KR102254846B1 - Novel Lithium Complex Oxide and Lithium Secondary Battery Comprising the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 니켈(Ni)과 코발트(Co) 및 티타늄(Ti)을 주성분으로 포함하고 있는 신규한 리튬 복합금속 산화물을 제공하는 바, 이러한 리튬 복합금속 산화물은 리튬 이차전지용 양극 활물질로서 높은 충전 용량과 수명 특성을 가지고, 에너지 밀도가 높은 음극 활물질과 함께 적용될 경우에 리튬 이차전지의 최적 성능을 구현할 수 있으며, 특히, Si계 음극 활물질의 충방전 효율과 최적의 균형을 유지할 수 있으므로, 고성능의 리튬 이차전지를 제조할 수 있다.The present invention provides a novel lithium composite metal oxide containing nickel (Ni), cobalt (Co), and titanium (Ti) as main components, and the lithium composite metal oxide is a positive electrode active material for lithium secondary batteries with high charging capacity and When applied with an anode active material having a high energy density and has life characteristics, the optimum performance of a lithium secondary battery can be realized. In particular, since it is possible to maintain an optimum balance with the charging/discharging efficiency of the Si-based anode active material, a high-performance lithium secondary battery The battery can be manufactured.

Description

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

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

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

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

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

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

최근에는 고용량 리튬 이차전지에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있는데, 종래의 리튬 이차전지는 용량을 높일 경우 수명이 크게 떨어지고, 이를 해결하기 위해 도핑, 코팅 등을 통해 수명을 높일 경우 다시 용량이 크게 떨어지는 문제를 해결하지 못하고 있는 실정이다.In recent years, the demand for high-capacity lithium secondary batteries is constantly increasing.In the case of a conventional lithium secondary battery, when the capacity is increased, the lifespan greatly decreases. To solve this problem, when the lifespan is increased through doping or coating, the capacity decreases again. The situation has not been solved.

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

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

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

또한, 일반적으로 NCM계 양극 활물질의 특성을 평가할 때 충전 용량이 아닌 방전 용량을 중요시 하는데, 에너지 밀도 관점에서는 방전 용량이 아닌 충전 용량이 더 중요하다.In addition, in general, when evaluating the characteristics of an NCM-based positive electrode active material, a discharge capacity is important rather than a charge capacity, but from the viewpoint of energy density, the charge capacity is more important than the discharge capacity.

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

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

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art and technical problems that have been requested from the past.

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

본 발명의 이해를 돕기 위해 양극 활물질과 음극 활물질의 충방전 효율 불균형에 따른 차이점을 간략하게 설명한다.In order to facilitate understanding of the present invention, the difference between the positive electrode active material and the negative electrode active material due to an imbalance in charge/discharge efficiency will be briefly described.

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

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

그러나, 충방전 효율이 91%인 양극 활물질과 충방전 효율이 88%인 Si계 음극 활물질을 적용하여 리튬 이차전지를 제조할 경우, 양극은 음극 쪽으로 100개의 Li을 보낸 후 최대 91개의 Li을 받을 수 있는 반면, Si계 음극은 100개의 Li을 받은 후 최대 88개의 Li만을 보낼 수 있다. 즉, 양극에서 최대 91개의 Li을 받을 수 있지만 음극에서 최대 88개 까지만 보낼 수 있으므로 3개의 여유 능력이 사용되지 못하고 버려지는 것이다.However, when manufacturing a lithium secondary battery by applying a positive electrode active material with a charge/discharge efficiency of 91% and a Si-based negative electrode active material with a charge/discharge efficiency of 88%, the positive electrode sends 100 Li to the negative electrode and then receives a maximum of 91 Li. On the other hand, the Si-based cathode can only send up to 88 Li after receiving 100 Li. In other words, a maximum of 91 Li can be received from the anode, but only up to 88 can be sent from the cathode, so the three spare capacities cannot be used and are discarded.

이러한 이유로 인해, 양극 활물질의 방전 용량과 충방전 효율을 아무리 높이더라도 충방전 효율이 낮은 Si계 음극 활물질과 함께 적용될 경우 음극 활물질의 능력 이상은 사용되지 못하고 버려진다.For this reason, no matter how high the discharge capacity and charge/discharge efficiency of the positive electrode active material is, when applied together with a Si-based negative electrode active material having low charge/discharge efficiency, more than the capability of the negative electrode active material is not used and is discarded.

이는 결국, 에너지 밀도가 높은 Si계 음극 활물질을 이용하기 위해서는 방전 용량과 충방전 효율이 매우 높은 양극 활물질이 아닌, 에너지 밀도가 높은 음극 쪽으로 더 많은 Li을 보낼 수 있도록 고충전 용량을 가지고 동시에 Si계 음극 활물질과 균형을 이룰 수 있는 충방전 효율을 갖는 양극 활물질이 필요함을 의미한다.After all, in order to use a Si-based negative electrode active material with high energy density, it is not a positive electrode active material with very high discharge capacity and charge/discharge efficiency, but has a high charging capacity and at the same time Si-based so that more Li can be sent to the negative electrode with high energy density. This means that a positive electrode active material with charge/discharge efficiency that can be balanced with a negative electrode active material is required.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

일 예로, 230.1 mAh/g의 충전 용량과 206 mAh/g의 방전 용량을 가지는 NCM계 양극 활물질의 충방전 효율은 약 90%이고, 양극 활물질로서 약 241.04 mAh/g의 충전 용량과 210.61 mAh/g의 방전 용량을 가지는 본 발명의 리튬 복합금속 산화물의 충방전 효율은 87.38%이다. 단순히 충방전 효율만을 비교하면 NCM계 양극 활물질이 본 발명의 리튬 복합금속 산화물보다 더 좋은 것으로 보이지만, Si계 음극 활물질과 함께 리튬 이차전지에 적용되면 NCM계 양극 활물질이 적용된 이차전지보다 본 발명에 따른 리튬 복합금속 산화물이 적용된 이차전지의 성능이 훨씬 뛰어난 바, 이는 이후에 설명하는 실험 내용에서도 확인할 수 있다.For example, the charging/discharging efficiency of an NCM-based positive electrode active material having a charging capacity of 230.1 mAh/g and a discharge capacity of 206 mAh/g is about 90%, and a charging capacity of about 241.04 mAh/g and a charging capacity of 210.61 mAh/g as a positive electrode active material. The charge/discharge efficiency of the lithium composite metal oxide of the present invention having a discharge capacity of is 87.38%. When simply comparing charging and discharging efficiency, the NCM-based positive electrode active material seems to be better than the lithium composite metal oxide of the present invention, but when applied to a lithium secondary battery together with a Si-based negative electrode active material, the NCM-based positive electrode active material is applied to the secondary battery according to the present invention. The performance of the secondary battery to which the lithium composite metal oxide is applied is much superior, and this can be confirmed in the experimental contents described later.

Ni 함량이 매우 높은 Ni-rich 또는 Ni-high의 NCM계 양극 활물질의 경우, 일반적인 NCM계 양극 활물질보다 더 높은 충전 용량과 방전 용량을 나타내지만 수명 특성이 크게 떨어지는 문제가 있고, 이를 해결하기 위해 도핑, 코팅 등의 기술을 적용하고 있지만 수명 특성이 조금 향상되는 대신에 충전 용량과 방전 용량이 크게 떨어지는 문제가 있어서, 실제 제품화에 매우 어려움을 겪고 있는 실정이다. 이뿐만 아니라 충방전 효율 역시 높기 때문에 예를 들어 Si계 음극 활물질과 균형이 맞지 않아, 차세대 이차전지에 적합하지 않다.In the case of Ni-rich or Ni-high NCM-based positive electrode active material with a very high Ni content, it exhibits higher charging capacity and discharge capacity than general NCM-based positive electrode active materials, but there is a problem that the lifespan characteristics are greatly reduced, and doping to solve this problem. , Coating, etc. are applied, but there is a problem in that the charging capacity and the discharging capacity are greatly reduced instead of slightly improving the life characteristics, so it is very difficult to commercialize the product. In addition, since the charging/discharging efficiency is also high, it is not well-balanced with, for example, a Si-based negative active material, which is not suitable for a next-generation secondary battery.

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

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

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

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

이와 관련하여, 본 출원의 발명자들은, 상기 특성 조건을 만족시킬 수 있도록, 종래 NCM계 양극 활물질의 Mn을 대신하여 주성분으로 니켈과 코발트 및 티타늄을 포함하는 리튬 복합금속 산화물을 개발하였다.In this regard, the inventors of the present application have developed a lithium composite metal oxide containing nickel, cobalt, and titanium as main components in place of Mn of the conventional NCM-based positive electrode active material so as to satisfy the above characteristic conditions.

우선, 양극 활물질의 양이온이 구조 내에서 가역적으로 넓은 산화/환원 전위영역을 갖고 빠른 충방전을 하거나 양극 활물질의 결정구조 변화를 최소화하기 위해서는, 크기가 작은 양이온을 선택하여야 한다.First, in order for the positive electrode active material cation to reversibly have a wide oxidation/reduction potential region within its structure and to perform fast charging/discharging or to minimize the change in the crystal structure of the positive electrode active material, a small sized cation should be selected.

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

Ti의 전자배치는 [Ar]3d24s2 이고 3d 전이금속이기 때문에, 4d와 5d 전이금속에 비해 전극전위가 높고 상대적으로 가볍고 크기가 작아 단위 무게 및 단위 부피당 용량에서 유리하다.Since the electron configuration of Ti is [Ar]3d 2 4s 2 and it is a 3d transition metal, it is advantageous in terms of unit weight and capacity per unit volume due to its high electrode potential, relatively light weight, and small size compared to 4d and 5d transition metals.

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

또 다른 고려 사항으로서, Ni-rich 양극 활물질의 구조를 불안정하게 만드는 요소로 양이온 혼합(cation mixing)이 있다. Cation mixing은 이온 반경이 서로 유사한 Li+(0.76Å)과 Ni2+(0.69Å)이 서로의 자리를 바꾸어 결정을 이루는 현상을 의미하는 바, Li+가 삽입 및 탈리할 때 Li+의 공간층에 존재하는 Ni2+가 저항성분으로 작용하여 충방전 효율을 떨어뜨린다.As another consideration, cation mixing is a factor that makes the structure of the Ni-rich cathode active material unstable. Cation mixing refers to a phenomenon in which Li + (0.76Å) and Ni 2+ (0.69Å) having similar ionic radii to each other change positions to form crystals.When Li + is inserted and desorbed, the spatial layer of Li + Ni 2+ present in the element acts as a resistance component, reducing charging and discharging efficiency.

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

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

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

이러한 특성들을 만족할 수 있도록, 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 몰(mole) 기준으로 적어도 82% 이상의 니켈과 1% 이상의 코발트 및 0.5% 이상의 티타늄을 포함하는 조성을 가질 수 있다.In order to satisfy these characteristics, the lithium composite metal oxide of the present invention may have a composition including at least 82% nickel, 1% or more cobalt, and 0.5% or more titanium on a mole basis.

경우에 따라, 망간(Mn)을 선택적으로 더 포함하는 경우 망간의 함량은 티타늄의 함량 이하인 것이 바람직하다.In some cases, when manganese (Mn) is optionally further included, the content of manganese is preferably equal to or less than the content of titanium.

결과적으로, 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 Co를 소량 포함하면서 Ni과 Ti 함량을 조절하여 양극 활물질로서의 충전 용량과 방전 용량 및 충방전 효율을 제어할 수 있다. 또한, Ni 함량 증가시 충전 용량이 증가하는 반면 구조적으로 매우 불안정해져 수명 특성이 크게 떨어지는 문제점을 Ti를 적용하여 해결하였다.As a result, the lithium composite metal oxide of the present invention contains a small amount of Co and controls the contents of Ni and Ti to control the charge capacity, discharge capacity, and charge/discharge efficiency as a positive electrode active material. In addition, when the Ni content is increased, the charging capacity increases, but the problem of structurally very unstable and thus greatly deteriorating the life characteristics was solved by applying Ti.

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

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

상기 식에서, In the above formula,

0<m≤1, 및0<m≤1, and

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

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

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

Li[Li1-a-b-cNiaCobTic]O2 (2)Li[Li 1-abc Ni a Co b Ti c ]O 2 (2)

상기 식에서,In the above formula,

0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c≤1이고, a>b≥c 또는 a>c>b의 조건을 만족한다.0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c≤1, and a>b≥c or a>c>b is satisfied.

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

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

Al3+은 산소와의 결합력(Al-O)이 502 kJ/mol으로서 Ni-O(366 kJ/mol), Co-O(385 kJ/mol), Mn-O(362 kJ/mol)보다 크고 이온 반경 역시 Ni3+, Co3+, Mn4+와 유사하므로 치환 원소로서 적합하며, Ni 이온의 이동경로 중 하나인 V0(oxygen vacancy)를 감소시켜 cation mixing을 억제시키는데 더욱 효과적이다. 특히, Al을 첨가할 경우에 구조 안정성이 향상됨에 따라 수명 특성이 향상되는 효과가 있다.Al 3+ has a bonding force with oxygen (Al-O) of 502 kJ/mol, which is greater than Ni-O (366 kJ/mol), Co-O (385 kJ/mol), and Mn-O (362 kJ/mol). The ionic radius is also similar to Ni 3+ , Co 3+ , and Mn 4+ , so it is suitable as a substitution element, and is more effective in suppressing cation mixing by reducing V 0 (oxygen vacancy), one of the migration paths of Ni ions. In particular, when Al is added, there is an effect of improving life characteristics as structural stability is improved.

결과적으로, Al을 또 다른 주성분으로 첨가하여, cation mixing을 억제하면서 수명 특성을 향상시킬 수 있다.As a result, by adding Al as another main component, it is possible to improve the life characteristics while suppressing cation mixing.

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

Li[Li1-a-b-c-dNiaCobTicAld]O2 (3)Li[Li 1-abcd Ni a Co b Ti c Al d ]O 2 (3)

상기 식에서,In the above formula,

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

a>b≥c+d 또는 a>c+d>b의 조건을 만족한다.The condition of a>b≥c+d or a>c+d>b is satisfied.

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

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

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

Li[Li1-a-b-c-d-e-fNiaCobTicAldDe]O2 (4)Li[Li 1-abcdef Ni a Co b Ti c Al d D e ]O 2 (4)

상기 식에서,In the above formula,

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

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

a>b≥c+d+e 또는 a>c+d+e>b의 조건을 만족한다.The condition of a>b≥c+d+e or a>c+d+e>b is satisfied.

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

이상에서 설명한 본 발명의 리튬 복합금속 산화물은 각각의 원소들이 산화물 입자 전반에 대해 균일하게 분포할 수도 있고, 일부 성분(들)이 나머지 성분(들)에 대해 농도 구배를 가지며 분포할 수도 있다. 이러한 농도 구배는 완만한 농도 변화뿐만 아니라 급격한 농도 변화를 나타내는 경우를 모두 포함한다.In the lithium composite metal oxide of the present invention described above, each element may be uniformly distributed throughout the oxide particle, or some component(s) may be distributed with a concentration gradient with respect to the remaining component(s). This concentration gradient includes both the case of a sudden change in concentration as well as a gentle change in concentration.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[실시예 1-1] - Ni0.9Co0.08Ti0.02 [Example 1-1]-Ni 0.9 Co 0.08 Ti 0.02

니켈 전구체인 NiSO4, 코발트 전구체인 CoSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4를 90 : 8 : 2의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-코발트-티타늄 수산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-코발트-티타늄 수화물인 Ni0.9Co0.08Ti0.02(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 755℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.Nickel precursor, NiSO 4, CoSO 4 cobalt precursor, titanium precursor TiSO 4 to 90: 8: was added to water in a molar ratio of two nickel-cobalt-titanium hydroxide precursor solution was prepared. The aqueous solution of sodium hydroxide was slowly added dropwise while stirring the aqueous solution to neutralize the aqueous precursor solution to precipitate Ni 0.9 Co 0.08 Ti 0.02 (OH) 2, which is a nickel-cobalt-titanium hydrate. LiOH was mixed in a molar ratio of 1.02 to the thus obtained precursor, and fired at 755° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

[실시예 1-2] - Ni0.9Co0.07Ti0.02Al0.01 [Example 1-2]-Ni 0.9 Co 0.07 Ti 0.02 Al 0.01

니켈 전구체인 NiSO4, 코발트 전구체인 CoSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4, 알루미늄 전구체인 Al2(SO4)3를 90 : 7 : 2 : 1의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-코발트-티타늄-알루미늄 산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-코발트-티타늄-알루미늄 수화물인 Ni0.9Co0.07Ti0.02Al0.01(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 755℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.The nickel precursor, NiSO 4, CoSO 4 cobalt precursor, the titanium precursor TiSO 4, Al 2 (SO 4 ) 3 as an aluminum precursor was added to water in a molar ratio of 90:7:2:1 to prepare a nickel-cobalt-titanium-aluminum oxide precursor aqueous solution. The aqueous solution of sodium hydroxide was slowly added dropwise while stirring the aqueous solution to neutralize the aqueous precursor solution to precipitate Ni 0.9 Co 0.07 Ti 0.02 Al 0.01 (OH) 2, which is a nickel-cobalt-titanium-aluminum hydrate. LiOH was mixed in a molar ratio of 1.02 to the thus obtained precursor, and fired at 755° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

[실시예 2-1] - Ni0.94Co0.04Ti0.02 [Example 2-1]-Ni 0.94 Co 0.04 Ti 0.02

니켈 전구체인 NiSO4, 코발트 전구체인 CoSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4를 94 : 4 : 2의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-코발트-티타늄 수산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-코발트-티타늄 수화물인 Ni0.94Co0.04Ti0.02(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 740℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.Nickel precursor, NiSO 4, CoSO 4, the cobalt precursor, titanium precursor TiSO 4 94: 4 was added to the water in a molar ratio of two nickel-cobalt-titanium hydroxide precursor solution was prepared. The aqueous solution of sodium hydroxide was slowly added dropwise while stirring the aqueous solution to neutralize the aqueous precursor solution to precipitate Ni 0.94 Co 0.04 Ti 0.02 (OH) 2, which is a nickel-cobalt-titanium hydrate. LiOH was mixed in a molar ratio of 1.02 to the thus obtained precursor, and fired at 740° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

[실시예 2-2] - Ni0.94Co0.03Ti0.02Al0.01 [Example 2-2]-Ni 0.94 Co 0.03 Ti 0.02 Al 0.01

니켈 전구체인 NiSO4, 코발트 전구체인 CoSO4, 티타늄 전구체인 TiSO4, 알루미늄 전구체인 Al2(SO4)3를 94 : 3 : 2 : 1의 몰비로 물에 첨가하여 니켈-코발트-티타늄-알루미늄 산화물 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 수용액을 교반하면서 수산화나트륨 수용액을 천천히 적하하면서 교반함으로써 상기 전구체 수용액을 중화시켜 니켈-코발트-티타늄-알루미늄 수화물인 Ni0.94Co0.03Ti0.02Al0.01(OH)2를 침전시켰다. 이렇게 얻어진 전구체에 LiOH를 1.02 몰비가 되도록 혼합하고 740℃로 30시간 동안 산소분위기에서 소성시켰다.The nickel precursor, NiSO 4, CoSO 4 cobalt precursor, the titanium precursor TiSO 4, Al 2 (SO 4 ) 3 as an aluminum precursor was added to water in a molar ratio of 94:3:2:1 to prepare an aqueous solution of a nickel-cobalt-titanium-aluminum oxide precursor. The aqueous solution of sodium hydroxide was slowly added dropwise while stirring the aqueous solution to neutralize the aqueous precursor solution to precipitate Ni 0.94 Co 0.03 Ti 0.02 Al 0.01 (OH) 2, which is a nickel-cobalt-titanium-aluminum hydrate. LiOH was mixed in a molar ratio of 1.02 to the thus obtained precursor, and fired at 740° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Figure 112019075334893-pat00001
Figure 112019075334893-pat00001

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

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

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those of ordinary skill in the field to which the present invention belongs will be able to make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

Claims (21)

리튬 복합금속 산화물에 포함된 원소들 중에서 1몰의 리튬과 2몰의 산소를 제외한 나머지 원소들의 몰수 합을 기준으로, 82% 이상의 니켈과 1% 이상의 코발트 및 0.5% 이상의 티타늄을 포함하고,
코인 하프 셀(coin half cell)을 기준으로 하기 특성들 중에서 적어도 2개 이상의 특성들을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물;
0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 235 mAh/g 이상의 충전 용량을 나타내는 특성;
0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 90% 이하의 충방전 효율을 나타내는 특성; 및
1.0C 4.3V (충전) 및 1.0C 3.0V (방전)의 조건 하에서 첫 번째 싸이클 대비 30번째 싸이클의 방전 용량 유지율이 90% 이상인 특성.
Among the elements included in the lithium composite metal oxide, based on the sum of the moles of the remaining elements excluding 1 mole of lithium and 2 moles of oxygen, it contains 82% or more nickel, 1% or more cobalt, and 0.5% or more titanium,
Lithium composite metal oxide, characterized in that simultaneously satisfying at least two or more of the following characteristics based on a coin half cell;
Characteristics showing a charging capacity of 235 mAh/g or more under the conditions of 0.1C 4.3V (charging) and 0.1C 3.0V (discharging);
Characteristics showing charge/discharge efficiency of 90% or less under the conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge); And
The characteristic that the discharge capacity retention rate of the 30th cycle is more than 90% compared to the first cycle under the conditions of 1.0C 4.3V (charge) and 1.0C 3.0V (discharge).
삭제delete 리튬 복합금속 산화물에 포함된 원소들 중에서 1몰의 리튬과 2몰의 산소를 제외한 나머지 원소들의 몰수 합을 기준으로, 82% 이상의 니켈과 1% 이상의 코발트 및 0.5% 이상의 티타늄을 포함하고,
Si계 음극이 적용된 파우치 풀 셀(pouch full cell)을 기준으로 측정한 하기 특성들 중에서 적어도 2개 이상의 특성들을 동시에 만족하는 리튬 복합금속 산화물:
0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 235 mAh/g 이상의 충전 용량을 나타내는 특성;
0.1C 4.3V (충전) 및 0.1C 3.0V (방전)의 조건 하에서 177 mAh/g 이상의 방전 용량을 나타내는 특성; 및
1.0C 4.3V (충전) 및 1.0C 3.0V (방전)의 조건 하에서 첫 번째 싸이클 대비 30번째 싸이클의 방전 용량 유지율이 93% 이상인 특성.
Among the elements included in the lithium composite metal oxide, based on the sum of the moles of the remaining elements excluding 1 mole of lithium and 2 moles of oxygen, it contains 82% or more nickel, 1% or more cobalt, and 0.5% or more titanium,
A lithium composite metal oxide that simultaneously satisfies at least two or more of the following characteristics measured based on a pouch full cell to which a Si-based negative electrode is applied:
Characteristics showing a charging capacity of 235 mAh/g or more under the conditions of 0.1C 4.3V (charging) and 0.1C 3.0V (discharging);
Characteristics showing a discharge capacity of 177 mAh/g or more under the conditions of 0.1C 4.3V (charge) and 0.1C 3.0V (discharge); And
The characteristic that the discharge capacity retention rate of the 30th cycle is more than 93% compared to the first cycle under the conditions of 1.0C 4.3V (charge) and 1.0C 3.0V (discharge).
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 3개의 특성들을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, wherein the three properties are satisfied at the same time. 삭제delete 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 망간(Mn)을 미포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, which does not contain manganese (Mn). 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 망간(Mn)을 선택적으로 더 포함할 경우, 상기 망간의 함량은 상기 티타늄(Ti)의 함량 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, wherein when manganese (Mn) is optionally further included, the manganese content is less than the titanium (Ti) content. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물:
Li[Li1-mXm]O2 (1)
상기 식에서,
0.835≤m≤1, 및
X는 Ni, Co 및 Ti 만으로 구성되어 있다.
The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, characterized in that it is represented by the following Formula 1:
Li[Li 1-m X m ]O 2 (1)
In the above formula,
0.835≤m≤1, and
X consists only of Ni, Co and Ti.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 하기 화학식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물:
Li[Li1-a-b-cNiaCobTic]O2 (2)
상기 식에서,
0.82≤a<1, 0.01≤b<1, 0.005≤c<1, a+b+c≤1이고,
a>b≥c 또는 a>c>b의 조건을 만족한다.
The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, characterized in that it is represented by the following Formula 2:
Li[Li 1-abc Ni a Co b Ti c ]O 2 (2)
In the above formula,
0.82≤a<1, 0.01≤b<1, 0.005≤c<1, a+b+c≤1,
The condition of a>b≥c or a>c>b is satisfied.
제 9 항에 있어서, 0.82≤a<1, 0.01≤b<0.18, 0.005≤c<0.18의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 9, wherein conditions of 0.82≦a<1, 0.01≦b<0.18, and 0.005≦c<0.18 are satisfied. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 알루미늄(Al)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, further comprising aluminum (Al). 제 11 항에 있어서, 하기 화학식 3으로 표현되는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물:
Li[Li1-a-b-c-dNiaCobTicAld]O2 (3)
상기 식에서,
0.82≤a<1, 0.01≤b<1, 0.005≤c<1, 0<d<1, a+b+c+d≤1이고,
a>b≥c+d 또는 a>c+d>b의 조건을 만족한다.
The lithium composite metal oxide according to claim 11, characterized in that it is represented by the following formula (3):
Li[Li 1-abcd Ni a Co b Ti c Al d ]O 2 (3)
In the above formula,
0.82≤a<1, 0.01≤b<1, 0.005≤c<1, 0<d<1, a+b+c+d≤1,
The condition of a>b≥c+d or a>c+d>b is satisfied.
제 12 항에 있어서, 0.82≤a<1, 0.01≤b<0.18, 0.005<c+d<0.18의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 12, wherein conditions of 0.82≦a<1, 0.01≦b<0.18, and 0.005<c+d<0.18 are satisfied. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 기타 도펀트 원소들 중의 적어도 하나 이상과 선택적으로 알루미늄(Al)을 더 포함하고 있고, 하기 화학식 4로 표현되는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물:
Li[Li1-a-b-c-d-eNiaCobTicAldDe]O2(4)
상기 식에서,
D는 V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, W, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Si, P, Mn, Sn, La 및 Ce로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며,
0.82≤a<1, 0.01≤b<1, 0.005≤c<1, 0≤d<1, 0<e<1, a+b+c+d+e≤1이고,
a>b≥c+d+e 또는 a>c+d+e>b의 조건을 만족한다.
The lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3, further comprising at least one or more of other dopant elements and optionally aluminum (Al), and is represented by the following formula (4):
Li[Li 1-abcde Ni a Co b Ti c Al d D e ]O 2 (4)
In the above formula,
D is V, Cr, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, W, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Si, P, Mn, It is at least one selected from the group consisting of Sn, La and Ce,
0.82≤a<1, 0.01≤b<1, 0.005≤c<1, 0≤d<1, 0<e<1, a+b+c+d+e≤1, and
The condition of a>b≥c+d+e or a>c+d+e>b is satisfied.
제 14 항에 있어서, 0.82≤a<1, 0.01≤b<0.18, 0.005<c+d+e<0.18의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 14, wherein conditions of 0.82≦a<1, 0.01≦b<0.18, and 0.005<c+d+e<0.18 are satisfied. 제 14 항에 있어서, 상기 Li, Ni, Co, Ti, Al 및 D 중 하나 이상은 산화물 입자의 반경에 대해 증가하거나 감소하는 농도 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 복합금속 산화물.The lithium composite metal oxide according to claim 14, wherein at least one of Li, Ni, Co, Ti, Al, and D has a concentration gradient that increases or decreases with respect to the radius of the oxide particle. 제 1 항 또는 제 3 항에 따른 리튬 복합금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질.A cathode active material for a lithium secondary battery comprising the lithium composite metal oxide according to claim 1 or 3. 제 17 항에 있어서, 상기 리튬 복합금속 산화물의 입자 표면에는 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 양극 활물질.The cathode active material for a lithium secondary battery according to claim 17, wherein a coating layer is formed on the surface of the lithium composite metal oxide particles. 제 17 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte including the positive electrode active material according to claim 17. 제 19 항에 있어서, 상기 음극은 Si계 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 19, wherein the negative electrode comprises a Si-based negative active material. 제 20 항에 있어서, 상기 Si계 음극 활물질은 실리콘(Si), 실리콘 산화물, Si/A 합금, 및 Si/C 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 20, wherein the Si-based negative active material comprises at least one selected from the group consisting of silicon (Si), silicon oxide, Si/A alloy, and Si/C composite.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011023335A (en) * 2009-06-18 2011-02-03 Hitachi Maxell Ltd Electrode for nonaqueous secondary battery and nonaqueous secondary battery
JP2016076470A (en) * 2014-10-06 2016-05-12 日立金属株式会社 Positive electrode active material for lithium ion secondary battery, positive electrode for lithium ion secondary battery arranged by use thereof, and lithium ion secondary battery

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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011023335A (en) * 2009-06-18 2011-02-03 Hitachi Maxell Ltd Electrode for nonaqueous secondary battery and nonaqueous secondary battery
JP2016076470A (en) * 2014-10-06 2016-05-12 日立金属株式会社 Positive electrode active material for lithium ion secondary battery, positive electrode for lithium ion secondary battery arranged by use thereof, and lithium ion secondary battery

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