KR101941638B1 - Manufacturing method of cathode active material for a lithium secondary battery and cathode active material obtained thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극 활물질 전구체의 제조방법에 관한 것으로서, 간단한 공정을 통해 나노 사이즈의 1차 입자인 전구체 표면에 존재하는 니켈만을 선택적으로 제거함으로써, 종래 build-up 방식으로 제조한 코어쉘 구조의.양극 활물질 전구체 또는 양극 활물질에 비해 미세적인 제어가 가능하다.The present invention relates to a method for producing a precursor of a cathode active material, and more particularly, to a method for producing a precursor of a cathode shell, which is produced by a conventional build-up method by selectively removing only nickel present on the surface of a precursor, Fine control over the active material precursor or the cathode active material is possible.

Description

리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법 및 이를 통해 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질{Manufacturing method of cathode active material for a lithium secondary battery and cathode active material obtained thereby}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery, and a cathode active material for a lithium secondary battery,

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체의 제조방법과 이를 통해 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체 및 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법과 이를 통해 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질에 관한 것이다.The present invention relates to a precursor of a cathode active material for a lithium secondary battery, and more particularly, to a method for producing a precursor of a cathode active material for a lithium secondary battery, a precursor for a cathode active material for a lithium secondary battery and a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery To a cathode active material for a lithium secondary battery.

일반적으로 리튬이온전지는 그 기술이 발견된 이후, 더욱 많은 연구와 개발을 통해 현재에는 휴대폰이나, 전기 자동차의 에너지를 저장하기 위한 수단 등 다양한 분야에 이용되기 시작하였다. 특히 전자기기가 소형화 휴대화됨에 따라 경량이고 에너지 밀도가 높은 리튬이차 전지의 수요가 크게 증가하였다.In general, lithium-ion batteries have been used in a variety of fields since the discovery of the technology, through more research and development, nowadays, such as cell phones and means for storing energy in electric vehicles. Particularly, as electronic devices have become compact and portable, there has been a great increase in the demand for lightweight and high energy density lithium secondary batteries.

이러한 리튬 이차전지의 대표적인 양극 활물질로, LiCoO2, LiMn2O2, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1) 등의 리튬 금속 산화물들과, 기존의 LiCoO2 일변도에서 벗어나 용량이 높은 3원계 물질(Li[Ni,Co,Al]O3) 및 저렴한 가격이 LiMnO4, LiFePO4 등이 공지되어 있다.As representative cathode active material of the lithium secondary battery, LiCoO 2, LiMn 2 O 2 , LiNiO 2, LiNi 1-x Co x O 2 (0 <x <1) such as a lithium metal oxide, and, in the conventional LiCoO 2 ilbyeondo of (Li [Ni, Co, Al] O 3 ) and LiMnO 4 and LiFePO 4 are known at low cost.

기존의 LiCoO2는 저장용량이 크고 충방전 특성이 우수하여 많은 관심을 받았지만, 여기에 이용되는 희귀금속인 Co는 전세계적으로 매장량이 적고 생산지가 특정지역에 집중되어 있어 공급 측면에서 불안정하고, 인체에 독성이 있어 새로운 재료 개발이 요구되고 있다.Conventional LiCoO 2 has attracted a great deal of attention due to its large storage capacity and excellent charge / discharge characteristics. However, Co, which is a rare metal used for this purpose, is unstable in terms of supply because the reserves are small in the world and production sites are concentrated in specific regions. And it is required to develop new materials.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, Co와 같은 희귀금속의 함량을 최소화하는 방향으로 연구가 진행되었고, 이의 결과로 상대적으로 부존량 문제가 덜한 Ni, Mn, Fe 등을 이용한 층상 암염형 구조의 LiNiO2, 스피넬 구조의 LiMn2O4 및 올리빈 구조의 LiFePO4 등이 개발되었으나, NiO2 결정구조가 불안정하여 LiNiO2 단독으로 사용할 수 없고, 순수한 층상 구조를 갖는 물질로의 합성이 어려우며, 충전 후 반응성이 매우 좋은 Ni4+ 이온 때문에 록솔트(rocksalt)형 구조를 갖는 LixNi1-xO로 전이되면서 과량의 산소를 방출하므로 수명 및 열적 불안정성 때문에 상품화되지 못하였다.In order to solve the above problems, research has been carried out in the direction of minimizing the amount of rare metals such as Co. As a result, LiNiO 2 having a layered rock salt structure using Ni, Mn, Fe, LiNi 2 O 4 with a spinel structure and LiFePO 4 with an olivine structure have been developed. However, since the NiO 2 crystal structure is unstable, LiNiO 2 alone can not be used, and it is difficult to synthesize a material having a pure layered structure. Because of the very good Ni 4+ ions, Li x Ni 1-x O, which has a rocksalt structure, is transferred to Li x Ni 1-x O and releases excess oxygen, so that it can not be commercialized due to its longevity and thermal instability.

이러한 점을 극복하기 위하여 하이니켈계 리튬 산화물이 제안되었으나, 이 역시 고온저장 특성 및 수명에 문제점을 가지고 있기 때문에, 사이클 특성, 고율 특성 및 열적 안정화와 같이 아직 개선해야할 부분들이 존재한다는 한계를 보였다.In order to overcome this problem, a high-nickel-based lithium oxide has been proposed. However, since it also has a problem in high-temperature storage characteristics and life span, it still has limitations such as cycle characteristics, high-rate characteristics and thermal stability.

이를 해결하기 위한 방법으로 높은 함량의 니켈계 양극 활물질로 이루어진 코어와 고안정성 특성을 가지는 높은 함량의 망간계 양극 활물질로 이루어진 쉘로 구성된 이중층 구조의 양극 활물질들이 개발되었으나(특허문헌 1), 두 반응기를 이용하여, 각각의 반응기에서 수행되는 공침 공정의 전구체의 농도를 조절하여 서로 다른 조성을 갖도록 함으로써, 공정과정을 조절하는 것이 어렵고, 긴 시간이 요구될 뿐만 아니라, 실질적으로 1차 입자들은 여전히 니켈 다량(Ni rich) 또는 망간 다량(Mn rich) 중 어느 한 특성만을 보여주므로 니켈 다량(Ni rich) 부분에 안정성이 여전히 낮다.As a method for solving this problem, there has been developed a dual-layered cathode active material composed of a core composed of a high-content nickel-based cathode active material and a shell composed of a high-content manganese-based cathode active material having high stability characteristics (Patent Document 1) By adjusting the concentration of the precursors in the coprecipitation process carried out in each reactor to have different compositions, it is difficult and time-consuming to control the process, and substantially the primary particles still retain a large amount of nickel Ni rich) or manganese (Mn rich). Therefore, the stability of the Ni rich portion is still low.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 습식 침출방법을 도입하여 쉽고 간단하게 중심부와 표면부의 금속 조성을 제어할 수 있는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체와 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery and a positive electrode active material for a lithium secondary battery capable of easily and simply controlling the metal composition of a center portion and a surface portion by introducing a wet leaching method, And a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은 상술한 제조방법을 이용하여 용량 및 안정성이 우수한 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체 및 리튬 이차전지용 양극 활물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery and a positive electrode active material for a lithium secondary battery excellent in capacity and stability using the above-described manufacturing method.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 양극 활물질을 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a secondary battery comprising the cathode active material.

본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 아래 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for preparing a precursor of a cathode active material for a lithium secondary battery, comprising the steps of:

Ⅰ) 니켈염, 망간염 및 코발트염을 포함하는 금속염 수용액, 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 공침시켜 하기 화학식 1로 표시되는 공침 화합물을 제조하는 단계; 및(I) preparing a coprecipitated compound represented by the following formula (I) by coprecipitation with a metal salt aqueous solution containing a nickel salt, a manganese salt and a cobalt salt, a chelating agent and a basic aqueous solution in a reactor; And

Ⅱ) 상기 공침 화합물에 침출용액을 가하여, 상기 공침 화합물 표면에 존재하는 특정 금속만 침출시키는 단계;를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체의 제조방법.(II) adding a leaching solution to the coprecipitation compound to leach only a specific metal present on the surface of the coprecipitation compound.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

NixCoyMn(1-x-y)(OH)2 Ni x CoyMn (1-xy) (OH) 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.5 ≤ x ≤ 0.75, 0.1 ≤ y ≤ 0.24, 0.01 ≤ 1-x-y ≤ 0.4이다.0.5? X? 0.75, 0.1? Y? 0.24, and 0.01? 1-x-y? 0.4.

상기 킬레이트제는 암모니아 수용액(NH4OH), 황산암모늄((NH4)2SO4), 질산암모늄(NH4NO3), 제1 인산암모늄((NH4)2HPO4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.The chelating agent is an aqueous ammonia solution (NH 4 OH), ammonium sulfate ((NH 4) 2 SO 4 ), ammonium nitrate (NH 4 NO 3), first ammonium phosphate ((NH 4) 2 HPO 4 ) , and mixtures thereof &Lt; / RTI &gt;

상기 니켈염, 코발트 및 망간염의 몰비는 0.5~0.85 : 0.05~0.3 : 0~0.45일 수 있다.The molar ratio of the nickel salt, cobalt and manganese salt may be 0.5-0.85: 0.05-0.3: 0-0.45.

상기 특정 금속은 (ⅰ)니켈이거나 또는 (ⅱ)니켈 및 코발트일 수 있다.The specific metal may be (i) nickel or (ii) nickel and cobalt.

상기 침출용액은 알칼리 침출용액, 산 침출용액, 고분자 침출용액, 유기용매 침출용액 및 이들 2 종이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.The leaching solution may be any one selected from the group consisting of an alkali leaching solution, an acid leaching solution, a polymer leaching solution, an organic solvent leaching solution, and a mixture of two or more of them.

상기 산 침출용액은 황산 용액일 수 있다.The acid leaching solution may be a sulfuric acid solution.

상기 양극 활물질 전구체의 표면 평균 두께는 10 ㎚ 내지 1 ㎛일 수 있다.The average surface thickness of the cathode active material precursor may be 10 nm to 1 탆.

상기 Ⅰ) 단계 및 상기 Ⅱ) 단계는 모두 10 내지 100 ℃에서 수행되는 것일 수 있다.The step (I) and the step (II) may all be carried out at 10 to 100 ° C.

본 발명은 상기 다른 목적을 이루기 위하여, 중심부; 및 상기 중심부를 감싸도록 형성된 표면부로 이루어진 구형의 양극 활물질 전구체를 제공한다.In order to achieve the above other object, according to the present invention, And a surface portion formed so as to surround the center portion of the cathode active material precursor.

상기 양극 활물질 전구체의 중심부는 하기 화학식 1a로 표시되고,A center portion of the cathode active material precursor is represented by the following Formula 1a,

상기 양극 활물질 전구체의 표면부는 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 한다.The surface portion of the cathode active material precursor is represented by the following Chemical Formula 2.

[화학식 1a][Formula 1a]

Nix1Coy1Mn(1-x1- y1 )(OH)2 Ni x1 Co y1 Mn (1-x1- y1 ) (OH) 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.5 ≤ x1 ≤ 0.75, 0.1 ≤ y1 ≤ 0.24이다.0.5? X1? 0.75, and 0.1? Y1? 0.24.

[화학식 2](2)

Nix2Coy2Mn1 -x2- y2(OH)2 Ni x2 Co y2 Mn 1 -x2- y2 (OH) 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.0 ≤ x2 ≤ x1, 0.0 ≤ y2 ≤ y1이다.0.0? X2? X1, and 0.0? Y2? Y1.

(ⅰ) 상기 니켈의 농도 또는 (ⅱ) 상기 니켈 및 상기 코발트의 농도는 상기 표면부 내측으로부터 상기 표면부 외측방향으로 갈수록 낮아지는 농도 구배 구조를 갖는 것일 수 있다.(I) the concentration of nickel or (ii) the concentration of nickel and cobalt may have a concentration gradient structure that decreases from the inside of the surface portion toward the outside of the surface portion.

상기 양극 활물질 전구체의 중심부의 평균 직경은 1 내지 10 ㎛일 수 있고, 상기 양극 활물질 전구체의 표면부의 평균 두께는 10 ㎚ 내지 1 ㎛일 수 있다.The average diameter of the center portion of the cathode active material precursor may be 1 to 10 mu m and the average thickness of the surface portion of the cathode active material precursor may be 10 nm to 1 mu m.

상기 양극 활물질 전구체는 중심부 및 표면부 모두 층상구조일 수 있다.The cathode active material precursor may have a layered structure in both the central portion and the surface portion.

상기 양극 활물질 전구체의 탭밀도는 2.4 내지 3 g/㎤일 수 있다.The tap density of the cathode active material precursor may be 2.4 to 3 g / cm &lt; 3 &gt;.

상기 양극 활물질 전구체의 표면부의 표면은 고르지 않은 표면을 갖는 것일 수 있다.The surface of the surface portion of the cathode active material precursor may have an uneven surface.

본 발명은 상기 또 다른 목적을 이루기 위하여, 아래 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cathode active material for a lithium secondary battery, comprising the steps of:

Ⅰ) 니켈염, 망간염 및 코발트염을 포함하는 금속염 수용액, 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 공침시켜 하기 화학식 1로 표시되는 공침 화합물을 제조하는 단계;(I) preparing a coprecipitated compound represented by the following formula (I) by coprecipitation with a metal salt aqueous solution containing a nickel salt, a manganese salt and a cobalt salt, a chelating agent and a basic aqueous solution in a reactor;

Ⅱ) 상기 공침 화합물에 침출용액을 가하여, 상기 공침 화합물 표면에 존재하는 특정 금속만 침출시키는 단계; 및II) adding a leaching solution to the coprecipitation compound to leach only a specific metal present on the surface of the coprecipitation compound; And

Ⅲ) 상기 양극 활물질 전구체에 리튬염을 혼합한 후, 소성하는 단계.III) mixing the lithium salt with the cathode active material precursor, followed by firing.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

NixCoyMn(1-x-y)(OH)2 Ni x Co y Mn (1-xy) (OH) 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.5 ≤ x ≤ 0.75, 0.1 ≤ y ≤ 0.24이다.0.5? X? 0.75, and 0.1? Y? 0.24.

상기 특정 금속은 (ⅰ)니켈이거나 또는 (ⅱ)니켈 및 코발트일 수 있다.The specific metal may be (i) nickel or (ii) nickel and cobalt.

상기 Ⅲ) 단계에서 열처리는 400 내지 900 ℃에서 수행되는 것일 수 있다.In the step (III), the heat treatment may be performed at 400 to 900 ° C.

또한, 본 발명은 상기 또 다른 목적을 이루기 위하여, 중심부; 및 상기 중심부를 감싸도록 형성된 표면부로 이루어진 구형의 양극 활물질로, 상기 양극 활물질 전구체의 중심부는 하기 화학식 3으로 표시되고, 상기 양극 활물질 전구체의 표면부는 하기 화학식 4로 표시되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질을 제공한다.According to another aspect of the present invention, And a surface portion formed to surround the center portion, wherein a center portion of the cathode active material precursor is represented by the following Formula 3, and a surface portion of the cathode active material precursor is represented by the following Formula 4: Thereby providing a cathode active material.

[화학식 3](3)

Li[Nix3Coy3Mn(1-x3- y3 )]O2 Li [Ni x 3 Co y 3 Mn (1-x 3-y 3 ) ] O 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.5 ≤ x3 ≤ 0.75, 0.1 ≤ y3 ≤ 0.24이다.0.5? X3? 0.75, and 0.1? Y3? 0.24.

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Li[Nix4Coy4Mn1 -x4- y4]O2 Li [Ni x 4 Co y 4 Mn 1 -x 4-y 4 ] O 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.0 ≤ x4 ≤ x3, 0.0 ≤ y4 ≤ y3이다.0.0? X4? X3, and 0.0? Y4? Y3.

시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가방법에 따라 측정된 상기 양극 활물질의 최대 발열 피크 온도는 265 ℃ 내지 275 ℃일 수 있다.The maximum exothermic peak temperature of the cathode active material measured according to the thermal stability evaluation method using a differential scanning calorimeter may be 265 ° C to 275 ° C.

시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가방법에 따라 측정된 상기 양극 활물질의 발열량은 350 내지 385 W/g일 수 있다.The calorific value of the cathode active material measured according to the thermal stability evaluation method using a differential scanning calorimeter may be 350 to 385 W / g.

본 발명은 상기 또 다른 목적을 이루기 위하여, 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.The lithium secondary battery includes the cathode active material.

상기 리튬 이차전지는 만충전 상태에서 60 내지 90 ℃에서 5 내지 10일 동안 보관한 후, 2.5 내지 4.3 V의 전압 범위, 상온에서 10 내지 100 사이클의 충방전을 수행하는 경우 방전 용량 보유력(discharge capacity retention)이 99.9 내지 90%일 수 있다.When the lithium secondary battery is stored in a fully charged state at 60 to 90 ° C for 5 to 10 days and then charged and discharged in a voltage range of 2.5 to 4.3 V and at a room temperature for 10 to 100 cycles, retention may be 99.9 to 90%.

또한, 본 발명은 상기 또 다른 목적을 이루기 위하여, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a battery module including the secondary battery as a unit cell.

또한, 본 발명은 상기 또 다른 목적을 이루기 위하여, 상기 전지모듈을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a device using the battery module as a power source.

상기 디바이스는 전기자동차 또는 하이브리드 전기 자동차 또는 전력저장장치 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The device may be any one selected from an electric vehicle or a hybrid electric vehicle or a power storage device.

본 발명은 간단한 공정을 통해 나노 사이즈의 1차 입자인 전구체 표면에 존재하는 니켈만을 선택적으로 제거함으로써, 종래 build-up 방식으로 제조한 코어쉘 구조의.양극 활물질 전구체 또는 양극 활물질에 비해 미세적인 제어가 가능하다.The present invention relates to a core shell structure manufactured by a conventional build-up method by selectively removing only nickel present on the surface of a precursor, which is a nano-sized primary particle, through a simple process. As compared with a cathode active material precursor or a cathode active material, Is possible.

또한, 습식 기박의 표면 침출 공정은 현재 상용중인 일반적인 공침 제조 공정의 수세 공정 등에 손쉽게 적용될 수 있어 공정단가에 큰 이점이 있다.In addition, the surface leaching process of the wet film can be easily applied to the washing process of the common co-production process currently in commercial use, which has a great advantage in the process cost.

또한, 습식 기반의 표면 침출 공정은 사용화 및 대형화하는데 전혀 문제가 없다.In addition, the wet-based surface leaching process has no problems in use and size.

또한, 본 발명의 제조방법을 통해 형성된 양극 활물질 전구체는 리튬 전구체와 혼합 및 소성하여 최종 양극 활물질을 제조할 시, 양극 활물질 전구체의 중심부와 표면부 구조르 그대로 유지하기 때문에, 추가 공정을 요구하지 않는다.Further, when the cathode active material precursor formed through the manufacturing method of the present invention is mixed with and calcined with the lithium precursor to produce the final cathode active material, the center portion and the surface structure of the cathode active material precursor are maintained as they are, .

게다가, 본 발명의 양극 활물질 전구체를 이용하여 제조된 양극 활물질은 표면에 니켈을 전혀 포함하지 않아 안정성은 높아지면서 공용량을 발현할 수 있는 효과를 달성할 수 있다.In addition, the positive electrode active material prepared using the positive electrode active material precursor of the present invention does not contain nickel at all on its surface, so that it is possible to achieve an effect of exhibiting a void capacity while increasing stability.

도 1a는 본 발명에 따른 양극 활물질 전구체의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 양극 활물질의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1c는 본 발명에 따른 양극 활물질 전구체의 공정 모식도이다.
도 2는 비교예 1로부터 제조된 양극 활물질 전구체(a) 및 실시예 1로부터 제조된 양극 활물질 전구체(b)를 전자주사현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3은 실시예 1로부터 제조된 양극 활물질 전구체를 전자주사현미경으로 촬영한 사진(a)과 이를 전자 탐침 미량 분석기법을 통해 두께에 따라 금속 조성을 분석하여 나타낸 그래프(b)이다.
도 4는 실시예 2로부터 제조된 양극 활물질(적섹)과 비교예 2로부터 제조된 양극 활물질(흑색)의 고온 저장 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 2로부터 제조된 양극 활물질(적섹)과 비교예 2로부터 제조된 양극 활물질(흑색)을 4.3 V까지 만충전 시킨 후, 시차 주사 열량 측정법(DSC)를 통해 열안정성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
1A is a cross-sectional view illustrating the structure of a cathode active material precursor according to the present invention.
1B is a cross-sectional view illustrating a structure of a cathode active material according to the present invention.
FIG. 1C is a schematic process diagram of a cathode active material precursor according to the present invention. FIG.
2 is a photograph of the cathode active material precursor (a) prepared in Comparative Example 1 and the cathode active material precursor (b) prepared in Example 1 by a scanning electron microscope.
FIG. 3 is a photograph (a) of the cathode active material precursor prepared in Example 1 by an electron scanning microscope and FIG. 3 (b) is a graph showing the analysis of the metal composition according to the thickness through an electron probe microanalysis technique.
4 is a graph showing the high temperature storage cycle characteristics of the cathode active material (Wet Sek) prepared in Example 2 and the cathode active material (black) prepared in Comparative Example 2. FIG.
5 is a graph showing the results of evaluating the thermal stability of the positive electrode active material prepared in Example 2 (Wetting) and the positive electrode active material (black) prepared in Comparative Example 2 up to 4.3 V by means of differential scanning calorimetry (DSC) Fig.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

종래 양극 활물질에서 니켈의 노출로 인하여 안정성이 크게 저하되는 문제 등을 해결하고, 고안정성, 고용량 등을 달성하기 위하여 코어-쉘 구조를 갖는 양극 활물질의 개발이 이루어졌다. 이를 제조하기 위한 방법으로 공정시 전이금속의 투입비율을 조절하는 build-up 방식이 제안되었는데, 이는 공정의 조절이 어렵고, 코어쉘 구조의 설계면에서 니켈 다량(rich), 부분의 안정성을 여전히 해결하지 못하였다.Development of a cathode active material having a core-shell structure has been developed in order to solve the problem that the stability is largely lowered due to exposure of nickel in the conventional cathode active material, and to achieve high stability and high capacity. A build-up method to control the input ratio of the transition metal in the process has been proposed. This is because it is difficult to control the process, and the core shell structure is still rich in nickel, I can not.

그러나, 본 발명에서는 상술한 문제점을 선도적으로 인지하여 쉽고 간단한 공정을 통해, 양극 활물질의 고용량을 달성함과 동시에 안정성을 확보하고자, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
However, in the present invention, the present invention has been accomplished in order to achieve a high capacity of the positive electrode active material and to secure the stability of the positive electrode active material through an easy and simple process by recognizing the above-mentioned problems.

본 발명의 일 측면에 따르면, 아래 단계를 포함하는 양극 활물질 전구체의 제조방법에 관한 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a cathode active material precursor including the following steps.

Ⅰ) 니켈염, 망간염 및 코발트염을 포함하는 금속염 수용액, 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 공침시켜 하기 화학식 1로 표시되는 공침 화합물을 제조하는 단계; 및(I) preparing a coprecipitated compound represented by the following formula (I) by coprecipitation with a metal salt aqueous solution containing a nickel salt, a manganese salt and a cobalt salt, a chelating agent and a basic aqueous solution in a reactor; And

Ⅱ) 상기 공침 화합물에 침출용액을 가하여, 상기 공침 화합물 표면에 존재하는 특정 금속만 침출시키는 단계.II) adding a leaching solution to the coprecipitation compound to leach only a specific metal present on the surface of the coprecipitation compound;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

NixCoyMn(1-x-y)(OH)2 Ni x CoyMn (1-xy) (OH) 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.5 ≤ x ≤ 0.75, 0.1 ≤ y ≤ 0.24이다.0.5? X? 0.75, and 0.1? Y? 0.24.

도 1c는 본 발명에 따른 양극 활물질 전구체의 공정 모식도이다.FIG. 1C is a schematic process diagram of a cathode active material precursor according to the present invention. FIG.

이를 참고로 하면 우선, Ⅰ) 니켈염, 망간염 및 코발트염을 포함하는 금속염 수용액, 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 공침시켜 하기 화학식 1로 표시되는 공침 화합물을 제조한다.First, I) a coprecipitated compound represented by the following Chemical Formula 1 is prepared by mixing a metal salt aqueous solution containing a nickel salt, a manganese salt and a cobalt salt, a chelating agent and a basic aqueous solution in a reactor and coprecipitating it.

상기 니켈염, 망간염 및 코발트염과 같은 금속염은 물에 용해될 수 있다면 특별히 이에 제한되지는 않으나. 바람직하게는 황산염, 질산염, 초산염, 할라이드, 수산화물 등이 사용될 수 있다.The metal salts such as the nickel salts, manganese salts and cobalt salts are not particularly limited as long as they can be dissolved in water. Sulfates, nitrates, nitrates, halides, hydroxides and the like may be preferably used.

이때, 상기 니켈염, 코발트염 및 망간염의 몰비는 0.5~0.85 : 0.05~0.3 : 0~0.45 일 수 있는데, 바람직하게 상기 니켈염, 코발트염 및 망간염의 몰비는 0.5~0.75 : 0.1~0.24 : 0.01~0.4로 조절하는 것이 양극 활물질의 용량 면에서 바람직하다.The molar ratio of the nickel salt, the cobalt salt and the manganese salt may be 0.5 to 0.85: 0.05 to 0.3: 0 to 0.45, preferably 0.5 to 0.75: 0.1 to 0.24 : 0.01 to 0.4 is preferable in view of the capacity of the cathode active material.

상기 킬레이트제는 암모니아 수용액(NH4OH), 황산암모늄((NH4)2SO4), 질산암모늄(NH4NO3), 제1 인산암모늄((NH4)2HPO4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.The chelating agent is an aqueous ammonia solution (NH 4 OH), ammonium sulfate ((NH 4) 2 SO 4 ), ammonium nitrate (NH 4 NO 3), first ammonium phosphate ((NH 4) 2 HPO 4 ) , and mixtures thereof &Lt; / RTI &gt;

상기 킬레이팅제와 상기 금속염 수용액의 몰비는 0.2-0.5 : 1인 것이 바람직한데, 킬레이팅제의 몰비가 0.5를 초과하게 되면 킬레이팅제와 금속 수용액을 1:1로 반응하지만 중간 생성물이 다시 암모니아로 회수되기 때문에, 킬레이팅제가 과포화상태가 될 수 있기 때문이고, 0.2 미만이면 결정성이 낮아져 안정화정도가 크게 저하되는 문제가 발생할 수 있다.The molar ratio of the chelating agent to the metal salt aqueous solution is preferably 0.2-0.5: 1. When the molar ratio of the chelating agent exceeds 0.5, the chelating agent reacts with the metal aqueous solution at a ratio of 1: 1, The chelating agent can be in a supersaturated state. If the chelating agent is less than 0.2, the crystallinity is lowered, and the degree of stabilization may be significantly lowered.

또한, 상기 염기성 용액은 pH를 10.5 내지 12로 유지해주기 위한 것으로, NaOH, KOH 및 이들의 혼합액을 사용할 수 있다.In addition, the basic solution is used to maintain the pH at 10.5 to 12, and NaOH, KOH, and a mixture thereof can be used.

상기 단계에서 공침 반응기 내에 체류하는 시간을 조절함으로써 공침 화합물의 밀도를 제어할 수 있는데, 바람직하게는 1 내지 5 시간일 수 있고, 이후 제조되는 상기 양극 활물질 전구체의 탭밀도가 2.4 내지 3 g/㎤로 형성되도록 하기 위해서는 2 내지 4 시간 체류시키는 것이 가장 바람직하다.The density of the coprecipitation compound can be controlled by adjusting the time of residence in the coprecipitation reactor in the above step, preferably 1 to 5 hours, and the tap density of the cathode active material precursor to be produced thereafter is 2.4 to 3 g / It is most preferable to hold it for 2 to 4 hours.

이후, Ⅱ) 상기 공침 화합물에 침출용액을 가하여, 상기 공침 화합물 표면에 존재하는 특정 금속만 침출시킨다. 이러한 과정을 통해서, 제조된 양극 활물질 전구체 입자는 표면부의 내측부터 표면부 외측까지 특정 금속의 농도가 감소하는, 농도 구배 구조를 갖는다.Thereafter, (II) the leaching solution is added to the coprecipitation compound to leach only the specific metal present on the surface of the coprecipitation compound. Through this process, the prepared cathode active material precursor particles have a concentration gradient structure in which the concentration of a specific metal decreases from the inside of the surface portion to the outside of the surface portion.

상기 침출용액은 알칼리 침출용액, 산 침출용액, 고분자 침출용액, 유기용매 침출용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.The leaching solution may be any one selected from the group consisting of an alkali leaching solution, an acid leaching solution, a polymer leaching solution, and an organic solvent leaching solution.

상기 특정 금속이라 함은 (ⅰ)니켈이거나 또는 (ⅱ)니켈 및 코발트를 나타내는 것이다. 이는 침출용액에 따라 적절히 선택될 수 있는데, 바람직하게는 염산, 질산 및 황산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 특히 바람직하게 황산 용액을 침출용액으로 사용할 경우, 니켈과 코발트를 특정 금속으로 침출할 수 있다.The specific metal is (i) nickel or (ii) nickel and cobalt. It may be suitably selected according to the leaching solution, preferably at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid, and particularly preferably, when a sulfuric acid solution is used as the leaching solution, nickel and cobalt It can leach.

상기 알칼리 침출용액은 수산화나트륨일 수 있다.The alkali leaching solution may be sodium hydroxide.

상기 Ⅱ) 단계는 용액이 고르게 섞여있는 조건(perfect mixing) 한 조건 범위에서 수행될 수 있다.The step (II) may be carried out under a condition that the solution is perfectly mixed.

상기 양극 활물질 전구체의 제조방법을 통해서, 1 내지 10 ㎛의 평균 직경을 갖는 중심부(110)와 10 ㎚ 내지 1 ㎛의 평균 두께를 갖는 표면부(120)를 갖는 양극 활물질 전구체를 종래 양극 활물질 전구체에 비해 현저히 미세한 크기의 미세 코어-쉘 형태로, 제어하여 제조할 수 있다는 점에 장점이 있다.The cathode active material precursor having the center portion 110 having an average diameter of 1 to 10 mu m and the surface portion 120 having an average thickness of 10 nm to 1 mu m can be produced through the production method of the cathode active material precursor The microcore-shell type microcrystalline cellulose microspheres of the present invention can be manufactured in a controlled manner.

상기 양극 활물질 전구체는 상기 표면부(120)의 평균 두께는 10 ㎚ 내지 1 ㎛으로, 구체적으로 상기 표면부(120)의 평균 두께 10 ㎚ 내지 1 ㎛ 내에서 침출 용액에 의해 상기 특정 금속이 침출되는데, 상기 특정 금속이 감소하는 방향으로 농도 구배 구조를 갖는 영역이기도 하다.In the cathode active material precursor, the average thickness of the surface portion 120 is 10 nm to 1 占 퐉, specifically, the specific metal is leached by the leaching solution within an average thickness of 10 nm to 1 占 퐉 of the surface portion 120 , And a region having a concentration gradient structure in a direction in which the specific metal decreases.

또한, 상술한 제조과정을 통해 상기 표면부(120)와 상기 중심부(110)로 확연한 이중층 구조를 가지는 양극 활물질 전구체(100)가 제조되고, 이렇게 제조된 상기 양극 활물질 전구체(100)는 상기 표면부(120)와 상기 중심부(110)가 모두 층상 구조를 가지기 때문에, 충방전 반응성이 높고 전지의 고율 특성을 향상시킬 수 있다.Also, the cathode active material precursor 100 having the double-layered structure defined by the surface portion 120 and the center portion 110 is manufactured through the above-described manufacturing process, and the cathode active material precursor 100, Since the core 120 and the central portion 110 have a layered structure, the charge and discharge reactivity is high and the high-rate characteristics of the battery can be improved.

상기 양극 활물질 전구체(100)의 제조방법은 10 내지 100 ℃에서 수행되는데, 이렇게 양극 활물질 전구체의 전체 공정의 온도를 높이는 이유는 생성된 양극 활물질 전구체가 낮은 온도에서는 착염 형태로 침전되기 때문에, 고밀도의 양극 활물질 전구체를 얻기 어렵기 때문이다. 따라서 상술한 범위를 벗어나는 온도 범위에서 제조될 경우, 양극 활물질 전구체의 밀도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.The method of preparing the cathode active material precursor 100 is performed at a temperature of 10 to 100 ° C. The reason for increasing the temperature of the entire process of the cathode active material precursor is that the produced cathode active material precursor precipitates in a complex form at a low temperature, It is difficult to obtain a cathode active material precursor. Therefore, when the cathode active material is manufactured in a temperature range outside the above range, the density of the cathode active material precursor may be lowered.

상기 양극 활물질 전구체(100)는 공침법을 통해 제조된 층상구조를 갖는 공침 화합물을 침출용액으로 특정 금속을 침출함으로써 제조하므로, 이를 통해 제조된 상기 양극 활물질 전구체는 표면 및 중심 모두 층상구조를 갖는다.The precursor of the cathode active material 100 is prepared by leaching a specific metal with a coprecipitation compound having a layered structure prepared by a coprecipitation method as a leaching solution. The precursor of the cathode active material thus prepared has a layered structure on both the surface and the center.

이는, 층상 구조의 중심부와 구조적 안정성이 우수한 다른 결정 구조를 갖는 표면부로 이루어진 양극 활물질은, 층상 구조가 갖는 낮은 구조적 안정성을 보강하고 니켈의 반응성을 보호하기 위하여, 고용량 특성이 저하되는 문제점이 발생함에도 불구하고, 표면부에 구조적 안정성이 우수한 다른 결정 구조(예로 스피넬 구조)를 갖는 물질을 형성한 것이다.This is because the positive electrode active material composed of the center portion of the layered structure and the surface portion having another crystal structure excellent in structural stability has a problem of lowering the high capacity characteristics in order to reinforce the low structural stability of the layered structure and protect the reactivity of nickel However, a material having another crystal structure (for example, a spinel structure) having excellent structural stability is formed on the surface portion.

이러한 서로 다른 결정 구조를 갖는 중심부와 표면부로 이루어진 양극 활물질은 구조적 안정성은 보강되었을지 몰라도, 층상 구조가 갖는 우수한 고용량 특성은 유지할 수 없다는 문제점이 있다.The cathode active material composed of the center portion and the surface portion having different crystal structures may have reinforced the structural stability but can not maintain excellent high capacity characteristics of the layered structure.

그러나, 본 발명에서 제안하고 있는 상기 제조방법을 통해 양극 활물질 전구체(100)를 제조한다면, 상기 표면부와 상기 중심부 모두 층상구조를 가짐에도 불구하고, 상기 표면부에 존재하는 니켈 또는 니켈 및 코발트만을 침출하는 간단한 공정을 통해, 층상 구조는 유지하면서도 구조적 안정성은 향상되므로, 우수한 고용량 특성을 유지할 수 있다.However, when the cathode active material precursor 100 is manufactured through the above-described manufacturing method proposed in the present invention, although the surface portion and the center portion have a layered structure, only the nickel or nickel and cobalt existing on the surface portion Through the simple process of leaching, the structural stability can be improved while maintaining the layered structure, and thus excellent high-capacity characteristics can be maintained.

또한, 상기 화학식 1에서 Mn의 산화수가 +4가 인 것이 층상구조의 양극 활물질 전구체를 제조할 시, Mn의 산화/환원 반응에 의해 발생된 구조전이(얀-델러 효과;Jahn-Teller effect)를 방지할 수 있어 충방전시 구조 안정화를 꾀하여 수명특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명에서 공침 화합물인 화학식 1에서 Ni의 산화수는 +2가, Mn 산화수는 +4가, Co의 산화수는 +3가인 것이 바람직하다.
In addition, when the oxidation number of Mn is +4 in the above formula (1), the structure transition (the Jahn-Teller effect) generated by the oxidation / reduction reaction of Mn when the positive electrode active material precursor of the layered structure is produced It is possible to improve the life characteristic by stabilizing the structure during charge and discharge. That is, in the present invention, it is preferable that the oxidation number of Ni is +2, the oxidation number of Mn is +4, and the oxidation number of Co is +3.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 중심부; 및 상기 중심부를 감싸도록 형성된 표면부로 이루어진 구형의 양극 활물질 전구체에 관한 것으로, 이에 대한 구조는 도 1a에 구체적으로 나타내었다.According to another aspect of the present invention, And a surface portion formed to surround the center portion. The structure of the cathode precursor is specifically shown in FIG. 1A.

도 1a를 참조하면, 우선 상기 양극 활물질 전구체는 중심부(110)와 상기 중심부(110)을 감싸도록 형성된 표면부(120)로 이루어진 구형의 입자로, 상기 양극 활물질 전구체의 중심부(110)는 하기 화학식 1a로 표시되고, 상기 양극 활물질 전구체의 표면부(120)는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.1A, the cathode active material precursor is a spherical particle composed of a center portion 110 and a surface portion 120 formed to surround the center portion 110. The center portion 110 of the cathode active material precursor is represented by the following formula 1a, and the surface portion 120 of the cathode active material precursor may be represented by the following Chemical Formula 2.

[화학식 1a][Formula 1a]

Nix1Coy1Mn(1-x1- y1 )(OH)2 Ni x1 Co y1 Mn (1-x1- y1 ) (OH) 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.5 ≤ x1 ≤ 0.75 , 0.1 ≤ y1 ≤ 0.24이다.0.5? X1? 0.75, and 0.1? Y1? 0.24.

[화학식 2](2)

Nix2Coy2Mn1 -x2- y2(OH)2 Ni x2 Co y2 Mn 1 -x2- y2 (OH) 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.0 ≤ x2 ≤ x1, 0.0 ≤ y2 ≤ y1이다.0.0? X2? X1, and 0.0? Y2? Y1.

상기 양극 활물질 전구체에서 (ⅰ)상기 니켈의 농도 또는 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트의 농도가 중심부(110)부터 표면부(120) 방향으로 갈수록 낮아지는, 농도 구배 구조를 갖는데, 바람직하게는 도 1a에 나타나 있듯이 표면부(120) 내에 농도 구배 구조가 형성되어 있는 것으로, 표면부(120)의 중심부(110) 쪽의 내측(120a)으로부터 표면부(120)의 외측(120b)으로 (ⅰ)상기 니켈의 농도 또는 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트의 농도가 점차 낮아지는 구조를 나타내는 것이다.The concentration of the nickel or (ii) the concentration of the nickel and the cobalt in the cathode active material precursor is lowered from the central portion 110 toward the surface portion 120, A density gradient structure is formed in the surface portion 120 of the surface portion 120 from the inner side 120a of the central portion 110 side of the surface portion 120 to the outer side 120b of the surface portion 120, The concentration of nickel or (ii) the concentration of nickel and cobalt is gradually lowered.

결국 상기 표면부(120)의 외측(120b)과 가까운 영역에서는 (ⅰ)상기 니켈의 농도 또는 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트의 농도가 거의 제로에 가깝기 때문에 (ⅰ)상기 니켈 또는 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트가 노출됨에 의해 양극 활물질 전구체의 안정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있다.(I) the concentration of nickel or (ii) the concentration of nickel and cobalt is close to zero so that (i) the nickel or (ii) the nickel Nickel and the cobalt are exposed, the problem that the stability of the cathode active material precursor is lowered can be solved.

즉, 본 발명에 따른 상기 양극 활물질 전구체는 표면부(120)를 구조적 안정성을 향상하기 위한 안정성이 우수한 결정 구조를 갖는 물질로 이루어진 층을 형성하거나, 추가로 구비하지 않아도, 구조적 안정성이 우수하므로, 이를 이용하여 양극 활물질을 제조할 경우, 제조된 상기 양극 활물질의 열적 안정성이 매우 뛰어남은 후술하는 실험예를 통해 확인할 수 있다.That is, the cathode active material precursor according to the present invention has a structure in which the surface portion 120 is formed with a layer made of a material having a crystal structure excellent in stability for improving structural stability, or is excellent in structural stability, When the cathode active material is manufactured using the same, the prepared cathode active material has excellent thermal stability, which can be confirmed by the following experimental example.

상기 표면부(120)에서 농도 구배 구조를 갖는 특정 금속이 (ⅰ)상기 니켈인지 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트인지 여부는 상기 양극 활물질을 제조과정에서 사용되는 침출용액에 따라 적절히 선택될 수 있다.Whether the specific metal having a concentration gradient structure in the surface portion 120 is (i) the nickel or (ii) the nickel and cobalt can be appropriately selected according to the leaching solution used in the production of the cathode active material .

상기 양극 활물질 전구체의 중심부(110)의 평균 직경(D1)은 1 내지 10 ㎛일 수 있고, 상기 양극 활물질 전구체의 표면부(120)의 평균 두께(D2)는 10 ㎚ 내지 1 ㎛일 수 있는데, 만일 상기 양극 활물질 전구체의 중심부(110)의 평균 직경(D1)이 1 ㎛ 미만 또는 10 ㎛를 초과할 경우 극판 밀도가 낮아지거나 비표면적의 감소가 발생할 수 있다.The average diameter D1 of the center portion 110 of the cathode active material precursor may be 1 to 10 占 퐉 and the average thickness D2 of the surface portion 120 of the cathode active material precursor may be 10 nm to 1 占 퐉, If the average diameter D1 of the center portion 110 of the cathode active material precursor is less than 1 占 퐉 or more than 10 占 퐉, the density of the electrode plate may be lowered or the specific surface area may be decreased.

또한 상기 양극 활물질 전구체의 표면부(120)의 평균 두께(D2)가 10 ㎚ 미만일 경우, 농도 구배 구조를 갖는 구간이 작아지게 되어, 중심부(110)에 존재하는 니켈이 노출되기 때문에 안정성이 낮아지고, 수명특성도 저하되며, 상기 평균 두께(D2)가 1 ㎛를 초과할 경우 고용량 및 고율의 전기화학적 특성이 저하되는 문제가 발생한다.Also, when the average thickness D2 of the surface portion 120 of the cathode active material precursor is less than 10 nm, the section having the concentration gradient structure becomes small, and the nickel present in the center portion 110 is exposed, And the lifetime characteristics are also deteriorated. When the average thickness (D2) exceeds 1 탆, there arises a problem that the electrochemical characteristics at a high capacity and a high rate are lowered.

상기 양극 활물질 전구체의 탭밀도는 2.4 내지 3 g/㎤인 것이 바람직한데, 탭 밀도가 향상되면 전지의 에너지 밀도가 향상된다.It is preferable that the tap density of the cathode active material precursor is 2.4 to 3 g / cm 3. If the tap density is improved, the energy density of the battery is improved.

이때, 상기 양극 활물질 전구체의 탭밀도는 활물질 전구체 전체의 밀도로, 중심부(110)와 표면부(120)를 모두 포함하는 밀도이다.At this time, the tap density of the cathode active material precursor is the density of the entire active material precursor, including both the center portion 110 and the surface portion 120.

상기 탭밀도(tap density)는 상기 양극 활물질 전구체 전체 부피의 밀도를 나타내는 것으로, 다음과 같은 방법을 통해 측정할 수 있다. 100 ㎤ 셀의 질량(A)을 측정하고, 메쉬(mesh)를 사용하여 상기 다공성 물질을 포함하는 시료를 상기 셀에 자연낙하시켜 충진한다. 이후 스페이서를 장착한 기기를 사용하여 200 회 탭핑(tapping)한 후의 질량(B)과 충진부피(D)를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 탭밀도를 구할 수 있다.The tap density represents the density of the entire volume of the cathode active material precursor and can be measured by the following method. A mass (A) of a 100 cm &lt; 3 &gt; cell is measured, and a sample containing the porous material is naturally dropped into the cell using a mesh. Thereafter, the tap density can be obtained by measuring the mass (B) and the filling volume (D) after 200 times of tapping using a device equipped with a spacer and calculating the tap density by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

탭밀도(g/㎤)= (B-A) / DTap density (g / cm3) = (B-A) / D

상기 양극 활물질 전구체의 표면부(120)의 표면은 고르지 않은 표면을 가질 수 있는데, 이는 고용량 및 고율의 전기화학적 특성을 발현하는 것과 동시에 구조적 안정성을 극대화시킴으로써 사이클 특성 및 수명 특성을 높일 수 있도록 하기 위해, 양극 활물질 전구체의 표면부(120)로부터 침출용액을 이용하여 니켈 및/또는 코발트의 특정 금속을 침출 및 제거하였기 때문이다.The surface of the surface portion 120 of the cathode active material precursor may have an uneven surface, which can exhibit high-capacity and high-rate electrochemical characteristics and maximize structural stability, thereby improving cycle characteristics and lifetime characteristics , And leaching solution from the surface portion (120) of the cathode active material precursor to leach and remove specific metals of nickel and / or cobalt.

상기 양극 활물질(200)의 표면부(120)의 고르지 않은 표면은 다공성 구조로 표현될 수 있다.The uneven surface of the surface portion 120 of the cathode active material 200 may be represented by a porous structure.

또한, 양극 활물질 전구체는 1 내지 10 ㎛의 평균 직경을 갖는 중심부(110)와 10 ㎚ 내지 1 ㎛의 평균 두께를 갖는 표면부(120)의 미세 코어-쉘 형태인데, 이는 종래 양극 활물질 전구체에 비해 현저히 미세한 크기의 입자를 코어-쉘 형태로 제어하여 제조함으로써, 종래 양극 활물질 전구체에서는 달성할 수 없었던 침출에 의한 특이적 다공성 표면 구조를 가지면서도 구조적 및 열적 안정성은 우수한 장점을 갖는다.
The cathode active material precursor is also in the form of a microcore-shell of a surface portion 120 having a center portion 110 having an average diameter of 1 to 10 mu m and an average thickness of 10 nm to 1 mu m which is superior to a conventional cathode active material precursor By controlling the particles having a remarkably fine size in the form of a core-shell, it has an excellent structural and thermal stability while having a specific porous surface structure due to leaching which can not be achieved in the conventional cathode active material precursor.

본 발명의 또 다른 측면은 아래 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery, comprising the steps of:

Ⅰ) 니켈염, 망간염 및 코발트염을 포함하는 금속염 수용액, 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 공침시켜 하기 화학식 1로 표시되는 공침 화합물을 제조하는 단계;(I) preparing a coprecipitated compound represented by the following formula (I) by coprecipitation with a metal salt aqueous solution containing a nickel salt, a manganese salt and a cobalt salt, a chelating agent and a basic aqueous solution in a reactor;

Ⅱ) 상기 공침 화합물에 침출용액을 가하여, 상기 공침 화합물 표면에 존재하는 특정 금속만 침출시키는 단계; 및II) adding a leaching solution to the coprecipitation compound to leach only a specific metal present on the surface of the coprecipitation compound; And

Ⅲ) 상기 양극 활물질 전구체에 리튬염을 혼합한 후, 소성하는 단계.III) mixing the lithium salt with the cathode active material precursor, followed by firing.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

NixCoyMn(1-x-y)(OH)2 Ni x Co y Mn (1-xy) (OH) 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.5 ≤ x ≤ 0.75, 0.1 ≤ y ≤ 0.24이다.0.5? X? 0.75, and 0.1? Y? 0.24.

우선, Ⅰ) 니켈염, 망간염 및 코발트염을 포함하는 금속염 수용액, 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 공침시켜 하기 화학식 1로 표시되는 공침 화합물을 제조한다.First, (I) a metal salt aqueous solution containing a nickel salt, a manganese salt and a cobalt salt, a chelating agent, and a basic aqueous solution are mixed in a reactor and coprecipitated to prepare a coprecipitated compound represented by the following formula (1).

상기 니켈염, 망간염 및 코발트염과 같은 금속염은 물에 용해될 수 있다면 특별히 이에 제한되지는 않으나. 바람직하게는 황산염, 질산염, 초산염, 할라이드, 수산화물 등이 사용될 수 있다.The metal salts such as the nickel salts, manganese salts and cobalt salts are not particularly limited as long as they can be dissolved in water. Sulfates, nitrates, nitrates, halides, hydroxides and the like may be preferably used.

이때, 상기 니켈염, 코발트염 및 망간염의 몰비는 0.5~0.85 : 0.05~0.3 : 0~0.45 일 수 있는데, 바람직하게 상기 니켈염, 코발트염 및 망간염의 몰비는 0.5~0.75 : 0.1~0.24 : 0.01~0.4로 조절하는 것이 양극 활물질의 용량 면에서 바람직하다.The molar ratio of the nickel salt, the cobalt salt and the manganese salt may be 0.5 to 0.85: 0.05 to 0.3: 0 to 0.45, preferably 0.5 to 0.75: 0.1 to 0.24 : 0.01 to 0.4 is preferable in view of the capacity of the cathode active material.

상기 킬레이트제는 암모니아 수용액(NH4OH), 황산암모늄((NH4)2SO4), 질산암모늄(NH4NO3), 제1 인산암모늄((NH4)2HPO4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.The chelating agent is an aqueous ammonia solution (NH 4 OH), ammonium sulfate ((NH 4) 2 SO 4 ), ammonium nitrate (NH 4 NO 3), first ammonium phosphate ((NH 4) 2 HPO 4 ) , and mixtures thereof &Lt; / RTI &gt;

상기 킬레이팅제와 상기 금속염 수용액의 몰비는 0.2-0.5 : 1인 것이 바람직한데, 킬레이팅제의 몰비가 0.5를 초과하게 되면 킬레이팅제와 금속 수용액을 1:1로 반응하지만 중간 생성물이 다시 암모니아로 회수되기 때문에, 킬레이팅제가 과포화상태가 될 수 있기 때문이고, 0.2 미만이면 결정성이 낮아져 안정화정도가 크게 저하되는 문제가 발생할 수 있다.The molar ratio of the chelating agent to the metal salt aqueous solution is preferably 0.2-0.5: 1. When the molar ratio of the chelating agent exceeds 0.5, the chelating agent reacts with the metal aqueous solution at a ratio of 1: 1, The chelating agent can be in a supersaturated state. If the chelating agent is less than 0.2, the crystallinity is lowered, and the degree of stabilization may be significantly lowered.

또한, 상기 염기성 용액은 pH 를 10.5 내지 12로 유지해주기 위한 것으로, NaOH, KOH 및 이들의 혼합액을 사용할 수 있다.In addition, the basic solution is used to maintain the pH at 10.5 to 12, and NaOH, KOH, and a mixture thereof can be used.

상기 단계에서 공침 반응기 내에 체류하는 시간을 조절함으로써 공침 화합물의 밀도를 제어할 수 있는데, 바람직하게는 1 내지 5 시간일 수 있고, 이후 제조되는 양극 활물질 전구체의 탭밀도가 2.4 내지 3 g/㎤로 형성되도록 하기 위해서는 2 내지 4 시간 체류시키는 것이 가장 바람직하다.The density of the coprecipitation compound can be controlled by adjusting the time of residence in the coprecipitation reactor in the above step, preferably 1 to 5 hours, and the tap density of the prepared cathode active material precursor is then 2.4 to 3 g / cm 3 It is most preferable to keep it for 2 to 4 hours.

이때, 상기 양극 활물질 전구체(100)의 탭밀도는 활물질 전구체 전체의 밀도로, 중심부(110)와 표면부(120)를 모두 포함하는 밀도이다.At this time, the tap density of the cathode active material precursor 100 is the density of the entire active material precursor, including both the center portion 110 and the surface portion 120.

상기 탭밀도(tap density)는 상기 양극 활물질 전구체 전체 부피의 밀도를 나타내는 것으로, 다음과 같은 방법을 통해 측정할 수 있다. 100 ㎤ 셀의 질량(A)을 측정하고, 메쉬(mesh)를 사용하여 상기 다공성 물질을 포함하는 시료를 상기 셀에 자연낙하시켜 충진한다. 이후 스페이서를 장착한 기기를 사용하여 200 회 탭핑(tapping)한 후의 질량(B)과 충진부피(D)를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 탭밀도를 구할 수 있다.The tap density represents the density of the entire volume of the cathode active material precursor and can be measured by the following method. A mass (A) of a 100 cm &lt; 3 &gt; cell is measured, and a sample containing the porous material is naturally dropped into the cell using a mesh. Thereafter, the tap density can be obtained by measuring the mass (B) and the filling volume (D) after 200 times of tapping using a device equipped with a spacer and calculating the tap density by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

탭밀도(g/㎤)= (B-A) / DTap density (g / cm3) = (B-A) / D

이후, Ⅱ) 상기 공침 화합물에 침출용액을 가하여, 상기 공침 화합물 표면에 존재하는 특정 금속만 침출시킨다. 이러한 과정을 통해서, 제조된 양극 활물질 전구체 입자는 표면부의 내측부터 표면부 외측까지 특정 금속의 농도가 감소하는, 농도 구배 구조를 갖는다.Thereafter, (II) the leaching solution is added to the coprecipitation compound to leach only the specific metal present on the surface of the coprecipitation compound. Through this process, the prepared cathode active material precursor particles have a concentration gradient structure in which the concentration of a specific metal decreases from the inside of the surface portion to the outside of the surface portion.

상기 침출용액은 알칼리 침출용액, 산 침출용액, 고분자 침출용액, 유기용매 침출용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.The leaching solution may be any one selected from the group consisting of an alkali leaching solution, an acid leaching solution, a polymer leaching solution, and an organic solvent leaching solution.

상기 특정 금속이라 함은 (ⅰ)니켈이거나 또는 (ⅱ)니켈 및 코발트를 나타내는 것이다. 이는 침출용액에 따라 적절히 선택될 수 있는데, 특히 바람직하게 황산 용액을 침출용액으로 사용할 경우, 니켈과 코발트를 특정 금속으로 침출할 수 있다.The specific metal is (i) nickel or (ii) nickel and cobalt. This can be appropriately selected depending on the leaching solution. Especially preferably, when the sulfuric acid solution is used as the leaching solution, nickel and cobalt can be leached out with a specific metal.

상기 알칼리 침출용액은 수산화나트륨일 수 있다.The alkali leaching solution may be sodium hydroxide.

상기 Ⅱ) 단계는 용액이 고르게 섞여있는 조건(perfect mixing)에서 수행될 수 있다.The step (II) may be carried out under perfect mixing of the solution.

상기 과정을 통해 제조된 양극 활물질 전구체는 도 1a를 참고할 수 있고, 이의 평균 직경은 1 내지 10 ㎛인데, 상기 양극 활물질 전구체는 중심부(110)와 상기 중심부(110)를 감싸도록 형성된 표면부(120)로 이루어져 있다.The positive electrode active material precursor has a center portion 110 and a surface portion 120 formed to surround the center portion 110, ).

이 중에서 상기 표면부(120)의 평균 두께는 10 ㎚ 내지 1 ㎛으로, 구체적으로 상기 표면부(120)의 평균 두께 10 ㎚ 내지 1 ㎛ 내에서 침출 용액에 의해 상기 특정 금속이 침출되는데, 상기 특정 금속이 감소하는 방향으로 농도 구배 구조를 갖는 영역이기도 하다. 이렇게 침출 공정을 수행함으로써, 상기 표면부(120)는 특이적 다공성 구조를 형성함과 동시에, 구조적 및 열적 안정성 특성이 향상되는 장점을 갖는다.The average thickness of the surface portion 120 is 10 nm to 1 占 퐉. Specifically, the specific metal is leached out by the leaching solution within an average thickness of 10 nm to 1 占 퐉 of the surface portion 120, It is also a region having a concentration gradient structure in the direction in which the metal decreases. By performing the leaching process in this manner, the surface portion 120 has the advantage of forming a specific porous structure and improving the structural and thermal stability characteristics.

또한, 상술한 제조과정을 통해 상기 표면부(120)와 상기 중심부(110)로 확연한 이중층 구조를 가지는 양극 활물질 전구체(100)가 제조되고, 이렇게 제조된 상기 양극 활물질 전구체(100)는 상기 표면부(120)와 상기 중심부(110)가 모두 층상 구조를 가지기 때문에, 충방전 반응성이 높고 전지의 고율 특성을 향상시킬 수 있다.Also, the cathode active material precursor 100 having the double-layered structure defined by the surface portion 120 and the center portion 110 is manufactured through the above-described manufacturing process, and the cathode active material precursor 100, Since the core 120 and the central portion 110 have a layered structure, the charge and discharge reactivity is high and the high-rate characteristics of the battery can be improved.

상기 양극 활물질 전구체(100)의 제조방법은 10 내지 100 ℃에서 수행되는데, 이렇게 양극 활물질 전구체의 전체 공정의 온도를 높이는 이유는 생성된 양극 활물질 전구체(100)가 낮은 온도에서는 착염 형태로 침전되기 때문에, 고밀도의 양극 활물질 전구체(100)를 얻기 어렵기 때문이다. 따라서 상술한 범위를 벗어나는 온도 범위에서 제조될 경우, 양극 활물질 전구체(100)의 밀도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.The method of preparing the cathode active material precursor 100 is performed at a temperature of 10 to 100 ° C. The reason for increasing the temperature of the entire process of the cathode active material precursor is that the produced cathode active material precursor 100 precipitates in a complex form at a low temperature , It is difficult to obtain the high-density cathode active material precursor 100. Therefore, when the cathode active material precursor 100 is manufactured in a temperature range outside the above range, the density of the cathode active material precursor 100 may be lowered.

상기 양극 활물질 전구체(100)는 공침법을 통해 제조된 층상구조를 갖는 공침 화합물을 침출용액으로 특정 금속을 침출함으로써 제조하므로, 이를 통해 제조된 상기 양극 활물질 전구체(100)는 표면부 및 중심부 모두 층상구조를 갖는다.Since the cathode active material precursor 100 is prepared by leaching a specific metal with a coprecipitation compound having a layered structure prepared by a coprecipitation method as a leaching solution, Structure.

종래 양극 활물질 전구체를 이용하여 제조된, 층상 구조의 중심부와 구조적 안정성이 우수한 다른 결정 구조를 갖는 표면부로 이루어진 양극 활물질은, 층상 구조가 갖는 낮은 구조적 안정성을 보강하고 니켈의 반응성을 보호하기 위하여, 고용량 특성이 저하되는 문제점이 발생함에도 불구하고, 표면부에 구조적 안정성이 우수한 다른 결정 구조(예로 스피넬 구조)를 갖는 물질을 형성한 것이다.The positive electrode active material, which has been prepared using the conventional positive electrode active material precursor and has a central portion of the layered structure and a surface portion having a different crystal structure with excellent structural stability, has a high capacity to reinforce the low structural stability of the layered structure, A material having another crystal structure (for example, a spinel structure) having excellent structural stability is formed on the surface portion in spite of the problem that the characteristics are deteriorated.

이러한 서로 다른 결정 구조를 갖는 중심부와 표면부로 이루어진 양극 활물질은 구조적 안정성은 보강되었을지 몰라도, 층상 구조가 갖는 우수한 고용량 특성은 유지할 수 없다는 문제점이 있다.The cathode active material composed of the center portion and the surface portion having different crystal structures may have reinforced the structural stability but can not maintain excellent high capacity characteristics of the layered structure.

그러나, 본 발명에서 제안하고 있는 상기 제조방법을 통해 양극 활물질 전구체를 제조하고, 이를 이용하여 양극 활물질을 얻는다면, 도 1b와 같이 상기 표면부(220)와 상기 중심부(210) 모두 층상구조를 가짐에도 불구하고, 상기 표면부(220)에 존재하는 니켈 또는 니켈 및 코발트만을 침출하는 간단한 공정을 통해, 층상 구조는 유지하면서도 구조적 안정성은 향상되므로, 우수한 고용량 특성을 유지할 수 있다.However, if the cathode active material precursor is prepared through the above-described manufacturing method proposed in the present invention and the cathode active material is obtained by using the same, both the surface portion 220 and the center portion 210 have a layered structure as shown in FIG. The structural stability can be improved while keeping the layered structure, so that the excellent high-capacity characteristics can be maintained.

또한, 상기 화학식 1에서 Mn의 산화수가 +4가 인 것이 층상구조의 양극 활물질 전구체를 제조할 시, Mn의 산화/환원 반응에 의해 발생된 구조전이(얀-델러 효과;Jahn-Teller effect)를 방지할 수 있어 충방전시 구조 안정화를 꾀하여 수명특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명에서 공침 화합물인 화학식 1에서 Ni의 산화수는 +2가, Mn 산화수는 +4가, Co의 산화수는 +3가인 것이 바람직하다.In addition, when the oxidation number of Mn is +4 in the above formula (1), the structure transition (the Jahn-Teller effect) generated by the oxidation / reduction reaction of Mn when the positive electrode active material precursor of the layered structure is produced It is possible to improve the life characteristic by stabilizing the structure during charge and discharge. That is, in the present invention, it is preferable that the oxidation number of Ni is +2, the oxidation number of Mn is +4, and the oxidation number of Co is +3.

최종적으로 Ⅲ) 상기 양극 활물질 전구체에 리튬염을 혼합한 후, 소성한다.Finally, III) a lithium salt is mixed with the cathode active material precursor, followed by firing.

상기 리튬염은 당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 LiOH일 수 있다.The lithium salt is not particularly limited as long as it is commonly used in the art, but it may preferably be LiOH.

상기 Ⅲ) 단계에서 열처리는 400 내지 900 ℃에서 수행되는 것일 수 있다.In the step (III), the heat treatment may be performed at 400 to 900 ° C.

상술한 단순하면서도 간단하고 빠른 제조과정을 통해 층상구조의 코어-쉘 구조를 갖는, 우수한 다공성의 미세구조로 제어되도록 제조된 상기 양극 활물질 전구체(100)는 다공성 표면으로 인해, 리튬 소스를 코팅하여 소결을 진행하여 상기 양극 활물질(200)을 제조하더라도, 상기 코어-쉘 구조를 비롯한 상기 중심부와 표면부가 모두 층상 구조인 것 등 상기 양극 활물질 전구체(100)의 미세구조를 유지하면서도, 리튬 이온의 확산이 원활하게 이루어지기 때문에, 우수한 구조적, 열적 안정성 뿐만 아니라 우수한 율특성도 갖는다.
Due to the porous surface, the cathode active material precursor 100, which is fabricated to have a core-shell structure of layered structure and controlled to have a fine porous structure through simple, simple, and fast manufacturing processes described above, Even if the cathode active material 200 is manufactured by the above-described method, the core and shell portions including the core-shell structure have a layered structure, and the diffusion of lithium ions is maintained while maintaining the microstructure of the cathode active material precursor 100 It has excellent structural and thermal stability as well as excellent rate characteristics.

또한, 본 발명의 또 다른 측면은 중심부(210); 및 상기 중심부(210)를 감싸도록 형성된 표면부(220)로 이루어진 구형의 양극 활물질(200)로, 상기 양극 활물질(200)의 중심부(210)는 하기 화학식 3으로 표시되고, 상기 양극 활물질(200)의 표면부(220)는 하기 화학식 4로 표시되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질에 관한 것이다. Yet another aspect of the present invention is directed to a lithographic apparatus comprising a central portion 210; And a surface portion 220 formed to surround the center portion 210. The center portion 210 of the cathode active material 200 is represented by the following Formula 3 and the cathode active material 200 ) Of the positive electrode active material for a lithium secondary battery is represented by the following formula (4).

[화학식 3](3)

Li[Nix3Coy3Mn(1-x3- y3 )]O2 Li [Ni x 3 Co y 3 Mn (1-x 3-y 3 ) ] O 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.5 ≤ x3 ≤ 0.75, 0.1 ≤ y3 ≤ 0.24이다.0.5? X3? 0.75, and 0.1? Y3? 0.24.

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Li[Nix4Coy4Mn1 -x4- y4]O2 Li [Ni x 4 Co y 4 Mn 1 -x 4-y 4 ] O 2

상기 화학식에서,In the above formulas,

0.0 ≤ x4 ≤ x3, 0.0 ≤ y4 ≤ y3이다.0.0? X4? X3, and 0.0? Y4? Y3.

상기 양극 활물질(200)은 상기 양극 활물질 전구체(100)를 리튬염과 혼합하여 소성하는 과정을 통해 제조되기 때문에, 양극 활물질 전구체(100)의 구조를 그대로 유지하므로, 상기 양극 활물질의 구조는, 도 1b로 설명될 수 있다.Since the cathode active material 200 is prepared by mixing the cathode active material precursor 100 with a lithium salt and sintering the same, the structure of the cathode active material precursor 100 is maintained as it is, 1b. &Lt; / RTI &gt;

즉, 상기 양극 활물질(200)은 도 1b와 같이 중심부(210); 및 상기 중심부(210)를 감싸도록 형성된 표면부(220)로 이루어진 구형의 입자 형태를 유지하고 있으며, 상기 양극 활물질의 중심부(210)는 상기 화학식 3으로 표시되고, 상기 양극 활물질의 표면부(220)는 상기 화학식 4로 표시될 수 있다.That is, the cathode active material 200 has a central portion 210 as shown in FIG. 1B; And a surface portion 220 formed to surround the center portion 210. The center portion 210 of the positive electrode active material is represented by Formula 3 and the surface portion 220 of the positive electrode active material 220 ) Can be represented by the above formula (4).

상기 양극 활물질은 구조적 안정성이 낮다는 단점을 가진 층상 구조를 유지하면서 동시에 고용량 특성을 향상시키기 위하여, 상기 양극 활물질의 표면부(220)의 외측(220b)과 가까운 영역에서의 (ⅰ)상기 니켈의 농도 또는 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트의 농도가 거의 제로에 가깝게 형성되도록 하였다.In order to improve the high-capacity characteristics while maintaining the layered structure having the disadvantage that the structural stability is low, the positive electrode active material preferably has (i) the nickel Or (ii) the concentration of the nickel and the cobalt is made close to zero.

상기 양극 활물질에서 (ⅰ)상기 니켈의 농도 또는 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트의 농도가 중심부(210)부터 표면부(220) 방향으로 갈수록 낮아지는, 농도 구배 구조를 갖는데, 바람직하게는 도 1에 나타나 있듯이 표면부(220) 내에 농도 구배 구조가 형성되어 있는 것으로, 표면부(220)의 중심부(210) 쪽의 내측(220a)부터 표면부(220)의 외측(220b)으로 (ⅰ)상기 니켈의 농도 또는 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트의 농도가 점차 낮아지는 구조를 나타내는 것이다.(I) the concentration of nickel or (ii) the concentration of nickel and cobalt in the cathode active material decreases from the central portion 210 toward the surface portion 220, A density gradient structure is formed in the surface portion 220 of the surface portion 220 from the inner side 220a of the central portion 210 of the surface portion 220 to the outer side 220b of the surface portion 220, Nickel or (ii) the concentration of nickel and cobalt is gradually lowered.

결국 상기 표면부(220)의 외측(220b)과 가까운 영역에서는 (ⅰ)상기 니켈의 농도 또는 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트의 농도가 거의 제로에 가깝기 때문에 (ⅰ)상기 니켈 또는 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트가 노출됨에 의해 양극 활물질 전구체의 안정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있다.(I) the concentration of nickel or (ii) the concentration of nickel and cobalt is close to zero at a region near the outer side 220b of the surface portion 220, (i) the nickel or (ii) Nickel and the cobalt are exposed, the problem that the stability of the cathode active material precursor is lowered can be solved.

상기 표면부(220)에서 농도 구배 구조를 갖는 특정 금속이 (ⅰ)상기 니켈인지 (ⅱ)상기 니켈 및 상기 코발트인지 여부는 상기 양극 활물질을 제조과정에서 사용되는 침출용액에 따라 적절히 선택될 수 있다.Whether the specific metal having the concentration gradient structure in the surface portion 220 is (i) the nickel or (ii) the nickel and the cobalt can be appropriately selected according to the leaching solution used in the production of the cathode active material .

상기 양극 활물질(200)의 중심부(210)의 평균 직경(D1)은 1 내지 10 ㎛일 수 있고, 상기 양극 활물질의 표면부(220)의 평균 두께(D2)는 10 ㎚ 내지 1 ㎛일 수 있는데, 만일 상기 양극 활물질의 중심부(210)의 평균 직경(D1)이 1 ㎛ 미만 또는 10 ㎛를 초과할 경우 극판 밀도가 낮아지거나 비표면적의 감소가 발생할 수 있다.The average diameter D1 of the center portion 210 of the cathode active material 200 may be 1 to 10 mu m and the average thickness D2 of the surface portion 220 of the cathode active material may be 10 nm to 1 mu m If the average diameter D1 of the center portion 210 of the cathode active material is less than 1 占 퐉 or more than 10 占 퐉, the density of the electrode plate may decrease or the specific surface area may decrease.

또한 상기 양극 활물질의 표면부(220)의 평균 두께(D2)가 10 ㎚ 미만일 경우, 농도 구배 구조를 갖는 구간이 작아지게 되어, 중심부(210)에 존재하는 니켈이 노출되기 때문에 안정성이 낮아지고, 수명특성도 저하되며, 상기 평균 두께(D2)가 1 ㎛를 초과할 경우 고용량 및 고율의 전기화학적 특성이 저하되는 문제가 발생한다.Also, when the average thickness D2 of the surface portion 220 of the cathode active material is less than 10 nm, the interval having the concentration gradient structure becomes small, and the nickel present in the center portion 210 is exposed, Life characteristics are deteriorated. When the average thickness (D2) exceeds 1 占 퐉, there arises a problem that the electrochemical characteristics at a high capacity and a high rate are lowered.

상기 양극 활물질(200)의 탭밀도는 2.4 내지 3 g/㎤인 것이 바람직한데, 탭 밀도가 향상되면 전지의 에너지 밀도가 향상된다.It is preferable that the tap density of the cathode active material 200 is 2.4 to 3 g / cm 3. If the tap density is improved, the energy density of the battery is improved.

상기 탭밀도(tap density)는 상기 양극 활물질 전체 부피의 밀도를 나타내는 것으로, 다음과 같은 방법을 통해 측정할 수 있다. 100 ㎤ 셀의 질량(A)을 측정하고, 메쉬(mesh)를 사용하여 상기 다공성 물질을 포함하는 시료를 상기 셀에 자연낙하시켜 충진한다. 이후 스페이서를 장착한 기기를 사용하여 200 회 탭핑(tapping)한 후의 질량(B)과 충진부피(D)를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 탭밀도를 구할 수 있다.The tap density represents the density of the total volume of the cathode active material and can be measured by the following method. A mass (A) of a 100 cm &lt; 3 &gt; cell is measured, and a sample containing the porous material is naturally dropped into the cell using a mesh. Thereafter, the tap density can be obtained by measuring the mass (B) and the filling volume (D) after 200 times of tapping using a device equipped with a spacer and calculating the tap density by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

탭밀도(g/㎤)= (B-A) / DTap density (g / cm3) = (B-A) / D

다만, 상기 양극 활물질(200)의 표면부(220)의 표면은 상기 양극 활물질 전구체의 표면부(120)의 표면에 비해 상대적으로 고른 표면을 가지지만, 종래 build up 방식으로 제조된 종래 양극 활물질 전구체를 이용하여 제조된 양극 활물질보다 표면부(220)의 표면은 고르지 않은 다공성 표면을 갖는다.However, the surface of the surface portion 220 of the cathode active material 200 has a relatively even surface compared to the surface of the surface portion 120 of the cathode active material precursor. However, the conventional cathode active material precursor The surface of the surface portion 220 has an uneven porous surface.

이러한 구조로 인해 본 발명에 따른 양극 활물질은 고용량 및 고율의 전기화학적 특성을 발현하는 것과 동시에 구조적 안정성을 극대화시킴으로써, 향상된 사이클 특성 및 수명 특성을 갖는 것을 장점으로 한다.Due to such a structure, the cathode active material according to the present invention has an advantage of exhibiting a high capacity and a high electrochemical characteristic and at the same time maximizing the structural stability, thereby having improved cycle characteristics and life characteristics.

시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가방법에 따라 측정된 상기 양극 활물질의 최대 발열 피크 온도는 265 ℃ 내지 275 ℃일 수 있는데, 이는 종래 습식 침출하지 않은 비교예 2의 양극 활물질보다 약 8 ℃이상 높은 것으로 열 안정성이 매우 우수함을 나타낸다.The maximum exothermic peak temperature of the cathode active material measured according to the thermal stability evaluation method using a differential scanning calorimeter may be 265 ° C to 275 ° C which is higher than that of the cathode active material of Comparative Example 2, And shows excellent thermal stability.

또한, 종래 코어-쉘 구조의 양극 활물질의 경우(특허문헌 1)에도 251 ℃(본 발명보다 10 ℃ 더 낮음)에 불구하므로, 본 발명의 양극 활물질이 종래 양극 활물질에 비해 뛰어난 열적 안정성을 보유하고 있음을 알 수 있다.Also, in the case of the cathode active material of the conventional core-shell structure (Patent Document 1), the cathode active material of the present invention has an excellent thermal stability compared to the conventional cathode active material because it does not resist 251 캜 (10 캜 lower than the present invention) .

시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가방법에 따라 측정된 상기 양극 활물질의 발열량은 350 내지 385 W/g일 수 있는데, 이 역시 본 발명의 양극 활물질이 종래 양극 활물질에 비해 현저히 우수한 효과를 갖도록 개선된 구조를 가짐을 나타내고 있다.
The calorific value of the cathode active material measured according to the thermal stability evaluation method using a differential scanning calorimeter may be 350 to 385 W / g, which is also an improved structure so that the cathode active material of the present invention has a remarkably excellent effect as compared with the conventional cathode active material Respectively.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 일예로 상기 리튬 이차전지는 리튬 금속 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등일 수 있다. 상기 리튬 이차전지는 다양한 형태로 제조될 수 있는데, 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 등으로 제작될 수 있다.Another aspect of the present invention relates to a lithium secondary battery comprising the cathode active material. For example, the lithium secondary battery may be a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, or a lithium ion polymer secondary battery. The lithium secondary battery can be manufactured in various forms, such as a jelly-roll type, a stack type, a stack / folding type, and the like.

상기 리튬 이차전지는 상기 양극 활물질을 통해 제조된 양극, 분리막 및 음극으로 이루어진 것으로, 상기 음극은 당 분야에 알려져있는 통상적인 방법으로 제조될 수 있다.The lithium secondary battery comprises a cathode, a separator, and a cathode manufactured through the cathode active material, and the cathode may be manufactured by a conventional method known in the art.

상기 양극도 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 본 발명의 양극 활물질을 이용하여 제조될 수 있다.The positive electrode may also be produced using the positive electrode active material of the present invention by a conventional method known in the art.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 이는 소형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지모듈들을 포함하는 중대형 전지모듈로, 중대형 디바이스의 전원으로도 바람직하게 사용될 수 있다.The lithium secondary battery according to the present invention provides a battery module including a unit cell, which can be used as a power source for a small-sized device, and is a middle- or large-sized battery module including a plurality of battery modules. Lt; / RTI &gt;

본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형 파우치형 또는 코인형 등이 될 수 있다.The external shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but may be a cylindrical shape using a can, a rectangular pouch shape, a coin shape, or the like.

상기 리튬 이차전지는 만충전 상태에서 60 내지 90 ℃에서 5 내지 10일 동안 보관한 후, 2.5 내지 4.3 V의 전압 범위, 상온에서 10 내지 100 사이클의 충방전을 수행하는 경우 방전 용량 보유력(discharge capacity retention)이 99.9 내지 90% 인 것으로, 본 발명에 따른 양극 활물질의 개선을 통해 수명 특성 및 고용량 특성이 현저히 우수하다.When the lithium secondary battery is stored in a fully charged state at 60 to 90 ° C for 5 to 10 days and then charged and discharged in a voltage range of 2.5 to 4.3 V and at a room temperature for 10 to 100 cycles, retention is 99.9% to 90%. The improvement of the cathode active material according to the present invention is remarkably superior in the lifetime characteristics and the high capacity characteristics.

즉, 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 단위전지로 포함되어 전지모듈로 사용될 수 있고, 상기 전기모듈을 전원으로 사용하는 디바이스도 제공할 수 있다.That is, the lithium secondary battery according to the present invention can be used as a battery module by being included as a unit cell, and can also provide a device using the electric module as a power source.

상기 디바이스의 구체적인 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Electric Vehicle, PHEV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있다.
Specific examples of the device include a power tool, a plug-in electric vehicle (PHEV), a hybrid electric vehicle (HEV), etc., which are powered by an electric motor Electric cars; An electric motorcycle including an electric bike (E-bike) and an electric scooter (E-scooter); An electric golf cart; And a power storage system.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
In addition, the experimental results presented below only show representative experimental results of the embodiments and the comparative examples, and the respective effects of various embodiments of the present invention which are not explicitly described below will be specifically described in the corresponding part.

실시예Example 1. One.

Ni0 .6Co0 .2Mn0 .2(OH)2를 제조하기 위한 금속 수용액을 준비하고, 이를 공침 반응기(용량 4 L, 회전모터의 출력 80 W)에 공급하였다. Ni 0 .6 Co 0 .2 Mn 0 .2 (OH) to prepare a metallic aqueous solution for the production of 2, and supplies it to the co-precipitation reactor (volume: 4 L, 80 W output of the rotary motor).

상기 공침반응기는 상기 금속 수용액을 투입하기 전에, 증류수를 넣어 질소가스를 반응기에 0.5 리터/분의 속도로 공급함으로써, 용존 산소를 제거하고 반응기의 온도를 80 ℃로 가열한 다음 1000 rpm으로 교반하였다.In the coprecipitation reactor, distilled water was added to the coprecipitation reactor to feed nitrogen gas into the reactor at a rate of 0.5 liter / min to remove dissolved oxygen, the reactor was heated to 80 ° C, and then stirred at 1000 rpm .

이후, 상기 공침 반응기에 상기 금속 수용액을 0.3 리터/시간으로 투여하고, 여기에 암모니아 용액을 0.03 리터/시간으로 연속적으로 투여하였다.Thereafter, the metal aqueous solution was administered to the coprecipitation reactor at a rate of 0.3 liter / hour, and the ammonia solution was continuously administered at 0.03 liter / hour.

pH 조정을 위해서 4.8 M 농도의 NaOH 수용액을 공급하여 반응기 내의 pH를 11로 일정하게 유지되도록 하였고, 상기 공침 반응기의 임펠러 속도를 1000 rpm로 하여 공침 반응을 수행하여 침전물을 수득하였다.To adjust the pH, a pH of 4.8 M in NaOH was fed to maintain the pH in the reactor at a constant value of 11, and a co-precipitation reaction was performed at an impeller speed of 1000 rpm in the coprecipitation reactor to obtain a precipitate.

상기 공침 반응기 내에 체류하는 시간을 조절함으로써 공침 화합물의 밀도를 제어할 수 있는데, 바람직하게는 1 내지 5시간 정도일 수 있고, 본 실시예에서는 공정비용과 공침 화합물의 적정 밀도를 위해서 3 시간의 체류 시간을 가지도록 유량을 조절하였다.The density of the coprecipitation compound can be controlled by controlling the residence time in the coprecipitation reactor, preferably about 1 to 5 hours. In this embodiment, the retention time of 3 hours The flow rate was adjusted to have

상기 침전물로 수득된 공침 화합물을 여과하고, 이렇게 얻어진 공침 화합물(Ni0 .6Co0 .2Mn0 .2(OH)2).에 4 L의 물을 혼합하여, 5 ℃/min의 승온 속도로 80 ℃까지 가열한 다음, 황산 용액(0.05M-2M), 희석량과 같은 정보를 제공하여 주시기 바랍니다.)을 첨가한 후 교반시켜, 상기 공침 화합물의 표면부에 존재하는 니켈을 습식 침출을 수행함으로써 최종 리튬 이차전지용 양극활물질의 전구체(Ni0 .6Co0 .2Mn0 .2(OH)2)를 얻는다.Filtering the co-precipitated compound obtained in the precipitate, and the thus obtained coprecipitated compound (Ni 0 .6 Co 0 .2 Mn 0 .2 (OH) 2). A mixture of 4 L of water, the temperature rising rate of 5 ℃ / min (0.05M-2M), diluted amount), and then stirring the resultant solution. The nickel present on the surface of the coprecipitation compound was subjected to wet leaching perform the final lithium secondary battery precursor of the positive electrode active material by (Ni 0 .6 Co 0 .2 Mn 0 .2 (OH) 2) to obtain a.

상기 리튬 이차전지용 양극활물질 상술한 침출과정에 의해서, 중심부(Ni0 .6Co0 .2Mn0 .2(OH)2)로부터 표면부의 외측면(Ni0.0Co0.0Mn0.2(OH)2)까지 니켈의 함량이 점차 낮아지는 경사 구조를 갖는 구형의 입자이다. 정확히는, 표면부의 내측면(Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2)으로부터 표면부의 외측면(Ni0.0Co0.0Mn0.2(OH)2)까지 니켈의 함량이 점차 낮아지는 경사 구조를 갖는다.
By the leaching process described above wherein the cathode active material for a lithium secondary battery, to the center (Ni 0 .6 Co 0 .2 Mn 0 .2 (OH) 2) from the outer side surface of the (Ni 0.0 Co 0.0 Mn 0.2 ( OH) 2) It is a spherical particle with an inclined structure in which the nickel content gradually decreases. Specifically, it has a gradient structure in which the content of nickel gradually decreases from the inner surface of the surface portion (Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 ) to the outer surface of the surface portion (Ni 0.0 Co 0.0 Mn 0.2 (OH) 2 ).

실시예Example 2. 2.

상기 실시예 1에서 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질의 전구체에 리튬염으로서 LiOH·H2O를 혼합한 후에 2 ℃/min 승온 속도로 가열한 후, 450 ℃에서 5 시간 동안 유지하고, 뒤이어 820 ℃에서 10 시간 소성하여 최종 양극 활물질을 얻었다.
LiOH 占2 2O was mixed as a lithium salt in the precursor of the cathode active material for lithium secondary battery prepared in Example 1, and then heated at a rate of 2 占 폚 / min, maintained at 450 占 폚 for 5 hours, followed by 820 占 폚 For 10 hours to obtain a final cathode active material.

비교예Comparative Example 1. One.

Ni0 .6Co0 .2Mn0 .2(OH)2를 제조하기 위한 금속 수용액을 준비하고, 이를 일정 비율로 공침 반응기(용량 4 L, 회전모터의 출력 80 W)에 공급하였다. Ni 0 .6 Co 0 .2 Mn 0 .2 (OH) to prepare a metallic aqueous solution for the production of 2, and supplies the co-precipitation reactor (volume: 4 L, 80 W output of the motor rotation speed), this as a percentage.

상기 공침반응기는 상기 금속 수용액을 투입하기 전에, 증류수를 넣어 질소가르를 반응기에 0.5 리터/분의 속도로 공급함으로써, 용존 산소를 제거하고 반응기의 온도를 80 ℃로 가열한 다음 1000 rpm으로 교반하였다.In the coprecipitation reactor, distilled water was added to the coprecipitation reactor to feed the nitrogen gas to the reactor at a rate of 0.5 liter / min to remove dissolved oxygen, the reactor was heated to 80 ° C, and then stirred at 1000 rpm .

이후, 상기 공침 반응기에 상기 금속 수용액을 0.3 리터/시간으로 투여하고, 여기에 암모니아 용액을 0.03 리터/시간으로 연속적으로 투여하였다.Thereafter, the metal aqueous solution was administered to the coprecipitation reactor at a rate of 0.3 liter / hour, and the ammonia solution was continuously administered at 0.03 liter / hour.

pH 조정을 위해서 4.8 M 농도의 NaOH 수용액을 공급하여 반응기 내의 pH를 11로 일정하게 유지되도록 하였고, 상기 공침 반응기의 임펠러 속도를 1000 rpm로 하여 공침 반응을 수행하여 침전물을 수득하였다.To adjust the pH, a pH of 4.8 M in NaOH was fed to maintain the pH in the reactor at a constant value of 11, and a co-precipitation reaction was performed at an impeller speed of 1000 rpm in the coprecipitation reactor to obtain a precipitate.

상기 공침 반응기 내에 체류하는 시간을 조절함으로써 공침 화합물의 밀도를 제어할 수 있는데, 바람직하게는 1 내지 5시간 정도일 수 있고, 본 실시예에서는 공정비용과 공침 화합물의 적정 밀도를 위해서 3 시간의 체류 시간을 가지도록 유량을 조절하여 중심부와 표면부 간의 니켈과 코발트 함량 변화가 없는 양극 활물질의 전구체(Ni0 .6Co0 .2Mn0 .2(OH)2)를 얻는다.
The density of the coprecipitation compound can be controlled by controlling the residence time in the coprecipitation reactor, preferably about 1 to 5 hours. In this embodiment, the retention time of 3 hours branches to control the flow rate of the precursor to obtain the (Ni 0 .6 Co 0 .2 Mn 0 .2 (OH) 2) of the anode without the nickel and cobalt contents in between the center and the surface of the active material portion.

비교예Comparative Example 2. 2.

상기 비교예 1에서 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질의 전구체에 리튬염으로서 LiOH·H2O를 혼합한 후에 2 ℃/min 승온 속도로 가열한 후, 450 ℃에서 5 시간 동안 유지하고, 뒤이어 820 ℃에서 10 시간 소성하여 최종 양극 활물질을 얻었다.
LiOH.H 2 O as a lithium salt was mixed with the precursor of the cathode active material for lithium secondary battery prepared in Comparative Example 1, and then heated at a rate of 2 ° C / min, maintained at 450 ° C for 5 hours, then at 820 ° C For 10 hours to obtain a final cathode active material.

도 2는 비교예 1로부터 제조된 양극 활물질 전구체(a) 및 실시예 1로부터 제조된 양극 활물질 전구체(b)를 전자주사현미경으로 촬영한 사진으로, 이를 참조하면, 비교예 1로부터 제조된 양극 활물질 전구체의 경우 표면이 평탄한데 반해, 실시예 1로부터 제조된 양극 활물질 전구체는 표면이 평탄하지 않으면서, 평균 직경이 1 내지 10 ㎛이고, 구형의 모습을 갖는 입자인 것을 확인할 수 있다.FIG. 2 is a photograph of the cathode active material precursor (a) prepared in Comparative Example 1 and the cathode active material precursor (b) prepared in Example 1 by a scanning electron microscope. Referring to FIG. 2, While the surface of the precursor was flat, the cathode active material precursor prepared in Example 1 had an average diameter of 1 to 10 mu m and had a spherical shape without surface smoothness.

황산에 의해 니켈이나 코발트 또는 니켈과 코발트가 동시에 용출되었기 때문에 실시예 1의 양극 활물질 전구체의 표면은 고르지 못한 거친 구조인 것을 알 수 있다.Since nickel or cobalt or nickel and cobalt were simultaneously eluted by sulfuric acid, the surface of the positive electrode active material precursor of Example 1 has an uneven rough structure.

허나, 실시예 1 및 비교예 1의 양극 활물질 전구체는 비슷한 크기를 갖고 있다.
However, the cathode active material precursors of Example 1 and Comparative Example 1 have similar sizes.

도 3은 실시예 1로부터 제조된 양극 활물질 전구체를 전자주사현미경으로 촬영한 사진(a)과 이를 전자 탐침 미량 분석기법을 통해 두께에 따라 금속 조성을 분석하여 나타낸 그래프(b)이다.FIG. 3 is a photograph (a) of the cathode active material precursor prepared in Example 1 by an electron scanning microscope and FIG. 3 (b) is a graph showing the analysis of the metal composition according to the thickness through an electron probe microanalysis technique.

실시예 1로부터 제조된 양극 활물질 전구체를 폴리싱하여 주사전자현미경으로 촬영하여 도 3에 나타낸 것으로, 이를 참고하면 매우 밀집한 중심부(코어)와 밀집하지 않은 표면부(쉘)로 구성되어 있다는 것을 확인할 수 있다. The cathode active material precursor prepared in Example 1 was polished and photographed by a scanning electron microscope. As shown in FIG. 3, it can be confirmed that the cathode active material precursor is composed of a very dense core portion and a non-dense surface portion (shell) .

또한, 중심부의 평균 직경은 4.8 ㎛임을 확인할 수 있는 바, 이를 통해서 본 발명에 따른 양극 활물질 전구체 중심부의 평균 직경은 1 내지 10 ㎛임을 알 수 있다. 또한 표면부는 0.6 ㎛로 확인된 바, 본 발명에 따른 양극 활물질 전구체의 표면분의 평균 두께는 10 ㎚ 내지 1 ㎛인 것을 알 수 있다.In addition, it can be confirmed that the average diameter of the center portion is 4.8 mu m, which indicates that the average diameter of the center portion of the cathode active material precursor according to the present invention is 1 to 10 mu m. Also, it was confirmed that the surface portion was 0.6 mu m, and the average thickness of the surface portion of the cathode active material precursor according to the present invention was found to be 10 nm to 1 mu m.

도 3b를 참고하면 코어 중심에서 2.4 ㎛까지 니켈과 코발트의 농도가 유지되고, 이후, 표면부 부분에서 니켈과 코발트의 조성이 줄어드는 농도 구배 구조를 형성하고 있음을 확인 할 수 있었다.
Referring to FIG. 3B, it can be seen that the concentration of nickel and cobalt is maintained up to 2.4 μm from the center of the core, and then a concentration gradient structure in which the composition of nickel and cobalt decreases at the surface portion is formed.

도 4는 실시예 2로부터 제조된 양극 활물질(적색)과 비교예 2로부터 제조된 양극 활물질(흑색)의 고온 저장 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the high temperature storage cycle characteristics of the cathode active material (red) prepared in Example 2 and the cathode active material (black) prepared in Comparative Example 2. FIG.

이를 측정하기 위하여, 우선, 상기 실시예 2 및 비교예 2로부터 제조된 양극 활물질을 통해 제조된 각각의 전극을 반쪽 전지의 작업 전극(working electrode)로 이용하고, 상대전극(reference 또는 counter electrode)로는 리튬 금속을 사용하였으며 분리막으로는 전해질이 습윤(wetting)된 폴리프로필렌(poly-propylene)을 사용하였다.To measure this, each of the electrodes prepared through the cathode active material prepared in Example 2 and Comparative Example 2 was used as a working electrode of a half-cell, and as a reference electrode or counter electrode, Lithium metal was used, and poly-propylene electrolyte was wetted as a separator.

전해질로는 1 M LiPF6 염이 용해되어 있는 이텔렌 카보네이트(ethylene carvonate, EC), 에틸-메틸 카보네이트(ethyl-methyl carbonate, EMC) 3:7,의 부피비로 구성되어 있는 혼합액을 사용하였다.The electrolyte solution used was a mixture of ethylene carbonate (EC) and ethyl-methyl carbonate (EMC) 3: 7 in which 1 M LiPF 6 salt was dissolved.

제작된 반쪽 전지는 Coin 2032 type 으로 제작하였다. 전지 조립의 모든 공정은 상대습도가 항상 3% 미만으로 유지되는 dry room에서 진행하였다.The fabricated half cell was fabricated with Coin 2032 type. All processes in the cell assembly proceeded in a dry room where the relative humidity was always kept below 3%.

도 4에 나타난 바와 같이, 상기와 같이 제작된 반쪽전지를 상온에서 0.5 C-rate, 3.0 내지 4.3 V cut-off 전압에서 3 사이클 충/방전한 후, 4.3 V 까지 만충전 시킨 뒤, 7일 동안 60 ℃에서 셀을 저장한 뒤, 다시 상온에서 50 사이클동안 1C-rate로 충/방전 특성을 측정하였다.As shown in FIG. 4, the thus fabricated half-cell was charged / discharged for 3 cycles at a 0.5 C-rate and a 3.0 to 4.3 V cut-off voltage at room temperature, fully charged to 4.3 V, After storing the cell at 60 ° C, charge / discharge characteristics were measured again at 1C-rate for 50 cycles at room temperature.

실시예 2로부터 제조된 양극 활물질을 이용한 전극의 방전 용량 보유력(discharge capacity retention)은 약 99.2 %인데 반해, 비교예 2로부터 제조된 양극 활물질을 이용한 전극의 방전 용량 보유력은 74.2 %로, 본 발명의 양극 활물질은 종래 양극 활물질에 비해 25% 더 안정한 사이클 특성을 지닌 것을 확인할 수 있었다.
The discharge capacity retention of the electrode using the cathode active material prepared in Example 2 was about 99.2%, whereas the discharge capacity retention capacity of the electrode using the cathode active material prepared from Comparative Example 2 was 74.2% It was confirmed that the cathode active material had a cycle characteristic that was 25% more stable than that of the conventional cathode active material.

도 5는 실시예 2로부터 제조된 양극 활물질(적색)과 비교예 2로부터 제조된 양극 활물질(흑색)을 4.3 V까지 만충전 시킨 후, 시차 주사 열량 측정법(DSC)를 통해 열안정성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.5 shows the result of evaluating the thermal stability of the positive electrode active material (red) prepared in Example 2 and the positive electrode active material (black) prepared in Comparative Example 2 up to 4.3 V, followed by differential scanning calorimetry (DSC) Fig.

이때, 상기 실시예 2 및 비교예 2는 각각 4.3 V 까지 충전된 양극활물질 전극을 회수한 후, 전극 위에 남아있는 LiPF6 염의 잔여물을 DMC로 세척하여 제거하였다. 세척된 상기 두 전극을 진공 건조한 뒤, 전극 위 산화물들을 긁어 모아 각각 3 mg 충전된 활물질과 3 ㎕ 전해질을 스테인리스 그틸 고압력 캡슐(stainless-steel high-pressure capsule)에 넣고, 용매의 증발을 방지하기 위해서 캡슐을 밀폐했다.In Example 2 and Comparative Example 2, the cathode active material electrode charged up to 4.3 V was recovered, and the remaining LiPF6 salt remained on the electrode was washed with DMC and removed. The washed electrodes were vacuum-dried, and then the oxide on the electrode was scraped off and put into a stainless steel high-pressure capsule (3 g) filled with 3 mg of the active material and 3 ㎕ electrolyte to prevent the evaporation of the solvent The capsule was sealed.

모든 작업은 산소와 수증기가 0.1 ppm 이하인 글러브 박스 안에서 진행하였다.All work was done in a glove box with oxygen and water vapor less than 0.1 ppm.

실시예 2의 양극 활물질 전극은 비교예 2의 양극 활물질 전극의 최대 발열 피크 온도인 260.1 ℃보다 높은 268.8 ℃였다.The cathode active material electrode of Example 2 was 268.8 占 폚 higher than the maximum exothermic peak temperature of the cathode active material electrode of Comparative Example 2, which was 260.1 占 폚.

또한, 실시예 2의 양극 활물질 전극은 비교예 2의 양극 활물질 전극의 발열량인 981.8 W/g보다 적은 382.3 W/g였다.In addition, the cathode active material electrode of Example 2 was 382.3 W / g, which is less than the heat generation amount of the cathode active material electrode of Comparative Example 2, which is 981.8 W / g.

Claims (24)

Ⅰ) 니켈염, 망간염 및 코발트염을 포함하는 금속염 수용액, 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 공침시켜 하기 화학식 1로 표시되는 공침 화합물을 제조하는 단계; 및
Ⅱ) 상기 공침 화합물에 침출용액을 가하여, 상기 공침 화합물 표면에 존재하는 (ⅰ)니켈 혹은 (ⅱ)니켈 및 코발트만 침출시켜, 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체는 중심부; 및 상기 중심부를 감싸도록 형성된 표면부로 이루어지되, 중심부 및 표면부 모두 층상구조를 갖는 구형의 입자이고,
상기 양극 활물질 전구체의 중심부는 하기 화학식 1a로, 상기 양극 활물질 전구체의 표면부는 하기 화학식 2로 표시되며,
상기 양극 활물질 전구체의 표면부에 존재하는 (ⅰ)니켈의 농도 또는 (ⅱ)니켈 및 코발트의 농도는 상기 표면부 내측으로부터 상기 표면부 외측방향으로 갈수록 낮아지는 농도 구배 구조를 갖되, 상기 표면부는 다공성 표면 구조를 가지며,
상기 침출용액은 알칼리 침출용액, 산 침출용액, 고분자 침출용액, 유기용매 침출용액 및 이들 2 종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체의 제조방법.
[화학식 1]
NixCoyMn(1-x-y)(OH)2
상기 화학식에서,
0.5 ≤ x ≤ 0.75, 0.1 ≤ y ≤ 0.24이다.
[화학식 1a]
Nix1Coy1Mn(1-x1-y1)(OH)2
상기 화학식에서,
0.5 ≤ x1 ≤ 0.75, 0.05 ≤ y1 ≤ 0.24이다.
[화학식 2]
Nix2Coy2Mn1-x2-y2(OH)2
상기 화학식에서,
0.0 ≤ x2 ≤ x1, 0.0 ≤ y2 ≤ y1이다.
(I) preparing a coprecipitated compound represented by the following formula (I) by coprecipitation with a metal salt aqueous solution containing a nickel salt, a manganese salt and a cobalt salt, a chelating agent and a basic aqueous solution in a reactor; And
(II) adding a leaching solution to the coprecipitation compound to leach only (i) nickel or (ii) nickel and cobalt present on the surface of the coprecipitation compound to prepare a precursor of a cathode active material for a lithium secondary battery,
The positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery includes: a center portion; And a surface portion formed to surround the center portion, wherein both the center portion and the surface portion are spherical particles having a layered structure,
Wherein the center of the cathode active material precursor is represented by the following Formula 1a, and the surface portion of the cathode active material precursor is represented by the following Formula 2,
(I) the concentration of nickel present in the surface portion of the positive electrode active material precursor or (ii) the concentration of nickel and cobalt in the surface portion of the positive electrode active material precursor has a concentration gradient structure that decreases from the inside of the surface portion toward the outside of the surface portion, Having a surface structure,
Wherein the leaching solution is any one selected from the group consisting of an alkali leaching solution, an acid leaching solution, a polymer leaching solution, an organic solvent leaching solution, and a mixture of two or more thereof.
[Chemical Formula 1]
Ni x CoyMn (1-xy) (OH) 2
In the above formulas,
0.5? X? 0.75, and 0.1? Y? 0.24.
[Formula 1a]
Nix1Coy1Mn (1-x1-y1) (OH) 2
In the above formulas,
0.5? X1? 0.75, and 0.05? Y1? 0.24.
(2)
Nix2Coy2Mn1-x2-y2 (OH) 2
In the above formulas,
0.0? X2? X1, and 0.0? Y2? Y1.
제1항에 있어서,
상기 킬레이팅제는 암모니아 수용액(NH4OH), 황산암모늄((NH4)2SO4), 질산암모늄(NH4NO3), 제1 인산암모늄((NH4)2HPO4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The chelating agents are aqueous ammonia (NH 4 OH), ammonium sulfate ((NH 4) 2 SO 4 ), ammonium nitrate (NH 4 NO 3), first ammonium phosphate ((NH 4) 2 HPO 4 ) and their Wherein the cathode active material precursor is one selected from the group consisting of a lithium salt, a lithium salt, and a mixture.
제1항에 있어서,
상기 니켈염, 코발트 및 망간염의 몰비는 0.5~0.85 : 0.05~0.3 : 0~0.45 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the molar ratio of the nickel salt, cobalt and manganese salt is 0.5 to 0.85: 0.05 to 0.3: 0 to 0.45.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 산 침출용액은 황산 용액인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the acid leaching solution is a sulfuric acid solution. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 Ⅰ) 단계 및 상기 Ⅱ) 단계는 모두 10 내지 100 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (I) and the step (II) are all carried out at 10 to 100 ° C.
중심부; 및 상기 중심부를 감싸도록 형성된 표면부로 이루어진, 제1항의 제조방법을 통해 제조된 구형의 양극 활물질 전구체로,
상기 양극 활물질 전구체의 중심부는 하기 화학식 1a로 표시되고,
상기 양극 활물질 전구체의 표면부는 하기 화학식 2로 표시되며,
상기 중심부 및 표면부 모두 층상구조를 갖고,
상기 양극 활물질 전구체의 표면부에 존재하는 (ⅰ)니켈의 농도 또는 (ⅱ)니켈 및 코발트의 농도는 상기 표면부 내측으로부터 상기 표면부 외측방향으로 갈수록 낮아지는 농도 구배 구조를 갖되, 상기 표면부는 다공성 표면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체.
[화학식 1a]
Nix1Coy1Mn(1-x1-y1)(OH)2
상기 화학식에서,
0.5 ≤ x1 ≤ 0.75, 0.05 ≤ y1 ≤ 0.24이다.
[화학식 2]
Nix2Coy2Mn1-x2-y2(OH)2
상기 화학식에서,
0.0 ≤ x2 ≤ x1, 0.0 ≤ y2 ≤ y1이다.
center; And a surface portion formed to surround the center portion, wherein the cathode active material precursor is a spherical cathode active material precursor,
A center portion of the cathode active material precursor is represented by the following Formula 1a,
The surface portion of the cathode active material precursor is represented by the following Chemical Formula 2,
Wherein both the central portion and the surface portion have a layered structure,
(I) the concentration of nickel present in the surface portion of the positive electrode active material precursor or (ii) the concentration of nickel and cobalt in the surface portion of the positive electrode active material precursor has a concentration gradient structure that decreases from the inside of the surface portion toward the outside of the surface portion, Wherein the precursor of the positive electrode active material for lithium secondary batteries has a surface structure.
[Formula 1a]
Ni x1 Co y1 Mn (1-x1-y1) (OH) 2
In the above formulas,
0.5? X1? 0.75, and 0.05? Y1? 0.24.
(2)
Ni x2 Co y2 Mn 1-x2-y2 (OH) 2
In the above formulas,
0.0? X2? X1, and 0.0? Y2? Y1.
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 양극 활물질 전구체의 중심부의 평균 직경은 1 내지 10 ㎛이고,
상기 양극 활물질 전구체의 표면부의 평균 두께는 10 ㎚ 내지 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체.
9. The method of claim 8,
The average diameter of the center portion of the cathode active material precursor is 1 to 10 탆,
Wherein the cathode active material precursor has an average thickness of 10 nm to 1 占 퐉 on the surface portion of the cathode active material precursor.
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 양극 활물질 전구체의 탭밀도는 2.4 내지 3 g/㎤ 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질 전구체.
9. The method of claim 8,
Wherein the tap density of the cathode active material precursor is 2.4 to 3 g / cm &lt; 3 &gt;.
삭제delete Ⅰ) 니켈염, 망간염 및 코발트염을 포함하는 금속염 수용액, 킬레이팅제 및 염기성 수용액을 반응기에 혼합하여 공침시켜 하기 화학식 1로 표시되는 공침 화합물을 제조하는 단계;
Ⅱ) 상기 공침 화합물에 침출용액을 가하여, 상기 공침 화합물 표면에 존재하는 (ⅰ)니켈 혹은 (ⅱ)니켈 및 코발트만 침출하여 양극 활물질 전구체를 제조하는 단계; 및
Ⅲ) 상기 양극 활물질 전구체에 리튬염을 혼합한 후, 소성하여 리튬 이차전지용 양극활물질을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 리튬 이차전지용 양극 활물질은 중심부; 및 상기 중심부를 감싸도록 형성된 표면부로 이루어지되, 중심부 및 표면부 모두 층상구조를 갖는 구형의 입자이고,
상기 양극 활물질의 중심부는 하기 화학식 3으로, 상기 양극 활물질의 표면부는 하기 화학식 4로 표시되며,
상기 양극 활물질의 표면부에 존재하는 (ⅰ)니켈의 농도 또는 (ⅱ)니켈 및 코발트의 농도는 상기 표면부 내측으로부터 상기 표면부 외측방향으로 갈수록 낮아지는 농도 구배 구조를 갖되, 상기 표면부는 다공성 표면 구조를 가지며,
상기 침출용액은 알칼리 침출용액, 산 침출용액, 고분자 침출용액, 유기용매 침출용액 및 이들 2 종이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
[화학식 1]
NixCoyMn(1-x-y)(OH)2
상기 화학식에서,
0.5 ≤ x ≤ 0.75, 0.1 ≤ y ≤ 0.24이다.
[화학식 3]
Li[Nix3Coy3Mn(1-x3-y3)]O2
상기 화학식에서,
0.5 ≤ x3 ≤ 0.75, 0.1 ≤ y3 ≤ 0.24이다.
[화학식 4]
Li[Nix4Coy4Mn1-x4-y4]O2
상기 화학식에서,
0.0 ≤ x4 ≤ x3, 0.0 ≤ y4 ≤ y3이다.
(I) preparing a coprecipitated compound represented by the following formula (I) by coprecipitation with a metal salt aqueous solution containing a nickel salt, a manganese salt and a cobalt salt, a chelating agent and a basic aqueous solution in a reactor;
(II) adding a leaching solution to the coprecipitation compound to produce (i) nickel or (ii) leaching only nickel and cobalt present on the surface of the coprecipitation compound to produce a cathode active material precursor; And
III) mixing the lithium salt with the cathode active material precursor, followed by calcination to produce a cathode active material for a lithium secondary battery,
The cathode active material for a lithium secondary battery includes a center portion; And a surface portion formed to surround the center portion, wherein both the center portion and the surface portion are spherical particles having a layered structure,
Wherein the center portion of the cathode active material is represented by the following Formula 3, the surface portion of the cathode active material is represented by the following Formula 4,
(I) the concentration of nickel present on the surface portion of the positive electrode active material, or (ii) the concentration of nickel and cobalt have a concentration gradient structure that decreases from the inside of the surface portion toward the outside of the surface portion, Structure,
Wherein the leaching solution is any one selected from the group consisting of an alkali leaching solution, an acid leaching solution, a polymer leaching solution, an organic solvent leaching solution, and a mixture of two or more of them.
[Chemical Formula 1]
Ni x Co y Mn (1-xy) (OH) 2
In the above formulas,
0.5? X? 0.75, and 0.1? Y? 0.24.
(3)
Li [Ni x 3 Co y 3 Mn (1-x 3-y 3) ] O 2
In the above formulas,
0.5? X3? 0.75, and 0.1? Y3? 0.24.
[Chemical Formula 4]
Li [Ni x 4 Co y 4 Mn 1-x 4-y 4 ] O 2
In the above formulas,
0.0? X4? X3, and 0.0? Y4? Y3.
삭제delete 제14항에 있어서,
상기 Ⅲ) 단계에서 열처리는 400 내지 900 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the heat treatment in step (III) is performed at 400 to 900 ° C.
중심부; 및 상기 중심부를 감싸도록 형성된 표면부로 이루어진, 제14항에 다라 제조된 구형의 양극 활물질로,
상기 양극 활물질의 중심부는 하기 화학식 3으로 표시되고,
상기 양극 활물질의 표면부는 하기 화학식 4로 표시되며,
상기 중심부 및 표면부 모두 층상구조를 갖고,
상기 양극 활물질의 표면부에 존재하는 (ⅰ)니켈의 농도 또는 (ⅱ)니켈 및 코발트의 농도는 상기 표면부 내측으로부터 상기 표면부 외측방향으로 갈수록 낮아지는 농도 구배 구조를 갖되, 상기 표면부는 다공성 표면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질.
[화학식 3]
Li[Nix3Coy3Mn(1-x3-y3)]O2
상기 화학식에서,
0.5 ≤ x3 ≤ 0.75, 0.1 ≤ y3 ≤ 0.24이다.
[화학식 4]
Li[Nix4Coy4Mn1-x4-y4]O2
상기 화학식에서,
0.0 ≤ x4 ≤ x3, 0.0 ≤ y4 ≤ y3이다.
center; And a surface portion formed so as to surround the center portion, the spherical cathode active material according to Claim 14,
The center portion of the positive electrode active material is represented by the following Formula 3,
The surface portion of the positive electrode active material is represented by the following Formula 4,
Wherein both the central portion and the surface portion have a layered structure,
(I) the concentration of nickel present on the surface portion of the positive electrode active material, or (ii) the concentration of nickel and cobalt have a concentration gradient structure that decreases from the inside of the surface portion toward the outside of the surface portion, A positive electrode active material for a lithium secondary battery.
(3)
Li [Ni x 3 Co y 3 Mn (1-x 3-y 3) ] O 2
In the above formulas,
0.5? X3? 0.75, and 0.1? Y3? 0.24.
[Chemical Formula 4]
Li [Ni x 4 Co y 4 Mn 1-x 4-y 4 ] O 2
In the above formulas,
0.0? X4? X3, and 0.0? Y4? Y3.
제17항에 있어서,
시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가방법에 따라 측정된 상기 양극 활물질의 최대 발열 피크 온도는 265 ℃ 내지 275 ℃인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질.
18. The method of claim 17,
Wherein the maximum exothermic peak temperature of the cathode active material measured according to the thermal stability evaluation method using a differential scanning calorimeter is 265 ° C to 275 ° C.
제17항에 있어서,
시차주사열량계를 이용한 열안정성 평가방법에 따라 측정된 상기 양극 활물질의 발열량은 350 내지 385 W/g인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질.
18. The method of claim 17,
Wherein a calorific value of the positive electrode active material measured by a thermal stability evaluation method using a differential scanning calorimeter is 350 to 385 W / g.
제17항에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising the cathode active material according to claim 17. 제20항에 있어서,
상기 리튬 이차전지는 만충전 상태에서 60 내지 90 ℃에서 5 내지 10일 동안 보관한 후, 2.5 내지 4.3 V의 전압 범위, 상온에서 10 내지 100 사이클의 충방전을 수행하는 경우 방전 용량 보유력(discharge capacity retention)이 99.9 내지 90% 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
21. The method of claim 20,
When the lithium secondary battery is stored in a fully charged state at 60 to 90 ° C for 5 to 10 days and then charged and discharged in a voltage range of 2.5 to 4.3 V and at a room temperature for 10 to 100 cycles, retention is 99.9 to 90%.
제20항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.20. A battery module comprising a secondary battery according to claim 20 as a unit cell. 제22항에 따른 전지모듈을 전원으로 사용하는 디바이스.A device using the battery module according to claim 22 as a power source. 제23항에 있어서,
상기 디바이스는 전기자동차 또는 하이브리드 전기 자동차 또는 전력저장장치 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
24. The method of claim 23,
Wherein the device is any one selected from an electric vehicle or a hybrid electric vehicle or a power storage device.
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