KR20100029501A - Olivine type positive active material for lithium second battery, method for preparing the same, and lithium battery comprising the same - Google Patents

Olivine type positive active material for lithium second battery, method for preparing the same, and lithium battery comprising the same Download PDF

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Abstract

PURPOSE: An olivine type positive active material for a lithium second battery is provided to produce a lithium secondary battery with high energy density due to a carbon coating layer with high conductivity. CONSTITUTION: An olivine type positive active material for a lithium second battery comprises a core material represented by chemical formula 1: Li_xM_yM'_zXO_(4-w)B_w and a carbon coating layer with high conductivity which surrounds the core material. The carbon coating layer includes at least one or two kinds of carbon precursor selected from polyvinylpyrrolidone, water-soluble polymer and conductive polymer.

Description

리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지{Olivine type positive active material for lithium second battery, Method for preparing the same, and Lithium battery comprising the same}Olivine type positive electrode active material for lithium secondary batteries, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery comprising the same {Olivine type positive active material for lithium second battery, Method for preparing the same, and Lithium battery comprising the same}

본 발명은 기존 올리빈형 양극 활물질의 전기전도도가 낮은 문제를 해결하기 위하여, 마이크론 크기의 전구체(FePO4)물질에 균일한 전도성을 갖는 탄소코팅층 형성케하여 부피당 에너지 밀도를 증가시켰으며, 상기 탄소코팅층을 형성하는 탄소코팅물질의 선택 및 그 최적의 사용량을 찾아내어 완성한 발명으로서, 코어(core)물질 및 탄소코팅층을 포함하고 있는 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention is to solve the problem of low electrical conductivity of the conventional olivine-type positive electrode active material, to form a carbon coating layer having a uniform conductivity in the precursor (FePO 4 ) material of the micron size to increase the energy density per volume, the carbon coating layer As an invention completed by selecting a carbon coating material to form a form and the optimum amount of use, an olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising a core material and a carbon coating layer, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary comprising the same It relates to a battery.

최근 휴대 전화, 휴대용 개인정보단말기(PDA), 노트북 컴퓨터 등의 정보 통신용 휴대용 전자 기기, 디지털 카메라, 켐코더 등의 휴대용 전자 기기, 전기 자전 거, 전기 자동차 등의 전원으로, 충전과 방전을 거듭하며 사용하는 리튬전지의 수요가 기하급수적으로 증가하고 있다. 현재 시판되는 리튬전지는 양극에 LiCoO2를, 음극에는 탄소를 사용하고 있는데, 양극활물질의 시작물질인 코발트는 매장량이 적고 고가인 데다가 인체에 대한 독성과 환경 오염 문제 때문에 대체 양극 재료 개발이 요망되고 있다. 이에 현재 활발하게 연구 개발되고 있는 양극 활물질 재료로서 LiNiO2, LiCoxNi1-xO2, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2와 LiMn2O4 등을 들 수 있다. LiCoO2와 같은 층상구조를 이루고 있는 LiNiO2는 양론비로 재료를 합성하는 데에 어려움이 있을 뿐만 아니라 열적 안정성에 문제가 있어 상품화되지 못하고 있다.Recently, it is used repeatedly for charging and discharging as a power source for portable electronic devices such as mobile phones, portable personal digital assistants (PDAs), notebook computers, portable electronic devices such as digital cameras, camcorders, electric bicycles, and electric vehicles. The demand for lithium batteries is growing exponentially. Commercially available lithium batteries use LiCoO 2 for the positive electrode and carbon for the negative electrode. Cobalt, the starting material of the positive electrode active material, is low in reserve and expensive, and development of an alternative positive electrode material is required due to toxicity and environmental pollution. have. LiNiO 2 , LiCo x Ni 1-x O 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , and the like are currently being actively researched and developed. LiNiO 2 which has the same layered structure as LiCoO 2 is not commercialized due to the difficulty in synthesizing the material in a stoichiometric ratio and the problem of thermal stability.

4V급 스피넬 양극 활물질인 LiMn2O4는 시작물질로 망간을 사용한다는 이점이 있어, 저가격 제품에 일부가 상품화되어 있으나, 망간 3+에 기인한 얀텔러 뒤틀림(Jahn-Teller distortion)이라는 구조변이 때문에 수명 특성이 좋지 않다는 문제점이 있다. 따라서, 보다 경제적이며, 안정성이 있고, 고용량이면서도, 양호한 사이클 특성을 가진 양극 활물질이 요망되고 있다. LiMn 2 O 4 , a 4V class spinel cathode active material, has the advantage of using manganese as a starting material, and some of them are commercialized in low-cost products, but due to the structural variation called Jahn-Teller distortion caused by manganese 3+ There is a problem that the life characteristics are not good. Therefore, a positive electrode active material that is more economical, stable, and has a high capacity and good cycle characteristics is desired.

현재 리튬전지의 양극 활물질로서 올리빈 구조를 가지며, 화학식 LixMyPO4(여기서, x는 0<x≤2이고, y는 0.8≤y≤1.2이며, M은 주기율표 3d족 전이금속이다.)로 표시되는 화합물에 대한 연구가 진행되고 있다. 또한, LixMyPO4로 표시되는 화합물 중에서 LiFePO4를 리튬이온전지의 양극에 사용하는 것이 일본 특허 공개 평9- 171827호에 개시되어 있다. LiFePO4는 환경 친화적이고 매장량도 풍부하며 원료가격도 매우 저렴할 뿐만 아니라, 기존의 양극 활물질 재료보다 쉽게 저전력, 저전압을 구현할 수 있으며, 이론 용량이 170 mAh/g 으로서 전지용량이 또한 우수한 장점이 있다. 하지만 올리빈 물질이 갖는 낮은 전도도 때문에 많은 연구 그룹에서는 입자의 크기를 나노크기로 제조하여 리튬의 확산속도를 증가시키는 한편, 탄소코팅을 통해 전기전도도를 향상시켜 전기화학적 특성을 향상시키고 있다. 그러나 입자 크기가 나노크기이기 때문에 부피당 에너지 밀도가 낮다는 단점을 가지고 있는 바, 입자크기를 마이크론 크기로 개발하려는 연구가 진행되고 있다. 하지만 전구체의 크기가 마이크론 크기일 경우, 탄소코팅이 매우 균일하게 되어야 하며, 탄소코팅 물질에 따라서도 코팅의 균일성이 달라질 수 있어 전기화학적 특성에도 영향을 미치게 된다. 즉, 최적의 탄소코팅 물질을 택해 최적의 탄소 함량으로 균일하게 탄소코팅을 할 수 있는 방법이 필요하다.Currently, it has an olivine structure as a cathode active material of a lithium battery, and has a chemical formula Li x M y PO 4 (where x is 0 <x ≦ 2, y is 0.8 ≦ y ≦ 1.2, and M is a periodic table Group 3d transition metal). Studies on the compound represented by) are in progress. In addition, the use of LiFePO 4 as a positive electrode of a lithium ion battery among the compounds represented by Li x M y PO 4 is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-171827. LiFePO 4 is not only environmentally friendly, rich in reserves, very low raw material price, and can easily implement low power and low voltage than conventional cathode active material, and the theoretical capacity is 170 mAh / g. However, due to the low conductivity of the olivine material, many research groups increase the diffusion rate of lithium by making the particle size nanoscale, and improve the electrochemical properties by improving the electrical conductivity through carbon coating. However, because the particle size is nano-size has a disadvantage of low energy density per volume, the research to develop the particle size to the micron size is in progress. However, when the size of the precursor is a micron size, the carbon coating should be very uniform, and the coating uniformity may vary depending on the carbon coating material, thereby affecting the electrochemical properties. That is, there is a need for a method capable of uniformly coating carbon with an optimal carbon content by selecting an optimal carbon coating material.

이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하고자 노력연구한 결과, 마이크론 크기의 전구체(FePO4) 물질에 전도성을 갖는 탄소코팅층을 균일하게 형성시키고, 탄소코팅층을 형성하는 탄소물질 및 이의 최적의 사용량을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다. 즉, 전기전도도가 향상되어 에너지 밀도가 높은 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present inventors have made efforts to solve the above problems, and uniformly form a conductive carbon coating layer on the micron-sized precursor (FePO 4 ) material, and finds the carbon material forming the carbon coating layer and its optimal amount of use. The present invention has been completed. That is, an object of the present invention is to provide an olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery having improved electrical conductivity and high energy density.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질에 관한 것으로서,The present invention for achieving the above object relates to an olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery,

하기 화학식 1로 표시되는 코어물질; 및 상기 코어물질을 둘러싸는 폴리비닐피롤리돈, 수용성 고분자 및 전도성 고분자 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 탄소전구체를 함유한 전도성을 갖는 탄소코팅층;을 포함하고 있는 것을 그 특징으로 한다.A core material represented by Formula 1; And a conductive carbon coating layer containing one or two or more carbon precursors selected from polyvinylpyrrolidone, a water-soluble polymer, and a conductive polymer surrounding the core material.

LixMyM'zXO4-wBw Li x M y M ' z XO 4-w B w

화학식 1에 있어서, 상기 M과 M'는 서로 같거나 다른 것으로서, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에 서 선택되는 원소이고, 상기 X는 P, As, Bi, Sb, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 상기 B는 F, S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 여기서, x, y, z, 및 w 각각은 0<x≤1, 0<y≤1, 0<z≤1, 0<x+y+z≤2이고, 0≤w≤0.5을 만족하는 실수이다.In Formula 1, M and M 'are the same as or different from each other, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B and these Is an element selected from the group consisting of a combination of the above, X is an element selected from the group consisting of P, As, Bi, Sb, and combinations thereof, wherein B is a group consisting of F, S, and combinations thereof X, y, z, and w are each 0 <x≤1, 0 <y≤1, 0 <z≤1, 0 <x + y + z≤2, and 0≤w It is a real number satisfying ≤0.5.

또한, 본 발명은 상기 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질을 제조하는 방법에 관한 것으로서, In addition, the present invention relates to a method for manufacturing the olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery,

하기 화학식 6으로 표시되는 M-X 전구체를 함유한 수용액을 1차 소성하여 하기 화학식 6으로 표시되는 M-X 전구체를 제조하는 제 1 단계;A first step of preparing an M-X precursor represented by the following Chemical Formula 6 by first baking an aqueous solution containing the M-X precursor represented by the Chemical Formula 6;

상기 M-X 전구체와 폴리비닐피롤리돈, 수용성 고분자 및 전도성 고분자 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 탄소전구체를 혼합한 후, 가열 및 교반하여 탄소 코팅된 M-X 전구체를 얻는 제 2 단계;  A second step of mixing the M-X precursor with polyvinylpyrrolidone, a water-soluble polymer and a conductive polymer selected from one or two or more carbon precursors, followed by heating and stirring to obtain a carbon-coated M-X precursor;

상기 탄소코팅된 M-X 전구체와 수산화 리튬, 플루오르화 리튬, 질산 리튬, 탄산 리튬 및 초산 리튬 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 리튬 화합물을 혼합한 후, 이를 650℃ ~ 850℃ 온도에서 2차 소성시켜서 양극 활물질을 얻는 제 3 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.After mixing the carbon-coated MX precursor and a single or two or more lithium compounds selected from lithium hydroxide, lithium fluoride, lithium nitrate, lithium carbonate and lithium acetate, and then secondary firing at a temperature of 650 ℃ ~ 850 ℃ secondary cathode active material To obtain a third step; characterized in that it comprises a.

MXO4-wBw MXO 4-w B w

화학식 2에 있어서, M은 Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 상기 X는 P, As, Bi, Sb, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 상기 B는 F, S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 여기서, w는 0≤w≤0.5을 만족하는 실수이다.In Formula 2, M is an element selected from the group consisting of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B and combinations thereof X is an element selected from the group consisting of P, As, Bi, Sb, and combinations thereof, and B is an element selected from the group consisting of F, S, and combinations thereof, wherein w is 0 This is a real number satisfying ≤ w ≤ 0.5.

이와 같은 본 발명의 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질은 전기전도도가 높은 탄소코팅층을 갖기 때문에 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬이차전지를 생산을 가능케 할 수 있고, 사용되는 탄소전구체의 종류와 양을 조절하여 양극 활물질의 전기화학적 특성에 변화를 줄 수 있다. Since the olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention has a carbon coating layer having high electrical conductivity, it is possible to produce a lithium secondary battery having a high energy density, and to control the type and amount of the carbon precursor used. It can change the electrochemical properties of the active material.

앞서 소개한 본 발명의 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질 및 이의 제조방법에 대하여 자세하게 설명을 하면 아래와 같다.When described in detail with respect to the olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention and a manufacturing method thereof introduced above.

본 발명은 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질에 관한 것으로서,The present invention relates to an olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery,

하기 화학식 1로 표시되는 코어물질; 및 A core material represented by Formula 1; And

상기 코어물질을 둘러싸는 폴리비닐피롤리돈, 수용성 고분자 및 전도성 고분자 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 탄소전구체를 함유한 전도성을 갖는 탄소코팅층;A carbon coating layer having conductivity including polyvinylpyrrolidone surrounding the core material, a water-soluble polymer, and a conductive polymer selected from one or more carbon precursors;

을 포함하고 있는 것을 그 특징으로 한다.It characterized by including the.

[화학식 1][Formula 1]

LixMyM'zXO4-wBw Li x M y M ' z XO 4-w B w

화학식 1에 있어서, 상기 M과 M'는 서로 같거나 다른 것으로서, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 상기 X는 P, As, Bi, Sb 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 상기 B는 F, S 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 여기서, x, y, z, 및 w 각각은 0<x≤1, 0<y≤1, 0<z≤1, 0<x+y+z≤2이고, 0≤w≤0.5을 만족하는 실수이다.In Formula 1, M and M 'are the same as or different from each other, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B and these Is an element selected from the group consisting of combinations, X is an element selected from the group consisting of P, As, Bi, Sb and combinations thereof, and B is selected from the group consisting of F, S and combinations thereof. Element, wherein x, y, z, and w are each 0 <x≤1, 0 <y≤1, 0 <z≤1, 0 <x + y + z≤2, and 0≤w≤0.5 It is a mistake to be satisfied.

상기 화학식 1로 표시되는 상기 코어물질은 하기 화학식 2, 하기 화학식 3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 사용하는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 하기 화학식 4, 하기 화학식 5 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 사용하는 것이 좋다.The core material represented by Chemical Formula 1 may be selected from the group consisting of Chemical Formula 2, Chemical Formula 3, and combinations thereof, and more preferably, Chemical Formula 4, Chemical Formula 5, and combinations thereof It is better to use the one selected in.

LiFe1-aAaPO4 LiFe 1-a A a PO 4

화학식 2 에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 상기 a는 0<a <1의 실수이다.In Chemical Formula 2, A is an element selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, and combinations thereof. a is a real number of 0 <a <1.

Li1-aAaFePO4 Li 1-a A a FePO 4

화학식 3에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 상기 a는 0<a <1의 실수이다.In Chemical Formula 3, A is an element selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, and combinations thereof. A is a real number of 0 <a <1.

LiFe1-aAaPO4-zBz LiFe 1-a A a PO 4-z B z

화학식 4에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, B는 F, S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 상기 a는 0<a <1이고, 상기 z는 0.01≤z≤0.5의 실수이다.)In Formula 4, A is an element selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, and combinations thereof, B is an element selected from the group consisting of F, S, and a combination thereof, wherein a is 0 <a <1, and z is a real number of 0.01≤z≤0.5.)

Li1-aAaFePO4-zBz Li 1-a A a FePO 4-z B z

화학식 5에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, B는 F, S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 상기 a는 0<a <1이고, 상기 z는 0.01≤z≤0.5의 실수이다.In Chemical Formula 5, A is an element selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, and combinations thereof, B is an element selected from the group consisting of F, S, and a combination thereof, wherein a is 0 <a <1 and z is a real number of 0.01 ≦ z ≦ 0.5.

본 발명은 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질의 상기 코어물질은 평균입경이 0.1 ㎛ ~ 15 ㎛, 바람직하게는 0.2 ㎛ ~ 10 ㎛, 더욱 바람직하게는 5 ㎛ ~ 8 ㎛인 것이 좋다. 여기서, 상기 코어물질의 평균입경이 0.1㎛ 미만인 경우, 탭밀도가 낮아져 전극 제조시 문제가 있고, 15㎛를 초과하는 경우, 탭밀도는 증가하지만 비표면적이 너무 작아져 전해액과의 접촉면적도 작아지고, Li이온의 인터칼레 이션 및 디인터칼레이션을 방해하여 바람직하지 않다. 또한, 상기 코어물질은 탭밀도가 0.5 g/cm3 ~ 2.0 g/cm3, 바람직하게는 0.7 g/cm3 ~ 1.8 g/cm3,, 더욱 바람직하게는 1.2 g/cm3 ~ 1.6 g/cm3인 것이 좋다. 여기서, 상기 올리빈형 양극 활물질의 탭밀도가 0.8 g/cm3 미만이면 전극 제조시 문제가 있고, 2.0 g/cm3를 초과하는 경우, 양극 활물질의 입경이 15 ㎛ 이상으로 커지기 때문에 전지의 용량이 감소한다는 문제가 있어 바람직하지 않기 때문에 상기 범위 내의 탭밀도를 갖는 것이 좋다. 상기 코어물질은 구형인 것이 바람직한데 여기서, 구형이란 원형, 타원형일 것일 수 있으며, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 코어물질은 구형의 올리빈형 양극 활물질 전구체를 이용하여 제조하기 때문에 구형의 형상을 갖는다. In the present invention, the core material of the olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery may have an average particle diameter of 0.1 μm to 15 μm, preferably 0.2 μm to 10 μm, and more preferably 5 μm to 8 μm. In this case, when the average particle diameter of the core material is less than 0.1 µm, there is a problem in manufacturing the electrode due to low tap density. When the average particle diameter exceeds 15 µm, the tap density increases, but the specific surface area is too small, and the contact area with the electrolyte is also small. It is not preferable because it interferes with the intercalation and deintercalation of Li ions. In addition, the core material has a tap density of 0.5 g / cm 3 to 2.0 g / cm 3 , preferably 0.7 g / cm 3 to 1.8 g / cm 3, and more preferably 1.2 g / cm 3 to 1.6 g /. It is good to be cm 3 . Here, the reply if a problem when a back electrode prepared a tap density of less than 0.8 g / cm 3 of binhyeong positive electrode active material, and exceeding 2.0 g / cm 3, the capacity of the battery, because the particle diameter of the positive electrode active material becomes large as more than 15 ㎛ It is preferable to have a tap density within the above range because there is a problem of decreasing, which is not preferable. The core material is preferably spherical, where spherical may be circular or elliptical, but is not particularly limited thereto. The core material has a spherical shape because the core material is manufactured using a spherical olivine positive electrode active material precursor.

본 발명의 성분 중 하나인 상기 탄소코팅층이 포함하고 있는 상기 탄소전구체는 폴리비닐피롤리돈, 수용성 고분자 및 전도성 고분자 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있으며, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌이민, 보빈세럼알부민 및 폴리비닐피롤리돈 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있고, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리설퍼나이트라이드(poly sulfur nitride) 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있다. 상기 탄소 코팅층은 상기 코어물질 제조시에 탄소 전구체를 첨가 및 열처리하여 제조하는데, 이러한 상기 탄소코팅층은 상기 탄소코팅층의 두 께는 5 nm ~ 50 nm인 것이 바람직한데, 여기서 탄소코팅층의 두께가 5 nm 미만시 전기 전도도 향상 효과가 미미한 문제가 발생할 수 있고, 50 nm 초과시 너무 두꺼운 탄소 코팅 층으로 인하여 리튬의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 성능이 저하되어 전지의 용량이 감소되며, 양극 활물질의 탭밀도가 낮아지는 문제점가 발생할 수 있기 때문에 상기 범위 내의 탄소코팅층 두께를 갖는 것이 좋다.The carbon precursor included in the carbon coating layer, which is one of the components of the present invention, may be selected from polyvinylpyrrolidone, a water-soluble polymer and a conductive polymer, or two or more types thereof, and the water-soluble polymer may be polyvinyl alcohol or polyethylene. Single or two or more species selected from imine, bobbin serum albumin and polyvinylpyrrolidone may be used, and the conductive polymer may be polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polythiophene and One kind or two or more kinds selected from poly sulfur nitride may be used. The carbon coating layer is prepared by adding and heat treating a carbon precursor when preparing the core material. The carbon coating layer preferably has a thickness of 5 nm to 50 nm, wherein the thickness of the carbon coating layer is less than 5 nm. When the electrical conductivity is improved, the problem may be insignificant, and when the thickness exceeds 50 nm, the intercalation and deintercalation performance of lithium is reduced due to the carbon coating layer that is too thick, thereby reducing the capacity of the battery and the tap density of the positive electrode active material. It is preferable to have a thickness of the carbon coating layer in the above range because the problem of lowering may occur.

이하에서는 본 발명의 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질을 제조하는 방법을 자세하게 설명하겠다.Hereinafter, a method of manufacturing the olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention will be described in detail.

[리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질의 제조방법][Manufacturing method of olivine-type positive electrode active material for lithium secondary battery]

본 발명의 상기 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질을 제조하는 방법은Method for producing the olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention

하기 화학식 6으로 표시되는 M-X 전구체를 함유한 수용액을 1차 소성하여 하기 화학식 6으로 표시되는 M-X 전구체를 제조하는 제 1 단계;A first step of preparing an M-X precursor represented by the following Chemical Formula 6 by first baking an aqueous solution containing the M-X precursor represented by the Chemical Formula 6;

상기 M-X 전구체와 폴리비닐피롤리돈, 수용성 고분자 및 전도성 고분자 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 탄소전구체를 혼합한 후, 가열 및 교반하여 탄소 코팅된 M-X 전구체를 얻는 제 2 단계;  A second step of mixing the M-X precursor with polyvinylpyrrolidone, a water-soluble polymer and a conductive polymer selected from one or two or more carbon precursors, followed by heating and stirring to obtain a carbon-coated M-X precursor;

상기 탄소코팅된 M-X 전구체와 수산화 리튬, 플루오르화 리튬, 질산 리튬, 탄산 리튬 및 초산 리튬 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 리튬 화합물을 혼합한 후, 이를 650℃ ~ 850℃ 온도에서 2차 소성시켜서 양극 활물질을 얻는 제 3 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.After mixing the carbon-coated MX precursor and a single or two or more lithium compounds selected from lithium hydroxide, lithium fluoride, lithium nitrate, lithium carbonate and lithium acetate, and then secondary firing at a temperature of 650 ℃ ~ 850 ℃ secondary cathode active material To obtain a third step; characterized in that it comprises a.

[화학식 6] [Formula 6]

MXO4-wBw MXO 4-w B w

화학식 6에 있어서, M은 Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 상기 X는 P, As, Bi, Sb 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 상기 B는 F, S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 여기서, w는 0≤w≤0.5을 만족하는 실수이다.In Formula 6, M is an element selected from the group consisting of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B and combinations thereof , X is an element selected from the group consisting of P, As, Bi, Sb and combinations thereof, B is an element selected from the group consisting of F, S, and combinations thereof, wherein w is 0≤ This is a real number satisfying w≤0.5.

상기 제 1 단계에 있어서, M-X 전구체를 함유한 수화물은 In the first step, the hydrate containing the M-X precursor is

Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 함유한 M화합물; 및 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 용매;를 포함하는 수용액(이하 "M 수용액"으로 칭한다.)과 P, As, Bi, Sb 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 함유한 X 화합물; 및 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 용매;를 포함하는 수용액(이하 "X 수용액"으로 칭한다.)을 혼합하여 제조하는데, 이때 pH조절제를 사용하여 pH 가 2 ~ 5를 유지하도록 한다.. 상기 M 수용액과 X 수용액을 혼합시 각 수용액을 0.03 ~ 1.2 mol/h 속도로 첨가하면서 혼합하며, 혼합시 500 ~ 1500 rpm속도로 교반시키면서 혼합시키는 것이 좋다. 여기서, 수용액의 첨가속도가 0.03 mol/h 미만시 M-X전구체의 수득률이 낮아서 바람직하지 않고, 1.2 mol/h를 초과하여 반응기에 공급되는 경우 용해성이 떨어져서 혼합이 잘 안되는 문제가 생길 수 있다.M compounds containing an element selected from the group consisting of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B and combinations thereof; And a solvent selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and combinations thereof (hereinafter referred to as "M aqueous solution"), and P, As, Bi, Sb, and combinations thereof. X compound containing an element selected from the group; And a solvent selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and combinations thereof (hereinafter referred to as "X aqueous solution"), wherein the pH is adjusted using a pH adjuster. Maintain 2 to 5. When mixing the M aqueous solution and the X aqueous solution, each aqueous solution is added while mixing at a rate of 0.03 to 1.2 mol / h, and when mixing, it is good to mix while stirring at a speed of 500 to 1500 rpm. Herein, when the addition rate of the aqueous solution is less than 0.03 mol / h, the yield of the M-X precursor is low, which is not preferable. When the feed rate is supplied to the reactor in excess of 1.2 mol / h, the solubility may be poor and mixing may not be performed well.

상기 M 화합물은 Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 함유하고 있는 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 설페이트(sulfate), 카보네이트(carbonate), 시트레이트(citrate), 프탈레이트(phtalate), 퍼클로레이트(perchlorate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 아크릴레이트(acrylate), 포메이트(formate), 옥살레이트(oxalate), 할라이드(halide), 옥시할라이드(oxyhalide), 보라이드(boride), 옥사이드(oxide), 설파이드(sulfide), 퍼옥사이드(peroxide), 알콕사이드(alkoxide), 하이드록사이드(hydroxide), 암모늄(ammonium), 아세틸아세톤(acetylacetone), 이들의 수화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 바람직하게 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 철 에틸렌디암모늄 설페이트(Iron ethylenediammonium sulfate), 티타늄 비스(암모늄락테이토)디하이드록사이드(Titanium bis(ammoniumlactato)dihydroxide), 망간 모노퍼록시프탈레이트(Magnesium monoperoxyphthalate), 알루미늄 프녹사이드(Aluminum phnoxide), 붕소산(Boric acid), 보론 트리플루오라이드 디에틸 이더레이트(Boron trifluoride diethyl etherate), 보론 트리플루오라이드-프로판올(Boron trifluoride-propanol), 이들의 수화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. The M compound contains an element selected from the group consisting of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B and combinations thereof Acetate, nitrate, sulfate, carbonate, citrate, phthalate, perchlorate, acetylacetonate, acrylate, Formate, oxalate, halide, oxyhalide, boride, oxide, sulfide, peroxide, alkoxide, Hydroxide, ammonium, acetylacetone, hydrates thereof, and combinations thereof may be preferably used, more preferably iron ethylenediammonium sulfate (Iron). ethylenediammonium sulfate) Titanium bis (ammoniumlactato) dihydroxide, Manganese monoperoxyphthalate, Aluminum phnoxide, Boric acid, Boron trifluoride di One selected from the group consisting of boron trifluoride diethyl etherate, boron trifluoride-propanol, hydrates thereof, and combinations thereof can be used.

그리고 상기 X 화합물은 P, As, Bi, Sb 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 함유하는 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 설페이 트(sulfate), 시트레이트(citrate), 퍼클로레이트(perchlorate), 할라이드(halide), 옥시할라이드(oxyhalide), 옥사이드(oxide), 설파이드(sulfide), 알콕사이드(alkoxide), 이들의 수화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 바람직하게 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 X 화합물은 인산(Phosporic acid), 비스무트 네오데카노에이트(Bismuth neodecanoate), 이들의 수화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. And the X compound is acetate, nitrate, sulfate, citrate, containing an element selected from the group consisting of P, As, Bi, Sb, and combinations thereof. Perchlorate, halides, oxyhalides, oxides, sulfides, alkoxides, hydrates thereof, and combinations thereof may be preferably used. More preferably, the X compound may be selected from the group consisting of phosphoric acid, bismuth neodecanoate, hydrates thereof, and combinations thereof.

상기 pH 조절제는 암모니아 수용액, 탄산가스, OH기를 포함하는 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 사용하는 것이 좋다. 그리고, M 수용액과 X 수용액을 혼합시 30℃ ~ 70℃ 의 온도에서 실시되는 것이 바람직하고, 12 ~ 24 시간 동안 실시되는 것이 좋다. 이때, 30℃미만에서 혼합시 M 수용액과 X 수용액 사이의 반응성이 낮아 M-X 전구체를 함유한 수화물의 제조에 장시간이 걸린다는 문제점이 있고, 70℃를 초과하는 온도에서 실시되는 경우, M 수용액과 X 수용액 사이의 반응성이 높아 반응 시간을 줄일 수는 있지만 원하지 않는 부산물이 생성되는 문제점이 있을 수 있다. 그리고, 12 시간 미만으로 반응시 형성된 M-X 전구체 함유 수화물 입자가 불균일 할 수 있으며, 24 시간을 초과하여 이루어지면, 제조하고자 하는 구형의 M-X 전구체 함유 수화물 입자 이외에 다른 크기와 형상을 가지는 새로운 입자들이 형성될 수 있는 문제점이 있다. The pH adjusting agent may be selected from the group consisting of ammonia aqueous solution, carbon dioxide gas, a compound containing an OH group and combinations thereof. And, when mixing the aqueous M solution and the aqueous X solution is preferably carried out at a temperature of 30 ℃ ~ 70 ℃, it is preferably carried out for 12 to 24 hours. At this time, there is a problem that it takes a long time to prepare a hydrate containing the MX precursor because the reactivity between the M aqueous solution and the X aqueous solution is low when mixing at less than 30 ℃, when the M aqueous solution and X is carried out at a temperature exceeding 70 ℃ High reactivity between the aqueous solution can reduce the reaction time, but there may be a problem that unwanted by-products are produced. In addition, the MX precursor-containing hydrate particles formed when the reaction is less than 12 hours may be non-uniform, and if it is more than 24 hours, new particles having a different size and shape other than the spherical MX precursor-containing hydrate particles to be prepared may be formed. There is a problem that can be.

이렇게 제조된 M-X 전구체 함유 수화물을 증류수를 이용하여 세척하고, 50℃ ~ 90℃에서 12 ~ 24 시간 동안 진공 건조시켜 불순물을 완전히 제거한다. 상기 진공 건조시 온도가 50℃ 미만인 경우 수화물 입자 내에 화학적으로 흡착해 있 는 수분을 완전히 제거하는데 장시간이 필요하게 되는 문제가 있고, 90℃를 초과하는 경우 진공 상태가 안정하게 유지되지 않으면 수화물이 산화되는 문제가 있다. 또한 상기 진공 건조 시간이 12시간 미만인 경우 M-X 함유 수화물 입자 내에 화학적으로 흡착해 있는 수분을 완전히 제거할 수 없다는 문제가 있고, 24시간을 초과하는 경우 이미 완전 건조된 상태이기 때문에 공정 시간을 낭비하게 되므로 바람직하지 않다. The M-X precursor-containing hydrate thus prepared was washed with distilled water, and vacuum dried at 50 ° C. to 90 ° C. for 12 to 24 hours to completely remove impurities. When the temperature of the vacuum drying is less than 50 ℃ there is a problem that a long time is required to completely remove the water that is chemically adsorbed in the hydrate particles, if the temperature exceeds 90 ℃ the hydrate is oxidized if the vacuum is not stable There is a problem. In addition, when the vacuum drying time is less than 12 hours, there is a problem in that the water that is chemically adsorbed in the MX-containing hydrate particles cannot be completely removed, and if it exceeds 24 hours, the process time is wasted because it is already completely dried. Not desirable

제 1 단계의 상기 1차 소성은 450℃ ~ 600℃의 온도, 5 ~ 20 시간 동안 실시되는 것이 바람직한데, 이때, 소성 온도가 450℃ 미만이면 M-X 전구체의 결정이 형성되기 어렵다는 문제가 있고, 600℃ 초과시 공정 비용 및 공정 시간을 낭비하게 되므로 바람직하지 않으므로 상기 온도범위 내에서 소성시키는 것이 좋다. 상기 1 차 소성 시간이 5 시간 미만인 경우, 제조된 M-X 전구체의 결정성이 좋지 않은 문제가 있고, 20 시간을 초과하는 경우, 공정 비용 및 공정 시간을 낭비하게 되므로 바람직하지 않다. 그리고, 상기 1차 소성은 환원 분위기, 불활성 분위기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 분위기에서 이루어지는 것이 바람직며, 상기 분위기는 질소 가스, 아르곤 가스, 아르곤/수소 혼합 가스, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 분위기인 것이 더욱 바람직하다. 특히, 상기 1차 소성이 환원 분위기에서 이루어지는 경우, M-X 전구체 함유 수화물로부터 원하는 결정성을 가지는 M-X 전구체를 형성시킬 수 있어 바람직하다. 1차 소성하여 얻은 M-X 전구체는 구형인 것이 바람직한데, 여기서, 구형이란 원형, 타원형, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으며, 이에 특별히 한정 되는 것은 아니다. 상기 구형인 M-X 전구체를 이용하여 리튬 전지용 양극 활물질을 제조하는 경우, 구형의 올리빈형 양극 활물질을 제조할 수 있어 바람직하다. The first firing of the first step is preferably carried out for 5 to 20 hours at a temperature of 450 ℃ to 600 ℃, at this time, there is a problem that the crystal of the MX precursor is difficult to form if the firing temperature is less than 450 ℃, 600 Since the process cost and the process time are wasted when the temperature is exceeded, it is not preferable. When the primary firing time is less than 5 hours, there is a problem in that the crystallinity of the prepared M-X precursor is not good, and when it exceeds 20 hours, it is not preferable because the process cost and process time is wasted. The primary firing may be performed in an atmosphere selected from the group consisting of a reducing atmosphere, an inert atmosphere, and a combination thereof, and the atmosphere may be nitrogen gas, argon gas, argon / hydrogen mixed gas, and combinations thereof. It is more preferable that it is the atmosphere chosen from the group which consisted of. In particular, when the primary firing is performed in a reducing atmosphere, the M-X precursor having desired crystallinity can be formed from the M-X precursor-containing hydrate, which is preferable. The M-X precursor obtained by primary firing is preferably spherical, where spherical may be selected from the group consisting of circular, elliptical, and combinations thereof, but is not particularly limited thereto. When manufacturing the positive electrode active material for lithium batteries using the said spherical M-X precursor, since a spherical olivine-type positive electrode active material can be manufactured, it is preferable.

상기 M-X 전구체는 나노 크기의 1차 입자일 수 있고, 상기 1차 입자가 뭉쳐서 이루어진 2차 입자인 것이 더욱 바람직하다. The M-X precursor may be nano-sized primary particles, more preferably secondary particles formed by agglomeration of the primary particles.

추가적으로 상기 제 1 단계에서 M-X 전구체를 함유한 수화물 제조시 M 수용액 및 X 수용액 외에 F, S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 함유한 B 수용액을 더 첨가할 수 있으며, 상기 B 수용액은 니켈 플루오라이드(Nickel fluoride), 철 플루오라이드(Iron fluoride), 코발트 플루오라이드(Cobalt fluoride), 망간 플루오라이드(Manganese fluoride), 크로뮴 플루오라이드(Chromium fluoride), 지르코늄 플루오라이드(Zirconium fluoride), 니오븀 플루오라이드(Niobium fluoride), 구리 플루오라이드(Copper fluoride), 바나듐 플루오라이드(Vanadium fluoride), 티타늄 플루오라이드(Titanium fluoride), 아연 플루오라이드(Zinc fluoride), 알루미늄 플루오라이드(Aluminum fluoride), 갈륨 플루오라이드(Gallium fluoride), 망간 플루오라이드(Magnesium fluoride), 보론 플루오라이드(Boron trifluoride), NH4F, LiF, AlF3, S, Li2S, 이들의 수화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 B 화합물; 및 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 용매;를 혼합하여 제조할 수 있다.In addition, in preparing the hydrate containing the MX precursor in the first step, an aqueous B solution containing an element selected from the group consisting of F, S, and combinations thereof may be further added in addition to the aqueous M solution and the X aqueous solution. Nickel fluoride, iron fluoride, cobalt fluoride, manganese fluoride, chromium fluoride, zirconium fluoride, niobium Niobium fluoride, Copper fluoride, Vanadium fluoride, Titanium fluoride, Zinc fluoride, Aluminum fluoride, Gallium fluoride (Gallium fluoride), manganese fluoride (Magnesium fluoride), boron fluoride (Boron trifluoride), NH 4 F, LiF, AlF 3 , B compounds selected from the group consisting of S, Li 2 S, hydrates thereof, and combinations thereof; And a solvent selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and combinations thereof.

제 2 단계에 있어서, 상기 탄소전구체는 상기 탄소전구체는 폴리비닐피롤리 돈, 수용성 고분자 및 전도성 고분자 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있으며, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌이민 및 보빈세럼알부민 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있고, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리설퍼나이트라이드(poly sulfur nitride) 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있다. 그리고 상기 탄소전구체는 제 2 단계의 혼합물 중 M-X 전구체 100 중량부에 대하여 탄소전구체 1 ~ 3 중량부를 첨가 및 분산시켜 사용할 수 있다. 여기서, 탄소전구체가 M-X 전구체 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만이면 전구체 입자에 전체적으로 코팅이 되지 않기 때문에 양극 활물질의 전기 화학적 특성이 떨어지며, 3 중량부 초과시 탄소의 함량이 너무 많아져서 리튬의 확산 속도가 느려지기 때문에 양극 활물질의 전기 화학적 특성이 떨어지는 바, 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다In the second step, the carbon precursor may be a single or two or more selected from polyvinylpyrrolidone, a water-soluble polymer and a conductive polymer, and the carbon precursor is polyvinyl alcohol, polyethyleneimine and bobbin serum. One or two or more selected from albumin may be used, and the conductive polymer may be selected from polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polythiophene, and polysulfur nitride. Selected single species or two or more species can be used. The carbon precursor may be used by adding and dispersing 1 to 3 parts by weight of the carbon precursor with respect to 100 parts by weight of the M-X precursor in the mixture of the second step. Here, if the carbon precursor is less than 1 part by weight with respect to 100 parts by weight of the MX precursor, the electrochemical properties of the positive electrode active material are reduced since the coating is not entirely coated on the precursor particles. Is slow, the electrochemical properties of the positive electrode active material is poor, it is preferable to use within the above range.

제 3 단계에 있어서, 상기 2차 소성은 650℃ ~ 850℃의 온도에서 10 ~ 24 시간 동안 소성시키는 것이 좋은데, 여기서, 상기 소성 온도가 650℃ 미만이면 양극 활물질의 결정성이 떨어져 제조된 양극 활물질의 용량이 감소되어 바람직하지 않고, 850℃를 초과하는 경우, 불순물(Li3PO4, Fe2P) 피크(peak)가 형성되므로 용량이 감소되어 바람직하지 않다. 그리고 10 시간 미만으로 소성시 M-X 전구체에서 M이 전부 환원되지 못한다는 문제가 있고, 20 시간을 초과하는 경우, 공정 시간 및 공정 비용을 낭비하는 문제가 있다. 상기 2차 소성은 환원 분위기, 불활성 분 위기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 분위기에서 이루어지는 것이 바람직하며, 바람직하게는 질소 가스, 아르곤 가스, 아르곤/수소 혼합 가스, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 분위기인 것이 좋으며, 특히, 상기 2차 소성하는 단계가 환원 분위기에서 이루어지는 경우, M-X 전구체에서 M이 잘 환원되어 올리빈 구조를 형성시킬 수 있으므로 더욱 바람직하다.In the third step, the secondary firing is preferably fired for 10 to 24 hours at a temperature of 650 ℃ ~ 850 ℃, wherein, if the firing temperature is less than 650 ℃ positive electrode active material prepared is less crystallinity of the positive electrode active material When the capacity of P is reduced, it is not preferable, and when it exceeds 850 ° C., since impurities (Li 3 PO 4 , Fe 2 P) peaks are formed, the capacity is reduced, which is not preferable. And when firing in less than 10 hours there is a problem that all the M in the MX precursor is not reduced, if more than 20 hours, there is a problem that wastes the process time and process cost. The secondary firing is preferably performed in an atmosphere selected from the group consisting of a reducing atmosphere, an inert dust, and a combination thereof, preferably a nitrogen gas, an argon gas, an argon / hydrogen mixed gas, and a combination thereof. It is preferable that the atmosphere is selected from the group. Particularly, when the secondary firing is performed in a reducing atmosphere, M is more preferably reduced in the MX precursor to form an olivine structure.

이와 같이 제 1 단계 ~ 제 3 단계 공정을 거쳐서 제조된 본 발명의 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질은 전기전도도가 우수한 탄소전구체를 코팅층으로 갖고 있는 바, 이로 에너지 밀도가 높기 때문에 높은 전지용량을 갖을 수 있다. As described above, the olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention manufactured through the first step to the third step process has a carbon precursor having excellent electrical conductivity as a coating layer, and thus has a high battery capacity because of its high energy density. have.

이하에서는 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명을 하겠다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the scope of the present invention is not limited thereto.

올리빈형 양극 활물질의 제조Preparation of the olivine-type positive electrode active material

실시예 1Example 1

공침 반응기(용량 4L, 회전모터의 출력 90W 이상)에 증류수 4L를 넣은 후, 질산철 수용액(M 수용액), H3PO4 수용액(X 수용액), 및 암모니아수를 공급하였다. 상기 반응기 내부의 질산철과 H3PO4 수용액의 총 몰농도가 2M 이 되도록, 질산철 수용액과 H3PO4 수용액을 충분한 시간 동안 미리 혼합(mixing)하여 0.6 mol/hr로 공급하였다. 상기 질산철 수용액과 H3PO4 수용액을 미리 혼합한 후, 공급하는 이 유는 기존 특허까지는 질산철 수용액과 H3PO4 수용액을 별도로 feeding을 했으나, 이 경우 반응기에서 정확히 상기 두 수용액의 투입율(feeding rate)이 약간만 틀려줘도 생성물의 조성에 문제가 생기는 경우가 발생함으로 합성시 미리 혼합하여 투입(feeding)시켰다. 또한, 상기 반응기 내부의 pH가 2로 유지되도록, 6 M/L 농도의 암모니아수를 적절한 유량으로 공급하였다. Coprecipitation reactor was placed in a 4L distilled water (volume: 4L, the output of more than 90W rotary motor), iron nitrate aqueous solution (M aqueous solution), H 3 PO 4 aqueous solution (X solution), and ammonia water was supplied. The iron nitrate aqueous solution and the H 3 PO 4 aqueous solution were mixed in advance for a sufficient time so that the total molar concentration of the iron nitrate and H 3 PO 4 aqueous solution in the reactor was 2M, and supplied at 0.6 mol / hr. After mixing the iron nitrate aqueous solution and H 3 PO 4 aqueous solution in advance, the reason for supplying was to separately feed the iron nitrate aqueous solution and H 3 PO 4 aqueous solution up to the existing patent, in this case exactly the input rate of the two aqueous solution in the reactor Even if the feeding rate is slightly different, there is a problem in the composition of the product. In addition, ammonia water at a concentration of 6 M / L was supplied at an appropriate flow rate so that the pH inside the reactor was maintained at 2.

상기 반응기 내의 온도를 50℃로 유지시키면서, 1000 rpm의 속도로 교반하여 질산철과 H3PO4을 공침시켰다. 상기 반응기 내부의 반응물의 평균체류시간은 24시간 정도로 유량을 조절하였다. 반응이 정상상태에 도달한 후 오버플로우파이프를 통하여 철-인산염 수화물을 연속적으로 얻었다. 상기 얻은 철-인산염 수화물(M-X 전구체 함유한 수화물)을 진공 분위기하에서 70℃ 온도로 24시간 동안 건조시켰다. While maintaining the temperature in the reactor at 50 ° C., the solution was stirred at a speed of 1000 rpm to co-precipitate iron nitrate with H 3 PO 4 . The average residence time of the reactants in the reactor was adjusted to a flow rate of about 24 hours. After the reaction reached steady state, iron-phosphate hydrate was continuously obtained through the overflow pipe. The obtained iron-phosphate hydrate (hydrate containing MX precursor) was dried at 70 ° C. for 24 hours under vacuum atmosphere.

상기 철-인산염 수화물을 질소 분위기 하에서 550℃에서 10시간 동안 소성하여 철-인산염(M-X 전구체)을 얻었다.The iron-phosphate hydrate was calcined at 550 ° C. for 10 hours under a nitrogen atmosphere to obtain iron-phosphate (M-X precursor).

폴리비닐피롤리돈(PVP)를 철-인산염 100 중량부에 대하여 1 중량부를 에탄올에 분산시켰다. 상기 에탄올에 분산되어 있는 폴리비닐피롤리돈(PVP)에 철-인산염을 넣고 에탄올이 모두 증발될 때까지 교반하여 탄소코팅된 철-인산염을 얻었다.1 part by weight of polyvinylpyrrolidone (PVP) was dispersed in ethanol based on 100 parts by weight of iron-phosphate. Iron-phosphate was added to polyvinylpyrrolidone (PVP) dispersed in the ethanol and stirred until all of the ethanol was evaporated to obtain carbon-coated iron-phosphate.

상기 탄소 코팅된 철-인산염과 탄산리튬(Li2CO3)을 1 : 1 몰비로 혼합한 후에 2 내지 5℃/min의 승온 속도로 750℃에서 15시간 동안 하소하여 올리빈 구조를 갖는 LiFePO4 양극 활물질 분말을 얻었다.LiFePO 4 having an olivine structure by mixing the carbon-coated iron-phosphate and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) in a 1: 1 molar ratio and calcining at 750 ° C. for 15 hours at an elevated rate of 2 to 5 ° C./min. A positive electrode active material powder was obtained.

실시예 2 ~ 3Examples 2 to 3

실시예 1과 동일하게 실시하되, 실시예 2는 상기 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 철-인산염 100 중량부에 대하여 2 중량부를 에탄올에 분산시켜서 LiFePO4 양극 활물질 분말을 제조하였고, 실시예 3은 상기 폴리비닐피롤리돈을 3 중량부 사용하여 올리빈 구조를 갖는 LiFePO4 양극 활물질 분말을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, Example 2 was prepared by dispersing 2 parts by weight of polyvinylpyrrolidone (PVP) in 100 parts by weight of iron-phosphate in ethanol, LiFePO 4 positive electrode active material powder, Example 3 3 parts by weight of the polyvinylpyrrolidone was used to prepare a LiFePO 4 positive electrode active material powder having an olivine structure.

제조예Production Example

리튬이차전지의 제조Manufacture of Lithium Secondary Battery

상기 실시예 1 내지 3 에서 제조한 양극 활물질 분말 각각과, 도전재로는 아세틸렌블랙, 결합제로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 85:7.5:7.5의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 20 ㎛ 두께의 알루미늄박에 균일하게 도포하고, 120℃에서 진공 건조하여 양극을 제조하였다. 상기 제조된 양극과, 리튬 호일을 상대 전극으로 하며, 다공성 폴리에틸렌막(셀가르드 엘엘씨 제, Celgard 2300, 두께: 25㎛)을 세퍼레이터로 하고, 에틸렌 카보네이트와 디에틸 카보네이트가 부피비로 1:1로 혼합된 용매에 LiPF6가 1M 농도로 녹아 있는 액체를 전해액으로 사용하여 코인 전지를 제조하였다. Each of the positive electrode active material powders prepared in Examples 1 to 3, acetylene black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed at a weight ratio of 85: 7.5: 7.5 to prepare a slurry. The slurry was uniformly applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and vacuum dried at 120 ° C. to prepare a positive electrode. The prepared anode and lithium foil were used as counter electrodes, and a porous polyethylene membrane (manufactured by Celgard ELC, Celgard 2300, thickness: 25 μm) was used as a separator, and ethylene carbonate and diethyl carbonate were 1: 1 in volume ratio. A coin battery was prepared using a liquid in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 M in a mixed solvent as an electrolyte.

실험예 1Experimental Example 1

제조한 양극 활물질 분말의 주사 전자 현미경 관찰Scanning electron microscope observation of the prepared positive electrode active material powder

상기 실시예 1 ~ 3에서 제조한 올리빈형 양극 활물질을 주사 전자 현미경(SEM, JSM 6400, JEOL사 제품)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 1 ~ 도 3에 차례대로 나타내었다. The olivine-type positive electrode active material prepared in Examples 1 to 3 was observed with a scanning electron microscope (SEM, JSM 6400, JEOL Co., Ltd.), and the results are sequentially shown in FIGS. 1 to 3.

실험예 2Experimental Example 2

제조한 양극 활물질 분말의 X-선 회절 분석X-ray diffraction analysis of the prepared positive electrode active material powder

상기 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 올리빈형 양극 활물질에 대하여 X-선 회절 분석(XRD, Rint-2000, Rigaku사 제품)을 실시하였고, 그 결과를 각각 도 4 내지 6에 나타내었다. X-ray diffraction analysis (XRD, Rint-2000, manufactured by Rigaku) was performed on the olivine-type positive active material prepared according to Examples 1 to 3, and the results are shown in FIGS. 4 to 6, respectively.

도 4 내지 6를 참조하면, JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)의 카드 번호 40-1499와 동일한 피크가 나타난 것으로부터 실시예 1, 2, 3 에서 제조된 양극 활물질은 LiFePO4로서, 올리빈 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있다. 4 to 6, the same peaks as Card Nos. 40-1499 of Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS) are shown, and thus the cathode active materials prepared in Examples 1, 2, and 3 are LiFePO 4 , which has an olivine structure. You can see that it has.

또한, 폴리비닐피롤리돈(PVP) 함량이 증가함에 따라 Fe2P 피크(2θ = 40.28°, 44.20°, 및 47.29°)가 형성되며, 인산리튬 피크(2θ = 22.32°및 23.16°)가 형성됨을 알 수 있다. In addition, as the polyvinylpyrrolidone (PVP) content increases, Fe 2 P peaks (2θ = 40.28 °, 44.20 °, and 47.29 °) are formed, and lithium phosphate peaks (2θ = 22.32 ° and 23.16 °) are formed. It can be seen.

실험예 3Experimental Example 3

제조된 리튬이차전지의 특성 측정Measurement of characteristics of manufactured lithium secondary battery

상기 실시예 1 내지 3 에서 제조한 양극 활물질 분말을 사용하여 제조된 각각의 코인 전지를 전기화학 분석장치(Toscat 3100U, Toyo System사 제품)를 사용하여 30℃에서, 2.5V 에서 4.3V의 전위영역에서, 15㎃ g-1의 전류밀도로 충ㆍ방전 실험을 하였다. 실시예 1, 2, 3 에서 제조한 양극 활물질 분말을 사용하여 제조된 각각의 코인 전지의 용량을 도 7, 도 8, 도 9에 각각 나타내었다.Each coin cell manufactured using the positive electrode active material powders prepared in Examples 1 to 3 was used in an electrochemical analyzer (Toscat 3100U, manufactured by Toyo System) at 30 ° C. and a potential region of 2.5 V to 4.3 V. The charge and discharge experiments were carried out at a current density of 15 mA g −1 . The capacity of each coin battery manufactured using the positive electrode active material powders prepared in Examples 1, 2, and 3 is shown in FIGS. 7, 8, and 9, respectively.

도 7를 참조하면, 충?방전 그래프가 평탄면을 가지고 있어, 전형적인 올리빈 구조를 가지는 양극 활물질을 포함하는 전지의 충?방전 그래프를 보이며, 방전 용량이 150 mAh/g을 나타냄을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, since the charge and discharge graph has a flat surface, a charge and discharge graph of a battery including a cathode active material having a typical olivine structure is shown, and the discharge capacity is 150 mAh / g. .

도 8 과 도 9를 참조하면 탄소함량이 많아질수록 방전 커브가 sharp하게 꺾이지 않고 경사를 나타내며 용량이 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 이것은 탄소함량이 많아서 XRD상에서 확인 할 수 있듯이 불순물 피크(peak)가 크게 성장하기 때문에 전기화학 특성에 악영향을 나타내는 것이다.Referring to FIGS. 8 and 9, it can be seen that as the carbon content increases, the discharge curve does not sharply bend and shows a slope and a capacity appears. This shows a bad effect on the electrochemical properties because the impurity peak grows large, as can be seen on XRD due to the high carbon content.

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.

상기 실시예 및 실험예를 통하여 탄소 함량의 조건에 따라 양극 활물질의 전기화학적 특성이 크게 변화는 것을 확인할 수 있다. Through the above examples and experimental examples it can be seen that the electrochemical properties of the positive electrode active material is greatly changed according to the conditions of the carbon content.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 올리빈형 양극 활물질의 주사 전자 현미경(SEM) 사진.1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the olivine-type positive electrode active material prepared in Example 1 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 올리빈형 양극 활물질의 주사 전자 현미경 사진.Figure 2 is a scanning electron micrograph of the olivine-type positive electrode active material prepared in Example 2 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 3에서 제조된 올리빈형 양극 활물질의 주사 전자 현미경 사진.Figure 3 is a scanning electron micrograph of the olivine-type positive electrode active material prepared in Example 3 of the present invention.

도 4 는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 올리빈형 양극 활물질의 X-선 회절 분석(XRD) 결과를 나타내는 그래프.Figure 4 is a graph showing the X-ray diffraction analysis (XRD) results of the olivine-type positive electrode active material prepared in Example 1 of the present invention.

도 5 는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 올리빈형 양극 활물질의 X-선 회절 분석(XRD) 결과를 나타내는 그래프.5 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis (XRD) of the olivine-type positive electrode active material prepared in Example 2 of the present invention.

도 6 은 본 발명의 실시예 3에서 제조된 올리빈형 양극 활물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프.6 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the olivine-type positive electrode active material prepared in Example 3 of the present invention.

도 7 은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조된 전지의 전압 변화에 따른 용량의 변화를 나타내는 그래프.7 is a graph showing a change in capacity according to the voltage change of a battery manufactured using the cathode active material prepared in Example 1 of the present invention.

도 8 은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조된 전지의 방전 특성을 나타내는 그래프.8 is a graph showing the discharge characteristics of the battery prepared using the positive electrode active material prepared in Example 2 of the present invention.

도 9 은 본 발명의 실시예 3에서 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조된 전지의 방전 특성을 나타내는 그래프.9 is a graph showing the discharge characteristics of the battery prepared using the positive electrode active material prepared in Example 3 of the present invention.

Claims (6)

하기 화학식 1로 표시되는 코어물질; 및 상기 코어물질을 둘러싸는 폴리비닐피롤리돈, 수용성 고분자 및 전도성 고분자 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 탄소전구체를 함유한 전도성을 갖는 탄소코팅층;을 포함하고 있는 것을 그 특징으로 하는 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질;A core material represented by Formula 1; And a polyvinylpyrrolidone surrounding the core material, a conductive carbon coating layer containing one or two or more carbon precursors selected from a water-soluble polymer and a conductive polymer; an olivine type for a lithium secondary battery, characterized in that it comprises a Positive electrode active material; [화학식 1][Formula 1] LixMyM'zXO4-wBw Li x M y M ' z XO 4-w B w 화학식 1에 있어서, 상기 M과 M'는 서로 같거나 다른 것으로서, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 상기 X는 P, As, Bi, Sb 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 상기 B는 F, S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 여기서, x, y, z, 및 w 각각은 0<x≤1, 0<y≤1, 0<z≤1, 0<x+y+z≤2이고, 0≤w≤0.5을 만족하는 실수이다.In Formula 1, M and M 'are the same as or different from each other, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B and these Is an element selected from the group consisting of combinations, X is an element selected from the group consisting of P, As, Bi, Sb and combinations thereof, and B is selected from the group consisting of F, S, and combinations thereof Where x, y, z, and w are each 0 <x≤1, 0 <y≤1, 0 <z≤1, 0 <x + y + z≤2, and 0≤w≤0.5 Is a mistake to satisfy. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 코어 물질은 입경이 5 ㎛ ~ 8 ㎛이고, 탭밀도가 1.2 g/cm3 ~ 1.6 g/cm3인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질.The core material has a particle diameter of 5 ㎛ to 8 ㎛, tap density of 1.2 g / cm 3 ~ 1.6 g / cm 3 olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소 코팅층의 두께는 10 ~ 50 nm인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질.The thickness of the carbon coating layer is an olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that 10 to 50 nm. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌이민 및 보빈세럼알부민 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 혼합물이고, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리설퍼나이트라이드(poly sulfur nitride) 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 하는 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질.The water-soluble polymer is one or a mixture of two or more selected from polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, and bobbin serum albumin, and the conductive polymer is polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polythiophene, and polythiophene. And olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the mono- or a mixture of two or more selected from poly sulfur nitride (poly sulfur nitride). 하기 화학식 6으로 표시되는 M-X 전구체를 함유한 수용액을 1차 소성하여 하기 화학식 6으로 표시되는 M-X 전구체를 제조하는 제 1 단계;A first step of preparing an M-X precursor represented by the following Chemical Formula 6 by first baking an aqueous solution containing the M-X precursor represented by the Chemical Formula 6; 상기 M-X 전구체와 폴리비닐피롤리돈, 수용성 고분자 및 전도성 고분자 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 탄소전구체를 혼합한 후, 가열 및 교반하여 탄 소 코팅된 M-X 전구체를 얻는 제 2 단계;  A second step of mixing the M-X precursor with polyvinylpyrrolidone, a water-soluble polymer and a conductive polymer selected from one or two or more carbon precursors, followed by heating and stirring to obtain a carbon-coated M-X precursor; 상기 탄소코팅된 M-X 전구체와 수산화 리튬, 플루오르화 리튬, 질산 리튬, 탄산 리튬 및 초산 리튬 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 리튬 화합물을 혼합한 후, 이를 650℃ ~ 850℃ 온도에서 2차 소성시켜서 양극 활물질을 얻는 제 3 단계;After mixing the carbon-coated MX precursor and a single or two or more lithium compounds selected from lithium hydroxide, lithium fluoride, lithium nitrate, lithium carbonate and lithium acetate, and then secondary firing at a temperature of 650 ℃ ~ 850 ℃ secondary cathode active material Obtaining a third step; 를 포함하는 것을 그 특징으로 하는 리튬이차전지용 올리빈형 양극 활물질의 제조방법;Method for producing an olivine-type positive electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that it comprises a; [화학식 6][Formula 6] MXO4-wBw MXO 4-w B w 화학식 6에 있어서, M은 Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 상기 X는 P, As, Bi, Sb, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, 상기 B는 F, S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, 여기서, w는 0≤w≤0.5을 만족하는 실수이다.In Formula 6, M is an element selected from the group consisting of Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Zr, Nb, Cu, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B and combinations thereof X is an element selected from the group consisting of P, As, Bi, Sb, and combinations thereof, and B is an element selected from the group consisting of F, S, and combinations thereof, wherein w is 0 This is a real number satisfying ≤ w ≤ 0.5. 제 1 항 내지 제 4 항 중에서 선택된 어느 한 항의 올리빈형 양극 활물질을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.A lithium secondary battery comprising the olivine-type positive electrode active material of any one of claims 1 to 4.
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