical strength and displacement of one particle of the secondary particles in this manner, it becomes possible to produce a cathode active material having good crystallinity and good battery characteristics. The average mechanical strength is preferably 10 to 60 MPa, and the average mechanical strength is preferably 15 to 60 MPa.

(리튬 이온 전지용 정극 및 그것을 사용한 리튬 이온 전지의 구성) (Configuration of Positive Electrode for Lithium Ion Battery and Lithium Ion Battery Using It)

본 발명의 실시형태에 관련된 리튬 이온 전지용 정극은, 예를 들어 상기 서술한 구성의 리튬 이온 전지용 정극 활물질과 도전 보조제와 바인더를 혼합하여 조제한 정극 합제를 알루미늄박 등으로 이루어지는 집전체의 편면 또는 양면에 형성한 구조를 갖고 있다. 또, 본 발명의 실시형태에 관련된 리튬 이온 전지는, 이와 같은 구성의 리튬 이온 전지용 정극을 구비하고 있다.The positive electrode for a lithium ion battery according to the embodiment of the present invention can be produced, for example, by mixing the positive electrode active material for a lithium ion battery having the above-described constitution, the positive electrode active material prepared by mixing a conductive auxiliary agent and a binder with one another on one surface or both surfaces . The lithium ion battery according to the embodiment of the present invention is provided with a positive electrode for a lithium ion battery having such a structure.

(리튬 이온 전지용 정극 활물질의 제조 방법)(Method for producing positive electrode active material for lithium ion battery)

다음으로, 본 발명의 실시형태에 관련된 리튬 이온 전지용 정극 활물질의 제조 방법에 대해서 상세하게 설명한다.Next, a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

먼저, 금속염 용액을 제조한다. 당해 금속은, Ni 및 금속 M 이다. 금속 M 으로는, 바람직하게는 Mn, Co, Cu, Al, Zn, Mg 및 Zr 에서 선택되는 1 종 이상이고, 보다 바람직하게는 Mn 및 Co 에서 선택되는 1 종 이상이다. 또한, 금속염은 황산염, 염화물, 질산염, 아세트산염 등이고, 특히 질산염이 바람직하다. 이는, 소성 원료 중에 불순물로서 혼입되어도 그대로 소성할 수 있기 때문에 세정 공정을 생략할 수 있는 점과, 질산염이 산화제로서 기능하여, 소성 원료 중의 금속의 산화를 촉진시키는 기능이 있기 때문이다. 금속염에 함유되는 각 금속은, 원하는 몰 비율이 되도록 조정해 둔다. 이로써, 정극 활물질 중의 각 금속의 몰 비율이 결정된다.First, a metal salt solution is prepared. The metal is Ni and metal M. The metal M is preferably at least one element selected from Mn, Co, Cu, Al, Zn, Mg and Zr, and more preferably at least one element selected from Mn and Co. The metal salt is preferably a sulfate, a chloride, a nitrate, an acetate or the like, particularly a nitrate. This is because the cleaning process can be omitted because nitric acid salt functions as an oxidizing agent and promotes oxidation of metal in the firing raw material since firing can be performed as it is even if mixed as impurities in the firing raw material. Each metal contained in the metal salt is adjusted so as to have a desired molar ratio. Thereby, the molar ratio of each metal in the positive electrode active material is determined.

다음으로, 탄산리튬을 순수에 현탁시키고, 그 후, 상기 금속의 금속염 용액을 투입하여 금속 탄산염 슬러리를 제조한다. 이 때, 슬러리 중에 미소 입자의 리튬 함유 탄산염이 석출된다. 또한, 금속염으로서 황산염이나 염화물 등 열처리시에 그 리튬 화합물이 반응하지 않는 경우에는 포화 탄산리튬 용액으로 세정한 후, 여과 분리한다. 질산염이나 아세트산염과 같이, 그 리튬 화합물이 열처리 중에 리튬 원료로서 반응하는 경우에는 세정하지 않고, 그대로 여과 분리하여 건조시킴으로써 소성 전구체로서 사용할 수 있다.Next, lithium carbonate is suspended in pure water, and then a metal salt solution of the metal is added to prepare a metal carbonate slurry. At this time, the lithium-containing carbonate of fine particles precipitates in the slurry. When the lithium compound does not react with a metal salt such as sulfate or chloride during the heat treatment, the precipitate is washed with a saturated lithium carbonate solution and separated by filtration. When the lithium compound reacts as a lithium source during the heat treatment, such as nitrate or acetate, it can be used as a calcination precursor by washing with water without washing and drying it.

다음으로, 여과 분리한 리튬 함유 탄산염을 건조시킴으로써, 리튬염의 복합체 (리튬 이온 전지 정극재용 전구체) 의 분말을 얻는다.Next, the lithium-containing carbonate that has been separated by filtration is dried to obtain a powder of a lithium salt complex (precursor for a lithium ion battery positive electrode material).

다음으로, 소정 크기의 용량을 갖는 소성 용기를 준비하고, 이 소성 용기에 리튬 이온 전지 정극재용 전구체의 분말을 충전한다. 다음으로, 리튬 이온 전지 정극재용 전구체의 분말이 충전된 소성 용기를 소성로에 옮겨 설치하고, 소성을 실시한다. 소성은, 승온 공정에 있어서는 140 ∼ 170 ℃/h 의 승온 레이트로 850 ∼ 1000 ℃ 까지 가열하고, 계속해서 당해 온도에서 소정 시간 유지한다. 강온 공정에 있어서는, 당해 유지 온도로부터 300 ℃ 까지는 70 ∼ 90 ℃/h 의 강온 레이트로 냉각하고, 다시 그 때에 공기를 10 ㎥/h 이상, 또는 산소를 10 ㎥/h 이상의 공급량으로 공급한다. 이러한 소성 조건에 의해, 승온 공정에서는 균일하게 열이 들어가, 입자끼리의 열의 전도성이 양호해진다. 또한, 강온 공정에서는 적절한 강온 레이트로 소정 온도까지 냉각하고, 또한 적절한 공기나 산소의 공급에 의해서, 천이 금속층 내의 원자의 재배열이나 천이 금속층의 적층 결함, 산소 결함 등의 생성과 같은 구조적 변화가 촉진되어, 2 차 입자의 평균 기계 강도를 10 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하, 평균 변위를 0.2 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하로 제어할 수 있다.Next, a firing vessel having a predetermined capacity is prepared, and the firing vessel is filled with the powder of the precursor for the lithium ion battery cathode material. Next, the firing vessel filled with the powder of the precursor for the lithium ion battery positive electrode is transferred to the firing furnace, and firing is performed. The firing is carried out at a heating rate of 140 to 170 占 폚 / h to 850 to 1000 占 폚 in the temperature raising step, and then kept at the temperature for a predetermined time. In the temperature lowering step, the temperature is cooled from the holding temperature to 300 DEG C at a cooling rate of 70 to 90 DEG C / h, and at that time, air is supplied at 10 m &lt; 3 &gt; / h or more, or oxygen is supplied at 10 m & By this firing condition, heat is uniformly introduced in the temperature raising step, and the conductivity of the heat between the particles becomes good. Further, in the cooling step, cooling is carried out to a predetermined temperature at an appropriate cooling rate, and by appropriate supply of air or oxygen, structural changes such as rearrangement of atoms in the transition metal layer, formation of lamination defects in the transition metal layer, So that the average mechanical strength of the secondary particles can be controlled to 10 to 60 MPa and the average displacement to 0.2 to 1 mu m.

또한, 101 ∼ 202 KPa 에서의 가압하에서 소성을 실시하면, 더욱 조성 중의 산소량이 증가하기 때문에 바람직하다.Further, if firing is performed under pressure at 101 to 202 KPa, the amount of oxygen in the composition is further increased, which is preferable.

본 발명의 리튬 이온 전지용 정극 활물질의 제조 방법에 있어서, 소성 온도를 높게 함으로써 결정화를 촉진하여, 평균 입자경 D50 을 7 ㎛ 이상 12 ㎛ 이하로 제어한다.In the method for producing the positive electrode active material for a lithium ion battery of the present invention, the crystallization is promoted by increasing the firing temperature to control the average particle diameter D50 to 7 mu m or more and 12 mu m or less.

실시예Example

이하, 본 발명 및 그 이점을 보다 잘 이해하기 위한 실시예를 제공하는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(실시예 1 ∼ 11)(Examples 1 to 11)

먼저, 소정 투입량의 탄산리튬을 순수 3.2 리터에 현탁시킨 후, 금속염 용액을 4.8 리터 투입하였다. 여기서, 금속염 용액은 각 금속의 질산염의 수화물을, 각 금속이 표 1 에 기재된 조성비가 되도록 조정하고, 또 전체 금속 몰수가 14 몰이 되도록 조정하였다.First, a prescribed amount of lithium carbonate was suspended in 3.2 liters of pure water, and 4.8 liters of a metal salt solution was added. Here, the hydrate of each metal nitrate was adjusted so that each metal had a composition ratio shown in Table 1, and the total metal mole number was 14 mol.

이 처리에 의해 용액 중에 미소 입자의 리튬 함유 탄산염이 석출되었는데, 이 석출물을 필터 프레스를 사용하여 여과 분리하였다.By this treatment, lithium-containing carbonate of fine particles was precipitated in the solution, and this precipitate was separated by filtration using a filter press.

계속해서, 석출물을 건조시켜 리튬 함유 탄산염 (리튬 이온 전지 정극재용 전구체) 을 얻었다.Subsequently, the precipitate was dried to obtain a lithium-containing carbonate (a precursor for lithium ion battery positive electrode material).

다음으로, 소성 용기를 준비하고, 이 소성 용기 내에 리튬 함유 탄산염을 충전하였다. 다음으로, 표 2 에 나타내는 바와 같은 소성 조건에 의해 소성을 실시하였다. 계속해서 실온까지 냉각한 후, 해쇄하여 리튬 이온 2 차 전지 정극재의 분말을 얻었다.Next, a firing vessel was prepared, and the firing vessel was filled with the lithium-containing carbonate. Next, firing was carried out under the firing conditions shown in Table 2. Subsequently, the mixture was cooled to room temperature and then pulverized to obtain a lithium ion secondary battery positive electrode material powder.

(비교예 1 ∼ 3) (Comparative Examples 1 to 3)

비교예 1 ∼ 3 으로서, 원료의 각 금속을 표 1 에 나타내는 조성으로 하고, 표 2 에 나타내는 것과 같은 소성 조건에 의해 소성을 실시하여, 실시예 1 ∼ 11 과 동일한 처리를 실시하였다.As Comparative Examples 1 to 3, the same treatment as in Examples 1 to 11 was carried out by firing each metal of the raw material in the composition shown in Table 1 under the firing conditions shown in Table 2.

(평가) (evaluation)

-정극재 조성의 평가- - Evaluation of Positive Electrode Reconstruction -

각 정극재 중의 금속 함유량은 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석 장치 (ICP-OES) 로 측정하여, 각 금속의 조성비 (몰비) 를 산출하였다. 각 금속의 조성비는 표 1 에 기재된 대로인 것을 확인하였다. 또한, 산소 함유량은 LECO 법으로 측정하여 α 를 산출하였다.The metal content in each of the positive electrode materials was measured by an inductively coupled plasma emission spectrochemical analyzer (ICP-OES), and the composition ratio (molar ratio) of each metal was calculated. It was confirmed that the composition ratios of the respective metals were as shown in Table 1. The oxygen content was measured by the LECO method to calculate?.

-평균 입자경 D50 의 평가- - Evaluation of average particle diameter D50 -

입자 단면을 FIB 에 의해 잘라내고, 그대로 에스에스아이 나노테크놀로지사 제조의 FIB 장치 (SMI3050SE) 를 사용해서 SIM 이미지를 취득하였다. 당해 SIM 이미지 상의 임의의 직선 상에 존재하는 입자만의 정방향 (定方向) 직경을 측정함으로써, 평균 입자경 D50 을 산출하였다.The particle cross-section was cut out by FIB, and a SIM image was directly obtained using an FIB apparatus (SMI3050SE) manufactured by ASE Nanotechnology Co., An average particle diameter D50 was calculated by measuring the diameter of a straight direction of only the particles existing on an arbitrary straight line on the SIM image.

-평균 기계 강도 및 평균 변위의 평가-- Evaluation of average mechanical strength and average displacement -

시마즈 제작소사 제조의 미소 압축 시험 장치 MCT-211 을 사용한 미소 압축 시험을 실시하였다. 미소 압축 시험은, 먼저 2 차 입자의 1 입자에 대하여, 부하 속도 : 2.67 mN/초, 설정 하중 : 49 mN 로 다이아몬드제 압자에 의해 압압하여 압축 변형시켜 나가, 변위가 급격히 증가한 포인트 (압축에 필요한 시험력이 일정해지는 포인트) 를 입자가 압열된 포인트로 판정하고, 당해 포인트에 있어서의 기계 강도 및 변위를 구하였다.A micro compression test using a micro compression test apparatus MCT-211 manufactured by Shimadzu Corporation was carried out. In the micro compression test, first of all, one particle of the secondary particles was compressed and deformed by a diamond impregnator at a loading speed of 2.67 mN / sec and a set load of 49 mN to obtain a point at which the displacement increased sharply The point at which the test force is constant) was determined as the point at which the particles were fired, and the mechanical strength and the displacement at the point were determined.

기계 강도 (CS) 는, JIS R 1639-5 로부터 하기 식 (1) 에 의해 구하였다.The mechanical strength (CS) was obtained from the following formula (1) from JIS R 1639-5.

CS (㎫) = 2.48×P/πd2 (1) CS (㎫) = 2.48 × P / πd 2 (1)

〔P : 시험력 (N), d : 입자경 (㎚)〕[P: test force (N), d: particle diameter (nm)]

이러한 측정을 20 입자분 실시하여, 그 평균값을 구하였다.This measurement was carried out for 20 particles, and the average value thereof was determined.

-방전 용량 및 충방전 효율의 평가-- Evaluation of Discharge Capacity and Charge / Discharge Efficiency -

각 정극 활물질과 도전재와 바인더를 90 : 5 : 5 의 비율로 칭량하고, 바인더를 유기 용매 (N-메틸피롤리돈) 에 용해시킨 것에 정극 활물질과 도전재를 혼합하여 슬러리화해서 정극 합제를 제조하고, 이것을 Al 박 상에 도포하고 건조 후에 프레스하여 정극으로 하였다. 계속해서, 대극 (對極) 을 Li 로 한 평가용의 2032 형 코인 셀을 제조하고, 전해액으로 1M-LiPF6 을 EC-DMC (1 : 1) 에 용해시킨 것을 사용하여, 전류 밀도 0.2C 일 때의 방전 용량을 측정하였다. 또한, 충방전 효율은, 전지 측정에 의해서 얻어진 초기 방전 용량 및 초기 충전 용량으로부터 산출하였다.Each positive electrode active material, the conductive material and the binder were weighed at a ratio of 90: 5: 5, and the binder was dissolved in an organic solvent (N-methylpyrrolidone). The positive electrode active material and the conductive material were mixed to form a slurry, This was applied to an aluminum foil, dried and pressed to form a positive electrode. Subsequently, a 2032-type coin cell for evaluation in which Li was used as the counter electrode was prepared, and 1 M-LiPF6 was dissolved in EC-DMC (1: 1) as an electrolytic solution. Was measured. The charge-discharge efficiency was calculated from the initial discharge capacity and initial charge capacity obtained by the battery measurement.

이들 결과를 표 1 ∼ 3 에 나타낸다.These results are shown in Tables 1 to 3.

Figure 112015035108906-pct00001
Figure 112015035108906-pct00001

Figure 112015035108906-pct00002
Figure 112015035108906-pct00002

Figure 112015035108906-pct00003
Figure 112015035108906-pct00003

표 3 으로부터, 실시예 1 ∼ 11 은 모두 평균 입자경 D50 이 7 ㎛ 이상 12 ㎛ 이하, 평균 기계 강도가 10 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하, 또한, 평균 변위가 0.2 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하로, 제조한 전지의 방전 용량 및 충방전 효율이 양호하였다. 또한, 정극 활물질을 함유한 정극 합제의 집전체에 대한 도포성도 양호하였다.From Table 3, it can be seen that in Examples 1 to 11, the average particle diameter D50 was not less than 7 mu m and not more than 12 mu m, the average mechanical strength was not less than 10 Mpa and not more than 60 Mpa, and the average displacement was not less than 0.2 mu m and not more than 1 mu m, Discharge capacity and charge / discharge efficiency were good. In addition, the positive electrode material mixture containing the positive electrode active material had good applicability to the current collector.

비교예 1 ∼ 3 은 평균 기계 강도가 10 ㎫ 미만이고, 비교예 1 및 3 에서는 또한 평균 변위가 1 ㎛ 를 초과하고 있어, 모두 제조한 전지의 충방전 효율이 불량하였다.In Comparative Examples 1 to 3, the average mechanical strength was less than 10 MPa, and in Comparative Examples 1 and 3, the average displacement exceeded 1 占 퐉.

실시예 3 및 비교예 2 의 미소 압축 시험에 있어서의 기계 강도 (CS) 및 변위의 관계도를 각각 도 1, 2 에 나타낸다.Figs. 1 and 2 show the relationship between the mechanical strength CS and the displacement in the micro compression test of Example 3 and Comparative Example 2, respectively.

Claims (7)

조성식 : LixNi1-yMyO2+α
(상기 식에 있어서, M 은, Mn, Co, Cu, Al, Zn, Mg 및 Zr 에서 선택되는 1 종 이상이고, 0.9 ≤ x ≤ 1.2 이고, 0 < y ≤ 0.7 이고, 0.02 ≤α ≤ 0.1 이다) 로 나타내고,
평균 입자경 D50 이 7 ㎛ 이상 12 ㎛ 이하이고,
미소 압축 시험에 있어서, 정극 활물질의 2 차 입자의 1 입자에 다이아몬드제 압자에 의해 부하 속도 2.67 mN/초로 설정 하중 49 mN 까지 부하하여 얻어지는 기계 강도를 20 입자분 측정했을 때의 평균 기계 강도가 10 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하, 또한, 입자에 압자가 맞닿아 압압을 시작하는 위치로부터 압열된 위치까지의 압자의 이동 거리를 변위로 했을 때의 상기 20 입자의 평균 변위가 0.2 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하인, 리튬 이온 전지용 정극 활물질.
Composition formula: Li x Ni 1-y M y O 2 + α
Wherein M is at least one selected from Mn, Co, Cu, Al, Zn, Mg and Zr, 0.9? X? 1.2, 0 <y? 0.7 and 0.02? ),
An average particle diameter D50 of 7 占 퐉 or more and 12 占 퐉 or less,
In the micro compression test, one particle of the secondary particles of the positive electrode active material was loaded to a load of 49 mN at a load speed of 2.67 mN / sec by a diamond impregnator, and the mechanical strength obtained by measuring 20 particles was 20 Wherein the average displacement of the 20 particles is 0.2 占 퐉 or more and 1 占 퐉 or less when the moving distance of the indenter from the position where the indenter is in contact with the particles to the position where the pressing is started to the fired position is referred to as the displacement, Positive electrode active material for ion battery.
제 1 항에 있어서,
상기 평균 기계 강도가 15 ㎫ 이상 60 ㎫ 이하인, 리튬 이온 전지용 정극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the average mechanical strength is 15 MPa or more and 60 MPa or less.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 M 이, Mn 및 Co 에서 선택되는 1 종 이상인, 리튬 이온 전지용 정극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein M is at least one selected from Mn and Co.
제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 평균 기계 강도 및 평균 변위가, 미소 압축 시험에 있어서, 정극 활물질의 2 차 입자의 1 입자에 다이아몬드제 압자에 의해 부하 속도 2.67 mN/초 미만으로 설정 하중 49 mN 까지 부하했을 때의 것인, 리튬 이온 전지용 정극 활물질.
The method according to any one of claims 1, 2, and 4,
Wherein the average mechanical strength and the average displacement are obtained by applying a load of 49 mN to a particle of the secondary particles of the positive electrode active material under a load speed of less than 2.67 mN / Positive electrode active material for lithium ion battery.
제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 리튬 이온 전지용 정극 활물질을 사용한, 리튬 이온 전지용 정극.A positive electrode for a lithium ion battery using the positive electrode active material for a lithium ion battery according to any one of claims 1, 2, and 4. 제 6 항에 기재된 리튬 이온 전지용 정극을 사용한, 리튬 이온 전지.A lithium ion battery using the positive electrode for a lithium ion battery according to claim 6.
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