KR20090126962A - Positive active material for lithium secondary battery, method of preparing same, and lithium secondary battery comprising same - Google Patents

Positive active material for lithium secondary battery, method of preparing same, and lithium secondary battery comprising same Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A positive active material for a lithium secondary battery is provided to ensure excellent cycle lifetime characteristic, especially, high temperature cycle lifetime characteristic because vanadium present in concentration gradient thereinside suppresses the manganese elution. CONSTITUTION: A positive active material for a lithium secondary battery comprises: a manganese-based compound represented by chemical formula 1: Li_aMn_(1-b)M_bO_(2-c)D_c or chemical formula 2: Li_aMn_(2-b')M_b'O_(4-c)D_c which has a cluster form consisting of nanorods; and vanadium present in concentration gradient in the inside direction from the surface of the manganese-based compound. In chemical formulas, 0.90 <= a <= 1.1, 0 <= b <= 0.5, 0 <= b' <= 0.5, 0 <= c <= 0.05 and M is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, rare earth materials and combinations thereof.

Description

리튬 이차 전지용 양극 활물질, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지{POSITIVE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY, METHOD OF PREPARING SAME, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING SAME}A positive electrode active material for a lithium secondary battery, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same TECHNICAL FIELD

본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조적 안정성이 우수하고, 사이클 수명 특성 및 고온 저장성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the same. More particularly, the positive electrode active material for a lithium secondary battery having excellent structural stability, excellent cycle life characteristics and high temperature storage properties, and a method of manufacturing the same. And it relates to a lithium secondary battery comprising the same.

휴대용 전자기기 및 전기 자동차 등에 전원으로 사용되는 전지의 고성능화 및 대용량화에 대한 필요성이 높아지고 있다.There is an increasing need for high performance and high capacity of batteries used as power sources for portable electronic devices and electric vehicles.

전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써 전력을 발생시키는 것이다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션/디인터칼레이션될 때의 화학전위(chemical potential)의 변화에 의하여 전기 에너지를 생성하는 리튬 이차 전지가 있다.The battery generates power by using a material capable of electrochemical reactions at the positive and negative electrodes. A typical example of such a battery is a lithium secondary battery that generates electric energy by a change in chemical potential when lithium ions are intercalated / deintercalated at a positive electrode and a negative electrode.

상기 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 물질을 양극과 음극 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다.The lithium secondary battery is manufactured by using a material capable of reversible intercalation / deintercalation of lithium ions as a positive electrode and a negative electrode active material, and filling an organic electrolyte or a polymer electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.

리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 복합금속 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합금속 산화물들이 연구되고 있다.As a cathode active material of a lithium secondary battery, a lithium composite metal compound is used. Examples thereof include a composite of LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x O 2 (0 <x <1), LiMnO 2, and the like. Metal oxides are being studied.

상기 양극 활물질 중 LiMn2O4, LiMnO2 등의 스피넬 Mn계 양극 활물질은 합성하기도 쉽고, 값이 비교적 싸며, 과충전시 다른 활물질에 비하여 열적 안정성이 가장 우수하고, 환경에 대한 오염이 낮아 매력이 있는 물질이기는 하나, 용량이 다소 작은 문제가 있다. 또한, 충방전이 진행되는 동안, 망간계 양극 활물질 입자 표면에서 Mn3+가 용출되어 입자 표면에서 불균형화 반응(disproportionation reaction, 2Mn3+ → Mn4+ + Mn2+)이 일어나고, 이는 양극 활물질에 결함을 발생시키게 된다. 이 반응은 전해액과 접촉시 보다 활발하게 일어나며, 특히 고온에서 활발하게 일어난다. 이러한 반응에 따라 망간이 용출되어 활물질이 붕괴되게 되어 구조적 안정성이 열화되고, 용량이 감소되며, 특히 고온에서 사이클 수명을 저하시키는 문제가 있다. Among the cathode active materials, spinel Mn-based cathode active materials such as LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 are easy to synthesize, are relatively inexpensive, have the best thermal stability compared to other active materials when overcharged, and have low environmental pollution and are attractive. Although a substance, there is a problem in that the capacity is rather small. In addition, during charging and discharging, Mn 3+ is eluted from the surface of the manganese-based positive electrode active material, and a disproportionation reaction (2Mn 3 + → Mn 4+ + Mn 2+ ) occurs at the particle surface, which is a positive electrode active material. Will cause a defect. This reaction occurs more actively when in contact with the electrolyte, especially at high temperatures. According to this reaction, the manganese is eluted to decay the active material, resulting in deterioration of structural stability, reduction in capacity, and particularly, a decrease in cycle life at high temperatures.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 즉 구조를 안정화시키고, 고온 사이클 특성을 향상시키기 위하여 Mg2+, Ga3+, Al3+, Cu2+ 또는 Cr3+와 같은 금속 이온을 도핑하는 것이 연구되었다. 이러한 도핑 이온은 망간계 활물질 내에서, Mn3+를 치환하여 용량 저하를 억제할 수 있으나, 스피넬 구조에서 Mn3+ 이온의 분획이 여전히 존재함 에 따라 구조적 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 없다. 또 다른 방법으로 고온에서 사이클 특성을 향상시키기 위하여, 망간계 활물질 입자를 Li2OB2O3, ZnO, LiCoO2 또는 CoO로 코팅하는 방법이 연구되었다. 그러나 이 방법으로는 Mn이 용출되는 속도를 감소시켰을 뿐, Mn 용출을 완전하게 억제하여 사이클 수명 특성을 향상시킬 수 없었다. 또한 망간계 활물질 입자를 상기 화합물로 코팅하는 경우, 저온 열처리가 불가능하여, 적어도 600℃ 이상의 온도에서 열처리를 실시해야함에 따라, 코팅되는 물질이 망간계 활물질 입자 표면 근처가 아니라 내부 깊숙이 침투하게 되어 고온 특성이 저하되는 문제가 있다.To solve this problem, that is, doping of metal ions such as Mg 2+ , Ga 3+ , Al 3+ , Cu 2+ or Cr 3+ has been studied to stabilize the structure and improve the high temperature cycle characteristics. Such doping ions can suppress capacity reduction by substituting Mn 3+ in the manganese-based active material, but the structural stability cannot be effectively improved as the fraction of Mn 3+ ions still exists in the spinel structure. In another method, in order to improve cycle characteristics at high temperature, a method of coating manganese-based active material particles with Li 2 OB 2 O 3 , ZnO, LiCoO 2, or CoO has been studied. However, this method only reduced the rate at which Mn was eluted, and completely prevented Mn from eluting, thereby improving cycle life characteristics. In addition, when the manganese-based active material particles are coated with the compound, low-temperature heat treatment is not possible, and thus the heat-treatment should be performed at a temperature of at least 600 ° C., so that the coated material penetrates deeply into the interior rather than near the surface of the manganese-based active material particles. There is a problem of deterioration of characteristics.

또 다른 방법으로 몰폴로지를 조절하여 충방전 특성을 향상시키는 연구가 이루어졌으나, 만족할만한 수준에 도달하지 못하였다.In another method, a study to improve the charge and discharge characteristics by adjusting the morphology, but did not reach a satisfactory level.

상기 문제점을 해결하기 위한, 본 발명의 목적은 구조적 안정성, 사이클 수명 특성 및 고온 저장 안정성이 우수한 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a cathode active material for a lithium secondary battery excellent in structural stability, cycle life characteristics and high temperature storage stability.

본 발명의 다른 목적은 상기 양극 활물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the cathode active material.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 양극 활물질을 포함하는 양극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including a cathode including the cathode active material.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 구현예는 나노로드(nanorod)로 구성된 클러스터(cluster) 형상을 갖는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 망간계 화합물 및 상기 망간계 화합물 표면으로부터 내부 방향으로 농도 구배로 존재하는 바나듐을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공하는 것이다.A first embodiment of the present invention for achieving the above object is a manganese compound represented by the following formula (1) or 2 having a cluster shape consisting of nanorods (nanorod) and the concentration in the inner direction from the surface of the manganese compound It is to provide a cathode active material for a lithium secondary battery containing vanadium present in a gradient.

[화학식 1][Formula 1]

LiaMn1-bMbO2-cDc Li a Mn 1-b M b O 2-c D c

[화학식 2][Formula 2]

LiaMn2-b'Mb'O4-cDc Li a Mn 2-b ' M b' O 4-c D c

(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ b' ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이고,Where 0.90 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ b ′ ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05,

M은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다)M is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, rare earth elements and combinations thereof)

또한 본 발명의 제2 구현예는 상기 양극 활물질의 제조 방법으로서, 이 제조방법은 망간 전구체 및 산화제를 용매 중에서 혼합하여 성계-유사 구조를 갖는 MnO2를 제조하고; 상기 MnO2와 리튬 전구체를 혼합하고; 상기 혼합물을 열처리하여 나노로드로 구성된 클러스터 형상을 갖는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 망간계 화합물을 제조하고; 상기 망간계 화합물을 바나듐 화합물 용액으로 코팅하고; 얻어진 혼합물을 어닐링하는 공정을 포함한다.In addition, a second embodiment of the present invention is a method for producing the positive electrode active material, which method is prepared by mixing a manganese precursor and an oxidizing agent in a solvent to prepare a MnO 2 having a stellar-like structure; Mixing the MnO 2 with a lithium precursor; Heat treating the mixture to prepare a manganese compound represented by Chemical Formula 1 or 2 having a cluster shape composed of nanorods; Coating the manganese compound with a vanadium compound solution; And annealing the obtained mixture.

또한 본 발명의 제3 구현예는 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.In addition, a third embodiment of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the positive electrode active material.

본 발명의 양극 활물질은 내부에 농도 구배로 존재하는 바나듐이 망간 용출을 억제할 수 있어, 사이클 수명 특성, 특히 고온 사이클 수명 특성이 우수하다.In the positive electrode active material of the present invention, vanadium existing in a concentration gradient therein can suppress manganese elution, and is excellent in cycle life characteristics, particularly high temperature cycle life characteristics.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구 항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

본 발명의 제1 구현예에 따른 양극 활물질은 나노로드로 구성된 클러스터 형상을 갖는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 망간계 화합물 및 상기 망간계 화합물 표면으로부터 내부 방향으로 농도 구배로 존재하는 바나듐을 포함한다.The cathode active material according to the first embodiment of the present invention includes a manganese compound represented by Chemical Formula 1 or 2 having a cluster shape composed of nanorods, and vanadium present in a concentration gradient inward from the surface of the manganese compound. .

[화학식 1][Formula 1]

LiaMn1-bMbO2-cDc Li a Mn 1-b M b O 2-c D c

[화학식 2][Formula 2]

LiaMn2-b'Mb'O4-cDc Li a Mn 2-b ' M b' O 4-c D c

(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ b' ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이고,Where 0.90 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ b ′ ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05,

M은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다)M is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements and combinations thereof)

본 발명의 양극 활물질은 나노로드로 구성된 클러스터 형상을 갖는 상기 화학식 1 또는 2로 표시되는 망간계 화합물을 포함하며, 이러한 형상은 입자상 망간계 화합물에 비하여 비표면적이 커서, 고율 특성이 매우 높은 특성을 갖는다. 또한 상기 망간계 화합물 표면에서 그 내부 방향으로 농도 구배로 바나듐이 존재하므로, 망간계 화합물로부터 망간이 고온에서 용출되는 현상을 억제할 수 있다. 즉, 본 발명에서 바나듐은 상기 망간계 화합물 표면에서 내부 방향으로 점차적으로 감소하는 농도로 존재하는 농도 구배 형태로 존재하며, 이와 같이 바나듐이 망간계 화합물 표면쪽에 고농도로 존재하는 경우 망간이 용출되는 현상을 억제하는 효과가 바나듐이 망간계 화합물 전체적으로 동일 농도로 존재하는 경우에 비하여 매우 우수하므로 바람직하다.The positive electrode active material of the present invention includes a manganese compound represented by Chemical Formula 1 or 2 having a cluster shape composed of nanorods, and the shape has a high specific surface area compared to the particulate manganese compound and has very high properties. Have In addition, since vanadium is present at a concentration gradient in the inner direction of the surface of the manganese compound, the phenomenon in which manganese is eluted from the manganese compound at a high temperature can be suppressed. That is, in the present invention, vanadium is present in the form of a concentration gradient present in a concentration gradually decreasing in the inner direction from the surface of the manganese compound, the phenomenon that the manganese is eluted when the vanadium is present in a high concentration on the surface of the manganese compound Since the effect of suppressing vanadium is very excellent compared to the case where vanadium is present in the same concentration as a whole of a manganese compound, it is preferable.

상기 바나듐은 본 발명의 양극 활물질 나노로드에서 직경 또는 길이를 100%로 봤을 때, 상기 망간계 화합물 표면에서 내부 방향으로 30% 깊이까지 분포되어 있으며, 더욱 바람직하게는 10% 깊이까지 분포되어 있는 것이 바람직하다. 바나듐이 망간계 화합물 표면에서 내부 방향으로 30% 깊이를 초과하도록, 즉 매우 안쪽까지 침투하여 존재하면 용량이 감소되고, 고온 방치시 구조가 급격하게 붕괴되는 문제점이 있어 바람직하지 않다.When the vanadium is 100% in diameter or length in the cathode active material nanorod of the present invention, the vanadium is distributed up to 30% in the inner direction from the surface of the manganese compound, and more preferably, it is distributed up to 10% in depth. desirable. If vanadium exceeds 30% depth inwardly from the surface of the manganese compound, that is, penetrates very inwardly, the capacity is reduced, and there is a problem that the structure suddenly collapses when left at high temperature, which is not preferable.

이때, 표면에서의 바나듐 농도는 80 내지 70 중량%이 바람직하고, 내부, 30%의 깊이에서는 20 내지 10 중량%의 농도로 존재하는 것이 바람직하다. 표면 및 내부에 바나듐이 상기 범위의 농도로 존재하는 경우, 바나듐이 표면에 고농도로 존재하게 되므로 망간계 화합물로부터 망간이 용출함에 따른 문제를 보다 효과적으로 억제할 수 있어 바람직하다. 즉, 본 발명의 양극 활물질에서 표면에서의 망간계 화합물은 20 내지 30 중량% 존재하고, 내부, 30%의 깊이에서는 망간계 화합물이 80 내지 90 중량% 존재한다.At this time, the vanadium concentration on the surface is preferably 80 to 70% by weight, and preferably present at a concentration of 20 to 10% by weight at the depth of 30% inside. When vanadium is present on the surface and in the concentration in the above range, vanadium is present at a high concentration on the surface, it is preferable because it can more effectively suppress the problem caused by the elution of manganese from the manganese compound. That is, in the cathode active material of the present invention, the manganese compound is present at 20 to 30 wt% on the surface, and the manganese compound is present at 80 to 90 wt% at a depth of 30% inside.

이와 같이, 본 발명의 양극 활물질에서 바나듐은 주로 상기 망간계 화합물의 표면에서 내부로 점차적으로 농도가 감소하는 농도 구배로 존재한다. 또한 극히 일부는 망간계 화합물의 외부 표면에 존재할 수도 있다.As such, the vanadium in the positive electrode active material of the present invention is mainly present in a concentration gradient gradually decreasing in concentration from the surface of the manganese compound. Very few may also be present on the outer surface of the manganese compound.

이와 같이, 바나듐이 상기 망간계 화합물의 표면에서 내부로 농도 구배로 분 포되어 있음에 따라, 이 양극 활물질을 포함하는 전지의 충방전이 진행되는 동안, 특히 고온 저장 또는 고온에서 충방전이 진행되는 동안 망간계 화합물에서 망간이 용출되는 현상을 억제할 수 있어, 사이클 수명 특성을 향상시킬 수 있다.As such, since vanadium is distributed in the concentration gradient from the surface of the manganese compound to the inside, charging and discharging proceeds, particularly at high temperature storage or high temperature, during charging and discharging of the battery including the cathode active material. The phenomenon in which manganese elutes from the manganese compound can be suppressed, thereby improving cycle life characteristics.

본 발명의 양극 활물질에 포함된 바나듐의 전체 중량은 망간계 화합물 중량에 대하여 1 내지 5 중량%가 바람직하다. 상기 바나듐의 함량이 5 중량%를 초과하는 경우, 용량이 감소하여 바람직하지 않고, 1 중량% 미만인 경우에는 코팅이 균일하게 되질 않는 문제가 있어 바람직하지 않다. The total weight of vanadium contained in the cathode active material of the present invention is preferably 1 to 5% by weight based on the weight of the manganese compound. If the content of the vanadium is more than 5% by weight, the capacity is reduced is not preferable, if less than 1% by weight there is a problem that the coating does not become uniform, which is not preferable.

본 발명에서, 상기 망간계 화합물은 나노로드로 구성된 클러스터 형상을 갖는 것으로서, 이때 상기 나노로드는 직경이 작을수록 바람직하며, 나노미터 직경을 갖는 것을 바람직하게 사용할 수 있고, 그 예로 100nm 이하의 나노로드를 바람직하게 사용할 수 있다. 또한 상기 나노로드는 길이가 2㎛ 이하인 것을 적당하게 사용할 수 있다. In the present invention, the manganese-based compound has a cluster shape consisting of nanorods, wherein the nanorods are preferably smaller diameter, and may preferably be used having a nanometer diameter, for example, nanorods of 100 nm or less Can be preferably used. In addition, the nanorods may be suitably used having a length of 2㎛ or less.

본 발명의 양극 활물질은 10 내지 60m2/g의 높은 비표면적을 가지므로, 활성 사이트가 많아 고용량을 나타낼 수 있어 바람직하다. 양극 활물질의 비표면적이 60m2/g을 초과하는 경우, 고온에서 전해액과의 반응 면적이 너무 커져서 Mn의 용출이 증가하여 바람직하지 않고, 10m2/g 미만인 경우에는 활성 사이트가 작아 용량이 저하되어 바람직하지 않다.Since the positive electrode active material of the present invention has a high specific surface area of 10 to 60 m 2 / g, it is preferable because it has many active sites and can exhibit high capacity. When the specific surface area of the positive electrode active material exceeds 60 m 2 / g, the reaction area with the electrolyte at a high temperature is too large to increase the elution of Mn, which is undesirable, and when less than 10 m 2 / g, the active site is small and the capacity is lowered. Not desirable

본 발명의 양극 활물질은 용량 유지율이 우수하며, 고온에서 저장시 Mn 용출을 감소시킬 수 있어, 고온 안정성이 우수하며, 나노로드로 구성된 클러스터 형상 을 갖는 망간계 화합물을 사용함에 따라 일반적인 망간계 화합물에 비하여 리튬 이온 인터칼레이션 이동을 빠르게 일어나게 할 수 있어 방전 속도를 향상시킬 수 있다.The positive electrode active material of the present invention has excellent capacity retention and can reduce Mn elution when stored at high temperature, and thus has excellent high temperature stability and uses a manganese compound having a cluster shape composed of nanorods. In comparison, the lithium ion intercalation movement can be made faster, and thus the discharge rate can be improved.

이러한 본 발명의 양극 활물질은 제2 구현예에 따른 제조 방법에 따라 다음과 같이 제조될 수 있다.Such a cathode active material of the present invention may be manufactured as follows according to the manufacturing method according to the second embodiment.

망간 전구체 및 산화제를 용매 중에서 혼합하고, 이를 150 내지 200℃에서 유지한다. 상기 산화제로는 암모니움 퍼설페이트, 암모니움 나이트레이트 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 망간 전구체로는 망간 설페이트, 망간 아세테이트, 망간 하이드록사이드 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 용매로는 물, 에탄올 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 이때, 상기 망간 전구체와 산화제의 혼합 비율은 1 : 1 내지 2 : 1 중량비가 바람직하다. 망간 전구체와 산화제의 혼합 비율이 상기 범위를 벗어나는 경우 MnO2가 형성되지 않는 문제가 발생하여 바람직하지 않다.The manganese precursor and the oxidant are mixed in a solvent and maintained at 150 to 200 ° C. As the oxidant, ammonium persulfate, ammonium nitrate or a combination thereof may be used. As the manganese precursor, manganese sulfate, manganese acetate, manganese hydroxide or a combination thereof may be used. As the solvent, water, ethanol or a combination thereof may be used. At this time, the mixing ratio of the manganese precursor and the oxidizing agent is preferably 1: 1 to 2: 1 by weight. If the mixing ratio of the manganese precursor and the oxidant is out of the above range, MnO 2 is not formed, which is not preferable.

이때, 산화제에 의해 망간 전구체 산화 반응이 일어나서, 성계-유사 구조(urchin-like structure)를 갖는 MnO2가 제조되고, 이 성게-유사 구조를 갖는 MnO2 를 리튬 전구체와 혼합하는 공정에서 사용함에 따라 최종 생성물이 나노로드로 구성된 클러스터 형상의 망간계 활물질을 제조할 수 있게 된다. At this time, by the oxidizing agent to get up the manganese precursor oxidation reaction, modulus - the MnO 2 having a similar structure (urchin-like structure) have been manufactured, a sea urchin - depending on the use of the MnO 2 having a similar structure in the step of mixing a lithium precursor The final product is able to produce a cluster-shaped manganese-based active material consisting of nanorods.

상기 성계-유사 구조 MnO2와 리튬 전구체를 혼합한다. 이 리튬 화합물로는 리튬 나이트레이트, 리튬 아세테이트, 리튬 하이드록사이드 등을 사용할 수 있으 나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 공정에서 금속 화합물을 더욱 첨가할 수도 있다. 금속 화합물을 더욱 첨가하는 경우 최종 생성물에서 망간의 일부가 금속으로 치환된 형태가 얻어진다. 상기 금속으로는 Al, Ni, Co, Cr, Fe, Mg, Sr 또는 희토류 원소를 사용할 수 있으며, 금속 화합물의 예로는 상기 금속의 산화물, 나이트레이트염, 아세테이트염 또는 수산화물(hydroxide)일 수 있다. 이 혼합 공정은 건식으로 실시할 수도 있고, 혼합 매질로 유기 용매를 사용하여 습식으로 실시할 수도 있다. 유기 용매로는 에탄올 등의 알콜, 또는 아세톤을 사용할 수 있다. The star-like structure MnO 2 and a lithium precursor are mixed. Lithium nitrate, lithium acetate, lithium hydroxide and the like can be used as the lithium compound, but is not limited thereto. In this step, a metal compound may be further added. Further addition of the metal compound results in a form in which some of the manganese is replaced by metal in the final product. As the metal, Al, Ni, Co, Cr, Fe, Mg, Sr, or a rare earth element may be used. Examples of the metal compound may be an oxide, nitrate salt, acetate salt, or hydroxide of the metal. This mixing step may be carried out dry or may be carried out wet using an organic solvent as the mixing medium. Alcohol, such as ethanol, or acetone can be used as an organic solvent.

상기 MnO2와 리튬 전구체의 혼합 비율은 1.6 : 1 내지 2 : 1 중량비가 바람직하다. MnO2와 리튬 전구체의 혼합 비율이 상기 범위를 벗어나는 경우 스피넬상이 형성되지 않는 문제가 발생하여 바람직하지 않다. The mixing ratio of the MnO 2 and the lithium precursor is preferably 1.6: 1 to 2: 1 by weight. If the mixing ratio of MnO 2 and the lithium precursor is out of the above range, the problem that the spinel phase is not formed occurs, which is not preferable.

이어서 얻어진 혼합물은 열처리하고, 서냉하여 나노로드로 구성된 클러스터 형상을 갖는 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 망간계 활물질을 제조한다. Subsequently, the obtained mixture is heat-treated and slow cooled to prepare a manganese-based active material represented by the following Chemical Formula 1 or 2 having a cluster shape composed of nanorods.

[화학식 1][Formula 1]

LiaMn1-bMbO2-cDc Li a Mn 1-b M b O 2-c D c

[화학식 2][Formula 2]

LiaMn2-b'Mb'O4-cDc Li a Mn 2-b ' M b' O 4-c D c

(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ b' ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이고,Where 0.90 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ b ′ ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05,

M은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다)M is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements and combinations thereof)

상기 열처리 공정은 700 내지 750℃에서 5 내지 15시간 동안 실시하는 것이 바람직하며, 열처리 분위기는 공기 분위기, 또는 산소 분위기가 적절하다. 상기 열처리 공정을 700℃보다 낮은 온도에서 실시하는 경우에는 사용하는 화합물간의 반응이 충분하지 않고, 750℃보다 높은 온도에서 실시할 경우에는 결정 구조 내의 Li의 증발에 의한 불안정한 구조가 형성되는 문제점이 있다. 또한, 상기 열처리 공정을 5시간 미만의 시간으로 실시할 경우에는 결정화가 이루어지지 않는 문제점이 있고, 15시간을 초과하는 시간 동안 실시할 경우에는 결정화가 과도하게 일어나거나 또는 결정 구조 내의 Li의 증발에 의한 불안정한 구조가 형성되는 문제점이 있다.The heat treatment is preferably carried out at 700 to 750 ° C. for 5 to 15 hours, and the heat treatment atmosphere is preferably an air atmosphere or an oxygen atmosphere. When the heat treatment is performed at a temperature lower than 700 ° C., the reaction between the compounds to be used is not sufficient, and when the temperature is higher than 750 ° C., there is a problem in that an unstable structure is formed by evaporation of Li in the crystal structure. . In addition, when the heat treatment process is performed for less than 5 hours, there is a problem that crystallization does not occur. If the heat treatment is performed for more than 15 hours, excessive crystallization occurs or the evaporation of Li in the crystal structure occurs. There is a problem that an unstable structure is formed.

이어서, 바나듐 화합물 용액으로 상기 공정에 따라 제조된 망간계 화합물을 코팅한다. 상기 바나듐 화합물로는 OV(CH3H7)3, 또는 V을 포함하는 모든 유기물 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 용액에서 용매로는 물 또는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올과 같은 알코올 등을 사용할 수 있다. 이때, 상기 바나듐 화합물 용액의 농도는 20 내지 40 중량%가 적당하며, 바나듐 화합물 용액의 농도가 20 중량% 미만이면 또는 40 중량%를 초과하면 균일 코팅에 문제가 있어 바람직하지 않다. Next, a manganese compound prepared according to the above process is coated with a vanadium compound solution. As the vanadium compound, any organic substance including OV (CH 3 H 7 ) 3 , or V or a combination thereof may be used. The solvent in the solution may be water or alcohol such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol and the like. At this time, the concentration of the vanadium compound solution is suitable 20 to 40% by weight, if the concentration of the vanadium compound solution is less than 20% by weight or more than 40% by weight is not preferable because there is a problem in the uniform coating.

상기 망간계 화합물과 상기 바나듐 화합물의 사용 비율은 망간계 화합물 99 내지 95 중량% 및 바나듐 화합물 1 내지 5 중량%인 것이 바람직하다. 상기 바나듐 화합물의 사용량이 1 중량% 미만이거나, 5 중량%을 초과하면 용량 감소 문제가 있어 바람직하지 않다.The use ratio of the manganese compound and the vanadium compound is preferably 99 to 95% by weight of the manganese compound and 1 to 5% by weight of the vanadium compound. If the amount of the vanadium compound is less than 1% by weight or more than 5% by weight, there is a problem in capacity reduction, which is not preferable.

상기 코팅 방법으로는 스퍼터링법, CVD(chemical Vapor Deposition)법, 침적법(impregnation)인 딥 코팅(dip coating)법 등 일반적인 코팅 방법을 사용할 수 있으나, 가장 간편한 코팅법인 단순히 분말을 코팅 용액에 담그었다가 빼내는 딥 코팅법을 사용하는 것이 바람직하다. As the coating method, a general coating method such as sputtering, chemical vapor deposition (CVD), dip coating, which is an impregnation method, may be used, but powder, which is the simplest coating method, is simply dipped in the coating solution. It is preferable to use the dip coating method taken out.

얻어진 혼합물을 300 내지 400℃에서 어닐링하여, 본 발명의 양극 활물질을 제조한다. 상기 어닐링 공정에 따라 바나듐 화합물이 바나듐 옥사이드, VOx(x는 1.5-2임)로 전환되고, 어닐링이 점점 진행되면 VOx(x는 1.5-2임)에서 바나듐은 망간계 화합물의 구조에서 Mn 자리에 치환되어 표면에서 농도가 높고, 내부에서 농도가 낮은 농도 구배로 존재하게 된다. 또한 이때 VOx(x는 1.5-2임)에서 산소는 망간계 화합물의 구조에서 O 사이트로 들어가거나 O2 가스로 방출될 수 있다. The obtained mixture is annealed at 300 to 400 ° C to prepare a positive electrode active material of the present invention. According to the annealing process, the vanadium compound is converted to vanadium oxide, VO x (x is 1.5-2), and when annealing is gradually progressed, VO x (x is 1.5-2) and vanadium is Mn in the structure of the manganese compound. It is replaced by a site, and the concentration is high at the surface and low concentration gradient exists inside. In addition, at VO x (x is 1.5-2), oxygen may enter the O site or be released as O 2 gas in the structure of the manganese compound.

상기 어닐링 공정 온도가 300℃ 미만의 온도에서 실시하는 경우에는 바나듐이 망간계 화합물의 내부로 침입하여 농도 구배로 존재하지 않는 문제점이 있고, 400℃를 초과하는 온도에서 실시할 경우에는 과도한 반응에 의하여 바나듐이 망간계 화합물 속으로 너무 깊게 도핑되어 용량 감소 및 고온 방치 시 구조가 급격히 붕괴되는 문제점이 발생할 수 있다. 상기 어닐링 공정은 상술한 온도 조건이 중요하며, 어닐링 공정을 실시하는 시간은 온도 조건에 따라 적절하게 조절하여 어닐링에 따른 효과를 얻을 수 있을 정도의 시간 동안, 예를 들어 약 10시간 정도 실시하 면 된다. 상기 어닐링 공정을 실시하기 전에 얻어진 혼합물을 서서히 증가시키는 공정을 더욱 실시할 수 있다.When the annealing process temperature is carried out at a temperature of less than 300 ℃ vanadium penetrates into the interior of the manganese compound there is a problem that does not exist as a concentration gradient, when carried out at a temperature exceeding 400 ℃ due to excessive reaction Vanadium is doped too deep into the manganese-based compound may cause a problem that the structure is rapidly collapsed when the capacity is reduced and left at high temperatures. In the annealing process, the above-described temperature conditions are important, and the time for performing the annealing process may be appropriately adjusted according to the temperature conditions so that the effect of the annealing can be obtained, for example, about 10 hours. do. Before carrying out the annealing step, a step of gradually increasing the obtained mixture may be further carried out.

본 발명의 양극 활물질은 리튬 이차 전지의 양극에 유용하게 사용될 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 양극과 함께 음극 활물질을 포함하는 음극 및 전해질을 포함한다.The positive electrode active material of the present invention can be usefully used for the positive electrode of a lithium secondary battery. The lithium secondary battery includes a negative electrode and an electrolyte including a negative electrode active material together with a positive electrode.

상기 양극은 본 발명에 따른 양극 활물질과, 도전재, 결합제 및 용매를 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조한 다음, 알루미늄 집전체 상에 직접 코팅 및 건조하여 제조한다. 또는 상기 양극 활물질 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 알루미늄 집전체 상에 라미네이션하여 제조가 가능하다.The positive electrode is prepared by mixing a positive electrode active material according to the present invention, a conductive material, a binder and a solvent to prepare a positive electrode active material composition, and then coating and drying the aluminum active material directly. Alternatively, the cathode active material composition may be cast on a separate support, and then the film obtained by peeling from the support may be manufactured by laminating on an aluminum current collector.

이때 도전재는 카본 블랙, 흑연, 금속 분말을 사용하며, 결합제는 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물이 가능하다. 또한 용매는 N-메틸피롤리돈, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 데칸 등을 사용한다. 이때 양극 활물질, 도전재, 결합제 및 용매의 함량은 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용하는 수준으로 사용된다.The conductive material is carbon black, graphite, metal powder, the binder is vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene And mixtures thereof. In addition, N-methylpyrrolidone, acetone, tetrahydrofuran, decane, etc. are used as a solvent. In this case, the contents of the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent are used at levels commonly used in lithium secondary batteries.

상기 음극은 양극과 마찬가지로 음극 활물질, 결합제 및 용매를 혼합하여 애노드 활물질 조성물을 제조하며, 이를 구리 집전체에 직접 코팅하거나 별도의 지지체 상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 음극 활물질 필름을 구리 집전체에 라미네이션하여 제조한다. 이때 음극 활물질 조성물에는 필요한 경우에는 도전재 를 더욱 함유하기도 한다.Like the positive electrode, the negative electrode is mixed with a negative electrode active material, a binder, and a solvent to prepare an anode active material composition, and the negative electrode active material film coated on the copper current collector or cast on a separate support and peeled from the support is coated on the copper current collector. It is prepared by lamination. At this time, the negative electrode active material composition may further contain a conductive material if necessary.

상기 음극 활물질로는 리튬을 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 재료가 사용되고, 예컨대, 리튬 금속이나 리튬 합금, 코크스, 인조 흑연, 천연 흑연, 유기 고분자 화합물 연소체, 탄소 섬유 등을 사용한다. 또한 도전재, 결합제 및 용매는 전술한 양극의 경우와 동일하게 사용된다. As the negative electrode active material, a material capable of intercalating / deintercalating lithium is used, and for example, lithium metal, lithium alloy, coke, artificial graphite, natural graphite, organic polymer compound combustor, carbon fiber, or the like is used. . In addition, a conductive material, a binder, and a solvent are used similarly to the case of the positive electrode mentioned above.

상기 세퍼레이터는 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 일예로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.The separator may be used as long as it is commonly used in lithium secondary batteries. For example, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or two or more multilayer films thereof may be used, and a polyethylene / polypropylene two-layer separator, It goes without saying that a mixed multilayer film such as polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, polypropylene / polyethylene / polypropylene three-layer separator and the like can be used.

상기 리튬 이차 전지에 충전되는 전해질로는 비수성 전해질 또는 공지된 고체 전해질 등이 사용 가능하며, 리튬염이 용해된 것을 사용한다. As the electrolyte to be charged in the lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte or a known solid electrolyte may be used, and a lithium salt is used.

상기 비수성 전해질의 용매는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류 아세토니트릴 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등을 사용할 수 있다. 이들을 단독 또는 복수개 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트와의 혼합 용매를 바람직하게 사용할 수 있다.Although the solvent of the said non-aqueous electrolyte is not specifically limited, Chain carbonate methyl acetate, ethyl acetate, such as cyclic carbonate dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, such as ethylene carbonate, a propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, Esters such as propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate and γ-butyrolactone 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane, 2-methyltetrahydro Amides, such as nitriles, such as ether acetonitrile, such as furan, and dimethylformamide, etc. can be used. These can be used individually or in combination of two or more. In particular, a mixed solvent of a cyclic carbonate and a linear carbonate can be preferably used.

또한 전해질로서, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N 등의 무기 고체 전해질이 가능하다.As the electrolyte, a gel polymer electrolyte in which an electrolyte solution is impregnated with a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile, or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N can be used.

이때 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , One selected from the group consisting of LiCl and LiI is possible.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

망간 설페이트(MnSO4·H2O) 50g 및 암모니움 퍼설페이트((NH4)2S2O8) 50g을 테플론-라이닝된(teflon-lined) 스테인레스 스틸 오토클레이트 내에서 증류수 100ml에 용해시켰다. 상기 오토클레이브를 밀봉하고, 150℃에서 20시간 동안 유지하였다. 50 g of manganese sulfate (MnSO 4 H 2 O) and 50 g of ammonium persulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) were dissolved in 100 ml of distilled water in a teflon-lined stainless steel autoclave. . The autoclave was sealed and held at 150 ° C. for 20 hours.

이때, 하기 반응식 1과 같이 S2O8 2-에 의한 Mn2+의 산화 반응이 일어나서, 성게-유사 나노구조를 갖는 MnO2가 제조되었다. At this time, the oxidation reaction of Mn 2+ by S 2 O 8 2- occurred as in Scheme 1 below, thereby preparing MnO 2 having sea urchin-like nanostructures.

[반응식 1]Scheme 1

MnSO4 + (NH4)2S2O8 + 2H2O → MnO2 + (NH4)2SO4 + 2H2SO4 MnSO 4 + (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + 2H 2 O → MnO 2 + (NH 4 ) 2 SO 4 + 2H 2 SO 4

반응이 완결된 후, 얻어진 고체 생성물을 여과하고, 증류수로 여러번 세척하였다. 최종적으로 에탄올로 세척하고 120℃에서 하룻밤 건조하였다.After the reaction was completed, the obtained solid product was filtered and washed several times with distilled water. Finally washed with ethanol and dried overnight at 120 ℃.

리튬 아세테이트(C2H3O2Li·2H2O, 12.25g)를 증류수 100ml에 용해하고, 상기 공정에 따라 제조된 MnO2(20.6g)을 첨가하였다. 이 혼합물을 120℃에서 건조한 후, 공기 분위기에서 12시간 동안 700℃에서 어닐링하고, 상온으로 서서히 냉각하였다. 이 공정에 따라 나노로드로 구성된 클러스터 형상의 LiMn2O4가 제조되었으며, 이때 나노로드 직경은 100 nm 이었고, LiMn2O4 전체 평균 입경은 5㎛이었다.Lithium acetate (C 2 H 3 O 2 Li.2H 2 O, 12.25 g) was dissolved in 100 ml of distilled water, and MnO 2 (20.6 g) prepared according to the above process was added. The mixture was dried at 120 ° C., then annealed at 700 ° C. for 12 hours in an air atmosphere and slowly cooled to room temperature. According to this process, a cluster-shaped LiMn 2 O 4 composed of nanorods was prepared, wherein the nanorod diameter was 100 nm, and the total average particle diameter of LiMn 2 O 4 was 5 μm.

OV(CH3H7)3 4g을 이소프로필 알코올에 용해하여 20 중량% 농도의 바나듐 화합물의 겔 용액을 제조하였다. 상기 제조된 나노로드로 구성된 클러스터 형상의 LiMn2O4 10g을 상기 겔 용액에 첨가하고, 얻어진 혼합물을 80℃로 온도를 서서히 증가시키면서, 잘 혼합하였다. 얻어진 혼합물을 400℃에서 3시간 동안 어닐링하여 바나듐이 표면에서 내부로 농도 구배로 존재하는 LiMn2O4 양극 활물질을 제조하였다. 이때, 전체 바나듐의 함량은 LiMn2O4 중량의 5 중량%였고, 표면에 존재하는 바나듐은 80 중량%였으며, 내부에 존재하는 바나듐의 양은 20 중량%였다.4 g of OV (CH 3 H 7 ) 3 was dissolved in isopropyl alcohol to prepare a gel solution of 20% by weight concentration of vanadium compound. Cluster-shaped LiMn 2 O 4 consisting of the prepared nanorod 10 g was added to the gel solution and the resulting mixture was mixed well with increasing temperature slowly to 80 ° C. The resulting mixture was annealed at 400 ° C. for 3 hours to prepare a LiMn 2 O 4 cathode active material in which vanadium was present at a concentration gradient from the surface to the inside. At this time, the total vanadium content was 5% by weight of LiMn 2 O 4 weight, vanadium present on the surface was 80% by weight, the amount of vanadium present in the interior was 20% by weight.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

OV(CH3H7)3로 코팅하는 공정을 실시하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 나노로드로 구성된 클러스터 형상의 LiMn2O4를 제조하였다.LiMn 2 O 4 having a cluster shape consisting of nanorods was prepared in the same manner as in Example 1 except that the coating with OV (CH 3 H 7 ) 3 was not performed.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

리튬 아세테이트, 알루미늄 나이트레이트 및 망간 아세테이트를 화학양론적양에 해당하는 1.05 : 0.1 : 1.85 중량비로 에탄올에 용해하고, 이를 2시간 동안 균질화시키고(homogenize), 100℃에서 하룻밤 건조하였다. 건조된 분말을 700℃에서 15시간 동안 하소하여 벌크 Li1.05Mn1.85Al0.1O4 스피넬 분말을 제조하였다.Lithium acetate, aluminum nitrate and manganese acetate were dissolved in ethanol in a stoichiometric amount of 1.05: 0.1: 1.85 weight ratio, homogenized for 2 hours and dried at 100 ° C. overnight. The dried powder was calcined at 700 ° C. for 15 hours to prepare a bulk Li 1.05 Mn 1.85 Al 0.1 O 4 spinel powder.

(비교예 3)(Comparative Example 3)

상기 비교예 1에 따라 제조된 벌크 Li1.05Mn1.85Al0.1O4 스피넬 분말을 OV(CH3H7)3 4g을 이소프로필 알코올에 용해하여 제조된 20 중량% 농도의 VOx 전구체의 겔 용액에 첨가하였다. 얻어진 용액을 80℃로 온도를 서서히 증가시키면서, 잘 혼합하였다. 얻어진 혼합물을 400℃에서 3시간 동안 어닐링하여 바나듐이 표면에서 내부로 농도 구배로 존재하는 벌크 Li1.05Mn1.85Al0.1O4 스피넬 분말 양극 활물질을 제조하였다. 이때, 전체 바나듐의 함량은 Li1.05Mn1.85Al0.1O4 중량의 5 중량%였고, 표면에 존재하는 바나듐은 80 중량%였으며, 내부에 존재하는 바나듐의 양은 20 중량%였다.Bulk Li 1.05 Mn 1.85 Al 0.1 O 4 spinel powder prepared according to Comparative Example 1 was added to a gel solution of 20 wt% VOx precursor prepared by dissolving OV (CH 3 H 7 ) 3 4g in isopropyl alcohol. It was. The resulting solution was mixed well while slowly increasing the temperature to 80 ° C. The resulting mixture was annealed at 400 ° C. for 3 hours to prepare a bulk Li 1.05 Mn 1.85 Al 0.1 O 4 spinel powder positive electrode active material in which vanadium was present in a concentration gradient from the surface to the inside. At this time, the total vanadium content was 5% by weight of Li 1.05 Mn 1.85 Al 0.1 O 4 weight, vanadium present on the surface was 80% by weight, the amount of vanadium present in the interior was 20% by weight.

* 사이클 수명 특성* Cycle life characteristics

상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 양극 활물질 90 중량%, 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더 5 중량% 및 슈퍼 P 카본 블랙 5 중량%를 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 이용하여 통상의 방법으로 양극을 제조하였다. 이 음극과, 대극으로 리튬 금속을 사용하여 코인 타입 반쪽 전지(2016R 타입)를 제조하였다. 이때 전해액으로는 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트-디에틸렌 카보네이트-에틸메틸 카보네이트(EC-DEC-EMC = 30 : 30 : 40 부피%)를 사용하였다. 90% by weight of the positive electrode active material prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, 5% by weight of polyvinylidene fluoride binder, and 5% by weight of super P carbon black were mixed to prepare a positive electrode active material slurry, and the slurry Using the positive electrode was prepared by the conventional method. A coin type half cell (2016R type) was manufactured using this negative electrode and lithium metal as a counter electrode. At this time, ethylene carbonate-diethylene carbonate-ethylmethyl carbonate (EC-DEC-EMC = 30: 30: 40% by volume) in which 1M LiPF 6 was dissolved was used.

제조된 전지를 55℃ 및 65℃에서 각각 0.2C로 30회 충방전을 실시한 후, 용량 유지율을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 용량 유지율은 1회 방전 용량에 대한 30회 충방전을 실시한 후의 방전 용량의 %값으로 나타내었다.After the battery was charged and discharged at 0.2C at 55 ° C. and 65 ° C. for 30 times, the capacity retention rate was measured, and the results are shown in Table 1 below. The capacity retention rate is expressed as a% value of the discharge capacity after 30 charge / discharge cycles to the discharge capacity.

55℃(용량 유지율 30사이클 후)55 degrees Celsius (after 30 cycles of capacity retention rates) 65℃(용량 유지율 30사이클 후)65 degrees Celsius (after 30 cycles of capacity retention rates) 실시예 1Example 1 95%95% 90%90% 비교예 1Comparative Example 1 50%50% 20%20% 비교예 2Comparative Example 2 85%85% 60%60% 비교예 3Comparative Example 3 60%60% 30%30%

상기 표 1에 나타낸 것과 같이, OV(CH3H7)3 코팅 공정을 실시한 실시예 1이 코팅 공정을 실시하지 않은 비교예 1에 비하여 55℃ 및 65℃에서 용량 유지율이 매우 우수하게 나타났다. 또한, 나노로드로 구성된 클러스터 형상(비교예 1)에 비하여 용량 유지율이 우수한 벌크 스피넬 분말을 사용한 비교예 2에 비하여도 코팅 공정을 실시한 실시예 1의 용량 유지율이 우수함을 알 수 있었으며, 특히 60℃와 같이 고온에서는 매우 우수한 용량 유지율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 아울러, 벌크 스피넬 분말에 코팅 공정을 실시하는 경우 비교예 3과 같이 오히려 용량 유지율이 저하되는 결과가 얻어졌으므로, 벌크 스피넬 분말에서는 코팅 공정을 실시하는 것이 적절하지 않음을 알 수 있다.As shown in Table 1, Example 1 subjected to the OV (CH 3 H 7 ) 3 coating process was very excellent capacity retention at 55 ℃ and 65 ℃ compared to Comparative Example 1 without the coating process. In addition, compared to Comparative Example 2 using the bulk spinel powder having excellent capacity retention compared to the cluster shape composed of nanorods (Comparative Example 1), it was found that the capacity retention rate of Example 1, which was subjected to the coating process, was particularly excellent. It can be seen that very high capacity retention can be obtained at a high temperature. In addition, when the coating process is performed on the bulk spinel powder, a result of lowering the capacity retention ratio is obtained, as in Comparative Example 3, and it can be seen that the coating process is not appropriate for the bulk spinel powder.

* XRD 측정* XRD measurement

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 양극 활물질에 대한 X-선 회절을 측정하여 그 결과를 도 1에 나타내었다. 또한 참조로 MnO2의 XRD 측정 결과도 도 1에 함께 나타내었다. 도 1에 나타낸 것과 같이, MnO2는 α-MnO2 및 오르토롬빅 MnO2의 혼합상을 포함하는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 1의 양극 활물질은 Fd-3m의 공간군을 갖는 큐빅 스피넬 구조를 갖는 것을 알 수 있으며, 비교예 1의 양극 활물질에 대한 격자 상수를 측정한 결과 약 8.239±0.005Å로 나타났다. 또한 실시예 1의 양극 활물질의 격자 상수를 측정한 결과, 비교예 1과 유사하게 8.237±0.005Å로 나타났다.X-ray diffraction of the cathode active materials of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was measured, and the results are shown in FIG. 1. In addition, the XRD measurement results of MnO 2 are also shown in FIG. 1. As shown in Fig. 1, MnO 2 it can be seen that it comprises a mixed phase of α-MnO 2 and ortho rombik MnO 2. In addition, it was found that the positive electrode active material of Comparative Example 1 had a cubic spinel structure having a space group of Fd-3m , and the lattice constant of the positive electrode active material of Comparative Example 1 was measured to be about 8.239 ± 0.005 μs. In addition, the lattice constant of the positive electrode active material of Example 1 was measured, and was found to be 8.237 ± 0.005 Å similarly to Comparative Example 1.

도 1에서 보면 비교예 2의 양극 활물질은 발달된 결정 피크를 나타내며, 이는 표면적을 증가시키기 위하여 700℃에서 하소한 결과로 생각된다.In FIG. 1, the positive electrode active material of Comparative Example 2 shows an advanced crystal peak, which is considered to be the result of calcining at 700 ° C. to increase the surface area.

* SEM 및 TEM 사진* SEM and TEM photo

도 2에 실시예 1에서 제조된 성계-유사 구조의 MnO2(a 및 b), 비교예 1(c 및 d) 및 실시예 1(g 및 h)의 양극 활물질에 대한 SEM 사진 및 비교예 1의 TEM 사진(e 및 f)을 나타내었다. 도 2의 a 및 b에 나타낸 것과 같이, 실시예 1에서 제조된 MnO2는 약 50nm의 직경 및 1㎛를 넘는 길이를 갖는 나노로드로 구성된 클러스터임을 알 수 있다.SEM photograph and Comparative Example 1 of the cathode active material of MnO 2 (a and b), Comparative Example 1 (c and d) and Example 1 (g and h) of the star-like structure prepared in Example 1 in Figure 2 TEM photographs of (e and f) are shown. As shown in a and b of FIG. 2, it can be seen that MnO 2 prepared in Example 1 is a cluster composed of nanorods having a diameter of about 50 nm and a length exceeding 1 μm.

또한, 도 2의 c 및 d에 나타낸 것과 같이, 상기 MnO2와 리튬 아세테이트를 혼합한 후, 700℃에서 열처리하여도, 나노로드로 구성된 클러스터 형상은 유지되었으며, 나노로드 각각의 직경은 약 100nm로 증가하였음을 알 수 있다. In addition, as shown in c and d of Figure 2, after mixing the MnO 2 and lithium acetate, and heat treatment at 700 ℃, the cluster shape consisting of nanorods was maintained, the diameter of each of the nanorods to about 100nm It can be seen that the increase.

도 2의 e 및 f에 나타낸 TEM 사진에서 알 수 있듯이, 비교예 1의 양극 활물질은 이웃하는 격자 사이의 거리가 2.5Å의 d-거리 값(d-spacing value)을 가지며, 이는 스피넬 상의 (311)면에 대응하는 값이다. 도 2의 g 및 h에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 양극 활물질은 비교예 1의 양극 활물질과 유사한 몰폴로지를 가지며, 이는 실시예 1에서 코팅 공정을 낮은 온도에서 실시하기 때문에 코팅 전 몰폴로지를 그대로 유지하는 것으로 생각된다.As can be seen from the TEM photographs shown in FIGS. 2E and 2F, the cathode active material of Comparative Example 1 has a d-spacing value of 2.5 Å between neighboring lattice, which is a spinel phase (311). This is the value corresponding to). As shown in FIG. 2 g and h, the positive electrode active material of Example 1 has a similar morphology to that of the positive electrode active material of Comparative Example 1, which is a morphology before coating because the coating process is carried out at a low temperature in Example 1 It seems to keep it as it is.

* FT-IR(Fourier Transform Infra-Red) 스펙트럼* Fourier Transform Infra-Red Spectrum

상기 실시예 1 및 비교예 1의 양극 활물질에 대한 FT-IR 스펙트럼을 측정하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 또한 참고로 V2O5에 대한 FT-IR 스펙트럼을 측정하여 도 3에 함께 나타내었다. 이때, FT-IR 스펙트럼을 측정하기 위한 시료는 상기 실시예 1 및 비교예 1의 양극 활물질을 상온에서 KBr 단결정 플레이트에서 헥산 콜로이드에 적가하고, 용매를 휘발시켜 제조한 것을 사용하였다. The FT-IR spectra of the cathode active materials of Example 1 and Comparative Example 1 were measured, and the results are shown in FIG. 3. In addition, the FT-IR spectrum for V 2 O 5 was also measured and shown in FIG. 3. At this time, the sample for measuring the FT-IR spectrum was prepared by dropping the positive electrode active material of Example 1 and Comparative Example 1 to hexane colloid in a KBr single crystal plate at room temperature, and volatilized the solvent.

도 3에 나타낸 것과 같이, 비교예 1의 양극 활물질은 격자(lattice) Mn-O 진동에 해당하는 약 630cm-1에서의 진동 밴드(vibration band)가 나타났다. 또한, V2O5는 V=O 진동에 해당하는 약 1022cm-1에서의 진동 밴드가 나타났다. As shown in FIG. 3, the positive electrode active material of Comparative Example 1 showed a vibration band at about 630 cm −1 corresponding to lattice Mn-O vibration. Also, V 2 O 5 showed a vibration band at about 1022 cm −1 corresponding to V = O vibration.

이에 대하여 실시예 1의 양극 활물질은 1022cm-1에서 진동 밴드가 나타나지 않으므로, VOx 코팅층이 별도로 존재하지 않음을 알 수 있다. 또한 실시예 1의 양극 활물질은 Mn-O 진동에 해당하는 630cm-1에서의 진동 밴드가 약 700cm-1로 이동한 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 M-V-O 결합이 형성되었기 때문으로 생각된다. 따라서 도 3에 나타낸 결과로부터 실시예 1의 양극 활물질은 코팅 공정을 실시함에 따라, V 이온이 Mn 사이트에 치환된 것을 알 수 있다.On the contrary, since the vibration band does not appear at 1022 cm −1 , the VO x coating layer does not exist separately. In addition, in the positive electrode active material of Example 1, the vibration band at 630 cm −1 corresponding to Mn-O vibration was shifted to about 700 cm −1 , which is considered to be due to the formation of MVO bonds. Accordingly, it can be seen from the results shown in FIG. 3 that the V ions are substituted at the Mn site as the positive electrode active material of Example 1 performs the coating process.

* 주사선(line-scan) 사진 및 팽창된(expanded) TEM 사진* Line-scan and expanded TEM images

실시예 1의 양극 활물질에 대한 주사선(line-scan) 사진을 도 4a에 나타내었고, 도 4a의 팽창된 TEM 사진을 도 4b에 나타내었다. 도 4a에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 양극 활물질에서 V 및 Mn 원자의 고용체가 형성될 가능성이 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 표면에서 30nm의 깊이 내에서 V 원자가 실제적으로 존재함을 나타낸다. 또한 입자의 내부 방향으로 바나듐의 함량이 점차 감소함을 알 수 있고, 따라서 V의 강도가 감소함을 알 수 있다. 또한 표면에서 d-거리 값 2.1Å에 상응하는 (400)면의 격자 줄무늬상(latttice fringe)으로부터 스피넬 상이 형성되었음을 확인할 수 있었다(도 4b). A line-scan photograph of the cathode active material of Example 1 is shown in FIG. 4A, and the expanded TEM photograph of FIG. 4A is shown in FIG. 4B. As shown in FIG. 4A, it can be seen that a solid solution of V and Mn atoms may be formed in the cathode active material of Example 1. FIG. These results indicate that V atoms are actually present within a depth of 30 nm at the surface. It can also be seen that the content of vanadium gradually decreases in the inner direction of the particles, and thus, the strength of V decreases. In addition, the d-distance from the surface is 2.1 It was confirmed that the spinel phase was formed from the lattice fringe of the corresponding (400) plane (FIG. 4B).

* 비표면적 측정* Specific surface area measurement

상기 실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 양극 활물질의 비표면적을 77K에서 질소 흡착시키는 방법인Brunauer-Emmet-Teller(BET)로 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 양극 활물질의 비표면적은 57m2/g으로 나타났으며, 실시예 1의 비표면적 측정 결과는 전형적인 IV-타입의 등온선 커브(isotherm curve)를 나타내었다. 질소 흡착 및 탈착 히스테리시스 곡선(hysteresis loop)이 상대압력(P/Po) 약 0.4까지 서서히 증가하다가, 상대압력(P/Po)이 0.8을 초과하는 고압 영역에서는 급격하게 증가하였음을 알 수 있다. 이러한 현상은 모세관 응축(capillary condensation) 현상 때문에 발생되는 것으로서, 이는 나노구조 물질에서는 질소가 나노 기공에 흡착되면서 발생되는 현상이다. 이에 대하여 비교예 1의 양극 활물질의 BET 표면적이 10m2/g으로, 이는 N2 흡착 및 탈착 양이 현저하게 감소된 결과이다. 이러한 결과는 도 5의 함께 나타낸 비교예 1의 양극 활물질의 SEM 사진에서 알 수 있듯이 약 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 양극 활물질 입자들에 나노 기공이 거의 형성되어 있지 않음을 나타낸다.Specific surface areas of the cathode active materials prepared according to Example 1 and Comparative Example 2 were measured by Brunauer-Emmet-Teller (BET), which is a method of nitrogen adsorption at 77 K, and the results are shown in FIG. 5. As shown in FIG. 5, the specific surface area of the positive electrode active material of Example 1 was found to be 57 m 2 / g, and the specific surface area measurement result of Example 1 showed a typical IV-type isotherm curve. It can be seen that the nitrogen adsorption and desorption hysteresis loop gradually increased to about 0.4 relative pressure (P / Po), and then rapidly increased in the high pressure region where the relative pressure (P / Po) exceeded 0.8. This phenomenon is caused by capillary condensation, which is caused by the adsorption of nitrogen to nanopores in nanostructured materials. On the other hand, the BET surface area of the positive electrode active material of Comparative Example 1 is 10 m 2 / g, which is a result of a significant decrease in the amount of N 2 adsorption and desorption. These results indicate that almost no nano pores are formed in the positive electrode active material particles having an average particle diameter of about 0.5 μm as can be seen in the SEM photograph of the positive electrode active material of Comparative Example 1 shown in FIG. 5.

* 충방전 특성* Charging / discharging characteristics

상기 실시예 1 및 비교예 1의 양극 활물질을 이용한 전지를 21℃의 온도에서, 0.2C부터 7C(=1400mAh/g)로 방전 속도를 증가시키면서, 1회 충방전 특성을 측정하여 도 6에 나타내었다. 이때, 충전 속도는 0.5C(=60mAh/g)으로 고정하였다. 비교예 1의 1회 충방전 용량은 각각 133 및 130mAh/g이었고, 쿨롱 효율은 98%였다. 이에 대하여 실시예 1의 양극 활물질의 충방전 용량은 각각 128 및 125mAh/g로 동일함을 알 수 있다.The battery using the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Example 1 was measured at a temperature of 21 ° C., while increasing the discharge rate from 0.2C to 7C (= 1400 mAh / g), and measuring charge and discharge characteristics once, and are shown in FIG. 6. It was. At this time, the charging rate was fixed at 0.5C (= 60mAh / g). One time charge and discharge capacity of Comparative Example 1 was 133 and 130 mAh / g, respectively, and the coulombic efficiency was 98%. In contrast, it can be seen that the charge and discharge capacities of the positive electrode active material of Example 1 are the same at 128 and 125 mAh / g, respectively.

또한 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 양극 활물질을 이용한 전지를 방전 속도를 0.2C(4회), 0.5C(5회), 1C(5회), 3C(10회), 5C(15회) 및 7C(15회)로 증가시키면서, 또한 다시 0.2C에서 6회 충방전을 실시하여, 각각의 경우의 방전 용량을 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 그 결과, 방전 속도가 0.5C, 1C, 3C, 5C 및 7C로 증가할수록 비교예 1의 방전 용량은 127, 126, 124, 122 및 121mAh/g으로 감소하였으며, 7C에서 용량 유지율은 94%로 나타났다. 그에 대하여, 실시예 1의 양극 활물질은 123, 121, 119, 117 및 116 mAh/g으로 감소하였으므로, 방전 용량은 비교예 1에 비하여 다소 감소하였으나 용량 유지율은 동일함을 알 수 있다. 또한 실시예 1의 양극 활물질의 7C에서의 용량 유지율은 0.2C와 비교하여 93%였다(0.2C: 125mAh/g, 7C: 116mAh/g).In addition, the discharge rate of the battery using the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was 0.2C (4 times), 0.5C (5 times), 1C (5 times), 3C (10 times), 5C (15). Times) and 7C (15 times), and charging and discharging were carried out six times again at 0.2C to measure the discharge capacity in each case, and the results are shown in FIG. 7. As a result, as the discharge rate increased to 0.5C, 1C, 3C, 5C and 7C, the discharge capacity of Comparative Example 1 was reduced to 127, 126, 124, 122 and 121mAh / g, the capacity retention was 94% at 7C . In contrast, since the cathode active material of Example 1 was reduced to 123, 121, 119, 117 and 116 mAh / g, it can be seen that the discharge capacity is slightly reduced compared to Comparative Example 1, but the capacity retention rate is the same. In addition, the capacity retention rate at 7C of the positive electrode active material of Example 1 was 93% as compared with 0.2C (0.2C: 125 mAh / g, 7C: 116 mAh / g).

상기 실시예 1 및 비교예 1은 7C에서 충방전을 실시한 후, 0.2C에서의 용량 회복율(capacity recovery)이 모두 100%였다. 이 결과로부터 확산 경로가 짧으면, 입자의 표면에서 리튬 이온 인터칼레이션 이동(kinetic)을 향상시켜, 방전 속도를 향상시키고, 입자 표면에서 구조적 변형을 방지함을 알 수 있다.In Example 1 and Comparative Example 1, after performing charge and discharge at 7C, the capacity recovery at 0.2C was 100%. It can be seen from this result that the shorter the diffusion path, the better the lithium ion intercalation kinetics at the surface of the particles, the higher the discharge rate, and the less structural deformation at the surface of the particles.

이에 대하여 도 7에 나타낸 것과 같이, 700℃에서 졸-겔 방법으로 제조된 비교예 2의 양극 활물질은 3C를 초과하면 용량 유지율이 현저하게 감소함을 알 수 있다. 비교예 2의 방전 용량은 3C, 5C 및 7C에서 각각 101, 85 및 65mAh/g이었고, 7C 사이클 후 용량 유지율은 48%(62mAh/g)이었다. 이러한 결과는 비교예 2에서 사용한 양극의 BET 표면적은 10m2/g으로, 비표면적이 작으므로, 결과적으로 전해질과 접촉 면적이 감소하여 고율에서 용량이 감소된 것으로 보인다. On the other hand, as shown in Figure 7, it can be seen that the positive electrode active material of Comparative Example 2 prepared by the sol-gel method at 700 ℃ significantly exceeds the capacity retention rate. The discharge capacities of Comparative Example 2 were 101, 85, and 65 mAh / g at 3C, 5C, and 7C, respectively, and the capacity retention after 7C cycles was 48% (62 mAh / g). These results indicate that the BET surface area of the positive electrode used in Comparative Example 2 is 10 m 2 / g, and the specific surface area is small, and as a result, the contact area with the electrolyte is reduced and the capacity is reduced at high rate.

0.7C 충방전을 실시한 후, 0.2C에서의 용량 회복율은 96%(110mAh/g)이었고, 이 결과에 따라 고율 충방전 동안 구조적 열화가 일어난 것으로 생각된다. After 0.7C charging and discharging, the capacity recovery rate at 0.2C was 96% (110 mAh / g), and it is considered that structural degradation occurred during the high rate charging and discharging.

비교예 1 및 2의 고율에서 용량 유지율 감소는 실시예 1에 비하여 분극화도(polarization)가 높기 때문이며, 이와 같이 높은 분극화도는 계면 저항이 높다는 의미이며, 따라서 리튬 이온 확산이 느리다는 것을 의미한다. 따라서, 높은 분극화도를 나타내는비교예 1 및 2의 양극 활물질의 경우 BET 비표면적이 낮아 리튬 확산이 느린 것으로 생각된다.The reduction in capacity retention at the high rates of Comparative Examples 1 and 2 is due to the higher polarization compared to Example 1, and this high polarization degree means that the interfacial resistance is high, and thus, lithium ion diffusion is slow. Therefore, in the positive electrode active materials of Comparative Examples 1 and 2 showing high polarization degree, the BET specific surface area is considered to be low in lithium diffusion.

또한 비교예 1의 양극 활물질은 실시예 1의 양극 활물질과 유사한 용량 유지율을 나타내나, 양극 활물질에서 리튬과 망간의 화학양론(stoichiometery) 및 BET 비표면적이 높아, 실시예 1 및 비교예 2에 비하여 고온에서 구조 열화가 발생할 것을 예측할 수 있다. In addition, the positive electrode active material of Comparative Example 1 exhibits a capacity retention similar to that of the positive electrode active material of Example 1, but has higher stoichiometery and BET specific surface area of lithium and manganese in the positive electrode active material, It can be expected that structural degradation will occur at high temperatures.

* 구조적 안정성 * Structural stability

실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 양극 활물질의 고온에서의 구조적 안정성을 알아보기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 양극 활물질을 이용하여 코인-타입 반쪽 전지를 제조하고, 이 전지를 4.3V에서 충전한 후, 전극을 전지로부터 분리하였다. 21℃에서는 충방전을 실시한 후, 충전된 시료의 Mn 용출량이 100ppm 이하였기 때문에(실시예 1: 25ppm, 비교예 1: 50ppm, 비교예 2: 40ppm), 상기 전극을 전해액을 포함하는 용기에 80℃에서 24시간 동안 저장하였다. In order to examine the structural stability at high temperatures of the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, a coin-type half cell was prepared using the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, and the battery was prepared. After charging at 4.3 V, the electrodes were separated from the cell. After charging and discharging at 21 ° C., the Mn elution amount of the charged sample was 100 ppm or less (Example 1: 25 ppm, Comparative Example 1: 50 ppm, Comparative Example 2: 40 ppm). Thus, the electrode was placed in a container containing an electrolyte solution. Store at 24 ° C. for 24 hours.

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 양극 활물질을 80℃에서 저장 후, Mn의 용출량을 측정하였다. 용출량 측정은 ICP-MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometery)를 사용하여, 전해액으로 용해된 Mn과 V를 측정하였다. 그 결과, 비교예 1은 약 5000ppm Mn이 용출되었으나, 실시예 1은 60ppm Mn이 용출되었고, V 이온 용출은 검출되지 않았다. 또한, 비교예 2의 경우, Mn이 400ppm 용출되었다. 즉, 구조내에서 Mn 용출량이 많을수록 구조의 붕괴가 빨라짐을 알 수 있다. 이 결과로부터, VOx가 표면 및 내부에 존재하는 실시예 1의 양극 활물질이 구조적으로 가장 안정함을 알 수 있다. After storing the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 at 80 ° C., the amount of Mn eluted was measured. For elution amount measurement, Mn and V dissolved in an electrolyte solution were measured using ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometery). As a result, in Comparative Example 1, about 5000 ppm Mn was eluted, but in Example 1, 60 ppm Mn was eluted, and V ion elution was not detected. In the case of Comparative Example 2, Mn was eluted at 400 ppm. In other words, it can be seen that the more the amount of Mn elution in the structure, the faster the collapse of the structure. From this result, it can be seen that the positive electrode active material of Example 1 in which VO x is present on the surface and the inside thereof is most structurally stable.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 음극 활물질에 대한 X-선 회절을 측정하여 나타낸 그래프.1 is a graph showing the X-ray diffraction measurement of the negative electrode active material of Example 1 and Comparative Examples 1 to 2 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 성계-유사 구조의 MnO2(a 및 b), 비교예 1(c 및 d) 및 실시예 1(g 및 h)의 음극 활물질에 대한 SEM 사진 및 비교예 1의 TEM 사진(e 및 f).2 is a SEM photograph and comparison of the negative active material of MnO 2 (a and b), Comparative Example 1 (c and d) and Example 1 (g and h) of the star-like structure prepared in Example 1 of the present invention TEM photographs of example 1 (e and f).

도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 음극 활물질에 대한 FT-IR 스펙트럼을 측정하여 나타낸 그래프.3 is a graph showing the FT-IR spectrum of the negative active material of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 4a는 본 발명의 실시예 1의 음극 활물질에 대한 주사선(line-scan) 사진.Figure 4a is a line-scan photograph of the negative electrode active material of Example 1 of the present invention.

도 4b는 도 4a의 팽창된 TEM 사진.4B is an expanded TEM photograph of FIG. 4A.

도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 음극 활물질의 비표면적을 측정하여 나타낸 그래프.5 is a graph showing the measurement of the specific surface area of the negative electrode active material prepared according to Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 양극 활물질을 이용한 전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프6 is a graph showing charge and discharge characteristics of a battery using the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 양극 활물질을 이용한 전지를 방전 속도를 0.2C(4회), 0.5C(5회), 1C(5회), 3C(10회), 5C(15회) 및 7C(15회)로 증가시키면서, 또한 다시 0.2C에서 6회 충방전을 실시하여, 각각의 경우 측정된 방전 용량을 나타낸 그래프.7 is a discharge rate of 0.2C (4 times), 0.5C (5 times), 1C (5 times), 3C (10 times) of the battery using the positive electrode active material of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention , Graphs showing the discharge capacity measured in each case, increasing charges to 5C (15 times) and 7C (15 times), and again 6 charges and discharges at 0.2C.

도 8은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 양극 활물질을 80℃에서 보관 후, 측정하여 나타낸 XRD 그래프.8 is an XRD graph of the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention after storage at 80 ° C.

도 9은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 음극 활물질을 80℃에서 보관 전 및 후의 TEM 사진.9 is a TEM photograph before and after storage of the negative electrode active material of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention at 80 ℃.

Claims (13)

나노로드로 구성된 클러스터 형상을 갖는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 망간계 화합물 및Manganese compounds represented by the following Formula 1 or 2 having a cluster shape consisting of nanorods and 상기 망간계 화합물 표면으로부터 내부 방향으로 농도 구배로 존재하는 바나듐Vanadium present in a concentration gradient inward from the surface of the manganese compound 을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질.A cathode active material for a lithium secondary battery comprising a. [화학식 1][Formula 1] LiaMn1-bMbO2-cDc Li a Mn 1-b M b O 2-c D c [화학식 2][Formula 2] LiaMn2-b'Mb'O4-cDc Li a Mn 2-b ' M b' O 4-c D c (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ b' ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이고,Where 0.90 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ b ′ ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, M은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다)M is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, rare earth elements and combinations thereof) 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 양극 활물질은 상기 나노로드로 구성된 클러스터 형상의 망간계 화합물의 직경 및 길이 100%에 대하여, 상기 망간계 화합물의 표면에서 내부 방향으로 30% 깊이까지 바나듐이 분포되어 있는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.The positive electrode active material is a positive electrode active material for lithium secondary batteries in which vanadium is distributed to a depth of 30% in the inner direction from the surface of the manganese compound with respect to 100% of the diameter and length of the cluster-shaped manganese compound composed of the nanorods. . 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 양극 활물질은 상기 나노로드로 구성된 클러스터 형상의 망간계 화합물의 직경 및 길이 100%에 대하여, 상기 망간계 화합물의 표면에서 내부 방향으로 10% 깊이까지 바나듐이 분포되어 있는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.The positive electrode active material is a positive electrode active material for lithium secondary batteries in which vanadium is distributed to a depth of 10% in the inner direction from the surface of the manganese compound with respect to 100% of the diameter and length of the cluster-shaped manganese compound composed of the nanorods. . 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 바나듐은 상기 망간계 화합물의 내부보다 표면에서 높은 농도로 존재하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.The vanadium is present in a higher concentration on the surface than the inside of the manganese-based compound positive electrode active material for a lithium secondary battery. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 망간계 화합물의 표면에서 바나듐의 농도는 80 내지 70 중량%이고, 내부에서는 20 내지 10 중량%인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.The concentration of vanadium on the surface of the manganese-based compound is 80 to 70% by weight, internally 20 to 10% by weight of a positive electrode active material for a lithium secondary battery. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 양극 활물질은 상기 망간계 화합물 중량에 대하여 1 내지 5 중량%의 바나듐을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.The positive electrode active material is a positive electrode active material for lithium secondary batteries containing 1 to 5% by weight of vanadium based on the weight of the manganese compound. 망간 전구체 및 산화제를 용매 중에서 혼합하여 성계-유사 구조를 갖는 MnO2를 제조하고;Manganese precursor and oxidant are mixed in a solvent to prepare MnO 2 having a star-like structure; 상기 MnO2와 리튬 전구체를 혼합하고;Mixing the MnO 2 with a lithium precursor; 상기 혼합물을 열처리하여 나노로드로 구성된 클러스터 형상을 갖는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 망간계 화합물을 제조하고;Heat treating the mixture to prepare a manganese compound represented by Chemical Formula 1 or 2 having a cluster shape composed of nanorods; 상기 망간계 화합물을 바나듐 화합물 용액으로 코팅하고;Coating the manganese compound with a vanadium compound solution; 얻어진 혼합물을 어닐링하는 Annealing the obtained mixture 공정을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.The manufacturing method of the positive electrode active material for lithium secondary batteries containing a process. [화학식 1][Formula 1] LiaMn1-bMbO2-cDc Li a Mn 1-b M b O 2-c D c [화학식 2][Formula 2] LiaMn2-b'Mb'O4-cDc Li a Mn 2-b ' M b' O 4-c D c (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ b' ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이고,Where 0.90 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ b ′ ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, M은Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다)M is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements and combinations thereof) 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 산화제는 암모니움 퍼설페이트, 암모니움 나이트레이트 및 이들의 조합 으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.The oxidizing agent is selected from the group consisting of ammonium persulfate, ammonium nitrate, and combinations thereof. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 망간 전구체와 산화제의 혼합 비율은 1 : 1 내지 2 : 1 중량비인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.The mixing ratio of the manganese precursor and the oxidizing agent is 1: 1 to 2: 1 weight ratio of the manufacturing method of the positive electrode active material for lithium secondary batteries. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 MnO2와 리튬 전구체를 혼합하는 공정에서, 금속 화합물을 더욱 첨가하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.In the step of mixing the MnO 2 and the lithium precursor, a metal compound is further added to the manufacturing method of the positive electrode active material for lithium secondary batteries. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 열처리 공정은 700 내지 750℃에서 5 내지 15시간 동안 실시하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.The heat treatment process is a method of manufacturing a positive electrode active material for a lithium secondary battery that is carried out at 700 to 750 ℃ for 5 to 15 hours. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 어닐링 공정은 300 내지 400℃에서 실시하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.The annealing step is a manufacturing method of a positive electrode active material for lithium secondary batteries that is carried out at 300 to 400 ℃. 양극 활물질을 포함하는 양극; A positive electrode including a positive electrode active material; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 A negative electrode including a negative electrode active material; And 전해질을 포함하고, Contains an electrolyte, 상기 양극 활물질이 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 양극 활물질인 것인 리튬 이차 전지.The cathode secondary battery is the cathode active material according to any one of claims 1 to 6.
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