KR101872574B1 - 향상된 캐소드 물질을 사용하는 높은 전압, 높은 체적 에너지 밀도의 리튬 이온 배터리 - Google Patents

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Abstract

개시된 실시예들은 배터리 셀을 제공한다. 배터리 셀은 애노드 집전체, 및 애노드 집전체 위에 배치된 애노드 활물질을 포함하는 애노드를 포함한다. 배터리 셀은 또한 캐소드 집전체, 및 캐소드 집전체 위에 배치된 캐소드 활물질을 포함하는 캐소드를 포함한다. 캐소드 활물질은 xLi2MO3·(1-x)LiCoyM'(1-y)O2로 나타내어지는 조성물을 갖는다.

Description

향상된 캐소드 물질을 사용하는 높은 전압, 높은 체적 에너지 밀도의 리튬 이온 배터리{HIGH VOLTAGE, HIGH VOLUMETRIC ENERGY DENSITY LI-ION BATTERY USING ADVANCED CATHODE MATERIALS}
본 실시예들은 일반적으로 충전식 배터리들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 실시예들은 향상된 캐소드 물질들을 사용하는 높은 전압, 높은 체적 에너지 밀도의 리튬 이온 배터리의 설계에 관한 것이다.
충전식 배터리들은 다양한 소비자, 의료, 항공우주, 방위, 및/또는 교통 응용들에서 에너지 저장에 폭넓게 사용된다. 가장 흔히 사용되는 유형의 충전식 배터리는 리튬 배터리인데, 이는 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 배터리를 포함할 수 있다. 배터리-전력 공급되는 디바이스들이 점점 더 소형화되고 강력해짐에 따라, 이들 디바이스에 전력을 공급하는 배터리들은 더 작은 체적에 더 많은 에너지를 저장할 필요가 있다. 그 결과, 배터리-전력 공급되는 디바이스들의 사용은 디바이스들 내의 배터리들의 체적 에너지 밀도들을 향상시키기 위한 메커니즘들에 의해 용이하게 될 수 있다.
개시된 실시예들은 배터리 셀을 제공한다. 배터리 셀은 애노드 집전체, 및 애노드 집전체 위에 배치된 애노드 활물질을 포함하는 애노드를 포함한다. 배터리 셀은 또한 캐소드 집전체, 및 캐소드 집전체 위에 배치된 캐소드 활물질을 포함하는 캐소드를 포함한다. 캐소드 활물질은 xLi2MO3·(1-x)LiCoyM'(1-y)O2로 나타내어지는 조성물을 갖는다.
일부 실시예들에서, M는 망간, 티타늄, 루테늄, 및 지르코늄 중 적어도 하나이다.
일부 실시예들에서, y = 1.00이고, M'는 존재하지 않고, 조성물은 xLi2MO3·(1-x)LiCoO2이다.
일부 실시예들에서, 0.5 ≤ y < 1.00 이고, M'는 1가 양이온, 2가 양이온, 3가 양이온, 4가 양이온, 및 루테늄 양이온 중 적어도 하나이다.
일부 실시예들에서, M 또는 M'은 금속 양이온들의 혼합물을 포함한다.
일부 실시예들에서, 금속 양이온들의 화학양론 수(stoichiometric number)들은 동일하지 않다.
일부 실시예들에서, 0.01 ≤ x ≤ 0.50이다.
일부 실시예들에서, 조성물은 용액 공침전 방법(solution co-precipitation method)을 사용해 제조된 혼합-금속 수화 수산화물 전구체(mixed-metal hydrated hydroxide precursor), 및 리튬 추가 고체 상태 반응물 중 적어도 하나를 사용하여 형성된다.
일부 실시예들에서, y = 1.00이고, M 은 망간(Mn)이고, 조성물은 xLi2MnO3·(1-x)LiCoO2이다.
일부 실시예들에서, 캐소드 활물질로부터 가역적으로 추출될 수 있는 리튬의 양은 165mAh/g보다 크다.
일부 실시예들에서, 캐소드 활물질로부터 가역적으로 추출될 수 있는 리튬의 양은 200mAh/g보다 크다.
특허 또는 출원 파일은 컬러로 만들어진 적어도 하나의 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)을 갖는 본 특허 또는 특허 출원 공개 공보의 사본들은 요청 및 필요 수수료의 납부 시 특허청에서 제공할 것이다.
도 1은 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀의 평면도를 도시한다.
도 2는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀을 위한 층들의 세트를 도시한다.
도 3은 개시된 실시예들에 따른 캐소드 활물질 조성물의 주사 전자 현미경 사진(scanning electron micrograph; SEM)을 도시한다.
도 4는 개시된 실시예들에 따른 캐소드 활물질 조성물의 X-선 분말 회절(X-ray powder diffraction; XRD)을 도시한다.
도 5는 개시된 실시예들에 따른 캐소드 활물질 조성물의 라만 진동 스펙트럼을 도시한다.
도 6은 개시된 실시예들에 따른 캐소드 활물질 조성물의 SEM을 도시한다.
도 7은 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 셀 전압 프로파일을 도시한다.
도 8은 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 용량 대 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 9는 개시된 실시예들에 따른 2개의 캐소드의 XRD 패턴들을 도시한다.
도 10a는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 셀 전압 프로파일을 도시한다.
도 10b는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 셀 전압 프로파일을 도시한다.
도 10c는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 셀 전압 프로파일을 도시한다.
도 10d는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 용량 대 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 10e는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 용량 대 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 10f는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 용량 대 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 10g는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 dO/dV 플롯을 도시한다.
도 11은 개시된 실시예들에 따른 캐소드 활물질 조성물의 SEM을 도시한다.
도 12a는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 2.75V 내지 4.4V의 셀 전압 프로파일을 도시한다.
도 12b는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 2.75V 내지 4.5V의 셀 전압 프로파일을 도시한다.
도 12c는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 2.75V 내지 4.6V의 셀 전압 프로파일을 도시한다.
도 12d는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 2.75V 내지 4.4V의 레이트 연구 시험(rate study test)들(C rate들로 표시됨) 동안의 용량 대 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 12e는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 2.75V 내지 4.5V의 레이트 연구 시험들(C rate들로 표시됨) 동안의 용량 대 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 12f는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 2.75V 내지 4.6V의 레이트 연구 시험들(C rate들로 표시됨) 동안의 용량 대 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 12g는 개시된 실시예들에 따른 2.75V 내지 4.5V에서 사이클링된 배터리 셀에 대한 사이클 성능 연구 동안의 용량 대 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 12h는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀에 대한 dO/dV 플롯을 도시한다.
도 13은 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스를 도시한다.
도면에서, 유사한 도면 부호가 동일한 도면 요소를 지칭한다.
하기 설명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시예들을 제작하고 이용할 수 있도록 제시되며, 특정한 응용 및 그 요건들의 맥락에서 제공된다. 개시된 실시예들에 대한 다양한 수정들이 이들 통상의 기술자에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에서 정의된 일반 원리들은 본 개시 내용의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예들 및 응용들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들로 제한되지 않으며, 본 명세서에 개시된 원리들 및 특징들에 부합되는 가장 넓은 범위를 허용받아야 한다.
Co 및 Mn을 함유하는 리튬 캐소드 활물질들(예컨대, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC))이 충전식 배터리들, 구체적으로는 리튬 셀들 및 배터리들에서 사용되도록 합성되어 왔다. 통상적으로, 이러한 캐소드 활물질들을 이용해 제조된 배터리 셀들은 낮은 체적 에너지 밀도, 제1 사이클에서의 고-비율 용량 가역성, 사이클링에 걸친 용량 열화 및 낮은 레이트를 겪는다. 본 실시예들은 이 단점들을 목표로 하여, 우수한 체적 에너지 밀도, 사이클 수명 및 높은 레이트 방전 능력을 제공한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 셀(100)의 평면도를 도시한다. 배터리 셀(100)은 소비자, 의료, 항공우주, 방위, 및/또는 교통 응용에서 사용되는 디바이스에 전력을 공급하기 위하여 이용되는 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 배터리 셀에 대응한다. 배터리 셀(100)은, 활성 코팅을 갖는 캐소드, 세퍼레이터, 및 활성 코팅을 갖는 애노드을 비롯하여 함께 감긴 다수의 층을 포함하는 젤리 롤(102)을 포함한다. 보다 구체적으로, 젤리 롤(102)은 세퍼레이터 재료(예컨대, 전도성 폴리머 전해질)의 하나의 스트립에 의해 분리된 캐소드 재료(예컨대, 리튬 화합물로 코팅된 알루미늄 포일)의 하나의 스트립과 애노드 재료(예컨대, 카본으로 코팅된 구리 포일)의 하나의 스트립을 포함할 수 있다. 이어서, 캐소드 층, 애노드 층 및 세퍼레이터 층이 권심(mandrel) 상에 감겨져서, 나선형으로 감겨진 구조를 형성할 수 있다. 대안적으로, 층들은 적층되고/되거나 바이-셀(bi-cell) 구조들과 같은 다른 유형의 배터리 셀 구조들을 형성하는 데 이용될 수 있다. 젤리 롤은 본 기술분야에 잘 알려져 있으며 추가로 설명하지 않을 것이다.
배터리 셀(100)의 조립 동안, 젤리 롤(102)은 가요성 파우치 내에 봉입되는데, 이는 절첩선(112)을 따라 가요성 시트를 접어서 형성된다. 예를 들어, 가요성 시트는 폴리프로필렌과 같은 폴리머 필름과 함께 알루미늄으로 제조될 수 있다. 가요성 시트가 접힌 후에, 이 가요성 시트는, 예를 들어, 측면 밀봉(side seal)(110)을 따라 그리고 테라스 밀봉(terrace seal)(108)을 따라 열을 가함으로써 밀봉될 수 있다. 배터리 셀(100)의 패키징 효율 및/또는 에너지 밀도를 향상시키기 위해 가요성 파우치는 두께가 120 마이크로미터 미만일 수 있다.
젤리 롤(102)은 캐소드 및 애노드에 결합된 전도성 탭들(106)의 세트를 또한 포함한다. 전도성 탭들(106)은 (예를 들어, 밀봉 테이프(104)를 이용해 형성된) 파우치 내의 밀봉들을 통과해 연장되여 배터리 셀(100)을 위한 단자들을 제공할 수 있다. 이어서, 전도성 탭(106)은 배터리 셀(100)을 하나 이상의 다른 배터리 셀과 전기적으로 결합하여 배터리 팩을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩은 배터리 셀들을 직렬 구조, 병렬 구조 또는 직렬-병렬 구조로 결합함으로써 형성될 수 있다. 결합된 셀들은 하드 케이스 내에 봉입되어 배터리 팩을 완성할 수 있거나, 또는 결합된 셀들이 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 휴대 전화, 개인용 휴대 단말기(PDA), 디지털 카메라 및/또는 휴대용 미디어 플레이어와 같은 휴대용 전자 디바이스의 인클로저(enclosure) 내에 매립될 수 있다.
도 2는 개시된 실시예들에 따른 배터리 셀(예컨대, 도 1의 배터리 셀(100))을 위한 층들의 세트를 도시한다. 이 층들은 캐소드 집전체(202), 캐소드 활성 코팅(204), 세퍼레이터(206), 애노드 활성 코팅(208) 및 애노드 집전체(210)를 포함할 수 있다. 캐소드 집전체(202) 및 캐소드 활성 코팅(204)은 배터리 셀용 캐소드를 형성할 수 있으며, 애노드 집전체(210) 및 애노드 활성 코팅(208)은 배터리 셀용 애노드를 형성할 수 있다. 층들은 감겨지거나 적층되어 배터리 셀을 생성할 수 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 캐소드 집전체(202)는 알루미늄 포일일 수 있으며, 캐소드 활성 코팅(204)은 리튬 화합물일 수 있고, 애노드 집전체(210)는 구리 포일일 수 있으며, 애노드 활성 코팅(208)은 카본일 수 있고, 세퍼레이터(206)는 전도성 폴리머 전해질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 캐소드 활성 코팅(204)은 xLi2MO3·(1-x)LiCoyM'(1-y)O2로 나타내어지는 캐소드 활물질 조성물을 포함할 수 있다. 조성물에서, x는 0.01 내지 1.00 미만의 범위(0.01 ≤ x < 1.00)일 수 있고, y는 0.50 내지 1.00의 범위(0.50 ≤ y ≤ 1.00)일 수 있다. M은 Mn, Ti, Ru, Zr 또는 그 혼합물일 수 있고, M'는, 존재한다면, 바람직하게는 하나 이상의 1가, 2가, 3가 또는 4가 양이온들 및 Ru로부터 선택된 하나 이상의 금속 양이온들을 포함할 수 있으며, 그 예들은 Li+, Ni2+, Ni3+, Cu+, Cu2+, Mg2+, Zn2+, B3+, Ga3+, Al3+, Mn3+, Mn4+, Sn4+, Ti4+, 및/또는 Ru4+/5+/6+이다. M이 금속 양이온들의 혼합물인 경우, 금속 양이온들의 화학양론 수들은 동일할 필요가 없다. M'가 금속 양이온들의 혼합물인 경우, 금속 양이온들의 화학양론 수들은 그들의 합계(1-y)가 0 내지 0.50의 범위(0 ≤ (1-y) < 0.50)인 한 동일할 필요가 없다. 이 새로운 캐소드 활물질은 1% 내지 50%의 Li2MO3(0.01 ≤ x ≤ 0.50), 바람직하게는 1% 내지 30%(0.01 ≤ x ≤ 0.30)를 포함할 수 있다.
그러한 활물질 조성물들은 충전식 리튬 셀들 및 배터리들에서 사용될 수 있다. 종래의 활물질들과는 달리, 이 새로운 캐소드 활물질은 반복된 리튬 층간삽입(intercalation) 및 층간탈리(de-intercalation) 동안 그것의 구조를 안정화시키기 위해 Li2MO3를 사용한다. 생성된 구조체는 Li2MO3 도메인을 함유하고, 이는 배터리 충전 및 방전 동안 캐소드 활물질 구조체 전체를 안정화시키는 LiM6 성분을 내재적으로 함유한다. 이는 구조체로부터 더 많은 리튬 이온을 가역적으로 추출하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 개시된 캐소드 활물질 조성물은 캐소드 활물질의 이론적 용량의 60% 초과의 가역적 리튬 이온 추출(캐소드 활물질의 가역적 용량 > 165mAh/g), 및 가능하게는 75% 초과의 가역적 리튬 이온 추출(캐소드 활물질의 가역적 용량 > 200mAh/g)을 제공할 수 있다.
개시된 실시예들에서, Li2MO3-안정화 리튬 전이 금속 산화물은 바람직하게는 용액 공침전 방법에 의해 미리 제조된 혼합-금속 수화 수산화물 전구체로부터 합성된다. 이 방법은 층간삽입 호스트 내에서 전이 금속들의 최상의 균질 혼합물을 제공한다. 제2 방법에서, 재료는 고체 상태 반응물을 사용해 합성된다.
하기 예들은 개시된 실시예들의 원리들을 발명자들에 의해 계획된 바로서 설명하지만, 제한하는 예들로서 해석되지 않아야 한다.
실시예 1
0.02Li2MnO3·0.98LiNi0.021Co0.979O2로 나타내어지는 조성물을 갖는 층상 재료는 9.3623 g의 LiOH.H2O의 고체 상태 반응물, 및 공침전 방법에 의해 제조된 19.6491 g의 수화 Ni0.02Mn0.02Co0.96(OH)2.nH2O 수산화물 분홍색 분말에 의해 제조되었다. 이는 명목상 산화 상태들로서 Ni +3 및 Mn+4를 갖는 재료를 구성한다. 궤도 혼합기(orbital mixer)에서 분말들을 혼합하였다. 혼합에 이어서, 혼합된 분말을 알루미나 고온 트레이로 이송하고, 10시간 동안 500℃에서 유동하는 산소 기체 내에서 먼저 가열하였다. 이 첫번째 단계 동안 노(furnace)의 램프 속도(ramp rate)는 분당 2℃였다. 시료는 노가 꺼진 후 노 내에서 냉각되었다. 후속적으로 시료를 막자사발로 분쇄하였고, 이어서 체로 치고(sieve) 5시간 동안 유동하는 산소 기체 내에서 1050℃에서 재소성시켰으며; 램프 속도는 분당 2℃였고, 소성이 완료된 후, 전원이 꺼진 노의 자연 냉각 속도가 사용되었다. 최종 소결 블랙 분말을 분해하고 막자사발로 분쇄하였고, 이어서 캐소드 활물질로서 전기화학적 시험에서 사용하기 위해 체로 쳤으며, 이는 실시예 4와 관련하여 하기에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같다.
JEOL 니콘 네오스콥(Nikon Neoscope) SEM 기구를 이용해 최종 분말의 주사 전자 현미경 사진(SEM)들을 촬영하였다. 예시적인 현미경 사진이 도 3에 도시되어 있다. 1차 입경들은 크기가 약 20 내지 약 100 nm의 범위이고; 2차 입경들은 크기가 약 10 내지 약 16 마이크로미터의 범위이다.
시료는, 어드밴스드 포톤 소스(Advanced Photon Source; APS)로도 알려져 있는 아르곤 국립 연구소 싱크로트론 X-선 연구 시설(Argonne National Laboratory synchrotron X-ray research facility)에서 X-선 분말 회절(XRD)에 의해 특정지어졌다. 데이터는 CuKα 방사선으로 변환되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 시료의 XRD 패턴은 리튬 코발트 산화물(lithium cobalt oxide; LCO)의 JCPDS 육방정계 층상 구조와 매칭된다.
시료는 인비아 레니쇼우 라만 마이크로프로브(InVia Renishaw Raman Microprobe) 상에서 라만 분광법에 의해 특정지어졌다. 도 5는 실시예 1에서 합성된 시료 0.02Li2MnO3·0.98LiNi0.021Co0.979O2의 라만 진동 스펙트럼을 도시한다. 결과는 650 cm-1에서의 쇼울더 모드(shoulder mode) 및 ~450 cm-1에서의 더 낮은 강도의 다른 쇼울더 모드를 도시한다. 참고로 LCO 라만 스펙트럼이 또한 도시된다. 이 쇼울더들은 LCO의 순수 육방정계 층상 구조에는 나타나지 않음을 유의해야 한다. 따라서, 이 쇼울더 진동들은 실시예 1의 재료와 연관된 낮은 에너지 전이 금속 산소 모드들을 나타낸다.
실시예 2
0.04Li2MnO3·0.96LiCoO2로 나타내어지는 조성물을 갖는 층상 재료는 4.63 g의 LiOH.H2O의 고체 상태 반응물, 및 공침전 방법에 의해 제조된 9.0 g의 수화 Mn0.04Co0.96(OH)2.nH2O 수산화물 분홍색 분말에 의해 제조되었다. 이 조성물은 Ni-무함유, Mn+4 명목상 산화 상태를 나타낸다. 궤도 혼합기에서 분말들을 혼합하였다. 혼합에 이어서, 혼합된 분말을 알루미나 고온 트레이로 이송하고, 10시간 동안 500℃에서 공기 내에서 먼저 가열하였다. 이 첫번째 단계 동안의 노의 램프 속도는 분당 2℃였다. 시료는 노가 꺼진 후 노 내에서 냉각되었다. 후속적으로 시료를 막자사발로 분쇄하였고, 이어서 체로 치고 5시간 동안 공기 내에서 1050℃에서 재소성시켰으며; 램프 속도는 분당 2℃였고, 소성이 완료된 후, 전원이 꺼진 노의 자연 냉각 속도가 사용되었다. 최종 소결 블랙 분말을 분해하고 막자사발로 분쇄하였으며, 이어서 캐소드 활물질로서 전기화학적 시험에서 사용하기 위해 체로 쳤다. JEOL 니콘 네오스콥 SEM 기구를 이용해 최종 분말의 SEM들을 촬영하였다. 예시적인 현미경 사진이 도 6에 도시되어 있다. 2차 입경들은 크기가 약 10 내지 약 30 마이크로미터의 범위이다.
실시예 3
실시예 1에서 합성된 캐소드 활물질을 전극 적층판들로 가공하였다. 각각의 전극 적층판은 NMP(N-메틸-피롤리돈) 용매 내에서 90 중량%의 캐소드 활물질, 5 중량%의 카본, 및 5 중량%의 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 결합제의 슬러리를 제조함으로써 생성되었다. 닥터 블레이드를 이용해 슬러리를 알루미늄 집전체 시트 상에 캐스팅하였다. 습식 전극 적층판을 먼저 공기 오븐 내에서 ~4시간 동안 75℃에서 건조시켰고, 이어서 하룻밤 동안(~16시간) 75℃에서 가열 진공 건조시켰다. 전극 적층판을 캘린더링하였다. 9/16" 직경의 크기인 전극들을 알루미늄 시트로부터 펀칭하여 크기 2032 코인 셀들(일본, 호센(Hohsen))로 만들었다. 코인 셀들은 상대 전극들(예컨대, 애노드들)로서의 리튬, 및 3:7(중량, EC:EMC)의 용매와 1.2 M LiPF6 염의 전해질 혼합물을 함유하였다. 세퍼레이터는 셀가드(Celgard) 2325 3층 폴리프로필렌이었다.
셀들을 Maccor Series 2000 시험기 상에 배치하고, 다음의 다양한 전압 범위(voltage window)들로 실온에서 정전류 모드(galvanostatic mode)에서 사이클링하였다: 4.4V 내지 2.75V, 4.5V 내지 2.75V, 4.6V 내지 2.75V, 및 4.7V 내지 2.75V. 형성(formation), 레이트 및 사이클링의 일련의 전기화학적 시험들을 각각의 전압 범위 하에서 수행하였다. 형성 시험 동안, 충전 과정 동안에 정전류(0.2C)를 셀에 인가하였고, 이어서 전류가 0.05C 이하일 때까지 정전압 충전을 행하였다. 이어서, 방전의 말까지 셀들을 정전류(0.2C)에서 방전하였다. 셀들의 충전 및 방전을 3회 반복하였다. 레이트 시험 동안, 모든 레이트 시험들에 대해 충전율을 0.7C로 고정시켰고, 이어서 전류가 0.05C 이하일 때까지 정전압 충전을 행하였다. 셀들이 완전히 방전될 때까지 5개의 상이한 방전율(discharge rate)들 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 및 2C를 인가하였다. 각각의 레이트에 대해 3회의 사이클을 수행하였다. 마지막으로, 사이클 수명을 조사하기 위해 50회 사이클을 수행하였다. 레이트 시험의 충전 조건들과 동일한 충전 조건들을 적용하였다. 모든 사이클들에 대해 방전율을 0.5C로 고정시켰다.
2.75 내지 4.6 V의 제1 충전-방전 곡선을 이용하는 셀의 전압 프로파일이 도 7에 도시되어 있다. 셀에 대한 용량 대 사이클 수가 도 8에 도시되며, 이는 레이트 및 사이클 성능 연구를 포함한다. 도 9는 캐소드 활물질을 포함하는 다음 2개 전극의 XRD 패턴들을 도시한다: 50회 사이클 후의 제1 전극 및 초기의 제2 전극. 발명 재료 시료 내에 있는 강한 층상 피크(strong layered peak)(003)가 여전히 있고, 불순물 피크들은 존재하지 않는다. 전술한 배터리 셀에 대한 사이클링 데이터 및 성능 지표들의 개요가 하기의 표 1에 도시된다.
[표 1]
Figure 112015088053004-pct00001
실시예 4
실시예 2에서 합성된 캐소드 활물질을 그것의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 전극 적층판들로 가공하였다. NMP 용매 내에서 90 중량%의 활물질, 5 중량%의 수퍼 P 카본(Super P carbon) 및 5 중량%의 PVDF 결합제의 슬러리를 제조함으로써 각각의 전극 적층판을 형성하였다. 닥터 블레이드를 이용해 슬러리를 알루미늄 집전체 시트 상에 캐스팅하였다. 습식 전극 적층판을 먼저 공기 오븐 내에서 ~4시간 동안 70 내지 80℃에서 건조시켰고, 이어서 하룻밤 동안(~16시간) 70 내지 80℃에서 가열 진공 건조시켰다. 전극 적층판을 캘린더링하였다. 9/16" 직경의 크기인 전극들을 알루미늄 시트로부터 펀칭하여 크기 2032 코인 셀들(일본, 호센)로 만들었다. 코인 셀들은 상대 전극들(예컨대, 애노드들)로서의 리튬, 및 3:7(중량, EC:EMC)의 용매와 1.2 M LiPF6 염의 전해질 혼합물을 함유하였다. 세퍼레이터는 셀가드 2325 3층 폴리프로필렌이었다.
셀들을 Maccor Series 2000 시험기 상에 배치하고, 다음의 다양한 전압 범위들로 실온에서 정전류 모드에서 사이클링하였다: 4.4V 내지 2.75V, 4.5V 내지 2.75V, 및 4.6V 내지 2.75V. 일련의 전기화학적 시험들(예컨대, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 결과들을 갖는 형성, 도 10d 내지 도 10f에 도시된 결과들을 갖는 레이트)을 각각의 전압 범위 하에서 수행하였다. 형성 시험 동안, 충전 과정 동안에 정전류(0.2C)를 셀들에 인가하였고, 이어서 전류가 0.05C 이하일 때까지 정전압 충전을 행하였다. 이어서, 방전의 말까지 셀들을 정전류(0.2C)에서 방전하였다. 셀들의 충전 및 방전을 3회 반복하였다. 레이트 시험 동안, 모든 레이트 시험들에 대해 충전율을 0.7C로 고정시켰고, 이어서 전류가 0.05C 이하일 때까지 정전압 충전을 행하였다. 셀들이 완전히 방전될 때까지 5개의 상이한 방전율들 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 및 2C를 인가하였다. 각각의 레이트에 대해 3회의 사이클을 수행하였다. 실시예 2로부터 제조된 재료에 대한 2.75V 내지 4.5V의 dQ/dV 미분 플롯이 도 10g에 도시된다. 4.1V 내지 4.3V에서 피크들이 없는 것은 이 발명 재료에서 육방정계에서 단사정계로의 상변화가 없음을 나타낸다.
실시예 5
0.01Li2MnO3·0.99LiNi0 . 01Mn0 . 01Co0 . 98O2의 조성물을 갖는 재료가 개시된다. 이 예에서, Ni 및 Mn 함량은 동일하지 않고, 따라서, 표기된 바와 같이, Ni 산화 상태는 명목상 +2이고, Mn 산화 상태는 명목상 +4이다.
0.01Li2MnO3·0.99LiNi0 . 01Mn0 . 01Co0 . 98O2로 나타내어지는 조성물을 갖는 층상 재료는 23.0 g의 LiOH.H2O의 고체 상태 반응물, 및 공침전 방법에 의해 제조된 11.1 g의 수화 Ni0 . 01Mn0 . 02Co0 . 97(OH)2.nH2O 수산화물 분홍색 분말에 의해 제조되었다. 궤도 혼합기에서 분말들을 혼합하였다. 혼합에 이어서, 혼합된 분말을 알루미나 고온 트레이로 이송하고, 10시간 동안 500℃에서 공기 내에서 먼저 가열하였다. 이 첫번째 단계 동안의 노의 램프 속도는 분당 2℃였다. 시료는 노가 꺼진 후 노 내에서 냉각되었다. 후속적으로 시료를 막자사발로 분쇄하였고, 이어서 체로 치고 5시간 동안 공기 내에서 1050℃에서 재소성시켰으며; 램프 속도는 분당 2℃였고, 소성이 완료된 후, 전원이 꺼진 노의 자연 냉각 속도가 사용되었다. 최종 소결 블랙 분말을 분해하고 막자사발로 분쇄하였으며, 이어서 캐소드 활물질로서 전기화학적 시험에서 사용하기 위해 체로 쳤다. JEOL 니콘 네오스콥 SEM 기구를 이용해 최종 분말의 주사 전자 현미경 사진(SEM)들을 촬영하였다. 예시적인 현미경 사진이 도 11에 도시되어 있다. 2차 입경들은 크기가 약 10 내지 약 30 마이크로미터의 범위이다.
실시예 6
실시예 5에서 합성된 캐소드 활물질을 그것의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 전극 적층판들로 가공하였다. NMP 용매 내에서 90 중량%의 활물질, 5 중량%의 수퍼 P 카본 및 5 중량%의 PVDF 결합제의 슬러리를 제조함으로써 각각의 전극 적층판을 형성하였다. 닥터 블레이드를 이용해 슬러리를 알루미늄 집전체 시트 상에 캐스팅하였다. 습식 전극 적층판을 먼저 공기 오븐 내에서 ~4시간 동안 70 내지 80℃에서 건조시켰고, 이어서 하룻밤 동안(~16시간) 70 내지 80℃에서 가열 진공 건조시켰다. 전극 적층판을 캘린더링하였다. 9/16" 직경의 크기인 전극들을 알루미늄 시트로부터 펀칭하여 크기 2032 코인 셀들(일본, 호센)로 만들었다. 코인 셀들은 상대 전극들(예컨대, 애노드들)로서의 리튬, 및 3:7(중량, EC:EMC)의 용매와 1.2 M LiPF6 염의 전해질 혼합물을 함유하였다. 세퍼레이터는 셀가드 2325 3층 폴리프로필렌이었다.
셀들을 Maccor Series 2000 시험기 상에 배치하고, 다음의 다양한 전압 범위들로 실온에서 정전류 모드에서 사이클링하였다: 4.4V 내지 2.75V, 4.5V 내지 2.75V, 및 4.6V 내지 2.75V. 일련의 전기화학적 시험들(예컨대, 도 12a 내지 도 12c에 도시된 결과들을 갖는 형성, 도 12d 내지 도 12f에 도시된 결과들을 갖는 레이트)을 각각의 전압 범위 하에서 수행하였다. 형성 시험 동안, 충전 과정 동안에 정전류(0.2C)를 셀들에 인가하였고, 이어서 전류가 0.05C 이하일 때까지 정전압 충전을 행하였다. 이어서, 방전의 말까지 정전류(0.2C)에서 셀들을 방전하였다. 셀들의 충전 및 방전을 3회 반복하였다. 레이트 시험 동안, 모든 레이트 시험들에 대해 충전율을 0.7C로 고정시켰고, 이어서 전류가 0.05C 이하일 때까지 정전압 충전을 행하였다. 셀들이 완전히 방전될 때까지 5개의 상이한 방전율들 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 및 2C를 인가하였다. 각각의 레이트에 대해 3회의 사이클을 수행하였다.
재료의 사이클 성능을 평가하기 위해, 도 12g에 도시된 바와 같이, 셀들을 시험 상에 배치하고 4.5V 내지 2.75V에서 동작시켰다. 도 12g에 나타낸 바와 같이 레이트 연구 시험이 종료된 후, 이어서 다음 50회의 사이클이 0.2C에서 방전되고 0.2C에서 충전되었다. 정전류 충전에 이어 전류가 0.05C 이하일 때까지 정전압 충전을 행하였다. 실시예 5로부터 제조된 재료에 대한 2.75V 내지 4.5V의 dQ/dV 미분 플롯이 도 12h에 도시된다. 4.1V 내지 4.3V에서 피크들이 없는 것은 이 발명 재료에서 육방정계에서 단사정계로의 상변화가 없음을 나타낸다.
전술한 충전식 배터리 셀은 일반적으로 임의의 유형의 전자 디바이스에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 13은 프로세서(1302), 메모리(1304) 및 디스플레이(1308) - 이들 모두는 배터리(1306)에 의해 전력 공급됨 - 를 포함하는 휴대용 전자 디바이스(1300)를 나타낸다. 휴대용 전자 디바이스(1300)는 랩톱 컴퓨터, 휴대 전화, PDA, 태블릿 컴퓨터, 휴대용 미디어 플레이어, 디지털 카메라 및/또는 다른 유형의 배터리 전력 공급되는 전자 디바이스에 대응할 수 있다. 배터리(1306)는 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩에 대응할 수 있다. 각각의 배터리 셀은 애노드 집전체, 및 애노드 집전체 위에 배치된 애노드 활물질을 포함하는 애노드를 포함할 수 있다. 배터리 셀은 또한 캐소드 집전체 및 캐소드 집전체 위에 배치된 캐소드 활물질을 포함하는 캐소드를 포함할 수 있다. 캐소드 및 애노드는 가요성 파우치 내에 밀봉될 수 있다.
캐소드 활물질은 xLi2MO3·(1-x)LiCoyM'(1-y)O2로 나타내어지는 조성물을 가질 수 있다. M은 망간, 티타늄, 루테늄 및/또는 지르코늄일 수 있다. M'는 1가 양이온, 2가 양이온, 3가 양이온, 4가 양이온, 및/또는 루테늄 양이온일 수 있다. 예를 들어, M 또는 M'는 동일할 수 있거나 동일하지 않을 수 있는 화학양론 수들을 갖는 금속 이온들의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 0.01 ≤ x ≤ 0.50이고, 0.5 ≤ y < 1.00이다. 대안적으로, y = 1.00이고, M은 Mn이고, 조성물은 xLi2MnO3·(1-x)LiCoO2이다.
전술한 다양한 실시예들에 대한 설명은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이는 본 발명을 총망라하거나 개시된 형태들로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 많은 수정들 및 변경들이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 또한, 전술한 개시 내용은 본 발명을 한정하도록 의도되지 않는다.

Claims (31)

  1. 배터리 셀로서,
    애노드 - 상기 애노드는,
    애노드 집전체, 및
    상기 애노드 집전체 위에 배치된 애노드 활물질을 포함함 -; 및
    캐소드 - 상기 캐소드는,
    캐소드 집전체, 및
    xLi2MnO3·(1-x)LiCoyAl(1-y)O2로 나타내어지는 조성물을 갖는, 상기 캐소드 집전체 위에 배치된 캐소드 활물질을 포함하고,
    0.01 ≤ x < 0.30이며;
    0.8 ≤ y < 1.00 임 ―
    를 포함하는, 배터리 셀.
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  8. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 활물질로부터 가역적으로 추출될 수 있는 리튬의 양은 165mAh/g보다 큰, 배터리 셀.
  9. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 활물질로부터 가역적으로 추출될 수 있는 리튬의 양은 200mAh/g보다 큰, 배터리 셀.
  10. 휴대용 전자 디바이스로서,
    배터리 팩에 의해 전력 공급되는 컴포넌트들의 세트; 및
    상기 배터리 팩
    을 포함하며, 상기 배터리 팩은,
    배터리 셀을 포함하고, 상기 배터리 셀은,
    애노드 - 상기 애노드는,
    애노드 집전체, 및
    상기 애노드 집전체 위에 배치된 애노드 활물질을 포함함 -; 및
    캐소드 - 상기 캐소드는,
    캐소드 집전체, 및
    xLi2MnO3·(1-x)LiCoyAl(1-y)O2로 나타내어지는 조성물을 갖는, 상기 캐소드 집전체 위에 배치된 캐소드 활물질을 포함하고,
    0.01 ≤ x < 0.30이며;
    0.8 ≤ y < 1.00임 -
    를 포함하는, 휴대용 전자 디바이스.
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  15. 배터리 셀용 캐소드로서,
    캐소드 집전체; 및
    xLi2MnO3·(1-x)LiCoyAl(1-y)O2로 나타내어지는 조성물을 갖는, 상기 캐소드 집전체 위에 배치된 캐소드 활물질
    을 포함하고,
    0.01 ≤ x < 0.30이며;
    0.8 ≤ y < 1.00인, 배터리 셀용 캐소드.
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  21. 캐소드 활물질 조성물로서,
    xLi2MnO3·(1-x)LiCoyAl(1-y)O2로 나타내어지는 조성물을 갖고,
    0.01 ≤ x < 0.30이며;
    0.8 ≤ y < 1.00인, 캐소드 활물질 조성물.
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