KR102172381B1 - A cathode active material, method of preparing the same, and lithium secondary battery comprising a cathode comprising the cathode active material - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Li1-xNaxPαMO2로 표시되는 화합물을 포함하는 양극활물질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 양극을 포함한 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material comprising a compound represented by Li 1-x Na x P α MO 2 , a method for preparing the same, and a lithium secondary battery including a cathode comprising the same.

Description

양극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 양극을 포함한 리튬이차전지{A cathode active material, method of preparing the same, and lithium secondary battery comprising a cathode comprising the cathode active material}A cathode active material, method of preparing the same, and lithium secondary battery comprising a cathode comprising the cathode active material

양극활물질, 이의 제조방법, 상기 양극활물질을 포함하는 양극을 포함한 리튬이차전지에 관한 것이다.It relates to a positive electrode active material, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including a positive electrode including the positive electrode active material.

리튬 이차전지는 1991년 Sony社에 의해 상용화된 이후 mobile IT 제품과 같은 소형 가전으로부터, 중대형 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템까지 다양한 분야에서 수요가 급증하고 있다. 특히, 중대형 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템을 위해서는 저가형 고에너지 양극 소재가 필수적인데, 현재 상용화된 양극 활물질인 단결정형 LiCoO2 (LCO)의 주원료인 코발트는 고가이다.Since the lithium secondary battery was commercialized by Sony in 1991, demand has been rapidly increasing in various fields ranging from small home appliances such as mobile IT products to medium and large electric vehicles and energy storage systems. In particular, low-cost, high-energy cathode materials are essential for mid- to large-sized electric vehicles and energy storage systems. Cobalt, the main raw material of single crystal LiCoO 2 (LCO), which is a cathode active material currently commercially available, is expensive.

그래서, 최근 중대형 이차전지용 양극 활물질로서 LCO 대신에 Co의 일부를 다른 전이금속으로 치환한, LiNixCoyMnzO2 (NCM, x+y+z=1) 및 LiNixCoyAlzO2 (NCA, x+y+z=1)로 표시되는 Ni 계 양극활물질을 사용하며, 이러한 NCM 및 NCA계 양극활물질은 원료인 니켈의 가격이 저렴하고 높은 가역 용량을 갖는다는 장점을 가진다. 이러한 Ni계 양극활물질은 공침법으로 합성한 전이금속 화합물 전구체를 리튬 소스와 혼합한 후 고상으로 합성하여 제조된다. 그러나, 이렇게 합성된 Ni 계 양극 소재는 작은 일차입자들이 뭉쳐져 있는 이차입자 형태로 존재하여, 장기간의 충/방전 과정에서 이차입자 내부에 미세균열(micro-crack)이 발생된다는 문제점이 존재한다. 미세균열은 양극활물질의 새로운 계면과 전해액의 부반응을 유발하고, 그 결과 가스 발생에 따른 안정성 저하 및 전해액 고갈로 인한 전지 성능 저하와 같은 전지 성능 열화가 유발된다. 또한, 고에너지 밀도 구현을 위해 전극 밀도의 증가 (>3.3g/cc)를 필요로 하는데, 이는 이차입자의 붕괴를 유발해 전해액과의 부반응으로 인한 전해액 고갈을 유발하여 초기 수명 급락을 유발한다. 결국, 기존의 공침법으로 합성한 이차입자 형태의 Ni 계 양극활물질은 고에너지 밀도를 구현 할 수 없음을 의미한다.So, LiNi x Co y Mn z O 2 (NCM, x+y+z=1) and LiNi x Co y Al z O, in which a part of Co is substituted with another transition metal instead of LCO as a cathode active material for a mid- to large-sized secondary battery. 2 (NCA, x+y+z=1), a Ni-based cathode active material is used, and these NCM and NCA-based cathode active materials have the advantage that the price of nickel as a raw material is low and has a high reversible capacity. The Ni-based cathode active material is prepared by mixing a transition metal compound precursor synthesized by a coprecipitation method with a lithium source and then synthesizing it in a solid state. However, the Ni-based cathode material synthesized in this way exists in the form of secondary particles in which small primary particles are agglomerated, and there is a problem that micro-crack occurs inside the secondary particles during a long-term charging/discharging process. The microcracks cause a side reaction between the new interface of the positive electrode active material and the electrolyte, and as a result, deterioration of battery performance such as degradation of stability due to gas generation and degradation of battery performance due to depletion of the electrolyte is caused. In addition, an increase in electrode density (>3.3g/cc) is required to realize a high energy density, which causes the collapse of secondary particles, causing electrolyte depletion due to side reactions with the electrolyte, causing a sharp decline in initial lifespan. Consequently, it means that the Ni-based cathode active material in the form of secondary particles synthesized by the conventional co-precipitation method cannot realize high energy density.

전술한 이차입자 형태의 Ni계 양극활물질의 문제점을 해결하고자, 최근에 단입자형 Ni계 양극활물질의 개발이 이루어지고 있다. 단결정형 Ni계 양극활물질은 고 에너지 밀도 구현을 위해 전극 밀도 증가 시 (> 3.3g/cc), 입자의 붕괴가 발생하지 않아 뛰어난 전기화학 성능을 구현할 수 있다. 하지만, 입자의 형상과 관계없이 Ni계 양극활물질은 전기화학 평가 시, 불안정한 Ni3+, Ni4+ 이온으로 인해 구조적 및/또는 열적 불안정성으로 인해 배터리 안정성이 저하될 수 있다. 따라서, 고에너지 리튬 이차 전지 개발을 위해서, 단결정 Ni계 양극활물질의 개발과 함께 양극활물질의 불안정한 Ni 이온을 안정화시키는 것이 필요하다.In order to solve the problems of the above-described secondary particle type Ni-based positive electrode active material, the development of a single-particle type Ni-based positive electrode active material has been recently made. The single crystal type Ni-based positive electrode active material does not cause particle collapse when the electrode density is increased (> 3.3g/cc) to realize high energy density, so it can realize excellent electrochemical performance. However, regardless of the shape of the particles, the Ni-based positive electrode active material may deteriorate battery stability due to structural and/or thermal instability due to unstable Ni 3+ and Ni 4+ ions during electrochemical evaluation. Therefore, in order to develop a high-energy lithium secondary battery, it is necessary to stabilize unstable Ni ions of the positive electrode active material together with the development of a single crystal Ni-based positive electrode active material.

일 측면에 따라, 리튬 전이금속 산화물 중 전이금속의 일부가 붕소(B)로 치환된 리튬 전이금속 산화물을 제공하여, 양극활물질 입자에서 불안정한 Ni이온을 안정화하여 체적당 용량 증가 및 수명 안정성을 개선하는 것을 목적으로 한다.According to one aspect, by providing a lithium transition metal oxide in which a part of the transition metal is substituted with boron (B) among lithium transition metal oxides, it stabilizes unstable Ni ions in the positive electrode active material particles to increase capacity per volume and improve life stability. It is aimed at.

일 측면에 따라, 하기 화학식 1로 표시되는, 양극활물질이 제공된다.According to one aspect, a positive electrode active material represented by the following Chemical Formula 1 is provided.

<화학식 1><Formula 1>

LixPαM1-βBβO2 Li x P α M 1-β B β O 2

상기 화학식 1 중, In Formula 1,

M은 1종 이상의 전이금속이고,M is one or more transition metals,

0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1이다. 0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1.

리튬 전구체, 전이금속 전구체, 인 전구체, 붕소 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻는 혼합 단계; 및A mixing step of mixing a lithium precursor, a transition metal precursor, a phosphorus precursor, and a boron precursor to obtain a precursor mixture; And

상기 전구체 혼합물을 열처리하여 상기 화학식 1로 표시되는 양극활물질을 얻는 열처리 단계;를 포함하는 양극활물질의 제조방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing a positive electrode active material comprising a heat treatment step of heat-treating the precursor mixture to obtain the positive electrode active material represented by Chemical Formula 1.

또 다른 측면에 따라, 상기 화학식 1로 표시되는 양극활물질을 포함하는 양극; 음극; 및 전해질을 포함하는 리튬이차전지가 제공된다.According to another aspect, a positive electrode including a positive electrode active material represented by Formula 1; cathode; And there is provided a lithium secondary battery including an electrolyte.

일 측면에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 화합물 중 전이금속의 일부가 B 이온으로 치환된 양극활물질은 활물질 입자에 불안정한 Ni 이온을 안정화시킴으로써, 이를 포함한 리튬이차전지는 고용량 및 장수명 특성을 가질 수 있다.According to one aspect, the cathode active material in which a part of the transition metal is substituted with B ions in the lithium transition metal compound represented by Formula 1 stabilizes unstable Ni ions in the active material particles, so that the lithium secondary battery including the same has high capacity and long life characteristics. I can.

도 1은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 얻은 양극활물질에 대하여 SEM(Verios 460, FEI) 사진이다.
도 2는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 얻은 양극활물질에 대하여 평균 입도 크기를 측정(Cilas1090, Scinco)한 입도 분포 곡선이다.
도 3은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 얻은 양극활물질에 대한 XRD 스펙트럼이다.
도 4는 실시예 3에서 얻은 양극활물질에 대한 고해상도투과전자현미경(high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM)) 사진 및 에너지분산형 x-레이 분광학(energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX)) 분석 결과이다.
도 5는 실시예 4 내지 6 및 비교예 2에서 제작한 하프셀의 50회 충전/방전 사이클에 대한 용량유지율을 보여주는 그래프이다.
도 6은 예시적인 구현예에 따른 리튬전지의 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 리튬전지 2: 음극
3: 양극 4: 세퍼레이터
5: 전지케이스 6: 캡 어셈블리
1 is a SEM (Verios 460, FEI) photograph of the positive electrode active material obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
2 is a particle size distribution curve obtained by measuring the average particle size (Cilas1090, Scinco) of the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
3 is an XRD spectrum of the positive electrode active material obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
4 is a high resolution transmission electron microscope (high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM)) photograph and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis results of the positive electrode active material obtained in Example 3 to be.
5 is a graph showing capacity retention rates for 50 charge/discharge cycles of half cells prepared in Examples 4 to 6 and Comparative Example 2. FIG.
6 is a schematic diagram of a lithium battery according to an exemplary embodiment.
<Explanation of symbols for major parts of drawings>
1: lithium battery 2: negative electrode
3: anode 4: separator
5: battery case 6: cap assembly

이하에서 설명되는 본 창의적 사상(present inventive concept)은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 창의적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 창의적 사상의 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present inventive concept described below may apply various transformations and may have various embodiments. Specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present creative idea to a specific embodiment, it is to be understood as including all transformations, equivalents or substitutes included in the technical scope of the present creative idea.

이하에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하에서 사용되는 "/"는 상황에 따라 "및"으로 해석될 수도 있고 "또는"으로 해석될 수도 있다.The terms used below are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present inventive idea. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Hereinafter, terms such as "comprises" or "have" are intended to indicate the existence of features, numbers, steps, actions, components, parts, components, materials, or a combination thereof described in the specification. It is to be understood that the above other features, or the possibility of the presence or addition of numbers, steps, actions, components, parts, components, materials, or combinations thereof, are not excluded in advance. "/" used below may be interpreted as "and" or "or" depending on the situation.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 축소하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the drawings, the thickness is enlarged or reduced in order to clearly express various layers and regions. The same reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification. Throughout the specification, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" or "on" another part, this includes not only the case directly above the other part, but also the case where there is another part in the middle. . Throughout the specification, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

이하에서 예시적인 구현예들에 따른 양극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 양극을 포함한 리튬이차전지에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a positive electrode active material according to exemplary embodiments, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including a positive electrode including the same will be described in more detail.

일 구현예에 따른 양극활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.The positive electrode active material according to an embodiment may include a compound represented by Formula 1 below.

<화학식 1><Formula 1>

LixPαM1-βBβO2 Li x P α M 1-β B β O 2

상기 화학식 1 중, In Formula 1,

M은 1종 이상의 전이금속이고,M is one or more transition metals,

0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1이다.0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1.

고에너지 리튬 이차전지용 양극활물질로서, 고농도의 Ni을 함유하는 Ni계 양극활물질("고-니켈계 양극활물질")이 주목 받고 있다. 고-니켈계 양극활물질은 양극활물질을 구성하는 전이금속 중 니켈의 함량이 다른 전이금속에 비해 높음으로써, 고 용량을 갖지만 양극활물질 표면에 존재하는 불안정한 Ni3+, Ni4+ 이온으로 인하여 구조적 불안정성을 갖는다는 한계점이 존재한다. 따라서, 고용량의 고-니켈계 양극활물질 입자에 존재하는 불안정한 Ni 이온을 안정화시키기 위한 과제가 여전히 존재한다.As a positive electrode active material for a high-energy lithium secondary battery, a Ni-based positive electrode active material containing a high concentration of Ni ("high-nickel-based positive electrode active material") is attracting attention. High-nickel-based cathode active material has a higher capacity as the content of nickel among the transition metals constituting the cathode active material is higher than that of other transition metals, but structural instability due to unstable Ni 3+ and Ni 4+ ions on the surface of the cathode active material There is a limitation of having Therefore, there is still a problem for stabilizing unstable Ni ions present in particles of a high-nickel-based positive electrode active material having a high capacity.

이와 관련하여, 본 발명의 발명자는 고-니켈계 리튬 전이금속산화물에서 전이금속의 일부를 B 이온으로 치환하는 것에 의하여 불안정한 Ni 이온이 안정화된다는 견지에서 본 발명을 완성하였다. 또한, 전이금속 중 소량의 전이금속이 B 이온으로 치환되어도 리튬 전이금속 산화물의 결정 및 입자의 크기가 유지됨으로써, 기존의 단결정 활물질의 고에너지 밀도 및 장수명 특성을 유지하면서, 이와 동시에 불안정한 Ni 이온의 안정화에 따른 활물질의 수명특성의 추가적인 향상을 기대할 수 있다.In this regard, the inventor of the present invention has completed the present invention in view of stabilizing unstable Ni ions by substituting part of the transition metal with B ions in the high-nickel lithium transition metal oxide. In addition, even if a small amount of transition metal among the transition metals is replaced with B ions, the size of the crystals and particles of lithium transition metal oxide is maintained, thereby maintaining the high energy density and long life characteristics of the existing single crystal active material, while at the same time preventing unstable Ni ions. Further improvement of the life characteristics of the active material can be expected through stabilization.

상기 M은 Ni, Co, Mn, Al, Mg, V, 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함할 수 있다. The M may include at least one transition metal selected from Ni, Co, Mn, Al, Mg, V, and Ti.

예를 들어, 상기 M은 Ni, Co, Mn, 및 Al 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the M may include one or more transition metals selected from Ni, Co, Mn, and Al, but is not limited thereto.

상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물일 수 있다:Formula 1 may be a compound represented by the following Formula 2:

<화학식 2><Formula 2>

LixPαNi1-β-γM1γBβO2 Li x P α Ni 1-β-γ M1 γ B β O 2

상기 화학식 2 중,In Formula 2,

M1은 Co, Mn, Al, Mg, V, 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속이고,M1 is one or more transition metals selected from Co, Mn, Al, Mg, V, and Ti,

0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1, 0<γ<1, 및 0<β+γ<1이다.0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1, 0<γ<1, and 0<β+γ<1.

상기 화학식 2 중, y는 0<y<0.5일 수 있다.In Formula 2, y may be 0<y<0.5.

상기 화학식 2로 표시되는 양극활물질은, 니켈계 단결정 단일입자 양극활물질의 결정 구조 내에서 다른 원소를 치환하는 것이 아니고, 비어있는 정사면체 자리에 P 원소가 도핑된 구조를 갖는다. 따라서, P 원소의 도핑은 Li 또는 Ni, Co와 같은 전이금속의 화학량론 값에 영향을 주지 않는다. 결과적으로, 화학식 2로 표시되는 단결정 니켈계 양극활물질은 P 원소의 도입을 통해 화학량론적으로 벗어난 조성을 가질 수 있다.The positive electrode active material represented by Chemical Formula 2 does not replace other elements in the crystal structure of the nickel-based single crystal single-particle positive electrode active material, but has a structure in which a P element is doped in an empty tetrahedral position. Therefore, doping of the P element does not affect the stoichiometric value of Li or transition metals such as Ni and Co. As a result, the single crystal nickel-based positive electrode active material represented by Chemical Formula 2 may have a composition that deviates stoichiometrically through the introduction of the P element.

일 구현예에 따르면, 상기 P 원소는 단결정의 층상 구조 중 사면체 자리에 위치할 수 있다. 상기 사면체 자리는 상기 단결정의 층상 구조 중 비어있는 자리일 수 있다. 상기 P 원소가 비어있는 사면체 자리에 위치함으로써, 잔류 리튬의 양이 저감되었다. 이론에 구속되는 것은 아니나, P가 결정 구조 내 비어있는 정사면체 자리에 부분적으로 치환 됨으로써 고온에서 제1열처리 단계에서 결정 구조 내 산소 결함 형성으로 인한 Li의 방출을 억제시킴으로써, 잔류 리튬을 저감시킬 수 있다. 방출된 Li은 고온에서 공기중의 CO2 및 수분과 반응하여 잔류 리튬 화합물을 형성시킬 수 있다. 하지만, 구조 내 비어있는 정사면체 자리에 존재하는 P는 양극 구조 내 산소 골격(framework)을 안정화 시킴에 따라 고온에서 산소 결함 형성 억제를 통해 잔류 리튬을 저감시킬 수 있다. According to one embodiment, the P element may be located at a tetrahedral site in a layered structure of a single crystal. The tetrahedral site may be an empty site in the layered structure of the single crystal. Since the P element is located in the empty tetrahedron site, the amount of residual lithium is reduced. Without being bound by theory, it is possible to reduce the residual lithium by suppressing the release of Li due to the formation of oxygen defects in the crystal structure in the first heat treatment step at high temperature by partially replacing P in the empty tetrahedron site in the crystal structure. . The released Li may react with CO 2 and moisture in the air at high temperature to form a residual lithium compound. However, P present in the empty tetrahedron in the structure stabilizes the oxygen framework in the anode structure, thereby reducing the residual lithium by suppressing the formation of oxygen defects at high temperatures.

일 구현예에 따르면, 상기 P 원소는 단결정 내부에 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 P 원소는 단결정 양극활물질 표면에 존재하지 않고, 단결정 양극활물질의 내부에 존재할 수 있다.According to one embodiment, the P element may exist inside a single crystal. For example, the P element is not present on the surface of the single crystal positive electrode active material, but may exist inside the single crystal positive electrode active material.

상기 P 원소가 단결정 내부의 사면체 자리에 위치함으로써, 충방전에 따른 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션 시에 상전이를 완화하여, 양극활물질의 상안정성에 기여한다.Since the P element is located at a tetrahedral site inside the single crystal, phase transition is alleviated during intercalation/deintercalation of lithium ions due to charge and discharge, thereby contributing to the phase stability of the positive electrode active material.

상기 화학식 1은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다:Formula 1 may be a compound represented by the following Formula 3:

<화학식 3><Formula 3>

LixPαNi1-β-γ-δM1γM2δBβO2 Li x P α Ni 1-β-γ-δ M1 γ M2 δ B β O 2

상기 화학식 3 중,In Formula 3,

M1 및 M2는 서로 독립적으로 Co, Mn, Al, Mg, V, 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속이고,M1 and M2 are each independently at least one transition metal selected from Co, Mn, Al, Mg, V, and Ti,

M1 및 M2는 서로 상이하고,M1 and M2 are different from each other,

0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1, 0<γ<1, 0<δ<1 및 0<β+γ+δ<1이다.0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1, 0<γ<1, 0<δ<1 and 0<β+γ+δ<1.

상기 화학식 3 중, γ 및 δ는 0<γ<0.4, 및 0<δ<0.4인 일 수 있다.In Formula 3, γ and δ may be 0<γ<0.4, and 0<δ<0.4.

상기 화학식 3 중, M1은 Co이고, M2는 Mn, Mg, V, 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 원소일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In Formula 3, M1 is Co, and M2 may be at least one element selected from Mn, Mg, V, and Ti, but is not limited thereto.

상기 화학식 1은 하기 화학식 4 내지 6 중 어느 하나로 표시되는 화합물일 수 있다:Formula 1 may be a compound represented by any one of the following Formulas 4 to 6:

<화학식 4><Formula 4>

Lix'Pα'Ni1-β'-γ'-δ'Coγ'Mnδ'Bβ'O2 Li x 'P α' Ni 1 -β'-γ'-δ 'Co γ' Mn δ 'B β' O 2

<화학식 5><Formula 5>

Lix''Pα''Ni1-β''-γ''-δ''Coγ''Alδ''Bβ''O2 Li x'' P α'' Ni 1-β''-γ''-δ'' Co γ'' Al δ'' B β'' O 2

<화학식 6><Formula 6>

Lix'''Pα'''Ni1-β'''-γ'''-δ'''Coγ''' Bβ'''O2 Li x''' P α''' Ni 1-β'''-γ'''-δ''' Co γ''' B β''' O 2

상기 화학식 4 내지 6 중,In Formulas 4 to 6,

0.98≤x'≤1.02, 0<α'≤0.007, 0<β'≤0.01, 0<γ'≤0.3, 및 0<δ'≤0.3이고,0.98≤x'≤1.02, 0<α'≤0.007, 0<β'≤0.01, 0<γ'≤0.3, and 0<δ'≤0.3,

0.98≤x''≤1.02, 0<α''≤0.007, 0<β''≤0.01, 0<γ''≤0.3, 및 0<δ''≤0.05이고,0.98≤x''≤1.02, 0<α''≤0.007, 0<β''≤0.01, 0<γ''≤0.3, and 0<δ''≤0.05,

0.98≤x'''≤1.02, 0<α'''≤0.007, 0<β'''≤0.01 및 0<γ'''≤0.2이다.0.98≤x'''≤1.02, 0<α'''≤0.007, 0<β'''≤0.01 and 0<γ'''≤0.2.

상기 양극활물질의 평균 입경(D50)은 0.1㎛ 내지 20㎛이다. 상기 양극활물질의 평균 입경은 상기 범위에 한정되는 것이 아니고, 상기 범위에서 선택되는 임의의 값들을 포함한다. 상기 양극활물질의 평균 입경이 상기 범위에 속하는 경우, 소망하는 체적당 에너지 밀도를 구현할 수 있다.The average particle diameter (D50) of the positive electrode active material is 0.1 μm to 20 μm. The average particle diameter of the positive electrode active material is not limited to the above range, and includes arbitrary values selected from the above range. When the average particle diameter of the positive electrode active material falls within the above range, a desired energy density per volume may be achieved.

상기 양극활물질의 평균 입경이 20㎛을 초과하는 경우 충방전 용량의 급격한 저하를 가져오게 되고, 0.1㎛ 이하인 경우 원하는 체적당 에너지 밀도를 얻기 어렵다.When the average particle diameter of the positive electrode active material exceeds 20 μm, the charge/discharge capacity rapidly decreases, and when it is less than 0.1 μm, it is difficult to obtain a desired energy density per volume.

상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 단결정이다. 여기서, 단결정은 단일 입자와는 구별되는 개념을 갖는다. 단입자는 내부에 결정의 유형과 개수에 상관없이 하나의 입자로 형성된 입자를 지칭하는 것이며, 단결정은 입자 내에 단일 결정을 포함하는 것을 의미한다. 상기 코어가 단결정을 가짐으로써, 구조적 안정성이 매우 높다. 또한, 다결정에 비해 리튬 이온 전도가 용이하여, 다결정의 활물질에 비하여 고속 충전 특성이 우수하다.The compound represented by Formula 1 is a single crystal. Here, a single crystal has a concept that is distinct from a single particle. A single particle refers to a particle formed of one particle regardless of the type and number of crystals therein, and a single crystal means that a single crystal is included in the particle. Since the core has a single crystal, the structural stability is very high. In addition, lithium ion conduction is easier than that of polycrystalline, and high-speed charging characteristics are superior to that of polycrystalline active material.

상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 단일입자이다. 여기서, 단일 입자는 복수의 단일 입자의 응집체인 이차입자와는 구별되는 개념이다. 상기 양극활물질이 단일입자의 형태를 가짐으로써, 높은 전극밀도에서도 입자의 부서짐을 방지할 수 있다. 따라서, 양극활물질의 고에너지 밀도의 구현이 가능해진다. 상기 코어는 단일 입자이므로, 압연시에 부서짐이 방지되어 고에너지 밀도의 구현이 가능하며, 입자의 부서짐에 따른 수명 열화도 방지할 수 있다.The compound represented by Formula 1 is a single particle. Here, a single particle is a concept that is distinguished from a secondary particle that is an aggregate of a plurality of single particles. Since the positive electrode active material has a single particle shape, it is possible to prevent the particles from being broken even at a high electrode density. Accordingly, it is possible to realize a high energy density of the positive electrode active material. Since the core is a single particle, it is possible to achieve high energy density by preventing breakage during rolling, and it is possible to prevent deterioration in life due to breakage of the particles.

본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 단결정 및 단일입자이다. 단결정 및 단일입자로 형성됨으로써, 구조적으로 안정하고 고밀도의 전극의 구현이 가능하여, 이를 포함한 리튬이차전지가 향상된 수명특성 및 고에너지 밀도를 동시에 가질 수 있다. The compound represented by Formula 1 according to the present invention is a single crystal and a single particle. By being formed of a single crystal and a single particle, structurally stable and high-density electrodes can be implemented, and a lithium secondary battery including the same can have improved lifespan characteristics and high energy density at the same time.

본 발명의 일 구현예에 따른 양극활물질은 CuKα선을 이용하는 XRD 분석에 의해 얻은 X선 회절 스펙트럼이 적어도 (003)면에서 주 피크 및 (104)면에서 부 피크를 가질 수 있다. 일 구현예에 따르면, 상기 주 피크는 2θ=19.00±0.50°이고 및 부 피크는 2θ=44.50±0.50°의 위치에서의 피크일 수 있다.The cathode active material according to an embodiment of the present invention may have a main peak at least in the (003) plane and a minor peak in the (104) plane in an X-ray diffraction spectrum obtained by XRD analysis using CuKα rays. According to an embodiment, the main peak may be 2θ = 19.00±0.50° and the minor peak may be a peak at a position of 2θ = 44.50±0.50°.

본 발명의 일 구현예에 따른 양극활물질은 CuKα선을 이용하는 XRD 분석에 의해 얻은 X선 회절 스펙트럼이 2θ=18.5±0.50°, 2θ=36.5±0.50°, 2θ=38.0±0.50°, 2θ=44.5±0.50°, 2θ=48.5±0.50°, 2θ=58.5±0.50°, 2θ=64.5±0.50° 및 2θ=68.0±0.50°의 위치에서 피크를 가질 수 있다.The cathode active material according to an embodiment of the present invention has an X-ray diffraction spectrum obtained by XRD analysis using CuKα rays, 2θ=18.5±0.50°, 2θ=36.5±0.50°, 2θ=38.0±0.50°, 2θ=44.5± It may have a peak at the positions of 0.50°, 2θ=48.5±0.50°, 2θ=58.5±0.50°, 2θ=64.5±0.50°, and 2θ=68.0±0.50°.

본 발명의 일 구현예에 따른 양극활물질은 XRD 분석에 의해 얻은 X선 회절 스펙트럼에서 (003)면에서 피크의 최대 강도를 IA로 하고 (104)면에서 피크의 최대 강도를 IB로 하는 경우에, IA/IB 값이 1.2 이상일 수 있다. IA/IB 값은 구조적 정렬도를 나타내는 것으로서, IA/IB 값이 크면 클수록 구조적 안정성이 높음을 의미하며, IA/IB 값이 1.2 이상인 것은 구조적 정렬도가 상당히 높은 것을 의미하며, 이는 본 발명의 일 구현예에 따른 양극활물질이 층상 구조가 잘 발달되어 있음을 의미한다. In the case of the positive electrode active material according to an embodiment of the present invention, in the X-ray diffraction spectrum obtained by XRD analysis, when the maximum intensity of the peak on the (003) plane is IA and the maximum intensity of the peak on the (104) plane is IB, The IA/IB value may be 1.2 or higher. The IA/IB value indicates the degree of structural alignment, and the larger the IA/IB value, the higher the structural stability, and the IA/IB value of 1.2 or more means that the structural alignment degree is considerably high, which is one of the present invention. This means that the positive electrode active material according to the embodiment has a well-developed layered structure.

이하, 일 측면에 따른 양극활물질의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a cathode active material according to an aspect will be described in detail.

일 구현예에 따른 양극활물질의 제조방법은 리튬 전구체, 전이금속 전구체, 인 전구체, 붕소 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻는 혼합 단계; 및A method of preparing a positive electrode active material according to an embodiment includes a mixing step of obtaining a precursor mixture by mixing a lithium precursor, a transition metal precursor, a phosphorus precursor, and a boron precursor; And

상기 전구체 혼합물을 열처리하여 하기 화학식 1로 표시되는 양극활물질을 얻는 열처리 단계;를 포함할 수 있다:A heat treatment step of heat-treating the precursor mixture to obtain a positive electrode active material represented by the following Formula 1; may include:

<화학식 1><Formula 1>

LixPαM1-βBβO2 Li x P α M 1-β B β O 2

상기 화학식 1 중, In Formula 1,

M은 1종 이상의 전이금속이고,M is one or more transition metals,

0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1이다.0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1.

상기 화학식 1에 대한 구체적인 설명은 전술한 바를 참조한다.For a detailed description of Chemical Formula 1, refer to the foregoing.

상기 혼합 단계는 상기 전구체를 기계적 혼합하는 것을 포함한다. 상기 기계적 혼합은 건식으로 수행된다. 상기 기계적 혼합은 기계적 힘을 가하여 혼합하고자 하는 물질들을 분쇄 및 혼합하여 균일한 혼합물을 형성하는 것이다. 기계적 혼합은 예를 들어, 화학적으로 불활성인 비드(beads)를 이용하는 볼 밀(ball mill), 유성 밀(planetary mill), 교반 볼 밀(stirred ball mill), 진동 밀(vibrating mill) 등과 같은 혼합장치를 이용하여 수행될 수 있다. 이때, 혼합 효과를 극대화 하기 위하여, 에탄올과 같은 알코올, 스테아르산과 같은 고급 지방산을 선택적으로 소량 첨가할 수 있다.The mixing step includes mechanical mixing the precursor. The mechanical mixing is carried out dry. The mechanical mixing is to form a uniform mixture by pulverizing and mixing substances to be mixed by applying a mechanical force. Mechanical mixing is a mixing device such as a ball mill, a planetary mill, a stirred ball mill, a vibrating mill, etc. using chemically inert beads. It can be done using At this time, in order to maximize the mixing effect, alcohol such as ethanol and higher fatty acids such as stearic acid may be selectively added in small amounts.

상기 기계적 혼합은 산화 분위기에서 수행되는데, 이는 전이금속 공급원(예, Ni 화합물)에서 전이금속의 환원을 막아서, 활물질의 구조적 안정성을 구현하기 위한 것이다. The mechanical mixing is carried out in an oxidizing atmosphere, which is to prevent reduction of the transition metal in a transition metal source (eg, Ni compound), thereby realizing structural stability of the active material.

상기 리튬 전구체는 리튬 수산화물, 산화물, 질화물, 탄산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 리튬 전구체는 LiOH 또는 Li2CO3일 수 있다.The lithium precursor may include lithium hydroxide, oxide, nitride, carbonate, or a combination thereof, but is not limited thereto. For example, the lithium precursor may be LiOH or Li 2 CO 3 .

상기 전이금속 전구체는 전이금속의 수산화물, 산화물, 질화물, 탄산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, NiO, NiCO3, MnO, MnCO3, CoO, CoCO3, AlO, AlCO3, 또는 이들의 조합일 수 있다.The transition metal precursor may include a transition metal hydroxide, oxide, nitride, carbonate or a combination thereof, but is not limited thereto. For example, NiO, NiCO 3, MnO, MnCO 3, CoO, CoCO 3, may be an AlO, AlCO 3, or a combination thereof.

상기 인 전구체는 P 원소를 제공할 수 있는 인-함유 화합물을 모두 포함한다. 예를 들어, 인 전구체는 NH4HPO4일 수 있다.The phosphorus precursor includes all phosphorus-containing compounds capable of providing the P element. For example, the phosphorus precursor may be NH 4 HPO 4 .

상기 붕소 전구체는 붕소 수산화물, 산화물, 질화물, 탄산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 나트륨 전구체는 BOH 또는 H3BO3일 수 있다.The boron precursor may include boron hydroxide, oxide, nitride, carbonate, or a combination thereof, but is not limited thereto. The sodium precursor may be BOH or H 3 BO 3 .

상기 혼합하는 단계 이후에, 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열처리 단계는 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계는 연속적으로 수행되거나, 제1 열처리 단계 이후에 휴식기를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계는 동일한 챔버 내에서 이루어지거나, 서로 상이한 챔버 내에서 이루어질 수 있다.After the mixing step, it may include a step of heat treatment. The heat treatment step may include a first heat treatment step and a second heat treatment step. The first heat treatment step and the second heat treatment step may be performed continuously or may have a rest period after the first heat treatment step. In addition, the first heat treatment step and the second heat treatment step may be performed in the same chamber or may be performed in different chambers.

상기 제1 열처리 단계에서의 열처리 온도는 상기 제2 열처리 단계에서의 열처리 온도보다 높을 수 있다.The heat treatment temperature in the first heat treatment step may be higher than the heat treatment temperature in the second heat treatment step.

상기 제1 열처리 단계는 열처리 온도 800℃ 내지 1200℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도는 예를 들어, 850℃ 내지 1200℃, 860℃ 내지 1200℃, 870℃ 내지 1200℃, 880℃ 내지 1200℃, 890℃ 내지 1200℃, 또는 900℃ 내지 1200℃일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 범위 내에 임의의 두 지점을 선택하여 구성된 범위를 모두 포함한다.The first heat treatment step may be performed at a heat treatment temperature of 800°C to 1200°C. The heat treatment temperature may be, for example, 850°C to 1200°C, 860°C to 1200°C, 870°C to 1200°C, 880°C to 1200°C, 890°C to 1200°C, or 900°C to 1200°C, but limited thereto It does not, and includes all the ranges configured by selecting any two points within the range.

상기 제2 열처리 단계는 열처리 온도는 700℃ 내지 800℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도는 710℃ 내지 800℃, 720℃ 내지 800℃, 730℃ 내지 800℃, 740℃ 내지 800℃, 750℃ 내지 800℃, 700℃ 내지 780℃, 700℃ 내지 760℃, 700℃ 내지 750℃, 또는 700℃ 내지 730℃일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 범위 내에 임의의 두 지점을 선택하여 구성된 범위를 모두 포함한다.In the second heat treatment step, the heat treatment temperature may be performed at 700°C to 800°C. The heat treatment temperature is 710 ℃ to 800 ℃, 720 ℃ to 800 ℃, 730 ℃ to 800 ℃, 740 ℃ to 800 ℃, 750 ℃ to 800 ℃, 700 ℃ to 780 ℃, 700 ℃ to 760 ℃, 700 ℃ to 750 ℃, or 700 ℃ to 730 ℃ may be, but is not limited thereto, and includes all ranges configured by selecting any two points within the above range.

일 구현예에 따르면, 상기 제1 열처리 단계에서의 열처리 시간은 상기 제2 열처리 단계에서의 열처리 시간보다 짧을 수 있다.According to an embodiment, the heat treatment time in the first heat treatment step may be shorter than the heat treatment time in the second heat treatment step.

예를 들어, 상기 제1 열처리 단계에서 열처리 시간은 3시간 내지 5시간, 4시간 내지 5시간, 또는 3시간 내지 4시간일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 범위 내에 임의의 두 지점을 선택하여 구성된 범위를 모두 포함한다.For example, the heat treatment time in the first heat treatment step may be 3 hours to 5 hours, 4 hours to 5 hours, or 3 hours to 4 hours, but is not limited thereto, and any two points within the above range are selected. It includes all the ranges constructed by this.

예를 들어, 상기 제2 열처리 단계에서 열처리 시간은 10시간 내지 20시간, 10시간 내지 15시간 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 범위 내에 임의의 두 지점을 선택하여 구성된 범위를 모두 포함한다.For example, the heat treatment time in the second heat treatment step may be 10 hours to 20 hours, 10 hours to 15 hours, but is not limited thereto, and includes all ranges configured by selecting any two points within the range. .

상기 제1 열처리 단계는, 800℃ 내지 1200℃의 열처리 온도에서 3 내지 5시간 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.The first heat treatment step may include performing heat treatment at a heat treatment temperature of 800°C to 1200°C for 3 to 5 hours.

상기 제2 열처리 단계는, 700℃ 내지 800℃의 열처리 온도에서 10 내지 20시간 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.The second heat treatment step may include performing heat treatment at a heat treatment temperature of 700°C to 800°C for 10 to 20 hours.

상기 제1 열처리 단계는 리튬 전이금속산화물이 층상구조의 양극활물질을 형성함과 동시에 입자의 성장을 유발하여, 단결정의 형상을 이룰 수 있도록 한다. 상기 제1 열처리 단계에서는 이차입자 형상의 리튬 전이금속산화물 내의 각각의 일차입자들이 급격하게 성장하여 입자 간 응력을 견디지 못함에 따라 일차입자들의의 내부가 드러나면서 서로 융합되어, 이차전지용 단결정 양극 활물질이 형성되는 것으로 생각된다. 상기 제2 열처리 단계는 제1 열처리 단계에서 보다 낮은 온도로 열처리를 장시간 수행함으로써, 제1 열처리 단계에서 생성된 층상구조의 결정도를 높인다. 제1 및 제2 열처리 단계를 통하여 단일상, 단결정, 단일 입자의 니켈계 양극활물질이 얻어질 수 있다.In the first heat treatment step, the lithium transition metal oxide forms the positive electrode active material having a layered structure and at the same time causes the growth of particles, thereby forming a single crystal shape. In the first heat treatment step, the primary particles in the lithium transition metal oxide in the form of secondary particles rapidly grow and are fused to each other while revealing the inside of the primary particles as they cannot withstand the stress between the particles, so that the single crystal positive active material for secondary batteries is It is thought to be formed. The second heat treatment step increases the crystallinity of the layered structure generated in the first heat treatment step by performing heat treatment at a lower temperature in the first heat treatment step for a long time. Through the first and second heat treatment steps, a single phase, single crystal, and single particle nickel-based positive electrode active material may be obtained.

일 구현예에 따르면, 상기 제조 방법에 의해 제조된 리튬 전이금속 산화물은 단결정, 단일입자이고, 상기 단결정은 층상구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 리튬 전이금속산화물의 평균 입경은 0.1㎛ 내지 20㎛일 수 있다.According to one embodiment, the lithium transition metal oxide manufactured by the above manufacturing method is a single crystal or a single particle, and the single crystal may have a layered structure. In addition, the average particle diameter of the lithium transition metal oxide may be 0.1㎛ to 20㎛.

또한, 상기 양극활물질의 제조 방법에 의해 제조된 양극활물질은 단결정 구조 내에 비어있는 정사면체의 자리에 P가 부분적으로 위치하고, 이를 통해 충/방전시 상전이 억제를 통해 배터리 안정성 확보 및 장수명을 달성한다.In addition, in the positive electrode active material manufactured by the method of manufacturing the positive electrode active material, P is partially located in the place of the empty tetrahedron in the single crystal structure, thereby securing the stability of the battery and achieving a long life by suppressing the phase transition during charging/discharging.

다른 측면에 따르면, 전술한 양극활물질을 포함하는 양극이 제공된다.According to another aspect, a positive electrode including the positive electrode active material described above is provided.

또 다른 측면에 따르면, 상기 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지가 제공된다. 상기 리튬이차전지는 50회 충전 및 방전 후 용량 유지율(%)이 초기 충전 및 방전 후 용량에 대하여 90% 이상이다. 이와 대조적으로, 전이금속 중 일부가 B로 치환되지 않은 양극활물질을 포함하는 리튬이차전지의 50회 충전 및 방전 후 용량 유지율은 90% 미만이다.According to another aspect, the anode; cathode; And there is provided a lithium secondary battery comprising; an electrolyte. The lithium secondary battery has a capacity retention rate (%) after 50 times of charging and discharging of 90% or more of the capacity after initial charging and discharging. In contrast, the capacity retention rate of a lithium secondary battery including a positive electrode active material in which some of the transition metals are not substituted with B is less than 90% after charging and discharging 50 times.

상기 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.The positive electrode and a lithium secondary battery including the same may be manufactured by the following method.

먼저 양극이 준비된다.First, the anode is prepared.

예를 들어, 전술한 양극활물질, 도전재, 바인더 및 용매가 혼합된 양극활물질 조성물이 준비된다. 상기 양극활물질 조성물이 금속 집전체 위에 직접 코팅되어 양극판이 제조된다. 다르게는, 상기 양극활물질 조성물이 별도의 지지체 상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 양극판이 제조될 수 있다. 상기 양극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다.For example, a cathode active material composition in which the above-described cathode active material, conductive material, binder, and solvent are mixed is prepared. The positive electrode active material composition is directly coated on a metal current collector to prepare a positive electrode plate. Alternatively, the positive electrode active material composition may be cast on a separate support, and then a film peeled from the support may be laminated on a metal current collector to prepare a positive electrode plate. The anode is not limited to the shapes listed above, but may be in a shape other than the above shape.

상기 도전재로는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 도전재로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.Examples of the conductive material include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black; Conductive tubes such as carbon nanotubes; Conductive whiskers such as fluorocarbon, zinc oxide, and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; And the like may be used, but are not limited thereto, and any material that can be used as a conductive material in the art may be used.

상기 바인더로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 그 혼합물, 금속염, 또는 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 또 다른 바인더의 예로는, 전술한 폴리머의 리튬염, 나트륨염, 칼슘염 또는 Na염 등이 사용될 수 있다.As the binder, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene, mixtures thereof, metal salts, or styrene butadiene Rubber-based polymers and the like may be used, but are not limited thereto, and any one that can be used as a binder in the art may be used. As another example of the binder, lithium salt, sodium salt, calcium salt, or Na salt of the above-described polymer may be used.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.As the solvent, N-methylpyrrolidone, acetone, or water may be used, but are not limited thereto, and any solvent that can be used in the art may be used.

상기 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 수준이다. 리튬전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전재, 바인더 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The contents of the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent are the levels commonly used in lithium batteries. One or more of the conductive material, the binder, and the solvent may be omitted depending on the use and configuration of the lithium battery.

다음으로 음극이 준비된다.Next, the cathode is prepared.

예를 들어, 음극활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 음극활물질 조성물이 준비된다. 상기 음극활물질 조성물이 3㎛ 내지 500㎛ 두께를 갖는 금속 집전체 상에 직접 코팅 및 건조되어 음극판이 제조된다. 다르게는, 상기 음극활물질 조성물이 별도의 지지체상에 캐스팅된 다음, 상기 지지체로부터 박리된 필름이 금속 집전체상에 라미네이션되어 음극판이 제조될 수 있다.For example, an anode active material composition is prepared by mixing an anode active material, a conductive material, a binder, and a solvent. The negative electrode active material composition is directly coated and dried on a metal current collector having a thickness of 3 μm to 500 μm to prepare a negative electrode plate. Alternatively, after the negative active material composition is cast on a separate support, a film peeled from the support may be laminated on a metal current collector to prepare a negative electrode plate.

상기 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 니켈, 구리의 표면에 카본으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes to the battery, and for example, copper, nickel, or copper surface-treated with carbon may be used.

상기 음극활물질은 당해 기술분야에서 리튬전지의 음극활물질로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.The anode active material may be any material that can be used as an anode active material for lithium batteries in the art. For example, it may include at least one selected from the group consisting of lithium metal, a metal alloyable with lithium, a transition metal oxide, a non-transition metal oxide, and a carbon-based material.

예를 들어, 상기 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 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, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, 또는 Te일 수 있다.For example, the metal alloyable with lithium is Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y alloy (wherein Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth Element or a combination element thereof, not Si), Sn-Y alloy (the Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element, or a combination element thereof, not Sn ), etc. The element Y is 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, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, It may be Se, or Te.

예를 들어, 상기 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다.For example, the transition metal oxide may be lithium titanium oxide, vanadium oxide, lithium vanadium oxide, or the like.

예를 들어, 상기 비전이금속 산화물은 SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다. For example, the non-transition metal oxide may be SnO 2 , SiO x (0<x<2), or the like.

상기 탄소계 재료로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연일 수 있으며, 상기 비정질 탄소는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치(mesophase pitch) 탄화물, 소성된 코크스 등일 수 있다.The carbon-based material may be crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The crystalline carbon may be graphite such as amorphous, plate-shaped, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and the amorphous carbon is soft carbon (low temperature calcined carbon) or hard carbon (hard carbon). carbon), mesophase pitch carbide, calcined coke, or the like.

음극활물질 조성물에서 도전재, 바인더 및 용매는 상기 양극활물질 조성물의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다.In the negative active material composition, the conductive material, the binder, and the solvent may be the same as those of the positive active material composition.

상기 음극활물질, 도전재, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다. 리튬전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전재, 바인더 및 용매 중 하나 이상이 생략될 수 있다.The contents of the negative electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent are generally used in lithium batteries. One or more of the conductive material, the binder, and the solvent may be omitted depending on the use and configuration of the lithium battery.

다음으로, 상기 양극과 음극 사이에 삽입될 세퍼레이터가 준비된다.Next, a separator to be inserted between the positive and negative electrodes is prepared.

상기 세퍼레이터는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터는 단일막 또는 다층막일 수 있으며, 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 또한, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 권취 가능한 세퍼레이터가 사용되며, 리튬이온폴리머전지에는 유기전해액 함침 능력이 우수한 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터는 하기 방법에 따라 제조될 수 있다.Any of the separators can be used as long as they are commonly used in lithium batteries. Those having low resistance to ion migration of the electrolyte and excellent in the ability to impregnate the electrolyte may be used. The separator may be a single film or a multilayer film, for example, as selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof. , It may be in the form of non-woven fabric or woven fabric. Further, a mixed multilayer film such as a polyethylene/polypropylene two-layer separator, a polyethylene/polypropylene/polyethylene three-layer separator, a polypropylene/polyethylene/polypropylene three-layer separator, and the like may be used. For example, a woundable separator such as polyethylene or polypropylene may be used for a lithium ion battery, and a separator having excellent organic electrolyte impregnation ability may be used for a lithium ion polymer battery. For example, the separator may be manufactured according to the following method.

고분자 수지, 충진제 및 용매를 혼합하여 세퍼레이터 조성물이 준비된다. 상기 세퍼레이터 조성물이 전극 상부에 직접 코팅 및 건조되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다. 또는, 상기 세퍼레이터 조성물이 지지체상에 캐스팅 및 건조된 후, 상기 지지체로부터 박리시킨 세퍼레이터 필름이 전극 상부에 라미네이션되어 세퍼레이터가 형성될 수 있다.A polymer resin, a filler, and a solvent are mixed to prepare a separator composition. The separator composition may be directly coated and dried on an electrode to form a separator. Alternatively, after the separator composition is cast and dried on a support, a separator film peeled off from the support may be laminated on an electrode to form a separator.

상기 세퍼레이터 제조에 사용되는 고분자 수지는 특별히 한정되지 않으며, 전극판의 결합재에 사용되는 물질들이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.The polymer resin used for manufacturing the separator is not particularly limited, and all materials used for the bonding material of the electrode plate may be used. For example, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, or mixtures thereof may be used.

다음으로 전해질이 준비된다.Next, the electrolyte is prepared.

예를 들어, 상기 전해질은 유기전해액일 수 있다. 또한, 상기 전해질은 고체일 수 있다. 예를 들어, 보론산화물, 리튬옥시나이트라이드 등일 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 고체전해질로 사용될 수 있은 것이라면 모두 사용가능하다. 상기 고체 전해질은 스퍼터링 등의 방법으로 상기 음극상에 형성될 수 있다.For example, the electrolyte may be an organic electrolyte. In addition, the electrolyte may be a solid. For example, boron oxide, lithium oxynitride, etc. may be used, but the present invention is not limited thereto, and any solid electrolyte may be used as long as it can be used as a solid electrolyte in the art. The solid electrolyte may be formed on the negative electrode by a method such as sputtering.

예를 들어, 유기전해액은 유기용매에 리튬염이 용해되어 제조될 수 있다.For example, the organic electrolyte may be prepared by dissolving a lithium salt in an organic solvent.

상기 유기용매는 당해 기술분야에서 유기 용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트; 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트; 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 아세토니트릴 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등이 있다. 이들을 단독 또는 복수개 조합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트를 혼합한 용매를 사용할 수 있다.The organic solvent may be used as long as it can be used as an organic solvent in the art. Cyclic carbonates, such as propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate, for example; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate and dibutyl carbonate; Esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and γ-butyrolactone; Ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane, and 2-methyltetrahydrofuran; Nitriles such as acetonitrile; And amides such as dimethylformamide. These can be used alone or in combination of a plurality of them. For example, a solvent in which a cyclic carbonate and a chain carbonate are mixed can be used.

또한, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N, LixGeyPzSα, LixGeyPzSαXδ (X=F, Cl, Br) 등의 무기 고체 전해질을 사용할 수 있다.In addition, a gel polymer electrolyte obtained by impregnating a polymer electrolyte such as polyethylene oxide and polyacrylonitrile with an electrolyte solution, or LiI, Li 3 N, Li x Ge y P z S α , Li x Ge y P z S α X δ ( Inorganic solid electrolytes such as X=F, Cl, Br) can be used.

상기 리튬염도 당해 기술분야에서 리튬염으로 사용될 수 있는 것이라면 모두사용될 수 있다. 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(단 x,y는 자연수), LiCl, LiI 또는 이들의 혼합물 등이다.The lithium salt may also be used as long as it can be used as a lithium salt in the art. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 SO 2 ) (where x,y are natural numbers), LiCl, LiI, or a mixture thereof.

도 6에서 보여지는 바와 같이 상기 리튬전지(1)는 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)를 포함한다. 상술한 양극(3), 음극(2) 및 세퍼레이터(4)가 와인딩되거나 접혀서 전지케이스(5)에 수용된다. 이어서, 상기 전지케이스(5)에 유기전해액이 주입되고 캡(cap) 어셈블리(6)로 밀봉되어 리튬전지(1)가 완성된다. 상기 전지케이스(5)는 원통형, 각형, 파우치형, 코인형, 또는 박막형 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬전지(1)는 박막형전지일 수 있다. 상기 리튬전지(1)는 리튬이온전지일 수 있다.As shown in FIG. 6, the lithium battery 1 includes a positive electrode 3, a negative electrode 2, and a separator 4. The positive electrode 3, the negative electrode 2 and the separator 4 described above are wound or folded to be accommodated in the battery case 5. Subsequently, an organic electrolyte is injected into the battery case 5 and sealed with a cap assembly 6 to complete the lithium battery 1. The battery case 5 may be a cylindrical shape, a square shape, a pouch type, a coin type, or a thin film type. For example, the lithium battery 1 may be a thin film type battery. The lithium battery 1 may be a lithium ion battery.

상기 양극 및 음극 사이에 세퍼레이터가 배치되어 전지구조체가 형성될 수 있다. 상기 전지구조체가 바이셀 구조로 적층된 다음, 유기 전해액에 함침되고, 얻어진 결과물이 파우치에 수용되어 밀봉되면 리튬이온폴리머전지가 완성된다.A separator may be disposed between the positive electrode and the negative electrode to form a battery structure. After the battery structure is stacked in a bi-cell structure, it is impregnated with an organic electrolyte, and the resulting product is accommodated in a pouch and sealed to complete a lithium ion polymer battery.

또한, 상기 전지구조체는 복수개 적층되어 전지팩을 형성하고, 이러한 전지팩이 고용량 및 고출력이 요구되는 모든 기기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노트북, 스마트폰, 전기차량 등에 사용될 수 있다.In addition, a plurality of battery structures are stacked to form a battery pack, and the battery pack can be used in all devices requiring high capacity and high output. For example, it can be used for laptop computers, smart phones, electric vehicles, and the like.

또한, 상기 리튬전지는 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드차량에 사용될 수 있다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거, 전동 공구, 전력 저장용 시스템 등에 사용될 수 있다.In addition, since the lithium battery has excellent life characteristics and high rate characteristics, it can be used in an electric vehicle (EV). For example, it can be used in hybrid vehicles such as plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs). In addition, it can be used in a field requiring a large amount of power storage. For example, it can be used for electric bicycles, power tools, power storage systems, and the like.

이하의 제조예, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.The present invention will be described in more detail through the following Preparation Examples, Examples and Comparative Examples. However, the examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.

[실시예][Example]

(양극활물질의 제조)(Manufacture of positive electrode active material)

실시예 1Example 1

100g의 Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2와 40.0g의 Li2CO3 및 0.2g의 (NH4)2HPO4 및 0.03g의 H3BO3를 기계적 혼합 후, 950oC 6시간 및 850oC 10시간 소성을 통해 단결정 LiP0.007Ni0.8Co0.1Mn0.1B0.0005O2 화합물을 합성하였다.100 g of Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 and 40.0 g of Li 2 CO 3 and 0.2 g of (NH 4 ) 2 HPO 4 and 0.03 g of H 3 BO 3 after mechanical mixing, 950 o C 6 hours and A single crystal LiP 0.007 Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 B 0.0005 O 2 compound was synthesized through firing at 850 o C for 10 hours.

실시예 2Example 2

100g의 Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2와 40.0g의 Li2CO3 및 0.2g의 (NH4)2HPO4 및 0.18g의 H3BO3를 기계적 혼합 후, 950oC 6시간 및 850oC 10시간 소성을 통해 단결정 LiP0.007Ni0.8Co0.1Mn0.1B0.003O2 화합물을 합성하였다.100 g of Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 and 40.0 g of Li 2 CO 3 and 0.2 g of (NH 4 ) 2 HPO 4 and 0.18 g of H 3 BO 3 after mechanical mixing, 950 o C 6 hours and A single crystal LiP 0.007 Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 B 0.003 O 2 compound was synthesized through firing at 850 o C for 10 hours.

실시예 3Example 3

100g의 Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2와 40.0g의 Li2CO3 및 0.2g의 (NH4)2HPO4 및 0.60g의 H3BO3를 기계적 혼합 후, 950oC 6시간 및 850oC 10시간 소성을 통해 단결정 LiP0.007Ni0.8Co0.1Mn0.1B0.01O2 화합물을 합성하였다.100 g of Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 and 40.0 g of Li 2 CO 3 and 0.2 g of (NH 4 ) 2 HPO 4 and 0.60 g of H 3 BO 3 after mechanical mixing, 950 o C 6 hours and A single crystal LiP 0.007 Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 B 0.01 O 2 compound was synthesized through firing at 850 o C for 10 hours.

비교예 1Comparative Example 1

100g의 Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2와 40.0g의 Li2CO3 및 0.2g의 (NH4)2HPO4를 기계적 혼합 후, 950oC 6시간 및 850oC 10시간 소성을 통해 단결정 LiP0.007Ni0.8Co0.1Mn0.1O2 화합물을 합성하였다.100 g of Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 and 40.0 g of Li 2 CO 3 and 0.2 g of (NH 4 ) 2 HPO 4 were mechanically mixed, followed by firing at 950 o C for 6 hours and 850 o C for 10 hours. Single crystal LiP 0.007 Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 compound was synthesized.

(코인셀의 제작)(Creation of Coin Cell)

실시예 4Example 4

실시예 1에서 얻은 양극활물질:도전재:바인더를 94:3:3의 중량 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 여기서, 상기 도전재로는 카본 블랙을 사용하였고, 상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)를 N-메틸-2-피롤리돈 용매에 용해시켜서 사용하였다.The cathode active material obtained in Example 1: the conductive material: the binder was mixed in a weight ratio of 94:3:3 to prepare a slurry. Here, carbon black was used as the conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) was dissolved in an N-methyl-2-pyrrolidone solvent and used as the binder.

상기 슬러리를 Al 집전체에 균일하게 도포하고, 110℃에서 2시간 건조하여 양극 전극을 제조하였다. 극판의 로딩 레벨은 11.0 mg/cm2이고, 전극밀도는 3.6 g/cc이었다.The slurry was uniformly coated on an Al current collector and dried at 110° C. for 2 hours to prepare a positive electrode. The loading level of the electrode plate was 11.0 mg/cm 2 and the electrode density was 3.6 g/cc.

상기 제조된 양극을 작업전극으로 사용하고, 리튬 호일을 상대 전극으로 사용하고, EC/EMC/DEC를 3/4/3의 부피비로 혼합한 혼합 용매에 리튬염으로 LiPF6를 1.3M의 농도가 되도록 첨가한 액체 전해액을 사용하여 통상적으로 알려져 있는 공정에 따라 CR2032 하프셀을 제작하였다.Using the positive electrode thus prepared as a working electrode, a lithium foil used as a counter electrode, and the EC / EMC / DEC as a lithium salt in a mixed solvent in a volume ratio of 3/4/3 to the concentration of 1.3M LiPF 6 A CR2032 half cell was fabricated according to a commonly known process using a liquid electrolyte added as possible.

실시예 5 내지 6Examples 5 to 6

실시예 1에서 얻은 양극활물질 대신에, 실시예 2 내지 3에서 얻은 양극활물질을 각각 사용한 점을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 하프셀을 제작하였다.A half cell was manufactured in the same manner as in Example 4, except that the positive electrode active materials obtained in Examples 2 to 3 were used, respectively, instead of the positive electrode active material obtained in Example 1.

비교예 2Comparative Example 2

실시예 1에서 얻은 양극활물질 대신에, 비교예 1에서 얻은 양극활물질을 각각 사용한 점을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 하프셀을 제작하였다.A half cell was manufactured in the same manner as in Example 4, except that the positive electrode active material obtained in Comparative Example 1 was used instead of the positive electrode active material obtained in Example 1.

평가예 1: 양극활물질의 원소 평가Evaluation Example 1: Elemental evaluation of positive electrode active material

실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 얻은 양극활물질에 대하여 inductively coupled plasma(ICP) 분석을 진행하였고, 그 결과는 하기 표 1에 기재하였다.Inductively coupled plasma (ICP) analysis was performed on the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and the results are shown in Table 1 below.

LiLi NiNi CoCo MnMn BB PP 비교예1Comparative Example 1 1.001.00 79.579.5 10.310.3 10.210.2 00 0.0070.007 실시예1Example 1 1.001.00 79.699579.6995 10.110.1 10.210.2 0.00050.0005 0.0070.007 실시예2Example 2 1.001.00 79.19779.197 10.610.6 10.210.2 0.0030.003 0.0070.007 실시예3Example 3 1.001.00 79.4979.49 10.410.4 10.010.0 0.010.01 0.0070.007

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 전이금속(Ni, Co, Mn)의 몰비가 감소한 양만큼 B의 몰비가 증가한 점을 고려하면, 전이금속이 B로 치환되었음을 알 수 있다. 또한, 전이금속(Ni, Co, Mn)과 리튬에 비의존적으로 P의 몰비가 일정한 것을 고려하면, P는 독립적으로 결정 내 빈 공간에 존재하는 것으로 생각된다.As shown in Table 1, considering that the molar ratio of B increased as the molar ratio of the transition metal (Ni, Co, Mn) decreased, it can be seen that the transition metal was substituted with B. In addition, considering that the molar ratio of P is constant independent of transition metals (Ni, Co, Mn) and lithium, it is considered that P independently exists in empty spaces in the crystal.

평가예 2: 양극활물질의 입도 평가Evaluation Example 2: Evaluation of particle size of positive electrode active material

실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 얻은 양극활물질에 대하여 SEM(Verios 460, FEI) 사진을 찍었고, 평균 입도 크기를 측정(Cilas1090, Scinco)하였으며, 그 결과는 도 1 및 2에서 보여진다. 또한, 입도의 크기는 하기 표 2에서 보여진다.SEM (Verios 460, FEI) photos were taken for the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and the average particle size was measured (Cilas1090, Scinco), and the results are shown in FIGS. 1 and 2. In addition, the size of the particle size is shown in Table 2 below.

Dmin(㎛)D min (㎛) D10(㎛)D 10 (㎛) D50(㎛)D 50 (㎛) D90(㎛)D 90 (㎛) Dmax(㎛)D max (㎛) 실시예 1Example 1 0.40.4 2.92.9 6.56.5 11.011.0 18.018.0 실시예 2Example 2 0.40.4 2.82.8 6.36.3 10.810.8 18.018.0 실시예 3Example 3 0.30.3 2.62.6 6.56.5 10.710.7 18.018.0 비교예 1Comparative Example 1 0.40.4 2.42.4 6.46.4 10.810.8 18.018.0

도 2를 참조하면, 비교예 1의 리튬 전이금속산화물에 B을 추가로 도입하였으나, 입자의 평균 입경에는 큰 변화가 없음을 알 수 있다. Referring to FIG. 2, although B was additionally introduced into the lithium transition metal oxide of Comparative Example 1, it can be seen that there is no significant change in the average particle diameter of the particles.

평가예 3: 양극활물질의 결정 평가Evaluation Example 3: Crystal evaluation of positive electrode active material

실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 얻은 양극활물질에 대하여, CuKα선을 이용하는 XRD 분석을 진행하였으며, X-레이 스펙트럼을 도 3에 나타내었다.For the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, XRD analysis using CuKα rays was performed, and the X-ray spectrum is shown in FIG. 3.

도 3을 참조하면, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 모두 동일한 XRD 패턴을 보였다. 다시 말하면, 비교예 1의 양극활물질에 B 이온이 도입된 실시예 1 내지 3의 양극활물질에서, B 이온이 표면에 다른 원소와 결합을 이루거나, 새로운 상을 형성하거나, 상 전이를 일으키지 않았음을 알 수 있다.3, Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 all showed the same XRD pattern. In other words, in the positive electrode active materials of Examples 1 to 3 in which B ions were introduced into the positive electrode active material of Comparative Example 1, B ions did not form a bond with other elements on the surface, form a new phase, or cause a phase transition. Can be seen.

또한, 실시예 3에서 얻은 양극활물질에 대하여, 고해상도투과전자현미경(high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM))을 이용하여 사진을 찍었고, 에너지분산형 x-레이 분광학(energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX)) 분석을 진행하였다. 그 결과는 도 4에서 나타내었다.In addition, the positive electrode active material obtained in Example 3 was photographed using a high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), and energy dispersive X-ray spectroscopy ( EDX)) analysis was carried out. The results are shown in FIG. 4.

도 4를 참고하면, B 이온이 결정 구조 내에 포함되어 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that B ions are included in the crystal structure.

결국, 양극활물질의 원소 평가 결과 및 결정 평가의 내용을 고려하면, 전이금속 이온의 감소한 몰비 만큼 B 이온의 몰비가 증가하였고, 도입된 B 이온이 양극활물질의 결정 구조를 변형시키지 않고 새로운 화합물을 형성하지도 않았고, 양극활물질 내에 B 이온이 존재하는 것으로 확인되었으므로, 이는 실시예 1 내지 3에서 얻은 양극활물질의 결정 구조 내에서 전이금속 중 일부가 B 이온으로 대체된 결정 구조를 갖는다는 것을 증명하는 것이다.In the end, considering the results of elemental evaluation of the positive electrode active material and the contents of the crystal evaluation, the molar ratio of B ions increased as the reduced molar ratio of transition metal ions, and the introduced B ions formed a new compound without changing the crystal structure of the positive electrode active material. It was not done, and it was confirmed that B ions were present in the positive electrode active material, which proves that some of the transition metals in the crystal structures of the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 3 had a crystal structure in which B ions were replaced.

평가예 4: 상온 수명 평가Evaluation Example 4: Room temperature life evaluation

실시예 4 내지 6 및 비교예 2에서 제작한 하프셀을 대상으로, 상온(25℃)에서 0.5C로 4.3V까지 CC mode로 충전한 뒤, 0.05C에 해당하는 전류까지 CV mode로 충전을 진행하였다. 다음, 1C로 3.0V까지 CC mode로 방전을 진행하였으며, 이 과정을 총 50회 반복하였다. For the half-cells produced in Examples 4 to 6 and Comparative Example 2, charge in CC mode to 4.3V at 0.5C at room temperature (25°C), and then proceed in CV mode to a current corresponding to 0.05C I did. Next, discharge was performed in CC mode to 3.0V at 1C, and this process was repeated a total of 50 times.

초기 용량에 대하여 50회 충전 및 방전 후의 용량 유지율을 계산하였고, 그 결과는 하기 표 3에서 보여진다. 또한, 사이클에 따른 용량 유지율을 나타낸 그래프가 도 5에서 보여진다.The capacity retention rate after 50 times of charging and discharging was calculated for the initial capacity, and the results are shown in Table 3 below. In addition, a graph showing the capacity retention rate according to the cycle is shown in FIG. 5.

50회 충전/방전 후
용량 유지율(%)
After 50 charging/discharging
Capacity retention rate (%)
실시예 4Example 4 90.490.4 실시예 5Example 5 91.391.3 실시예 6Example 6 95.895.8 비교예 2Comparative Example 2 89.389.3

상기 표 3 및 도 5를 참고하면, 50회 충전/방전 후 용량 유지율은 Na이 도핑된 실시예 1 내지 3의 양극활물질을 포함하는 양극을 채용한 실시예 4 내지 6이 그렇지 않은 비교예 2에 비하여 약 2~6% 높은 용량 유지율을 보였다.Referring to Table 3 and FIG. 5, the capacity retention rate after 50 charging/discharging is in Comparative Example 2 in which Examples 4 to 6 employing positive electrodes including the positive electrode active materials of Examples 1 to 3 doped with Na were not. Compared to that, it showed about 2-6% higher capacity retention rate.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.In the above, preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to the drawings and embodiments, but these are only exemplary, and various modifications and other equivalent embodiments are possible from those of ordinary skill in the art. You will be able to understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be determined by the appended claims.

Claims (19)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고,
상기 화합물은 단결정이며, P 원소는 단결정 내부에 존재하는, 양극활물질:
<화학식 1>
LixPαM1-βBβO2
상기 화학식 1 중,
M은 1종 이상의 전이금속이고,
0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1이다.
Including a compound represented by the following formula (1),
The compound is a single crystal, and the P element is present in the single crystal, the cathode active material:
<Formula 1>
Li x P α M 1-β B β O 2
In Formula 1,
M is one or more transition metals,
0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1.
제1항에 있어서,
상기 M은 Ni, Co, Mn, Al, Mg, V, 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함한, 양극활물질.
The method of claim 1,
The M is Ni, Co, Mn, Al, Mg, V, and including one or more transition metals selected from Ti, the positive electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시되는, 양극활물질:
<화학식 2>
LixPαNi1-β-γM1γBβO2
상기 화학식 2 중,
M1 Co, Mn, Al, Mg, V, 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속이고,
0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1, 0<γ<1, 및 0<β+γ<1이다.
The method of claim 1,
Formula 1 is represented by the following Formula 2, a positive electrode active material:
<Formula 2>
Li x P α Ni 1-β-γ M1 γ B β O 2
In Formula 2,
M1 is at least one transition metal selected from Co, Mn, Al, Mg, V, and Ti,
0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1, 0<γ<1, and 0<β+γ<1.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1은 하기 화학식 3으로 표시되는, 양극활물질:
<화학식 3>
LixPαNi1-β-γ-δM1γM2δBβO2
상기 화학식 3 중,
M1 및 M2는 서로 독립적으로 Co, Mn, Al, Mg, V, 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속이고,
M1 및 M2는 서로 상이하고,
0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1, 0<γ<1, 0<δ<1 및 0<β+γ+δ<1이다.
The method of claim 1,
Formula 1 is represented by the following Formula 3, a positive electrode active material:
<Formula 3>
Li x P α Ni 1-β-γ-δ M1 γ M2 δ B β O 2
In Formula 3,
M1 and M2 are each independently at least one transition metal selected from Co, Mn, Al, Mg, V, and Ti,
M1 and M2 are different from each other,
0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1, 0<γ<1, 0<δ<1 and 0<β+γ+δ<1.
제4항에 있어서,
0<γ<0.4, 및 0<δ<0.4인, 양극활물질.
The method of claim 4,
0<γ<0.4, and 0<δ<0.4, the positive electrode active material.
제4항에 있어서,
M1은 Co이고,
M2는 Mn, Mg, V, 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상의 원소인, 양극활물질.
The method of claim 4,
M1 is Co,
M2 is at least one element selected from Mn, Mg, V, and Ti, the cathode active material.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1은 하기 화학식 4 내지 6 중 어느 하나로 표시되는, 양극활물질:
<화학식 4>
Lix'Pα'Ni1-β'-γ'-δ'Coγ'Mnδ'Bβ'O2
<화학식 5>
Lix''Pα''Ni1-β''-γ''-δ''Coγ''Alδ''Bβ''O2
<화학식 6>
Lix'''Pα'''Ni1-β'''-γ'''-δ'''Coγ''' Bβ'''O2
상기 화학식 4 내지 6 중,
0.98≤x'≤1.02, 0<α'≤0.007, 0<β'≤0.01, 0<γ'≤0.3, 및 0<δ'≤0.3이고,
0.98≤x''≤1.02, 0<α''≤0.007, 0<β''≤0.01, 0<γ''≤0.3, 및 0<δ''≤0.05이고,
0.98≤x'''≤1.02, 0<α'''≤0.007, 0<β'''≤0.01 및 0<γ'''≤0.2이다.
The method of claim 1,
Formula 1 is a cathode active material represented by any one of the following Formulas 4 to 6:
<Formula 4>
Li x 'P α' Ni 1 -β'-γ'-δ 'Co γ' Mn δ 'B β' O 2
<Formula 5>
Li x'' P α'' Ni 1-β''-γ''-δ'' Co γ'' Al δ'' B β'' O 2
<Formula 6>
Li x''' P α''' Ni 1-β'''-γ'''-δ''' Co γ''' B β''' O 2
In Formulas 4 to 6,
0.98≤x'≤1.02, 0<α'≤0.007, 0<β'≤0.01, 0<γ'≤0.3, and 0<δ'≤0.3,
0.98≤x''≤1.02, 0<α''≤0.007, 0<β''≤0.01, 0<γ''≤0.3, and 0<δ''≤0.05,
0.98≤x'''≤1.02, 0<α'''≤0.007, 0<β'''≤0.01 and 0<γ'''≤0.2.
제1항에 있어서,
상기 양극활물질의 평균 입경(D50)은 0.1㎛ 내지 20㎛인, 양극활물질.
The method of claim 1,
The positive electrode active material has an average particle diameter (D50) of 0.1 μm to 20 μm.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 화합물은 단일 입자인, 양극활물질.
The method of claim 1,
The compound is a single particle, a positive electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 양극활물질은 CuKα선을 이용하는 XRD 분석에 의해 얻은 X선 회절 스펙트럼이 적어도 (003)면에서 주 피크를 갖고, (104)면에서 부 피크를 갖는, 양극활물질.
The method of claim 1,
The positive electrode active material has an X-ray diffraction spectrum obtained by XRD analysis using CuKα rays has a main peak at least in the (003) plane and a negative peak in the (104) plane.
제11항에 있어서,
상기 (003)면에서 주 피크의 최대 강도를 IA로 하고 (104)면에서 부 피크의 최대 강도를 IB로 하는 경우에, IA/IB 값이 1.2 이상인, 양극활물질.
The method of claim 11,
When the maximum intensity of the main peak on the (003) plane is set to IA and the maximum strength of the minor peak on the (104) plane is set to IB, the positive electrode active material has an IA/IB value of 1.2 or more.
리튬 전구체, 전이금속 전구체, 인 전구체, 붕소 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻는 혼합 단계; 및
상기 전구체 혼합물을 열처리하여 하기 화학식 1로 표시되는 양극활물질을 얻는 열처리 단계;를 포함하고,
상기 화합물은 단결정이며, P 원소는 단결정 내부에 존재하는 양극활물질의 제조방법:
<화학식 1>
LixPαM1-βBβO2
상기 화학식 1 중,
M은 1종 이상의 전이금속이고,
0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1이다.
A mixing step of mixing a lithium precursor, a transition metal precursor, a phosphorus precursor, and a boron precursor to obtain a precursor mixture; And
Including; a heat treatment step of heat-treating the precursor mixture to obtain a positive electrode active material represented by the following formula (1),
The compound is a single crystal, and the P element is a method for preparing a cathode active material present in the single crystal:
<Formula 1>
Li x P α M 1-β B β O 2
In Formula 1,
M is one or more transition metals,
0.98≤x≤1.02, 0<α≤0.007, 0<β≤0.1.
제13항에 있어서,
상기 혼합 단계는 상기 전구체를 기계적 혼합하는 것을 포함하는, 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 13,
The mixing step comprises mechanically mixing the precursor, a method for producing a positive electrode active material.
제13항에 있어서,
상기 열처리 단계는 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계를 포함하는, 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 13,
The heat treatment step includes a first heat treatment step and a second heat treatment step.
제15항에 있어서,
상기 제1 열처리 단계에서의 열처리 온도는 상기 제2 열처리 단계에서의 열처리 온도보다 높은, 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 15,
The heat treatment temperature in the first heat treatment step is higher than the heat treatment temperature in the second heat treatment step.
제15항에 있어서,
상기 제1 열처리 단계에서의 열처리 시간은 상기 제2 열처리 단계에서의 열처리 시간보다 짧은, 양극활물질의 제조방법.
The method of claim 15,
The heat treatment time in the first heat treatment step is shorter than the heat treatment time in the second heat treatment step.
제1항 내지 제8항 및 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 양극활물질을 포함하는 양극;
음극; 및
전해질;
을 포함하는 리튬이차전지.
A positive electrode comprising the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 8 and 10 to 12;
cathode; And
Electrolytes;
Lithium secondary battery comprising a.
제18항에 있어서,
상기 리튬이차전지는 50회 충전 및 방전 후 용량 유지율(%)이 초기 충전 및 방전 후 용량에 대하여 90% 이상인, 리튬이차전지.
The method of claim 18,
The lithium secondary battery has a capacity retention rate (%) after 50 charging and discharging times of 90% or more with respect to the capacity after initial charging and discharging.
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