KR20010029695A - A method for manufacturing the cathode material of the secondary lithium electric cell - Google Patents

A method for manufacturing the cathode material of the secondary lithium electric cell Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A process for preparing positive electrode material used in lithium rechargeable battery capable of controlling composition and particle size of powdered positive electrode material and enhancing cycling feature of the battery is accomplished by means of two-staged heat treatments at desired temperature. CONSTITUTION: A preparation process of positive electrode material useful in lithium rechargeable battery is performed by dissolving citric acid and ethylene glycol in water to form a solution, admixing this solution with a water solution containing metal salt and additives and heating the mixture at a certain temperature to produce powdered product as a first heat treatment step. Subsequently, the powdered product is dried in a pre-heated dryer as a second heat treatment step. The final dried powder is delivered into and under calcining process in a furnace.

Description

리튬이차전지의 정극재료 제조방법{A method for manufacturing the cathode material of the secondary lithium electric cell}A method for manufacturing the cathode material of the secondary lithium electric cell}

본 발명은 리튬이차전지의 정극재료 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 는 정극재료 분말의 조성과 크기를 용이하게 제어할 수 있고, 전지의 싸이클 특성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a positive electrode material of a lithium secondary battery, and more particularly, to manufacture a positive electrode material of a lithium secondary battery that can easily control the composition and size of the positive electrode material powder and improve the cycle characteristics of the battery. It is about a method.

일반적으로 상기 리튬이차전지는 계속 충전하면서 여러 번 재사용 가능한 전지로서 최근에 휴대폰(Mobile phone)이나 노트북컴퓨터(Notebook PC)에 많이 사용되고 있다. 이 리튬이차전지는 크게 전극과 분리막(Separator) 및 전해질(Electrolyte)로 이루어진다. 상기 전극은 외부도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극인 정극(Cathode)과, 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극인 부극(Anode)으로 이루어진다. 상기 분리막은 두 전극의 물리적 접촉을 막기 위한 격리막이고, 상기 전해질은 정극에서의 환원반응과 부극에서의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 소정의 물질이동을 가능케 하는 매개물이다. 상기 전해질내에서 이동하는 물질은 Li이온으로서, 이 Li이온의 정,부극 사이의 이동에 의해 전지의 충,방전작용이 이루어지게 된다.In general, the lithium secondary battery is a battery that can be reused many times while being continuously charged. Recently, the lithium secondary battery has been widely used in a mobile phone or a notebook computer. The lithium secondary battery is largely composed of an electrode, a separator, and an electrolyte. The electrode includes a cathode, which is an electrode that receives electrons from an external conductor, and a cathode active material is reduced, and an anode, which is an electrode that emits electrons to the conductor as the anode active material is oxidized. The separator is a separator for preventing physical contact between the two electrodes, and the electrolyte is a medium that enables the movement of a predetermined material so that the reduction reaction at the positive electrode and the oxidation reaction at the negative electrode are chemically coordinated. The material that moves in the electrolyte is Li ions, and the charge and discharge of the battery is performed by the movement between the positive and negative electrodes of the Li ions.

한편, 이러한 리튬이차전지는 전지를 형성하는 각 요소들의 제조방법에 따라 그 성능이 크게 달라진다. 특히, 상기 두 전극 중 정극의 재료는 LiMn2O4또는 LiCoO2이 많이 사용되고 있는데, 상기 LiMn2O4또는 LiCoO2은 건식법 또는 고상반응법인 페치니법(Pechini Method)에 의해 주로 제조된다. 이하에서 상기 건식법과 페치니법에 대해서 간략하게 살펴본다.On the other hand, the performance of such a lithium secondary battery greatly varies depending on the manufacturing method of each element forming the battery. In particular, a material of the positive electrode of the two electrodes is a lot of LiMn 2 O 4 or LiCoO 2 is used, the LiMn 2 O 4 or LiCoO 2 is mainly produced by the Pechini method (dry method or solid phase reaction method). Hereinafter, the dry method and the Pechini method will be briefly described.

상기 건식법은 고체상태인 원료분말을 기계적으로 혼합한 후 하소하여 분말을 제조하는 방법이다. 이 때 사용되는 분말은 주로 산화물 계통이다. 그런데, 이 건식법에 의하면 고체상태의 원료분말을 기계적으로 혼합하기 때문에 균일하게 혼합하는 데 한계가 있어 생성된 분말의 조성 및 크기의 균일성이 낮은 문제점이 있다.The dry method is a method of preparing a powder by mechanically mixing the raw material powder in a solid state. The powder used at this time is mainly an oxide system. However, according to this dry method, since the raw material powders in the solid state are mechanically mixed, there is a limitation in uniform mixing, and there is a problem in that the uniformity of the composition and size of the resulting powder is low.

따라서, 균일한 조성의 분말로 만들기 위해서 800℃의 고온에서 장시간 동안의 하소해야 한다. 그런데, 이렇게 하면 분말이 단단하게 되고 응집체가 형성되게 되기 때문에, 이 응집체를 분쇄하기 위해서 파쇄공정을 거쳐야 한다. 이 파쇄공정은 주로 자르라는 통에 알루미나볼이나 지르코니아볼과 같이 강도가 큰 볼을 사용하여, 이 볼과 분말의 마찰에 의하여 분말이 분쇄되도록 하는 공정이다. 그러나, 알루미나볼이나 지르코니아볼의 사용하여 분말을 분쇄하는 과정에서 알루미나볼도 마찰에 의해 마모되어 오염가능성이 존재하게 된다.Therefore, calcination for a long time at a high temperature of 800 ℃ in order to make a powder of a uniform composition. In this case, however, the powder becomes hard and aggregates are formed. Therefore, a crushing step must be performed to crush the aggregates. This crushing step is a process in which the powder is pulverized by friction between the ball and the powder by using a ball of high strength, such as an alumina ball or a zirconia ball, mainly in a cutting barrel. However, in the process of pulverizing the powder using alumina balls or zirconia balls, the alumina balls are also worn out by friction and there is a possibility of contamination.

한편, 페치니법은 원료분말을 시트르산과 에틸렌글리콜에 녹여서 LiMn2O4분말 또는 LiCoO2분말을 제조하기 때문에 건식법에 비해 분말조성 및 분말결정의 균일성이 높다. 그리고 고분자 물질등을 이용하여 원자스케일로 고르게 섞을 수 있기 때문에, 상대적으로 저온에서 단시간내에 하소할 수 있다. 이렇게 저온에서 단시간내에 하소하기 때문에 분말이 미세하여 분쇄공정을 요하지 않을 뿐만 아니라 볼의 사용으로 인한 오염을 방지할 수 있다. 그러나, 종래의 페치니법은 다음과 같은 문제점이 있다.On the other hand, the pechini method dissolves the raw material powder in citric acid and ethylene glycol to produce LiMn 2 O 4 powder or LiCoO 2 powder, so that the composition of the powder and the uniformity of powder crystals are higher than those of the dry method. In addition, since the polymer material can be evenly mixed on an atomic scale, it can be calcined at a relatively low temperature in a short time. Since it is calcined at a low temperature in a short time, the powder is fine and does not require a grinding process, and can prevent contamination due to the use of balls. However, the conventional Pechini method has the following problems.

첫째, 종래의 페치니법은 반응조건에 따라 달라지는 혼합용액의 복잡한 화학반응에 의해 정극재료의 분말 크기와 조성을 제어하는 것이 쉽지 않은 단점이 있다. 또한, 상기 제조방법에 따른 상기 정극재료 LiMn2O4또는 LiCoO2의 제조과정에 첨가되는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol)의 휘발시 리튬이 같이 증발하여 분말의 조성을 제어하기 어려운 단점이 있다.First, the conventional Pechini method has a disadvantage in that it is not easy to control the powder size and composition of the positive electrode material by the complicated chemical reaction of the mixed solution depending on the reaction conditions. In addition, when volatilization of ethylene glycol (Ethylene glycol) added in the manufacturing process of the cathode material LiMn 2 O 4 or LiCoO 2 according to the manufacturing method has a disadvantage that it is difficult to control the composition of the powder.

둘째, 기존의 페치니법은 원료분말에 시트르산과 에틸렌글리콜을 동시에 혼합하게 되는데, 이때 시트르산과 에틸렌글리콜간의 체인형성이 억제되어 조성이 균일한 혼합분말을 얻기 어렵게 된다. 따라서, 기존의 페치니법은 재현성과 수율(收率)이 떨어지는 단점이 있다.Second, the conventional pechini method is to mix the citric acid and ethylene glycol in the raw material powder at the same time, it is difficult to obtain a mixed powder of uniform composition because the chain formation between citric acid and ethylene glycol is suppressed. Therefore, the existing Pechini method has a disadvantage in that reproducibility and yield are poor.

세째, 일반적으로 LiMn2O4내의 Mn의 원자가 또는 LiCoO2내의 Co의 원자가에 따라서 전지의 싸이클 특성이 좌우된다고 알려져 있는데, 상기 제조방법에 의해서는 망간 또는 코발트의 원자가를 제어할 수 없어 전지의 충방전시 싸이클 특성이 많이 감소하는 문제점이 있다.Third, it is generally known that the cycle characteristics of a battery depend on the valence of Mn in LiMn 2 O 4 or the valence of Co in LiCoO 2 , but the valence of manganese or cobalt cannot be controlled by the manufacturing method. There is a problem that the cycle characteristics are greatly reduced during discharge.

네째, 정극재료의 분말을 대량 생산할 때, 혼합용액인 시트르산과 에틸렌글리콜로 구성된 폴리머에 의해 노가 오염될 수 있을 뿐만 아니라 밀폐된 공간에서 상기 용매 폴리머의 분해반응이 일어나면 그 반응열에 의해 폭발위험성도 있다.Fourth, in the mass production of the powder of the positive electrode material, not only can the furnace be contaminated by a polymer composed of citric acid and ethylene glycol as a mixed solution, but there is also a risk of explosion due to the heat of reaction when the decomposition reaction of the solvent polymer occurs in an enclosed space. .

전술한 문제를 해소하고자 하는 본 발명의 목적은 정극재료 분말의 조성 및 크기를 용이하게 제어할 수 있는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법을 제공함에 있다.An object of the present invention to solve the above problems is to provide a positive electrode material manufacturing method of a lithium secondary battery that can easily control the composition and size of the positive electrode material powder.

본 발명의 두번째 목적은, 제조방법의 재현성 및 수율을 향상시키는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법을 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a method for producing a positive electrode material of a lithium secondary battery that improves the reproducibility and yield of the manufacturing method.

본 발명의 세번째 목적은, 망간 또는 코발트의 원자가를 제어하여 전지의 충방전시 싸이클 특성을 대폭 향상시킬 수 있는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법을 제공하는 것이다.A third object of the present invention is to provide a method of manufacturing a positive electrode material for a lithium secondary battery that can significantly improve cycle characteristics during charging and discharging of a battery by controlling the valence of manganese or cobalt.

본 발명의 네번째 목적은, LiMn2O4또는 LiCoO2대량생산시 노의 오염 및 폭발가능성을 저하시킬 수 있는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법을 제공하는 것이다.A fourth object of the present invention is to provide a method of manufacturing a cathode material of a lithium secondary battery, which can reduce the contamination and explosion potential of a furnace during mass production of LiMn 2 O 4 or LiCoO 2 .

도 1은 본 발명에 의한 바람직한 실시예의 정극재료 제조공정을 개략적으로 보여주는 공정도.1 is a process diagram schematically showing a positive electrode material manufacturing process of a preferred embodiment according to the present invention.

도 2는 본 발명에 의한 정극재료 LiMn2O2의 제조공정을 보여주는 공정도.Figure 2 is a process chart showing the manufacturing process of the positive electrode material LiMn 2 O 2 according to the present invention.

도 3은 본 발명에 의한 정극재료 LiMn2O2에 있어서, 하소온도에 따른 산소공공농도의 변화를 보여주는 그래프.Figure 3 is a graph showing a change in the oxygen pore concentration according to the calcination temperature in the positive electrode material LiMn 2 O 2 according to the present invention.

도 4는 본 발명에 의한 정극재료 LiMn2O2에 있어서, 하소온도에 따른 Mn의 원자가의 변화를 보여주는 그래프.4 is a graph showing the change in valence of Mn according to the calcination temperature in the cathode material LiMn 2 O 2 according to the present invention.

도 5는 본 발명에 의한 정극재료 LiMn2O2에 있어서, 하소온도에 따른 격자상수의 변화를 보여주는 그래프.5 is a graph showing a change in lattice constant according to calcination temperature in the positive electrode material LiMn 2 O 2 according to the present invention.

도 6은 본 발명에 의한 정극재료 LiMn2O2을 이용한 전지에 있어서, 하소온도에 따른 싸이클특성의 변화를 보여주는 그래프.6 is a graph showing a change in cycle characteristics according to calcination temperature in a battery using the positive electrode material LiMn 2 O 2 according to the present invention.

도 7은 본 발명에 의한 정극재료 LiCoO2의 제조공정을 보여주는 공정도.7 is a process chart showing the manufacturing process of the positive electrode material LiCoO 2 according to the present invention.

도 8은 본 발명에 의한 정극재료 LiCoO2의 미세구조를 보여주는 도면.8 is a view showing the microstructure of the positive electrode material LiCoO 2 according to the present invention.

도 9는 본 발명에 의한 정극재료 LiCoO2의 결정성을 보여주는 그래프.9 is a graph showing the crystallinity of the positive electrode material LiCoO 2 according to the present invention.

도 10은 본 발명에 의한 정극재료 LiCoO2을 이용한 전지의 싸이클특성 변화를 보여주는 그래프.10 is a graph showing a cycle characteristic change of a battery using a positive electrode material LiCoO 2 according to the present invention.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬이차전지의 정극재료 제조방법은, 소정 양의 물에 시트르산과 에틸렌글리콜을 녹여 용해물을 만든 후, 이 용해물을 금속염이 용해된 금속염수용액과 섞어 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계와; 상기 혼합물을 가열하여 분말을 생성하는 1차 열처리단계와; 그리고 상기 건조된 분말을 하소하는 하소단계를 포함하여 구성된다.In the method for producing a cathode material of a lithium secondary battery of the present invention for achieving the above object, after dissolving citric acid and ethylene glycol in a predetermined amount of water to form a melt, the melt is mixed with a metal salt solution in which metal salt is dissolved Mixture manufacturing step of preparing a; A first heat treatment step of heating the mixture to produce a powder; And a calcining step of calcining the dried powder.

상기한 구성에 의하면, 상기 시트르산과 에틸렌글리콜을 서서히 녹여 제조한 후 금속염용액을 혼합하므로 용해물의 화학적 안정성이 향상된다. 따라서, 정극재료의 분말의 조성 및 크기를 용이하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 재현성 및 수율도 향상시킬 수 있게 되는 이점이 있다.According to the above constitution, since the citric acid and ethylene glycol are gradually dissolved to prepare the metal salt solution, the chemical stability of the melt is improved. Therefore, there is an advantage that not only the composition and size of the powder of the positive electrode material can be easily controlled, but also the reproducibility and yield can be improved.

본 발명에 의한 구체적인 실시예에 의하면, 본 발명에 의한 리튬이온전지의 정극재료 제조방법은, 상기 1차 열처리 단계 후 상기 하소단계전 상기 분말이 발열반응하여 발화되기 직전 소정의 건조분위기를 갖도록 미리 가열된 건조기에서 건조하는 2차 열처리단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a specific embodiment of the present invention, the positive electrode material manufacturing method of the lithium ion battery according to the present invention, before the calcination step after the first heat treatment step in advance to have a predetermined dry atmosphere just before the powder is exothermic reaction by ignition It is characterized in that it further comprises a secondary heat treatment step of drying in a heated dryer.

상기한 구성에 의하면, 분말이 발열반응하여 발화되기 직전 즉, 시트르산과 에틸렌글리콜 사이의 체인을 끊어 카본 등을 충분히 제거할 수 있으므로 대량생산시에 발생될 수 있는 오염 및 폭발의 위험성을 낮출 수 있는 이점이 있다.According to the above configuration, the powder can be sufficiently removed just before the powder is exothermic by ignition, that is, by breaking the chain between citric acid and ethylene glycol, thereby reducing the risk of contamination and explosion that may occur during mass production. There is an advantage.

본 발명에 의한 다른 구체적 실시예에 의하면, 상기 하소단계에서 온도를 500-700℃로 조절하여 Mn의 원자가를 증가시켜 전지의 싸이클 특성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.According to another specific embodiment of the present invention, in the calcination step, the temperature is adjusted to 500-700 ° C. to increase the valence of Mn, characterized in that to improve the cycle characteristics of the battery.

상기한 구성에 의하면, 하소온도를 낮춤으로서 Mn의 원자가나 산소공공의 농도를 높여 전지의 싸이클 특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.According to the above configuration, by lowering the calcining temperature, there is an advantage that the cycle characteristics of the battery can be improved by increasing the valence of Mn and the concentration of oxygen vacancies.

본 발명에 의한 다른 실시예에 의하면, 금속염수용액을 제조할 때 Mn/Li의 비를 0.9 ~ 1.05 로 하는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the ratio of Mn / Li is 0.9 to 1.05 when the metal salt solution is prepared.

상기와 같이, Mn/Li 의 비를 0.9 ~ 1.05로 하면 하소온도를 조절하여 Mn의 원자가를 3.5 이상으로 유지시켜 전지의 싸이클 특성을 현저히 증가시킬 수 있는 이점이 있다.As described above, when the ratio of Mn / Li is 0.9 to 1.05, there is an advantage that the cycle characteristics of the battery can be significantly increased by maintaining the valence of Mn at 3.5 or more by controlling the calcination temperature.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다. 이러한 본 발명에 의한 리튬이차전지 정극재료의 제조방법은 상기 페치니법을 변형한 것이다.BEST MODE Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The method for producing a lithium secondary battery positive electrode material according to the present invention is a modification of the above Pechin method.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬이차전지의 정극재료 제조방법은 소정 양의 물에 시트르산(Ceitric acid)과 에틸렌글리콜(Ethylene glycol)을 녹여 만든 용해물(212)과 소정의 첨가제가 함유되고 금속염이 용해된 금속염용액(214)을 혼합(216)하여 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계(210)와, 이 혼합물제조단계(210)에서 제조된 상기 혼합물을 소정 온도로 가열하여 분말을 생성하는 1차 열처리단계(222)와, 상기 분말을 미리 가열된 건조기에 넣어 건조하는 2차 열처리단계(224) 및 이 건조된 분말을 로(funace)에서 하소하는 하소단계(226)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the method of manufacturing a cathode material of a lithium secondary battery according to the present invention includes a melt 212 formed by dissolving citric acid and ethylene glycol in a predetermined amount of water, and a predetermined additive. And mixing (216) a metal salt solution (214) containing a metal salt dissolved therein to prepare a mixture, and heating the mixture prepared in the mixture manufacturing step (210) to a predetermined temperature to obtain a powder. A first heat treatment step 222 to be produced, a second heat treatment step 224 of drying the powder by putting it in a pre-heated dryer and a calcining step 226 of calcining the dried powder in a furnace It is composed.

상기 혼합물제조단계(210)는 상기 용해물과 금속염용액을 각각 따로 제조(212,214)한 후 상기 금속염용액을 미리 제조된 상기 용해물에 혼합하는 과정(216)으로 이루어진다. 이를 상세히 살펴보면, 상기 용해물은 주원료인 상기 시트르산과 에틸렌글리콜을 소정 양의 물에 넣어 100 ~ 110℃에서 150 ~ 200분 동안 서서히 녹여 제조한다(212). 이어, 소정 양의 물에 금속염을 섞어 상기 금속염용액을 제조한다(214). 이렇게 제조된 상기 용해물과 금속염용액을 혼합한다(216). 상기 금속염용액에는 첨가제가 첨가될 수 있다.The mixture manufacturing step 210 consists of a process (216) of preparing the melt and the metal salt solution separately (212, 214) and then mixing the metal salt solution into the prepared melt. Looking at this in detail, the melt is prepared by slowly dissolving the citric acid and ethylene glycol as the main raw materials in a predetermined amount of water for 150 to 200 minutes at 100 ~ 110 ℃ (212). Next, a metal salt is mixed with a predetermined amount of water to prepare the metal salt solution (214). The melt and the metal salt solution thus prepared are mixed (216). An additive may be added to the metal salt solution.

상기와 같이 용해물을 적당한 온도에서 서서히 녹여 제조하면, 용해물이 화학적으로 안정화되어 시트르산과 에틸렌글리콜 사이에 다수의 체인이 형성되며 중합된다. 이렇게 용해물이 안정된 상태에서 금속염용액을 혼합하게 되면, 용해물과 금속분말을 동시에 혼합하는 종래의 페치니법에 의한 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 에틸렌클리콜의 휘발시 리튬이 함께 증발하는 문제가 발생되지 않고, 금속분말을 균일하게 혼합할 수 있어, 분말의 조성의 균일성, 제조방법의 재현성 및 수율을 향상시킬 수 있다.When the melt is slowly dissolved at a suitable temperature as described above, the melt is chemically stabilized to form a plurality of chains between citric acid and ethylene glycol and polymerize. When the metal salt solution is mixed in a stable state in this way, it is possible to solve the problem by the conventional Pechini method of mixing the melt and the metal powder at the same time. That is, the problem that lithium evaporates together when volatilization of ethylene glycol does not occur, and the metal powder can be mixed uniformly, thereby improving the uniformity of the composition of the powder, the reproducibility of the manufacturing method, and the yield.

상기와 1차 열처리는 발열반응이 일어날 때까지 가열하여 분말화하는 단계이며(222), 상기 1차 열처리 단계 후 상기 하소단계전 상기 분말이 발열반응하여 발화되기 직전 소정의 건조분위기를 갖도록 미리 가열된 건조기에서 건조하는 2차 열처리를 한다(224). 이 2차 열처리단계(224)에서 상기 건조기의 건조분위기는 공기분위기 또는 진공분위기를 말한다. 다만, 상기 건조기의 분위기를 진공으로 하게 되면 반응이 촉진되는 잇점이 있다.The first heat treatment is a step of heating and powdering until an exothermic reaction occurs (222), and before the calcination step after the first heat treatment step, the powder is heated in advance so as to have a predetermined dry atmosphere immediately before the powder is exothermicly ignited. The secondary heat treatment to dry in a dry dryer is performed (224). The drying atmosphere of the dryer in the second heat treatment step 224 refers to an air atmosphere or a vacuum atmosphere. However, there is an advantage that the reaction is accelerated when the atmosphere of the dryer is vacuumed.

상기 2차 열처리를 함으로서, 분말이 발열반응하여 발화되기 직전 즉, 시트르산과 에틸렌글리콜 사이의 체인을 끊어 카본 등을 충분히 제거할 수 있으므로 대량생산시에 발생될 수 있는 오염 및 폭발의 위험성을 낮출 수 있는 이점이 있다.By performing the second heat treatment, it is possible to sufficiently remove carbon and the like by breaking the chain between citric acid and ethylene glycol immediately after the powder is exothermic and ignited, thereby reducing the risk of contamination and explosion that may occur during mass production. There is an advantage to that.

상기와 같이 본 발명에 의한 정극재료 제조방법에서는 용해물을 화학적으로 안정화시킨 후 혼합하고 2회의 열처리를 행하므로 균일한 조성의 정극재료를 안전하고 효율적으로 대량생산할 수 있다. 또한, 하소온도를 상대적으로 낮출 수 있어 본 발명에 의한 정극재료를 이용한 전지의 싸이클 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, in the positive electrode material manufacturing method according to the present invention, since the melt is chemically stabilized, mixed, and subjected to two heat treatments, the positive electrode material having a uniform composition can be safely and efficiently mass-produced. In addition, the calcination temperature can be lowered relatively, and the cycle characteristics of the battery using the positive electrode material according to the present invention can be improved.

도 2는 본 발명에 의한 정극재료 LiMn2O2의 제조공정을 보여주는 공정도이다.2 is a process chart showing a manufacturing process of the cathode material LiMn 2 O 2 according to the present invention.

도 1의 공정과 같이 상기 시트르산과 에틸렌글리콜을 소정 양의 물에 넣어 100 ~ 110℃온도를 유지한 상태에서 150∼200분 동안에 걸쳐 용해물을 제조하고(212a), Li염과 Mn염을 물과 혼합하여 금속염용액을 제조한다(214a).As shown in the process of Figure 1 by putting the citric acid and ethylene glycol in a predetermined amount of water to maintain a temperature of 100 ~ 110 ℃ for 150 to 200 minutes to prepare a melt (212a), the Li salt and Mn salt in water To prepare a metal salt solution by mixing with (214a).

이 때, Li 염분말은 산화물(oxide), 질산염(nitrate), 초산염(acetate) 중에 하나 또는 하나이상을 선택할 수 있고, 상기 Co분말은 산화물, 질산염, 초산염 중에 하나 또는 하나이상을 선택할 수 있다. 그리고, 상기 Li염분말과 Mn염분말은 순도 90%이상의 것이 사용되고, 상기 금속염용액에는 Ga, Sr, Co, Ni, Cu, Ru, Fe 또는 Sn 등으로 이루어진 첨가제가 첨가될 수도 있다.In this case, the Li salt powder may be selected from one or more than one of oxide (oxide), nitrate (nitrate), acetate (acetate), the Co powder may be selected from one or more of oxide, nitrate, acetate. In addition, the Li salt powder and Mn salt powder may be one having a purity of 90% or more, and an additive consisting of Ga, Sr, Co, Ni, Cu, Ru, Fe, or Sn may be added to the metal salt solution.

한편, 상기 Li염분말과 Mn염분말을 혼합할 때, Mn/Li를 0.9-1.5으로 하게 되면, 하소온도를 조절하여 Mn의 원자가를 3.5 이상으로 유지시켜 전지의 싸이클 특성을 현저히 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 일반적으로 리튬이차전지용 정극재료인 LiMn2O4는 Mn의 원자가 3.5이상일 때 전지의 싸이클 특성이 증가되고, Mn/Li의 비가 2에 가까운 경우 용량이 이론치가 가깝다고 알려져 있다. 따라서, 본 발명은 상기 원리를 이용하여 전지의 싸이클 특성을 향상시킨 것이다.On the other hand, when mixing the Li salt powder and Mn salt powder, when Mn / Li is 0.9-1.5, by controlling the calcination temperature to maintain the valence of Mn above 3.5 to significantly increase the cycle characteristics of the battery There is an advantage. In general, LiMn 2 O 4 , a cathode material for lithium secondary batteries, is known to increase the cycle characteristics of the battery when the Mn atom is 3.5 or more, and the capacity is close to the theoretical value when the Mn / Li ratio is close to two. Accordingly, the present invention improves the cycle characteristics of the battery using the above principle.

다음, 상기 혼합물제조단계(210a)를 거쳐 제조된 상기 혼합물을 분말화하기 위해 가열하는 1차 열처리단계(222a)를 수행한다. 이 1차 열처리단계(222a)에서는 상기 혼합물을 100 ~ 150℃의 온도에서 발화되기 직전까지 가열하여 분말을 생성시킨다.Next, a first heat treatment step 222a is performed to heat the mixture prepared through the mixture manufacturing step 210a. In the first heat treatment step (222a) is heated to just before the mixture is ignited at a temperature of 100 ~ 150 ℃ to produce a powder.

그런 다음, 2차 열처리단계(224a)를 거치게 되는데, 1차 열처리단계(222a)에서 생성된 상기 분말이 발열반응을 일으켜 급속한 발화가 일어날 시점에 분말을 소정의 건조분위기를 갖도록 미리 150 ~ 250℃로 가열된 건조기에 넣어 12시간 동안 유지시켜 건조시킨다. 이 2차 열처리단계(224a)에서 상기 건조기의 건조분위기는 공기분위기 또는 진공분위기에서 실시한다. 다만, 상기 건조기의 분위기를 진공으로 하게 되면 반응이 촉진되는 잇점이 있다.Then, the second heat treatment step 224a, the powder produced in the first heat treatment step (222a) causes an exothermic reaction and the powder is 150 ~ 250 ℃ in advance to have a predetermined dry atmosphere at the time of rapid ignition occurs It is put in a dryer heated with and maintained for 12 hours to dry. In the secondary heat treatment step 224a, the drying atmosphere of the dryer is performed in an air atmosphere or a vacuum atmosphere. However, there is an advantage that the reaction is accelerated when the atmosphere of the dryer is vacuumed.

상기와 같이, 고온에서 하소하기 전에 2차 열처리(224a)를 하게 되면, 분말에 남아 있는 용해물의 폴리머체인을 완전히 제거할 수 있어, 정극재료인 LiMn2O4분말의 대량생산시에도 노의 오염 및 폭발가능성을 낮출 수 있다.As described above, if the secondary heat treatment 224a is performed before calcination at a high temperature, the polymer chain of the melted substance remaining in the powder can be completely removed, and thus the mass production of LiMn 2 O 4 powder, which is a positive electrode material, It can reduce the possibility of contamination and explosion.

마지막 단계인 상기 분말을 하소하는 하소단계(226a)에서는 상기 2차 열처리단계(224a)를 통해 건조된 분말을 1℃/min 이하의 승/냉온속도를 갖는 열처리조건으로 하소한다. 이로부터 최종 상태의 정극재료 LiMn2O4의 분말이 제조된다. 한편, 상기 승/냉온속도를 조절함으로써 분말의 결정성을 목적에 맞게 변화시킬 수 있다.In the calcining step 226a of calcining the powder, the final step is calcined to a heat treatment condition having a temperature rise / cold rate of 1 ° C./min or less through the second heat treatment step 224 a. From this, the powder of the positive electrode material LiMn 2 O 4 in the final state is produced. On the other hand, the crystallinity of the powder can be changed to suit the purpose by adjusting the temperature rise / cold temperature.

바람직하게는 상기 하소단계(226a)를 500 ~ 750℃에서 행한다. 도 3은 하소온도에 따른 산소공공농도의 변화를 나타낸 그래프로서, 이때 하소시간은 4시간이었다. 도 4는 하소온도에 따른 Mn의 원자가 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5는 하소온도에 따른 격자상수의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 하소온도가 낮을수록 산소의 공공농도 및 Mn의 산화수가 높고 격자상수가 낮은 것으로 나타났다.Preferably the calcination step (226a) is performed at 500 ~ 750 ℃. 3 is a graph showing the change in oxygen pore concentration according to the calcination temperature, wherein the calcination time was 4 hours. 4 is a graph showing the change in valence of Mn according to the calcination temperature, Figure 5 is a graph showing the change of lattice constant according to the calcination temperature. As shown in Figures 3 to 5, the lower the calcination temperature, the higher the concentration of oxygen, the oxidation number of Mn and the lower the lattice constant.

따라서, 상술한 바와 같이 Mn의 산화수가 높을수록 전지의 싸이클 특성이 향상되기 때문에, 하소온도가 낮을수록 전지의 싸이클 특성이 높게 나타나게 된다. 이는 하소온도에 따른 전지의 싸이클 특성의 변화를 나타낸 그래프인 도 6에 잘 도시되어 있다. 상기 분말의 전기화학적인 특성은 분말에 도전제와 바인더를 첨가한 후 아르곤 분위기 내에서 정전류를 가하면서 전압의 변화를 측정하였다.Therefore, as described above, the higher the oxidation number of Mn, the better the cycle characteristics of the battery. The lower the calcination temperature, the higher the cycle characteristics of the battery. This is well illustrated in FIG. 6, which is a graph showing a change in cycle characteristics of a battery according to calcination temperature. The electrochemical properties of the powder were measured by changing the voltage while applying a constant current in an argon atmosphere after adding a conductive agent and a binder to the powder.

한편, 하소시간은 2 ~ 48 시간으로 하는 것이 바람직하다. 하소시간이 길어지면 하소온도를 높이는 것과 동일한 결과를 초래하기 때문에, 하소시간을 단축하여 전지의 싸이클 특성을 향상시킬 수 있게 된다.On the other hand, it is preferable to set calcining time as 2 to 48 hours. Longer calcination time results in the same result as raising the calcination temperature, so that the calcination time can be shortened to improve the cycle characteristics of the battery.

이하, 도 7에 도시된 LiCoO2정극재료를 제조하는 실시예에 대해서 설명하기로 한다. 즉, 금속염을 제조할 때 Mn염분말 대신에 Co염분말이 사용된 실시예에 대해서 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of manufacturing the LiCoO 2 positive electrode material shown in FIG. 7 will be described. That is, the Example in which Co salt powder was used instead of Mn salt powder when manufacturing a metal salt is demonstrated in detail.

LiMn2O2정극재료를 제조하는 실시예와 비교해 볼 때, 전체적인 순서와 작용원리는 동일하나, 첨가비율 및 구체적인 열처리 온도등에 차이점이 있다.Compared with the embodiment for preparing the LiMn 2 O 2 positive electrode material, the overall order and principle of operation are the same, but there is a difference in the addition ratio and the specific heat treatment temperature.

즉, 제조된 용해물(212b)을, Li염 분말과 Co염 분말과 물을 혼합한 금속염용액(214b)에 혼합한다(216b). 상기 Li염 분말과 Co염 분말은 Co/Li 비가 0.8 ~ 1.2 되도록 혼합한다. 이때 전지의 싸이클 특성이 가장 향상된다. 상기 금속염용액에는 첨가제로 Mn, Ni, Sr, Ga, Cu, Ru, Fe, Sn 등을 첨가할 수 있다.That is, the prepared melt 212b is mixed with the metal salt solution 214b in which Li salt powder, Co salt powder, and water are mixed (216b). The Li salt powder and the Co salt powder are mixed so that the Co / Li ratio is 0.8 to 1.2. At this time, the cycle characteristics of the battery are most improved. Mn, Ni, Sr, Ga, Cu, Ru, Fe, Sn and the like may be added to the metal salt solution.

그리고, 상기 Li분말은, 산화물(oxide), 탄산염(carbonate), 질산염(nitrate), 초산염(acetate) 중에서 하나 또는 하나이상을 선택할 수 있고, 상기 Co분말은 산화물, 탄산염, 질산염, 초산염 중에서 하나 또는 하나이상을 선택할 수 있다.The Li powder may be selected from one or more of oxide, carbonate, nitrate, and acetate, and the Co powder may be selected from one of oxide, carbonate, nitrate, and acetate. You can select more than one.

한편, 80 ~ 200℃에서 3 ~ 24시간 동안 1차 열처리(222b)를 후에 행하는 2차 열처리단계는 150 ~ 400℃를 유지한 상태에서 1 ~ 24시간 동안 한다(224b).On the other hand, the second heat treatment step after the first heat treatment (222b) for 3 to 24 hours at 80 ~ 200 ℃ is carried out for 1 to 24 hours while maintaining 150 to 400 ℃ (224b).

그리고, 상기 하소단계는 500 ~ 850℃에서 1 ~ 48시간동안 실시한다(226b).And, the calcination step is carried out for 1 to 48 hours at 500 ~ 850 ℃ (226b).

도 8은 본 발명에 의한 정극재료 LiCoO2의 미세구조를 보여주는 도면이고, 도 9는 본 발명에 의한 정극재료 LiCoO2의 결정성을 보여주는 그래프인데, 이를 보면 알 수 있듯이 본 발명에 의한 LiCoO2정극재료 제조방법에 의하면 정극재료 LiCoO2의 결정성이 증가하게 된다.8 is a view showing a microstructure of the positive electrode material LiCoO 2 according to the invention, Figure 9 is the graph showing the crystallinity of the positive electrode material LiCoO 2 according to the present invention, LiCoO 2 positive electrode according to the invention As can be seen from this, According to the material production method, the crystallinity of the positive electrode material LiCoO 2 is increased.

상기와 같이 본 발명에 의하며 정극재료 LiCoO2의 결정성이 향상되기 때문에, 도 10(800℃에서 24시간 동안 하소한 경우)에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 정극재료 LiCoO2를 이용한 전지의 싸이클 특성도 개선된다.Since the crystallinity of the positive electrode material LiCoO 2 according to the present invention is improved as described above, a cycle of a battery using the positive electrode material LiCoO 2 according to the present invention as shown in FIG. 10 (when calcined at 800 ° C. for 24 hours). The properties are also improved.

상기에서는 열처리를 2회에 걸쳐 실시하는 실시예에 대해 설명하였으나, 열처리를 한번만 실시하는 경우를 포함하여 본 발명의 청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 실시예가 가능하다.In the above, the embodiment of performing the heat treatment twice has been described, but various embodiments are possible without departing from the technical spirit described in the claims of the present invention, including the case where the heat treatment is performed only once.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 리튬이차전지 정극재료의 제조방법은, 용해물과 금속분말을 혼합하는 공정의 순서를 바꾸어 즉, 시트르산과 에틸렌글리콜을 안정적으로 혼합한 후 금속염용액을 혼합하기 때문에 정극재료 분말의 조성 및 크기를 용이하게 제어할 수 있고, 재현성과 수율(收率)을 향상시킬 수 있는 효과를 도모할 수 있다.As described above, the method for manufacturing a lithium secondary battery positive electrode material according to the present invention changes the order of mixing a melt and a metal powder, that is, positively because the metal salt solution is mixed after stably mixing citric acid and ethylene glycol. The composition and size of the material powder can be easily controlled, and the effect of improving reproducibility and yield can be achieved.

본 발명에 의하면, 하소전 2회의 열처리단계를 거치기 때문에, LiMn2O4또는 LiCoO2의 대량생산시 노의 오염 및 폭발가능성을 낮출 수 있는 효과도 도모할 수 있다.According to the present invention, since two heat treatment steps before calcination, the effect of lowering the contamination and explosion of the furnace during mass production of LiMn 2 O 4 or LiCoO 2 can be achieved.

그리고, 본 발명의 또 다른 효과는, 상대적으로 저온에 단시간내에 하소하기 때문에 망간의 원자가를 최대화하여 리튬이차전지의 초기용량이나 싸이클효율이 증대시킬 수 있다는 것이다.In addition, another effect of the present invention is that because the calcination at a relatively low temperature within a short time, the valence of manganese can be maximized to increase the initial capacity or cycle efficiency of the lithium secondary battery.

Claims (21)

리튬이차전지 정극재료 제조방법에 있어서,In the method of manufacturing a lithium secondary battery positive electrode material, 소정 양의 물에 시트르산과 에틸렌글리콜을 녹여 용해물을 만든 후, 이 용해물을 금속염이 용해된 금속염수용액과 섞어 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계와;Preparing a mixture by dissolving citric acid and ethylene glycol in a predetermined amount of water and then mixing the melt with a metal salt solution in which the metal salt is dissolved; 상기 혼합물을 가열하여 분말을 생성하는 1차 열처리단계와; 그리고A first heat treatment step of heating the mixture to produce a powder; And 상기 건조된 분말을 하소하는 하소단계를 포함하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.Method for producing a positive electrode material of a lithium secondary battery comprising a calcination step of calcining the dried powder. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물제조단계에서 용해물 제조시, 100 ~ 110℃에서 150-200분 동안 행하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 1, wherein during the preparation of the melt in the mixture manufacturing step, the cathode material manufacturing method of a lithium secondary battery, characterized in that performed for 150-200 minutes at 100 ~ 110 ℃. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 1차 열처리 단계 후 상기 하소단계전 상기 분말이 발열반응하여 발화되기 직전 소정의 건조분위기를 갖도록 미리 가열된 건조기에서 건조하는 2차 열처리단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method according to claim 1 or 2, further comprising a second heat treatment step of drying in a preheated dryer to have a predetermined drying atmosphere after the first heat treatment step and before the calcining step, before the calcination step is exothermic. Method for producing a positive electrode material of a lithium secondary battery, characterized in that. 제 3항에 있어서, 상기 건조단계의 건조분위기는 진공분위기인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 3, wherein the drying atmosphere of the drying step is a vacuum atmosphere. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 하소단계는 1℃/min 이하의 승/냉온속도로 행하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 1 or 2, wherein the calcination step is performed at a ramp / cold rate of 1 ° C / min or less. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 혼합물 제조단계의 상기 금속염은 Li염분말과 Mn염분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 1 or 3, wherein the metal salt of the mixture preparation step comprises a Li salt powder and a Mn salt powder. 제 6항에 있어서, 상기 Li염분말은, 산화물(oxide), 탄산염(carbonate), 질산염(nitrate), 초산염(acetate) 중에 하나 또는 하나이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법The method of claim 6, wherein the Li salt powder, one or more of the oxide (carbonate), carbonate (nitrate), acetate (acetate) to manufacture a positive electrode material of a lithium secondary battery Way 제 6항에 있어서, 상기 Mn염분말은, 산화물(oxide), 질산염(nitrate), 초산염(acetate) 중에 하나 또는 하나이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 6, wherein the Mn salt powder comprises one or more of oxide, nitrate, and acetate. 제 6항에 있어서, 상기 1차 열처리단계는 100 ~ 150℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 6, wherein the first heat treatment step is performed at 100 ~ 150 ℃ positive electrode material manufacturing method of a lithium secondary battery. 제 6항에 있어서, 상기 2차 열처리단계는 150 ~ 250℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 6, wherein the secondary heat treatment step is performed at 150 ~ 250 ℃ positive electrode material manufacturing method of a lithium secondary battery. 제 6항에 있어서, 상기 하소단계에서 온도를 500-700℃로 조절하여 Mn의 원자가를 증가시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.7. The method of claim 6, wherein in the calcining step, the temperature is adjusted to 500-700 ° C. to increase the valence of Mn. 제 11항에 있어서, 상기 하소단계에서 하소시간을 2-48시간으로 하여 Mn의 원자가를 높이는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.12. The method of claim 11, wherein in the calcination step, the calcination time is 2-48 hours to increase the valence of Mn. 제 6항에 있어서, 금속염수용액을 제조할 때 Mn/Li의 비를 0.9 ~ 1.05 로 하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of manufacturing a positive electrode material of a lithium secondary battery according to claim 6, wherein the ratio of Mn / Li is 0.9 to 1.05 when the metal salt solution is prepared. 제 6항에 있어서, 상기 금속염에 첨가제로서 Ga, Sr, Co, Ni, Cu, Ru, Fe 또는 Sn을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 6, wherein the metal salt contains Ga, Sr, Co, Ni, Cu, Ru, Fe, or Sn as an additive. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 혼합물 제조단계의 상기 금속염은 Li염분말과 Co염분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.4. The method of claim 1 or 3, wherein the metal salt in the mixture preparation step comprises a Li salt powder and a Co salt powder. 제 15항에 있어서, 상기 Li분말은, 산화물(oxide), 탄산염(carbonate), 질산염(nitrate), 초산염(acetate) 중에 하나 또는 하나이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 15, wherein the Li powder comprises one or more of oxide, carbonate, nitrate, and acetate. . 제 15항에 있어서, 상기 Co분말은 산화물, 탄산염, 질산염, 초산염 중에 하나 또는 하나이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the Co powder comprises one or more of oxides, carbonates, nitrates, and acetates. 제 15항에 있어서, 상기 1차 열처리단계는 80 ~ 200℃에서 행해지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극 재료 제조방법.The method of claim 15, wherein the first heat treatment step is performed at 80 ~ 200 ℃. 제 15항에 있어서, 상기 2차 열처리단계는 150 ~ 400℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료 제조방법.The method of claim 15, wherein the secondary heat treatment step is performed at 150 ~ 400 ℃. 제 15항에 있어서, 상기 하소단계는 500 ~ 850℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료의 제조방법.The method of manufacturing a positive electrode material of a lithium secondary battery according to claim 15, wherein the calcination step is performed at 500 to 850 ° C. 제 20항에 있어서, 상기 하소단계는 1 ~ 48시간 동안 행하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 정극재료의 제조방법.The method of claim 20, wherein the calcination step is performed for 1 to 48 hours.
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