KR20150050458A - 양극 활물질의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질 - Google Patents

양극 활물질의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질 Download PDF

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Abstract

리튬 전이금속 산화물 및 보론 함유 화합물을 건식 혼합하고 열처리하여 리튬 전이금속 산화물 표면을 붕소 리튬 산화물로 코팅하는 단계를 포함하는 양극 활물질의 제조방법 및 이에 의해 제조된 양극 활물질에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법은 보론 함유 화합물의 녹는점 부근에서 열처리 함으로써, 리튬 전이금속 산화물 상에 존재하는 리튬 불순물을 구조적으로 안정한 붕소 리튬 산화물로 용이하게 전환시킬 수 있다.
또한, 낮은 열처리 온도에서도 보론 함유 화합물의 사용량에 비례하는 양으로 붕소 리튬 산화물이 균일하게 도포된 코팅층을 형성할 수 있다.

Description

양극 활물질의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질 {MANUFACTURING METHOD OF CATHODE ACTIVE MATERIAL, AND CATHODE ACTIVE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY MANUFACTURED THEREBY}
본 발명은 양극 활물질의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 리튬 이차전지용 양극 활물질에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 소형, 경량, 대용량 전지로서 1991년에 등장한 이래, 휴대기기의 전원으로서 널리 사용되었다. 최근 들어 전자, 통신, 컴퓨터 산업의 급속한 발전에 따라 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC등이 출현하여 눈부신 발전을 거듭하고 있으며, 이들 휴대용 전자정보통신기기들을 구동할 동력원으로서 리튬 이차전지에 대한 수요가 나날이 증가하고 있다.
리튬 이차전지는 충방전을 거듭함에 따라서 수명이 급속하게 떨어지는 문제점이 있다. 특히, 고온에서는 이러한 문제가 더욱 심각하다. 이러한 이유는 전지내부의 수분이나 기타 다른 영향으로 인해 전해질이 분해 되거나 활물질이 열화되고, 또한 전지의 내부저항이 증가되어 생기는 현상 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 양극 활물질의 표면에 Mg, Al, Co, K, Na, Ca 등의 금속산화물을 열처리를 통해서 코팅하는 기술이 개발되었다. 또한, LiCoO2 활물질에 TiO2를 첨가하여 에너지 밀도와 고율 특성을 개선하는 연구가 이루어졌다.
그러나, 아직까지 수명열화의 문제나 충방전 중에 전해질 등의 분해로 인한 가스발생의 문제를 완전히 해결한 것은 아니다.
한편, 리튬 이차전지의 전극 제조 공정 중 양극 활물질의 표면에 불순물이 존재하는 경우, 리튬 이차전지의 전극 제조 공정 중 전극 슬러리의 제조 단계에서 경시 변화에 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 리튬 이차전지에 주입된 전해액과 반응함으로써 리튬 이차전지에서 스웰링(swelling) 현상을 발생시킬 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, H3BO3를 사용하여 양극 활물질 표면을 코팅하는 방법이 개발되었다.
이러한 방법으로, 양극 활물질을 H3BO3와 쉐이커를 이용하여 수회 흔들어 혼합함으로써 양극 활물질 표면을 코팅하는 방법이 있다. 그러나, 이 경우, 양극 활물질 표면에 H3BO3 입자가 그대로 뭉쳐서 형성되는 문제가 있다.
또 다른 방법으로, 기계적 복합화 장치로, 예를 들어 노빌타(Nobilta) 장비를 이용하여 양극 활물질과 H3BO3를 혼합하여 코팅하는 방법이 있다. 이 경우 H3BO3를 일정 함량 이상 첨가할 경우 양극 활물질에 포함되는 코팅층의 함량이 증가하지 않아, 공정 반응에 한계가 있는 문제가 있을 수 있다.
따라서, 상기 문제를 해결하면서 리튬 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있는 양극 활물질의 제조방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
일본공개특허공보 제 2009-152214 호
본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는 보론 함유 화합물을 이용하여 열처리함으로써, 리튬 전이금속 산화물 상에 존재하는 리튬 불순물을 구조적으로 안정한 붕소 리튬 산화물로 전환시킬 수 있는 양극 활물질의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는 상기 양극 활물질의 제조방법에 의해 리튬 전이금속 산화물 표면에 붕소 리튬 산화물을 함유하는 코팅층을 포함하는 양극 활물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 제3 기술적 과제는 상기 양극 활물질을 포함하는 양극 및 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 리튬 전이금속 산화물 및 보론 함유 화합물을 건식 혼합하고 열처리하여 리튬 전이금속 산화물 표면을 붕소 리튬 산화물로 코팅하는 단계를 포함하는 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 리튬 전이금속 산화물; 및 상기 리튬 전이금속 산화물의 표면에 붕소 리튬 산화물을 포함하는 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질을 제공한다.
아울러, 본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 양극을 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법은 보론 함유 화합물의 녹는점 부근에서 열처리 함으로써, 리튬 전이금속 산화물 상에 존재하는 리튬 불순물을 구조적으로 안정한 붕소 리튬 산화물로 용이하게 전환시킬 수 있다.
또한, 낮은 열처리 온도에서도 보론 함유 화합물의 사용량에 비례하는 양으로 리튬 전이금속 산화물의 표면에 붕소 리튬 산화물이 균일하게 도포된 코팅층을 형성할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1, 및 비교예 1과 2에서 제조된 양극 활물질의 리튬 불순물의 양을 알아보기 위한 pH 적정(titration) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실험예 3에 따라, 실시예 5 및 비교예 4의 리튬 이차 전지의 고온 저장(60℃) 후 용량 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실험예 4에 따라, 실시예 5 및 비교예 4의 리튬 이차 전지의 고온(45℃) 사이클 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 리튬 전이금속 산화물 및 보론 함유 화합물을 건식 혼합하고 열처리하여 리튬 전이금속 산화물 표면을 붕소 리튬 산화물로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법은 리튬 전이금속 산화물 및 보론 함유 화합물을 건식 혼합하고, 열처리, 특히 보론 함유 화합물의 녹는점 부근에서 열처리를 수행함으로써, 리튬 전이금속 산화물 상에 존재하는 리튬 불순물을 구조적으로 안정한 붕소 리튬 산화물로 용이하게 전환시킬 수 있다. 또한, 낮은 열처리 온도에서도 보론 함유 화합물의 사용량에 비례하는 양으로 리튬 전이금속 산화물의 표면에 붕소 리튬 산화물이 균일하게 도포된 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 보론 함유 화합물은 H3BO3, B2O3, C6H5B(OH)2, (C6H5O)3B, [CH3(CH2)3O]3B, C13H19BO3, C3H9B3O6 및 (C3H7O)3B로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
리튬 전이금속 산화물의 표면에 코팅층을 형성하는 방법은 일반적으로 건식 혼합법 및 습식 혼합법을 들 수 있다. 습식 혼합법을 사용하는 경우, 리튬 전이금속 산화물의 표면에 형성되는 코팅층을 좀더 균일하게 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나, 습식 혼합법의 경우 보론 함유 화합물을 수용액 상태로 사용해야 하는데, 이 경우 수용액으로 인해 리튬 전이금속 산화물에 데미지(damage)가 발생할 가능성이 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법에 따르면, 상기 보론 함유 화합물을 리튬 전이금속과 건식 혼합하여 상기 보론 함유 화합물의 녹는점 부근에서 열처리를 수행함으로써, 보론 함유 화합물을 용융시켜 흐르게 함으로써, 습식 혼합법의 문제인 리튬 전이금속 산화물에 데미지 발생 없이, 습식 혼합법의 장점, 즉 균일한 코팅층을 구현할 수 있는 것이다.
구체적으로 살펴보면, 상기 보론 함유 화합물, 예를 들어 H3BO3의 경우 낮은 온도, 예를 들어 약 130℃ 내지 160℃의 온도 범위에서 연화되면서 녹기 시작한다.
상기 열처리에 의해 보론 함유 화합물이 용융되어 흐르면서 리튬 전이금속 산화물 상에 존재하는 리튬 불순물 중 적어도 일부와 반응하여 보론 함유 화합물이 붕소 리튬 산화물로 용이하게 전환되어 리튬 금속 산화물 표면에 코팅될 수 있다. 이와 같이, 상기 리튬 불순물이 붕소 리튬 산화물로의 전환에 의해 리튬 전이금속 산화물 상에 존재하는 리튬 불순물을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법에 따르면, 상기 열처리는 상기 보론 함유 화합물의 녹는점 부근인 130 ℃ 내지 300 ℃, 바람직하게는 130 ℃ 내지 200 ℃에서 예를 들어 3시간 내지 10시간 동안 수행될 수 있다.
열처리 온도가 130℃ 미만인 경우 보론 함유 화합물이 충분히 용융되지 않으므로 리튬 전이금속 산화물 상에 보론 함유 화합물이 그대로 남아 있거나, 붕소 리튬 산화물로 전환되더라도 균일한 코팅층을 형성할 수 없고, 300℃를 초과하는 경우 높은 온도로 인해 반응이 너무 빨리 이루어져 리튬 전이금속 산화물의 표면에 균일한 코팅층을 형성할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법에 따르면, 상기 특정한 온도에서 열처리 함으로써, 보론 함유 화합물의 사용량에 비례하는 양으로 리튬 전이금속 산화물의 표면에 붕소 리튬 산화물이 균일하게 도포된 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 건식 혼합 방법은 몰타르 그라인더 혼합(mortar grinder mixing)법 및 기계적 밀링법을 이용한 혼합법을 이용하여 수행할 수 있으며, 바람직하게는 기계적 밀링법을 이용하는 것이 균일한 코팅층 형성에 있어서 바람직할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 상기 몰타르 그라인더 혼합법은 리튬 전이금속 산화물과 보론 함유 화합물을 몰타르를 이용하여 균일하게 혼합한 후, 상기 열처리 온도 범위에서 열처리할 수 있다.
또한, 상기 기계적 밀링법은 예를 들어, 롤밀 (roll-mill), 볼밀 (ball-mill), 고에너지 볼밀(high energy ball mill), 유성 밀(planetary mill), 교반 볼밀(stirred ball mill), 진동밀(vibrating mill) 또는 제트 밀 (jet-mill)을 이용하여, 리튬 전이금속 산화물과 보론 함유 화합물을 기계적 마찰에 의해 혼합을 수행할 수 있으며, 예를 들어 회전수 100rpm 내지 1500rpm으로 회전시켜 기계적으로 압축응력을 가할 수 있다.
상기 기계적 밀링법을 이용하는 경우, 리튬 전이금속 산화물과 보론 함유 화합물을 상기 기계적 밀링법에 의해 혼합한 후, 혼합물을 상기 온도 범위에서 열처리할 수 있거나, 또는 상기 밀링 장치 내에서 혼합과 열처리를 동시에 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 균일한 코팅층을 형성하기 위해 몰타르 그라인더 혼합법 보다 기계적 밀링법을 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 보론 함유 화합물의 사용량은 상기 리튬 전이금속 산화물 총 중량에 대해 0.05 중량% 내지 1 중량%, 바람직하게는 0.1 중량% 내지 0.8 중량%의 양일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보론 함유 화합물의 사용량이 상기 범위 내에서 증가할수록, 양극 활물질의 코팅층에 포함되는 원소 B의 함량이 증가할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리에 의해 붕소 리튬 산화물 중 일부 원소 B가 리튬 전이금속 산화물의 내부에 도핑되고, 상기 B의 함량은 상기 리튬 전이금속 산화물의 표면에서 내부로 갈수록 감소하는 농도구배를 가질 수 있다.
또한 본 발명은 리튬 전이금속 산화물; 및 상기 리튬 전이금속 산화물의 표면에 붕소 리튬 산화물을 포함하는 코팅층을 포함하는 양극 활물질을 제공한다.
상기 코팅층은 원소 B를 100 ppm 내지 2000 ppm, 바람직하게는 250 ppm 내지 1100 ppm의 양으로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질에 있어서, 상기 코팅층에 포함되는 붕소 리튬 산화물은 양극 활물질 총 중량에 대해 0.05 중량% 내지 1 중량%, 바람직하게는 0.1 중량% 내지 0.8 중량%의 양으로 포함될 수 있다.
상기 붕소 리튬 산화물이 0.05 중량% 미만인 경우, 리튬 전이금속 산화물의 표면에 형성되는 코팅층이 얇아져 충방전시 전해액간의 부반응을 억제할 수 있는 효과가 미미할 수 있고, 1 중량%를 초과하는 경우, 붕소 리튬 산화물의 과량 함유로 인해 코팅층의 두께가 두꺼워져, 이로 인한 저항 증가로 리튬 이차전지의 전기 화학적 특성의 저하를 야기시킬 수 있었다.
상기 붕소 리튬 산화물은 LiBO2, Li2B4O7, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 코팅층의 두께는 10 nm 내지 1000 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 양극 활물질에 있어서, 상기 리튬 전이금속 산화물은 통상적으로 사용되는 리튬 전이금속 산화물을 사용할 수 있으며, 예를 들어 리튬-코발트계 산화물, 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간-코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 될 수 있다. 특히, 고용량 특성을 갖는 층상 구조의 리튬 전이금속 산화물이 바람직하며, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:
<화학식 1>
Li1 +a[NixMnyCozMv]O2- cAc
상기 식에서, M은 Al, Zr, Zn, Ti, Mg, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고; A는 P, F, S 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 0≤x≤1.0, 0≤y<0.6, 0≤z<0.6, 0≤v≤0.1, 0≤a<0.3, 0≤c≤0.2, a+x+y+z+v=1이다.
상기 리튬 전이금속 산화물의 표면에 존재할 수 있는 리튬 불순물은, LiOH 및 Li2CO3 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 리튬 불순물은 예를 들어, 하기 화학식 2의 형태로 리튬 전이금속 산화물에 포함될 수 있다:
<화학식 2>
(1-s-t)[Li(LiaMn(1-a-x-z)NixCOz)O2]ㆍs[Li2CO3]ㆍt[LiOH]
상기 식에서, 0≤a<0.3, 0≤x<0.9, 0≤z<0.6, 0<s<0.05, 및 0<t<0.05.
상기 리튬 전이금속 산화물 상에 존재하는 리튬 불순물은 리튬 전이금속 산화물 총 중량 대비 0.1 중량% 내지 0.6 중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 리튬 전이금속 산화물 상의 리튬 불순물 중 적어도 일부가 반응하여 상기 붕소 리튬 산화물로 전환됨으로써 리튬 불순물의 양을 붕소 리튬 산화물로 전환되기 전 대비 약 30% 내지 70%, 바람직하게는 40% 내지 70% 정도로 감소시킬 수 있다.
더욱 구체적으로 본 발명에 따른 양극 활물질에 존재하는 리튬 불순물의 양은 양극 활물질의 총 중량에 대해 0.3 중량% 미만으로 존재하는 것이 바람직하다. LiOH, 또는 Li2CO3 등의 리튬 불순물은 전해액에 대해 높은 반응성을 가지므로 리튬 전이금속 산화물의 표면에 존재하는 리튬 불순물의 양이 0.3 중량% 이상인 경우 과도한 스웰링 현상이 발생하는 등의 문제점이 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 리튬 전이금속 산화물의 내부에 붕소 리튬 산화물 중 일부 원소 B가 미량으로 도핑되어 더 포함될 수 있다.
상기 리튬 전이금속 산화물의 내부에 붕소 리튬 산화물 중 일부 원소 B가 도핑되는 경우, 예를 들어, 상기 리튬 전이금속 산화물은 하기 화학식 3으로 표시되고,
<화학식 3>
Li1 +a[NixMnyCozBwMv]O2- cAc
상기 식에서, M은 Al, Zr, Zn, Ti, Mg, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고; A는 P, F, S 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 0≤x≤1.0, 0≤y<0.6, 0≤z<0.6, 0≤v≤0.1, 0≤a<0.3, 0≤c≤0.2, a+x+y+z+v=1, 0≤w≤0.1이다.
이때, 상기 w는 리튬 전이금속 산화물의 표면에서 내부로 갈수록 감소하는 농도구배를 가질 수 있다.
본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 양극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 양극을 제공한다.
상기 양극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전제, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 양극을 제조할 수 있다.
금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 양극 활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 양극 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
상기 양극을 형성하기 위한 용매로는 NMP(N-메틸 피롤리돈), DMF(디메틸 포름아미드), 아세톤, 디메틸 아세트아미드 등의 유기 용매 또는 물 등이 있으며, 이들 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극 활물질, 바인더, 도전제를 용해 및 분산시킬 수 있는 정도이면 충분하다.
상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 고분자, 또는 다양한 공중합체 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.
상기 도전제는 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, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 음극에 사용되는 음극 활물질로는 통상적으로 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 사용할 수 있다.
또한, 음극 집전체는 일반적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 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. 음극에 사용되는 바인더 및 도전제는 양극과 마찬가지로 당 분야에 통상적으로 사용될 수 있는 것을 사용할 수 있다. 음극은 음극 활물질 및 상기 첨가제들을 혼합 및 교반하여 음극 활물질 조성물을 제조한 후, 이를 집전체에 도포하고 압축하여 음극을 제조할 수 있다.
상기 세퍼레이터는 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있으며, 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명의 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치 (pouch)형 또는 코인 (coin)형 등이 될 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
이하 실시예 및 실험예를 들어 더욱 설명하나, 본 발명이 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<양극 활물질의 제조>
실시예 1
혼합 전이금속 전구체로서 MOOH (M=Ni0 .78Mn0 .11Co0 .11)을 사용하였고, 상기 혼합 전이금속 전구체와 Li2CO3를 화학양론적 비율(Li:M = 1.00:1)로 혼합하고, 이 혼합물을 공기중에서 약 800 ℃ 내지 900 ℃에서 10시간 동안 소성하여 LiNi0.78Mn0.11Co0.11O2를 제조하였다.
LiNi0 .78Mn0 .11Co0 .11O2 및 H3BO3를 100:0.17 중량비로 정량하여 건식 혼합기(CYCLOMIX, HOSOKAWA Micron Coorporation)로 혼합하여, 혼합 분말을 얻었다. 얻어진 분말을 산소 분위기 중에 150 ℃에서 5 시간 동안 열처리를 수행하였다. 상기 방법에 의해 LiNi0 .78Mn0 .11Co0 .11O2 표면에 LiBO2 및 Li2B4O7을 포함하는 양극 활물질을 얻었다. 상기 코팅층의 두께는 150nm 였다.
실시예 2
LiNi0 .78Mn0 .11Co0 .11O2 및 H3BO3를 100:0.34 중량비로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.
상기 양극 활물질에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 230nm 였다.
실시예 3
LiNi0 .78Mn0 .11Co0 .11O2 및 H3BO3를 100:0.68 중량비로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.
상기 양극 활물질에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 300nm 였다.
비교예 1
LiNi0 .78Mn0 .11Co0 .11O2 및 H3BO3를 100:0.09 중량비로 사용하고, 열처리를 하지 않은 것을 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.
상기 양극 활물질에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 100nm 였다.
비교예 2
LiNi0 .78Mn0 .11Co0 .11O2 및 H3BO3를 100:0.17 중량비로 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.
상기 양극 활물질에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 150nm 였다.
비교예 3
LiNi0 .78Mn0 .11Co0 .11O2 및 H3BO3를 100:0.34 중량비로 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.
상기 양극 활물질에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 160nm 였다.
<리튬 이차전지의 제조>
실시예 4
양극 제조
상기 실시예 1에서 제조된 LiNi0 .78Mn0 .11Co0 .11O2 표면에 LiBO2 및 Li2B4O7를 함유하는 코팅층을 포함하는 양극 활물질을 사용하였다.
상기 양극 활물질 94 중량%, 도전제로 카본 블랙(carbon black) 3 중량%, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 3 중량%를 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 두께가 20㎛ 정도의 양극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 도포하고, 건조하여 양극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 양극을 제조하였다.
음극 제조
음극 활물질로 탄소 분말 96.3 중량%, 도전재로 super-p 1.0 중량% 및 바인더로 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 및 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)를 1.5 중량%와 1.2 중량%를 혼합하여 용매인 NMP에 첨가하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리를 두께가 10㎛의 음극 집전체인 구리(Cu) 박막에 도포하고, 건조하여 음극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 음극을 제조하였다.
비수성 전해액 제조
한편, 전해질로서 에틸렌카보네이트 및 디에틸카보네이트를 30:70의 부피비로 혼합하여 제조된 비수전해액 용매에 LiPF6를 첨가하여 1M의 LiPF6 비수성 전해액을 제조하였다.
리튬 이차전지 제조
이와 같이 제조된 양극과 음극을 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합 세퍼레이터를 개재시킨 후 통상적인 방법으로 폴리머형 전지 제작 후, 제조된 상기 비수성 전해액을 주액하여 리튬 이차전지의 제조를 완성하였다.
실시예 5 및 6
상기 실시예 2 및 3에서 제조된 각각의 양극 활물질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
비교예 4 내지 6
상기 비교예 1 내지 3에서 제조된 각각의 양극 활물질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
실험예 1 : ICP 질량 분석( ICP mass analysis )
실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 양극 활물질의 코팅층에 포함되는 원소 B의 함량을 알아 보기 위해, ICP-AES법(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscophy)으로 분석하였다.
구체적으로, 측정하고자 하는 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 양극 활물질을 각각 0.1g씩 취하고 여기에 증류수 2㎖와 진한 질산 3㎖를 첨가하여 뚜껑을 닫고 시료를 용해시켰다. 그 후, 시료가 완전히 용해되면, 초순수 50 ㎖를 첨가하여 희석하였다. 그 후, 상기 희석된 용액을 다시 10배 희석한 다음에 ICPAES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscometer)로 분석하였다. ICP-AES(ICP 5300DV,Perkinelemer)은 다음과 같은 조건으로 운전하였다: 순방향 전력(Forward Power) 1300 W; 토치 높이(Torch Height) 15㎜; 플라즈마 가스 흐름 15.00 L/min; 시료 가스 흐름 0.8 L/min; 보조가스 흐름 0.20 L/min 및 펌프 속도 1.5 ㎖/min. 그 결과, 상기 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 양극 활물질의 코팅층에 포함되는 원소 B의 함량을 하기 표 1에 나타내었다.
예 H3BO3 사용량
(중량%)		 B 함량(ICP)
B(실험치, ppm) B(이론치, ppm)
실시예 1 0.17 275 290
실시예 2 0.34 575 585
실시예 3 0.68 1110 1170
비교예 1 0.09 145 145
비교예 2 0.17 290 290
비교예 3 0.34 290 585
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 동일한 양의 H3BO3를 사용하더라도, 150℃에서 열처리를 한 실시예와 열처리를 하지 않은 비교예에 포함되는 원소 B의 함량은 차이가 있었다.
구체적으로 살펴보면, H3BO3의 녹는점 부근인 150 ℃에서 열처리를 수행한 실시예 1 내지 3의 경우, H3BO3의 사용량을 0.17 중량% 내지 0.68 중량%를 사용함에 따라, 양극 활물질에 포함되는 원소 B의 함량도 이론치와 유사하게 275 ppm 내지 1110 ppm으로 증가하였다.
그러나, 열처리를 수행하지 않은 비교예 1 내지 3의 경우, H3BO3의 사용량을 0.09, 0.17 및 0.34로 변화시킨 결과 H3BO3의 사용량이 0.09 및 0.17인 경우 양극 활물질에 포함되는 원소 B의 함량이 이론치와 유사하게 증가하였으나, H3BO3의 사용량이 0.34 중량%인 경우에는 0.17 중량%를 사용한 경우와 동일한 원소 B의 함량을 얻었다.
비교예와 같이 열처리를 수행하지 않은 경우, H3BO3를 일정함량 이상 첨가할 경우 양극 활물질에 포함되는 원소 B의 함량은 증가하지 않음을 알 수 있다.
이에 반해, 실시예 1 내지 3과 같이 열처리를 수행한 경우 사용한 H3BO3의 양 만큼 양극 활물질에 원소 B가 검출됨을 알 수 있다.
실험예 2 : 리튬 불순물의 양을 알아보기 위한 pH 적정( titration ) 실험
실시예 1, 및 비교예 1과 2에서 제조된 양극 활물에 대한 리튬 불순물의 양을 알아보기 위해 pH 적정(titration)을 수행하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. pH meter는 metrohm 794를 이용하였으며 0.02 ml 씩 적정하여 pH를 기록하였다.
도 2는 실시예 1, 및 비교예 1과 2의 양극 활물질 각각에 대해 리튬 불순물의 양의 감소량을 비교한 그래프이다.
즉, 10 g 양극 활물질에 대한 0.1 M의 HCl의 양을 비교해 본 결과, 도 2를 참조하여 염산 적정에 사용된 염산의 양을 비교해 보면, 실시예 1은 약 11.6 ml, 비교예 1은 15ml, 비교예 2는 약 14.2 ml로, 실시예 1은 비교예 1 및 2 대비 약 20% 이상 정도 감소함을 알 수 있다.
실험예 3 : 고온 저장 후 용량 특성 및 저항 증가율 평가 실험>
도 3은 실험예 3에 따라, 실시예 5 및 비교예 4의 리튬 이차 전지의 고온 저장(60℃) 후 용량 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
실시예 5(실시예 2의 양극 활물질) 및 비교예 4(비교예 1의 양극 활물질)의 리튬 이차 전지를 60℃에서 저장 후 정전류/정전압(CC/CV) 조건에서 4.15V/30mA까지 1C로 충전한 다음, 정전류(CC) 조건에서 2.5V까지 1C로 방전하고, 그 방전 용량을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 5의 리튬 이차 전지는 저장 기간 4주까지 용량 보유율의 기울기가 비교예 4의 리튬 이차 전지에 비해 완만하였다. 구체적으로, 본 발명의 실시예 5의 리튬 이차 전지는 비교예 4의 리튬 이차 전지에 비해 저장 기간 4주에는 약 3% 정도 증가함을 알 수 있다.
또한, 저항 증가율의 경우 실시예 5의 리튬 이차 전지는 비교예 4의 리튬 이차 전지에 비해 약 25% 정도 감소함을 알 수 있다. 이와 같이 저장 증가율이 약 25% 정도 까지의 감소는 출력 특성에도 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 즉 실시예 5의 리튬 이차 전지의 저항 증가율의 감소에 따라 우수한 출력 특성을 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
실험예 4 : 고온(45℃) 사이클 특성성 및 저항 증가율 평가 실험>
실시예 5 및 비교예 4의 리튬 이차 전지를 45℃에서 정전류/정전압(CC/CV) 조건에서 4.15V/30mA까지 1C로 충전한 다음, 정전류(CC) 조건에서 2.5V까지 2C로 방전하고, 그 방전 용량을 측정하였다. 이를 1 내지 400 사이클로 반복 실시하였고, 측정한 방전 용량을 도 4에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예 5의 리튬 이차 전지는 400회 사이클까지 용량 보유율의 기울기가 비교예 4의 리튬 이차 전지와 유사하게 나타났다.
그러나, 저항 증가율의 경우 실시예 5의 리튬 이차 전지는 비교예 4의 리튬 이차 전지에 비해 400회 사이클에서 약 7% 정도 감소함을 알 수 있다. 이와 같이 저장 증가율의 감소는 출력 특성에도 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 즉, 실시예 5의 리튬 이차 전지의 저항 증가율의 감소에 따라 우수한 출력 특성을 나타낼 수 있음을 알 수 있다.

Claims (22)

  1. 리튬 전이금속 산화물 및 보론 함유 화합물을 건식 혼합하고 열처리하여 리튬 전이금속 산화물 표면을 붕소 리튬 산화물로 코팅하는 단계를 포함하는 양극 활물질의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 130 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열처리는 130 ℃ 내지 200 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 열처리에 의해 보론 함유 화합물이 상기 리튬 전이금속 산화물 상의 리튬 불순물 중 적어도 일부와 반응하여 붕소 리튬 산화물로 전환되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 열처리에 의해 붕소 리튬 산화물 중 일부 원소 B가 리튬 전이금속 산화물의 내부에 도핑되고, 상기 B의 함량은 상기 리튬 전이금속 산화물의 표면에서 내부로 갈수록 감소하는 농도구배를 갖는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 리튬 불순물은 LiOH, Li2CO3 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합은 몰타르 그라인더 혼합(mortar grinder mixing)법 또는 기계적 밀링법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기계적 밀링법에 의한 혼합은 롤밀 (roll-mill), 볼밀 (ball-mill), 고에너지 볼밀(high energy ball mill), 유성 밀(planetary mill), 교반 볼밀(stirred ball mill), 진동밀(vibrating mill) 또는 제트 밀 (jet-mill)을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 보론 함유 화합물은 H3BO3, B2O3, C6H5B(OH)2, (C6H5O)3B, [CH3(CH2)3O]3B, C13H19BO3, C3H9B3O6 및 (C3H7O)3B로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 보론 함유 화합물은 상기 리튬 전이금속 산화물 총 중량에 대해 0.05 중량% 내지 1 중량%의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 붕소 리튬 산화물은 LiBO2, Li2B4O7, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    리튬 전이금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법:
    <화학식 1>
    Li1 +a[NixMnyCozMv]O2- cAc
    상기 식에서, M은 Al, Zr, Zn, Ti, Mg, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고; A는 P, F, S 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 0≤x≤1.0, 0≤y<0.6, 0≤z<0.6, 0≤v≤0.1, 0≤a<0.3, 0≤c≤0.2, a+x+y+z+v=1이다.
  13. 리튬 전이금속 산화물; 및
    상기 리튬 전이금속 산화물의 표면에 붕소 리튬 산화물을 포함하는 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 코팅층은 원소 B를 100 ppm 내지 2000 ppm의 양으로 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 코팅층은 원소 B를 250 ppm 내지 1100 ppm의 양으로 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 10 nm 내지 1000 nm인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 리튬 전이금속 산화물의 내부에 붕소 리튬 산화물의 일부 원소 B가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 리튬 전이금속 산화물은 하기 화학식 3으로 표시되고, 하기 화학식 3에서 w는 리튬 전이금속 산화물의 표면에서 내부로 갈수록 감소하는 농도구배를 갖는 것을 특징으로 하는 양극 활물질:
    <화학식 3>
    Li1 +a[NixMnyCozBwMv]O2- cAc
    상기 식에서, M은 Al, Zr, Zn, Ti, Mg, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고; A는 P, F, S 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 0≤x≤1.0, 0≤y<0.6, 0≤z<0.6, 0≤v≤0.1, 0≤a<0.3, 0≤c≤0.2, a+x+y+z+v=1, 0≤w≤0.1이다.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 양극 활물질은 리튬 불순물을 양극 활물질 총 중량 대비 0.3 중량% 미만으로 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 붕소 리튬 산화물은 LiBO2, Li2B4O7, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
  21. 제 13 항의 양극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극.
  22. 제 21 항의 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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