KR102108781B1 - Novel Lithium Complex Oxide and Lithium Secondary Battery Comprising the Same - Google Patents

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장성균
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Abstract

The present invention provides a new lithium composite metal oxide containing nickel (Ni) and titanium (Ti) as main components. The lithium composite metal oxide is a positive electrode active material for a lithium secondary battery, and has high charging capacity and life characteristics. When applied together with a negative electrode active material having a high energy density, it is possible to realize the optimum performance of the lithium secondary battery, and in particular, since it is possible to maintain the optimal balance with the charging and discharging efficiency of an Si-based negative electrode active material, it is possible to manufacture a high performance lithium secondary battery.

Description

신규한 리튬 복합금속 산화물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 {Novel Lithium Complex Oxide and Lithium Secondary Battery Comprising the Same}Novel Lithium Complex Oxide and Lithium Secondary Battery Comprising the Same}

본 발명은 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)을 주성분으로 포함하고 있는 신규한 리튬 복합금속 산화물과 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a novel lithium composite metal oxide containing nickel (Ni) and titanium (Ti) as main components and a lithium secondary battery comprising the same.

리튬 이차전지는 큰 충방전 용량, 높은 작동 전위 및 에너지 밀도, 우수한 충방전 사이클 특성을 가지며, 이에 따라 휴대용 전자 기기뿐만 아니라 가정용 소형 전자 기기, 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등 그 적용 분야가 급속도로 확대되고 있다.Lithium secondary batteries have a large charge / discharge capacity, high operating potential and energy density, and excellent charge / discharge cycle characteristics. Accordingly, their application fields such as small electronic devices, motorcycles, electric vehicles, and hybrid vehicles as well as portable electronic devices are rapidly growing. It is expanding.

최근에는 휴대용 전자기기가 대중화되고 중대형 장치에 적용하기 위한 수요가 급격히 증가함에 따라 동일 부피 대비 더 높은 용량을 갖는 이차전지가 요구되고 있으며, 이를 위해 리튬 이차전지의 핵심 구성들에 대한 연구가 더 활발히 진행되고 있다.Recently, as portable electronic devices have become popular and the demand for application to middle- and large-sized devices has rapidly increased, a secondary battery having a higher capacity compared to the same volume is required, and for this, studies on core components of a lithium secondary battery have been more actively conducted. Is going on.

잘 알려져 있는 바와 같이, 리튬 이차전지의 핵심 구성 중의 하나인 양극 활물질은 LCO (LiCoO2)를 바탕으로 하여 단위 부피당 용량이 더 큰 LNO (LiNiO2) 양극 활물질이 개발되었지만, 발화 등과 같은 안전성 문제로 인해 대중화되지 못하였다. 이를 해결하기 위해 Ni과 Co를 주성분으로 하고 Al을 소량 넣은 NCA가 개발되었고, NCA보다 안정성이 더 강화된 NCM (Ni-Co-Mn)이 개발되었다.As is well known, a positive electrode active material, which is one of the core components of a lithium secondary battery, has been developed based on LCO (LiCoO 2 ), and a larger LNO (LiNiO 2 ) positive electrode active material per unit volume was developed, but due to safety issues such as ignition, etc. It was not popularized. To solve this, NCA with Ni and Co as a main component and a small amount of Al was developed, and NCM (Ni-Co-Mn) with more stability than NCA was developed.

NCA는 NCM 대비 용량과 출력의 우위를 보였으나 상대적으로 안전성이 좋지 않아, Ni, Co, Mn을 주성분으로 하는 NCM이 가장 보편적으로 사용되고 있다. NCM계 양극 활물질은 185~192 mAh/g의 충전 용량과 167~173 mAh/g의 방전 용량을 가지는 것이 일반적이다.NCA showed superior capacity and output compared to NCM, but it is relatively inferior in safety, so NCM containing Ni, Co, and Mn as its main components is most commonly used. It is common for the NCM-based positive electrode active material to have a charging capacity of 185 to 192 mAh / g and a discharge capacity of 167 to 173 mAh / g.

최근에는 고용량 리튬 이차전지에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있는데, 종래의 리튬 이차전지는 용량을 높일 경우 수명이 크게 떨어지고, 이를 해결하기 위해 도핑, 코팅 등을 통해 수명을 높일 경우 다시 용량이 크게 떨어지는 문제를 해결하지 못하고 있는 실정이다.In recent years, the demand for a high capacity lithium secondary battery has been continuously increasing. In the case of a conventional lithium secondary battery, when the capacity is increased, the service life is greatly reduced, and in order to solve this, when the life is increased through doping, coating, etc., the capacity is greatly reduced again. The situation is not being solved.

리튬 이차전지의 핵심 구성 중의 하나인 음극 활물질 역시 더 좋은 특성을 확보하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 동일 부피 대비 더 높은 용량을 확보하기 위해 종래의 흑연(graphite) 계열이 아닌 새로운 소재들에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.The negative active material, which is one of the core components of the lithium secondary battery, is also actively researched to secure better properties. Particularly, in order to secure a higher capacity compared to the same volume, many studies have been conducted on new materials other than the conventional graphite series.

예를 들어, Si계 음극 활물질은 에너지 밀도가 매우 큰 물질로서 새로운 음극 소재로 각광받고 있다. 종래의 흑연계 음극 활물질의 이론용량이 약 370 mAh/g인데 반해, Si계 음극 활물질은 10배 이상 높은 약 4,200 mAh/g의 이론 용량을 가지며, 리튬과의 전위치가 작고 매장량이 풍부한 장점을 가지고 있다.For example, the Si-based negative electrode active material is a material having a very high energy density, and is attracting attention as a new negative electrode material. While the theoretical capacity of the conventional graphite-based negative electrode active material is about 370 mAh / g, the Si-based negative electrode active material has a theoretical capacity of about 4,200 mAh / g, which is 10 times higher, and has the advantage of having a small total position with lithium and rich in reserves. Have.

그러나, 이러한 Si계 음극 활물질은 약 70~88%의 충방전 효율을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 이는 상용되어 있는 NCM계 양극 활물질의 충방전 효율인 약 90~92%에 대해 큰 차이를 나타낸다.However, the Si-based negative electrode active material is known to exhibit a charge and discharge efficiency of about 70 to 88%, which shows a large difference with respect to the charge and discharge efficiency of the commercially available NCM-based positive electrode active material about 90 to 92%.

또한, 일반적으로 NCM계 양극 활물질의 특성을 평가할 때 충전 용량이 아닌 방전 용량을 중요시 하는데, 에너지 밀도 관점에서는 방전 용량이 아닌 충전 용량이 더 중요하다.In addition, in general, when evaluating the properties of the NCM-based positive electrode active material, the discharge capacity, not the charge capacity, is important. From the energy density point of view, the charge capacity rather than the discharge capacity is more important.

이러한 이유로, 음극 활물질의 에너지 밀도가 향상되더라도, 양극 활물질의 충전 용량이 작거나 양극과 음극의 충방전 효율 균형이 맞지 않으면, 셀 전체로 보았을 때 최적의 특성이 구현되지 않는 문제가 발생하며, 수명 특성이 떨어질 경우에는 연구단계에서만 진행되고 실제 제품화되지 못하여 산업발전에 기여하지 못하는 문제가 발생한다.For this reason, even if the energy density of the negative electrode active material is improved, if the charging capacity of the positive electrode active material is small or the charge / discharge efficiency of the positive electrode and the negative electrode is not balanced, the problem that optimal characteristics are not realized when viewed in the whole cell occurs, and the life span If the characteristics are inferior, it only proceeds in the research stage and does not actually commercialize, resulting in a problem that does not contribute to industrial development.

따라서, 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 양극 활물질 소재의 개발에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for the development of a new positive electrode active material that can solve these problems.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems requested from the past.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 니켈과 티타늄을 주성분으로 포함하는 새로운 리튬 복합금속 산화물을 개발하게 되었고, 이러한 리튬 복합금속 산화물을 포함하는 양극 활물질은 높은 충전 용량과 수명 특성을 가질 뿐만 아니라, 에너지 밀도는 높지만 충방전 효율이 다소 낮은 특성을 가진 Si계 음극 활물질과 함께 적용될 경우에 리튬 이차전지의 최적 성능을 구현할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present application developed a new lithium composite metal oxide containing nickel and titanium as the main components after extensive research and various experiments, and the positive electrode active material containing such a lithium composite metal oxide has a high charging capacity and life. It has been confirmed that it is possible to realize optimum performance of a lithium secondary battery when it is applied together with a Si-based negative electrode active material having characteristics of not only having characteristics, but also having high energy density but somewhat low charging and discharging efficiency, and to complete the present invention.

본 발명의 이해를 돕기 위해 양극 활물질과 음극 활물질의 충방전 효율 불균형에 따른 차이점을 간략하게 설명한다.In order to help the understanding of the present invention, differences between charging and discharging efficiency imbalance between the positive electrode active material and the negative electrode active material will be briefly described.

일반적으로 리튬 이차전지의 제조시 흑연 계열의 음극 활물질을 가장 많이 사용하고 있다. 흑연계 음극 활물질의 충방전 효율은 약 93% 정도인 반면, Si계 음극 활물질은 70~88% 정도로 큰 차이가 있다.In general, when manufacturing a lithium secondary battery, graphite-based negative electrode active materials are most frequently used. The charging and discharging efficiency of the graphite-based negative electrode active material is about 93%, while the Si-based negative electrode active material has a large difference of about 70 to 88%.

충방전 효율이 90%인 양극 활물질과 충방전 효율이 93%인 흑연계 음극 활물질을 적용하여 리튬 이차전지를 제조할 경우, 양극은 음극 쪽으로 100개의 Li을 보낸 후 최대 90개의 Li을 받을 수 있고, 흑연계 음극은 100개의 Li을 받은 후 최대 93개의 Li을 보낼 수 있다. 즉, 음극에서 93개의 Li을 보내지만 양극에서는 최대 90개 밖에 받지 못해 3개의 Li이 사용되지 못하고 버려지게 되므로 양극 활물질의 방전 용량 및 충방전 효율을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있는 것이다.When a lithium secondary battery is manufactured by applying a positive electrode active material having a charge / discharge efficiency of 90% and a graphite-based negative electrode active material having a charge / discharge efficiency of 93%, the positive electrode can receive up to 90 Li after sending 100 Li to the negative electrode. , Graphite-based cathode can send up to 93 Li after receiving 100 Li. That is, since 93 Li is sent from the cathode, but only 90 are received from the cathode, 3 Li is not used and is discarded. Various studies have been conducted to improve the discharge capacity and charge / discharge efficiency of the cathode active material.

그러나, 충방전 효율이 91%인 양극 활물질과 충방전 효율이 88%인 Si계 음극 활물질을 적용하여 리튬 이차전지를 제조할 경우, 양극은 음극 쪽으로 100개의 Li을 보낸 후 최대 91개의 Li을 받을 수 있는 반면, Si계 음극은 100개의 Li을 받은 후 최대 88개의 Li만을 보낼 수 있다. 즉, 양극에서 최대 91개의 Li을 받을 수 있지만 음극에서 최대 88개 까지만 보낼 수 있으므로 3개의 여유 능력이 사용되지 못하고 버려지는 것이다.However, when a lithium secondary battery is manufactured by applying a positive electrode active material having a charge and discharge efficiency of 91% and a Si-based negative electrode active material having a charge and discharge efficiency of 88%, the positive electrode receives 100 Li to the negative electrode and receives up to 91 Li. On the other hand, the Si-based cathode can receive up to 88 Li after receiving 100 Li. In other words, it is possible to receive up to 91 Li from the positive electrode, but only 3 can be used and discarded because the negative electrode can send up to 88.

이러한 이유로 인해, 양극 활물질의 방전 용량과 충방전 효율을 아무리 높이더라도 충방전 효율이 낮은 Si계 음극 활물질과 함께 적용될 경우 음극 활물질의 능력 이상은 사용되지 못하고 버려진다.For this reason, even if the discharge capacity and charge / discharge efficiency of the positive electrode active material are increased, when applied together with the Si-based negative active material having low charge / discharge efficiency, more than the ability of the negative electrode active material is discarded without being used.

이는 결국, 에너지 밀도가 높은 Si계 음극 활물질을 이용하기 위해서는 방전 용량과 충방전 효율이 매우 높은 양극 활물질이 아닌, 에너지 밀도가 높은 음극 쪽으로 더 많은 Li을 보낼 수 있도록 고충전 용량을 가지고 동시에 Si계 음극 활물질과 균형을 이룰 수 있는 충방전 효율을 갖는 양극 활물질이 필요함을 의미한다.In the end, in order to use the Si-based negative active material having a high energy density, the Si-based material has a high charging capacity so that more Li can be sent to the negative electrode having a higher energy density than the positive electrode active material having a very high discharge capacity and charge / discharge efficiency. It means that a positive electrode active material having a charge / discharge efficiency capable of balancing the negative electrode active material is required.

본 출원인은 이러한 기술적 관점을 가지고 본 발명을 완성하였으며, 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)을 주성분으로 포함하는 신규한 리튬 복합금속 산화물을 통해 높은 충전 용량 및 수명 특성을 확보하였다.The present applicant has completed the present invention with this technical point of view, and secured high charging capacity and life characteristics through a novel lithium composite metal oxide containing nickel (Ni) and titanium (Ti) as main components.

본 발명에 따른 이러한 리튬 복합금속 산화물은, 코인 하프 셀(coin half cell)을 기준으로 측정한 하기 특성들 중에서 적어도 2개 이상의 특성들을 동시에 만족하거나, 바람직하게는 3개의 특성들을 모두 만족하는 특징을 가지고 있다.The lithium composite metal oxide according to the present invention satisfies at least two or more characteristics among the following characteristics measured on the basis of a coin half cell, or preferably, all three characteristics. Have.

0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 235 mAh/g 이상의 충전 용량을 나타내는 특성;Characteristics showing a charging capacity of 235 mAh / g or more under conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge);

0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 90% 이하의 충방전 효율을 나타내는 특성; 및Characteristics showing a charge / discharge efficiency of 90% or less under the conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge); And

1.0C 4.3V (충전) 및 1.0C 3.0V (방전)의 조건 하에서 첫 번째 싸이클 대비 30번째 싸이클의 방전 용량 유지율이 90% 이상인 특성.Under the conditions of 1.0C 4.3V (charge) and 1.0C 3.0V (discharge), the discharge capacity retention rate of the 30th cycle compared to the first cycle is 90% or more.

충전 용량의 경우 235 mAh/g 이상인 것이 고용량 리튬 이차전지로 사용하기에 적합하며, 충방전 효율은 Si계 음극과 균형을 맞출 수 있도록 90% 이하, 보다 바람직하게는 88% 이하인 것이 적합하다. 또한, 수명 특성을 나타내는 방전 용량 유지율은 90% 이상인 것이 바람직하며, 3가지 모두를 만족하면 가장 바람직하지만 2가지 이상을 만족해도 Si계 음극 활물질과 함께 적용되기에 적합하다.In the case of the charging capacity, 235 mAh / g or more is suitable for use as a high-capacity lithium secondary battery, and the charging and discharging efficiency is preferably 90% or less, more preferably 88% or less so as to balance the Si-based anode. In addition, the discharge capacity retention rate indicating the life characteristic is preferably 90% or more, and it is most preferable if all three are satisfied, but it is suitable to be applied together with the Si-based anode active material even if two or more are satisfied.

이 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 리튬 복합금속 산화물은, Si계 음극이 적용된 파우치 풀 셀(pouch full cell)을 기준으로 측정한 하기 특성들 중에서 적어도 2개 이상의 특성들을 동시에 만족하거나 바람직하게는 3개의 특성들을 모두 만족하는 특징을 가질 수 있다. Si계 음극으로는 실리콘/그래파이트(20:80 비율) 음극 활물질을 적용하였고 음극/양극 용량비(N/P)는 1.1이 되도록 하였다.In addition to this, the lithium composite metal oxide according to the present invention simultaneously satisfies at least two or more properties among the following properties measured based on a pouch full cell to which a Si-based anode is applied, or preferably three It may have a characteristic that satisfies all the characteristics. As the Si-based negative electrode, a silicon / graphite (20:80 ratio) negative electrode active material was applied, and the negative electrode / anode capacity ratio (N / P) was set to 1.1.

0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 235 mAh/g 이상의 충전 용량을 나타내는 특성;Characteristics showing a charging capacity of 235 mAh / g or more under conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge);

0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 177 mAh/g 이상의 방전 용량을 나타내는 특성; 및Characteristics showing a discharge capacity of 177 mAh / g or more under conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge); And

1.0C 4.3V (충전) 및 1.0C 3.0V (방전)의 조건 하에서 첫 번째 싸이클 대비 30번째 싸이클의 방전 용량 유지율이 93% 이상인 특성.Under the conditions of 1.0C 4.3V (charge) and 1.0C 3.0V (discharge), the discharge capacity retention rate of the 30th cycle compared to the first cycle is 93% or more.

상기에서, 0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건에서 측정한 충전 용량과 충방전 효율은 25℃에서 충방전을 수행한 결과이고, 1.0C 4.3V (충전) 및 1.0C 3.0V (방전)의 조건에서 측정한 방전 용량 유지율은 45℃에서 충방전을 수행한 결과이다.In the above, the charging capacity and charging / discharging efficiency measured under the conditions of 0.1C 4.3V (charging) and 0.1C 3.0V (discharging) are the results of charging and discharging at 25 ° C, 1.0C 4.3V (charging) and 1.0 The discharge capacity retention rate measured under the condition of C 3.0V (discharge) is the result of charging and discharging at 45 ° C.

이러한 특별한 특성들은, 상기 리튬 복합금속 산화물이, Si계 음극 활물질 등과 같이 에너지 밀도가 높고 충방전 효율이 상대적으로 낮은 음극 활물질을 사용하는 리튬 이차전지에서, 양극 활물질을 구성할 때, 특히 이점을 발휘하는 바, 이를 기술적 내지 미시적 측면에서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.These special characteristics, particularly when the lithium composite metal oxide is a lithium secondary battery using a negative electrode active material having a high energy density and a relatively low charge / discharge efficiency, such as a Si-based negative electrode active material, exerts an advantage particularly when forming a positive electrode active material As described above, this will be described in detail from the technical to microscopic aspects.

종래에는 음극의 특성을 고려하지 않고 양극 활물질 자체의 특성을 향상시키는 것에 집중하다 보니, 방전 용량과 충방전 효율을 향상시키는 방향으로 개발되어 왔으며, 이러한 이유로 Si계 음극 활물질과 같이 에너지 밀도가 높은 음극을 적용할 경우, 양극 활물질의 충방전 효율이 음극보다 크게 높아 균형이 맞지 않고, 양극 활물질의 충전 용량이 작아 음극 활물질이 제 역할을 하지 못하는 문제가 있었다.Conventionally, since focusing on improving the characteristics of the positive electrode active material itself without considering the characteristics of the negative electrode, it has been developed in a direction to improve the discharge capacity and charge / discharge efficiency, and for this reason, a negative electrode having a high energy density, such as a Si-based negative electrode active material When applying, the charging and discharging efficiency of the positive electrode active material is significantly higher than that of the negative electrode, so that the balance is not balanced, and the charging capacity of the positive electrode active material is small, so that the negative electrode active material has a problem.

즉, 종래의 양극 활물질은 충전 용량과 방전 용량의 차이가 적어 충방전 효율은 높게 나타나지만, 충전 용량이 작고 음극과의 충방전 효율 차이가 크기 때문에, 충전 시에는 음극 활물질 측으로 많은 양의 Li 이온을 제공하는 것이 불가능하고, 방전 시에도 음극 활물질 측으로부터 많은 양의 Li 이온을 받는 것이 불가능하였다.That is, in the conventional positive electrode active material, the difference between the charging capacity and the discharging capacity is small, and thus the charge and discharge efficiency is high, but since the charge capacity is small and the difference between the charge and discharge efficiency with the negative electrode is large, a large amount of Li ions toward the negative electrode active material is charged during charging. It was impossible to provide, and it was impossible to receive a large amount of Li ions from the negative electrode active material side even during discharge.

일 예로, 230.1 mAh/g의 충전 용량과 206 mAh/g의 방전 용량을 가지는 NCM계 양극 활물질의 충방전 효율은 약 90%이고, 양극 활물질로서 249.88 mAh/g의 충전 용량과 218 mAh/g의 방전 용량을 가지는 본 발명의 리튬 복합금속 산화물의 충방전 효율은 87.24%이다. 단순히 충방전 효율만을 비교하면 NCM계 양극 활물질이 본 발명의 리튬 복합금속 산화물보다 더 좋은 것으로 보이지만, Si계 음극 활물질과 함께 리튬 이차전지에 적용되면 종래의 NCM계 양극 활물질이 적용된 이차전지보다 본 발명에 따른 리튬 복합금속 산화물이 적용된 이차전지의 성능이 훨씬 뛰어난 바, 이는 이후에 설명하는 실험 내용에서도 확인할 수 있다.For example, the charge and discharge efficiency of the NCM-based positive electrode active material having a charging capacity of 230.1 mAh / g and a discharge capacity of 206 mAh / g is about 90%, and a charging capacity of 249.88 mAh / g and a charging capacity of 218 mAh / g as the positive electrode active material. The lithium composite metal oxide of the present invention having a discharge capacity has a charge and discharge efficiency of 87.24%. If only the charging and discharging efficiency is compared, the NCM-based positive electrode active material appears to be better than the lithium composite metal oxide of the present invention, but when applied to a lithium secondary battery together with the Si-based negative electrode active material, the present invention is more effective than the secondary battery to which the conventional NCM-based positive electrode active material is applied. According to the lithium composite metal oxide according to the performance of the secondary battery is much superior, which can be confirmed in the experiments described later.

Ni 함량이 매우 높은 Ni-rich 또는 Ni-high의 양극 활물질의 경우, 일반적인 NCM계 양극 활물질보다 더 높은 충전 용량과 방전 용량을 나타내지만 수명 특성이 크게 떨어지는 문제가 있고, 이를 해결하기 위해 도핑, 코팅 등의 기술을 적용하고 있지만 수명 특성이 조금 향상되는 대신에 충전 용량과 방전 용량이 크게 떨어지는 문제가 있어서, 실제 제품화에 매우 어려움을 겪고 있는 실정이다. 이뿐만 아니라, 충방전 효율 역시 높기 때문에 Si계 음극 활물질과 같이 에너지 밀도가 높은 음극과 균형이 맞지 않아, 차세대 이차전지에 적합하지 않다.In the case of a Ni-rich or Ni-high positive electrode active material having a very high Ni content, it exhibits a higher charging capacity and a discharging capacity than a typical NCM-based positive electrode active material, but has a problem in that its lifespan characteristics are significantly reduced. Although technologies such as the above are applied, there is a problem in that the charging capacity and the discharging capacity are greatly reduced instead of slightly improving the lifespan characteristics, and thus, it is very difficult to actualize the product. In addition, since the charging and discharging efficiency is also high, it is not suitable for a high-density negative electrode such as a Si-based negative electrode active material, and is not suitable for a next-generation secondary battery.

이러한 점을 고려할 때, 리튬 이차전지의 셀 전체로 보았을 때 최적의 성능을 구현하기 위해서는 양극 활물질과 음극 활물질의 균형(valance)을 맞추는 것이 매우 중요하다. 특히 Si계 같은 에너지 밀도가 매우 높은 음극 활물질을 적용할 경우, 양극 활물질의 방전 용량보다 충전 용량을 향상시키는 것이 더 중요하고, 또한 양극 활물질과 음극 활물질의 균형을 맞추기 위해 서로의 충방전 효율을 유사하게 맞추는 것이 매우 중요하다.Considering this, it is very important to balance the positive electrode active material and the negative electrode active material in order to realize optimal performance when viewed from the whole cell of the lithium secondary battery. In particular, when a negative electrode active material having a very high energy density such as Si is applied, it is more important to improve the charging capacity than the discharge capacity of the positive electrode active material, and the charge and discharge efficiency of each other is similar to balance the positive electrode active material and the negative electrode active material. It is very important to fit.

즉, 리튬 이차전지의 성능을 극대화하기 위해서는 높은 충전 용량과 뛰어난 수명 특성을 갖는 양극 활물질이 필요하며, 나아가 Si계 음극 활물질과 같은 높은 에너지 밀도를 갖는 음극 활물질과 함께 적용될 경우에 균형을 맞출 수 있도록 음극 활물질과 유사 내지 동등한 충방전 효율을 가질 수 있어야 한다.That is, in order to maximize the performance of the lithium secondary battery, a positive electrode active material having a high charging capacity and excellent life characteristics is required, and furthermore, when applied together with a negative electrode active material having a high energy density such as a Si-based negative electrode active material, it can be balanced. It should be able to have charge-discharge efficiency similar to or equivalent to that of the negative electrode active material.

이러한 측면에서 볼 때, 코인 하프 셀(coin half cell) 및 Si계 음극이 적용된 파우치 풀 셀(pouch full cell)을 기준으로 측정한 특성들 중에서, 각 기준 별로 적어도 2개 이상의 특성들을 동시에 만족하는 양극 활물질, 더 나아가, 3개의 특성들을 모두 만족하는 양극 활물질은 아직까지 개발되지 못하고 있다.In this aspect, among the characteristics measured based on a coin half cell and a pouch full cell to which a Si-based negative electrode is applied, an anode that satisfies at least two or more characteristics for each criterion at the same time An active material, and furthermore, a positive electrode active material satisfying all three properties has not been developed.

반면에, 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 양극 활물질로 사용될 때 상기에 정의된 특성들 중에서 각 기준 별로 적어도 2개 이상의 특성들, 바람직하게는 3개의 특성들을 동시에 만족시킨다.On the other hand, the lithium composite metal oxide of the present invention, when used as a positive electrode active material, satisfies at least two or more properties, preferably three properties, for each criterion among the properties defined above.

이와 관련하여, 본 출원의 발명자들은, 상기 특성 조건을 만족시킬 수 있도록, 종래 NCM계 양극 활물질의 Co와 Mn을 대신하여 주성분으로 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)을 포함하는 리튬 복합금속 산화물을 개발하였다.In this regard, the inventors of the present application, in order to satisfy the above-mentioned characteristic conditions, use lithium composite metal oxides containing nickel (Ni) and titanium (Ti) as main components in place of Co and Mn of the conventional NCM-based positive electrode active material. Developed.

우선, 양극 활물질의 양이온이 구조 내에서 가역적으로 넓은 산화/환원 전위영역을 갖고 빠른 충방전을 하거나 양극 활물질의 결정구조 변화를 최소화하기 위해서는, 크기가 작은 양이온을 선택하여야 한다.First, in order to minimize the change in the crystal structure of the positive electrode active material in order to minimize the change in crystal structure of the positive electrode active material, the positive and negative electrode active material has a reversibly wide oxidation / reduction potential region in the structure.

Ni3+의 이온 반경은 0.56Å, Co3+는 0.55Å, Mn3+는 0.58Å, Mn4+는 0.53Å인 것으로 알려져 있다. Ti4+와 Al3+는 각각 0.61Å과 0.54Å으로 알려져 있으며, Co3+와 Mn3+의 이온 반경과 유사하여, 층상 구조를 형성할 때 이온 반경에 영향을 받지 않도록 고려하였다.It is known that the ion radius of Ni 3+ is 0.56 mm 2, Co 3+ is 0.55 mm 2, Mn 3+ is 0.58 mm 2, and Mn 4+ is 0.53 mm 2. Ti 4+ and Al 3+ are known to be 0.61 Å and 0.54 각각, respectively, and are similar to the ionic radii of Co 3+ and Mn 3+ , and are considered not to be affected by the ionic radii when forming a layered structure.

Ti의 전자배치는 [Ar]3d24s2이고 3d 전이금속이기 때문에, 4d와 5d 전이금속에 비해 전극전위가 높고 상대적으로 가볍고 크기가 작아 단위 무게 및 단위 부피당 용량에서 유리하다.Since the electron arrangement of Ti is [Ar] 3d 2 4s 2 and is a 3d transition metal, the electrode potential is higher, the weight is relatively lighter and the size is smaller than the 4d and 5d transition metals, which is advantageous in terms of unit weight and capacity per unit volume.

Ni-rich 양극 활물질인 LiNiO2에서 Ni 이온의 산화수는 Ni3+이며, Ni3+의 low spin 전자배치는 d7으로 high energy level에 전자가 존재하고, high energy level에 전자가 존재할 때에 Jahn-Teller distortion이 발생하게 된다. Ni4+의 전자배치는 d6로 high energy level에 전자가 배치되지 않기 때문에 Jahn-Teller distortion이 발생하지 않는다. Ni3+일 때와 Ni4+일 때의 Ni-O 결합길이가 다르며, 이러한 이유로 충방전 과정을 거치면서 Ni-O의 결합이 수축과 팽창을 반복하게 되면서 층상구조가 심한 stress를 받게 된다. 또한, 충방전에 따른 z축으로의 반복적인 팽창과 수축에 의해 전도성 물질과의 접촉이 저하되면서 전극에서의 전기 전도성이 낮아지므로 전극 특성이 열화된다. Ti3+의 전자배치는 d1이고 Ti4+의 전자배치는 d0이므로 Ni의 일부를 Ti로 치환하여 구조적 안정성을 높이는 것이 가능할 것으로 예상하였다.In the Ni-rich positive electrode active material, LiNiO 2 , the oxidation number of Ni ion is Ni 3+ , and the low spin electron arrangement of Ni 3+ is d 7 , where electrons are present at high energy level and electrons are present at high energy level. Teller distortion occurs. The electron arrangement of Ni 4+ is d 6 , so no electrons are placed at the high energy level, so Jahn-Teller distortion does not occur. When Ni 3+ and Ni 4+ have different Ni-O bond lengths, for this reason, as the Ni-O bond repeatedly contracts and expands during charging and discharging, the layered structure experiences severe stress. In addition, due to repeated expansion and contraction to the z-axis due to charging and discharging, contact with a conductive material is reduced, and thus electrical conductivity at the electrode is lowered, thereby deteriorating electrode characteristics. Since the electron arrangement of Ti 3+ is d 1 and the electron arrangement of Ti 4+ is d 0 , it is expected that it is possible to improve structural stability by substituting part of Ni for Ti.

또 다른 고려 사항으로서, Ni-rich 양극 활물질의 구조를 불안정하게 만드는 요소로 양이온 혼합(cation mixing)이 있다. Cation mixing은 이온 반경이 서로 유사한 Li+(0.76Å)과 Ni2+(0.69Å)이 서로의 자리를 바꾸어 결정을 이루는 현상을 의미하는 바, Li+가 삽입 및 탈리할 때 Li+의 공간층에 존재하는 Ni2+가 저항성분으로 작용하여 충방전 효율을 떨어뜨린다.Another consideration is cation mixing as an element that destabilizes the structure of the Ni-rich positive electrode active material. Cation mixing space is Li +, when the bar means that the phenomenon is an ionic radius similar to each other Li + (0.76Å) and Ni 2+ (0.69Å) is changed to achieve the determined position of each other, the Li + insertion and desorption layer Ni 2+ present in the electrode acts as a resistive component, thereby reducing charging and discharging efficiency.

본 출원의 발명자들은 Ti를 주성분들 중의 하나로 리튬 복합금속 산화물에 포함시켜 cation mixing을 억제하는 방안을 고려하였다. 즉, Ti4+(0.61Å)는 Ni2+(0.69Å)와 유사한 크기이므로, Ni 이온이 이동하는 경로의 중간 지점인 Td(tetrahedral site)에 안정적으로 위치하여 Ni migration을 억제함으로써, cation mixing을 최소화할 것으로 예상하였고, 결과적으로 안정한 구조의 Ni-rich 화합물을 제조하여 전기화학적 특성을 높일 수 있었다.The inventors of the present application have considered a method of suppressing cation mixing by including Ti as one of the main components in a lithium composite metal oxide. That is, since Ti 4+ (0.61 Å) is similar to Ni 2+ (0.69,), it is stably located at the intermediate point of the path through which Ni ions travel (T d (tetrahedral site), thereby inhibiting Ni migration, cation It was expected to minimize mixing, and as a result, it was possible to improve the electrochemical properties by preparing a stable structured Ni-rich compound.

또한, 본 출원인은 다수의 실험을 통해 종래 NCM계 양극 활물질에서 주성분으로 사용되던 망간(Mn)은 수명 특성을 향상시키는 반면 충전 용량을 감소시키는 단점이 있는 것을 확인하였고, 반면 티타늄(Ti)은 충전 용량을 거의 동일하게 유지시키면서도 수명 특성을 획기적으로 향상시키는 효과가 있는 것을 확인하였다. 특히 Ti은 방전 용량을 소폭 감소시키기 때문에 오히려 양극 활물질의 충방전 효율을 Si계 음극 활물질과 같은 고에너지 밀도 음극 활물질의 충방전 효율과 유사한 수준으로 낮춰 차세대 리튬 이차전지에 적용하기에 매우 바람직함을 확인하였다.In addition, the applicant has confirmed through a number of experiments that manganese (Mn), which was used as a main component in a conventional NCM-based positive electrode active material, has a disadvantage of improving a lifespan characteristic while reducing a charging capacity, while titanium (Ti) is charged. It was confirmed that there is an effect of dramatically improving the life characteristics while maintaining the capacity almost the same. In particular, since Ti slightly reduces the discharge capacity, it is rather desirable to apply the charge / discharge efficiency of the positive electrode active material to a level similar to that of the high energy density negative electrode active material, such as Si-based negative electrode active material, to be applied to next-generation lithium secondary batteries. Confirmed.

이를 바탕으로, 니켈과 티타늄을 주성분으로 포함하고 있는 리튬 복합금속 산화물이 개발되었고, 이러한 리튬 복합금속 산화물은 양극 활물질로 사용될 때, 상기에 정의되어 있는 Coin half cell 및 Si계 음극이 적용된 Pouch full cell 을 기준으로 측정한 특성들 중에서 각 기준 별 적어도 2개 이상, 바람직하게는 3개의 특성들을 동시에 만족하는 것으로 확인되었다.Based on this, a lithium composite metal oxide containing nickel and titanium as main components was developed, and when the lithium composite metal oxide is used as a positive electrode active material, a coin half cell and a pouch full cell with a Si-based negative electrode as defined above are applied. Among the characteristics measured on the basis of, it was confirmed that at least two or more, preferably three characteristics of each criterion were simultaneously satisfied.

이러한 특성들을 만족할 수 있도록, 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 몰(mole) 기준으로 82% 이상의 니켈과 0.5% 이상의 티타늄을 포함하는 조성을 가질 수 있다.To satisfy these characteristics, the lithium composite metal oxide of the present invention may have a composition including 82% or more of nickel and 0.5% or more of titanium on a molar basis.

경우에 따라, 코발트(Co)와 망간(Mn) 중 하나 이상을 선택적으로 더 포함하는 경우, 상기 코발트와 망간의 전체 함량은 상기 티타늄(Ti)의 함량 이하인 것이 바람직하다.In some cases, when selectively further comprising at least one of cobalt (Co) and manganese (Mn), the total content of the cobalt and manganese is preferably less than the content of titanium (Ti).

결과적으로, 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 Ni과 Ti 함량을 조절하여 양극 활물질로서의 충전 용량과 방전 용량 및 충방전 효율을 제어할 수 있다. 또한, Ni 함량 증가시 충전 용량이 증가하는 반면 구조적으로 매우 불안정해져 수명 특성이 크게 떨어지는 문제점을 Ti를 적용하여 해결하였다.As a result, the lithium composite metal oxide of the present invention can control the charge capacity, discharge capacity, and charge / discharge efficiency as a positive electrode active material by adjusting Ni and Ti contents. In addition, when the Ni content was increased, the problem of significantly decreasing the lifespan characteristics due to structurally unstable while increasing the filling capacity was solved by applying Ti.

하나의 구체적인 예에서, 상기 리튬 복합금속 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물일 수 있다.In one specific example, the lithium composite metal oxide may be a compound represented by Formula 1 below.

Li[Li1-mXm]O2 (1)Li [Li 1-m X m ] O 2 (1)

상기 식에서, In the above formula,

0<m≤1, 및0 <m≤1, and

X는 Ni 및 Ti 만으로 구성되어 있으며, 기타 불가피한 불순물은 포함될 수 있다.X is composed of only Ni and Ti, and other unavoidable impurities may be included.

m은 0.9≤m≤1 또는 0.94≤m≤1일 수 있다.m may be 0.9≤m≤1 or 0.94≤m≤1.

더욱 구체적인 예에서, 상기 리튬 복합금속 산화물은 하기 화학식 2로 표현되는 화합물일 수 있다.In a more specific example, the lithium composite metal oxide may be a compound represented by Formula 2 below.

Li[Li1-a-bNiaTib]O2 (2)Li [Li 1-ab Ni a Ti b ] O 2 (2)

상기 식에서,In the above formula,

0<a<1, 0<b<1, a+b≤1 및 a>b의 조건을 만족한다.The conditions of 0 <a <1, 0 <b <1, a + b≤1 and a> b are satisfied.

상기 화학식 2에서, 0.82≤a<1, 0<b≤0.18의 조건을 만족할 수 있고, 또는 0.9≤a<1, 0<b≤0.1일 수 있으며, 또는 0.94≤a<1, 0<b≤0.06일 수 있다.In Formula 2, 0.82≤a <1, 0 <b≤0.18 may be satisfied, or 0.9≤a <1, 0 <b≤0.1, or 0.94≤a <1, 0 <b≤ 0.06.

또 다른 구체적인 예에서, 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 알루미늄(Al)을 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 본 출원의 발명자들은 Ti와 함께 적용되어 cation mixing 억제 효과 및 열 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 원소로 Al을 추가적으로 선별하였다.In another specific example, the lithium composite metal oxide of the present invention may further include aluminum (Al). In this regard, the inventors of the present application additionally screened Al as an element that can be applied together with Ti to greatly improve the cation mixing suppression effect and thermal stability.

Al3+은 산소와의 결합력(Al-O)이 502 kJ/mol으로서 Ni-O(366 kJ/mol), Co-O(385 kJ/mol), Mn-O(362 kJ/mol)보다 크고 이온 반경 역시 Ni3+, Co3+, Mn4+와 유사하므로 치환 원소로서 적합하며, Ni 이온의 이동경로 중 하나인 V0(oxygen vacancy)를 감소시켜 cation mixing을 억제시키는데 더욱 효과적이다. 특히, Al을 첨가할 경우 비가역적인 상전이(phase transition)가 발생하는 것을 억제하여 구조 안정성이 향상됨에 따라 수명 특성이 향상되는 효과가 있다.Al 3+ has a bonding strength with oxygen (Al-O) of 502 kJ / mol, which is greater than Ni-O (366 kJ / mol), Co-O (385 kJ / mol), and Mn-O (362 kJ / mol). Ion radius is also similar to Ni 3+ , Co 3+ , and Mn 4+ , so it is suitable as a substitution element, and is more effective in suppressing cation mixing by reducing V 0 (oxygen vacancy), which is one of the movement paths of Ni ions. Particularly, when Al is added, irreversible phase transitions are suppressed, and as a result, structural stability is improved, and thus life characteristics are improved.

결과적으로, Al을 또 다른 주성분으로 첨가하여, cation mixing을 억제하면서 수명 특성을 향상시킬 수 있다.As a result, Al can be added as another main component, thereby improving lifetime characteristics while suppressing cation mixing.

하나의 구체적인 예에서, 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 하기 화학식 3으로 표현되는 화합물일 수 있다.In one specific example, the lithium composite metal oxide of the present invention may be a compound represented by Formula 3 below.

Li[Li1-a-b-cNiaTibAlc]O2 (3)Li [Li 1-abc Ni a Ti b Al c ] O 2 (3)

상기 식에서,In the above formula,

0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c≤1이고,0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c≤1,

a>b≥c 또는 a>c>b의 조건을 만족한다.a> b≥c or a> c> b.

상기 화학식 3에서, 0.82≤a<1, 0<b<0.18, 0<c<0.18의 조건을 만족할 수 있고, 또는 0.9≤a<1, 0<b<0.1, 0<c<0.1일 수 있으며, 또는 0.94≤a<1, 0<b<0.06, 0<c<0.06일 수 있다.In Chemical Formula 3, conditions of 0.82≤a <1, 0 <b <0.18, 0 <c <0.18 may be satisfied, or 0.9≤a <1, 0 <b <0.1, 0 <c <0.1, and , Or 0.94 ≦ a <1, 0 <b <0.06, and 0 <c <0.06.

또 다른 구체적인 예에서, 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 양극 활물질로서의 특성을 더욱 향상시키기 위해 기타 도펀트(D) 원소들 중의 적어도 하나 이상과 선택적으로 알루미늄(Al)을 더 포함할 수 있으며, 하기 화학식 4로 표현되는 화합물일 수 있다.In another specific example, the lithium composite metal oxide of the present invention may further include at least one of other dopant (D) elements and aluminum (Al) optionally, in order to further improve properties as a positive electrode active material, It may be a compound represented by 4.

이러한 도펀트(D)는, 예를 들어, Co, Mn, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, W, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Si, P, Sn, La, Ce 등에서 선택할 수 있다. 또한, 본 발명의 리튬 복합금속 산화물에서 4배위수 원소와 6배위수 원소는 서로 치환이 용이하므로, 도펀트(D)는 4배위수와 6배위수 원소 중 하나 이상을 선택하는 것이 바람직할 수 있다.Such dopants (D) are, for example, Co, Mn, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, W, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr , Ba, Ra, B, Si, P, Sn, La, Ce, and the like. Also, in the lithium composite metal oxide of the present invention, since the 4th and 6th coordination elements are easily substituted with each other, the dopant (D) may preferably select one or more of the 4th and 6th coordination elements. .

Li[Li1-a-b-c-dNiaTibAlcDd]O2 (4)Li [Li 1-abcd Ni a Ti b Al c D d ] O 2 (4)

상기 식에서,In the above formula,

D는 Co, Mn, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, W, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Si, P, Sn, La 및 Ce로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며,D is Co, Mn, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, W, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Si, One or more selected from the group consisting of P, Sn, La and Ce,

0<a<1, 0<b<1, 0≤c<1, 0≤d<1, a+b+c+d≤1이고, 0 <a <1, 0 <b <1, 0≤c <1, 0≤d <1, a + b + c + d≤1,

a>b≥c+d 또는 a>c+d>b의 조건을 만족한다.a> b≥c + d or a> c + d> b.

상기 화학식 4에서, 0.82≤a<1, 0<b≤0.18, 0≤c+d<0.18의 조건을 만족할 수 있고, 또는 0.9≤a<1, 0<b≤0.1, 0≤c+d<0.1일 수 있으며, 또는 0.94≤a<1, 0≤b≤0.06, 0≤c+d<0.06일 수 있다. 또한, 본 발명은 티타늄을 주성분으로 포함하므로 b≥c 또는 b≥c+d인 것이 바람직하다.In Chemical Formula 4, conditions of 0.82≤a <1, 0 <b≤0.18, 0≤c + d <0.18 may be satisfied, or 0.9≤a <1, 0 <b≤0.1, 0≤c + d < It may be 0.1, or 0.94≤a <1, 0≤b≤0.06, and 0≤c + d <0.06. In addition, since the present invention includes titanium as a main component, it is preferable that b≥c or b≥c + d.

이상에서 설명한 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 각각의 원소들이 산화물 입자 전반에 대해 균일하게 분포할 수도 있고, 일부 성분(들)이 나머지 성분(들)에 대해 농도 구배를 가지며 분포할 수도 있다. 이러한 농도 구배는 완만한 농도 변화뿐만 아니라 급격한 농도 변화를 나타내는 경우를 모두 포함한다.In the lithium composite metal oxide of the present invention described above, each element may be uniformly distributed over the entire oxide particle, and some component (s) may be distributed with a concentration gradient with respect to the other component (s). This concentration gradient includes all cases in which not only a modest concentration change but also a sudden concentration change is exhibited.

예를 들어, 상기 화학식 4에서, Li, Ni, Ti, Al 및 D 중 하나 이상의 원소는 산화물 입자의 반경에 대해 증가하거나 감소하는 농도 구배를 가질 수 있다.For example, in Chemical Formula 4, one or more elements of Li, Ni, Ti, Al, and D may have a concentration gradient that increases or decreases with respect to the radius of the oxide particles.

본 발명은 또한, 상기 리튬 복합금속 산화물을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질과, 이러한 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. The present invention also provides a lithium secondary battery comprising a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising the lithium composite metal oxide, and a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte containing such a positive electrode active material.

본 발명의 양극 활물질은 상기 리튬 복합금속 산화물 만으로 구성될 수도 있고, 상기 리튬 복합금속 산화물 이외에 종래에 공지되어 있는 다양한 리튬 전이금속 산화물들과 조합으로 구성될 수도 있다. 또한, 본 발명의 양극 활물질에서 리튬 복합금속 산화물의 표면에는 물성의 향상을 위해 공지의 코팅층이 추가로 부가될 수도 있다. 이러한 예들은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.The positive electrode active material of the present invention may be composed of only the lithium composite metal oxide, or may be composed of various lithium transition metal oxides known in the art in addition to the lithium composite metal oxide. In addition, in the positive electrode active material of the present invention, a known coating layer may be additionally added to the surface of the lithium composite metal oxide to improve physical properties. All of these examples are included in the scope of the present invention.

상기 음극을 구성하는 음극 활물질들은 다양할 수 있는 바, 예를 들어, 리튬(Li)계, 흑연(graphite)계, 주석(Sn)계, 규소(Si)계 음극 활물질 등이 모두 포함되며, 바람직하게는, 앞서 설명한 바와 같은 이유로 Si계 중 실리콘/그래파이트(20:80 비율) 음극 활물질이 포함될 수 있다. The negative electrode active materials constituting the negative electrode may be various, for example, lithium (Li) -based, graphite (graphite) -based, tin (Sn) -based, silicon (Si) -based negative electrode active materials, and the like are all included. For example, silicon / graphite (20:80 ratio) negative electrode active material in the Si system may be included for the same reason as described above.

이러한 Si계 음극 활물질들의 예로는, 실리콘(Si), 실리콘 산화물, Si/Li Si/Sn 등과 같은 Si/A 합금, SiO-C와 같은 Si/C 복합체 등을 들 수 있다. 상기 실리콘 산화물은 예를 들어 SiOx(0<x<2)이며, 상기 Si/A 합금에서 A는 Li, Sn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 등과 같은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합일 수 있다.Examples of the Si-based negative electrode active materials include Si / A alloys such as silicon (Si), silicon oxide, Si / Li Si / Sn, and Si / C composites such as SiO-C. The silicon oxide is, for example, SiO x (0 <x <2), and in the Si / A alloy, A is Li, Sn, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Alkali metals such as Cd, B, Al, Ga, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, alkaline earth metals, Group 13 to 16 elements, transition metals, rare earth elements or It can be a combination of these.

이들은 단독으로 사용될 수도 있고, 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다. 또한, 리튬계, 흑연계, 주석계 음극 활물들과 함께 사용될 수도 있다.These may be used alone or in combination of two or more. It can also be used with lithium-based, graphite-based, and tin-based negative electrode active materials.

리튬 이차전지를 구성하는 기타 사항들은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 설명은 본 명세서에서 생략한다.Other matters constituting the lithium secondary battery are known in the art, and a description thereof will be omitted herein.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 복합금속 산화물은 리튬 이차전지용 양극 활물질로서 높은 충전 용량과 수명 특성을 가지고 있고, 에너지 밀도가 높은 음극 활물질과 함께 적용될 경우에 리튬 이차전지의 최적 성능을 구현할 수 있으며, 특히, Si계 음극 활물질의 충방전 효율과 최적의 균형을 유지할 수 있으므로, 고성능의 리튬 이차전지를 제조할 수 있다.As described above, the lithium composite metal oxide according to the present invention is a positive electrode active material for a lithium secondary battery, and has high charging capacity and life characteristics, and can be implemented with lithium secondary battery optimal performance when applied with a negative electrode active material having a high energy density. In particular, since it is possible to maintain an optimal balance between charging and discharging efficiency of the Si-based negative electrode active material, it is possible to manufacture a high-performance lithium secondary battery.

이하, 본 발명을 일부 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to some embodiments, but the scope of the present invention is not limited thereto.

[비교예 1] - Ni0.82Co0.11Mn0.07 [Comparative Example 1]-Ni 0.82 Co 0.11 Mn 0.07

니켈 전구체인 NiSO4, 코발트 전구체인 CoSO4, 망간 전구체인 MnSO4, 를 82 : 11 : 7의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-코발트-망간 수산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-코발트 수화물인 Ni0.82Co0.11Mn0.07(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 785℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켜 양극 활물질을 제조하였다.Nickel precursor, NiSO 4, CoSO 4 cobalt precursor, manganese precursor of MnSO 4, 82: 11: 7, was added to the water in the molar ratio of the nickel-cobalt-manganese hydroxide precursor solution was prepared. The aqueous precursor solution was neutralized by stirring the aqueous solution while slowly dropping the sodium hydroxide aqueous solution while stirring to precipitate the nickel-cobalt hydrate Ni 0.82 Co 0.11 Mn 0.07 (OH) 2 . The thus obtained precursor was mixed with LiOH in a molar ratio of 1.02 and calcined at 785 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere to prepare a positive electrode active material.

[실시예 1-1] - Ni0.94Ti0.06 [Example 1-1]-Ni 0.94 Ti 0.06

① 니켈 전구체인 NiSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4를 94 : 06의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-티타늄 수산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-티타늄 수화물인 Ni0.94Ti0.06(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 755℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.① A nickel-titanium hydroxide precursor aqueous solution was prepared by adding NiSO 4 as a nickel precursor and TiSO 4 as a titanium precursor to water at a molar ratio of 94:06. The aqueous precursor solution was neutralized by stirring the aqueous solution while slowly dropping the sodium hydroxide aqueous solution while stirring to precipitate the nickel-titanium hydrate Ni 0.94 Ti 0.06 (OH) 2 . LiOH was mixed in the precursor thus obtained to a molar ratio of 1.02 and calcined at 755 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

② 니켈 전구체인 NiSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4를 98 : 02의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-티타늄 수산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-티타늄 수화물인 Ni0.98Ti0.02(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 추가로 TiO2를 0.04 몰비로 첨가하고 740℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.② A nickel-titanium hydroxide precursor aqueous solution was prepared by adding NiSO 4 as a nickel precursor and TiSO 4 as a titanium precursor to water at a molar ratio of 98:02. The aqueous precursor solution was neutralized by stirring the aqueous solution while slowly dropping the aqueous sodium hydroxide solution while stirring to precipitate nickel 0.98 Ti 0.02 (OH) 2 , a nickel-titanium hydrate. LiOH was mixed in the precursor thus obtained to a molar ratio of 1.02, and TiO 2 was further added at a molar ratio of 0.04 and calcined at 740 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

[실시예 1-2] - Ni0.94Ti0.04Al0.02 [Example 1-2]-Ni 0.94 Ti 0.04 Al 0.02

① 니켈 전구체인 NiSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4, 알루미늄 전구체인 Al2(SO4)3를 94 : 4 : 2의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-티타늄-알루미늄 산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-티타늄-알루미늄 수화물인 Ni0.94Ti0.04Al0.02(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 740℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.① NiSO 4 , a nickel precursor, TiSO 4 , a titanium precursor, An aluminum precursor Al 2 (SO 4 ) 3 was added to the water in a molar ratio of 94: 4: 2 to prepare a nickel-titanium-aluminum oxide precursor aqueous solution. The aqueous precursor solution was neutralized by stirring the aqueous solution while slowly dropping the sodium hydroxide aqueous solution while stirring to precipitate the nickel-titanium-aluminum hydrate Ni 0.94 Ti 0.04 Al 0.02 (OH) 2 . LiOH was mixed in the precursor thus obtained to a molar ratio of 1.02 and calcined at 740 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

② 니켈 전구체인 NiSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4, 알루미늄 전구체인 Al2(SO4)3를 96 : 02 : 02의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-티타늄-알루미늄 수산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-티타늄 수화물인 Ni0.96Ti0.02Al0.02(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 추가로 TiO2 0.02 몰비로 첨가하고 740℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.② A nickel-titanium-aluminum hydroxide precursor aqueous solution was prepared by adding NiSO 4 as a nickel precursor, TiSO 4 as a titanium precursor, and Al 2 (SO 4 ) 3 as an aluminum precursor to water at a molar ratio of 96:02:02. The precursor aqueous solution was neutralized by stirring the aqueous solution while slowly dropping the sodium hydroxide aqueous solution while stirring to precipitate the nickel-titanium hydrate Ni 0.96 Ti 0.02 Al 0.02 (OH) 2 . LiOH was mixed in the precursor thus obtained to a molar ratio of 1.02, and further added in a 0.02 molar ratio of TiO 2 and calcined at 740 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

[실시예 2-1] - Ni0.98Ti0.02 [Example 2-1]-Ni 0.98 Ti 0.02

니켈 전구체인 NiSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4를 98 : 2의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-티타늄 수산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-티타늄 수화물인 Ni0.98Ti0.02(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하여 730℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.A nickel-titanium hydroxide precursor aqueous solution was prepared by adding NiSO 4 as a nickel precursor and TiSO 4 as a titanium precursor to water at a molar ratio of 98: 2. The aqueous precursor solution was neutralized by stirring the aqueous solution while slowly dropping the aqueous sodium hydroxide solution while stirring to precipitate nickel 0.98 Ti 0.02 (OH) 2 , a nickel-titanium hydrate. LiOH was mixed with the precursor thus obtained at a molar ratio of 1.02, and calcined at 730 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

[실시예 2-2] - Ni0.98Ti0.01Al0.01 [Example 2-2]-Ni 0.98 Ti 0.01 Al 0.01

니켈 전구체인 NiSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4, 알루미늄 전구체인 Al2(SO4)3를 98 : 1 : 1의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-티타늄-알루미늄 산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-티타늄-알루미늄 수화물인 Ni0.98Ti0.01Al0.01(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 730℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.Nickel precursor NiSO 4 , titanium precursor TiSO 4 , An aluminum precursor Al 2 (SO 4 ) 3 was added to the water in a molar ratio of 98: 1: 1 to prepare a nickel-titanium-aluminum oxide precursor aqueous solution. The precursor aqueous solution was neutralized by stirring the aqueous solution while slowly dropping the sodium hydroxide aqueous solution while stirring to precipitate Ni 0.98 Ti 0.01 Al 0.01 (OH) 2 , a nickel-titanium-aluminum hydrate. LiOH was mixed in the precursor thus obtained to a molar ratio of 1.02 and calcined at 730 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

[실험예 1] - Coin half cell 실험[Experimental Example 1]-Coin half cell experiment

상기 비교예들과 실시예들에서 각각 합성된 화합물들을 각각 양극 활물질로 하여, 도전재로서 Super-P, 및 바인더로서 PVdF와 함께 용매인 N-메틸피롤리돈 중에서 95:2:3(중량비)로 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하고, 이를 알루미늄 집전체 상에 도포하고 120℃에서 건조한 후, 압연하여 양극을 제조하였다.95: 2: 3 (weight ratio) in N-methylpyrrolidone as a solvent together with Super-P as a conductive material and PVdF as a binder, respectively, using the compounds synthesized in the Comparative Examples and Examples as a positive electrode active material, respectively. Mixing with to prepare a positive electrode active material slurry, which was coated on an aluminum current collector, dried at 120 ° C., and rolled to prepare a positive electrode.

상기에서 제조된 양극과 함께 음극으로 리튬 메탈을 사용하고 그 사이에 분리막인 다공성 폴리에틸렌 필름을 개재하여 전극조립체를 제조하고, 상기 전극조립체를 전지케이스의 내부에 위치시킨 후, 전지케이스의 내부로 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 이때 전해액으로는, 에틸렌카보네이트/디메틸카보네이트 (EC/DMC의 혼합 부피비=1/1)로 이루어진 유기 용매에 1.0M 농도의 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 용해시킨 것을 사용하였다.A lithium electrode is used as a negative electrode together with the positive electrode prepared above, and an electrode assembly is prepared by interposing a porous polyethylene film that is a separator therebetween, and the electrode assembly is placed inside the battery case, and then the electrolyte is introduced into the battery case. Was injected to prepare a lithium secondary battery. At this time, as an electrolytic solution, a solution in which 1.0 M concentration of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in an organic solvent composed of ethylene carbonate / dimethyl carbonate (EC / DMC mixing volume ratio = 1/1) was used.

이렇게 제작된 각각의 리튬 이차전지에 대해 0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건으로 충방전을 수행하였고, 또한 1.0C 4.3V (충전) 및 1.0C 3.0V (방전), 45℃의 조건으로 30회의 충방전을 수행하였다. 그 결과를 하기 표 1에 비교예 1 및 실시예 1-1, 1-2, 2-1, 2-2로 나타내었다. Charging and discharging were performed under the conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge) for each of the lithium secondary batteries thus produced, and also 1.0C 4.3V (charge) and 1.0C 3.0V (discharge). , 30 charge and discharge was performed under the conditions of 45 ℃. The results are shown in Table 1 below as Comparative Example 1 and Examples 1-1, 1-2, 2-1, and 2-2.

[실험예 2] - Pouch full cell 실험[Experimental Example 2]-Pouch full cell experiment

상기 비교예 1과 실시예 1-1 및 1-2에서 합성된 화합물들을 각각 양극 활물질로 하여, 도전재로서 Super-P, 및 바인더로서 PVdF와 함께 용매인 N-메틸피롤리돈 중에서 95:2:3(중량비)로 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하고, 이를 알루미늄 집전체 상에 도포하고 120℃에서 건조한 후, 압연하여 양극을 제조하였다. The compounds synthesized in Comparative Example 1 and Examples 1-1 and 1-2 were used as positive electrode active materials, respectively, and Super-P as a conductive material, and PVdF as a binder and N-methylpyrrolidone as a solvent were 95: 2. A mixture of: 3 (weight ratio) was prepared to prepare a positive electrode active material slurry, which was coated on an aluminum current collector, dried at 120 ° C., and rolled to prepare a positive electrode.

상기에서 제조된 양극과 함께 음극으로 실리콘/그래파이트(20:80 비율) 음극 활물질을 사용하되 음극/양극 용량비(N/P)가 1.1이 되도록 하고, 그 사이에 분리막인 다공성 폴리에틸렌 필름을 개재하여 전극조립체를 제조하고, 상기 전극조립체를 알루미늄 파우치의 내부에 위치시킨 후, 전지케이스의 내부로 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 이때 전해액으로는, 에틸렌카보네이트/디메틸카보네이트/에틸메틸카보네이트 (EC/DMC/EMC의 혼합 부피비=1/2/1), 비닐렌카보네이트 (VC 2wt%)로 이루어진 유기 용매에 1.0M 농도의 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 용해시킨 것을 사용하였다.Along with the positive electrode prepared above, silicon / graphite (20:80 ratio) negative electrode active material is used as the negative electrode, but the negative electrode / positive electrode capacity ratio (N / P) is set to 1.1, and an electrode is interposed between the porous polyethylene film, which is a separator. After manufacturing the assembly and placing the electrode assembly inside the aluminum pouch, an electrolyte was injected into the battery case to produce a lithium secondary battery. At this time, as the electrolyte, ethylene carbonate / dimethyl carbonate / ethyl methyl carbonate (mixed volume ratio of EC / DMC / EMC = 1/2/1), lithium hexa at a concentration of 1.0 M in an organic solvent composed of vinylene carbonate (VC 2 wt%) What dissolved fluorophosphate (LiPF 6 ) was used.

이렇게 제작된 각각의 리튬 이차전지에 대해 0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건으로 충방전을 수행하였고, 1.0C 4.3V (충전) 및 1.0C 3.0V (방전), 45℃의 조건으로 30회의 충방전을 수행하였다.Charging and discharging were performed under the conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge) for each of the lithium secondary batteries thus prepared, 1.0C 4.3V (charge) and 1.0C 3.0V (discharge), Charging and discharging was performed 30 times under the condition of 45 ° C.

그 결과를 하기 표 1에 비교실험예 1 및 실험예 1, 실험예 2로 나타내었다. The results are shown in Table 1 below as Comparative Experimental Example 1, Experimental Example 1, and Experimental Example 2.

Figure 112019075325219-pat00001
Figure 112019075325219-pat00001

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 양극 활물질(실시예 1-1 ~ 2-2)은 종래 양극 활물질(비교예 1) 대비 높은 충전 용량 및 수명 특성을 가지고 충방전 효율은 더 낮은 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, the positive electrode active material (Examples 1-1 to 2-2) according to the present invention has a higher charging capacity and lifespan characteristics compared to the conventional positive electrode active material (Comparative Example 1) and has lower charging and discharging efficiency. Can be confirmed.

또한, 비교실험예 1 및 실험예 1, 2를 통해 Si계 음극과 함께 적용하였을 때 종래 대비 본 발명에 따른 양극 활물질의 수명 특성이 월등히 높은 것을 확인할 수 있으며, 이뿐만 아니라 높은 충전 용량을 거의 동일하게 유지하는 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the life characteristics of the positive electrode active material according to the present invention are significantly higher when applied together with the Si-based negative electrode through Comparative Experimental Examples 1 and 1 and 2, as well as high charging capacity. You can see that it keeps it.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above.

Claims (21)

몰(mole) 기준으로 82% 이상의 니켈(Ni)과 0.5% 이상의 티타늄(Ti)을 주성분으로 포함하고,
코인 하프 셀(coin half cell)을 기준으로 하기 특성들 중에서 (a) 및 (b)의 특성들 또는 (a)와 (b) 및 (c)의 특성들을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물:
(a) 0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 235 mAh/g 이상의 충전 용량을 나타내는 특성;
(b) 0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 90% 이하의 충방전 효율을 나타내는 특성; 및
(c) 1.0C 4.3V (충전) 및 1.0C 3.0V (방전)의 조건 하에서 첫 번째 싸이클 대비 30번째 싸이클의 방전 용량 유지율이 90% 이상인 특성.
As a main component, it contains 82% or more of nickel (Ni) and 0.5% or more of titanium (Ti) on a mole basis.
A lithium composite metal oxide characterized by satisfying the properties of (a) and (b) or the properties of (a) and (b) and (c) among the following properties based on the coin half cell :
(a) characteristics showing a charging capacity of 235 mAh / g or more under conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge);
(b) 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge) under the conditions of exhibiting a charge and discharge efficiency of 90% or less; And
(c) The characteristics of the discharge capacity retention rate of the 30th cycle over 90% compared to the first cycle under the conditions of 1.0C 4.3V (charge) and 1.0C 3.0V (discharge).
삭제delete 몰(mole) 기준으로 82% 이상의 니켈(Ni)과 0.5% 이상의 티타늄(Ti)을 주성분으로 포함하고,
Si계 음극이 적용된 파우치 풀 셀(pouch full cell)을 기준으로 측정한 하기 특성들 중에서 (a') 및 (b')의 특성들 또는 (a')와 (b') 및 (c')의 특성들을 만족하는 리튬 복합금속 산화물:
(a') 0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 235 mAh/g 이상의 충전 용량을 나타내는 특성;
(b') 0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 177 mAh/g 이상의 방전 용량을 나타내는 특성; 및
(c') 1.0C 4.3V (충전) 및 1.0C 3.0V (방전)의 조건 하에서 첫 번째 싸이클 대비 30번째 싸이클의 방전 용량 유지율이 93% 이상인 특성.
As a main component, it contains 82% or more of nickel (Ni) and 0.5% or more of titanium (Ti) on a mole basis.
Among the following properties measured based on a pouch full cell to which a Si-based negative electrode is applied, the properties of (a ') and (b') or (a ') and (b') and (c ') Lithium composite metal oxide satisfying properties:
(a ') characteristics showing a charging capacity of 235 mAh / g or more under conditions of 0.1C 4.3V (charging) and 0.1C 3.0V (discharging);
(b ') characteristics showing a discharge capacity of 177 mAh / g or more under conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge); And
(c ') A characteristic in which the discharge capacity retention rate of the 30th cycle compared to the first cycle is 93% or more under the conditions of 1.0C 4.3V (charge) and 1.0C 3.0V (discharge).
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 3개의 특성들을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, wherein the three properties are simultaneously satisfied. 삭제delete 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 코발트(Co)와 망간(Mn) 중 하나 이상을 미포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, wherein at least one of cobalt (Co) and manganese (Mn) is not included. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 코발트(Co)와 망간(Mn) 중 하나 이상을 선택적으로 더 포함할 경우, 상기 코발트와 망간의 전체 함량은 상기 티타늄(Ti)의 함량 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The method according to claim 1 or 3, wherein when the content of the cobalt (Co) and manganese (Mn) is further included, the total content of the cobalt and manganese is less than the content of the titanium (Ti). Lithium composite metal oxide. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물:
Li[Li1-mXm]O2 (1)
상기 식에서,
0.825≤m≤1, 및
X는 Ni 및 Ti 만으로 구성되어 있다.
The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, which is represented by the following Chemical Formula 1:
Li [Li 1-m X m ] O 2 (1)
In the above formula,
0.825≤m≤1, and
X consists of Ni and Ti only.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 하기 화학식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물:
Li[Li1-a-bNiaTib]O2 (2)
상기 식에서,
0.82≤a<1, 0.005≤b<1, a+b≤1 및 a>b의 조건을 만족한다.
The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, which is represented by the following Chemical Formula 2:
Li [Li 1-ab Ni a Ti b ] O 2 (2)
In the above formula,
The conditions of 0.82≤a <1, 0.005≤b <1, a + b≤1 and a> b are satisfied.
제 9 항에 있어서, 0.82≤a<1, 0.005≤b≤0.18의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 9, wherein the conditions of 0.82≤a <1 and 0.005≤b≤0.18 are satisfied. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 알루미늄(Al)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, further comprising aluminum (Al). 제 11 항에 있어서, 하기 화학식 3으로 표현되는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물:
Li[Li1-a-b-cNiaTibAlc]O2 (3)
상기 식에서,
0.82≤a<1, 0.005≤b<1, 0<c<1, a+b+c≤1이고,
a>b≥c 또는 a>c>b의 조건을 만족한다.
The lithium composite metal oxide according to claim 11, which is represented by the following Chemical Formula 3:
Li [Li 1-abc Ni a Ti b Al c ] O 2 (3)
In the above formula,
0.82≤a <1, 0.005≤b <1, 0 <c <1, a + b + c≤1,
a> b≥c or a>c> b.
제 12 항에 있어서, 0.82≤a<1, 0.005≤b<0.18, 0<c<0.18의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 12, wherein the conditions of 0.82≤a <1, 0.005≤b <0.18, and 0 <c <0.18 are satisfied. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 기타 도펀트 원소들 중의 적어도 하나 이상과 선택적으로 알루미늄(Al)을 더 포함하고 있고, 하기 화학식 4로 표현되는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물:
Li[Li1-a-b-c-dNiaTibAlcDd]O2 (4)
상기 식에서,
D는 Co, Mn, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, W, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Si, P, Sn, La 및 Ce로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며,
0.82≤a<1, 0.005≤b<1, 0≤c<1, 0≤d<1, a+b+c+d≤1이고,
a>b≥c+d 또는 a>c+d>b의 조건을 만족한다.
The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, further comprising at least one of other dopant elements and optionally aluminum (Al), and represented by the following Chemical Formula 4:
Li [Li 1-abcd Ni a Ti b Al c D d ] O 2 (4)
In the above formula,
D is Co, Mn, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, W, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Si, One or more selected from the group consisting of P, Sn, La and Ce,
0.82≤a <1, 0.005≤b <1, 0≤c <1, 0≤d <1, a + b + c + d≤1,
a> b≥c + d or a> c + d> b.
제 14 항에 있어서, 0.82≤a<1, 0.005≤b≤0.18, 0≤c+d<0.18의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 14, wherein the conditions of 0.82≤a <1, 0.005≤b≤0.18, and 0≤c + d <0.18 are satisfied. 제 14 항에 있어서, 상기 Li, Ni, Ti, Al 및 D 중 하나 이상의 원소는 산화물 입자의 반경에 대해 증가하거나 감소하는 농도 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 14, wherein at least one of the elements of Li, Ni, Ti, Al and D has a concentration gradient that increases or decreases with respect to the radius of the oxide particles. 제 1 항 또는 제 3 항에 따른 리튬 복합금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질.A positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising the lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3. 제 17 항에 있어서, 상기 리튬 복합금속 산화물의 입자 표면에는 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질.The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 17, wherein a coating layer is formed on the particle surface of the lithium composite metal oxide. 제 17 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte comprising the positive electrode active material according to claim 17. 제 19 항에 있어서, 상기 음극은 Si계 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery according to claim 19, wherein the negative electrode comprises a Si-based negative electrode active material. 제 20 항에 있어서, 상기 Si계 음극 활물질은 실리콘(Si), 실리콘 산화물, Si/A 합금, 및 Si/C 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.21. The lithium secondary battery according to claim 20, wherein the Si-based negative active material comprises at least one selected from the group consisting of silicon (Si), silicon oxide, Si / A alloy, and Si / C composite.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007018874A (en) * 2005-07-07 2007-01-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Lithium ion secondary battery
KR20180064295A (en) * 2016-12-05 2018-06-14 주식회사 포스코 Cathode active material precursor and manufacturing method thereof, cathode active material and manufacturing method thereof, and lithium ion battery including the same cathode active material
KR101964716B1 (en) * 2018-06-26 2019-04-02 에스케이이노베이션 주식회사 Cathode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007018874A (en) * 2005-07-07 2007-01-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Lithium ion secondary battery
KR20180064295A (en) * 2016-12-05 2018-06-14 주식회사 포스코 Cathode active material precursor and manufacturing method thereof, cathode active material and manufacturing method thereof, and lithium ion battery including the same cathode active material
KR101964716B1 (en) * 2018-06-26 2019-04-02 에스케이이노베이션 주식회사 Cathode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021066214A1 (en) * 2019-10-01 2021-04-08 주식회사 엘 앤 에프 Novel lithium-metal oxide composite, and lithium secondary battery comprising same

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