KR101745416B1 - Cathode active material for lithium secondary battery and method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 리튬 함유 전이금속 산화물, 및 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 표면에 코팅된 그래핀 나노리본을 포함하는 리튬이차전지용 양극활물질과 그 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium-containing transition metal oxide and a graphene nanoribbons coated on the surface of the lithium-containing transition metal oxide, and a method of manufacturing the same.

Description

리튬이차전지용 양극활물질 및 그 제조방법{CATHODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND METHOD OF PREPARING THE SAME}[0001] The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery, and a cathode active material for a lithium secondary battery,

본 발명은 리튬이차전지용 양극활물질 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀 나노리본으로 표면 개질된 리튬 함유 전이금속 산화물로 이루어진 리튬이차전지용 양극활물질 및 그 제조방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium-containing transition metal oxide surface-modified with graphene nanoribbons and a method for producing the same.

휴대용 전자기기 및 전기자동차 등 리튬이차전지의 적용 분야가 확대되면서 고전력, 대용량, 장수명 리튬이차전지에 대한 수요가 증대하고 있으며, 이는 고효율, 저비용, 및 생산성을 만족하는 리튬이차전지 재료에 대한 연구개발로 이어지고 있다.As the application fields of lithium secondary batteries such as portable electronic devices and electric vehicles are expanded, demand for high power, large capacity, and long life lithium secondary batteries is increasing, and research and development of lithium secondary battery materials satisfying high efficiency, low cost, .

다만, 리튬이차전지는 충방전을 거듭함에 따라서 수명이 급속하게 떨어지는 문제점이 있다. 이러한 수명 특성 저하는 양극과 전해질과의 부반응에 기인하며, 고전압 및 고온의 상태에서 더욱 심각해질 수 있다.However, lithium secondary battery has a problem that life span rapidly drops as charging and discharging are repeated. This degradation in lifetime is caused by a side reaction between the anode and the electrolyte, and can become more severe under high voltage and high temperature conditions.

고전압용 리튬이차전지를 개발하기 위해서는 양극활물질과 전해질과의 부반응 또는 전극 계면 반응을 제어하는 기술이 매우 중요하다.In order to develop a high-voltage lithium secondary battery, it is very important to control a side reaction between a cathode active material and an electrolyte or an electrode interface reaction.

이와 관련하여, 종래 양극활물질의 구조를 안정화시키기 위해 그 표면에 Mg, Al, Co, K, Na, Zr 또는 Ca 등을 포함하는 금속산화물을 코팅하는 기술 등이 제안되었다.In this regard, techniques for coating a metal oxide including Mg, Al, Co, K, Na, Zr, or Ca on the surface thereof have been proposed in order to stabilize the structure of the cathode active material.

다만, 이러한 산화물은 양극활물질의 표면 중 일부에 나노 입자 형태로 분산되기 때문에 양극활물질의 전면을 보호하지 못하는 한계가 있다. 즉, 산화물 코팅층에 의한 양극활물질의 표면 개질 효과는 제한적일 수 밖에 없고, 나아가 이러한 산화물 코팅층이 이온 절연층으로 작용하여 리튬 이온의 이동을 저해하는 문제가 있다.However, since such oxides are dispersed in the form of nanoparticles on a part of the surface of the cathode active material, there is a limit in that the front surface of the cathode active material can not be protected. That is, the effect of surface modification of the cathode active material by the oxide coating layer is inevitably limited, and furthermore, the oxide coating layer acts as an ion-insulating layer, which hinders the movement of lithium ions.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 구조적 안정성을 개선하여 전지의 전기화학적 특성과 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 양극활물질 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery which can improve structural stability and improve electrochemical characteristics and life characteristics of a battery, will be.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면은 리튬 함유 전이금속 산화물, 및 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 표면에 코팅된 그래핀 나노리본을 포함하는 리튬이차전지용 양극활물질을 제공한다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention provides a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium-containing transition metal oxide and a graphene nanoribbons coated on the surface of the lithium-containing transition metal oxide.

일 실시예에 있어서, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물이 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.In one embodiment, the lithium-containing transition metal oxide may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LiMaXb LiM a X b

상기 식에서, M이 Co, Ni, 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, X가 산소 원자, 인산기, 탄산기, 및 질산기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, a, b가 각각 상기 M 및 X의 몰 수이며, 상기 화학식 1을 만족하는 실수이다.Wherein M is at least one member selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, X is at least one member selected from the group consisting of oxygen atom, phosphoric acid group, carbonate group and nitric acid group, And the number of moles of X, which is a real number satisfying the above formula (1).

일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 나노리본의 함량이 상기 양극활물질의 전체 중량을 기준으로 10중량% 이하일 수 있다.In one embodiment, the content of the graphene nanoribbons may be 10 wt% or less based on the total weight of the cathode active material.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 일 측면은 상기 리튬이차전지용 양극활물질, 바인더, 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된 리튬이차전지용 양극을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a positive electrode for a lithium secondary battery in which a slurry containing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a binder, and a conductive material is applied to a current collector.

일 실시예에 있어서, 상기 바인더가 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 불소고무, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.In one embodiment, the binder is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, , Ethylene-propylene (EPDM) rubber, styrene-butylene rubber, fluorine rubber, and mixtures of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 리튬이차전지용 양극활물질의 함량이 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로 70중량% 내지 95중량%일 수 있다.In one embodiment, the content of the cathode active material for the lithium secondary battery may be 70 wt% to 95 wt% based on the total weight of the slurry.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 또 다른 일 측면은 (a) 카본나노튜브의 일면을 중심 축 방향으로 절개하여 그래핀 나노리본을 제조하는 단계; (b) 리튬 함유 전이금속 산화물을 함유한 현탁액에 상기 그래핀 나노리본을 분산시켜 분산액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 분산액을 열처리하여 상기 리튬 함유 전이금속 산화물의 표면에 상기 그래핀 나노리본을 코팅하는 단계를 포함하는 리튬이차전지용 양극활물질의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon nanotube, including: (a) preparing a graphene nanoribbons by cutting one surface of a carbon nanotube in a direction of a central axis; (b) dispersing the graphene nanoribbons in a suspension containing a lithium-containing transition metal oxide to prepare a dispersion; And (c) heat treating the dispersion to coat the surface of the lithium-containing transition metal oxide with the graphene nanoribbons.

일 실시예에 있어서, 상기 카본나노튜브가 단일벽 카본나노튜브, 다중벽 카본나노튜브, 다발형 카본나노튜브, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.In one embodiment, the carbon nanotubes may be selected from the group consisting of single-wall carbon nanotubes, multi-wall carbon nanotubes, multiple-wall carbon nanotubes, and mixtures of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 카본나노튜브를 순차적으로 산 및 염기 처리할 수 있다.In one embodiment, the carbon nanotubes may be sequentially subjected to acid and base treatment in the step (a).

일 실시예에 있어서, 상기 산이 염산, 황산, 질산, 인산, 과산화수소, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.In one embodiment, the acid may be one selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrogen peroxide, and mixtures of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 염기가 하이드라진 하이드레이트(hydrazine hydrate)일 수 있다.In one embodiment, the base may be hydrazine hydrate.

일 실시예에 있어서, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물이 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.In one embodiment, the lithium-containing transition metal oxide may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LiMaXb LiM a X b

상기 식에서, M이 Co, Ni, 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, X가 산소 원자, 인산기, 탄산기, 및 질산기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, a, b가 각각 상기 M 및 X의 몰 수이며, 상기 화학식 1을 만족하는 실수이다.Wherein M is at least one member selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, X is at least one member selected from the group consisting of oxygen atom, phosphoric acid group, carbonate group and nitric acid group, And the number of moles of X, which is a real number satisfying the above formula (1).

본 발명의 일 측면에 따르면, 양극활물질인 리튬 함유 전이금속 산화물의 표면을 그래핀 나노리본으로 코팅함으로써, 양극활물질의 구조적 안정성을 개선할 수 있고, 이를 포함하는 리튬이차전지의 전기화학적 특성과 수명 특성을 크게 향상시킬 수 있다.According to one aspect of the present invention, the surface of lithium-containing transition metal oxide as a cathode active material is coated with a graphene nanoribbon to improve the structural stability of the cathode active material, and the electrochemical characteristics and lifetime The characteristics can be greatly improved.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질의 구조를 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질의 XRD 패턴을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질의 HR-라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질의 열 중량 분석(TGA) 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질의 FE-SEM 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질의 FE-TEM 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 전기화학 임피던스 분석(EIS) 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 전류-전압 곡선이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 초기 충방전 변화를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 수명 특성(cycling performance)을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 율 특성(rate capability)을 나타낸다.
1 is a schematic view illustrating a structure of a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 shows an XRD pattern of a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
3 shows HR-Raman spectrum of a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a thermogravimetric analysis (TGA) result of a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
5 is an FE-SEM image of a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
6 is an FE-TEM image of a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
7 shows an electrochemical impedance analysis (EIS) result of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
8 is a current-voltage curve of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows the initial charge / discharge change of the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
10 shows the cycling performance of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
11 illustrates a rate capability of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

리튬이차전지용For lithium secondary battery 양극활물질Cathode active material

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질의 구조를 도식화한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 리튬이차전지용 양극활물질이 리튬 함유 전이금속 산화물, 및 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 표면에 코팅된 그래핀 나노리본을 포함할 수 있다.1 is a schematic view illustrating a structure of a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a cathode active material for a lithium secondary battery according to an aspect of the present invention may include a lithium-containing transition metal oxide and a graphene nanoribbon coated on the surface of the lithium-containing transition metal oxide.

상기 리튬 함유 전이금속 산화물이 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.The lithium-containing transition metal oxide may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LiMaXb LiM a X b

상기 식에서, M이 Co, Ni, 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, X가 산소 원자, 인산기, 탄산기, 및 질산기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, a, b가 각각 상기 M 및 X의 몰 수이며, 상기 화학식 1을 만족하는 실수이다.Wherein M is at least one member selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, X is at least one member selected from the group consisting of oxygen atom, phosphoric acid group, carbonate group and nitric acid group, And the number of moles of X, which is a real number satisfying the above formula (1).

예를 들어, 상기 리튬 함유 전이금속 화합물이 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - yCoyO2(0≤y<1), LiCo1-yMnyO2(0≤y<1), LiNi1 - yMnyO2(0≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4(0<z<2), LiMn2 - zCozO4(0<z<2), LiCoPO4, LiFePO4, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는 LiMnO2 또는 LiMn2O4일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, when the lithium containing transition metal compound is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (0 <a <1, 0 <b <<c<1, a + b + c = 1), LiNi 1 - y Co y O 2 (0≤y <1), LiCo 1-y Mn y O 2 (0≤y <1), LiNi 1 - y Mn y O 2 (0≤y <1 ), Li (Ni a Co b Mn c) O 4 (0 <a <2, 0 <b <2, 0 <c <2, a + b + c = 2) , LiMn 2 - z Ni z O 4 (0 <z <2), LiMn 2 - z Co z O 4 (0 <z <2), LiCoPO 4 , LiFePO 4 and mixtures of two or more thereof And preferably LiMnO 2 or LiMn 2 O 4 , but is not limited thereto.

상기 그래핀 나노리본은 카본나노튜브의 일면이 화학적 방법에 의해 중심 축 방향으로 절개되어 생성된 것으로서, 상기 카본나노튜브의 직경에 상응하는 폭을 가지는 리본 형태의 그래핀을 의미한다.The graphene nanoribbons refer to graphene in the form of a ribbon having a width corresponding to the diameter of the carbon nanotubes produced by cutting one surface of the carbon nanotube in a central axis direction by a chemical method.

종래 카본나노튜브가 코팅된 양극활물질이 제안되기도 하였으나, 양극활물질의 표면을 전체적으로 균일하게 코팅할 수 없어 전극과 전해질의 직접 접촉을 방지하는데 한계가 있었던 반면에, 상기 그래핀 나노리본은 상기 카본나노튜브의 한계점을 극복하여 전지의 전기화학적 특성과 수명 특성을 크게 향상시킬 수 있다.Conventionally, a cathode active material coated with carbon nanotubes has been proposed. However, since the surface of the cathode active material can not be uniformly coated on the entire surface, there is a limitation in preventing direct contact between the electrode and the electrolyte. On the other hand, It is possible to overcome the limit of the tube and greatly improve the electrochemical characteristics and lifetime characteristics of the battery.

즉, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물의 표면에 코팅된 그래핀 나노리본은 전면에 걸쳐 균일하고 강력한 결합을 형성하므로, 양극활물질의 구조를 안정화시킬 수 있고, 전극과 전해질의 직접 접촉에 의한 Li+ 이온과 Mn2 +와 같은 전이금속 이온의 용출 및 분극 현상을 억제하여 리튬이차전지의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.That is, since the graphene nanoribbons coated on the surface of the lithium-containing transition metal oxide form a uniform and strong bond over the entire surface, the structure of the cathode active material can be stabilized, and Li + ions And Mn &lt; 2 + &gt; can be suppressed and the electrochemical characteristics of the lithium secondary battery can be improved.

일반적으로, 리튬이차전지의 전극과 전해질이 반응하여 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface, SEI) 층이 형성되는데, SEI 층은 전기화학 반응 간 계면 저항을 발생시켜 Li+ 이온의 이동성을 저하시킨다.Generally, an electrode of a lithium secondary battery reacts with an electrolyte to form a solid electrolyte interface (SEI) layer. The SEI layer generates interfacial resistance between electrochemical reactions to lower the Li + ion mobility.

그래핀 나노리본은 계면 저항을 감소시켜 리튬 함유 전이금속 산화물 입자의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 특히, 그래핀 나노리본의 에지 효과(edge effect)가 Li 용량을 증가시킬 수 있고, 그래핀 나노리본은 통상의 그래핀, 카본나노튜브와 같은 탄소계 물질에 비해 리튬과 상대적으로 강한 결합을 형성할 수 있다.The graphene nanoribbons can reduce the interfacial resistance and improve the electrical conductivity of the lithium-containing transition metal oxide particles. In particular, the edge effect of the graphene nanoribbons can increase the Li capacity, and the graphene nanoribbons can form a relatively strong bond with lithium compared to carbon-based materials such as conventional graphene and carbon nanotubes can do.

또한, 양극활물질의 구조는 리튬이차전지의 충방전 특성, 즉, 수명 특성에도 영향을 미칠 수 있다. 상기 리튬 함유 전이금속 산화물이 LiMn2O4인 경우, 충방전 간 전해질에 존재하는 LiPF6에 의해 Mn2 + 이온이 용출되면서 전극과 전해질이 직접 접촉할 수 있고, 이는 충방전 횟수 증가에 따른 전지 용량 감소를 유발할 수 있다. 이에 대해, 그래핀 나노리본은 HF의 국부 농도를 감소시킴으로써 충방전 간 Li+ 이온의 부반응을 억제하여 이동성을 향상시킬 수 있고, 나아가 리튬이차전지의 가역 용량과 율 특성(rate capability)을 향상시킬 수 있다.In addition, the structure of the cathode active material may affect the charging / discharging characteristics of the lithium secondary battery, that is, the lifetime characteristics. When the lithium-containing transition metal oxide is LiMn 2 O 4 , Mn 2 + ions are eluted by LiPF 6 present in the electrolyte between charge and discharge, and the electrode and the electrolyte can be in direct contact with each other. It may cause a decrease in capacity. On the other hand, graphene nanoribbons reduce the local concentration of HF, thereby suppressing side reactions of Li + ions between charging and discharging to improve mobility and further improve the reversibility capacity and rate capability of lithium secondary batteries .

다만, 상기 그래핀 나노리본의 함량이 과다하면 전지 구동 간 Li+ 이온의 이동성을 저하시킬 수 있으므로, 이를 상기 양극활물질의 전체 중량을 기준으로 10중량% 이하로 조절할 수 있고, 바람직하게는 0.1중량% 내지 10중량%로 조절할 수 있다.However, if the content of the graphene nanoribbons is excessive, the mobility of Li + ions between the cell drives may be lowered. Therefore, it may be adjusted to 10 wt% or less based on the total weight of the cathode active material, % To 10% by weight.

리튬이차전지용For lithium secondary battery 양극 anode

본 발명의 다른 일 측면은 상기 리튬이차전지용 양극활물질, 바인더, 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된 리튬이차전지용 양극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a positive electrode for a lithium secondary battery in which a slurry containing the positive electrode active material for a lithium secondary battery, a binder, and a conductive material is applied to a current collector.

상기 바인더가 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 불소고무, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 폴리비닐리덴플루오라이드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더의 함량은 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로 1중량% 내지 15중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 13중량%일 수 있다.Wherein the binder is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ) Rubber, styrene-butylene rubber, fluorine rubber, and a mixture of two or more thereof, preferably polyvinylidene fluoride, but is not limited thereto. The content of the binder may be 1 wt% to 15 wt%, preferably 5 wt% to 13 wt% based on the total weight of the slurry.

상기 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전도성을 가진 것이면 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재가 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널블랙, 퍼니스블랙, 램프블랙, 서머블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 전도성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 전도성 위스키; 산화 티탄 등의 전도성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 소재일 수 있다. 상기 도전재의 함량은 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로 1중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 20중량%일 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the conductive material 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; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; 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; Polyphenylene derivatives, and the like. The content of the conductive material may be 1 wt% to 30 wt%, preferably 5 wt% to 20 wt%, based on the total weight of the slurry.

상기 리튬이차전지용 양극활물질의 함량이 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로 70중량% 내지 95중량%일 수 있다. 상기 리튬이차전지용 양극활물질의 함량이 70중량% 미만이면 전지의 수명 특성 및 전도성이 저하될 수 있고, 95중량% 초과이면 바인더, 도전재의 함량이 상대적으로 감소하여 접착력이 저하될 수 있다.The content of the cathode active material for the lithium secondary battery may be 70 wt% to 95 wt% based on the total weight of the slurry. If the content of the cathode active material for the lithium secondary battery is less than 70% by weight, the life characteristics and conductivity of the battery may be deteriorated. If the content is more than 95% by weight, the content of the binder and the conductive material may be decreased.

상기 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전도성을 가진 것이면 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체가 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등일 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 상기 집전체의 두께는 3㎛ 내지 500㎛일 수 있다.The current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the current collector may be a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel, aluminum-cadmium alloy, . Further, fine unevenness can be formed on the surface to enhance the bonding force of the cathode active material and can be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric. The current collector may have a thickness of 3 탆 to 500 탆.

리튬이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극 조립체에 리튬염 함유 전해질이 함침된 구조로 이루어질 수 있다.The lithium secondary battery may have a structure in which a lithium salt-containing electrolyte is impregnated in an electrode assembly having a separator interposed between an anode and a cathode.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01㎛ 내지 10㎛이고, 두께는 5㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막이 내화학성 및 소수성 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등일 수 있다. 또한, 전해질로 폴리머 등의 고체전해질이 사용되는 경우에는 고체전해질이 분리막 역할을 수행할 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 can be used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 탆 to 10 탆, and the thickness may be 5 탆 to 300 탆. For example, the separator may be an olefinic polymer such as a chemical resistant and hydrophobic polypropylene; A sheet or a nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene, or the like. In addition, when a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may serve as a separator.

상기 리튬염 함유 전해질은 전해질과 리튬염으로 이루어지고, 상기 전해질이 물, 비수계 유기용매, 유기 고체전해질, 무기 고체전해질 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The lithium salt-containing electrolyte may be an electrolyte and a lithium salt, and the electrolyte may be water, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like, but is not limited thereto.

상기 비수계 유기용매가 N-메틸-2-피롤리돈, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 감마-부틸로락톤, 1,2-디메톡시에탄, 테트라히드록시프랑(franc), 2-메틸테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산메틸, 초산메틸, 인산트리에스테르, 트리메톡시메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산메틸, 프로피온산에틸 등의 비양자성 유기용매일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein the non-aqueous organic solvent is at least one selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrrolidone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -butylolactone, 1,2-dimethoxyethane, The organic solvent is selected from the group consisting of franc, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, , Trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl pyrophosphate, ethyl propionate But may not be limited to, non-magnetic organic solvents.

상기 유기 고체전해질이 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌옥사이드 유도체, 폴리프로필렌옥사이드 유도체, 인산에스테르폴리머, 폴리에지테이션리신(agitation lysine), 폴리에스테르술파이드, 폴리비닐알코올, 폴리불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein the organic solid electrolyte is selected from the group consisting of 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, But it is not limited thereto.

상기 무기 고체전해질이 Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li 질화물, 할로겐화물, 황산염 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein the inorganic solid electrolyte is selected from the group consisting of 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 , Li 4 SiO 4 -LiI -LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 and the like, but the present invention is not limited thereto.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해될 수 있는 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급 지방족카르본산리튬, 4 페닐붕산리튬, 이미드 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The lithium salt is a substance which can be dissolved 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 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate, but already the like de, but are not limited to .

상기 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등을 개선하기 위해 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜디알킬에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올, 삼염화알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 또한, 상기 전해질에 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 첨가될 수 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산가스, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 첨가할 수도 있다.In order to improve charge / discharge characteristics, flame retardancy and the like, the electrolyte is required to contain at least one selected from the group consisting of pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, hexamphosphoric triamide, Dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride and the like may be added. Further, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride can be further added to impart nonflammability to the electrolyte, and carbon dioxide gas, FEC (Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS (Propene sultone ) May be further added.

리튬이차전지용For lithium secondary battery 양극활물질의Cathode active material 제조방법 Manufacturing method

본 발명의 또 다른 일 측면은 (a) 카본나노튜브의 일면을 중심 축 방향으로 절개하여 그래핀 나노리본을 제조하는 단계; (b) 리튬 함유 전이금속 산화물을 함유한 현탁액에 상기 그래핀 나노리본을 분산시켜 분산액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 분산액을 열처리하여 상기 리튬 함유 전이금속 산화물의 표면에 상기 그래핀 나노리본을 코팅하는 단계를 포함하는 리튬이차전지용 양극활물질의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon nanotube, comprising: (a) preparing a graphene nanoribbons by cutting one surface of a carbon nanotube in a central axis direction; (b) dispersing the graphene nanoribbons in a suspension containing a lithium-containing transition metal oxide to prepare a dispersion; And (c) heat treating the dispersion to coat the surface of the lithium-containing transition metal oxide with the graphene nanoribbons.

상기 (a) 단계에서, 카본나노튜브를 산 및 염기를 사용하여 순차 처리함으로써, 상기 카본나노튜브의 일면을 중심 축 방향으로 절개할 수 있다.In the step (a), one surface of the carbon nanotube may be cut in the direction of the central axis by sequentially treating the carbon nanotubes with an acid and a base.

먼저, 일정 량의 카본나노튜브를 산 용액에 투여하고 분산, 교반하여 현탁액을 제조한 후, 상기 현탁액에 KMnO4와 같은 금속 산화물을 추가로 투여하여 100℃ 이하의 온도 조건 하에서 가열함으로써 카본나노튜브의 일면, 즉, 옆면을 중심 축 방향을 따라 절개할 수 있다.Firstly, a certain amount of carbon nanotubes are added to an acid solution, dispersed and stirred to prepare a suspension, and then a metal oxide such as KMnO 4 is further added to the suspension and heated under a temperature condition of 100 ° C or lower to prepare a carbon nanotube That is, the side surface, along the central axis direction.

상기 카본나노튜브는 단일벽 카본나노튜브, 다중벽 카본나노튜브, 다발형 카본나노튜브, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는 상업적 구득 용이성 및 경제성을 고려하여 다중벽 카본나노튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 산은 염산, 황산, 질산, 인산, 과산화수소, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는 염산 또는 황산일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The carbon nanotubes may be selected from the group consisting of single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, multiple-walled carbon nanotubes, and a mixture of two or more thereof. Preferably, And may be a multi-walled carbon nanotube, but the present invention is not limited thereto. The acid may be one selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrogen peroxide, and a mixture of two or more thereof, preferably hydrochloric acid or sulfuric acid, but is not limited thereto.

본 명세서에 사용된 용어, "분산액(dispersion)" 또는 "현탁액(suspension)"은 액체 내에 고체 입자가 분산되어 부유하고 있는 상태의 물질을 의미한다.The term "dispersion" or "suspension " as used herein means a material in which solid particles are suspended and suspended in a liquid.

상기 카본나노튜브의 일면이 절개되면 시트형 탄소계 물질, 즉, 그래핀이 생성될 수 있고, 생성된 그래핀은 원료 물질인 카본나노튜브의 직경에 상응하는 폭을 가지는 리본 형태(그래핀 나노리본, graphene nano-ribbon)로 존재하게 된다.When one side of the carbon nanotube is cut, a sheet-like carbon-based material, that is, graphene may be produced. The resulting graphene may be a ribbon having a width corresponding to the diameter of the carbon nanotube, , and graphene nano-ribbon.

상기 산 처리를 거쳐 생성된 그래핀 나노리본의 표면에는 다량의 산소 분자가 잔류할 수 있으므로, 상기 현탁액을 하이드라진 하이드레이트와 같은 염기성 물질로 처리하여 잔류하는 산소 분자를 환원, 제거시킬 수 있다.Since a large amount of oxygen molecules may remain on the surface of the graphene nanoribbons produced through the acid treatment, the suspension may be treated with a basic substance such as hydrazine hydrate to reduce or remove residual oxygen molecules.

상기 (b) 단계에서, 리튬 함유 전이금속 산화물을 함유한 현탁액에 상기 그래핀 나노리본을 분산시켜 분산액을 제조할 수 있다. 상기 현탁액은 상기 (a) 단계에서 제조된 현탁액과는 상이한 것으로서, 리튬 함유 전이금속 산화물을 유기 용매 중에 분산시킨 것을 의미한다.In the step (b), the graphene nanoribbons may be dispersed in a suspension containing a lithium-containing transition metal oxide to prepare a dispersion. The suspension is different from the suspension prepared in the step (a), which means that the lithium-containing transition metal oxide is dispersed in an organic solvent.

상기 리튬 함유 전이금속 산화물이 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.The lithium-containing transition metal oxide may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LiMaXb LiM a X b

상기 식에서, M이 Co, Ni, 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, X가 산소 원자, 인산기, 탄산기, 및 질산기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, a, b가 각각 상기 M 및 X의 몰 수이며, 상기 화학식 1을 만족하는 실수이다. 사용 가능한 상기 리튬 함유 전이금속 산화물의 종류에 관해서는 전술한 것과 같다.Wherein M is at least one member selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, X is at least one member selected from the group consisting of oxygen atom, phosphoric acid group, carbonate group and nitric acid group, And the number of moles of X, which is a real number satisfying the above formula (1). The types of the lithium-containing transition metal oxides that can be used are as described above.

상기 (c) 단계에서, 상기 분산액을 열처리하여 상기 리튬 함유 전이금속 산화물의 표면에 상기 그래핀 나노리본을 코팅시킬 수 있다. 즉, 상기 분산액을 건조, 가열하여 상기 리튬 함유 전이금속 산화물의 표면에 상기 그래핀 나노리본을 결합시킬 수 있다.In the step (c), the surface of the lithium-containing transition metal oxide may be coated with the graphene nanoribbons by heat-treating the dispersion. That is, the dispersion may be dried and heated to bond the graphene nanoribbons to the surface of the lithium-containing transition metal oxide.

구체적으로, 상기 (b) 단계의 생성물을 건조하여 입자상을 수득하고, 상기 입자상을 열처리하여 상기 리튬 함유 전이금속 산화물을 완전히 포획한 상기 그래핀 나노리본을 조밀화 또는 치밀화할 수 있으며, 치밀화된 상기 그래핀 나노리본에 의해 상기 리튬 함유 전이금속 산화물의 전면이 코팅될 수 있다.Specifically, the product of step (b) may be dried to obtain a particulate phase, and the particulate phase may be heat-treated to densify or densify the graphene nanoribbons completely capturing the lithium-containing transition metal oxide, The entire surface of the lithium-containing transition metal oxide can be coated by the fin nanoribbons.

상기 열처리는 오븐, 전기로, 진공로 등과 같은 공지의 가열 장치에서 수행될 수 있고, 가열 온도는 200℃ 내지 500℃, 바람직하게는 300℃ 내지 400℃일 수 있다. The heat treatment may be performed in a known heating apparatus such as an oven, an electric furnace, a vacuum furnace, etc., and the heating temperature may be 200 ° C to 500 ° C, preferably 300 ° C to 400 ° C.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

실시예Example

50ml 농축 황산(concentrated H-2SO4)에 다중벽 카본나노튜브(이하, "MWCNT") 100mg을 투여하고 1시간 동안 초음파 분산시킨 후, 15시간 동안 교반하여 현탁액을 제조하였다. 상기 현탁액에 KMnO4 500mg을 투여하고 80℃~90℃에서 3시간 동안 가열한 후, 일정 량의 과산화수소(H2O2)를 투여하였고, DIW로 상기 현탁액의 pH가 중성이 될 때까지 희석, 세척하였다. 또한, 상기 현탁액을 80℃~100℃에서 12시간 동안 하이드라진 하이드레이트(hydrazine hydrate)로 처리하여 그래핀 나노리본(이하, "GNR")의 표면에 잔류하는 산소 분자를 환원시켰으며, DIW와 에탄올을 사용하여 상기 현탁액을 수 차례 세척하였다.100 mg of multi-walled carbon nanotubes (hereinafter referred to as "MWCNT") was added to 50 ml concentrated H- 2 SO 4 and ultrasonically dispersed for 1 hour and then stirred for 15 hours to prepare a suspension. 500 mg of KMnO 4 was added to the suspension, and the mixture was heated at 80 ° C to 90 ° C for 3 hours. Then, a certain amount of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) was administered. The suspension was diluted with DIW until the pH of the suspension became neutral, And washed. Further, the suspension was treated with hydrazine hydrate at 80 ° C to 100 ° C for 12 hours to reduce oxygen molecules remaining on the surface of graphene nanoribbon (hereinafter referred to as "GNR"), and DIW and ethanol The suspension was washed several times with.

한편, 에탄올에 LiMn2O4 입자(이하, "LMO")를 2시간 동안 초음파 분산시킨 후, 상기 GNR 5.0중량%를 투여하고 1시간 동안 초음파 분산시켜 분산액을 제조하였다. 상기 분산액을 건조시켜 에탄올을 증발시킨 후, 질소 분위기 하 300℃에서 3시간 동안 가열하여 GNR이 코팅된 LMO 입자(이하, "GNR-LMO")를 수득하였다.On the other hand, LiMn 2 O 4 particles (hereinafter referred to as "LMO") were dispersed in ethanol by ultrasonication for 2 hours, followed by 5.0 wt% of GNR and ultrasonic dispersion for 1 hour to prepare a dispersion. The dispersion was dried to evaporate ethanol, and then heated at 300 캜 for 3 hours under a nitrogen atmosphere to obtain GNR-coated LMO particles (hereinafter referred to as "GNR-LMO").

비교예Comparative Example 1 One

GNR 대신 MWCNT를 그대로 사용한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 MWCNT로 코팅된 LMO 입자(이하, "CNT-LMO")를 제조하였다.LMO particles coated with MWCNT (hereinafter referred to as "CNT-LMO") were prepared in the same manner as in Example 1, except that MWCNT was used instead of GNR.

비교예Comparative Example 2 2

GNR 또는 MWCNT로 처리, 코팅시키지 않은 LMO 입자를 준비하였다.LNO particles treated with GNR or MWCNT and not coated were prepared.

실험예Experimental Example 1 :  One : 양극활물질의Cathode active material 구조 특성 Structural characteristics

상기 실시예 및 비교예 1, 2의 GNR-LMO, CNT-LMO, LMO 각각의 구조 특성을 규명하기 위해 XRD, HR-라만 스펙트럼, TGA(가열 속도 : 5℃/min) 분석을 수행하였으며, FE-SEM, FE-TEM 이미지를 통해 이를 확인하였다.XRD, HR-Raman spectrum and TGA (heating rate: 5 ° C / min) analysis were performed to identify the structural characteristics of each of GNR-LMO, CNT-LMO and LMO of the above Examples and Comparative Examples 1 and 2, -SEM, and FE-TEM images.

도 2에서 곡선 a, b, c는 각각 LMO, CNT-LMO, GNR-LMO의 XRD 패턴을 나타내고, 각각의 경우 18.8°, 36.3°, 38.0°, 44.1°, 48.3°, 58.3°, 64.0°, 67.3°, 75.8°, 및 76.8°에서 피크가 관찰되는데, 이는 LMO가 입방형 스피넬(cubic spinel) 구조를 가짐을 뒷받침한다. 한편, 곡선 d, e는 각각 MWCNT와 GNR의 XRD 패턴을 나타내며, 이를 곡선 b, c와 비교해보면 탄소계 물질의 피크가 CNT-LMO, GNR-LMO에서 관찰되지 않아 탄소계 물질에 의한 표면 개질이 LMO의 스피넬 구조에는 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다.Curves a, b and c in Fig. 2 represent XRD patterns of LMO, CNT-LMO and GNR-LMO, respectively, and are 18.8 °, 36.3 °, 38.0 °, 44.1 °, 48.3 °, 58.3 °, 64.0 °, Peaks are observed at 67.3 DEG, 75.8 DEG and 76.8 DEG, which suggests that the LMO has a cubic spinel structure. On the other hand, the curves d and e show the XRD patterns of MWCNT and GNR, respectively. Comparing these curves to curves b and c, peaks of carbon-based materials are not observed in CNT-LMO and GNR-LMO, But did not affect the spinel structure of LMO.

도 3을 통해 LMO와 GNR-LMO의 HR-라만 스펙트럼을 비교해보면, 약 500c/m 내지 700c/m에서 활성 모드(active mode)를 나타내는 점에서 공통되나, GNR-LMO의 경우 1340c/m 및 1596c/m 에서 추가의 D 및 G 밴드가 관찰되며, 이들은 각각 sp2 결합 탄소에 의한 결함과 그래핀 시트를 포함하는 sp2 혼성 탄소 원자의 존재에 기인한 것으로 분석된다.3, the HR-Raman spectra of LMO and GNR-LMO are common in that they represent an active mode at about 500 c / m to 700 c / m. However, in the case of GNR-LMO, 1340 c / m and 1596 c / m, additional D and G bands are observed, which are each analyzed to be due to defects by sp 2 -bonded carbons and the presence of sp 2 hybrid carbon atoms containing graphene sheets.

또한, 도 4를 참조하면, GNR-LMO는 약 200℃에서 중량 감소가 시작되고, 약 450℃에서 그래핀이 산화 또는 분해되면서 급격한 중량 감소가 일어났으며, 약 700℃에서는 대부분의 그래핀이 분해되어 중량 감소가 더 이상 일어나지 않았다. TGA 분석 결과 산출된 GNR의 함량은 약 5.0중량%이고, 이는 양극활물질 제조 시 GNR의 투여량과 동일함을 확인하였다.Also, referring to FIG. 4, GNR-LMO started to lose weight at about 200 ° C., and graphene oxidized or decomposed at about 450 ° C., resulting in abrupt weight loss. At about 700 ° C., The degradation resulted in no further weight loss. As a result of TGA analysis, it was confirmed that the calculated content of GNR was about 5.0 wt%, which is the same as that of GNR in the production of the cathode active material.

도 5, 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질의 FE-SEM, FE-TEM 이미지이다. 먼저, 도 5(b)와 5(c)를 비교해보면, CNT-LMO에 비해 GNR-LMO의 경우 LMO의 표면이 전체적으로 조밀하게 코팅되었음을 확인하였다. 또한, 도 6(c)와 6(d)를 비교해보면, CNT-LMO는 MWCNT와 LMO의 접촉이 약하고 불규칙적인 반면에, GNR-LMO의 경우 LMO와 GNR의 계면이 매끄럽게 나타나 이들 간에 강한 결합이 형성되었음을 알 수 있다.5 and 6 are FE-SEM and FE-TEM images of a cathode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, respectively. First, comparing FIGS. 5 (b) and 5 (c), it was confirmed that the surface of the LMO was densely coated as compared to CNT-LMO in the case of GNR-LMO. 6 (c) and 6 (d), CNT-LMO is weak and irregular in contact with MWCNT and LMO, whereas in GNR-LMO, the interface between LMO and GNR is smooth, As shown in Fig.

제조예Manufacturing example

상기 실시예의 GNR-LMO 80중량%, 카본블랙 10중량%, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 10중량%를 N-메틸-2-피롤리돈 용매에서 혼련하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 Al 호일 상에 도포하고, 진공 조건 하 120℃에서 12시간 동안 건조시켜 코인형 셀을 제조하였다. 상기 코인형 셀을 리튬이차전지의 양극으로 적용하고, 음극, 전해질, 및 분리막으로 각각 아래의 물질 또는 소재를 사용하여 리튬이차전지를 구성하였다.80% by weight of GNR-LMO, 10% by weight of carbon black and 10% by weight of polyvinylidene fluoride in the above examples were kneaded in a N-methyl-2-pyrrolidone solvent to prepare a slurry. The slurry was applied onto Al foil and dried under vacuum condition at 120 DEG C for 12 hours to prepare coin-shaped cells. The coin-type cell was applied as a positive electrode of a lithium secondary battery, and the following materials or materials were used as a negative electrode, an electrolyte, and a separator, respectively, to constitute a lithium secondary battery.

-음극: 리튬 금속- Cathode: Lithium metal

-전해질: 1M LiPF6 in EC(ethylene carbonate)/DEC(diethyl carbonate) = 50/50(v/v)Electrolyte: 1M LiPF 6 in ethylene carbonate (EC) / diethyl carbonate (DEC) = 50/50 (v / v)

-분리막: 미세 다공성 폴리프로필렌- Membrane: microporous polypropylene

비교제조예Comparative Manufacturing Example 1 One

GNR-LMO 대신, 상기 비교예 1의 CNT-LMO 80중량%를 혼련한 것을 제외하면, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬이차전지를 구성하였다.Lithium produced a secondary battery in the same manner as in Preparation Example 1, except that 80 wt% of CNT-LMO of Comparative Example 1 was kneaded instead of GNR-LMO.

비교제조예Comparative Manufacturing Example 2 2

GNR-LMO 대신, 상기 비교예 2의 LMO 80중량%를 혼련한 것을 제외하면, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬이차전지를 구성하였다.Lithium produced a secondary battery in the same manner as in Preparation Example 1, except that 80% by weight of LMO of Comparative Example 2 was kneaded instead of GNR-LMO.

실험예Experimental Example 2 :  2 : 리튬이차전지의The lithium secondary battery 전기화학적 특성 Electrochemical properties

상기 제조예 및 비교제조예 1, 2에서 제조된 리튬이차전지의 전기화학적 특성을 평가하기 위해 EIS, 전류-전압, 초기 충방전 변화, 수명 특성, 및 율 특성을 측정하였다. 각 특성에 대한 측정 조건은 하기 표 1과 같다.In order to evaluate the electrochemical characteristics of the lithium secondary batteries produced in the above Production Examples and Comparative Production Examples 1 and 2, EIS, current-voltage, initial charge / discharge change, lifetime characteristics and rate characteristics were measured. The measurement conditions for each characteristic are shown in Table 1 below.

전기화학적 특성Electrochemical properties 측정 조건Measuring conditions EISEIS AC, 0.2mV, 10-2~10-6HzAC, 0.2mV, 10 -2 to 10 -6 Hz 전류-전압 곡선Current-voltage curve 3.0~4.5V, 0.2mV/s, 초기 3회 순환3.0 to 4.5 V, 0.2 mV / s, initial three cycles 초기 충방전 변화Initial charge / discharge change 3.0~4.5V, 0.2C rate3.0 to 4.5V, 0.2C rate 수명 특성Life characteristics 3.0~4.5V, 1.0C rate, 50회 순환3.0 to 4.5 V, 1.0 C rate, 50 cycles 율 특성Rate characteristic 3.0~4.5V, 0.2C, 0.5C, 1.0C, 2.0C, 5.0C3.0 to 4.5 V, 0.2 C, 0.5 C, 1.0 C, 2.0 C, 5.0 C

먼저, 도 7을 참조하면, 각각의 곡선은 고주파수 영역에서 반원 형태를, 저주파수 영역에서 일정 기울기의 직선 형태를 보인다. 일반적으로 반원의 직경은 전극/전해질 계면에서의 전하이동저항에 관련되고, 직선은 Li+ 이온의 전극으로의 확산을 야기하는 Warburg 임피던스에 상응한다. 즉, LMO, CNT-LMO, GNR-LMO의 임피던스 값은 각각 약 165, 147, 95Ω이었고, 이로부터 GNR-LMO이 계면 저항이 현저히 작은 전도성 구조체임을 알 수 있다.First, referring to FIG. 7, each curve shows a semicircular shape in the high frequency region and a straight line shape in the low frequency region at a constant slope. In general, the diameter of the semicircle is related to the charge transfer resistance at the electrode / electrolyte interface, and the straight line corresponds to Warburg impedance causing diffusion of Li + ions into the electrode. That is, the impedance values of LMO, CNT-LMO, and GNR-LMO were about 165, 147, and 95Ω, respectively, indicating that GNR-LMO is a conductive structure having a significantly reduced interface resistance.

도 8을 참조하면, LMO, CNT-LMO, GNR-LMO는 3.9V/4.1V 및 4.05V/4.2V에서 모두 두 쌍의 피크가 관찰되어 리튬의 삽입(intercalation) 및 탈리(de-intercalation)에 의한 전형적인 산화 환원 거동을 나타내었다. 다만, CNT-LMO 및 GNR-LMO의 경우, LMO에 비해 산화 환원 피크가 상대적으로 뚜렷하였는데, 이는 탄소계 물질에 의한 코팅이 전극과 전해질의 직접 접촉을 효과적으로 억제하였기 때문인 것으로 분석된다. 특히, CNT-LMO 및 GNR-LMO에서는 피크 이동이 발생하지 않아 Li+ 이온의 손실이 적고, 가역성이 우수한 것으로 나타났다. 또한, 제3 순환에서 두 쌍의 산화 환원 피크로부터 전위 차(△E)가 산출될 수 있다. LMO, CNT-LMO, GNR-LMO 대해 산출된 △E 값은 각각 약 310mV/270mV, 210mV/170mV, 200mV/150mV이고, 이 중 △E 값이 최저인 GNR-LMO 전극에서의 분극(polarization)이 최소화되었음을 확인하였다.Referring to FIG. 8, two pairs of peaks are observed at LMO, CNT-LMO and GNR-LMO at 3.9 V / 4.1 V and 4.05 V / 4.2 V, The typical redox behaviors were shown. However, in the case of CNT-LMO and GNR-LMO, the redox peaks were relatively clear compared with LMO, which is attributed to the fact that the coating with carbon-based material effectively suppressed the direct contact between the electrode and the electrolyte. Particularly, in CNT-LMO and GNR-LMO, peak shift did not occur, resulting in less Li + ion loss and excellent reversibility. Further, the potential difference? E can be calculated from the two pairs of redox peaks in the third circulation. The calculated ΔE values for LMO, CNT-LMO and GNR-LMO are about 310mV / 270mV, 210mV / 170mV and 200mV / 150mV, respectively, and the polarization at the GNR-LMO electrode with the lowest ΔE value Respectively.

도 9를 통해 리튬이차전지의 초기 충방전 특성을 살펴보면, LMO, CNT-LMO, GNR-LMO 순으로 충방전 간 전위 차가 감소하였고, 이러한 결과 또한 GNR-LMO 전극에서의 분극이 최소화될 수 있음을 뒷받침한다.9, the charge-discharge potential difference in the order of LMO, CNT-LMO, and GNR-LMO decreased in the order of the charge and discharge characteristics of the lithium secondary battery. These results also show that the polarization in the GNR- Backed.

한편, 도 10을 참조하면, CNT-LMO, GNR-LMO 전극의 방전 용량이 각각 약 105.2mAh/g, 110.7mAh/g로 측정되어 LMO의 100.4mAh/g 에 비해 향상되었고, 순환 후 용량 보존율(capacity retention)도 GNR-LMO 전극이 약 90%로 가장 높게 측정되어, GNR-LMO 전극의 순환 거동이 상대적으로 안정적임을 알 수 있다. 이러한 결과는 도 11 및 하기 표 2를 통해서도 확인될 수 있다. LMO, CNT-LMO, GNR-LMO 전극에서 전류율이 증가할수록 방전 용량이 감소하였으나, 각각의 전류율에서 GNR-LMO 전극의 방전 용량이 최대였으며 이러한 경향은 전류율이 증가할수록 더욱 현저하게 나타났다.10, the discharge capacities of the CNT-LMO and GNR-LMO electrodes were measured to be about 105.2 mAh / g and 110.7 mAh / g, respectively, which was improved compared to 100.4 mAh / g of LMO, capacity retention), the GNR-LMO electrode is measured to be the highest at about 90%, and the cyclic behavior of the GNR-LMO electrode is relatively stable. These results can also be confirmed from FIG. 11 and Table 2 below. The discharge capacity of LMO, CNT-LMO and GNR-LMO electrodes decreased as the current ratio increased, but the discharge capacity of the GNR-LMO electrode was the highest at each current rate. This tendency was more pronounced as the current ratio increased.

전류율 (C)Current ratio (C) 방전 용량 (mAh/g)Discharge capacity (mAh / g) LMOLMO CNT-LMOCNT-LMO GNR-LMOGNR-LMO 0.20.2 114.8114.8 117.6117.6 120.9120.9 0.50.5 105.7105.7 109.3109.3 114.7114.7 1.01.0 99.999.9 104.1104.1 110.7110.7 2.02.0 88.388.3 92.492.4 97.897.8 5.05.0 70.170.1 78.778.7 86.686.6

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.

Claims (12)

스피넬 구조를 가지는 리튬 함유 전이금속 산화물, 및
상기 리튬 함유 전이금속 산화물 표면 전체에 코팅된 그래핀 나노리본을 포함하는 리튬이차전지용 양극활물질.
A lithium-containing transition metal oxide having a spinel structure, and
And a graphene nanoribbons coated on the entire surface of the lithium-containing transition metal oxide.
제1항에 있어서,
상기 리튬 함유 전이금속 산화물이 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질:
[화학식 1]
LiMaXb
상기 식에서,
M이 Co, Ni, 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
X가 산소 원자, 인산기, 탄산기, 및 질산기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
a, b가 각각 상기 M 및 X의 몰 수이며, 상기 화학식 1을 만족하는 실수이다.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium-containing transition metal oxide is represented by the following formula (1): &lt; EMI ID =
[Chemical Formula 1]
LiM a X b
In this formula,
M is one or more selected from the group consisting of Co, Ni, and Mn,
X is at least one selected from the group consisting of an oxygen atom, a phosphoric acid group, a carbonic acid group, and a nitric group,
a and b each represent the number of moles of M and X, and is a real number satisfying the above formula (1).
제1항에 있어서,
상기 그래핀 나노리본의 함량이 상기 양극활물질의 전체 중량을 기준으로 10중량% 이하인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the graphene nanoribbons is 10 wt% or less based on the total weight of the cathode active material.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 리튬이차전지용 양극활물질, 바인더, 및 도전재를 포함하는 슬러리가 집전체에 도포된 리튬이차전지용 양극.A positive electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein a slurry containing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a binder, and a conductive material is applied to the current collector. 제4항에 있어서,
상기 바인더가 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무, 스티렌-부티렌고무, 불소고무, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극.
5. The method of claim 4,
Wherein the binder is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, starch, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ) Rubber, styrene-butylene rubber, fluorine rubber, and a mixture of two or more thereof.
제4항에 있어서,
상기 리튬이차전지용 양극활물질의 함량이 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로 70중량% 내지 95중량%인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극.
5. The method of claim 4,
Wherein the content of the cathode active material for the lithium secondary battery is 70 wt% to 95 wt% based on the total weight of the slurry.
(a) 카본나노튜브의 일면을 중심 축 방향으로 절개하여 그래핀 나노리본을 제조하는 단계;
(b) 스피넬 구조를 가지는 리튬 함유 전이금속 산화물을 함유한 현탁액에 상기 그래핀 나노리본을 분산시켜 분산액을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 분산액을 열처리하여 상기 리튬 함유 전이금속 산화물의 표면 전체에 상기 그래핀 나노리본을 코팅하는 단계를 포함하는 리튬이차전지용 양극활물질의 제조방법.
(a) preparing a graphene nanoribbons by cutting one surface of a carbon nanotube in a direction of a central axis;
(b) dispersing the graphene nanoribbons in a suspension containing a lithium-containing transition metal oxide having a spinel structure to prepare a dispersion; And
(c) heat treating the dispersion to coat the graphene nanoribbons on the entire surface of the lithium-containing transition metal oxide.
제7항에 있어서,
상기 카본나노튜브가 단일벽 카본나노튜브, 다중벽 카본나노튜브, 다발형 카본나노튜브, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the carbon nanotube is one selected from the group consisting of a single-walled carbon nanotube, a multi-walled carbon nanotube, a multiple-walled carbon nanotube, and a mixture of two or more thereof.
제7항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 상기 카본나노튜브를 순차적으로 산 및 염기 처리하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the carbon nanotubes are sequentially treated with an acid and a base in the step (a).
제9항에 있어서,
상기 산이 염산, 황산, 질산, 인산, 과산화수소, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the acid is one selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrogen peroxide, and a mixture of two or more thereof.
제9항에 있어서,
상기 염기가 하이드라진 하이드레이트인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the base is hydrazine hydrate. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제7항에 있어서,
상기 리튬 함유 전이금속 산화물이 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질의 제조방법:
[화학식 1]
LiMaXb
상기 식에서,
M이 Co, Ni, 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
X가 산소 원자, 인산기, 탄산기, 및 질산기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
a, b가 각각 상기 M 및 X의 몰 수이며, 상기 화학식 1을 만족하는 실수이다.
8. The method of claim 7,
Wherein the lithium-containing transition metal oxide is represented by the following formula (1): &lt; EMI ID =
[Chemical Formula 1]
LiM a X b
In this formula,
M is one or more selected from the group consisting of Co, Ni, and Mn,
X is at least one selected from the group consisting of an oxygen atom, a phosphoric acid group, a carbonic acid group, and a nitric group,
a and b each represent the number of moles of M and X, and is a real number satisfying the above formula (1).
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