KR101941869B1 - 양극활물질의 잔류 리튬 제어방법 - Google Patents

양극활물질의 잔류 리튬 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬전지의 양극활물질에 존재하는 잔류 리튬의 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 증류수와 알코올을 혼합한 공용매로 수세 후, 열처리를 수행함으로써, 잔류리튬 제거뿐만 아니라 리튬 전지의 수명열화 및 율 특성 등의 전기화학적 성능이 개선시키는 양극활물질을 제공하는 효과가 있다.

Description

양극활물질의 잔류 리튬 제어방법{CONTROL METHOD OF RESIDUAL LITHIUM COMPOUNDS IN CATHODE ACTIVE MATERIALS}
본 발명은 리튬전지의 양극활물질에 존재하는 잔류 리튬의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증류수와 다른 용매를 혼합한 공용매에 의한 수세시의 전기화학 특성을 향상시키는 잔류 리튬의 제어방법에 관한 것이다.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 주로 사용되고 있고, 그 외에 층상 결정 구조의 LiMnO2, 스피넬 결정 구조의 LiMn2O4 등의 리튬 함유 망간 산화물과, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiO2)의 사용도 고려되고 있다.
상기 양극 활물질들 중 LiCoO2은 우수한 사이클 특성 등 제반 물성이 우수하여 많이 사용되고 있지만, 안전성이 낮으며 원료로서 코발트의 자원적 한계로 인해 고가이고, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 분야의 동력원으로 대량 사용하기에는 한계가 있다.
LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물은 원료로서 자원이 풍부하고 환경친화적인 망간을 사용한다는 장점을 가지고 있으므로, LiCoO2를 대체할 수 있는 양극 활물질로 많은 관심을 모으고 있다. 그러나 리튬 망간 산화물은 용량이 작고 고온에서 사이클 특성 등이 나쁘다는 단점을 가지고 있다.
반면 리튬 니켈계 산화물은 코발트계 산화물보다 비용이 저렴하면서도 4.3 V로 충전되었을 때 높은 방전 용량을 나타내는바, 도핑된 리튬 니켈계 산화물의 가역 용량은 LiCoO2의 용량(약 165 mAh/g)을 초과하는 약 200 mAh/g에 근접한다. 따라서 약간 낮은 방전 전압과 체적 밀도(volumetric density)에도 불구하고, 니켈계 양극 활물질을 포함하는 상용화 전지는 개선된 에너지 밀도를 가지므로, 최근 고용량 전지를 개발하기 위하여 이러한 니켈계 양극 활물질에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나, 니켈계 양극 활물질은 충방전 사이클이 진행되는 동안 체적 변화가 일어나며 이에 의한 급격한 상전이가 발생하여 결정구조 붕괴가 일어나는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 LiNiO2계의 결정 구조를 잘 형성시키기 위해 리튬 소스를 과잉으로 넣는 방법에 대해 연구되었다.
그러나, Ni 함량이 65% 이상인 니켈 리치 시스템(Ni rich system)은 저온 반응이기에 양극활물질 표면에 LiOH, Li2CO3 형태로 존재하는 잔류 리튬량이 높다는 문제점이 있다. 이러한 잔류 리튬 즉, 미반응 LiOH 및 Li2CO3는 전지 내에서 전해액 등과 반응하여 가스 발생 및 스웰링(swelling) 현상을 유발함으로써, 고온 안전성이 심각하게 저하되는 문제를 야기시킨다. 또한, 미반응 LiOH는 극판 제조 전 슬러리 믹싱시 점도가 높아 겔화를 야기시키기도 하는 문제점이 있었다.
이에 따라 이러한 미반응 Li을 제거하기 위하여 일반적으로 수세 공정을 도입하지만, 이 경우 수세시 양극 활물질 표면 손상이 발생하여 용량, 수명열화 및 율 특성이 저하되고 또한 고온 저장시 저항이 증가하는 또 다른 문제를 야기시키는 문제점이 발생하였다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0038984호
본 발명의 목적은, 증류수만으로 잔류 리튬의 수세시 발생되는 수명열화 및 율특성 저하를 개선하는 양극활물질의 잔류 리튬 제어방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Ni-Co-Mn(NCM)계 조성의 양극활물질을 증류수와 알코올을 혼합한 공용매로 수세하는 단계; 및 및 상기 양극활물질을 열처리하는 단계를 포함하는 리튬 양극활물질의 잔류리튬 제어방법을 제공하는 것을 본 발명의 일 측면으로 한다.
상기 알코올은 에탄올(ethanol) 또는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)일 수 있으며, 상기 증류수와 알코올의 혼합비는, 증류수와 알코올의 총 100 중량% 대비 알코올의 중량이 10 내지 40 중량%일 수 있다.
상기 Ni-Co-Mn계 조성의 양극활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 양극활물질일 수 있다.
[화학식 1]
Li[NixCoyMnz]O2
(상기 화학식 1에서 0.60≤x<1, 0<y≤0.35, 0<z≤0.35 이고, x+y+z=1이다.)
또한, 본 발명은 상기의 제어방법에 의하여 잔류리튬이 제거된 Ni-Co-Mn(NCM)계 조성의 리튬 양극활물질을 제공하는 것을 본 발명의 다른 측면으로 한다.
상기 Ni-Co-Mn계 조성의 양극활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 양극활물질일 수 있다.
[화학식 1]
Li[NixCoyMnz]O2
(상기 화학식 1에서 0.60≤x<1, 0<y≤0.35, 0<z≤0.35 이고, x+y+z=1이다.)
상기 리튬 양극활물질은 XRD 분석에 의한 I(003)/I(004) ratio가 1.4 이상인 양극활물질일 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 증류수와 알코올을 혼합한 공용매로 수세 후, 열처리를 수행함으로써, 잔류리튬 제거뿐만 아니라 리튬 전지의 수명열화 및 율 특성 등의 전기화학적 성능이 개선시키는 양극활물질을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예의 양극활물질 잔류 리튬 제거량을 측정한 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 비교예의 양극활물질 잔류 리튬 제거량을 측정한 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 양극활물질의 XRD 측정 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예의 양극활물질의 lattice parameter를 측정한 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예의 양극활물질을 포함하는 전지에 대해 초기 충방전 특성을 측정한 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예의 양극활물질을 포함하는 전지에 대해 수명 평가를 측정한 결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예의 양극활물질을 포함하는 전지에 율 특성을 측정한 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예의 양극활물질을 포함하는 전지에 대해 임피던스 특성을 측정한 결과를 나타낸다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1-1. 물과 에탄올 공용매에 의한 수세
리튬 양극활물질 Li[Ni0.82Co0.07Mn0.11]O2에 대하여 증류수와 에탄올을 30 : 20의 중량비로 혼합하여 수세하였다.
실시예 1-2. 물과 에탄올 공용매에 의한 수세
상기 실시예 1-1과 동일하게 수행하되, 증류수와 에탄올의 혼합비를 35 : 15의 중량비로 한정하였다.
실시예 1-3. 물과 에탄올 공용매에 의한 수세
상기 실시예 1-1과 동일하게 수행하되, 증류수와 에탄올의 혼합비를 30 : 20의 중량비로 한정하였다.
실시예 2-1. 물과 IPA 공용매에 의한 수세
리튬 양극활물질 Li[Ni0.82Co0.07Mn0.11]O2에 대하여 증류수와 이소프로필 알코올(IPA, isopropyl alcohol)을 30 : 20의 중량비로 혼합하여 수세한 후, 수행하였다.
실시예 2-2. 물과 IPA 공용매에 의한 수세
상기 실시예 2-1과 동일하게 수행하되, 증류수와 이소프로필 알코올의 혼합비를 35 : 15의 중량비로 한정하였다.
실시예 2-3. 물과 에탄올 공용매에 의한 수세
상기 실시예 2-1과 동일하게 수행하되, 증류수와 이소프로필 알코올의 혼합비를 30 : 20의 중량비로 한정하였다.
비교예 1.
수세처리 하지 않은 리튬 양극활물질 Li[Ni0.82Co0.07Mn0.11]O2을 준비하였다.
비교예 2. 단일용매에 다른 수세
리튬 양극활물질 Li[Ni0.82Co0.07Mn0.11]O2에 대하여 증류수(W), 에탄올(EtOH), 이소프로필 알코올(IPA), 1-methyl-2-pyrrolidionone(NMP) 및 아세톤(ACT) 각각의 단일용매로 수세하였다.
실험예 1. 잔류 리튬 제거율 확인
상기 실시예 1-1 내지 1-3, 상기 실시예 2-1 내지 2-1에 따른 수세 후 잔류리튬 제거량을 측정하여 이를 도 1에 도시하였으며, 상기 비교예 2에 따른 단일 용매의 종류별로 수세 후 잔류리튬 제거량을 측정(비교예 2(W))하여 이를 도 2에 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 단일 용매의 경우, 증류수 이외의 다른 용매에 대해서 잔류리튬 제거효과는 나타나지 않았으며, 증류수와 알코올계의 공용매 조성에 대해서는 물의 비율이 높아짐에 따라 잔류리튬 제거 효과가 증가하는 것을 확인하였다.
실시예 3. 열처리
상기 실시예 2-3에 따른 수세처리한 양극활물질에 대하여 500℃, 5h, O2 분위기 하에서 열처리 공정을 수행하였다.
비교예 1-1. 열처리
상기 비교예 1의 수세하지 않은 양극활물질에 대하여 500℃, 5h, O2 분위기 하에서 열처리 공정을 수행하였다.
비교예 2-1. 열처리
상기 비교예 2에서 단일 용매 중 증류수로 수세처리한 양극활물질(비교예 2(W))에 대하여 500℃, 5h, O2 분위기 하에서 열처리 공정을 수행하였다.
실험예 2. 열처리 전, 후 XRD 구조 분석
상기 실시예 2-3, 실시예 3, 비교예 1, 비교예 1-1, 비교예 2(W) 및 비교예 2-1의 활물질에 대한 XRD 측정 결과 및 XRD 측정 결과로부터 lattice parameter를 측정하고 그 결과를 도 3 , 도 4 및 아래 표 1에 정리하였다.
a c c/a c/3a (I003)/(I004)
비교예 1 2.8728 14.2125 4.947 1.649 1.426
비교예 1-1 2.8728 14.2201 4.950 1.650 1.459
비교예 2(W) 2.8715 14.2003 4.945 1.648 1.374
비교예 2-1 2.8725 14.2108 4.947 1.649 1.481
실시예 2-3 2.8728 14.2123 4.947 1.649 1.375
실시예 3 2.8729 14.2218 4.950 1.650 1.425
도 3을 참조하면, 용매 처리 및 열처리로 인한 결정 구조에는 영향을 미치지 않은 것으로 확인하였습니다.
도 4 및 표 1을 참조하면, 양이온 혼합의 척도로 이용되는 (I003)/(I004) ratio값이 용매처리시에는 낮아지고 열처리시 높아지는 것을 확인하였는 바, 열처리로 인하여 양이온 혼합이 감소하는 경향을 확인하였습니다.
제조예 1. 전지 제조
상기 실시예 2-3, 실시예 3, 비교예 1, 비교예 1-1, 비교예 2(W) 및 비교예 2-1의 활물질을 양극으로 제조하였다.
실험예 3. 초기 충방전 특성 측정
상기 제조예 1에서 제조된 전지에 대하여, 초기 충방전시 용량 변화를 측정(0.1C at 25℃, 2.5 ~ 4.3 V vs Li/Li+)하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다.
도 5를 참조하면, 초기 충방전시 용매처리의 경우에는 비교예 1 대비 초기 방전용량의 감소가 나타나지만(실시예 2-3, 비교예 2), 열처리 진행 후 6 내지 7 mAh/g의 방전용량이 향상되었으며, 비교예 1 대비 8 mAh/g 방전용량이 향상되었고, over potential이 감소(저항의 감소)하는 경향을 확인하였다.
실험예 4. 수명 평가
상기 제조예 1에서 제조된 전지에 대하여, 수명평가를 (1C 50cycle at 25 ℃, 2.5 ~ 4.3 V vs Li/Li+) 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 도시하였다.
도 6을 참조하면, 충방전을 계속 진행함에 따라 전지의 수명 유지율을 측정한 결과, 용매처리만 한 경우 비교예 1 대비 용량유지율이 5 내지 7 % 정도 감소하지만, 열처리 시 공용매 조성의 경우(실시예 3) 비교예 1 수준의 용량유지율(90.8 %)을 가지는 것을 확인하였다.
실험예 5. 율 특성 측정
상기 제조예 1에서 제조된 전지에 대하여, 율 특성을 측정(0.5C 3cycle, 1C 5cycle, 2C 5cycle at 25 ℃, 2.5 ~ 4.3 V vs. Li/Li+)하여 고속 충방전에 따른 용량유지율을 확인하였으며, 그 결과를 도 7에 도시하였다.
도 7을 참조하면, 용매처리한 샘플들(비교예 2, 실시예 2-3)은 비교예 1 대비 낮은 용량을 나타내는 반면, 열처리한 샘플(실시예 3)의 경우 초기 충방전 결과과 비교예 1과 유사하게 높은 용량을 나타내는 것을 확인하였다.
실험예 6. 임피던스 측정
상기 제조예 1에서 제조된 전지에 대하여, 수명 평가(cycle) 전후의 임피던스를 측정(충전상태, 25℃, 10 mV amplitude, 10kHz ~ 1MHz frequency)하여 전극의 저항성분을 분석하였으며, 그 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8을 참조하면, 임피던스 측정 결과 용매처리한 샘플들(비교예 2, 실시예 2-3)의 저항이 열처리 시 비교예 1 수준으로 감소하는 것을 확인하였고, 이는 율속 특성이 개선된 것과 일치한다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 Ni-Co-Mn(NCM)계 조성의 양극활물질을 증류수와 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 혼합한 공용매로 수세하는 단계; 및
    상기 양극활물질을 열처리하는 단계; 를 포함하는 리튬 양극활물질의 잔류리튬 제어방법에 관한 것으로,
    상기 증류수와 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 혼합한 공용매로 수세하는 단계에서는 증류수와 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)의 총 100 중량% 대비 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 30 내지 40 중량%의 비율로 혼합한 공용매로 수세하는 것인,
    리튬 양극활물질의 잔류리튬 제어방법.
    [화학식 1] Li[NixCoyMnz]O2
    (상기 화학식 1에서 0.60≤x<1, 0<y≤0.35, 0<z≤0.35이고, x+y+z=1 이다.)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항의 제어방법에 의하여 잔류리튬이 제거된 Ni-Co-Mn계 조성의 리튬 양극활물질.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 리튬 양극활물질은 XRD 분석에 의한 I(003)/I(004) ratio가 1.4 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 양극활물질.
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