KR102152369B1 - a fabricating method of metal oxide coated cathode material, metal oxide coated cathode material fabricated thereby, an electrode for lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속산화물이 코팅된 양극활물질의 제조방법, 이에 의하여 제조된 금속산화물이 코팅된 양극활물질, 이를 포함하는 리튬이차전지용 전극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다. 본 발명은 용매, 금속알콕사이드, 커플링제를 혼합하는 단계(혼합 단계)(S1), 혼합 용액에 양극활물질을 투입하는 단계(투입 단계)(S2), 혼합용액으로부터 양극활물질을 분리하는 단계(분리 단계)(S3) 및 분리된 양극활물질을 열처리하여 금속산화물이 코팅된 양극활물질을 얻는 단계(열처리 단계)(S4)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 3 성분계 이상의 양극활물질 또는 올리빈계 양극활물질의 표면에 졸-겔법을 이용하여 금속산화물을 코팅함으로써 양극활물질의 분산성을 향상시키고, 양극활물질 표면에서 전해액이 분해되는 등의 표면 부반응을 억제하여 전지의 수명을 연장할 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a positive electrode active material coated with a metal oxide, a positive electrode active material coated with a metal oxide prepared thereby, an electrode for a lithium secondary battery including the same, and a lithium secondary battery. The present invention is a step of mixing a solvent, a metal alkoxide, and a coupling agent (mixing step) (S1), introducing a positive electrode active material into the mixed solution (injection step) (S2), and separating the positive electrode active material from the mixed solution (separation Step) (S3) and heat treatment of the separated positive electrode active material to obtain a positive electrode active material coated with a metal oxide (heat treatment step) (S4). According to the present invention, by coating a metal oxide on the surface of a three-component or more positive electrode active material or an olivine-based positive electrode active material using a sol-gel method, the dispersibility of the positive electrode active material is improved, and surface side reactions such as decomposition of the electrolyte on the surface of the positive electrode active material are prevented. Suppression and extend the life of the battery.
Description
본 발명은 금속산화물이 코팅된 양극활물질의 제조방법, 이에 의하여 제조된 금속산화물이 코팅된 양극활물질, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 전극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 졸-겔(sol-gel)법을 이용하여 3성분계 이상의 양극활물질 또는 올리빈계 양극활물질의 표면에 금속산화물을 코팅하는 양극활물질의 제조방법, 이에 의하여 제조된 금속산화물이 코팅된 양극활물질, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 전극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a positive electrode active material coated with a metal oxide, a positive electrode active material coated with a metal oxide prepared thereby, an electrode for a lithium secondary battery including the same, and a lithium secondary battery. More specifically, a method for producing a positive electrode active material coating a metal oxide on the surface of a three-component or more positive electrode active material or an olivine positive electrode active material using a sol-gel method, and a positive electrode coated with a metal oxide prepared thereby It relates to an active material, an electrode for a lithium secondary battery including the same, and a lithium secondary battery.
리튬 이차전지는 휴대폰, PDA(Personal Digital Assistants), MP3 플레이어, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등의 이동용 정보통신기기의 에너지원으로 사용되는 고성능 리튬 이차전지와 전기전동기, 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle;HEV) 등 고출력 대형 수송기기용 이차전지 등으로 광범위하게 적용 가능하다.Lithium secondary batteries are high-performance lithium secondary batteries used as energy sources for mobile information and communication devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), MP3 players, camcorders, notebook computers, etc., electric motors, and hybrid electric vehicles (HEV). It can be widely applied as a secondary battery for high-power large-sized transportation equipment, etc.
리튬이온 이차전지는 일반적으로 리튬이온의 삽입 및 탈리가 가능한 양극 및 음극, 양극과 음극의 물리적인 접촉을 방지하는 분리막, 리튬이온을 전달하는 유기 전해액 또는 고분자 전해액으로 이루어진다. 리튬이온 이차전지는 양극 및 음극에서 리튬이온이 삽입/탈리될 때 전기화학적 산화, 환원 반응에 의하여 전기 에너지를 생성하게 된다.Lithium ion secondary batteries are generally composed of a positive electrode and a negative electrode capable of intercalating and deintercalating lithium ions, a separator preventing physical contact between the positive electrode and the negative electrode, and an organic or polymer electrolyte that transfers lithium ions. Lithium ion secondary batteries generate electric energy through electrochemical oxidation and reduction reactions when lithium ions are inserted/desorbed from the positive electrode and the negative electrode.
양극 활물질로는 리튬 함유 복합 산화물, 바람직하게는 리튬-전이금속 산화물이 사용되고, 음극 활물질로는 리튬 금속, 리튬 합금, 탄소(결정질 또는 비정질) 또는 탄소 복합체가 사용되고 있다. 또한, 전해액은 이온전도의 매체 역할을 수행하는 것으로, 비수용매를 사용할 수 있으며, 비수 용매는 리튬염 및 기타 첨가제로 이루어진다.A lithium-containing composite oxide, preferably a lithium-transition metal oxide, is used as the positive electrode active material, and a lithium metal, a lithium alloy, carbon (crystalline or amorphous), or a carbon composite is used as the negative electrode active material. In addition, the electrolyte serves as a medium for ion conduction, and a non-aqueous solvent may be used, and the non-aqueous solvent is composed of a lithium salt and other additives.
일반적으로 전극을 제조할 때, 활물질과 바인더 그리고 도전제를 혼합한 슬러리를 집전체에 도포한다. 활물질을 슬러리 내에 균일하게 분산시키는 것은 쉽지 않다. 활물질이 균일하게 분산되어 있지 않은 경우 슬러리 자체가 균일한 조성을 가질 수 없다. 또한 양극활물질의 표면에서는 전해액과의 부반응이 생기는데, 전해액이 분해되어 생기는 불산(HF)이 전극에 영향을 주어 이차전지의 수명이 단축되는 문제를 발생시킨다.In general, when manufacturing an electrode, a slurry obtained by mixing an active material, a binder, and a conductive agent is applied to a current collector. It is not easy to uniformly disperse the active material in the slurry. If the active material is not uniformly dispersed, the slurry itself cannot have a uniform composition. In addition, a side reaction with the electrolyte occurs on the surface of the positive electrode active material, and hydrofluoric acid (HF) generated by decomposing the electrolyte affects the electrode, causing a problem of shortening the life of the secondary battery.
본 발명은 졸-겔법을 이용하여 3 성분계 이상의 양극활물질 또는 올리빈계 양극활물질의 표면에 금속산화물을 코팅하는 양극활물질의 제조방법, 이에 의하여 제조된 금속산화물이 코팅된 양극활물질, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 전극 및 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.The present invention is a method for producing a positive electrode active material coating a metal oxide on the surface of a three-component or more positive electrode active material or an olivine positive electrode active material using a sol-gel method, a positive electrode active material coated with a metal oxide prepared thereby, a lithium secondary comprising the same It is intended to provide a battery electrode and a lithium secondary battery.
본 발명의 제1 실시형태는 용매, 금속알콕사이드 및 커플링제를 혼합하는 단계(혼합 단계), 혼합 용액에 양극활물질을 투입하는 단계(투입 단계), 혼합용액으로부터 양극활물질을 분리하는 단계(분리 단계), 및 분리된 양극활물질을 열처리하여 금속산화물이 코팅된 양극활물질을 얻는 단계(열처리 단계)를 포함하는 금속산화물이 코팅된 양극활물질의 제조방법일 수 있다.In the first embodiment of the present invention, a step of mixing a solvent, a metal alkoxide, and a coupling agent (mixing step), adding a positive electrode active material to the mixed solution (injecting step), and separating the positive electrode active material from the mixed solution (separating step ), and heat treatment of the separated positive electrode active material to obtain a positive electrode active material coated with a metal oxide (heat treatment step), and may be a method of manufacturing a positive electrode active material coated with a metal oxide.
상기 양극활물질로는 특별히 제한이 있는 것은 아니나, Li1 +aNibCocMndMeO2(-1<a<1, b+c+d+e=1, b>0, c>0, d>0, e≥O이고, M은 전이금속 중에서 선택된 1종 이상의 금속이다) 또는 올리빈계 양극활물질로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.The cathode active material is not particularly limited, but Li 1 +a Ni b Co c Mn d M e O 2 (-1<a<1, b+c+d+e=1, b>0, c> 0, d>0, e≥O, and M is at least one metal selected from transition metals) or at least one selected from the group consisting of an olivine-based positive electrode active material may be used.
상기 용매로는 이소프로필알콜, N-메틸-2-피롤리돈, γ-부틸락톤(butylactone), N,N-디메틸아세트아미드, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(1,3-dimetyl-2-imidazolidinone) 및 시클로헥산으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.As the solvent, isopropyl alcohol, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-butylactone, N,N-dimethylacetamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (1,3 -dimetyl-2-imidazolidinone) and at least one selected from the group consisting of cyclohexane may be used.
상기 금속 알콕사이드로는Si(OR)4, Sn(OR)4, Al(OR)4, Zr(OR)4, Ce(OR)4, Ti(OR)4, Zn(OR)2, Mg(OR)2, Ni(OR)2 및 코발트아미노알콕사이드(cobalt amino alkoxide) (R은 탄소수가 1~10인 알킬기)로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 MTMS(methyltrimethoxysilane)를 사용할 수 있다.The metal alkoxides include Si(OR) 4 , Sn(OR) 4 , Al(OR) 4 , Zr(OR) 4 , Ce(OR) 4 , Ti(OR) 4, Zn(OR) 2 , Mg(OR) ) 2 , Ni(OR) 2 and cobalt amino alkoxide (R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms), and at least one selected from the group consisting of, more specifically, MTMS (methyltrimethoxysilane) Can be used.
상기 커플링제로는 글리시드옥시프로필트리메톡시실란 (glycidoxypropyltrimethoxysilane(GPTMS)) 및 메틸트리에톡시실란 (methyl triethoxysilane (MTES)) 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 실리카 콜로이드를 사용할 수 있다. As the coupling agent, at least one selected from the group consisting of glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) and methyl triethoxysilane (MTES) may be used, preferably silica colloid You can use
상기 금속산화물은 SiO2, Al2O3, ZnO, ZnO2, ZrO2, MgO, NiO, CoO, Co3O4 및 TiO2로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1 이상의 산화물을 포함할 수 있다. The metal oxide may include at least one oxide selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, ZnO 2 , ZrO 2 , MgO, NiO, CoO, Co 3 O 4 and TiO 2 .
본 발명의 제2 실시형태는, 제1 실시형태에 따라 제조된 양극활물질일 수 있다.The second embodiment of the present invention may be a positive electrode active material manufactured according to the first embodiment.
본 발명의 제3 실시형태는 제2 실시형태의 양극활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 전극일 수 있다.The third embodiment of the present invention may be an electrode for a lithium secondary battery including the positive electrode active material of the second embodiment.
본 발명의 제4 실시형태는 제3 실시형태의 전극을 포함하는 리튬 이차전지일 수 있다.The fourth embodiment of the present invention may be a lithium secondary battery including the electrode of the third embodiment.
본 발명에 의하면 3 성분계 이상의 양극활물질 또는 올리빈계 양극활물질의 표면에 졸-겔법을 이용하여 금속산화물을 코팅함으로써 양극활물질의 분산성을 향상시키고, 양극활물질 표면에서 표면 부반응을 억제하여 리튬 이차전지의 수명을 연장할 수 있다. According to the present invention, the dispersibility of the positive electrode active material is improved by coating a metal oxide on the surface of a positive electrode active material of three or more components or an olivine positive electrode active material using a sol-gel method, and by suppressing side reactions on the surface of the positive electrode active material, the lithium secondary battery Life can be extended.
또한, 코팅하지 않은 양극활물질에 비해 우수한 가역적인 용량을 얻을 수 있고, 높은 부하 특성(rate capability)이 장수명 특성 평가에도 그 용량이 유지될 수 있으므로, 본 발명에 따른 양극활물질은 고출력이 가능한 고성능의 리튬 이차전지에 이용될 수 있다.In addition, superior reversible capacity can be obtained compared to the uncoated positive electrode active material, and the capacity can be maintained even in the evaluation of long-life characteristics, so that the positive electrode active material according to the present invention has high performance It can be used for lithium secondary batteries.
도 1는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 금속산화물이 코팅된 양극활물질을 제조하는 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 2은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 금속산화물이 코팅된 양극활물질 입자를 나타내는 모식도이다.
도 3은 비교예 및 실시예 1에 따라 제조된 양극활물질에 대한 주사전자현미경 사진이다(A: 비교예, B: 실시예 1).1 is a flow chart illustrating a process of manufacturing a positive electrode active material coated with a metal oxide according to a first embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing particles of a positive electrode active material coated with a metal oxide according to the first embodiment of the present invention.
3 is a scanning electron microscope photograph of a cathode active material prepared according to Comparative Examples and Example 1 (A: Comparative Example, B: Example 1).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, embodiments of the present invention are provided in order to more completely describe the present invention to those with average knowledge in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
본 발명은 졸-겔법에 의하여 양극활물질의 표면을 코팅하는 것을 특징으로 한다. 졸-겔(Sol-gel) 코팅법은 알콕사이드 같은 금속 유기 화합물이나 염을 가수분해하여 콜로이드 입자가 분산되어 있는 졸(sol)을 제조하고, 이를 탈수축합 반응시켜 3차원적으로 결합된 겔(gel)을 제조하고, 이러한 겔로 피코팅물을 코팅하는 방법이다. 졸(sol)의 예로는 실리카졸(SiO2-sol), 타이타니아졸(TiO2-sol), 알루미나졸(Al2O3-sol), 지르코니아졸(ZrO2-sol)을 사용할 수 있다.The present invention is characterized in that the surface of the positive electrode active material is coated by a sol-gel method. In the sol-gel coating method, a metal organic compound or salt such as alkoxide is hydrolyzed to prepare a sol in which colloid particles are dispersed, and a dehydration-condensation reaction of the sol is prepared. ), and coating the object to be coated with this gel. Examples of the sol may include silica sol (SiO 2 -sol), titania sol (TiO 2 -sol), alumina sol (Al 2 O 3 -sol), and zirconia sol (ZrO 2 -sol).
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 금속산화물이 코팅된 양극활물질을 제조하는 공정을 나타내는 흐름도이다. 1 is a flowchart illustrating a process of manufacturing a positive electrode active material coated with a metal oxide according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시형태는 용매, 금속알콕사이드 및 커플링제를 혼합하는 단계(혼합 단계)(S1), 혼합 용액에 양극활물질을 투입하는 단계(투입 단계)(S2), 혼합용액으로부터 양극활물질을 분리하는 단계(분리 단계)(S3), 및 분리된 양극활물질을 열처리하여 금속산화물이 코팅된 양극활물질을 얻는 단계(열처리 단계)(S4)를 포함하는 금속산화물이 코팅된 양극활물질의 제조방법일 수 있다.Referring to Figure 1, the first embodiment of the present invention is a step of mixing a solvent, a metal alkoxide, and a coupling agent (mixing step) (S1), injecting a positive electrode active material into the mixed solution (injection step) (S2), Metal oxide-coated, including the step of separating the positive electrode active material from the mixed solution (separation step) (S3), and the step of heat-treating the separated positive electrode active material to obtain a metal oxide-coated positive electrode active material (heat treatment step) (S4). It may be a method of manufacturing a cathode active material.
먼저, 용매, 금속알콕사이드 및 커플링제를 혼합하여 혼합용액을 마련할 수 있다(혼합 단계)(S1). 이때 금속알콕사이드 및 커플링제가 균일하게 혼합될 수 있도록 교반을 행할 수 있다. 이에 의하여 금속이 용매 내에 균일하게 분산되어 있는 졸(sol) 상태의 유기-무기 하이브리드 코팅 용액이 형성될 수 있다. First, a mixed solution may be prepared by mixing a solvent, a metal alkoxide, and a coupling agent (mixing step) (S1). At this time, agitation may be performed so that the metal alkoxide and the coupling agent are uniformly mixed. As a result, an organic-inorganic hybrid coating solution in a sol state in which the metal is uniformly dispersed in a solvent may be formed.
용매는 물을 제외하고 금속알콕사이드와 커플링제를 용해할 수 있는 것이면 특별한 제한은 없다. 구체적으로는 극성 용매로서 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트 및 이소부틸아세테이트 등의 에스테르계 용매; 아세톤, 메틸에틸케톤, 이소부틸케톤 및 사이클로핵사논 등의 케톤계 용매; 및 에탄올, 프로판올 및 부탄올 등의 알코올계 용매 등을 사용할 수 있고, 비극성 용매로서 벤젠, 톨루엔 및 에틸벤젠 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 이소프로필알콜, N-메틸-2-피롤리돈, γ-부틸락톤(butylactone), N,N-디메틸아세트아미드, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(1,3-dimetyl-2-imidazolidinone) 및 시클로헥산으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 용매로 사용할 수 있다.There is no specific limitation as long as the solvent can dissolve the metal alkoxide and the coupling agent except for water. Specifically, as a polar solvent, ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, and isobutyl acetate; Ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, isobutyl ketone, and cyclohexanone; And alcohol-based solvents such as ethanol, propanol, and butanol, and benzene, toluene, ethylbenzene, and the like can be used as non-polar solvents. Preferably isopropyl alcohol, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-butylactone, N,N-dimethylacetamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (1,3- dimetyl-2-imidazolidinone) and at least one selected from the group consisting of cyclohexane may be used as the solvent.
금속알콕사이드(Metal alkoxide or metal alcoholate)는 금속원자가 산소 원자에 의해서 한 개 또는 그 이상의 알킬기와 결합한 형태이며, M(OR)x의 일반식으로 표기할 수 있고, 알콜 ROH의 수산기 H가 금속 M과 치환된 유도체, 또는 금속 수산화물M(OH)x의 수산기 H가 알킬기 R과 치환된 유도체일 수 있다. 금속 알콕사이드의 물리적 특성은 금속 원소의 주기율표상 위치와 결합한 알킬기에 따라 달라지는데 대부분의 금속 알콕사이드는 분자 상호 간의 힘으로 강하게 결합하고 있으며 이는 알킬기의 형태와 크기에 따라 영향을 받을 수 있다.Metal alkoxide or metal alcoholate is a form in which a metal atom is bonded with one or more alkyl groups by an oxygen atom, and can be expressed by the general formula of M(OR)x, and the hydroxyl group H of the alcohol ROH is A substituted derivative or a derivative in which the hydroxyl group H of the metal hydroxide M(OH)x is substituted with the alkyl group R may be used. The physical properties of metal alkoxides vary depending on the position on the periodic table of the metal element and the alkyl group bonded to it. Most metal alkoxides are strongly bonded by the force between molecules, which can be affected by the shape and size of the alkyl group.
금속 알콕사이드로는 Si(OR)4, Sn(OR)4, Al(OR)4, Zr(OR)4, Ce(OR)4, Ti(OR)4, Zn(OR)2, Mg(OR)2, Ni(OR)2 및 코발트아미노알콕사이드(cobalt amino alkoxide)로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다(R은 탄소수가 1~10인 알킬기), 특히 알콕시실란은 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 2 가지 이상의 알콕시실란을 혼합하여 사용함으로써 졸-겔 반응 속도 및 졸-겔법으로부터 생성되는 실리카 입자의 함량을 조절할 수 있다. 알콕시실란으로는 TEOS(Tetraethylorthosilicate) 또는 MTMS(methyltrimethoxysilane)를 사용하거나 또는 이들을 조합하여 사용하는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 알콕사이드는 최종적으로 형성하고자 하는 금속산화물 코팅층을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다. 금속알콕사이드로Si(OR)4를 사용하는 경우에는 SiO2 금속산화물이 코팅될 수 있고, 금속알콕사이드로Al(OR)4를 사용하는 경우에는 Al2O3 금속산화물이 코팅될 수 있고, 금속알콕사이드로Zr(OR)4를 사용하는 경우에는 ZrO2 금속산화물이 코팅될 수 있고, 금속알콕사이드로Ti(OR)4를 사용하는 경우에는 TiO2 금속산화물이 코팅될 수 있다. Metal alkoxides include Si(OR) 4 , Sn(OR) 4 , Al(OR) 4 , Zr(OR) 4 , Ce(OR) 4 , Ti(OR) 4, Zn(OR) 2 , Mg(OR) 2 , Ni(OR) 2 and one or more selected from the group consisting of cobalt amino alkoxide may be used (R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms), and in particular, one or two or more alkoxysilanes May be used by mixing, and by mixing two or more alkoxysilanes, the sol-gel reaction rate and the content of silica particles generated from the sol-gel method can be controlled. As the alkoxysilane, it is preferable to use TEOS (tetraethylorthosilicate) or MTMS (methyltrimethoxysilane), or a combination thereof, but is not limited thereto. The metal alkoxide can be appropriately selected in consideration of the metal oxide coating layer to be finally formed. When using Si(OR) 4 as a metal alkoxide, SiO 2 Metal oxide can be coated, and if Al(OR) 4 is used as a metal alkoxide, Al 2 O 3 Metal oxide can be coated, and when Zr(OR) 4 is used as a metal alkoxide, ZrO 2 metal oxide can be coated, and when Ti(OR) 4 is used as a metal alkoxide, TiO 2 metal oxide is coated. Can be.
커플링제로는 졸의 분산성을 향상시키고 코팅층의 밀착성을 향상시킬 수 있는 것이면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으며, 구체적으로는 글리시드옥시프로필트리메톡시실란 (glycidoxypropyltrimethoxysilane(GPTMS)) 또는 메틸트리에톡시실란(methyl triethoxysilane (MTES))를 사용할 수 있고, 이들을 조합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 실리카 콜로이드를 사용할 수 있다.
As the coupling agent, any one that can improve the dispersibility of the sol and improve the adhesion of the coating layer can be used. Specifically, glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) or methyltriethoxysilane (methyl triethoxysilane (MTES)) may be used, these may be used in combination, and silica colloid may be preferably used.
다음으로, 혼합 용액에 양극활물질을 투입할 수 있다(투입 단계)(S2).Next, the positive electrode active material may be added to the mixed solution (injection step) (S2).
양극활물질을 코팅하기 위하여 졸(sol) 상태의 코팅 용액에 양극활물질을 투입할 수 있다. 피코팅물에는 특별한 제한은 없으나, 본 실시형태에서는 양극활물질을 졸-겔법에 의하여 코팅하는 것을 특징으로 하는바, 양극활물질로는 Li1+aNibCocMndMeO2(-1<a<1, b+c+d+e=1, b>0, c>0, d>0, e≥O이고, M은 전이금속 중에서 선택된 1종 이상의 금속이다) 또는 올리빈계 양극활물질을 사용할 수 있으며, 이들을 조합하여 사용할 수도 있다.In order to coat the positive electrode active material, a positive electrode active material may be added to the coating solution in a sol state. There is no particular limitation on the object to be coated, but in this embodiment, the cathode active material is coated by a sol-gel method, and the cathode active material is Li 1+a Ni b Co c Mn d M e O 2 (-1 <a<1, b+c+d+e=1, b>0, c>0, d>0, e≥O, and M is at least one metal selected from transition metals) or an olivine-based cathode active material It can be used, and they can also be used in combination.
본 공정을 거치면 양극활물질의 표면에는 코팅층이 형성될 수 있다. 여기서의 코팅층은 금속산화물이 아니며, 금속알콕사이드 내에 존재하던 금속이 유기물질을 매개로 하여 망목 구조를 형성하고 있는 구조이다. 코팅층의 특성은 혼합 용액의 온도, pH, 시간 등에 따라 달라질 수 있다.
Through this process, a coating layer may be formed on the surface of the positive electrode active material. The coating layer here is not a metal oxide, and the metal existing in the metal alkoxide forms a network structure through an organic material. The properties of the coating layer may vary depending on the temperature, pH, and time of the mixed solution.
다음으로, 혼합용액으로부터 양극활물질을 분리할 수 있다(분리 단계)(S3). 코팅된 양극활물질을 용매로부터 분리하는 방법에는 특별한 제한은 없으나, 감압 여과 방법이 바람직하다.
Next, it is possible to separate the positive electrode active material from the mixed solution (separation step) (S3). There is no particular limitation on the method of separating the coated cathode active material from the solvent, but a vacuum filtration method is preferred.
다음으로, 분리된 양극활물질을 열처리하여 금속산화물이 코팅된 양극활물질을 얻을 수 있다(열처리 단계)(S4). 열처리에 의하여 양극활물질에 코팅된 물질이 금속산화물, 예를 들어, SiO2, Al2O3, ZnO, ZnO2, ZrO2, MgO, NiO, CoO, Co3O4 또는 TiO2로 전환되어 금속산화물이 형성될 수 있다. 2 이상의 금속 알콕사이드를 사용하는 경우에는 복합금속산화물이 형성될 수도 있다.Next, the separated positive electrode active material is heat treated to obtain a positive electrode active material coated with a metal oxide (heat treatment step) (S4). The material coated on the positive electrode active material by heat treatment is converted into a metal oxide, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, ZnO 2 , ZrO 2 , MgO, NiO, CoO, Co 3 O 4 or TiO 2 Oxides can be formed. When two or more metal alkoxides are used, a composite metal oxide may be formed.
금속산화물이 양극활물질을 완전히 둘러싸도록 형성되는 것이 바람직하나, 금속산화물로 덮히지 않은 부분이 일부 있더라도, 부반응의 반응면적을 줄일 수 있기 때문에 바람직하다.It is preferable that the metal oxide is formed so as to completely surround the positive electrode active material, but even if there is a portion not covered with the metal oxide, it is preferable because the reaction area of the side reaction can be reduced.
열처리 온도는 80℃~200℃일 수 있다. 열처리 온도가 80℃ 보다 낮은 경우에는 입자 간 응집이 발생할 수 있고, 200℃ 보다 높은 경우에는 리튬 인터컬레이션(intercalation) 효율이 저하될 수 있다.
The heat treatment temperature may be 80 ℃ ~ 200 ℃. When the heat treatment temperature is lower than 80° C., aggregation between particles may occur, and when it is higher than 200° C., lithium intercalation efficiency may be deteriorated.
도 2는 금속산화물이 코팅된 양극활물질 입자를 나타내는 모식도이다. 2 is a schematic diagram showing particles of a positive electrode active material coated with a metal oxide.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시형태는 제1 실시형태에 따라 제조된 양극활물질일 수 있으며, 이는 금속산화물이 코팅된 코어-쉘 구조일 수 있다.Referring to FIG. 2, the second embodiment of the present invention may be a positive electrode active material manufactured according to the first embodiment, which may have a core-shell structure coated with a metal oxide.
코어(10)는, 특별히 제한이 있는 것은 아니나, Li1 +aNibCocMndMeO2(-1<a<1, b+c+d+e=1, b>0, c>0, d>0, e≥O이고, M은 전이금속 중에서 선택된 1종 이상의 금속이다) 또는 올리빈계 양극활물질로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The
쉘(20)은 SiO2, Al2O3, ZnO, ZnO2, ZrO2, MgO, NiO, CoO, Co3O4 및 TiO2로 이루어진된 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종류의 금속산화물을 포함할 수 있다.
The
본 발명의 제3 실시형태는 제2 실시형태의 양극활물질을 포함하는 전극일 수 있다. 본 실시형태의 전극은 금속산화물이 코팅된 양극활물질, 전도성을 부여하는 도전제, 양극활물질과 도전제를 결합시키는 바인더 등을 혼합한 슬러리를 집전체 상에 도포하여 제작할 수 있다. 도전제, 바인더 등은 일반적으로 공지된 것을 사용할 수 있다.
The third embodiment of the present invention may be an electrode including the positive electrode active material of the second embodiment. The electrode of this embodiment can be produced by coating a slurry in which a positive electrode active material coated with a metal oxide, a conductive agent for imparting conductivity, a binder for binding the positive electrode active material and the conductive agent, and the like are mixed on the current collector. As the conductive agent and the binder, generally known ones can be used.
제3 실시형태의 전극, 즉 금속산화물이 코팅된 양극활물질을 이용하여 리튬 이차전지를 제작할 수 있다. 예를 들면, 금속산화물이 코팅된 양극활물질을 폴리비닐리돈 등의 바인더 및 아세틸렌 블랙, 카본 블랙 등의 도전제와 함께 N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기 용매에 첨가하여 양극활물질 슬러리를 먼저 제조할 수 있다. 슬러리 제조시 비프로톤 용매를 첨가하여, 점도를 맞춰주는 것이 일반적이다. 슬러리 조성물을 알루미늄 포일 등의 집전체에 도포한 후 건조하여 양극을 제조하고, 음극으로서 카본 또는 리튬 금속을 사용하여 음극을 제조하고, 양극과 음극의 중간에 분리막을 개재한 후 일정 장력을 가하면서 권취하여, 전지의 외장재인 파우치(pouch)에 삽입하고 전해액을 주입한 후 밀봉하여 리튬 이차전지를 제조할 수 있다.
A lithium secondary battery may be manufactured using the electrode of the third embodiment, that is, a positive electrode active material coated with a metal oxide. For example, a positive electrode active material coated with a metal oxide is added to an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone together with a binder such as polyvinylidone and a conductive agent such as acetylene black and carbon black to prepare a positive electrode active material slurry. It can be manufactured first. When preparing a slurry, it is common to add a non-proton solvent to adjust the viscosity. The slurry composition is coated on a current collector such as aluminum foil, dried to prepare a positive electrode, and a negative electrode is prepared using carbon or lithium metal as a negative electrode. A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode, and then a certain tension is applied. A lithium secondary battery can be manufactured by winding it up, inserting it into a pouch, which is an exterior material of a battery, injecting an electrolyte, and sealing it.
이하에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and comparative examples.
실시예Example 1 One
시판되는 이소프로필알콜 희석액(50%, Aldrich), 시판되는 MTMS(methyltrimethoxysilane, Aldrich), 시판되는 colloidal silica 현탁액 (30%, Aldrich)을 준비하고, 이소프로필알콜, MTMS, silica의 중량이 각각 100g, 4g, 4g 이 되도록 칭량하여 혼합한 후 1 시간 동안 교반하였다. 교반 중에 응집속도를 조절해 주기 위해 일정량의 HNO3(2wt%) 를 첨가하여 용액을 pH 8로 조절하고 30℃로 유지하면서 24시간 동안 교반하여 졸 상태의 코팅용액을 제조하였다. A commercially available isopropyl alcohol diluted solution (50%, Aldrich), a commercially available MTMS (methyltrimethoxysilane, Aldrich), and a commercially available colloidal silica suspension (30%, Aldrich) were prepared, and the weight of isopropyl alcohol, MTMS, and silica was 100 g, respectively, After weighing and mixing to 4g and 4g, the mixture was stirred for 1 hour. In order to control the aggregation rate during stirring, a certain amount of HNO 3 (2wt%) was added to adjust the solution to pH 8 and stirred for 24 hours while maintaining at 30°C to prepare a coating solution in a sol state.
코팅 용액에 양극활물질인 LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2(삼성정밀화학)를 투입하여 교반하고, 오븐을 이용하여 110℃에서 열처리하여 실리카가 표면에 코팅된 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 분말을 제조하였다.Cathode active material in the coating solution LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 was added to the input (SFC), and subjected to heat treatment at 110 ℃ using an oven silica is coated on the surface of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 powder was prepared.
양극활물질, 도전제, 및 바인더의 중량비율이 8:1:1이 되도록 각각 800g, 100g, 및 100g을 혼합한 후 교반하여 슬러리를 제조하였다. 양극활물질로는 상기 제조된 LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2을, 도전제로는 카본블랙을, 바인더로는 PVdF(Polyvinylidene fluoride)를 사용하였다. PVdF(Polyvinylidene fluoride)는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)에 혼합하여 사용하였다.800g, 100g, and 100g, respectively, were mixed so that the weight ratio of the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder was 8:1:1, and stirred to prepare a slurry. The prepared LiNi 1 /3 Co 1 /3 Mn 1 /3 O 2 was used as the cathode active material, carbon black was used as the conductive agent, and PVdF (Polyvinylidene fluoride) was used as the binder. PVdF (Polyvinylidene fluoride) was mixed with NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) and used.
상기 슬러리를 닥터 블레이드 방법을 이용하여 4~20㎛의 두께로 알루미늄 호일 상에 도포한 후 110°C에서 20 분 동안 건조하고 롤 프레스(roll press)로 압착하여 전극을 제작하였으며, 이를 코인셀에 조립하였다. 코인셀 제작시 전해질은 육불화인산리튬염(LiPF6)을 1M(몰/ℓ) 용액을 사용하였다.
The slurry was coated on an aluminum foil with a thickness of 4 to 20 μm using a doctor blade method, dried at 110 °C for 20 minutes, and pressed with a roll press to prepare an electrode. Assembled. When manufacturing the coin cell, a 1M (mol/L) solution of lithium hexafluorophosphate salt (LiPF 6 ) was used as the electrolyte.
실시예Example 2 2
다음과 같이 코팅 용액을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 전극 및 코인셀을 제작하였다.An electrode and a coin cell were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the coating solution was prepared as follows.
시판되는 (3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilane(98%, aldrich)와 시판되는 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate(98%, aldrich)를 10:1의 중량 비율로 섞어서 100g을 만든 후 1시간을 교반하였다. 교반 중 응집속도 조절을 위해 초산(aldrich, 99.5%)를 일정량 첨가하여 pH 6으로 조절하고 30℃로 유지한 뒤 24시간 동안 교반하여 코팅 용액을 제조하였다.
Commercially available (3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilane (98%, aldrich) and commercially available 3- (Trimethoxysilyl) propyl methacrylate (98%, aldrich) were mixed in a weight ratio of 10:1 to make 100 g, and then stirred for 1 hour. To adjust the aggregation rate during stirring, a certain amount of acetic acid (aldrich, 99.5%) was added to adjust the pH to 6, maintained at 30° C., and stirred for 24 hours to prepare a coating solution.
비교예Comparative example
양극활물질로 실리카가 코팅되지 않은 LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2(삼성정밀화학)를 사용하여 전극을 제작하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 전극 및 코인셀을 제작하였다.
An electrode in the same manner as in Example 1, except that an electrode was manufactured using LiNi 1 /3 Co 1 /3 Mn 1 /3 O 2 (Samsung Fine Chemicals) not coated with silica as a positive electrode active material. And a coin cell was produced.
평가evaluation
양극활물질에 실리카가 코팅되어 있는지 여부를 확인하기 위하여 실시예 1 및 비교예에 따라 제조된 양극활물질을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy, Jeol사의 JSM-7400F)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다(A: 비교예, B: 실시예 1). 도 3을 참조하면, 실시예 1의 경우 양극활물질의 표면에 실리카층이 코팅되어 표면이 매끄러움을 확인할 수 있다.
In order to check whether the positive electrode active material was coated with silica, the positive electrode active material prepared according to Example 1 and Comparative Example was observed with a scanning electron microscope (SEM, Scanning Electron Microscopy, Jeol's JSM-7400F), and the results are shown in Fig. It is shown in 3 (A: Comparative Example, B: Example 1). Referring to FIG. 3, in the case of Example 1, a silica layer was coated on the surface of the positive electrode active material, so that the surface was confirmed to be smooth.
또한, 양극활물질의 분산도를 살펴보기 위하여 제조된 전극 중 일정한 단면적 10㎝ x 10㎝를 채취하고, 균일한 표면을 이루었는지 육안으로 확인하고, 만약 전극 표면에 응집이 생긴 곳이 있다면 그 응집체의 개수를 세어 그 결과를 관찰하였다. 시료 3개에 대하여 뭉침이 발생한 개수를 세고 그 평균을 계산하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
In addition, to examine the degree of dispersion of the positive electrode active material, a certain cross-sectional area of 10 cm x 10 cm is collected among the prepared electrodes, and a uniform surface is visually checked. If there is agglomeration on the electrode surface, The number was counted and the results were observed. The number of agglomerations occurred for 3 samples was counted and the average was calculated. The results are shown in Table 1.
표 1을 참조하면, 실시예 1의 경우에는 뭉침이 거의 발생하지 않았으나 비교예의 경우에는 뭉침이 다수 발생하였음을 확인할 수 있다. 이로부터 본 발명에 의하는 경우 양극활물질의 분산성이 향상됨을 알 수 있다.
Referring to Table 1, in the case of Example 1, agglomeration hardly occurred, but in the case of the comparative example, it can be seen that a large number of agglomeration occurred. From this, it can be seen that in the case of the present invention, the dispersibility of the positive electrode active material is improved.
또한, 전지의 수명이 향상되었는지 여부를 살펴보기 위하여, 상기 제작한 코인셀을 상온에서 10C로 충방전시험을 반복하여 실시하고, 초기 용량의 80%가 되는 사이클을 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
In addition, in order to examine whether the life of the battery has improved, the coin cell produced above was repeatedly charged and discharged at 10C at room temperature, and the cycle to become 80% of the initial capacity was measured, and the results are shown in Table 2. Shown in.
표 2를 참조하면, 실시예 1의 경우가 비교예의 경우보다 전지의 수명이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
Referring to Table 2, it was confirmed that the battery life of Example 1 was improved compared to that of Comparative Example.
본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다.본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
The terms used in the present invention are for describing specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions should be viewed as including plural meanings, unless the context is clear. Terms such as "include" or "have" mean, but are not intended to exclude, features, numbers, steps, actions, components, or combinations thereof described in the specification. It is not intended to be limited by the embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Therefore, various types of substitutions, modifications and changes will be possible by those of ordinary skill in the art within the scope not departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, and this also belongs to the scope of the present invention. something to do.
10: 양극활물질
20: 금속산화물10: cathode active material
20: metal oxide
Claims (11)
상기 혼합 용액에 양극활물질을 투입하는 단계(투입 단계);
상기 혼합 용액으로부터 양극활물질을 분리하는 단계(분리 단계); 및
상기 분리된 양극활물질을 열처리하여 금속산화물이 코팅된 양극활물질을 얻는 단계(열처리 단계)를 포함하는 금속산화물이 코팅된 양극활물질의 제조방법으로서,
상기 금속알콕사이드로는 Si(OR)4, Sn(OR)4, Al(OR)3, Zr(OR)4, Ce(OR)4, Ti(OR)4, Zn(OR)2, Mg(OR)2, Ni(OR)2 및 코발트아미노알콕사이드(cobalt aminoalkoxide)로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용하고,
상기 혼합 단계의 커플링제는 실리카 콜로이드를 사용하는, 양극활물질의 제조방법.Mixing a solvent, a metal alkoxide, and a coupling agent (mixing step);
Injecting a positive electrode active material into the mixed solution (injection step);
Separating the positive electrode active material from the mixed solution (separating step); And
As a method for producing a positive electrode active material coated with a metal oxide comprising the step of heat-treating the separated positive electrode active material to obtain a positive electrode active material coated with a metal oxide (heat treatment step),
As the metal alkoxide, Si(OR) 4 , Sn(OR) 4 , Al(OR) 3 , Zr(OR) 4 , Ce(OR) 4 , Ti(OR) 4, Zn(OR) 2 , Mg(OR) ) 2 , Ni(OR) 2 and at least one selected from the group consisting of cobalt aminoalkoxide is used,
The method of manufacturing a positive electrode active material using a silica colloid as the coupling agent in the mixing step.
상기 양극활물질로는 Li1 +aNibCocMndMeO2(-1<a<1, b+c+d+e=1, b>0, c>0, d>0, e≥O이고, M은 전이금속 중에서 선택된 1종 이상의 금속이다) 및 올리빈계 양극활물질로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용하는 금속산화물이 코팅된 양극활물질의 제조방법.The method of claim 1,
The cathode active material is Li 1 +a Ni b Co c Mn d M e O 2 (-1<a<1, b+c+d+e=1, b>0, c>0, d>0, e ≥O, and M is at least one metal selected from transition metals) and an olivine-based cathode active material. A method for producing a cathode active material coated with a metal oxide using at least one selected from the group consisting of.
상기 용매로는 이소프로필알콜, N-메틸-2-피롤리돈, γ-부틸락톤(butylactone), N,N-디메틸아세트아미드, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(1,3-dimetyl-2-imidazolidinone) 및 시클로헥산으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용하는 금속산화물이 코팅된 양극활물질의 제조방법.The method of claim 1,
As the solvent, isopropyl alcohol, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-butylactone, N,N-dimethylacetamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (1,3 -dimetyl-2-imidazolidinone) and a method of producing a positive electrode active material coated with a metal oxide using at least one selected from the group consisting of cyclohexane.
상기 금속알콕사이드로는 MTMS(methyltrimethoxysilane)을 사용하는 금속산화물이 코팅된 양극활물질의 제조방법.The method of claim 1,
A method for producing a positive electrode active material coated with a metal oxide using MTMS (methyltrimethoxysilane) as the metal alkoxide.
상기 금속산화물은 SiO2, Al2O3, ZnO, ZnO2, ZrO2, MgO, NiO, CoO, Co3O4 및 TiO2로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종류의 산화물을 포함하는 금속산화물이 코팅된 양극활물질의 제조방법.The method of claim 1,
The metal oxide is a metal oxide including at least one oxide selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, ZnO 2 , ZrO 2 , MgO, NiO, CoO, Co 3 O 4 and TiO 2 Method of manufacturing a coated positive electrode active material.
A lithium secondary battery comprising the electrode of claim 10.
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