KR20150069338A - Method for preparing Cathode active material, cathode active material prepared by using the same, and lithium secondary batteries comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬 금속 복합산화물에 불소 및 리튬 금속 인산화물이 이중으로 음각 코팅된 고용량, 장수명의 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a cathode active material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery including the lithium secondary battery. More particularly, the present invention relates to a lithium secondary battery comprising a lithium secondary battery, A positive electrode active material for a battery, and a method of manufacturing the same.
리튬 이차전지는 고용량, 고출력 및 장수명 등의 우수한 성능을 가진 이차전지로서 전자기기, 휴대용 컴퓨터, 휴대폰 등의 소형 전자제품에 광범위하게 활용되고 있다. 특히, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기 오염의 주요 원인 중 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차의 구동원으로서 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.BACKGROUND ART [0002] A lithium secondary battery is a secondary battery having excellent performance such as a high capacity, a high output and a long life, and is widely used in small electronic products such as electronic devices, portable computers and mobile phones. Especially, as the interest in environmental problems grows, it is one of the main causes of air pollution. As a driving source of electric vehicles that can replace fossil fuel vehicles such as gasoline vehicles and diesel vehicles, lithium Research on secondary batteries is actively under way.
리튬 이차전지에 사용되는 양극 활물질로는 리튬을 함유하고 있는 리튬 전이금속산화물이 주로 사용되고 있으며, 코발트계, 니켈계 및 코발트-니켈-망간이 공존하는 삼성분계 등의 층상계 리튬 전이금속산화물이 큰 비중을 차지하고 있다.Lithium transition metal oxides containing lithium are mainly used as the positive electrode active material used in lithium secondary batteries, and layered lithium transition metal oxides such as cobalt based, nickel based, and cobalt-nickel- Of the total.
그러나, 종래 양극 활물질로 많이 사용되고 있는 층상계 리튬 전이금속산화물은 사용할 수 있는 가역용량이 200mAh/g 이하이기 때문에 에너지 밀도에 있어서 한계가 있다. 따라서, 양극의 가역용량의 제한으로 인한 리튬 이차전지의 문제점을 해결하는 수단으로서 일반 층상계 리튬 전이금속산화물 대신, 리튬을 과량으로 포함하는 리튬-과잉 층상계 산화물(overlithiated oxide: OLO)에 대한 연구가 진행되고 있다.However, the layered lithium transition metal oxide, which is conventionally used as a cathode active material, has a limit in the energy density because the reversible capacity that can be used is 200 mAh / g or less. Therefore, as a means for solving the problem of the lithium secondary battery due to the limitation of the reversible capacity of the anode, a study on a lithium-excess layered oxide (OLO) containing an excess of lithium instead of the general layered lithium transition metal oxide .
리튬-과잉 층상계 산화물을 포함하는 양극 활물질은, 기존의 LiMO2(M은 Co, Ni 및 Mn 중 선택된 1종 이상의 전이금속)와 같은 층상계 리튬 전이금속산화물에 Li2MnO3 상이 복합화되어 있는 복합체 구조를 가지며, 4.6V로 초기 충전하면, Li2MnO3로부터 산소가 탈리되고, 리튬이 추출됨으로써 고용량을 발현할 수 있다.The positive electrode active material containing a lithium-excess layered oxide has a structure in which a Li 2 MnO 3 phase is mixed with a layered lithium-transition metal oxide such as conventional LiMO 2 (M is at least one selected from Co, Ni and Mn) When the battery is initially charged at 4.6 V, oxygen is desorbed from Li 2 MnO 3 , and lithium is extracted, thereby exhibiting a high capacity.
그러나, 고전압에서의 전해액의 분해 및 자체 산소 발생으로 인하여 반복된 충·방전시 결정구조가 물리적, 화학적으로 변형됨으로써 레이트 특성이 저하되므로, 결과적으로 전지의 성능 및 수명 특성을 저하시키는 문제점이 있다.However, due to the decomposition of the electrolytic solution at high voltage and the generation of self-oxygen, the crystal structure is physically and chemically deformed at the time of repeated charging and discharging, and the rate characteristic is lowered, thereby deteriorating the performance and life characteristics of the battery.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 특허문헌 1은 리튬-과잉 금속 복합산화물의 표면을 개질하는 방법, 구체적으로 화학식 LiwNixCoyMn1-x-y-zMzO2(1.2≤w≤1.5, 0<x<1, 0y<1, 0.5≤1-x-y-z, M은 Al, Mg, Fe, Cu, Zn, Cr, Ag, Ca, Na, K, In, Ga, Ge, V, Mo,Nb, Si, Ti 및 Zr으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속)로 표시되는 리튬 금속 복합산화물 코어; 및 상기 리튬 금속 복합산화물 코어 위에 불소 화합물을 함유하는 코팅층을 포함하는 리튬 이차전지용 양극 활물질에 대해 개시하고 있다. In order to solve such a problem, Patent Document 1 discloses a method of modifying the surface of a lithium-excess metal composite oxide, specifically, a method of modifying the surface of a lithium-excess metal composite oxide, specifically Li w Ni x Co y Mn 1- xy z M z O 2 Mg, Fe, Cu, Zn, Cr, Ag, Ca, Na, K, In, Ga, Ge, V, Mo, Nb, Si, At least one metal selected from the group consisting of Ti and Zr); And a coating layer containing a fluorine compound on the lithium-metal composite oxide core, and a cathode active material for a lithium secondary battery.
또한, 특허문헌 2는 양극 활물질의 코어부가 고용량 특성을 가지는 XLi2MnO3·(1-X)LiMO2로 구성되고, 양극 활물질의 쉘부가 열적안전성이 우수한 Liδ[NixMn(1-(x+y))M´y]O2로 구성되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 이중층 구조를 갖는 리튬 이차전지용 양극 활물질에 대해 개시하고 있다(여기서, X는 0 초과 0.9 미만이고, M은 니켈, 철, 망간, 코발트 또는 알루미늄이고, δ는 1.0이상 1.5이하이고, x는 0.01이상 0.05이하이고, M´는 코발트, 철 또는 알루미늄이다.). Patent Document 2 discloses a lithium secondary battery in which the core portion of the cathode active material is composed of XLi 2 MnO 3. (1-X) LiMO 2 having a high capacity property and the shell portion of the cathode active material is Li δ [Ni x Mn (1- x + y)) M ' y ] O 2 , wherein X is more than 0 and less than 0.9, and M is at least one element selected from the group consisting of nickel, Iron, manganese, cobalt or aluminum, 隆 is not less than 1.0 and not more than 1.5, x is not less than 0.01 and not more than 0.05, and M 'is cobalt, iron or aluminum.
상기 선행기술문헌들에 의해 제조된 양극 활물질을 이용하여 제조된 이차전지의 경우, 초기 방전용량이 220mAh/g 이상으로 기존의 층상계 리튬 전이금속산화물을 사용한 양극 활물질에 비하여 향상되었으나, 더욱 높은 방전용량 및 수명특성을 갖는 리튬이차전지용 양극 활물질에 대한 연구가 계속적으로 요구되고 있다.
In the case of the secondary battery manufactured using the cathode active material manufactured by the above prior art documents, the initial discharge capacity was 220 mAh / g The lithium transition metal oxide of the present invention has been improved as compared with the cathode active material using the conventional layered lithium transition metal oxide. However, there is a continuing need for research on a cathode active material for a lithium secondary battery having a higher discharge capacity and a longer lifetime.
본 발명에서는, 위와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 고 용량의 발현이 가능한 리튬-과잉의 층상구조 리튬 금속 복합산화물의 표면에 결정 구조에서 c-축의 길이를 길게 하여 Li 이온의 이동을 원활하게 함으로써 율 특성을 향상시키는 불소 및 산소와의 결합력이 강한 리튬 금속인산화물을 이중 코팅함으로써, 고용량의 발현이 가능하면서도 수명 특성이 개선된 양극 활물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.In the present invention, in order to solve the problems of the prior art as described above, the length of the c-axis in the crystal structure on the surface of the lithium-excess layered lithium metal composite oxide capable of high- Which is capable of exhibiting a high capacity, and having an improved life characteristic, by double coating a lithium metal oxide having a strong binding force with fluorine and oxygen which improves the rate characteristics.
본 발명의 다른 목적은 상기 양극 활물질의 간단한 제조방법 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a simple method of manufacturing the above-mentioned cathode active material and a secondary battery including the same.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 하기의 화학식 1로 표현되는 리튬 금속 복합산화물 입자에 불소 공급원를 혼합한 후 1차 열처리하여, 상기 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내측으로 하기의 화학식 2로 표현되는 제1음각 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자에 Liα(NH4)βPO4(α+β=3)를 혼합한 후 2차 열처리하여, 상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내측으로 하기의 화학식 3으로 표현되는 제2음각 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a lithium-metal composite oxide particle represented by the following Chemical Formula 1, wherein a fluorine source is mixed with a lithium metal complex oxide particle represented by the following Chemical Formula 1, Forming a first engraved coating layer represented by the following formula (1); And a lithium metal composite oxide particle is first engraved coating layer Li α (NH 4) β PO 4 (α + β = 3) heat-treating the second then a solution of the lithium metal composite oxide of the first intaglio coating layer And forming a second intaglio coating layer represented by the following formula (3) inward from the surface of the particles.
화학식 1Formula 1
Li1+xNiaCobMncO2+d Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)(Where 0 <x <0.33, 0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 1)
화학식 2(2)
Li1+xNiaCobMncO2+dFz Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d F z
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0.1< 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 0.1, One)
화학식 3(3)
Li1+yNiaCobMncPO4+e-zFz Li 1 + y Ni a Co b Mn c PO 4 + ez F z
(여기서, 0.1 < y < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < e < 0.5)0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <e <0.5)
상기 1차 및 제2차 열처리 온도는 500 ~ 700 ℃인 것이 바람직하다. The first and second heat treatment temperatures are preferably 500 to 700 ° C.
상기 1차 열처리 단계에서 상기 불소 공급원은 상기 양극 활물질에 포함되는 Li : F의 몰비가 1 : 0.01 ~ 0.05가 되도록 혼합하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 불소 공급원으로서는 LiF, NaF, KF, CsF, RbF, TiF, AgF, AgF₂, BaF2, CaF2, CuF2, CdF2, FeF2, HgF2, Hg2F2, MnF2, MgF2, NiF2, PbF2, SnF2, SrF2, XeF2, ZnF2, AlF3, BF3, BiF3, CeF3, CrF3, DyF3, EuF3, GaF3, GdF3, FeF3, HoF3, InF3, LaF3, LuF3, MnF3, NdF3, VOF3, PrF3, SbF3, ScF3, SmF3, TbF3, TiF3, TmF3, YF3, YbF3, TIF3, CeF4, GeF4, HfF4, SiF4, SnF4, TiF4, VF4, ZrF4, NbF5, SbF5, TaF5, BiF5, MoF6, ReF6, SF6 및 WF6로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. In the first heat treatment step, the fluorine source is preferably mixed so that the molar ratio of Li: F contained in the cathode active material is 1: 0.01 to 0.05. And, as the fluorine source LiF, NaF, KF, CsF, RbF, TiF, AgF, AgF₂, BaF 2, CaF 2, CuF 2, CdF 2, FeF 2, HgF 2, Hg 2 F 2, MnF 2, MgF 2 , NiF 2, PbF 2, SnF 2, SrF 2, XeF 2, ZnF 2, AlF 3, BF 3, BiF 3, CeF 3, CrF 3, DyF 3, EuF 3, GaF 3, GdF 3, FeF 3, HoF 3, InF 3, LaF 3, LuF 3, MnF 3, NdF 3, VOF 3, PrF 3, SbF 3, ScF 3, SmF 3, TbF 3, TiF 3, TmF 3, YF 3, YbF 3, TIF 3, CeF 4, GeF 4, HfF 4 , SiF 4, SnF 4, TiF 4, VF 4, ZrF 4, NbF 5, SbF 5, TaF 5, BiF 5, MoF 6, ReF 6, SF 6 , and the group consisting of WF 6 May be used.
상기 2차 열처리 단계에서 상기 Liα(NH4)βPO4 (α+β=3)의 혼합량은 상기 양극 활물질에 포함되는 전체 리튬량을 기준으로 1~10몰%인 것이 바람직하다.In the secondary heat treatment step is preferably the Li α (NH 4) β of PO 4 (α + β = 3 ) Amount of the lithium amount is 1 to 10 mol%, based on the contained in the positive electrode active material.
한편, 상기 리튬 금속 복합산화물은, 전이금속 화합물 전구체를 합성하는 단계; 및 상기 전이금속 화합물 전구체와 Li 공급원을 혼합한 후 600 ~ 1000℃에서 열처리하는 단계에 의하여 제조되는 것이 바람직하며, 상기 리튬 공급원으로서는 Li2CO3, LiOH, LiNO3 및 LiCH3COO로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.Meanwhile, the lithium metal composite oxide may be prepared by: synthesizing a transition metal compound precursor; And a step of mixing the precursor of the transition metal compound and a source of Li and then heat-treating the precursor at 600 to 1000 ° C. The lithium source may be Li 2 CO 3 , LiOH, LiNO 3 and LiCH 3 COO At least one selected may be used.
또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표현되는 층상구조의 리튬 금속 복합산화물 입자; 상기 리튬 금속 복합산화물 입자 표면에서 내측으로 형성된 상기 화학식 2로 표현되는 제1음각 코팅층; 및 상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내측으로 형성된 상기 화학식 3으로 표현되는 제2음각 코팅층을 포함하는 양극 활물질을 제공한다. The present invention also provides a lithium-metal composite oxide particle having a layered structure represented by Formula 1; A first intaglio coating layer represented by Formula 2 formed inside the surface of the lithium metal composite oxide particle; And a second intaglio coating layer represented by Formula 3 formed inside the surface of the lithium metal composite oxide particle having the first intaglio coating layer formed thereon.
그리고, 본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 존재하는 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
The present invention also provides a positive electrode comprising the positive electrode active material; A negative electrode comprising a negative electrode active material; And an electrolyte existing between the positive electrode and the negative electrode.
본 발명에 따른 양극 활물질을 사용하는 리튬 이차 전지는, 결정 구조에서 c-축의 길이를 길게 하여 Li 이온의 이동을 원활하게 하여 율 특성을 향상시키는 불소 및 산소와의 결합력이 강한 리튬 금속 인산화물로 인하여, 고용량을 발현하면서도, 양극 활물질 표면에서 산소 가스 발생이 억제되어 수명 특성을 크게 개선할 수 있다.The lithium secondary battery using the cathode active material according to the present invention is a lithium metal phosphate having a strong binding force with fluorine and oxygen to improve the rate characteristic by increasing the length of the c- The generation of oxygen gas on the surface of the positive electrode active material can be suppressed and the life characteristic can be greatly improved.
또한, 본 발명에 따른 양극 활물질의 제조방법에 의하면, 불소 및 리튬 금속인산화물을 양극 활물질의 표면에 간단한 프로세스에 의하여 음각으로 코팅할 수 있다.
In addition, according to the method for producing a cathode active material according to the present invention, the fluorine and lithium metal phosphorus oxides can be coated on the surface of the cathode active material by a simple process.
도 1은 불소 및 리튬 금속 인산화물이 이중으로 음각 코팅된 양극 활물질의 개략도이다.1 is a schematic view of a cathode active material in which fluorine and lithium metal phosphorous are double intaglio coated.
<양극 활물질의 제조방법>≪ Method for producing positive electrode active material &
본 발명에 따른 양극 활물질 제조방법은, 하기의 화학식1로 표현되는 리튬 금속 복합산화물 입자에 불소 공급원를 혼합한 후 1차 열처리하여, 상기 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내측으로 하기의 화학식 2로 표현되는 제1음각 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자에 Liα(NH4)βPO4(α+β=3)를 혼합한 후 2차 열처리하여, 상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내측으로 하기의 화학식 3으로 표현되는 제2음각 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.The method for producing a cathode active material according to the present invention is characterized by mixing a fluorine source to a lithium metal complex oxide particle expressed by the following Chemical Formula 1 and then subjecting it to a first heat treatment to form a lithium metal complex oxide particle represented by the following Chemical Formula 2 Forming a first intaglio coating layer on the first anticorrosive coating layer; And a lithium metal composite oxide particle is first engraved coating layer Li α (NH 4) β PO 4 (α + β = 3) heat-treating the second then a solution of the lithium metal composite oxide of the first intaglio coating layer And forming a second engraved coating layer represented by the following formula (3) inward from the surface of the particles.
화학식 1Formula 1
Li1+xNiaCobMncO2+d Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)(Where 0 <x <0.33, 0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 1)
화학식 2(2)
Li1+xNiaCobMncO2+dFz Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d F z
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0.1< 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 0.1, One)
화학식 3(3)
Li1+yNiaCobMncPO4+e-zFz Li 1 + y Ni a Co b Mn c PO 4 + ez F z
(여기서, 0.1 < y < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < e < 0.5).0.1 <y <0.33, 0.01 <z <0.05, 0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <e <0.5).
여기서, "음각 코팅"이라는 표현은, 코팅층을 형성하는 원료 물질 중의 일부 물질(리튬 공급원, 인산화물 공급원 또는 불소 화합물)만이 추가 공급된 상태에서, 이들 추가 공급된 원료 물질이 모재인 리튬 금속 복합산화물 내의 일부의 전이금속과 결합되어 리튬 금속 인산화물 코팅층을 형성하는 것을 의미하며, 본 명세서에서는 상기 특허문헌 1과 같이 코팅층을 형성하는 모든 원료 물질이 공급되어 모재의 표면 위에 양각으로 코팅되는 일반적인 표면 코팅과 명확히 구별하기 위하여 "음각 코팅"이라는 표현을 사용한다. 따라서, 본 발명에 따른 양극 활물질은 기존의 일반적인 표면 코팅의 경우와 달리 코팅층 형성으로 인하여 입자 크기는 달라지지 않는다. Here, the expression "intaglio coating" means that, in a state in which only some of the raw materials forming the coating layer (lithium source, phosphorus source or fluorine compound) are additionally supplied, these additional supplied raw materials are lithium metal complex oxide Which is formed by forming a lithium metal phosphate coating layer on the surface of a base material. In this specification, the term " surface coating " &Quot; intaglio coating "is used to clearly distinguish it from " intaglio coating ". Therefore, the cathode active material according to the present invention does not change the particle size due to the formation of the coating layer unlike the conventional surface coating.
상기 1차 및 2차 열처리는 500 ~ 700℃의 온도 범위에서 1 ~ 10시간 동안 진행되는 것이 바람직한데, 500℃ 미만일 경우 리튬 금속 복합산화물 내의 전이금속과 불소 공급원 또는 Liα(NH4)βPO4 간의 반응이 잘 이루어지지 않아 음각 코팅층의 형성이 어려울 수 있고, 반면 700℃를 초과할 경우 리튬 금속 복합산화물의 내부 중심까지 인산화물로 될 우려가 있다.It is preferable that the first and second heat treatments are performed at a temperature of 500 to 700 ° C. for 1 to 10 hours. When the temperature is lower than 500 ° C., the transition metal and the fluorine source or Li α (NH 4 ) β PO the reaction between 4 does not easily achieved may be difficult to form an engraved coating layer, whereas if it exceeds 700 ℃ there is a fear that a phosphate to the inside center of the lithium metal composite oxide.
상기 1차 열처리 단계에서 불소가 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내부로 확산되면서 상기 리튬 금속 복합산화물 내의 전이금속과 결합하여 상기 화학식 2로 표현되는 제1 음각 코팅층을 형성한다.In the first heat treatment step, fluorine diffuses from the surface of the lithium-metal composite oxide particle to the transition metal in the lithium-metal composite oxide to form a first intaglio coating layer represented by Formula 2.
이때, 상기 불소 공급원은 상기 양극 활물질에 포함되는 Li : F의 몰비가 1 : 0.01 ~0.05가 되도록 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 불소의 몰비가 0.01미만일 경우 양극 활물질 내에 불소의 코팅량이 줄어들어 불소 코팅에 따른 효과가 충분히 발휘되지 못할 수 있으며, 반면 0.05를 초과할 경우 전극의 저항이 증가하여 출력이 저하되는 문제가 발생될 우려가 있다. 상기 불소 공급원으로서는 LiF, NaF, KF, CsF, RbF, TiF, AgF, AgF₂, BaF2, CaF2, CuF2, CdF2, FeF2, HgF2, Hg2F2, MnF2, MgF2, NiF2, PbF2, SnF2, SrF2, XeF2, ZnF2, AlF3, BF3, BiF3, CeF3, CrF3, DyF3, EuF3, GaF3, GdF3, FeF3, HoF3, InF3, LaF3, LuF3, MnF3, NdF3, VOF3, PrF3, SbF3, ScF3, SmF3, TbF3, TiF3, TmF3, YF3, YbF3, TIF3, CeF4, GeF4, HfF4, SiF4, SnF4, TiF4, VF4, ZrF4, NbF5, SbF5, TaF5, BiF5, MoF6, ReF6, SF6 및 WF6로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 바람직하게는 LiF를 사용한다.At this time, it is preferable that the fluorine source is mixed such that the molar ratio of Li: F contained in the cathode active material is 1: 0.01-0.05. If the molar ratio of fluorine is less than 0.01, the coating amount of fluorine in the cathode active material may be reduced, and the effect due to the fluorine coating may not be sufficiently exhibited. On the other hand, if the molar ratio is more than 0.05, . The fluorine source as LiF, NaF, KF, CsF, RbF, TiF, AgF, AgF₂, BaF 2, CaF 2, CuF 2, CdF 2, FeF 2, HgF 2, Hg 2 F 2, MnF 2, MgF 2, NiF 2 , PbF 2 , SnF 2 , SrF 2 , XeF 2 , ZnF 2 , AlF 3 , BF 3 , BiF 3 , CeF 3 , CrF 3 , DyF 3 , EuF 3 , GaF 3 , GdF 3 , FeF 3 , HoF 3 , InF 3, LaF 3, LuF 3 , MnF 3, NdF 3, VOF 3, PrF 3, SbF 3, ScF 3, SmF 3, TbF 3, TiF 3, TmF 3, YF 3, YbF 3, TIF 3, CeF 4 , GeF 4, HfF 4, SiF 4, SnF 4, TiF 4, VF 4, ZrF 4, NbF 5, SbF 5, TaF 5, BiF 5, MoF 6, ReF 6, SF 6 , and selected from the group consisting of WF 6 One or more of them may be used, and LiF is preferably used.
상기 2차 열처리 단계에서 상기 화학식2로 표현되는 음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자에 리튬 공급원과 인산화물 공급원이 되는 Liα(NH4)βPO4(α+β=3)을 혼합하여 열처리함으로써, 상기 공급원으로부터 NH4가 제거되고 Li와 PO4가 이온형태로 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내부로 확산되면서 상기 리튬 금속 복합산화물 내의 전이금속과 결합하여 상기 화학식 3으로 표현되는 제2 음각 코팅층을 형성한다.Heat-treating a mixture of Li α (NH 4) β PO 4 (α + β = 3) is the lithium metal lithium source and the source of phosphate to the composite oxide particles engraved coating layer is formed is represented by the general formula (2) in the heat treatment step the secondary The NH 4 is removed from the supply source, and Li and PO 4 are diffused from the surface of the lithium metal composite oxide particle in an ionic form into the interior of the lithium metal complex oxide particle, Thereby forming a coating layer.
이때, 상기 Liα(NH4)βPO4 (α+β=3)의 혼합량은 상기 양극 활물질에 포함되는 전체 리튬량을 기준으로 1~10몰% 인 것이 바람직하며, 상기 혼합량이 1몰% 미만일 경우 리튬 금속인산화물의 음각 코팅 비율이 줄어들어 고전압 하에서 양극 활물질 표면에서 산소가 탈리되는 것을 억제하기에 부족할 수 있고, 반면 10몰%를 초과할 경우 상대적으로 리튬 금속 복합산화물의 함량이 줄어들게 되므로 이를 포함하는 이차전지의 용량이 저하될 우려가 있다.In this case, the mixing amount of Li alpha (NH 4 ) β PO 4 (α + β = 3) is preferably 1 to 10 mol% based on the total lithium amount contained in the cathode active material, , The ratio of intaglio coating of the lithium metal phosphorus oxide may be reduced and it may be insufficient to suppress the desorption of oxygen from the surface of the cathode active material under a high voltage. On the other hand, if it exceeds 10 mol%, the content of the lithium metal composite oxide is relatively decreased There is a possibility that the capacity of the included secondary battery is lowered.
한편, 상기 화학식 1로 표현되는 리튬 금속 복합산화물은, 전이금속 화합물 전구체를 합성하는 단계; 및 상기 전이금속 화합물 전구체와 Li 공급원을 혼합한 후 600 ~ 1000℃에서 열처리하는 단계에 의하여 제조될 수 있다.Meanwhile, the lithium metal complex oxide represented by Formula 1 may be prepared by: synthesizing a transition metal compound precursor; And mixing the precursor of the transition metal compound and a source of Li, followed by heat treatment at 600 to 1000 ° C.
구체적으로, 상기 리튬 금속 복합산화물의 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Specifically, a method for producing the lithium metal composite oxide will be described below.
먼저, 수산화물 형태인 전이금속 수산화물 전구체를 합성한다.First, a transition metal hydroxide precursor in the hydroxide form is synthesized.
전이금속 수산화물 형태의 전구체 합성을 위해서는, 물에 용해되는 염의 형태로, 니켈 황산염, 니켈 질산염 및 니켈 탄산염으로 이루어진 군에서 선택된 1종; 코발트 황산염, 코발트 질산염 및 코발트 탄산염으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종; 그리고 망간 황산염, 망간 질산염 및 망간 탄산염으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 종을 일정 몰농도로 녹여서 수용액을 제조한 후, NaOH, NH4OH 및 KOH로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 염기를 이용하여 pH 10 ~ 12범위에서 수산화물의 형태로 침전시킨다.For the synthesis of a precursor in the form of a transition metal hydroxide, it is preferred to use one selected from the group consisting of nickel sulfate, nickel nitrate and nickel carbonate in the form of a salt dissolved in water; Cobalt sulfate, cobalt nitrate and cobalt carbonate; The aqueous solution is prepared by dissolving one selected from the group consisting of manganese sulfate, manganese nitrate, and manganese carbonate at a constant molar concentration, and then, by using at least one base selected from the group consisting of NaOH, NH 4 OH, and KOH, 12 < / RTI > in the form of hydroxides.
이때, 상기 pH가 10보다 낮은 경우에는 입자의 핵 생성속도보다 입자 응집속도가 더 커서 입자의 크기가 3㎛ 이상으로 성장할 수 있고, pH가 12보다 높은 경우에는 입자의 핵 생성속도가 입자 응집속도보다 커서 입자의 응집이 되지 않아 Ni, Co, Mn등의 전이금속 각 성분이 균질하게 혼합된 전이금속 수산화물을 얻기 어렵다는 문제가 생길 수 있다. At this time, when the pH is lower than 10, the particle aggregation rate is larger than the nucleation rate of the particles, and the particle size may grow to 3 μm or more. When the pH is higher than 12, The particles are not agglomerated and there may arise a problem that it is difficult to obtain a transition metal hydroxide in which each component of the transition metal such as Ni, Co, Mn is homogeneously mixed.
이렇게 침전된 분말의 표면에 흡착되어 있는 SO4 2-, NH4 +, NO3 -, Na+, K+ 등을 증류수를 이용하여 수 차례 세정하여 고순도의 전이금속 수산화물 전구체를 합성한다. 이렇게 합성된 전이금속 수산화물 전구체를 150 ℃의 오븐에서 24시간 이상 건조하여 수분 함유량이 0.1 wt% 이하가 되도록 한다.The SO 4 2- , NH 4 + , NO 3 - , Na + , K + adsorbed on the surface of the precipitated powder is washed several times with distilled water to synthesize a high purity transition metal hydroxide precursor. The thus-synthesized transition metal hydroxide precursor is dried in an oven at 150 ° C for at least 24 hours so that the water content is 0.1 wt% or less.
이렇게 제조된 상기 전이금속 화합물 전구체는 화학식 NiaCobMnc(OH)2 (0.1 ≤ a < 0.5, 0 ≤ b < 0.7, 0.2 ≤ c < 0.9, a + b + c = 1)로 표시되는 전이금속 수산화물 형태인 것이 바람직하다.The transition metal compound precursor thus prepared is represented by the formula Ni a Co b Mn c (OH) 2 (0.1 ≤ a <0.5, 0 ≤ b <0.7, 0.2 ≤ c <0.9, a + b + c = 1) It is preferred that the transition metal hydroxide is in the form of a transition metal hydroxide.
건조가 완료된 전이금속 수산화물 전구체와 Li 공급원을 균질하게 혼합한 후, 600 ~ 1000 ℃ 온도 범위에서 5 ~ 30 시간 동안 1차 열처리하여 리튬 금속 복합산화물을 얻는다. After the dried transition metal hydroxide precursor and the Li source are homogeneously mixed, the lithium metal complex oxide is obtained by performing the first heat treatment for 5 to 30 hours at a temperature of 600 to 1000 ° C.
이때 상기 열처리 온도가 600 ℃ 미만일 경우 Li 공급원과 전이금속 수산화물 전구체 간의 반응이 잘 이루어지지 않을 우려가 있고, 반면 1000 ℃를 초과할 경우 활물질의 입자 사이즈가 너무 증가하여 전지 특성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 상기 리튬 공급원으로서는 Li2CO3, LiOH, LiNO3 및 LiCH3COO로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 바람직하게는 Li2CO3 및 LiOH 중 선택하여 사용할 수 있다.
If the heat treatment temperature is less than 600 ° C, the reaction between the Li source and the transition metal hydroxide precursor may not be performed well. On the other hand, when the temperature exceeds 1000 ° C, the particle size of the active material is excessively increased, . As the lithium source, at least one selected from the group consisting of Li 2 CO 3 , LiOH, LiNO 3 and LiCH 3 COO can be used, and Li 2 CO 3 and LiOH can be preferably used.
<양극 활물질><Cathode Active Material>
본 발명의 양극 활물질은 하기의 화학식 1로 표현되는 층상구조의 리튬 금속 복합산화물 입자; 상기 리튬 금속 복합산화물 입자 표면에서 내측으로 형성된 하기의 화학식 2로 표현되는 제1음각 코팅층; 및 상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내측으로 형성된 하기의 화학식 3으로 표현되는 제2음각 코팅층을 포함한다.The cathode active material of the present invention is a lithium metal composite oxide particle having a layered structure represented by the following Chemical Formula 1; A first intaglio coating layer formed on the surface of the lithium metal composite oxide particle and expressed by the following formula (2); And a second intaglio coating layer represented by the following formula (3) formed inside the surface of the lithium metal composite oxide particle having the first intaglio coating layer formed thereon.
화학식 1Formula 1
Li1+xNiaCobMncO2+d Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)(Where 0 <x <0.33, 0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 1)
화학식 2(2)
Li1+xNiaCobMncO2+dFz Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d F z
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0.1< 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 0.1, One)
화학식 3(3)
Li1+yNiaCobMncPO4+e-zFz Li 1 + y Ni a Co b Mn c PO 4 + ez F z
(여기서, 0.1 < y < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < e < 0.5).0.1 <y <0.33, 0.01 <z <0.05, 0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <e <0.5).
도 1은 불소 및 리튬 금속 인산화물이 이중으로 음각으로 코팅된 본 발명에 따른 양극 활물질의 개념도로서, 상기 화학식 1로 표현되는 리튬 금속 복합산화물(A) 입자의 표면에서 내측으로 상기 화학식 2로 표현되는 제1 음각코팅층(B)이 형성되어 있고, 상기 제1음각 코팅층(B)이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내측으로 화학식 3으로 표현되는 제2 음각 코팅층(C)이 형성되어 있는 양극 활물질의 구조를 개념적으로 설명한다.FIG. 1 is a conceptual view of a cathode active material according to the present invention in which fluorine and lithium metal phosphates are doubly intaglio coated, wherein the lithium metal complex oxide (A) represented by the formula (1) (C) formed on the surface of the lithium metal composite oxide particle on which the first intagliating coating layer (B) is formed, and a second intagliating coating layer (C) The structure of the active material is conceptually explained.
먼저, 상기 화학식 1로 표현되는 리튬 금속 복합산화물은 상기 x의 범위에 해당하는 몰수만큼 과잉의 리튬이 전이금속의 양이온층에 혼재되어 있는 층상 결정구조를 가지며, 리튬을 제외한 금속 중 망간을 다른 금속에 비해 과량 포함한다. 다만, 상기 과잉의 리튬 함량이 0.33몰 이상일 경우에는, 양극활물질의 저항이 증가하여 양극 활물질의 출력이 감소되므로 바람직하지 않다.The lithium metal complex oxide represented by Formula 1 has a layered crystal structure in which an excess amount of lithium is mixed in the cationic layer of the transition metal corresponding to the range of x, and manganese in the metal other than lithium is substituted with another metal . However, when the excess lithium content is 0.33 mol or more, the resistance of the positive electrode active material increases and the output of the positive electrode active material decreases, which is not preferable.
구체적으로, 상기 리튬 금속 복합산화물은 과량의 리튬으로 인하여 층상구조의 리튬 전이금속산화물인 LiMO2(여기서, M은 Ni, Co 및 Mn)과 층상구조의 Li2MnO3로 표현되는 두 가지 상으로 이루어진다. Specifically, the lithium metal composite oxide is composed of two phases represented by a layered lithium-transition metal oxide LiMO 2 (where M is Ni, Co and Mn) and a layered Li 2 MnO 3 due to excess lithium .
상기 층상구조의 LiMO2는 하기의 반응식(1)과 같이 가역적인 충방전을 진행하는 활성영역이고, 층상구조의 Li2MnO3는 약 4.4V 이하에서는 Mn4+를 가지는 비활성 영역이지만, 약 4.4V 이상의 전압이 인가되면 하기 반응식 (2)와 같이 Li2MnO3로부터 산소가 탈리되고 리튬이 추출됨으로써 전기화학적으로 활성을 갖게 되고, 240~250mAh/g 이상의 고용량을 발현할 수 있게 된다. The layered LiMO 2 Li 2 MnO 3 having a layered structure is an inactive region having Mn 4+ at about 4.4 V or less. When a voltage of about 4.4 V or more is applied, however, As shown in the reaction formula (2), oxygen is released from Li 2 MnO 3 and lithium is extracted to become electrochemically active, and a high capacity of 240 to 250 mAh / g or more can be expressed.
LiMO2 → MO2 + Li+ + e- …… (1)LiMO 2 → MO 2 + Li + + e - ... ... (One)
Li2MnO3 → MnO2 + 2Li+ + 1/2O2 + 2e- …… (2)Li 2 MnO 3 ? MnO 2 + 2Li + + 1 / 2O 2 + 2e - ... ... (2)
그러나, 이러한 고용량을 발현하기 위해서는 4.6V 이상의 고전압 하에서 초기 충전을 통한 활성화 단계가 반드시 필요하므로, 고전압에서의 전해액의 분해 및 자체 산소 발생으로 인해 이차전지의 수명이 저하되는 문제가 수반된다.However, in order to exhibit such a high capacity, the activation step through initial charging is necessarily required under a high voltage of 4.6 V or more. Therefore, the life of the secondary battery is degraded due to decomposition of the electrolyte at high voltage and generation of self-generated oxygen.
따라서, 본 발명의 양극 활물질은 상기 리튬 금속 복합산화물의 최외곽부에 산소와 결합력이 강한 상기 화학식 3으로 표현되는 리튬 금속 인산화물을 음각 코팅시킴으로써, 고전압 하에서 양극 활물질 표면에 위치하는 Li2MnO3로부터 산소가 탈리되는 것을 억제할 수 있으므로 이차전지의 수명특성을 개선시킬 수 있게 된다.Therefore, the positive electrode active material of the present invention is formed by intaglio coating the lithium metal phosphorus represented by the above formula (3) having a strong bonding force with oxygen at the outermost part of the lithium metal composite oxide, thereby forming Li 2 MnO 3 It is possible to improve the lifetime characteristics of the secondary battery.
한편, 상기 화학식 2로 표현되는 불소를 포함하는 리튬 금속 복합산화물의 함량은 상기 양극 활물질에 포함되는 전체 리튬량을 기준으로 1~5몰%인 것이 바람직하며, 상기 함량이 1몰% 미만일 경우 불소 첨가에 따른 효과가 충분히 발휘되지 못할 수 있으며, 반면 5몰%를 초과할 경우 전극의 저항이 증가하여 출력이 저하되는 문제가 발생될 우려가 있다.On the other hand, the content of the fluorine-containing lithium metal complex oxide represented by Formula 2 is preferably 1 to 5 mol% based on the total amount of lithium contained in the cathode active material, and when the content is less than 1 mol% The effect due to the addition may not be sufficiently exhibited. On the other hand, if it exceeds 5 mol%, the resistance of the electrode may increase and the output may be lowered.
상기 화학식 3으로 표현되는 리튬 금속 인산화물의 함량은 상기 양극 활물질에 포함되는 전체 리튬량을 기준으로 1~10몰%인 것이 바람직하며, 상기 리튬 금속 인산화물의 함량이 1몰% 미만일 경우 양극 활물질 최외곽부에 존재하는 Li2MnO3로부터 산소의 탈리를 막기에 부족할 수 있으며, 반면 10 몰%를 초과할 경우 상대적으로 리튬 금속 복합산화물의 함량이 줄어들게 되므로 소망하는 수준의 전지 용량을 확보하기 어려울 수 있으므로 바람직하지 않다.
The content of the lithium metal phosphate represented by Formula 3 is preferably 1 to 10 mol% based on the total amount of lithium contained in the positive electrode active material. When the content of the lithium metal phosphate is less than 1 mol%, the positive electrode active material It may be insufficient to prevent the desorption of oxygen from the Li 2 MnO 3 existing in the outermost portion, while when it exceeds 10 mol%, the content of the lithium metal composite oxide is relatively decreased, so that it is difficult to secure a desired level of battery capacity It is not preferable.
<양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지>≪ Lithium Secondary Battery Containing Cathode Active Material >
본 발명에 따른 양극 활물질은, 리튬 이차 전지의 양극 소재로서 활용될 수 있고, 양극 활물질 조성 및 결정 구조 등을 제외하고는 공지의 이차 전지와 동일한 구조를 갖고, 공지의 동일한 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.The positive electrode active material according to the present invention can be utilized as a positive electrode material of a lithium secondary battery and has the same structure as a known secondary battery except for the cathode active material composition and crystal structure and is manufactured by the same known manufacturing method .
바람직하게는, 리튬 이차 전지는 현재 본 기술 분야에서 널리 알려져 있는 통상적인 방법으로서, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 넣고 전해질을 투입하여 제조할 수 있다. 음극으로는 리튬 메탈, 분리막은 다공성 PE 재질의 분리막, 전해질로는 1.3M LiPF6 EC(ethylene carbonate) : DMC(dimethyl carbonate) : EC이 5 : 3 : 2의 중량비로 혼합된 용액을 사용하여 제조한다.Preferably, the lithium secondary battery can be manufactured by putting a porous separator between an anode and a cathode and introducing an electrolyte into the lithium secondary battery, which is a common method widely known in the art. The electrolyte was prepared using a mixed solution of 1.3 M LiPF 6 EC (ethylene carbonate): DMC (dimethyl carbonate): EC in a weight ratio of 5: 3: 2 as a cathode, lithium metal as a separation membrane, do.
이하에서는, 본 발명에 따른 양극 활물질의 제조방법 및 이에 의해 제조된 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지에 대하여, 바람직한 실시예 및 비교예를 통하여 상세히 설명한다. 그러나, 이러한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 이러한 실시예에 의하여 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
Hereinafter, a lithium secondary battery including a method for producing a cathode active material according to the present invention and a cathode active material produced thereby will be described in detail with reference to preferred embodiments and comparative examples. However, these embodiments are only a preferred embodiment of the present invention, and the present invention should not be interpreted as being limited by these embodiments.
실시예 1Example 1
① 전이 금속 수산화물 전구체 합성① Synthesis of transition metal hydroxide precursors
황산니켈 (NiSO4), 황산코발트 (CoSO4), 황산망간 (MnSO4)을 2 : 2 : 6의 몰비로 혼합하여 2M의 금속염 수용액을 제조하였다. 제조된 금속염 수용액을 10L 연속 반응기에 0.5L/h의 속도로 투입하였다. Nickel sulfate (NiSO 4 ), cobalt sulfate (CoSO 4 ) and manganese sulfate (MnSO 4 ) were mixed at a molar ratio of 2: 2: 6 to prepare a 2M aqueous metal salt solution. The prepared metal salt aqueous solution was introduced into a 10 L continuous reactor at a rate of 0.5 L / h.
2M 농도의 암모니아수(NH4OH)를 상기 반응기의 암모니아수 공급부를 통하여 0.5L/hr의 속도로 투입하고, 여기에 2M 농도의 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 반응기의 수산화나트륨 수용액 공급부를 통하여 자동 투입하면서, pH미터와 제어부를 통해 pH 10.8이 유지되도록 하였다. 반응기의 온도는 50℃로 하고, 체류시간(RT)은 10시간으로 조절하였으며, 500rpm의 속도로 교반하였다.Ammonia water (NH 4 OH) at a concentration of 2 M was fed through the ammonia supply unit of the reactor at a rate of 0.5 L / hr, and an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) at a concentration of 2 M was automatically supplied through the sodium hydroxide aqueous solution supply unit , pH 10.8 was maintained through pH meter and control unit. The temperature of the reactor was adjusted to 50 캜, the residence time (RT) was adjusted to 10 hours, and the stirring was carried out at a speed of 500 rpm.
이렇게 얻어진 반응 용액을 필터를 통해 여과하고 증류수로 정제한 후, 120℃의 오븐에서 24시간 건조하여 전이 금속 수산화물 전구체 Ni0.2Co0.2Mn0.6(OH)2 를 합성했다.
The reaction solution thus obtained was filtered through a filter, purified by distilled water, and then dried in an oven at 120 ° C. for 24 hours to synthesize a transition metal hydroxide precursor Ni 0.2 Co 0.2 Mn 0.6 (OH) 2 .
② 양극 활물질 합성② Cathode active material synthesis
상기 ①에서 합성한 1몰 당량의 전이 금속 수산화물 전구체, 0.58몰 당량의 탄산리튬(Li2CO3)을 혼합한 후, 700 ℃에서 10시간 동안 1차 열처리하여 리튬 금속 복합산화물을 합성하였다.A 1 molar equivalent of a transition metal hydroxide precursor synthesized in the above (1) and 0.58 molar equivalent of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) were mixed and then subjected to a primary heat treatment at 700 ° C. for 10 hours to synthesize a lithium metal composite oxide.
합성된 리튬 금속 복합산화물에 0.03몰 당량의 LiF를 혼합 한 후, 600℃에서 3 시간 동안 2차 열처리하여 리튬 금속 복합산화물 표면에 불소를 포함하는 리튬 금속 산화물인 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물을 얻었다.The synthesized lithium metal composite oxide was mixed with 0.03 molar equivalent of LiF and then subjected to a secondary heat treatment at 600 ° C. for 3 hours to form a lithium metal composite having a first intaglio coating layer formed of a lithium metal oxide containing fluorine on the surface of the lithium metal composite oxide Oxide was obtained.
상기 제1 음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물에 0.02몰 당량의 Li(NH4)2PO4를 혼합한 후, 600℃에서 3시간 동안 3차 열처리하여 상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에 인산화물을 포함하는 제2 음각 코팅층이 형성된 양극 활물질 분말을 얻었다.
0.02 molar equivalent of Li (NH 4 ) 2 PO 4 was mixed with the lithium metal composite oxide having the first intaglio coating layer formed thereon and then subjected to a third heat treatment at 600 ° C. for 3 hours to form a lithium metal composite oxide A cathode active material powder having a second intaglio coating layer containing phosphorous oxide was obtained on the surface of the particles.
비교예 1Comparative Example 1
상기 실시예 1의 ①에서 합성한 1몰 당량의 전이 금속 수산화물 전구체, 및 0.58몰 당량의 탄산리튬(Li2CO3) 을 혼합한 후, 700 ℃에서 10시간 동안 열처리하여 리튬 금속 복합산화물을 합성하여 양극 활물질 분말을 얻었다.
1 molar equivalent of a transition metal hydroxide precursor synthesized in Example 1 (1) and 0.58 molar equivalent of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) were mixed and heat-treated at 700 ° C. for 10 hours to synthesize a lithium metal composite oxide To obtain a positive electrode active material powder.
비교예 2Comparative Example 2
비교예 1에서 제조된 1몰 당량의 리튬 금속 복합산화물에 0.03몰 당량의 LiF를 혼합한 후, 600℃에서 3 시간 동안 열처리하여 리튬 금속 복합산화물 표면에 불소가 음각 코팅된 리튬 금속 복합산화물을 합성하여 양극 활물질 분말을 얻었다.
The lithium metal complex oxide prepared in Comparative Example 1 was mixed with 0.03 molar equivalent of LiF and then heat-treated at 600 ° C for 3 hours to synthesize a lithium metal complex oxide having a fluorine-rich coating on the surface of the lithium metal composite oxide To obtain a positive electrode active material powder.
<전지용량 및 수명특성 평가>≪ Evaluation of battery capacity and service life characteristics &
실시예 1, 비교예 1 및 2에서 합성된 양극 활물질과, 도전재인 Denka Black, 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 를 92 : 4 : 4의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 알루미늄 (Al) 호일 위에 균일하게 코팅하여 양극 전극 극판을 제작하였다.Denka Black, a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF), which is a binder, were mixed in a weight ratio of 92: 4: 4 to prepare a slurry, in which the cathode active material synthesized in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was mixed. The slurry was uniformly coated on an aluminum (Al) foil to prepare a positive electrode electrode plate.
음극으로는 리튬 메탈, 분리막으로는 다공성 PE 재질의 분리막, 전해질로는, 1.3M LiPF6 EC(ethylene carbonate) : DMC(dimethyl carbonate) : EC이 5 : 3 : 2의 중량비로 혼합된 용액을 사용하여 코인 셀 타입의 리튬 이차전지를 제작하였다.
A mixture of lithium metal as a cathode, a porous PE separator as a separator, and a mixture of 1,3M LiPF 6 EC (dimethyl carbonate): EC in a weight ratio of 5: 3: 2 was used as an electrolyte Thereby preparing a coin cell type lithium secondary battery.
전지 용량Battery capacity
제작한 코인셀은 25℃ 항온에 24시간 방치한 후, 리튬 이차전지 충·방전 시험장치(Toyo System사)를 사용하고, 테스트 셀의 전압영역을 3.0 ~ 4.6V로 설정, CC(Constant Current)/CV(Constant Voltage) 모드에서 0.2C의 전류로 충·방전을 진행하고 방전용량을 구했다. The prepared coin cell was allowed to stand at a constant temperature of 25 ° C for 24 hours, and then a lithium secondary battery charge / discharge test apparatus (Toyo System) was used. The voltage range of the test cell was set to 3.0 to 4.6 V, / CV (Constant Voltage) mode, charging / discharging was carried out at a current of 0.2 C and the discharge capacity was obtained.
수명 특성Life characteristics
첫 사이클 이후에는 테스트 셀의 전압영역을 2.5 ~ 4.6V로 설정, CC/CV 모드에서 1C의 전류로 충·방전하여 50사이클 반복하고, 용량 유지율을 평가하였다. 용량 유지율은 하기 식으로 산출하였다.After the first cycle, the voltage range of the test cell was set to 2.5 to 4.6 V, the current of 1 C was charged / discharged in the CC / CV mode, and the cycle was repeated for 50 cycles. The capacity retention rate was calculated by the following formula.
용량 유지율 (%) = (50회 충방전 후 방전용량 / 초기 방전용량) * 100
Capacity retention rate (%) = (discharge capacity after 50 charge / discharge / initial discharge capacity) * 100
상기 평가방법에 따라, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 대한 방전 용량 및 용량 유지율을 하기 표 1에 나타내었다. The discharge capacity and capacity retention rate of the lithium secondary battery including the cathode active material prepared in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 according to the above evaluation method are shown in Table 1 below.
상기 표 1로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 리튬 금속 복합산화물에 불소 및 리튬 금속 인산화물이 이중으로 음각 코팅된 실시예 1의 양극 활물질을 포함하는 이차전지의 경우, 코팅이 전혀 실시되지 않은 비교예 1및 불소 코팅만 실시된 비교예 2에 비해 전지 용량 및 수명 특성이 크게 개선됨을 알 수 있다.
As can be seen from Table 1, in the case of the secondary battery including the cathode active material of Example 1 in which fluorine and lithium metal phosphorous were doubly coated on the lithium metal composite oxide according to the present invention, It can be seen that the battery capacity and lifetime characteristics are significantly improved as compared with Example 1 and Comparative Example 2 in which only fluorine coating is performed.
Claims (11)
상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자에 Liα(NH4)βPO4(α+β=3)를 혼합한 후 2차 열처리하여, 상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내측으로 하기의 화학식 3으로 표현되는 제2음각 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 양극 활물질의 제조방법:
화학식 1
Li1+xNiaCobMncO2+d
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)
화학식 2
Li1+xNiaCobMncO2+dFz
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0.1< 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)
화학식 3
Li1+yNiaCobMncPO4+e-zFz
(여기서, 0.1 < y < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < e < 0.5).Forming a first intaglio coating layer represented by the following formula (2) inward from the surface of the lithium metal composite oxide particle by mixing a fluorine source with a lithium metal composite oxide particle represented by the following formula (1) and subjecting it to a first heat treatment; And
The lithium metal complex oxide particle having the first intagliated coating layer formed thereon is mixed with Li alpha (NH 4 ) β PO 4 (α + β = 3) And forming a second intaglio coating layer represented by the following formula (3) inward from the surface of the cathode active material:
Formula 1
Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d
(Where 0 <x <0.33, 0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 1)
(2)
Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d F z
0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 0.1, One)
(3)
Li 1 + y Ni a Co b Mn c PO 4 + ez F z
0.1 <y <0.33, 0.01 <z <0.05, 0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <e <0.5).
상기 1차 및 제2차 열처리 온도는 500 ~ 700 ℃인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the first and second heat treatment temperatures are 500 to 700 占 폚.
상기 불소 공급원은 상기 양극 활물질에 포함되는 Li : F의 몰비가 1 : 0.01 ~ 0.05가 되도록 혼합하는 것을 특징을 하는 양극 활물질의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the fluorine source is mixed such that the molar ratio of Li: F contained in the cathode active material is 1: 0.01 to 0.05.
상기 불소 공급원은 LiF, NaF, KF, CsF, RbF, TiF, AgF, AgF₂, BaF2, CaF2, CuF2, CdF2, FeF2, HgF2, Hg2F2, MnF2, MgF2, NiF2, PbF2, SnF2, SrF2, XeF2, ZnF2, AlF3, BF3, BiF3, CeF3, CrF3, DyF3, EuF3, GaF3, GdF3, FeF3, HoF3, InF3, LaF3, LuF3, MnF3, NdF3, VOF3, PrF3, SbF3, ScF3, SmF3, TbF3, TiF3, TmF3, YF3, YbF3, TIF3, CeF4, GeF4, HfF4, SiF4, SnF4, TiF4, VF4, ZrF4, NbF5, SbF5, TaF5, BiF5, MoF6, ReF6, SF6 및 WF6로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method according to claim 1,
The fluorine source may be LiF, NaF, KF, CsF, RbF, TiF, AgF, AgF₂, BaF 2, CaF 2, CuF 2, CdF 2, FeF 2, HgF 2, Hg 2 F 2, MnF 2, MgF 2, NiF 2 , PbF 2 , SnF 2 , SrF 2 , XeF 2 , ZnF 2 , AlF 3 , BF 3 , BiF 3 , CeF 3 , CrF 3 , DyF 3 , EuF 3 , GaF 3 , GdF 3 , FeF 3 , HoF 3 , InF 3, LaF 3, LuF 3 , MnF 3, NdF 3, VOF 3, PrF 3, SbF 3, ScF 3, SmF 3, TbF 3, TiF 3, TmF 3, YF 3, YbF 3, TIF 3, CeF 4 , GeF 4, HfF 4, SiF 4, SnF 4, TiF 4, VF 4, ZrF 4, NbF 5, SbF 5, TaF 5, BiF 5, MoF 6, ReF 6, SF 6 , and selected from the group consisting of WF 6 Wherein the positive electrode active material is at least one selected from the group consisting of lithium,
상기 Liα(NH4)βPO4 (α+β=3)의 혼합량은 상기 양극 활물질에 포함되는 전체 리튬량을 기준으로 1~10몰%인 것을 특징을 하는 양극 활물질의 제조방법.The method according to claim 1,
The Li α (NH 4) β PO 4 (α + β = 3) Amount of the method of producing a cathode active material characterized in that 1 to 10 mol%, based on the total amount of lithium contained in the positive electrode active material.
상기 리튬 금속 복합산화물은,
전이금속 화합물 전구체를 합성하는 단계; 및
상기 전이금속 화합물 전구체와 Li 공급원을 혼합한 후 600 ~ 1000℃에서 열처리하는 단계에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method according to claim 1,
The lithium metal composite oxide may be,
Synthesizing a transition metal compound precursor; And
Wherein the transition metal compound precursor is mixed with a Li source and then heat-treated at 600 to 1000 占 폚.
상기 리튬 공급원은 Li2CO3, LiOH, LiNO3 및 LiCH3COO로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the lithium source is at least one selected from the group consisting of Li 2 CO 3 , LiOH, LiNO 3 and LiCH 3 COO.
상기 리튬 금속 복합산화물 입자 표면에서 내측으로 형성된 하기의 화학식 2로 표현되는 제1음각 코팅층; 및
상기 제1음각 코팅층이 형성된 리튬 금속 복합산화물 입자의 표면에서 내측으로 형성된 하기의 화학식 3으로 표현되는 제2음각 코팅층을 포함하는 양극 활물질:
화학식 1
Li1+xNiaCobMncO2+d
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)
화학식 2
Li1+xNiaCobMncO2+dFz
(여기서, 0.1 < x < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0.1< 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < d < 0.5, x + a + b + c = 1)
화학식 3
Li1+yNiaCobMncPO4+e-zFz
(여기서, 0.1 < y < 0.33, 0.01 < z < 0.05, 0 < a < 0.4, 0 < b < 0.4, 0.4 < c < 0.9, -0.5 < e < 0.5).A layered lithium metal composite oxide particle expressed by the following formula (1);
A first intaglio coating layer formed on the surface of the lithium metal composite oxide particle and expressed by the following formula (2); And
And a second intaglio coating layer formed inside the surface of the lithium metal composite oxide particle on which the first intaglio coating layer is formed and expressed by the following Formula 3:
Formula 1
Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d
(Where 0 <x <0.33, 0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 1)
(2)
Li 1 + x Ni a Co b Mn c O 2 + d F z
0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <d <0.5, x + a + b + c = 0.1, One)
(3)
Li 1 + y Ni a Co b Mn c PO 4 + ez F z
0.1 <y <0.33, 0.01 <z <0.05, 0 <a <0.4, 0 <b <0.4, 0.4 <c <0.9, -0.5 <e <0.5).
상기 화학식 2로 표현되는 불소를 포함하는 리튬 금속 복합산화물의 함량은 상기 양극 활물질에 포함되는 전체 리튬량을 기준으로 1~5몰%인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.9. The method of claim 8,
Wherein the content of the fluorine-containing lithium metal complex oxide expressed by the general formula (2) is 1 to 5 mol% based on the total amount of lithium contained in the cathode active material.
상기 화학식 3으로 표현되는 리튬 금속 인산화물의 함량은 상기 양극 활물질에 포함되는 전체 리튬량을 기준으로 1~10몰%인 것을 특징으로 하는 양극 활물질.9. The method of claim 8,
Wherein the content of lithium metal phosphate represented by Formula 3 is 1 to 10 mol% based on the total amount of lithium contained in the positive electrode active material.
음극 활물질을 포함하는 음극; 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 존재하는 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지.
A cathode comprising the cathode active material of any one of claims 8 to 10;
A negative electrode comprising a negative electrode active material; And
And an electrolyte existing between the positive electrode and the negative electrode.
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