KR20090126964A - Electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An electrochemical cell is provided to ensure excellent reversible capacity, cycle lifetime characteristic, especially, cycle lifetime characteristic at a high-index. CONSTITUTION: A positive active material for an electrochemical cell comprises a compound represented by chemical formula 1: Li_x[Li_(1-y-z)M^1_yM^2_z]O_(2-α)D_α with a nanowire shape. In chemical formula 1, 0.8 <= x <= 1.1, 0 <= y <= 0.5, 0 <=z <= 0.5, 0 <= α <= 0.05, M^1 and M^2 are at least one kind of different transition elements; and D is selected from the group consisting of O, F, S, P, and their combination.

Description

전기 화학 셀{ELECTROCHEMICAL CELL}Electrochemical cell {ELECTROCHEMICAL CELL}

본 발명은 전기 화학 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가역 용량이 높고, 사이클 수명 특성이 우수한 전기 화학 셀에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical cell, and more particularly, to an electrochemical cell having a high reversible capacity and excellent cycle life characteristics.

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.A battery generates power by using a material capable of electrochemical reactions at a positive electrode and a negative electrode. 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.

이러한 전지에 사용되는 활물질로 최근 나노 물질에 대한 연구가 활발하게 이용되고 있다. 이는 나노 물질이 비표면적이 매우 크므로, 전극의 활물질층과 전해질이 접촉하는 면적을 증가시킬 수 있어, 결과적으로 전지 반응에 참여하는 사이 트가 크고, 또한 리튬 이온의 확산 경로를 짧게 할 수 있고, 리튬 이온의 인터칼레이션 반응을 용이하게 할 수 있기 때문이다. Recently, research on nanomaterials has been actively used as active materials used in such batteries. This can increase the area of contact between the active material layer of the electrode and the electrolyte because the nanomaterial has a very large specific surface area, resulting in a large site participating in the battery reaction and shortening the diffusion path of lithium ions. This is because the intercalation reaction of lithium ions can be facilitated.

이러한 나노 물질 양극 활물질로는 초기 벌크 LiMn0.5Ni0.5O2 분말을 화학적으로 산화시켜 리튬이-Ni-결함 LixMn0.67Ni0.3O2와 같은 나노와이어를 제조하는 방법이 연구되었다. 상기 양극 활물질은 산처리를 실시하여 제조됨에 따라 리튬이 매우 부족하여, 즉 x값이 1보다 매우 작은 화합물이 제조된다. 이 나노와이어의 가역 용량은 4.8 내지 2V 및 20mA/g 전류 밀도에서 약 160mAh/g이었다.As the nanomaterial cathode active material, a method of preparing nanowires such as lithium-Ni-defective Li x Mn 0.67 Ni 0.3 O 2 by chemically oxidizing an initial bulk LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 powder has been studied. As the cathode active material is prepared by performing an acid treatment, a lithium is very insufficient, that is, a compound having an x value of less than 1 is prepared. The reversible capacity of this nanowire was about 160 mAh / g at 4.8-2 V and 20 mA / g current density.

또한, 최근에는 양극 활물질로 사용되는 리튬 복합금속 산화물 중, Li[Li1/3-2x/3Mn2/3-x/3Mx]O2 양극과 같은 Mn이 풍부한 리튬 금속 산화물이 초기에 4.5V 이상으로 충전하는 경우, 200mAh/g 이상의 고용량을 얻을 수 있어서 리튬 이차 전지용 양극 활물질로 중요하게 연구되고 있다. 그러나 상기 양극 활물질은 고용량 장점에도 불구하고, 고율에서 용량이 급격하게 감소하는 문제가 있다. 예를 들어, Li[Ni0.2Li0.2Mn0.6]O2 활물질을 20에서 200mA/g으로 전류를 증가하여 충방전을 실시하면, 50%를 넘는 용량 감소가 나타난다. 이에 대하여 최근에는 Li[Ni0.41Li0.08Mn0.51]O2 나노플레이트 활물질을 공침법으로 제조하여 율특성을 향상시킨 연구가 있었다. 그러나 여전히 고율 특성 향상에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.Recently, Mn - rich lithium metal oxides such as Li [Li 1 / 3-2x / 3 Mn 2 / 3-x / 3 M x ] O 2 anodes have recently been used among lithium composite metal oxides used as positive electrode active materials. In the case of charging at 4.5V or more, a high capacity of 200 mAh / g or more can be obtained, and thus it has been importantly studied as a positive electrode active material for lithium secondary batteries. However, the positive electrode active material has a problem in that, despite the high capacity advantage, the capacity decreases rapidly at a high rate. For example, when the Li [Ni 0.2 Li 0.2 Mn 0.6 ] O 2 active material is charged and discharged by increasing the current from 20 to 200 mA / g, a capacity reduction of more than 50% appears. In recent years, there has been a study of improving the rate characteristic by preparing a Li [Ni 0.41 Li 0.08 Mn 0.51 ] O 2 nanoplate active material by a coprecipitation method. However, there is still a lot of research into improving high rate characteristics.

상기 문제점을 해결하기 위한, 본 발명의 목적은 가역 용량이 우수하고, 사이클 수명 특성, 특히 고율에서 사이클 수명 특성이 우수한 전기 화학 셀용 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 an electrochemical cell which is excellent in reversible capacity and excellent in cycle life characteristics, particularly at high rates.

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 전기 화학 셀을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an electrochemical cell 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 나노와이어(nanowire) 형상을 갖는 하기 화학식 1로 표현되는 양극 활물질을 제공하는 것이다.A first embodiment of the present invention for achieving the above object is to provide a cathode active material represented by the following formula (1) having a nanowire (nanowire) shape.

[화학식 1][Formula 1]

Lix[Li1-y-zM1 yM2 z]O2-αDα Li x [Li 1-yz M 1 y M 2 z ] O 2-α D α

(상기 식에서, 0.8 ≤ x ≤ 1.1, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0 ≤z ≤ 0.5, 0 ≤ α ≤ 0.05이고,Wherein 0.8 ≦ x ≦ 1.1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, 0 ≦ α ≦ 0.05,

M1 및 M2는 1종 이상의 서로 다른 전이 금속원소이며,M 1 and M 2 are one or more different transition metal elements,

D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다)D is selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof)

또한 본 발명의 제2 구현예는 상기 양극 활물질의 제조 방법으로서, 이 제조 방법은 M1 및 M2를 함유하는 산화물 나노와이어를 제조하고; 상기 산화물 나노와이어와 리튬 화합물을 혼합하고; 상기 혼합물을 방치하고; 상기 방치된 생성물을 건조하는 공정을 포함한다.In addition, a second embodiment of the present invention is a method for producing the positive electrode active material, the method for producing an oxide nanowire containing M 1 and M 2 ; Mixing the oxide nanowires with a lithium compound; Leaving the mixture; Drying the left product.

본 발명의 제3 구현예는 상기 양극 활물질을 포함하는 전기 화학 셀을 제공하는 것이다.A third embodiment of the present invention is to provide an electrochemical cell including the cathode active material.

본 발명의 양극 활물질은 가역 용량이 높고, 사이클 수명 특성, 특히 고율에서 사이클 수명 특성이 우수하다.The positive electrode active material of the present invention has a high reversible capacity and excellent cycle life characteristics, particularly at high rates.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 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 defined only by the scope of the claims to be described later.

본 발명의 제1 구현예에 따른 양극 활물질은 나노와이어 형상을 갖는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함한다.The cathode active material according to the first embodiment of the present invention includes a compound represented by Chemical Formula 1 having a nanowire shape.

[화학식 1][Formula 1]

Lix[Li1-y-zM1 yM2 z]O2-αDα Li x [Li 1-yz M 1 y M 2 z ] O 2-α D α

상기 식에서, 0.8 ≤ x ≤ 1.1, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0 ≤z ≤ 0.5, 0 ≤ α ≤ 0.05이고,Wherein 0.8 ≦ x ≦ 1.1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, 0 ≦ α ≦ 0.05,

M1 및 M2는 1종 이상의 서로 다른 전이 금속원소이며, M1은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 M2는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.M 1 and M 2 are one or more different transition metal elements, M 1 is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe and combinations thereof, wherein M 2 is Al, Ni, Co , Mn, Cr, Fe, and combinations thereof.

또한, D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.D is also selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof.

상기 화학식 1에서, "[ ]"의 의미는 리튬이 M1 및 M2의 금속 사이트의 일부로 치환된 것을 나타낸다. 이와 같이, 리튬이 M1 및 M2의 금속 사이트의 일부로 치환하게 되면 약 4.5V에서 평탄성이 크게 나타나며, 용량이 증가하는 장점이 있다.In Chemical Formula 1, "[]" means that lithium is substituted with a part of the metal sites of M 1 and M 2 . As such, when lithium is replaced with a part of the metal sites of M 1 and M 2 , flatness is large at about 4.5 V, and the capacity is increased.

본 발명의 양극 활물질에서, 상기 나노와이어는 0.5㎛ 내지 50㎛의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 상기 나노와이어의 길이가 0.5㎛ 보다 짧을 경우 리튬 반응 사이트가 작아져 고율 특성이 저하되어 바람직하지 않고, 나노와이어의 길이는 길수록 우수하나, 50㎛를 넘게 제조하는 것은 거의 불가능하므로, 최대 50㎛가 적당하다.In the cathode active material of the present invention, the nanowires preferably have a length of 0.5 μm to 50 μm. When the length of the nanowire is shorter than 0.5 μm, the lithium reaction site becomes smaller and the high rate characteristic is lowered, which is not preferable. The longer the length of the nanowire is, the better, but since it is almost impossible to manufacture more than 50 μm, the maximum 50 μm is It is suitable.

또한 상기 나노와이어는 50 내지 100nm의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 나노와이어의 직경이 50nm보다 작을 경우 전해액과 부반응이 커서 비가역용량이 증가하는 문제가 있고, 100nm보다 클 경우 고율 특성이 저하되는 문제가 있어 바람직하지 않다. In addition, the nanowires preferably have a diameter of 50 to 100nm. When the diameter of the nanowires is smaller than 50 nm, there is a problem in that irreversible capacity increases due to large side reactions with the electrolyte.

본 발명의 양극 활물질은 나노와이어 형상을 갖으며, 층상 구조를 갖는다. 나노와이어 구조는 리튬 이온이 탈/삽입할 수 있는 자리가 많고, 리튬 확산 거리가 짧아져 고율 특성을 향상시킬 수 있다.The cathode active material of the present invention has a nanowire shape and has a layered structure. The nanowire structure has many sites where lithium ions can be removed / inserted, and the lithium diffusion distance is shortened, thereby improving high rate characteristics.

본 발명의 양극 활물질은 본 발명의 제2 구현예에 따른 다음과 같이 수열 반응(hydrothermal reaction)에 따른 제조 방법에 따라 나노와이어 형상을 갖도록 제조될 수 있다.The cathode active material of the present invention may be manufactured to have a nanowire shape according to a manufacturing method according to a hydrothermal reaction as follows according to the second embodiment of the present invention.

먼저 M1 및 M2를 함유하는 산화물 나노와이어를 제조한다. 이하 산화물 나노와이어 제조 공정에 대하여 보다 상세하게 설명한다. First, oxide nanowires containing M 1 and M 2 are prepared. Hereinafter, the oxide nanowire manufacturing process will be described in more detail.

M1 화합물 용액에 겔형성제를 첨가하여 겔을 제조한다. 이때, M1 화합물로는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe 및 이들의 조합으로 이루어진 금속원소를 포함하는 화합물을 사용할 수 있으며, 그 화합물 예로 할라이드, 나이트레이트 등을 들 수 있고, 그 대표적인 예로 KMnO4을 사용할 수 있다. M1 화합물 용액에서 용매로는 물, 에탄올 또는 핵산을 사용할 수 있다. 상기 겔형성제로는 퓨마린산을 사용할 수 있다. Gels are prepared by adding a gel former to the M 1 compound solution. In this case, as the M 1 compound, a compound containing a metal element consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, and combinations thereof may be used, and examples thereof include halides, nitrates, and the like. For example KMnO 4 can be used. Water, ethanol or nucleic acid may be used as a solvent in the M 1 compound solution. Fumaric acid may be used as the gel forming agent.

이어서, 얻어진 겔을 1차 열처리한다. 이때, 1차 열처리 공정은 400 내지 700℃에서 1 내지 20시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 상기 1차 열처리 공정을 700℃ 보다 높은 온도에서 실시하면, 제조되는 물질의 구조가 붕괴되어 바람직하지 않고, 400℃ 보다 낮은 온도에서 실시하면, 완전히 결정화되지 않아 붕괴가 일어날 수 있는 KMnO4가 제조됨에 따라 바람직하지 않다. Subsequently, the gel obtained is subjected to primary heat treatment. At this time, the first heat treatment process is preferably carried out for 1 to 20 hours at 400 to 700 ℃. The primary heat treatment process is 700 ℃ If carried out at a higher temperature, the structure of the material to be produced is decomposed, which is undesirable, and if it is carried out at temperatures lower than 400 ° C., it is not preferred as KMnO 4 is prepared, which is not fully crystallized and may cause decay.

이어서, 상기 열처리된 겔을 M2 화합물과 혼합한다. 이때, M2 화합물로는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe 및 이들의 조합으로 이루어진 금속원소를 포함하는 화합물을 사용할 수 있으며, 그 예로 나이트레이드, 할라이드, 이들의 수화물 등을 사용할 수 있다. M2 화합물의 구체적인 예로는 Co(NO3)6·6H2O, CoCl2, Ni(NO3)6·6H2O, NiCl2 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 열처리된 겔과 M2 혼합물의 비율은 1 : 10 내지 1 : 50 중량비가 적당하다.The heat treated gel is then mixed with the M 2 compound. In this case, as the M 2 compound, a compound containing a metal element consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, and combinations thereof may be used. For example, nitride, halide, or a hydrate thereof may be used. . Specific examples of the M 2 compound include Co (NO 3 ) 6 .6H 2 O, CoCl 2 , Ni (NO 3 ) 6 .6H 2 O, NiCl 2, or a combination thereof. The ratio of the heat-treated gel and the M 2 mixture is suitably 1: 10 to 1: 50 by weight.

또한 얻어진 혼합물을 2차로 열처리한다. 이 공정에 따라 M1 및 M2를 함유하는 산화물 나노와이어가 제조된다. 상기 2차 열처리 공정은 150 내지 250℃에서 2 내지 48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 상기 2차 열처리 공정을 상기 온도 범위를 벗어나는 온도에서 실시하면 원하는 생성물을 제조할 수 없어 바람직하지 않다. 이때 제조된 산화물 나노와이어의 직경은 20 내지 60nm이고, 길이는 0.5㎛ 내지 50㎛이다. The resulting mixture is also subjected to a second heat treatment. According to this process, oxide nanowires containing M 1 and M 2 are produced. The secondary heat treatment process is preferably performed for 2 to 48 hours at 150 to 250 ℃. If the secondary heat treatment process is performed at a temperature outside the temperature range, it is not preferable because the desired product cannot be prepared. At this time, the diameter of the prepared oxide nanowire is 20 to 60nm, the length is 0.5㎛ 50㎛.

상기 산화물 나노와이어와 리튬 화합물을 혼합한다. 이 리튬 화합물로는 리튬 나이트레이트, 리튬 아세테이트, 리튬 하이드록사이드 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 산화물 나노와이어와 리튬 화합물의 혼합 비율은 1: 2 내지 1 : 4 중량비가 바람직하다. 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 또는 Fe을 사 용할 수 있으며, 금속 화합물의 예로는 상기 금속의 산화물, 나이트레이트염, 아세테이트염 또는 수산화물(hydroxide)일 수 있다. 이 혼합 공정은 건식으로 실시할 수 도 있고, 혼합 매질로 유기 용매를 사용하여 습식으로 실시할 수도 있다. 유기 용매로는 에탄올 등의 알콜, 또는 아세톤을 사용할 수 있다. The oxide nanowires and a lithium compound are mixed. Lithium nitrate, lithium acetate, lithium hydroxide and the like may be used as the lithium compound, but is not limited thereto. The mixing ratio of the oxide nanowires and the lithium compound is preferably 1: 2 to 1: 4 weight ratio. 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. Al, Ni, Co, Cr or Fe may be used as the metal, and 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.

이어서, 상기 혼합물을 방치하며, 이 방치 공정은 200 내지 250℃에서 12 내지 48시간 동안 실시하는 것이 적당하다. 상기 방치 공정을 상기 온도 및 시간을 벗어나는 조건 하에서 실시하면 원하는 와이어 형상의 양극 활물질을 얻을 수 없어 바람직하지 않다.The mixture is then left to stand, and this leaving process is suitably carried out at 200 to 250 ° C. for 12 to 48 hours. If the leaving process is performed under conditions outside of the temperature and time, it is not preferable because a positive electrode active material having a desired wire shape cannot be obtained.

이어서, 방치된 생성물을 건조하며, 이 건조 공정은 100 내지 200℃에서 12 내지 48시간 동안 실시하는 것이 적당하다. The left product is then dried, and this drying process is suitably carried out at 100 to 200 ° C. for 12 to 48 hours.

산화물 나노와이어와 리튬 화합물을 혼합하는 공정에서 산화물 나노와이어의 직경이 다소 증가하여 최종 양극 활물질인 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 구성하는 나노와이어의 직경은 50nm 내지 100nm이고, 길이는 0.5㎛ 내지 50㎛이다.In the process of mixing the oxide nanowires and the lithium compound, the diameter of the oxide nanowires is slightly increased, and the diameters of the nanowires constituting the compound represented by the following Formula 1, which is the final cathode active material, are 50 nm to 100 nm, and the length is 0.5 μm to 50. [Mu] m.

[화학식 1][Formula 1]

Lix[Li1-y-zM1 yM2 z]O2-αDα Li x [Li 1-yz M 1 y M 2 z ] O 2-α D α

(상기 식에서, 0.8 ≤ x ≤ 1.1, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0 ≤z ≤ 0.5, 0 ≤ α ≤ 0.05이고,Wherein 0.8 ≦ x ≦ 1.1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, 0 ≦ α ≦ 0.05,

M1 및 M2는 1종 이상의 서로 다른 전이 금속원소이며, M1은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 M2는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.M 1 and M 2 are one or more different transition metal elements, M 1 is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe and combinations thereof, wherein M 2 is Al, Ni, Co , Mn, Cr, Fe, and combinations thereof.

또한, D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.D is also selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof.

본 발명의 양극 활물질은 리튬 이차 전지와 같은 전기 화학 셀의 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 an electrochemical cell such as 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. 이때양극 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 content of the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the solvent is used at a level commonly used in a lithium secondary battery.

상기 음극은 양극과 마찬가지로 음극 활물질, 결합제 및 용매를 혼합하여 애노드 활물질 조성물을 제조하며, 이를 구리 집전체에 직접 코팅하거나 별도의 지지 체 상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 음극 활물질 필름을 구리 집전체에 라미네이션하여 제조한다. 이때 음극 활물질 조성물에는 필요한 경우에는 도전재를 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.The negative electrode active material film coated directly on the copper current collector or cast on a separate support body and peeled from the support is a 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 에스테르류1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히 드로푸란, 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, 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-methyltetra Amides, such as nitriles, dimethylformamide, such as ethers, acetonitrile, such as hydrofuran, 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)

KMnO4 7.2g 및 증류수 200ml를 포함하는 용액을 40℃에서 30분간 서서히 교반하고, 빠른 흡열 반응을 야기하기 위하여, 얻어진 혼합물에 퓨마리산 2.1g을 첨가하여 갈색 겔을 제조하였다. 이 겔을 400℃에서 6시간 동안 어닐링하고, 700℃에서 12시간 다시 어닐링하여, 얻어진 진한 검정 분말을 물로 6번 완전하게 세척한 후, 200℃에서 밤새 진공건조하였다.A solution containing 7.2 g of KMnO 4 and 200 ml of distilled water was slowly stirred at 40 ° C. for 30 minutes, and in order to cause a rapid endothermic reaction, 2.1 g of fumariic acid was added to the obtained mixture to prepare a brown gel. The gel was annealed at 400 ° C. for 6 hours and annealed again at 700 ° C. for 12 hours, and the resulting dark black powder was washed thoroughly with water six times and then vacuum dried at 200 ° C. overnight.

제조된 생성물은 ICP-MS(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICPS-1000IV, Shimadzu) 분석으로 K-버네사이트(birnessite)인 K0 .3MnO2가 제조되었음을 확인하였다.The prepared product was confirmed that the K 0 .3 MnO 2 is prepared ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry, ICPS-1000IV, Shimadzu) to K- Burnet site (birnessite) analysis.

제조된 K0.3MnO2를 Co(NO3)6·6H2O와 1 : 8의 중량비로 100ml 증류수 중에서 혼합하고, 이를 200℃에서 5일간 오토클레이브에서 방치한 후, 물로 6번 세척하여, 반응중에 발생될 수 있는 불순물 및 용해된 K 이온을 제거하였다. 제조된 생성물을ICP-MS로 측정한 결과 Co0.4Mn0.6O2 나노와이어였다. 이 나노와이어의 직경은 50 nm이었고, 길이는 1㎛이었다. The prepared K 0.3 MnO 2 was mixed in 100 ml distilled water with Co (NO 3 ) 6 .6H 2 O in a weight ratio of 1: 8, and the mixture was left in an autoclave at 200 ° C. for 5 days, and then washed six times with water for reaction. Impurities and dissolved K ions that could be generated during the process were removed. The product was measured by ICP-MS and found to be Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowire. This nanowire had a diameter of 50 nm and a length of 1 mu m.

LiNO3·H2O 및 제조된 Co0.4Mn0.6O2 나노와이어를 4 : 1 중량비로 100ml 증류수 중에서 혼합하고, 오토클레이트로 이동하여 200℃에서 2일간 방치하였다. 제조된 분말을 물로 세척하고, 진공 하에서 120℃로 건조하여 Li0.88[Li0.18Co0.33Mn0.49]O2 나노와이어 양극 활물질을 제조하였다. 이 양극 활물질 나노와이어의 직경은 80nm이었고, 길이는 1㎛이었다. 또한 이 양극 활물질은 층상 구조를 갖는 물질이었다.LiNO 3 · H 2 O and the prepared Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowires were mixed in 100 ml distilled water in a 4: 1 weight ratio, and moved to an autoclave and left at 200 ° C. for 2 days. The prepared powder was washed with water and dried at 120 ° C. under vacuum to prepare Li 0.88 [Li 0.18 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 nanowire cathode active material. The diameter of this positive electrode active material nanowire was 80 nm and the length was 1 micrometer. This positive electrode active material was a material having a layered structure.

상기 양극 활물질 약 20mg 및 슈퍼 P 카본 블랙(MMM사, 벨기에 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더(Kureha 사, 일본)을 90 : 5 : 5 중량비로 N-메틸-2-피롤리돈 중에서 잘 교반하여 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 Al-포일에 코팅하고, 130℃에서 20분간 건조하여 양극을 제조하였다. 이때 양극 활물질 로딩양은 20mg/cm2였다(Al 전류 집전체 20㎛를 제외한 전극 두께).Approximately 20 mg of the positive electrode active material and the super P carbon black (MMM, Belgium and polyvinylidene fluoride binder (Kureha, Japan)) were stirred well in N: methyl-2-pyrrolidone in a 90: 5: 5 weight ratio to slurry Was prepared, and the slurry was coated on Al-foil and dried for 20 minutes at 130 ° C. to prepare a positive electrode, wherein a positive electrode active material loading amount was 20 mg / cm 2 (electrode thickness except 20 μm of Al current collector).

상기 양극, 리튬 대극 및 미세다공성 폴리에틸렌 세퍼레이트를 사용하여 헬륨이 충진된 글로브 박스 내에서 코인형 테스트 전지(size 2016)를 제조하였다. 이때 전해액으로는 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트/디에틸렌 카보네이트/에틸 메틸 카보네이트(30 : 30 : 40 부피%)(제일모직, 한국)를 사용하였다. 전해질을 첨가한 후, 전기화학적 실험 전에 테스트 전지를 상온에서 24시간 동안 화성하였다. A coin-type test cell (size 2016) was manufactured in a helium-filled glove box using the positive electrode, the lithium counter electrode, and the microporous polyethylene separator. At this time, ethylene carbonate / diethylene carbonate / ethyl methyl carbonate (30: 30: 40% by volume) in which 1M LiPF 6 was dissolved was used (Cheil Industries, Korea). After the addition of the electrolyte, the test cell was chemicalized at room temperature for 24 hours before the electrochemical experiment.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

80-200nm의 평균 입경을 갖는 1차 입자가 응집되어 형성된, 평균입경이 1-20㎛인 2차 입자(응집체)인 Li[Ni0.20Li0.2Mn0.6]O2 나노입자를 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 전지를 제조하였다.The secondary particles (aggregates) having an average particle diameter of 1-20 μm formed by aggregation of primary particles having an average particle diameter of 80-200 nm, using Li [Ni 0.20 Li 0.2 Mn 0.6 ] O 2 nanoparticles as a negative electrode active material. Except that was carried out in the same manner as in Example 1 to prepare a battery.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

평균 입경이 20-200nm인 Li[Ni0.41Li0.08Mn0.51]O2 나노입자를 음극 활물질로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that Li [Ni 0.41 Li 0.08 Mn 0.51 ] O 2 nanoparticles having an average particle diameter of 20-200 nm were used as the negative electrode active material.

* XRD 측정* XRD measurement

상기 실시예 1에서 제조된 Co0.4Mn0.6O2 나노와이어 및 Li0.88[Li0.12Co0.33Mn0.49]O2 나노와이어 양극 활물질의 X-선 회절 패턴을 Cu 타켓 튜브를 사용하여 측정하여, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 것과 같이, Co0.4Mn0.6O2 나노와이어는 약 12°(110) 및 약 25°(200) 산란각(scattering angle)에서 주요한 두 개의 피크를 갖으며 이는 K-버네사이트로부터 얻어지는 Ni0.45Mn0.55O2와 유사한 결과였다. 따라서 제조된 Co0.4Mn0.6O2 나노와이어는 버네사이트와 유사한 구조를 갖음을 알 수 있다. 또한 실시예 1에서 제조된 Li0.88[Li0.12Co0.33Mn0.49]O2 나노와이어 양극 활물질은 R3m 공간군을 갖는 헥사고날 층상 구조가 형성되었음이 명백함을 알 수 있다. 또한, 실시예 1에서 제조된 Li0.88[Li0.12Co0.33Mn0.49]O2 나노와이어 양극 활물질은 20° 부근에서 작은 피크가 나타나있으므로, 리튬이 금속 사이트의 일부로 치환된 것을 알 수 있다.The X-ray diffraction pattern of the Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowire and Li 0.88 [Li 0.12 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 nanowire cathode active material prepared in Example 1 was measured using a Cu target tube, and the results were obtained. Is shown in FIG. As shown in FIG. 1, Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowires have two major peaks at about 12 ° (110) and about 25 ° (200) scattering angles, which are obtained from K-Bernesite The results were similar to Ni 0.45 Mn 0.55 O 2 . Therefore, it can be seen that the manufactured Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowires have a structure similar to that of vernesite. In addition, it can be seen that the Li 0.88 [Li 0.12 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 nanowire positive electrode active material prepared in Example 1 had a hexagonal layered structure having a R3m space group. In addition, Li 0.88 [Li 0.12 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 nanowire positive electrode active material prepared in Example 1 showed a small peak near 20 °, and thus, lithium was substituted as part of the metal site.

제조된 양극 활물질의 a 및 c의 격자 상수는 2.834 및 14.208Å이었으며, 약 20°및 24°에서 매우 약한 규칙격자 회절은 층상 격자의 전이금속 사이트에서Li, Co 및 Mn 이온의 순서에 대응하는 것으로 알려져있다. 또한 도 1에 나타낸 것과 같이, (003)면에서 다른 피크에 비해 매우 높은 피크가 나타나있다. 이는 나노 와이어의 배향이 한쪽으로 되어 있음을 의미하며, (003)면에서 피크가 나타난 것은 양극 활물질의 강도가 높다는 것을 의미한다. The lattice constants of a and c of the prepared cathode active materials were 2.834 and 14.208Å, and very weak regular lattice diffraction at about 20 ° and 24 ° corresponds to the order of Li, Co, and Mn ions at the transition metal site of the layered lattice. Known. In addition, as shown in FIG. 1, a very high peak is shown in the (003) plane compared to other peaks. This means that the orientation of the nanowires is on one side, and a peak at the (003) plane means that the strength of the positive electrode active material is high.

실시예 1에 따라 제조된 양극 활물질의 ICP-MS 결과는 LiMnO2로 표준화되는 Li1.3Co0.4Mn0.6O4.9가 형성되었음을 나타내며, 이 화합물은 Li0.88[Li0.12Co0.33Mn0.49]O2의 화학식으로도 표시될 수 있다.ICP-MS results of the positive electrode active material prepared according to Example 1 indicate that Li 1.3 Co 0.4 Mn 0.6 O 4.9 is formed, which is standardized to LiMnO 2 , and the compound is represented by the chemical formula of Li 0.88 [Li 0.12 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 . It may also be indicated by.

* SEM 및 TEM 사진과 EDS(energy-dispersive X-ray spectrometry) 측정* SEM and TEM photographs and energy-dispersive X-ray spectrometry (EDS) measurements

도 2에 실시예 1에서 제조된 Co0.4Mn0.6O2 나노와이어 및 제조된 Li0.88[Li0.12Co0.33Mn0.49]O2 나노와이어 양극 활물질의 TEM 및 SEM 사진 및 EDS 측정 결과를 나타내었다. 이때 TEM 사진은 200kV에서 작동하는 JEOL 2100F 전자 현미경을 사용하여 측정하였다.2 shows TEM and SEM photographs and EDS measurement results of the Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowire prepared in Example 1 and the prepared Li 0.88 [Li 0.12 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 nanowire cathode active material. TEM images were measured using a JEOL 2100F electron microscope operating at 200kV.

도 2에서 (a)는 실시예 1에서 제조된 Co0.4Mn0.6O2 나노와이어의 TEM 사진이고, (b)는 Li0.88[Li0.12Co0.33Mn0.49]O2 나노와이어 양극 활물질의 SEM 사진이다. 또한, 도 2에서 (d)는 Li0.88[Li0.12Co0.33Mn0.49]O2 나노와이어 양극 활물질의 TEM 사진이고, (e)는 (d)에 나타낸 와이어 중 하나의 와이어에 대한 HREM(high-resolution electron microscopy)이다. 이 HREM을 측정하기 위한 시료는 실시예 1에서 제조된 양극 활물질을 아세톤에 분산시킨 후, 이를 탄소-코팅된 구리 그리드에서 휘발시켜 제조하였다.In Figure 2 (a) is a TEM picture of Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowires prepared in Example 1, (b) is a SEM picture of Li 0.88 [Li 0.12 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 nanowires positive electrode active material . Also, in FIG. 2, (d) is a TEM image of Li 0.88 [Li 0.12 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 nanowire positive electrode active material, and (e) is HREM (high-high) for one of the wires shown in (d). resolution electron microscopy). The sample for measuring this HREM was prepared by dispersing the positive electrode active material prepared in Example 1 in acetone, and then volatilizing it in a carbon-coated copper grid.

도 2의 (a)에 나타낸 것과 같이, 실시예 1에서 제조된 Co0.4Mn0.6O2 나노와이어는 40nm의 직경을 갖고, 1㎛보다 큰 길이를 갖음을 알 수 있다. 또한 도 2의 (b)에 나타낸 것과 같이, Co0.4Mn0.6O2 나노와이어와 리튬 나이트레이트를 반응시켜 제조된 양극 활물질은 나노와이어의 크기가 증가하여 100nm 직경 및 3㎛보다 큰 길이를 갖음을 알 수 있다. 아울러, 도 2의 (b)에 삽입된 나노와이어의 에지 부분의 확대사진을 보면, 양극 활물질 입자가 응집된 개별 나노와이어로 구성되었음을 알 수 있다. 아울러, 도 2의 (d)에 TEM 사진을 보면 제조된 양극 활물질 나노와이어 의 직경은 약 50nm였다. 도 2의 e인 HREM 사진은 나노와이어가 0.46nm에 해당하는 (003) 면의 격자줄무늬(lattice fringe)상을 갖는 층상 구조가 형성되었음을 나타낸다. 또한 직경 50nm 및 길이 10㎛ 넘는 비정상적으로 성장된 나노와이어가 관찰되었다. As shown in FIG. 2A, it can be seen that the Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowires prepared in Example 1 have a diameter of 40 nm and a length greater than 1 μm. In addition, as shown in (b) of FIG. 2, the positive electrode active material prepared by reacting Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowires with lithium nitrate has an increase in the size of the nanowires to have a diameter of 100 nm and a length greater than 3 μm. Able to know. In addition, looking at the enlarged picture of the edge portion of the nanowire inserted in (b) of Figure 2, it can be seen that the positive electrode active material particles are composed of agglomerated individual nanowires. In addition, looking at the TEM picture in Figure 2 (d) the diameter of the prepared positive electrode active material nanowire was about 50nm. The HREM photograph of FIG. 2 e shows that the nanowire has a layered structure having a lattice fringe image of the (003) plane corresponding to 0.46 nm. In addition, abnormally grown nanowires with a diameter of 50 nm and a length of 10 μm were observed.

도 2의 (c)는 상기 실시예 1에서 제조된 양극 활물질의 EDS 측정 결과를 나타낸 그래프로서, 그 결과 제조된 양극 활물질에는 Co 및 Mn이 모두 존재함을 알 수 있다. 또한 실시예 1에서 제조된 양극 활물질의 ICP-MS를 측정한 결과는 Li0.88[Li0.12Co0.33Mn0.49]O2의 화학양론을 나타내었다.Figure 2 (c) is a graph showing the EDS measurement results of the positive electrode active material prepared in Example 1, it can be seen that both the Co and Mn present in the prepared positive electrode active material. In addition, the results of measuring ICP-MS of the cathode active material prepared in Example 1 showed a stoichiometry of Li 0.88 [Li 0.12 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 .

또한 제조된 양극 활물질 나노와이어는 도 2d에 나타난 TEM 사진에서 같은 간격으로 반복된 층간거리를 측정하면 d 공간(spacing) 거리가 약 4.1Å가 나오므로 (003)면)을 확인할 수 있으며, 이 결과로부터 층상 헥사고날 구조를 가짐을 알 수 있다. 아울러,제조된 양극 활물질의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적을 측정한 결과 50m2/g이었다.In addition, the fabricated cathode active material nanowires can be identified (003) plane as the spacing distance is about 4.1 하면 when the interlayer distances are repeated at the same interval in the TEM photograph shown in FIG. 2D. It can be seen from the layered hexagonal structure. In addition, the BET (Brunauer-Emmett-Teller) specific surface area of the manufactured cathode active material was measured, and found to be 50 m 2 / g.

* 충방전 특성* Charging / discharging characteristics

상기 실시예 1의 양극 활물질을 이용한 전지를 245, 242, 238, 230, 225 및 220mAh/g에 해당하는 0.2C, 1C, 3C, 5C, 10C 및 15C(1C=240mAh/g) 방전율(충전율은 1C로 고정) 속도로 4.8 내지 2V 사이에서 충방전을 실시한 후, 초기 방전 용량 및 전압을 도 3에 나타내었다. 도 3에서 보면, 1회 충전 공정 후, 충방전 속도를 증가시키면서, 연속적인 충방전을 실시한 결과, 평탄부(plateau)가 사라졌음을 알 수 있다. Li2MnO3-계열 산화물을 사용하는 경우에는 약 4.5V에서 특이한 편평한 평탄부가 나타나는 것으로 보고되었으나, 반면에, 도 3에 나타낸 것과 같이, Li0.88[Li0.18Co0.33Mn0.49]O2는 약 4.6V에서 경사진 평탄부를 갖음을 알 수 있다. 이와 같이 Li0.88[Li0.18Co0.33Mn0.49]O2 나노와이어에서 편평한 평탄부 대신에 약 4.6V에서 경사진 평탄부가 존재하는 것은, Co 또는 Cr 함량이 증가하면 나타나는 현상이다. 이는 산화 환원 반응에서 전이 금속이 더욱 포함될 수 있고, 전이 금속 함량을 갖는 시료에 대하여 산소 손실이 요구되지 않아 Li 층으로부터 모든 Li이 제거되기 때문에 얻어지는 결과로 생각된다.In the battery using the positive electrode active material of Example 1, the discharge rate of 0.2C, 1C, 3C, 5C, 10C and 15C (1C = 240mAh / g) corresponding to 245, 242, 238, 230, 225 and 220mAh / g (charge rate is After charging and discharging was performed at a rate of 4.8 to 2V at a fixed rate of 1C, the initial discharge capacity and voltage are shown in FIG. 3. 3, it can be seen that after the one-time charging process, the continuous charging / discharging was performed while increasing the charging / discharging speed, and the flat portion disappeared. When using a Li 2 MnO 3 -based oxide, it is reported that an unusual flat flat surface appears at about 4.5V, whereas, as shown in FIG. 3, Li 0.88 [Li 0.18 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 is about 4.6. It can be seen that V has an inclined flat portion. As such, the presence of a flat portion inclined at about 4.6 V instead of the flat flat portion in Li 0.88 [Li 0.18 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 nanowire is a phenomenon that occurs when the Co or Cr content is increased. This is thought to be the result obtained because the transition metal may be further included in the redox reaction, and oxygen is not required for the sample having the transition metal content so that all Li is removed from the Li layer.

아울러, 도 3에 나타낸 것과 같이, 0.2C로 1회 사이클 동안, 충전 및 방전 용량은 283 및 245mAh/g이었고, 쿨롱 효율은 87%였다.In addition, as shown in FIG. 3, during one cycle at 0.2C, the charge and discharge capacities were 283 and 245 mAh / g, and the coulombic efficiency was 87%.

또한, 상기 실시예 1의 양극 활물질을 이용한 전지를 0.2C로 3회, 1C로 4회, 3C로 5회, 5C로 7회, 10C로11회, 15C로 20회 충방전을 실시한 사이클 수명 특성 결과를 도 4의 (a)에 나타내었고, 1C로 50회 충방전을 실시한 사이클 수명 특성 결과를 도 4의 (b)에 나타내었다.In addition, the cycle life characteristics of the battery using the positive electrode active material of Example 1 was charged and discharged three times at 0.2C, four times at 1C, five times at 3C, seven times at 5C, 11 times at 10C, and 20 times at 15C. The results are shown in (a) of FIG. 4, and the cycle life characteristics of 50 charge / discharge cycles at 1 C are shown in FIG. 4 (b).

도 4의 (a)에 나타낸 것과 같이, 0.2C에 대한 15C에서의 용량 유지율은 90%였으며, 15C에서 반복적으로 사이클을 실시하여도 98%였다. 또한, 도 4의 (b)에 나타낸 것과 같이, 1C로 50 사이클 후, 용량 유지율은 92%였다.As shown in (a) of FIG. 4, the capacity retention rate at 15C to 0.2C was 90%, and 98% even after repeated cycles at 15C. In addition, as shown in Fig. 4B, the capacity retention rate was 92% after 50 cycles at 1C.

또한 입자 분포도 및 입자 크기에 따른 율 특성을 알아보기 위하여, 예를 들면 비교예 1의 Li[Ni0.20Li0.2Mn0.6]O2 나노입자는 80-200nm의 평균 입경을 갖는 1차 입자가 응집되어 평균입경이 1-20㎛인 2차 입자(응집체)로 분포되어 있다. 이 비교예 1의 나노입자는 20mA/g에서는 약 280mAh/g의 1회 방전 용량을 나타내나, 400mA/g에서 210mAh/g으로 방전 용량이 현저하게 감소하였다.In addition, in order to determine the rate characteristics according to the particle distribution and particle size, for example, in the Li [Ni 0.20 Li 0.2 Mn 0.6 ] O 2 nanoparticles of Comparative Example 1, primary particles having an average particle diameter of 80-200 nm are aggregated. It is distributed as secondary particles (aggregates) having an average particle diameter of 1-20 µm. The nanoparticles of Comparative Example 1 exhibited a single discharge capacity of about 280 mAh / g at 20 mA / g, but the discharge capacity was significantly reduced from 210 mA / g to 400 mAh / g.

이에 대하여 실시예 1의 나노와이어 양극 활물질은 약 50nm의 균일한 직경을 갖으며, 48mA/g에서 1회 방전 용량이 245mAh/g이면서, 3000mA/g에서도 200mAh/g을 얻었으므로, 율 특성이 비교예 1에 비하여 매우 우수함을 알 수 있다.In contrast, the nanowire positive electrode active material of Example 1 had a uniform diameter of about 50 nm, and a discharge capacity of 245 mAh / g at 48 mA / g, and 200 mAh / g at 3000 mA / g was obtained. It can be seen that it is very superior to Example 1.

또한 평균 입경이 20-200nm인 비교예 2의 Li[Ni0 .41Li0 .08Mn0 .51]O2 나노입자(BET 표면적은 24m2/g)의 용량 유지율은 1200mA/g 전류 속도에서, 89%인 반면, 나노와이어는 94%로, 매우 높았다. 이러한 용량 유지율은 차이는 특히 높은 전류 속도에서는 매우 큰 차이를 나타내는 것이다.In addition, an average particle diameter of Li [Li Ni 0 .41 0 .08 0 .51 Mn] O 2 nanoparticles (BET specific surface area was 24m 2 / g) of Comparative Example 2 20-200nm capacity retention ratio is at 1200mA / g current speed , 89%, while nanowires were 94%, very high. This capacity retention is very large, especially at high current rates.

이러한 결과로부터 나노와이어의 용량 유지율은 1200mA/g 이상의 전류 속도에서 나노입자보다 매우 높을 것을 예측할 수 있다. 이러한 결과는 높은 비표면적을 갖는 나노와이어는 전극의 활물질 층과 전해질이 접촉하는 면적을 증가시키므로, 활물질 입자의 격자 내부로의 확산 경로를 감소시킬 수 있고, 또한 리튬 인터칼레이션의 스트레인을 감소시킴에 따라 나노입자보다 향상된 사이클 특성을 나타내게 하는 것으로 생각된다.From these results, it can be predicted that the capacity retention rate of nanowires will be much higher than nanoparticles at current rates of 1200 mA / g or more. These results show that nanowires with high specific surface area increase the area of contact between the active material layer of the electrode and the electrolyte, thereby reducing the diffusion path of the active material particles into the lattice, and also reducing the strain of lithium intercalation. Therefore, it is thought to exhibit improved cycle characteristics than nanoparticles.

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 1에서 제조된 Co0.4Mn0.6O2 나노와이어 및 Li0.88[Li0.12Co0.33Mn0.49]O2 나노와이어 양극 활물질의 X-선 회절을 측정하여 나타낸 그래프.1 is a graph showing X-ray diffraction measurements of Co 0.4 Mn 0.6 O 2 nanowires and Li 0.88 [Li 0.12 Co 0.33 Mn 0.49 ] O 2 nanowires prepared in Example 1 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 Co0 .4Mn0 .6O2 나노와이어의 TEM 사진(a) 및 제조된 Li0 .88[Li0 .12Co0 .33Mn0 .49]O2 나노와이어 양극 활물질의 SEM 사진(b), TEM 사진(d) 및 HREM 사진(e) 및 EDS 측정 결과(c)를 나타낸 도면.Figure 2 is a Co 0 .4 Mn 0 .6 O 2 nanowires of a TEM image (a) and the produced Li 0 .88 [Li 0 .12 Co 0 .33 Mn 0 .49 prepared in Example 1 of the present invention; ] SEM photograph (b), TEM photograph (d), HREM photograph (e), and EDS measurement result (c) of the O 2 nanowire positive electrode active material.

도 3은 본 발명의 실시예 1의 양극 활물질을 이용한 전지를 245, 242, 238, 230, 225 및 220mAh/g에 해당하는 0.2C, 1C, 3C, 5C, 10C 및 15C(1C=240mAh/g) 방전율(충전율은 1C로 고정) 속도로 4.8 내지 2V 사이에서 충방전을 실시한 후, 초기 방전 용량 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프.3 illustrates 0.2C, 1C, 3C, 5C, 10C and 15C (1C = 240mAh / g) corresponding to 245, 242, 238, 230, 225 and 220mAh / g of a battery using the positive electrode active material of Example 1 of the present invention. ) Graph showing the initial discharge capacity and voltage after charging and discharging at a rate of discharge (charge rate is fixed at 1C) between 4.8 and 2V.

도 4는 본 발명의 실시예 1의 양극 활물질을 이용한 전지를 0.2C에서 15C로, 충방전 속도를 증가시키면서, 20회 충방전을 실시한 사이클 수명 특성 결과(a) 및 1C로 50회 충방전을 실시한 사이클 수명 특성 결과(b)를 나타낸 그래프.4 is a cycle life characteristic result of performing 20 charge / discharge cycles at 0.2C to 15C, increasing the charge / discharge rate of the battery using the positive electrode active material of Example 1 of the present invention, and charging / discharging 50 times at 1C. Graph showing cycle life characteristic results (b).

Claims (15)

나노와이어 형상을 갖는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함하는 전기 화학 셀용 양극 활물질Cathode active material for electrochemical cells comprising a compound represented by the following formula (1) having a nanowire shape [화학식 1][Formula 1] Lix[Li1-y-zM1 yM2 z]O2-αDα Li x [Li 1-yz M 1 y M 2 z ] O 2-α D α (상기 식에서, 0.8 ≤ x ≤ 1.1, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0 ≤z ≤ 0.5, 0 ≤ α ≤ 0.05이고,Wherein 0.8 ≦ x ≦ 1.1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, 0 ≦ α ≦ 0.05, M1 및 M2는 1종 이상의 서로 다른 전이 금속원소이며,M 1 and M 2 are one or more different transition metal elements, D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다)D is selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof) 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 M1은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,M 1 is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, and combinations thereof, 상기 M2는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질.Wherein M 2 is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe and combinations thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 나노와이어는 0.5㎛ 내지 50㎛의 길이를 갖는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질.The nanowire is a positive electrode active material for an electrochemical cell having a length of 0.5㎛ 50㎛. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 나노와이어는 50nm 내지 100nm의 직경을 갖는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질.The nanowires have a diameter of 50nm to 100nm positive electrode active material for an electrochemical cell. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 양극 활물질은 층상 구조를 갖는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질.The cathode active material is a cathode active material for an electrochemical cell having a layered structure. M1 및 M2를 함유하는 산화물 나노와이어를 제조하고;Preparing oxide nanowires containing M 1 and M 2 ; 상기 산화물 나노와이어와 리튬 화합물을 혼합하고;Mixing the oxide nanowires with a lithium compound; 상기 혼합물을 방치하고;Leaving the mixture; 상기 방치된 생성물을 건조하는 Drying the neglected product 공정을 포함하는 나노와이어 형상을 갖는 하기 화학식 1로 표현되는 전기 화학 셀용 양극 활물질의 제조 방법.The manufacturing method of the positive electrode active material for electrochemical cells represented by following General formula (1) which has a nanowire shape containing a process. [화학식 1][Formula 1] Lix[Li1-y-zM1 yM2 z]O2-αDα Li x [Li 1-yz M 1 y M 2 z ] O 2-α D α (상기 식에서, 0.8 ≤ x ≤ 1.1, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0 ≤z ≤ 0.5, 0 ≤ α ≤ 0.05이고,Wherein 0.8 ≦ x ≦ 1.1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, 0 ≦ α ≦ 0.05, M1 및 M2는 1종 이상의 서로 다른 전이 금속원소이며,M 1 and M 2 are one or more different transition metal elements, D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다)D is selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof) 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 산화물 나노와이어와 리튬 화합물의 혼합 비율은 1 : 2 내지 1 : 4 중량비인 전기 화학 셀용 양극 활물질의 제조 방법.The mixing ratio of the oxide nanowires and the lithium compound is 1: 2 to 1: 4 weight ratio of the manufacturing method of the positive electrode active material for electrochemical cells. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 산화물 나노와이어와 리튬 화합물을 혼합하는 공정에서, 금속 화합물을 더욱 첨가하는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질의 제조 방법.In the step of mixing the oxide nanowires and the lithium compound, a method for producing a positive electrode active material for an electrochemical cell which is further added to a metal compound. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 방치 공정은 200 내지 250℃에서 12 내지 48시간 동안 실시하는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질의 제조 방법.The leaving process is carried out at 200 to 250 ° C. for 12 to 48 hours. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 건조 공정은 100 내지 200℃에서 12 내지 48시간 동안 실시하는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질의 제조 방법.The drying process is a method for producing a positive electrode active material for an electrochemical cell that is carried out at 100 to 200 ℃ for 12 to 48 hours. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 M1 및 M2를 함유하는 산화물 나노와이어는 Oxide nanowires containing the M 1 and M 2 M1 화합물 용액에 겔형성제를 첨가하여 겔을 제조하고;A gel was prepared by adding a gel former to the M 1 compound solution; 상기 겔을 1차 열처리하고;First heat treating the gel; 상기 열처리된 겔을 M2 화합물과 혼합하고;Mixing the heat treated gel with a M 2 compound; 상기 혼합물을 2차 열처리하는 공정으로 제조되는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질의 제조 방법. Method of producing a positive electrode active material for an electrochemical cell which is prepared by a process of secondary heat treatment of the mixture. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 겔형성제는 퓨마린산인 전기 화학 셀용 양극 활물질의 제조 방법.The gel forming agent is fumaric acid manufacturing method of the positive electrode active material for an electrochemical cell. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 1차 열처리는 400 내지 700℃에서 1 내지 20시간 동안 실시하는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질의 제조 방법.The primary heat treatment is a method of producing a positive electrode active material for an electrochemical cell that is carried out at 400 to 700 ℃ for 1 to 20 hours. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 2차 열처리는 150 내지 250℃에서 2 내지 48시간 동안 실시하는 것인 전기 화학 셀용 양극 활물질의 제조 방법.The secondary heat treatment is a method for producing a positive electrode active material for an electrochemical cell that is carried out at 150 to 250 ℃ for 2 to 48 hours. 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 제5항 중 어느 한 항에 따른 양극 활물질인 것인 전기 화학 셀.The electrochemical cell, wherein the positive electrode active material is the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 5.
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