KR19980078121A - Lithium Mn2O4 powder cathode active material for lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질인 LixMn2O4분말 제조 및 그 전기화학적 특성을 Li/고분자전해질(PAN/Li1.03Mn2O4전지와 Li/1M LiBF4-EC/DEC용액/Li1.03Mn2O4전지를 이용하여 조사한 것이다. 본 발명에서는 양이 온 혼합(cation mixing)이 적고 순수한 상(phase-pure)의 LixMn2O4분말을 제조하는 것으로 킬레이트제(chelating agent)로 클리콜산(giycolic acid)을, 금속 전구체로는 리튬(Li)과 망간(Mn) 초산염을 전구체로 사용한 졸-겔(Sol-gel)법을 이용하여 LixMn2O4분말을 제조하였으며, 그 물리화학적 특성을 XRD, BET, 리이트벨트 프로그램(Rietvelt program), SEM을 이용하였으며, 전지의 충· 방전 특성은 Li/고분자전해질(PAN)/Li1.03Mn2O4전지와 Li/ 1M LiBF4-EC/DEC용액/Li1.03Mn2O4전지를 이용하여 조사하였다. 본 발명의 LiXMn2O4분발은 글리콜산양 및 소성온도를 변화시켜 미세구조를 조절하였다.The present invention relates to the preparation of Li x Mn 2 O 4 powder, which is a cathode active material for lithium secondary batteries, and its electrochemical properties to Li / polymer electrolyte (PAN / Li 1.03 Mn 2 O 4 battery and Li / 1M LiBF4-EC / DEC solution / Li 1.03). is investigated by using a Mn 2 O 4 cells. in the present invention, less mixing (cation mixing) the cation to chelating agent (chelating agent) as for producing Li x Mn 2 O 4 powder of pure phase (phase-pure) Li x Mn 2 O 4 powder was prepared by using a sol-gel method using glycolic acid as a precursor and lithium (Li) and manganese (Mn) acetate as precursors. The physicochemical characteristics were XRD, BET, Rietvelt program and SEM. The charge and discharge characteristics of the battery were Li / Polymer / Li 1.03 Mn 2 O 4 battery and Li / 1M LiBF. 4 -EC / DEC solution / Li 1.03 was investigated using a Mn 2 O 4 cells. Li X Mn 2 O 4 exertion of the present invention when changing the firing temperature, and goat glycol The microstructure was adjusted.

Description

리튬 이차전지용 양극 활성질 LixMn2O4분말 그 제조방법Anode Active LixMn2O4 Powder for Lithium Secondary Battery

제 1도는 본 발명에 따른 제조공정을 나타낸 졸-겔(sol-gel)법에 의한 Li1.03Mn2O4분말 제조 공정도이다.1 is a manufacturing process chart of Li 1.03 Mn 2 O 4 powder by the sol-gel method showing the manufacturing process according to the present invention.

제 2도는 본 발명에 따른 겔(gel) 전구체로부터 세락믹스로의 변화 과정을 나타낸 TG 곡석(승온속도5℃/min)을 나타낸 도표이다.2 is a diagram showing the TG grains (raising rate of 5 ℃ / min) showing the process of conversion from the gel (gel) precursor to the cerammix according to the present invention.

제 3도는 본 발명에 따른 총 금속이온에 대한 글리콜산 몰비가 1.5일때 겔전구체의 소성온도에 따른 Li1.03Mn2O4분말의 XRD 패턴(pattern) 그래프를 나타낸 도표이다.3 is a graph showing an XRD pattern graph of Li 1.03 Mn 2 O 4 powder according to the firing temperature of the gel precursor when the glycolic acid mole ratio to total metal ions of the present invention is 1.5.

제 4도는 본 발명에 따른 총 금속이온에 대한 글리콜산 몰비가 1.5일때 겔전구체의 소성온도에 따른 Li1.03Mn2O4분말의 격자상스[a] 의존성을 나타낸 도표이다.4 is a chart showing the lattice phase [a] dependence of Li 1.03 Mn 2 O 4 powder according to the firing temperature of the gel precursor when the glycolic acid molar ratio to total metal ions according to the present invention is 1.5.

제 5도는 본 발명에 따른 총 금속이온에 대한 글리콜산 몰비가 1.5일때 겔전구체의 소성온도에 따른 Li1.03Mn2O4분말의 비표면적 의존성을 나타낸 도표이다.5 is a diagram showing the specific surface area dependence of Li 1.03 Mn 2 O 4 powder according to the firing temperature of the gel precursor when the glycolic acid molar ratio to total metal ions according to the present invention is 1.5.

제 6도는 본 발명에 따른 총 금속이온에 대한 글리콜산 몰비가 (a) 0.5, (b) 1.0, (c) 1.5 및 (d)2.0인 경우에 800℃에서 소성한 Li1.03Mn2O4분말의 XRD 패턴 그래프를 나타낸 도표이다6 shows Li 1.03 Mn 2 O 4 powder calcined at 800 ° C. when the glycolic acid molar ratio to total metal ions according to the present invention is (a) 0.5, (b) 1.0, (c) 1.5 and (d) 2.0. Is a graph showing the XRD pattern graph

제 7도는 본 발명에 따른 800℃에서 소성한 Li1.03Mn2O4분말의 총 금속이온에 대한 글리콜산 몰비에 대한 격자상수[a] 의존성을 나타낸 도표이다.7 is a graph showing the lattice constant [a] dependence on the molar ratio of glycolic acid to total metal ions of Li 1.03 Mn 2 O 4 powder calcined at 800 ° C. according to the present invention.

제 8도는 본 발명에 따른 800℃에서 소성한 Li1.03Mn2O4분말의 총 금속이온에 대한 글리콜산 몰비에 대한 비표면적 의존성을 나타낸 도표이다.8 is a graph showing the specific surface area dependence of the molar ratio of glycolic acid to total metal ions of Li 1.03 Mn 2 O 4 powder calcined at 800 ℃ according to the present invention.

제 9도는 본 발명에 따른 금속이온에 대한 글리콜산 몰비가 1.5일때 겔전구체의 소성온도 (a)300℃.(b) 650℃, (c) 750℃ 및 (d)800℃에서 제조한 분말시료의 표면을 나타낸 SEM 사진이다.9 is a powder sample prepared at a firing temperature of (a) 300 ° C. (b) 650 ° C., (c) 750 ° C. and (d) 800 ° C. when the glycolic acid molar ratio to metal ion according to the present invention is 1.5. SEM photograph showing the surface of the.

제 10도는 본 발명에 따른 총 금속이온에 대한 글리콜산 몰비가 (a)2.0과 (b)0.5일때 겔전구체의 소성온도 700℃에서 제조한 분말시료의 표면을 나타낸 SEM사진이다.FIG. 10 is an SEM photograph showing the surface of a powder sample prepared at a firing temperature of 700 ° C. of a gel precursor when the glycolic acid molar ratio to total metal ions (a) 2.0 and (b) 0.5 according to the present invention.

제 11도는 본 발명에 따른 총 금속이온에 대한 글리콜산 몰비가(a) 1.5와 (b)0.75일때 760℃에서 소성한 Li1.03Mn2O4분말을 이용한 Li/1M LiBF4-EC/DEC용액/Li1.03Mn2O4전지의 전류밀도 1 mA/cm2전압범위 3.4~4.3V에 대한 사이클에 따른 방전용량 그래프를 나타낸 그래프이다.FIG. 11 shows Li / 1M LiBF 4 -EC / DEC solution using Li 1.03 Mn 2 O 4 powder calcined at 760 ° C. when the glycolic acid molar ratio to (a) 1.5 and (b) 0.75 according to the present invention. / Li 1.03 Mn 2 O 4 This is a graph showing the discharge capacity graph according to the cycle for the current density of 1 mA / cm 2 voltage range 3.4 ~ 4.3V of the battery.

제 12도는 본 발명에 따른 760℃에서 소성한 Li1.03Mn2O4분말을 이용한 Li/고분자전해질(PAN)/Li1.03Mn2O4전지의 전압범위 3.4~4.3V 사이에서 일정전류밀도 0.1mA/ cm2로 실혐함 (a) 사이클에 따른 충·방전 그래프( b) 사이클에 다른 방전용량 그래프를 나타낸 도표이다.12 is a constant current density of 0.1 mA in the voltage range of 3.4 ~ 4.3V of Li / polymer electrolyte (PAN) / Li 1.03 Mn 2 O 4 battery using Li 1.03 Mn 2 O 4 powder calcined at 760 ℃ according to the present invention / cm 2 (a) Charge / discharge graph according to cycle (b) The graph showing the discharge capacity graph different from the cycle.

제 13도는 본 발명에 따른 여러 충·방전 전류밀도에서 Li/고분자전해질(PAN)/Li1.03Mn2O4전지의 충·방전 곡선을 나타낸 도표이다.FIG. 13 is a chart showing charge and discharge curves of Li / polymer electrolyte (PAN) / Li 1.03 Mn 2 O 4 cells at various charge and discharge current densities according to the present invention.

제 14도는 본 발명에 따른 여러 충·방전 전류밀도에서 Li/고분자전해질(PAN)/Li1.03Mn2O4전지의 사이클 회수에 따른 방전용량 곡선을 나타낸 도표이다.14 is a chart showing the discharge capacity curve according to the number of cycles of Li / polymer electrolyte (PAN) / Li 1.03 Mn 2 O 4 cells at various charge and discharge current density according to the present invention.

[발명의 분야][Field of Invention]

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 활물질(cathode active material) 분말 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a cathode active material powder for a lithium secondary battery.

보다 구체적으로 본 발명은 리튬 이차전지인 리튬 이온전지 및 리튬 폴리모 전지용 양극 활물질인 Li1.03Mn2O4분말 제조방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention relates to a method for producing Li 1.03 Mn 2 O 4 powder, which is a positive electrode active material for a lithium ion battery and a lithium polymo battery, which are lithium secondary batteries.

보다 구체적으로 본 발명은 Li1.03Mn2O4의 제조방법 및 Li/ 고분자전해질(PAN)/Li1.03Mn2O4전지와 Li/1M LiBF4-EC/DEC용액/Li1.03Mn2O4전지를 이용하여 전기화합적 특성을 연구한 것이다.More specifically, the present invention provides a method for preparing Li 1.03 Mn 2 O 4 and a Li / Polymer electrolyte (PAN) / Li 1.03 Mn 2 O 4 battery and a Li / 1M LiBF 4 -EC / DEC solution / Li 1.03 Mn 2 O 4 battery. The electrochemical properties were studied using.

[발명의 배경][Background of invention]

양극 활물질인 LiMn2O4의 가장 일반적인 제조방법은 고상반응법이다. 이 방법은 각 구성원소의 탄산염과 수산화물을 원료로 하여 이들의 분말을 혼합소성하는 과정을 수 차례 거쳐 제조하는 것이다.The most common method for producing LiMn 2 O 4 , a cathode active material, is a solid phase reaction method. In this method, the carbonate and hydroxide of each element is used as a raw material, and these powders are mixed and fired several times.

세라믹 제조분야에서는 졸-겔(sol-gel)법이 개발되는 중이며, 이 방법은 금속알콕사이드를 용매에 용해한 후 가수분해 및 중합방응을 통하여 졸(sol)상태로하고, 이 분산액의 온도와 농도 및 그 외의 조건을 변화시켜 겔(gel)화시켜서 건조 및 열처리 공정을 거쳐 세라믹 분말을 얻는 것이다.In the ceramic manufacturing field, a sol-gel method is being developed, which dissolves a metal alkoxide in a solvent, and then forms a sol state through hydrolysis and polymerization reaction, and the temperature and concentration of the dispersion and Other conditions are changed to gel to obtain ceramic powder through drying and heat treatment.

고상 반응법의 단점은 혼합시 볼밀(ball mill)로부터의 불순물 유입이 많으며 불균일 반응이 일어나기 쉬워 균일한 상을 얻기 어렵고 분말입자의 크기를 일정하게 제어하기 곤한하여 소결성이 떨어지며, 제조시 높은 온도와 제조시간이 길다. 금속알콕사이드를 이용한 졸-겔(sol-gel) 법은 금속알콕사이드 가격이 너무 고가여서 경제성이 맞지 않는다. 따라서 최근에는 금속 전구체로 금속 질산염(nitrate), 초산염(acetate) 및 황산염(sulfate)을 이용하고 킬레이트제(chelating agent)로 구연산과 에틸렌글루콜을 이용한 구연산법 및 페치니(Pechini)법 등이 널리 연구되고 있다. 제조된 분말의 물성은 킬레이트제(chelatinf agent)종류에 따라 다르므로 적정한 킬레이트제 선정이 필요하다.Disadvantages of the solid phase reaction method include high impurity inflow from the ball mill during mixing, inhomogeneous reaction, which is difficult to obtain a uniform phase, and it is difficult to control the size of the powder particles uniformly. Long manufacturing time The sol-gel method using metal alkoxide is not economical because the metal alkoxide price is too expensive. Therefore, in recent years, citric acid and Pechini methods using metal nitrate, acetate and sulfate as metal precursors and citric acid and ethylene glycol as chelating agents are widely used. Is being studied. Since the physical properties of the prepared powders depend on the type of chelating agent (chelatinf agent), it is necessary to select an appropriate chelating agent.

[발명의 목적][Purpose of invention]

본 발명의 목적은 킬레이트제(chelating agent)로 글리콜산(glycolic acid)을 사용하고, 금속전구체로는 리튬 초산염과 망간 초산염을 사용한 졸-겔(sol-gel)법을 이용하여 LixMn2O4분말을 제조하기 위한 것이다.An object of the present invention is to use a glycol acid (glycolic acid) as a chelating agent (chelating agent), as a metal precursor using a sol-gel (sol-gel) method using lithium acetate and manganese acetate Li x Mn 2 O 4 to prepare a powder.

본 발명의 다른 목적은 킬레이트제로 글리콜산을 이용하여 양이온 혼합(cation mixing)이 적고 순순한 상(phase-pure)의 LixMn2O4분발을 제조하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to prepare a phase-pure Li x Mn 2 O 4 powder with low cation mixing using glycolic acid as a chelating agent.

본 발명의 또 다른 목적은 킬레이트제로 글리콜산을 사용하여 졸-겔(sol-gel)법으로 제조하여 그 물리화학적 특성 및 전지의 충·방전 특성을 조사하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to prepare a sol-gel method using glycolic acid as a chelating agent to investigate the physical and chemical properties and the charge and discharge characteristics of the battery.

[발명의 요약][Summary of invention]

본 발명의 리튬 이차전지용 양극 활물질인 LixMn2O4는 금속전구체로 리튬(Li)초산염 및 망간(Mn)초산염을 사용하고 킬레이트제로 글리콜산을 사용하여 겔(gel) 전구체로 만든 후. 이 겔전구체를 200~900℃에서 5~30시간 불활성기체 또는 산화성 분위기 하에서 열처리하여 제조된 LixMn2O4분말이다Li x Mn 2 O 4 of the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is made of a gel precursor using lithium (Li) acetate and manganese (Mn) acetate as a metal precursor and glycolic acid as a chelating agent. This gel precursor is Li x Mn 2 O 4 powder prepared by heat treatment at 200-900 ° C. for 5-30 hours under inert gas or oxidizing atmosphere.

상기 리튬 초산염과 망간 초산염 대신에 리튬 질산염 또는 리튬 수산염과 망간 질산염 또는 감마-과산화망간 수산화염(-MnOOH)을 금속전구체로 사용할 수 있다. 사용되는 리튬 초산염(또는 리튬 질산염)과 망간 초산염(또는 망간 질산염)에서의 리튬(Li)과 망간(Mn)의 비는 1∼1.1 : 1 이 바람직하다.Instead of the lithium acetate and manganese acetate, lithium nitrate or lithium hydroxide and manganese nitrate or gamma-manganese peroxide hydroxide ( -MnOOH) can be used as a metal precursor. The ratio of lithium (Li) and manganese (Mn) in the lithium acetate (or lithium nitrate) and manganese acetate (or manganese nitrate) used is preferably 1 to 1.1: 1.

본 발명의 LiXMn2O4분말은 리튬 이차전지인 리튬 이온전지 또는 리튬 폴리머전지의 양극활물질로 사용된다 본 발명의 LiXMn2O4의 용액을 졸 상태로 하여 박막을 제조할 수 있다.The Li X Mn 2 O 4 powder of the present invention is used as a cathode active material of a lithium ion battery or a lithium polymer battery which is a lithium secondary battery. A thin film may be prepared by solting a solution of Li X Mn 2 O 4 of the present invention. .

상기 양극 활물질 LiXMn2O4분말을 입자크기가 균일하였고 제조조건에 따라 입자크기, 비표면적, 입방(cubic)구조의 격자상수 등의 미세구조를 조절할 수 있다.The positive electrode active material Li X Mn 2 O 4 powder has a uniform particle size and can adjust the microstructure, such as the particle size, specific surface area, cubic structure lattice constant.

[발명의 구체예에 대한 상세한 설명]Detailed Description of the Invention

리튬 이차전지는 에너지 밀도, 높은 작동전압, 비메노리(no memory)효과등 여러 가지 특성이 기존의 이차전지에 비해 우수하므로 미래의 휴대용 전원으로서 크게 각광을 받고 있다. 리튬 이차전지의 연구는 1970년대부터 활발히 진행되기 시작하였는데, 초기에 음극을 리튬 박막(Li foil)으로 사용하고 양극으로는 메탈 칼코겐나이드(metal chalcogenides)를 채택한 전지가 개발되었으나, 리튬 금속의 수지상(dentrite) 성장에 따른 내부단락(internal short)으로 안전성에 문제가 있음이 발견되었다. 그 후 쏘니(SONY)를 선두로 카본을 음극재료로 하고 LixCoO2, LlxNiO2, LixMn2O4등 금속산화물을 양극재료로 하는 소위 리튬이온전지가 등장하게 되었다. 이중에서 양극은 음극(cathode)의 이론 용량이 372 mAh/g (Li1C6기준)임에 비해 148~274 mAh/g로 상대적으로 낮고 실제 사용용량은 110~200mAh/g로 보다 큰 용량을 갖는 새로운 양극 물질의 개발과 아울러 이론 용량을 더 많이 활용할 수 있도록 기존 양극 물질의 물성 개선 등이 시급한 실정이다. 현재로 사용중이거나 사용가능성이 대두되고 있는 리튬 이차전지의 양극재료로는 LiCoO2, LixNiO2, LixMn2O4등과 같은 전이금속 산화물 및 LiMxCo1-xO2, LiMxCO1-xO2(여기서 M=Ni, Co, Fe, Mn, Cr 등의 금속)과 같은 산화물 고용체등을 들 수 있다. 현재 가장 널리 사용되는 양극 물질로는 LiCoO2이다, 그러나 LiCoO2는 가격이 고가이고(Ni의 2배, Mn의 50배)인체에 유해하기 때문에 다른 대체재료 개발이 시급한 실정이다. 이중 LiMn2O4는 가장 낮은 가격, 제조의 용이성, 전해질의 안정성, 사용상의 안정성, 및 인체에 무해하다는 점 때문에 연구가 진행되고 있다.Lithium secondary batteries are attracting much attention as future portable power sources because they have various characteristics such as energy density, high operating voltage, and no memory effect, compared to conventional secondary batteries. The research of lithium secondary batteries began to be actively conducted in the 1970s. In the early stages, batteries using a negative electrode as a lithium foil and a metal chalcogenide as a positive electrode were developed. The internal short with dentrite growth has been found to be a safety problem. Since then, so-called lithium-ion batteries have emerged with Sony as the cathode material and carbon oxides as the cathode materials, such as Li x CoO 2 , Ll x NiO 2 , and Li x Mn 2 O 4 . Among them, the cathode has a relatively low capacity of 148 to 274 mAh / g and a real capacity of 110 to 200 mAh / g, while the cathode has a theoretical capacity of 372 mAh / g (based on Li 1 C 6 ). There is an urgent need to develop new cathode materials and to improve the properties of existing anode materials to make more use of theoretical capacity. The cathode materials of lithium secondary batteries that are currently in use or are expected to be used include transition metal oxides such as LiCoO 2 , Li x NiO 2 , Li x Mn 2 O 4 , and LiM x Co 1-x O 2 , LiM x CO And oxide solid solutions such as 1-x O 2 (metals such as M = Ni, Co, Fe, Mn, and Cr). At present, the most widely used anode material is LiCoO 2 , but since LiCoO 2 is expensive (2 times Ni and 50 times Mn), it is urgent to develop other alternative materials. LiMn 2 O 4 has been studied because of its lowest cost, ease of manufacture, stability of electrolyte, stability in use, and harmlessness to human body.

높은 양극 성능을 얻기 위한 LiMn2O4분말 조건은 좋은 결정도(crystallinity) 균일성(homogeneity), 좁은 입자분포를 갖는 일정한 분말 형상(morphology), 큰 기공분포 등이다. 상기 조건은 충·방전이 계속되는 동안 미세구조의 변화를 억제하여 초기성능을 유지할 수 있으며, 기공분포가 클수록 리튬이온의 삽입 또는 탈리가 쉽기 때문이다.LiMn 2 O 4 powder conditions for obtaining high anode performance are good crystallinity homogeneity, constant powder morphology with narrow particle distribution, large pore distribution, and the like. The above conditions can maintain the initial performance by suppressing the change in the microstructure during the charge and discharge, because the larger the pore distribution, the easier insertion or removal of lithium ions.

그러나 스피넬 구조를 갖는 LiMn2O4는 삼차원 구조를 갖기 때문에 리튬이온의 삽입 또는 탈리시 확산저항이 커서 확산계수가 낮으며, 제조시 리튬과 망간 금속이온과의 혼합(cation mixing)때문에 방전용량과 사이클 특성이 좋지 않다.However, LiMn 2 O 4, which has a spinel structure, has a three-dimensional structure, which has a high diffusion resistance during insertion or desorption of lithium ions, and has a low diffusion coefficient, and a discharge capacity due to mixing of lithium and manganese metal ions during manufacturing. Cycle characteristics are not good.

본 발명에서는 위와 같은 물성을 갖는 양이온 혼합이 적은 LixMn2O4분말을 킬레이트제(chelating agent)로 글리콜산(glycolic acid)을 사용하여 졸-겔법으로 제조하여 그 물리화학적 특성 및 전지의 충·방전특성을 향상시켰다.In the present invention, Li x Mn 2 O 4 powder having a small amount of cation mixture having the above properties is prepared by the sol-gel method using glycolic acid as a chelating agent, and its physicochemical properties and battery charging Improved discharge characteristics

LiMn2O4의 가장 일반적인 제법으로는 고상반응법인데, 이 방법은 각 구성원소의 탄산염과 수산화물을 원료로 하여 이들의 분말을 혼합·소성하는 과정을 수 차례 거쳐 제조하는데, 이 방법의 단점은 혼합시 볼밀(ball mill)로부터의 불순물 유입이 많으며 불균일 반응이 일어나기 쉬워 균일한 상을 얻기 어렵고 분말입자의 크기를 일정하게 제어하기 곤란하여 소결성이 떨어지며, 제조시 높은 온도와 제조시간이 길다.The most common method for producing LiMn 2 O 4 is a solid phase reaction method. This method is prepared by mixing and firing powders of carbonates and hydroxides of each element as a raw material. When mixing, there are a lot of impurities introduced from the ball mill, a heterogeneous reaction is likely to occur, it is difficult to obtain a uniform phase, it is difficult to control the size of the powder particles uniformly, and the sintering property is poor.

한편, 세라믹 제조분야에서는 졸-겔법이 개발되는 중이며, 이 방법은 금속알콕사이드를 용매에 용해후 가수분해 및 중합반응을 통하여 졸 상태로 하고, 이 분산액의 온도와 농도 및 그 외의 조건을 변화시켜 겔화시켜서 건조 및 열처리 공정을 거쳐 세라믹 분말을 얻는 것이다. 그러나 금속 전구체로 금속알콕사이드를 이용하는 경우 금속알콕사이드 가격이 너무 고가여서 경제성이 맞지 않는다. 따라서 최근에는 금속전구체로 금속 질산염, 초산염, 황산염을 이용하고 킬레이트제로 구연산과 에틸렌글루콜을 이용한 구연산법 및 페치니 법등이 널리 연구되어 지고 있다. 제조된 분말의 물성은 킬레이트제 종류에 따라 다르므로 적정한 킬레이트제 선정이 필요하다. 졸-겔법을 이용할 때의 이점은 조성비의 제어가 쉽고, 균일성이 높은 졸 및 겔화를 통하여 균일성이 높은 제품을 얻는 것이 가능하며, 제조 공정으로부터의 불순물 유입이 적고, 비교적 낮은 소성온도 및 짧은 시간에서 소결체의 제조가 가능하고, 그리고 구상, 막상 및 파이버 제조등의 다양한 형태로 제조가 가능하다는 점이다.On the other hand, in the ceramic manufacturing field, a sol-gel method is being developed. This method forms a sol state by dissolving a metal alkoxide in a solvent and subjecting it to a sol state by hydrolysis and polymerization reaction, and gelation by changing the temperature, concentration and other conditions of the dispersion. The ceramic powder is obtained by drying and heat treatment. However, when the metal alkoxide is used as the metal precursor, the metal alkoxide price is too expensive, so the economic feasibility is not met. Therefore, in recent years, citric acid and pechini methods using metal nitrate, acetate, sulfate as metal precursors and citric acid and ethylene glycol as chelating agents have been widely studied. Since the physical properties of the prepared powders depend on the type of chelating agent, it is necessary to select an appropriate chelating agent. The advantage of using the sol-gel method is that it is easy to control the composition ratio, it is possible to obtain a high homogeneous product through the sol and gelation with high uniformity, less impurities inflow from the manufacturing process, relatively low firing temperature and short It is possible to manufacture the sintered body in time, and to manufacture in various forms such as spherical, film and fiber production.

높은 양극 성능을 얻기 위한 LiMn2O4분말 조건은 좋은 결정도 (crystllinity), 균일성(homogeneity), 좁은 입자분포를 갖는 일정한 분말 형상(morphology)등이다. 상기 조건은 충·방전이 계속되는 동안 미세구조의 변화를 억제하여 초기성능을 유지할 수 있기 때문이다. 본 발명에서는 경제성과 제조방법을 향상시키고자 금속전구체로 초산염을 사용하고, 킬레이트제로 글리콜산을 사용하여 겔전구체로 만든 후, 이 겔전구체를 200~900℃에서 5~30시간 동안 불활성 기체 또는 공기 분위기에서 열처리하여 LixMn2O4분말을 얻는다. 제조된 분말은 입자크기가 균일하였고 제조 조건에 따라 입자크기, 비표면적, 입방 구조의 격자상수 등의 미세구조를 조잘할 수 있었다. 본 발명에서 리튬 초산염과 망간 초산염 대신에 리튬 질산염 또는 리튬 수산염과 망간 질산염 또는 감마-과산화망간 수산화염(γ-MnOOH)을 금속전구체로 사용 할 수 있다. 사용되는 리튬 초산염(또는 리튬 질산염)과 망간 초산염(망간 질산염)에서의 리튬(Li)과 망강(Mn)의 비는 1 ~ 1.1 : 1 이 바람직하다. 본 발명의 LixMn2O4분말은 리튬 이차전지인 리튬 이온전지 또는 리튬 폴리머전지의 양극 활물질로 사용된다. 본 발명의 LixMn2O4의 용액을 졸 상태로 하여 박막을 제조할 수 있다. 본 발명의 합성 양극(composite cathode) 제조는 LixMn2O4분말에 고체전해질(PAN, IM, LiCIO4. 에틸렌 카보네이트/프로필렌카보네이트)과 도전재인 아세틸렌 블랙(acetylene black)을 첨가, 혼합하여 슬러리(slurry)로 만든 후 알루미늄 호일(Al foil)위에 도포, 건조하여 제조할 수 있다.LiMn 2 O 4 powder conditions for obtaining high anode performance are good crystllinity, homogeneity, constant powder morphology with narrow particle distribution. This is because the above conditions can maintain the initial performance by suppressing changes in the microstructure while the charge and discharge continue. In the present invention, to improve the economics and manufacturing method using a acetate as a metal precursor, glycolic acid as a chelating agent to make a gel precursor, the gel precursor at 200 ~ 900 ℃ for 5 to 30 hours inert gas or air Heat treatment in the atmosphere gives a Li x Mn 2 O 4 powder. The prepared powder had a uniform particle size, and the microstructures, such as grain size, specific surface area, and cubic lattice constant, could be roughly adjusted according to the production conditions. In the present invention, instead of lithium acetate and manganese acetate, lithium nitrate or lithium hydroxide and manganese nitrate or gamma-manganese peroxide hydroxide (γ-MnOOH) may be used as the metal precursor. The ratio of lithium (Li) and manganese (Mn) in the lithium acetate (or lithium nitrate) and manganese acetate (manganese nitrate) used is preferably 1 to 1.1: 1. Li x Mn 2 O 4 powder of the present invention is used as a positive electrode active material of a lithium ion battery or a lithium polymer battery that is a lithium secondary battery. The thin film can be manufactured by making the solution of Li x Mn 2 O 4 of the present invention into a sol state. Composite cathode of the present invention (composite cathode) manufacturing a solid electrolyte (PAN, IM, LiCIO 4. Ethylene carbonate / propylene carbonate) and the conductive recognition acetylene black (acetylene black) was added to Li x Mn 2 O 4 powder, and mixed with the slurry It is made of (slurry) and then coated on aluminum foil (Al foil), it can be prepared by drying.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.The invention will be further illustrated by the following examples, which are intended to illustrate the invention and are not intended to limit the protection scope of the invention.

실시예Example

LiMn2O4분말의 제조:Preparation of LiMn 2 O 4 Powder:

Li(CH3COOH)·2H2O와 Mn(CH3COOH)2·4H2O를 1~1.1 : 2의 몰비로 정량하여 증류수를 녹인 후 글리콜산 대 총 금속이온 합의 몰비가 0.5, 1.0, 1.0및 2.0가 되게 수용액을 만들어 위 용액과 잘 혼합하였다. 상기 혼합액을 자석교반기나 건조기에서 70~90℃로 유지하면서 가열하여 졸로 만든 후 이 졸을 서서히 가열하여 겔전구체를 만들었다. 본 발명에서 실험한 글리콜산 대총금속이온 합 몰비의 모든 범위 내에서 투명한 겔전구체 합성이 가능하였다. 이 겔전구체를 250~800℃, 5~30시간 공기 분위기 하에서 소성하여 LixMn2O4분말을 얻었다. 이상의 제법을 제 1도에 나타내었다.Li (CH 3 COOH) · 2H 2 O and Mn (CH 3 COOH) 2 · 4H 2 O were quantified in a molar ratio of 1 to 1.1: 2 to dissolve distilled water, and then the molar ratio of glycolic acid to total metal ion sum was 0.5, 1.0, Aqueous solutions were made to 1.0 and 2.0 and mixed well with the above solution. The mixed solution was heated to 70-90 ° C. in a magnetic stirrer or dryer to form a sol, and then the sol was gradually heated to form a gel precursor. Transparent gel precursor synthesis was possible within the whole range of the molar ratio of glycolic acid total total metal ion tested in the present invention. This gel precursor was calcined in an air atmosphere at 250 to 800 ° C. for 5 to 30 hours to obtain a Li x Mn 2 O 4 powder. The above manufacturing method is shown in FIG.

TG 분석과 및 결과:TG analysis and results:

본 실험으로 제조한 겔전구체는 아주 투명하였으며 이는 겔전구체가 균일함을 의미한다. 겔전구체로부터 세라믹으로의 변화 과정을 조사하기 위해 글리콜산, 리튬 초산염과 망간 초산염(1:2) 혼합물 및 80℃에서 진공 건조시킨 겔전구체를 TG로 분석하여 그 결과를 제 2도에 나타내었다. 제 2도에서 (a)는 글리콜산을 의미하고, (b)는 리튬 대 망간을 1대 2로 혼합된 초산염물을 의미하고, (c)는 겔전구체를 의미한다. 이때 겔전구체의 제조 조건은 글리콜산 대 총금속 몰비를 1:5로 하였다. 글리콜산은 186℃에서 무게 감량이 종결되었으며, 리튬 초산염과 망간 초산염(1:2) 혼합물은 23~114℃사이에서 물 증발, 200~295℃에서 초산염 분해와 295~478℃에서 잔존 유기물분해가 일어났다. 겔전구체의 무게감소는 100~200℃, 200~313℃, 313~387℃의 세 구간으로 일어났으며, 378℃에서 무게감량이 종결되었다. 100~200℃ 구간에서의 무게 감소는 겔전구체내의 글리콜산 분해, 200~313℃ 사이의 무게 감소는 겔 전구체내의 초산염 분해에 기인한 것으로 이는 금속 초산염 혼합물의 무게 감소 온도와 잘 일치하였다. 313~387℃ 사이의 무게감소는 잔존하는 유기의 분해 때문이였다. 이러한 무게감소는 겔전구체 분해시 글리콜산이 분해되면서 초산이온의 분해를 가속화시키고 이 초산이온이 금속이온의 존재 하에서 연료로 작용하여 잔존 유기물의 분해를 가속시켜 격렬한 산화 및 분해반응을 야기시키기 때문인 것으로 추정된다. 이 구간에서의 무게감소는 겔전구체 무게의 30 wt%에 해당하는 것으로 이는 TGA결과에서 수직적으로 무게감소가 생기는 것으로 설명할 수 있다.The gel precursors prepared in this experiment were very transparent, indicating that the gel precursors were uniform. In order to investigate the transition process from gel precursors to ceramics, glycolic acid, a mixture of lithium acetate and manganese acetate (1: 2), and gel precursors vacuum dried at 80 ° C. were analyzed by TG and the results are shown in FIG. 2. In FIG. 2, (a) refers to glycolic acid, (b) refers to acetate mixed with lithium to manganese, and (c) means gel precursor. At this time, the gel precursor was prepared with a molar ratio of glycolic acid to total metal of 1: 5. Glycolic acid lost weight loss at 186 ° C, and the mixture of lithium acetate and manganese acetate (1: 2) evaporated water between 23 ~ 114 ° C, acetate decomposition at 200 ~ 295 ° C, and residual organic decomposition at 295 ~ 478 ° C. . The weight loss of the gel precursor occurred in three sections: 100 ~ 200 ℃, 200 ~ 313 ℃, and 313 ~ 387 ℃, and the weight loss was terminated at 378 ℃. The weight loss in the 100 ~ 200 ℃ range was due to glycolic acid decomposition in the gel precursor, the weight loss between 200 ~ 313 ℃ due to the acetate decomposition in the gel precursor, which is in good agreement with the weight reduction temperature of the metal acetate mixture. The weight loss between 313 and 387 ° C was due to the decomposition of the remaining organics. This weight loss is believed to be due to accelerated decomposition of acetate ions as glycolic acid decomposes during gel precursor decomposition, which acts as a fuel in the presence of metal ions to accelerate the decomposition of residual organics, causing violent oxidation and decomposition reactions. do. The weight loss in this section corresponds to 30 wt% of the weight of the gel precursor, which can be explained by the vertical weight loss in the TGA results.

XRD 패턴분석:XRD Pattern Analysis:

제 3도에 글리콜산 대 총금속 몰비가 1.5로 제조된 겔전구체의 250~800℃에서 10시간, 공기 분위기 하에서 열처리한 시료의 엑스-레이 회절선(X-ray diffraction p attern)을 나타내었다. 250℃에서 소성한 시료의 경우, 무정형상이 300℃의 경우 저 결정성의 스피넬 Li1.03Mn2O4가 관찰되었다. 소성온도가 증가할수록 XRD 피크는 뾰족하고 높은 회절 피크를 나타내는데, 이는 Li1.03Mn2O4의 높은 결정도를 갖는 상이 생성되었다. 이 결과를 본 연구의 졸-겔 제조법이 650~850℃에서 75~200시간 소결을 통한 고상 반응법보다 소성 온도가 낮고 제조시간이 짧게 걸린다는 것을 나타낸다. 이를 킬레이트제로 글리콜산을 사용한 졸-겔법은 출발시료가 원자크기로 균일하게 혼합되었고, 입자크기가 매우 작기 때문에 구조 생성의 반응속도가 증가하여 소결성을 향상시켰기 때문이다. 제 4도(제 3도와 같은 시료)에 소성온도에 따른 입방스피넬 Li1.03M n2O4분말의 입방구조의 격자상수[a]값을 나타내었다. 격자상수[a]값은 소성온도에 따라 증가 하였는데 이는 망간 양이온의 산화수 감소때문이다. 저온에서는 Mn4+가 안정하기 때문에 격자상수[a]값이 감소한다. 벨코어(Bellcore)의 타라스콘(Tarascon)등은 LixMn2O4에서 x값이 1보다 큰 서냉한(10℃/hr)시료의 [a]값은 8.23Å보다 작다고 보고하고 있으며, 이 경우 200회 이상의 안전한 방전 특성을 보인다.3 shows an X-ray diffraction pattern of a sample heat-treated under an air atmosphere at 250 to 800 ° C. for a gel precursor prepared with glycolic acid to total metal molar ratio of 1.5. In the case of a sample fired at 250 ° C., when the amorphous phase was 300 ° C., low crystalline spinel Li 1.03 Mn 2 O 4 was observed. As the firing temperature increased, the XRD peak showed sharp and high diffraction peaks, which resulted in a phase with high crystallinity of Li 1.03 Mn 2 O 4 . These results indicate that the sol-gel preparation of this study has a lower firing temperature and shorter manufacturing time than the solid phase reaction method through sintering at 650-850 ° C for 75-200 hours. This is because the sol-gel method using glycolic acid as a chelating agent was uniformly mixed with the starting sample in atomic size, and because the particle size was very small, the reaction rate of the formation of the structure was increased to improve the sinterability. 4 shows the lattice constant [a] of the cubic structure of the cubic spinel Li 1.03 M n 2 O 4 powder according to the firing temperature. The lattice constant [a] increased with the calcination temperature due to the decrease in the oxidation number of manganese cations. At low temperatures, since the Mn 4+ is stable, the lattice constant [a] decreases. Bellcore's Tarascon et al. Reported that in Li x Mn 2 O 4 , the [a] value of a slow cooled (10 ° C / hr) sample with x greater than 1 was less than 8.23 kPa. In the case of more than 200 times safe discharge characteristics.

본 발명에서 제조한 시료는 열처리는 30℃/hr로 냉각하였으며, 소성온도 750℃와 800℃에서 [a]값은 각각 8.227Å과 8.2254Å 이였다. 제 5도에 Li1.03Mn2O4분말의 (제 3도와 같은 시료) 소성온도에 따른 비표적 의존성을 나타내었다. 소성온도 증가에 따라, 시료의 비표면적은 직선적으로 감소하였는데, 이는 소결로 인한 결정성장 때문이다. 본 실험의 300℃와 800℃에서 합성한 시료는 각각 33m2/g 와 3.8m2/g로 통상 상업화되어 판매되는 LiMn2O4의 비표면적 3m2/g값과 비슷하였다.In the sample prepared in the present invention, the heat treatment was cooled to 30 ° C./hr, and the [a] values were 8.227 kPa and 8.2254 kPa at the firing temperatures of 750 ° C. and 800 ° C., respectively. 5 shows the non-target dependence of Li 1.03 Mn 2 O 4 powder (sample as shown in FIG. 3) according to the firing temperature. As the firing temperature increased, the specific surface area of the sample decreased linearly due to crystal growth due to sintering. The samples synthesized at 300 ° C and 800 ° C in this experiment were similar to the specific surface area of 3m 2 / g of LiMn 2 O 4 which is commercially available at 33m 2 / g and 3.8m 2 / g, respectively.

겔전구체의 글리콜산 대 총금속몰비 변화에 따른 (이때 글리콜산 대 총금속몰비=0.5, 1.0, 1.5, 2.0)시료의 XRD 패턴을 제 6도에 나타내었다. 이때 각겔전구체는 800℃, 10시간, 공기 분위기 하에서 소성하였다. 제조된 시료는 글리콜산 대 총금속몰비 변화에 관계없이 공간군 Fd3m을 갖는 입방 스피넬구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 글리콜산양 증가에 따른 스피넬 Li1.03Mn2O4의 구조변화를 더 자세히 고찰하기 위해 제 6도에서 얻은 XRD 데이터의 리이트벨드 정제(Rietveld refinement)(a값을 계산하기 위해)를 수행하였다. 제 7도에 이 계산결과를 나타내었으며, 글리콜산양의 증가에 따라 격자상수 a값은 직선적으로 증가하였다. 제 8도에 Li1.03Mn2O4분말의 글리콜산양에 따른 비표적 의존성을 나타내었다. 클리콜산양 증가에 따라, 시료의 비표면적은 직선적으로 증가하였으며, 클리콜산 대 총금속몰비 변화 0.5,와 2.0 때 시료의 비표면적은 각각 3.9m2/g와 2.55m2/g이었다.The XRD pattern of the sample according to the glycolic acid-to-total metal molar ratio change of the gel precursor (glycolic acid to total metal mole ratio = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) is shown in FIG. At this time, the gel gel precursor was fired at 800 ° C. for 10 hours in an air atmosphere. The prepared samples were found to have a cubic spinel structure with a space group Fd3m regardless of the glycolic acid to total metal molar ratio change. Rietveld refinement (to calculate the a value) of the XRD data obtained in FIG. 6 was performed to further investigate the structural change of spinel Li 1.03 Mn 2 O 4 with increasing glycolic acid amount. The calculation results are shown in FIG. 7, and the lattice constant a increases linearly with the amount of glycolic acid. 8 shows the non-target dependence of the amount of glycolic acid of Li 1.03 Mn 2 O 4 powder. Depending on glycol goats increased, the specific surface area of the sample was increased linearly, glycol acid to total metal molar ratio of 0.5, and a specific surface area of 2.0 when each sample was 3.9m 2 / g and 2.55m 2 / g.

SEM 분석 :SEM analysis:

글리콜산 대 총금속 몰비 1.5로 제조된 겔전구체를 공기 분위기 하에서 300℃, 650℃, 750℃ 및 800℃온도에서 10시간동안 소성한 분말의 SEM 사진을 제 9도에 나타내었다. 300℃에서 소성한 분말은 응집된 균일한 구형 입자로 구성되어 있었으며, 그 평균 반경은 40nm이었다. 소성온도가 증가하면 분말의 결정성장 속도가 증가하여 응집된 입자들이 하나의 큰 입자로 성장하였다. 800℃에서 열처리한 분말의 경우 응집된 입자들이 평균반경 0.3㎛로 성장하였으며, 그 입자분포는 상당히 균일하였다. 글리콜산 대 총금속 몰비 0.5와 2.0으로 제조된 겔전구체를 공지 분위기 하에서 700℃, 10시간 소성한 분말의 SEM 사진을 제 10도에 나타내었다. 글리콜산 대 총금속 몰비 0.5와 2.0로 제조한 분말의 입자크기는 각각 200nm와 100nm였다. 같은 소성온도에서도 클리콜산양은 변화시켜 시료의 입자크기를 조절할 수 있었다.SEM photographs of powders calcined for 10 hours at 300 ° C., 650 ° C., 750 ° C. and 800 ° C. in a gel precursor prepared with glycolic acid to total metal molar ratio 1.5 are shown in FIG. 9. The powder fired at 300 ° C. was composed of aggregated uniform spherical particles, and the average radius was 40 nm. As the firing temperature increased, the crystal growth rate of the powder increased, and the aggregated particles grew into one large particle. In the case of the powder heat-treated at 800 ° C., the aggregated particles grew to an average radius of 0.3 μm, and the particle distribution was fairly uniform. SEM photographs of powders calcined at 700 ° C. for 10 hours in a known atmosphere of a gel precursor prepared by glycolic acid to total metal molar ratios of 0.5 and 2.0 are shown in FIG. 10. The particle sizes of the powders prepared with glycolic acid to total metal molar ratios of 0.5 and 2.0 were 200 nm and 100 nm, respectively. Even at the same firing temperature, the amount of glycolic acid was varied to control the particle size of the sample.

양극(cathode)혼합물 제조 :Cathode Mixture Preparation:

상기에서 제조된 Li1.03Mn2O4활물질 분말에 케트젠 블랙(ketjen black) EC(도전재, 비표면적), 테프론(Teflon)(결합제)을 각각 20wt%와 8wt%를 첨가하여 양극(cathode) 혼합물을 제조하였다. 이때 테프론 바인더는 물에 완전히 용해시킨 후 활물질과 도전재 불말을 첨가, 혼합시켜 반죽으로 만든 다음 316 스테인레스 스틸 ex-met(U.S.A.)에 도포, 진공에서 건조시켜 제조하였다. 전해질로는 1M의 LiBF4가 용해된 EC(ethylene carbonate)와 DEC(diethyl carbonate)가 1:1의 몰비로 혼합된 용액을 사용하였다. 용매로 사용된 EC와 DEC는 350℃에서 2시간동안 활성화 처리된 4Å의 분자체로 전처리하여 수분함량을 최소화하였다. 비교와 상대전극은 모두 순도 99.999 %의 리튬금속 호일(Li foil)을 사용하였다. 사이클에 따른 충·방전 실험은 전류밀도 1mA/cm2의 정전류로 3.6~4.3V 범위에서 수행하였다. 글리콜산 대총금속 몰비가 0.75및 1.5로 제조된 겔전구체를 760℃에서 24시간동안 열처리하여 제조한 Li1.03M n2O4를 사용한 Li/1M LiBF4-EC/DEC/Li1.03Mn2O4전지에서 충·방전 전류밀도 1mA /cm2, 차단 전압 3.6~4.3V에서 사이클 회수에 따른 방전용량을 제 11도에 나타내었다. 글리콜산 대 총금속 몰비 1.5로 제조된 시료의 경우 초기 방전용량은 128mAh/g로 보였으며, 사이클 회수에 따라 서서히 감소하다가 100번째 사이클에서 120mAh/g의 용량을 보였다. 또한 86번째 사이클부터 용량감소는 나타나지 않았다. 글리콜산 대 총금속 몰비 0.75로 제조된 시료의 경우 초기 방전용량은 120mAh/g 를 , 100번째 사이클에서 107mAh/g의 용량을 보였다. 글리콜산 대 총금속 몰비 0.75및 1.5로 제조된 시료의 100번째 사이클의 용량감소율은 각각 초기용량의 12%와 6%를 보였는데, 이 값은 고전류밀도 (1mA/cm2)로 실험한 것을 고려해 보면 용량보전 특성이 아주 우수하였다. 리튬 폴리머 이차전지는 760℃에서 24시간동안 열처리한 LiMn2O4활물질 분말 59.5wt%에 고체전해질(PAN:0.4g, 1MLiClO4:0.4g, 에틸렌 카보네이트(Ethylene C arbonate)/프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate):1.65g)31.2 wt%와 도전재인 아세틸렌 블랙(Acetylene Black)9.3wt%를 첨가, 혼합하여 슬러지(slurry)로 만든 후 알루미늄 호일(Al foil) 위에 도포, 건조하여 합성 양극을 제조하였다. 리튬 폴리머전지 셀은 제조된 합성 양극에 고체고분자 전해질인 PAN을 접합시키고 구리 위에 도포된 리튬 전극을 고체고분자전해질에 접합시켜 제조하였다. 상대전극은 순도 99.999%의 리튬 금속을 사용하였다. 사이클링(cycling)에 따른 충·방전 실험은 전류밀도 0.1mA /cm2의 정전류로 전류밀도 변화는 0.1~4mA/cm2의 정전류로 3.0~4.3V 범위에서 수행하였다. 충·방전실험은 상온에서 수행하였다. 글리콜산 대 총금속 몰비 1.0으로 제조된 겔전구체를 760℃에 24시간동안 열처리하여 제조한 Li1.03Mn2O4를 사용한 Li/고분자전해질(PAN)/Li1.03Mn2O4전지에서 충·방전 전류밀도 0.1mA/cm2, 차단 전압 3.0~4.3V에서 사이클 회수에 따른 충·방전 거동 및 방전용량을 제 12도에 나타내었다. 충·방전 곡선으로부터 시료는 망간-스피넬 구조의 특성치인 두개의 방전 플래토(plateaues)를 보였으며 충전과 방전곡선 차의 1/2편극을 나타내는데 이값은 0.065V로 90 사이클까지 증가하지 않고 일정한 값을 유지하였다. 이전지의 초기 방전용량은 134 mAh/g를 보였다. 방전용량은 사이클 회수에 따라 서서히 감소하였으며, 90번째 방전용량은 129 mAh/g로 초기용량의 96%를 유지하였다. 제 13도와 제 14도에는 760℃에서 24시간동안 열처리하여 제조한 Li1.03Mn2O4을 사용한 Li/고분자전해질(PAN)/Li1.03Mn2O4전지에서 전류밀도를 0.1, 0.2, 0.5 및 1 mA/cm2으로 변화시키면서 충·방전 곡선 및 사이클 회수에 따른 방전용량을 각각 나타내었다. 전류밀도 증가에 따라 충전과 방전곡선 차의 1/2인 편극값은 증가하였으며(제 13도), 전류밀도를 0.1 및 0.2 mA/cm2인가시 10사이클까지 약 130 mAh/g이상의 용량을 보였으며, 용량감소는 거의 없었다. 전류밀도 0.5(1/1.2C) 및 1 mA/cm2(1.7C)인가시 방전용량은 각각 121과 78 mAh/g를 보였다. 이 전지에 전류밀도 0.1 및 0.2 mA/cm2재인가시 초기 방전용량을 유지하였다.To the Li 1.03 Mn 2 O 4 active material powder prepared above, 20 wt% and 8 wt% of ketjen black EC (conductive material, specific surface area) and Teflon (binder) were added to the cathode. A mixture was prepared. At this time, the Teflon binder was completely dissolved in water, the active material and the conductive material was added and mixed to make a dough, then applied to 316 stainless steel ex-met (USA), and dried by vacuum. As an electrolyte, a solution in which 1 M LiBF 4 was dissolved in EC (ethylene carbonate) and DEC (diethyl carbonate) in a molar ratio of 1: 1 was used. EC and DEC used as a solvent were pretreated with a molecular sieve of 4 kPa activated for 2 hours at 350 ° C. to minimize water content. Both the comparative and counter electrodes used a lithium metal foil (Li foil) with a purity of 99.999%. Charging and discharging experiments according to the cycle were carried out in the 3.6 ~ 4.3V range with a constant current of 1mA / cm 2 current density. Li / 1M LiBF 4 -EC / DEC / Li 1.03 Mn 2 O 4 using Li 1.03 M n 2 O 4 prepared by heating the gel precursor prepared with glycolic acid total metal molar ratios of 0.75 and 1.5 at 760 ° C. for 24 hours. The discharge capacity according to the number of cycles at the charge / discharge current density of 1 mA / cm 2 and the cutoff voltage of 3.6 to 4.3 V in the battery is shown in FIG. 11. For samples prepared with a glycolic acid-to-total metal molar ratio of 1.5, the initial discharge capacity appeared to be 128 mAh / g, gradually decreasing with the number of cycles and then 120 mAh / g at the 100th cycle. In addition, there was no capacity reduction since the 86th cycle. For samples prepared with a glycolic acid to total metal molar ratio of 0.75, the initial discharge capacity was 120 mAh / g and 107 mAh / g at the 100th cycle. The capacity reduction rates of the 100th cycle of samples prepared with glycolic acid to total metal molar ratios of 0.75 and 1.5 showed 12% and 6% of the initial capacity, respectively, taking into account the experiments with high current density (1mA / cm 2 ). The capacity preservation characteristics were very good. Lithium polymer secondary battery is a solid electrolyte (PAN: 0.4g, 1MLiClO 4 : 0.4g, Ethylene C arbonate) / propylene carbonate (Propylene Carbonate) in 59.5wt% LiMn 2 O 4 active material powder heat-treated at 760 ℃ for 24 hours ): 1.65g) 31.2 wt% and 9.3 wt% of acetylene black as a conductive material were added and mixed to make a sludge, followed by coating and drying on an aluminum foil to prepare a synthetic anode. The lithium polymer battery cell was prepared by bonding PAN, which is a solid polymer electrolyte, to a manufactured composite anode, and bonding a lithium electrode coated on copper to a solid polymer electrolyte. As the counter electrode, lithium metal having a purity of 99.999% was used. Charging of the cycling (cycling) · discharge experiments constant current at a current density change in the current density of 0.1mA / cm 2 was carried out in 3.0 ~ 4.3V range of 0.1 ~ 4mA / cm 2 constant current. Charge and discharge experiments were performed at room temperature. Charge / discharge in Li / Polymer electrolyte (PAN) / Li 1.03 Mn 2 O 4 cells using Li 1.03 Mn 2 O 4 prepared by heat-treating gel precursor prepared by glycolic acid to total metal molar ratio 1.0 at 760 ° C. for 24 hours The charge / discharge behavior and discharge capacity according to the number of cycles at the current density of 0.1 mA / cm 2 and the cutoff voltage of 3.0 to 4.3 V are shown in FIG. 12. From the charge and discharge curves, the sample showed two discharge plateaues, characteristic of the manganese-spinel structure, representing 1/2 polarization of the difference between charge and discharge curves. Was maintained. The initial discharge capacity of the former was 134 mAh / g. The discharge capacity gradually decreased with the cycle number, and the 90th discharge capacity was 129 mAh / g, maintaining 96% of the initial capacity. 13 and 14 show current densities of 0.1, 0.2, 0.5, and Li in a polyelectrolyte (PAN) / Li 1.03 Mn 2 O 4 cell using Li 1.03 Mn 2 O 4 prepared by heat treatment at 760 ° C. for 24 hours. While changing to 1 mA / cm 2 , the charge and discharge curves and the discharge capacity according to the number of cycles were shown, respectively. One-half of the charge and discharge curves in accordance with the primary side peak current density increase is increased (claim 13 degrees), a beam of about 130 mAh / g or more of capacity, current density up to 0.1 and 0.2 mA / cm 2 is applied at 10 cycles There was little dose reduction. Discharge capacities of 121 and 78 mAh / g were applied at current densities of 0.5 (1 / 1.2C) and 1 mA / cm 2 (1.7C), respectively. The initial discharge capacity was maintained when the cells were reapplied with current densities of 0.1 and 0.2 mA / cm 2 .

기존의 졸-겔(sol-gel) 법에서는 킬레이트제로 구연산이나 에틸렌글루콜등이 사용되었으나, 본 발명에서는 킬레이트제로 클리콜산을 이용하여 순수한 상의 LixMn2O4분말을 제조하였으며, 리튬이차전지 실험 결과 우수한 전지특성을 보였다.In the conventional sol-gel method, citric acid or ethylene glycol was used as a chelating agent, but in the present invention, a pure phase Li x Mn 2 O 4 powder was prepared using glycolic acid as a chelating agent. The battery test results showed excellent battery characteristics.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경을 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications and variations of the present invention can be readily made by those skilled in the art, and all such modifications and changes can be seen to be included within the scope of the present invention.

Claims (8)

리튬 염과 망간 염을 금속전구체로 사용하고 글리콜산을 켈레이트제로 사용하여 겔전구체를 제조하고; 그리고 상기 겔전구체를 200~900℃에서 5~30시간동안 불활성 기체 또는 공기 분위기에서 열처리하는;Gel precursors were prepared using lithium salt and manganese salt as metal precursors and glycolic acid as chelating agent; And heat treating the gel precursor at 200-900 ° C. for 5-30 hours in an inert gas or air atmosphere; 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 양극 활물질로 사용되는 LixMn2O4(x=1~1.1)분말의 제조방법.Method for producing a Li x Mn 2 O 4 (x = 1 ~ 1.1) powder used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, characterized in that it comprises a step. 제 1항에 있어서, 상기 리튬(Li)염은 리튬 초산염, 리튬 수산염 또는 리튬 질산염이고, 상기 망간(Mn) 염은 망간 초산염, 감마-과산화망간 수산화염(γ-MnOOH)또는 망간 질산염인 것을 특징으로 하는 LixMn2O4의 제조방법.The method of claim 1, wherein the lithium (Li) salt is lithium acetate, lithium hydroxide or lithium nitrate, the manganese (Mn) salt is characterized in that the manganese acetate, gamma-manganese peroxide hydroxide (γ-MnOOH) or manganese nitrate Method for producing Li x Mn 2 O 4 to be . 제 1항에 있어서, 상기 리튬(Li) 대 망간(Mn)의 조성비를 1~1.1 대 1의 범위인 것을 특징으로 하는 LixMn2O4의 제조방법.The method of claim 1, wherein the lithium (Li) for manganese method for producing Li x Mn 2 O 4 for the composition ratio of the (Mn) ~ 1, characterized in that in the range of 1.1 to 1. 상기 리튬 염과 망간 염을 금속전구체로 사용하고 글리콜산을 킬레이트제로 사용하여 겔전구체를 제조하고, 상기 겔전구체를 200℃~900℃에서 5~30시간동안 불활성(inert) 기체 또는 공기 분위기 하에서 소성하여 제조된 리튬이차전지의 양극 활물질로 사용되는 LixMn2O4분말.The gel precursor is prepared by using the lithium salt and the manganese salt as a metal precursor and glycolic acid as a chelating agent, and the gel precursor is calcined at 200 ° C. to 900 ° C. for 5 to 30 hours in an inert gas or air atmosphere. Li x Mn 2 O 4 powder used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery prepared by. 제 4항에 있어서, 상기 리튬(Li)염은 리튬 초산염, 리튬 수산염 또는 리튬 질산염이고, 상기 망간(Mn)염은 망간 초산염, 감마-과산화망간 수산화염(γ-MnOOH)또는 망간 질산염인 것을 특징으로 하는 LixMn2O4분말.)The method of claim 4, wherein the lithium (Li) salt is lithium acetate, lithium hydroxide or lithium nitrate, and the manganese (Mn) salt is manganese acetate, gamma-manganese peroxide hydroxide (γ-MnOOH) or manganese nitrate Li x Mn 2 O 4 powder made.) 제4항에 있어서, 상기 리튬(Li)대 망간(Mn)의 조성비를 1~1.1 대 1의 범위인 것을 특징으로 하는 LixMn2O4분말.The Li x Mn 2 O 4 powder according to claim 4, wherein the composition ratio of lithium (Li) to manganese (Mn) is in the range of 1 to 1.1 to 1. 제 4항 내지 제 6항의 어느 한 항의 LixMn2O4분말로부터 제조된 박막.Thin film prepared from the Li x Mn 2 O 4 powder of any one of claims 4 to 6. 제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 의하여 제조된 LixMn2O4분말에 고체전해질(/PAN,1M LiCIO4, 에틸렌 카보네이트/프로필렌 카보네이트)과 도전재인 아세틸렌 블랙(acetylene black)을 첨가, 혼합하여 슬러리(slurry)로 만든후 알루미늄 호일(Al foil)위에 도포, 건조하여 제조된 합성 양극(composite cathode).A solid electrolyte (/ PAN, 1M LiCIO 4 , ethylene carbonate / propylene carbonate) and acetylene black as a conductive material are added to the Li x Mn 2 O 4 powder prepared according to any one of claims 1 to 3, A composite cathode prepared by mixing a slurry to make a slurry and then applying and drying on an aluminum foil.
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