KR20140096295A - 대용량 리튬-이온 전기화학 셀 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

대용량 리튬-이온 전기화학 셀 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

제1 비가역 용량을 갖는, 층형 리튬 전이 금속 산화물을 포함하는 양극, 및 또한 제1 비가역 용량을 갖는, 합금 애노드 물질을 포함하는 음극을 포함하는 대용량 리튬-이온 전기화학 셀이 제공된다. 양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작다. 양극의 방전 전압 곡선은 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만의 전압에서 그것의 용량의 적어도 10%를 커버한다. 양극의 평균 방전 전압은, 셀이 C/10 또는 더 느린 비율로 Li/Li+에 대하여 약 4.6 V에서 Li/Li+에 대하여 약 2.5 V로 방전되는 경우, Li/Li+에 대하여 약 3.75 V 초과이고, 전기화학 셀은 Li/Li+에 대하여 약 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 방전된다.

Description

대용량 리튬-이온 전기화학 셀 및 이를 제조하는 방법{HIGH CAPACITY LITHIUM-ION ELECTROCHEMICAL CELLS AND METHODS OF MAKING SAME}
본 명세서는 대용량 리튬-이온 전기화학 셀에 관한 것이다.
2차 리튬-이온 전기화학 셀은 통상적으로 리튬 전이 금속 산화물(통상적으로 층형 또는 스피넬-구조형(spinel-structured))의 형태의 리튬을 포함하는 양극, 음극(통상적으로 탄소 또는 흑연(graphite), 및 전해질을 포함한다. 양극을 위해 사용되어온 전이 금속 산화물의 예는 이산화리튬코발트(LCO) 및 이산화리튬니켈을 포함한다. 양극을 위해 사용되어온 다른 예시적인 리튬 전이 금속 산화 물질은 코발트, 니켈, 및/또는 망간 산화물의 혼합물을 포함한다. 가장 상업적인 리튬-이온 전기화학 셀은 활성 음극 물질 및 활성 양극 물질 둘 모두의 안으로 가역적 리튬 삽입(intercalation) 및 추출에 의해 작동한다. 리튬-이온 전기화학 셀의 에너지 밀도의 증가는, 이제까지는, 신규 대용량 물질의 도입을 통해서가 아니라, 둘 모두 작은 비가역 용량을 갖는 동일한 활성 물질(LCO 및 흑연)을 활용하여, 음극과 양극 둘 모두의 밀도를 증가함으로써 수행된, 주로 공학적인 접근의 결과물이었다.
사이클링시 큰 방전 용량을 갖는 고에너지 리튬-이온 전기화학 셀, 예를 들어, 미국 특허 공개 제2009/0263707호(버클리(Buckley) 등)에 기재되어 있다. 이들 셀들은 대용량 양극 활성 물질, 흑연 또는 탄소 음극 활성 물질, 및 매우 두꺼운 복합물 전극 코팅을 사용한다. 그러나, 활성 물질 코팅은 두껍기 때문에, 전극 내의 질량 및 전하 수송이 지연될 수 있고, 전류 집전체(current collector)의 코팅 후레이킹 오프(flaking off)가 없으면 감겨진 셀을 제조하는 것이 어렵다.
리튬-이온 전기화학 셀의 에너지 밀도를 증가시키는 다른 방법은 네가티브 흑연 애노드를 리튬과 반응할 수 있는 활성 합금과 치환하는 것을 포함한다. 그와 같은 합금은 하기 전기화학 활성 요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다 - Si, Sn, Al, Ga, Ge, In, Bi, Pb, Zn, Cd, Hg, 및 Sb. 그러나, 합금 애노드를 사용함으로써 고에너지 셀을 구현하는 것은 여전히 어렵고, 짧은 수명을 야기한다. 출원인의 동시계속출원중인, 미국 특허 출원 제61/529,307호(크리스튼슨(Christensen) 등)는, 발명의 명칭이 "리튬-이온 전기화학 셀에서의 사용을 위한 대용량 양극 및 이를 제조하는 방법[HIGH CPACITY POSITIVE ELECTRODES FOR USE IN LITHIUM-ION ELECTROCHEMICAL CELLS AND METHODS OF MAKING SAME]"이고, 2011년 8월 31일 출원되어, 전극 안정성 및 긴 수명을 위해 전체 셀의 방전 동안 복합 합금 애노드의 전압이 Li/Li+에 대하여 0.9V 미만으로 유지되는 것이 중요하다는 것을 기재한다. 상기 출원에 기재한 바와 같이, 이것은 복합 양극이 네가티브 복합 전극보다 동등하거나 약간 큰 비가역적 용량을 가지는 것을 보장함으로써 수행될 수 있다.
휴대가능한 전자 디바이스가 더 작아짐에 따라, 그와 같은 디바이스에 전력을 공급하기 위한 더 컴팩트하고, 더 높은 에너지 배터리가 요구되고 있다. 또한, "원동(motive)" 어플리케이션(자동차, 스쿠터, 및 자전거)에 대한 리튬-이온 배터리 기술 사용이 증가됨에 따라, 고 에너지, 고 방전율, 긴 수명, 및 저 비용에 대하여 추가적인 요구가 있다.
일 양태에서, 제1 비가역 용량을 갖는, 활성 물질을 포함하는 양극, 및 애노드가 Li/Li+에 대하여 약 0.9 V로 탈이온화되는 경우, 제1 비가역 용량을 갖는, 합금 애노드 물질을 포함하는 음극을 포함하는 리튬 이온 전기화학 셀이 제공되고, 양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작고, 양극의 방전 전압 곡선은 Li/Li+에 대하여 3.5 V 미만의 전압에서 그것의 용량의 적어도 10%를 커버하고, C/10 또는 더 느린 비율로 Li/Li+에 대하여 약 4.8 V에서 Li/Li+에 대하여 약 2.5 V로 방전되는 경우, 양극의 평균 방전 전압은 Li/Li+에 대하여 3.75 V 초과이고, 상기 전기화학 셀은 Li/Li+에 대하여 약 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 방전된다. 일부 실시예에서, 상이한 개별적 전압 프로필을 갖는 둘 이상의 활성 물질의 배합 또는 혼합이 제1 비가역 용량을 갖는 양극 또는 제1 비가역 용량을 갖는 음극을 만드는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 양극은 O3 결정 구조를 갖는 층형 리튬 금속 산화물을 포함하는 코어, - 층형 리튬 금속 산화물이 리튬 이온 셀의 캐소드로 통합되고, 리튬 이온 셀이 Li/Li+에 대하여 적어도 4.6 V로 충전되고 그 뒤 방전되는 경우, 층형 리튬 금속 산화물은 Li/Li+에 대하여 3.5 V 미만에서 dQ/dV 피크를 나타내지 않고, 코어는 복합 입자의 원자의 총 몰 수에 기초하여, 복합 입자의 30 몰 퍼센트 내지 85 몰 퍼센트를 차지함 -, 및 코어를 실질적으로 둘러싸는 O3 결정 구조를 갖는 쉘 층 - 쉘 층은 산소-손실, 층형 리튬 금속 산화물을 포함함 - 을 포함하는 복합 입자를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 제1 비가역 용량을 갖는 양극을 선택하는 단계를 포함하는, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법이 제공된다. 양극은 O3 결정 구조를 갖는 층형 리튬 금속 산화물을 포함하는 코어를 포함하는 복합 입자를 포함하고, 층형 리튬 금속 산화물이 리튬-이온 셀의 캐소드 안으로 통합되고, 리튬-이온 셀이 적어도 Li/Li+에 대한 4.6 V로 충전되고, 그 뒤 방전되는 경우, 층형 리튬 금속 산화물은 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만에서 dQ/dV 피크를 나타내지 않는다. 코어는 복합 입자 원자의 총 몰 수에 기초하여, 복합 입자의 30 몰 퍼센트 내지 85 몰 퍼센트를 차지한다. 복합 입자는 또한 실질적으로 코어를 둘러싸는 O3 결정 구조를 갖는 쉘 층을 포함하고, 쉘 층은 산소-손실, 층형 리튬 금속 산화물을 포함한다. 상기 방법은 Li/Li+에 대한 0.9 V로 탈리튬화되는 경우 제1 사이클 비가역 용량을 갖는 합금 애노드를 포함하는 음극을 선택하는 단계, 및 전해질, 양극 및 음극의 전극을 사용하여 리튬-이온 전기화학 셀을 구조화하는 단계를 추가로 포함한다. 양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작고, 양극의 방전 전압 곡선은 C/10 또는 더 느린 비율로 금속성 리튬 반대 전극에 대하여 하프 셀에서 사이클링 되는 경우, Li/Li+에 대하여 3.5 V 미만의 전압에서 그것의 용량의 적어도 10%를 커버하고, 하프 셀이 Li/Li+에 대하여 4.8 V와 Li/Li+에 대하여 2.5 V 사이에서 방전되는 경우, 양극의 평균 방전 전압을 Li/Li+에 대하여 3.75 V 초과하여 유지하고, 전기화학 셀은 Li/Li+에 대하여 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 충전된다.
본 발명의 개시 내용에서,
"활성" 또는 "전기화학적 활성"은 리튬과의 반응에 의해 리튬화 및 탈리튬화를 거칠 수 있는 물질을 지칭한다.
"비활성" 또는 "전기화학적 비활성"은 리튬과 반응하지 않고, 리튬화 및 탈리튬화를 거치지 않는 물질을 지칭한다.
"합금 활성 물질"은 적어도 하나는 금속인 둘 이상의 원소의 조성물을 지칭하며, 생성된 물질은 전기화학적 활성이다.
"실질적으로 둘러싸는"은 코어를 거의 완전히 둘러싸는 쉘(shell)을 지칭하지만, 코어의 매우 작은 부분들을 노출하는, 예를 들어, 핀홀(pinhole) 또는 일부 크랙과 같은 약간의 결함을 가질 수 있다.
"복합 전극(양극 또는 음극)"은 전극을 형성하기 위하여 전류 집전체에 도포되는 코팅을 구성하는 활성 및 불활성 물질을 지칭하며, 예를 들어, 전도성 희석제, 접착 촉진제 및 결합제를 포함한다.
"복합 입자"는 코어 및 쉘과 같은 적어도 두 개의 개별적인 상으로 구성되는 입자를 지칭한다.
"사이클링"은 리튬화 다음에 탈리튬화하는 것 또는 그 반대를 지칭한다.
"dQ/dV"는 셀 전압에 대한 용량의 변화의 비율(즉, 셀 전압에 대한 미분 용량)을 지칭한다.
"제1 비가역 용량"은 제1 충전/방전 사이클 동안 손실된 전극의 리튬 용량의 총량으로, 이는 mAh, 또는 총 전극의 백분율과 같이 표현된다.
"리튬 혼합 금속 산화물"은 산화물 형태의 하나 이상의 전이 금속을 포함하는 리튬 금속 산화물 조성물을 지칭한다.
"음극"은 방전 공정 중에 전기화학적 산화 및 탈리튬화가 발생하는 전극 (종종 애노드 (anode)로 불림)을 지칭한다.
"O3 결정 구조"는 산소 면들이 ABCABC로 적층되고, 리튬이 8면체 틈자리를 점유하는 결정 구조를 지칭한다.
"양극"은 방전 공정 중에 전기화학적 환원 및 리튬화가 발생하는 전극 (종종 캐소드 (cathode)로 불림)을 지칭한다.
제공된 리튬-이온 전기화학 셀은 대용량 및 긴 사이클 수명을 갖는 전기화학 셀에 대한 요구를 충족시킨다. 제공된 전기화학 셀은 발전한 휴대가능한 전자기기, 및 다양한 "원동" 어플리케이션에 동력을 공급하는 데 유용하도록, 종래의 리튬-이온 전기화학 셀보다 더 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다. 제공된 리튬-이온 전기화학 셀은 에너지의 심각한 손실 없이, 종래의 셀보다 훨씬 더 긴 사이클 수명을 가질 수 있다.
상기 발명의 내용은 본 발명의 모든 구현예의 각각의 개시된 실시예를 설명하고자 하는 것은 아니다. 도면의 간단한 설명 및 후속하는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 예시적인 실시예를 더욱 구체적으로 예시한다.
<도 1>
도 1은 본 개시내용에 따른 예시적인 복합 입자의 도식적인 단면 측면도이다.
<도 2>
도 2는 본 개시내용에 따른 예시적인 캐소드의 도식적인 단면 측면도이다.
<도 3>
도 3은 본 개시내용에 따른 예시적인 리튬-이온 전기화학 셀의 분해 사시도이다.
<도 4>
도 4는 예시적인 전기화학 셀에 대하여 셀 전압(V)에 대한 캐소드 용량 (mAh/g) 및 셀 전압 (V)에 대한 애노드 용량 (mAh/g)의 복합 플롯(plot)이다.
하기의 설명에서는, 본 명세서의 일부를 형성하고 몇몇 특정 실시예가 예시로서 도시되는 첨부 도면 세트를 참조한다. 다른 실시예가 고려되며 본 발명의 범주 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 제한적인 의미로 취해져서는 안 된다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 특징부 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 전술한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기재된 수치적 파라미터는 해당 기술 분야의 기술자가 본 명세서에 개시된 교시 내용을 이용하여 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 종점(end point)에 의한 수치 범위의 사용은 그 범위 내의 모든 수 (예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함함) 및 그 범위 내의 임의의 범위를 포함한다.
애노드가 Li/Li+에 대한 0.9 V로 탈리튬화되는 경우 제1 비가역 용량을 갖는 층형 리튬 전이 금속 산화물을 포함하는 양극 및 제1 비가역 용량을 갖는 합금 애노드 물질을 포함하는 음극을 포함하는 리튬-이온 전기화학 셀이 제공된다. 양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작다. 유용한 층형 리튬 전이 금속 산화물은 "리튬-풍부(lithium-rich)" 또는 "산소-손실(oxygen-loss)"을 포함한다. "과다 리튬" 또는 "리튬 풍부" 층형 물질 (관련 기술분야에서 "산소-손실" 물질로도 알려짐) (예를 들어, 문헌[Lu et al. inJournal of The Electrochemical Society, 149 (6), A778-A791 (2002)], 및 문헌[Arunkumar et al. inChemistry of Materials, 19, 3067-3073 (2007)]을 참조), 예를 들어, Li[Li0.06Mn0.525Ni0.415]O2, Li[Li0.02Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2, 및 Li[Li0.2Mn0.6Ni0.2]O2 가 낮은 방전 비율에서 265 mAh/g만큼 높은 용량을 보일 수 있다(예를 들어, 문헌[Gao et al. inJournal of Power Sources, 191, 644-647 (2009)]을 참조). 그러나, 리튬-풍부 층형 물질은, C/10 비율로 금속성 리튬 반대 전극에 대해 하프 셀(half cell)에 기록되어 셀 에너지 용량의 현저한 감소를 야기하는 경우, 통상적으로 낮은 평균 방전 전압 (3.7 V 미만)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 산소-손실 층형 전이 금속 산화물은 복합 금속 산화물의 코발트 총 함량이 20 몰 퍼센트보다 작도록 하는 양의 리튬, 니켈, 망간, 및 코발트를 포함할 수 있다. 예는 Li[Ni2/3Mn1/3]O2 및 Li[NixMnyCoz]O2 (식 중, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 0.2, 및 x + y + z =1, 및 전이 금속의 평균 산화 상태는 3임)의 고용체를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
층형 리튬 금속 산화물의 다른 예는 LiCoO2, Li[Ni0.80, Al0.05Co0.15]O2, Li[LiwNixMnyCozMp]O2 (식 중, M은 Li, Ni, Mn, 또는 Co 이외의 금속, 0 < w < 1/3, 0 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 2/3, 0 ≤ z ≤ 1, 0 < p < 0.15, w + x + y + z + p = 1, 및 브라켓 내의 금속의 평균 산화 상태는 3임)을 포함하고, Li[Ni0 .5Mn0 .5]O2 및 Li[Ni2/3Mn1/3]O2을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 해당 분야에서 공지된, X-선 회절 (XRD)이 재료가 층형 구조를 갖는지의 여부를 확인하는 데 사용될 수 있다.
제공된 양극의 방전 전압 곡선은 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만의 전압에서 전극의 용량의 적어도 10%를 커버한다. 제공된 전기화학 셀에서, 양극의 "평균 방전 전압"은, C/10 또는 더 느린 비율로 약 Li/Li+에 대한 4.6 V에서 약 Li/Li+에 대한 2.5 V로 방전되는 경우, Li/Li+에 대한 3.75 V 초과이고, 전기화학 셀은 약 Li/Li+에 대한 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 방전된다.
양극에 대한 "평균 방전 전압", Vave (D),은 하기의 방법으로 결정된다. 양극은 Li/Li+에 대한 4.8 V에서 Li/Li+에 대한 2.5 V으로 금속성 Li 반대 전극에 대하여 코인 셀 하프 셀에서 C/10의 비율로 방전된다. 용량에 대한 전극 전압의 플롯으로부터 방전 에너지(E)(Wh) (전압 곡선 아래의 적분 면적) 및 방전 용량(Q)(Ah)이 결정된다. 평균 방전 전압은 다음의 방정식으로 결정된다:
Vave(D) = E/Q
일부 실시예에서, 제1 비가역 용량을 갖는 복합 입자를 포함하는 양극을 포함하는 대용량 리튬-이온 전기화학 셀이 제공된다. 복합 입자는 O3 결정 구조를 갖는 층형 리튬 금속 산화물을 포함하는 코어(core) 및 실질적으로 코어를 둘러싸는 O3 결정 구조를 갖는 쉘(shell) 층을 포함하고, 쉘 층은 산소-손실, 층형 리튬 금속 산화물을 포함한다. 예를 들어, 예시적인 복합 입자는 가특허출원중인 미국 특허 제61/444,247호 (크리스튼슨)에 기재되고, 이는 2011년 2월 28일에 출원되어, 발명의 명칭이 "복합 입자, 이를 제조하는 방법, 및 이를 포함하는 용품[COMPOSITE PARTICLES, METHODS OF MAKING THE SAME, AND ARTICLES INCLUDING THE SAME]"이다. 층형 리튬 금속 산화물을 포함하는 복합 입자를 포함하는 전극이 리튬-이온 셀의 캐소드에 통합되고, 리튬 이온 셀이 적어도 Li/Li+에 대한 4.6 V으로 충전되고, 그 뒤 방전되는 경우, 그렇다면 층형 리튬 금속 산화물은 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만에서 dQ/dV 피크를 보이지 않는다. 일반적으로, 그러한 재료는, Mn 및 Ni가 모두 존재하는 경우, 1 이하의 Mn:Ni의 몰 비를 갖는다.
특정 리튬 전이 금속 산화물은 현저한 추가량의 과다 리튬을 쉽게 허용하지 않으며, Li/Li+에 대한 4.6 V 초과의 전압으로 충전시 잘 특징화된 산소-손실 평탄역을 나타내지 않고, 방전시에는 dQ/dV 그래프에서 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만의 환원 피크를 나타내지 않는다. Li[Ni2/3Mn1/3]O2, Li[Ni0.42Mn0.42Co0.16]O2, 및 Li[Ni0.5Mn0.5]O2가 예로써 포함된다. 코어 재료로서 이러한 산화물이 특히 유용하다.
도 1은 예시적인 복합 입자의 도식적인 단면 측면도이다. 코어(110)는 복합 입자의 30 몰 퍼센트 내지 85 몰 퍼센트를 차지한다. 일부 실시예에서, 코어(110)는 복합 입자의 원자의 총 몰에 기초하여, 복합 입자의 50 몰 퍼센트 내지 85 몰 퍼센트, 또는 60 몰 퍼센트 내지 80 몰 퍼센트 또는 85 몰 퍼센트를 차지한다. 쉘 층(120)은 O3 결정 구조 구성을 갖는, 산소-손실, 층형 리튬 금속 산화물을 포함한다. 일부 실시예에서, 산소-손실 층형 금속 산화물은 복합 금속 산화물의 코발트 총 함량이 20 몰 퍼센트보다 작도록 하는 양의 리튬, 니켈, 망간, 및 코발트를 포함한다. 이의 예는, 이에 제한되지는 않지만, Li[Li1/3Mn2/3]O2 및 Li[NixMnyCoz]O2 (식 중, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤1, 0 ≤ z ≤ 0.2, 및 x + y + z = 1, 및 전이 금속의 평균 산화 상태는 3임)의 고용체를 포함하고, 특히 강한 산소 손실 특징을 나타내지 않는 코어 재료 정의 하에서 상기 열거된 재료는 제외된다. 특히 유용한 쉘 재료는, 예를 들어, Li[Li0.02Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2 및 Li[Li0.06Mn0.525Ni0.415]O2뿐만 아니라, 문헌[Lu et al. in Journal of The Electrochemical Society, 149 (6), A778-A791 (2002)], 및 문헌[Arunkumar et al. in Chemistry of Materials, 19, 3067-3073 (2007)]에서 기재된 추가적인 물질을 포함한다. 일반적으로, 그와 같은 물질은, 둘 모두 존재하는 경우, 1보다 큰 Mn : Ni의 몰 비율을 갖는다.
쉘 층(120)은 복합 입자의 15 몰 퍼센트 내지 70 몰 퍼센트를 차지한다. 일부 실시예에서, 쉘 층(120)은 복합 입자의 원자의 총 몰에 기초하여 복합 입자의 15 몰 퍼센트 내지 50 몰 퍼센트, 또는 15 몰 퍼센트 또는 20 몰 퍼센트 내지 40 몰 퍼센트를 차지한다. 쉘 층은 상기 기재된 복합 입자의 조성물에 대한 제한에 따라 임의의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 쉘 층의 두께의 범위는 0.5 내지 20 마이크로미터이다.
본 개시내용에 따른 복합 입자는 임의의 크기를 가질 수 있지만, 바람직하게는 1 내지 25 마이크로미터 범위의 평균 입자 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 복합 입자의 충전 용량은 코어의 충전 용량보다 크다. 이는 통상적으로 바람직하지만, 필요조건은 아니다. 복합 입자의 밀도는 2.8 g/세제곱 센티미터 이상일 수 있다.
본 개시내용에 따른 복합 입자는 다양한 방법에 의하여 만들어질 수 있다. 한 방법에서, 제 1 금속염을 포함하는 코어 전구체 입자가 형성되고, 쉴 층을 위한 시드 입자(seed particle)로 사용되는데, 쉘 층은 복합 입자 전구체 입자들을 제공하기 위하여 코어 전구체 입자의 적어도 일부 상에 침적되는 제 2 금속염을 포함한다. 이 방법에서, 제 1 금속염과 제 2 금속염은 상이하다. 건조된 복합 입자 전구체 입자를 제공하기 위하여 복합 입자 전구체 입자는 건조되고, 건조된 복합 입자 전구체 입자는 분말 혼합물을 제공하기 위하여 리튬 원료 물질과 조합된다. 본 개시 내용에 따른 복합 리튬 금속 산화물 입자를 제공하기 위하여 분말 혼합물은 그 후 소성된다(즉, 공기 또는 산소 중에서 분말을 산화하기에 충분한 온도로 가열됨).
예를 들어, 코어 전구체 입자, 및 그 후 복합 입자 전구체는 원하는 조성물 중 하나 이상의 금속 산화물 전구체를, 최종 조성물에서 원하는 금속(들)의 화학양론적 양의 수용성 염(리튬 및 산소 제외)을 이용하여 이들 염을 수용액 중에 용해시키는 순차적인 (공)침전(먼저 코어를 형성하고 그 뒤 쉘 층을 형성)에 의하여 형성될 수 있다. 예로서, 금속의 황산염, 질산염, 수산염, 아세테이트 및 할라이드 염이 사용될 수 있다. 금속 산화물 전구체로서 유용한 예시적인 황산염은 황산 망간, 황산 니켈 및 황산 코발트를 포함한다. 침전은 수용액을 불활성 분위기 하에서 가열 및 교반된 탱크 반응기에, 수산화나트륨 또는 탄산나트륨 용액과 함께 천천히 첨가함으로써 달성된다. 염기의 첨가는 일정한 pH를 유지하기 위하여 조심스럽게 제어된다. 수산화암모늄이 침전 입자의 형태를 제어하기 위한 킬레이트제로서 추가적으로 첨가될 수 있고, 이는 해당 기술 분야의 통상의 기술을 가진 자에 의해 알려질 바와 같다. 생성된 금속 수산화물 또는 탄산염 침전물은 여과, 세척 및 완전히 건조되어 분말을 형성할 수 있다. 이 분말에, 탄산리튬 또는 수산화리튬을 첨가하여 혼합물을 형성할 수 있다. 혼합물은, 예를 들어, 500℃ 내지 750℃의 온도로 1 시간 내지 10 시간 사이의 시간동안 그것을 가열함으로써 소결될 수 있다. 그 뒤, 혼합물은 안정적인 조성물이 형성되기 전까지 공기 또는 산소에서 700℃ 내지 약 1000℃ 초과의 온도로 추가적인 시간 동안 소성함으로써 산화될 수 있다. 이 방법은, 예를 들어, 미국 특허 공개 제 2004/0179993호 (단(Dahn) 등)에 개시되어 있으며, 이는 해당 기술 분야의 통상의 기술을 가진 자들에게 알려져 있다.
제 2의 방법에서, 금속염을 포함하는 쉘 층은 복합 입자 전구체 입자를 제공하기 위하여 층형 리튬 금속 산화물을 포함하는 예비형성된 코어 입자의 적어도 일부 상에 침적된다. 건조된 복합 입자 전구체 입자를 제공하기 위하여 복합 입자 전구체 입자는 그 후 건조되고, 건조된 복합 입자 전구체 입자는 분말 혼합물을 제공하기 위하여 리튬-이온 원료 물질과 조합된다. 본 개시내용에 따른 복합 입자를 제공하기 위하여 분말 혼합물은 그 뒤 공기 또는 산소 중에서 소성된다.
제공된 리튬-이온 전기화학 셀은 또한 애노드가 Li/Li+에 대한 0.9 V로 탈리튬화되는 경우, 제1 비가역 용량을 갖는 합금 애노드 물질을 포함하는 음극을 포함한다. 유용한 합금 활성 물질은 규소, 주석, 알루미늄, 또는 이들의 조합을 포함한다. 또한, 합금은 적어도 하나의 전이 금속을 포함하는 비활성 요소를 포함할 수 있다. 적합한 전이 금속은 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 텅스텐 및 이들의 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 합금 물질은 또한 선택적으로 인듐, 탄소와 같은 원소, 또는 이트륨, 란탄족 원소, 악티늄족 원소 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 적합한 란탄족 원소는 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬을 포함한다.
전형적인 합금 활성 물질은 55 몰 퍼센트 초과의 규소를 포함할 수 있다. 이들은 또한 티타늄, 코발트, 철 및 그 조합으로부터 선택되는 전이 금속을 포함할 수 있다. 유용한 합금 활성 물질은 하기의 성분, 즉 SiAlFeTiSnMm, SiFeSn, SiAlFe, SnCoC, 및 그 조합을 갖는 물질로부터 선택될 수 있으며, 여기서 "Mm"은 란탄족 원소를 포함하는 미시메탈(mischmetal)을 지칭한다. 예시적인 합금 활성 물질은 Si60Al14Fe8TiSn7Mm10, Si71Fe25Sn4, Si57Al28Fe15, Sn30Co30C40 또는 이들의 조합을 포함한다. 활성 합금 물질은 규소를 포함하는 비정질 상(amorphous phase)과 주석을 포함하는 금속간 화합물을 포함하는 나노결정질 상(nanocrystalline phase)의 혼합물일 수 있다. 제공된 리튬-이온 전기화학 셀에 유용한 예시적인 합금 활성 물질은, 예를 들어, 미국 특허 제6,680,145호(오브로박(Obrovac) 등), 제6,699,336호(터너(Turner) 등), 및 제7,498,100호(크리스튼슨 등)뿐만 아니라, 미국 특허 제7,906,238 (레(Le)), 제7,732,095호 및 제7,972,727호 (둘 모두 크리스튼슨 등), 제7,871,727호, 및 제7,767,349호 (둘 모두 오브로박 등)에서 볼 수 있다.
양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작다. C/10 또는 더 느린 비율에서 금속성 리튬 반대 전극에 대하여 하프 셀(half cell)에 기록되는 경우, 양극의 방전 전압 곡선은 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만의 전압에서 그것의 용량의 적어도 10%를 커버한다. 양극의 평균 방전 전압은 Li/Li+에 대한 3.75 V 초과이고, Li/Li+에 대한 4.8 V에서 Li/Li+에 대한 2.5 V으로 방전되는 경우, 전기화학 셀은 Li/Li+에 대한 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 방전된다.
특정 리튬 전이 금속 산화물은 현저한 추가량의 과다 리튬을 쉽게 허용하지 않으며, Li/Li+에 대한 4.6 V 초과의 전압으로 충전시 잘 특징화된 산소-손실 평탄역을 나타내지 않고, 방전시에는 dQ/dV에서 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만의 환원 피크를 나타내지 않는다. Li[Ni2 /3Mn1 /3]O2, Li[Ni0 .42Mn0 .42Co0 .16]O2 및 Li[Ni0 .5Mn0 .5]O2가 예로써 포함된다. 코어 재료로서 이러한 산화물이 특히 유용하다.
제공된 리튬-이온 전기화학 셀은 또한 애노드가 Li/Li+에 대한 0.9 V로 탈리튬화되는 경우, 제1 비가역 용량을 갖는 합금 애노드 물질을 포함하는 음극을 포함한다. 양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작다. 양극이 금속성 리튬 반대 전극에 대하여 하프 셀에서 순환되고, C/10 또는 더 느린 비율에서 방전되는 경우, 양극의 방전 전압 곡선은 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만의 전압에서 그것의 용량의 적어도 10%를 커버하고, 4.8 V 사이에서 방전되는 경우, Li/Li+에 대한 3.75 V를 초과하는 평균 방전 전압을 나타내고, 전기화학 셀은 Li/Li+에 대한 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 충전된다.
본 개시내용에 따른 복합 입자는, 예를 들어, 리튬-이온 배터리용 캐소드의 제조에 유용하다. 이제 도 2를 참조하여, 예시적인 캐소드(200)는 전류 집전체(220) 상에 배치된 캐소드 조성물(210)을 포함한다. 캐소드 조성물(210)은 본 개시내용에 따른 복합 입자, 적어도 하나의 전도성 희석제, 및 결합제를 포함한다. 적합한 전도성 희석제의 예는 다음을 포함한다: 벨기에 소재, 엠엠엠 카본(MMM Carbon)으로부터 입수가능한 "SUPER P" 및 "SUPER S"와 같은 카본 블랙; 미국 텍사스주, 휴스톤 소재의 쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Co.)로부터 입수가능한 셔위니건 블랙(Shawinigan Black)과 같은 카본 블랙; 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙(furnace black), 흑연, 및 카본 섬유. 금속 입자, 전도성 금속 나이트라이드, 및 전도성 금속 카바이드 또한 사용될 수 있다. 둘 이상의 전도성 희석제의 조합이 사용될 수 있다.
예시적인 적합한 결합제는 에틸렌, 프로필렌, 또는 부틸렌 단량체로부터 제조되는 것과 같은 폴리올레핀; 비닐리덴 플루오라이드 단량체로부터 제조되는 것과 같은 불소화 폴리올레핀; 헥사플루오로프로필렌 단량체로부터 제조되는 것과 같은 과불소화 폴리올레핀; 과불소화 폴리(알킬 비닐 에테르); 과불소화 폴리(알콕시비닐 에테르); 리튬 폴리아크릴레이트와 같은 알칼리 금속 폴리아크릴레이트; 방향족, 지방족 또는 사이클로지방족 폴리이미드, 또는 이들의 조합을 포함한다. 적합한 결합제의 구체적인 예는 비닐리덴 플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌, 및 프로필렌의 중합체 또는 공중합체; 및 비닐리덴 플루오라이드, 및 헥사플루오로프로필렌의 공중합체가 포함된다.
적합한 전해질은 고체, 액체 또는 겔 형태로 있을 수 있다. 예시적인 고체 전해질은 폴리에틸렌 산화물, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 다이플루오라이드, 불소-함유 공중합체, 폴리아크릴로니트릴, 및 이들의 조합과 같은 중합체를 포함한다. 액체 전해질의 예들은 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 에틸-메틸 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 플루오로프로필렌 카보네이트, 감마-부틸로락톤, 메틸 다이플루오로아세테이트, 에틸 다이플루오로아세테이트, 다이메톡시에탄, 다이글라임(diglyme) (즉, 비스(2-메톡시에틸) 에테르), 테트라하이드로푸란, 다이옥솔란, 이들의 조합 및 해당 기술 분야의 기술자들에게 친숙할 기타 매질을 포함한다. 전해질에 리튬 전해질 염이 제공될 수 있다. 예시적 리튬 염은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, 리튬 비스(옥살레이토)보레이트, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAsF6, LiC(CF3SO2)3, 및 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 전해질 겔은 미국 특허 제 6,387,570호(나카무라(Nakamura) 등) 및 제 6,780,544호(노(Noh))에 기재된 것들을 포함한다. 전해질은 해당 기술 분야의 기술자들에게 친숙할 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질은 산화환원 화학 셔틀 (redox chemical shuttle), 예컨대 미국 특허 제5,709,968호 (쉬미즈(Shimizu)) , 제5,763,119호 (아다치(Adachi)), 제5,536,599호 (알람기르(Alamgir) 등), 제5,858,573호 (아브라함(Abraham) 등), 제5,882,812호 (비스코(Visco) 등), 제6,004,698호 (리차드슨(Richardson) 등), 제6,045,952호 (케르(Kerr) 등), 및 제6,387,571호 (라인(Lain) 등), 및 미국 특허 제7,648,801호, 제7,811,710호, 및 제7,615,312호 (모두 단(Dahn) 등)에 기재된 것들을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용에 따른 리튬-이온 전기화학 셀은, 예를 들어, 해당 기술분야에서 공지된 바와 같이 2325 코인 셀의 형태를 취할 수 있다. 이제 도 3을 참조하여, 2325 코인형 전기화학 셀(300)은 셀을 둘러싸고 음극 단자 및 양극 단자로서 각각 제공되는, 스테인레스 스틸 캡(324) 및 산화 저항 케이스(326)를 포함한다. 애노드(334)는 전류 집전체(318) 상에 배치된 애노드 조성물(314)로부터 형성된다. 캐소드(338)는 전류 집전체(316) 상에 배치된 캐소드 조성물(312)을 포함한다. 세퍼레이터(320)는 애노드와 캐소드를 분리하며, 전해질로 젖어있다(미도시). 통상적으로, 미국 노스 캐롤라이나주, 샬럿 소재의 셀가드 엘엘씨(Celgard LLC)로부터 입수가능한 CELGARD 2400 미세다공성 물질과 같은 미세다공성 세퍼레이터가 세퍼레이터로 사용될 수 있다.
제공된 리튬-이온 전기화학 셀은 애노드가 Li/Li+에 대한 0.9 V로 탈리튬화되는 경우, 제1 비가역 용량을 갖는 합금 애노드 물질을 포함하는 음극을 포함한다. 양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작다. C/10 또는 더 느린 비율에서 금속성 리튬 반대 전극에 대하여 하프 셀에 기록되는 경우, 양극의 방전 전압 곡선은 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만의 전압에서 그것의 용량의 적어도 10%를 커버한다. Li/Li+에 대한 4.8 V와 Li/Li+에 대한 2.5 V 사이에서 방전되는 경우, 제공된 리튬-이온 전기화학 셀은 Li/Li+에 대한 3.75 V 초과의 평균 방전 전압을 나타낸다. 전기화학 셀은 Li/Li+에 대한 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 방전된다.
도 4는 예시적인 전기화학 셀에 대하여 셀 전압 (V)에 대한 캐소드 용량 (mAh/g) 및 셀 전압 (V)에 대한 애노드 용량 (mAh/g)의 복합 플롯(plot)이다. 예시적인 전기화학 셀은 합금 애노드 물질(Si71Fe25Sn4)을 포함하는 음극 및 Li1.2({[Ni2/3Mn1/3]0.70[Ni1/4Mn3/4]0.30}0.8)O2의 코어/쉘 양극을 포함하고, 그것은 Ni1/4Mn3/4을 갖는 쉘에 의해 둘러싸인 Ni2 /3Mn1 /3 을 갖는 코어를 갖는다.
양극에 대한 비가역성 제1 사이클 용량 손실(50 mAh/g / 310 mAh/g = 16%)은 음극의 제1 사이클 비가역 용량 손실(약 240 mAh/g / 1050 mAh/g = 23%)보다 작다. Li/Li+에 대한 3.5 V 미만의 양극의 방전 전압 곡선(제1 사이클 후)은 57 mAh/g 또는 그것의 용량의 23%이다. 이것은 파괴적인 팽창에 대하여 그것을 보호하는 Li/Li+에 대한 1.0 V 미만의 음극의 전압을 유지한다. 따라서, 예시화된 전기화학 셀은 반복적인 사이클링시 긴 수명을 갖는다. 제1 비가역 용량을 갖는 양극을 선택하는 단계를 포함하는, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법이 제공된다. 양극은 O3 결정 구조를 갖는 층형 리튬 금속 산화물을 포함하는 코어를 포함하는 복합 입자를 포함하고, 층형 리튬 금속 산화물이 리튬-이온 셀의 캐소드 안으로 통합되고, 리튬-이온 셀이 적어도 Li/Li+에 대한 4.6 V로 충전되고, 그 뒤 방전되는 경우, 층형 리튬 금속 산화물은 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만에서 dQ/dV 피크를 나타내지 않는다. 코어는 복합 입자 원자의 총 몰에 기초하여, 복합 입자의 30 몰 퍼센트 내지 85 몰 퍼센트를 차지한다. 복합 입자는 또한 실질적으로 코어를 둘러싸는 O3 결정 구조를 갖는 쉘 층을 포함하고, 쉘 층은 산소-손실, 층형 리튬 금속 산화물을 포함한다. 상기 방법은 Li/Li+에 대한 0.9 V로 탈리튬화되는 경우 제1 사이클 비가역 용량을 갖는 합금 애노드를 포함하는 음극을 선택하는 단계 및 양극 및 음극의 전극을 사용하여 리튬-이온 전기화학 셀을 구조화하는 단계를 추가로 포함한다. 양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작고, C/10 또는 더 느린 비율에서 금속성 리튬 반대 전극에 대하여 하프 셀(half cell)에 기록되는 경우, 양극의 방전 전압 곡선은 Li/Li+에 대한 3.5 V 미만의 전압에서 그것의 용량의 적어도 10%를 커버하고, Li/Li+에 대한 4.8 V 및 Li/Li+에 대한 2.5 V 사이에서 방전되는 경우, Li/Li+에 대한 3.75 V 초과의 평균 방전 전압을 나타낸다. 전기화학 셀은 Li/Li+에 대한 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 방전된다.
본 개시내용에 따른 리튬-이온 배터리는, 예를 들어, 휴대가능 컴퓨터, 태블릿 디스플레이 (tablet display) , 개인용 디지털 보조기기, 휴대전화, 전동 디바이스 (예를 들어, 개인용 또는 가정용 전기제품 및 차량), 도구, 조명 디바이스 (예를 들어, 손전등) 및 가열 디바이스를 포함하는, 다양한 디바이스에서 유용하다. 본 발명의 하나 이상의 전기화학 셀이 조합되어 배터리 팩을 제공할 수 있다. 리튬-이온 셀 및 배터리 팩의 구성 및 이용에 대한 것과 같은 더욱 상세한 내용은 해당 기술 분야의 기술자들에게 친숙할 것이다.
본 발명의 범주 및 사상을 벗어남 없이 본 발명에 대한 다양한 수정 및 변경이 해당 기술 분야의 기술자들에게 명백하게 될 것이다. 본 발명은 본 명세서에 개시된 예시적 실시예 및 예시들로 부당하게 제한하고자 하는 것이 아니며, 그러한 예시 및 실시예는 단지 예시의 목적으로 제시되고, 본 발명의 범주는 이하의 본 명세서에 개시된 특허청구범위로만 제한하고자 함을 이해하여야 한다. 본 개시 내용에 인용된 모든 참고 문헌은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.

Claims (19)

  1. 리튬-이온 전기화학 셀로서,
    제1 비가역 용량을 갖는, 층형 리튬 전이 금속 산화물을 포함하는 양극; 및
    합금 애노드가 Li/Li+에 대하여 약 0.9 V로 탈리튬화되는 경우 제1 비가역 용량을 갖는, 상기 합금 애노드 물질을 포함하는 음극을 포함하고,
    양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작고,
    양극의 방전 전압 곡선은 Li/Li+에 대하여 3.5 V 미만의 전압에서 그것의 용량의 적어도 10%를 커버하고,
    양극의 평균 방전 전압은, C/10 또는 더 느린 비율로 Li/Li+에 대하여 약 4.8 V에서 Li/Li+에 대하여 약 2.5 V로 방전되는 경우,
    Li/Li+에 대하여 3.75 V 초과이고,
    상기 전기화학 셀은 Li/Li+에 대하여 약 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 방전되는, 리튬-이온 전기화학 셀.
  2. 제1항에 있어서, 양극은 복합 입자들을 포함하고, 복합입자는,
    O3 결정 구조를 갖는 층형 리튬 금속 산화물을 포함하는 코어
    - 층형 리튬 금속 산화물이 리튬-이온 셀의 캐소드로 통합되고, 리튬-이온 셀이 Li/Li+에 대하여 적어도 4.6 V로 충전되고, 그 뒤 방전되는 경우, 층형 리튬 금속 산화물은 Li/Li+에 대하여 3.5 V 미만에서 dQ/dV 피크를 나타내지 않고, 코어는 복합 입자의 원자의 총 몰 수에 기초하여, 복합 입자의 30 내지 85 몰 퍼센트를 차지함 -; 및
    코어를 실질적으로 둘러싸는, O3 결정 구조를 갖는 쉘 층 - 쉘 층은 산소-손실, 층형 리튬 금속 산화물을 포함함 -을 포함하는, 리튬-이온 전기화학 셀.
  3. 제1항에 있어서, 층형 리튬 금속 산화물은 니켈, 망간, 및 코발트를 포함하고, 복합 입자의 코발트 총 함량은 20 몰 퍼센트보다 작은, 리튬-이온 전기화학 셀.
  4. 제1항에 있어서, 쉘 층은 Li[Li0 .2Mn0 .54Ni0 .13Co0 .13]O2, Li[Li0 .06Mn0 .525Ni0 .415]O2, 및 Li[Li0 .2Mn0 .6Ni0 .2]O2으로 구성된 그룹에서 선택되는, 리튬-이온 전기화학 셀.
  5. 제1항에 있어서, 코어는 Li[Ni2 /3Mn1 /3]O2를 포함하는, 리튬-이온 전기화학 셀.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, Mn 및 Ni가, 1 초과의 Mn 대 Ni의 제1의 몰 비로, 쉘 층에 존재하는, 리튬-이온 전기화학 셀.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, Mn 및 Ni가, 1 이하의 Mn 대 Ni의 제2의 몰 비로, 코어 층에 존재하는, 리튬-이온 전기화학 셀.
  8. 제1항에 있어서, 양극은
    양의 복합 입자가 배치되는 전류 집전체,
    적어도 하나의 전도성 희석제; 및
    결합제를 추가로 포함하는, 리튬-이온 전기화학 셀.
  9. 제8항에 있어서, 전류 집전체 상에 배치되는 양의 복합 입자의 밀도는 세제곱 센티미터당 2.8 그램 이상인, 리튬-이온 전기화학 셀.
  10. 제8항에 있어서, 애노드, 세퍼레이터(separator), 및 전해질을 추가로 포함하는, 리튬-이온 전기화학 셀.
  11. 제10항에 있어서, 리튬-이온 전기화학 셀은 100회의 충전-방전 사이클 후에 10 퍼센트 미만의 용량 감소로 Li/Li+에 대하여 적어도 4.6 V로 충전되면서 사이클링될 수 있는, 리튬-이온 전기화학 셀.
  12. 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법으로서,
    복합 입자들을 포함하는, 제1 비가역 용량을 갖는 양극을 선택하는 단계 - 복합 입자들은,
    O3 결정 구조를 갖는 층형 리튬 금속 산화물을 포함하는 코어
    - 층형 리튬 금속 산화물이 리튬-이온 셀의 캐소드로 통합되고, 리튬-이온 셀이 Li/Li+에 대하여 적어도 4.6 V로 충전되고, 그 뒤 방전되는 경우, 층형 리튬 금속 산화물은 Li/Li+에 대하여 3.5 V 미만에서 dQ/dV 피크를 나타내지 않고, 코어는 복합 입자의 원자의 총 몰 수에 기초하여, 복합 입자의 30 내지 85 몰 퍼센트를 차지함 -; 및
    코어를 실질적으로 둘러싸는, O3 결정 구조를 갖는 쉘 층 - 쉘 층은 산소 손실, 층형 리튬 금속 산화물을 포함함-을 포함함 -;
    Li/Li+에 대하여 0.9 V로 탈리튬화되는 경우 제1 사이클 비가역 용량을 갖는, 합금 애노드를 포함하는 음극을 선택하는 단계; 및
    전해질, 양극 및 음극을 사용하는 리튬-이온 전기화학 셀을 구조화하는 단계를 포함하고,
    양극의 제1 비가역 용량은 음극의 제1 비가역 용량보다 작고,
    양극의 방전 전압 곡선은 Li/Li+에 대하여 3.5 V 미만의 전압에서 그것의 용량의 적어도 10%를 커버하고,
    양극의 평균 방전 전압은, C/10 또는 더 느린 비율로 Li/Li+에 대하여 약 4.8 V에서 Li/Li+에 대하여 약 2.5 V로 방전되는 경우, 3.75 V 초과이고,
    상기 전기화학 셀은 Li/Li+에 대하여 약 2.5 V 이상의 방전 종지 전압으로 방전되는, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 층형 리튬 금속 산화물은 니켈, 망간, 및 코발트를 포함하고, 복합 입자의 코발트 총 함량은 20 몰 퍼센트보다 작은, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 쉘 층은 Li[Li0 .2Mn0 .54Ni0 .13Co0 .13]O2, Li[Li0 .06Mn0 .525Ni0 .415]O2, 및 Li[Li0 .2Mn0 .6Ni0 .2]O2으로 구성된 그룹에서 선택되는, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 코어는 Li[Ni2 /3Mn1 /3]O2를 포함하는, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, Mn 및 Ni가, 1 초과의 Mn 대 Ni의 제1의 몰 비로, 쉘 층에 존재하는, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, Mn 및 Ni가, 1 이하의 Mn 대 Ni의 제2의 몰 비로, 코어 층에 존재하는, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법.
  18. 제12항에 있어서, 양극은,
    양의 복합 입자가 배치되는 전류 집전체,
    적어도 하나의 전도성 희석제; 및
    결합제를 추가로 포함하는, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법.
  19. 제12항에 있어서, 전류 집전체 상에 배치되는 양의 복합 입자의 밀도는 세제곱 센티미터당 2.8 그램 이상인, 리튬-이온 전기화학 셀을 제조하는 방법.
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