KR20120089111A - CATHODE ACTIVE MATERIAL COMPRISING LITHIUM MANGANESE OXIDE CAPABLE OF PROVIDING EXCELLENT CHARGE-DISCHARGE CHARACTERISTICS AT 3V REGION as Well as 4V Region - Google Patents

CATHODE ACTIVE MATERIAL COMPRISING LITHIUM MANGANESE OXIDE CAPABLE OF PROVIDING EXCELLENT CHARGE-DISCHARGE CHARACTERISTICS AT 3V REGION as Well as 4V Region Download PDF

Info

Publication number
KR20120089111A
KR20120089111A KR1020110010280A KR20110010280A KR20120089111A KR 20120089111 A KR20120089111 A KR 20120089111A KR 1020110010280 A KR1020110010280 A KR 1020110010280A KR 20110010280 A KR20110010280 A KR 20110010280A KR 20120089111 A KR20120089111 A KR 20120089111A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
manganese oxide
lithium manganese
positive electrode
region
Prior art date
Application number
KR1020110010280A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101527995B1 (en
Inventor
박정환
오송택
정근창
이민희
김수환
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020110010280A priority Critical patent/KR101527995B1/en
Publication of KR20120089111A publication Critical patent/KR20120089111A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101527995B1 publication Critical patent/KR101527995B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G45/00Compounds of manganese
    • C01G45/006Compounds containing, besides manganese, two or more other elements, with the exception of oxygen or hydrogen
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/80Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

PURPOSE: A positive electrode active material is provided to improve the low electrochemical performance at 3 V region(2.5-3.5 V). CONSTITUTION: A positive electrode active material comprises lithium manganese oxide as in amorphous status. The positive electrode active material has a spinel structure represented by chemical formula 1. The chemical formula is as follows: Li_(1+y)M_zMn_(2-y-z)O_(4-x)Q_x. In the chemical formula 1, 0=x=1, 0=y=0.3, 0=z=1, M is one or more elements selected from a group consisting of the Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi. Q indicates one or more elements selected from a group consisting of N, F, S and Cl.

Description

4V 영역과 3V 영역에서 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있는 리튬 망간 산화물을 포함하는 양극 활물질{Cathode Active Material Comprising Lithium Manganese Oxide Capable of Providing Excellent Charge-Discharge Characteristics at 3V Region as Well as 4V Region}Cathode Active Material Comprising Lithium Manganese Oxide Capable of Providing Excellent Charge-Discharge Characteristics at 3V Region as Well as 4V Region}

본 발명은 2차 전지와 이에 사용되는 양극 및 양극 활물질에 관한 것이다. The present invention relates to a secondary battery and a positive electrode and a positive electrode active material used therein.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. As the development and demand for mobile devices increases, the demand for secondary batteries as energy sources is rapidly increasing. Among them, lithium secondary batteries with high energy density and voltage, long cycle life, and low self discharge rate It is commercially used and widely used.

또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈수소 금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다. 이러한 리튬 이차전지의 음극 활물질로는 탄소재료가 주로 사용되고 있고, 리튬 금속, 황 화합물 등의 사용도 고려되고 있다. 또한, 양극 활물질로는 주로 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 사용되고 있고, 그 외에 층상 결정구조의 LiMnO2, 스피넬 결정구조의 LiMn2O4 등의 리튬 함유 망간 산화물과, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiO2)의 사용도 고려되고 있다. In addition, as interest in environmental problems grows, research on electric vehicles and hybrid electric vehicles that can replace vehicles using fossil fuels such as gasoline and diesel vehicles, which are one of the main causes of air pollution, is being conducted. . Although a nickel-metal hydride secondary battery is mainly used as a power source of such an electric vehicle and a hybrid electric vehicle, research using a lithium secondary battery having a high energy density and a discharge voltage is being actively conducted, and some commercialization stages are in progress. As a negative electrode active material of such a lithium secondary battery, a carbon material is mainly used, and use of lithium metal, a sulfur compound, etc. is also considered. In addition, lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ) is mainly used as the positive electrode active material, and a lithium-containing manganese oxide such as LiMnO 2 having a layered crystal structure and LiMn 2 O 4 having a spinel crystal structure and a lithium- 2 ) is also considered.

상기 양극 활물질들 중 LiCoO2은 수명 특성 및 충방전 효율이 우수하여 가장 많이 사용되고 있지만, 구조적 안정성이 떨어지고, 원료로서 사용되는 코발트의 자원적 한계로 인해 고가이므로 가격 경쟁력에 한계가 있다는 단점을 가지고 있어서 전기자동차 등과 같은 분야의 동력원으로 대량 사용함에는 한계가 있다.Among the positive electrode active materials, LiCoO 2 is most used because of its excellent life characteristics and charging and discharging efficiency, but it has a disadvantage in that its price competitiveness is limited because its structural stability is low and it is expensive due to the resource limitation of cobalt used as a raw material. There is a limit to mass use as a power source in fields such as electric vehicles.

LiNiO2계 양극 활물질은 비교적 값이 싸고 높은 방전용량의 전지 특성을 나타내고 있으나, 충방전 사이클에 동반하는 체적 변화에 따라 결정구조의 급격한 상전이가 나타나고, 공기와 습기에 노출되었을 때 안전성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.The LiNiO 2 cathode active material exhibits a relatively low cost and high discharge capacity, but exhibits a rapid phase transition of the crystal structure in accordance with the volume change accompanying the charging / discharging cycle, and the safety is significantly lowered when exposed to air and moisture There is a problem.

또한, LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물은 열적 안전성이 우수하고 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 용량이 작고, 사이클 특성이 나쁘며, 고온 특성이 열악하다는 문제점이 있다.In addition, lithium manganese oxides such as LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 have the advantages of excellent thermal safety and low price, but have a problem of small capacity, poor cycle characteristics, and poor high temperature characteristics.

이러한 리튬 망간 산화물 중에서 스피넬계 LiMn2O4의 경우, 4V 영역(3.7 내지 4.3V)과 3V 영역(2.7 내지 3.1V)에서 비교적 평탄한 전위를 나타낸다. 그러나, 3V 영역에서는 사이클 및 저장 특성이 매우 떨어져서, 그 활용이 어려운 것으로 알려져 있다. 그 원인으로는 Jahn-Teller distortion의 상전이 현상에 의해 4V 영역에서 등축정계상(cubic phase)의 단일상으로 존재하다가, 3V 영역에서는 등축정계상(cubic phase)과 정방정계상(tetragonal phase)의 복합상(two-phase)으로 변화되는 현상과, 망간의 전해액으로의 용출 현상 등을 들 수 있다. Among the lithium manganese oxides, spinel-based LiMn 2 O 4 exhibits relatively flat potentials in the 4V region (3.7 to 4.3V) and the 3V region (2.7 to 3.1V). However, the cycle and storage characteristics are very poor in the 3V region, making it difficult to utilize them. The reason is that due to the phase transition phenomenon of Jahn-Teller distortion, it exists as a single phase of the cubic phase in the 4V region, but in the 3V region, the complex of the cubic phase and the tetragonal phase The phenomenon which changes in two-phase, the elution phenomenon to the manganese electrolyte solution, etc. are mentioned.

이러한 이유로 인해, 스피넬계 리튬 망간 산화물의 3V 영역 활용시, 일반적으로는 실제 용량이 이론 용량보다 낮은 편이며, C-rate 특성도 낮은 편이다.For this reason, when using the 3V region of the spinel-based lithium manganese oxide, the actual capacity is generally lower than the theoretical capacity, and the C-rate characteristics are also low.

따라서, 스피넬계 리튬 망간 산화물의 3V 영역의 활용에 대한 연구는 그 해결이 매우 어려운 것으로 알려져 있기 때문에, 4V 영역의 활용에 대한 연구에 비해 부진하다. 그 중 일부 연구는 각각 정방정계상(tetragonal phase)의 형성 및 S-도핑(doping)에 의한 효과에 의하여 3V 영역에서 사이클 특성이 향상되었다고 보고하고 있으나, 그 효과가 미미하거나 향상 원인에 대하여 확실한 이유를 밝혀내지 못하였다. Therefore, the study of the utilization of the 3V region of the spinel-based lithium manganese oxide is known to be very difficult to solve the problem, compared to the study of the utilization of the 4V region. Some studies have reported that the cycle characteristics are improved in the 3V region due to the formation of tetragonal phases and the effects of S-doping, respectively, but the effect is insignificant or the reason for the improvement is obvious. Did not reveal.

또한, Kang과 Goodenough 등(Sun-Ho Kang, John B. Goodenough, et al, Chem. Mater. 2001, 13, 1758-1764)은 3V 영역의 활용을 위하여, 스피넬계 리튬 망간 산화물과 카본을 밀링에 의해 혼합하는 방식으로 리튬 망간 산화물 내에서의 나노 그레인(nano grain)과 응력(strain)의 형성에 의해 3V 영역의 사이클 특성을 향상시키는 기술을 제시하고 있다. 그러나, 이러한 기술 역시 그 효과가 미미하고, 특성의 향상 원인에 대해 확실한 이유를 설명하지 못하고 있다. In addition, Kang and Goodenough et al. (Sun-Ho Kang, John B. Goodenough, et al, Chem. Mater. 2001, 13, 1758-1764) used spinel-based lithium manganese oxide and carbon for milling to utilize the 3V region. In order to improve the cycle characteristics of the 3V region by forming nano grains and strains in lithium manganese oxide in a mixed manner. However, such a technique is also insignificant and does not explain the reason for the improvement of the characteristics.

본 출원의 발명자들이 확인한 바로는, 상기 연구 결과를 포함하여 기타 선행기술들에서 제시하는 방법으로는 3V 영역에서 소망하는 수준으로 충방전 특성을 발휘하지 못하는 것으로 확인되었다.As confirmed by the inventors of the present application, it has been confirmed that the method proposed by other prior arts, including the above research results, does not exhibit charge and discharge characteristics at a desired level in the 3V region.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art and the technical problems required from the past.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 3V 영역(2.5 내지 3.5V)에서의 낮은 전기화학적 성능에 대한 원인을 규명하였고, 그에 따라, 특정한 스피넬계 리튬 망간 산화물을 비정질화 및 1차 입자화시키는 경우 기존의 4V영역에서 뿐만 아니라, 상기 3V 영역에서도 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다. After extensive research and extensive experiments, the inventors of the present application have identified the cause for low electrochemical performance in the 3V region (2.5 to 3.5V), and thus, amorphous and spinel specific lithium manganese oxides. In the case of primary granulation, it was confirmed that excellent charge and discharge characteristics can be exhibited not only in the existing 4V region but also in the 3V region.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, According to an aspect of the present invention,

리튬 망간 산화물을 포함하고 있는 양극 활물질로서, 상기 리튬 망간 산화물은 비정질화 하여 포함되고, 하기 화학식 1로 표시되는 조성의 스피넬 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 양극 활물질을 제공한다. As a positive electrode active material containing lithium manganese oxide, the lithium manganese oxide is provided by amorphizing the positive electrode active material, characterized in that it has a spinel structure of the composition represented by the following formula (1).

Li1 + yMzMn2 -y- zO4 - xQx (1) Li 1 + y M z Mn 2 -y- z O 4 - x Q x (1)

상기 식에서, 0=x=1, 0=y=0.3, 0=z=1이고, M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이며, Q는 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.In the above formula, 0 = x = 1, 0 = y = 0.3, 0 = z = 1, M is Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, One or more elements selected from the group consisting of Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi, and Q is one or more elements selected from the group consisting of N, F, S and Cl.

또한, 상기 리튬 망간 산화물은 습식 밀링에 의하여 비정질화 되는 것을 특징으로 한다. In addition, the lithium manganese oxide is characterized in that the amorphous by wet milling.

또한, 상기 리튬 망간 산화물은 등축정계상(cubic phase) 및 정방정계상(tetragonal phase) 중에서 선택되는 하나 또는 그 이상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. In addition, the lithium manganese oxide is characterized in that it is composed of one or more selected from the cubic phase (cubic phase) and tetragonal phase (tetragonal phase).

본 발명은 또한, 상기 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 합제를 제공한다. The present invention also provides a cathode mixture comprising the cathode active material.

본 발명은 또한, 상기 양극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극을 제공한다. The present invention also provides a cathode for a secondary battery, wherein the cathode mixture is coated on a current collector.

본 발명은 또한, 상기 이차전지용 양극을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다. This invention is further characterized by including the said positive electrode for secondary batteries.

상기 리튬 이차전지는 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 사용되는 것을 특징으로 한다. The lithium secondary battery is characterized in that it is used as a unit cell of the battery module that is the power source of the medium and large devices.

또한, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장용 시스템인 것을 특징으로 한다. In addition, the medium-to-large device is characterized in that the electric vehicle, hybrid electric vehicle, plug-in hybrid electric vehicle or power storage system.

한편, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물을 밀링하는 단계(S1); 상기 (S1)에 의한 결과물과 도전재, 및 바인더를 혼합하는 단계를 포함하는 양극활물질의 제조방법을 제공한다. On the other hand, the present invention milling a lithium manganese oxide of the spinel structure represented by the formula (1) (S1); It provides a method for producing a positive electrode active material comprising the step of mixing the resultant (S1) and the conductive material, and the binder.

Li1 + yMzMn2 -y- zO4 - xQx (1) Li 1 + y M z Mn 2 -y- z O 4 - x Q x (1)

상기 식에서, 0=x=1, 0=y=0.3, 0=z=1이고, M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이며, Q는 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.In the above formula, 0 = x = 1, 0 = y = 0.3, 0 = z = 1, M is Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, One or more elements selected from the group consisting of Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi, and Q is one or more elements selected from the group consisting of N, F, S and Cl.

또한, 상기 (S1) 단계의 밀링은 습식 밀링인 것을 특징으로 한다. In addition, the milling of the step (S1) is characterized in that the wet milling.

3V 영역(2.5 내지 3.5V)에서의 낮은 전기화학적 성능을 개선하여 기존의 4V영역에서 뿐만 아니라, 상기 3V 영역에서도 우수한 충방전 특성을 발휘할 수 있는 양극활물질 및 이를 포함하는 이차전지를 제공할 수 있다. By improving the low electrochemical performance in the 3V region (2.5 to 3.5V), it is possible to provide a cathode active material and a secondary battery including the same, which can exhibit excellent charge and discharge characteristics not only in the existing 4V region but also in the 3V region. .

도 1은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 전압에 따른 용량의 변화를 나타낸 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 양극활물질의 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 다른 실시예 및 비교예의 사이클 증가에 따른 용량 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a result graph showing a change in capacitance according to the voltage of the Examples and Comparative Examples according to the present invention.
2 is a SEM photograph of the positive electrode active material of the embodiment according to the present invention.
Figure 3 is a graph showing the capacity change with increasing cycle of the other examples and comparative examples in the present invention.

본 발명에 따른 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 조성의 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물을 포함하고 있으며, 4 V 영역 이외에 2.5 내지 3.5 V 범위에서도 충방전 특성을 발휘할 수 있도록 상기 리튬 망간 산화물을 1차 입자화 및 비정질화한 것을 특징으로 하며, 특히 이러한 방법을 습식 밀링에 의한 것을 특징으로 한다. The positive electrode active material according to the present invention includes a lithium manganese oxide having a spinel structure of a composition represented by the following Chemical Formula 1, and the lithium manganese oxide is primarily used to exhibit charge and discharge characteristics in the 2.5 to 3.5 V range in addition to the 4 V region. It is characterized by being granulated and amorphous, and in particular, this method is characterized by wet milling.

Li1 + yMzMn2 -y- zO4 - xQx (1) Li 1 + y M z Mn 2 -y- z O 4 - x Q x (1)

상기 식에서, 0≤x≤1, 0≤y≤0.3, 0≤z≤1이고, M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이며, Q는 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.
In the above formula, 0≤x≤1, 0≤y≤0.3, 0≤z≤1, M is Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, One or more elements selected from the group consisting of Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi, and Q is one or more elements selected from the group consisting of N, F, S and Cl.

일반적인 스피넬계 리튬 망간 산화물은 4V 영역(3.7 내지 4.3V)에서 등축정계상(cubic phase)의 단일상으로 존재하다가, 3V 영역(2.5 내지 3.5V)에서 Mn3 +가 과량 존재하여 Jahn-Teller distortion 효과에 의해 등축정계상(cubic phase)에서 정방정계상(tetragonal phase)으로 상전이 현상이 발생하면서, 충방전 특성이 크게 감소하게 된다. 예를 들어, 동일한 조건으로 이차전지를 제조하였을 때, 4V 영역에서의 실제 용량은 이론 용량에 근접하지만(이론 용량은 3V 영역과 4V 영역 모두에서 약 130 mAh/g 임), 3V 영역에서의 일반적인 실제 용량(90 mAh/g)은 이론 용량에 크게 미치지 못한다.In general, spinel-based lithium manganese oxide exists as a single phase of the cubic phase in the 4V region (3.7 to 4.3V), but excessive Mn 3 + exists in the 3V region (2.5 to 3.5V), resulting in Jahn-Teller distortion. By the effect, while the phase transition phenomenon from the cubic phase to the tetragonal phase (tetragonal phase), the charge and discharge characteristics are greatly reduced. For example, when the secondary battery is manufactured under the same conditions, the actual capacity in the 4V region is close to the theoretical capacity (theoretical capacity is about 130 mAh / g in both the 3V and 4V regions), but it is typical in the 3V region. The actual capacity (90 mAh / g) falls far short of the theoretical capacity.

이와 같이 3V 영역에서 상기와 같은 상전이 현상에 의해 충방전 특성이 크게 감소하는 원인은 현재까지 명확하게 규명되지 못하고 있다. As described above, the reason why the charge / discharge characteristic is greatly reduced by the above phase transition phenomenon in the 3V region has not been clearly identified.

그러나, 본 출원의 발명자들은 다양한 실험들과 심도있는 연구를 통해, 상기 정방정계상(tetragonal phase)의 전기 전도도가 등축정계상(cubic phase)의 약 25% 수준임을 계산화학적인 방법을 통해 처음으로 밝혀 내었으며, 이와 같은 이유는 상기 정방정계상(tetragonal phase)의 경우 등축정계상(cubic phase)보다 C축이 늘어나는 결과로 인하여 리튬이 삽입 탈리되기에 어려운 구조기 때문임을 확인하였다.
However, the inventors of the present application, through various experiments and in-depth studies, for the first time through the computational chemical method that the electrical conductivity of the tetragonal phase is about 25% of the cubic phase The reason for this was confirmed that the tetragonal phase is a structure in which lithium is difficult to be inserted and detached due to the result of the C-axis being increased than the cubic phase.

본 발명에 따른 양극활물질은 상기와 같은 상기 스피넬계 리튬 망간 산화물을 밀링에 의하여 1차 입자화 및 비정질화함으로써, 놀랍게도 3V 영역(2.5 내지 3.5V)의 실제 용량이 이론 용량 수준으로 증가함을 확인하였다. 이는 당업계에 전혀 알려져 있지 않은 새로운 사실로서, 스피넬계 리튬 망간 산화물의 효용성을 극대화시킬 수 있는 혁신적인 발견이라 할 수 있다.In the cathode active material according to the present invention, the spinel-based lithium manganese oxide was first granulated and amorphous by milling, thereby surprisingly increasing the actual capacity of the 3V region (2.5 to 3.5V) to the theoretical capacity level. It was. This is a novel fact that is not known in the art at all, and can be said to be an innovative discovery that can maximize the utility of spinel-based lithium manganese oxide.

특히, 상기 스피넬계 리튬 망간 산화물을 1차 입자화 및 비정질화 하는 밀링 방법으로는 습식 밀링에 의한 경우에 가장 우수한 수명 특성을 나타냄을 확인하였다. In particular, it was confirmed that the milling method of primary granulation and amorphization of the spinel-based lithium manganese oxide shows the best life characteristics when wet milling.

상기와 같이, 습식 밀링에 의한 충방전 특성의 향상은 3V대에서 상전이 된 정방정계상(tetragonal phase)의 리튬망간산화물을 1차입자화 및 비정질화하여 구조를 깸으로써 표면적을 넓히고 이로 인하여 리튬이 삽입될 수 있는 공간을 더욱 넓혔기 때문인 것으로 예상된다. As described above, the improvement of the charge-discharge characteristics by wet milling increases the surface area by primary particle formation and amorphization of tetragonal phase lithium manganese oxide which is phase-changed in the 3V band, thereby widening the surface area, and thus lithium is inserted. It is expected that this is because the space that can be further expanded.

상기와 같은 효과는 밀링에 의하여 리튬망간산화물 입자를 되도록 작은 크기로 분쇄하는 것과 함께 결정성이 균일하게 낮을수록 3V 영역대에서의 충방전 특성이 크게 개선됨을 확인하였다. As described above, the lithium manganese oxide particles were pulverized to a small size by milling, and as the crystallinity was lowered uniformly, the charge and discharge characteristics in the 3V region were greatly improved.

특히, 습식 밀링에 의한 경우, 상기와 같은 두가지 효과가 모두 우수한 것으로 나타나 본 발명의 양극활물질을 1차 입자화 및 비정질화하는데 가장 바람직한 방법으로 사용된다. In particular, in the case of wet milling, both effects as described above are excellent, so that the cathode active material of the present invention is used as the most preferable method for primary granulation and amorphousization.

본 발명에 따른 리튬망간산화물을 포함하는 양극활물질은 습식 밀링에 의한 후처리를 통하여 리튬망간 산화물의 입자형태를 1차 입자화 시킴과 동시에 비정질화함을써 Jahn-Teller distortion 효과를 감소시켜 등축정계상(cubic phase)에서 정방정계상(tetragonal phase)으로의 상전이를 억제한다. 또한, 3V 대에서 존재하는 정방정계상(tetragonal phase)의 표면적을 확대하여 리튬의 삽입 영역을 넓힘으로써 3V 전위에서 평탄한 프로파일을 얻을 수 있고 수명 특성을 크게 개선할 수 있는 것이다. The cathode active material including lithium manganese oxide according to the present invention reduces the Jahn-Teller distortion effect by reducing the effect of Jahn-Teller distortion by simultaneously making the particle form of lithium manganese oxide into primary particles through post-treatment by wet milling. It inhibits the phase transition from the cubic phase to the tetragonal phase. In addition, by extending the surface area of the tetragonal phase present in the 3V band to widen the insertion region of lithium it is possible to obtain a flat profile at the 3V potential and greatly improve the life characteristics.

따라서, 본 발명에서 스피넬계 리튬 망간 산화물은 습식 분쇄에 의한1차 입자화 및 비정질화 구조에 기반한 다양한 작용들에 의해 3V 영역에서 소망하는 수준의 충방전 특성을 발휘할 수 있다.Therefore, the spinel-based lithium manganese oxide in the present invention can exhibit the desired level of charge and discharge characteristics in the 3V region by various actions based on the primary granulation and amorphous structure by wet grinding.

본 발명에서 상기 스피넬계 리튬 망간 산화물은 등축정계상(cubic phase)을 포함할 수도 있고, 정방정계상(tetragonal phase)을 포함할 수도 있으며, 이들 모두를 포함할 수도 있다. 즉, 등축정계상의 리튬 망간 산화물이나 정방정계상의 리튬 망간 산화물을 습식 분쇄에 의하여 1차 입자화, 비정질화 한 것 일수 있으며, 경우에 따라서는 등축정계상과 정방정계상을 모두 포함하는 리튬 망간 산화물을 습식 분쇄에 의하여 1차 입자화, 비정질화 한 것 일 수도 있다. In the present invention, the spinel-based lithium manganese oxide may include a cubic phase, a tetragonal phase, or both. That is, the lithium manganese oxide in equiaxed crystal phase or the lithium manganese oxide in tetragonal crystal may be primary granulated and amorphous by wet grinding, and in some cases, lithium manganese oxide including both equiaxed and tetragonal phases. May be primary granulated and amorphous by wet grinding.

본 발명에 따른 양극 활물질은 상기와 같은 비정질화 또는 1차 입자화 된 스피넬계 리튬 망간 산화물 이외에 추가로 기타 활물질을 포함할 수 있으며, 이 경우 스피넬계 리튬 망간 산화물은 전체 양극 활물질 중량을 기준으로 바람직하게는 30 내지 100%, 더욱 바람직하게는 50 내지 100%일 수 있다. 여기서, 기타 활물질은 당업계에 공지되어 있는 다양한 활물질들로서, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 니켈-망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 코발트-망간-니켈 산화물, 이들에 타원소(들)가 치환 또는 도핑된 산화물 등이 모두 포함된다. The positive electrode active material according to the present invention may further include other active materials in addition to the amorphous or primary granulated spinel lithium manganese oxide as described above, in which case the spinel lithium manganese oxide is preferably based on the total weight of the positive electrode active material. Preferably from 30 to 100%, more preferably from 50 to 100%. Here, the other active materials are various active materials known in the art, such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium cobalt-manganese oxide, lithium nickel-manganese oxide, lithium cobalt-nickel oxide, lithium cobalt-manganese- Nickel oxides, oxides in which ellipsoid (s) are substituted or doped, etc. are all included.

본 발명은 또한 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물로서, 입자 내부에 나노 그레인(nano grain)을 가지고 있지 않은 상태로 2.5 내지 3.5V 범위에서 충방전 특성을 발휘하는 것을 특징으로 하는 리튬 망간 산화물을 제공한다.The present invention also provides a lithium manganese oxide having a spinel structure, wherein the lithium manganese oxide exhibits charge and discharge characteristics in the range of 2.5 to 3.5 V without having nano grains inside the particles.

이러한 리튬 망간 산화물은 그 자체로 당업계에 신규한 물질이며, 당업계에서 오랫동안 소원하던 3V 영역에서의 우수한 충방전 특성을 제공할 수 있다.Such lithium manganese oxide is a novel material by itself, and can provide excellent charge and discharge characteristics in the 3V region long desired in the art.

본 발명은 또한 상기와 같은 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 합제를 제공한다.The present invention also provides a cathode mixture comprising the cathode active material as described above.

이러한 양극 합제는 상기의 양극 활물질 이외에도, 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등이 포함될 수 있다.In addition to the positive electrode active material, the positive electrode mixture may optionally include a conductive material, a binder, a filler, and the like.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. The conductive material is typically added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. Such a conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.

상기 바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in bonding the active material and the conductive agent to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery. Examples of the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.

본 발명은 또한 상기 양극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 이차전지용 양극을 제공한다.The present invention also provides a positive electrode for a secondary battery in which the positive electrode mixture is coated on a current collector.

이차전지용 양극은, 예를 들어, 상기 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.The positive electrode for a secondary battery can be produced, for example, by applying a slurry prepared by mixing the positive electrode mixture to a solvent such as NMP, coating the negative electrode collector, followed by drying and rolling.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. The cathode current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, the positive electrode current collector may be formed on a surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel. The surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used.

집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The current collector may have fine irregularities on the surface thereof to increase the adhesive force of the cathode active material, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric are possible.

본 발명은 또한 상기 양극과, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 Li(1+x)Mn2O4를 습식 밀링에 의하여 비정질화하여 포함함으로써 2.5 내지 3.5V에서도 용량 및 사이클 특성이 우수한 장점이 있다. The present invention also provides a lithium secondary battery composed of the positive electrode, the negative electrode, the separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte. Lithium secondary battery according to the present invention has the advantage of excellent capacity and cycle characteristics even at 2.5 to 3.5V by including by amorphizing Li (1 + x) Mn 2 O 4 by wet milling.

상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 포함될 수 있다.For example, the negative electrode is manufactured by applying a negative electrode mixture including a negative electrode active material on a negative electrode current collector and then drying the negative electrode mixture. The negative electrode mixture may include components as described above, as necessary.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. Such an anode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, and examples thereof include copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like can be used. In addition, like the positive electrode collector, fine unevenness can be formed on the surface to enhance the bonding force of the negative electrode active material, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams and nonwoven fabrics.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separation membrane is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 mu m and the thickness is generally 5 to 300 mu m. Such separation membranes include, for example, olefinic polymers such as polypropylene, which are chemically resistant and hydrophobic; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as an electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.

상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The lithium salt-containing nonaqueous electrolyte solution is composed of an electrolyte solution and a lithium salt. As the electrolyte solution, a nonaqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, and an inorganic solid electrolyte may be used.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -Butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate Nonionic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyrophosphate, ethyl propionate and the like can be used.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, A polymer containing an ionic dissociation group and the like may be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.As the inorganic solid electrolyte, for example, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates, and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4, LiB 10 Cl 10, LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.

또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FEC(Fluoro-Ethlene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.For the purpose of improving the charge / discharge characteristics and the flame retardancy, the electrolytic solution is preferably mixed with an organic solvent such as pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, . In some cases, in order to impart nonflammability, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene) may be further included. carbonate), PRS (propene sultone), FEC (Fluoro-Ethlene carbonate) and the like may be further included.

본 발명에 따른 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.The secondary battery according to the present invention may not only be used in a battery cell used as a power source for a small device, but also preferably used as a unit battery in a medium-large battery module including a plurality of battery cells.

상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.
Preferred examples of the medium and large devices include, but are not limited to, electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, power storage systems, and the like.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are provided to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예][Example]

스피넬계 리튬 망간 산화물 80 중량%를 습식분쇄 한 후, 그라파이트 5 중량%, 댕카블랙 5 중량% 및 PVDF 10 중량%를 포함하는 양극 활물질을 제조하였다. 구체적으로, Li1 .1Mn1 .805Al0 .095O4인 스피넬계 리튬 망간 산화물과 그라파이트를 상기 함량 비율로 Wet milling한 후, 그로부터 얻어진 그라파이트-코팅 스피넬계 리튬 망간 산화물을 상기 함량 비율로 댕카블랙 및 PVDF와 혼합하여 양극 합제를 제조하였다. After wet grinding 80 wt% of the spinel lithium manganese oxide, a cathode active material including 5 wt% graphite, 5 wt% dangka black, and 10 wt% PVDF was prepared. A coating spinel lithium manganese oxide wherein the content ratio - specifically, Li 1 .1 Mn 1 .805 Al 0 .095 O 4 of spinel lithium manganese oxide and then Wet milling the graphite content in the ratio, the graphite obtained therefrom A positive electrode mixture was prepared by mixing with denka black and PVDF.

[비교예][Comparative Example]

실시예의 스피넬계 리튬 망간 산화물을 습식 분쇄하지 않고 그대로 포함하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 양극 합제를 제조하였다.A positive electrode mixture was prepared in the same manner as in Example, except that the spinel lithium manganese oxide of the Example was included as it was without wet grinding.

[실험예][Experimental Example]

상기 실시예 및 비교예에 각각 제조된 양극 합제를 NMP에 첨가하여 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체에 도포한 압연 및 건조하여 이차전지용 양극을 제조하였다. 이러한 양극과 리튬 메탈을 기반으로 한 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 리튬 전해액을 주입하여, 코인형 리튬 이차전지를 제작하였다. A positive electrode mixture prepared in Examples and Comparative Examples was added to NMP to make a slurry, and the resultant was rolled and dried to apply a positive electrode current collector to prepare a secondary battery positive electrode. A coin-type lithium secondary battery was manufactured by interposing a separator of porous polyethylene between the positive electrode and the negative electrode based on lithium metal and injecting a lithium electrolyte.

이렇게 제작된 이차전지를 0.1C 조건으로 충방전을 반복하여 사이클에 따른 용량의 변화를 각각 측정하였다.
The secondary battery thus produced was repeatedly charged and discharged under 0.1C conditions, and the change in capacity with each cycle was measured.

도 1은 상기 실시예 및 비교예에 또는 다른 밀링 방법에 의하여 제조된 양극활물질을 포함하는 이차전지의 3V 전압대에서의 수명특성을 보여주는 그래프이다. 1 is a graph showing the life characteristics in the 3V voltage band of a secondary battery including a cathode active material prepared in the above Examples and Comparative Examples or by another milling method.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 양극활물질을 포함하는 이차전지의 경우, 3V대에서의 평탄 준위 구간이 월등히 길며, 수명 특성이 가장 우수함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 1, in the case of the secondary battery including the cathode active material according to the present invention, the flat level section in the 3V band is much longer, and it can be seen that the life characteristics are the best.

도 2는 본 발명에 따른 습식 밀링에 의한 리튬망간 산화물의 SEM 사진을 나타낸 것으로 다른 밀링 방법에 의한 경우보다 습식 밀링에 의한 경우에 1차 입자화 및 입자의 비정질화 효과가 크게 나타남을 확인할 수 있으며, 이와 같이 입자의 1차화 및 비정질화 정도가 클수록 리튬망간산화물의 3V대에서의 수명 특성이 크게 개선되는 것임을 확인할 수 있다. Figure 2 shows a SEM picture of the lithium manganese oxide by wet milling according to the present invention, it can be seen that the effect of the primary granulation and the amorphous phase of the particles in the case of the wet milling than the other milling method. In this way, it can be seen that the greater the degree of primary and amorphous the particles, the greater the life characteristics of the lithium manganese oxide in the 3V band.

한편, 도 3을 참조하면, 비교예에 따른 이차전지는 초기 용량이 120 mAh/g 정도이나 실시예에 따른 이차전지는 초기 용량이 230 mAh/g 정도로 비교예의 이차전지에 비해 크게 높고, 이와 같은 용량의 차이는 사이클이 증가될수록 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 용량이 조금 줄기는 하나 비교예에 따른 이차전지의 용량과는 여전히 큰 차이가 남을 확인 할 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 3, the secondary battery according to the comparative example has an initial capacity of about 120 mAh / g, but the secondary battery according to the embodiment has an initial capacity of about 230 mAh / g, which is significantly higher than that of the secondary battery of the comparative example. As for the difference in capacity, as the cycle increases, the capacity of the secondary battery according to the embodiment of the present invention decreases slightly, but it can be confirmed that there is still a large difference from the capacity of the secondary battery according to the comparative example.

Claims (10)

리튬 망간 산화물을 포함하고 있는 양극 활물질로서, 상기 리튬 망간 산화물은 비정질화 하여 포함되고, 하기 화학식 1로 표시되는 조성의 스피넬 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
Li1 + yMzMn2 -y- zO4 - xQx (1)
상기 식에서, 0=x=1, 0=y=0.3, 0=z=1이고, M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이며, Q는 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.
A cathode active material containing lithium manganese oxide, wherein the lithium manganese oxide is amorphous and included, and has a spinel structure of a composition represented by the following formula (1):
Li 1 + y M z Mn 2 -y- z O 4 - x Q x (1)
In the above formula, 0 = x = 1, 0 = y = 0.3, 0 = z = 1, M is Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, One or more elements selected from the group consisting of Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi, and Q is one or more elements selected from the group consisting of N, F, S and Cl.
제1항에 있어서, 상기 리튬 망간 산화물은 습식 밀링에 의하여 비정질화 되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The cathode active material of claim 1, wherein the lithium manganese oxide is amorphous by wet milling. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 망간 산화물은 등축정계상(cubic phase) 및 정방정계상(tetragonal phase) 중에서 선택되는 하나 또는 그 이상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.The cathode active material according to claim 1, wherein the lithium manganese oxide is composed of one or more selected from an equibic phase and a tetragonal phase. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 따른 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 합제.A cathode mixture comprising the cathode active material according to any one of claims 1 to 3. 제4항에 따른 양극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.A positive electrode mixture for secondary batteries, characterized in that the positive electrode mixture according to claim 4 is coated on a current collector. 제5항에 따른 이차전지용 양극을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising the positive electrode for a secondary battery according to claim 5. 제6항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지. The lithium secondary battery of claim 6, wherein the lithium secondary battery is used as a unit cell of a battery module that is a power source of a medium-large device. 제7항에 있어서, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 7, wherein the medium-to-large device is an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or a system for storing power. 하기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물을 밀링하는 단계(S1);
상기 (S1)에 의한 결과물과 도전재, 및 바인더를 혼합하는 단계를 포함하는 양극활물질의 제조방법.
Li1 + yMzMn2 -y- zO4 - xQx (1)
상기 식에서, 0=x=1, 0=y=0.3, 0=z=1이고, M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이며, Q는 N, F, S 및 Cl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.
Milling a lithium manganese oxide of a spinel structure represented by Formula 1 (S1);
Method of producing a positive electrode active material comprising the step of mixing the resultant and the conductive material, and the binder according to (S1).
Li 1 + y M z Mn 2 -y- z O 4 - x Q x (1)
In the above formula, 0 = x = 1, 0 = y = 0.3, 0 = z = 1, M is Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, One or more elements selected from the group consisting of Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi, and Q is one or more elements selected from the group consisting of N, F, S and Cl.
제9항에 있어서, 상기 (S1) 단계의 밀링은 습식 밀링인 것을 특징으로 하는 양극활물질의 제조방법.The method of claim 9, wherein the milling of the step (S1) is a method for producing a positive electrode active material, characterized in that the wet milling.
KR1020110010280A 2011-02-01 2011-02-01 Cathode Active Material Comprising Lithium Manganese Oxide Capable of Providing Excellent Charge-Discharge Characteristics at 3V Region as Well as 4V Region KR101527995B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110010280A KR101527995B1 (en) 2011-02-01 2011-02-01 Cathode Active Material Comprising Lithium Manganese Oxide Capable of Providing Excellent Charge-Discharge Characteristics at 3V Region as Well as 4V Region

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110010280A KR101527995B1 (en) 2011-02-01 2011-02-01 Cathode Active Material Comprising Lithium Manganese Oxide Capable of Providing Excellent Charge-Discharge Characteristics at 3V Region as Well as 4V Region

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120089111A true KR20120089111A (en) 2012-08-09
KR101527995B1 KR101527995B1 (en) 2015-06-10

Family

ID=46874064

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110010280A KR101527995B1 (en) 2011-02-01 2011-02-01 Cathode Active Material Comprising Lithium Manganese Oxide Capable of Providing Excellent Charge-Discharge Characteristics at 3V Region as Well as 4V Region

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101527995B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015002390A1 (en) * 2013-07-04 2015-01-08 주식회사 엘지화학 Cathode mixture having improved conductivity, and cathode and electrochemical device containing same
KR101510179B1 (en) * 2012-04-26 2015-04-08 주식회사 포스코이에스엠 Manufacturing method of lithium-manganese double oxide, lithium-manganese double oxide made by the same, and lithium ion batteries containing the same
WO2020111543A1 (en) * 2018-11-30 2020-06-04 주식회사 엘지화학 Octahedral lithium manganese-based positive electrode active material, and positive electrode and lithium secondary battery including same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ZA94750B (en) * 1993-09-02 1994-09-29 Technology Finance Corp Electrochemical cell

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101510179B1 (en) * 2012-04-26 2015-04-08 주식회사 포스코이에스엠 Manufacturing method of lithium-manganese double oxide, lithium-manganese double oxide made by the same, and lithium ion batteries containing the same
WO2015002390A1 (en) * 2013-07-04 2015-01-08 주식회사 엘지화학 Cathode mixture having improved conductivity, and cathode and electrochemical device containing same
CN104737341A (en) * 2013-07-04 2015-06-24 株式会社Lg化学 Cathode mixture having improved conductivity, and cathode and electrochemical device containing same
US10056604B2 (en) 2013-07-04 2018-08-21 Lg Chem, Ltd. Cathode material composite having improved conductivity, cathode and electrochemical device having the same
WO2020111543A1 (en) * 2018-11-30 2020-06-04 주식회사 엘지화학 Octahedral lithium manganese-based positive electrode active material, and positive electrode and lithium secondary battery including same

Also Published As

Publication number Publication date
KR101527995B1 (en) 2015-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101982790B1 (en) Positive Electrode Active Material Comprising Layered Lithium Metal Oxides and Positive Electrode having the Same
KR101496653B1 (en) Cathode Active Material Comprising Lithium Manganese Oxide Capable of Providing Excellent Charge-Discharge Characteristics at 3V Region as Well as 4V Region
KR101335460B1 (en) Cathode Active Material Comprising Lithium Manganese-Based Oxide and Non Aqueous Electrolyte Secondary Battery Based upon the Same
KR20180002055A (en) Positive Electrode Active Material Comprising High-voltage Lithium Cobalt Oxide Having Doping element for Lithium Secondary Battery and Method of Manufacturing the Same
KR101337365B1 (en) Cathode Active Material with High Capacity and Improved Conductivity and Non-aqueous Electrolyte Secondary Battery Comprising the Same
EP2806486B1 (en) Cathode active material, lithium secondary battery for controlling impurities or swelling containing same, and preparation method of cathode active material with improved productivity
KR20170045833A (en) Precursor for Preparation of Positive Electrode Active Material Comprising Layered Metal Oxides and Electrode Active Material Prepared with the Same
KR101587055B1 (en) Lithium Cobalt Based Composite Oxide Having Improved Cycle Life Characteristics and Positive Active Material for Secondary Battery Comprising the Same
KR20190046617A (en) Positive Electrode Active Material Comprising Lithium Rich Lithium Manganese-based Oxide with Coating layer Comprising Lithium-Deficiency Transition Metal Oxide and Positive Electrode Comprising the Same
EP2942329B1 (en) Lithium manganese-based oxide and positive electrode active substance comprising same
KR101817827B1 (en) Positive electrode for secondary battery and lithium secondary battery comprising the same
KR101469436B1 (en) Cathode Active Material and Lithium Secondary Battery For Controlling Impurity or Swelling Comprising the Same and Method For Manufacturing Cathode Active Material Of Improved Productivity
KR20180072587A (en) Cobalt Precursor for Metal Doped-Positive Active Material for Secondary Battery
KR101217461B1 (en) Composite Comprising Manganese-Based Cathode Active Material and Method of Preparing the Same
KR20180089030A (en) Positive Electrode Active Material for Lithium Secondary Battery Comprising High-voltage Lithium Cobalt Oxide and Method of Manufacturing the Same
KR101527995B1 (en) Cathode Active Material Comprising Lithium Manganese Oxide Capable of Providing Excellent Charge-Discharge Characteristics at 3V Region as Well as 4V Region
KR20130004097A (en) Positive active material for secondary battery of improved rate capability
CN104412424B (en) Positive electrode active material for secondary battery having enhanced life characteristics and method for preparing same
KR101352836B1 (en) Process for Preparing Lithium Manganese-Based Oxide of Li-excess Content and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR20190038314A (en) Positive Electrode Active Material Comprising Lithium Rich Lithium Manganese-based Oxide and Lithium Tungsten Compound, or Additionally Tungsten Compound and Positive Electrode for Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR101301564B1 (en) Positive Electrode for Secondary Battery Comprising Lithium Manganese-Based Oxide of High Capacity and Spinel Crystal Structure, and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR20130141772A (en) Lithium secondary battery improved storage characteristic and method for manufacturing cathode active material comprised the same
KR101520634B1 (en) Lithium Manganese-Based Oxide of High Capacity and Lithium Secondary Battery Comprising the Same
KR101547919B1 (en) Positive Active Material for Secondary Battery Having Improved Cycle Life Characteristics and Method for Preparation the Same
KR101533495B1 (en) Lithium manganes based cathode material and preparation method of thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180418

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190401

Year of fee payment: 5