KR20040092245A - 5V spinel complex-oxide prepared by ultrasonic spray pyrolysis methode, method for preparing the same, and lithium secondary batteries using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 2차 전지용 양극활물질에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 조성식 Li1+x[Ni(1/2+a)Mn(3/2-2a)Moa]O4(0≤x≤0.1, 0≤a≤0.1)의 5V급 스피넬 복합고용체 산화물 및 그 제조방법과 상기 5V급 스피넬 복합고용체 산화물을 포함하는 리튬 2차 전지에 관한 것이다. 최근 휴대전화, 휴대용개인정보단말기(PDA), 노트PC, 등 정보통신용 휴대용 전자기기나, 디지털카메라, 켐코더, MP3 등의 휴대용 전자 기기나 전기자전거, 전기자동차 등의 전원으로, 충전과 방전을 거듭하며 사용하는 2차전지의 수요가 기하급수적으로 증가하고 있다. 특히, 이들 제품의 휴대성에 대한 성능은 핵심부품인 2차 전지에 의해 좌우되므로 고성능 전지에 대한 요구는 대단히 크다. 전지에 요구되는 특성은 충방전 특성, 수명, 고율특성과 고온에서의 안정성 등 여러 가지 측면이 있다. 리튬 2차 전지 중 5V급 스피넬 양극활물질은 고전압화에 따른 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 가장 주목받고 있는 양극활물질이다.The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery, and more particularly to the composition formula Li 1 + x [Ni ( 1/2 + a ) Mn ( 3 / 2-2 a ) Mo a ] O 4 (0≤x≤0.1, It relates to a 5V class spinel composite solid oxide of 0≤a≤0.1), a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the 5V class spinel composite solid oxide. Recently, charging and discharging have been repeatedly performed using portable electronic devices for information and communication such as mobile phones, PDAs, notebook PCs, portable electronic devices such as digital cameras, camcorders, MP3s, electric bicycles, and electric vehicles. The demand for secondary batteries used is growing exponentially. In particular, since the performance on the portability of these products depends on the secondary battery, which is a key component, the demand for a high performance battery is very large. The characteristics required for the battery have various aspects such as charge and discharge characteristics, lifespan, high rate characteristics and stability at high temperatures. Among lithium secondary batteries, 5V class spinel cathode active materials are the most popular cathode active materials because they have high energy density due to high voltage.
현재 시판되는 리튬 2차전지는 양극에 LiCoO2를, 음극에 탄소를 사용한다. 그러나 양극활물질의 시작물질인 코발트는 매장량이 적고 고가인 데다가 인체에 대한 독성과 환경적인 오염문제 때문에 대체 양극 재료 개발이 요망된다. 현재 활발하게 연구 개발되고 있는 양극재료로서 LiNiO2, LiCoxNi1-xO2와 LiMn2O4을 들 수 있다. LiCoO2와 같은 층상구조를 이루고 있는 LiNiO2는 양론비의 재료합성에 어려움이 있을 뿐만 아니라 열적 안정성에 문제가 있어 상품화되지 못하고 있으며, LiMn2O4는 저가격 제품에 일부가 상품화되어 있다. 그러나, 4V급 스피넬 양극활물질 LiMn2O4는 기본물질로 망간을 사용한다는 이점은 가지고 있으나, 망간 3+에 기인한 얀텔러 뒤틀림 (Jahn-Teller distortion)이라는 구조변이 때문에 수명 특성이 좋지 않다. 따라서 망간산화물로서 갖는 장점을 살리면서도 낮은 에너지밀도의 문제점들을 극복할 수 있는 재료로서 5V급 스피넬 양극활물질이 많이 연구되어 왔다. 5V급 스피넬 양극활물질은 고전압에 따른 에너지밀도의 향상으로 높은 출력을 낼 수 있는 전극재료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.Commercially available lithium secondary batteries use LiCoO 2 for the positive electrode and carbon for the negative electrode. However, cobalt, which is the starting material of cathode active material, has low reserves and is expensive, and there is a need to develop alternative anode materials due to toxicity and environmental pollution problems. LiNiO 2 , LiCo x Ni 1-x O 2 and LiMn 2 O 4 are the anode materials currently being actively researched and developed. LiNiO 2 which has the same layer structure as LiCoO 2 is not commercialized due to difficulty in material synthesis of stoichiometric ratio and thermal stability problem, and LiMn 2 O 4 is commercialized in low cost products. However, the 4V spinel cathode active material LiMn 2 O 4 has the advantage of using manganese as a base material, but its life characteristics are not good because of the structural variation called Jahn-Teller distortion caused by manganese 3+ . Therefore, 5V-grade spinel cathode active materials have been studied as a material capable of overcoming the problems of low energy density while taking advantage of manganese oxide. The 5V spinel cathode active material is expected to be used as an electrode material capable of high output due to the improvement of energy density due to high voltage.
양극활물질 제조의 가장 일반적인 제법은 고상반응법인데, 이 방법은 각 구성원소의 탄산염 혹은 수산화물을 원료로 하여 이들의 분말을 혼합·소성하는 과정을 수차례 걸쳐서 제조한다. 상기 방법의 단점은 혼합시 볼밀로부터의 불순물 유입이 많으며 불균일 반응이 일어나기 쉬워 균일한 상을 얻기 어렵고 분말입자의 크기를 일정하게 제어하기 곤란하여 소결성이 떨어지며, 제조시 높은 온도와 제조시간이 길다는 것이다. 이에 비해, 구성원소를 원자 범위에서 제어 가능한 습식방법 중, 초음파 분무열분해법에 의한 리튬 2차 전지용 양극활물질의 제조에는, 초기에 리튬염(질산리튬, 수산화리튬)등을 질산니켈 및 질산망간과 함께 용해시켜 초음파에서 분무되어 반응로를 거치면서 열분해되는 분무열분해법이 제안되었다.The most common method for producing a positive electrode active material is a solid phase reaction method, which is prepared by several processes of mixing and firing powders of carbonates or hydroxides of each element as raw materials. Disadvantages of the method include a lot of impurity inflow from the ball mill during mixing, 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 sinterability is poor, will be. On the other hand, in the wet method of controlling elemental elements in the atomic range, lithium salts (lithium nitrate, lithium hydroxide) and the like are initially used for the production of the positive electrode active material for lithium secondary batteries by ultrasonic spray pyrolysis. Spray pyrolysis has been proposed, which dissolves together, is sprayed by ultrasonic waves, and pyrolyzes through a reactor.
그러나 리튬염을 포함한 분무열분해법은 리튬의 낮은 증기압 때문에, 분무 열분해시 리튬이 많이 증발되고, 얻은 최종물의 리튬의 양은 시작물질의 바람직한 범위에서 벗어나게 된다. 또한 소결반응시 산화수 3+의 망간의 생성은 얀텔러 뒤틀림을 야기시키고, Mn3+가 존재하는 망간 산화물을 리튬 2차 전지용 양극활물질로 사용되는 경우, 충방전 사이클이 반복됨에 따라, 활물질의 결정구조가 붕괴되고 전지의 수명특성 또한 저하된다.However, the spray pyrolysis method including lithium salts, due to the low vapor pressure of lithium, a large amount of lithium evaporates during spray pyrolysis, the amount of lithium of the final product obtained is out of the preferred range of the starting material. In addition, the production of manganese oxide of 3 + during the sintering reaction causes Yanteller distortion, and when the manganese oxide containing Mn 3+ is used as a positive electrode active material for lithium secondary batteries, the charge and discharge cycle is repeated, the determination of the active material The structure collapses and the battery life characteristics are also degraded.
이에 본 발명은 상기한 문제점들을 해결하고, 리튬 2차 전지의 양극활물질로서 사용되는, 5V급 스피넬 양극활물질과 몰리브덴(Mo)이 부분 치환된 5V급 스피넬 양극활물질 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a 5V class spinel cathode active material and a method of manufacturing the 5V class spinel cathode active material and molybdenum (Mo) partially used as a cathode active material of a lithium secondary battery. It is done.
또한, 본 발명은 상기 5V급 스피넬 양극활물질을 포함하는 리튬 2차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery comprising the 5V class spinel cathode active material.
도 1은 실시예 1의 i) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 SEM 사진이다.1 is a SEM photograph of a composite solid oxide prepared by the method i) of Example 1. FIG.
도 2는 실시예 1의 ii) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 SEM 사진이다..2 is a SEM photograph of the composite solid oxide prepared by the method ii) of Example 1. FIG.
도 3은 실시예 1의 ii) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 XRD 패턴이다.3 is an XRD pattern of a composite solid oxide prepared by the method ii) of Example 1. FIG.
도 4는 실시예 1의 ii) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 전압범위 3.5 ∼5.0 V, 일정전류밀도 0.2 mA/cm2에서 실험한 반전지의 충ㆍ방전 곡선이다.4 is a charge / discharge curve of a half cell experimented at a voltage range of 3.5 to 5.0 mA and a constant current density of 0.2 mA / cm 2 of the composite solid oxide prepared by the method ii) of Example 1. FIG.
도 5는 실시예 1의 ii) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 전압범위 3.5 ∼5.0 V, 일정전류밀도 0.2 mA/cm2에서 실험한 반전지의 방전용량 그래프이다.FIG. 5 is a graph of discharge capacity of a half cell experimented at a voltage range of 3.5 to 5.0 mA and a constant current density of 0.2 mA / cm 2 of the composite solid oxide prepared by the method ii) of Example 1. FIG.
도 6은 실시예 6의 i) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 SEM 사진이다.6 is a SEM photograph of a composite solid oxide prepared by the method i) of Example 6. FIG.
도 7은 실시예 6의 ii) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 SEM 사진이다.7 is a SEM photograph of the composite solid oxide prepared by the method ii) of Example 6.
도 8은 실시예 6의 ii) 내지 iv) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 XRD 패턴이다.8 is an XRD pattern of the composite solid oxide prepared by the methods ii) to iv) of Example 6. FIG.
도 9는 실시예 6의 ii) 내지 iv) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 전압범위 3.5 ∼5.0 V, 일정전류밀도 0.2 mA/cm2에서 실험한 반전지의 충ㆍ방전 곡선이다.FIG. 9 is a charge / discharge curve of a half cell tested in a voltage range of 3.5 to 5.0 V and a constant current density of 0.2 mA / cm 2 of the composite solid oxide prepared by the methods ii) to iv) of Example 6. FIG.
도 10은 실시예 6의 ii) 내지 iv) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 전압범위 3.5 ∼5.0 V, 일정전류밀도 0.2 mA/cm2에서 실험한 반전지의 방전용량 그래프이다.FIG. 10 is a graph of discharge capacity of a half cell tested in a voltage range of 3.5 to 5.0 V and a constant current density of 0.2 mA / cm 2 of the composite solid oxide prepared by the methods ii) to iv) of Example 6. FIG.
도 11은 실시예 1의 ii) 및 실시예 2의 ii) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물의 전압범위 3.5 ∼5.0 V, 일정전류밀도 0.2 mA/cm2에서 실험한 반전지의 충ㆍ방전 곡선이다.FIG. 11 is a charge / discharge curve of a half cell tested in the voltage range of 3.5 to 5.0 V and the constant current density of 0.2 mA / cm 2 of the composite solid solution oxides prepared by the methods ii) of Example 1 and ii) of Example 2. FIG.
상기 목적을 위하여 본 발명은 조성식 Li1+x[Ni(1/2+a)Mn(3/2-2a)Moa]O4(0≤x≤0.1, 0≤a≤0.1)의 5V급 스피넬 복합고용체 산화물을 제공한다.To this end, the present invention is a 5V class of the composition formula Li 1 + x [Ni ( 1/2 + a ) Mn ( 3 / 2-2a ) Mo a ] O 4 ( 0≤x≤0.1 , 0≤a≤0.1 ) Provided is a spinel composite solid oxide.
본 발명은 한 실시예로서, 니켈, 망간, 및 몰리브덴이 2+, 4+, 및 6+의 산화수를 가지며, 총 3+의 산화수를 가지는 것을 특징으로 하는 5V급 스피넬 복합고용체 산화물을 제공한다.In one embodiment, nickel, manganese, and molybdenum have a oxidation number of 2 + , 4 + , and 6 + , and provides a 5V class spinel composite solid oxide oxide having a total of 3 + oxidation numbers.
본 발명은 다른 실시예로서, 초음파 분무 열분해를 통한 리튬-니켈-망간 복합고용체 산화물, 리튬-니켈-망간-몰리브덴 복합고용체 산화물을 형성하는 단계; 및 상기 리튬-니켈-망간 복합고용체 산화물, 및 상기 리튬-니켈-망간-몰리브덴 복합고용체 산화물을 하소하고, 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성식 Li1+x[Ni(1/2+a)Mn(3/2-2a)Moa]O4(0≤x≤0.1, 0≤a≤0.1)의 5V급 스피넬 복합고용체 산화물의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of forming a lithium-nickel-manganese composite solid solution oxide, a lithium-nickel-manganese-molybdenum composite solid solution oxide through ultrasonic spray pyrolysis; And calcining and annealing the lithium-nickel-manganese composite solid oxide, and the lithium-nickel-manganese-molybdenum composite solid oxide, wherein the compositional formula Li 1 + x [Ni ( 1/2 + a) Provided is a method for producing a 5V class spinel composite solid oxide of Mn ( 3 / 2-2a ) Mo a ] O 4 (0 ≦ x ≦ 0.1 , 0 ≦ a ≦ 0.1 ).
본 발명은 한 실시예로서, 초음파 분무 열분해를 통한 리튬-니켈-망간 복합고용체 산화물, 리튬-니켈-망간-몰리브덴 복합고용체 산화물을 형성하는 단계는 금속염 용액 제조 단계; 상기 금속염 용액에 킬레이트제를 첨가하는 혼합용액의 제조 단계; 상기 혼합용액을 초음파 분무시켜 액적상으로 제조하는 단계; 및 상기 액적상을 열분해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성식 조성식 Li1+x[Ni(1/2+a)Mn(3/2-2a)Moa]O4(0≤x≤0.1, 0≤a≤0.1)의 5V급 스피넬 복합고용체 산화물의 제조방법을 제공한다.As an embodiment of the present invention, the step of forming a lithium-nickel-manganese composite solid solution oxide, lithium-nickel-manganese-molybdenum composite solid oxide through ultrasonic spray pyrolysis may include preparing a metal salt solution; Preparing a mixed solution of adding a chelating agent to the metal salt solution; Ultrasonically spraying the mixed solution to prepare a droplet; And thermally decomposing the droplet phase, wherein the composition formula Li 1 + x [Ni ( 1/2 + a ) Mn ( 3 / 2-2a ) Mo a ] O 4 (0 ≦ x ≦ 0.1 , It provides a method for producing a 5V spinel composite solid oxide of 0≤a≤0.1).
본 발명은 한 실시예로서, 상기 킬레이트제는 주석산, 우레아, 구연산, 포름산, 글리콜산, 폴리아크릴산, 아디픽산, 글리신으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 조성식 Li1+x[Ni(1/2+a)Mn(3/2-2a)Moa]O4(0≤x≤0.1, 0≤a≤0.1)의 5V급 스피넬 복합고용체 산화물의 제조방법을 제공한다.In one embodiment, the chelating agent is selected from the group consisting of tartaric acid, urea, citric acid, formic acid, glycolic acid, polyacrylic acid, adipic acid, glycine Li 1 + x [Ni ( 1 / Provided is a method for preparing a 5V class spinel composite solid oxide of 2 + a ) Mn ( 3 / 2-2a ) Mo a ] O 4 (0 ≦ x ≦ 0.1 , 0 ≦ a ≦ 0.1 ).
본 발명은 또다른 실시예로서, 상기 5V급 스피넬 복합고용체 산화물을 포함하는 리튬 2차 전지를 제공한다.As another embodiment, the present invention provides a lithium secondary battery including the 5V class spinel composite solid oxide.
본 발명의 5V급 스피넬 복합고용체 산화물은 Li1+x[Ni(1/2+a)Mn(3/2-2a)Moa]O4의 조성식을 가진다. 여기서 0≤x≤0.1, 0≤a≤0.1이다. a가 0일때 상기 산화물은 하기 화학식 1의 리튬-니켈-망간 복합고용체 산화물이다.The 5V class spinel composite solid oxide of the present invention has a composition formula of Li 1 + x [Ni ( 1/2 + a ) Mn ( 3 / 2-2a ) Mo a ] O 4 . Where 0 ≦ x ≦ 0.1 and 0 ≦ a ≦ 0.1. When a is 0, the oxide is a lithium-nickel-manganese composite solid oxide of Formula 1 below.
상기 리튬-니켈-망간의 복합고용체 산화물을 형성하기 위하여 금속의 전구체로 금속염을 사용하고, 상기 금속염은 질산염, 아세트산염, 염화물, 및 포름산염으로 이루어진 군에서 선택하는 것이 바람직하다. 우선 초음파 분무 열분해법을 이용하여 분말상의 리튬-니켈-망간 복합 산화물을 제조한다. 상기 분말상의 복합 산화물을 700℃ 내지 1100℃에서 하소하고, 700℃에서 12-48hr 어닐링하여 평균입경이약 1-10㎛인 스피넬 구조의 리튬-니켈-망간 복합 산화물을 수득한다.In order to form the lithium-nickel-manganese composite solid oxide, a metal salt is used as a precursor of a metal, and the metal salt is preferably selected from the group consisting of nitrate, acetate, chloride, and formate. First, a powdered lithium-nickel-manganese composite oxide is prepared by ultrasonic spray pyrolysis. The powdered composite oxide was calcined at 700 ° C. to 1100 ° C. and annealed at 700 ° C. for 12-48 hr to obtain a spinel structure lithium-nickel-manganese composite oxide having an average particle diameter of about 1-10 μm.
a>0 일때, 상기 화합물은 하기 화학식 2의 리튬-니켈-망간-몰리브덴 복합고용체 산화물이다.When a> 0, the compound is a lithium-nickel-manganese-molybdenum composite solid oxide of the formula (2).
상기 조성식에서 Ni의 산화수는 2+, Mn은 4+, 몰리브덴은 6+이다. 상기 리튬-니켈-망간-몰리브덴의 복합고용체 산화물을 형성하기 위하여 금속 리튬, 니켈,및 망간의 전구체로 금속염을 사용하고, 상기 금속염은 질산염, 아세트산염, 염화물, 및 포름산염으로 이루어진 군에서 선택하는 것이 바람직하다. 그리고 금속 몰리브덴의 전구체로는 삼산화 몰리브덴(MoO3)을 사용한다. 우선 초음파 분무 열분해법을 이용하여 분말상의 리튬-니켈-망간-몰리브덴 복합 산화물을 제조한다. 상기 분말상의 복합 산화물을 700℃ 내지 1,100℃에서 하소하고 700℃에서 12-48hr 어닐링하여 평균입경이 약 1-10㎛인 스피넬 구조의 리튬-니켈-망간-몰리브덴 복합 산화물을 수득한다.Oxidation number of Ni in the above composition formula is + 2, Mn + 4, molybdenum is 6 +. Metal salts are used as precursors of metal lithium, nickel, and manganese to form the composite solid oxide oxide of lithium-nickel-manganese-molybdenum, and the metal salt is selected from the group consisting of nitrate, acetate, chloride, and formate. It is preferable. And molybdenum trioxide (MoO 3 ) is used as a precursor of the metal molybdenum. First, a powdered lithium-nickel-manganese-molybdenum composite oxide is prepared by ultrasonic spray pyrolysis. The powdered composite oxide was calcined at 700 ° C. to 1,100 ° C. and annealed at 700 ° C. for 12-48 hr to obtain a spinel structure lithium-nickel-manganese-molybdenum composite oxide having an average particle diameter of about 1-10 μm.
이하 실시예 통해 화학식 1 및 화학식 2의 복합고용체 산화물의 제조 방법과 상기 복합고용체 산화물을 이용한 양극 및 코인 전지의 제조방법을 상세히 설명한다. 단 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a method of preparing a composite solid oxide of Formula 1 and Formula 2 and a method of manufacturing a positive electrode and a coin battery using the composite solid oxide will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following examples.
실시예 1(5V급 스피넬 양극활물질 Li1+x[Ni1/2Mn3/2]O4의 제조) Example 1 ( Preparation of 5V class spinel cathode active material Li 1 + x [Ni 1/2 Mn 3/2 ] O 4 )
1) 5V급 스피넬 양극활물질 Li1+x[Ni1/2Mn3/2]O4을 제조하기 위하여 출발물질로 질산 리튬 (LiNO3), 질산 니켈(Ni(NO3)2·6H2O) 및 질산 망간(Mn(NO3)2·4H2O)을 사용하였다. 상기 출발물질을 양론비 Li : Ni : Mn : = 1.02 : 1/2 : 3/2 로 정량하여 증류수에 용해하였다. 상기 금속염 용액에 킬레이트제로 우레아를 첨가한 후 교반하여 혼합용액을 제조하였다. 이 때 양론비는 우레아 : 총 금속이온 = 0.2 : 1 로 하였다. 다음으로 상기 혼합용액을 1.7MHz 진동자를 이용하여 초음파 분무시켜 액적을 발생시켰다. 상기 액적상의 혼합용액을 500℃의 종형열분해로(Vertical pyrolysis furnace)내로 통과시켜 분말상의 복합고용체 산화물 Li1.02[Ni1/2Mn3/2]O4을 얻었다. 상기 분말상의 복합고용체 산화물을 알루미나 용기에 넣고 1000℃에서 하소하고, 700℃에서 어닐링하여, 최종 산화물인 스피넬 구조의 복합고용체 산화물 Li1.02[Ni1/2Mn3/2]O4을 수득하였다.1) Lithium nitrate (LiNO 3 ) and nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O as starting materials to prepare 5V class spinel cathode active material Li 1 + x [Ni 1/2 Mn 3/2 ] O 4 ) And manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 .4H 2 O) were used. The starting material was quantified in a stoichiometric ratio Li: Ni: Mn: = 1.02: 1/2: 3/2 and dissolved in distilled water. Urea was added as a chelating agent to the metal salt solution, followed by stirring to prepare a mixed solution. The stoichiometric ratio was made into urea: total metal ion = 0.2: 1. Next, the mixed solution was ultrasonically sprayed using a 1.7 MHz oscillator to generate droplets. The mixed solution of the droplet phase was passed through a vertical pyrolysis furnace at 500 ° C. to obtain a powdery solid solid oxide Li 1.02 [Ni 1/2 Mn 3/2 ] O 4 . The powdered composite solid oxide was placed in an alumina container, calcined at 1000 ° C., and annealed at 700 ° C. to obtain a composite solid oxide Li 1.02 [Ni 1/2 Mn 3/2 ] O 4 having a spinel structure as a final oxide.
ii) 종형열분해 온도를 1000℃로 하는 것을 제외하고, 상기 i)과 동일한 방법으로 스피넬 구조의 복합고용체 산화물 Li1.02[Ni1/2Mn3/2]O4을 제조하었다.ii) A spinel-structured composite solid oxide Li 1.02 [Ni 1/2 Mn 3/2 ] O 4 was prepared in the same manner as in i) except that the vertical pyrolysis temperature was 1000 ° C.
실시예 2(복합고용체 산화물의 특성평가) Example 2 (Characteristic Evaluation of Composite Solid Oxide)
i) SEMi) SEM
상기 실시예 1의 i) 및 ii) 방법에서 제조되는 복합고용체 산화물의 SEM(상표명:JSM 6400, 회사명:JEOL, Japan) 사진을 도 1 및 도 2에 나타내었다. 입자들의 크기가 1∼5㎛ 크기로 균일함을 확인할 수 있다.The SEM (trade name: JSM 6400, company name: JEOL, Japan) photographs of the composite solid oxide prepared in the method of Example 1 i) and ii) are shown in FIGS. 1 and 2. It can be seen that the size of the particles are uniform with a size of 1 ~ 5㎛.
ii) XRDii) XRD
상기 실시예 1의 ii) 방법에서 제조되는 복합고용체 산화물을 X선 회절 분석장치(상표명:Rint-2000, 회사명: Rigaku, Japan)를 이용하여 X선 회절 패턴을 측정하고 이를 도 3에 나타내었다.The X-ray diffraction pattern of the composite solid oxide prepared in the method ii) of Example 1 was measured using an X-ray diffraction analyzer (trade name: Rint-2000, company name: Rigaku, Japan) and this is shown in FIG. 3. .
실시예 3(양극의 제조) Example 3 (Production of Anode)
상기 실시예 1의 ii) 방법으로 제조된 5V급 스피넬 양극활물질로 양극을 제조하기 위하여, 복합고용체 산화물 20mg, 테프론화된 아세틸렌 블랙(Taflonized acetylene black) 8mg, 및 흑연(graphite) 4mg을 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합물을 스테인레스 엑스메트(Ex-met)을 이용하여 1톤의 압력으로 균일하게 압착하고, 100℃ 에서 건조하여 리튬 2차 전지용 양극을 제조하였다.In order to prepare a positive electrode with a 5V-grade spinel cathode active material prepared by the method of ii) of Example 1, 20 mg of a composite solid oxide, 8 mg of Teflonized acetylene black, and 4 mg of graphite were uniformly mixed. It was. The mixture was uniformly compressed at a pressure of 1 ton using stainless ex-met, and dried at 100 ° C. to prepare a cathode for a lithium secondary battery.
실시예 4(코인 전지의 제조) Example 4 (Manufacture of Coin Battery)
상기 실시예 3의 방법으로 제조된 양극과, 리튬호일을 상대전극으로 하며, 다공성 폴리에틸렌막(셀가르드 엘엘씨 제, Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 하고, 에틸렌 카보네이트: 디메틸 카보네이트= 1:1(부피비) 혼합용매의 1몰 LiPF6용액을 액체 전해액으로 사용하여 리튬 전지의 통상적인 제조공정에 따라 2032 규격의 코인 전지(coin cell)를 제조하였다.An anode prepared by the method of Example 3 and a lithium foil as a counter electrode, and a porous polyethylene membrane (Celgard ELC, Celgard 2300, thickness: 25㎛) as a separator, ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 1 A coin cell of 2032 standard was prepared according to a conventional manufacturing process of a lithium battery using a 1 mol LiPF 6 solution of a: 1 (volume ratio) mixed solvent as a liquid electrolyte.
실시예 5(전지의 특성 평가) Example 5 (Characteristic Evaluation of Battery)
상기 실시예 4의 방법으로 제조된 전지의 특성을 평가하기 위하여 전기화학 분석장치(Toyo 사 제작, Toscat3000U, Japan)를 이용하여 30℃, 3.5 ∼ 5.0 V의 전위영역, 및 0.2mA/cm2의 전류밀도 조건에서 충ㆍ방전 실험을 하였다. 충ㆍ방전 곡선 및 방전용량을 도 5 및 도 6에 나타내었다. 초기 방전용량은 128mAh/g를 보였으며, 50번째 싸이클까지 130mAh/g의 지속된 방전용량을 보여 싸이클 횟수에 따른 용량감소가 거의 없었다.In order to evaluate the characteristics of the battery manufactured by the method of Example 4 using an electrochemical analyzer (Toscat3000U, Japan, manufactured by Toyo), the potential region of 30 ℃, 3.5 ~ 5.0 V, and 0.2mA / cm 2 Charge and discharge experiments were conducted under current density conditions. Charge and discharge curves and discharge capacities are shown in FIGS. 5 and 6. The initial discharge capacity was 128mAh / g, and the sustained discharge capacity was 130mAh / g until the 50th cycle.
실시예 6(5V급 스피넬 양극활물질 Li1+x[Ni(1/2+a)Mn(3/2-2a)Moa]O4의 제조) Example 6 ( Preparation of 5V class spinel cathode active material Li 1 + x [Ni ( 1/2 + a ) Mn ( 3 / 2-2a ) Mo a ] O 4 )
i) 5V급 스피넬 양극활물질 Li1+x[Ni(1/2+a)Mn(3/2-2a)Moa]O4을 제조하기 위하여 출발물질로 질산 리튬 (LiNO3), 질산 니켈(Ni(NO3)2·6H2O) 및 질산 망간(Mn(NO3)2·4H2O)과 삼산화 몰리브덴(MoO3)을 사용하였다. 상기 출발물질을 양론비로 Li : Ni : Mn : Mo = 1.02 : 0.52 : 1.46 : 0.02 로 정량하여 증류수에 용해하였다. 단, 삼산화몰리브덴의 경우, 일반적인 산분위기에서는 용해되지 않으므로 우선 암모니아수(NH4OH)에 용해시킨 후 혼합하였다. 상기 금속염 용액에 킬레이트제로 우레아를 첨가한 후 교반하여 혼합용액을 제조하였다. 이 때 양론비는 우레아 : 총 금속이온 = 0.2 : 1 로 하였다. 다음으로 상기 혼합용액을 1.7MHz 진동자를 이용하여 초음파 분무시켜 액적을 발생시켰다. 상기 액적상의 혼합용액을 500℃ 의 종형열분해로(Vertical pyrolysis furnace)내로 통과시켜 분말상의 복합고용체 산화물 Li1.05(Ni0.52Mn1.46Mo0.02)O4을 얻었다. 상기 분말상의 복합고용체 산화물을 알루미나 용기에 넣고 1000℃에서 하소하고, 700℃에서 어닐링하여, 최종 산화물인 스피넬 구조의 복합고용체 산화물 Li1.02(Ni0.52Mn1.46Mo0.02)O4을 얻었다.i) Lithium nitrate (LiNO 3 ) and nickel nitrate (LiNO 3 ) as starting materials for preparing 5V class spinel cathode active material Li 1 + x [Ni ( 1/2 + a ) Mn ( 3 / 2-2a ) Mo a ] O 4 Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O), manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 .4H 2 O), and molybdenum trioxide (MoO 3 ) were used. The starting material was quantified in a ratio of Li: Ni: Mn: Mo = 1.02: 0.52: 1.46: 0.02 and dissolved in distilled water. In the case of molybdenum trioxide, however, since it does not dissolve in a general acid atmosphere, it was first dissolved in ammonia water (NH 4 OH) and mixed. Urea was added as a chelating agent to the metal salt solution, followed by stirring to prepare a mixed solution. The stoichiometric ratio was made into urea: total metal ion = 0.2: 1. Next, the mixed solution was ultrasonically sprayed using a 1.7 MHz oscillator to generate droplets. The mixed solution of the liquid phase was passed through a vertical pyrolysis furnace at 500 ° C. to obtain a powdery solid solid oxide Li 1.05 (Ni 0.52 Mn 1.46 Mo 0.02 ) O 4 . The powdered solid solid oxide was placed in an alumina container, calcined at 1000 ° C., and annealed at 700 ° C. to obtain a composite solid solid oxide Li 1.02 (Ni 0.52 Mn 1.46 Mo 0.02 ) O 4 having a spinel structure as a final oxide.
ⅱ) 종형열분해 온도를 1000℃로 하는 것을 제외하고, 상기 i)과 동일한 방법으로 스피넬 구조의 복합고용체 산화물 Li1.02(Ni0.52Mn1.46Mo0.02)O4을 제조하었다.Ii) A spinel-structured composite solid oxide Li 1.02 (Ni 0.52 Mn 1.46 Mo 0.02 ) O 4 was prepared in the same manner as in i) except that the vertical pyrolysis temperature was 1000 ° C.
iii) 출발물질을 양론비로 Li : Ni : Mn : Mo = 1.02 : 0.51 : 1.48 : 0.01 로 정량하는 것을 제외하고, 상기 ii)와 동일한 방법으로 스피넬 구조의 복합고용체 산화물 Li1.02(Ni0.51Mn1.48Mo0.01)O4을 제조하었다.iii) A compound solid oxide Li 1.02 (Ni 0.51 Mn 1.48 Mo) having a spinel structure in the same manner as in ii), except that the starting material was quantitatively determined as Li: Ni: Mn: Mo = 1.02: 0.51: 1.48: 0.01 in stoichiometric ratio. 0.01 ) O 4 was prepared.
iv) 출발물질을 양론비로 Li : Ni : Mn : Mo = 1.02 : 0.55 : 1.40 : 0.05 로 정량하는 것을 제외하고, 상기 ii)와 동일한 방법으로 스피넬 구조의 복합고용체 산화물 Li1.02(Ni0.55Mn1.40Mo0.05)O4을 제조하였다.iv) The composite solid oxide oxide Li 1.02 (Ni 0.55 Mn 1.40 Mo) having a spinel structure in the same manner as in ii) except that the starting material was quantitatively determined as Li: Ni: Mn: Mo = 1.02: 0.55: 1.40: 0.05 in a stoichiometric ratio. 0.05 ) O 4 was prepared.
실시예 7(복합고용체 산화물의 특성평가) Example 7 Evaluation of Characteristics of Composite Solid Oxide
i) SEMi) SEM
상기 실시예 6의 i) 내지 ii) 방법에서 제조되는 복합고용체 산화물의 SEM 사진을 도 6 및 도 7에 나타내었다. 입자들의 크기가 (??㎛)로 균일함을 확인할 수 있다.6 and 7 show SEM photographs of the composite solid solution oxide prepared by the method of Example 6) i) to ii). It can be seen that the size of the particles is uniform (?? ㎛).
ii) XRDii) XRD
상기 실시예 6의 ii) 내지 iv) 방법에서 제조되는 복합고용체 산화물을 X선 회절 분석장치를 이용하여 X선 회절 패턴을 측정하고 이를 도 8에 나타내었다. 제조된 모든 시료들은 결정성이 아주 우수하였다.The X-ray diffraction pattern of the composite solid solution oxide prepared in the method ii) to iv) of Example 6 was measured using an X-ray diffraction analyzer, and the results are shown in FIG. 8. All samples prepared were very good in crystallinity.
실시예 8(양극의 제조) Example 8 (Production of Anode)
상기 실시예 6의 ii) 내지 iv) 방법으로 제조된 5V급 스피넬 양극활물질을 이용하여 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.A positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 3, using the 5V spinel positive electrode active material prepared by the methods ii) to iv) of Example 6.
실시예 9(코인 전지의 제조) Example 9 (Manufacture of Coin Battery)
상기 실시예 4와 동일한 방법으로 상기 실시예 8 방법으로 제조된 양극을 포함하는 코인 전지를 제조하였다.In the same manner as in Example 4, a coin battery including the positive electrode manufactured by the method of Example 8 was prepared.
실시예 10(전지의 특성 평가) Example 10 (evaluation of characteristics of battery)
상기 실시예 9의 방법으로 제조된 코인 전지의 특성을 평가하기 위하여 전기화학 분석장치(Toyo 사 제작, Toscat3000U, Japan)를 이용하여 30℃, 3.5 ∼ 5.0 V의 전위영역, 및 0.2 mA/cm2의 전류밀도 조건에서 충ㆍ방전 실험을 하였다. 충ㆍ방전 곡선 및 방전용량을 도 9 및 도 10에 나타내었다. 제조된 모든 전지에서 싸이클 횟수에 따른 용량감소가 거의 없었다.In order to evaluate the characteristics of the coin battery manufactured by the method of Example 9, a potential region of 30 ° C., 3.5 to 5.0 V, and 0.2 mA / cm 2 using an electrochemical analyzer (manufactured by Toyo, Toscat3000U, Japan) Charging and discharging experiments were conducted under current density conditions of. Charge and discharge curves and discharge capacities are shown in FIGS. 9 and 10. In all the cells manufactured, there was almost no capacity decrease with the cycle number.
실시예 11(리튬-니켈-망간 복합고용체 산화물 및 리튬-니켈-망간-몰리브덴 복합고용체 산화물을 포함하는 전지의 특성 평가) Example 11 (Characteristic Evaluation of a Battery Comprising Lithium-Nickel-Manganese Composite Solid Oxide and Lithium-Nickel-Manganese-Molybdenum Composite Solid Oxide)
몰리브덴이 부분치환된 복합고용체 산화물과 그렇지 않은 복합고용체 산화물의 전지 특성을 비교하기 위하여 실시예 1의 ii) 및 실시예 6의 ii) 방법으로 제조된 복합고용체 산화물을 포함하는 전지로 충ㆍ방전 실험을 하였다. 도 11의 충ㆍ방전 곡선의 패턴 및 방전용량이 거의 일치하는 것으로 나타났다.Charge and discharge experiments with a battery containing the composite solid oxide prepared by the method of Example 1 ii) and Example 6 ii) to compare the battery characteristics of the composite solid oxide partially substituted with molybdenum Was done. The pattern and the discharge capacity of the charge / discharge curve of FIG. 11 were found to substantially match.
본 발명의 복합고용체 산화물 Li1+x[Ni(1/2+a)Mn(3/2-2a)Moa]O4(0≤x≤0.1, 0≤a≤0.1)은 입자의 직경이 1∼10㎛로 균질이고, 전지 특성 즉, 충방전 싸이클 특성 및 용량 보존 특성이 우수하여 리튬 2차 전지용 5V급 양극활물질로 사용할 수 있다.The composite solid oxide of the present invention Li 1 + x [Ni ( 1/2 + a ) Mn ( 3 / 2-2a ) Mo a ] O 4 (0 ≦ x ≦ 0.1 , 0 ≦ a ≦ 0.1 ) has a particle diameter It is homogeneous with 1-10 micrometers, and is excellent in a battery characteristic, ie, a charge / discharge cycle characteristic, and a capacity storage characteristic, and can be used as a 5V class positive electrode active material for lithium secondary batteries.
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