KR20060128814A - Method of preparing layered cathode active materials with high capacity and high safety for lithium secondary batteries and the product thereby - Google Patents

Method of preparing layered cathode active materials with high capacity and high safety for lithium secondary batteries and the product thereby Download PDF

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Abstract

Provided are layered positive electrode active materials for lithium secondary batteries, which have high tap density, high capacity, and improved high-rate characteristics and are superior in thermal safety when lithium is deintercalated, and a preparation thereof. The method for preparing layered positive electrode active materials with high capacity and high safety for lithium secondary batteries comprises the steps of: obtaining precipitate of a metal composite carbonate or metal composite hydroxide mixture by putting an ammonia solution, any one solution selected from aqueous solutions of ammonium carbonate, ammonium hydrogen carbonate, sodium carbonate, and sodium hydroxide, a metal aqueous solution, and carbon dioxide or nitrogen gas into a reactor to react the mixed solution; heating the precipitate to obtain metal composite oxide; and subjecting the heat-treated metal composite hydroxide or metal composite oxide to a mixture reaction with lithium hydroxide and lithium fluoride to obtain lithium metal composite oxide represented by the following formula 1.

Description

리튬이차전지용 고용량, 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법 및 그 제조물{Method of preparing Layered cathode active materials with high capacity and high safety for lithium secondary batteries and the product thereby}Method of preparing Layered cathode active materials with high capacity and high safety for lithium secondary batteries and the product hence}

도1은 본 발명의 제조방법에 사용된 반응기의 사시도,1 is a perspective view of a reactor used in the production method of the present invention,

도2는 실시예 1의 전구체인 500℃에서 열처리한 [Ni0 .43Mn0 .35Co0 .22]O2의 SEM 사진,SEM photograph of Fig. 2 is an embodiment of a heat treatment at 500 ℃ precursor of 1 [Ni Mn 0 .43 0 .35 0 .22 Co] O 2,

도3은 실시예1에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O1.92F0.08 와 비교예 1의 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O2의 SEM사진(x30000), 3 is a SEM photograph (x30000) of the lithium metal oxide Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 1.92 F 0.08 prepared in Example 1 and Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 2 of Comparative Example 1;

도4는 실시예1에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O1.92F0.08 와 비교예 1의 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O2의 X-선 회절패턴,4 is an X-ray diffraction pattern of lithium metal oxide Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 1.92 F 0.08 prepared in Example 1 and Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 2 of Comparative Example 1;

*도5는 실시예1에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O1.92F0.08 와 비교예 1의 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O2 2.8-4.6V 충방전 실험한 싸이클에 따른 방전용량,* Figure 5 is a lithium metal oxide Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 1.92 F 0.08 prepared in Example 1 and Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 2 2.8-4.6V charge and discharge experiments of Comparative Example 1 Discharge capacity according to the cycle,

도6은 실시예1에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O1.92F0.08 와 비교예 1의 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O2 2.8-4.6V 율 특성 비교 곡선,6 is a comparative curve of the lithium metal oxide Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 1.92 F 0.08 prepared in Example 1 and Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 2 2.8-4.6V rate characteristics of Comparative Example 1,

도7은 실시예1에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O1.92F0.08 와 비교예 1의 Li[Ni0.43Mn0.35Co0.22]O2 4.6V 충전 후 시차열중량 분석법(DSC),7 is a differential thermal gravimetric method after charging the lithium metal oxide Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 1.92 F 0.08 prepared in Example 1 and Li [Ni 0.43 Mn 0.35 Co 0.22 ] O 2 4.6V DSC),

도8은 실시예2에서 형성된 500℃에서 열처리한 전구체 [Ni0.4Mn0.36Co0.2Mg0.04]O2의 SEM 사진,8 is a SEM photograph of the precursor [Ni 0.4 Mn 0.36 Co 0.2 Mg 0.04 ] O 2 heat-treated at 500 ° C. formed in Example 2;

도9는 실시예2에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.4Mn0.36Co0.2Mg0.04]O1.92F0.08와 비교예 2의 Li[Ni0.4Mn0.36Co0.2Mg0.04]O2의 SEM 사진(x3000),9 is a lithium metal oxide prepared in Example 2 SEM photo of Li [Ni 0.4 Mn 0.36 Co 0.2 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 and Li [Ni 0.4 Mn 0.36 Co 0.2 Mg 0.04 ] O 2 of Comparative Example 2 (x3000),

도10은 실시예2에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.4Mn0.36Co0.2Mg0.04]O1.92F0.08와 비교예 2의 Li[Ni0.4Mn0.36Co0.2Mg0.04]O2 X-선 회절패턴,10 is a lithium metal oxide prepared in Example 2 Li [Ni 0.4 Mn 0.36 Co 0.2 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 and Li [Ni 0.4 Mn 0.36 Co 0.2 Mg 0.04 ] O 2 X-ray diffraction pattern of Comparative Example 2,

도11은 실시예2에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.4Mn0.36Co0.2Mg0.04]O1.92F0.08와 비교예 2의 Li[Ni0.4Mn0.36Co0.2Mg0.04]O2 2.8-4.6V 충방전 실험한 싸이클에 따른 방전용량,11 is a lithium metal oxide prepared in Example 2 Li [Ni 0.4 Mn 0.36 Co 0.2 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 and Li [Ni 0.4 Mn 0.36 Co 0.2 Mg 0.04 ] O 2 2.8-4.6V Discharge capacity according to the cycle of charging and discharging experiment,

도12는 실시예2에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.4Mn0.36Co0.2Mg0.04]O1.92F0.08와 비교예 2의 Li[Ni0.4Mn0.36Co0.2Mg0.04]O2 4.6V 충전 후 시차열중량 분석법(DSC) 결과,12 is a lithium metal oxide prepared in Example 2 After charging Li [Ni 0.4 Mn 0.36 Co 0.2 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 and Li [Ni 0.4 Mn 0.36 Co 0.2 Mg 0.04 ] O 2 4.6V Differential thermal gravimetric analysis (DSC) results,

도13은 실시예3에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.4Mn0.35Co0.Mg0.05]O1.9F0.1과 비교예 3의 Li[Ni0.4Mn0.4Co0.2]O2의 SEM 사진(x5000),Figure 13 is a SEM photograph of a lithium metal oxide Li [Ni 0.4 Mn 0.35 Co 0. Mg 0.05] O 1.9 F 0.1 of the Comparative Example 3 Li [Ni 0.4 Mn 0.4 Co 0.2] O 2 produced in Example 3 (x5000) ,

도14는 실시예3에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.4Mn0.35Co0.Mg0.05]O1.9F0.1과 비교예 3의 Li[Ni0.4Mn0.4Co0.2]O2 X-선 회절패턴,14 is a lithium metal oxide Li [Ni 0.4 Mn 0.35 Co 0.08 Mg 0.05 ] O 1.9 F 0.1 prepared in Example 3 and Li [Ni 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 ] O 2 X-ray diffraction pattern of Comparative Example 3,

도15는 실시예3에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.4Mn0.35Co0.Mg0.05]O1.9F0.1과 비교예 3의 Li[Ni0.4Mn0.4Co0.2]O2 2.8-4.6V 충방전 실험한 싸이클에 따른 방전용량,15 is a lithium metal oxide Li [Ni 0.4 Mn 0.35 Co 0.1 Mg 0.05 ] O 1.9 F 0.1 prepared in Example 3 and Li [Ni 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 ] O 2 2.8-4.6V charge and discharge of Comparative Example 3 Discharge capacity according to the tested cycle,

도16은 실시예3에서 제조한 리튬금속산화물 Li[Ni0.4Mn0.35Co0.Mg0.05]O1.9F0.1과 비교예 3의 Li[Ni0.4Mn0.4Co0.2]O2 4.6V 충전 후 시차열중량 분석법(DSC)결과이다.16 is a third embodiment prepared in the lithium metal oxide Li [Ni 0.4 Mn 0.35 Co 0. Mg 0.05] O 1.9 F 0.1 of the Comparative Example 3 Li [Ni 0.4 Mn 0.4 Co 0.2] O 2 4.6V after charging differential thermal Results of gravimetric analysis (DSC).

본 발명은 고용량, 고안전성을 갖는 리튬이차전지용 양극 활물질에 관한 것이다. 리튬이온이차전지는 소형, 경량, 대용량 전지로서 1991년에 등장한 이래, 휴대기기의 전원으로서 널리 사용되었다. 최근 들어 전자, 통신, 컴퓨터산업의 급속한 발전에 따라 캠코더, 휴대폰, 노트북PC등이 출현하여 눈부신 발전을 거듭하고 있으며, 이들 휴대용 전자정보통신기기들을 구동할 동력원으로서 리튬이온이차전지에 대한 수요가 나날이 증가하고 있다. 특히 최근에는 내연기관과 리튬이차전지를 혼성화(hybrid)하여 전기자동차용 동력원에 관한 연구가 미국, 일본 및 유럽 등에서 활발히 진행 중에 있다. 전기 자동차용의 대형 전지로서는, 아직도 개발 시작 단계이고 특히 안전성의 관점에서 니켈 수소 전지가 사용되고 있지만 에너지 밀도 관점에서 리튬이온전지사용을 고려하고 있지만, 최대의 과제는 높은 가격과 안전성이다. 특히, 현재 상용화되어 사용되고 있는 LiCoO2나 LiNiO2 양극 활물질은 어느 것이나 충전시의 탈 리튬에 의하여 결정 구조가 불안정하여 열적 특성이 매우 열악한 단점을 가지고 있다. 즉, 과충전 상태의 전지를 200∼270℃로 가열하면, 급격한 구조 변화가 발생하게 되며, 그러한 구조변화에 기인된 격자내의 산소 방출 반응이 진행된다 (J.R.Dahn et al., Solid State Ionics ,69,265(1994)).The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery having high capacity and high safety. Li-ion secondary batteries have been widely used as power sources for portable devices since they emerged in 1991 as small, light and large capacity batteries. Recently, with the rapid development of electronics, telecommunications, and computer industry, camcorders, mobile phones, notebook PCs, etc. have emerged and are developing remarkably, and the demand for lithium ion secondary battery as a power source to drive these portable electronic information communication devices is increasing day by day. It is increasing. In particular, research on power sources for electric vehicles by hybridizing an internal combustion engine and a lithium secondary battery has been actively conducted in the United States, Japan, and Europe. As a large-sized battery for an electric vehicle, it is still in the beginning of development and in particular, a nickel hydrogen battery is used in terms of safety, but the use of a lithium ion battery is considered in terms of energy density, but the biggest problem is high price and safety. In particular, both LiCoO 2 and LiNiO 2 cathode active materials that are currently commercially available have a disadvantage in that their thermal properties are very poor due to unstable crystal structure due to de-lithography during charging. In other words, when a battery in an overcharged state is heated to 200 to 270 ° C, a drastic structural change occurs, and an oxygen release reaction in the lattice due to such a structural change proceeds (JRDahn et al., Solid State Ionics, 69,265 (1994). )).

현재 시판되는 소형 리튬이온이차전지는 양극에 LiCoO2를, 음극에 탄소를 사용한다. LiCoO2는 안정된 충·방전특성, 우수한 전자전도성, 높은 안정성 및 평탄한 방전전압 특성을 갖는 뛰어난 물질이나, Co는 매장량이 적고 고가인 데다가 인체에 대한 독성이 있기 때문에 다른 양극 재료 개발이 요망된다. LiCoO2와 같은 층상 구조를 갖는 LiNiO2는 큰 방전용량을 나타내지만 싸이클 수명 및 열적으로 가장 불안정하고 고온에서의 안전성에 문제가 있어 아직 상품화되지 못하고 있다. 이것을 개선하기 위해, 니켈의 일부를 전이금속 원소의 치환에 의해, 발열 시작 온도를 약간의 고온 측으로 이동시키거나 급격한 발열을 방지하는 발열 피크의 broad 화 등의 시도(T.Ohzuku et al., J.Electrochem.Soc.,142,4033(1995),특개평 9-237631호 공보) 등이 많이 이루어지고 있지만, 아직도 만족된 결과는 얻어지고 있지 않다.Commercially available small lithium ion secondary batteries use LiCoO 2 for the positive electrode and carbon for the negative electrode. LiCoO 2 is an excellent material having stable charging and discharging characteristics, excellent electronic conductivity, high stability, and flat discharge voltage characteristics. However, since Co is low in reserve and expensive and toxic to humans, it is desirable to develop other cathode materials. LiNiO 2 having a layered structure such as LiCoO 2 exhibits a large discharge capacity but has not been commercialized due to problems in cycle life, thermal instability, and safety at high temperatures. In order to improve this, an attempt is made to move a part of nickel to a transition metal element to shift the exotherm starting temperature to a higher temperature side or to broaden the exothermic peak to prevent a sudden exotherm (T.Ohzuku et al., J.). Electrochem.

이중 Ni 사이트의 일부를 Mn으로 치환한 Li-Ni-Mn계 복합산화물이나 Mn 및 Co로 치환한 Li-Ni-Mn-Co계 복합산화물 제조에 관련되는 기술은 많이 알려져 있다. 예를 들면 일본 특허평 8-171910에는 망간과 니켈의 혼합 수용액에 알칼리 용액을 혼합하여 망간과 니켈을 공침시켜 이 공침 혼합물에 수산화리튬을 혼합 후 소성하 여 LiNixMn1-xO2 (0.7≤x≤0.95)의 양극 활물질을 제조하는 방법이 제안되고 있다. 최근에는 일본특허 2000-227858호에는 LiNiO2나 LiMnO2에 전이금속을 부분 치환하는 개념이 아니라 니켈과 망간 화합물을 원자레벨에서 균일하게 분산시켜 고용체를 만들어 새로운 개념의 양극 활물질이 공지되어 있다.There are many known techniques related to the production of Li-Ni-Mn-based composite oxides in which a part of Ni sites are substituted with Mn or Li-Ni-Mn-Co-based composite oxides substituted with Mn and Co. For example, Japanese Patent No. 8-171910 discloses mixing an alkali solution in a mixed aqueous solution of manganese and nickel to coprecipitate manganese and nickel, mixing lithium hydroxide in the coprecipitation mixture, and then calcining to form LiNi x Mn 1-x O 2 (0.7 A method of producing a positive electrode active material of ≤ x ≤ 0.95 has been proposed. Recently, Japanese Patent No. 2000-227858 discloses a novel concept of a positive electrode active material by making a solid solution by uniformly dispersing nickel and manganese compounds at atomic level, rather than partially substituting a transition metal to LiNiO 2 or LiMnO 2 .

최근 LiCoO2 대체 재료로 가장 각광받는 층상 결정구조를 갖는 재료로 니켈-망간과 니켈-코발트-망간이 각각 1:1로 혼합된 Li[Ni1/2Mn1/2]O2와 Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2 등을 들 수 있다. 이 재료들은 LiCoO2에 비해 저가격, 고용량, 우수한 열적 안정성 등의 특성을 나타내나, LiCoO2에 비해 낮은 전자전도도로 인해 고율특성과 저온특성이 열악하며, 낮은 탭 밀도로 인해 용량이 높음에도 불구하고 전지의 에너지 밀도가 향상되지 않는다. 특히 이 재료들을 전자전도도가 낮아 (J. of Power Sources, 112(2002) 41-48) 전기자동차용 하이브리드(hybrid) 전원으로 사용하기에는 고출력 특성이 LiCoO2나 LiMn2O4에 비해 떨어진다. Li[Ni1/2Mn1/2]O2와 Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2 등의 일반적인 제법으로는 수용액 중에서 중화반응을 이용하여 2 혹은 3원소를 동시에 침전시켜 수산화물이나 산화물 형태의 전구체를 얻고, 이 전구체를 수산화리튬과 혼합, 소성하는 방법이다. 통상적인 공침 반응과는 달리, 망간을 포함한 공침 입자는 불규칙 판상을 나타내는 것이 보통이며, 탭 밀도가 니켈이나 코발트에 비해 반 정도에 지나지 않는다. 예를 들면, 일본 특개2002-201028에는 불활성 침전법에 의한 종래의 반응기를 사용하였으며, 이때 생성된 침전물의 입자는 입도 분포가 아 주 넓고 1차 입자의 형태가 입자마다 다르다. 더욱이 최근에는 일본 특평2003-238165, 특평2003-203633, 특평2003-242976A, 특평2003-197256A, 특평2003-86182, 특평2003-68299 및 특평2003-59490과 한국특허10-2003-0026826과 10-2003-0084702에는 니켈과 망간 염을 혹은 니켈, 망간 및 코발트 염을 수용액에 용해 한 후, 알칼리 용액을 동시에 반응기에 투입하여 환원제나 불활성 가스로 퍼지 하면서 금속 수산화물이나 산화물을 얻고, 이 전구체를 수산화리튬과 혼합 후 소성하여 충방전 가역성과 열적 안정성이 향상된 고용량 양극 활물질 제조에 관한 기술이 공지되어 있다. Recently, Li [Ni 1/2 Mn 1/2 ] O 2 and Li [Ni in which nickel-manganese and nickel-cobalt-manganese are mixed 1: 1 with a layered crystal structure most popular as a substitute for LiCoO 2 . 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 , and the like. The materials and exhibit characteristics such as low cost, high capacity and excellent thermal stability as compared to LiCoO 2, and due to the low electronic conductivity than LiCoO 2 poor high rate characteristics and low-temperature properties, despite the capacity high due to low tap density The energy density of the battery does not improve. In particular, these materials have low electron conductivity (J. of Power Sources, 112 (2002) 41-48), which are less powerful than LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 for use as hybrid power sources for electric vehicles. Common methods, such as Li [Ni 1/2 Mn 1/2 ] O 2 and Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 , are used to neutralize two or three elements simultaneously using neutralization in an aqueous solution. Precipitation is carried out to obtain a precursor in the form of a hydroxide or oxide, which is mixed with lithium hydroxide and calcined. Unlike conventional coprecipitation reactions, coprecipitation particles containing manganese usually exhibit irregular platelets, and the tap density is only about half that of nickel or cobalt. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-201028 used a conventional reactor by an inert precipitation method, wherein the produced precipitated particles have a very large particle size distribution and the shape of primary particles varies from particle to particle. More recently, Japanese Patent Application Nos. 2003-238165, 2003-203633, 2003-242976A, 2003-197256A, 2003-86182, 2003-86182, 2003-68299 and 2003-59490, and 10-2003-0026826 and 10-2003 In -0084702, nickel and manganese salts or nickel, manganese and cobalt salts are dissolved in an aqueous solution, and then an alkali solution is simultaneously introduced into the reactor to purge with a reducing agent or an inert gas to obtain metal hydroxides and oxides, and the precursors BACKGROUND ART A technique for preparing a high capacity positive electrode active material having improved charge / discharge reversibility and thermal stability by mixing after firing is known.

Li[Ni1/2Mn1/2]O2와 Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2 등은 LiNixCo1-2xMnxO2에(0.0≤x≤1.0) 포함된 한 형태로 Ni이 2가, Co가 3가, Mn이 4가 산화상태를 가지기 때문에 Mn 3가에 의해 기인되는 Jahn-Teller distortion으로 인해 구조전이가 발생치 않아 수명특성이 우수하다. 충전시 리튬의 탈리에 따른 산화/환원종은 Ni2+/Ni4+, Co3+/Co4+으로 알려져 있다. Mn의 산화수를 4+로 고정시키면서 이러한 전기화학 반응의 활성종인 Ni과 Co의 양을 증가시켜야 고용량 재료 합성이 가능하다. 최근에 PCT/JP2004/012015에는 전이금속층상계 화합물에 F이 치환 된 LipNixCoyMnzMqO2-aFa (0.9≤p≤1.1, 0.2≤x≤0.8, 0≤y≤0.4, 0≤z≤0.5, y+Z>0, 0≤q≤0.05, 1.9≤2-a≤2.1, 0≤a≤0.02, x+y+z+q=1)를 공지되어 있는데, 이 재료는 불소치환으로 부피에너지 밀도와, 열적 안전성 및 수명특성이 크게 개선되었다. 그러나 이 특허에서는 M 치환시 전구체 제조 때부터 M을 치환하는 것이 아니라 Ni, Co, 및 Mn수산화 물, 예를 들어 (Ni1/3Co1/3Mn1/3)(OH)2를 제조한 후에 M을 건식으로 치환하기 때문에 벌크까지 치환되는 것이 아니라 입자 표면에만 분포하여 있기 때문에 입자 전체의 구조 안정성에는 기여하지 못하고 있다. 또한 산소자리에 불소 치환 시 양극 활물질의 양·음이온의 전하 평형(밸런싱)이 맞지 않기 때문에 산소가 부족하거나 남아 전기화학적 특성이 감소된다. 최근에 발표된 한국특허 10-2003-0084702에는 F치환을 통해 리튬전이금속 복합산화물의 열적 안전성, 수명특성 및 고율특성 등을 향상시키는 효과가 있다고 공지되어 있다. Li [Ni 1/2 Mn 1/2] O 2 and Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 and the like (0.0≤x≤1.0 in LiNi x Co 1-2x Mn x O 2 In one form, Ni is divalent, Co is trivalent, and Mn is tetravalent. Therefore, there is no structural transition due to Jahn-Teller distortion caused by Mn trivalent. Oxidation / reduction species due to desorption of lithium during charging is known as Ni 2+ / Ni 4+ , Co 3+ / Co 4+ . It is necessary to increase the amount of Ni and Co, the active species of this electrochemical reaction, while fixing the oxidation number of Mn to 4+ to enable high capacity material synthesis. Recently in PCT / JP2004 / 012015, LipNixCoyMnzMqO2-aFa substituted with F in the transition metal layer-based compound (0.9≤p≤1.1, 0.2≤x≤0.8, 0≤y≤0.4, 0≤z≤0.5, y + Z> 0 , 0 ≦ q ≦ 0.05, 1.9 ≦ 2-a ≦ 2.1, 0 ≦ a ≦ 0.02, x + y + z + q = 1). The material is fluorine substituted for bulk energy density, thermal safety and Lifespan characteristics are greatly improved. However, this patent does not substitute M from the time of preparation of the precursor at the time of M substitution, but instead prepares Ni, Co, and Mn hydroxides such as (Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3) (OH) 2 and then dry M Since it is substituted, it does not substitute to bulk but distributes only to the particle surface, and it does not contribute to the structural stability of the whole particle | grain. In addition, when fluorine is substituted in the oxygen site, the charge balance (balancing) of the positive and negative ions of the positive electrode active material is not matched, and thus the oxygen is insufficient or the electrochemical properties are reduced. Recently disclosed Korean Patent 10-2003-0084702 is known to have the effect of improving the thermal stability, life characteristics and high rate characteristics of the lithium transition metal composite oxide through F substitution.

상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 탄산화염 혹은 수산화염 공침법을 사용하여 니켈, 망간, 코발트 원소의 산화상태를 제어하고, Mg 원소와 음이온 치환을 통해 양·음이온의 전하평형을 유지하는 한편, 탭 밀도 및 열적 안전성이 향상되고, 고율특성을 갖는 고용량의 양극 활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에서 제안하는 리튬 전이금속 복합산화물은 2가의 산화수를 갖는 Ni, 3가의 산화수를 갖는 Co 및 4가의 산화수를 갖는 Mn을 기본 조성으로 하여 양이온 교환을 억제키 위해 Mg를 탄산화물이나 수산화물 등의 전구체 제조시 첨가하여 분말입자 전체에 골고루 분포되게 한다. 이때 양극 활물질의 탭밀도, 수명과 고율특성, 열적 안전성 등을 향상시키기 위해 산소자리에 불소를 첨가하는데 치환 첨가되는 양이온과 음이온을 고려하여 전체적인 양·음이온의 전하평형을 유지시킴으로써 산소 결함이 없는 양극활물질을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention controls the oxidation state of nickel, manganese and cobalt elements using carbonate or hydroxide coprecipitation method, and maintains the charge balance of positive and negative ions through Mg element and anion substitution. It is an object of the present invention to provide a high capacity positive electrode active material having improved tab density and thermal safety and high rate characteristics. The lithium transition metal composite oxide proposed in the present invention is based on Ni having divalent oxidation number, Co having trivalent oxidation number, and Mn having tetravalent oxidation number as a basic composition. It is added during the preparation of the precursor to evenly distribute throughout the powder particles. At this time, in order to improve the tap density of the positive electrode active material, lifetime and high rate characteristics, and thermal safety, fluorine is added to the oxygen site in order to maintain the charge balance of positive and negative ions in consideration of the positive and negative ions substituted and added to the oxygen site. It provides an active material.

또한 본 발명에서는 제안하는 또 다른 리튬전이금속 복합산화물은 수명특성, 고율특성, 열적안전성 향상 및 탭밀도를 증대시키기 위해 2가의 산화수를 갖는 Ni, 3가의 산화수를 갖는 Co 및 4가의 산화수를 갖는 Mn을 기본 조성으로 하여 양이온과 음이온의 전체 전하 밸런스를 맞추기 위해 양극 활물질의 Mn 자리에 2가 이온인 Mg, Cu, Zn, Ge, 및 Sn 등을 적어도 하나이상 치환하고 산소(O)자리에 불소(F)를 치환하는데, 이때 Mn 자리에 치환되는 2가 금속은 양이온간의 자리이동(cation mixing)을 방지하는 역할을 하며 산소자리에 치환되는 불소는 전해액 중의 불산(HF)으로부터 표면을 보호하는 한편, 결정구조를 안정화시킬 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 된 것이다.In addition, another lithium transition metal composite oxide proposed in the present invention is Ni having a divalent oxidation number, Co having a trivalent oxidation number, and Mn having a tetravalent oxidation number in order to improve life characteristics, high rate characteristics, thermal safety, and increase tap density. In order to balance the overall charge balance between the cation and the anion by using a basic composition, at least one or more of divalent ions Mg, Cu, Zn, Ge, and Sn are substituted at the Mn site of the positive electrode active material, and fluorine (O) is substituted at the oxygen (O) site. F), where the divalent metal substituted at the Mn site serves to prevent cation mixing between the cations and the fluorine substituted at the oxygen site protects the surface from hydrofluoric acid (HF) in the electrolyte, The present invention was completed by knowing that the crystal structure can be stabilized.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의하면, 반응기에 암모니아 수용액(NH4OH)과 암모늄카보네이트((NH4)2CO3), 암모늄수소카보네이트(NH4HCO3), 탄산나트륨(Na2CO3) 및 수산화나트륨(NaOH) 수용액 중 어느 한 수용액과 금속수용액 그리고 탄산가스 혹은 질산가스를 투입하여 혼합용액을 반응시킴으로써 금속복합탄산화물 또는 금속복합수산화물 혼합물의 침전물을 얻는 단계, 상기 침전물을 열처리하여 금속복합산화물을 얻는 단계 및 상기 금속복합수산화물이나 금속복합산화물을 수산화리튬 및 불화리튬의 혼합반응으로 하기 화학식 1의 리튬금속복합산화물을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 양극 활물질의 제조방법이 제공 된다.In order to achieve the above object, according to the present invention, the aqueous ammonia solution (NH 4 OH) and ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) And obtaining a precipitate of the metal complex carbonate or the metal complex hydroxide mixture by reacting the mixed solution by adding an aqueous solution of a sodium hydroxide (NaOH) solution, a metal aqueous solution, and a carbon dioxide gas or nitric acid gas, and heat treating the precipitate. A method of manufacturing a lithium secondary battery positive electrode active material comprising the steps of obtaining an oxide and obtaining a lithium metal composite oxide of the following Chemical Formula 1 by mixing the metal composite hydroxide or the metal composite oxide with lithium hydroxide and lithium fluoride Is provided.

[화학식 1] [Formula 1]

Liδ[Nix+zCo1-2x+z'Mnx-(z+z')]O2-2z-z'F2z+z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01≤z, z'≤0.15, x > z+z`) Li δ [Ni x + z Co 1-2x + z ' Mn x- (z + z') ] O 2-2z-z ' F 2z + z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01 ≤ z, z '≤ 0.15, x> z + z`)

또한, 본 발명에 의하면 상기 금속수용액에 M을 포함하는 금속염 수용액(M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu 로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)을 추가하여 하기 화학식 2의 리튬금속복합산화물을 얻는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 양극 활물질의 제조방법이 제공된다. According to the present invention, a metal salt aqueous solution containing M (at least one element selected from M = Mg, Ca, Sr, Zn, and Cu) is added to the metal aqueous solution to obtain a lithium metal complex oxide of Formula 2 A method for producing a lithium secondary battery positive electrode active material is provided.

[화학식 2] [Formula 2]

Liδ[Nix+yCo1-2x-yMnx-zMz]O2-(y+2z)F(y+2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu 로부터 선택되는 적어도 1종의 원소, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15) Li δ [Ni x + y Co 1-2x-y Mn xz M z ] O 2- (y + 2z) F (y + 2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu at least one selected from Element of, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15)

상기 금속수용액은 황산염수용액, 질산염수용액, 불화수용액 및 염화수용액 중 적어도 하나 이상의 금속염수용액임을 특징으로 한다.The aqueous metal solution is characterized in that at least one metal salt solution of the aqueous solution of sulphate, nitrate solution, aqueous fluoride solution and aqueous chloride solution.

상기 암모니아 수용액의 농도가 상기 금속염 수용액 농도의 5% 내지 40%4인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 양극 활물질 제조방법을 제공한다.The concentration of the aqueous ammonia solution is 5% to 40% of the concentration of the aqueous metal salt solution provides a method for producing a lithium secondary battery positive electrode active material.

상기 암모늄카보네이트((NH4)2CO3), 암모늄수소카보네이트(NH4HCO3), 탄산나트 륨(Na2CO3) 및 수산화나트륨(NaOH) 수용액 중 어느 한 수용액의 농도가 상기 금속수용액 농도의 100% 내지 200%인 것을 특징으로 한다.The aqueous solution of ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) and sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution concentration of the aqueous solution It is characterized in that 100% to 200% of.

*상기 금속수용액의 상기 반응기에서의 체류시간이 5∼20시간인 것을 특징으로 한다.* The residence time of the metal aqueous solution in the reactor is characterized in that 5 to 20 hours.

상기 혼합용액은 pH 7.0 내지 11.5인 것을 특징으로 한다.The mixed solution is characterized in that pH 7.0 to 11.5.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 반응기는 회전날개가 역날개식으로 설계되고 반응기 내부에 원통을 구비하였고, 1∼4개의 배플(baffle)이 내벽과 이격된 구조의 반응기인 것을 특징으로 한다.In the production method of the present invention, the reactor is a rotor blade designed in reverse wing type and provided with a cylinder inside the reactor, characterized in that the reactor of the structure 1 to 4 baffles (spaced apart from the inner wall).

본 발명에서는 상기 리튬금속복합산화물을 얻는 단계에서 킬레이팅제로서 구연산, 주석산, 글리콜산 및 말레인산 중 어느 하나를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 양극 활물질의 제조방법이 제공된다.In the present invention, a method for producing a lithium secondary battery cathode active material, characterized in that further adding any one of citric acid, tartaric acid, glycolic acid and maleic acid as a chelating agent in the step of obtaining the lithium metal composite oxide.

본 발명에서는 상기 제조방법으로 제조된 것으로서 하기 화학식 1로 표기되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 양극 활물질이 제공된다.In the present invention, there is provided a lithium secondary battery positive electrode active material, which is represented by the following Chemical Formula 1 as manufactured by the above-described method.

[화학식 1][Formula 1]

Liδ[Nix+zCo1-2x+z'Mnx-(z+z')]O2-2z-z'F2z+z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01≤z, z'≤0.15, x > z+z`) Li δ [Ni x + z Co 1-2x + z ' Mn x- (z + z') ] O 2-2z-z ' F 2z + z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01 ≤ z, z '≤ 0.15, x> z + z`)

또한, 하기 화학식 2로 표기되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 양극 활물질이 제공된다.In addition, there is provided a lithium secondary battery positive electrode active material, characterized in that represented by the formula (2).

[화학식 2] [Formula 2]

Liδ[Nix+yCo1-2x-yMnx-zMz]O2-(y+2z)F(y+2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu 로부터 선택되는 적어도 1종의 원소, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15) Li δ [Ni x + y Co 1-2x-y Mn xz M z ] O 2- (y + 2z) F (y + 2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu at least one selected from Element of, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15)

상기 리튬이차전지 양극 활물질은 입경이 10∼30㎚인 1차 입자의 응집으로 이루어진 입경 5∼15㎛의 층상 암염 구조를 갖는 2차 입자임을 특징으로 한다.The lithium secondary battery positive electrode active material is characterized in that the secondary particles having a layered rock salt structure having a particle diameter of 5 to 15㎛ composed of agglomeration of primary particles having a particle diameter of 10 to 30nm.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 리튬이차전지 양극 활물질은 리튬전이금속복합산화물중의 리튬의 삽입·탈리에 따른 산화/환원종의 양을 증대시키고, 양이온을 부족하게 만든 후, 이 모자라는 양이온과 전하 평형을 맞추기 위해 산소자리에 불소를 치환시키거나, Mn자리에 2가 금속들을 치환시켜 양이온 자리바꿈을 최소화시키고, 전체적인 양이온과 음이온 전하 평형을 유지시켜 리튬전이금속 복합산화물의 열적 안전성, 수명특성 및 고율특성 등을 향상시킨 것이다. The lithium secondary battery positive electrode active material of the present invention increases the amount of oxidation / reduction species due to the insertion and desorption of lithium in the lithium transition metal composite oxide, makes the cation deficient, and then, in order to balance charge with the cation Minimize cation substitution by replacing fluorine in oxygen site or divalent metal in Mn site, and maintain the balance of cation and anion charge to maintain thermal safety, lifetime and high rate characteristics of lithium transition metal complex oxide. It is an improvement.

본 발명에서의 양극활물질인 리튬금속복합산화물의 비표적은 3㎡/g 이하인 것이 바람직하다. 비표적은 3㎡/g 이상이면 전해액과의 반응성이 증가되어 가스발생이 증대되므로 비표면적이 3㎡/g 이하가 바람직하다. It is preferable that the specific target of the lithium metal composite oxide which is a positive electrode active material in this invention is 3 m <2> / g or less. If the specific target is 3 m 2 / g or more, the reactivity with the electrolyte is increased and gas generation is increased, so the specific surface area is preferably 3 m 2 / g or less.

본 발명에 있어서 리튬전이금속 복합산화물에 함유된 불소의 양은 산소 1몰 기준으로 0.01∼0.1 mol이 바람직하다. 불소 양이 지나치게 적으면 수명과 열적 안전성 향상 효과가 나타나지 않으며, 불소 양이 지나치게 많은 경우 가역용량 감소와 방전특성이 떨어진다. In the present invention, the amount of fluorine contained in the lithium transition metal composite oxide is preferably 0.01 to 0.1 mol based on 1 mol of oxygen. If the amount of fluorine is too small, there is no effect of improving the lifetime and thermal safety. If the amount of fluorine is too high, the reversible capacity decreases and discharge characteristics are inferior.

상기 조성식으로 나타내는 본 발명의 리튬금속복합산화물의 제법은 암모니아 수용액(NH4OH)과 암모늄카보네이트((NH4)2CO3), 암모늄수소카보네이트(NH4HCO3), 탄산나트륨(Na2CO3) 및 수산화나트륨(NaOH) 수용액 중 어느 한 수용액과 금속수용액 및 탄산가스 혹은 질소가스를 투입하여 반응시켜 금속복합수산화염이나 금속복합탄산염의 침전물을 얻는 단계, 상기 침전물을 건조시키거나 열처리하여 금속복합산화물을 얻는 단계 및 상기 금속복합수산화물이나 금속복합산화물을 리튬염을 혼합시킨 후 고온에서 소성시켜 리튬금속복합산화물을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The preparation method of the lithium metal composite oxide of the present invention represented by the above formula is ammonia aqueous solution (NH 4 OH), ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3) ) And the aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) solution and the metal aqueous solution and carbon dioxide gas or nitrogen gas to react to obtain a precipitate of the metal complex hydroxide or metal complex carbonate, the precipitate is dried or heat treated to the metal complex Obtaining an oxide and calcining the metal complex hydroxide or the metal complex oxide at a high temperature after mixing the lithium salt to obtain a lithium metal complex oxide.

또한, 본 발명에서 양극 활물질 제조방법은 금속수용액에 암모니아수와 탄산암모늄수용액을 섞은 후 침전시키는 배치형(batch type)과는 달리, 2종 이상의 금속염 수용액, 암모니아 수용액, 탄산수용액(암모늄카보네이트((NH4)2CO3), 암모늄수소카보네이트(NH4HCO3) 및 탄산나트륨)과 탄산가스를 동시에 반응기에 투입함으로 써, 금속 이온들의 초기 산화를 방지하여 입자의 균일성과 금속원소들이 균일하게 분포된 침전물을 연속적으로 얻을 수 있다. 여기서, 암모니아 수용액은 암모늄 이온의 공급원이다. 상기 암모늄 이온은 시드(seed)인 금속암모늄 착이온 생성에 필요한 것으로, 그 양을 조절하는 것이 중요한데, 금속염 수용액 농도의 5% 내지 40% 농도의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 암모늄 이온이 금속염 농도의 5%미만이면, 상기 금속암모늄 착이온이 형성될 수 없고, 40%초과이면, 과량의 암모늄 이온 축적에 의해 니켈 및 코발트암모늄 착이온이 용해하여 최종 생성물의 정확한 조성 제어가 불가능하기 때문이다. In addition, in the present invention, a method of preparing a positive electrode active material is different from a batch type in which ammonia water and an aqueous solution of ammonium carbonate are mixed in a metal solution and then precipitated. 4 ) Precipitating the uniformity of particles and uniform distribution of metal elements by preventing the initial oxidation of metal ions by simultaneously injecting 2 CO 3 ), ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ) and sodium carbonate into the reactor. Can be obtained continuously. Here, the aqueous ammonia solution is a source of ammonium ions. The ammonium ion is required to generate a seed metal ammonium complex ion, and it is important to control the amount thereof, and it is preferable to use a concentration of 5% to 40% of the aqueous metal salt concentration. This means that if the ammonium ion is less than 5% of the metal salt concentration, the metal ammonium complex ion cannot be formed, and if it exceeds 40%, the nickel and cobalt ammonium complex ions are dissolved by the accumulation of excess ammonium ions to control the precise composition of the final product. Because it is impossible.

이때, 상기 금속 수용액은 황산염수용액, 질산염수용액, 불화수용액 및 염화수용액 중 적어도 하나 이상의 금속염수용액으로서 1M 내지 3M 농도의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 탄산나트륨 수용액은 금속염 수용액과 같은 몰비나 약간 과량의 농도의 것을 사용하는 것이 바람직하다. At this time, the metal aqueous solution is preferably used as a salt solution of sulphate, nitrate solution, fluoride solution and aqueous chloride solution of at least one metal salt concentration of 1M to 3M. In addition, it is preferable to use the sodium carbonate aqueous solution in the same molar ratio as a metal salt aqueous solution or a slightly excess concentration.

또한, 본 발명에서 양극활물질 제조방법은 기존의 금속용액에 암모니아수를 먼저 섞은 후 침전시키는 암모니아 혼합법(Ammonia complex method)과는 달리 2종 이상의 금속 수용액, 암모니아수용액, 탄산나트륨(Na2CO3) 수용액을 각각 반응기에 투입하고 탄산 분위기를 유지함으로써, 망간 이온의 초기 산화를 방지하여 입자의 균일성과 금속원소들이 균일하게 분포된 침전물을 얻을 수 있다. 상기 금속 수용액은 2M 내지 3M 농도의 것을 사용하고, 암모니아수 용액은 금속 수용액 농도의 0.2 이상 0.4 이하의 농도, Na2CO3수용액은 1M 내지 3M 농도의 것을 사용하는 것이 바람 직하다. 암모니아수 용액의 농도를 금속 수용액 농도의 0.2 이상 0.4이하로 하는 것은 암모니아는 금속 전구체와 1 대 1로 반응하지만, 중간 생성물이 다시 암모니아로 회수되어 사용될 수 있기 때문이며, 나아가 이것이 양극 활물질 결정성을 높이고 안정화하기 위한 최적의 조건이기 때문이다. In addition, the method for producing a cathode active material in the present invention, unlike the ammonia complex method (Ammonia complex method) in which ammonia water is first mixed with the existing metal solution and then precipitated, two or more types of metal aqueous solution, aqueous ammonia solution, and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution. By respectively putting in the reactor and maintaining a carbonic acid atmosphere, it is possible to prevent the initial oxidation of manganese ions to obtain a precipitate uniformly distributed particles and metal elements uniformly. The metal solution is 2M, and to the use of 3M concentration, ammonia water solution is the concentration of a range from 0.2 to 0.4 in the metal solution concentration, Na 2 CO 3 aqueous solution is preferable to wind the used concentration of 1M to 3M. The concentration of the aqueous ammonia solution is 0.2 or more and 0.4 or less of the concentration of the aqueous metal solution because the ammonia reacts with the metal precursor one-to-one, but the intermediate product can be recovered and used again as ammonia, which further increases and stabilizes the positive electrode active material crystallinity. It is because it is an optimal condition for doing so.

구체적으로, 먼저 니켈, 망간, 코발트 및 치환 금속염들을 증류수에 용해한 후, 암모니아수 용액과 NaOH 또는 Na2CO3 수용액과 함께 각각 반응기에 투입한다. 공침법은 수용액 중에서 중화반응을 이용하여 2원소 이상을 동시에 침전시켜 복합 수산화물을 얻는 방법이다. 반응기가 정상상태에 도달한 후 반응기 상단에 설치된 오버플로 파이프(overflow pipe)를 통해 배출되는 복합수산화물을 연속적으로 얻는다. 용액의 평균 체류시간은 5∼20시간으로 조절하였으며, pH는 7.0 내지 11.5로 반응기의 온도는 40℃ 내지 55℃로 유지시켰다. 이렇게 반응기의 온도를 높이는 이유는 생성된 코발트 수산화물이 낮은 온도에서는 착염 형태로 침전되기 때문에 고밀도 복합수산화물을 얻기 어렵기 때문이다. 얻어진 복합수산화물을 증류수로 세척 후 여과하고 110℃에서 15시간 건조하여 사용하거나, 500℃ 10시간 열처리하여 전구체로 사용하였다. 얻어진 전구체를 리튬수산화물과 충분히 혼합하여 900℃에서 20시간 소성한 후, 700℃에서 10시간 어닐링하여 리튬금속복합산화물을 제조하였다.Specifically, first, nickel, manganese, cobalt and substituted metal salts are dissolved in distilled water, and then introduced into the reactor together with aqueous ammonia solution and aqueous NaOH or Na 2 CO 3 solution. The coprecipitation method is a method of obtaining a composite hydroxide by simultaneously precipitating two or more elements by using a neutralization reaction in an aqueous solution. After the reactor reaches steady state, the composite hydroxide is continuously obtained through an overflow pipe installed at the top of the reactor. The average residence time of the solution was adjusted to 5-20 hours, the pH was maintained at 7.0-11.5 and the reactor temperature was maintained at 40-55 ° C. The reason for raising the temperature of the reactor is that it is difficult to obtain a high-density complex hydroxide because the cobalt hydroxide produced is precipitated in complex salt form at a low temperature. The obtained composite hydroxide was washed with distilled water, filtered and dried at 110 ° C. for 15 hours, or heat treated at 500 ° C. for 10 hours to be used as a precursor. The obtained precursor was sufficiently mixed with lithium hydroxide, calcined at 900 ° C. for 20 hours, and then annealed at 700 ° C. for 10 hours to prepare a lithium metal composite oxide.

본 발명은 일 실시예로, 니켈 산화가는 2.0, 망간 산화가는 4.0, 코발트 산화가는 3.0인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 양극 활물질을 제공한다. The present invention provides a lithium secondary battery cathode active material, which is, in one embodiment, nickel oxide is 2.0, manganese oxide is 4.0, cobalt oxide is 3.0.

본 발명에 의한 양극활물질은 Liδ[Nix+zCo1-2x+z'Mnx-(z+z')]O2-2z-z'F2z+z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01≤z, z'≤0.15, x > z+z`) 또는 Liδ[Nix+yCo1-2x-yMnx-zMz]O2-(y+2z)F(y+2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu 로부터 선택되는 적어도 1종의 원소, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15)으로 표시되고, 1차 입자가 응집되어 2차 입자를 형성한 것으로 구성되어 있다. 이때, 1차 입자의 평균 입경이 10∼30㎚이고, 2차 입자의 평균 입경이 5∼15㎛, 바람직하게는 10㎛인 것을 특징으로 한다. 1차 입자의 평균 입경이 10∼300㎚로 하는 것에 의해 충방전의 반응성을 높여 고율 특성을 향상시키는 한편, 2차 입자의 평균 입경을 5∼15㎛, 바람직하게는 10㎛로 하는 것에 의해 리튬금속복합산화물의 충전성을 높이고 코팅력을 향상시켜 전극을 고용량화할 수 있다. 또한, 본 발명의 양극 활물질에 미량의 불소를 포함함으로서, 열적 안전성 및 수명특성이 획기적으로 향상되었다. Cathode active material according to the present invention is Li δ [Ni x + z Co 1-2x + z ' Mn x- (z + z') ] O 2-2z-z ' F 2z + z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01≤z, z'≤0.15, x> z + z`) or Li δ [Ni x + y Co 1-2x-y Mn xz M z ] O 2- (y + 2z) F (y + 2z) (M = at least one element selected from Mg, Ca, Sr, Zn, Cu, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15), and primary particles are aggregated to form secondary particles. At this time, the average particle diameter of a primary particle is 10-30 nm, and the average particle diameter of a secondary particle is 5-15 micrometers, It is characterized by the above-mentioned. The average particle diameter of the primary particles is 10 to 300 nm to increase the reactivity of charging and discharging to improve high rate characteristics, while the average particle diameter of the secondary particles is 5 to 15 μm, preferably 10 μm. It is possible to increase the capacity of the electrode by increasing the filling property of the metal complex oxide and improving the coating power. In addition, by containing a small amount of fluorine in the positive electrode active material of the present invention, the thermal safety and lifespan characteristics are significantly improved.

도 1은 본 발명의 양극 활물질 제조방법에 사용된 반응기의 단면도이다. 상기 반응기는 회전날개가 역날개식으로 설계되고, 1∼4개의 배플(baffle)이 내벽과 2∼3cm 이격된 구조이며, 또한 이 배플들은 반응기 내부의 상하부분의 혼합을 균일하게 하기 위하여 원통을 설치하였다. 역날개식 설계도 상하 균일 혼합을 위한 것이고, 반응기의 내면에 설치된 배플(baffle)을 내벽과 이격시키는 것은 물결의 세기와 방향를 조절하며, 터블런트(turbulent) 효과를 증대시켜 반응액의 지역적 불균일성을 해결하기 위한 것이다. 1 is a cross-sectional view of a reactor used in the method of manufacturing a cathode active material of the present invention. The reactor has a rotor blade designed in reverse wing type, and has 1 to 4 baffles spaced 2 to 3 cm apart from the inner wall, and these baffles are used to uniformly mix the upper and lower parts of the reactor. Installed. The reverse wing design is also designed for uniform mixing up and down, and the separation of the baffles installed on the inner surface of the reactor from the inner wall controls the intensity and direction of the waves and increases the turbulent effect to solve the local nonuniformity of the reaction solution. It is to.

상기 반응기를 이용한 경우, 종래의 반응기를 사용한 경우보다 얻어진 탄산 화물과 수산화물의 탭 밀도는 약 10% 이상 향상되었다. 본 발명에서 바람직한 탄산화물과 수산화물의 탭 밀도는 1.6g/㎤, 특별히 바람직하게는 2.1g/㎤이상, 보다 바람직하게는 2.3g/㎤이다.In the case of using the reactor, the tap density of the obtained carbonate and hydroxide was improved by about 10% or more than in the case of using the conventional reactor. The tap density of the preferred carbonates and hydroxides in the present invention is 1.6 g / cm 3, particularly preferably 2.1 g / cm 3 or more, and more preferably 2.3 g / cm 3.

공침법은 수용액 중에서 중화반응을 이용하여 2원소 이상을 동시에 침전시켜 복합 탄산화물을 얻는 방법이다. 이를 위해 본 발명에서는, 먼저 니켈, 망간, 코발트 및 치환 금속염의 수용액을 암모니아 수용액과 암모늄카보네이트((NH4)2CO3), 암모늄수소카보네이트(NH4HCO3) 및 탄산나트륨(Na2CO3) 수용액 중 어느 한 용액과 함께 반응기에 투입한다. 이때 반응기를 퍼지되어 공급된 탄산가스로 버블링하여 망간이온의 산화를 방지하는 동시에 침전 반응시 부족 될 수 있는 탄산이온을 반응기에 공급한다. The coprecipitation method is a method of obtaining complex carbonate by simultaneously depositing two or more elements by using a neutralization reaction in an aqueous solution. To this end, in the present invention, first, an aqueous solution of nickel, manganese, cobalt, and substituted metal salts is added to an aqueous solution of ammonia and ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), ammonium bicarbonate (NH 4 HCO 3 ), and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ). It is added to the reactor with either solution. At this time, the reactor is purged with bubbling carbon dioxide gas to prevent oxidation of manganese ions and at the same time, carbonate ions which may be insufficient during the precipitation reaction are supplied to the reactor.

반응기가 정상상태에 도달한 후 반응기 상단에 설치된 오버플로 파이프(overflow pipe)를 통해 배출되는 금속복합탄산화물을 연속적으로 얻는다. 용액의 평균 체류시간은 5시간 내지 20시간으로 조절하였으며, pH는 7.0 내지 11.5로 반응기의 온도는 30℃ 내지 60℃로 유지시켰다. 얻어진 금속복합탄산화물을 증류수로 세척 후 여과한 것을 110℃에서 15시간 건조하여 사용하거나, 500℃에서 10시간 열처리한 후 사용하였다. After the reactor reaches a steady state, metal composite carbonate is continuously obtained through an overflow pipe installed at the top of the reactor. The average residence time of the solution was adjusted to 5 to 20 hours, the pH was 7.0 to 11.5 and the reactor temperature was maintained at 30 ℃ to 60 ℃. The obtained metal composite carbonate was washed with distilled water and then filtered and dried at 110 ° C. for 15 hours, or after heat treatment at 500 ° C. for 10 hours.

상기 얻어진 금속복합수산화물이나 금속복합산화물을 리튬수산화물과 충분히 혼합하여, 900℃에서 20시간 소성한 후, 700℃에서 10시간 어닐링하여 리튬금속복합산화물을 제조할 수 있다. The obtained metal complex hydroxide or metal complex oxide is sufficiently mixed with lithium hydroxide, calcined at 900 ° C. for 20 hours, and then annealed at 700 ° C. for 10 hours to produce a lithium metal complex oxide.

본 발명에 의해 하기 화학식 1로 표기되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 양극 활물질이 제공된다.Provided by the present invention is a lithium secondary battery positive electrode active material, characterized in that represented by the formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Liδ[Nix+zCo1-2x+z'Mnx-(z+z')]O2-2z-z'F2z+z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01≤z, z'≤0.15, x > z+z`) Li δ [Ni x + z Co 1-2x + z ' Mn x- (z + z') ] O 2-2z-z ' F 2z + z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01 ≤ z, z '≤ 0.15, x> z + z`)

또한, 하기 화학식 2로 표기되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 양극 활물질이 제공된다.In addition, there is provided a lithium secondary battery positive electrode active material, characterized in that represented by the formula (2).

[화학식 2] [Formula 2]

Liδ[Nix+yCo1-2x-yMnx-zMz]O2-(y+2z)F(y+2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu 로부터 선택되는 적어도 1종의 원소, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15) Li δ [Ni x + y Co 1-2x-y Mn xz M z ] O 2- (y + 2z) F (y + 2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu at least one selected from Element of, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15)

상기 리튬이차전지 양극 활물질은 입경이 10∼30㎚인 1차 입자의 응집으로 이루어진 입경 5∼15㎛의 층상 암염 구조를 갖는 2차 입자임을 특징으로 한다.The lithium secondary battery positive electrode active material is characterized in that the secondary particles having a layered rock salt structure having a particle diameter of 5 to 15㎛ composed of agglomeration of primary particles having a particle diameter of 10 to 30nm.

본 발명에 의한 상기 양극활물질을 이용하여 리튬이차전지를 제공할 수 있다. 상기 리튬이차전지에 사용될 수 있는 전해질로는 에스테르(ester), 예를 들면 에틸렌 카보네이트(ethylene carbornate)(EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)(PC), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate)(BC) 및 비닐렌 카보네이트(carbonate)(VC)등의 환상 카보네이트(carbonate), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate)(DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate)(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate)(EMC) 및 지푸로필카보네토(DPC)등의 비환상 카보네이트(carbonate), 포름산 메틸(methyl)IMF), 초산메틸(MA), 프로피온산 메틸(methyl)(MP) 및 프로피온산 에틸(ethyl)(MA)등의 지방족 카르본산 에스테르(ester), 부틸로 락톤(lactone)(GBL)등의 환상 카르본산 에스테르(ester)등을 들 수 있다. 환상 카보네이트(carbonate)로서는 EC, PC, VC 등이 특별히 바람직하다. 또, 필요에 따라 지방족 카르본산 에스테르(ester)를 20%이하의 범위에서 포함하는 것도 바람직하다. It is possible to provide a lithium secondary battery using the cathode active material according to the present invention. Examples of electrolytes that may be used in the lithium secondary battery include esters such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and Cyclic carbonates such as vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), and Acyclic carbonates such as Zipurofilcarbonone (DPC), methyl formate (methyl) IMF, methyl acetate (MA), methyl propionate (MP) and ethyl propionate (MA) And cyclic carboxylic acid esters such as aliphatic carboxylic acid esters and butyl lactones (GBL). As cyclic carbonate, EC, PC, VC, etc. are especially preferable. Moreover, it is also preferable to contain aliphatic carboxylic acid ester in 20% or less of range as needed.

이러한 용매에 용해하는 리튬염으로는 LiClO₄, LiBF₄,LiPF6, LiAlCl4, LiSbF6, LiSCN, LiCF3SO₃, LiCF3CO₂, Li(CF3SO₂)₂, LiAsF6, LiN(CF3SO₂)₂, LiB10Cl10, LiBOB(Lithium Bis(oxalato)borate), 저급 지방족 카르본산 리튬(Lithium), 클로로 보란 리튬(chloro borane Lithium), 사 페닐 붕산 리튬(Lithium), LiN(CF3SO2) (C2F5SO2), LiN(CF3SO2)₂, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)등의 이미드(imide)류 등을 들 수 있다. 이것들은 사용하는 전해액 등에 각각 단독으로 또는 본 발명의 효과를 손상시키지 않은 범위에서 임의로 조합시키고 사용할 수 있다. 이중에서, 특별히 LiPF6을 포함시키는 것이 보다 바람 직하다. 또 전해액을 불연성으로 하기 위해 사염화탄소, 삼불화 염화 에틸렌(ethylene), 혹은 인이 포함된 인산염 등을 전해액에 포함시킬 수 있다. Lithium salts dissolved in these solvents include LiClO₄, LiBF₄, LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO₃, LiCF 3 CO₂, Li (CF 3 SO₂) ₂, LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO₂) ₂ , LiB 10 Cl 10 , Lithium Bis (oxalato) borate (LiBOB), lower aliphatic lithium carbonate (Lithium), chloro borane Lithium, lithium tetraphenyl borate (Lithium), LiN (CF 3 SO 2 ) ( Imides such as C 2 F 5 SO 2 ), LiN (CF 3 SO 2 ) ₂, LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ) And the like. These may be used alone or in any combination within the ranges which do not impair the effects of the present invention, either alone or in the electrolytic solution to be used. Among them, it is particularly preferable to include LiPF 6 . In order to render the electrolyte incombustible, carbon tetrachloride, ethylene trifluoride (ethylene), or phosphate containing phosphorus may be included in the electrolyte.

또 다음과 같이 고체 전해질도 이용할 수 있다. 무기 고체 전해질에는, Li4SiO4, Li4SiO4-Lil-LiOH, xLi3PO4-(1-x)Li4SiO4, Li2SiS3, Li3PO4-Li2S-SiS2, 황화 인 화합물 등이 유효하다. 유기 고체전해질로는 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리불화비닐리덴(vinylidene), 플루오르프로필렌(Fluoro propylene) 등이나 이러한 유도체, 혼합물, 복합체 등의 폴리머(polymer) 재료가 유효하다.Moreover, a solid electrolyte can also be used as follows. Inorganic solid electrolytes include Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -Lil-LiOH, xLi 3 PO 4- (1-x) Li 4 SiO 4 , Li 2 SiS 3 , Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 And phosphorus sulfide compounds are effective. Organic solid electrolytes include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene, fluoropropylene, and polymer materials such as derivatives, mixtures, and composites. Valid.

세퍼레이터는 다공성 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌계 혹은 폴리프로필렌계 폴리머를 주로 사용한다. The separator mainly uses a polyethylene-based or polypropylene-based polymer such as porous polyethylene.

본 발명에 사용되는 음극재료로서는, 리튬(Lithium), 리튬(Lithium) 합금, 합금, 금속간 화합물, 탄소, 유기 화합물, 무기 화합물, 금속 착체 및 유기 고분자 화합물 등 리튬이온을 흡장ㆍ방출할 수 있는 화합물이면 좋다. 이것들은 각각 단독으로, 또는 본 발명의 효과를 손상시키지 않은 범위에서 임의로 조합시키고 이용할 수 있다. 리튬(Lithium)합금으로서는, Li-Al계 합금, Li-Al-Mn계 합금, Li-Al-Mg계 합금, Li-Al-Sn계 합금, Li-Al-In계 합금, Li-Al-Cd계 합금, Li-Al-Te계 합금, Li-Ga계 합금, Li-Cd계 합금, Li-In계 합금, Li-Pb계 합금, Li-Bi계 합금 및 Li-Mg계 합금 등을 들 수 있다. 합금, 금속간 화합물로서는 천이 금속과 규소의 화합물이나 천이 금속과 주석(tin)의 화합물 등을 들 수 있고, 특별히 니켈(nickel)과 규소의 화합물이 바람직하다. 탄소성질 재료로서는, 코크스(coke), 열분해 탄소 류, 천연 흑연, 인조 흑연, 메소 카본마이크로 비즈(carbon micro beads), 흑연화 메소 페이즈(phase) 소 구체, 기상 성장 탄소, 유리상 탄소 류, 탄소섬유(폴리 아크릴로 니트릴(poly acrylonitrile)계, 피치(pitch)계, 셀룰로오소(cellulose)계, 기상 성장 탄소계), 부정형 탄소 및 유기물이 소성되는 탄소 등을 들 수 있다. 이것들은 각각 단독으로, 또는 본 발명의 효과를 손상시키지 않은 범위에서 임의로 조합시키고 이용해도 좋다. 또한 외장재로는 금속캔 또는 알루미늄과 몇겹의 폴리머층으로 구성된 포장재를 주로 사용한다. As the negative electrode material used in the present invention, lithium ions such as lithium, lithium alloy, alloy, intermetallic compound, carbon, organic compound, inorganic compound, metal complex and organic polymer compound can be occluded and released. It may be a compound. These may be used alone or in any combination, either alone or in a range that does not impair the effects of the present invention. Examples of lithium alloys include Li-Al alloys, Li-Al-Mn alloys, Li-Al-Mg alloys, Li-Al-Sn alloys, Li-Al-In alloys, and Li-Al-Cd. Alloys, Li-Al-Te alloys, Li-Ga alloys, Li-Cd alloys, Li-In alloys, Li-Pb alloys, Li-Bi alloys and Li-Mg alloys have. As an alloy and an intermetallic compound, the compound of a transition metal and silicon, the compound of a transition metal, and tin, etc. are mentioned, Especially a compound of nickel and silicon is preferable. Examples of carbonaceous materials include coke, pyrolytic carbon, natural graphite, artificial graphite, meso carbon micro beads, graphitized meso phase small spheres, vapor grown carbon, glassy carbon, and carbon fiber. (Poly acrylonitrile-based, pitch-based, cellulose-based, vapor-grown carbon-based), amorphous carbon, and carbon from which organic materials are fired. Each of these may be used alone or in any combination within a range that does not impair the effects of the present invention. In addition, a packaging material composed of a metal can or aluminum and several layers of polymers is mainly used as the exterior material.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 이들 실시예로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited to these Examples.

[실시예 1]Example 1

도 1의 반응기(용량 4L, 회전모터의 출력 80W이상)에 증류수 4리터를 넣은 뒤 탄산가스를 반응기에 0.6리터/분의 속도로 버블링하여 공급함으로써, 용존산소를 제거하였다. 반응기의 온도를 60℃로 유지시키면서 1000rpm으로 교반하였다. After putting 4 liters of distilled water into the reactor of FIG. Stirring at 1000 rpm while maintaining the temperature of the reactor at 60 ℃.

황산니켈, 황산망간 및 황산코발트가 몰비 0.43 : 0.35 : 0.22의 비율로 혼합된 2M 농도의 금속수용액을 0.3리터/시간으로, 0.2M 농도의 암모니아 용액을 0.4리터/시간으로 반응기에 연속적으로 투입하였다. 2M 농도의 탄산나트륨 용액을 pH 조정을 위해 공급되었으며, 이때 pH를 7.5로 유지시켰다. Nickel sulfate, manganese sulfate, and cobalt sulfate were continuously added to the reactor at a ratio of 0.33 / 0.35: 0.22 in 2M metal aqueous solution at 0.3 liters / hour and 0.2M ammonia solution at 0.4 liters / hour in the reactor. . A 2 M sodium carbonate solution was supplied for pH adjustment, maintaining the pH at 7.5.

임펠러 속도는 1000rpm으로 조절하였다. 용액의 평균체류시간은 6시간 정도 로 유량을 조절하였으며, 반응이 정상상태에 도달 한 후 오버플로파이프(overflow pipe)를 통하여 구형의 니켈망간코발트 복합탄산화물을 연속적으로 얻었다. 얻은 금속복합탄산화물을 여과 및 물 세척 후 110℃ 온풍건조기에서 12시간 건조시키고, 500℃에서 10시간 열처리하여 금속복합산화물 형태의 전구체를 얻었다. Impeller speed was adjusted to 1000 rpm. The average residence time of the solution was adjusted to a flow rate of about 6 hours, and after the reaction reached a steady state, spherical nickel manganese cobalt composite carbonate was continuously obtained through an overflow pipe. The obtained metal composite carbonate was filtered and washed with water and then dried in a 110 ° C. hot air dryer for 12 hours, and heat-treated at 500 ° C. for 10 hours to obtain a precursor in the form of a metal composite oxide.

불소를 치환시키기 위해 금속복합산화물과 수산화리튬/불화리튬 (LiOH·H2O : LiF = 0.930 : 0.070)의 혼합물을 1 : 1.15 몰비로 혼합한 후 1℃/min 승온 속도로 가열한 후 450~500℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 행하였으며, 뒤이어 900℃에서 20시간 소성시켜 상술한 방법으로 열처리를 행하여 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O1.92F0.08 양극 활물질 분말을 얻었다.In order to replace fluorine, a mixture of a metal composite oxide and a lithium hydroxide / lithium fluoride (LiOH · H 2 O: LiF = 0.930 : 0.070) was mixed at a molar ratio of 1: 1.15, and then heated at a temperature of 1 ° C./min, and then 450 ~ Pre-firing was performed at 500 ° C. for 5 hours, followed by firing at 900 ° C. for 20 hours, followed by heat treatment in the manner described above to obtain Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 1.92 F 0.08 cathode active material powder.

합성된 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O1.92F0.08 중의 불소량을 양극활물질을 산에 용해시킨 후 이온크로마토그라피로 분석한 결과 설계치에 거의 가까운 산소 몰비 대비 0.078 정도의 불소가 함유되어 있었다.The amount of fluorine in the synthesized Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 1.92 F 0.08 was analyzed by ion chromatography after dissolving the positive electrode active material in acid, which contained about 0.078 fluorine to the oxygen molar ratio close to the design value.

[비교예 1]Comparative Example 1

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 얻어진 전구체와 수산화리튬 혼합물을 1 : 1.15 몰비로 혼합한 후 1℃/min 승온 속도로 가열한 후 450~500℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 행하였으며, 뒤이어 900℃에서 20시간 소성시켜 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O2 분말을 얻었다. The precursor and the lithium hydroxide mixture obtained in the same manner as in Example 1 were mixed at a molar ratio of 1: 1.15, and then heated at a temperature of 1 ° C./min, followed by preliminary firing by holding at 450˜500 ° C. for 5 hours. Baking at 20 ° C. for 20 hours yielded a Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 2 powder.

도2는 실시예 1의 500℃에서 열처리된 금속복합산화물 FE-SEM 사진이며, 도3은 실시예 1의 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O1.92F0.08 와 비교예 1의 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O2 과의 3000배 FE-SEM사진이다. 상기 실시예 1의 리튬금속복합산화물 분말은 평균 입경이 16㎛의 구형분말이며 그 입도 분포가 아주 균일하였으며, 이것의 표면을 보면 약 1㎛ 이하의 미소한 1차 입자 분말로 구성되어 있음을 알 수 있었다. FIG. 2 is a photograph of the metal composite oxide FE-SEM heat-treated at 500 ° C. of Example 1, and FIG. 3 is Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 1.92 F 0.08 of Example 1 and Li [Ni 0.43 of Comparative Example 1; Co 0.22 Mn 0.35] is a 3000-fold FE-SEM picture of the O 2. The lithium metal composite oxide powder of Example 1 has a spherical powder having an average particle diameter of 16 µm and a very uniform particle size distribution. The surface of the lithium metal composite oxide powder is composed of minute primary particles having a particle size of about 1 µm or less. Could.

도4는 상기 실시예 1의 불소 치환 리튬금속복합산화물과 비교예 1의 불소가 치환되지 않은 것의 엑스선회절(X-ray diffraction) 패턴이다. 상기 실시예 1의 리튬금속복합산화물은 공간군 R-3m을 가지는 헥사고날(hexagonal)-NaFeO2 구조를 가지며 결정성이 우수한 층상 화합물임을 알 수 있었다. 4 is an X-ray diffraction pattern of the fluorine-substituted lithium metal composite oxide of Example 1 and the fluorine of Comparative Example 1 not substituted. The lithium metal composite oxide of Example 1 was found to be a layered compound having hexagonal-NaFeO 2 structure having a space group R-3m and excellent crystallinity.

실시예 1과 비교예 1에서 제조된 각각의 양극 활물질과 도전재로 아세틸렌블랙, 결합제로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 80:10:10의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 20㎛ 두께의 알루미늄박에 균일하게 도포하고, 120℃에서 진공 건조하여 양극을 제조하였다. 제조된 양극과, 리튬 호일을 상대 전극으로 하며, 다공성 폴리에틸렌막(셀가르드 엘엘씨 제, Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 하고, 에틸렌 카보네이트와 디에틸 카보네이트가 부피비로 1:1로 혼합된 용매에 LiPF6가 1M 농도로 녹아 있는 액체 전해액을 사용하여 통상적으로 알려져 있는 제조공정에 따라 코인 전지를 제조하였다. 제조된 코인 전지를 전기화학 분석장치(Toyo System, Toscat 3100U)를 사용하여 2.8에서 4.6 V 전위영역에서 양극 활물질 1g 당 20mA의 일정전류모드로 충전과 방전을 50 싸이클까지 행 하여 그 특성을 평가하였다. Slurry was prepared by mixing acetylene black as a positive electrode active material and a conductive material prepared in Example 1 and Comparative Example 1 and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder in a weight ratio of 80:10:10. The slurry was uniformly applied to a 20 μm thick aluminum foil, and vacuum dried at 120 ° C. to prepare a positive electrode. The prepared anode and lithium foil were used as counter electrodes, and a porous polyethylene membrane (Celgard ELC, Celgard 2300, thickness: 25 µm) was used as a separator, and ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1. A coin battery was prepared according to a commonly known manufacturing process using a liquid electrolyte in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 M in a solvent. The manufactured coin battery was evaluated by charging and discharging up to 50 cycles using a electrochemical analyzer (Toyo System, Toscat 3100U) in a constant current mode of 20 mA per gram of positive electrode active material at 2.8 to 4.6 V potential region. .

50 싸이클까지 충·방전 시험을 수행한 결과 비교예 1의 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O2의 경우 초기 방전용량(198 mAh/g) 대비 약 80%의 용량 유지율을 보인 반면, 실시예 1의 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O1.92F0.08 시료의 경우 194 mAh/g의 초기용량 대비 약 98%의 용량을 유지하였다. 이를 도5에 나타내었다.As a result of performing the charge / discharge test up to 50 cycles, in case of Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 2 of Comparative Example 1, the capacity retention ratio was about 80% compared to the initial discharge capacity (198 mAh / g). In the case of 1 Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 1.92 F 0.08 sample, the capacity of about 98% was maintained compared to the initial capacity of 194 mAh / g. This is shown in FIG.

도6에 실시예 1의 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O1.92F0.08와 비교예 1의 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O2의 고율방전 특성을 나타내었다. 실시예 1의 불소가 치환된 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O1.92F0.08은 낮은 전류에 해당하는 저율에서는 비교예 1의 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O2과 거의 같은 방전 특성을 보이지만, 높은 방전전류가 인가되는 고율에서는 우수한 방전용량과 내부저항이 작은 방전곡선을 나타내었다.6 shows Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 1.92 F 0.08 of Example 1 and Comparative Example 1; It showed high rate discharge characteristics of Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 2 . The fluorine-substituted Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 1.92 F 0.08 of Example 1 exhibited almost the same discharge characteristics as Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 2 of Comparative Example 1 at a low rate corresponding to a low current. It is seen that the discharge curve shows a good discharge capacity and a small internal resistance at a high rate at which a high discharge current is applied.

도7에 실시예 1의 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O1.92F0.08와 비교예 1의 Li[Ni0.43Co0.22Mn0.35]O2의 열적 안전성을 나타내는 시차열중량분석(DSC: Differential Scanning Calolimeter) 결과를 나타내었다. 이때 시료는 4.6 V 까지 충전시켰다. 비교예 1의 LiNi0.43Co0.22Mn0.35O2 전극의 경우 236℃에서 발열이 시작되어 250℃에서 최대 발열 피크를 보였으며 이때 발열량은 590J/g이었다. 그러나 실시예 1의LiNi0.43Co0.22Mn0.35O1.92F0.08는 발열개시온도가 36℃ 증가한 272℃에서 발열피크가 나타났으며, 280℃에서 최대 발열피크를 보였으며 발열량은 약 절반이 감소한 350J/g 이었다. 7 shows Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 1.92 F 0.08 of Example 1 and Comparative Example 1; Differential Scanning Calolimeter (DSC) shows thermal stability of Li [Ni 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 ] O 2 . At this time, the sample was charged to 4.6V. In the case of the LiNi 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 O 2 electrode of Comparative Example 1, exothermic heat was started at 236 ° C., and the maximum exothermic peak was exhibited at 250 ° C., at which time the calorific value was 590 J / g. However, LiNi 0.43 Co 0.22 Mn 0.35 O 1.92 F 0.08 of Example 1 exhibited an exothermic peak at 272 ° C., which increased the onset of exotherm temperature by 36 ° C., and showed a maximum exothermic peak at 280 ° C., and the calorific value decreased about half by 350J / g.

[실시예 2] Example 2

황산니켈, 황산망간, 황산코발트 및 황산마그네슘 몰비가 0.4 : 0.36 : 0.2 : 0.04 의 비율로 혼합된 2M 농도의 금속 수용액을 실시예 1과 같은 도 1의 반응기에서 동일한 조건으로 구형의 니켈망간코발트마그네슘 복합탄산화물을 연속적으로 얻었다. 얻은 금속복합탄산화물을 여과 및 물 세척 후 110℃ 온풍건조기에서 12시간 건조시키고, 500℃에서 10시간 열처리하여 금속복합산화물 형태의 전구체를 얻었다. Spherical nickel manganese cobalt magnesium in the reactor of FIG. 1 in the same reactor as in Example 1 was mixed with a metal solution of 2M concentration of nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate and magnesium sulfate in a ratio of 0.4: 0.36: 0.2: 0.04. Composite carbon dioxide was obtained continuously. The obtained metal composite carbonate was filtered and washed with water and then dried in a 110 ° C. hot air dryer for 12 hours, and heat-treated at 500 ° C. for 10 hours to obtain a precursor in the form of a metal composite oxide.

불소를 치환시키기 위해 금속복합산화물과 수산화리튬/불화리튬 (LiOH·H2O : LiF = 0.930 : 0.070)의 혼합물을 1 : 1.15 몰비로 혼합한 후 1℃/min 승온 속도로 가열한 후 450~500℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 행하였으며, 뒤이어 900℃에서 20시간 소성시켜 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O1.92F0.08 양극 활물질 분말을 얻었다.In order to replace fluorine, a mixture of a metal composite oxide and a lithium hydroxide / lithium fluoride (LiOH · H 2 O: LiF = 0.930 : 0.070) was mixed at a molar ratio of 1: 1.15, and then heated at a temperature of 1 ° C./min, and then 450 ~ Preliminary firing was carried out at 500 ° C. for 5 hours, followed by 20 hours at 900 ° C. to obtain Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 cathode active material powder.

합성된 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O1.92F0.08 중의 불소양을 양극활물질을 산에 용해시킨 후 이온크로마토그라피로 분석한 결과 설계치에 거의 가까운 산소 몰비 대비 0.079 정도의 불소가 함유되어 있었다.The amount of fluorine in the synthesized Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 was dissolved in a positive electrode active material in acid and analyzed by ion chromatography. there was.

[비교예 2]Comparative Example 2

상기 실시예 2와 동일한 방법으로 얻어진 전구체와 수산화리튬 혼합물을 1 : 1.15 몰비로 혼합한 후 1℃/min 승온 속도로 가열한 후 450~500℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 행하였으며, 뒤이어 900℃에서 20시간 소성시켜 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O2 양극 활물질 분말을 얻었다.After mixing the precursor and lithium hydroxide mixture obtained in the same manner as in Example 2 in a 1: 1.15 molar ratio and heated at a temperature of 1 ℃ / min temperature rate, and preliminary firing was maintained at 450 ~ 500 ℃ 5 hours, followed by 900 Baking at 20 ° C. for 20 hours yielded a Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 2 positive electrode active material powder.

도 8은 500℃에서 열처리된 실시예 2의 금속복합산화물 FE-SEM 사진이며, 도9은 실시예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O1.92F0.08과 비교예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O2 분말의 3000배 FE-SEM사진이다. 상기 실시예 2의 리튬금속복합산화물 분말은 평균 입경이 12㎛의 구형분말이며 그 입도 분포가 아주 균일하였다. 또한, 이것의 표면을 보면 약 1㎛ 이하의 미소한 1차 입자 분말로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 8 is a metal composite oxide FE-SEM picture of Example 2 heat-treated at 500 ℃, Figure 9 is Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 of Example 2 and Li [ 3000 times FE-SEM photograph of Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 2 powder. The lithium metal composite oxide powder of Example 2 was a spherical powder having an average particle diameter of 12 μm and its particle size distribution was very uniform. In addition, it was found that the surface was composed of fine primary particle powder of about 1 μm or less.

도10은 실시예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O1.92F0.08 과 비교예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O2 의 엑스선회절(X-ray diffraction)패턴이다. 상기 리튬금속복합산화물은 공간군 R-3m을 가지는 헥사고날(hexagonal)-NaFeO2 구조를 가지며 결정성이 우수한 층상 화합물임을 알 수 있었다. 10 is an X-ray diffraction pattern of Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 of Example 2 and Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 2 of Comparative Example 2 to be. The lithium metal composite oxide was found to be a layered compound having hexagonal-NaFeO 2 structure having a space group R-3m and excellent crystallinity.

역시 실시예 1에서와 같은 방법으로 코인 전지를 제조하여 같은 조건하에서 그 특성을 평가하였다. 50 싸이클까지 충·방전 시험을 수행한 결과 비교예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O2의 경우 초기 방전용량(194 mAh/g) 대비 약 95%의 용량 유 지율을 보인 반면, 실시예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O1.92F0.08 시료의 경우 190 mAh/g의 초기용량 대비 약 100%의 용량을 유지하였다. 이를 도11에 나타내었다.Also, a coin battery was prepared in the same manner as in Example 1, and its characteristics were evaluated under the same conditions. As a result of performing charge / discharge test up to 50 cycles, Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 2 of Comparative Example 2 showed a capacity retention of about 95% compared to the initial discharge capacity (194 mAh / g). In the case of the sample of Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 of Example 2, the capacity of about 100% of the initial capacity of 190 mAh / g was maintained. This is shown in FIG.

도12에 실시예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O1.92F0.08과 비교예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O2 열적 안전성을 나타내는 시차열중량분석(DSC: Differential Scanning Calolimeter) 결과를 나타내었다. 이때 시료는 4.6 V 까지 충전시켰다. 비교예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O2 전극의 경우 275℃에서 발열이 시작되어 280℃에서 최대 발열 피크를 보였으며 이때 발열량은 2400J/g 이였다. 그러나 실시예 2의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.36Mg0.04]O1.92F0.08는 발열개시온도가 35℃ 증가한 310℃에서 발열피크가 나타났으며, 315℃에서 최대 발열피크를 보였으며 발열량은 약 절반이 감소한 1300J/g 이였다. 12 shows Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 of Example 2 and Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 2 of Comparative Example 2; Differential Scanning Calolimeter (DSC) shows thermal stability. At this time, the sample was charged to 4.6V. In the case of the Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 2 electrode of Comparative Example 2, the exotherm started at 275 ° C. and showed the maximum exothermic peak at 280 ° C., at which time the calorific value was 2400 J / g. However, Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.36 Mg 0.04 ] O 1.92 F 0.08 of Example 2 exhibited an exothermic peak at 310 ° C., which increased the onset of exotherm temperature by 35 ° C., and exhibited a maximum exothermic peak at 315 ° C. Half was 1300 J / g.

[실시예 3] Example 3

도1의 반응기(용량 4L, 회전모터의 출력 80W이상)에 증류수 4리터를 넣은 뒤 질소가스를 반응기에 0.6리터/분의 속도로 버블링하여 공급함으로써, 용존산소를 제거하였다. 반응기의 온도를 50℃로 유지시키면서 1000rpm으로 교반하였다. After putting 4 liters of distilled water into the reactor of FIG. 1 (capacity 4L, the output of the rotary motor more than 80W), nitrogen gas was bubbled into the reactor at a rate of 0.6 liters / minute to remove dissolved oxygen. Stirring at 1000 rpm while maintaining the temperature of the reactor at 50 ℃.

황산니켈, 황산망간, 황산코발트, 및 황산마그네슘이 몰비 0.4 : 0.35 : 0.2 : 0.05 의 비율로 혼합된 2.4M 농도의 금속 수용액을 0.3리터/시간으로, 4.8M 농도의 암모니아 용액을 0.05리터/시간으로 반응기에 연속적으로 투입하였다. 4.8M 농도의 수산화나트륨 용액을 pH 조정을 위해 공급되었으며, 이때 pH를 11로 유지시켰다. Nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, and magnesium sulfate were mixed in an aqueous solution of 2.4 M concentration in a ratio of 0.4: 0.35: 0.2: 0.05 at 0.3 liters per hour, and 4.8 M ammonia solution at 0.05 liters per hour. Continuously into the reactor. A sodium hydroxide solution at a concentration of 4.8 M was supplied for pH adjustment, maintaining the pH at 11.

임펠러 속도는 1000rpm으로 조절하였다. 용액의 평균체류시간은 6시간 정도로 유량을 조절하였으며, 반응이 정상상태에 도달한 후 오버플로파이프(overflow pipe)를 통하여 구형의 니켈망간코발트마그네슘 복합탄산화물을 연속적으로 얻었다. 얻은 금속복합탄산화물을 여과 및 물 세척 후 110℃ 온풍건조기에서 12시간 건조시키고, 몰비 Li/(Ni+Co+Mn+Mg)=1.05가 되도록 LiF와 LiOHㆍH2O와 충분히 혼합하였다. 이렇게 얻어진 혼합물을 2℃/min 승온 속도로 가열한 후, 450~600℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 행하였으며, 뒤이어 1000℃에서 10시간 소성시킨 후 700℃까지 10시간 어닐링하고, 2℃/min의 속도로 냉각시켜 Li[Ni0.4Mn0.35Co0.2Mg0.05]O1.95F0.05를 제조하였으며 이 분말의 FE-SEM사진을 얻었다. 합성된 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.35Mg0.05]O1.95F0.05 중의 불소양을 양극활물질을 산에 용해시킨 후 이온크로마토그라피로 분석한 결과 설계치에 거의 가까운 산소 몰비 대비 0.048 정도의 불소가 함유되어 있었다. Impeller speed was adjusted to 1000 rpm. The average residence time of the solution was adjusted to a flow rate of about 6 hours, and after the reaction reached a steady state, spherical nickel manganese cobalt magnesium composite carbonate was continuously obtained through an overflow pipe. The obtained metal composite carbonate was filtered and washed with water and dried in a 110 ° C. hot air dryer for 12 hours, and was sufficiently mixed with LiF and LiOH.H 2 O so that the molar ratio Li / (Ni + Co + Mn + Mg) = 1.05. The mixture thus obtained was heated at a temperature of 2 ° C./min, and then preliminarily calcined at 450 to 600 ° C. for 5 hours, followed by firing at 1000 ° C. for 10 hours, followed by annealing to 700 ° C. for 10 hours, and then at 2 ° C. / After cooling at a rate of min, Li [Ni 0.4 Mn 0.35 Co 0.2 Mg 0.05 ] O 1.95 F 0.05 was obtained, and an FE-SEM photograph of the powder was obtained. The amount of fluorine in the synthesized Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.35 Mg 0.05 ] O 1.95 F 0.05 was dissolved in the positive electrode active material in acid and analyzed by ion chromatography. there was.

[비교예 3]Comparative Example 3

상기 비교예 1과 동일한 방법으로 얻어진 전구체와 수산화리튬 혼합물을 1 : 1.15 몰비로 혼합한 후 1℃/min 승온 속도로 가열한 후 450~500℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 행하였으며, 뒤이어 900℃에서 20시간 소성시켜 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2 양극 활물질 분말을 얻었다.The precursor and the lithium hydroxide mixture obtained in the same manner as in Comparative Example 1 were mixed at a molar ratio of 1: 1.15, and then heated at a temperature of 1 ° C./min, and then preliminarily baked at 450 to 500 ° C. for 5 hours, followed by 900. It baked at 20 degreeC for 20 hours, and obtained the Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ] O 2 positive electrode active material powder.

도13는 실시예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.35Mg0.05]O1.9F0.1 금속복합산화물 및 비교예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2 분말의 5000배 FE-SEM사진이다. 비교예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2 분말은 평균 입경이 10㎛의 구형분말이며 그 입도 분포가 아주 균일하였다. 실시예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.35Mg0.05]O1.95F0.1 분말은 2차 입자의 경우 10㎛의 크기를 가지고 있으며, 1㎛의 각형의 입자로 이루어져 있다. 마그네슘, 불소의 첨가로 인하여 입자의 표면이 변형되었으며, 이는 비표면적을 감소시키며 전해액과의 반응성을 감소시켜, 표면안정성을 가져올 것으로 예상된다. 13 is a 5000-fold FE-SEM photograph of Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.35 Mg 0.05 ] O 1.9 F 0.1 metal composite oxide of Example 3 and Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ] O 2 powder of Comparative Example 3 . The Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ] O 2 powder of Comparative Example 3 was a spherical powder having an average particle diameter of 10 μm and its particle size distribution was very uniform. Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.35 Mg 0.05 ] O 1.95 F 0.1 powder of Example 3 has a size of 10 μm for secondary particles and consists of 1 μm square particles. The surface of the particles was modified due to the addition of magnesium and fluorine, which is expected to reduce the specific surface area and reduce the reactivity with the electrolyte, resulting in surface stability.

도14는 실시예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.35Mg0.05]O1.9F0.1 금속복합산화물과 비교예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2 분말의 엑스선회절(X-ray diffraction) 패턴이다. 상기 리튬금속복합산화물은 공간군 R-3m을 가지는 헥사고날(hexagonal)-NaFeO2 구조를 가지며 결정성이 우수한 층상 화합물임을 알 수 있었다. FIG. 14 shows X-ray diffraction of Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.35 Mg 0.05 ] O 1.9 F 0.1 metal complex oxide of Example 3 and Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ] O 2 powder of Comparative Example 3. ) Pattern. The lithium metal composite oxide was found to be a layered compound having hexagonal-NaFeO 2 structure having a space group R-3m and excellent crystallinity.

상기 실시예 3과 비교예 3의 분말을 역시 실시예 1에서와 같은 방법으로 코인 전지를 제조하여 같은 조건하에서 그 특성을 평가하였다. 50 싸이클까지 충·방전 시험을 수행한 결과 비교예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2의 경우 초기 방전용량(182 mAh/g) 대비 약 87.5%의 용량 유지율을 보인 반면, 실시예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.35Mg0.05]O1.95F0.1 시료의 경우 176 mAh/g의 초기용량 대비 약 95.4%의 용량을 유지하였다. 이를 도15에 나타내었다.The powders of Example 3 and Comparative Example 3 were also manufactured in the same manner as in Example 1, and a coin battery was evaluated under the same conditions. As a result of performing charge / discharge test up to 50 cycles, Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ] O 2 of Comparative Example 3 showed a capacity retention of about 87.5% compared to the initial discharge capacity (182 mAh / g), In the case of Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.35 Mg 0.05 ] O 1.95 F 0.1 of 3, the capacity of about 95.4% was maintained compared to the initial capacity of 176 mAh / g. This is shown in FIG.

도16에 실시예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.35Mg0.05]O1.9F0.1 금속복합산화물과 비교예 3의 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2 분말의 열적 안전성을 나타내는 시차열중량분석(DSC: Differential Scanning Calolimeter) 결과를 나타내었다. 이때 시료는 4.6 V 까지 충전시켰다. Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2 전극의 경우 210℃에서 발열이 시작되어 270℃에서 최대 발열 피크를 보였으며 이때 발열량은 4227J/g 이었다. 그러나 Li[Ni0.4Co0.2Mn0.35Mg0.05]O1.9F0.1는 290℃에서 발열피크가 나타났으며, 발열량은 약 절반이상이 감소한 1733J/g 이었다.Figure 16 shows the differential thermal weight showing the thermal stability of Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.35 Mg 0.05 ] O 1.9 F 0.1 metal composite oxide of Example 3 and Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ] O 2 powder of Comparative Example 3 Analysis (DSC: Differential Scanning Calolimeter) results are shown. At this time, the sample was charged to 4.6V. In the case of the Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 ] O 2 electrode, the exotherm started at 210 ° C. and exhibited the maximum exothermic peak at 270 ° C. at this time, the calorific value was 4227 J / g. However, Li [Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.35 Mg 0.05 ] O 1.9 F 0.1 showed an exothermic peak at 290 ℃ and the calorific value was reduced by more than half by 1733J / g.

본 발명의 제조방법으로 합성된 리튬 이차전지용 양극 활물질은 고용량과 높은 탭밀도를 가지며, 고율특성이 향상되었다. 특히, 본 발명으로 제조한 양극 활물질은 불소원소를 포함함으로써, 탈 리튬시 열적 안전성이 우수하며, 전해액과의 부반응이 억제되어 수명특성이 향상되는 장점을 가졌다. The cathode active material for a lithium secondary battery synthesized by the manufacturing method of the present invention has a high capacity and a high tap density, and improved high rate characteristics. In particular, the positive electrode active material prepared by the present invention has an advantage of excellent thermal stability when de-lithium, and by suppressing side reactions with the electrolyte solution by containing a fluorine element improves the life characteristics.

Claims (13)

반응기에 암모니아 수용액과 암모늄카보네이트((NH4)2CO3), 암모늄수소카보네이트(NH4HCO3), 탄산나트륨(Na2CO3) 및 수산화나트륨(NaOH) 수용액 중 어느 한 수용액과 금속수용액 그리고 탄산가스 혹은 질소가스를 투입하여 혼합용액을 반응시킴으로써 금속복합탄산화물 또는 금속복합수산화물 혼합물의 침전물을 얻는 단계, 상기 침전물을 열처리하여 금속복합산화물을 얻는 단계 및 상기 열처리된 금속복합수산화물 또는 금속복합산화물을 수산화리튬 및 불화리튬의 혼합반응으로 하기 화학식 1의 리튬금속복합산화물을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법.Aqueous solution of ammonia and aqueous solution of ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), ammonium hydrogen carbonate (NH 4 HCO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) and sodium hydroxide (NaOH) solution, metal aqueous solution and carbonic acid Obtaining a precipitate of the metal complex carbonate or metal complex hydroxide mixture by adding a gas or nitrogen gas to react the mixed solution, heat treating the precipitate to obtain a metal complex oxide, and the heat treated metal complex hydroxide or metal complex oxide A method of manufacturing a high capacity, high safety layered cathode active material for a lithium secondary battery, comprising the step of obtaining a lithium metal composite oxide of the general formula (1) by a reaction of mixing lithium hydroxide and lithium fluoride. [화학식 1] [Formula 1] Liδ[Nix+zCo1-2x+z'Mnx-(z+z')]O2-2z-z'F2z+z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01≤z, z'≤0.15, x > z+z`) Li δ [Ni x + z Co 1-2x + z ' Mn x- (z + z') ] O 2-2z-z ' F 2z + z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01 ≤ z, z '≤ 0.15, x> z + z`) 제1항에 있어서, 상기 금속수용액에 M을 포함하는 금속염 수용액(M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu 로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)을 추가하여 하기 화학식 2의 리튬금속복합산화물을 얻는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the aqueous metal salt solution containing M (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu) is added to the aqueous metal solution to obtain a lithium metal composite oxide of the formula (2) A method for producing a high capacity, high safety, layered cathode active material for a lithium secondary battery. [화학식 2] [Formula 2] Liδ[Nix+yCo1-2x-yMnx-zMz]O2-(y+2z)F(y+2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu 로부터 선택되는 적어도 1종의 원소, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15) Li δ [Ni x + y Co 1-2x-y Mn xz M z ] O 2- (y + 2z) F (y + 2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu at least one selected from Element of, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15) 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속수용액은 황산염수용액, 질산염수용액, 불화수용액 및 염화수용액 중 적어도 하나 이상의 금속염수용액임을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the metal aqueous solution is at least one metal salt solution of an aqueous sulfate solution, an nitrate solution, an aqueous fluoride solution, and an aqueous chloride solution. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 암모니아 수용액의 농도가 상기 금속수용액 농도의 5 내지 40%인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법.The method of manufacturing a high capacity high safety layered cathode active material for a lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the concentration of the aqueous ammonia solution is 5 to 40% of the concentration of the aqueous metal solution. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 탄산나트륨 또는 수산화나트륨 수용액의 농도가 상기 금속수용액 농도의 100 내지 200%인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법.The method of manufacturing a high capacity, high safety layered cathode active material for a lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the concentration of the sodium carbonate or aqueous sodium hydroxide solution is 100 to 200% of the concentration of the metal aqueous solution. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속수용액의 상기 반응기에서의 체류시간이 5∼20시간인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법.The method for producing a high capacity, high safety layered cathode active material for a lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the metal aqueous solution has a residence time in the reactor of 5 to 20 hours. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 혼합용액은 pH 7.0 내지 11.5인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법. The method of manufacturing a high capacity, high safety layered cathode active material for lithium secondary batteries according to claim 1 or 2, wherein the mixed solution has a pH of 7.0 to 11.5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응기는 회전날개가 역날개식으로 설계되고 반응기 내부에 원통을 구비하였고, 1∼4개의 배플(baffle)이 내벽과 이격된 구조의 반응기인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법.The reactor according to claim 1 or 2, wherein the rotor is designed in a reverse wing type, has a cylinder inside the reactor, and has a structure in which 1 to 4 baffles are spaced apart from the inner wall. Method for producing a high capacity high safety layered cathode active material for a lithium secondary battery. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 리튬금속복합산화물을 얻는 단계에서 킬레이팅제로서 구연산, 주석산, 글리콜산 및 말레인산 중 어느 하나를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질의 제조 방법.3. The high capacity and high safety layered lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein any one of citric acid, tartaric acid, glycolic acid and maleic acid is further added as a chelating agent in the step of obtaining the lithium metal composite oxide. Method for producing a positive electrode active material. 제 1 항의 제조방법으로 제조된 것으로서 하기 화학식 1로 표기되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질.A high capacity high safety layered cathode active material for a lithium secondary battery, which is prepared by the method according to claim 1 and is represented by the following Chemical Formula 1. [화학식 1][Formula 1] Liδ[Nix+zCo1-2x+z'Mnx-(z+z')]O2-2z-z'F2z+z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01≤z, z'≤0.15, x > z+z`) Li δ [Ni x + z Co 1-2x + z ' Mn x- (z + z') ] O 2-2z-z ' F 2z + z' (0.9≤δ≤1.15, 0.01≤x≤0.5, 0.01 ≤ z, z '≤ 0.15, x> z + z`) 제 2 항의 제조방법으로 제조된 것으로서 하기 화학식 2로 표기되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질.A high capacity high safety layered cathode active material for a lithium secondary battery, which is prepared by the method according to claim 2 and is represented by the following Chemical Formula 2. [화학식 2][Formula 2] Liδ[Nix+yCo1-2x-yMnx-zMz]O2-(y+2z)F(y+2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu 로부터 선택되는 적어도 1종의 원소, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15) Li δ [Ni x + y Co 1-2x-y Mn xz M z ] O 2- (y + 2z) F (y + 2z) (M = Mg, Ca, Sr, Zn, Cu at least one selected from Element of, 0.9≤δ≤1.15, 0.16≤x≤0.42, 0.01≤y≤0.15, 0.01≤z≤0.15) 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 리튬이차전지 양극 활물질은 입경이 10∼400㎚인 1차 입자의 응집으로 이루어진 입경 5∼30㎛의 층상 암염 구조를 갖는 2차 입자임을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고용량 고안전성 층상 양극 활물질.12. The lithium secondary battery according to claim 10 or 11, wherein the lithium secondary battery positive electrode active material is lithium secondary particles having a layered rock salt structure having a particle diameter of 5 to 30 µm, which is formed by aggregation of primary particles having a particle diameter of 10 to 400 nm. High capacity, high safety layered cathode active material for secondary batteries. 제 1 항 내지 제 2항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 리튬이차전지 양극 활물질 및 이를 이용한 리튬이차전지.A lithium secondary battery positive electrode active material prepared by the method of any one of claims 1 to 2 and a lithium secondary battery using the same.
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