KR20110044936A - Process for the production of lithium-manganese double oxide for lithium ion batteries and lithium-manganese double oxide for lithium ion batteries made by the same, and lithium ion batteries cotaining the same - Google Patents

Process for the production of lithium-manganese double oxide for lithium ion batteries and lithium-manganese double oxide for lithium ion batteries made by the same, and lithium ion batteries cotaining the same Download PDF

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KR20110044936A
KR20110044936A KR1020090101498A KR20090101498A KR20110044936A KR 20110044936 A KR20110044936 A KR 20110044936A KR 1020090101498 A KR1020090101498 A KR 1020090101498A KR 20090101498 A KR20090101498 A KR 20090101498A KR 20110044936 A KR20110044936 A KR 20110044936A
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Abstract

PURPOSE: A process for producing lithium-manganese composite oxide for lithium ion batteries is provided to enhance packing density, to facilitate the control of particle size and tab density, and to ensure excellent energy capacity characteristic per unit volume, electrochemical characteristics and crystallinity. CONSTITUTION: A process for producing lithium-manganese composite oxide represented by Li_(1+a)[Mn_(2-b)M_b]O_(4-c)A_c of a spinel structure comprises the steps of: (i) mixing a lithium compound, manganese compound, M-containing compound and A-containing compound; (ii) dispersing the compound of step (i) in a solvent, and wet-pulverizing the compound in order to contain particles having an average particle diameter less than about 0.3 micron to prepare slurry; (iii) spray drying the slurry of step (ii); and (iv) plasticizing the spray-dried slurry.

Description

리튬 이온 전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법, 그 제조 방법에 의하여 제조된 리튬 이온 전지용 리튬 망간 복합 산화물, 및 이를 포함하는 리튬 이온 이차 전지{PROCESS FOR THE PRODUCTION OF LITHIUM-MANGANESE DOUBLE OXIDE FOR LITHIUM ION BATTERIES AND LITHIUM-MANGANESE DOUBLE OXIDE FOR LITHIUM ION BATTERIES MADE BY THE SAME, AND LITHIUM ION BATTERIES COTAINING THE SAME}TECHNICAL FOR THE PRODUCTION OF LITHIUM-MANGANESE DOUBLE OXIDE FOR LITHIUM ION BATTERIES AND LITHIUM-MANGANESE DOUBLE OXIDE FOR LITHIUM ION BATTERIES MADE BY THE SAME, AND LITHIUM ION BATTERIES COTAINING THE SAME}

본 발명은 리튬 이온 전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법, 그 제조 방법에 의하여 제조된 리튬 이온 전지용 리튬 망간 복합 산화물, 및 이를 포함하는 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a lithium manganese composite oxide for a lithium ion battery, a lithium manganese composite oxide for a lithium ion battery manufactured by the method, and a lithium ion secondary battery comprising the same.

전위가 4 V(voltage)인 리튬 또는 리튬이온 2차 전지용 양극 활물질 중에서 가장 널리 사용되는 것은 LiCoO2 화합물이다. 그러나 이 재료는 고가이고 안정성 측면에서 불리한 점을 갖고 있기 때문에 최근에는 다른 활물질에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 리튬 망간 복합산화물로 스피넬 구조를 갖는 Li1 + xMn2 - xO4 (0≤x≤0.12) 화합물은 안전성이 우수하고, 또한 자원도 풍부하여 가격이 싸며, 재 료의 환경 친화적 성질 때문에 최근 가장 활발하게 연구되고 있는 재료중의 하나이다. LiCoO 2 is the most widely used positive electrode active material for lithium or lithium ion secondary batteries with a potential of 4 V (voltage). Compound. However, since this material is expensive and disadvantages in terms of stability, many studies on other active materials have recently been conducted. Among them, the Li 1 + x Mn 2 - x O 4 (0≤x≤0.12) compound having a spinel structure as a lithium manganese composite oxide is excellent in safety, rich in resources, inexpensive, and due to the environmentally friendly nature of the material. It is one of the most actively studied materials in recent years.

종래의 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물의 합성방법은 망간화합물과 리튬화합물을 화학적 조성에 맞추어 혼합한 후 고온에서 열처리하여 얻는다. 미국 특허 제5,718,877호에 화학적으로 보다 균일한 스피넬을 얻을 수 있는 열처리 공정이 기재되어 있고, 문헌(R.J. Gummow 등의 Solid State Ionics, 69, 59(1994)에 스피넬 구조를 가진 화합물은 LiMn2O4 의 화학양론 조성에 국한되지 않고 Li1 + xMn2 - xO4 에서 x의 값이 0 에서 0.33까지 변하여도 스피넬의 구조를 이루며, x의 값이 증가함에 따라서 Mn의 원자가가 4에 가까워지며 결정구조가 안정화된다고 하였다.The conventional method for synthesizing a lithium manganese composite oxide having a spinel structure is obtained by mixing a manganese compound and a lithium compound according to a chemical composition and then performing heat treatment at a high temperature. Solid State Ionics, compounds having a spinel structure 69, 59 (1994), such as the United States, and the patent the heat treatment process in the invention of 5,718,877 number to obtain a uniform spinel than chemically described, literature (RJ Gummow is LiMn 2 O 4 It is not limited to the stoichiometric composition of, and in Li 1 + x Mn 2 - x O 4 , even if the value of x varies from 0 to 0.33, it forms a spinel structure. As the value of x increases, the valence of Mn approaches 4 It is said that the crystal structure is stabilized.

한편, 스피넬 구조의 리튬 망간 복합화합물의 전기화학적 특성의 열화가 스피넬 조성의 불균일성에 의해 조장된다는 보고가 있은 후, 액상법을 이용하여 화학적 조성이 보다 균일한 스피넬을 합성하고자 하는 연구가 다양하게 시도되어 왔다. 그러나 양극 활물질로 사용되기 위한 적당한 2차 입자의 크기는 10∼25 ㎛인데 비하여, 대부분 액상법에 의해 합성된 스피넬 화합물은 입자 크기가 수 마이크로미터(㎛) 미만인 미세한 입자가 얻어진다. 이러한 미세한 입자는 각 입자의 전기화학적 특성이 우수하다 할지라도 입자의 흐름성, 충진밀도, 탭(tap) 밀도, 및 용매에 대한 젖음성 등의 특성이 나빠서 실제 전극 제조 공정상에서 많은 문제 를 안고 있기 때문에 실제 전지의 양극 활물질로 사용되기는 어렵다는 문제점이 있었다. On the other hand, after the report that the deterioration of the electrochemical properties of the spinel structure lithium manganese composite compound is encouraged by the non-uniformity of the spinel composition, various studies have been attempted to synthesize a spinel with a more uniform chemical composition using the liquid phase method. come. However, the size of a suitable secondary particle for use as a positive electrode active material is 10 to 25 ㎛, whereas the spinel compound synthesized by the liquid phase method is mostly obtained fine particles having a particle size of less than a few micrometers (㎛). Although these fine particles have excellent electrochemical properties of each particle, they have many problems in the actual electrode manufacturing process due to poor characteristics such as particle flowability, filling density, tap density, and wettability to a solvent. There is a problem in that it is difficult to be used as the positive electrode active material of the actual battery.

그러나, 이러한 스피넬 구조의 복합산화물은 리튬코발트 복합산화물(Li-Co계 복합산화물이라고 함)과 비교하여 활물질당 용량이 낮고, 2차입자내에 많은 공극을 함유하므로, 2차입자가 가볍고, 흡유량이 크므로 크기가 제한되는 전지내에 혼합하는 활물질 질량이 적어진다. 그 결과, 단위전지당 전기용량이 작다는 문제가 있다.However, these spinel-structured composite oxides have a lower capacity per active material and contain more voids in the secondary particles than lithium cobalt composite oxides (referred to as Li-Co composite oxides). The active material mass mixed in the battery whose size is limited becomes small. As a result, there is a problem that the electric capacity per unit cell is small.

그 개선책으로서, 근래 망간화합물과 리튬화합물과의 혼합물을 500kg/cm2 이상의 압력으로 가압성형 후, 가열처리하여 해쇄(解碎)함으로써, 탭밀도(일정한 조건에서 용기를 진동시켜 얻어지는 분말의 외관밀도)가 1.7g/ml 이상의 Li-Mn복합산화물을 얻고자 하는 제안이 있다(미국 특허 제5807646호, 일본국 특개평9 (1997)-86933호). 그러나, 개시되어 있는 구체적인 탭밀도는 겨우 1.9g/ml에 불과하여 만족할만한 수준이 아니었다. 또, 상기 공보에는 Li-Mn계 복합산화물의 1차 입자가 응집한 2차 입자의 평균 입자직경이 개시되어 있지만, 2차입자는 1차입자 사이의 상호작용을 이용하여 충전성(充塡性)을 향상시켜도 전극재료의 조합(調合)공정시에 도료화(전극페이스트화)하는 단계에서 그 응집이 없어져, 본질적인 개선책으로 되고 있지 않다. As a measure for improvement, recently, a mixture of a manganese compound and a lithium compound is pressed under a pressure of 500 kg / cm < 2 > There is a proposal to obtain a Li-Mn composite oxide of 1.7 g / ml or more (US Pat. No. 5805646, Japanese Patent Laid-Open No. 9 (1997) -86933). However, the specific tap density disclosed was only 1.9 g / ml, which was not satisfactory. In addition, the publication discloses an average particle diameter of secondary particles in which primary particles of a Li-Mn-based composite oxide are aggregated. However, secondary particles may be formed by using interaction between primary particles. Even if it improves, in the step of coating (electrode paste) the coating material at the time of the electrode material combination process, the cohesion disappears and it is not an intrinsic improvement measure.

또, 스피넬구조를 갖는 Li-Mn계 복합산화물의 제조방법으로서는, 망간산화 물과 리튬화합물의 혼합물을 고온(예를 들면 250℃에서 850℃의 온도하)에서 소성하여 제조하는 방법(일본국 특개평9(1997)-86933호 공보)이나, 망간화합물과 리튬화합물에 다시 망간으로 치환할 수 있는 붕소 원소의 산화물을 혼합하고, 고온에서 소성하여 Mn을 B로 일부 치환한 Li-Mn-B계 산화물의 정극활물질을 제조하는 방법(일본국 특개평4(1992)-237970호 공보)이 개시되어 있다. 그러나, 이들 원료를 대기중 또는 산소가스 플로(flow)중, 고온에서 소성한 경우에는 해쇄 후의 2차 입자는, 평균공극율이 크고 (15% 이상), 탭밀도가 낮아서(1.9g/ml 이하) 전극에 혼합하는 정극활물질의 질량을 많게 하여 고용량화를 도모할 수 없다.Moreover, as a manufacturing method of the Li-Mn type | system | group composite oxide which has a spinel structure, the method of manufacturing by baking a mixture of manganese oxide and a lithium compound at high temperature (for example, at the temperature of 250 degreeC-850 degreeC) (Japan special characteristic) Korean Patent Publication No. 9 (1997) -86933) or a Li-Mn-B system in which a manganese compound and a lithium compound are mixed with an oxide of boron element, which can be substituted with manganese, and fired at high temperature to partially replace Mn with B. A method for producing a positive electrode active material of an oxide (Japanese Patent Laid-Open No. 4 (1992) -237970) is disclosed. However, when these raw materials are fired at high temperature in the air or in an oxygen gas flow, the secondary particles after crushing have a large average porosity (15% or more) and low tap density (1.9 g / ml or less). Higher capacity cannot be achieved by increasing the mass of the positive electrode active material mixed in the electrode.

또, 일본국 특개평4(1992)-14752호 공보에는, 스피넬형 리튬망간산화물에 산화티탄을 배합, 소결한 망간계 산화물의 정극활물질에의 사용이 개시되어 있지만, 산화티탄은 950℃∼1000℃ 이상이 아니면 리튬과 망간과 반응하여 융액을 생성시키지 않고, 또한 산화티탄을 10 질량%나 첨가하지 않으면 탭밀도는 1.60g/ml 밖에 얻을 수 없다는 문제가 있었다.Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 4 (1992) -14752 discloses the use of a spinel-type lithium manganese oxide in which titanium oxide is mixed and sintered as a positive electrode active material, but titanium oxide is 950 ° C to 1000. If the temperature is not higher than or equal to 0 ° C, there is a problem that the tap density can be obtained only by 1.60 g / ml without reacting with lithium and manganese to form a melt and adding 10% by mass of titanium oxide.

LiMn2O4는 상온 사이클 수명은 우수하지만, 고온에서 연속적인 충방전시 용량이 급격히 감소하는 문제점이 있다. LiMn2O4에서 Mn의 원자가는 3.5로써, 실질적으로는 Mn이 Mn3 + 와 Mn4 + 의 형태로 존재한다. 이때, 온도가 증가하면, Mn4 + 는 안정하나, Mn3 + 는 불안정하여, 고온 충방전시 Mn3 + 가 Mn4 + 와 Mn2 +로 되는 불균형화 (disproportion) 반응이 일어나서, 고온 충방전시 용량이 급격히 감소하는 것으로 알려져 있다. 또한, LiMn2O4를 사용한 전지는 초기 10 사이클 이내에 용량이 급격하게 감소하는 현상이 발생되는 문제점이 있다.LiMn 2 O 4 has excellent cycle life at room temperature, but has a problem in that capacity decreases rapidly during continuous charge and discharge at high temperatures. The valence of Mn in LiMn 2 O 4 is as 3.5, and Mn is present substantially in the form of Mn + 3 and Mn + 4. At this time, when the temperature is increased, Mn 4 + is stable, but Mn 3 + is unstable, disproportionation reaction occurs in which Mn 3 + becomes Mn 4 + and Mn 2 + during high temperature charge and discharge, and thus, high temperature charge and discharge It is known that the dose decreases rapidly. In addition, a battery using LiMn 2 O 4 has a problem in that a phenomenon in which capacity decreases rapidly within an initial 10 cycle occurs.

또한, LiMn2O4의 망간계 양극 활물질을 사용한 전지를 장시간, 특히, 고온에서 연속적으로 충방전시킬 경우 LiMn2O4의 표면에서 전해액과의 부반응이 발생한다. 이는 전해액 속에 존재하는 H2O와 LiPF6가 반응하여 강산인 HF를 형성하고, 이 HF가 망간계 양극 활물질에서 표면에 존재하는 Mn을 공격하여 Mn이 전해액으로 용출되는 현상에 기인한 것으로 알려져 있다. 이러한 부반응으로 LiMn2O4 활물질을 구성하는 망간(Mn)이 전해액 중에 녹아나서 활물질이 붕괴됨은 물론이고, 이로 인해 전지의 수명이 급격하게 감소된다. In addition, when the battery using the manganese-based positive electrode active material of LiMn 2 O 4 is continuously charged and discharged for a long time, particularly at high temperature, side reactions with the electrolyte occur on the surface of LiMn 2 O 4 . This is known to be due to the phenomenon that H 2 O and LiPF 6 in the electrolyte react to form HF, which is a strong acid, and that HF attacks Mn present on the surface of the manganese positive electrode active material and Mn elutes into the electrolyte. As a result of this side reaction, the manganese (Mn) constituting the LiMn 2 O 4 active material is dissolved in the electrolyte, and the active material is collapsed.

이러한 망간 성분의 석출은 고온 보존시에 더욱 심각하게 나타나는데, 이는 전지의 저항 증가를 초래한다. 전기 자동차의 전원으로서 망간계 리튬 이차 전지가 사용되는 경우, 상기와 같은 문제점은 출력의 심각한 저하를 초래하여, 고성능(고출력) 망간계 리튬 이차 전지의 개발을 저해하는 주요 원인으로 작용한다.Precipitation of such manganese components is more severe when stored at high temperature, which leads to an increase in resistance of the battery. When a manganese-based lithium secondary battery is used as a power source for an electric vehicle, the above problems cause a serious decrease in output, which acts as a major cause of impeding the development of a high performance (high output) manganese-based lithium secondary battery.

이러한 망간계 리튬 이차 전지의 성능저하를 방지하는 기존의 연구는 스피넬 구조의 분해(dissolution)를 억제하는 방법과 전해액 첨가제를 이용하는 방법이 있다. 그러나, 여전히 분해(dissolution)를 완벽하게 억제하지는 못하며, 전해액도 고온 보관시 자체 열화되어 성능의 감퇴가 생기고 있다.Previous studies to prevent the deterioration of the manganese-based lithium secondary battery has a method of suppressing the dissolution of the spinel structure (dissolution) and a method using an electrolyte additive. However, it still does not completely suppress dissolution, and electrolytes deteriorate themselves due to high temperature storage, resulting in deterioration of performance.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해소함으로써 고온에서도 장기간 보존시 우수 한 저장 특성을 발휘할 수 있는 망간계 리튬 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.Accordingly, there is a high need for a manganese-based lithium secondary battery capable of exhibiting excellent storage characteristics in long-term storage even at high temperatures by solving the above problems.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고 양극 활물질로 사용되기 위해 적당한 입자 크기 및 탭밀도를 갖는 리튬 이온 전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above and to provide a method for producing a lithium manganese composite oxide for a lithium ion battery having a suitable particle size and tap density for use as a positive electrode active material.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 리튬 이온 전지용 리튬 망간 복합 산화물, 및 이를 포함하는 리튬 이온 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a lithium manganese composite oxide for a lithium ion battery prepared by the manufacturing method, and a lithium ion secondary battery comprising the same.

상기 목적은 본 발명에 따라 The object according to the present invention

i)리튬 화합물, 망간 화합물, M 함유 화합물 및 A 함유 화합물(여기서 M은 Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 하나의 원소이고, A는 F, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 어느 하나의 원소이다)을 화학 양론비로 혼합하는 단계;i) lithium compounds, manganese compounds, M-containing compounds and A-containing compounds, where M is Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge, and Sn One element selected from the group consisting of: A is any one element selected from the group consisting of F, S and P);

ii)상기 i)의 화합물을 용매에 분산시키고 약 0.3㎛ 미만의 평균입자 직경을 갖는 입자를 함유할 때까지 습식 분쇄하여 슬러리를 제조하는 단계;ii) preparing a slurry by dispersing the compound of i) in a solvent and wet grinding until it contains particles having an average particle diameter of less than about 0.3 μm;

iii)상기 ii)의 슬러리를 분무건조하는 단계: 및iii) spray drying the slurry of ii): and

iv)상기 iii)의 분무건조된 슬러리를 소성하는 단계로 구성되는 것인 스피넬 구조의 Li1 +a[Mn2 - bMb]O4- cAc(여기에서 0≤a≤0.3, 0.01≤b≤0.2, 0≤c≤0.02)로 표시 되는 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법에 의하여 달성된다. iv) a spinel structure of Li 1 + a [Mn 2 - b M b ] O 4- c A c (where 0≤a≤0.3, 0.01 By a method for producing a lithium manganese composite oxide represented by? B? 0.2, 0? C? 0.02).

여기서 상기 리튬 화합물은 Li2CO3, LiNO3, LiNO2, LiOH, LiOHㆍH2O, LiH, LiF, LiCl, LiBr, LiI, CH3 COOLi, Li2O, Li2SO4, 아세트산 Li, 디카르복실산 Li, 시트르산 Li, 지방산 Li, 알킬리튬, 및 리튬할로겐화물로 구성되는 그룹에서 선택되고, 그 중에서도 취급이 용이하다는 점, 저렴하다는 이유에서 탄산 리튬이 바람직하다.Wherein said lithium compound is Li 2 CO 3, LiNO 3, LiNO 2, LiOH, LiOH and H 2 O, LiH, LiF, LiCl, LiBr, LiI, CH 3 COOLi, Li 2 O, Li 2 SO 4, acetic acid Li, Lithium carbonate is preferred because it is selected from the group consisting of dicarboxylic acid Li, citric acid Li, fatty acid Li, alkyllithium, and lithium halide, and is easy to handle and inexpensive.

상기 망간 화합물은 Mn2O3, MnO2, Mn3O4 등의 망간산화물, MnCO3, Mn(NO3)2, MnSO4, 아세트산망간, 디카르복시산망간, 시트르산망간, 지방산망간 등의 망간염, 옥시수산화물,및 염화망간 등의 할로겐화물 등을 들 수 있다. 이들 망간 화합물중에서도 MnO2, Mn2O3, Mn3O4 는 소성 처리할 때 NOx, SOx, CO2 등의 가스를 발생시키지 않고, 또한 공업원료로서 저렴하게 입수할 수 있기 때문에 바람직하다. 이들 망간화합물은 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.The manganese compounds include manganese oxides such as Mn 2 O 3 , MnO 2 , Mn 3 O 4 , MnCO 3 , Mn (NO 3 ) 2 , MnSO 4 , manganese acetate, manganese dicarboxylic acid, manganese citrate, and manganese fatty acid. And halides such as oxyhydroxide and manganese chloride. Among these manganese compounds, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 are preferable because they can be obtained at low cost as industrial raw materials without generating gases such as NO x , SO x , and CO 2 during firing. . These manganese compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

본 발명에 있어서, Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 하나의 상기 M 원소를 함유하는 탄산염, 질산염, 수산화물, 염화물, 산화물의 화합물을 리튬 망간 복합 산화물 내에 포함시킬 수 있다. 이러한 화합물은 리튬 망간 복합 산화물의 안정성의 향상 및, 리튬 이온의 확산성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 있어서, M 원소로서 알루미늄을 채용하는 것이 가능하며, 이 경우 알루미늄 합유 화합물은 산화 알루미늄, 질산 알루미늄, 탄산 알루미늄, 수산화 알루미늄, 염화 알루미늄으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. In the present invention, it contains one of the above M elements selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge and Sn. Compounds of carbonates, nitrates, hydroxides, chlorides, and oxides may be included in the lithium manganese composite oxide. Such a compound can improve the stability of a lithium manganese complex oxide and the diffusibility of lithium ions. In the present invention, it is possible to employ aluminum as the M element, in which case the aluminum alloy compound may be selected from the group consisting of aluminum oxide, aluminum nitrate, aluminum carbonate, aluminum hydroxide, aluminum chloride.

본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 상기 리튬 망간 복합 산화물의 입경은 5 내지 50 ㎛이고, 탭밀도는 1.5 내지 2.5 g/㎠ 이다. The lithium manganese composite oxide produced by the production method of the present invention has a particle diameter of 5 to 50 µm and a tap density of 1.5 to 2.5 g / cm 2.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 습식 분쇄 공정에서는 용매로서 물을 사용하고, 지르코니아 비드를 이용하여 3000 내지 4000 rpm 으로 습식 분쇄하는 것으로 구성되며, 소성 공정에 있어서는 상기 분무 건조체를 산소 함유 가스 분위기 하에서, 920℃ 내지 940℃에서, 5 시간 내지 10 시간동안 소성하는 것으로 구성된다. In the production method of the present invention, in the wet grinding step, water is used as a solvent, and wet grinding is performed at 3000 to 4000 rpm using zirconia beads. In the firing step, the spray drying body is subjected to oxygen-containing gas atmosphere. Firing at 920 ° C. to 940 ° C. for 5 to 10 hours.

본 발명에서는 또한, 이러한 본 발명의 제조 방법에 의하여 제조된 리튬이차전지용 스피넬계 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. .The present invention also provides a spinel-based positive electrode active material for a lithium secondary battery prepared by the manufacturing method of the present invention and a lithium secondary battery comprising the same. .

이하에서는 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 제조 방법에 있어서는 종래 리튬 망간 복합 산화물의 제조에 있어서 건식법이 주로 사용되는 것과는 달리 습식 분쇄 및 분무 건조법을 사용하는 것을 기술적 특징으로 한다. In the production method of the present invention, the wet grinding and spray drying methods are used in the production of lithium manganese composite oxides, unlike the dry method.

본 발명의 제조 방법에 있어서는 원료 화합물을 분산매에 분산시킨 후 매체교반형 분쇄기등을 사용하여 습식 분쇄하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 슬러리의 습식분쇄를 위해 사용되는 분산매로는 각종 유기용매, 수성용매를 사용할 수 있지만, 바람직한 것은 물이다. 슬러리 전체의 중량에 대한 원료 화합물의 총중량비율은, 50중량% 이상이며, 60중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 중량비율이 상기 범위 미만인 경우는, 슬러리 농도가 극단적으로 희박하기 때문에 분무 건조에 의해 생성된 구형 입자가 필요 이상으로 작아지거나 파손되기 쉽거나 한다. 이 중량비율이 상기 범위를 초과하면 슬러리의 균일성을 유지하기 어렵다.In the manufacturing method of this invention, it is preferable to use the method of wet-pulverizing using a medium stirring grinder etc. after disperse | distributing a raw material compound to a dispersion medium. Although various organic solvents and aqueous solvents can be used as a dispersion medium used for the wet grinding of a slurry, water is preferable. The total weight ratio of the raw material compound to the weight of the entire slurry is 50% by weight or more, preferably 60% by weight or less. When the weight ratio is less than the above range, since the slurry concentration is extremely lean, the spherical particles produced by spray drying become smaller than necessary or easily break. If this weight ratio exceeds the above range, it is difficult to maintain uniformity of the slurry.

슬러리 중의 고형물의 평균 입자 직경은 통상 2㎛ 이하, 특히 1㎛ 이하, 특히 0.3㎛ 이하로 되도록 3000 내지 4000 rpm 으로 습식 분쇄하는 것이 바람직하다. 슬러리 중의 고형물의 평균 입자 직경이 너무 크면 소성 공정에서의 반응성이 저하할 뿐만 아니라 구형도가 저하하여, 최종적인 분체 충전 밀도가 낮아지는 경향이 있다. 그러나, 필요 이상으로 소립자화하는 것은 분쇄의 비용 상승으로 연결되기 때문에, 분쇄물의 평균 입자 직경은 통상 0.3㎛ 이하로 한다.It is preferable to wet grind at 3000 to 4000 rpm so that the average particle diameter of the solids in the slurry is usually 2 m or less, especially 1 m or less, especially 0.3 m or less. If the average particle diameter of the solids in the slurry is too large, the reactivity in the firing step is lowered as well as the sphericity decreases, and the final powder packing density tends to be lowered. However, since the small particle size more than necessary leads to the increase of the cost of grinding | pulverization, the average particle diameter of a grinding | pulverization thing shall be 0.3 micrometer or less normally.

본 발명에 따른 리튬 망간 복합 산화물을 제조하는 방법은 리튬 화합물, 망간 화합물과 M 함유 화합물을 액체 매체 중에 분산시키고 습식 분쇄하여 만들어진 슬러리를 공지의 방법으로 분무하여 건조 조립함으로써 얻어지는 조립 분말을 사용할 수 있다. The method for producing a lithium manganese composite oxide according to the present invention can use a granulated powder obtained by dispersing a lithium compound, a manganese compound and a M-containing compound in a liquid medium, and spray-drying a slurry produced by wet grinding by a known method. .

슬러리의 분무 건조시에 공급하는 가스로는 공기, 질소 등을 사용할 수 있지 만, 통상은 공기가 사용된다. 이들은 가압하여 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 리튬 망간 복합 산화물 분체의 분무 건조에 의하여 생성되는 입자의 입경(D50)이 5 내지 30 ㎛이고, 탭밀도는 1.7 내지 2.5 g/㎠ 이다. Although air, nitrogen, etc. can be used as a gas supplied at the time of spray-drying of a slurry, Usually, air is used. It is preferable to use these by pressurizing. The particle size (D50) of the particles produced by spray drying of the lithium manganese composite oxide powder of the present invention is 5 to 30 µm, and the tap density is 1.7 to 2.5 g / cm 2.

분무시키는 수단은 특별히 중요하지 않고 특정된 구멍 크기를 지닌 노즐을 가압하는데 한정되지 않으며; 사실, 임의의 공지된 분무-건조 장치가 사용될 수 있다. 분무기는 일반적으로 회전원반식과 노즐식으로 대별되며, 노즐식은 압력 노즐형(pressure nozzle)과 2유체 노즐형(two-fluid nozzle)으로 구분된다. 이외에도 회전식 분무기, 압력 노즐, 공기식 노즐, 소닉 노즐 등과 같이 당해 분야에 익히 공지된 수단 모두 이용될 수 있다. 공급 속도, 공급물 점도, 분무-건조된 제품의 원하는 입자 크기, 분산액, 유중수 에멀션 또는 유중수 마이크로에멀션의 비말 크기 등은 분무 수단의 선택시 전형적으로 고려되는 인자이다.Means for atomizing are not particularly important and are not limited to pressurizing nozzles with specified pore sizes; In fact, any known spray-drying apparatus can be used. Atomizers are generally classified into rotary disks and nozzles, which are divided into pressure nozzles and two-fluid nozzles. In addition, any means well known in the art may be used, such as a rotary atomizer, a pressure nozzle, a pneumatic nozzle, a sonic nozzle, and the like. Feed rate, feed viscosity, desired particle size of the spray-dried product, dispersion, droplet size of water-in-oil emulsion or water-in-oil microemulsion, and the like are typically factors considered in the selection of the spraying means.

이렇게 하여 얻어진 혼합 분체는 이어서 소성 처리된다. 이때의 소성 조건은 원료 조성에도 의존하지만, 소성 온도가 너무 높으면 일차입자가 과도하게 성장되고, 반대로 너무 낮으면 부피밀도가 작고, 또한 비표면적이 과도하게 커진다. 소성 온도로는, 원료로서 사용되는 리튬 화합물, 그 밖의 금속화합물 등의 종류에 따라서도 다르지만, 통상 900℃ 이상, 바람직하게는 920℃ 이상이고, 또한 통상 1000℃ 이하, 바람직하게는 940℃ 이하이다.The mixed powder thus obtained is then calcined. The firing conditions at this time depend on the raw material composition, but when the firing temperature is too high, the primary particles grow excessively. On the contrary, when the firing temperature is too low, the bulk density becomes small and the specific surface area becomes excessively large. The firing temperature is also different depending on the type of lithium compound or other metal compound used as the raw material, but is usually 900 ° C or higher, preferably 920 ° C or higher, and usually 1000 ° C or lower, preferably 940 ° C or lower. .

소성 시간은 온도에 따라서도 다르지만, 통상 상기 서술한 온도범위라면 30분 이상, 바람직하게는 5시간 이상, 더욱 바람직하게는 5시간 이상, 또한 통상 20 시간 이하이다. 소성 시간이 너무 짧으면 결정성이 좋은 리튬 복합 산화물 분체를 얻기 어렵고, 또 너무 긴 것은 그다지 실용적이지 않다. 소성 시간이 너무 길면 또 그 후 해쇄 (pulverization) 가 필요해지거나 해쇄가 곤란해지기도 하기 때문에, 바람직하게는 20시간 이하이다.Although baking time also changes with temperature, it is 30 minutes or more normally in the above-mentioned temperature range, Preferably it is 5 hours or more, More preferably, it is 5 hours or more, and also usually 20 hours or less. If the firing time is too short, it is difficult to obtain lithium composite oxide powder having good crystallinity, and too long is not practical. If the firing time is too long and then pulverization is required or pulverization becomes difficult after that, it is preferably 20 hours or less.

소성시의 분위기는 제조하는 화합물의 조성이나 구조에 따라 공기 등의 산소함유 가스 분위기나 질소나 아르곤 등의 불활성 가스 분위기로 할 수 있다.The atmosphere at the time of baking can be made into oxygen-containing gas atmosphere, such as air, and inert gas atmosphere, such as nitrogen and argon, according to the composition and structure of the compound to manufacture.

본 발명의 제조 방법에 의하여 제조된 리튬 망간 복합 산화물은 스피넬 구조의 Li1 +a[Mn2 - bMb]O4- cAc(여기에서 0≤a≤0.3, 0.01≤b≤0.2, 0≤c≤0.02)로 표시되며, 순수한 망간산 리튬 (LiMn2O4) 뿐만이 아니라, Mn 의 일부를 금속 원소 M 으로 치환한 조성을 포함한다. Lithium manganese composite oxide prepared by the production method of the present invention is a spinel structure of Li 1 + a [Mn 2 - b M b ] O 4- c A c (where 0≤a≤0.3, 0.01≤b≤0.2, 0? C? 0.02), and not only pure lithium manganate (LiMn 2 O 4) but also a composition in which a part of Mn is substituted with the metal element M.

M 으로서 선택되는 Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge 및 Sn 는 산소 결합 에너지가 크고, 스피넬형 망간 산화물의 결점인 산소 결손에서 기인하는 전지 성능의 열화를 방지하고 마그네슘이 용출되는 것을 방지할 수 있게 된다. M 으로서는 제조상의 이유 (치환의 용이함) 에 의해 Al 이 특히 바람직하다. Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge, and Sn, which are selected as M, have a large oxygen bond energy and oxygen as a defect of spinel manganese oxide. It is possible to prevent deterioration of battery performance resulting from the defect and to prevent magnesium from eluting. As M, Al is especially preferable for manufacturing reasons (easiness of substitution).

식 중, b 는 Mn 을 M 으로 치환하는 정도를 나타낸다. b 가 0.01 미만이면 고온 특성의 개선 효과가 충분하지 않고, 또한, b 가 0.2 을 초과하면 충분한 초기 용량이 얻어지지 않는다. 그래서, 0.06 ≤ b ≤ 0.3 로 한다. b 의 조절은 혼합물 의 양을 조절함으로써 행할 수 있다.In formula, b represents the extent to which Mn is substituted by M. FIG. If b is less than 0.01, the effect of improving the high temperature characteristic is not sufficient, and if b is greater than 0.2, a sufficient initial capacity is not obtained. Therefore, 0.06 ≦ b ≦ 0.3. The adjustment of b can be done by adjusting the amount of the mixture.

M 원소로서 알루미늄을 채용하는 경우, 알루미늄 화합물로서는 한정적이지는 않지만, 산화 알루미늄, 질산 알루미늄, 탄산 알루미늄, 수산화 알루미늄, 염화 알루미늄을 들 수 있다. 그 중에서도 혼합의 용이함의 이유에서 산화 알루미늄, 염화 알루미늄이 바람직하다. M 원소로서 Mg, Si, Ca, Ti, Cu, Ba, W 또는 Pb 를 채용하는 경우에도 마찬가지로 그들의 탄산염, 질산염, 수산화물, 염화물, 산화물 등을 사용할 수 있다.In the case of employing aluminum as the M element, although not particularly limited, aluminum oxide, aluminum nitrate, aluminum carbonate, aluminum hydroxide and aluminum chloride may be mentioned. Among them, aluminum oxide and aluminum chloride are preferable for reasons of easy mixing. In the case where Mg, Si, Ca, Ti, Cu, Ba, W or Pb is employed as the M element, those carbonates, nitrates, hydroxides, chlorides, oxides and the like can be used in the same manner.

리튬 망간 복합 산화물의 조성은 혼합시의 각 화합물의 투입 (혼합비) 에 의해 조정할 수 있다. 또, 분체 특성인 입도 분포, BET 비표면적, 탭 밀도 및 압분체 밀도는 혼합 방법 및 산화 처리에 의해 조정할 수 있다.The composition of a lithium manganese composite oxide can be adjusted by the addition (mixing ratio) of each compound at the time of mixing. In addition, the particle size distribution, BET specific surface area, tap density, and green compact density which are powder characteristics can be adjusted by a mixing method and an oxidation process.

본 발명에 관련된 리튬 망간 복합 산화물에 있어서는, 탭 밀도를 1.5g/㎤ 이상 2.5g/㎤ 미만으로 한다. 탭밀도는 비표면적과 밀접한 상관이 있으며, 일반적으로 비표면적이 높은 입자는 입자 사이에 공극이 존재하여 탭밀도가 낮아진다. 리튬 이온 전지용 정극재는 이 양자의 밸런스를 고려할 필요가 있다. 1.5g/㎤ 미만에서는 막 밀도가 높아지지 않아, 고용량을 달성할 수 없다. 또, 2.5 g/㎤ 이상이면 전해액의 침투성이 나빠지는 경향이 있다. In the lithium manganese composite oxide according to the present invention, the tap density is set to 1.5 g / cm 3 or more and less than 2.5 g / cm 3. The tap density is closely correlated with the specific surface area, and in general, particles having a high specific surface area have low porosity due to the presence of voids between the particles. The positive electrode material for lithium ion batteries needs to consider the balance of both. If it is less than 1.5 g / cm 3, the film density does not increase and high capacity cannot be achieved. Moreover, when it is 2.5 g / cm <3> or more, there exists a tendency for the permeability of electrolyte solution to worsen.

또한, 본 발명은 이러한 제조 방법에 따라 제조된 리튬 망간 복합 산화물 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. 본 발명의 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물로부터 리튬 2 차 전지용 양극을 제조하는 경우에는, 이러한 복합 산화물의 분말에 아세틸렌 블랙, 흑연, 케첸 블랙 등의 탄소계 도전재와 결합재를 혼합함으로써 형성된다. 상기 결합재로는, 바람직하게는, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아미드, 카르복시메틸셀룰로오스, 아크릴 수지 등이 사용된다. 본 발명의 리튬 함유 복합 산화물 분말, 도전재 및 결합재를 용매 또는 분산매를 사용하여 슬러리 또는 혼련물로 한다. 이것을 알루미늄박, 스테인리스박 등의 양극 집전체에 도포 등에 의해 담지시켜 본 발명의 리튬 2 차 전지용 양극이 제조된다.In addition, the present invention provides a lithium manganese composite oxide prepared according to this manufacturing method and a lithium secondary battery comprising the same. When manufacturing the positive electrode for lithium secondary batteries from the lithium manganese composite oxide for lithium secondary batteries of this invention, it forms by mixing carbonaceous conductive materials, such as acetylene black, graphite, Ketjen black, and a binder with the powder of such a composite oxide. As the binder, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyamide, carboxymethyl cellulose, acrylic resin, or the like is preferably used. The lithium-containing composite oxide powder, the conductive material and the binder of the present invention are used as a slurry or a kneaded product using a solvent or a dispersion medium. The positive electrode for lithium secondary batteries of the present invention is produced by supporting this on a positive electrode current collector such as aluminum foil or stainless steel foil by coating or the like.

본 발명의 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물 분말을 양극 활물질에 사용하는 리튬 2 차 전지에 있어서, 세퍼레이터로는,다공질 폴리에틸렌, 다공질 폴리프로필렌의 필름등이 사용된다. 또, 전지의 전해질 용액의 용매로는 여러 가지 용매를 사용할 수 있는데, 그 중에서도 탄산에스테르가 바람직하다. 탄산에스테르는 고리형, 사슬형 모두 사용할 수 있다. 고리형 탄산에스테르로는, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트 (EC) 등이 예시된다. 사슬형 탄산에스테르로는, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트 (DEC), 에틸메틸카보네이트 (EMC), 메틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트 등이 예시된다.In the lithium secondary battery using the lithium manganese composite oxide powder for lithium secondary batteries of the present invention for a positive electrode active material, a porous polyethylene, a film of porous polypropylene, or the like is used as the separator. Moreover, although various solvent can be used as a solvent of the electrolyte solution of a battery, carbonate ester is especially preferable. Carbonic acid ester can use both a cyclic and a chain form. As cyclic carbonate, propylene carbonate, ethylene carbonate (EC), etc. are illustrated. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate and methyl isopropyl carbonate.

본 발명의 리튬 망간 복합 산화물 분말을 양극 활물질에 사용하는 리튬 2 차 전지에 있어서, 음극 활물질에는 리튬 이온을 흡장, 방출할 수 있는 재료가 사용된다. 이 음극 활물질을 형성하는 재료는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 리튬 금속, 리튬 합금, 탄소 재료, 주기율표 14, 또는 15 족의 금속을 주체로 한 산화물, 탄소 화합물, 탄화규소 화합물, 산화규소 화합물, 황화티탄, 탄화붕소 화합물 등을 들 수 있다. 탄소 재료로는 여러 가지 열분해 조건에서 유기물을 열분해한 것이나 인조 흑연, 천연 흑연, 토양 흑연, 팽창 흑연, 인편상 흑연 등을 사용할 수 있다. 또, 산화물로는 산화주석을 주체로 하는 화합물을 사용할 수 있다. 음극 집전체로는, 동박, 니켈박 등이 사용된다. 이러한 음극은 상기 활물질을 유기 용매와 혼련하여 슬러리로 하고, 그 슬러리를 금속박 집전체에 도포, 건조, 프레스하여 얻음으로써 바람직하게는 제조된다.In a lithium secondary battery using the lithium manganese composite oxide powder of the present invention as a positive electrode active material, a material capable of occluding and releasing lithium ions is used as the negative electrode active material. Although the material which forms this negative electrode active material is not specifically limited, For example, a lithium metal, a lithium alloy, a carbon material, an oxide, a carbon compound, a silicon carbide compound, a silicon oxide compound mainly having a metal of periodic table 14, or a group 15, Titanium sulfide, a boron carbide compound, etc. are mentioned. As the carbon material, those obtained by pyrolysing organic substances under various pyrolysis conditions, artificial graphite, natural graphite, soil graphite, expanded graphite, flaky graphite, and the like can be used. As the oxide, a compound mainly composed of tin oxide can be used. Copper foil, nickel foil, etc. are used as a negative electrode electrical power collector. Such a negative electrode is preferably prepared by kneading the active material with an organic solvent to form a slurry, and applying the slurry to a metal foil current collector to obtain a slurry.

본 발명의 제조 방법에 따라 얻어지는 리튬 망간 복합산화물은 입자의 크기가 크고, 결정성이 우수할 뿐만 아니라, 알루미늄에 의해 망간 용출 현상이 획기적으로 개선되어 고온에서 우수한 전지 특성 즉, 충방전에 따른 싸이클 특성과 용량 보존 특성을 나타낼 수 있었다.The lithium manganese composite oxide obtained according to the manufacturing method of the present invention has a large particle size, excellent crystallinity, and significantly improved manganese elution phenomena by aluminum, resulting in excellent battery characteristics at high temperatures, that is, cycles due to charge and discharge. Characteristics and capacity retention characteristics.

<양극활물질의 제조> <Production of Anode Active Material>

<실시예 1> Li1 +a[Mn2 - bMb]O4- cAc (b=c=0) 의 제조Preparation of - [b M b Mn 2] O 4- c A c (b = c = 0) < Example 1> Li 1 + a

출발물질로서 Li2CO3, MnO2를 아래 표 1의 각각의 실시예 1-1 내지 1-3 의 조성비의 화학 양론비에 따라 초순수에 각각의 출발 물질과 초순수의 비율이 5:5가 되도록 투입하였다. Li 2 CO 3 and MnO 2 as starting materials were determined so that the ratio of each starting material and ultrapure water to ultrapure water was 5: 5 according to the stoichiometry of the composition ratios of Examples 1-1 to 1-3 of Table 1 below. Input.

aa bb cc 실시예 1-1Example 1-1 00 00 00 실시예 1-2Example 1-2 0.050.05 00 00 실시예 1-3Example 1-3 0.10.1 00 00

균일하게 혼합이 되도록 교반기에서 400rpm으로 10분간 교반을 한 후 습식분쇄장치(Mincer, Netzsch 사 제품)에서 고속으로 분쇄 및 분산을 시켜 슬러리내 입자의 입도(D50)가 0.3㎛이하가 될 때까지 슬러리화 하였다. 습식 분쇄장치는 0.65mm의 직경을 가지는 지르코니아 비드를 사용하였으며 분쇄 시간은 30분으로 고정하였다. 슬러리의 점도는 500cp 이하로 하였다. After stirring for 10 minutes at 400rpm in a stirrer to be uniformly mixed, the slurry was pulverized and dispersed at a high speed with a wet grinding device (Mincer, manufactured by Netzsch) until the particle size (D50) in the slurry became 0.3 μm or less. It was made. The wet mill used zirconia beads having a diameter of 0.65 mm and the milling time was fixed at 30 minutes. The viscosity of the slurry was 500 cps or less.

제조된 슬러리의 건조 및 성형은 분무건조장치(아인시스템 제품)를 사용하였으며 투입 열풍온도를 250내지 300℃, 배기 열풍 온도를 100 내지 150℃로 하였으며 분사는 아토마이져 휠 타입을 사용하여 구형의 양극활물질 전구체 입자를 제조 하였다.The drying and molding of the prepared slurry was carried out using a spray drying apparatus (product of AIN SYSTEM), and the input hot air temperature was 250 to 300 ° C, the exhaust hot air temperature was 100 to 150 ° C, and the spraying was performed using an atomizer wheel type. Anode active material precursor particles were prepared.

이와 같이 건조, 성형 된 전구체를 알루미나 도가니에 일정량을 담아 분당 2 내지 5℃ 의 속도로 승온, 800 내지 900℃ 에서 5시간 내지 10시간 소성한 후, 2 내지 5℃의 속도로 냉각을 하였다. 이때 소성 분위기는 산화 분위기로 공기를 분당 1L의 속도로 주입을 하였다. 소성 이후 해쇄 및 325mesh 표준망체를 사용하여 조대 입자 및 불순물을 제거 하였다.Thus dried and molded precursors were put in an alumina crucible and heated at a rate of 2 to 5 ° C. per minute, calcined at 800 to 900 ° C. for 5 to 10 hours, and then cooled at a rate of 2 to 5 ° C. At this time, the firing atmosphere was injected into the oxidizing atmosphere at a rate of 1L per minute. After firing, disintegration and coarse particles and impurities were removed using a 325mesh standard mesh.

<실시예 2> Li1 +a[Mn2 - bMb]O4- cAc (M=Al, b≠0, c=0) 의 제조Preparation of - [b M b Mn 2] O 4- c A c (M = Al, b ≠ 0, c = 0) < Example 2> Li 1 + a

출발물질로서 Li2CO3, MnO2 외에 Al2O3 를 아래 표 2의 각각의 실시예 2-1 내지 2-3 의 조성비의 화학 양론비에 따라 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정으로 제조하였다. Li 2 CO 3 , MnO 2 as starting materials In addition to Al 2 O 3 was prepared in the same manner as in Example 1, except that Al 2 O 3 was used according to the stoichiometric ratios of the composition ratios of Examples 2-1 to 2-3 of Table 2 below.

aa bb cc 실시예 2-1Example 2-1 0.150.15 0.040.04 00 실시예 2-2Example 2-2 0.150.15 0.080.08 00 실시예 2-3Example 2-3 0.150.15 0.10.1 00

<비교예 1>Comparative Example 1

실시예 1과 동일한 출발 물질을 사용하여, 종래 일반적인 리튬이차전지용 스피넬계 양극활물질의 제조 방법인 건식 혼합법에 따라 리튬이차전지용 스피넬계 양극활물질을 제조하였다. 즉, 습식분쇄 및 분무건조장치를 이용하지 않고 원재료를 화학 양론비로 칭량하고 건식 혼합기를 사용하여 건식으로 혼합 후 실시예 1과 동일한 방법으로 소성을 하였다. Using the same starting material as in Example 1, a spinel positive electrode active material for a lithium secondary battery was manufactured according to a dry mixing method, which is a conventional method for preparing a spinel positive electrode active material for a general lithium secondary battery. That is, the raw materials were weighed in a stoichiometric ratio without using a wet grinding and spray drying apparatus, and mixed in a dry manner using a dry mixer, and then fired in the same manner as in Example 1.

<평가예> SEM 사진 측정Evaluation Example SEM Photo Measurement

실시예 1 내지 2 에서 제조된 양극활물질과 비교예 1에서 제조된 양극활물질을 주사전자현미경(Vega, Tescan사)으로 관찰하였다. The positive electrode active material prepared in Examples 1 and 2 and the positive electrode active material prepared in Comparative Example 1 were observed with a scanning electron microscope (Vega, Tescan).

실시예 1-1의 양극활물질 주사전자현미경 사진을 도 1(a), 및 도 1(b) 에 나타내었고, 비교예 1의 양극활물질 주사전자 현미경 사진을 도 2(a), 및 도 2(b)에 나타내였다.The positive electrode active material scanning electron micrographs of Example 1-1 are shown in Figs. 1 (a) and 1 (b) , and the positive electrode active material scanning electron micrographs of Comparative Example 1 are shown in Figs . 2 (a) and 2 ( b) .

본 발명의 습식 분쇄 및 분무건조법에 따라 제조된 리튬 망간 복합 산화물의 경우 도 1(a), 및 도 1(b) 에서 보듯이 구형의 입자를 가지며 1차 입자의 크기가 3~4㎛ 이며, 2차 입자의 크기는 15~25㎛ 정도 임을 관찰 할 수 있다.In the case of the lithium manganese composite oxide prepared by the wet grinding and spray drying method of the present invention, as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) , the particles have spherical particles and the primary particles have a size of 3 to 4 μm. It can be observed that the size of the secondary particles is about 15 ~ 25㎛.

반면 종래 일반적인 건식 혼합법으로 제조된 비교예의 경우 2(a) 및 도 2(b)에서 볼 수 있듯이 파쇄상의 형태를 가지며 1차 입자의 크기도 고르지 못함을 알 수 있다On the other hand, the comparative example manufactured by the conventional general dry mixing method has a crushed shape as shown in FIGS . 2 (a) and 2 (b) and it can be seen that the size of the primary particles is not even.

<평가예> XRD 피크 측정Evaluation Example XRD Peak Measurement

실시예 1-1 및 비교예에서 제조된 양극활물질을 화학분석결과 LiMn2O4 임을 확인하였으며, X선 회절 분석한 결과를 각각 도 3(a), 도 3(b)에 나타내었다. X 선 회절 분석 결과 실시예와 비교예에서 만들어진 양극활물질이 스피넬 구조임을 확인할 수 있었다. It was confirmed that the cathode active material prepared in Example 1-1 and Comparative Example was LiMn 2 O 4 as a chemical analysis, and the results of X-ray diffraction analysis are shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), respectively. As a result of X-ray diffraction analysis, it could be confirmed that the cathode active materials prepared in Examples and Comparative Examples had a spinel structure.

<양극 및 리튬 전지의 제조><Production of Anode and Lithium Battery>

상기 실시예 1 내지 2와 비교예 1 에서 얻어진 스피넬계 양극활물질을 재료로 사용하는 리튬이차전지를 구성하여 전기화학적 평가를 실시하였다. Electrochemical evaluation was performed by constructing a lithium secondary battery using the spinel cathode active material obtained in Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 as a material.

양극활물질로는 상기 실시예 1 내지 2와 비교예 1 에서 얻어진 스피넬계 양극활물질을, 도전제로는 슈퍼-피(Super-P), 및 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 94:3:3이 되도록 균일하게 혼합하였다. 상기의 혼합물을 알루미늄 호일에 코팅 로딩 레벨이 18 ml/cm2 으로 고르게 도포를 한 후 롤프레스로 1톤의 압력을 주어 극판밀도가 2.8g/ cm3 으로 압착을 하였으며 100℃ 진공 오븐에서 12시간 진공 건조하여 리튬이차전지용 양극을 제조하였다. 전해액으로는 테크노세미켐의 EC/EMC = 1/3인 혼합용매에 1몰의 LiPF6 용액을 전해액으로 사용하고, 음극으로는 리튬 금속을 사용하여 2016 규격의 하프코인전지를 제조하였다.As the positive electrode active material, the spinel type positive electrode active material obtained in Examples 1 to 2 and Comparative Example 1, Super-P as the conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as the binder were 94: 3: The mixture was mixed uniformly to 3. The mixture was evenly applied to the aluminum foil with a coating loading level of 18 ml / cm 2 and pressurized by 1 ton with a roll press to give a compact plate density of 2.8 g / cm 3 and 12 hours in a 100 ℃ vacuum oven. Vacuum drying to prepare a cathode for a lithium secondary battery. As an electrolyte, 1 mole of LiPF 6 in a mixed solvent of EC / EMC = 1/3 of Techno Semichem A solution was used as an electrolyte and a lithium metal was used as a negative electrode to produce a 2016 standard halfcoin battery.

<전지의 충방전 특성 평가><Charge / Discharge Characteristics Evaluation of Battery>

상기 제조된 테스트셀의 전기화학적 특성을 평가하기 위하여 전기화학 분석장치(TOSCAT 3100, Toyo 사 제품)을 이용하였으며 4.3~3V의 영역에서 Cut-off 하였다.In order to evaluate the electrochemical characteristics of the manufactured test cell, an electrochemical analyzer (TOSCAT 3100, manufactured by Toyo) was used, and cut-off was performed at a range of 4.3 to 3 V.

실시예 1-3, 실시예 2-3 및 비교예 1의 양극활물질을 사용한 전지의 충방전 특성 결과를 각각 4(a), 도 4(b) 및 도 4(c)에 나타내었다.The results of charge and discharge characteristics of the battery using the cathode active materials of Examples 1-3, Example 2-3, and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 4 (a), 4 (b), and 4 (c) , respectively.

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 의 양극활물질을 사용한 전지의 0.1C에서의 초기 충방전 결과를 표 3에 나타내었다. Table 3 shows the initial charge and discharge results at 0.1 C of the batteries using the cathode active materials of Examples 1 to 2 and Comparative Example 1.

초기 충전용량Initial charge capacity 초기 방전용량Initial discharge capacity 실시예 1-1Example 1-1 106.7 mAh/g106.7 mAh / g 98.0 mAh/g98.0 mAh / g 실시예 1-2Example 1-2 111.4 mAh/g111.4 mAh / g 101.0 mAh/g101.0 mAh / g 실시예 1-3Example 1-3 112.8 mAh/g112.8 mAh / g 109.4 mAh/g109.4 mAh / g 실시예 2-1Example 2-1 103.6 mAh/g103.6 mAh / g 101.8 mAh/g101.8 mAh / g 실시예 2-2Example 2-2 94.6 mAh/g94.6 mAh / g 93.5 mAh/g93.5 mAh / g 실시예 2-3Example 2-3 111.1 mAh/g111.1 mAh / g 101.4 mAh/g101.4 mAh / g 비교예 1Comparative Example 1 101.7 mAh/g101.7 mAh / g 99.9 mAh/g99.9 mAh / g

도 4 및 상기 표 3을 참조하면, 실시예 1-3 및 실시예 2-3의 양극활물질을 이용한 전지의 초기 방전 용량이 비교예 1의 양극활물질을 이용한 전지의 용량보다 10% 가량 향상 되었음을 알 수 있다. 또한 실시예 1-1 내지 1-3에서 볼수 있듯이 리튬의 함유량이 증가할수록 전기화학적 특성이 증가함을 보였다. 4 and Table 3, it can be seen that the initial discharge capacity of the battery using the positive electrode active material of Example 1-3 and Example 2-3 is about 10% improved than the capacity of the battery using the positive electrode active material of Comparative Example 1 Can be. In addition, as shown in Examples 1-1 to 1-3, it was shown that the electrochemical properties increased as the lithium content increased.

<고온 용출 특성 평가><High temperature dissolution characteristic evaluation>

도핑 또는 코팅된 Al에 의한 고온 용출 현상을 억제하는 효과를 평가하기 위하여, 상기 실시예 2-3 및 비교예 1에서 얻어진 스피넬계 양극활물질의 고온 용출 특성 평가를 실시 하였다. In order to evaluate the effect of inhibiting the high temperature dissolution by doped or coated Al, the high temperature dissolution characteristics of the spinel cathode active material obtained in Example 2-3 and Comparative Example 1 were evaluated.

평가의 절차는 각각의 양극활물질을 테프론 자에 0.5g 씩 담고 13ml의 전해액을 넣고 밀봉 한 후 60℃ 오븐에 1일, 3일, 5일, 7일 동안 보관하여 에이징 시킨다. 에이징이 끝난 샘플은 전해액을 0.2㎛의 필터에 거른 후 새 테프론 자에 담고 밀폐 시킨 후 이를 화학분석을 통하여 성분을 분석하며 표 4 및 도 5 에 나타내었다.In the evaluation procedure, 0.5 g of each cathode active material was added to Teflon ruler, 13 ml of electrolyte solution was sealed, and stored in an oven at 60 ° C. for 1 day, 3 days, 5 days, and 7 days for aging. After the aging sample was filtered through a 0.2 ㎛ filter of the electrolyte and sealed in a new Teflon jar and then analyzed the components through the chemical analysis shown in Table 4 and FIG .

Aging TimeAging Time Mn 용출량, [ppm]Mn elution amount [ppm] 실시예 6Example 6 비교예 1Comparative Example 1 1 일1 day 0.0850.085 0.0890.089 3 일3 days 0.2430.243 0.2590.259 5 일5 days 0.3750.375 0.4860.486 7 일7 days 0.4130.413 0.7170.717

표 4 및 도 5 를 참조하면, 7일 이후에는 비교예 1의 양극활물질이 실시예 2-3의 양극활물질 보다 70% 가량 더 많은 Mn이 용출 되었음을 알수 있다. Referring to Table 4 and FIG. 5, it can be seen that after 7 days, about 70% more Mn was eluted from the cathode active material of Comparative Example 1 than the cathode active material of Example 2-3.

본 발명의 제조 방법에 따라 리튬 망간 복합 산화물 내에 금속 Al을 도핑할 경우 Mn의 용출이 현저하게 억제된다는 것을 알 수 있다.It can be seen that the elution of Mn is remarkably suppressed when the metal Al is doped into the lithium manganese composite oxide according to the production method of the present invention.

도 1은 실시예 1-1의 리튬 망간 복합 산화물의 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 1 shows a scanning electron micrograph of the lithium manganese composite oxide of Example 1-1.

도 2는 비교예 1의 리튬 망간 복합 산화물의 주사전자 현미경 사진을 나타낸다. 2 shows a scanning electron micrograph of a lithium manganese composite oxide of Comparative Example 1. FIG.

도 3은 실시예 1-1 및 비교예에서 제조된 리튬 망간 복합 산화물의 XRD 분석 그래프이다3 is an XRD analysis graph of the lithium manganese composite oxide prepared in Example 1-1 and Comparative Example.

도 4는 실시예 1-3, 실시예 2-3 및 비교예 1의 리튬 망간 복합 산화물을 사용한 전지의 충방전 특성 평가 결과를 나타낸다. 4 shows evaluation results of charge and discharge characteristics of a battery using lithium manganese composite oxides of Examples 1-3, Example 2-3, and Comparative Example 1. FIG.

도 5는 상기 실시예 2-3 및 비교예 1에서 얻어진 리튬 망간 복합 산화물의 고온 용출 특성 평가 결과를 나타낸다.5 shows the results of evaluating the high temperature elution characteristics of the lithium manganese composite oxide obtained in Example 2-3 and Comparative Example 1. FIG.

Claims (9)

i)리튬 화합물, 망간 화합물, M 함유 화합물 및 A 함유 화합물(여기서 M은 Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 하나의 원소이고, A는 F, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 어느 하나의 원소이다)을 양론비로 혼합하는 단계;i) lithium compounds, manganese compounds, M-containing compounds and A-containing compounds, where M is Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge, and Sn One element selected from the group consisting of: A is any one element selected from the group consisting of F, S and P); ii)상기 i)의 화합물을 용매에 분산시키고 약 0.3㎛ 미만의 평균입자 직경을 갖는 입자를 함유할 때까지 습식 분쇄하여 슬러리를 제조하는 단계;ii) preparing a slurry by dispersing the compound of i) in a solvent and wet grinding until it contains particles having an average particle diameter of less than about 0.3 μm; iii)상기 ii)의 슬러리를 분무건조하는 단계: 및iii) spray drying the slurry of ii): and iv)상기 iii)의 분무건조된 슬러리를 소성하는 단계로 구성되는 것인 스피넬 구조의 Li1 +a[Mn2 - bMb]O4- cAc(여기에서 0≤a≤0.3, 0.01≤b≤0.2, 0≤c≤0.02)로 표시되는 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법. iv) Spinning of the spray-dried slurry of iii) Li 1 + a [Mn 2 - b M b ] O 4- c A c (where 0≤a≤0.3, 0.01 The manufacturing method of the lithium manganese complex oxide for lithium secondary batteries represented by <= b <0.2, 0 <= c <0.02). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 리튬 화합물은 Li2CO3, LiNO3, LiNO2, LiOH, LiOHㆍH2O, LiH, LiF, LiCl, LiBr, LiI, CH3 COOLi, Li2O, Li2SO4, 아세트산 Li, 디카르복실산 Li, 시트르산 Li, 지방산 Li, 알킬리튬, 및 리튬할로겐화물로 구성되는 그룹에서 선택되고, The lithium compound is Li 2 CO 3, LiNO 3, LiNO 2, LiOH, LiOH and H 2 O, LiH, LiF, LiCl, LiBr, LiI, CH 3 COOLi, Li 2 O, Li 2 SO 4, acetic acid Li, dicarboxylic Is selected from the group consisting of Li carboxylic acid, Li citrate, fatty acid Li, alkyllithium, and lithium halides, 상기 망간 화합물은 Mn2O3, MnO2, Mn3O4 등의 망간산화물, MnCO3, Mn(NO3)2, MnSO4, 아세트산망간, 디카르복시산망간, 시트르산망간, 지방산망간 등의 망간염, 옥시수산화물,및 염화망간 등의 할로겐화물로 구성된 그룹에서 선택되는 것인 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법. The manganese compounds include manganese oxides such as Mn 2 O 3 , MnO 2 , Mn 3 O 4 , MnCO 3 , Mn (NO 3 ) 2 , MnSO 4 , manganese acetate, manganese dicarboxylic acid, manganese citrate, and manganese fatty acid. A method for producing a lithium manganese composite oxide for a lithium secondary battery which is selected from the group consisting of halides such as oxyhydroxide and manganese chloride. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 M 함유 화합물은 Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 하나의 원소의 탄산염, 질산염, 수산화물, 염화물, 산화물인 것인 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법. The M-containing compound is a carbonate, nitrate of one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Ga, In, Cr, Ge and Sn , A hydroxide, a chloride, an oxide, a method for producing a lithium manganese composite oxide for a lithium secondary battery. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 M 이 알루미늄이고, 상기 알루미늄 함유 화합물은 산화 알루미늄, 질산 알루미늄, 탄산 알루미늄, 수산화 알루미늄, 염화 알루미늄으로 구성된 그룹에서 선택되는 것인 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법. M is aluminum, and the aluminum-containing compound is selected from the group consisting of aluminum oxide, aluminum nitrate, aluminum carbonate, aluminum hydroxide and aluminum chloride. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 리튬이차전지용 스피넬계 양극활물질의 입경은 5 내지 50 ㎛이고, 탭밀도는 1.5 내지 2.5 g/㎠ 인 것인 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법. The particle size of the spinel-based positive electrode active material for a lithium secondary battery is 5 to 50 ㎛, tap density is 1.5 to 2.5 g / ㎠ method for producing a lithium manganese composite oxide for a lithium secondary battery. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 습식 분쇄는 용매로서 물을 사용하고, 지르코니아 비드를 이용하여 3000 내지 4000 rpm 으로 습식 분쇄하는 것을 포함하는 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법. The wet grinding is a method of manufacturing a lithium manganese composite oxide for a lithium secondary battery comprising using water as a solvent and wet grinding at 3000 to 4000 rpm using zirconia beads. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소성 공정에 있어서, 상기 분무 건조체를 산소 함유 가스 분위기 하에서, 920℃ 내지 940℃에서, 5 시간 내지 10 시간동안 소성하는 것인 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법. In the firing step, the spray dried body is fired for 5 hours to 10 hours at 920 ℃ to 940 ℃ under an oxygen-containing gas atmosphere, the method for producing a lithium manganese composite oxide for a lithium secondary battery. 제1항 내지 제7항의 제조 방법에 의하여 제조된 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물.A lithium manganese composite oxide for a lithium secondary battery manufactured by the method of claim 1. 제1항 내지 제7항의 제조 방법에 의하여 제조된 리튬이차전지용 리튬 망간 복합 산화물을 포함하는 리튬 이차 전지.A lithium secondary battery comprising a lithium manganese composite oxide for a lithium secondary battery produced by the manufacturing method of claim 1.
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