KR102645751B1 - 이중 활성 캐소드 물질 - Google Patents

이중 활성 캐소드 물질 Download PDF

Info

Publication number
KR102645751B1
KR102645751B1 KR1020207003383A KR20207003383A KR102645751B1 KR 102645751 B1 KR102645751 B1 KR 102645751B1 KR 1020207003383 A KR1020207003383 A KR 1020207003383A KR 20207003383 A KR20207003383 A KR 20207003383A KR 102645751 B1 KR102645751 B1 KR 102645751B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
rich
cathode material
layered oxide
dual active
active cathode
Prior art date
Application number
KR1020207003383A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200027538A (ko
Inventor
홍제 루오
보나니 세테니
노마손토 라풀레니안
므쿨루 마테
Original Assignee
씨에스아이알
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 씨에스아이알 filed Critical 씨에스아이알
Publication of KR20200027538A publication Critical patent/KR20200027538A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102645751B1 publication Critical patent/KR102645751B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/364Composites as mixtures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B25/00Phosphorus; Compounds thereof
    • C01B25/16Oxyacids of phosphorus; Salts thereof
    • C01B25/26Phosphates
    • C01B25/45Phosphates containing plural metal, or metal and ammonium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00Compounds of nickel
    • C01G53/40Nickelates
    • C01G53/42Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2
    • C01G53/44Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2 containing manganese
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0471Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382Lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/80Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 또는 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 제조하는 방법은 Li-함유 올리빈 물질을 Li-풍부 층상 산화물에 흡장시켜 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 또는 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 제공하는 것을 포함한다.

Description

이중 활성 캐소드 물질
본 발명은 이중 활성 캐소드 물질에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 또는 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 제조하는 방법, 상기 방법에 의해 제조된 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 또는 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체, Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질, 전기화학 셀, 전기화학 셀을 제작하는 방법 및 전기화학 셀을 작동시키는 방법에 관한 것이다.
재충전가능한 리튬 이온 배터리 (RLIB)는 그 자체가 전기 차량 및 휴대용 전자제품을 위한 가장 매력적인 첨단 배터리 기술로서 입증되었다. xLi2MnO3·(1 - x) LiMO2 (M = Mn, Ni, Co 또는 Al)의 일반식을 갖는, 이러한 배터리 및 셀에서 사용하기 위한, 리튬-망가니즈 풍부 캐소드 물질은 >200 mA h g-1 실제 방전 용량을 제공할 수 있고 4.8 V - 2.0 V 범위의 고전압 윈도우를 가질 수 있다. 그러나 리튬-망가니즈 풍부 캐소드 물질은 그의 용량의 급속한 손실 및 불량한 전자 전달과 관련된 불량한 사이클성으로 알려져 있다. 이러한 물질과 관련된 추가적인 문제는 제조에서의 어려움, 불량한 연속 충전/방전, 불량한 속도 능력, 고전압에서 전해질과의 높은 반응성, 및 고비용을 포함한다. 또한, 상용 제품에서 종종 사용되는 대안적인 캐소드 물질인 LiCoO2는 고가이고, 독성이며 140 mA h g-1의 낮은 방전 용량을 갖는다. 따라서 향상된 충전-방전 출력을 갖고, 덜 고가이고, 보다 환경 친화적인 물질을 사용하며, 간단한 제조 방법을 사용하여 제조될 수 있는 리튬-기반 캐소드 물질이 필요하다. 보다 환경 친화적인 물질이 국내에서 이용가능한 경우, 이는 추가된 이점이 될 것이다.
본 발명의 한 측면에 따르면, Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 또는 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은
Li-함유 올리빈 물질을 Li-풍부 층상 산화물에 흡장시켜 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 또는 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 제공하는 것
을 포함한다.
상기 방법은 전형적으로 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 어닐링하여 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질을 수득하는 것을 포함한다.
Li-함유 올리빈 물질은 LiFePO4, LiCoPO4, LiNiPO4, LiMnPO4, Li3V2(PO4)3 등, 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, Li-함유 올리빈 물질은 LiFePO4이다.
Li-풍부 층상 산화물은 Li-풍부 이중-층상 산화물 또는 스피넬일 수 있다.
Li-풍부 층상 산화물은 Li-풍부 Mn-기반 층상 산화물, 특히 Li-풍부 Mn-기반 고용체 시스템일 수 있다. 다시 말해서, Li-풍부 층상 산화물은 Li-Mn-풍부 층상 산화물일 수 있다.
Li-풍부 층상 산화물은 일반식 Li[LixM1-x]O2 (여기서 M = Mn, Ni, Co, Al이고, 0 < x < 1임)를 가질 수 있다.
Li-풍부 층상 산화물은 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2, Li[LixMnyNizMk]O2 (여기서 M = Co, Fe, Al 등이고, 0<x이고, x+y+z+k=1임), 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, Li-풍부 층상 산화물은 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2이다.
Li-풍부 층상 산화물 대 Li-함유 올리빈 물질의 몰비는 약 1:0.01 내지 약 1:1, 바람직하게는 약 1:0.01 내지 약 1:0.2, 보다 바람직하게는 약 1:0.02 내지 약 1:0.1, 예를 들어 약 1:0.05일 수 있다.
Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체는 전형적으로 분말 또는 과립의 형태이다. Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체에서, Li-함유 올리빈 물질은 전형적으로 Li-풍부 층상 산화물 내에 나노-흡장된다. 이것은 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체로부터 수득된 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질에, 예를 들어 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2와 비교하여 향상된 방전 용량, 속도 성능 및 사이클성을 제공한다.
Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체의 어닐링은 물질을 결정화하기에 충분히 높은 온도에서 수행될 수 있다. 어닐링은 원하는 정도의 어닐링을 달성하기에, 즉 원하는 결정화도를 달성하기에 충분한 오랜 시간 기간 동안 수행될 수 있다.
Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체의 어닐링은 불활성 분위기 하에 분말 또는 과립을 가열하는 것을 포함할 수 있다. 불활성 분위기는 아르곤 분위기일 수 있다.
분말을 가열하는 것은 분말을 제1 온도로 가열하고, 분말을 제1 온도에서 제1 기간 동안 유지하고, 분말을 제2 온도로 가열하고, 분말을 제2 온도에서 제2 기간 동안 유지하는 것을 포함할 수 있다.
제1 온도는 약 100℃ 내지 약 700℃, 바람직하게는 약 200℃ 내지 약 600℃, 보다 바람직하게는 약 250℃ 내지 약 500℃, 예를 들어 약 300℃일 수 있다.
제1 기간은 약 30분 내지 약 1200분, 바람직하게는 약 60분 내지 약 1000분, 보다 바람직하게는 약 120분 내지 약 600분, 예를 들어 약 180분일 수 있다.
제2 온도는 약 550℃ 내지 약 1000℃, 바람직하게는 약 600℃ 내지 약 950℃, 보다 바람직하게는 약 700℃ 내지 약 900℃, 예를 들어 약 800℃일 수 있다.
제2 기간은 약 2시간 내지 약 24시간, 바람직하게는 약 4시간 내지 약 20시간, 보다 바람직하게는 약 6시간 내지 약 16시간, 예를 들어 약 12시간일 수 있다.
어닐링 동안, 분말의 온도는 분당 약 0.1℃ 내지 분당 약 20℃, 바람직하게는 분당 약 0.5℃ 내지 분당 약 15℃, 보다 바람직하게는 분당 약 1℃ 내지 분당 약 10℃, 예를 들어 분당 약 5℃의 속도로 높일 수 있다.
Li-함유 올리빈 물질을 Li-풍부 층상 산화물에 흡장시키는 것은 연소 합성에 의한 것일 수 있다.
'연소 합성'이란 반응물의 혼합물을 초기 고온에 적용하여 혼합물 전반에 걸쳐 반응물의 발열 반응을 개시하는 것을 포함하는 자체-전파 고온 합성을 의미한다. 따라서 반응은 자체-지속 반응이며, 생성물로서 분말상 또는 과립상 생성물이 전형적으로 수득된다. 생성물 과립 또는 입자는 나노미터 스케일 범위일 수 있고, 즉 1-100nm의 직경 또는 단면 치수를 가질 수 있다. 연소 합성은 용액의 사용을 포함할 수 있고, 연소 합성은 소위 용액 연소 합성 ('SCS')의 실시양태일 수 있다.
따라서 연소 합성은 용매 중 반응물 (즉 금속 화합물) 및 Li-함유 올리빈 물질의 균질한 용액을 형성하고, 전형적으로 고체 또는 겔 형태인, 반응 혼합물을 형성하기 위해 모든 또는 대부분의 용매를 제거하는 것을 포함할 수 있다. 이어서 연소 합성은 전형적으로 발열 반응으로 반응 혼합물을 연소하여 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 제공하는 것을 포함한다. 이러한 방식으로 제조된 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체는 분말상 또는 과립상 생성물이다.
전형적으로, 방법은 반응 혼합물을 가열하여 반응 혼합물의 연소를 개시하는 것을 포함한다. 발열 연소 반응은 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체가 완전히 형성될 때까지, 즉 더 이상 반응물 (특히 연료)이 남아 발열 연소 반응에 참여하지 않을 때까지 지속될 것이다. 전형적으로 반응 시간은 1-10분의 범위이다. 따라서 SCS는 분말상/과립상 생성물을 빠르게, 간단하게 그리고 효과적으로 제조하기 위한 기술이다.
발열 연소 반응은 대기압에서 수행될 수 있다.
반응 혼합물을 형성하기 위해 용매를 제거하는 것은 용매를 증발시키는 것을 포함할 수 있다. 균질한 용액을 가열하면서 용매를 대기압에서 증발시킬 수 있다.
바람직하게는, 균질한 용액을 가열하여 용매를 제거하는 동안 균질한 용액은 교반된다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, 균질한 용액은 약 100℃의 온도로 가열하여 용매를 제거한다.
반응물은 발열 연소 반응을 위한 산화제로서 기능할 수 있어야 하고, 균질한 용액을 이용하는 연소 합성이 사용된 경우, 균질한 용액을 형성하기 위해 사용된 용매에 물론 또한 가용성이어야 한다. 따라서, 리튬 및 다른 금속의 질산염, 아세트산염, 황산염 및 탄산염이 사용될 수 있다. 따라서 반응물은 금속 질산염, 금속 아세트산염, 금속 황산염 및/또는 금속 탄산염의 형태일 수 있다. 본 발명의 하나의 실시양태에서, 반응물은 금속 아세트산염, 예를 들어 Li (COOCH3)2·2H2O, Mn(COOCH3)2·4H2O, Ni(COOCH3)2·4H2O 및 Co(COOCH3)2·4H2O의 형태이다.
Li-함유 올리빈 물질은 분말, 예를 들어 분말상 또는 과립상 LiFePO4의 형태일 수 있다.
용매는 물, 예를 들어 탈이온수일 수 있다. 따라서 방법은 반응물 및 Li-함유 올리빈 물질을 물에 용해시켜 균질한 용액을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
균질한 용액은 발열 연소 반응을 위한 연소 보조제 또는 연료를 포함할 수 있다. 연료는 유기 연료일 수 있고, 우레아, 글리신, 히드라지드, 수크로스 또는 유기산, 예컨대 시트르산일 수 있으며; 그러나, 유기산, 예컨대 시트르산이 바람직하다.
연소 합성은 균질한 용액이 산성인 것을 보장하는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 균질한 용액의 pH는 약 0 내지 약 6, 보다 바람직하게는 약 0.1 내지 약 5, 가장 바람직하게는 약 1 내지 약 3, 예를 들어 약 2이다. 연료가 유기산인 경우, 연료의 첨가에 의해 pH를 조정할 수 있다.
본 발명은 상기 기재된 바와 같은 방법에 의해 제조된 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체 및 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질로 확장된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, Li-풍부 층상 산화물에 흡장된 Li-함유 올리빈 물질을 포함하는 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체 또는 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질이 제공된다.
Li-함유 올리빈 물질은 상기 기재된 바와 같을 수 있다.
Li-풍부 층상 산화물은 상기 기재된 바와 같을 수 있다.
Li-함유 올리빈 물질 대 Li-풍부 층상 산화물의 몰비는 상기 기재된 바와 같을 수 있다.
본 발명의 추가 측면에 따르면,
셀 하우징; 및
셀 하우징 내의 캐소드, 애노드 및 전해질
을 포함하며,
여기서 캐소드는 애노드로부터 전기적으로 절연되지만 전해질에 의해 애노드에 전기화학적으로 커플링되며, 캐소드는 상기 기재된 바와 같은 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질을 포함하는 것인
전기화학 셀이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전해질, 애노드 및 캐소드를 셀 하우징 내로 로딩하는 것을 포함하며, 캐소드는 상기 기재된 바와 같은 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질을 포함하는 것인, 전기화학 셀을 제작하는 방법이 제공된다.
Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질은 적어도 약 180 mA h g-1, 바람직하게는 적어도 약 200 mA h g-1, 보다 바람직하게는 적어도 약 250 mA h g-1, 예를 들어 약 280 mA h g-1의 방전 용량을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 추가 측면에 따르면, 전기화학 셀을 작동시키는 방법이 제공되며, 이 방법은
상기 기재된 바와 같지만, Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질이 망가니즈를 포함하는 것인 전기화학 셀에 충전 전위를 적용하여, 이로써 캐소드로부터의 리튬이 애노드의 적어도 일부분을 형성하게 하고;
셀의 방전 전위가 리튬 금속에 대하여 2.0 - 3.5 V에 도달하도록 허용하는 것
을 포함하며,
셀의 충전 및 방전 동안 평균 망가니즈 원자가 상태는 약 3.5+ 이상이다.
셀의 충전 전위는 리튬 금속에 대하여 4.5 - 5.1 V에 도달하도록 허용될 수 있다. 셀의 충전 및 방전 동안 평균 망가니즈 원자가 상태는 약 3.8+ 이상일 수 있다.
이제 본 발명을 하기 실시예 및 본 발명에 따른 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2/LiFePO4 나노-흡장된 캐소드 물질의 용량을 나타내는 단일 첨부 도식 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
실시예
연소 합성 경로를 통해 이중-활성 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2/LiFePO4 나노-흡장된 캐소드 물질을 얻었다. 화학량론적 질량의 아세트산염 Li(COOCH3)2·2H2O, Mn(COOCH3)2·4H2O, Ni(COOCH3)2·4H2O 및 Co(COOCH3)2·4H2O 각각을 탈이온수에 용해시켜 용액을 형성하였다. 연료로서 시트르산 (C6H8O7)을 용액에 첨가하고, 시트르산을 첨가하여 용액의 pH를 2로 조정하였다. 그 후, LiFePO4 분말을 약 1:0.05의 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2:LiFePO4의 몰비로 용액에 첨가하였다. Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2의 결합보다 강한 결합을 갖는 LiFePO4는 산소 원자를 제공한다.
용액을 1hr 동안 교반하고, 핫 플레이트 상에서 100℃로 가열하여 용액으로부터 물을 증발시켰다. 수득된 고형물의 생성된 반응 혼합물은, 핫 플레이트 상에서 100℃에서 수득된 경우, 흄에서 점화되어 미세 갈색 분말의 형태로 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 형성하는 핑크색을 띤 물질이었다. 그 후, 300℃에서 3 hr 동안 아르곤 블로운 퍼니스에서 분말을 가열하고 (제1 가열), 후속적으로 800℃에서 12 hr 동안 분말을 가열하는 것 (제2 가열)에 의해 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체 분말을 어닐링하여 이중-활성 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2/LiFePO4 나노-흡장된 캐소드 물질을 제조하였다. 가열 속도는 5℃/min이었다.
LiFePO4 나노입자 (5-100nm)는 랜덤하게 분포되고 어닐링된 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2/LiFePO4 나노-흡장된 캐소드 물질 내에 흡장되어 있다.
제조된 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2/LiFePO4 나노-흡장된 캐소드 물질의 용량은 도면에 나타나 있다. 알 수 있듯이, 본 발명의 캐소드 물질은, 예시된 바와 같이 200 mA h g-1 초과의 큰 용량을 갖는다. 이것을 LiCoO2 (140 mA h g-1), Li2MnO4 (120 mA h g-1) 및 LiFePO4 (150 mA h g-1)와 같은 상업적으로 입수가능한 캐소드 물질과 잘 비교한다. 캐소드 물질은 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2에 비해 우수한 사이클성 및 속도 성능을 가지며, 간단한 제조 방법 및 비교적 저비용, 환경 친화적인 물질을 사용하여 제조된다. Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2는 높은 비에너지를 가지며, LiFePO4는 높은 속도 능력을 갖는다. 나노-흡장된 캐소드 물질로서의 이들의 조합은 용량 및 사이클성 손실을 유리하게 완화시켜 고용량 이중-속도 에너지 저장 시스템을 제공한다.

Claims (24)

  1. Li-함유 올리빈 물질을 연소 합성에 의해 Li-풍부 층상 산화물에 흡장시켜 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 수득하고,
    Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체 분말을 제1 온도로 가열하고, 분말을 제1 온도에서 제1 기간 동안 유지하고, 분말을 제2 온도로 가열하고, 분말을 제2 온도에서 제2 기간 동안 유지함으로써 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 어닐링하여 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질을 제공하는 것으로서, 여기서 제1 온도는 100℃ 내지 700℃이고 제1 기간은 30분 내지 1200분이고, 여기서 제2 온도는 550℃ 내지 1000℃이고 제2 기간은 2시간 내지 24시간인 것
    을 포함하는, Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, Li-함유 올리빈 물질이 LiFePO4, LiCoPO4, LiNiPO4, LiMnPO4, Li3V2(PO4)3, 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    Li-풍부 층상 산화물이 Li-풍부 이중-층상 산화물이거나, 또는
    Li-풍부 층상 산화물이 Li-풍부 Mn-기반 층상 산화물인
    방법.
  4. 제1항에 있어서, Li-풍부 층상 산화물이 일반식 Li[LixM1-x]O2 (여기서 M = Mn, Ni, Co, 또는 Al이고, 0 < x < 1임)를 갖는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, Li-풍부 층상 산화물이 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2, Li[LixMnyNizMk]O2 (여기서 M = Co, Fe, 또는 Al이고, 0 < x이고, x + y + z + k = 1임), 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  6. Li-풍부 층상 산화물에 연소 합성에 의해 흡장된 Li-함유 올리빈 물질을 포함하는, Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체.
  7. 제6항에 있어서, Li-함유 올리빈 물질이 LiFePO4, LiCoPO4, LiNiPO4, LiMnPO4, Li3V2(PO4)3, 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체.
  8. 제6항에 있어서,
    Li-풍부 층상 산화물이 Li-풍부 이중-층상 산화물이거나, 또는
    Li-풍부 층상 산화물이 Li-풍부 Mn-기반 층상 산화물인
    Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체.
  9. 제6항에 있어서, Li-풍부 층상 산화물이 일반식 Li[LixM1-x]O2 (여기서 M = Mn, Ni, Co, 또는 Al이고, 0 < x < 1임)를 갖는 것인 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체.
  10. 제6항에 있어서, Li-풍부 층상 산화물이 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2, Li[LixMnyNizMk]O2 (여기서 M = Co, Fe, 또는 Al이고, 0 < x이고, x + y + z + k = 1임), 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체.
  11. 제6항에 있어서, Li-풍부 층상 산화물 대 Li-함유 올리빈 물질의 몰비가 1:0.01 내지 1:1 또는 1:0.01 내지 1:0.2 또는 1:0.02 내지 1:0.1인 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체.
  12. Li-풍부 층상 산화물에 연소 합성에 의해 흡장된 Li-함유 올리빈 물질을 포함하는, Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질.
  13. 제12항에 있어서, Li-함유 올리빈 물질이 LiFePO4, LiCoPO4, LiNiPO4, LiMnPO4, Li3V2(PO4)3, 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질.
  14. 제12항에 있어서,
    Li-풍부 층상 산화물이 Li-풍부 이중-층상 산화물이거나, 또는
    Li-풍부 층상 산화물이 Li-풍부 Mn-기반 층상 산화물인
    Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질.
  15. 제12항에 있어서, Li-풍부 층상 산화물이 일반식 Li[LixM1-x]O2 (여기서 M = Mn, Ni, Co, 또는 Al이고, 0 < x < 1임)를 갖는 것인 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질.
  16. 제12항에 있어서, Li-풍부 층상 산화물이 Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2, Li[LixMnyNizMk]O2 (여기서 M = Co, Fe, 또는 Al이고, 0 < x이고, x + y + z + k = 1임), 및 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질.
  17. 제12항에 있어서, Li-풍부 층상 산화물 대 Li-함유 올리빈 물질의 몰비가 1:0.01 내지 1:1 또는 1:0.01 내지 1:0.2 또는 1:0.02 내지 1:0.1인 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질.
  18. 셀 하우징, 및
    셀 하우징 내의 캐소드, 애노드 및 전해질
    을 포함하며, 여기서
    캐소드는 애노드로부터 전기적으로 절연되지만 전해질에 의해 애노드에 전기화학적으로 커플링되며,
    캐소드는 제12항에 따른 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질을 포함하는 것인
    전기화학 셀.
  19. 전해질, 애노드 및 캐소드를 셀 하우징 내로 로딩하는 것
    을 포함하며,
    상기 캐소드는 제12항에 따른 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질을 포함하는 것인,
    전기화학 셀을 제작하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질이 적어도 180 mA h g-1 또는 적어도 200 mA h g-1 또는 적어도 250 mA h g-1의 방전 용량을 갖는 것인, 전기화학 셀을 제작하는 방법.
  21. 제18항에 따르지만, Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질이 망가니즈를 포함하는 것인 전기화학 셀에 충전 전위를 적용하여, 이로써 캐소드로부터의 리튬이 애노드의 적어도 일부분을 형성하게 하고,
    셀의 방전 전위가 리튬 금속에 대하여 2.0 - 3.5 V에 도달하도록 허용하는 것
    을 포함하며,
    셀의 충전 및 방전 동안 평균 망가니즈 원자가 상태가 3.5+ 이상인,
    전기화학 셀을 작동시키는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    셀의 충전 전위가 리튬 금속에 대하여 4.5 - 5.1 V에 도달하도록 허용되고/거나
    셀의 충전 및 방전 동안 평균 망가니즈 원자가 상태가 3.8+ 이상인,
    전기화학 셀을 작동시키는 방법.
  23. 제1항의 방법에 의해 제조된 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질.
  24. Li-함유 올리빈 물질을 연소 합성에 의해 Li-풍부 층상 산화물에 흡장시켜 Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 제공하는 것
    을 포함하는, Li-풍부 이중 활성 캐소드 물질 전구체를 제조하는 방법.
KR1020207003383A 2017-07-07 2018-06-22 이중 활성 캐소드 물질 KR102645751B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ZA2017/04582 2017-07-07
ZA201704582 2017-07-07
PCT/IB2018/054620 WO2019008465A1 (en) 2017-07-07 2018-06-22 DOUBLES MATERIALS OF ACTIVE CATHODE

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200027538A KR20200027538A (ko) 2020-03-12
KR102645751B1 true KR102645751B1 (ko) 2024-03-11

Family

ID=63042072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207003383A KR102645751B1 (ko) 2017-07-07 2018-06-22 이중 활성 캐소드 물질

Country Status (7)

Country Link
EP (1) EP3649688B1 (ko)
JP (1) JP7295837B2 (ko)
KR (1) KR102645751B1 (ko)
DK (1) DK3649688T3 (ko)
HU (1) HUE057275T2 (ko)
WO (1) WO2019008465A1 (ko)
ZA (1) ZA201907914B (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109879330A (zh) * 2019-02-26 2019-06-14 哈尔滨工业大学(深圳) 一种锂离子电池正极材料及其制作方法
CN110364703B (zh) * 2019-06-11 2021-02-26 浙江吉利控股集团有限公司 一种复合材料制备方法、电池正极、电池及其制备方法
CN111952562A (zh) * 2020-08-13 2020-11-17 五邑大学 一种LiZr2(PO4)3包覆的富锂材料的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015001632A1 (ja) 2013-07-03 2015-01-08 株式会社日立製作所 リチウムイオン二次電池用正極材、リチウムイオン二次電池用正極、リチウムイオン二次電池及びこれらの製造方法
US20150050522A1 (en) 2013-08-14 2015-02-19 Arumugam Manthiram Lithium-rich layered oxide cathodes and rechargeable batteries containing lithium-rich layered oxides

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101264332B1 (ko) 2006-09-20 2013-05-14 삼성에스디아이 주식회사 캐소드 활물질 및 이를 채용한 리튬 전지
JP2014221690A (ja) 2011-09-05 2014-11-27 国立大学法人 東京大学 リチウム含有酸素酸塩化合物の製造方法
KR101382797B1 (ko) * 2012-03-22 2014-04-08 삼성정밀화학 주식회사 리튬이온 이차전지용 양극활물질 및 그것을 포함하는 리튬이온 이차전지
KR101551523B1 (ko) 2012-08-02 2015-09-08 주식회사 엘지화학 출력 특성과 안전성이 향상된 혼합 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬이차전지
CN103117385B (zh) 2013-01-05 2016-05-18 宁波大学 一种缺陷结构LiFePO4表面改性富锂层-层正极材料及制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015001632A1 (ja) 2013-07-03 2015-01-08 株式会社日立製作所 リチウムイオン二次電池用正極材、リチウムイオン二次電池用正極、リチウムイオン二次電池及びこれらの製造方法
US20150050522A1 (en) 2013-08-14 2015-02-19 Arumugam Manthiram Lithium-rich layered oxide cathodes and rechargeable batteries containing lithium-rich layered oxides

Also Published As

Publication number Publication date
EP3649688B1 (en) 2021-10-20
ZA201907914B (en) 2022-05-25
KR20200027538A (ko) 2020-03-12
WO2019008465A1 (en) 2019-01-10
DK3649688T3 (da) 2022-01-17
EP3649688A1 (en) 2020-05-13
HUE057275T2 (hu) 2022-04-28
JP7295837B2 (ja) 2023-06-21
JP2020527832A (ja) 2020-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5268134B2 (ja) 正極活物質の製造方法およびそれを用いた非水電解質電池
JP4660812B2 (ja) 蓄電池用リチウム遷移金属ホスフェート粉末
JP5509918B2 (ja) リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法とリチウムイオン電池用正極活物質及びリチウムイオン電池用電極並びにリチウムイオン電池
EP1518284B1 (en) Carbon-coated li-containing powders and process for production thereof
EP1899268B1 (en) Crystalline nanometric lifepo4
JP5479096B2 (ja) リチウム金属リン酸化物の製造方法
JP2009527085A (ja) リチウム二次電池用リチウムマンガンリン酸塩正極材料
JP2011181452A (ja) リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法及びリチウムイオン電池用電極並びにリチウムイオン電池
KR20040033599A (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 그 제조 방법
KR102645751B1 (ko) 이중 활성 캐소드 물질
JP2011071018A (ja) リチウムイオン電池正極活物質の製造方法及びリチウムイオン電池用正極活物質
KR101554944B1 (ko) 리튬인산철 양극 활물질의 제조방법, 이에 따라 제조되는 리튬인산철 양극 활물질 및 이에 따라 제조되는 2차 전지
JP2010232091A (ja) リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法とリチウムイオン電池用正極活物質及びリチウムイオン電池用電極並びにリチウムイオン電池
KR101791524B1 (ko) 리튬 이온 배터리용 고전압 나노 복합체 캐소드 (4.9v)의 제조 방법
JP4479874B2 (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質の製造法、並びに非水電解質二次電池
KR101066625B1 (ko) 올리빈계 양극 활물질의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 리튬 이차 전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant