KR102334909B1 - Positive active material for lithium secondary battery, preparing method thereof, and lithium secondary battery comprising positive electrode including positive active material - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수개의 일차입자의 집단으로 이루어진 이차입자를 포함하는 양극활물질에서, 상기 이차입자의 표면에 구비되는 일차입자의 적어도 일부는 서로 대면하는 한쌍의 제1 결정면을 구비하는 플레이크(flake)형태 인 제1 일차입자를 포함하고, 상기 제1 일차입자는 상기 제1 결정면이 방사형 방향으로 배열되고, 상기 한쌍의 제1 결정면의 일단은 상기 제1 결정면과는 다른 결정면이 복수개가 구비되어 한쌍의 제1 결정면의 일단을 연결하고, 상기 제1 일차입자의 종단면은 서로 이격한 한쌍의 제1 결정면과, 상기 한쌍의 제1 결정면의 일단을 연결하는 제2 결정면과 제3 결정면을 포함하고, 상기 제2 및 제3 결정면은 상기 이차입자의 최외면에 구비되되 각도를 갖도록 연결되는 양극활물질에 관한 것이다In the present invention, in a positive electrode active material including secondary particles made of a group of a plurality of primary particles, at least some of the primary particles provided on the surface of the secondary particles are in the form of flakes having a pair of first crystal planes facing each other phosphorus, wherein the first primary particles have the first crystal planes arranged in a radial direction, and one end of the pair of first crystal planes is provided with a plurality of crystal planes different from the first crystal planes. One end of the first crystal plane is connected, and the longitudinal cross-section of the first primary particle includes a pair of first crystal planes spaced apart from each other, and a second crystal plane and a third crystal plane connecting one end of the pair of first crystal planes; The second and third crystal planes relate to a positive electrode active material that is provided on the outermost surface of the secondary particles and connected to have an angle.
Description
본 발명은 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관련된 것으로, 보다 구체적으로, 고용량을 나타내면서 동시에 수명특성이 향상된 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관련된 것이다.The present invention relates to a cathode active material, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, to a cathode active material having a high capacity and improved lifespan characteristics, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery including the same .
스마트폰, MP3 플레이어, 태블릿 PC와 같은 휴대용 모바일 전자 기기의 발전으로, 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차 전지에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 특히, 전기 자동차, 중대형 에너지 저장 시스템, 및 고 에너지 밀도가 요구되는 휴대 기기의 등장으로, 리튬 이차 전지에 대한 수요가 증가하고 있는 실정이다. With the development of portable mobile electronic devices such as smart phones, MP3 players, and tablet PCs, the demand for secondary batteries capable of storing electrical energy is increasing explosively. In particular, with the advent of electric vehicles, medium and large energy storage systems, and portable devices requiring high energy density, the demand for lithium secondary batteries is increasing.
이러한, 리튬 이차 전지에 대한 수요의 증가와 함께 리튬 이차 전지에 사용되는 양극활물질의 특성을 향상시키기 위한 다양한 연구 개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허공개공보 10-2014-0119621(출원번호 10-2013-0150315)에는 리튬 과량 양극활물질 제조용 전구체를 이용하여, 전구체에서 치환되는 금속의 종류 및 조성을 조절하고, 첨가되는 금속의 종류 및 첨가량을 조절하여, 고전압 용량 및 장수명 특성을 갖는 이차전지가 개시되어 있다.With such an increase in demand for lithium secondary batteries, various research and development for improving the characteristics of positive electrode active materials used in lithium secondary batteries are being conducted. For example, in Korean Patent Publication No. 10-2014-0119621 (Application No. 10-2013-0150315), the type and composition of a metal substituted in the precursor is controlled by using a precursor for preparing an excess lithium positive electrode active material, and the type of metal added and a secondary battery having high voltage capacity and long lifespan characteristics by controlling the addition amount.
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 고용량의 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 데 있다. One technical problem to be solved by the present application is to provide a high-capacity cathode active material, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 장수명의 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide a long-life positive electrode active material, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery including the same.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 고안정성의 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide a positive electrode active material having high stability, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 높은 방전용량을 가지면서 동시에 충방전 횟수에 따른 수명 저하 특성이 최소화된 양극활물질, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide a positive electrode active material having a high discharge capacity and at the same time having a minimized lifespan deterioration according to the number of charge/discharge, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same.
본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전술한 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present application is not limited to the above.
본 발명의 일측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 복수개의 일차입자의 집단으로 이루어진 이차입자를 포함하는 양극활물질에서, 상기 이차입자의 표면에 구비되는 일차입자의 적어도 일부는 서로 대면하는 한쌍의 제1 결정면을 구비하는 플레이크(flake)형태인 제1 일차입자를 포함하고, 상기 제1 일차입자는 상기 제1 결정면이 방사형 방향으로 배열되고, 상기 한쌍의 제1 결정면의 일단은 상기 제1 결정면과는 다른 결정면이 복수개가 구비되어 한쌍의 제1 결정면의 일단을 연결하고, 상기 제1 일차입자의 종단면은 서로 이격한 한쌍의 제1 결정면과, 상기 한쌍의 제1 결정면의 일단을 연결하는 제2 결정면과 제3 결정면을 포함하고, 상기 제2 및 제3 결정면은 상기 이차입자의 최외면에 구비되되 각도를 갖도록 연결되는 양극활물질을 포함할 수 있다.According to one aspect of the present invention, embodiments of the present invention provide a positive electrode active material including secondary particles composed of a plurality of primary particles, wherein at least some of the primary particles provided on the surface of the secondary particles are a pair of facing each other It includes first primary particles in the form of flakes having a first crystal plane, wherein the first primary particles have the first crystal planes arranged in a radial direction, and one end of the pair of first crystal planes is the first crystal plane A plurality of different crystal planes are provided to connect one end of a pair of first crystal planes, and a longitudinal cross-section of the first primary particle is a first crystal plane connecting a pair of first crystal planes spaced apart from each other, and one end of the pair of first crystal planes It includes a second crystal plane and a third crystal plane, and the second and third crystal planes may include a positive electrode active material that is provided on the outermost surface of the secondary particle and connected to have an angle.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 일차입자는 상기 제1 결정면의 장축인 제1 길이와, 상기 제1 길이에 수직한 상기 제1 결정면의 단축인 제2 길이, 및 상기 한쌍의 제1 결정면 사이의 간격인 제3 길이를 포함하고, 상기 제3 길이는 10nm 내지 400nm일 수 있다.In one embodiment, the first primary particles have a first length that is a long axis of the first crystal plane, a second length that is a short axis of the first crystal plane perpendicular to the first length, and between the pair of first crystal planes. and a third length that is an interval of , and the third length may be 10 nm to 400 nm.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 길이에 대한 제1 길이의 비는 2 내지 100이고, 상기 제3 길이에 대한 제2 길이의 비는 1.5 내지 80일 수 있다.In an embodiment, the ratio of the first length to the third length may be 2 to 100, and the ratio of the second length to the third length may be 1.5 to 80.
일 실시예에 있어서, 상기 양극활물질은 층상형 삼방정계(Rhombohedral system) 화합물이고, 상기 제1 결정면은 (hkℓ, 여기서, h=0, k=0, ℓ=3n이고, n은 정수이다.)이고, 상기 제1 결정면과, 제2 결정면 및 제3 결정면은 서로 상이하게 구비될 수 있다.In an embodiment, the cathode active material is a layered rhombohedral system compound, and the first crystal plane is (hkℓ, where h=0, k=0, ℓ=3n, and n is an integer). and the first crystal plane, the second crystal plane, and the third crystal plane may be provided to be different from each other.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 결정면과 제3 결정면 사이의 각도는 30° 내지 170°일 수 있다.In an embodiment, the angle between the second crystal plane and the third crystal plane may be 30° to 170°.
일 실시예에 있어서, 상기 양극활물질을 양극으로 이용하고, 리튬금속을 음극으로 이용한 2032 코인형 하프셀(half-cell)로, 0.5 C 정전류로 4.3 V까지 충전, 0.5 C 정전류로 2.7 V까지 방전을 100사이클 진행한 후, dQ/dV 커브에서 H2-H3의 상전이에 해당하는 피크의 강도가 1사이클 대비 40% 이상일 수 있다.In one embodiment, the positive electrode active material is used as the positive electrode and lithium metal is used as the negative electrode in a 2032 coin-type half-cell, charged to 4.3 V at 0.5 C constant current, and discharged to 2.7 V at 0.5 C constant current After 100 cycles, the intensity of the peak corresponding to the phase transition of H2-H3 in the dQ/dV curve may be 40% or more compared to 1 cycle.
일 실시예에 있어서, 상기 일차입자는 니켈(Ni)과, M1 및 M2를 포함하고, 상기 M1는 망간(Mn), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 니켈(Ni)는 65mol%이상이고, 상기 M2는 도핑원소로 0.05mol% 내지 5mol%로 이루어질 수 있다.In one embodiment, the primary particles include nickel (Ni), M1 and M2, wherein M1 is made of at least any one or more of manganese (Mn), cobalt (Co) and aluminum (Al), the Nickel (Ni) may be 65 mol% or more, and M2 may be composed of 0.05 mol% to 5 mol% as a doping element.
일 실시예에 있어서, 상기 M2는, 보론(B); 또는, 보론(B) 및 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 실리콘(Si), 주석(Sn), 지르코늄(Zr), 칼슘(Ca), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 인듐(In), 루테늄(Ru), 텔루륨(Te), 안티모니(Sb), 철(Fe), 크롬(Cr), 바나듐(V) 및 티타늄(Ti) 중 어느 하나 이상;으로 이루어질 수 있다.In one embodiment, the M2, boron (B); Alternatively, boron (B) and tungsten (W), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), niobium (Nb), hafnium (Hf), silicon (Si), tin (Sn), zirconium (Zr), calcium (Ca) ), germanium (Ge), gallium (Ga), indium (In), ruthenium (Ru), tellurium (Te), antimony (Sb), iron (Fe), chromium (Cr), vanadium (V) and titanium (Ti) any one or more; may consist of.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 및 제3 결정면에는, 상기 제2 및 제3 결정면의 적어도 일부를 덮는 보론(B)를 포함하는 코팅층이 구비될 수 있다.In an embodiment, a coating layer including boron (B) covering at least a portion of the second and third crystal planes may be provided on the second and third crystal planes.
일 실시예에 있어서, 상기 보론(B)의 농도는, 상기 이차입자에서는 균일하게 구비되고, 상기 코팅층에서는 농도구배를 갖도록 구비되며, 상기 코팅층에서의 보론(B)의 평균농도는 상기 이차입자에서의 보론(B)의 평균농도보다 높게 구비될 수 있다.In one embodiment, the concentration of boron (B) is provided uniformly in the secondary particles, and is provided to have a concentration gradient in the coating layer, and the average concentration of boron (B) in the coating layer is in the secondary particles may be provided higher than the average concentration of boron (B).
일 실시예에 있어서, 상기 코팅층은 LiBO2, LiB3O5, LiB5O8, α-LiBO2, Li2B2O4, Li2B2O7, Li2B4O7, Li2B6O7, Li2B6O10, Li2B8O13, Li3BO3, Li3B7O12, Li4B2O5, α-Li4B2O5, β-Li4B2O5, Li4B10O17 및 Li6B4O9 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the coating layer is LiBO 2 , LiB 3 O 5 , LiB 5 O 8 , α-LiBO 2 , Li 2 B 2 O 4 , Li 2 B 2 O 7 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 B 6 O 7 , Li 2 B 6 O 10 , Li 2 B 8 O 13 , Li 3 BO 3 , Li 3 B 7 O 12 , Li 4 B 2 O 5 , α-Li 4 B 2 O 5 , β-Li At least one of 4 B 2 O 5, Li 4 B 10 O 17, and Li 6 B 4 O 9 may be included.
일 실시예에 있어서, 상기 양극활물질을 이용한 양극으로 리튬금속을 음극으로 이용한 하프셀(half-cell)로 0.5 C 정전류로 4.3 V까지 충전한 이차입자의 횡단면에서, 서로 이웃하는 일차입자 경계(boundry) 사이에 형성된 공간인 마이크로크랙의 면적은 상기 이차입자의 횡단면의 면적에 대해서 15% 미만으로 구비될 수 있다.In one embodiment, in the cross section of secondary particles charged up to 4.3 V at 0.5 C constant current with a half-cell using lithium metal as a negative electrode as a positive electrode using the positive electrode active material, neighboring primary particle boundaries ), which is a space formed between the microcracks, may have an area of less than 15% of the area of the cross section of the secondary particles.
일 실시예에 있어서, 상기 이차입자는 45kV, 40mA 출력을 갖는 장치로, Cu Ka 빔소스를 이용하여 0.0131 스텝 사이즈 간격으로 분당 1도의 스캔 속도로 측정하여 얻은 X 선 회절분석에서, 003 피크의 강도 대 104 피크의 강도의 비는 1.6 내지 2.3일 수 있다.In one embodiment, the secondary particle is a device having a 45 kV, 40 mA output. In the X-ray diffraction analysis obtained by measuring at a scan rate of 1 degree per minute at an interval of 0.0131 step size using a Cu Ka beam source, the intensity of the 003 peak The ratio of intensities of the to 104 peaks may be between 1.6 and 2.3.
일 실시예에 있어서, 상기 도핑원소의 함량이 증가할수록 상기 003 피크의 강도 대 104 피크의 강도의 비는 감소할 수 있다.In an embodiment, as the content of the doping element increases, the ratio of the intensity of the 003 peak to the intensity of the 104 peak may decrease.
일 실시예에 있어서, 상기 이차입자는 중심부와 표면부를 갖는 구형으로 구비되고, 상기 제1 일차입자는 상기 제1 결정면이 상기 중심부에서 상기 표면부를 향하는 방향으로 구비되며, 상기 제1 일차입자에서 상기 제2 및 제3 결정면은 상기 이차입자의 표면부에 구비되어 상기 이차입자의 표면부의 최외면은 상기 제2 및 제3 결정면에 의하여 요철구조를 형성할 수 있다.In one embodiment, the secondary particles are provided in a spherical shape having a center portion and a surface portion, and the first primary particles are provided in a direction in which the first crystal plane is directed from the center portion toward the surface portion, and in the first primary particles, the The second and third crystal planes may be provided on the surface portion of the secondary particle, and the outermost surface of the surface portion of the secondary particle may form a concave-convex structure by the second and third crystal planes.
일 실시예에 있어서, 상기 이차입자는, 아래의 <화학식 1>로 표시되고, 상기 이차입자의 표면부에는 상기 제2 및 제3 결정면의 적어도 일부를 덮는 코팅층을 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the secondary particles, represented by the following <
<화학식 1><
LiaMxDyO2 Li a M x D y O 2
(M은 Ni, Co, Mn, 또는 Al 중에서 적어도 어느 하나이고, D는 B 단독으로 이루어지거나, 와 W, Mo, Nb, Ta, Sb 중 어느 하나가 코도핑(co-doping)되어 이루어지는 도핑원소이고, 0.9<a<1.1 이고, x+y = 1 이고, 0.95<x<1, 0<y<0.05 이다.)(M is at least any one of Ni, Co, Mn, or Al, and D is a doping element consisting of B alone or co-doping with any one of W, Mo, Nb, Ta, and Sb. , 0.9<a<1.1, x+y = 1, 0.95<x<1, 0<y<0.05)
일 실시예에 있어서, 상기 제1 일차입자는 상기 제1 결정면의 장축인 제1 길이와, 상기 제1 길이에 수직한 상기 제1 결정면의 단축인 제2 길이, 및 상기 한쌍의 제1 결정면 사이의 간격인 제3 길이를 포함하고, 상기 도핑원소는 0.05mol% 내지 5mol%로 구비되되, 상기 도핑원소의 농도가 증가할수록, 상기 제1 일차입자의 제1 길이는 증가되고, 상기 제3 길이는 감소될 수 있다.In one embodiment, the first primary particles have a first length that is a long axis of the first crystal plane, a second length that is a short axis of the first crystal plane perpendicular to the first length, and between the pair of first crystal planes. and a third length that is an interval of , wherein the doping element is provided in an amount of 0.05 mol% to 5 mol%, and as the concentration of the doping element increases, the first length of the first primary particles increases, and the third length can be reduced.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 전술한 양극활물질을 포함하는 이차전지용 양극을 포함한다.According to another aspect of the present invention, embodiments of the present invention include a positive electrode for a secondary battery including the above-described positive electrode active material.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 상기 양극을 포함하는 리튬이차전지를 포함한다.According to another aspect of the present invention, embodiments of the present invention include a lithium secondary battery including the positive electrode.
본 발명의 그 외의 측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 상기 튬이차전지를 단위셀로 포함하는 전지모듈를 포함한다.According to another aspect of the present invention, embodiments of the present invention include a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell.
본 발명의 기타의 측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 전술한 지모듈을 포함하는 전지팩으로, 상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되고, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그 인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전지팩을 포함한다.According to another aspect of the present invention, embodiments of the present invention are battery packs including the above-described G module, wherein the battery pack is used as a power source for a medium or large device, and the medium or large device is an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and a plug-in. It includes a battery pack that is selected from the group consisting of hybrid electric vehicles and systems for power storage.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 양극활물질은, 복수의 일차입자가 응집되어 형성된 이차입자를 포함하고, 상기 이차입자는 고함량의 Ni과 함께 도핑원소를 포함할 수 있다.According to the present invention as described above, the positive electrode active material according to the present invention includes secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles, and the secondary particles may contain a doping element together with a high Ni content.
상기 도핑원소는 상기 제1 일차입자의 플레이크형태를 제어할 수 있으며, 이에 의하여 높은 방전용량과 함께, 장기간 안정적으로 사용이 가능한 양극활물질을 제공할 수 있다.The doping element can control the flake shape of the first primary particles, thereby providing a positive electrode active material that can be used stably for a long period with high discharge capacity.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 이차입자를 나타낸 SEM사진이다.
도 1b는 도 1b의 이차입자의 방사형을 나타내기 위한 도면이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 이차입자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극활물질의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 금속 복합 수산화물의 SEM 이미지이다.
도 4는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 5는 실시예 4 내지 실시예 7에 따른 금속 복합 수산화물의 SEM 이미지이다.
도 6은 실시예 4 및 실시예 7에 따른 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 7은 실시예 9 내지 실시예 12에 따른 금속 복합 수산화물의 SEM 이미지이다.
도 8은 실시예 9 및 실시예 12에 따른 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 9는 90mol%를 Ni을 포함하는 금속 복합 수산화물을 이용한 NCO계 양극활물질에서 보론(B) 도핑량에 따른 이차입자의 표면에 위치한 일차입자의 두께를 측정한 SEM 이미지이다.
도 10은 도 9에서 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 11은 도 9에서 보론(B)이 0.5mol% 도핑된 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 12는 도 9에서 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 13은 도 9에서 보론(B)이 1.5mol% 도핑된 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 14는 도 9에서 보론(B)이 2mol% 도핑된 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 15a는 90mol%를 Ni을 포함하는 금속 복합 수산화물을 이용한 NCO계 양극활물질에서, SEM 이미지를 이용하여 일차입자 중 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자의 제3 길이인 (003)면과 (003)면 사이의 간격을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15b는 보론(B) 도핑에 따른 (003)면의 길이에 대한 그래프이다.
도 16a는 보론(B) 도핑에 따른 제1 길이, 제2 길이 및 제3 길이를 나타낸 그래프이다.
도 16b는 보론(B) 도핑에 따른 제3 길이에 대한 제1 길이와 제2 길이의 비를 나타낸 그래프이다.
도 17은 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 18은 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질의 FIB TEM 이미지이다.
도 19는 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질을 최초 사이클을 진행하기 전 FIB TEM 이미지이다.
도 20은 도 19의 실시예 24의 최초 사이클을 진행하기 전 FIB TEM 이미지이다.
도 21은 실시예 24의 100사이클 진행 후 FIB TEM 이미지이다.
도 22 내지 도 24는 실시예 24에서 이차입자의 표면에 구비되는 일차입자에 형성된 코팅층을 분석한 결과이다.
도 25는 실시예 24의 일차입자의 TEM 이미지이다.
도 26 내지 도 28은 보론산화물과 리튬수산화물의 열처리 전 후의 XRD 분석결과이다.
도 29는 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질을 이용한 풀셀의 사이클 그래프이다.
도 30은 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질을 충전전압별로 충전하여 이차입자의 단면을 확인한 SEM 이미지이다.
도 31은 실시예 24와 비교예 7의 양극활물질을 이용한 하프셀과 풀셀의 사이클 후 SEM 이미지이다.
도 32 및 도 33은 실시예 24와 비교예 7의 in-situ XRD 데이타이다. 1a is an SEM photograph showing secondary particles according to an embodiment of the present invention.
Figure 1b is a view for showing the radial shape of the secondary particles of Figure 1b.
1c is a view schematically showing a cross-section of a secondary particle according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a cathode active material according to another embodiment of the present invention.
3 is an SEM image of the metal composite hydroxide according to Examples 1 and 2.
4 is an SEM image of the positive electrode active material according to Examples 1 and 2;
5 is an SEM image of the metal composite hydroxide according to Examples 4 to 7;
6 is an SEM image of the positive electrode active material according to Examples 4 and 7.
7 is an SEM image of the metal composite hydroxide according to Examples 9 to 12.
8 is an SEM image of the positive electrode active material according to Examples 9 and 12.
9 is an SEM image of measuring the thickness of the primary particles located on the surface of the secondary particles according to the boron (B) doping amount in the NCO-based positive electrode active material using a metal composite hydroxide containing 90 mol% of Ni.
10 is a SEM image of the positive electrode active material not doped with boron (B) in FIG. 9 .
11 is a SEM image of the positive electrode active material doped with boron (B) in 0.5 mol% in FIG. 9 .
12 is a SEM image of the positive electrode active material doped with boron (B) 1 mol% in FIG. 9 .
13 is a SEM image of the positive electrode active material doped with boron (B) 1.5 mol% in FIG. 9 .
14 is a SEM image of the positive electrode active material doped with boron (B) 2 mol% in FIG. 9 .
15a shows the third length of the primary particles (003) and ( 003) is a graph showing the result of measuring the spacing between the planes.
15B is a graph of the length of the (003) plane according to boron (B) doping.
16A is a graph illustrating a first length, a second length, and a third length according to boron (B) doping.
16B is a graph illustrating a ratio of a first length to a second length with respect to a third length according to boron (B) doping.
17 is an SEM image of the positive electrode active material according to Example 24 and Comparative Example 7.
18 is a FIB TEM image of the positive electrode active material according to Example 24 and Comparative Example 7.
19 is a FIB TEM image of the positive electrode active material according to Example 24 and Comparative Example 7 before the first cycle.
20 is an FIB TEM image before the first cycle of Example 24 of FIG. 19 .
21 is a FIB TEM image after 100 cycles of Example 24.
22 to 24 are results of analyzing the coating layer formed on the primary particles provided on the surface of the secondary particles in Example 24.
25 is a TEM image of the primary particles of Example 24.
26 to 28 are XRD analysis results before and after heat treatment of boron oxide and lithium hydroxide.
29 is a cycle graph of a full cell using the positive electrode active material according to Example 24 and Comparative Example 7.
30 is an SEM image illustrating a cross section of secondary particles by charging the positive electrode active materials according to Example 24 and Comparative Example 7 for each charging voltage.
31 is an SEM image of a half-cell and a full-cell using the cathode active materials of Example 24 and Comparative Example 7 after cycling.
32 and 33 are in-situ XRD data of Example 24 and Comparative Example 7.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 달리 명시되지 않는 한, 본 발명에 성분, 반응 조건, 성분의 함량을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, and unless otherwise specified in the following description, the components, reaction conditions, and content of components are expressed in the present invention. It is to be understood that all numbers, values and/or expressions are modified in all instances by the term "about," as these numbers are inherently approximations reflecting the various uncertainties of measurement arising out of obtaining such values, among other things. . Also, when numerical ranges are disclosed in this description, such ranges are continuous and inclusive of all values from the minimum to the maximum inclusive of the range, unless otherwise indicated. Furthermore, when such ranges refer to integers, all integers inclusive from the minimum to the maximum inclusive are included, unless otherwise indicated.
또한, 본 발명에서 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들 뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.Also, when a range is recited for a variable in the present invention, it will be understood that the variable includes all values within the recited range, including the recited endpoints of the range. For example, a range of “5 to 10” includes the values of 5, 6, 7, 8, 9, and 10, as well as any subranges such as 6 to 10, 7 to 10, 6 to 9, 7 to 9, etc. It will be understood to include any value between integers that are appropriate for the scope of the recited range, such as 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 to 8.5 and 6.5 to 9, and the like. For example, a range of “10% to 30%” includes values such as 10%, 11%, 12%, 13%, and all integers up to and including 30%, as well as 10% to 15%, 12% to 18%. It will be understood to include any subranges such as %, 20% to 30%, and the like, and also include any value between reasonable integers within the scope of the recited range, such as 10.5%, 15.5%, 25.5%, and the like.
일 실시예에서 일차입자, 이차입자 등과 같은 각종 입자들의 크기, 입경에 관해서는, 계측법에 의해 수치화하여 집단의 평균 크기를 표현하는 방법이 있지만, 범용적으로 사용되는 것으로 분포의 최대값을 나타내는 모든 직경, 적분 분포 곡선의 중앙값에 상당하는 메디안 직경, 각종 평균 직경(수평균, 길이 평균, 면적 평균, 질량 평균, 체적 평균 등)등이 있고 본 발명에 있어서는 특별히 언급하지 않는 한 평균 크기, 평균 입경이란 수평균 크기, 직경이고, D50(분포율이 50%되는 지점의 입경)을 측정한 것을 의미한다.In one embodiment, regarding the size and particle diameter of various particles such as primary particles and secondary particles, there is a method of expressing the average size of a group by quantifying it by a measurement method, but it is universally used and all There are diameters, median diameters corresponding to the median of the integral distribution curve, various average diameters (number average, length average, area average, mass average, volume average, etc.), and unless otherwise specified in the present invention, average size and average particle diameter is the number average size and diameter, and means that D50 (particle diameter at the point where the distribution rate is 50%) is measured.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 이차입자를 나타낸 SEM사진이고, 도 1b는 도 1b의 이차입자의 방사형을 나타내기 위한 도면이며, 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 이차입자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.1a is a SEM photograph showing secondary particles according to an embodiment of the present invention, FIG. 1b is a view for showing the radial shape of the secondary particle of FIG. 1b, and FIG. 1c is a cross-section of the secondary particle according to an embodiment of the present invention It is a schematic drawing.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 본 실시예에 따른 양극활물질은 복수개의 일차입자를 포함하는 이차입자(200)로 이루어지는 것으로, 리튬이차전지의 양극활물질로 이용될 수 있다.1A to 1C , the positive electrode active material according to this embodiment is made of
상기 이차입자(200)의 표면에 구비되는 일차입자의 적어도 일부는 서로 대면하는 한쌍의 제1 결정면(110)을 구비하는 플레이크(flake)형태인 제1 일차입자(100)를 포함할 수 있다.At least a portion of the primary particles provided on the surface of the
상기 이차입자(200)는 복수개의 일차입자들이 응집되어 형성될 수 있으며, 상기 일차입자 중 상기 한쌍의 제1 결정면(110)을 구비한 제1 일차입자(100)는 상기 제1 결정면(110)이 상기 이차입자(200)의 중심부(c)에서 표면부로 향하는 방사형 방향으로 배열될 수 있다. 예컨대, 상기 이차입자(200)의 최외면을 이루는 부분에 구비되는 상기 한쌍의 제1 결정면(110)의 일단은 복수개의 결정면들에 의하여 연결될 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 한쌍의 제1 결정면(110)은 서로 나란하게 이격되어 구비되고, 상기 한쌍의 제1 결정면(110)의 일단은 상기 제1 결정면(110)과는 상이한 복수개의 결정면이 서로 이격된 한쌍의 제1 결정면(110)의 일단을 덮도록 구비될 수 있다.The
플레이크형태로 구비되는 제1 일차입자(100)를 상기 이차입자(200)의 중심을 향하되, 상기 한쌍의 결정면(110)의 방향에 대해서 수직한 종단면은 서로 나란한 한쌍의 제1 결정면(110)과 상기 한쌍의 제1 결정면(110)의 일단을 서로 연결하는 하나 이상의 제2 결정면(120)과 제3 결정면(130)으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2 및 제3 결정면(120, 130)은 상기 이차입자(200)의 최외면에서 각도(θ)를 갖도록 연결될 수 있다.The first
상기 방사형 방향은 도 1b에 나타난 바와 같이 이차입자(200)의 중심부(c)에서 이차입자(200)의 표면부를 향하는 방향(R)으로 제1 일차입자(100)가 정렬됨을 의미한다.The radial direction means that the first
본 실시예에 따른 양극활물질은 한쌍의 제1 결정면(110)을 갖는 제1 일차입자(100)가 상기 이차입자(200)의 표면부에서 방사형 방향으로 정렬될 수 있다. 상기 제1 일차입자(100)는 일단에서 타단으로 연장되는 플레이크형태로 구비될 수 있는데, 상기 제1 일차입자(100)의 일단은 상기 이차입자(200)의 표면부를 향하고, 상기 제1 일차입자(100)의 타단은 상기 이차입자(200)의 중심부(c)을 향하도록 구비될 수 있다. In the positive electrode active material according to the present embodiment, the first
예컨대, 상기 제1 일차입자(100)는 상기 제1 결정면(110)의 방향이 상기 방사형 방향에 나란하게 정렬되고, 이에 의하여 상기 이차입자(200)의 표면부에서 내부로 리튬이온의 확산을 촉진할 수 있다. 또한, 상기 제1 일차입자(100)는 리튬이온의 이동방향으로 나란하도록 구비되고, 한쌍의 제1 결정면(110) 사이의 간격이 제어되어 정렬된다. 따라서, 반복적으로 가역적인 충방전에 의한 팽창 수축시에도 부피변화를 완화시켜주고, 일차입자 사이에 발생할 수 있는 크랙, 예컨대 전기화학반응과 동반되는 부피변화에 의한 일차입자의 형상변화에 따른 일차입자 사이의 이격거리가 감소되어 이차전지의 수명특성이 향상될 수 있다.For example, in the first
상기 제1 일차입자(100)의 플레이크형태는 도 1c에 도시된 바와 같이, 한쌍의 제1 결정면(110)이 최외면에 구비되고, 상기 한쌍의 제1 결정면(110)이 두께를 갖도록 구비되어 구비되는 것을 의미한다. 또한, 상기 제1 일차입자(100)의 종단면은 한쌍의 제1 결정면(110)과 상기 한쌍의 제1 결정면(110)의 일단을 연결하는 제2 및 제3 결정면(120, 130)으로 이루어질 수 있다. In the flake shape of the first
상기 제1 일차입자(100)는 상기 제1 결정면(110)의 장축인 제1 길이(f1)와, 상기 제1 길이(f1)에 수직한 상기 제1 결정면(110)의 단축인 제2 길이(f2), 및 상기 한쌍의 제1 결정면(110) 사이의 간격인 제3 길이(f3)를 포함할 수 있다. The first
상기 제1 길이(f1)는 상기 제1 결정면(110)에서 방사형에 나란한 방향으로 최장 길이일 수 있으며, 상기 제2 길이(f2)는 한쌍의 제1 결정면(110)의 일단, 즉 상기 제1 결정면(110)에서 이차입자(200)의 표면을 향하는 부분의 최단 길이로 단축의 길이일 수 있다. 상기 제3 길이(f3)는 상기 한쌍의 제1 결정면(110) 사이의 간격으로 두께일 수 있다. 상기 제1 길이(f1)은 상기 제2 및 제3 길이(f2, f3)보다 길게 구비되며, 상기 제2 길이(f2)는 상기 제3 길이(f3)보다 길게 구비될 수 있다.The first length f1 may be the longest length in a radially parallel direction from the
상기 제3 길이(f3)는 10nm 내지 400nm일 수 있다. 상기 제3 길이(f3)가 10nm 미만이면 상기 이차입자(200)의 표면적이 증가되어 전해액과의 접촉면적이 증가되고 이에 의하여 이차전지의 사이클을 진행하는 과정에서 전해액이 내부로 침투하여 수명이 급격하게 저하될 수 있다. 또한, 상기 제3 길이(f3)가 400nm 초과이면 이차전지의 충방전 과정에서 일차입자의 반복적인 수축 팽창에 의한 부피변화로 크랙이 형성되어 수명이 저하될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제3 길이(f3)는 평균값으로, 30nm 내지 300nm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 50nm 내지 150nm일 수 있다.The third length f3 may be 10 nm to 400 nm. When the third length f3 is less than 10 nm, the surface area of the
상기 제3 길이(f3)에 대한 제1 길이(f1)의 비는 2 내지 100이고, 상기 제3 길이(f3)에 대한 제2 길이(f2)의 비는 1.5 내지 80일 수 있다.A ratio of the first length f1 to the third length f3 may be 2 to 100, and a ratio of the second length f2 to the third length f3 may be 1.5 to 80.
상기 제1 일차입자(100)에서 상기 제1 길이(f1), 제2 길이(f2) 및 제3 길이(f3)는 서로 영향을 주고, 상기 제1 길이(f1), 제2 길이(f2) 및 제3 길이(f3)가 전술한 범위로 구비됨으로써, 상기 제1 일차입자(100)를 포함하는 이차입자는 고용량의 니켈(Ni)에 의하여 높은 방전용량을 안정적으로 유지하면서, 다수의 사이클에 의해서도 구조적으로 일정하게 유지됨으로써 수명특성이 향상된다.In the first
상기 양극활물질은 층상형 삼방정계(Rhombohedral system) 화합물이고, 상기 제1 결정면(110), 제2 결정면(120) 및 제3 결정면(130)은 밀러 지수 (Miller index) (hkℓ)로 이루어지되, 상기 제1 결정면(110)과, 제2 결정면(120) 및 제3 결정면(130)은 서로 다른 결정면으로 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 결정면의 경우, (hkℓ)로 여기에서 h=0, k=0, ℓ=3n이고, n은 정수일 수 있으며, 상기 제2 및 제3 결정면은 상기 제1 결정면과는 상이한 결정면으로 구비될 수 있다. The positive electrode active material is a layered rhombohedral system compound, and the
상기 제1 결정면(110), 제2 결정면(120) 및 제3 결정면(130)은 층상형 삼방정계 화합물을 형성하는 결정면들로 이루어질 수 있는데, 예컨대, 상기 제1 결정면(110)인 (hkℓ)은 (003), (006), (009), (0012), 및 (0015) 중 어느 하나 이상일 수 있으며, 상기 제2 결정면(120) 및 제3 결정면(130)은 층상형 삼방정계 결정계에서 (hkl)의 제1 결정면(110)을 제외한 나머지 (hkl)로 이루어질 수 있다. 상기 제2 및 제3 결정면(120, 130)은 상기 제1 결정면(110)의 일단에서 서로 이격하는 한쌍의 제1 결정면(110)의 일단을 서로 연결하도록 구비되는 결정면으로 이루어질 수 있다.The
본 실시예에 따른 제1 일차입자(100)는 적어도 4개 이상의 결정면(crystal face)을 포함하는 플레이크형태로 구비될 수 있다. 상기 결정면은 결정의 외형을 나타내는 평면으로 격자면과 평행인 면을 의미한다.The first
상기 제1 일차입자(100)를 구성하는 제1 결정면(110)은 상기 플레이크형태에서 서로 대면하는 한쌍의 넓은 면이고, 상기 제2 및 제3 결정면(120, 130)은 상기 한쌍의 제1 결정면(110)의 어느 일측 및 타측에 각각 연결되고, 상기 플레이크형태의 일단은 상기 제2 및 제3 결정면(120, 130)에 의하여 단면이 삼각형이 되도록 구비될 수 있다.The
상기 제1 일차입자(100)에서 상기 제1 결정면(110)은 (003)면으로 이루어지고, 상기 제1 일차입자(100)에서 한쌍의 제1 결정면(110)의 일단, 즉 상기 이차입자(200)의 외면에 구비되는 부분의 양단부는 제2 결정면(120)과 제3 결정면(130)이 서로 각도를 갖도록 연결되어 구비될 수 있다. In the first
예컨대, 상기 한쌍의 제1 결정면(110)의 어느 일측 단부에는 제2 결정면(120)이 90° 이상의 각도를 갖도록 연결되고, 상기 한쌍의 제2 결정면(110)의 다른 일측 단부에는 상기 제3 결정면(130)이 90° 이상의 각도를 갖도록 연결될 수 있다. 상기 한쌍의 제1 결정면(110)의 양단부를 각각 연결하는 상기 제2 결정면(120)과 상기 제3 결정면(130)은 소정의 각도를 갖도록 연결되어, 상기 제1 일차입자(100)의 말단에 의하여 상기 이차입자(200)의 외면은 뾰족한 요철을 갖도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 이차입자(200)의 표면부에서 중심부(c)으로 향하는 방향을 향하되, 상기 한쌍의 제1 결정면(110)에 대해서 수직한 단면에 대하여, 상기 제2 결정면과 제3 결정면 사이의 각도(θ)는 30° 내지 170°일 수 있다. 상기 제2 결정면과 제3 결정면 사이의 각도(θ)가 30° 미만이면 상기 이차입자의 표면적이 증가하여 전해액과의 접촉면적이 증가되고, 이에 의하여 충방전 과정에서 전해액이 이차입자(200)의 중심부측으로 유입되어 이차입자의 마이크로크랙 형성의 원인이 될 수 있다. 상기 제2 결정면과 제3 결정면 사이의 각도(θ)가 170° 초과이면 리튬이온이 이차입자(200)의 내부로 이동하는 효율이 저하될 수 있다. 구체적으로는, 상기 제2 결정면과 제3 결정면 사이의 각도(θ)는 90° 내지 170°이고, 더욱 구체적으로는 110° 내지 170°이며, 더욱 더 구체적으로는 120° 내지 160°일 수 있다.For example, a
상기 양극활물질를 양극으로 이용하고, 리튬금속을 음극으로 이용한 2032 코인형 하프셀(half-cell)로, 0.5C 정전류로 2.7V방전, 0.5C 정전류로 4.3V 충전을 100사이클 진행한 후, 충방전 커브를 1계도 미분 한 그래프인 dQ/dV 커브에서 H2-H3의 상전이에 해당하는 피크의 강도가 1사이클 대비 40% 이상일 수 있으며, 바람직하게는 60% 내지 98%일 수 있고, 더욱 바람직하게는 70% 내지 90%일 수 있다.100 cycles of 2.7V discharge at 0.5C constant current and 4.3V charge at 0.5C constant current in a 2032 coin-type half-cell using the positive electrode active material as the positive electrode and lithium metal as the negative electrode, after charging and discharging In the dQ/dV curve, which is a graph in which the curve is differentiated by one degree, the intensity of the peak corresponding to the phase transition of H2-H3 may be 40% or more compared to one cycle, preferably 60% to 98%, more preferably It may be 70% to 90%.
상기 일차입자는 Ni과, M1 및 M2를 포함하고, 상기 M1는 Mn, Co 및 Al 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 Ni는 65mol% 이상이고, 상기 M2는 도핑원소로 0.05mol% 내지 5mol%로 이루어질 수 있다. The primary particles include Ni and M1 and M2, wherein M1 consists of at least any one of Mn, Co, and Al, the Ni is 65 mol% or more, and M2 is a doping element in an amount of 0.05 mol% to 5 mol % can be made.
본 실시예에 따른 일차입자는 니켈(Ni)을 65mol% 이상의 높은 함량으로 포함할 수 있으며, 도핑원소를 더 포함할 수 있다. 상기 도핑원소는 리튬(Li), 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)이 아닌 다른 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 도핑원소는 0.05mol% 내지 5mol%로 포함될 수 있다. The primary particles according to the present embodiment may include nickel (Ni) in a high content of 65 mol% or more, and may further include a doping element. The doping element may be made of a material other than lithium (Li), nickel (Ni), manganese (Mn), cobalt (Co) and aluminum (Al), and the doping element may be included in an amount of 0.05 mol% to 5 mol% have.
상기 도핑원소는 상기 일차입자 중 제1 일차입자(100)의 형상을 제어하고, 리튬이온의 삽입 혹은 탈리과정에서 발생하는 수축 및 팽창의 형상을 제어하여 이차전지의 수명특성을 향상시킬 수 있다. 상기 도핑원소의 함량이 0.05mol% 미만이면, 상기 제1 일차입자가 방사형으로 배열되기 어려워 리튬이온의 이동 효율이 저하되고, 5mol% 초과이면 상기 제1 일차입자(100)에서 한쌍의 제1 결정면(110) 사이의 간격이 너무 좁아져서 사이클 진행과정에서 크랙이 발생할 수 있다. The doping element may control the shape of the first
바람직하게는, 상기 도핑원소인 M2는 보론(B)를 포함할 수 있다.Preferably, the doping element M2 may include boron (B).
본 발명에 있어서, 상기 제1 일차입자(100)에서, 상기 이차입자(200)의 외면에 구비되는 상기 제2 및 제3 결정면(120, 130)에는, 상기 제2 및 제3 결정면(120, 130)의 적어도 일부를 덮는 보론(B)를 포함하는 코팅층이 구비될 수 있다. 상기 보론(B)은 상기 이차입자(200)에서 도핑되어 구비될 수 있는데, 상기 보론(B)은 상기 제1 일차입자의 형상을 제어하면서, 동시에 이차입자의 외면에 적어도 일부를 덮는 코팅층으로 형성될 수 있다.In the present invention, in the first
본 실시예에 따른 제1 일차입자(100)는 보론(B)을 포함하고, 상기 이차입자(200)의 외면에는 보론(B)을 포함하는 코팅층이 구비될 수 있다. 상기 보론(B)의 농도는, 상기 이차입자(200)에서는 균일하게 구비되고, 상기 코팅층에서는 농도구배를 갖도록 구비될 수 있다. 바람직하게는, 상기 코팅층에서의 보론(B)의 평균농도는 상기 이차입자(200)에서의 보론(B)의 평균농도보다 높게 구비될 수 있다.The first
상기 코팅층은 LiBO2, LiB3O5, LiB5O8, α-LiBO2, Li2B2O4, Li2B2O7, Li2B4O7, Li2B6O7, Li2B6O10, Li2B8O13, Li3BO3, Li3B7O12, Li4B2O5, α-Li4B2O5, β-Li4B2O5, Li4B10O17 및 Li6B4O9 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 리튬보론산화물을 포함할 수 있다.The coating layer is LiBO 2 , LiB 3 O 5 , LiB 5 O 8 , α-LiBO 2 , Li 2 B 2 O 4 , Li 2 B 2 O 7 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 B 6 O 7 , Li 2 B 6 O 10 , Li 2 B 8 O 13 , Li 3 BO 3 , Li 3 B 7 O 12 , Li 4 B 2 O 5 , α-Li 4 B 2 O 5 , β-Li 4 B 2 O 5 , Li 4 B 10 O 17 and Li 6 B 4 O 9 It may include a lithium boron oxide consisting of at least one.
상기 코팅층은 리튬화합물과 보론산화물이 반응하여 형성될 수 있으며, 예컨대 하기와 같은 반응식에 의할 수 있다. The coating layer may be formed by reacting a lithium compound and boron oxide, for example, according to the following reaction formula.
Li2CO3 + B2O3 → Li2B2O4 + CO2 Li 2 CO 3 + B 2 O 3 → Li 2 B 2 O 4 + CO 2
LiOH + B2O3 → Li2B2O4 + H2OLiOH + B 2 O 3 → Li 2 B 2 O 4 + H 2 O
Li2CO3 + 2B2O3 → Li2B4O7 + CO2 Li 2 CO 3 + 2B 2 O 3 → Li 2 B 4 O 7 + CO 2
2LiOH + B2O3 → Li2B4O7 + H2O2LiOH + B 2 O 3 → Li 2 B 4 O 7 + H 2 O
예컨대, 니켈(Ni)과 함께, 망간(Mn), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나이상의 금속화합물과 도핑원소인 보론(B)를 이용하여 일차입자의 집단으로 이루어진 이차입자를 제조할 수 있다. 이어서, 상기 이차입자를 리튬화합물과 혼합하여 소성하여 양극활물질로 제조될 수 있는데, 상기 이차입자에는 제어된 농도로 보론산화물이 구비될 수 있다. 상기 보론산화물은 전술한 반응식과 같이 리튬화합물과 반응하여 상기 이차입자의 외면에 코팅층을 형성할 수 있다. 전술한 반응식은 상기 코팅층을 형성하는 반응식은 일 예시이며, 다양한 반응식에 의하여 상기 코팅층을 구성하는 리튬보론산화물이 형성될 수 있다.For example, using nickel (Ni), manganese (Mn), cobalt (Co), and aluminum (Al) at least one metal compound and boron (B) as a doping element to prepare secondary particles consisting of a group of primary particles can do. Then, the secondary particles may be mixed with a lithium compound and fired to prepare a cathode active material, and boron oxide may be provided in a controlled concentration in the secondary particles. The boron oxide may react with a lithium compound as shown in the above reaction formula to form a coating layer on the outer surface of the secondary particles. The above-described reaction formula for forming the coating layer is an example, and lithium boron oxide constituting the coating layer may be formed by various reaction formulas.
본 실시예에 따른 이차입자(200)에서 상기 이차입자(200)는 제1 일차입자(100)를 포함하는 복수개의 일차입자의 집단으로 이루어지고, 상기 제1 일차입자(100)는 이차입자(200)의 외면에 구비되되 상기 제1 일차입자(100)의 제1 결정면(110)이 상기 이차입자(200)에서 방사형으로 정렬되도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1 일차입자(100)는 상기 제1 일차입자(100)의 제2 및 제3 결정면(120, 130)은 상기 이차입자(200)의 외면에 위치하도록 구비될 수 있다. 상기 도핑원소는 보론(B)을 포함할 수 있으며, 상기 보론(B)은 상기 제1 일차입자(100)의 내부에서 균일한 농도로 구비되어 상기 제1 일차입자(100)의 형상 및 위치를 제어할 수 있으며, 상기 제1 일차입자(100)의 제2 및 제3 결정면(120, 130)의 적어도 일부를 덮는 코팅층에 구비되어 상기 제1 일차입자(100)의 제1 결정면(110)의 방향성을 갖는 성장을 제어할 수 있다. In the
또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 도핑원소인 상기 M2는, 보론(B); 및 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 실리콘(Si), 주석(Sn), 지르코늄(Zr), 칼슘(Ca), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 인듐(In), 루테늄(Ru), 텔루륨(Te), 안티모니(Sb), 철(Fe), 크롬(Cr), 바나듐(V) 및 티타늄(Ti) 중 어느 하나 이상;으로 이루어질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 도핑원소인 M2는 두개의 도핑원소가 코도핑(co-doping)되어 형성될 수 있으며, 보론(B)과 텅스텐(W), 보론(B)과 몰리프덴(Mo), 보론(B)과 니오븀(Nb), 보론(B)과 탄탈륨(Ta) 및 보론(B)과 안티모니(Sb) 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.In addition, in another embodiment of the present invention, the doping element M2 is boron (B); and tungsten (W), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), niobium (Nb), hafnium (Hf), silicon (Si), tin (Sn), zirconium (Zr), calcium (Ca), germanium (Ge) any one of , gallium (Ga), indium (In), ruthenium (Ru), tellurium (Te), antimony (Sb), iron (Fe), chromium (Cr), vanadium (V) and titanium (Ti) It can be made of; More preferably, the doping element M2 may be formed by co-doping two doping elements, boron (B) and tungsten (W), boron (B) and molybdenum (Mo) , boron (B) and niobium (Nb), boron (B) and tantalum (Ta), and boron (B) and antimony (Sb) may be formed of any one or more.
본 발명의 실시예에서, 상기 양극활물질를 이용한 양극으로 리튬금속을 음극으로 이용한 하프셀(half-cell)로 0.5C 정전류로 4.3V 충전한 이차입자(200)의 횡단면에서, 서로 이웃하는 일차입자 경계(boundary) 사이에 형성된 공간인 마이크로크랙의 면적은 상기 이차입자의 횡단면의 면적에 대해서 15% 미만으로 구비될 수 있다. In an embodiment of the present invention, in a cross section of
상기 마이크로크랙은 구형의 이차입자를 횡단면으로 절단한 경우, 일차입자와 일차입자 사이에 형성되는 공간(space)의 형태로 형성될 수 있으며, 대략 상기 이차입자의 중심부에서 상기 이차입자의 표면부를 향하여 연결될 수 있다. 상기 마이크로크랙은 상기 이차입자의 중심부에서 시작하는데, 충방전이 진행하는 경우 급격한 부피변화에 의하여 형성될 수 있으며, 이는 충방전 사이클을 진행하는 과정에서 중심부에서 표면부까지 연장될 수 있다. 표면부까지 연장된 마이크로크랙은 전해액의 유입경로로 작용하며, 상기 전해액은 상기 마이크로크랙을 통하여 유입되고 이차입자의 내부에 패시베이션층(passivation layer)이 형성되어, 저항으로 작용하여 전기적 효율을 저하시킬 수 있다. 상기 패시베이션층은 심한 경우에는 이차입자 내의 마이크로크랙의 면적을 증가시키며, 이에 의하여 이차입자가 거의 분리되는 형태가 될 수도 있다. The microcrack may be formed in the form of a space formed between the primary particle and the primary particle when the spherical secondary particle is cut in a cross section, and approximately from the center of the secondary particle toward the surface of the secondary particle can be connected The microcracks start at the center of the secondary particles, and may be formed by a sudden change in volume when charging and discharging proceed, which may extend from the center to the surface during the charging/discharging cycle. Microcracks extending to the surface portion act as an inflow path of the electrolyte, and the electrolyte is introduced through the microcracks and a passivation layer is formed inside the secondary particles to act as a resistance to reduce electrical efficiency. can In severe cases, the passivation layer increases the area of microcracks in the secondary particles, whereby the secondary particles may be almost separated.
반면, 본 실시예에 따른 이차입자에서는 복수회의 사이클을 진행하는 경우에는 마이크로크랙이 거의 형성되지 않다. 예컨대, 2032 코인형 하프셀(half-cell)로 0.5C 정전류로 4.3V 충전한 이차입자(200)의 횡단면에서, 서로 이웃하는 일차입자 경계(boundary) 사이에 형성된 공간인 마이크로크랙의 면적은 상기 이차입자의 횡단면의 면적에 대해서 15% 미만으로 구비될 수 있다. 바람직하게는, 상기 마이크로크랙의 면적은 10% 미만으로 구비될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 7% 미만으로 구비될 수 있다.On the other hand, in the secondary particles according to the present embodiment, when a plurality of cycles are performed, microcracks are hardly formed. For example, in a cross section of a
상기 이차입자(200)는 이차입자는 45kV, 40mA 출력을 갖는 장치(Empyrean, Panalytical)로, Cu Ka 빔소스를 이용하여 0.0131 스텝 사이즈 간격으로 분당 1도의 스캔 속도로 측정하여 얻은 X 선 회절분석에서, 백그라운드를 제외한 003 피크의 강도 대 104 피크의 강도의 비는 1.6 내지 2.15일 수 있다. 또한, 상기 도핑원소의 함량이 증가할수록 상기 003 피크의 강도 대 104 피크의 강도의 비는 감소할 수 있다.The
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 이차입자(200)는 중심부(c)와 표면부를 갖는 구형으로 구비되고, 상기 제1 일차입자(100)는 상기 제1 결정면(110)이 상기 중심부(c)에서 상기 표면부를 향하는 방향으로 구비될 수 있다. 상기 제1 일차입자(100)에서 상기 제2 및 제3 결정면(120, 130)은 상기 이차입자(200)의 표면부에 구비되어 상기 이차입자(200)의 표면부의 최외면은 상기 제2 및 제3 결정면(120, 130)에 의하여 요철구조를 형성할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the
상기 이차입자(200)는, 아래의 <화학식 1>로 표시되고, 상기 이차입자(200)의 표면부에는 상기 제2 및 제3 결정면(120, 130)의 적어도 일부를 덮는 코팅층을 더 포함할 수 있다.The
<화학식 1><
LiaMxDyO2 Li a M x D y O 2
상기 <화학식 1>에서, M은 Ni, Co, Mn, 또는 Al 중에서 적어도 어느 하나이고, D는 B 또는 B와 W로 이루어지는 도핑원소이고, 0.9<a<1.1 이고, x+y = 1 이고, 0.95<x<1, 0<y<0.05 이다.In the <
상기 제1 일차입자(100)는 상기 제1 결정면(110)의 장축인 제1 길이(f1)와, 상기 제1 길이(f1)에 수직한 상기 제1 결정면(110)의 단축인 제2 길이(f2), 및 상기 한쌍의 제1 결정면(110) 사이의 간격인 제3 길이(f3)를 포함하도록 플레이크형태로 구비될 수 있다. 상기 플레이크형태인 제1 일차입자(100)는 장축이 이차입자(200)의 중심부(c)를 향하도록 정렬될 수 있다.The first
상기 도핑원소는 0.05mol% 내지 5mol%로 구비되되, 상기 도핑원소의 농도가 증가할수록, 상기 제1 일차입자(100)의 제1 길이(f1)는 증가되고, 상기 제3 길이(f3)는 감소될 수 있다. 바람직하게는, 상기 도핑원소는 0.05mol% 내지 2mol%이고, 더욱 바람직하게는 상기 도핑원소는 0.5mol% 내지 2mol%일 수 있다.The doping element is provided in an amount of 0.05 mol% to 5 mol%, and as the concentration of the doping element increases, the first length f1 of the first
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 금속, 리튬, 도핑원소, 및 산소를 포함하는 층상형 삼방정계(Rhombohedral system) 화합물로 형성되는 구형의 이차입자; 및 상기 이차입자의 표면에 제공되고, 리튬, 상기 도핑원소, 및 산소를 포함하는 화합물로 형성되며, 상기 이차입자와 다른 결정 구조를 갖는 코팅층;을 포함하는 양극활물질에 대한 것으로, 상기 금속은 니켈(Ni); 및 코발트(Co), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나 이상;으로 이루어질 수 있다. According to another aspect of the present invention, the present invention provides a spherical secondary particle formed of a layered trigonal system (Rhombohedral system) compound containing metal, lithium, a doping element, and oxygen; and a coating layer provided on the surface of the secondary particles, formed of a compound containing lithium, the doping element, and oxygen, and having a crystal structure different from that of the secondary particles; (Ni); and any one or more of cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al).
상기 코팅층 내의 상기 도핑원소의 평균농도는 상기 이차입자 내의 상기 도핑원소의 평균농도보다 높고, 상기 코팅층은, LiBO2, LiB3O5, LiB5O8, α-LiBO2, Li2B2O4, Li2B2O7, Li2B4O7, Li2B6O7, Li2B6O10, Li2B8O13, Li3BO3, Li3B7O12, Li4B2O5, α-Li4B2O5, β-Li4B2O5, Li4B10O17 및 Li6B4O9 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 리튬보론산화물을 포함할 수 있다.The average concentration of the doping element in the coating layer is higher than the average concentration of the doping element in the secondary particles, and the coating layer is, LiBO 2 , LiB 3 O 5 , LiB 5 O 8 , α-LiBO 2 , Li 2 B 2 O 4 , Li 2 B 2 O 7 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 B 6 O 7 , Li 2 B 6 O 10 , Li 2 B 8 O 13 , Li 3 BO 3 , Li 3 B 7 O 12 , Li 4 B 2 O 5 , α-Li 4 B 2 O 5 , β-Li 4 B 2 O 5 , Li 4 B 10 O 17 and Li 6 B 4 O 9 Lithium boron oxide comprising at least one of can
상기 코팅층의 두께는, 1nm 내지 10nm일 수 있다. 상기 코팅층의 두께가 1nm 미만이면 상기 이차입자의 표면부를 효과적으로 보호하기 어려워 이차전지의 수명특성이 저하되어 문제되고 10nm 초과이면 리튬이온의 이동이 제한되어 용량이 저하될 수 있다.The thickness of the coating layer may be 1 nm to 10 nm. When the thickness of the coating layer is less than 1 nm, it is difficult to effectively protect the surface portion of the secondary particles, and thus the lifespan characteristics of the secondary battery are deteriorated.
상기 제1 일차입자는 결정구조를 가질 수 있는데, 상기 결정구조의 a축이 상기 이차입자의 상기 중심부에서 상기 표면부를 향하는 방향과 평행하게 배열될 수 있다. 이로 인해, 상기 플레이크형태를 갖는 상기 제1 일차입자 사이 리튬이온 및 전해질의 이동경로로 작용할 수 있으며, 따라서 본 양극활물질을 포함하는 이차전지의 충방전 효율이 향상될 수 있다.The first primary particle may have a crystal structure, and an a-axis of the crystal structure may be arranged parallel to a direction from the central portion of the secondary particle toward the surface portion. For this reason, it can act as a movement path of lithium ions and electrolyte between the first primary particles having the flake shape, and thus the charging and discharging efficiency of the secondary battery including the present positive electrode active material can be improved.
일 실시예에 따르면, 상기 금속은 이차입자 내에서 농도구배를 갖도록 구비될 수 있다. 예컨대, 니켈, 코발트, 망간, 또는 알루미늄 중에서 적어도 어느 하나는, 상기 이차전지의 적어도 일 영역 내에서, 연속적 또는 불연속적인 농도구배를 가질 수 있다.According to one embodiment, the metal may be provided to have a concentration gradient in the secondary particles. For example, at least one of nickel, cobalt, manganese, and aluminum may have a continuous or discontinuous concentration gradient in at least one region of the secondary battery.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 양극활물질은, 금속 및 도핑원소를 이용하여 제조된 양극활물질 전구체와 리튬화합물을 소성하여 제조될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the cathode active material may be prepared by calcining a cathode active material precursor prepared using a metal and a doping element and a lithium compound.
또는, 다른 실시예에 따르면, 상기 양극활물질의 제조 방법은, 상기 전이금속 수용액, 상기 킬레이팅제, 및 상기 도핑 소스를 반응기 내에 공급하여 상기 도핑 원소가 도핑된 상기 양극활물질 전구체를 제조하는 단계, 및 상기 양극활물질 전구체 및 리튬염을 소성하는 단계를 포함할 수 있다.Alternatively, according to another embodiment, the method for manufacturing the positive electrode active material includes supplying the transition metal aqueous solution, the chelating agent, and the doping source into a reactor to prepare the positive electrode active material precursor doped with the doping element; and sintering the cathode active material precursor and the lithium salt.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시예는 전술한 양극활물질을 포함하는 이차전지용 양극을 포함한다. According to another aspect of the present invention, an embodiment of the present invention includes a positive electrode for a secondary battery including the above-described positive electrode active material.
또한, 상기 양극을 포함하는 리튬이차전지를 포함할 수 있다.In addition, it may include a lithium secondary battery including the positive electrode.
본 발명의 실시예는 상기 리튬이차전지를 단위셀로 포함하는 전지모듈을 포함할 수 있다.An embodiment of the present invention may include a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell.
또한, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩으로, 상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되고, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그 인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전지팩을 포함할 수 있다.In addition, a battery pack including the battery module, wherein the battery pack is used as a power source for a medium or large device, and the medium or large device is selected from the group consisting of an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a system for power storage It may include a battery pack that will.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극활물질 제조방법을 나타낸 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a cathode active material according to another embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 양극활물질의 제조방법은 금속용액을 준비하는 단계(S210); 상기 금속용액을 암모니아 용액과 수산화나트륨 용액을 이용하여 공침반응으로 금속복합수산화물을 제조하는 단계(S220); 산화보론을 제1 입자크기가 되도록 분쇄하여 준비하는 단계(S230); 상기 금속복합수산화물, 수산화리튬 및 상기 제1 입자크기의 산화보론을 혼합한 후 제1 온도범위 및 제1 시간동안 예비소성하는 단계(S240); 및 상기 예비소성이 완료된 후 제2 온도범위 및 제2 시간동안 소성하는 단계(S250);로 이루어지고, 상기 산화보론은 파우더형태로 구비되되, 상기 산화보론의 상기 제1 입자크기는 0.1㎛ 내지 500㎛일 수 있다.Referring to FIG. 2 , the method for manufacturing a cathode active material according to the present embodiment includes preparing a metal solution (S210); preparing a metal complex hydroxide by coprecipitating the metal solution with an ammonia solution and sodium hydroxide solution (S220); Preparing boron oxide by pulverizing to a first particle size (S230); mixing the metal complex hydroxide, lithium hydroxide, and boron oxide of the first particle size and then pre-firing for a first temperature range and a first time (S240); and calcining for a second temperature range and a second time after the preliminary firing is completed (S250), wherein the boron oxide is provided in a powder form, and the first particle size of the boron oxide is 0.1 μm to It may be 500 μm.
본 실시예에 따른 양극활물질 제조방법에서, 상기 금속용액을 준비는 단계(S210)에서는, 니켈과 함께, 코발트, 망간 및 알루미늄 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속용액을 준비할 수 있다. 이때, 상기 금속용액은 하나 이상의 농도범위를 갖도록 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 금속용액은 상기 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄 중 어느 하나 이상을 이용한 금속조합으로 제1 농도로 이루어진 제1 금속용액과, 상기 제1 농도와는 다른 제2 농도로 이루어진 제2 금속용액을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속용액과 제2 금속용액을 이용함으로써, 내부에 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄 중 어느 하나 이상이 농도구배를 갖는 금속복합수산화물로 제조할 수 있다.In the method for manufacturing the positive electrode active material according to the present embodiment, in the step of preparing the metal solution ( S210 ), a metal solution including any one or more of cobalt, manganese, and aluminum along with nickel may be prepared. In this case, the metal solution may be provided to have one or more concentration ranges. For example, the metal solution includes a first metal solution having a first concentration and a second metal solution having a second concentration different from the first concentration as a metal combination using any one or more of nickel, cobalt, manganese, and aluminum. may include By using the first metal solution and the second metal solution, any one or more of nickel, cobalt, manganese, and aluminum can be prepared as a metal complex hydroxide having a concentration gradient therein.
공침반응으로 금속복합수산화물을 제조하는 단계(S220)에서는 상기 금속용액을 이용하여 금속복합수산화물을 제조할 수 있다. 상기 공침반응은 금속용액, 암모니아 용액 및 수산화나트륨 용액을 각각 서로 다른 속도로 공침반응기에 연속적으로 투입하여 수행될 수 있으며, 이때 상기 금속용액과, 암모니아 용액 및 수산화나트륨 용액의 투입속도와 농도를 제어함으로써, 금속복합수산화물을 구성하는 일차입자 및 이차입자의 미세구조, 형상 등을 제어할 수 있다. 상기 공침반응은 20℃ 내지 60℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 22℃ 내지 47℃에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 공침반응기에서 공침반응을 수행하는 동안 pH는 10 내지 12로 유지될 수 있다. In the step of preparing the metal complex hydroxide by the co-precipitation reaction (S220), the metal complex hydroxide may be prepared using the metal solution. The co-precipitation reaction may be performed by continuously introducing a metal solution, an ammonia solution, and a sodium hydroxide solution to the co-precipitation reactor at different rates, respectively, in which case the input rate and concentration of the metal solution, the ammonia solution and the sodium hydroxide solution are controlled. By doing so, it is possible to control the microstructure, shape, etc. of the primary and secondary particles constituting the metal complex hydroxide. The co-precipitation reaction may be carried out at 20 °C to 60 °C, preferably at 22 °C to 47 °C. In addition, the pH may be maintained at 10 to 12 during the coprecipitation reaction in the coprecipitation reactor.
이어서, 제조된 금속복합수산화물은 여과하여 액상을 제거하고, 증류수를 이용하여 수회 세척한 후 진공건조기에서 건조시켜 파우더형태로 제조할 수 있다. 상기 진공건조기의 온도는 100℃ 내지 160℃일 수 있으며, 바람직하게는 100℃ 내지 135℃일 수 있다.Subsequently, the prepared metal complex hydroxide is filtered to remove the liquid phase, washed several times using distilled water, and then dried in a vacuum dryer to prepare a powder form. The temperature of the vacuum dryer may be 100 °C to 160 °C, preferably 100 °C to 135 °C.
산화보론을 제1 입자크기가 되도록 분쇄하여 준비하는 단계(S230)에서는 고상의 산화보론(B2O3)를 이용하여 준비할 수 있다. 상기 산화보론은 볼밀(ball-mill) 등을 이용하여 입자크기가 제어될 수 있는데, 예컨대 산화보론의 제1 입자크기는 0.1㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 상기 제1 입자크기가 0.1㎛ 미만인 경우에는 상기 산화보론이 뭉쳐서 금속복합수산화물과 균일하게 혼합되기 어렵고, 500㎛ 초과인 경우에는 상기 금속복합수산화물에 부착되지 않아 문제될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 입자크기는 1㎛ 내지 50㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 2㎛ 내지 10㎛일 수 있다.In the preparing step (S230) by pulverizing boron oxide to a first particle size, solid boron oxide (B 2 O 3 ) may be used to prepare. The particle size of the boron oxide may be controlled using a ball-mill or the like, for example, the first particle size of boron oxide may be 0.1 μm to 500 μm. When the first particle size is less than 0.1 μm, the boron oxide is agglomerated and it is difficult to be uniformly mixed with the metal complex hydroxide, and when it exceeds 500 μm, there may be a problem in that it does not adhere to the metal complex hydroxide. Preferably, the first particle size may be 1㎛ to 50㎛, more preferably 2㎛ to 10㎛.
금속복합수산화물, 수산화리튬 및 산화보론을 혼합한 후 예비소성하는 단계(S240)에서는, 상기 금속복합수산화물, 수산화리튬 및 산화보론은 1차로 혼합하고, 그 후에 제1 온도범위 및 제1 시간 동안 가열하여 예비소성을 수행할 수 있다. 상기 예비소성은 높은 온도에서 소성하기 전 상대적으로 낮은 온도에서 예비적으로 열을 가함으로써, 소성에 의하여 제조된 양극활물질의 전기화학적 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 제1 온도범위는 350℃ 내지 500℃일 수 있으며, 상기 제1 시간은 3시간 내지 8시간일 수 있다. 상기 예비소성이 제1 온도범위와 제1 시간 내에서 수행됨으로써, 후속하는 소성에 의하여 양극활물질의 미세구조가 제어되며, 전기적 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 보론이 상기 양극활물질의 표면부에서 일차입자의 결정성을 제어함으로써, 리튬이온의 이동경로가 보다 효율적으로 형성되도록 할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 온도범위는 400℃ 내지 500℃일 수 있으며, 보다 바람직하게는 410℃ 내지 480℃일 수 있다. 또한, 바람직하게는, 상기 제1 시간은 3시간 내지 7시간 일수 있으며, 보다 바람직하게는 4시간 내지 6시간일 수 있다.In the pre-firing step (S240) after mixing the metal composite hydroxide, lithium hydroxide and boron oxide, the metal composite hydroxide, lithium hydroxide and boron oxide are first mixed, and then heated for a first temperature range and a first time Thus, preliminary firing can be performed. The preliminary firing may further improve the electrochemical performance of the positive electrode active material manufactured by firing by preliminarily applying heat at a relatively low temperature before firing at a high temperature. The first temperature range may be 350°C to 500°C, and the first time period may be 3 hours to 8 hours. Since the preliminary firing is performed within the first temperature range and the first time, the microstructure of the positive electrode active material is controlled by subsequent firing, and electrical properties can be further improved. In addition, boron controls the crystallinity of the primary particles in the surface portion of the positive electrode active material, so that the movement path of lithium ions can be formed more efficiently. Preferably, the first temperature range may be 400 °C to 500 °C, more preferably 410 °C to 480 °C. Also, preferably, the first time period may be 3 hours to 7 hours, more preferably 4 hours to 6 hours.
이어서, 제2 온도범위 및 제2 시간동안 소성하는 단계(S250)가 수행될 수 있다. 상기 소성에 의하여 보론이 도핑된 최종 양극활물질에 제조될 수 있는데, 상기 제2 온도범위는 700℃ 내지 1000℃이고, 제2 시간은 8시간 내지 15시간일 수 있다. 상기 소성하는 단계(S250)의 제2 온도범위에서 700℃ 미만이면, 양극활물질의 이차입자를 구성하는 일차입자 들이 전체적으로 균일하게 정렬되지 않고, 1000℃ 초과이면 일부 물질이 증발하는 등 공정효율이 저하되어 문제된다. 바람직하게는 상기 제2 온도범위는 상기 제1 온도범위의 1.8배 내지 2.2배로 수행될 수 있다.Subsequently, the step of sintering for a second temperature range and a second time (S250) may be performed. The boron-doped final positive electrode active material may be prepared by the firing, wherein the second temperature range is 700° C. to 1000° C., and the second time period may be 8 hours to 15 hours. If it is less than 700°C in the second temperature range of the firing step (S250), the primary particles constituting the secondary particles of the positive electrode active material are not uniformly aligned as a whole, and when it exceeds 1000°C, the process efficiency is lowered, such as some materials are evaporated become a problem Preferably, the second temperature range may be 1.8 times to 2.2 times the first temperature range.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.
1. 실시예 및 비교예의 제조1. Preparation of Examples and Comparative Examples
(1) NCM계 양극활물질의 제조 (1) Preparation of NCM-based positive electrode active material
실시예 1 (NCM65-B1)Example 1 (NCM65-B1)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 65:15:20가 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.65Co0.15Mn0.2(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), and manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical) were mixed with nickel (Ni), cobalt (Co ) and manganese (Mn) were mixed in an amount such that the molar ratio was 65:15:20 to prepare a metal solution having a concentration of 2M. The prepared metal solution was 0.561 liters/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samchun Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. was continuously added for 24 hours. The coprecipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.65 Co 0.15 Mn 0.2 (OH) 2 metal composite hydroxide.
제조된 Ni0.65Co0.15Mn0.2(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50 μm가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni0.65Co0.15Mn0.2(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였다. 뒤이어 820℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCM65-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 1에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.65 Co 0.15 Mn 0.2 (OH) 2 metal complex hydroxide was filtered, washed several times using distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder form. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni 0.65 Co 0.15 Mn 0.2 (OH) 2 metal composite hydroxide, boron oxide (B 2 ) prepared in powder form O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.99:0.005:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, and maintained at 450°C for 5 hours to perform preliminary calcination. Subsequently, it was calcined at 820° C. for 10 hours to prepare a cathode active material powder (NCM65-B1) doped with boron (B) by 1 mol%. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1 that the B doping amount of the doping element, in the process of preparing the metal complex hydroxide, Molar ratios and firing temperatures of metals (nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn)) are shown.
실시예 2(NCM65-B1)Example 2 (NCM65-B1)
금속 복합 산화물을 제조하는 과정에서 반응기 내로 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.213리터/시간으로 공침반응기 내에 연속적으로 첨가하여 공침반응을 수행하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCM65-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 1에 나타내었다. Boron in the same manner as in Example 1, except that 16M concentration of ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was continuously added into the co-precipitation reactor at 0.213 liters/hour in the process of preparing the metal complex oxide to perform the co-precipitation reaction. (B) 1 mol% doped positive electrode active material powder (NCM65-B1) was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1.
비교예 1(NCM65)Comparative Example 1 (NCM65)
파우더형태로 제조된 Ni0.65Co0.15Mn0.2(OH)2 금속 복합 수산화물과 수산화리튬(LiOH)을 1:1.01의 몰비로 혼합하여 예비 소성하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(NCM65)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 1에 나타내었다. Ni 0.65 Co 0.15 Mn 0.2 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 1:1.01 and pre-calcined in the same manner as in Example 1, except that boron (B) was An undoped cathode active material powder (NCM65) was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1.
실시예 3(NCM90-B0.4)Example 3 (NCM90-B0.4)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 90:5:5가 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), and manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical) were mixed with nickel (Ni), cobalt (Co ) and manganese (Mn) were mixed in an amount such that the molar ratio was 90:5:5 to prepare a metal solution having a concentration of 2M. The prepared metal solution was 0.561 liters/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samchun Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. was continuously added for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 (OH) 2 metal composite hydroxide.
제조된 Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50μm가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.996:0.002:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 750℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 0.4mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCM90-B0.4)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 1에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 (OH) 2 metal complex hydroxide was filtered, washed several times using distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder form. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 (OH) 2 metal composite hydroxide, boron oxide (B 2 O) prepared in powder form 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) in a molar ratio of 0.996:0.002:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, and maintained at 450°C for 5 hours to perform preliminary firing, followed by 10 at 750°C The time calcination was performed to prepare a cathode active material powder (NCM90-B0.4) doped with boron (B) in 0.4 mol%. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1 that the B doping amount of the doping element, in the process of preparing the metal complex hydroxide, Molar ratios and firing temperatures of metals (nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn)) are shown.
실시예 4(NCM90-B1)Example 4 (NCM90-B1)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 3과 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCM90-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 1에 나타내었다. Example 3 except that Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.99:0.005:1.01 A cathode active material powder (NCM90-B1) doped with boron (B) in 1 mol% was prepared in the same manner as described above. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1.
실시예 5(NCM90-B1)Example 5 (NCM90-B1)
금속 복합 산화물을 제조하는 과정에서 반응기 내로 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.113리터/시간으로 공침반응기 내에 연속적으로 첨가하여 공침반응을 수행하는 것과, 파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 3과 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCM90-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 1에 나타내었다.In the process of preparing the metal complex oxide, a 16M concentration of ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was continuously added into the coprecipitation reactor at 0.113 liters/hour to perform the coprecipitation reaction, and Ni 0.9 Co prepared in powder form Boron (B) in the same manner as in Example 3 except that 0.05 Mn 0.05 (OH) 2 metal composite hydroxide, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.99:0.005:1.01. This 1 mol% doped positive electrode active material powder (NCM90-B1) was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1.
실시예 6(NCM90-B1)Example 6 (NCM90-B1)
금속 복합 산화물을 제조하는 과정에서 반응기 내로 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.146리터/시간으로 공침반응기 내에 연속적으로 첨가하여 공침반응을 수행하는 것과, 파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 3과 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCM90-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 1에 나타내었다.In the process of preparing the metal complex oxide, a 16M concentration of ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was continuously added into the coprecipitation reactor at 0.146 liters/hour to perform the coprecipitation reaction, and Ni 0.9 Co prepared in powder form Boron (B) in the same manner as in Example 3 except that 0.05 Mn 0.05 (OH) 2 metal composite hydroxide, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.99:0.005:1.01. This 1 mol% doped positive electrode active material powder (NCM90-B1) was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1.
실시예 7(NCM90-B1)Example 7 (NCM90-B1)
금속 복합 산화물을 제조하는 과정에서 반응기 내로 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.267리터/시간으로 공침반응기 내에 연속적으로 첨가하여 공침반응을 수행하는 것과, 파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 3과 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCM90-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 1에 나타내었다.In the process of preparing the metal complex oxide, a 16M concentration of ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was continuously added into the coprecipitation reactor at 0.267 liters/hour to perform the coprecipitation reaction, and Ni 0.9 Co prepared in powder form Boron (B) in the same manner as in Example 3 except that 0.05 Mn 0.05 (OH) 2 metal composite hydroxide, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.99:0.005:1.01. This 1 mol% doped positive electrode active material powder (NCM90-B1) was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1.
비교예 2(NCM90)Comparative Example 2 (NCM90)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물과 수산화리튬(LiOH)을 1:1.01의 몰비로 혼합하여 예비 소성하는 것 이외에는 실시예 3과 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(NCM90)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 1에 나타내었다.In the same manner as in Example 3, boron (B) was prepared in the same manner as in Example 3, except that Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 1:1.01 and pre-calcined. An undoped cathode active material powder (NCM90) was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1.
실시예 8(NCM92-B1)Example 8 (NCM92-B1)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 92:4:4가 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.92Co0.04Mn0.04(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), and manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical) were mixed with nickel (Ni), cobalt (Co ) and manganese (Mn) were mixed in an amount such that the molar ratio was 92:4:4 to prepare a metal solution having a concentration of 2M. The prepared metal solution was 0.561 liters/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samchun Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. was continuously added for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.92 Co 0.04 Mn 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide.
제조된 Ni0.92Co0.04Mn0.04(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50 μm 가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni0.92Co0.04Mn0.04(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 730℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCM92-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 1에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.92 Co 0.04 Mn 0.04 (OH) 2 metal complex hydroxide was filtered, washed several times using distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni 0.92 Co 0.04 Mn 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide, boron oxide (B 2 ) prepared in powder form O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed at a molar ratio of 0.99:0.005:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, and maintained at 450°C for 5 hours to perform preliminary firing, followed by pre-calcination at 730°C By calcining for 10 hours, a cathode active material powder (NCM92-B1) doped with boron (B) in 1 mol% was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1 that the B doping amount of the doping element, in the process of preparing the metal complex hydroxide, Molar ratios and firing temperatures of metals (nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn)) are shown.
비교예 3(NCM92)Comparative Example 3 (NCM92)
파우더형태로 제조된 Ni0.0.92Co0.04Mn0.04(OH)2 금속 복합 수산화물과 수산화리튬(LiOH)을 1:1.01의 몰비(니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 총몰수: 리튬(Li)의 몰수)로 혼합하여 예비 소성하는 것 이외에는 실시예 8과 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(NCM92)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 1에 나타내었다. Ni 0.0.92 Co 0.04 Mn 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide and lithium hydroxide (LiOH) prepared in powder form in a molar ratio of 1:1.01 (the total number of moles of nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn)) : A positive electrode active material powder (NCM92) not doped with boron (B) was prepared in the same manner as in Example 8, except that the mixture was mixed with lithium (Li) and pre-fired. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 1.
(2) LNO계 양극활물질의 제조(2) Preparation of LNO-based positive electrode active material
실시예 9(LNO-B1)Example 9 (LNO-B1)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학)을 증류수에 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.067리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . A metal solution having a concentration of 2M was prepared by mixing an aqueous nickel sulfate solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical) with distilled water. The prepared metal solution was 0.561 liters/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.067 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. was continuously added for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare a Ni(OH) 2 metal composite hydroxide.
제조된 Ni(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50 μm가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 650℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(LNO-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 2에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni(OH) 2 metal composite hydroxide was filtered, washed several times with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni(OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and Lithium hydroxide (LiOH) was mixed at a molar ratio of 0.99:0.005:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, and maintained at 450°C for 5 hours to perform preliminary firing, followed by firing at 650°C for 10 hours, A cathode active material powder (LNO-B1) doped with boron (B) in 1 mol% was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 2 that the B doping amount of the doping element, in the process of preparing the metal complex hydroxide, Molar ratio of metal (nickel (Ni)) and firing temperature are shown.
실시예 10(LNO-B1)Example 10 (LNO-B1)
금속 복합 산화물을 제조하는 과정에서 반응기 내로 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.13리터/시간으로 공침반응기 내에 연속적으로 첨가하여 공침반응을 수행하는 것 이외에는 실시예 9와 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(LNO-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 2에 나타내었다. Boron in the same manner as in Example 9 except that 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was continuously added into the co-precipitation reactor at 0.13 liters/hour in the process of preparing the metal complex oxide to perform the co-precipitation reaction. (B) 1 mol% doped positive electrode active material powder (LNO-B1) was prepared. The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 2.
실시예 11(LNO-B1)Example 11 (LNO-B1)
금속 복합 산화물을 제조하는 과정에서 반응기 내로 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.2리터/시간으로 공침반응기 내에 연속적으로 첨가하여 공침반응을 수행하는 것 이외에는 실시예 9와 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(LNO-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 2에 나타내었다. Boron in the same manner as in Example 9, except that 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was continuously added into the co-precipitation reactor at 0.2 liters/hour in the process of preparing the metal complex oxide to perform the co-precipitation reaction. (B) 1 mol% doped positive electrode active material powder (LNO-B1) was prepared. The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 2.
실시예 12(LNO-B1)Example 12 (LNO-B1)
금속 복합 산화물을 제조하는 과정에서 반응기 내로 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.26리터/시간으로 공침반응기 내에 연속적으로 첨가하여 공침반응을 수행하는 것 이외에는 실시예 9와 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(LNO-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 2에 나타내었다. Boron in the same manner as in Example 9, except that 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was continuously added into the coprecipitation reactor at 0.26 liters/hour in the process of preparing the metal complex oxide to perform the coprecipitation reaction. (B) 1 mol% doped positive electrode active material powder (LNO-B1) was prepared. The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 2.
비교예 4(LNO)Comparative Example 4 (LNO)
금속 복합 산화물을 제조하는 과정에서 반응기 내로 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.067리터/시간으로 공침반응기 내에 연속적으로 첨가하여 공침반응을 수행하는 것과, 파우더형태로 제조된 Ni(OH)2 금속 복합 수산화물와 수산화리튬(LiOH)을 1: 1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 9와 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(LNO)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 2에 나타내었다.In the process of preparing the metal complex oxide, a 16M concentration of ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was continuously added into the coprecipitation reactor at 0.067 liters/hour to perform the coprecipitation reaction, and Ni(OH) prepared in powder form ) 2 A cathode active material powder (LNO) not doped with boron (B) was prepared in the same manner as in Example 9 except for mixing the 2 metal composite hydroxide and lithium hydroxide (LiOH) in a molar ratio of 1:1.01. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES, and it is shown in Table 2.
(3) NCO계 양극활물질의 제조(3) Preparation of NCO-based positive electrode active material
실시예 13(NCO90-B0.05)Example 13 (NCO90-B0.05)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 몰비가 9:1이 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.11리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical) and cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical) are mixed in an amount such that the molar ratio of nickel (Ni) and cobalt (Co) is 9:1. A metal solution having a concentration of 2M was prepared. The prepared metal solution was 0.561 liters/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.11 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. It was continuously introduced into the reactor for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide.
제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50 μm가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.9995:0.00025:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 730℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 0.05mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B0.05)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 3에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni) 및 코발트(Co))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide was filtered, washed several times with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ) ), and lithium hydroxide (LiOH) in a molar ratio of 0.9995:0.00025:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, maintained at 450°C for 5 hours, followed by pre-calcination at 730°C for 10 hours By calcination, a cathode active material powder (NCO90-B0.05) doped with boron (B) at 0.05 mol% was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and the B doping amount of the doping element, in the process of preparing the metal composite hydroxide, Molar ratios and firing temperatures of metals (nickel (Ni) and cobalt (Co)) are shown.
실시예 14(NCO90-B0.1)Example 14 (NCO90-B0.1)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.999:0.0005:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 0.1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B0.1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.999:0.0005:1.01, except for mixing the same as in Example 13. A cathode active material powder (NCO90-B0.1) doped with boron (B) in 0.1 mol% was prepared by the method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
실시예 15(NCO90-B0.5)Example 15 (NCO90-B0.5)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.995:0.0025:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 0.5mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B0.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.995:0.0025:1.01, except for mixing the same as in Example 13. A cathode active material powder (NCO90-B0.5) doped with boron (B) in 0.5 mol% was prepared by this method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
실시예 16(NCO90-B1)Example 16 (NCO90-B1)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.99:0.005:1.01, except for mixing the same as in Example 13. A cathode active material powder (NCO90-B1) doped with boron (B) in 1 mol% was prepared by the method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
실시예 17(NCO90-B1.5)Example 17 (NCO90-B1.5)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.985:0.0075:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 1.5mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B1.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.985:0.0075:1.01, except for mixing the same as in Example 13. A positive electrode active material powder (NCO90-B1.5) doped with boron (B) in 1.5 mol% was prepared by the method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
실시예 18(NCO90-B2)Example 18 (NCO90-B2)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.98:0.01:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 2mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B2)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.98:0.01:1.01, except for mixing the same as in Example 13. A cathode active material powder (NCO90-B2) doped with 2 mol% boron (B) was prepared by the method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
실시예 19(NCO90-B3)Example 19 (NCO90-B3)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.97:0.015:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 3mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B3)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.97:0.015:1.01, except for mixing the same as in Example 13. A cathode active material powder (NCO90-B3) doped with boron (B) in 3 mol% was prepared by the method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
실시예 20(NCO90-B4)Example 20 (NCO90-B4)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.96:0.02:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 4mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B4)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.96:0.02:1.01, except for mixing the same as in Example 13. A cathode active material powder (NCO90-B4) doped with boron (B) in 4 mol% was prepared by this method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
실시예 21(NCO90-B5)Example 21 (NCO90-B5)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.95:0.025:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 5mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.95:0.025:1.01, except for mixing the same as in Example 13. A cathode active material powder (NCO90-B5) doped with boron (B) in 5 mol% was prepared by this method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
실시예 22(NCO90-B0.5,Mo0.5)Example 22 (NCO90-B0.5,Mo0.5)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 삼산화몰리브덴(MoO3), 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:0.0025:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 몰리브덴(Mo) 및 보론(B)이 각각 0.5mol%씩 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B0.5,Mo0.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, molybdenum trioxide (MoO 3 ), boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) in a molar ratio of 0.99:0.005:0.0025:1.01 A cathode active material powder (NCO90-B0.5, Mo0.5) doped with molybdenum (Mo) and boron (B) by 0.5 mol% each was prepared in the same manner as in Example 13 except for mixing. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
비교예 5(NCO90)Comparative Example 5 (NCO90)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물 및 수산화리튬(LiOH)을 1:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(NCO90)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. A cathode active material not doped with boron (B) in the same manner as in Example 13, except that Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 1:1.01. A powder (NCO90) was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
비교예 6(NCO90-B7)Comparative Example 6 (NCO90-B7)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.93:0.035:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 13과 동일한 방법으로 보론(B)이 7mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCO90-B7)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 3에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.93:0.035:1.01, except for mixing the same as in Example 13. A cathode active material powder (NCO90-B7) doped with boron (B) in 7 mol% was prepared by the method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 3.
(4) NCA계 양극활물질의 제조(4) Preparation of NCA-based positive electrode active material
실시예 23(NCA88.5-B0.5)Example 23 (NCA88.5-B0.5)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 몰비가 9:1이 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical) and cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical) are mixed in an amount such that the molar ratio of nickel (Ni) and cobalt (Co) is 9:1. A metal solution having a concentration of 2M was prepared. The prepared metal solution was 0.561 liter/hour, the ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) of 16M concentration was 0.08 liters/hour, and the sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) of 4M concentration was 0.60 liters/hour, respectively. It was continuously introduced into the reactor for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide.
제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50 μm 가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 수산화알루미늄(Al(OH)3), 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.98:0.015:0.0025:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 730℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 0.5mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCA88.5-B0.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 4에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni), 코발트(Co))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide was filtered, washed several times with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide, aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ), boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.98:0.015:0.0025:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, and maintained at 450°C for 5 hours. Preliminary firing was performed, followed by firing at 730° C. for 10 hours to prepare a cathode active material powder (NCA88.5-B0.5) doped with boron (B) in 0.5 mol%. In the prepared cathode active material powder, the content of each element was checked using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 4 that the B doping amount of the doping element, in the process of preparing the metal complex hydroxide, Molar ratios and firing temperatures of metals (nickel (Ni) and cobalt (Co)) are shown.
실시예 24(NCA88.5-B1)Example 24 (NCA88.5-B1)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 수산화알루미늄(Al(OH)3), 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.975:0.015:0.005:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 23과 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCA88.5-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 4에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ), boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) 0.975:0.015:0.005:1.01 A cathode active material powder (NCA88.5-B1) doped with boron (B) 1 mol% was prepared in the same manner as in Example 23 except for mixing in a molar ratio of . The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 4.
비교예 6(NCA88.5)Comparative Example 6 (NCA88.5)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 수산화알루미늄(Al(OH)3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.985:0.015:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 23과 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(NCA88.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 4에 나타내었다. Ni 0.9 Co 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.985:0.015:1.01, except that Example 23 and A cathode active material powder (NCA88.5) not doped with boron (B) was prepared in the same manner. The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 4.
실시예 25(NCA80-B1)Example 25 (NCA80-B1)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 몰비가 83:17이 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.83Co0.17(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical) and cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical) are mixed in an amount such that the molar ratio of nickel (Ni) and cobalt (Co) is 83:17. A metal solution having a concentration of 2M was prepared. The prepared metal solution was 0.561 liter/hour, the ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) of 16M concentration was 0.08 liters/hour, and the sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) of 4M concentration was 0.60 liters/hour, respectively. It was continuously introduced into the reactor for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.83 Co 0.17 (OH) 2 metal composite hydroxide.
제조된 Ni0.83Co0.17(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50 μm 가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni0.83Co0.17(OH)2 금속 복합 수산화물, 수산화알루미늄(Al(OH)3), 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.95:0.04:0.005:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 750℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NCA80-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 4에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni) 및 코발트(Co))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.83 Co 0.17 (OH) 2 metal complex hydroxide was filtered, washed several times with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni 0.83 Co 0.17 (OH) 2 metal composite hydroxide, aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ), boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.95:0.04:0.005:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, and maintained at 450°C for 5 hours. Preliminary calcination was performed, followed by calcination at 750° C. for 10 hours to prepare a cathode active material powder (NCA80-B1) doped with boron (B) 1 mol%. In the prepared cathode active material powder, the content of each element was checked using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 4 that the B doping amount of the doping element, in the process of preparing the metal complex hydroxide, Molar ratios and firing temperatures of metals (nickel (Ni) and cobalt (Co)) are shown.
비교예 8(NCA80)Comparative Example 8 (NCA80)
파우더형태로 제조된 Ni0.83Co0.17(OH)2 금속 복합 수산화물, 수산화알루미늄(Al(OH)3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.96:0.04:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 25와 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(NCA88.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 4에 나타내었다. Ni 0.83 Co 0.17 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) in a molar ratio of 0.96:0.04:1.01 were mixed in Example 25 and A cathode active material powder (NCA88.5) not doped with boron (B) was prepared in the same manner. The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 4.
(5) NMO계 양극활물질의 제조(5) Preparation of NMO-based positive electrode active material
실시예 26(NMO90-B0.5)Example 26 (NMO90-B0.5)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni) 및 망간(Mn)의 몰비가 9:1이 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16wt% 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.9Mn0.1(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical) and manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical) are mixed in an amount such that the molar ratio of nickel (Ni) and manganese (Mn) is 9:1. A metal solution having a concentration of 2M was prepared. The prepared metal solution was 0.561 liter/hour, the 16wt% concentration of ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and the 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. It was continuously introduced into the reactor for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.9 Mn 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide.
제조된 Ni0.9Mn0.1(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50 μm 가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni0.9Mn0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.995:0.0025:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 770℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 0.5mol% 도핑된 양극활물질 분말(NMO90-B0.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 5에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni), 및 망간(Mn))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.9 Mn 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide was filtered, washed several times with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder form. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni 0.9 Mn 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ) ), and lithium hydroxide (LiOH) in a molar ratio of 0.995:0.0025:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, maintained at 450°C for 5 hours, followed by pre-calcination at 770°C for 10 hours By calcination, a cathode active material powder (NMO90-B0.5) doped with boron (B) in 0.5 mol% was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 5. Molar ratios and firing temperatures of metals (nickel (Ni) and manganese (Mn)) are shown.
실시예 27(NMO90-B1)Example 27 (NMO90-B1)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Mn0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 26과 동일한 방법으로 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(NMO90-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 5에 나타내었다. Ni 0.9 Mn 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.99:0.005:1.01, except for mixing the same as in Example 26. A cathode active material powder (NMO90-B1) doped with boron (B) in 1 mol% was prepared by this method. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 5.
비교예 9(NMO90)Comparative Example 9 (NMO90)
파우더형태로 제조된 Ni0.9Mn0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 및 수산화리튬(LiOH)을 1:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 26과 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(NMO90)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 5에 나타내었다. An anode not doped with boron (B) in the same manner as in Example 26, except that Ni 0.9 Mn 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 1:1.01. An active material powder (NMO90) was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 5.
(6) 농도구배형 양극활물질의 제조(6) Preparation of concentration gradient type positive electrode active material
실시예 28(gradient NCM89-B1)Example 28 (gradient NCM89-B1)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 100:0:0가 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 제1 금속용액과 80:16:04가 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 제2 금속용액을 제조하였다. 제조된 제1 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 14시간 동안 연속적으로 투입하여 제1 농도 유지부를 형성하였다. 이후, 제2 금속용액을 제1 금속용액 수조에 0.561 리터/시간으로 투입하여 반응기에 투입되는 금속용액의 농도를 일정하게 변화시키면서 10시간 동안 연속적으로 투입하여 제1 농도유지부 외곽에 제2 농도구배부를 형성하였다. 이후, 제2 금속용액의 제1 금속용액으로의 투입을 중단한 뒤, 농도가 변화된 제1 금속용액 만을 반응기에 0.561 리터/시간으로 투입하여 제2 농도구배부 외곽에 제3 농도 유지부를 형성하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 평균 조성이 Ni0.90Co0.08Mn0.02(OH)2 인 농도구배형 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), and manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical) were mixed with nickel (Ni), cobalt (Co ) and manganese (Mn) are mixed in an amount such that the molar ratio is 100:0:0, and the first metal solution having a 2M concentration is mixed in an amount such that the molar ratio is 80:16:04 to prepare a second metal solution having a 2M concentration did The prepared first metal solution was 0.561 liters/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) was 0.60 liters/hour Each reactor was continuously introduced for 14 hours to form a first concentration maintaining part. Thereafter, the second metal solution was added to the first metal solution tank at 0.561 liters/hour, continuously changing the concentration of the metal solution fed into the reactor for 10 hours while constantly changing the second concentration outside the first concentration maintaining unit. A gradient was formed. Thereafter, after stopping the input of the second metal solution into the first metal solution, only the first metal solution with a changed concentration was introduced into the reactor at 0.561 liters/hour to form a third concentration maintaining part outside the second concentration gradient part . The coprecipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare a concentration gradient-type metal composite hydroxide having an average composition of Ni 0.90 Co 0.08 Mn 0.02 (OH) 2 .
제조된 Ni0.90Co0.08Mn0.02(OH)2 농도구배형 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50 μm 가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni0.90Co0.08Mn0.02(OH)2 금속 복합 수산화물, 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 820℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(gradient NCM89-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 6에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.90 Co 0.08 Mn 0.02 (OH) 2 concentration gradient type metal complex hydroxide was filtered, washed several times with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni 0.90 Co 0.08 Mn 0.02 (OH) 2 metal composite hydroxide, boron oxide (B 2 ) prepared in powder form O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.99:0.005:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, and maintained at 450°C for 5 hours to perform preliminary firing, followed by pre-calcination at 820°C After calcination for 10 hours, a cathode active material powder (gradient NCM89-B1) doped with 1 mol% boron (B) was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and the B doping amount of the doping element, the amount of B doping of the doping element, in the process of preparing the metal composite hydroxide, Molar ratios and firing temperatures of metals (nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn)) are shown.
비교예 10(NCM90)Comparative Example 10 (NCM90)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 90:8:2가 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M% 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.90Co0.08Mn0.02(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다.After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), and manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical) were mixed with nickel (Ni), cobalt (Co ) and manganese (Mn) were mixed in an amount such that the molar ratio was 90:8:2 to prepare a metal solution having a concentration of 2M. The prepared metal solution was 0.561 liters/hour, 16M% ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samchun Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. It was continuously introduced into the reactor for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.90 Co 0.08 Mn 0.02 (OH) 2 metal composite hydroxide.
파우더형태로 제조된 Ni0.90Co0.08Mn0.02(OH)2 금속 복합 수산화물, 및 수산화리튬(LiOH)을 1:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 28과 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(NCM90)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 6에 나타내었다. In the same manner as in Example 28, except that Ni 0.90 Co 0.08 Mn 0.02 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 1:1.01, boron (B) was not doped. A positive electrode active material powder (NCM90) was prepared. The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 6.
실시예 29(gradient NCA88.5-B1)Example 29 (gradient NCA88.5-B1)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co)의 몰비가 100:0가 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 제 1 금속용액과 80:20가 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 제 2 금속용액을 제조하였다. 제조된 제 1 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 14시간 동안 연속적으로 투입하여 제1 농도 유지부를 형성하였다. 이후, 제2 금속용액을 제1 금속용액 수조에 0.561 리터/시간으로 투입하여 반응기에 투입되는 금속용액의 농도를 일정하게 변화시키면서 10시간 동안 연속적으로 투입하여 제1 농도유지부 외곽에 제2 농도구배부를 형성하였다. 이후, 제2 금속용액의 제1 금속용액으로의 투입을 중단한 뒤, 농도가 변화된 제1 금속용액 만을 반응기에 0.561 리터/시간으로 투입하여 제2 농도구배부 외곽에 제3 농도유지부를 형성하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 평균 조성이 Ni0.90Co0.10(OH)2 인 농도구배형 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical) and cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical) are mixed in an amount such that the molar ratio of nickel (Ni) and cobalt (Co) is 100:0. A second metal solution having a concentration of 2M was prepared by mixing the first metal solution having a concentration of 2M and an amount to be 80:20. The prepared first metal solution was 0.561 liters/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) was 0.60 liters/hour Each reactor was continuously introduced for 14 hours to form a first concentration maintaining part. Thereafter, the second metal solution was added to the first metal solution tank at 0.561 liters/hour, continuously changing the concentration of the metal solution fed into the reactor for 10 hours while constantly changing the second concentration outside the first concentration maintaining unit. A gradient was formed. Thereafter, after stopping the input of the second metal solution into the first metal solution, only the first metal solution with a changed concentration was introduced into the reactor at 0.561 liters/hour to form a third concentration maintenance part outside the second concentration gradient part . The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare a concentration gradient-type metal composite hydroxide having an average composition of Ni 0.90 Co 0.10 (OH) 2 .
제조된 Ni0.90Co0.1(OH)2 농도구배형 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 산화보론(B2O3)를 입자크기가 평균 50μm 가 되도록 볼밀을 이용하여 분쇄하여 준비한 후, 파우더형태로 제조된 Ni0.90Co0.1(OH)2 금속 복합 수산화물, 수산화알루미늄(Al(OH)3), 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.975:0.015:0.005:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 700℃에서 10시간 소성시켜, 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질 분말(gradient NCA88.5-B1)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 6에 도핑원소의 B 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni) 및 코발트(Co))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.90 Co 0.1 (OH) 2 concentration gradient-type metal complex hydroxide was filtered, washed several times using distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. After preparing boron oxide (B 2 O 3 ) by pulverizing it using a ball mill to have an average particle size of 50 μm, Ni 0.90 Co 0.1 (OH) 2 Metal composite hydroxide, aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ), boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.975:0.015:0.005:1.01, heated at a temperature increase rate of 2°C/min, and maintained at 450°C for 5 hours to prepare The calcination was performed, followed by calcination at 700° C. for 10 hours to prepare a cathode active material powder (gradient NCA88.5-B1) doped with boron (B) by 1 mol%. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and the B doping amount of the doping element, the amount of B doping of the doping element, in the process of preparing the metal composite hydroxide, Molar ratios and firing temperatures of metals (nickel (Ni) and cobalt (Co)) are shown.
비교예 11(NCA88.5)Comparative Example 11 (NCA88.5)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 및 코발트(Co)의 몰비가 90:10가 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M% 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.90Co0.10(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다.After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical) and cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical) are mixed in an amount such that the molar ratio of nickel (Ni) and cobalt (Co) is 90:10 Thus, a metal solution having a concentration of 2M was prepared. The prepared metal solution was 0.561 liters/hour, 16M% ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samchun Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. It was continuously introduced into the reactor for 24 hours. The coprecipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.90 Co 0.10 (OH) 2 metal composite hydroxide.
파우더형태로 제조된 Ni0.90Co0.1(OH)2 농도 구배형금속 복합 수산화물, 수산화알루미늄(Al(OH3)), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.985:0.015:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 29와 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(NCA88.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 6에 나타내었다. Ni 0.90 Co 0.1 (OH) 2 concentration gradient metal composite hydroxide prepared in powder form, aluminum hydroxide (Al(OH 3 )), and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 0.985:0.015:1.01 except for mixing A cathode active material powder (NCA88.5) not doped with boron (B) was prepared in the same manner as in Example 29. The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 6.
비교예 12(gradient NCA88.5)Comparative Example 12 (gradient NCA88.5)
파우더형태로 제조된 Ni0.90Co0.1(OH)2 농도 구배형 금속 복합 수산화물, 수산화알루미늄(Al(OH3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.985:0.015:1.01의 몰비로 혼합하는 것과, 소성온도를 730℃로 하는 것 이외에는 실시예 29와 동일한 방법으로 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질 분말(gradient NCM89)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 6에 나타내었다. Ni 0.90 Co 0.1 (OH) 2 concentration gradient type prepared in powder form Metal complex hydroxide, aluminum hydroxide (Al (OH 3), and lithium hydroxide (LiOH) 0.985: boron in the same manner as in Example 29 as mixture in a molar ratio of 1.01, to the sintering temperature to 730 ℃ other than (0.015 B) was prepared undoped cathode active material powder (gradient NCM89) The content of each element was checked for the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 6.
(7) 코도핑(co-doping)형 양극활물질의 제조(7) Preparation of co-doping type positive electrode active material
실시예 30(NCO96-B0.5,Ta0.5)Example 30 (NCO96-B0.5, Ta0.5)
공침 반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 몰비가 96:4이 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도의 금속용액을 제조하였다. 제조된 2M 농도의 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.11리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.96Co0.04(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the coprecipitation reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. and stirred at 350 rpm. . Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical) and cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical) are mixed in an amount such that the molar ratio of nickel (Ni) and cobalt (Co) is 96:4. A metal solution of 2M concentration was prepared. The prepared 2M metal solution was 0.561 liters/hour, the 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.11 liters/hour, and the 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) was 0.60 liters/hour. Each time was continuously added to the reactor for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.96 Co 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide.
제조된 Ni0.96Co0.04(OH)2 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃의 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 파우더형태로 제조된 Ni0.96Co0.04(OH)2 금속 복합 수산화물, 오산화 탄탈럼(Ta2O5), 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.0025:0.0025:1.01의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 730℃에서 10시간 소성시켜, 탄탈럼(Ta) 및 보론(B)이 각각 0.5mol%씩 도핑된 양극활물질 분말(NCO96-B0.5,Ta0.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고, 이를 표 7에 도핑원소의 도핑량, 금속 복합 수산화물을 제조하는 과정에서, 암모니아에 대한 금속 (니켈(Ni) 및 코발트(Co))의 몰비 및 소성온도를 나타내었다.The prepared Ni 0.96 Co 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide was filtered, washed several times using distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. Ni 0.96 Co 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) 0.99:0.0025:0.0025:1.01 After mixing at a molar ratio of A cathode active material powder (NCO96-B0.5, Ta0.5) doped by 0.5 mol%, respectively, was prepared. The content of each element was checked in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and the doping amount of the doping element, the doping amount of the doping element, and the metal to ammonia in the process of preparing the metal complex hydroxide Molar ratios of (nickel (Ni) and cobalt (Co)) and sintering temperature are shown.
실시예 31(NCO96-B0.5,Mo0.5)Example 31 (NCO96-B0.5,Mo0.5)
파우더형태로 제조된 Ni0.96Co0.04(OH)2 금속 복합 수산화물, 삼산화 몰리브데넘(MoO3), 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.005:0.0025:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 30과 동일한 방법으로 몰리브덴(Mo) 및 보론(B)이 각각 0.5mol%씩 도핑된 양극활물질 분말(NCO96-B0.5,Mo0.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 7에 나타내었다. Ni 0.96 Co 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, molybdenum trioxide (MoO3), boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) in a molar ratio of 0.99:0.005:0.0025:1.01 A cathode active material powder (NCO96-B0.5, Mo0.5) doped with molybdenum (Mo) and boron (B) by 0.5 mol%, respectively, was prepared in the same manner as in Example 30 except for mixing. The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 7.
실시예 32(NCO96-B0.5,Nb0.5)Example 32 (NCO96-B0.5,Nb0.5)
파우더형태로 제조된 Ni0.96Co0.04(OH)2 금속 복합 수산화물, 오산화 니오븀(Nb2O5), 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.0025:0.0025:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 30과 동일한 방법으로 니오븀(Nb) 및 보론(B)이 각각 0.5mol%씩 도핑된 양극활물질 분말(NCO96-B0.5,Nb0.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 7에 나타내었다. Ni 0.96 Co 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) in 0.99:0.0025:0.0025:1.01 A cathode active material powder (NCO96-B0.5, Nb0.5) doped with niobium (Nb) and boron (B) by 0.5 mol% each was prepared in the same manner as in Example 30 except for mixing in a molar ratio. The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 7.
실시예 33(NCO96-B0.5,Sb0.5)Example 33 (NCO96-B0.5, Sb0.5)
파우더형태로 제조된 Ni0.96Co0.04(OH)2 금속 복합 수산화물, 삼산화 안티모니(Sb2O3), 산화보론(B2O3), 및 수산화리튬(LiOH)을 0.99:0.0025:0.0025:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 30과 동일한 방법으로 안티모니(Sb) 및 보론(B)이 각각 0.5mol%씩 도핑된 양극활물질 분말(NCO96-B0.5,Ta0.5)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 7에 나타내었다. Ni 0.96 Co 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, antimony trioxide (Sb 2 O 3 ), boron oxide (B 2 O 3 ), and lithium hydroxide (LiOH) 0.99:0.0025:0.0025:1.01 A cathode active material powder (NCO96-B0.5, Ta0.5) doped with antimony (Sb) and boron (B) by 0.5 mol% each was prepared in the same manner as in Example 30 except for mixing in a molar ratio of . The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 7.
비교예 13(NCO96)Comparative Example 13 (NCO96)
파우더형태로 제조된 Ni0.96Co0.04(OH)2 금속 복합 수산화물, 및 수산화리튬(LiOH)을 1:1.01의 몰비로 혼합하는 것 이외에는 실시예 31과 동일한 방법으로 양극활물질 분말(NCO96)을 제조하였다. 제조된 양극활물질 분말을 ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 각 원소의 함량을 확인하고 이를 표 7에 나타내었다.A cathode active material powder (NCO96) was prepared in the same manner as in Example 31, except that Ni 0.96 Co 0.04 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 1:1.01. . The content of each element was confirmed in the prepared cathode active material powder using ICP-OES (OPTIMA 8300, Perkin Elmer), and it is shown in Table 7.
2. 실시예 및 비교예를 이용한 하프셀 및 풀셀 제조2. Preparation of half-cell and full-cell using Examples and Comparative Examples
실시예 1 내지 실시예 33과, 비교예 1 내지 비교예 13 각각을 이용하여 하프셀과 풀셀로 제조하였다.Half-cells and full-cells were prepared using Examples 1 to 33 and Comparative Examples 1 to 13, respectively.
하프셀과 풀셀을 제조하기 위하여 실시예 1 내지 실시예 33과, 비교예 1 내지 비교예 13에 따라 제조된 파우더 형태의 양극활물질 (1g 기준), 폴리(비닐리덴 플로라이드)(poly(vinylidene fluoride)) 및 카본블랙을 각각 90:4.5:5.5의 중량비로 N-메틸피롤리딘(N-methyl pyrrolidone) 0.4 g 중에 첨가한 후, 균일하게 혼합하여 양극 슬러리(slurry)로 제조하였다. 제조된 양극 슬러리를 알루미늄 호일에 코팅하고, 롤 프레스 후 진공건조 하여 양극을 제조하였다. In order to prepare a half cell and a full cell, the positive electrode active material in powder form prepared according to Examples 1 to 33 and Comparative Examples 1 to 13 (based on 1 g), poly(vinylidene fluoride) (poly(vinylidene fluoride) )) and carbon black were added in 0.4 g of N -methyl pyrrolidone in a weight ratio of 90:4.5:5.5, respectively, and then uniformly mixed to prepare a positive electrode slurry. The prepared positive electrode slurry was coated on aluminum foil and vacuum dried after roll pressing to prepare a positive electrode.
제조된 양극활물질을 이용하여 하프셀을 제조하는 경우에는 양극활물질의 로딩레벨(loading level)이 5mg/㎠되도록 알루미늄 호일에 슬러리로 제조된 양극을 코팅하여 양극을 제조(양극활물질이 코팅된 알루미늄 호일을 1㎠의 정사각형으로 샘플링하였을 때 양극 구성 중 양극활물질 만의 무게가 5mg인 것을 의미함)하고, 전해액은 에틸렌 카르보네이트(ethylene carbonate), 에틸 메틸 카르보네이트(ethyl methyl carbonate)(EC:EMC = 3:7 v/v)을 용매로 하여 첨가제로 비닐렌 카르보네이트(vinylene carbonate, VC) 2wt%와, 리튬염 1.2 mol/L LiPF6을 균일하게 용해시켜 사용하였다. 하프셀은 Lio를 음극으로 이용한 2032-코인형 하프셀(이하, 코인셀)로 제조하였다. In the case of manufacturing a half cell using the prepared positive electrode active material, the positive electrode is prepared by coating the prepared positive electrode as a slurry on aluminum foil so that the loading level of the positive electrode active material is 5 mg/cm2 (a positive electrode active material coated aluminum foil) (meaning that the weight of only the positive active material in the positive electrode composition is 5 mg) when sampled in a square of 1 cm2, and the electrolyte is ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate (EC:EMC) = 3:7 v/v) as a solvent, and as an additive, 2 wt% of vinylene carbonate (VC) and 1.2 mol/L LiPF 6 of lithium salt were uniformly dissolved and used. The half-cell was prepared as a 2032-coin-type half-cell (hereinafter, coin cell) using Li o as an anode.
제조된 양극활물질을 이용하여 풀셀을 제조하는 경우에는, 양극활물질의 로딩레벨이 8.5mg/㎠되도록 알루미늄 호일에 슬러리로 제조된 양극을 코팅하여 양극을 제조하고, 슬러리로 제조된 그라파이트를 구리 호일에 로딩레벨이 6.5mg/㎠되도록 코팅하여, 롤 프레스 후 진공건조 하여 음극을 제조하였다. 전해액은 에틸렌 카르보네이트(ethylene carbonate), 에틸 메틸 카르보네이트(ethyl methyl carbonate)(EC:EMC = 3:7 v/v)을 용매로 하여 첨가제로 비닐렌 카르보네이트(vinylene carbonate, VC) 2-wt%와, 리튬염 1.2 mol/L LiPF6을 균일하게 용해시켜 사용하였다. 파우치 형태의 전지 케이스 내에, 양극, 세퍼레이터 (Celgard 사, 2320모델) 및 음극을 적층하고, 제조된 전해액과 함께 밀봉하여 파우치형 풀셀을 제조하였다. In the case of manufacturing a full cell using the prepared positive electrode active material, the positive electrode prepared as a slurry is coated on aluminum foil so that the loading level of the positive electrode active material is 8.5 mg/cm2 to prepare the positive electrode, and the graphite prepared as the slurry is applied to the copper foil. The coating was made so that the loading level was 6.5 mg/
3. 실시예, 비교예 및 제조예의 평가3. Evaluation of Examples, Comparative Examples and Preparation Examples
(1) 하프셀을 이용한 용량 및 사이클 특성확인(1) Confirmation of capacity and cycle characteristics using half cell
제조된 하프셀은 30℃에서 0.5C(100mA/g)의 정전류로 4.3V로 충전 및 2.7V로 방전하여 충방전 테스트와 동일한 조건으로 100사이클을 진행하여 회복용량을 확인하였고(이하, 2.7V-4.3V), 이를 하기 표 7에 나타내었다.The manufactured half-cell was charged at 4.3V and discharged at 2.7V with a constant current of 0.5C (100mA/g) at 30°C, and 100 cycles were performed under the same conditions as the charge/discharge test to confirm the recovery capacity (hereinafter, 2.7V). -4.3V), which is shown in Table 7 below.
StructureRefined
Structure
[mAh g-1]0.1C discharge capacity
[mAh g-1]
[%]Initial Coulombic Efficiency
[%]
[mAh g-1]0.5 C discharge capacity
[mAh g-1]
(2) SEM을 이용한 전구체, 양극활물질의 미세조직 확인(2) Confirmation of microstructure of precursor and positive electrode active material using SEM
하기에서는, 실시예 및 비교예에 따른 양극활물질과, 상기 양극활물질을 예비 소성하기 전 금속 복합 수산화물(전구체)에 대해서 SEM (Nova Nano SEM 450, FEI)으로 미세조직을 확인하였다.In the following, the microstructure of the positive electrode active material according to Examples and Comparative Examples and the metal composite hydroxide (precursor) before the preliminary firing of the positive electrode active material was confirmed by SEM (Nova Nano SEM 450, FEI).
도 3은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 금속 복합 수산화물의 SEM 이미지이고, 도 4는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 양극활물질의 SEM 이미지이다. 3 is an SEM image of the metal composite hydroxide according to Examples 1 and 2, and FIG. 4 is an SEM image of the cathode active material according to Examples 1 and 2.
도 3 및 도 4에서, Ni의 함량이 대략 65mol%인 NCM계 양극활물질로 (a)실시예 1과 (b)실시예 2를 비교했을 때, 동일한 함량의 금속 (니켈, 코발트, 망간)을 이용했을 때, 금속에 대한 암모니아의 몰비가 1.2에서 3.2로 증가한 경우 예비 소성을 하기 전 금속 복합 수산화물에서의 일차입자의 형상이 서로 다르게 구비되는 것을 확인할 수 있었다. 3 and 4, when comparing (a) Example 1 and (b) Example 2 with an NCM-based cathode active material having an Ni content of about 65 mol%, the same content of metals (nickel, cobalt, manganese) When used, when the molar ratio of ammonia to metal increased from 1.2 to 3.2, it was confirmed that the shape of the primary particles in the metal composite hydroxide before preliminary firing was different from each other.
도 3에서, 금속 복합 수산화물의 경우에서는, 실시예 1은 일차입자가 서로 분리되어 두께가 얇은 플레이크형태로 구비되는 반면, 실시예 2에서는 복수개의 일차입자가 서로 결합되어 응집된 형태로 형성됨을 확인할 수 있었다. 도 4을 참조하면, 실시예 1과 실시예 2에서 보론(B)를 도핑하면서 수산화리튬과 함께 고온에서 소성한 양극활물질은 보론(B)의 도핑에 의하여 실시예 1과 실시예 2 양측 모두의 일차입자가 상기 일차입자의 상부에서 본 모습에서 모서리측에 대략 각도를 갖도록 구비됨을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1은 일차입자들이 서로 분리되어 존재하나 실시예 2는 금속 복합 수산화물에서 관찰된 일차입자의 응집된 형태가 소성 후 양극활물질에서도 관찰됨을 확인할 수 있었다. 3, in the case of the metal complex hydroxide, in Example 1, the primary particles are separated from each other and provided in the form of thin flakes, whereas in Example 2, it is confirmed that a plurality of primary particles are bonded to each other and formed in an aggregated form. could 4, the positive electrode active material calcined at a high temperature together with lithium hydroxide while doping with boron (B) in Examples 1 and 2 was obtained by doping with boron (B) in both Examples 1 and 2 It was confirmed that the primary particles were provided to have an approximate angle to the corner side in the view from the top of the primary particles. In addition, in Example 1, the primary particles exist separated from each other, but in Example 2, it was confirmed that the aggregated form of the primary particles observed in the metal composite hydroxide was also observed in the cathode active material after firing.
표 7에서, 실시예 1, 실시예 2의 0.1C 방전용량은 200.7mAh/g, 183.2mAh/g이고, 100사이클 후 용량유지율(retention)은 97.4%, 90%임을 확인할 때, 일차입자가 응집된 형태로 존재하는 실시예 2의 경우는 동일한 함량의 니켈(Ni)함량을 이용하고, 동일하게 보론(B)을 도핑하는 경우에도, 금속에 대한 암모니아 첨가가 높은 경우 실시예 1보다는 방전용량과 용량유지율이 낮음을 확인할 수 있었다.In Table 7, when it is confirmed that the 0.1C discharge capacity of Examples 1 and 2 is 200.7 mAh/g and 183.2 mAh/g, and the capacity retention after 100 cycles is 97.4% and 90%, the primary particles are agglomerated In the case of Example 2, which is present in the form of It was confirmed that the capacity retention rate was low.
도 5는 실시예 4 내지 실시예 7에 따른 금속 복합 수산화물의 SEM 이미지이고, 도 6는 실시예 4 및 실시예 7에 따른 양극활물질의 SEM 이미지이다. 5 is an SEM image of the metal composite hydroxide according to Examples 4 to 7, and FIG. 6 is an SEM image of the cathode active material according to Examples 4 and 7.
도 5에서, Ni의 함량이 대략 90mol%인 NCM계 양극활물질로 (a)실시예 4, (b)실시예 5, (c)실시예 6 및 (d)실시예 7에 따른 금속 복합 수산화물을 비교했을 때, 금속에 대한 암모니아 몰비(A/M)가 1.2에서 4로 증가될수록 금속 복합 수산화물에서 일차입자가 응집된 형태로 상대적으로 크기가 증가됨을 확인할 수 있었다. In FIG. 5, the metal composite hydroxides according to (a) Example 4, (b) Example 5, (c) Example 6 and (d) Example 7 were prepared as an NCM-based positive electrode active material having a Ni content of approximately 90 mol%. In comparison, as the molar ratio of ammonia to metal (A/M) increased from 1.2 to 4, it was confirmed that the size of the primary particles in the metal composite hydroxide was relatively increased in an aggregated form.
도 6를 참조하면, (a) 실시예 4와 (b)실시예 7을 비교했을 때, 보론(B) 1mol%를 도핑하고 소성한 후에도 금속 복합 수산화물에서 나타난 경향이 그대로 반영됨을 확인할 수 있었다. 표 7을 참조하면, 실시예 4, 실시예 5, 실시예 6 및 실시예 7의 각각의 0.1C 방전용량은 230.7mAh/g, 229.3 mAh/g, 225.4 mAh/g, 및 214.1 mAh/g이고 100사이클 후 용량유지율은 91.4%, 88.5%, 90.2%, 및 85.7%임을 확인할 수 있었다. 90mol%인 NCM계 양극활물질인 경우에는 금속에 대한 암모니아 몰비가 4인 경우만 0.1C 방전용량이 약간 감소하고, 100사이클 후 용량유지율이 약간 감소하고 금속에 대한 암모니아 몰비가 4 미만, 예컨대 2.2 이하에서는 거의 유사함을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 6 , when (a) Example 4 and (b) Example 7 were compared, it was confirmed that the trend shown in the metal composite hydroxide was reflected as it is even after doping with 1 mol% of boron (B) and firing. Referring to Table 7, each 0.1C discharge capacity of Examples 4, 5, 6 and 7 was 230.7 mAh/g, 229.3 mAh/g, 225.4 mAh/g, and 214.1 mAh/g, and It was confirmed that the capacity retention rates after 100 cycles were 91.4%, 88.5%, 90.2%, and 85.7%. In the case of an NCM-based positive electrode active material of 90 mol%, the 0.1C discharge capacity is slightly reduced only when the ammonia molar ratio to the metal is 4, and the capacity retention rate is slightly reduced after 100 cycles, and the ammonia molar ratio to the metal is less than 4, such as 2.2 or less was found to be almost similar.
NCM계 양극활물질에서 금속 복합 수산화물을 제조하는 경우, 니켈(Ni)이 65mol%로 포함되는 비교예 1, 실시예 1과, 니켈(Ni)이 90mol%로 포함되는 비교예 2, 실시예 4를 비교할 때, 니켈의 함량이 높은 비교예 2, 실시예 4가 상대적으로 방전용량이 높음을 확인하였고, 이를 하기 표 8에 정리하였다. 반면, 100사이클 용량유지율에서는 비교예 1, 실시예 1이 보다 높음을 확인할 수 있었다. 즉, NCM계 양극활물질에서 니켈(Ni)의 함량이 증가하면 방전용량은 증가하나 사이클 특성은 저하됨을 확인할 수 있었다. When the metal composite hydroxide is prepared from the NCM-based positive electrode active material, Comparative Examples 1 and 1 containing 65 mol% of nickel (Ni) and Comparative Examples 2 and 4 containing 90 mol% of nickel (Ni) In comparison, it was confirmed that Comparative Examples 2 and 4 having a high nickel content had relatively high discharge capacity, which are summarized in Table 8 below. On the other hand, it was confirmed that Comparative Example 1 and Example 1 were higher in the capacity retention rate of 100 cycles. That is, it was confirmed that when the content of nickel (Ni) in the NCM-based positive electrode active material was increased, the discharge capacity was increased but the cycle characteristics were decreased.
비교예 1, 실시예 1을 비교하고, 비교예 2, 실시예 4를 각각 비교하면, 보론(B)이 1mlo% 도핑됨으로써, 방전용량의 차이는 크게 없음에도 100사이클 용량유지율을 향상됨을 확인할 수 있었고, 또한 니켈의 함량이 90mol%인 경우에도 더 현저하게 나타남을 확인할 수 있었다. 실시예 1, 실시예 4에서는 소성 후 양극활물질에서 나타난 정제된 미세구조(Refined Structure)로, 일차입자가 명확하게 확인되었는데, 비교예 1, 비교예 2에서는 불규칙한 덩어리가 응집된 구형입자로만 나타났고, 실시예 1, 실시예 4에서 관찰된 형태와 같은 미세구조를 갖는 일자입자를 명확하게 확인할 수 없었다. Comparing Comparative Examples 1 and 1, and comparing Comparative Examples 2 and 4, respectively, it can be seen that boron (B) is doped by 1 mlo%, so that the 100-cycle capacity retention rate is improved even though there is no significant difference in the discharge capacity. It was also confirmed that even when the content of nickel was 90 mol%, it appeared more significantly. In Examples 1 and 4, the primary particles were clearly identified with the refined structure shown in the cathode active material after firing, and in Comparative Examples 1 and 2, irregular lumps appeared only as aggregated spherical particles. , it was not possible to clearly identify straight particles having the same microstructure as those observed in Examples 1 and 4.
즉, 보론(B)의 도핑에 의하여 니켈(Ni)이 포함된 NCM계 양극활물질의 사이클 특성이 향상되며, 이는 니켈(Ni)의 함량이 클수록 그 효과는 더 증가함을 확인할 수 있었다. 또한, 보론(B)의 도핑에 의하여 양극활물질의 미세구조가 향상되기 때문으로 판단된다. That is, the cycle characteristics of the NCM-based positive electrode active material containing nickel (Ni) are improved by doping with boron (B), and it was confirmed that the effect increases as the content of nickel (Ni) increases. In addition, it is determined that the microstructure of the positive electrode active material is improved by doping with boron (B).
StructureRefined
Structure
[mAh g-1]Initial discharge capacity
[mAh g-1]
[%]Initial Coulombic Efficiency
[%]
[mAh g-1]0.5 C discharge capacity
[mAh g-1]
도 7은 실시예 9 내지 실시예 12에 따른 금속 복합 수산화물의 SEM 이미지이고, 도 8는 실시예 9 및 실시예 12에 따른 양극활물질의 SEM 이미지이다. 7 is an SEM image of the metal composite hydroxide according to Examples 9 to 12, and FIG. 8 is an SEM image of the positive electrode active material according to Examples 9 and 12.
도 7을 참조하면, 금속 복합 수산화물이 Ni 100mol%로 이루어진 경우, 금속에 대한 암모니아 몰비를 증가((a)실시예 9, (b) 실시예 10, (c) 실시예 11, (d) 실시예 12)시킬수록 일차입자가 서로 뭉쳐지고 짧아지는 현상을 확인할 수 있었다. 반면, 도 8과 같이 (a)실시예 9는 소성 후에도 일차입자의 두께가 얇게 유지되나, (b)실시예 12의 경우 일차입자가 멜팅되어 복수개의 일차입자가 합쳐진 형태로 형성되며, 내부에는 마이크로크랙이 형성됨을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 7 , when the metal composite hydroxide is made of 100 mol% of Ni, the molar ratio of ammonia to metal is increased ((a) Example 9, (b) Example 10, (c) Example 11, (d) Example Example 12), it was confirmed that the primary particles agglomerate and shorten with each other. On the other hand, as shown in FIG. 8, (a) Example 9 maintains the thickness of the primary particles thin even after firing, but (b) Example 12 is formed in a form in which the primary particles are melted and a plurality of primary particles are combined, and inside It was confirmed that microcracks were formed.
표 7을 참조하면, 실시예 9 내지 실시예 12의 0.1C 방전용량은 각각 247.3mAh/g, 248.2mAh/g, 247.5mAh/g, 244.7mAh/g로 유사하게 나타났으나, 100사이클 용량유지율에서 금속에 대한 암모니아 몰비가 4인 경우인 실시예 12가 상대적으로 열등함을 확인할 수 있었다. Referring to Table 7, 0.1C discharge capacities of Examples 9 to 12 were similarly shown as 247.3 mAh/g, 248.2 mAh/g, 247.5 mAh/g, and 244.7 mAh/g, respectively, but 100-cycle capacity retention rate It was confirmed that Example 12, in which the ammonia-to-metal molar ratio was 4, was relatively inferior.
즉, LNO계 양극활물질에서 금속에 대한 암모니아함량을 증가할수록 금속 복합 수산화물의 일차입자가 서로 뭉쳐지는 경향을 보이고, 소성 후 양극활물질의 경우 금속에 대한 암모니아 몰비가 4일 때 일차입자가 멜팅되어 일차입자의 두께가 증가하고 100사이클 후 용량유지율 특성도 저하됨을 확인할 수 있었다. 실시예 12의 경우, 소성 과정에서 이차입자의 중심부에 마이크로크랙이 발생되었으며, 이에 의하여 사이클 특성이 저하되는 것으로 판단된다.That is, as the ammonia content of the metal in the LNO-based positive electrode active material increases, the primary particles of the metal composite hydroxide tend to agglomerate with each other. It was confirmed that the thickness of the particles increased and the capacity retention rate characteristics decreased after 100 cycles. In the case of Example 12, microcracks were generated in the center of the secondary particles during the firing process, and it was determined that cycle characteristics were deteriorated thereby.
도 9은 90mol%를 Ni을 포함하는 금속 복합 수산화물을 이용한 NCO계 양극활물질에서 보론(B) 도핑량에 따른 이차입자의 표면에 위치한 일차입자의 두께를 측정한 SEM 이미지이다. 도 10는 도 9에서 보론(B)이 도핑되지 않은 양극활물질의 SEM 이미지이고, 도 11은 도 9에서 보론(B)이 0.5mol% 도핑된 양극활물질의 SEM 이미지이고, 도 12은 도 9에서 보론(B)이 1mol% 도핑된 양극활물질의 SEM 이미지이고, 도 13는 도 9에서 보론(B)이 1.5mol% 도핑된 양극활물질의 SEM 이미지이고, 도 14은 도 9에서 보론(B)이 2mol% 도핑된 양극활물질의 SEM 이미지이다. 9 is a SEM image of measuring the thickness of the primary particles located on the surface of the secondary particles according to the boron (B) doping amount in the NCO-based positive electrode active material using a metal composite hydroxide containing 90 mol% Ni. FIG. 10 is an SEM image of the positive electrode active material not doped with boron (B) in FIG. 9, FIG. 11 is an SEM image of the positive electrode active material doped with boron (B) 0.5 mol% in FIG. 9, and FIG. boron (B) is an SEM image of the positive electrode active material doped with 1 mol%, FIG. 13 is a SEM image of the positive electrode active material doped with 1.5 mol% boron (B) in FIG. 9, and FIG. 14 is boron (B) in FIG. This is an SEM image of the positive electrode active material doped with 2 mol%.
하기 표 9에서는 도 9에 도시된 90mol%를 Ni을 포함하는 금속 복합 수산화물을 이용한 NCO계 양극활물질에서 보론(B) 도핑량에 따른 이차입자의 표면에 위치한 일차입자의 두께(제3 길이)를 측정한 값((003) plane Avg. Width [nm])과, XRD 데이터를 기반으로 (003) reflection을 이용하여 Scherrer's equation을 적용하여 계산한 값, 미세구조(Refined Structure) 유무, 및 I(003) / I(104) 비율(ratio)을 나타내었다. In Table 9 below, the thickness (third length) of the primary particles located on the surface of the secondary particles according to the boron (B) doping amount in the NCO-based positive electrode active material using a metal composite hydroxide containing 90 mol% Ni as shown in FIG. The measured value ((003) plane Avg. Width [nm]), the value calculated by applying Scherrer's equation using (003) reflection based on the XRD data, the presence or absence of a refined structure, and I(003) ) / I(104) ratio is shown.
Avg. Width
[nm](003) plane
Avg. Width
[nm]
Crystallite size
[nm](003) plane
Crystallite size
[nm]
StructureRefined
Structure
표 9와 함께 도 9 내지 도 14을 참조하면, 90mol%를 Ni을 포함하는 금속 복합 수산화물을 이용한 NCO계 양극활물질에서 보론(B) 도핑이 증가할수록 점점 감소함을 확인할 수 있었다. 표 9에서는 이차입자를 구성하는 일차입자 중 최외면에 구비되는 일차입자의 한쌍의 (003)면과 (003)면 사이의 간격인 제3 길이를 측정하고 그 값((003) plane Avg. Width [nm])을 나타내었다. Referring to FIGS. 9 to 14 together with Table 9, it was confirmed that as the doping of boron (B) increased, in the NCO-based positive electrode active material using a metal composite hydroxide containing 90 mol% of Ni, it was confirmed that the doping gradually decreased. In Table 9, the third length, which is the interval between a pair of (003) planes and (003) planes of the primary particles provided on the outermost surface of the primary particles constituting the secondary particles, is measured and the value ((003) plane Avg. Width [nm]) was shown.
도 15a는 90mol%를 Ni을 포함하는 금속 복합 수산화물을 이용한 NCO계 양극활물질에서, SEM 이미지를 이용하여 일차입자 중 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자의 제3 길이인 (003)면과 (003)면 사이의 간격을 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 표 10은 도 15a의 값을 평균, 편차, 최대값 및 최소값을 표로 나타낸 값이다. 도 15b는 보론(B) 도핑에 따른 (003)면의 길이에 대한 그래프이다. 하기에서 양극활물질의 일차입자의 길이의 단위는 모두 nm이다.15a shows the third length of the primary particles (003) and ( 003) is a graph showing the results of measuring the spacing between the planes, and Table 10 is a table showing the average, deviation, maximum, and minimum values of the values of FIG. 15A. 15B is a graph of the length of the (003) plane according to boron (B) doping. In the following, the unit of the length of the primary particles of the positive electrode active material is all nm.
표 10과 함께 도 15a를 참조하면, 90mol%를 Ni을 포함하는 금속 복합 수산화물을 이용한 NCO계 양극활물질에서 보론(B)의 도핑 함량이 증가할수록, 제3 길이의 평균값이 감소하고 동시에 제3 길이의 표준편차값이 감소함을 확인할 수 있었다. 즉, 보론(B)의 도핑에 의하여 일차입자 중 이차입자의 표면부에 위치하는 일차입자의 제3 길이는 점차 감소하면서, 동시에 제어되는 범위 내의 두께로 구비됨을 확인할 수 있었다. 즉, 보론(B)의 도핑은 제3 길이의 감소와 함께 제3 길이를 소정의 범위 내로 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 15A together with Table 10, as the doping content of boron (B) in the NCO-based positive electrode active material using a metal composite hydroxide containing 90 mol% of Ni increases, the average value of the third length decreases and at the same time the third length It was confirmed that the standard deviation of That is, it was confirmed that the third length of the primary particles positioned on the surface of the secondary particles among the primary particles was gradually decreased by the doping of boron (B), and was provided with a thickness within a controlled range at the same time. That is, it was confirmed that the doping of boron (B) can control the third length within a predetermined range while reducing the third length.
표 10을 참조하면, 보론(B)이 도핑되지 않은 NCA계인 비교예 7은 NCO계인 비교예 5와 유사한 평균 및 표준편차를 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉, 양극활물질의 종류와는 무관하게, 일차입자 중 이차입자의 표면에 위치하는 일차입자의 제3 길이의 평균값과 표준편차는 도핑된 보론(B)의 함량에 의하여 제어됨을 확인할 수 있었다.Referring to Table 10, it was confirmed that the NCA-based Comparative Example 7 not doped with boron (B) showed similar average and standard deviation to the NCO-based Comparative Example 5. That is, it was confirmed that the average value and standard deviation of the third length of the primary particles positioned on the surface of the secondary particles among the primary particles were controlled by the content of doped boron (B), regardless of the type of the positive electrode active material.
또한, 표 10에서 (003)면의 결정크기((003) plane Crystallite size [nm])를 기재하였는데, 이는 XRD 데이터를 기반으로 (003) 리플렉션(reflection)을 이용하여 셰러 방정식(Scherrer's equation)을 적용하여 계산한 값이다. 도 15b에서는, SEM 이미지를 이용하여 측정한 값((003) plane Avg. Width [nm])과, 셰러 방정식으로 이용한 계산한 값((003) plane Crystallite size [nm])을 비교하여 그래프로 나타내었다.In addition, in Table 10, the crystal size of the (003) plane ((003) plane Crystallite size [nm]) was described, which is based on the XRD data and Scherrer's equation using (003) reflection It is a calculated value by applying In FIG. 15b, the value measured using the SEM image ((003) plane Avg. Width [nm]) and the value calculated using the Scherrer equation ((003) plane Crystallite size [nm]) are compared and shown as a graph it was
하기 표 11은 SEM 이미지를 이용하여 일차입자 중 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자의 (003)면의 장축인 제1 길이(f1), 제1 길이(f1)에 수직한 방향으로 일차입자의 (003)면의 단축인 제2 길이(f2) 및 (003)면과 (003)면 사이의 간격인 제3 길이(f3)를 측정한 결과를 나타내었고, 표 12에서는 제1 길이(f1), 제2 길이(f2) 및 제3 길이(f)의 각각의 평균값을 이용하여 제3 길이(f3)에 대한 제1 길이(f1)의 비와, 제3 길이(f3)에 대한 제2 길이(f2)의 비를 나타내었다. 도 16a는 보론(B) 도핑에 따른 제1 길이, 제2 길이 및 제3 길이를 나타낸 그래프이고, 도 16b는 보론(B) 도핑에 따른 제3 길이에 대한 제1 길이와 제2 길이의 비를 나타낸 그래프이다.Table 11 below shows the first length (f1), which is the long axis of the (003) plane of the primary particles provided on the surface of the secondary particles among the primary particles, using the SEM image, and the primary particles in the direction perpendicular to the first length (f1) The results of measuring the second length (f2), which is the short axis of the (003) plane, and the third length (f3), which is the interval between the (003) plane and the (003) plane are shown, and in Table 12, the first length (f1) ), the ratio of the first length f1 to the third length f3 using the average values of each of the second length f2 and the third length f, and the second length f3 The ratio of the length (f2) is shown. 16A is a graph showing a first length, a second length, and a third length according to boron (B) doping, and FIG. 16B is a ratio of the first length to the second length with respect to the third length according to boron (B) doping. is a graph showing
표 9와 도 15b를 참조하면, XDR 데이터를 기반으로 한 값은 이차입자를 구성하는 일차입자의 전체 평균값에 해당하고(점선, 이하 XRD 기반값), SEM 이미지를 이용하여 측정한 값은 이차입자 중 표면부에 위치하는 일차입자의 제3 길이를 측정한 값을 의미한다(실선, 이하 측정값). 보론(B)이 도핑되지 않은 0mol%와, 보론(B)이 0.05mol% 도핑된 경우에는 측정값이 XRD 기반값보다 더 큰 값을 나타내었으나, 보론(B)이 0.5mol%, 1mol%, 1.5mol% 및 2mol%로 도핑된 경우는 측정값이 XRD 기반값보다 더 작은 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 표 9에서 XRD 데이터를 이용하여 얻은 I(003)/I(104)의 비를 참조하면, 보론(B)의 도핑이 증가할수록 값이 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 보론(B)의 도핑에 의하여 일차입자의 사이즈가 작아지기 때문에 이로인한 피크의 I(003) 피크가 상대적으로 감소되기 때문으로 판단된다.Referring to Table 9 and Figure 15b, the value based on the XDR data corresponds to the overall average value of the primary particles constituting the secondary particles (dotted line, hereinafter XRD-based value), and the value measured using the SEM image is the secondary particle It means a value measured by the third length of the primary particles located on the surface of the middle (solid line, hereinafter measured value). When 0 mol% of boron (B) was not doped and 0.05 mol% of boron (B) was doped, the measured values showed larger values than the XRD-based values, but when boron (B) was 0.5 mol%, 1 mol%, In the case of doping with 1.5 mol% and 2 mol%, it was confirmed that the measured value showed a smaller value than the XRD-based value. Referring to the ratio of I(003)/I(104) obtained using XRD data in Table 9, it was confirmed that the value decreased as the doping of boron (B) increased. This is considered to be because the size of the primary particles is reduced by doping of boron (B), and thus the I(003) peak of the peak is relatively reduced.
도 10 내지 도 14을 참조하면, 보론(B)의 도핑이 증가할수록, 일차입자의 제3 길이가 점차 감소함을 확인할 수 있었고, 이차입자의 외면에서 본 결과, 일차입자의 횡단면이 대략 직사각형 형태로 구비됨을 확인할 있다. 즉, 보론(B) 도핑이 0mol%인 경우에는 상부에서 확인했을 때, 일차입자의 모서리가 명확하지 않고 일부 곡면의 형태로 구비되는 데 반하여, 보론(B) 도핑이 증가할수록, 일차입자의 모서리의 각진 형상이 명확해지고 점차 제3 길이가 감소하는 직사각형의 형상으로 구비됨을 확인할 수 있었다.10 to 14 , as the doping of boron (B) increased, it was confirmed that the third length of the primary particles gradually decreased. It can be confirmed that it is available. That is, when boron (B) doping is 0 mol%, when viewed from the top, the edges of the primary particles are not clear and are provided in the form of some curved surfaces, whereas as boron (B) doping increases, the edges of the primary particles It can be confirmed that the angular shape of is provided in a rectangular shape with a gradually decreasing third length.
표 11과 도 16a를 참조하면, NCO계 양극활물질에서 보론(B) 도핑에 의하여 제2 길이(f2)는 크게 차이가 없으나, 제1 길이(f1)는 보론(B) 농도가 0.5mol%까지는 증가하나, 그 이상부터는 더 이상 변화하지 않고 일정수준을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 제3 길이는 보론(B) 도핑이 증가함에 따라 감소하다가 대략 1.5mol%로 첨가된 후부터는 더 이상 감소하지 않음을 확인할 수 있었다. 즉, 보론(B) 도핑에 의하여 제1 길이(f1), 제2 길이(f2) 및 제3 길이(f3)가 모두 영향을 받음을 확인할 수 있었다.Referring to Table 11 and FIG. 16A, the second length f2 is not significantly different by boron (B) doping in the NCO-based positive electrode active material, but the first length f1 has a boron (B) concentration of up to 0.5 mol%. It increased, but from that point on, it was confirmed that it did not change any more and maintained a certain level. In addition, it was confirmed that the third length decreased as boron (B) doping increased, but did not decrease any more after the addition of about 1.5 mol%. That is, it was confirmed that the first length f1, the second length f2, and the third length f3 were all affected by boron (B) doping.
표 12와 도 16b를 참조하면, 제3 길이(f3)에 대한 제1 길이(f1)과 제3 길이(f3)에 대한 제2 길이(f2)가 모두 증가함을 확인할 수 있었는데, 그 증가되는 정도는 제3 길이(f3)에 대한 제1 길이(f1)의 기울기가 더 크게 나타남을 확인할 수 있었다.Referring to Table 12 and FIG. 16B, it was confirmed that both the first length f1 for the third length f3 and the second length f2 for the third length f3 increased, and the increased As for the degree, it was confirmed that the slope of the first length f1 with respect to the third length f3 was larger.
하기 표 13에서는 NCO계 양극활물질에서 보론(B)이 도핑되지 않은 경우 (비교예 5), 보론(B)이 0.5mol% 도핑된 경우(실시예 15), 보론(B)이 1mol% 도핑된 경우(실시예 16) 및 보론(B)과 몰리브덴(Mo)이 각각 0.5mol%씩 함께 도핑(co-doping)된 경우를 검토하였다.In Table 13 below, when boron (B) is not doped in the NCO-based positive electrode active material (Comparative Example 5), when boron (B) is doped by 0.5 mol% (Example 15), boron (B) is doped by 1 mol% Case (Example 16) and boron (B) and molybdenum (Mo) were each doped together by 0.5 mol% (co-doping) was reviewed.
하기 표 13에서, 비교예 5, 실시예 15, 실시예 16 및 실시예 22 모두 0.1C 방전용량이 모두 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다. 반면, 보론(B)이 도핑되지 않은 비교예 5는 100사이클 진행 후 용량유지율이 67.2%로 실시예 15, 실시예 16 및 실시예 22보다 낮음을 확인할 수 있었다.In Table 13 below, it was confirmed that the 0.1C discharge capacity of Comparative Example 5, Example 15, Example 16, and Example 22 were all similar. On the other hand, it was confirmed that Comparative Example 5 not doped with boron (B) had a capacity retention rate of 67.2% after 100 cycles, which was lower than Examples 15, 16 and 22.
보론(B) 0.5mol% 도핑된 실시예 15와 보론(B) 0.5mol%과 몰리브덴(Mo)가 0.5mol%로 함께 도핑된 실시예 22를 비교하면, 실시예 22가 실시예 15보다는 100사이클 후 용량유지율이 향상됨을 확인할 수 있었다. 또한, 보론(B)가 1mol% 도핑된 실시예 16과 실시예 22를 비교하여도, 양측 모두 1mol%로 도핑되었을 때, 도핑된 양이 같은 경우에도 실시예 22가 100사이클 후 용량유지율이 더 향상됨을 확인할 수 있었다. 즉, 보론(B) 도핑과 함께 몰리브덴(Mo)이 함께 도핑됨으로써, 보론(B)에 의한 효과를 향상시키게 되는 것으로 판단된다.Comparing Example 15 doped with 0.5 mol% of boron (B) and Example 22 doped with 0.5 mol% of boron (B) and 0.5 mol% of molybdenum (Mo), Example 22 is 100 cycles rather than Example 15 After that, it was confirmed that the capacity retention rate was improved. In addition, even when comparing Example 16 and Example 22 in which boron (B) was doped at 1 mol%, when both sides were doped at 1 mol%, even when the doped amount was the same, Example 22 had a higher capacity retention rate after 100 cycles improvement could be confirmed. That is, by doping with molybdenum (Mo) together with boron (B) doping, it is determined that the effect of boron (B) is improved.
StructureRefined
Structure
[mAh g-1]0.1C discharge capacity
[mAh g-1]
[%]Initial Coulombic Efficiency
[%]
[mAh g-1]0.5 C discharge capacity
[mAh g-1]
도 17은 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질의 SEM 이미지이고, 도 18은 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질의 FIB TEM 이미지이다. 도 19은 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질을 최초 사이클을 진행하기 전 FIB TEM 이미지이고, 도 20는 도 19의 실시예 24의 최초 사이클을 진행하기 전 FIB TEM 이미지이고, 도 21은 실시예 24의 100사이클 진행 후 FIB TEM 이미지이다. 도 22 내지 도 24은 실시예 24에서 이차입자의 표면에 구비되는 일차입자에 형성된 코팅층을 분석한 결과이다. 도 25는 실시예 24의 일차입자의 TEM 이미지이다. 도 26 내지 도 28은 보론산화물과 리튬수산화물의 열처리 전 후의 XRD 분석결과이다.17 is an SEM image of the positive electrode active material according to Example 24 and Comparative Example 7, and FIG. 18 is a FIB TEM image of the positive electrode active material according to Example 24 and Comparative Example 7. 19 is a FIB TEM image before the first cycle of the cathode active material according to Example 24 and Comparative Example 7, FIG. 20 is a FIB TEM image before the first cycle of Example 24 of FIG. 19, FIG. 21 is It is a FIB TEM image after 100 cycles of Example 24. 22 to 24 are results of analyzing the coating layer formed on the primary particles provided on the surface of the secondary particles in Example 24. 25 is a TEM image of the primary particles of Example 24. 26 to 28 are XRD analysis results before and after heat treatment of boron oxide and lithium hydroxide.
표 9를 참조하면, 88.5mol% 니켈(Ni)을 포함한 금속 복합 수산화물을 이용하여 NCA계 양극활물질을 제조하는 경우, 보론(B)이 도핑되지 않은 비교예 7은 미세조직(refined structure)이 발견되지 않았고, 보론(B)이 0.5mol%, 1mol%이 각각 도핑된 실시예 23과 실시예 24만이 미세조직이 발견되었다. 또한, 0.1C 방전용량은 비교예 7, 실시예 23 및 실시예 24가 각각 225.1mAh/h, 224mAh/g 및 229.8mAh/g로 유사하였으나, 100사이클 후 용량유지율은 각각 83.7%, 92.2% 및 96.2%로 보론(B) 도핑이 증가할수록 증가함을 확인할 수 있었다.Referring to Table 9, when an NCA-based positive electrode active material was prepared using a metal composite hydroxide containing 88.5 mol% nickel (Ni), in Comparative Example 7 in which boron (B) was not doped, a refined structure was found. The microstructure was found only in Examples 23 and 24 in which boron (B) was doped with 0.5 mol% and 1 mol%, respectively. In addition, 0.1C discharge capacity was similar in Comparative Examples 7, 23 and 24 at 225.1 mAh/h, 224 mAh/g, and 229.8 mAh/g, respectively, but the capacity retention rate after 100 cycles was 83.7%, 92.2%, and It was confirmed that it increased as boron (B) doping increased to 96.2%.
표 9와 도 17, 도 18을 참조하면, 비교예 7의 경우에는 일차입자의 제3 길이가 상대적으로 두껍게 나타난 반면, 실시예 24는 일차입자의 제3 길이가 얇고 또한 상부측에서 일차입자의 모서리가 각을 갖도록 구비되어 횡단면이 직사각형의 형태로 구비됨을 확인할 수 있었다. 이는 실시예 24의 경우는 보론(B) 도핑에 의하여 일차입자 중 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자에서 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자의 말단부가 결정면으로 연결되어 있기 때문으로 판단된다. Referring to Table 9 and FIGS. 17 and 18 , in Comparative Example 7, the third length of the primary particles was relatively thick, whereas in Example 24, the third length of the primary particles was thin and the upper side of the primary particles. It was confirmed that the corners were provided to have an angle, so that the cross-section was provided in the form of a rectangle. In the case of Example 24, it is determined that the distal end of the primary particle provided on the surface of the secondary particle is connected to the crystal plane from the primary particle provided on the surface of the secondary particle among the primary particles due to boron (B) doping. .
도 19은 비교예 7과 실시예 24의 표면부를 확대한 FIB TEM 이미지인데, 비교예 7의 경우는 말단이 매끈하게 라운드지도록 구비되는 반면, 실시예 24는 두개의 결정면, 예컨대 (012) 면과 (014) 면이 서로 연결되는 형태로 구비됨을 확인할 수 있었다.19 is an enlarged FIB TEM image of the surface of Comparative Example 7 and Example 24. In the case of Comparative Example 7, the end is provided to be rounded smoothly, whereas Example 24 has two crystal planes, such as (012) plane and It was confirmed that the (014) surfaces were provided in a form connected to each other.
도 20 및 도 21을 참조하면, 실시예 24는 이차입자의 표면부에 위치한 일차입자는 (003) 면과 (003)면이 서로 대면하도록 구비되고, 한쌍의 (003) 면과 (003) 면의 양측 결정면에 대해서 수직한 종단면은 (012) 면과 (014) 면이 서로 각도를 갖도록 연결됨을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 20 and 21 , in Example 24, the primary particles located on the surface of the secondary particles are provided so that (003) planes and (003) planes face each other, and a pair of (003) planes and (003) planes It can be seen that the vertical section perpendicular to the crystal planes on both sides of is connected so that the (012) plane and the (014) plane are angled to each other.
도 20를 참조하면, 실시예 24의 경우, 최초 사이클을 진행하기 전부터, 일차입자 중 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자는 한쌍의 (003) 면이 서로 대면하도록 나란하게 구비되고, 상기 한쌍의 (003) 면은 두개 이상의 결정면에 의하여 연결된다. 여기에서, 상기 한쌍의 (003) 면에 대해서 수직하게 절단하는 경우, 상기 한쌍의 (003) 면은 두개의 서로 다른 결정면에 의하여 연결됨을 확인할 수 있다. 이와 같이, 실시예 24는 한쌍의 (003) 면과, 상기 한쌍의 (003) 면을 연결하는 복수개의 결정면으로 이루어지게 되고, 이에 의하여 이차입자의 표면부는 요철을 형성하게 된다. 20, in the case of Example 24, before the first cycle, the primary particles provided on the surface of the secondary particles among the primary particles are provided side by side so that a pair of (003) faces face each other, the pair (003) planes are connected by two or more crystal planes. Here, when the pair of (003) planes are cut perpendicularly, it can be seen that the pair of (003) planes are connected by two different crystal planes. As described above, Example 24 is composed of a pair of (003) planes and a plurality of crystal planes connecting the pair of (003) planes, whereby the surface portion of the secondary particles is uneven.
도 21은 실시예 24를 100사이클 진행한 후 이차입자를 확인하였다. 실시예 24는 100사이클 후에도 여전히 결정면을 구비하고 있음을 확인할 수 있었다.21 shows secondary particles after 100 cycles of Example 24. It was confirmed that Example 24 still had a crystal plane even after 100 cycles.
본 실시예에 따른 양극활물질은 보론(B)이 도핑되어 있고, 이에 의하여 일차입자 중 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자의 두께인 제3 길이는 얇게 구비될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 양극활물질에서, 상기 일차입자 중 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자는 이차입자의 상부면에서 바라보는 방향으로 모서리의 적어도 일부에 각이 형성되어 있으며, 상기 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자를 이차입자의 표면부에서 중심부를 향하는 방향으로 절단한 면이 두개의 서로 다른 결정면으로 각도를 갖도록 구비됨을 확인할 수 있다. The positive electrode active material according to the present embodiment is doped with boron (B), whereby the third length, which is the thickness of the primary particles provided on the surface of the secondary particles among the primary particles, may be thin. In addition, in the positive electrode active material according to the present embodiment, the primary particles provided on the surface of the secondary particles among the primary particles have an angle formed at at least a portion of the corner in a direction viewed from the upper surface of the secondary particles, and the secondary particles It can be seen that the surface of the primary particle provided on the surface of the secondary particle cut in the direction from the surface of the secondary particle toward the center is provided with two different crystal planes at an angle.
본 실시예에 따른 양극활물질은 이차입자의 표면부가 말단이 두개 이상의 결정면으로 연결되어 있고, 이는 복수회 사이클을 진행한 후에도 유지됨을 확인할 수 있었다. 이에 의하여 본 실시예에 따른 양극활물질은 상기 이차입자의 표면부에서 결정면이 서로 연결됨으로써, 전해액이 이차입자의 내부로 용이하게 침투하는 것을 방지할 수 있어 수명특성이 향상될 수 있었다. 또한, 결정면의 정렬과 함께, 일차입자는 상기 이차입자의 중심부를 향하는 방향으로 정렬되고, 이에 의하여 리튬이온은 상기 일차입자가 정렬되는 방향을 따라 상기 이차입자의 중심부로 용이하게 이동되고 충방전 과정 중에 마이크로크랙 형성을 억제함으로써, 전기화학적 효율이 높아지고, 수명특성이 향상된다.In the positive electrode active material according to the present embodiment, it was confirmed that the surface portion of the secondary particle was connected to two or more crystal planes at the ends, and this was maintained even after a plurality of cycles. As a result, the positive electrode active material according to the present embodiment has crystal planes connected to each other at the surface of the secondary particles, thereby preventing the electrolyte from easily penetrating into the secondary particles, thereby improving lifespan characteristics. In addition, along with the alignment of the crystal planes, the primary particles are aligned in a direction toward the center of the secondary particles, whereby lithium ions are easily moved to the center of the secondary particles along the direction in which the primary particles are aligned, and the charging and discharging process By suppressing the formation of microcracks during the process, the electrochemical efficiency is increased and the lifespan characteristics are improved.
도 19과 함께 도 22 내지 도 25를 참조하면, 비교예 7에는 나타나지 않았으나 실시예 24에는 표면부의 외면에 코팅층이 더 구비됨을 확인할 수 있었다. 상기 실시예 24에서 형성된 코팅층을 분석하면, 보론산화물을 포함함을 확인할 수 있었다. Referring to FIGS. 22 to 25 together with FIG. 19 , it was confirmed that, although not shown in Comparative Example 7, a coating layer was further provided on the outer surface of the surface portion in Example 24. When the coating layer formed in Example 24 was analyzed, it could be confirmed that boron oxide was included.
도 22에서, 상기 보론(B)의 농도는 코팅층에서는 농도구배를 갖도록 구비되다가, 상기 이차입자 내에서는 균일하게 구비됨을 확인할 수 있다. 또한, 상기 이차입자 내에서의 보론(B)의 평균농도는 복합 금속 수산화물에 첨가되는 보론(B)의 농도인 1mol%에서, 0.05mol%의 오차범위로 구비될 수 있다. 22, it can be seen that the concentration of boron (B) is provided to have a concentration gradient in the coating layer, and is uniformly provided in the secondary particles. In addition, the average concentration of boron (B) in the secondary particles may be provided in an error range of 1 mol%, which is the concentration of boron (B) added to the composite metal hydroxide, to 0.05 mol%.
예컨대 상기 보론(B)의 농도는 복합 금속 수산화물에 첨가되는 보론(B)의 농도를 Y1인 경우, 상기 이차입자 내에서의 보론(B)의 평균농도는 Y2이고, 상기 코팅층의 보론(B)의 평균농도는 Y3일 때 하기 식 1 및 식 2로 표현될 수 있다.For example, when the concentration of boron (B) is Y1 as the concentration of boron (B) added to the composite metal hydroxide, the average concentration of boron (B) in the secondary particles is Y2, and boron (B) in the coating layer The average concentration of can be expressed by
(식 1) Y1-0.005 ≤ Y2 ≤ Y1+0.005(Formula 1) Y1-0.005 ≤ Y2 ≤ Y1+0.005
(식 2) Y2 < Y3(Equation 2) Y2 < Y3
도 23 내지 도 25에서는, 이차입자의 표면부를 TEM으로 확인한 결과로, 상기 코팅층은 상기 제1 일차입자의 제2 결정면과 제3 결정면을 덮도록 구비됨을 확인할 수 있었다. 도 23 및 도 24을 참조하면, 이차입자에서는 발생하지 않은 결정면의 거리, ~0.30nm, 0.28nm 및 0.22~0.24nm을 확인할 수 있으며, 이는 하기와 같이 보론산화물과 리튬수산화물이 혼재된 상태에서 열처리를 수행하는 경우 발생하는 XRD 결과와 대응됨을 확인할 수 있다(도 26 및 도 28 참조).23 to 25, as a result of confirming the surface portion of the secondary particles by TEM, it was confirmed that the coating layer was provided to cover the second and third crystal surfaces of the first primary particles. Referring to FIGS. 23 and 24 , it can be seen that the distances of crystal planes that do not occur in the secondary particles, ˜0.30 nm, 0.28 nm, and 0.22˜0.24 nm, are heat-treated in a state in which boron oxide and lithium hydroxide are mixed as follows. It can be confirmed that it corresponds to the XRD result that occurs when performing (refer to FIGS. 26 and 28).
즉, 금속 복합 수산화물과 보론산화물, 리튬수산화물을 450℃에서 예비 소성하는 과정에서, 보론산화물은 이차입자의 내부에 균일하게 포함되면서 동시에 일부는 이차입자의 표면부에서 리튬수산화물과 화학반응하여 코팅층으로 형성된다. 상기 코팅층은 상기 이차입자의 표면부에 형성된 제2 및 제3 결정면과, 양극활물질을 구성하는 각 물질의 농도 및 이들의 열처리하는 과정, 공침 반응을 하는 과정에서의 제어된 pH가 복합적으로 관련되어 형성되는 것으로 판단된다.That is, in the process of pre-calcining the metal composite hydroxide, boron oxide, and lithium hydroxide at 450°C, boron oxide is uniformly included in the secondary particles, and at the same time, some of them chemically react with lithium hydroxide on the surface of the secondary particles to form a coating layer. is formed In the coating layer, the second and third crystal planes formed on the surface of the secondary particles, the concentration of each material constituting the positive electrode active material, the heat treatment process thereof, and the controlled pH during the coprecipitation reaction are complexly related. is considered to be formed.
도 29은 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질을 이용한 풀셀의 사이클 그래프이다. 도 30는 실시예 24와 비교예 7에 따른 양극활물질을 충전전압별로 충전하여 이차입자의 단면을 확인한 SEM 이미지이다. 도 31은 실시예 24와 비교예 7의 양극활물질을 이용한 하프셀과 풀셀의 사이클 후 SEM 이미지이다. 도 32 및 도 33는 실시예 24와 비교예 7의 in-situ XRD 데이타이다. 29 is a cycle graph of a full cell using the positive electrode active material according to Example 24 and Comparative Example 7. 30 is an SEM image illustrating a cross section of secondary particles by charging the positive electrode active materials according to Example 24 and Comparative Example 7 for each charging voltage. 31 is an SEM image after cycling of a half cell and a full cell using the cathode active materials of Example 24 and Comparative Example 7. FIG. 32 and 33 are in-situ XRD data of Example 24 and Comparative Example 7.
실시예 24 및 비교예 7을 이용한 풀셀을 이용하여, 25℃에서 1C 정전류로 3.0V(방전전압) 및 4.2V(충전전압)으로 사이클을 진행하였으며(도 29 참조), 실시예 24는 1000사이클까지 용량의 큰 변화없이 진행되는 데 반하여, 비교예 7은 200사이클부터 용량이 감소되었고, 1000사이클에서 실시예 24는 83.4%의 용량유지율을 나타내었으나, 비교예 7은 49%의 용량유지율을 나타내어 수명특성이 차이가 남을 확인할 수 있었다.Using the full cell using Example 24 and Comparative Example 7, the cycle was carried out at 1C constant current at 25°C at 3.0V (discharge voltage) and 4.2V (charge voltage) (see FIG. 29 ), Example 24 is 1000 cycles On the other hand, in Comparative Example 7, the capacity was decreased from 200 cycles, and at 1000 cycles, Example 24 showed a capacity retention rate of 83.4%, whereas Comparative Example 7 showed a capacity retention rate of 49%. It was confirmed that there was a difference in the lifespan characteristics.
도 30를 참조하면, 3.9V, 4.0V, 4.1V, 4.2V, 및 4.2V로 SOC(state of charge)를 증가시키면서 충전한 결과, 비교예 7는 4.1V에서 약하게 보이는 헤어라인이 나타났고, 4.2V에서는 이차입자의 중심부부터 마이크로크랙이 형성되었으며, 4.3V에서는 이차입자의 표면부까지 연장형성됨을 확인할 수 있었다. 반면, 실시예 24에서는 4.3V에서 약하게 보이는 헤어라인이 나타났으나 비교예 7의 4.1V에서 보이는 것보다 적게 확인되었고, 또한 마이크로크랙은 형성되지 않음을 확인할 수 있었다. 30, as a result of charging while increasing the state of charge (SOC) to 3.9V, 4.0V, 4.1V, 4.2V, and 4.2V, Comparative Example 7 showed a weakly visible hairline at 4.1V, At 4.2V, it was confirmed that microcracks were formed from the center of the secondary particles, and at 4.3V, it was confirmed that they extended to the surface of the secondary particles. On the other hand, in Example 24, a weak hairline appeared at 4.3V, but was confirmed less than that seen at 4.1V of Comparative Example 7, and it was also confirmed that microcracks were not formed.
비교예 7과 실시예 24에 대해서, 4.3V까지 충전후 4.1V까지로 방전한 이차입자와, 4.3V로 충전후 2.7V까지 방전한 이차입자의 단면을 비교하였다. 4.3V에서 형성되었던 마이크로크랙이 비교예 7에서만 4.3V까지 충전후 4.1V까지로 방전한 이차입자에서도 발생됨을 확인할 수 있었다. For Comparative Example 7 and Example 24, the cross-sections of secondary particles discharged to 4.1V after charging to 4.3V and secondary particles discharged to 2.7V after charging to 4.3V were compared. It was confirmed that microcracks formed at 4.3V were also generated in the secondary particles discharged to 4.1V after charging to 4.3V only in Comparative Example 7.
양극활물질은 충전과정에서 H1 (hexagonal 1) -> M (monoclinic) -> H2 (hexagonal 2) -> H3 (hexagonal 3)와 같은 연속적인 상변화를 진행하게 되고, 마지막 H2 -> H3는 갑작스런 이방성의 부피변화가 발생한다. 여기서, H2 -> H3 상전이가 시작하기 전 전압인 4.15V까지는 부피변화가 완만하게 진행되다가, H2 -> H3 상전이가 시작되는 4.2V에서 셀 부피가 급격하게 감소하게 된다.The cathode active material undergoes a continuous phase change such as H1 (hexagonal 1) -> M (monoclinic) -> H2 (hexagonal 2) -> H3 (hexagonal 3) during the charging process, and the last H2 -> H3 is abruptly anisotropic. volume change occurs. Here, the volume change proceeds gently up to 4.15V, which is the voltage before the H2 -> H3 phase transition starts, and then the cell volume rapidly decreases at 4.2V where the H2 -> H3 phase transition starts.
이러한 급격한 부피 변화가 시작되는 부분인 4.3V까지 충전후 4.1V에서 비교예 7은 이차입자의 미세구조 내에 마이크로크랙이 형성되는 반면, 실시예 24에서는 이와 같은 구조가 나타나지 않음을 확인할 수 있었다. 즉, 실시예 24에서는 이와 같이 H2 -> H3 상변화가 진행하는 동안에서도, 이방성의 부피변화에 의한 미세구조 내 마이크로크랙이 형성되지 않도록 이차입자 내에 일차입자가 정렬되어 배열되어 있기 때문으로 판단된다. 비교예 7의 경우에는 사이클을 진행하는 과정에서, H2 -> H3 상변화 과정에서 발생하는 부피변화가 가역적으로 완전히 회복하지 못하고, 일부 잔존하게 되는 비가역적인 부분이 축적되어 사이클 진행 후 이차입자가 균열이 형성되는 것으로 판단된다(도 32 및 도 33 참조). After charging to 4.3V, which is the part where such a rapid volume change begins, it was confirmed that microcracks were formed in the microstructure of the secondary particles in Comparative Example 7 at 4.1V, whereas in Example 24, such a structure did not appear. That is, in Example 24, even during the H2 -> H3 phase change as described above, it is determined that the primary particles are arranged in the secondary particles so that microcracks are not formed in the microstructure due to the anisotropic volume change. . In the case of Comparative Example 7, during the cycle, the volume change occurring in the H2 -> H3 phase change process was not fully recovered reversibly, and the remaining irreversible part was accumulated, causing the secondary particles to crack after the cycle progressed. is determined to be formed (refer to FIGS. 32 and 33).
도 31에서는 비교예 7과 실시예 24에 따라 제조된 하프셀과 풀셀에 대해서 각각 하프셀은 100사이클을 진행하였고, 풀셀은 1000사이클을 진행하여 확인한 이차입자의 SEM 이미지이다. 도 31에 나타난 바와 같이, 비교예 7은 이차입자 내에 전체적으로 마이크로크랙이 형성되어 있으며, 심한경우에는 거의 이차입자까지 분해되는 형태로 구비됨을 확인할 수 있다. 반면, 실시예 24는 하프셀 및 풀셀 모두 최초 입자형태가 거의 그대로 유지됨을 확인할 수 있었다. In FIG. 31, for the half cell and the full cell prepared according to Comparative Example 7 and Example 24, 100 cycles were performed for the half cell, respectively, and 1000 cycles were performed for the full cell, respectively, and are SEM images of secondary particles confirmed. As shown in FIG. 31 , in Comparative Example 7, it can be seen that microcracks are formed in the secondary particles as a whole, and in severe cases, it can be confirmed that the secondary particles are almost decomposed. On the other hand, in Example 24, it could be confirmed that the initial particle shape was almost maintained in both the half-cell and the full-cell.
즉, 실시예 24의 경우에는 보론(B) 도핑과 함께, 금속 복합 수산화물의 제조과정에서 형성된 일차입자가 정렬되어 이차입자를 형성하고, 일차입자 중 이차입자의 표면부에 위치하는 일차입자의 경우, 표면에 코팅층을 구비하고, 복수개의 결정면으로 형성됨으로써 충방전과정에서 부피변화가 가역적으로 수행되며, 이에 의하여 마이크로크랙 등이 발생하지 않아 사이클 특성이 향상된 것으로 판단된다.That is, in the case of Example 24, along with boron (B) doping, the primary particles formed in the manufacturing process of the metal complex hydroxide are aligned to form secondary particles, and among the primary particles, the primary particles located on the surface of the secondary particles. , a coating layer is provided on the surface, and the volume change is performed reversibly in the charging/discharging process by forming a plurality of crystal planes, and thereby, it is judged that cycle characteristics are improved because microcracks and the like do not occur.
하기, 표 14에서는 실시예 및 비교예에 따른 양극활물질을 양극으로 한 하프셀로 0.5C 정전류로 2.7 V방전, 0.5C 정전류로 4.3 V 충전을 100사이클 진행한 후, 1사이클에 대한 100사이클의 H2-H3의 상전이에 해당하는 피크의 강도를 나타내었다. 상기 H2-H3의 상전이에 해당하는 피크의 강도는 충방전 커브를 1계도 미분 한 그래프인 dQ/dV 커브를 이용하여 확인하였다.In Table 14 below, 100 cycles of 2.7 V discharge at 0.5 C constant current and 4.3 V charge at 0.5 C constant current were performed in a half cell using a positive electrode active material according to Examples and Comparative Examples as a positive electrode, followed by 100 cycles of 1 cycle. The intensity of the peak corresponding to the phase transition of H2-H3 is shown. The intensity of the peak corresponding to the phase transition of H2-H3 was confirmed using the dQ/dV curve, which is a graph obtained by differentiating the charge/discharge curve by one degree.
표 14를 참조하면, 실시예 3과 실시예 4에서 1사이클 대비 100사이클 진행 후 H2-H3의 상전이에 해당하는 피크의 강도(H2/H3 peak retention after 100 cycles [%])가 각각 73.4%, 82.7%임을 확인할 수 있었다. 비교예 5, 비교예 6, 실시예 13 내지 실시예 21을 비교하면, 실시예 13 내지 실시예 21은 40% 이상인 반면, 비교예 5는 38.1%로 낮은 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 실시예 13 내지 실시예 19를 비교하면, 보론의 도핑량이 증가할수록 그 값이 증가함을 확인할 수 있었다. 즉, 보론의 도핑량이 증가할수록, 100사이클 이후에도 1사이클과 유사한 구조를 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 7, 실시예 23, 실시예 24를 비교하여도 유사한 경향을 나타냄을 확인할 수 있었다. Referring to Table 14, in Examples 3 and 4, the intensity of the peak corresponding to the phase transition of H2-H3 after 100 cycles compared to 1 cycle (H2/H3 peak retention after 100 cycles [%]) was 73.4%, respectively, 73.4%, 82.7% was confirmed. Comparing Comparative Example 5, Comparative Example 6, and Examples 13 to 21, Examples 13 to 21 were 40% or more, whereas Comparative Example 5 had a low value of 38.1%. Comparing Examples 13 to 19, it was confirmed that the value increased as the doping amount of boron increased. That is, as the doping amount of boron increased, it was confirmed that the structure similar to that of 1 cycle could be maintained even after 100 cycles. In addition, it was confirmed that Comparative Example 7, Example 23, and Example 24 showed a similar tendency.
하기 표 15에서는 보론과 함께, 다른 도핑원소를 더 추가한 코도핑(co-doping)을 나타내었다.Table 15 below shows co-doping in which other doping elements are further added along with boron.
표 15를 참조하면, 보론과 몰리브덴(실시예 22), 보론과 탄탈륨(실시예 30, 실시예 32), 보론과 니오븀(실시예 31), 보론과 안티몬(실시예 33)으로 코도핑한 경우에도 미세구조가 나타남을 확인할 수 있었으며, 100사이클 이후 용량유지율도 80% 이상으로 보론이 도핑되지 않은 경우보다 우수함을 확인할 수 있었다.Referring to Table 15, when co-doping with boron and molybdenum (Example 22), boron and tantalum (Example 30, Example 32), boron and niobium (Example 31), and boron and antimony (Example 33) It could be confirmed that the microstructure was also present, and the capacity retention rate after 100 cycles was also more than 80%, which was superior to the case in which boron was not doped.
비교예 5, 실시예 15, 실시예 16 및 실시예 22를 비교하면, Ni 90mol%인 경우, 보론의 함량이 증가할수록 용량유지율이 우수하였고, 실시예 16과 실시예 22를 비교하면 총 도핑량이 동일한 경우, 보론과 몰리브덴이 코도핑된 실시예 22가 보론만으로 도핑된 실시예 16보다 용량유지율이 우수함을 확인할 수 있었다. Comparing Comparative Example 5, Example 15, Example 16, and Example 22, in the case of 90 mol% of Ni, the capacity retention rate was excellent as the content of boron increased, and when comparing Example 16 and Example 22, the total doping amount In the same case, it was confirmed that Example 22 co-doped with boron and molybdenum had better capacity retention than Example 16 doped with boron alone.
비교예 13과 실시예 30 내지 실시예 33을 비교하면, 보론과 코도핑된 경우, 코도핑된 도펀트의 종류와 무관하게 모두 미세구조(Refined Structure)를 나타내었고 100사이클 이후에도 우수한 용량유지율을 나타냄을 확인할 수 있었다.Comparing Comparative Example 13 and Examples 30 to 33, when co-doped with boron, they all exhibited a refined structure regardless of the type of co-doped dopant, and exhibited excellent capacity retention rate even after 100 cycles. could check
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are included in the scope of the present invention. should be interpreted
100 : 제1 일차입자
110 : 제1 결정면
120 : 제2 결정면
130 : 제3 결정면
200 : 이차입자100: first primary particle
110: first crystal plane
120: second crystal plane
130: third crystal plane
200: secondary particle
Claims (21)
상기 이차입자의 표면에 구비되는 일차입자의 적어도 일부는 서로 대면하는 한쌍의 제1 결정면을 구비하는 플레이크(flake)형태인 제1 일차입자를 포함하고,
상기 제1 일차입자는 상기 제1 결정면이 방사형 방향으로 배열되고, 상기 한쌍의 제1 결정면의 일단은 상기 제1 결정면과는 다른 결정면이 복수개가 구비되어 한쌍의 제1 결정면의 일단을 연결하고,
상기 제1 일차입자의 종단면은 서로 이격한 한쌍의 제1 결정면과, 상기 한쌍의 제1 결정면의 일단을 연결하는 제2 결정면과 제3 결정면을 포함하고,
상기 제2 및 제3 결정면은 상기 이차입자의 최외면에 구비되되 각도를 갖도록 연결되는 양극활물질.In a positive electrode active material comprising secondary particles consisting of a group of a plurality of primary particles,
At least some of the primary particles provided on the surface of the secondary particles include first primary particles in the form of flakes having a pair of first crystal faces facing each other,
In the first primary particles, the first crystal planes are arranged in a radial direction, and one end of the pair of first crystal planes is provided with a plurality of crystal planes different from the first crystal planes to connect one end of the pair of first crystal planes,
The longitudinal cross-section of the first primary particle includes a pair of first crystal planes spaced apart from each other, and a second crystal plane and a third crystal plane connecting one end of the pair of first crystal planes,
The second and third crystal planes are provided on the outermost surface of the secondary particles, and the positive electrode active material is connected to have an angle.
상기 제1 일차입자는 상기 제1 결정면의 장축인 제1 길이와, 상기 제1 길이에 수직한 상기 제1 결정면의 단축인 제2 길이, 및 상기 한쌍의 제1 결정면 사이의 간격인 제3 길이를 포함하고,
상기 제3 길이는 10nm 내지 400nm인 양극활물질.According to claim 1,
The first primary particles have a first length that is a long axis of the first crystal plane, a second length that is a short axis of the first crystal plane perpendicular to the first length, and a third length that is an interval between the pair of first crystal planes. including,
The third length of the cathode active material is 10nm to 400nm.
상기 제3 길이에 대한 제1 길이의 비는 2 내지 100이고, 상기 제3 길이에 대한 제2 길이의 비는 1.5 내지 80인 양극활물질.3. The method of claim 2,
The ratio of the first length to the third length is 2 to 100, and the ratio of the second length to the third length is 1.5 to 80.
상기 양극활물질은 층상형 삼방정계(Rhombohedral system) 화합물이고,
상기 제1 결정면은 (hkℓ, 여기서, h=0, k=0, ℓ=3n이고, n은 정수이다.)이고,
상기 제1 결정면과, 제2 결정면 및 제3 결정면은 서로 상이하게 구비되는 양극활물질.3. The method of claim 2,
The cathode active material is a layered trigonal system (Rhombohedral system) compound,
The first crystal plane is (hkℓ, where h=0, k=0, ℓ=3n, and n is an integer),
The first crystal plane, the second crystal plane, and the third crystal plane are provided differently from each other.
상기 제2 결정면과 제3 결정면 사이의 각도는 30° 내지 170°인 양극활물질.3. The method of claim 2,
An angle between the second crystal plane and the third crystal plane is 30° to 170°.
상기 양극활물질을 양극으로 이용하고, 리튬금속을 음극으로 이용한 2032 코인형 하프셀(half cell)로,
0.5 C 정전류로 4.3 V까지 충전, 0.5 C 정전류로 2.7 V까지 방전을 100사이클 진행한 후, dQ/dV 커브에서 H2-H3의 상전이에 해당하는 피크의 강도가 1사이클 대비 40% 이상인 양극활물질.According to claim 1,
A 2032 coin-type half cell using the positive electrode active material as a positive electrode and lithium metal as a negative electrode,
After 100 cycles of charging to 4.3 V at 0.5 C constant current and discharging to 2.7 V at 0.5 C constant current, the peak intensity corresponding to the phase transition of H2-H3 in the dQ/dV curve is 40% or more compared to 1 cycle.
상기 일차입자는 니켈(Ni)과, M1 및 M2를 포함하고,
상기 M1는 망간(Mn), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지고,
상기 니켈(Ni)는 65mol%이상이고,
상기 M2는 도핑원소로 0.05mol% 내지 5mol%로 이루어진 양극활물질.According to claim 1,
The primary particles include nickel (Ni) and M1 and M2,
M1 is made of at least one of manganese (Mn), cobalt (Co) and aluminum (Al),
The nickel (Ni) is 65 mol% or more,
The M2 is a doping element, and the positive electrode active material consists of 0.05 mol% to 5 mol%.
상기 M2는,
보론(B); 또는,
보론(B) 및 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 실리콘(Si), 주석(Sn), 지르코늄(Zr), 칼슘(Ca), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 인듐(In), 루테늄(Ru), 텔루륨(Te), 안티모니(Sb), 철(Fe), 크롬(Cr), 바나듐(V) 및 티타늄(Ti) 중 어느 하나 이상;으로 이루어지는 양극활물질.8. The method of claim 7,
The M2 is,
boron (B); or,
boron (B) and tungsten (W), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), niobium (Nb), hafnium (Hf), silicon (Si), tin (Sn), zirconium (Zr), calcium (Ca), Germanium (Ge), gallium (Ga), indium (In), ruthenium (Ru), tellurium (Te), antimony (Sb), iron (Fe), chromium (Cr), vanadium (V) and titanium (Ti) ) of any one or more; cathode active material consisting of.
상기 제2 및 제3 결정면에는, 상기 제2 및 제3 결정면의 적어도 일부를 덮는 보론(B)를 포함하는 코팅층이 구비되는 양극활물질.9. The method of claim 8,
A cathode active material provided with a coating layer including boron (B) covering at least a portion of the second and third crystal planes on the second and third crystal planes.
상기 보론(B)의 농도는,
상기 이차입자에서는 균일하게 구비되고, 상기 코팅층에서는 농도구배를 갖도록 구비되며,
상기 코팅층에서의 보론(B)의 평균농도는 상기 이차입자에서의 보론(B)의 평균농도보다 높게 구비되는 양극활물질.10. The method of claim 9,
The concentration of boron (B) is,
It is provided uniformly in the secondary particles, and is provided to have a concentration gradient in the coating layer,
The positive electrode active material having an average concentration of boron (B) in the coating layer is higher than the average concentration of boron (B) in the secondary particles.
상기 코팅층은 LiBO2, LiB3O5, LiB5O8, α-LiBO2, Li2B2O4, Li2B2O7, Li2B4O7, Li2B6O7, Li2B6O10, Li2B8O13, Li3BO3, Li3B7O12, Li4B2O5, α-Li4B2O5, β-Li4B2O5, Li4B10O17 및 Li6B4O9 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 양극활물질.11. The method of claim 10,
The coating layer is LiBO 2 , LiB 3 O 5 , LiB 5 O 8 , α-LiBO 2 , Li 2 B 2 O 4 , Li 2 B 2 O 7 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 B 6 O 7 , Li 2 B 6 O 10 , Li 2 B 8 O 13 , Li 3 BO 3 , Li 3 B 7 O 12 , Li 4 B 2 O 5 , α-Li 4 B 2 O 5 , β-Li 4 B 2 O 5 , A cathode active material comprising at least one of Li 4 B 10 O 17 and Li 6 B 4 O 9.
상기 양극활물질을 이용한 양극으로 리튬금속을 음극으로 이용한 하프셀(half-cell)로 0.5 C 정전류로 4.3 V까지 충전한 이차입자의 횡단면에서,
서로 이웃하는 일차입자 경계(boundry) 사이에 형성된 공간인 마이크로크랙의 면적은 상기 이차입자의 횡단면의 면적에 대해서 15% 미만으로 구비되는 양극활물질.According to claim 1,
In a cross-section of secondary particles charged to 4.3 V at a constant current of 0.5 C with a half-cell using lithium metal as a negative electrode as a positive electrode using the positive electrode active material,
A positive electrode active material in which an area of microcracks, which is a space formed between neighboring primary particle boundaries, is less than 15% of an area of a cross-section of the secondary particles.
상기 이차입자는 45kV, 40mA 출력을 갖는 장치로, Cu Ka 빔소스를 이용하여 0.0131 스텝 사이즈 간격으로 분당 1도의 스캔 속도로 측정하여 얻은 X 선 회절분석에서, 003 피크의 강도 대 104 피크의 강도의 비는 1.6 내지 2.3인 양극활물질.8. The method of claim 7,
The secondary particle is a device with 45 kV, 40 mA output, and in X-ray diffraction analysis obtained by measuring at a scan rate of 1 degree per minute at 0.0131 step size intervals using a Cu Ka beam source, the intensity of the 003 peak versus the intensity of the 104 peak A positive electrode active material having a ratio of 1.6 to 2.3.
상기 도핑원소의 함량이 증가할수록 상기 003 피크의 강도 대 104 피크의 강도의 비는 감소하는 양극활물질.14. The method of claim 13,
As the content of the doping element increases, the ratio of the intensity of the 003 peak to the intensity of the 104 peak decreases.
상기 이차입자는 중심부와 표면부를 갖는 구형으로 구비되고,
상기 제1 일차입자는 상기 제1 결정면이 상기 중심부에서 상기 표면부를 향하는 방향으로 구비되며,
상기 제1 일차입자에서 상기 제2 및 제3 결정면은 상기 이차입자의 표면부에 구비되어 상기 이차입자의 표면부의 최외면은 상기 제2 및 제3 결정면에 의하여 요철구조를 형성하는 양극활물질.According to claim 1,
The secondary particles are provided in a spherical shape having a central portion and a surface portion,
The first primary particles are provided in a direction in which the first crystal plane faces the surface portion from the central portion,
In the first primary particle, the second and third crystal planes are provided on a surface portion of the secondary particle, and an outermost surface of the surface portion of the secondary particle forms a concave-convex structure by the second and third crystal planes.
상기 이차입자는, 아래의 <화학식 1>로 표시되고,
상기 이차입자의 표면부에는 상기 제2 및 제3 결정면의 적어도 일부를 덮는 코팅층을 더 포함하는 양극활물질.
<화학식 1>
LiaMxDyO2
(M은 Ni, Co, Mn, 또는 Al 중에서 적어도 어느 하나이고, D는 B 단독으로 이루어지거나, B와 W, Mo, Nb, Ta, Sb 중 어느 하나가 코도핑(co-doping)되어 이루어지는 도핑원소이고, 0.9<a<1.1 이고, x+y = 1 이고, 0.95<x<1, 0<y<0.05 이다.)16. The method of claim 15,
The secondary particles are represented by the following <Formula 1>,
The positive electrode active material further comprising a coating layer covering at least a portion of the second and third crystal planes on the surface of the secondary particles.
<Formula 1>
Li a M x D y O 2
(M is at least any one of Ni, Co, Mn, or Al, and D is B alone, or B and any one of W, Mo, Nb, Ta, and Sb is co-doped. element, 0.9<a<1.1, x+y = 1, 0.95<x<1, 0<y<0.05)
상기 제1 일차입자는 상기 제1 결정면의 장축인 제1 길이와, 상기 제1 길이에 수직한 상기 제1 결정면의 단축인 제2 길이, 및 상기 한쌍의 제1 결정면 사이의 간격인 제3 길이를 포함하고,
상기 도핑원소는 0.05mol% 내지 5mol%로 구비되되, 상기 도핑원소의 농도가 증가할수록, 상기 제1 일차입자의 제1 길이는 증가되고, 상기 제3 길이는 감소되는 양극활물질.17. The method of claim 16,
The first primary particles have a first length that is a long axis of the first crystal plane, a second length that is a short axis of the first crystal plane perpendicular to the first length, and a third length that is an interval between the pair of first crystal planes. including,
The doped element is provided in an amount of 0.05 mol% to 5 mol%, and as the concentration of the doping element increases, the first length of the first primary particles increases and the third length decreases.
상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되고,
상기 중대형 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그 인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전지팩.A battery pack comprising the battery module according to claim 20,
The battery pack is used as a power source for medium and large devices,
The medium and large device is a battery pack selected from the group consisting of an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a system for power storage.
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