KR20130102827A - Fabrication method of nanocomposite for lithium secondary battery - Google Patents

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장원영
조병원
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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of a nanocomposite is provided to manufacture a nanocomposite with improved stability, electrode capacity, and cycle performance by modifying the surface of a LiMO2-based electrode active material in a lamellar structure. CONSTITUTION: A manufacturing method of a nanocomposite comprises a step of dispersing a LiMO2-based positive active material into a dispersing medium; a step of adding monomers of a conductive polymer into the dispersion; and a step of conducting a polymerization reaction by adding an oxidant into the dispersion and washing and drying the product. M is selected from Ni, Co, Mn, Al, Sr, Cu, Fe, Mg, B, or Ga. The dispersion medium is selected from ethanol, butanol, acetonitrile, or a mixture thereof.

Description

리튬이차전지용 나노복합체의 제조 방법 {Fabrication method of nanocomposite for lithium secondary battery}Manufacturing method of nanocomposite for lithium secondary battery {Fabrication method of nanocomposite for lithium secondary battery}

본 발명은 리튬이차전지용 나노복합체의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 층상구조를 가지는 전극 활물질의 표면을 코팅하여 나노복합체를 제조하는 방법 및 이를 채용한 고전압 영역에서 안정성과 사이클 수명이 우수한 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a nanocomposite for a lithium secondary battery, and more particularly, to a method of manufacturing a nanocomposite by coating a surface of an electrode active material having a layered structure, and lithium having excellent stability and cycle life in a high voltage region employing the same. It relates to a secondary battery.

대표적인 층상구조 리튬이차전지용 금속 산화물 양극 활물질 재료로는 LiCoO2, LiNiO2, LiNixCo1 - xO2 (0<x<1), LiNi1 -x-yCoxMyO2(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1, M은 Al, Sr, Mg, Fe, Mn 등의 금속), 등이 있으며, 이 중에서 LiCoO2는 높은 용량과 낮은 자가방전율 그리고 우수한 사이클 수명으로 인하여 다른 양극 활물질 재료들보다 상업용 리튬이차전지로써 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 높은 이론용량과는 달리 Li1 - xCoO2의 충방전 거동을 살펴보면 x>0.5인 경우 사이클이 진행됨에 따라 용량의 급격한 감소가 진행됨이 보고되었다. 따라서 이론용량은 274 mAh/g이지만, 실제 용량은 이론 용량의 50 %인 137 mAh/g보다 약간 더 큰 145 mAh/g을 나타내고 이러한 실제 용량에 해당하는 전극의 충전 전압은 4.1 ~ 4.2V에 해당한다. LiMO2 (M = 금속)와 같은 층상구조 산화물들은 4.3V 이상으로 충전할 경우, 전이금속의 용출 및 리튬이온과 전이금속 이온간의 자리바꿈 등에 의해 가역 용량이 현저하게 감소하게 된다. 또한 리튬이 deintercalation된 LixMO2 (M = 금속)의 표면구조 퇴화 및 급격한 구조붕괴를 동반한 발열반응 등으로 전지의 안정성에 큰 문제가 된다. Representative layered metal oxide cathode active materials for lithium secondary batteries include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi x Co 1 - x O 2 (0 <x <1), LiNi 1- xy Co x M y O 2 (0 <x < 1, 0 <y <1, 0 <x + y <1, M is a metal such as Al, Sr, Mg, Fe, Mn), etc. Among them, LiCoO 2 has a high capacity, low self-discharge rate and excellent cycle Due to its lifetime, it is most widely used as a commercial lithium secondary battery than other cathode active materials. However, unlike the high theoretical capacity, when looking at the charge and discharge behavior of Li 1 - x CoO 2 it was reported that the capacity decreases rapidly as the cycle proceeds at x> 0.5. Therefore, the theoretical capacity is 274 mAh / g, but the actual capacity represents 145 mAh / g which is slightly larger than 137 mAh / g, which is 50% of the theoretical capacity, and the charging voltage of the electrode corresponding to this actual capacity corresponds to 4.1 to 4.2V. do. LiMO 2 When the layered oxides such as (M = metal) are charged to 4.3V or more, the reversible capacity is significantly reduced due to the dissolution of the transition metal and the exchange of lithium and transition metal ions. Li x MO 2 with lithium deintercalation The deterioration of the surface structure of (M = metal) and the exothermic reaction accompanied by rapid structural collapse are a major problem in the stability of the battery.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 미량의 이종원소를 첨가하여 구조적 안정화를 꾀하거나 활물질의 표면을 개질하여 금속 이온의 용출을 억제하기 위한 연구가 진행되었다. 한국등록특허 10-0374010호에는 리튬이차전지의 양극으로 사용되는 금속산화물 전극재료 분말의 표면 개질 방법으로서, 열분해 및 화학증착반응에 의해 입자 위에 금속 또는 금속산화물을 코팅하는 개질 방법이 개시되어 있다. 또한 미국 특허출원 10/602,251호에는 응집제를 코어에 코팅시키는 방식으로 표면 개질된 물질을 제공하여 양극활물질로 이용하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 방식으로 표면 개질된 양극 활물질을 채용할 경우 고전압 영역에서 안정성을 확보하는 데 한계가 있었고, 제조 과정도 복잡하여 실용화되기 어려운 면이 있었다. In order to overcome this problem, studies have been conducted to suppress the dissolution of metal ions by structurally stabilizing by adding a small amount of hetero elements or by modifying the surface of the active material. Korean Patent No. 10-0374010 discloses a method of surface modification of a metal oxide electrode material powder used as a cathode of a lithium secondary battery, and a method of modifying a metal or metal oxide on a particle by thermal decomposition and chemical vapor deposition. US patent application Ser. No. 10 / 602,251 also discloses a method of providing a surface modified material by coating a coagulant on a core to use as a cathode active material. However, when the cathode active material surface-modified in this manner is employed, there is a limit in securing stability in the high voltage region, and the manufacturing process is complicated and thus difficult to be practical.

한편 기존의 LiCoO2의 경우, 전극 활물질 표면을 ZrO2, Al2O3와 같은 금속산화물 및 금속복합산화물 등으로 코팅하여 고전압에 대한 안정성을 높임으로써 가역용량을 증가시킬 수 있었다. 즉 양극활물질의 표면이 코팅이 되면 표면으로부터 발생하는 전이금속의 용출을 억제하거나 고전압에서 표면의 안정성을 강화시켜 표면에서의 부반응을 억제함으로써 고전압 충방전이 가능하게 되므로 기존보다 더 큰 용량을 얻을 수 있다. 이 외에도 표면 개질을 통해 고율방전에서의 사이클 효율 향상, 열적 안정성 향상, 고용량화 및 고출력화가 가능하며 동시에 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 그러나 표면 개질에 수반되는 문제점들도 존재하는데 예를 들어 표면개질물의 첨가는 비용량을 감소시킬 수 있으며, 이온 전도도가 낮은 표면 개질물을 사용할 경우 충방전 거동시 리튬 이온의 이동을 방해하여 율속 특성을 저하시킬 가능성이 있다. 또한, 표면 개질로 인하여 양극활물질 표면에서의 리튬의 intercalation/deintercalation 반응면적을 감소시켜 고율특성을 저하시킬 수 있다. Meanwhile, in the case of the conventional LiCoO 2, the surface of the electrode active material was coated with a metal oxide such as ZrO 2 , Al 2 O 3 , and a metal composite oxide to increase stability against high voltage, thereby increasing reversible capacity. In other words, when the surface of the positive electrode active material is coated, high voltage charge and discharge can be obtained by suppressing the dissolution of transition metals generated from the surface or by enhancing the surface stability at high voltage to suppress side reactions on the surface, thereby obtaining a larger capacity than before. have. In addition, surface modification can improve cycle efficiency, thermal stability, high capacity and high output at high rate discharges, and at the same time, dramatically improve the lifetime. However, there are also problems associated with surface modification, for example, the addition of surface modification can reduce the specific capacity, and the use of surface modification with low ion conductivity prevents the movement of lithium ions during charging and discharging behavior, thereby controlling the rate characteristics. There is a possibility of lowering. In addition, the surface modification may reduce the intercalation / deintercalation reaction area of lithium on the surface of the positive electrode active material, thereby degrading high rate characteristics.

현재 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2, LiNi0 .5Co0 .2Mn0 .3O2, LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2와 같은 3성분계 양극활물질의 경우에는 표면 개질을 통하여 고전압 영역까지 더 많은 리튬을 deintercalation시켜 고용량화와 동시에 안정성을 확보하기 위한 많은 연구가 진행되고 있고 지금까지의 표면 개질은 주로 전기화학적으로 비활성 재료인 금속산화물 및 금속복합산화물이 사용되었다. 그러나 이러한 금속산화물 및 금속복합산화물 표면 개질물들은 양극 활물질 표면에서 전기화학적 특성의 향상에 기여함과 동시에 전기화학적인 비활성으로 인해 양극 활물질 표면에서 일종의 저항으로도 작용할 수 있다. 이와 같은 전극 내의 저항은 리튬이차전지의 성능에 제한요소로 작용하는 바, 새로운 표면 개질 방법의 개발이 요구되고 있다.Current LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2, LiNi 0 .5 Co 0 .2 Mn 0 .3 O 2, 3 -component system positive electrode, such as LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 In the case of active materials, many studies have been conducted to ensure high capacity and stability by deintercalating more lithium to a high voltage region through surface modification. Until now, surface modification is mainly an electrochemically inert metal oxide and metal complex oxide. This was used. However, these metal oxides and metal composite oxide surface modifiers may contribute to the improvement of electrochemical properties on the surface of the positive electrode active material and may also act as a kind of resistance on the surface of the positive electrode active material due to electrochemical inactivation. Since the resistance in the electrode acts as a limiting factor on the performance of the lithium secondary battery, the development of a new surface modification method is required.

본 발명의 목적은 층상구조를 가지는 LiMO2 계열 전극 활물질의 표면을 개질하여 리튬이차전지용 나노복합체를 제조하는 방법을 제공함으로써 종래 LiMO2 계열 전극 활물질이 갖는 한계를 극복하여 고전압 영역에서의 안정성, 전극용량 및 사이클 특성을 효과적으로 향상시키는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nanocomposite for a lithium secondary battery by modifying the surface of a LiMO 2 based electrode active material having a layered structure, thereby overcoming the limitations of the conventional LiMO 2 based electrode active material, thereby ensuring stability in a high voltage region and an electrode. It is to effectively improve the capacity and cycle characteristics.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 1) LiMO2계(M=금속) 양극 활물질을 분산매에 분산시키는 단계; 2) 상기 분산액에 전도성 고분자의 모노머를 첨가하는 단계; 및 3) 상기 모노머가 첨가된 분산액에 산화제를 투입하여 중합 반응을 시킨 후 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 리튬이차전지용 나노복합체의 제조 방법을 제공한다. In order to solve the above technical problem, the present invention comprises the steps of 1) dispersing a LiMO 2- based (M = metal) cathode active material in a dispersion medium; 2) adding a monomer of the conductive polymer to the dispersion; And 3) it provides a method for producing a nanocomposite for lithium secondary battery comprising the step of washing and drying after the polymerization reaction by adding an oxidizing agent to the dispersion to which the monomer is added.

이때, 상기 금속 M은 예를 들어, Ni, Co, Mn, Al, Sr, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 등을 들 수 있다. 또한 본 발명에 사용되는 LiMO2계(M=금속) 양극 활물질은 예를 들어, LiCoO2, LiNiO2, LiNixCo1 - xO2 (0<x<1), LiNi1 -x-yCoxMyO2(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1, M은 Al, Sr, Mg, Fe, Mn 등의 금속) 중에서 선택될 수 있다. In this case, the metal M may be Ni, Co, Mn, Al, Sr, Cu, Fe, Mg, B or Ga, for example. In addition, the LiMO 2 -based (M = metal) positive electrode active material used in the present invention is, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi x Co 1 - x O 2 (0 <x <1), LiNi 1 -xy Co x M y 0 2 (0 <x <1, 0 <y <1, 0 <x + y <1, M may be selected from metals such as Al, Sr, Mg, Fe, and Mn).

또한 본 발명에 사용가능한 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)(PEDOT), 폴리피롤, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)-폴리(스타이렌설포네이트)(PEDOT:PSS) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 분산매는 증류수, 아세톤, 부탄올, 아세토니트릴 또는 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다. In addition, the conductive polymers usable in the present invention are polyaniline, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) ( PEDOT: PSS) or mixtures thereof, and the dispersion medium may be selected from distilled water, acetone, butanol, acetonitrile or a mixture thereof.

또한 본 발명의 중합 반응을 위해 사용되는 산화제는 FeCl3, 암모늄 퍼설페이트(APS), Ce(SO4)2 또는 (NH4)2Ce(NO3)6 등의 세륨 기반의 산화제 및 등을 들 수 있다. In addition, the oxidizing agent used for the polymerization reaction of the present invention include cerium-based oxidizing agents such as FeCl 3 , ammonium persulfate (APS), Ce (SO 4 ) 2 or (NH 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 6 , and the like. Can be.

본 발명에 따른 전극 활물질의 표면이 전도성 고분자로 개질된 나노복합체를 리튬이차전지에 채용하면, 종래 층상구조 LiMO2 (M = Ni, Co, Mn, Al 등)계열의 전극 활물질의 문제점이었던 고전압 영역에서의 가역 용량 감소 및 표면 불안정성 등을 해결할 수 있으며, 특히 기존에 사용되던 표면 개질물인 금속산화물 및 금속복합산화물로 인해 발생하는 저항 요소 및 불균일한 코팅효과도 개선할 수 있어, 전극의 용량이나 사이클 수명 등의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.When the nanocomposite in which the surface of the electrode active material according to the present invention is modified with a conductive polymer is employed in a lithium secondary battery, a high voltage region, which is a problem of an electrode active material having a conventional layered structure LiMO 2 (M = Ni, Co, Mn, Al, etc.) Reversible capacity reduction and surface instability can be solved. In particular, resistance elements and non-uniform coating effects caused by metal oxides and metal complex oxides, which are used as surface modifiers, can be improved. It is possible to improve electrochemical properties such as lifetime.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의하여 합성된 PEDOT이 코팅된 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 나노복합체의 주사전자 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의하여 합성된 PEDOT이 코팅된 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 나노복합체의 열중량 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의하여 합성된 PEDOT이 코팅된 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 나노복합체의 투과전자 현미경 사진이다.
도 4는 PEDOT이 코팅되지 않은 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 전극 활물질의 주사전사 현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의하여 합성된 PEDOT이 코팅된 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 나노복합체와 PEDOT이 코팅되지 않은 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 전극 활물질을 포함하는 양극의 종지 전압을 4.5V로 설정하여 사이클 수명을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의하여 합성된 PEDOT이 코팅된 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 나노복합체와 PEDOT이 코팅되지 않은 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 전극 활물질을 포함하는 양극의 종지 전압을 4.6V로 설정하여 사이클 수명을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의하여 합성된 PEDOT이 코팅된 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 나노복합체와 PEDOT이 코팅되지 않은 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 전극 활물질을 포함하는 양극의 종지 전압을 4.8V로 설정하여 사이클 수명을 비교하여 나타낸 그래프이다.
1 is a scanning electron micrograph of a PEDOT-coated LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 nanocomposite synthesized according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the thermogravimetric analysis of the PEDOT-coated LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 nanocomposites synthesized according to an embodiment of the present invention.
3 is a transmission electron micrograph of a PEDOT-coated LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 nanocomposite synthesized according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a scanning photomicrograph of a transfer that is not coated with PEDOT LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 electrode active material.
Figure 5 is a is synthesized by an embodiment of the present invention PEDOT coated LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 nanocomposite with a PEDOT uncoated LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 electrode active material It is a graph comparing cycle life by setting the terminal voltage of the included anode to 4.5V.
Figure 6 is a is synthesized by an embodiment of the present invention PEDOT coated LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 nanocomposite with a PEDOT uncoated LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 electrode active material It is a graph comparing the cycle life by setting the terminal voltage of the included anode to 4.6V.
Figure 7 is a is synthesized by an embodiment of the present invention PEDOT coated LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 nanocomposite with a PEDOT uncoated LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 electrode active material It is a graph comparing the cycle life by setting the terminal voltage of the included anode to 4.8V.

이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 기존의 층상구조를 가지는 LiMO2 (M = Ni, Co, Mn, Al, Sr, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 등의 금속)계열의 전극 활물질이 가지는 한계점을 극복하기 위해 전도성 고분자를 표면 개질물로 사용하여 전극 활물질 표면을 코팅함으로써 더욱 향상된 전기화학적 특성을 가지는 나노복합체를 제공하는 것이다.The present invention provides a conductive polymer to overcome the limitations of the electrode active material of LiMO 2 (M = Ni, Co, Mn, Al, Sr, Cu, Fe, Mg, B or Ga) series having a conventional layered structure It is to provide a nanocomposite having more improved electrochemical properties by coating the surface of the electrode active material using the as a surface modifier.

이전에 전도성 고분자는 대부분 LiFePO4 양극 활물질을 중심으로 낮은 전도도를 보이는 양극 활물질의 전도도 특성을 향상시키기 위한 연구들이 주를 이루었지만 본 발명에서는 전도성 고분자를 표면 개질물로 선택하였다. 전도성 고분자는 금속산화물이나 금속복합산화물에 비하여 양극 활물질 표면에 더욱 균일하게 코팅할 수 있으며, 우수한 전도성을 가지므로 리튬이 탈리(deintercalation)된 LixMO2 (M = 금속) 전극 활물질의 고전압 영역에서의 안정성 및 고용량화 그리고 향상된 사이클 특성을 나타낼 수 있다.
Previously, most of the conductive polymers have been researched to improve conductivity characteristics of a cathode active material having low conductivity, mainly around a LiFePO 4 cathode active material, but the conductive polymer was selected as a surface modifier in the present invention. Conductive polymers can be more uniformly coated on the surface of the positive electrode active material than metal oxides or metal composite oxides, and because they have excellent conductivity, Li x MO 2 from which lithium is deintercalated It can exhibit stability and high capacity and improved cycle characteristics in the high voltage region of the (M = metal) electrode active material.

구체적으로, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 나노복합체는 1) LiMO2계(M=금속) 양극 활물질을 분산매에 분산시키는 단계; 2) 상기 분산액에 전도성 고분자의 모노머를 첨가하는 단계; 및 3) 상기 모노머가 첨가된 분산액에 산화제를 투입하여 중합 반응을 시킨 후 세척 및 건조하는 단계를 포함한다.
Specifically, the lithium composite battery nanocomposite according to the present invention comprises the steps of 1) dispersing a LiMO 2 based (M = metal) positive electrode active material in a dispersion medium; 2) adding a monomer of the conductive polymer to the dispersion; And 3) injecting an oxidizing agent into the dispersion to which the monomer is added to perform a polymerization reaction, followed by washing and drying.

이때, 상기 금속 M은 예를 들어, Ni, Co, Mn, Al, Sr, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 등을 들 수 있다. 또한 본 발명에 사용되는 LiMO2계(M=금속) 양극 활물질은 예를 들어, LiCoO2, LiNiO2, LiNixCo1 - xO2 (0<x<1), LiNi1 -x-yCoxMyO2(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1, M은 Al, Sr, Mg, Fe, Mn 등의 금속) 중에서 선택될 수 있다. In this case, the metal M may be Ni, Co, Mn, Al, Sr, Cu, Fe, Mg, B or Ga, for example. In addition, the LiMO 2 -based (M = metal) positive electrode active material used in the present invention is, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi x Co 1 - x O 2 (0 <x <1), LiNi 1 -xy Co x M y 0 2 (0 <x <1, 0 <y <1, 0 <x + y <1, M may be selected from metals such as Al, Sr, Mg, Fe, and Mn).

또한 본 발명에 사용가능한 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)(PEDOT), 폴리피롤, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)-폴리(스타이렌설포네이트) (PEDOT:PSS) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 분산매는 증류수, 아세톤, 부탄올, 아세토니트릴 또는 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다. Also conductive polymers usable in the present invention are polyaniline, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) ( PEDOT: PSS) or mixtures thereof, and the dispersion medium may be selected from distilled water, acetone, butanol, acetonitrile or a mixture thereof.

또한 본 발명의 중합 반응을 위해 사용되는 산화제는 FeCl3, 암모늄 퍼설페이트 (APS), Ce(SO4)2 또는 (NH4)2Ce(NO3)6 등의 세륨 기반의 산화제 및 등을 들 수 있다.
In addition, the oxidizing agents used for the polymerization reaction of the present invention include cerium-based oxidizing agents such as FeCl 3 , ammonium persulfate (APS), Ce (SO 4 ) 2 or (NH 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 6 , and the like. Can be.

본 발명에 따른 구체적인 제조 방법은 다음과 같다. Specific manufacturing method according to the present invention is as follows.

먼저 본 발명은 기존 층상구조를 가지는 LiMO2 (M = Ni, Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 등의 금속)계열의 전극 활물질 표면을 기존의 표면 개질물인 금속화합물 및 금속복합산화물 대신 전도성 고분자를 표면 개질물로 사용하여 전극 활물질 표면에 전도성 고분자가 코팅된 나노복합체를 합성한다. 기존의 전도성 고분자 합성 및 코팅은 용액 내에 존재하는 전도성 고분자를 전기화학적 방법 혹은 단순히 산화제 첨가에 의한 화학적인 방법을 이용함으로써 용액 내의 전도성 고분자를 산화시킴으로써 완료된다. 전기화학적인 방법을 이용할 경우 입자 상태가 아닌 집전체 위에 도포된 전극 표면층에 고분자 코팅이 진행되므로 본 발명에서는 전기화학적인 방법에 비해 더 균일한, 즉 전극 활물질 입자 수준에서 전도성 고분자를 코팅할 수 있는 화학적 방법을 이용하여 전극 활물질 표면을 PEDOT과 같은 전도성 고분자로 코팅한 나노복합체를 합성한다. First, the present invention is a metal compound and metal as a surface modification of the surface of the electrode active material of LiMO 2 (M = Ni, Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga) series having a conventional layer structure Instead of the composite oxide, a conductive polymer is used as a surface modifier to synthesize a nanocomposite coated with the conductive polymer on the surface of the electrode active material. Conventional conductive polymer synthesis and coating is completed by oxidizing the conductive polymer in the solution by using an electrochemical method or a chemical method by simply adding an oxidant to the conductive polymer present in the solution. When the electrochemical method is used, the polymer coating is performed on the electrode surface layer applied on the current collector rather than the particle state, and thus, in the present invention, the conductive polymer may be coated at a more uniform level than the electrochemical method, that is, at the electrode active material particle level. Using a chemical method to synthesize a nanocomposite coating the surface of the electrode active material with a conductive polymer such as PEDOT.

원료 물질로써 먼저 전극 활물질 표면으로의 균일한 표면 코팅을 위하여 전도성 고분자의 단량체를 전극 활물질이 들어있는 용매에 넣어 균일한 혼합물이 될 수 있도록 분산시켜준다. 이 후 상기 용매에 FeCl3와 같은 산화제가 용해된 용액을 서서히 주입하여 주면 전도성 고분자의 단량체가 산화되기 시작하고 충분한 중합반응 시간을 유지하면 고분자 중합이 일어나게 된다. As a raw material, first, a monomer of a conductive polymer is added to a solvent containing an electrode active material to disperse it into a homogeneous mixture for uniform surface coating onto the surface of the electrode active material. Thereafter, when a solution in which an oxidizing agent such as FeCl 3 is dissolved is slowly injected into the solvent, the monomer of the conductive polymer starts to oxidize and polymer polymerization occurs if the polymerization time is maintained sufficiently.

이러한 단량체의 중합반응은 전극 활물질 입자가 균일하게 분산되어 있는 용액 내에서 진행되므로 전극 활물질 개개 입자 표면이 균일하게 코팅될 수 있음을 기대할 수 있다. 이러한 중합과정 동안 고분자로의 중합반응이 완전히 일어나지 않아 생긴 올리고머나 기타 다른 불순물 등을 제거하고 전도성 고분자가 코팅된 전극 활물질만을 수거하기 위하여 에탄올과 증류수를 이용하여 여러 번 세척한 후 수거한다. 상기 전도성 고분자가 코팅된 전극 활물질내의 남아있는 수분은 대기 중에서 충분히 건조하여 제거하고 리튬이차전지용 양극을 제조한다. 전도성 고분자를 이용한 표면 개질은 중합반응 온도, 중합반응 유지시간 및 산화제의 종류 등의 변수에 따라 결정이 되며 이는 합성 후 전자현미경 등을 통해 확인이 가능하다.
Since the polymerization of the monomer proceeds in a solution in which the electrode active material particles are uniformly dispersed, it can be expected that the surface of the individual electrode active material particles can be uniformly coated. In order to remove the oligomers or other impurities caused by the polymerization reaction does not occur completely during the polymerization process and to collect only the electrode active material coated with the conductive polymer, it is collected several times using ethanol and distilled water and then collected. The remaining moisture in the electrode active material coated with the conductive polymer is sufficiently dried in the air and removed to prepare a cathode for a lithium secondary battery. Surface modification using conductive polymers is determined by variables such as polymerization temperature, polymerization holding time and type of oxidizing agent. This can be confirmed by electron microscope after synthesis.

이하에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Comparative Examples. However, the embodiments are only examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1 One

에탄올 150ml에 LiNO3, Ni(NO3)2·6H2O, Co(NO3)2·6H2O, Mn(NO3)2·4H2O을 용해시킨다. 원하는 조성의 활물질을 만들기 위하여 상기 전이금속들의 몰 비는 0.8: 0.15: 0.05로 설정하여 첨가시키고 리튬염은 합성과정 동안 발생하는 휘발을 고려하여 10% 과잉 첨가한다. 킬레이트제(chelating agent)로 시트르산 10.24g을 에탄올 120ml에 용해시킨 후 상기 용액에 첨가시켜 전이금속 착이온을 형성한다. 각 용액은 서로 혼합시켜 350rpm에서 1시간 혼합시킨 후 80℃ 오븐에 넣어 용매를 증발시킨다. 용매가 완전하게 증발 되어 고체 상태가 되면 이를 유발을 이용하여 분쇄한다. 분쇄된 파우더는 알루미나 도가니로 옮겨 400 ~ 600℃에서 4 ~ 6시간 동안 1차 열처리를 실시하고 재분쇄하여 800 ~ 1000℃에서 15 ~ 24시간 동안 2차 열처리를 실시하여 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 양극 활물질을 제조하였다. LiNO 3 , Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O, and Mn (NO 3 ) 2 .4H 2 O are dissolved in 150 ml of ethanol. To make the active material of the desired composition, the molar ratio of the transition metals is set to 0.8: 0.15: 0.05 and the lithium salt is added in excess of 10% in consideration of volatilization generated during the synthesis process. 10.24 g of citric acid is dissolved in 120 ml of ethanol as a chelating agent and added to the solution to form a transition metal complex ion. Each solution was mixed with each other and mixed at 350 rpm for 1 hour and then placed in an 80 ° C. oven to evaporate the solvent. When the solvent is completely evaporated to a solid state, it is ground using a mortar. The crushed powder is transferred to an alumina crucible at 400 ~ 600 ℃ for 4-6 hours to conduct the first heat treatment and re-pulverized, subjected to secondary heat treatment for 15 to 24 hours at 800 ~ 1000 ℃ LiNi 0 .8 Co 0. the 15 Al 0 .05 O 2 positive active material was prepared.

이어서, 상기 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 양극 활물질 0.5g과 EDOT 0.1ml를 증류수 50ml에 넣은 후, 초음파를 이용하여 5 ~ 10분 동안 분산시킨다. 이 후 용액 내 양극 활물질과 EDOT의 균일한 중합반응을 위하여 400rpm을 유지시킨 후 FeCl3 산화제 1g을 증류수 10ml에 녹여 상기 용액에 천천히 주입시킨다. 주입이 완료된 후 30분 동안 중합반응을 시킨 후 에탄올과 증류수 1리터를 사용하여 총 3회씩 번갈아 가며 세척한다. 세척이 완료되면 50℃ 오븐에 넣어 남아있는 수분을 충분히 건조시킨 후 분쇄하여 PEDOT이 코팅된 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 양극 활물질 나노복합체를 얻는다. 상기 PEDOT/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 양극 활물질 나노복합체의 주사전자현미경 사진과 PEDOT의 열중량분석 그리고 투과전자현미경 사진을 도 1 내지 도 3에 나타내었다.Then, after inserting the LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 positive active material and 0.5g EDOT 0.1ml to 50ml of distilled water, by using an ultrasonic dispersed for 5 to 10 minutes. After maintaining the 400rpm for uniform polymerization of the positive electrode active material and EDOT in solution FeCl 3 1 g of oxidant is dissolved in 10 ml of distilled water and slowly injected into the solution. After the injection is completed, the polymerization reaction is carried out for 30 minutes, and then washed three times in alternation with ethanol and 1 liter of distilled water. When the cleaning is complete, grinding was sufficiently dried the moisture remaining placed in an oven to obtain a 50 ℃ LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 positive active material nanocomposite coating a PEDOT. Scanning electron micrographs, thermogravimetric analysis, and transmission electron micrographs of the PEDOT / LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 cathode active material nanocomposites are shown in FIGS. 1 to 3.

이어서, 상기 PEDOT/LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 양극 활물질 나노복합체 0.5g과 덴카블랙 0.03g 그리고 PVDF 0.04g을 혼합 후 NMP를 첨가하여 적당한 점도가 얻어졌을 때 알루미늄 박판 위에 캐스팅하여 건조시킨 후 압연하여 PEDOT/LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 전극을 제조하였다. Then, when the PEDOT / LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 positive active material nanocomposite 0.5g and 0.03g, and Denka Black by the addition of 0.04g NMP PVDF blend is obtained after a suitable viscosity on the thin aluminum plate by rolling after casting to drying PEDOT / LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 Electrode.

PEDOT/LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 전극, PP 분리막 및 리튬금속을 대전극으로 사용하여 리튬이차전지 반쪽전지를 구성하고 1M LiPF6가 용해된 EC:DMC:EMC(1:1:1) 용액을 주입한 후에 정전류 충방전법으로 0.1C와 1C의 전류밀도로 3.0 ~ 4.5V 전위구간에서 충방전 거동 및 사이클 수명을 조사하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
PEDOT / LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 A lithium secondary battery half cell was formed by using an electrode, a PP separator, and a lithium metal as a counter electrode, and an EC: DMC: EMC (1: 1: 1) solution in which 1M LiPF 6 was dissolved was injected. The charging and discharging behavior and the cycle life were investigated in the 3.0 to 4.5V potential section with current densities of C and 1C, and the results are shown in FIG. 5.

실시예Example 2 2

실시예 1과 같은 조건으로 PEDOT/LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 반쪽전지를 제작하여 3.0 ~ 4.6V에서 충방전 거동을 조사하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.
Under the same conditions as in Example 1 PEDOT / LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 Half battery was fabricated and the charge and discharge behavior was investigated at 3.0 to 4.6V. The results are shown in FIG. 6.

실시예Example 3 3

실시예 1과 같은 조건으로 PEDOT/LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 반쪽전지를 제작하여 3.0 ~ 4.8V에서 충방전 거동을 조사하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.
Under the same conditions as in Example 1 PEDOT / LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 Half battery was fabricated and the charge and discharge behavior was investigated at 3.0 to 4.8V. The results are shown in FIG. 7.

비교예Comparative example 1 One

본 비교예에서는 기존의 졸-겔 법으로 에탄올 150ml에 LiNO3, Ni(NO3)2·6H2O, Co(NO3)2·6H2O, Mn(NO3)2·4H2O을 용해시킨다. 원하는 조성의 활물질을 만들기 위하여 상기 전이금속들의 몰 비는 0.8 : 0.15 : 0.05로 설정하여 첨가시키고 리튬염은 합성과정 동안 발생하는 휘발을 고려하여 10% 과잉 첨가한다. 킬레이트제(chelating agent)로 시트르산 10.24g을 에탄올 120ml에 용해시킨 후 상기 용액에 첨가시켜 전이금속 착이온을 형성한다. 각 용액은 서로 혼합시켜 350rpm에서 1시간 혼합시킨 후 80℃ 오븐에 넣어 용매를 증발시킨다. 용매가 적절량 증발이 되어 용액이 겔 형태가 되면 이를 건조시킨 후 분쇄한다. 분쇄된 파우더는 알루미나 도가니로 옮겨 400 ~ 600℃ 에서 4 ~ 6시간 동안 1차 열처리한 후 분쇄하여 800 ~ 1000℃에서 15 ~ 24시간 동안 2차 열처리를 실시하여 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 양극 활물질을 제조하였다. In this comparative example, LiNO 3 , Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, and Mn (NO 3 ) 2 · 4H 2 O were added to 150 ml of ethanol using a conventional sol-gel method. Dissolve. To make an active material of a desired composition, the molar ratio of the transition metals is set to 0.8: 0.15: 0.05, and the lithium salt is added in excess of 10% in consideration of volatilization generated during the synthesis process. 10.24 g of citric acid is dissolved in 120 ml of ethanol as a chelating agent and added to the solution to form a transition metal complex ion. Each solution was mixed with each other and mixed at 350 rpm for 1 hour and then placed in an 80 ° C. oven to evaporate the solvent. When the solvent is evaporated to an appropriate amount, the solution becomes a gel, which is dried and then ground. The crushed powder is then pulverized by a moving heat treatment at 400 to 600 ℃ for 4-6 hours a difference in an alumina crucible subjected to secondary heat treatment for 15 to 24 hours at 800 ~ 1000 ℃ LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al A 0.05 O 2 positive electrode active material was prepared.

이후 공정은 실시예 1과 동일하였으며, 상기 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 양극 활물질의 주사전자현미경 사진을 도 4에 나타내었다. 실시예 1과 같은 조건에서 충방전 거동을 조사하여 그 결과를 도 5에 나타내었다.
Since the process was performed as Example 1, the LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O shows a scanning electron micrograph of the positive electrode active material 2 in FIG. The charging and discharging behavior was examined under the same conditions as in Example 1, and the results are shown in FIG. 5.

비교예Comparative example 2 2

실시예 1과 같은 조건으로 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 반쪽전지를 제작하여 3.0 ~ 4.6V에서 충방전 거동을 조사하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.
Example 1 and conditions as LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 , such as Half battery was fabricated and the charge and discharge behavior was investigated at 3.0 to 4.6V. The results are shown in FIG. 6.

비교예Comparative example 3 3

실시예 1과 같은 조건으로 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 반쪽전지를 제작하여 3.0 ~ 4.8V에서 충방전 거동을 조사하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.
Example 1 and conditions as LiNi 0 .8 Co 0 .15 Al 0 .05 O 2 , such as Half battery was fabricated and the charge and discharge behavior was investigated at 3.0 to 4.8V. The results are shown in FIG. 7.

본 발명에서는 층상구조를 가지는 LiMO2 (M = Ni, Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 등의 금속)계열의 전극 활물질이 고전압 영역에서 가지는 한계점들을 해결하기 위하여 전극 활물질 표면에 기존의 표면 개질물들인 금속산화물 및 금속복합산화물 대신 전도성 고분자인 PEDOT을 표면 개질물로 사용하였다. 이로써 기존의 표면 개질물로부터 고려될 수 있는 저항요소 제거와 동시에 입자 수준에서 더욱 더 균일한 코팅효과를 얻을 수 있으므로 전극 활물질의 고전압 영역에서의 안정성, 이로 인한 전극용량의 증가 및 사이클 수명 특성 등의 전기화학적 특성을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다. In the present invention, in order to solve the limitations of the LiMO 2 (M = Ni, Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, etc.) electrode active material having a layered structure in the high voltage region, the surface of the electrode active material Instead of conventional surface modifiers, metal oxides and metal complex oxides, PEDOT, a conductive polymer, was used as the surface modifier. This results in a more uniform coating effect at the particle level, as well as the removal of resistive elements that can be considered from existing surface modifications, resulting in stability in the high voltage region of the electrode active material, resulting in increased electrode capacity and cycle life characteristics. The effect of improving the electrochemical properties can be expected.

본 발명에 따른 PEDOT이 코팅된 나노복합체 전극을 4.5V를 종지전압으로 하여 충방전을 하게 되면 PEDOT이 코팅되지 않은 전극에 비해 비교적 안정된 사이클 특성을 나타내지만 종지전압을 4.8V까지 상승시킬 경우에는 PEDOT이 코팅되지 않은 전극에 비해 월등히 높은 용량 및 안정된 사이클 특성을 나타내었다. 따라서 PEDOT을 표면개질물로 사용하여 전극 활물질 표면을 코팅할 경우 높은 종지전압에 대해서도 고전압 충방전이 가능하며 이로 인한 용량 증가도 기대할 수 있다.
When the PEDOT-coated nanocomposite electrode according to the present invention is charged and discharged with 4.5 V as the termination voltage, the PEDOT shows a relatively stable cycle characteristic compared to the electrode without the PEDOT coating, but when the termination voltage is increased to 4.8 V, the PEDOT is applied. Compared to this uncoated electrode, it showed significantly higher capacity and stable cycle characteristics. Therefore, when PEDOT is used as a surface modifier to coat the surface of the electrode active material, high voltage charging and discharging is possible even at a high end voltage, thereby increasing capacity.

특히 본 발명에서 사용되는 층상구조 LiMO2 (M = Ni, Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 등)계열의 전극 활물질의 경우, 고전압 영역에서 충방전시 금속이온의 용출 및 표면 불안정성 등과 같은 한계점들을 나타낸다. 따라서 본 발명에서는 이러한 한계점들을 기존의 표면 개질물인 금속산화물 및 금속복합산화물로 극복하려는 대신 전도성 고분자를 표면 개질물로 사용함으로써 기존의 표면 개질물들로 인해 고려되는 저항요소 및 불균일한 코팅효과 측면들에 대해 더욱 큰 신뢰성을 얻음과 동시에 고전압 영역에서 충방전시 PEDOT이 코팅된 나노복합체 전극의 용량 및 사이클 수명 등 우수한 전기화학적 특성을 나타내는 전극 활물질을 기대할 수 있다.
In particular, in the case of the electrode active material of the layered LiMO 2 (M = Ni, Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, etc.) series used in the present invention, elution of metal ions during charge and discharge in a high voltage region and Limitations such as surface instability and the like. Therefore, in the present invention, instead of overcoming these limitations with existing surface modifiers such as metal oxides and metal composite oxides, conductive polymers are used as surface modifiers, which can be used in terms of resistive elements and non-uniform coating effects considered by conventional surface modifiers. In addition, the electrode active material exhibiting greater electrochemical properties such as capacity and cycle life of the PEDOT-coated nanocomposite electrode when charging and discharging in a high voltage region can be expected.

Claims (6)

1) LiMO2계(M=금속) 양극 활물질을 분산매에 분산시키는 단계;
2) 상기 분산액에 전도성 고분자의 모노머를 첨가하는 단계; 및
3) 상기 모노머가 첨가된 분산액에 산화제를 투입하여 중합 반응을 시킨 후 세척 및 건조하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지용 나노복합체를 제조하는 방법.
1) dispersing a LiMO 2 based (M = metal) positive active material in a dispersion medium;
2) adding a monomer of the conductive polymer to the dispersion; And
3) adding an oxidizing agent to the dispersion to which the monomer is added, performing a polymerization reaction, and then washing and drying the lithium secondary battery nanocomposite.
제1항에 있어서,
상기 M은 Ni, Co, Mn, Al, Sr, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 나노복합체를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
Wherein M is Ni, Co, Mn, Al, Sr, Cu, Fe, Mg, B or Ga method for producing a nanocomposite for lithium secondary battery, characterized in that selected from.
제1항에 있어서,
상기 LiMO2계(M=금속) 양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiNixCo1 - xO2 (0<x<1), LiNi1 -x-yCoxMyO2(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1, M=Al, Sr, Mg, Fe, Mn) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 나노복합체를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
The LiMO 2 based (M = metal) positive electrode active material is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi x Co 1 - x O 2 (0 <x <1), LiNi 1- xy Co x M y O 2 (0 <x <1 , 0 <y <1, 0 <x + y <1, M = Al, Sr, Mg, Fe, Mn). A method of manufacturing a nanocomposite for a lithium secondary battery, characterized in that the selected.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)(PEDOT), 폴리피롤, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)-폴리(스타이렌설포네이트) (PEDOT:PSS) 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 나노복합체를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
The conductive polymer may be polyaniline, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) or Method for producing a nanocomposite for a lithium secondary battery, characterized in that selected from a mixture of these.
제1항에 있어서,
상기 분산매는 증류수, 에탄올, 부탄올, 아세토니트릴 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 나노복합체를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
The dispersion medium is a method for producing a nanocomposite for lithium secondary battery, characterized in that selected from distilled water, ethanol, butanol, acetonitrile or a mixture thereof.
제1항에 있어서,
상기 산화제는 FeCl3, 암모늄 퍼설페이트(APS), Ce(SO4)2 또는 (NH4)2Ce(NO3)6 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 나노복합체를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
The oxidant is FeCl 3 , ammonium persulfate (APS), Ce (SO 4 ) 2 Or (NH 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 6 The method for producing a nanocomposite for lithium secondary battery, characterized in that.
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