KR102478973B1 - Composite positive electrode active material with strong superstructure, preparing method for the same, positive electrtode including the same, and lithium ion battery including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 양극활물질은 종래의 리튬과량 양극활물질에 비해 높은 방전용량을 얻을 수 있는 것으로, 하기 [화학식 1]로 표시되는 과량의 리튬을 포함하는 조성을 가지고, 결정구조에 있어서 층상 구조를 이루며, X선 회절 분석 시, 18.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(20)/I(18)이 0.1 이상이고, 20.x°에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 22.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(22)/I(20)이 0.78 이상인 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
x(Li2MO3) + (1-x)LiMeO2
(여기서, 0<x<1이며, M 또는 Me는 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir 및 Mo를 포함하는 3d, 4d, 5d 전이금속 또는 비전이금속의 1종 이상이고, M과 Me는 서로 동일하거나 상이할 수 있음)
The positive electrode active material according to the present invention can obtain a higher discharge capacity than conventional positive electrode active materials with excess lithium, has a composition containing excess lithium represented by the following [Formula 1], and has a layered structure in the crystal structure, In X-ray diffraction analysis, I (20 )/I(18) is 0.1 or more, and I(22)/ is the ratio of the peak intensity at 22.y° (y = 1 to 9.9) to the peak intensity at 20.x° It is characterized in that I (20) is 0.78 or more.
[Formula 1]
x(Li 2 MO 3 ) + (1-x)LiMeO 2
(Where 0<x<1, M or Me is one of 3d, 4d, 5d transition metals or non-transition metals including Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir, and Mo above, and M and Me may be the same or different from each other)

Description

강화된 초격자 피크를 가지는 복합양극활물질, 그 제조방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬이온전지 {Composite positive electrode active material with strong superstructure, preparing method for the same, positive electrtode including the same, and lithium ion battery including the same}Composite positive electrode active material with strong superstructure, preparing method for the same, positive electrode including the same, and lithium ion battery including the same}

본 발명은 강화된 초격자 피크를 가지는 복합양극활물질과, 이 활물질의 제조방법과, 상기 활물질을 포함하는 양극과 이 양극을 포함하는 리튬이온전지에 관한 것이다.The present invention relates to a composite cathode active material having an enhanced superlattice peak, a method for manufacturing the active material, a cathode containing the active material, and a lithium ion battery including the cathode.

최근 들어 전기 자동차 시장 규모가 폭발적으로 증가함에 따라, 전기 자동차에 사용되는 리튬 기반 에너지 저장 장치와 관련하여, 고용량 특성을 가지는 리튬이온전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Recently, as the size of the electric vehicle market has exploded, research on lithium ion batteries having high capacity characteristics has been actively conducted in relation to lithium-based energy storage devices used in electric vehicles.

이러한 리튬이온전지에 이용되는 양극활물질로는 층상 구조를 갖는 리튬 전이금속 산화물이 주로 이용된다. 이러한 층상 구조를 갖는 리튬 전이금속 산화물은 전기 자동차에 사용되기에는 에너지 용량이 아직까지 만족할 만한 수준에 이르지 못하여 이에 대한 개선이 요구된다.A lithium transition metal oxide having a layered structure is mainly used as a cathode active material used in such a lithium ion battery. Lithium transition metal oxides having such a layered structure have not yet reached a satisfactory level of energy capacity for use in electric vehicles, and improvement thereof is required.

최근들어, 고용량을 얻기 위한 양극활물질로 과량의 리튬을 포함하는 소위 리튬 과량 층상구조 복합 활물질이 주목 받고 있다. 이 물질에는 과량의 리튬이 포함됨에 따라 상대적으로 리튬이 많은(Li-rich) 영역과 리튬이 적은(Li-dilute) 영역이 존재하게 된다. 이와 같이 리튬 과량 층상구조 복합 활물질은 층상구조 내에 리튬이 더 많은 영역은 Li2MO3, 더 적은 영역은 LiMeO2 의 복합체로 존재하게 된다.Recently, a so-called lithium-excessive layered composite active material containing an excess of lithium as a cathode active material for obtaining a high capacity has attracted attention. As the material contains an excessive amount of lithium, a relatively lithium-rich region and a relatively low-lithium (Li-dilute) region exist. In this way, in the layered structure composite active material having an excess of lithium, the region with more lithium in the layered structure is a composite of Li 2 MO 3 and the region with less lithium is LiMeO 2 .

한편, 고용량을 위해서는 사용 가능한 리튬 양 뿐만 아니라 전자의 양을 늘리는 것이 필수적이다. 그런데 리튬 과량 층상구조 복합 활물질의 경우, 전자의 공급과 방출을 양이온뿐만 아니라 음이온에서도 사용하고 있다. 상대적으로 리튬이 많은 Li2MO3 에서 Li-O-Li 결합에 의한 산소 반응이 일어날 수 있게 되고, 일반적으로 Li2MO3 상은 적층 결함(stacking fault)을 가지고 있으며, 이로 인해 초격자(super-structure)가 변하게 되고, 이것이 Li2MO3 상의 전기화학적 활성도에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. On the other hand, for high capacity, it is essential to increase the amount of electrons as well as the amount of usable lithium. However, in the case of a lithium-excessive layered composite active material, not only cations but also anions are used for electron supply and emission. Oxygen reaction by Li-O-Li bonding can occur in Li 2 MO 3 with relatively much lithium, and in general, the Li 2 MO 3 phase has a stacking fault, which causes a super-lattice (super-lattice). structure) is changed, and it is known that this affects the electrochemical activity of the Li 2 MO 3 phase.

또한, 리튬 과량 층상구조 복합 활물질의 경우, 첫 충전 고전압(약 4.5V)에서 Li2MO3 에 의한 산소 발생이 필수적으로 알려져 있으며, 산소 발생에 따라 구조적인 변화가 심해져 많은 양의 비가역 용량이 발생하는 문제점이 있다.In addition, in the case of lithium-excessive layered composite active materials, it is known that oxygen generation by Li 2 MO 3 is essential at the first charging high voltage (about 4.5V), and a large amount of irreversible capacity occurs due to severe structural changes according to oxygen generation There is a problem with

따라서, 리튬이온전지에 사용되는 양극재의 용량을 증가시키기 위해서는 비가역 용량을 줄여야 하며, 산소 발생에도 구조적으로 안정한 양극재가 필요하다.Therefore, in order to increase the capacity of a cathode material used in a lithium ion battery, an irreversible capacity must be reduced, and a cathode material that is structurally stable even when oxygen is generated is required.

대한민국공개특허공보 제2011-0118225호Korean Patent Publication No. 2011-0118225

본 발명의 과제는, 종래의 리튬 과량 복합산화물로 이루어진 양극활물질에 비해, 충전 시 고전압(약 4.5V)에서 산소 방출 반응을 억제하여 음이온 반응을 극대화할 수 있게 되어, 높은 방전 용량을 얻을 수 있는 복합양극활물질, 이 복합양극활물질을 포함하는 양극과, 이 양극을 포함하는 리튬이온전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to maximize the anion reaction by suppressing the oxygen release reaction at a high voltage (about 4.5V) during charging, compared to the conventional cathode active material composed of an excess lithium composite oxide, thereby obtaining a high discharge capacity. It is to provide a composite cathode active material, a cathode containing the composite cathode active material, and a lithium ion battery containing the cathode.

본 발명의 다른 과제는, 종래의 리튬 과량 복합산화물로 이루어진 양극활물질에 비해, 리튬층과 전이금속층 간의 적층이 규칙적으로 배열된 정도가 높은 복합양극활물질을 저비용으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method capable of producing a composite cathode active material having a high degree of regularly arranged stacking between a lithium layer and a transition metal layer at low cost, compared to a conventional cathode active material composed of an excess lithium composite oxide. .

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 측면은, 하기 [화학식 1]로 표시되는 과량의 리튬을 포함하는 조성을 가지고, 결정구조에 있어서 층상 구조를 이루며, X선 회절 분석 시, 18.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(20)/I(18)이 0.1 이상이고, 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 22.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(22)/I(20)이 0.78 이상인, 양극활물질을 제공하는 것이다.The first aspect of the present invention for solving the above problems has a composition containing excess lithium represented by the following [Formula 1], has a layered structure in the crystal structure, and upon X-ray diffraction analysis, 18.y ° The ratio of the peak intensity appearing at 20.x° (x = 1 ~ 9.9) to the peak intensity appearing at (y = 1 ~ 9.9), I(20) / I(18), is 0.1 or more , I(22)/I(20), which is the ratio of the peak intensity at 22.y° (y = 1 to 9.9) to the peak intensity at 20.x° (x = 1 to 9.9) ) is 0.78 or more, to provide a positive electrode active material.

[화학식 1][Formula 1]

x(Li2MO3) + (1-x)LiMeO2 x(Li 2 MO 3 ) + (1-x)LiMeO 2

(여기서, 0<x<1이며, M 또는 Me는 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir 및 Mo를 포함하는 3d, 4d, 5d 전이금속 또는 비전이금속의 1종 이상이고, M과 Me는 서로 동일하거나 상이할 수 있음)(Where 0<x<1, M or Me is one of 3d, 4d, 5d transition metals or non-transition metals including Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir, and Mo above, and M and Me may be the same or different from each other)

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 2 측면은, 집전체와, 상기 집전체 상에 형성되며 상기 양극활물질을 포함하는 활물질층을 포함하는 양극을 제공하는 것이다.A second aspect of the present invention for solving the above problems is to provide a positive electrode including a current collector and an active material layer formed on the current collector and including the positive electrode active material.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 3 측면은, 상기한 양극활물질을 포함하는 양극과, 상기 양극에 대해 소정 간격 떨어져 배치된 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 전해질을 포함하는, 리튬이온전지를 제공하는 것이다.A third aspect of the present invention for solving the above problems is a lithium, comprising a positive electrode including the positive electrode active material, a negative electrode disposed at a predetermined distance from the positive electrode, and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. It is to provide an ion battery.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 4 측면은, 판상 또는 구상의 1차 입자가 뭉쳐서 구상의 형상을 이루는 2차 입자로 이루어진 전이금속 전구체를 제조하는 단계, 상기 전이금속 전구체와 리튬 전구체를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, 상기 혼합물을 열처리로에 집어넣어 공기 분위기에서 열처리하는 단계 및 상기 열처리된 물질을 급속 냉각(Quenching) 하는 단계를 포함하고, 상기 단계들을 통해 제조된 물질은, 하기 [화학식 1]로 표시되는 과량의 리튬을 포함하는 조성을 가지고, 결정구조에 있어서 층상 구조를 이루며, X선 회절 분석 시, 18.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(20)/I(18)이 0.1 이상이고, 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 22.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(22)/I(20)이 0.78 이상인, 복합양극활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.A fourth aspect of the present invention for solving the above other problems is to prepare a transition metal precursor composed of secondary particles forming a spherical shape by aggregating plate-shaped or spherical primary particles, the transition metal precursor and the lithium precursor Mixing to prepare a mixture, heat treatment in an air atmosphere by putting the mixture into a heat treatment furnace, and rapid cooling (quenching) of the heat-treated material, the material produced through the steps, the following [ It has a composition containing excess lithium represented by Formula 1], has a layered structure in the crystal structure, and in X-ray diffraction analysis, for the peak intensity appearing at 18.y ° (y = 1 ~ 9.9) I(20)/I(18), the ratio of the peak intensity appearing at 20.x° (x = 1 to 9.9), is 0.1 or more, and the peak appears at 20.x° (x = 1 to 9.9) ( To provide a method for producing a composite cathode active material in which I(22)/I(20), which is the ratio of peak intensity appearing at 22.y ° (y = 1 to 9.9) to peak) intensity, is 0.78 or more.

[화학식 1][Formula 1]

x(Li2MO3) + (1-x)LiMeO2 x(Li 2 MO 3 ) + (1-x)LiMeO 2

(여기서, 0<x<1이며, M 또는 Me는 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir 및 Mo를 포함하는 3d, 4d, 5d 전이금속 또는 비전이금속의 1종 이상이고, M과 Me는 서로 동일하거나 상이할 수 있음)(Where 0<x<1, M or Me is one of 3d, 4d, 5d transition metals or non-transition metals including Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir, and Mo above, and M and Me may be the same or different from each other)

종래의 리튬 과량 층상구조 복합 활물질의 경우, 첫 번째 사이클은 Li2MnO3에 의한 활성화(activation) 과정이라고 하며, 이때 많은 양의 산소 방출에 의해 높은 비가역 용량을 나타낸다. 첫 번째 사이클에서의 활성화 과정이 끝나게 되면 두 번째 사이클부터 추가적인 산소 방출 없이 음이온 반응(anion redox)이 가역적으로 일어날 수 있게 된다. 즉, 첫 번째 사이클에서 산소 방출(oxygen release)에 의한 비가역 용량을 제외한 용량을 가역적으로 두 번째 사이클부터 얻을 수 있게 된다. 그러므로 첫 번째 사이클에서 비가역 용량을 줄이는 것이 사이클이 진행됨에 따라 높은 충방전 용량을 얻을 수 있고, 나아가 상기 양극활물질의 에너지 용량을 향상시키는데 중요하다.In the case of a conventional lithium-excessive layered composite active material, the first cycle is called an activation process by Li 2 MnO 3 , and at this time, high irreversible capacity is exhibited due to the release of a large amount of oxygen. When the activation process in the first cycle is completed, anion redox can occur reversibly from the second cycle without additional oxygen release. That is, the capacity excluding the irreversible capacity due to oxygen release in the first cycle can be reversibly obtained from the second cycle. Therefore, reducing the irreversible capacity in the first cycle is important to obtain a high charge/discharge capacity as the cycle progresses and to further improve the energy capacity of the positive electrode active material.

본 발명에 따른 양극활물질은, 종래의 리튬 과량 복합산화물로 이루어진 양극활물질에 비해 리튬층과 전이금속층 간의 적층이 규칙적으로 배열된 정도가 높다. 이에 따라, 본 발명에 따른 양극활물질을 포함하는 양극을 구비하는 리튬이온전지는, 충전 시 고전압(약 4.5V)에서 산소 방출 반응을 억제하여 음이온 반응을 극대화할 수 있게 되어, 종래의 물질에 비해 같은 충전 용량에도 비가역 용량을 줄여 높은 방전 용량을 얻을 수 있다.In the cathode active material according to the present invention, the regularity of the stacking between the lithium layer and the transition metal layer is higher than that of a conventional cathode active material composed of a composite oxide having an excess of lithium. Accordingly, the lithium ion battery having a positive electrode including the positive electrode active material according to the present invention can maximize the anion reaction by suppressing the oxygen release reaction at a high voltage (about 4.5V) during charging, compared to conventional materials. Even with the same charging capacity, high discharge capacity can be obtained by reducing the irreversible capacity.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 종래의 리튬 과량 복합산화물로 이루어진 양극활물질에 비해 리튬층과 전이금속층 간의 적층이 규칙적으로 배열된 정도가 높은 양극활물질을 저비용으로 용이하게 얻을 수 있다.According to the method according to the present invention, it is possible to easily obtain a positive electrode active material having a high degree of regularly arranged stacking between a lithium layer and a transition metal layer at low cost, compared to a conventional positive electrode active material composed of a lithium-excessive composite oxide.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 과량 층상구조 복합 활물질의 합성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 비교예에 따른 리튬 과량 층상구조 복합 활물질의 합성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전이금속 전구체(판상)을 나타낸 것이다.
도 4는 비교예에 따라 제조된 전이금속 전구체(구상)을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 과랑 층상구조 복합 활물질의 X선 회절패턴(XRD)을 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 과랑 층상구조 복합 활물질의 전기화학적 특성인 첫 충방전 그래프와 이에 대한 전압/용량 곡선(dQ/dV plot) 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating a method for synthesizing a lithium-excess layered composite active material according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method for synthesizing a lithium-excess layered composite active material according to a comparative example.
3 shows a transition metal precursor (plate shape) prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows a transition metal precursor (spherical) prepared according to a comparative example.
Figure 5 shows the X-ray diffraction pattern (XRD) of the layered structure composite active material with lithium and prepared according to Examples and Comparative Examples.
6 is a first charge/discharge graph and a graph of a voltage/capacity curve (dQ/dV plot) thereof, which are electrochemical characteristics of the lithium-furnace layered composite active material prepared according to Examples and Comparative Examples.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation of embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

본 발명에 따른 양극활물질은, 하기 [화학식 1]로 표시되는 과량의 리튬을 포함하는 조성을 가지고, 결정구조에 있어서 층상 구조를 이루며, X선 회절 분석 시, 18.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(20)/I(18)이 0.1 이상이고, 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 22.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(22)/I(20)이 0.78 이상인 것을 특징으로 한다.The cathode active material according to the present invention has a composition containing excess lithium represented by the following [Chemical Formula 1], forms a layered structure in crystal structure, and upon X-ray diffraction analysis, 18.y ° (y = 1 to 9.9 ), the ratio of the peak intensity appearing at 20.x ° (x = 1 ~ 9.9) to the peak intensity appearing at I (20) / I (18) is 0.1 or more, and 20.x ° ( Characterized in that I(22)/I(20), the ratio of the peak intensity appearing at 22.y° (y=1-9.9) to the peak intensity appearing at x=1-9.9, is 0.78 or more to be

[화학식 1][Formula 1]

x(Li2MO3) + (1-x)LiMeO2 x(Li 2 MO 3 ) + (1-x)LiMeO 2

(여기서, 0<x<1이며, M 또는 Me는 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir 및 Mo를 포함하는 3d, 4d, 5d 전이금속 또는 비전이금속의 1종 이상이고, M과 Me는 서로 동일하거나 상이할 수 있음)(Where 0<x<1, M or Me is one of 3d, 4d, 5d transition metals or non-transition metals including Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir, and Mo above, and M and Me may be the same or different from each other)

본 발명과 같이, 층상 구조를 가지면서 X선 회절 분석 시에, I(20)/I(18)의 비율과, I(22)/I(20)의 비율을 상기 수치 범위를 동시에 충족하는 것은, 종래의 리튬 과량 층상구조 복합산화물에 비해 리튬층과 전이금속층의 적층이 규칙적으로 배열된 정도가 높다는 것을 의미한다.As in the present invention, while having a layered structure and performing X-ray diffraction analysis, the ratio of I (20) / I (18) and the ratio of I (22) / I (20) simultaneously satisfy the above numerical range , This means that the regular arrangement of the lithium layer and the transition metal layer is higher than that of the conventional lithium-excessive layered composite oxide.

한편, '18.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크'는 2θ가 18.1°에서 18.99°사이에 위치하는 피크를 의미하고, 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크는 2θ가 20.1°에서 20.99°사이에 위치하는 피크를 의미하며, 22.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크는 2θ가 22.1°에서 22.99°사이에 위치하는 피크를 의미한다.On the other hand, 'peak appearing at 18.y° (y = 1 ~ 9.9)' means the peak where 2θ is located between 18.1° and 18.99°, and the peak appearing at 20.x° (x = 1 ~ 9.9) 2θ means a peak located between 20.1 ° and 20.99 °, and a peak appearing at 22.y ° (y = 1 to 9.9) means a peak with 2θ located between 22.1 ° and 22.99 °.

이와 같이 결정구조에 있어서 규칙적으로 배열된 적층이 많아지게 되며, 산소의 산화/환원 반응의 안정성을 높여, 같은 양의 탈리된 리튬 양(충전용량)에도 불구하고 더 많은 양의 리튬을 양극재 내에 삽입할 수 있게 되어, 종래의 리튬과량 복합산화물에 비해 같은 충전 용량에도 비가역 용량을 줄여 높은 방전 용량을 얻을 수 있게 된다.In this way, there are many regularly arranged stacks in the crystal structure, and the stability of the oxidation/reduction reaction of oxygen is increased, so that a larger amount of lithium is stored in the cathode material despite the same amount of desorbed lithium (charging capacity). Since it can be inserted, it is possible to obtain a high discharge capacity by reducing the irreversible capacity even with the same charging capacity compared to the conventional lithium-excessive composite oxide.

또한, 상기 양극활물질에 있어서, X선 회절 분석에 의하여 구해지는 2θ가 20°~ 22°에서의 초격자(superlattice)의 최대 피크인 첫 번째 (020) 피크의 반가폭(Full width at Half-maximum; FWHM)은 0.13°~0.18°이고, 두 번째 피크의 반가폭이 0.13°~0.18° 일 수 있다.In addition, in the cathode active material, 2θ obtained by X-ray diffraction analysis is the full width at half-maximum of the first (020) peak, which is the maximum peak of the superlattice at 20 ° to 22 ° ; FWHM) may be 0.13 ° to 0.18 °, and the full width at half maximum of the second peak may be 0.13 ° to 0.18 °.

본 발명에 따른 양극은, 집전체와 이 집전체 상에 형성되는 상기한 양극활물질층을 포함하여 이루어질 수 있다.The positive electrode according to the present invention may include a current collector and the positive electrode active material layer formed on the current collector.

상기 집전체는 전도성이 좋은 금속 집전체가 사용될 수 있으며, 예를 들어 알루미늄 박(foil)이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The current collector may be a metal current collector having good conductivity, for example, an aluminum foil may be used, but is not necessarily limited thereto.

상기 양극활물질층은, 상기한 조성을 갖는 양극활물질 분말과, 도전재, 결합제 및 용매가 혼합된 형태의 조성물로 준비되고 성형되어 상기 금속 집전체 상에 라미네이션(lamination)되거나, 상기 금속 집전체에 코팅되는 형태로 양극이 제조될 수 있다. 그러나 상기 열거된 방법에 한정되는 것은 아니고 상기 방법 이외의 형태일 수도 있다.The cathode active material layer is prepared and molded from a composition in which a cathode active material powder having the above composition, a conductive material, a binder, and a solvent are mixed, and then laminated on the metal current collector or coated on the metal current collector. A positive electrode can be manufactured in the form of However, it is not limited to the above-listed methods, and forms other than the above methods may be used.

상기 도전재로는 카본블랙, 흑연미립자 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 도전재로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등으로 이루어진 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.Carbon black, graphite fine particles, etc. may be used as the conductive material, but are not limited thereto, and any material that can be used as a conductive material in the art may be used. For example, graphite, such as natural graphite and artificial graphite; carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, farnes black, lamp black, and summer black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as aluminum and nickel powder; conductive whiskers made of zinc oxide, potassium titanate, and the like; conductive metal oxides such as titanium oxide; and conductive materials such as polyphenylene derivatives.

상기 결합제로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물 또는 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 결합제로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.Examples of the binder include vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene and mixtures thereof, or styrene butadiene rubber-based polymers. This may be used, but is not limited thereto, and any that can be used as a binder in the art may be used.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤 또는 물 등이 사용될 수 있으나, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 상기 양극활물질, 도전제, 결합제 및 용매의 함량은 리튬이온전지에 요구되는 특성에 맞추어 그 함량이 조절될 수 있으며, 필요에 따라서는 하나 이상을 사용하지 않을 수도 있다.N-methylpyrrolidone, acetone, or water may be used as the solvent, but it is not limited thereto, and any solvent that can be used in the art may be used. The contents of the positive electrode active material, conductive agent, binder, and solvent may be adjusted according to characteristics required for a lithium ion battery, and if necessary, one or more may not be used.

본 발명은, 상기 양극과, 상기 양극에 대해 소정 간격 떨어져 배치된 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 전해질을 포함하는, 리튬이온전지를 제공한다.The present invention provides a lithium ion battery comprising the positive electrode, a negative electrode disposed at a predetermined distance from the positive electrode, and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode.

상기 음극은, 집전체와 이 집전체 상에 형성되는 음극 활물질층을 포함하여 이루어질 수 있다.The negative electrode may include a current collector and a negative active material layer formed on the current collector.

상기 음극 활물질층은, 음극 활물질 분말, 도전재, 결합제 및 용매를 혼합하여 준비된 후, 금속 집전체 상에 직접 코팅되어 건조되거나, 음극활물질 조성물을 별도의 기판 상에 캐스팅한 후 기판으로부터 분리하여 금속 집전체 상에 라미네이션하는 방법으로 제조될 수 있다.The anode active material layer is prepared by mixing anode active material powder, a conductive material, a binder, and a solvent, and then directly coated on a metal current collector and dried, or the anode active material composition is cast on a separate substrate and then separated from the substrate to form a metal It may be manufactured by a method of lamination on a current collector.

상기 음극 활물질로는 리튬이온전지에 사용되어, 리튬 이온의 가역적 삽입/탈리가 가능한 물질이라면 특별하게 제한되지 않으며, 예를 들어, 리튬 금속, 리튬 합금, 탄소계 물질 등이 있다. 상기 리튬 이온을 가역적으로 삽입 및 탈리할 수 있는 물질로는 탄소계 물질로서, 종래의 리튬이온전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물이다. 상기 결정질 탄소는 예를 들어 무정형, 판상, 플레이크상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연; 또는 인조 흑연이며, 상기 비정질 탄소는 예를 들어 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본 (hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등일 수 있다. 상기 음극활물질, 도전재, 결합제 및 용매의 함량은 리튬이온전지의 용도 및 구성에 따라 상기 도전재, 결합제 및 용매의 함량이 조절되거나 일부 성분이 생략될 수 있다.The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is used in a lithium ion battery and is capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, and examples thereof include lithium metal, lithium alloys, and carbon-based materials. The material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions is a carbon-based material, and any carbon-based negative electrode active material generally used in a conventional lithium ion battery may be used. For example, crystalline carbon, amorphous carbon or mixtures thereof. The crystalline carbon may be, for example, natural graphite in amorphous, platy, flake, spherical or fibrous form; or artificial graphite, and the amorphous carbon may be, for example, soft carbon (low-temperature calcined carbon) or hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, or the like. The contents of the negative electrode active material, conductive material, binder, and solvent may be adjusted according to the use and configuration of the lithium ion battery, or some components may be omitted.

상기 분리막은, 전해질에 포함된 이온의 이동에 대하여 저항이 낮으면서도 전해액의 함습 특성이 양호한 것이 바람직하다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하며, 리튬 이온 전지에 많이 사용되는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 있을 수 있다.The separator preferably has low resistance to the movement of ions included in the electrolyte and has good moisture absorption characteristics of the electrolyte solution. Such a separator is, for example, selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and may be in the form of a non-woven fabric or a woven fabric, and may be used for lithium ion batteries. There may be polyethylene, polypropylene, etc., which are widely used in

상기 전해질은 비수계 전해질로 바람직하게 유기물로 이루어질 수 있으며, 상기 유기물에는 리튬염이 유기용매에 용해되어 있을 수 있다.The electrolyte is a non-aqueous electrolyte and may preferably be made of an organic material, and a lithium salt may be dissolved in an organic solvent in the organic material.

상기 유기용매는 이 기술분야에서 유기 용매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 또는 이들의 혼합물 등이다.The organic solvent may be used as long as it can be used as an organic solvent in this technical field. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate , benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide , dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, diethylene glycol, dimethyl ether, or mixtures thereof.

또한, 상기 전해질은 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등의 고체 전해질일 수 있다. 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.In addition, the electrolyte may be a solid electrolyte such as an organic solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte. When a solid electrolyte is used, the solid electrolyte may also serve as a separator.

상기 양극, 음극, 분리막 및 전해질은, 리튬이온전지의 일반적인 제조방법인, 예를 들어 케이스(case)에 수용되어 최종적으로 전지로 만들어진다. 이때, 상기 양극, 음극 및 분리막은 적층되어 와인딩하거나, 다층으로 폴딩하는 방법으로 케이스에 수용한 후, 케이스 내에 전해질을 주입하여 밀봉하는 방법으로 제조된다. 상기 케이스의 재질은 금속, 플라스틱 등 다양한 재료의 물질이 사용될 수 있고, 케이스의 형태도, 원통형, 각형, 파우치형 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.The positive electrode, the negative electrode, the separator, and the electrolyte are accommodated in a case, which is a general manufacturing method of a lithium ion battery, and finally made into a battery. At this time, the positive electrode, the negative electrode, and the separator are manufactured by a method of stacking, winding, or folding in multiple layers to accommodate them in a case, and then injecting electrolyte into the case to seal them. The material of the case may be made of various materials such as metal and plastic, and the shape of the case may also be made in various forms such as a cylindrical shape, an angular shape, and a pouch shape.

본 발명에 따른 양극활물질의 제조방법은, 도 1에 도시된 것과 같이, 전이금속 전구체를 제조하는 단계(단계 1)와, 상기 전이금속 전구체와 리튬 전구체를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 2)와, 상기 혼합물을 열처리로에 장입하여 공기 분위기에서 열처리하는 단계(단계 3)와, 열처리된 물질을 급속 냉각(Quenching)하는 단계(단계 4)를 포함하여 상기 [화학식 1]의 조성물을 제조하는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 1, the method for producing a cathode active material according to the present invention includes preparing a transition metal precursor (step 1) and mixing the transition metal precursor and a lithium precursor to prepare a mixture (step 2). ), preparing the composition of [Formula 1], including the step of charging the mixture into a heat treatment furnace and heat-treating it in an air atmosphere (step 3), and rapidly cooling the heat-treated material (step 4) It is characterized by doing.

본 발명에 따른 방법은, 특히 상기 단계 1에서 전이금속 전구체의 형상 제어를 통해, 최종적으로 제조되는 복합산화물에 있어서 리튬층과 전이금속층의 적층 배열의 규칙성을 높이도록 제어하는데 특징이 있다.The method according to the present invention is characterized in that, in particular, in step 1, through control of the shape of the transition metal precursor, the regularity of the stacked arrangement of the lithium layer and the transition metal layer is increased in the final composite oxide.

또한, 전이금속 전구체는, 바람직하게, 판상 (plate-like) 형태를 가지는 다수의 1차 입자가 뭉쳐져 대략 구형의 형상을 이루는 2차 입자를 포함할 수 있다.In addition, the transition metal precursor may preferably include secondary particles having a substantially spherical shape by aggregating a plurality of primary particles having a plate-like shape.

전이금속 전구체의 제조단계에서는 1종 이상의 전이금속을 포함하는 수산화물을 제조한다. 이때, 전이금속의 배열이 균일하게 배열되는 수산화물을 제조하기 위하여 다음과 같은 단계를 포함하는 공정을 수행할 수 있다.In the step of preparing the transition metal precursor, a hydroxide containing at least one transition metal is prepared. At this time, a process including the following steps may be performed in order to prepare a hydroxide having a uniform array of transition metals.

반응기 내에 증류수, 암모니아수 및 수산화나트륨을 투입하고 기체를 주입하여 혼합하는 단계(단계 1-1)와, 전이 금속을 포함하는 수용액과 반응기 내의 pH를 조절하기 위한 용액을 상기 반응기 내에 투입하여 반응시키는 단계(단계 1-2)와, 상기 반응에 의해 생성된 침전물을 여과하는 단계(단계 1-3)을 포함하여 이루어진다.Injecting distilled water, ammonia water, and sodium hydroxide into the reactor and mixing them by injecting gas (step 1-1), and introducing an aqueous solution containing a transition metal and a solution for adjusting the pH in the reactor into the reactor and reacting the mixture (step 1-2) and filtering the precipitate produced by the reaction (step 1-3).

상기 단계 1-1에서 주입되는 기체에 따라 형성되는 전이금속 전구체의 형상이 달라질 수 있는데, 예를 들어 질소를 사용할 경우 판상(plate-like)이 형성되고, 공기를 사용할 경우 구상(sphere-like)이 형성될 수 있다.The shape of the transition metal precursor formed may vary depending on the gas injected in step 1-1. For example, a plate-like shape is formed when nitrogen is used, and a sphere-like shape is formed when air is used. can be formed.

상기 단계 2는 상기와 같은 공정으로 제조된 전이금속 전구체와 리튬 전구체를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계이다.Step 2 is a step of preparing a mixture by mixing the transition metal precursor and the lithium precursor prepared in the above process.

이를 위해 먼저, 예를 들어, 아세톤 용매에 리튬 전구체와 전이금속 전구체를 투입한 후 볼밀과 같은 혼합공정을 이용하여 혼합하는 단계(단계 2-1)를 수행할 수 있다. 예를 들어 볼밀 공정을 적용할 경우 4시간 ~ 24시간 동안 수행되는 것이 균질한 혼합물을 얻을 수 있어 바람직하다. 한편, 상기 혼합에 사용되는 용매는 각 전구체를 적절하게 용해할 수 있고 균일한 혼합물을 제조할 수 있도록 하는 것이라면 특별히 제한이 없으며, 단순한 혼합을 통해 균질한 전구체 혼합물이 형성될 수 있다면, 볼밀 공정을 사용하지 않고 단순 교반(stirring) 공정을 적용해도 된다.To this end, first, for example, a step (step 2-1) of adding a lithium precursor and a transition metal precursor to an acetone solvent and then mixing them using a mixing process such as a ball mill (step 2-1) may be performed. For example, when a ball mill process is applied, it is preferable to perform it for 4 hours to 24 hours because a homogeneous mixture can be obtained. On the other hand, the solvent used for the mixing is not particularly limited as long as it can properly dissolve each precursor and prepare a uniform mixture, and if a homogeneous precursor mixture can be formed through simple mixing, the ball mill process A simple stirring process may be applied without using it.

다음으로, 핫플레이트를 이용하여 상기 혼합물 용액을 가열하여 용매를 제거하는 단계(단계 2-2)를 수행할 수 있다. 가열온도는 예를 들어 약 100℃ 정도까지 가열하는 것이 바람직한데, 이보다 높은 온도로 가열하게 되면 용매가 제거되는 것 이외에도 전구체 혼합물에서 상(phase)이 생성될 수 있어 바람직하지 않기 때문이다.Next, the step of removing the solvent by heating the mixture solution using a hot plate (step 2-2) may be performed. The heating temperature is preferably heated to, for example, about 100 ° C., but heating to a higher temperature is not preferable because a phase may be generated in the precursor mixture in addition to removing the solvent.

이어서, 용매가 제거된 혼합물의 펠렛화(Pelletizing)하는 단계(단계 2-3)을 수행할 수 있다. 펠렛화 단계는 이후 수행되는 열처리 단계에서 이산화탄소, 산소 등의 기체가 쉽게 빠져나와 상(phase) 형성의 합성이 용이하게 이루어지도록 하기 위한 것이다. 이 단계에서는 프레스 등의 펠렛화 장비를 이용하여 약 1cm 직경의 펠렛을 제조할 수 있으나, 펠렛의 직경은 상기 열처리 단계를 원활히 수행할 수 있는 수준이라면 특별히 제한을 두지 않는다.Subsequently, a step (step 2-3) of pelletizing the mixture from which the solvent is removed may be performed. The pelletization step is to ensure that gases such as carbon dioxide and oxygen are easily released in the heat treatment step performed thereafter, so that the synthesis of phase formation is facilitated. In this step, pellets having a diameter of about 1 cm can be produced using pelletizing equipment such as a press, but the diameter of the pellets is not particularly limited as long as the heat treatment step can be performed smoothly.

상기 화학식1의 리튬 전구체는 Li2CO3, LiOH, LiNO3 등을 포함할 수 있으며, 전이금속 전구체는 하나 이상의 각각의 전이금속 전구체를 리튬 전구체와 함께 혼합할 수 있거나, 하나 이상의 전이금속 전구체를 따로 혼합하여 열처리 및 건조하여 혼합된 전이금속 전구체와 리튬 전구체를 함께 혼합할 수 있다.The lithium precursor of Chemical Formula 1 may include Li 2 CO 3 , LiOH, LiNO 3 , etc., and the transition metal precursor may mix one or more respective transition metal precursors together with a lithium precursor, or one or more transition metal precursors may be used. The mixed transition metal precursor and lithium precursor may be mixed together by separately mixing, heat-treating, and drying.

상기 단계 3은 상기 혼합물을 열처리하여 고상 합성반응을 일으키는 단계이다. 상기 열처리 공정은 약 800 ~ 900℃의 온도로 가열함으로써, 금속 전구체에 붙어 있는 탄산염, 질산염 등을 제거하여 혼합물의 금속 성분만의 상(phase)을 형성한다. 상기 열처리 공정의 온도가 800℃ 미만일 경우 단계 4에서의 급속 냉각이 되더라도 Li2MnO3 상과 LiNi0.5Mn0.5O2 상 사이의 반응 정도가 약하고, 900℃ 초과일 경우 Li 손실이 발생하므로, 상기 온도 범위를 유지하는 것이 바람직하다.Step 3 is a step of heat-treating the mixture to cause a solid phase synthesis reaction. In the heat treatment process, by heating at a temperature of about 800 to 900° C., carbonate and nitrate attached to the metal precursor are removed to form a phase of only the metal component of the mixture. If the temperature of the heat treatment process is less than 800 ° C, even if the rapid cooling is performed in step 4, the degree of reaction between the Li 2 MnO 3 phase and the LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 phase is weak, and if the temperature exceeds 900 ° C, Li loss occurs. It is desirable to maintain the temperature range.

또한, 열처리 시간(소성 시간)은 1시간 미만일 경우 합성이 충분히 이루어지기 어렵고, 10시간 초과일 경우 형성되는 입자크기가 커져 초기 활성화(activation) 과정이 잘 일어나지 않을 수 있으므로, 1 ~ 10 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.In addition, if the heat treatment time (firing time) is less than 1 hour, it is difficult to sufficiently synthesize, and if it exceeds 10 hours, the formed particle size increases and the initial activation process may not occur well. It is desirable to do

상기 단계 4는 상기 열처리를 통해 고온에서 합성된 물질의 상태가 상온에 그대로 유지될 수 있도록 일정 이상의 냉각속도로 급속냉각(Quenching)하는 단계이다.Step 4 is a step of rapidly cooling (quenching) at a cooling rate equal to or higher than a certain level so that the state of the material synthesized at a high temperature through the heat treatment can be maintained at room temperature.

급속 냉각은 열처리의 소성공정을 통해 합성된 복합물의 각 구성 성분의 상호 작용(원소의 증가된 용해도 및 높은 산소 이온의 전기화학적 활성도)이 진행된 상태를 유지시키기 위해 수행된다. 이때, 냉각속도가 느리면 높은 원소의 용해도 및 높은 음이온 전기화학 활성도를 가지지 않는 물질을 얻게 되어 전기화학적 활성도가 떨어질 수 있다. 급속 냉각 공정은 고온에서의 안정상을 상온으로 유지된 채 얻는 것이 목적이므로, 냉각속도를 일정 이상의 수준으로 할 수 있는 것이라면 급속 냉각의 방법에는 제한을 두지 않는다. 이때 냉각속도는 수랭(water-quenching) 이상의 속도인 것이 바람직하다.Rapid cooling is performed to maintain the state in which the interaction (increased solubility of elements and high electrochemical activity of oxygen ions) of each component of the composite synthesized through the sintering process of the heat treatment proceeds. At this time, if the cooling rate is slow, a material that does not have high element solubility and high anion electrochemical activity may be obtained, and thus the electrochemical activity may decrease. Since the purpose of the rapid cooling process is to obtain a stable phase at a high temperature while being maintained at room temperature, the rapid cooling method is not limited as long as the cooling rate can be set to a certain level or higher. At this time, the cooling rate is preferably higher than that of water-quenching.

[실시예][Example]

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합산화물의 제조 공정도이다.1 is a manufacturing process diagram of a composite oxide according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에서 제조한 리튬 과량 양극활물질의 조성은 Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 조성이며, 상기 [화학식 1]에서 x=0.5, M=Mn, Me=Ni, Mn으로 도 1의 제조 방법을 통해 0.5Li2MnO3 +0.5LiNi0.5Mn0.5O2를 합성하였다.The composition of the lithium-excessive cathode active material prepared in the embodiment of the present invention is Li 1.2 Ni 0.2 Mn 0.6O2 composition, and in [Formula 1], x = 0.5, M = Mn, Me = Ni, Mn Manufacturing method of FIG. 1 Through this, 0.5Li 2 MnO 3 +0.5LiNi 0.5 Mn 0.5O2 was synthesized.

먼저, 전이금속 전구체 제조에는 20L 공침 반응기를 이용하였다. 반응기 내부에는 15:1 중량%의 비율로 NH4OH와 NaOH를 투입하였고, 증류수(deionized water) 2.5L를 넣어 질소(N2)를 주입하면서 약 10분간 교반하였다. 반응기 내의 분리되어 있는 탱크 1과 탱크 2는 각각 다음과 같이 준비하였다. 탱크 1에는 NiSO4·6H2O과 MnSO4·H2O 를 1:3 몰%의 비율로 준비하였고 증류수는 약 10L를 넣어 45℃의 온도를 유지하면서 혼합하였다. 탱크 2에는 NaOH와 NH4OH(24%수용액)를 3:1 중량%의 비율로 준비하였고 증류수는 약 2.5L를 넣어 10℃ 유지하에 혼합하였다. 펌프를 통해 탱크 1과 탱크 2에는 각각 680g/h, 432g/h 의 속도로 반응기 내로 정량 투입하여 반응을 시켰다. 최종 혼합용액은 거름종이를 이용하여 자연건조시켰으며, 함수율이 0.5% 이하가 되면 침전물(coprecipitation)을 걸러낸다. 이를 통해 대략 판상(plate-like)으로 이루어진 Ni0.25Mn0.75(OH)2 을 제조하였으며, 이 전이금속 전구체 평균크기는 3 ~ 5㎛ 이었다.First, a 20L co-precipitation reactor was used to prepare the transition metal precursor. Inside the reactor, NH 4 OH and NaOH were added at a ratio of 15:1 by weight, and 2.5 L of distilled water was added and nitrogen (N 2 ) was injected while stirring for about 10 minutes. Separated tanks 1 and 2 in the reactor were prepared as follows. In tank 1, NiSO 4 ·6H 2 O and MnSO 4 ·H 2 O were prepared at a ratio of 1:3 mol%, and about 10 L of distilled water was added and mixed while maintaining a temperature of 45 °C. In tank 2, NaOH and NH 4 OH (24% aqueous solution) were prepared at a ratio of 3:1 by weight, and about 2.5 L of distilled water was added and mixed while maintaining at 10 ° C. Through a pump, tank 1 and tank 2 were injected in a metered amount into the reactor at a rate of 680 g/h and 432 g/h, respectively, for reaction. The final mixed solution was naturally dried using filter paper, and when the moisture content was less than 0.5%, the precipitate (coprecipitation) was filtered out. Through this, approximately plate-like Ni 0.25 Mn 0.75 (OH) 2 was prepared, and the average size of the transition metal precursor was 3 to 5 μm.

고상 반응을 위한 전구체로 리튬 전구체는 Li2CO3(준세이, 순도 99% 이상), 전이금속 전구체는 Ni0.25Mn0.75(OH)2 (판상)을 다음과 같이 준비하였다. 여기서 비교예과의 차이점은 전이금속 전구체의 형상(morphology) 이 비교예에서의 구상과 달리 판상인 점이다.As a precursor for the solid phase reaction, Li 2 CO 3 (Junsei, purity 99% or more) as a lithium precursor and Ni 0.25 Mn 0.75 (OH) 2 (plate shape) as a transition metal precursor were prepared as follows. Here, the difference from the comparative example is that the morphology of the transition metal precursor is plate-like, unlike the spherical shape in the comparative example.

4/7 Ni0.25Mn0.75(OH)2 + 3/7 Li2CO3 4/7 Ni 0.25 Mn 0.75 (OH) 2 + 3/7 Li 2 CO 3

전체 중량은 1.6g으로 고정하여 볼밀을 진행하였으며, 이때 Li2CO3은 0.6102g, Ni0.25Mn0.75(OH)2은 0.9898g 이다.The ball mill was performed with the total weight fixed at 1.6 g, where Li 2 CO 3 was 0.6102 g and Ni 0.25 Mn 0.75 (OH) 2 was 0.9898 g.

상기 중량에 맞추어 준비한 전구체들을 아세톤 용매(순도99.7%)에 투입하여 약 5시간 20분 동안 볼 밀링을 진행하여 입자 사이즈를 줄이는 동시에 균일하게 혼합된 혼합물을 제조하였다. 볼 밀링에 사용되는 지르코니아 볼은 직경 1mm 이다. The precursors prepared according to the weight were added to an acetone solvent (purity of 99.7%) and ball milled for about 5 hours and 20 minutes to reduce the particle size and prepare a uniformly mixed mixture. The zirconia balls used for ball milling are 1 mm in diameter.

용매와 함께 볼 밀링된 혼합물은 핫 플레이트를 사용하여 공기 중에서 100℃ 이하에서 건조되어 용매를 제거하였으며, 건조된 혼합물은 디스크형 몰드를 이용하여 펠렛(Pellet)을 만든다.The ball-milled mixture with the solvent was dried at 100° C. or less in air using a hot plate to remove the solvent, and the dried mixture was made into pellets using a disc-shaped mold.

제조된 펠렛은 알루미나 도가니에 넣어 박스 퍼니스 공기(Air) 분위기에서 900℃ 10시간 동안 열처리를 실시한 뒤, 퍼니스에서 꺼내 대기 중으로 급속 냉각(quenching)을 실시하였다.The prepared pellets were put into an alumina crucible, subjected to heat treatment at 900 ° C. for 10 hours in an air atmosphere of a box furnace, and then taken out of the furnace and rapidly quenched in the air.

[비교예][Comparative Example]

도 2는 비교예에 따른 복합산화물의 제조 공정도이다.2 is a manufacturing process diagram of a composite oxide according to a comparative example.

비교예에서는 알려져 있는 Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 조성의 리튬 과량 층상 구조 산화물로, 상기 [화학식 1]에서 x=0.5, M=Mn, Me=Ni, Mn 으로 도 2의 제조 방법을 통해 0.5Li2Mn03 +0.5LiNi0.5Mn0.5O2를 합성하였다.In Comparative Example, a lithium excess layered oxide of a known Li1 .2 Ni 0.2 Mn 0.6O2 composition, x = 0.5, M = Mn, Me = Ni, Mn in [Formula 1], through the manufacturing method of FIG. 2, 0.5 Li 2 Mn0 3 +0.5LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 was synthesized.

먼저, 전이금속 전구체 제조에는 20L 공침 반응기를 이용하였다. 반응기 내부에는 15:1 중량%의 비율로 NH4OH와 NaOH를 투입하였고, 증류수(deionized water) 2.5L를 넣어 공기를 주입하면서 약 10분간 교반하였다. 반응기 내의 분리되어 있는 탱크 1과 탱크 2는 각각 다음과 같이 준비하였다. 탱크 1에는 NiSO4·6H2O과 MnSO4·H2O 를 1:3 몰%의 비율로 준비하였고 증류수는 약 10L를 넣어 45℃의 온도를 유지하면서 혼합하였다. 탱크 2에는 NaOH와 NH4OH(24%수용액)를 3:1 중량%의 비율로 준비하였고 증류수는 약 2.5L를 넣어 10℃ 유지하에 혼합하였다. 펌프를 통해 탱크 1과 탱크 2에는 각각 680g/h, 432g/h 의 속도로 반응기 내로 정량 투입하여 반응을 시켰다. 최종 혼합용액은 거름종이를 이용하여 자연건조시켰으며, 함수율이 0.5% 이하가 되면 침전물(coprecipitation)을 걸러낸다. 이를 통해 대략 구형(sphere-like)으로 이루어진 Ni0.25Mn0.75(OH)2 을 제조하였으며, 이 전이금속 전구체 평균크기는 5 ~ 7㎛ 이었다.First, a 20L co-precipitation reactor was used to prepare the transition metal precursor. NH 4 OH and NaOH were added to the reactor at a ratio of 15:1 by weight, and 2.5 L of distilled water was added thereto, followed by stirring for about 10 minutes while injecting air. Separated tanks 1 and 2 in the reactor were prepared as follows. In tank 1, NiSO 4 ·6H 2 O and MnSO 4 ·H 2 O were prepared at a ratio of 1:3 mol%, and about 10 L of distilled water was added and mixed while maintaining a temperature of 45 °C. In tank 2, NaOH and NH 4 OH (24% aqueous solution) were prepared at a ratio of 3:1 by weight, and about 2.5 L of distilled water was added and mixed while maintaining at 10 ° C. Through a pump, tank 1 and tank 2 were injected in a metered amount into the reactor at a rate of 680 g/h and 432 g/h, respectively, and reacted. The final mixed solution was naturally dried using filter paper, and when the moisture content was less than 0.5%, the precipitate (coprecipitation) was filtered out. Through this, approximately sphere-like Ni 0.25 Mn 0.75 (OH) 2 was prepared, and the average size of the transition metal precursor was 5 to 7 μm.

고상 반응을 위한 전구체로 리튬 전구체로 Li2CO3(준세이, 순도 99% 이상)를 준비한 후, 상기 구상의 전이금속 전구체인 Ni0.25Mn0.75(OH)2 을 다음과 같은 비율로 준비하였다.After preparing L i2 CO 3 (Junsei, purity of 99% or higher) as a lithium precursor as a precursor for the solid phase reaction, the spherical transition metal precursor, Ni 0.25 Mn 0.75 (OH) 2 , was prepared in the following ratio.

4/7 Ni0.25Mn0.75(OH)2 + 3/7 Li2CO3 (4:3 몰%)4/7 Ni 0.25 Mn 0.75 (OH) 2 + 3/7 Li 2 CO 3 (4:3 mol %)

전체 중량은 1.6g으로 고정하여 볼밀을 진행하였으며, 이때 Li2CO3은 0.6102g, Ni0.25Mn0.75(OH)2은 0.9898g 이다.The ball mill was performed with the total weight fixed at 1.6 g, where Li 2 CO 3 was 0.6102 g and Ni 0.25 Mn 0.75 (OH) 2 was 0.9898 g.

상기 중량에 맞추어 준비한 전구체들을 아세톤 용매(순도99%.7%)에 투입하여 약 5시간 20분 동안 볼 밀링을 진행하여 입자 크기를 줄이는 동시에 균일하게 혼합된 혼합물을 제조하였다. 볼 밀링에 사용되는 지르코니아 볼은 직경 1mm 이다.The precursors prepared according to the weight were added to an acetone solvent (purity 99%.7%) and ball milled for about 5 hours and 20 minutes to reduce the particle size and prepare a uniformly mixed mixture. The zirconia balls used for ball milling are 1 mm in diameter.

용매와 함께 볼 밀링된 혼합물은 핫 플레이트를 사용하여 공기 중에서 100℃ 이하에서 건조되어 용매를 제거하였으며, 건조된 혼합물은 디스크형 몰드를 이용하여 대략 구형의 펠렛(Pellet)을 만든다.The ball-milled mixture with the solvent was dried at 100° C. or lower in air using a hot plate to remove the solvent, and the dried mixture was made into approximately spherical pellets using a disc-shaped mold.

제조된 펠렛은 알루미나 도가니에 넣어 공기(Air) 분위기에서 900℃ 10시간 동안 열처리를 실시한 뒤, 퍼니스에서 꺼내 대기 중에서 급속 냉각(quenching)을 실시하였다. The prepared pellets were placed in an alumina crucible, subjected to heat treatment at 900 ° C. for 10 hours in an air atmosphere, and then taken out of the furnace and rapidly quenched in the air.

[형상 비교 분석: SEM 분석][Shape comparison analysis: SEM analysis]

실시예와 비교예의 단계 1에서 제조한 전이금속 전구체를 SEM으로 분석한 결과를 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다.The results of analyzing the transition metal precursors prepared in step 1 of Examples and Comparative Examples by SEM are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.

도 3에서 확인되는 것과 같이, 실시예에 따라 제조된 전이금속 전구체는 판상(plate-like)의 1차 입자가 대략 구형의 2차 입자를 형성하고 있음을 알 수 있다. 이에 비해, 도 4에 나타난 것과 같이, 비교예에 따라 제조된 전이금속 전구체는 구상(sphere-like)의 1차 입자가 대략 구형의 2차 입자를 형성하고 있다.As confirmed in FIG. 3 , it can be seen that in the transition metal precursor prepared according to the embodiment, plate-like primary particles form substantially spherical secondary particles. In contrast, as shown in FIG. 4 , in the transition metal precursor prepared according to Comparative Example, sphere-like primary particles form approximately spherical secondary particles.

이와 같은 전이금속 전구체의 형상의 차이는 최종적으로 합성되는 리튬 과량 층상구조 복합활물질의 특성에 영향을 미친다.The difference in the shape of the transition metal precursor affects the characteristics of the finally synthesized lithium-excessive layered composite active material.

[조성 분석 결과: ICP 분석][Composition analysis result: ICP analysis]

실시예와 비교예에 따라 제조된 복합활물질의 조성을 ICP로 분석하였다. 비교예 및 실시예는 각각 타겟 조성(target composition)을 Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 이 되도록 설정하여 합성된 것이다.The composition of the composite active material prepared according to Examples and Comparative Examples was analyzed by ICP. Comparative Examples and Examples were synthesized by setting the target composition to Li 1.2 Ni 0.2 Mn 0.6 O 2 , respectively.

그런데 ICP 분석 결과, 비교예의 경우 Li1.200Ni0.209Mn0.6O2 로 나타났고, 실시예의 경우 Li1.203i0.205Mn0.6O2 로 나타났다 즉, 실제 조성은 타겟 조성과 거의 차이가 없는 조성을 갖는 물질로 합성되었다.However, as a result of ICP analysis, in the case of the comparative example, Li 1.200 Ni 0.209 Mn 0.6 O 2 was obtained, and in the case of the example, Li 1.203 i 0.205 Mn 0.6 O 2 was obtained. It became.

[구조 비교 분석: XRD 분석][Structure comparative analysis: XRD analysis]

공지된 조성물인 Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 에 대해, 실시예와 비교예에 따라 제조한 조성물의 결정구조를 비교하였다.Crystal structures of compositions prepared according to Examples and Comparative Examples were compared with Li 1.2 Ni 0.2 Mn 0.6 O 2 , which is a known composition.

도 5에서 확인되는 것과 같이, 실시예와 비교예의 XRD 분석결과의 차이는 2θ 20 ~ 23°에서 나타나는 Li2MnO3에 의한 초격자 피크(superlattice peak)에 있다. 특히, 두 번째 피크((110) 피크)에서 큰 차이가 나타나는데, 일반적으로 적층 결함(stacking fault) 없이 리튬 층과 전이금속 층의 적층 순서가 일정한 순서로 배열이 되어 있는 규칙성이 강하면 첫 번째 피크((020) 피크) 뿐만 아니라 두 번째 피크((110) 피크)의 강도(intensity)가 모두 높다.As confirmed in FIG. 5, the difference between the XRD analysis results of Examples and Comparative Examples is in the superlattice peak due to Li 2 MnO 3 appearing at 2θ of 20 to 23°. In particular, a large difference appears in the second peak ((110) peak). In general, if the order of stacking the lithium layer and the transition metal layer is arranged in a certain order without stacking faults, the first peak is strong. Both the intensity of the second peak ((110) peak) as well as the ((020) peak) are high.

즉, 본 발명의 실시예에 따라 합성된 리튬 과량 층상구조 산화물이, 비교예에 따라 합성된 리튬 과량 층상구조 산화물에 비해, 리튬 층과 전이금속 층이 규칙적으로 배열(well-ordered)된 장거리 규칙을 가짐을 알 수 있다.That is, compared to the lithium-excess layered oxide synthesized according to the comparative example, the lithium-excess layered oxide synthesized according to the embodiment of the present invention has a long-range rule in which the lithium layer and the transition metal layer are regularly arranged (well-ordered) It can be seen that

이와 같이 리튬 층과 전이금속 층이 배열이 장거리 규칙을 가지면서 배열되었을 경우, 많은 양의 리튬이 양극재 내에서 탈리될 때, 특히 산소가 빠져나가는 반응(oxygen plateau)에서 구조적으로 더욱 안정화되어, 더 많은 리튬이 재삽입될 수 있다.In this way, when the lithium layer and the transition metal layer are arranged in a long-range order, when a large amount of lithium is desorbed from the cathode material, it is structurally more stable, especially in the oxygen plateau, More lithium can be reinserted.

아래 표 1은 도 5의 X선 회절패턴의 피크 강도 및 반가폭(Full width at Half-maximum; FWHM)의 비교한 것이다.Table 1 below shows a comparison of peak intensities and full width at half-maximum (FWHM) of the X-ray diffraction patterns of FIG. 5 .

I(20.y°)/I(18.x°)I(20.y°)/I(18.x°) I(22.y°)/I(20.x°)I(22.y°)/I(20.x°) FWHM(20.y°)FWHM (20.y°) FWHM(22.y°)FWHM (22.y°) 비교예comparative example 0.1300.130 0.7330.733 0.1970.197 0.3940.394 실시예Example 0.1080.108 0.7930.793 0.1570.157 0.1570.157

표 1에서, I(20.y°)는 초격자(superlattice)를 나타내는 피크 중 최대 피크의 강도로, '20.y°'로 표시한 것은, 2θ가 20°근방에서 나타나는 것을 의미하며, y는 1 ~ 9.9 사이의 값이다. I(18.x°)는 2θ가 18°근방에서 나타나는 기준 피크의 강도로, '18.x°'로 표시한 것은, 2θ가 18°근방에서 나타나는 것을 의미하며, x는 1 ~ 9.9 사이의 값이다. I(22.y°)는 초격자(superlattice)를 나타내는 피크 중 두 번째 피크의 강도로, '22.y°'로 표시한 것은, 2θ가 22°근방에서 나타나는 것을 의미하며, y는 1 ~ 9.9 사이의 값이다.In Table 1, I (20.y°) is the intensity of the maximum peak among the peaks representing the superlattice, and '20.y°' means that 2θ appears around 20°, and y is a value between 1 and 9.9. I(18.x°) is the intensity of the reference peak where 2θ appears around 18°, and '18.x°' means that 2θ appears around 18°, and x is a range between 1 and 9.9. is the value I(22.y°) is the intensity of the second peak among the peaks representing the superlattice. '22.y°' means that 2θ appears around 22°, and y is from 1 to It is a value between 9.9 and 9.9.

상기 표 1에서 확인되는 것과 같이, 비교예과 실시예는 공통적으로, I(20.y°)/I(18.x°)의 비율이 0.10 이상으로 비교적 높게 나타난다. 그런데 I(22.y°)/I(20.x°)의 비율의 경우 실시예가 비교예에 비해 높게 나타나며, 비교예의 경우 거의 (110) 피크가 확인되지 않는다. 다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 복합산화물의 (110) 피크의 강도가 상대적으로 높게 나타난다.As confirmed in Table 1, the comparative examples and examples have a relatively high ratio of I(20.y°)/I(18.x°) of 0.10 or more in common. However, in the case of the ratio of I (22.y °) / I (20.x °), the Example is higher than the Comparative Example, and in the case of the Comparative Example, almost no (110) peak is confirmed. In other words, the intensity of the (110) peak of the composite oxide according to the embodiment of the present invention is relatively high.

[충방전 특성 평가 결과][Results of evaluation of charge/discharge characteristics]

도 6은 실시예와 비교예에 따라 제조된 Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 의 충방전 특성 평가 결과를 나타낸 것이다.6 shows evaluation results of charge and discharge characteristics of Li 1.2 Ni 0.2 Mn 0.6 O 2 prepared according to Examples and Comparative Examples.

전기화학적 특성을 평가하기 위해 실시예와 비교예에 따라 제조된 Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 양극재로 전극을 만들어 전기화학 시험을 진행하였다.In order to evaluate the electrochemical characteristics, an electrochemical test was performed by making an electrode with the cathode material Li 1.2 Ni 0.2 Mn 0.6 O 2 prepared according to Examples and Comparative Examples.

전극의 활물질은 Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 70중량%, 탄소 분말에 해당하는 super P 25중량%, PVDF 5 중량%로 막자 사발에 투입하여 약 10 ~ 20분 동안 혼합을 진행하고, NMP를 넣어 약 20분 동안 교반을 진행한 뒤, 알루미늄 호일에 도포하여 진공챔버에서 약 12시간 동안 건조를 시켜 전극을 제조하였다. 이후 아르곤 분위기 하에 글로브 박스 안에서 13mm 펀치로 양극재를 뚫어 1 ~ 2mg의 양극을 제조하였으며, 이 양극을 이용하여 셀을 조립하였으며, 셀 조립에 사용되는 음극은 15mm 펀치로 뚫은 리튬 메탈이며 전해질은 에틸렌카보네이트/디에틸카보네이트 1:1 부피로 혼합된 용액으로 1M LiPF6, 세퍼레이터는 19mm 펀치로 뚫은 Celgard 2400 폴리프로필렌이다.The active materials of the electrode were 70% by weight of Li 1.2 Ni 0.2 Mn 0.6O2 , 25% by weight of super P corresponding to carbon powder, and 5% by weight of PVDF. They were put into a mortar and mixed for about 10 to 20 minutes, and NMP was added. After stirring for about 20 minutes, it was coated on aluminum foil and dried in a vacuum chamber for about 12 hours to prepare an electrode. Afterwards, the cathode material was pierced with a 13mm punch in a glove box under an argon atmosphere to manufacture a cathode of 1 ~ 2mg, and the cell was assembled using this anode. 1M LiPF6 in a 1:1 volume mixed solution of carbonate/diethylcarbonate, and the separator is Celgard 2400 polypropylene punched with a 19 mm punch.

이와 같이 제조된 셀의 전기화학 시험은 상온에서 진행되었다. 측정 장비는 maccor series 4000을 이용하였고, 측정 시 종지전압(cut-off voltage)은 2.5 ~ 4.7V이며 충전부터 시작하였으며 전류는 C/30 rate, 280/30mA/g 크기를 인가하여 측정하였다.The electrochemical test of the cell thus prepared was conducted at room temperature. A maccor series 4000 was used as the measuring equipment, and the cut-off voltage at the time of measurement was 2.5 ~ 4.7V, starting from charging, and the current was measured by applying a C/30 rate and a size of 280/30mA/g.

도 6에서 빨간색 실선은 비교예에 따라 제조한 양극재, 파란색 실선은 실시예에 따라 제조한 양극재를 이용한 전지의 전기화학 특성 시험을 나타내고, 모두 C/30 rate 에서 동일하게 진행하였다. 빨간색 실선에 비해 파란색 실선은 같은 충전 용량(탈리된 리튬의 양이 동일)임에도 불구하고 방전 용량의 차이가 약 30mAh/g로 상당히 크고 방전 전압이 향상되었음을 알 수 있다.In FIG. 6, the red solid line represents the positive electrode material prepared according to the comparative example, and the blue solid line represents the electrochemical property test of the battery using the positive electrode material prepared according to the example, and all were conducted in the same manner at C/30 rate. Compared to the red solid line, it can be seen that the blue solid line has a significantly large difference in discharge capacity of about 30 mAh/g and an improved discharge voltage even though the same charging capacity (the amount of desorbed lithium is the same).

특정 전압에서 반응의 정도를 알 수 있는 도 6의 dQ/dV 그래프를 보면, 일반적으로 리튬 과량 층상 구조의 방전 그래프에서 산소 이온 반응이라고 알려져 있는 3.4 ~ 3.5V에서 빨간색 실선에 비해 파란색 실선의 피크가 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 리튬 과량 층상 구조 산화물의 XRD 상에서의 초격자 피크(superstructure peak)는 전이금속층 내의 Li-TM-TM(리튬-전이금속-전이금속) 배열이 장거리 규칙(long range order)이 있는 경우 나타나게 되며, 일반적으로 초격자 피크의 강도는 Li-TM-TM의 장거리 규칙 정도에 따라 영향을 많이 받고, 특히 두 번째 피크(110 피크)는 리튬 층과 전이금속 층의 적층이 규칙적으로 배열되면 초격자 피크의 강도는 높아지게 된다. 즉, 도 5의 초격자 피크 중 특히 (110) 피크의 강도 비교예에 비해 매우 높은 것과 연관이 될 수 있다.Looking at the dQ/dV graph of FIG. 6, which shows the degree of reaction at a specific voltage, the peak of the blue solid line compared to the red solid line at 3.4 to 3.5 V, which is generally known as the oxygen ion reaction in the discharge graph of the lithium excess layer structure, is It can be seen that it is much larger. The superstructure peak on the XRD of the lithium-excessive layered oxide appears when the Li-TM-TM (lithium-transition metal-transition metal) arrangement in the transition metal layer has a long range order. As a result, the intensity of the superlattice peak is greatly affected by the degree of long-range order of Li-TM-TM. In particular, the second peak (110 peak) is the intensity of the superlattice peak when the lithium layer and the transition metal layer are regularly arranged. will rise That is, the intensity of the (110) peak among the superlattice peaks of FIG. 5 may be significantly higher than that of the comparative example.

결론적으로, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 과량 층상 구조 산화물의 경우, 전이 금속 층 내에 Li/Mn/Mn 의 장거리 규칙이 높다고 할 수 있다. 이와 같이 리튬 층과 전이 금속 층의 적층이 결함 없이 규칙적으로 배열이 되어 있을 경우 산소의 산화/환원 반응의 안정성이 높아, 같은 양의 리튬이 양극재 내에서 탈리되더라도 훨씬 많은 양의 리튬이 삽입될 수 있음을 알 수 있다.In conclusion, in the case of the lithium-excessive layered oxide according to the embodiment of the present invention, it can be said that the long-range order of Li/Mn/Mn in the transition metal layer is high. In this way, when the stack of the lithium layer and the transition metal layer are regularly arranged without defects, the stability of the oxidation/reduction reaction of oxygen is high, so even if the same amount of lithium is desorbed from the cathode material, a much larger amount of lithium can be inserted. know that it can.

Claims (6)

하기 [화학식 1]로 표시되는 과량의 리튬을 포함하는 조성을 가지고,
결정구조에 있어서 층상 구조를 이루며,
X선 회절 분석 시, 18.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(20)/I(18)이 0.1 이상이고, 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 22.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(22)/I(20)이 0.78 이상이고,
상기 X선 회절 분석 시, 2θ가 20°~ 22°에서의 초격자(superlattice)의 최대 피크인 첫 번째 (020) 피크의 반가폭(Full width at Half-maximum; FWHM)은 0.13°~0.18°이고, 두 번째 (110) 피크의 반가폭이 0.13°~0.18°인, 양극활물질.
[화학식 1]
x(Li2MO3) + (1-x)LiMeO2
(여기서, 0<x<1이며, M 또는 Me는 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir 및 Mo를 포함하는 3d, 4d, 5d 전이금속 또는 비전이금속의 1종 이상이고, M과 Me는 서로 동일하거나 상이할 수 있음)
Having a composition containing an excess of lithium represented by the following [Formula 1],
It forms a layered structure in the crystal structure,
In X-ray diffraction analysis, I (20 ) / I (18) is 0.1 or more, and the peak intensity at 22.y ° (y = 1 to 9.9) for the peak intensity at 20.x ° (x = 1 to 9.9) The ratio I(22)/I(20) is 0.78 or more,
In the X-ray diffraction analysis, the full width at half-maximum (FWHM) of the first (020) peak, which is the maximum peak of the superlattice at 2θ of 20 ° to 22 °, is 0.13 ° to 0.18 ° And, the half width of the second (110) peak is 0.13 ° ~ 0.18 °, a cathode active material.
[Formula 1]
x(Li 2 MO 3 ) + (1-x)LiMeO 2
(Where 0<x<1, M or Me is one of 3d, 4d, 5d transition metals or non-transition metals including Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir, and Mo above, and M and Me may be the same or different from each other)
삭제delete 집전체와, 상기 집전체 상에 형성되며 제 1 항에 기재된 양극활물질을 포함하는 활물질층을 포함하는 양극.A positive electrode comprising a current collector and an active material layer formed on the current collector and containing the positive electrode active material according to claim 1 . 제 3 항에 기재된 양극과,
상기 양극에 대해 소정 간격 떨어져 배치된 음극과,
상기 양극과 음극 사이에 개재되는 전해질을 포함하는, 리튬이온전지.
The positive electrode according to claim 3;
A cathode disposed at a predetermined distance from the anode;
A lithium ion battery comprising an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode.
판상의 1차 입자가 뭉쳐서 구상의 형상을 이루는 2차 입자로 이루어진 전이금속 전구체를 제조하는 단계,
상기 전이금속 전구체와 리튬 전구체를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계,
상기 혼합물을 열처리로에 집어넣어 공기 분위기에서 열처리하는 단계,
상기 열처리된 물질을 급속 냉각(Quenching) 하는 단계를 포함하고,
상기 단계들을 통해 제조된 물질은, 하기 [화학식 1]로 표시되는 과량의 리튬을 포함하는 조성을 가지고, 결정구조에 있어서 층상 구조를 이루며, X선 회절 분석 시, 18.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(20)/I(18)이 0.1 이상이고, 20.x°(x=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도에 대한 22.y°(y=1~9.9)에서 나타나는 피크(peak) 강도의 비율인 I(22)/I(20)이 0.78 이상이고,
상기 X선 회절 분석 시, 2θ가 20°~ 22°에서의 초격자(superlattice)의 최대 피크인 첫 번째 (020) 피크의 반가폭(Full width at Half-maximum; FWHM)은 0.13°~0.18°이고, 두 번째 (110) 피크의 반가폭이 0.13°~0.18°인, 복합양극활물질의 제조방법.
[화학식 1]
x(Li2MO3) + (1-x)LiMeO2
(여기서, 0<x<1이며, M 또는 Me는 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir 및 Mo를 포함하는 3d, 4d, 5d 전이금속 또는 비전이금속의 1종 이상이고, M과 Me는 서로 동일하거나 상이할 수 있음)
Preparing a transition metal precursor composed of secondary particles forming a spherical shape by aggregating plate-shaped primary particles;
Preparing a mixture by mixing the transition metal precursor and the lithium precursor;
Putting the mixture into a heat treatment furnace and heat-treating it in an air atmosphere;
Including the step of rapidly cooling (quenching) the heat-treated material,
The material prepared through the above steps has a composition containing excess lithium represented by the following [Chemical Formula 1], forms a layered structure in crystal structure, and upon X-ray diffraction analysis, 18.y ° (y = 1 ~ 9.9), the ratio of the peak intensity appearing at 20.x° (x = 1 to 9.9), I(20)/I(18), is 0.1 or more, and 20.x° The ratio of the peak intensity appearing at 22.y ° (y = 1 ~ 9.9) to the peak intensity appearing at (x = 1 ~ 9.9), I(22) / I(20), is 0.78 or more ,
In the X-ray diffraction analysis, the full width at half-maximum (FWHM) of the first (020) peak, which is the maximum peak of the superlattice at 2θ of 20 ° to 22 °, is 0.13 ° to 0.18 ° And, the half width of the second (110) peak is 0.13 ° ~ 0.18 °, a method for producing a composite cathode active material.
[Formula 1]
x(Li 2 MO 3 ) + (1-x)LiMeO 2
(Where 0<x<1, M or Me is one of 3d, 4d, 5d transition metals or non-transition metals including Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V, Fe, Ir, and Mo above, and M and Me may be the same or different from each other)
삭제delete
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