KR20150076402A - Positive electrode active material for rechargable lithium battery, method for synthesis the same, and rechargable lithium battery including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a cathode active material including the lithium manganese oxide doped with phosphorous (P) ions for a lithium secondary battery, a preparation method thereof, and the lithium secondary battery including the same.

Description

리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGABLE LITHIUM BATTERY, METHOD FOR SYNTHESIS THE SAME, AND RECHARGABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery including the same. BACKGROUND OF THE INVENTION [0002]

리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. A cathode active material for a lithium secondary battery, a production method thereof, and a lithium secondary battery comprising the same.

전지는 내부에 들어 있는 화학 물질의 전기 화학적 산화 환원 반응시 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 전지 내부의 에너지가 모두 소모되면 폐기하여야 하는 일차 전지와 여러 번 충전할 수 있는 이차 전지로 나눌 수 있다. 이 중 이차 전지는 화학 에너지와 전기 에너지의 가역적 상호 변환을 이용하여 여러 번 충방전하여 사용할 수 있다.A battery is a device that converts the chemical energy generated by an electrochemical oxidation-reduction reaction of an internal chemical substance into electrical energy. When the energy inside the battery is exhausted, the primary battery and the rechargeable secondary battery . Among them, the secondary battery can be used by charging and discharging several times by using reversible conversion between chemical energy and electric energy.

최근 첨단 전자산업의 발달로 전자 장비의 소형화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 증대되고 있다. 이러한 휴대용 전자 기기의 전원으로 높은 에너지 밀도를 가진 전지의 필요성이 증대되어 리튬 이차 전지의 연구가 활발하게 진행되고 있다.Background Art [0002] With the recent development of high-tech electronic industry, it is possible to miniaturize and lighten electronic equipments, and the use of portable electronic equipments is increasing. The need for a battery having a high energy density as a power source for such portable electronic devices has been increased, and research on lithium secondary batteries has been actively conducted.

이러한 리튬 이차 전지는 리튬을 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation)할 수 있는 양극 활물질을 포함하는 양극 및 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하는 전지 셀에 전해질을 주입하여 사용된다.Such a lithium secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium and a negative electrode including a negative active material capable of intercalating and deintercalating lithium And the electrolyte is injected into the battery cell.

이 중 양극 활물질로 다양한 전이 금속을 포함하는 산화물을 사용하여 전지 특성을 개선하는 연구가 진행되고 있다. 전이 금속을 포함하는 산화물로는 예컨대 리튬 코발트계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 또는 리튬 망간계 산화물 등을 들 수 있다.Among them, studies have been made to improve the battery characteristics by using an oxide containing various transition metals as a cathode active material. Examples of the oxide containing a transition metal include lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide and the like.

현재 활발하게 연구 개발되고 있는 양극재료로 리튬망간산화물(LiMn2O4, LMO)는 스피넬 구조를 가지며, Mn의 매장량이 많기 때문에 다른 재료들(LiCoO2, LiNiO2)보다 가격이 저렴하고, 독성이 적어 친환경적이며 안전하다. 또한, 에너지밀도가 높고 출력특성이 뛰어난 장점으로 인해 전지자동차 및 다양한 휴대용 전력 원으로 사용되고 있다. 그러나 향후 에너지 저장 장치 및 전지 자동차의 안정한 전력 원으로 사용되기 위해서는 고온에의 전해질 분해와 Mn 용출로 인한 용량감소의 문제점을 해결해야 한다.Lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 , LMO) has a spinel structure and has a large amount of Mn, which is cheaper than other materials (LiCoO 2 , LiNiO 2 ) This is environmentally friendly and safe. Also, because of its high energy density and excellent output characteristics, it is used in battery automobiles and various portable power sources. However, in order to be used as a stable power source for energy storage devices and battery automobiles in the future, problems of electrolyte decomposition at a high temperature and capacity reduction due to Mn dissolution must be solved.

리튬망간산화물의 충방전 진행 시, 망간 이온 (Mn3 +)이 불균등화 반응(disproportionation)에 의해 Mn2 +/4+이온으로 나뉘며 반응을 시작하고 Mn2 + 이온은 전해질로 용해되어 음극으로 이동하여 충방전에 더 이상 참여하지 못하고 Mn2 + 이온은 음극표면에 석출되어 저항으로 작용하게 된다. 이로 인해 리튬망간산화물은 용량감소가 발생한다. Mn 용출은 상온에서보다 고온 (약 55℃)에서 활발히 진행되어 급격한 용량 감소가 발생하게 된다. During the charging and discharging of lithium manganese oxide, manganese ions (Mn 3 + ) are divided into Mn 2 + / 4 + ions by disproportionation and Mn 2 + ions dissolve as electrolytes and move to the cathode And Mn 2 + ions precipitate on the surface of the negative electrode and act as a resistor. This causes a reduction in capacity of the lithium manganese oxide. The Mn elution proceeds actively at a higher temperature (about 55 ° C) than at room temperature, resulting in a rapid capacity decrease.

이러한 용량 감소 문제점을 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있는데, 대표적으로 양극재 표면 코팅과 양이온 도핑이 있다. Many studies have been carried out to solve this capacity reduction problem. Typically, there are cathode coating and cation doping.

양극재 표면 코팅은 Al2O3, ZrO2, ZnO, Co3O4와 같은 금속 산화물로 리튬망간산화물의 입자를 코팅하여 전해질의 분해와 피막형성을 통한 전해질과의 부반응을 억제 시키는 것이다. 또한 양이온 도핑은 Al, Fe, Co, Ni, Cr와 같은 전이금속이온을 도핑시켜 결정구조를 안정하게 만드는 것이다.The surface coating of the cathode material is a metal oxide such as Al 2 O 3 , ZrO 2 , ZnO, and Co 3 O 4 to coat the particles of lithium manganese oxide, thereby suppressing the side reaction with the electrolyte through decomposition of the electrolyte and formation of a film. Cation doping also stabilizes the crystal structure by doping transition metal ions such as Al, Fe, Co, Ni, and Cr.

그러나 기존의 표면 코팅이나 양이온 도핑으로는 고온에서의 용량 감소 문제를 해결하는 데 한계가 있다.
However, existing surface coatings and cation doping have limitations in solving capacity reduction problems at high temperatures.

고온 수명 특성 및 출력 특성이 향상된 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다. A lithium secondary battery including the same, a method for producing the same, and a lithium secondary battery including the same.

본 발명의 일 구현예에서는 인(P)계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공한다. In one embodiment of the present invention, there is provided a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium manganese oxide doped with phosphorus (P) based anions.

상기 인계 음이온은 PO4 3 -일 수 있다. The phosphorus anion may be PO 4 3 - .

상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물은 알루미늄이 더 도핑되어 있을 수 있다. The lithium manganese oxide doped with phosphorus anions may be further doped with aluminum.

상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. The lithium manganese oxide doped with the phosphorus-based anion may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LixMn2 - yAlyO4 -z(PO4)z Li x Mn 2 - y Al y O 4 -z (PO 4 ) z

상기 화학식 1에서, 0.9≤x≤1.5, 0≤y≤0.1, 및 0.001≤z≤0.02이다.In the above formula (1), 0.9? X? 1.5, 0? Y? 0.1, and 0.001? Z?

상기 화학식 1에서 0.003≤z≤0.007일 수 있다. 0.003? Z? 0.007 in the above formula (1).

상기 화학식 1에서 0.05≤y≤0.1일 수 있다. In Formula 1, 0.05? Y? 0.1 may be satisfied.

상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물의 격자 상수는 8.2085 내지 8.2300일 수 있다. The lattice constant of the lithium manganese oxide doped with the phosphorus anion may be 8.2085 to 8.2300.

상기 양극 활물질은 1차 입자가 응집된 2차 입자의 형태이고, 상기 2차 입자의 평균 입경은 8㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 또한 상기 1차 입자의 평균 입경은 0.1㎛ 내지 5㎛일 수 있다. The cathode active material may be in the form of secondary particles in which primary particles are aggregated, and the average particle diameter of the secondary particles may be 8 to 30 탆. Further, the average particle diameter of the primary particles may be 0.1 탆 to 5 탆.

상기 양극 활물질에서 유도 결합 플라즈마(ICP; inductively coupled plasma) 분석에 의해 측정된 인(P)의 함량은 0.01ppm 내지 0.5ppm일 수 있다. The content of phosphorus (P) measured by inductively coupled plasma (ICP) analysis in the cathode active material may be 0.01 ppm to 0.5 ppm.

상기 양극 활물질은 구형(spherical)일 수 있다.The cathode active material may be spherical.

본 발명의 다른 일 구현예에서는 리튬 원료, 망간 원료, 및 인 원료를 포함하는 금속염 수용액을 제조하는 단계; 상기 금속염 수용액을 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 금속염 수용액을 분무 건조하여 금속 산화물 전구체를 제조하는 단계; 상기 금속 산화물 전구체를 열처리하는 단계; 및 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물을 수득하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a metal salt, comprising: preparing an aqueous metal salt solution containing a lithium source, a manganese source, and a phosphorus source; Pulverizing the aqueous metal salt solution; Spray-drying the pulverized metal salt aqueous solution to prepare a metal oxide precursor; Heat treating the metal oxide precursor; And a step of obtaining a lithium manganese oxide doped with a phosphorus-based anion.

상기 인 원료는 NH4H2PO4, C6H18O8P2, C4H11O4P, C6H13O9P, AlPO4, 또는 이들의 조합일 수 있다. The phosphorus source may be NH 4 H 2 PO 4 , C 6 H 18 O 8 P 2 , C 4 H 11 O 4 P, C 6 H 13 O 9 P, AlPO 4 , or a combination thereof.

상기 인 원료는 상기 리튬 원료 1 몰에 대하여 0.001 내지 0.02몰 포함될 수 있다.The phosphorus raw material may be contained in an amount of 0.001 to 0.02 mol based on 1 mol of the lithium source.

상기 금속염 수용액은 알루미늄 원료를 더 포함할 수 있다.The aqueous metal salt solution may further comprise an aluminum raw material.

상기 금속염 수용액에서 상기 알루미늄 원료의 농도는 0.01M 내지 0.1M일 수 있다. The concentration of the aluminum raw material in the metal salt aqueous solution may be 0.01M to 0.1M.

상기 금속염 수용액을 분쇄하는 단계는 원료 물질들의 입경이 1 ㎛ 이하가 되도록 분쇄하는 것일 수 있다. The step of pulverizing the metal salt aqueous solution may be such that the raw materials are pulverized to have a particle size of 1 μm or less.

상기 금속 산화물 전구체를 열처리하는 단계는 850℃ 내지 950℃에서 수행될 수 있다. The step of heat-treating the metal oxide precursor may be performed at 850 캜 to 950 캜.

상기 금속 산화물 전구체의 평균 입경은 8㎛ 내지 30㎛일 수 있다. The average particle diameter of the metal oxide precursor may be 8 탆 to 30 탆.

상기 수득된 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. The phosphorus-doped anion-doped lithium manganese oxide may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LixMn2 - yAlyO4 -z(PO4)z Li x Mn 2 - y Al y O 4 -z (PO 4 ) z

상기 화학식 1에서, 0.9≤x≤1.5, 0≤y≤0.1, 및 0.001≤z≤0.02이다.In the above formula (1), 0.9? X? 1.5, 0? Y? 0.1, and 0.001? Z?

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는 상기 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극, 및 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte containing the positive electrode active material.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other details of the embodiments of the present invention are included in the following detailed description.

일 구현예에 따른 양극 활물질과 이를 포함하는 리튬 이차 전지는 고온 수명 특성 및 출력 특성 등이 우수하다.The cathode active material according to one embodiment and the lithium secondary battery including the same have excellent high-temperature lifetime characteristics and output characteristics.

도 1은 비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 양극 활물질에 대한 XRD분석 결과이다.
도 2는 비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 양극 활물질에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 실시예 1의 양극 활물질의 FIB-SEM 사진 및 입자 단면 층의 에너지 분광 분석(EDS) 결과이다.
도 4는 비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 양극 활물질에 대한 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR) 분석 그래프이다.
도 5는 비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 수명 특성 평가 그래프이다.
도 6은 실시예 2와 비교예 1에 대한 C-rate 특성을 평가한 그래프이다.
1 shows the results of XRD analysis of the cathode active materials of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the cathode active material of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5.
3 is an FIB-SEM photograph of the cathode active material of Example 1 and an energy spectroscopic analysis (EDS) of the particle cross-sectional layer.
4 is a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis graph for the cathode active material of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5.
Fig. 5 is a graph showing evaluation of life characteristics of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5. Fig.
FIG. 6 is a graph showing C-rate characteristics for Example 2 and Comparative Example 1. FIG.

이하, 본 발명의 구현 예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

본 발명의 일 구현예에서는 인(P)계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공한다. 상기 양극 활물질은 수명 특성과 출력 특성이 우수하고, 특히 고온에서의 수명 특성이 우수하다.In one embodiment of the present invention, there is provided a cathode active material for a lithium secondary battery comprising a lithium manganese oxide doped with phosphorus (P) based anions. The cathode active material has excellent lifetime characteristics and output characteristics, and particularly excellent lifetime characteristics at high temperatures.

상기 인계 음이온이 리튬망간산화물에 도핑(doping)된다는 것은 상기 인계 음이온이 상기 리튬망간산화물의 산소 자리의 일부에 치환된다는 것을 의미할 수 있다.The fact that the phosphorus anion is doped into the lithium manganese oxide means that the phosphorus anion is substituted into a part of the oxygen sites of the lithium manganese oxide.

상기 인계 음이온은 구체적으로 인산 음이온일 수 있고, 예를 들어 PO4 3 -일 수 있다.The phosphorus anion may be specifically a phosphate anion, for example, PO 4 3 - .

상기 인계 음이온의 이온 반경은 2.78Å로, 산소 이온 (O2 -)의 이온 반경인 1.32Å보다 크기 때문에, 상기 인계 음이온이 산소 자리의 일부에 들어가면서 격자 상수가 증가할 수 있다. 이에 따라 충방전시의 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 용이할 것으로 생각된다.Since the ion radius of the phosphorus anion is 2.78 Å and larger than 1.32 Å, which is the ion radius of the oxygen ion (O 2 - ), the lattice constant may increase as the phosphorus anion enters part of the oxygen sites. Accordingly, insertion and desorption of lithium ions during charging and discharging are considered to be easy.

한편 상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물은 알루미늄 양이온이 더 도핑되어 있을 수 있다. 이 경우 상기 양극 활물질은 고온 수명 특성 및 출력 특성이 향상된다.On the other hand, the lithium manganese oxide doped with the phosphorus anion may be further doped with aluminum cations. In this case, the cathode active material has improved high-temperature lifetime characteristics and output characteristics.

상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물은 구체적으로 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. The lithium manganese oxide doped with the phosphorus-based anion may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LixMn2 - yAlyO4 -z(PO4)z Li x Mn 2 - y Al y O 4 -z (PO 4 ) z

상기 화학식 1에서, 0.9≤x≤1.5, 0≤y≤0.1, 및 0.001≤z≤0.02이다.In the above formula (1), 0.9? X? 1.5, 0? Y? 0.1, and 0.001? Z?

상기 화학식 1로 표시되는 리튬망간산화물을 양극 활물질로 사용할 경우 전지의 고온 수명 특성 및 출력 특성이 향상될 수 있다. When the lithium manganese oxide represented by Formula 1 is used as the cathode active material, the high temperature lifetime characteristics and the output characteristics of the battery can be improved.

상기 화학식 1에서 x의 범위는 구체적으로 1.0≤x≤1.5, 0.9≤x≤1.4, 0.9≤x≤1.3, 0.9≤x≤1.2일 수 있다. x가 상기 범위를 만족할 경우 상기 양극 활물질은 우수한 전지 특성을 구현할 수 있다. Specifically, the range of x in the formula (1) may be 1.0? X? 1.5, 0.9? X? 1.4, 0.9? X? 1.3, and 0.9? X? 1.2. When x satisfies the above range, the positive electrode active material can realize excellent battery characteristics.

상기 화학식 1에서 z의 범위는 구체적으로 0.003≤z≤0.02, 0.003≤z≤0.01, 0.003≤z≤0.009, 0.003≤z≤0.008, 0.003≤z≤0.007, 0.005≤z≤0.02, 0.005≤z≤0.01일 수 있다. z가 상기 범위를 만족할 경우 상기 양극 활물질은 우수한 고온 수명 특성을 나타낼 수 있다. 0.003? Z? 0.009, 0.003? Z? 0.008, 0.003? Z? 0.007, 0.005? Z? 0.02, 0.005? Z? 0.01. When z satisfies the above range, the cathode active material can exhibit excellent high-temperature lifetime characteristics.

상기 화학식 1에서 y는 구체적으로 0<y≤0.1, 0.01≤y≤0.1, 0.02≤y≤0.1, 0.03≤y≤0.1, 0.04≤y≤0.1, 0.05≤y≤0.1일 수 있다. y가 상기 범위를 만족할 경우 상기 양극 활물질은 우수한 고온 수명 특성을 나타낼 수 있다.Y may be 0 <y? 0.1, 0.01? Y? 0.1, 0.02? Y? 0.1, 0.03? Y? 0.1, 0.04? Y? 0.1, 0.05? Y? When y satisfies the above range, the cathode active material can exhibit excellent high-temperature lifetime characteristics.

상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물의 격자 상수는 8.2085 내지 8.2300, 구체적으로 8.2085 내지 8.2250일 수 있다. 상기 범위의 격자 상수를 만족할 경우, 충방전시 리튬의 삽입 및 탈리가 용이해져서 출력 특성이 향상될 수 있다. The lattice constant of the lithium anion-doped lithium manganese oxide may be 8.2085 to 8.2300, specifically 8.2085 to 8.2250. When the lattice constant in the above range is satisfied, insertion and removal of lithium can be facilitated during charging and discharging, and the output characteristics can be improved.

상기 양극 활물질은 1차 입자가 응집된 2차 입자의 형태일 수 있다. 이때 상기 2차 입자의 평균 입경은 8㎛ 내지 30㎛, 구체적으로 8㎛ 내지 25㎛, 8㎛ 내지 20㎛, 10㎛ 내지 30㎛, 10㎛ 내지 25㎛, 10㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 2차 입자의 평균 입경이 상기 범위를 만족할 경우 상기 양극 활물질은 우수한 전지 특성을 나타낼 수 있다. The cathode active material may be in the form of secondary particles in which primary particles are aggregated. The average particle diameter of the secondary particles may be 8 탆 to 30 탆, specifically 8 탆 to 25 탆, 8 탆 to 20 탆, 10 탆 to 30 탆, 10 탆 to 25 탆 and 10 탆 to 20 탆. When the average particle diameter of the secondary particles satisfies the above range, the cathode active material can exhibit excellent battery characteristics.

또한 상기 1차 입자의 평균 입경은 0.1㎛ 내지 5㎛, 구체적으로 0.5㎛ 내지 5㎛, 1㎛ 내지 5㎛, 1㎛ 내지 4㎛, 1㎛ 내지 3㎛ 일 수 있다. 1차 입자의 평균 입경이 상기 범위를 만족할 경우 상기 양극 활물질은 우수한 전지 특성을 나타낼 수 있다. The primary particles may have an average particle diameter of 0.1 탆 to 5 탆, specifically 0.5 탆 to 5 탆, 1 탆 to 5 탆, 1 탆 to 4 탆, and 1 탆 to 3 탆. When the average particle diameter of the primary particles satisfies the above range, the cathode active material can exhibit excellent battery characteristics.

상기 평균 입경은 D50을 의미할 수 있고, 상기 D50은 입도 누적 분포 곡선(cumulative size-distribution curve)에서 부피비로 50%에서의 입자 크기를 의미한다.The average particle diameter may mean D50, and D50 means a particle size at 50% by volume ratio in a cumulative size-distribution curve.

상기 양극 활물질은 구형(spherical)일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 1차 입자들이 단단하게 뭉친 구형의 2차 입자 형태일 수 있다. 이 경우 상기 양극 활물질은 우수한 전지 특성을 나타낼 수 있다. The cathode active material may be spherical. Specifically, the cathode active material may be in the form of spherical secondary particles in which the primary particles are tightly aggregated. In this case, the cathode active material may exhibit excellent battery characteristics.

상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물의 표면부로 갈수록 상기 인계 음이온의 도핑량은 증가할 수 있다. 이는 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물을 제조하는 과정에서 인계 음이온이 입자의 표면으로 이동하는 것으로 생각된다.The doping amount of the phosphorus anion may increase as the surface of the lithium manganese oxide doped with the phosphorus anion is doped. It is believed that phosphorus anions migrate to the surface of the particles during the preparation of lithium manganese oxide doped with phosphorus anions.

상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물에 알루미늄이 더 도핑된 경우, 상기 알루미늄의 도핑량은 상기 리튬망간산화물의 내부로 갈 수록 증가할 수 있다. 이는 상기 리튬망간산화물을 제조하는 과정에서 알루미늄이 입자의 내부로 이동하는 것으로 생각된다.When aluminum is further doped in the lithium manganese oxide doped with the phosphorus anion, the doping amount of the aluminum may increase as the lithium manganese oxide is further doped. It is believed that aluminum migrates to the inside of the particles during the production of the lithium manganese oxide.

상기 양극 활물질에서 유도 결합 플라즈마(ICP; inductively coupled plasma) 분석에 의해 측정된 인(P)의 함량은 0.01ppm 내지 0.5ppm, 구체적으로 0.01ppm 내지 0.4ppm, 0.01ppm 내지 0.3ppm, 0.01ppm 내지 0.25ppm, 0.02ppm 내지 0.5ppm, 0.03ppm 내지 0.5ppm, 0.04ppm 내지 0.5ppm, 0.05ppm 내지 0.5ppm, 0.06ppm 내지 0.5ppm, 0.06ppm 내지 0.3ppm, 0.06ppm 내지 0.25ppm일 수 있다. 이 경우 상기 양극 활물질은 우수한 수명 특성과 출력 특성을 나타낼 수 있다. The content of phosphorus (P) measured by inductively coupled plasma (ICP) analysis in the cathode active material is 0.01 ppm to 0.5 ppm, specifically 0.01 ppm to 0.4 ppm, 0.01 ppm to 0.3 ppm, 0.01 ppm to 0.25 ppm, 0.02 ppm to 0.5 ppm, 0.03 ppm to 0.5 ppm, 0.04 ppm to 0.5 ppm, 0.05 ppm to 0.5 ppm, 0.06 ppm to 0.5 ppm, 0.06 ppm to 0.3 ppm, 0.06 ppm to 0.25 ppm. In this case, the cathode active material can exhibit excellent lifetime characteristics and output characteristics.

본 발명의 다른 일 구현예에서는 리튬 원료, 망간 원료, 및 인 원료를 포함하는 금속염 수용액을 제조하는 단계; 상기 금속염 수용액을 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 금속염 수용액을 분무 건조하여 금속 산화물 전구체를 제조하는 단계; 상기 금속 산화물 전구체를 열처리하는 단계; 및 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물을 수득하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a metal salt, comprising: preparing an aqueous metal salt solution containing a lithium source, a manganese source, and a phosphorus source; Pulverizing the aqueous metal salt solution; Spray-drying the pulverized metal salt aqueous solution to prepare a metal oxide precursor; Heat treating the metal oxide precursor; And a step of obtaining a lithium manganese oxide doped with a phosphorus-based anion.

상기 제조 방법으로 수득한 양극 활물질은 수명 특성과 출력 특성이 우수하며 특히 고온에서의 수명 특성이 우수하다.The cathode active material obtained by the above production method has excellent lifetime characteristics and output characteristics, and particularly excellent lifetime characteristics at high temperatures.

일반 고상법은 금속 원료를 혼합 후 열처리 및 분쇄 공정을 통해 제조되는 것으로 원료 혼합에 한계가 있었다. 이러한 고상법에 의해 제조된 양극 활물질은 대체적으로 입자의 비표면적이 큰 무정형의 입자 형태로 성장하여, 전해액과 부반응이 높아지고 망간의 용출이 심해지는 문제가 있다.The general solid-phase method is manufactured through a heat treatment and a grinding process after mixing metal raw materials, and there is a limit to the raw material mixing. The cathode active material produced by the solid phase method generally grows into an amorphous particle form having a large specific surface area of the particles, so that the side reaction with the electrolyte is increased and the elution of manganese is increased.

그러나 일 구현예의 제조 방법은 습식 분무 건조 방법으로, 이에 따르면 원료의 균일한 혼합이 이루어지고, 비표면적이 비교적 작은 구형의 입자 형태가 형성된다. 이러한 양극 활물질은 전해질과의 접촉면이 줄어 전해질과의 부반응이 감소되고, 망간의 용출이 줄어들고 탭 밀도가 증가할 수 있다. However, the manufacturing method of one embodiment is a wet spray drying method, whereby a uniform mixing of the raw materials is achieved, and a spherical particle shape having a relatively small specific surface area is formed. Such a cathode active material has a reduced contact surface with the electrolyte, thereby reducing the side reaction with the electrolyte, reducing the elution of manganese and increasing the tap density.

상기 리튬 원료는 예를 들어 탄산리튬, 수산화리튬, 질산리튬, 산화리튬, 또는 이들의 조합일 수 있다. The lithium source may be, for example, lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium oxide, or a combination thereof.

상기 망간 원료는 이산화망간, 황산망간염, 질산망간염, 염산망간염, 초산망간염, 또는 이들의 조합일 수 있다. The manganese raw material may be manganese dioxide, manganese sulfate, manganese nitrate, manganese hydrochloride, manganese nitrate, or a combination thereof.

상기 인 원료는 예를 들어 NH4H2PO4, C6H18O8P2, C4H11O4P, C6H13O9P, AlPO4, 또는 이들의 조합일 수 있다. The phosphorous source may be, for example, NH 4 H 2 PO 4 , C 6 H 18 O 8 P 2 , C 4 H 11 O 4 P, C 6 H 13 O 9 P, AlPO 4 , or a combination thereof.

상기 금속염 수용액에서, 상기 인 원료는 상기 리튬 원료 1몰에 대하여 0.001 내지 0.02몰 포함될 수 있고, 구체적으로 0.003 내지 0.02몰, 0.003 내지 0.01몰, 0.003 내지 0.009몰, 0.003 내지 0.008몰, 0.003 내지 0.007몰, 0.005 내지 0.02몰, 0.005 내지 0.01몰 포함될 수 있다. 이 경우 상기 양극 활물질은 우수한 고온 수명 특성을 나타낼 수 있다. In the aqueous metal salt solution, the phosphorus source may be contained in an amount of 0.001 to 0.02 mols relative to 1 mole of the lithium source, specifically 0.003 to 0.02 mols, 0.003 to 0.01 mols, 0.003 to 0.009 mols, 0.003 to 0.008 mols, 0.003 to 0.007 mols , 0.005 to 0.02 mole, and 0.005 to 0.01 mole. In this case, the cathode active material can exhibit excellent high-temperature lifetime characteristics.

상기 금속염 수용액은 알루미늄 원료를 더 포함할 수 있다. 이 경우에는 상기 제조 방법에 의하여 인계 음이온과 알루미늄 양이온이 도핑된 리튬망간산화물을 수득할 수 있다. The aqueous metal salt solution may further comprise an aluminum raw material. In this case, a lithium manganese oxide doped with phosphorus anions and aluminum cations can be obtained by the above production method.

상기 알루미늄 원료는 예를 들어 알루미늄 하이드록사이드, 알루미늄 설페이트, 알루미늄 나이트레이트, 알루미늄 아세테이트, 알루미늄 클로라이드, 또는 이들의 조합일 수 있다. The aluminum source may be, for example, aluminum hydroxide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum acetate, aluminum chloride, or a combination thereof.

상기 금속염 수용액에서 상기 알루미늄 원료의 농도는 0.01M 내지 0.1M, 구체적으로 0.02M 내지 0.1M, 0.03M 내지 0.1M, 0.04M 내지 0.1M, 0.05M 내지 0.1M일 수 있다. 이 경우 상기 양극 활물질은 우수한 전지 특성을 나타낼 수 있다.In the metal salt aqueous solution, the concentration of the aluminum raw material may be 0.01M to 0.1M, specifically 0.02M to 0.1M, 0.03M to 0.1M, 0.04M to 0.1M, and 0.05M to 0.1M. In this case, the cathode active material may exhibit excellent battery characteristics.

상기 금속염 수용액을 분쇄하는 단계는 원료 물질들의 입경이 1 ㎛ 이하, 구체적으로 0.6㎛ 이하가 되도록 분쇄하는 것일 수 있다. 이 경우 그 다음 단계인 분무 건조 단계를 효과적으로 수행할 수 있다.The step of pulverizing the metal salt aqueous solution may be such that the raw material particles are pulverized to have a particle diameter of 1 탆 or less, specifically 0.6 탆 or less. In this case, the spray drying step as the next step can be effectively performed.

상기 수득된 금속 산화물 전구체의 평균 입경은 8㎛ 내지 30㎛, 구체적으로 ㎛ 내지 25㎛, 8㎛ 내지 20㎛, 10㎛ 내지 30㎛, 10㎛ 내지 25㎛, 10㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 이 경우 제조된 양극 활물질은 우수한 전지 특성을 나타낼 수 있다. The average particle diameter of the obtained metal oxide precursor may be 8 to 30 탆, specifically, 탆 to 25 탆, 8 to 20 탆, 10 to 30 탆, 10 to 25 탆, and 10 to 20 탆. In this case, the prepared positive electrode active material can exhibit excellent battery characteristics.

상기 금속 산화물 전구체를 열처리하는 단계는 850℃ 내지 950℃, 구체적으로 850℃ 내지 940℃, 850℃ 내지 930℃, 850℃ 내지 920℃, 850℃ 내지 910℃, 850℃ 내지 900℃에서 수행될 수 있다. 이 경우 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물이 효과적으로 제조될 수 있고, 이를 포함하는 양극 활물질은 우수한 전지 특성을 구현할 수 있다.The step of heat-treating the metal oxide precursor may be performed at a temperature of 850 ° C to 950 ° C, specifically 850 ° C to 940 ° C, 850 ° C to 930 ° C, 850 ° C to 920 ° C, 850 ° C to 910 ° C, have. In this case, the lithium manganese oxide doped with phosphorus anions can be effectively produced, and the cathode active material containing the lithium manganese oxide can realize excellent battery characteristics.

상기 수득된 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물은 전술한 바와 같으며, 구체적으로 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. The phosphorus-doped anion-doped lithium manganese oxide is as described above, and may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LixMn2 - yAlyO4 -z(PO4)z Li x Mn 2 - y Al y O 4 -z (PO 4 ) z

상기 화학식 1에서, 0.9≤x≤1.5, 0≤y≤0.1, 및 0.001≤z≤0.02이다.In the above formula (1), 0.9? X? 1.5, 0? Y? 0.1, and 0.001? Z?

상기 화학식 1에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다. A detailed description of the formula 1 is as described above.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는 상기 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극, 및 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte containing the positive electrode active material.

상기 양극은 집전체 및 상기 집전체 위에 형성되는 양극 활물질 층을 포함한다. The positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector.

상기 집전체로는 Al을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Al may be used as the current collector, but the present invention is not limited thereto.

상기 양극 활물질 층은 양극 활물질, 바인더, 그리고 선택적으로 도전재를 포함한다.The cathode active material layer includes a cathode active material, a binder, and optionally a conductive material.

상기 바인더는 예를 들어 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등일 수 있다. The binder may be selected from, for example, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, hydroxypropylcellulose, diacetylcellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymers comprising ethylene oxide, Styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, and the like can be used.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로, 전지에서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하다. 도전재의 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The conductive material is used for imparting conductivity to the electrode. Any conductive material can be used without causing any chemical change in the battery. Examples of the conductive material include metal powders such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, copper, nickel, aluminum and silver, metal fibers and the like, and conductive materials such as polyphenylene derivatives May be used alone or in combination.

상기 음극은 집전체 및 상기 집전체 위에 형성된 음극 활물질 층을 포함한다. The negative electrode includes a current collector and a negative electrode active material layer formed on the current collector.

상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The current collector may be a copper foil, a nickel foil, a stainless steel foil, a titanium foil, a nickel foil, a copper foil, a polymer substrate coated with a conductive metal, or a combination thereof.

상기 음극 활물질 층은 음극 활물질, 바인더 조성물, 및/또는 도전재를 포함한다.The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material, a binder composition, and / or a conductive material.

상기 음극 활물질로는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 또는 전이 금속 산화물을 포함한다. The negative electrode active material includes a material capable of reversibly intercalating / deintercalating lithium ions, a lithium metal, an alloy of lithium metal, a material capable of doping and dedoping lithium, or a transition metal oxide.

상기 음극 활물질과 바인더 조성물, 도전재에 대한 설명은 생략한다.Descriptions of the negative electrode active material, the binder composition and the conductive material will be omitted.

상기 전해질은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다. 상기 비수성 유기 용매와 리튬염은 상용되는 것이라면 제한 없이 적용될 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.The electrolyte includes a non-aqueous organic solvent and a lithium salt. The non-aqueous organic solvent and the lithium salt can be used as long as they are compatible with each other, so that detailed explanation is omitted.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐이므로 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. The following examples are only illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

비교예Comparative Example 1 ( One ( AlAl 도핑된Doped LMOLMO ))

(1) 양극 활물질의 제조(1) Preparation of cathode active material

출발 물질로 Li2CO3 1.03M, MnO2 1.92M, Al(OH)3 0.08M을 각각 측량 후, 증류수에 충분히 녹인 다음 습식분쇄를 진행하였다. 습식분쇄는 원료의 미분쇄 및 균일한 혼합을 위해 0.65mm 크기의 작은 지르코늄 볼을 사용하며 지르코늄 볼이 2,800rpm으로 고속 회전하는 구간을 1시간 반 동안 슬러리를 순환시켰다. 1.03M of Li 2 CO 3, 1.92M of MnO 2 and 0.08M of Al (OH) 3 were respectively measured as starting materials and sufficiently dissolved in distilled water, followed by wet pulverization. Wet milling used a small zirconium ball having a size of 0.65 mm for milling and uniform mixing of raw materials and circulated the slurry for 1 hour and a half at a high rotation speed of the zirconium ball at 2,800 rpm.

분쇄/혼합을 통해 0.6㎛가량으로 1차 응집된 슬러리를 수득하고 이를 교반하며 습식 분무 건조를 진행하였다. 분무기(atomizer) 노즐을 통해 분무된 슬러리는 내부 120℃ 안팎의 구간에서 2차 응집되어 분무되는 공기압을 조절하여 원하는 입자크기를 수득하였다. The slurry was first pulverized / mixed to obtain a slurry having a primary agglomeration of about 0.6 mu m, followed by agitation and wet spray drying. The slurry sprayed through the atomizer nozzles was subjected to secondary agglomeration at an internal temperature of 120 ° C and controlled to adjust the air pressure to obtain a desired particle size.

이후 885℃에서 2시간 열처리를 통해 합성을 진행하였으며 승온 속도는 2℃/min이다. 열처리된 양극활물질은 유발을 사용하여 해쇄하였고 분급하여 최종적으로 Al이 도핑된 리튬망간산화물의 제조하였다.Thereafter, the synthesis was carried out by heat treatment at 885 ° C for 2 hours, and the heating rate was 2 ° C / min. The heat treated cathode active material was pulverized using induction and classified to finally produce Al-doped lithium manganese oxide.

(2) 리튬 이차 전지((2) Lithium secondary battery ( HalfHalf -- cellcell )의 제조)

리튬 호일을 상대 전극으로 하고 다공성 폴리에틸렌막을 분리막으로 사용하였다. 일반 카보네이트계 상용 전해질을 사용하여 R2032타입의 코인 셀을 제작하였다.Lithium foil was used as a counter electrode and a porous polyethylene membrane was used as a separator. A coin cell of the R2032 type was fabricated using a common carbonate-based commercial electrolyte.

실시예Example 1 내지 5 ( 1 to 5 ( POPO 44 -- AlAl 도핑된Doped LMOLMO ))

출발 물질에서 인계 음이온 도핑 원료로 암모늄 포스페이트 (ammonium phosphate; NH4H2PO4) 0.003, 0.005, 0.007, 0.01, 0.02M을 추가적으로 습식분쇄과정에 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 습식분무건조 및 소성과정을 통해 PO4-Al이 도핑된 리튬망간산화물 양극 활물질을 제조하였다. As in Comparative Example 1, except that ammonium phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) 0.003, 0.005, 0.007, 0.01, 0.02 M was further added to the wet pulverization process as the phosphorus anion doping raw material in the starting material The cathode active material of PO 4 -Al-doped lithium manganese oxide was prepared by wet spray drying and calcination.

이후 비교예 1과 동일한 방법으로 코인셀을 제조하였다.Thereafter, a coin cell was produced in the same manner as in Comparative Example 1.

상기 비교예 1 및 실시예 1 내지 5에서 제조한 양극 활물질의 화학식은 아래 표 1과 같다.The formulas of the cathode active material prepared in Comparative Example 1 and Examples 1 to 5 are shown in Table 1 below.

구분division 화학식The 비교예 1Comparative Example 1 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O4 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 4 실시예 1Example 1 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .997(PO4)0.003 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .997 (PO 4) 0.003 실시예 2Example 2 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .995(PO4)0.005 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .995 (PO 4) 0.005 실시예 3Example 3 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .995(PO4)0.007 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .995 (PO 4) 0.007 실시예 4Example 4 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .99(PO4)0.01 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .99 (PO 4) 0.01 실시예 5Example 5 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .98(PO4)0.02 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .98 (PO 4) 0.02

평가예Evaluation example 1: 엑스선  1: X-ray 회절diffraction 분석 (X- Analysis (X- rayray diffractiondiffraction ; ; XRDXRD ))

비교예 1 및 실시예 1 내지 5에서 제조한 양극 활물질에 대해 XRD 분석을 수행하여 그 결과를 도 1에 나타내었다. XRD analysis was performed on the cathode active materials prepared in Comparative Example 1 and Examples 1 to 5, and the results are shown in Fig.

도 1은 비교예와 실시예에 대한 XRD분석 결과이다. 분석 결과, 스피넬 구조의 피크를 확인할 수 있고, Al과 인계 음이온 도핑에 따른 변화와 인계 음이온의 도핑량에 따른 변화는 없었다. 강도(intensity)의 차이는 존재하지만 실시예 모두 큰 유의차 없는 결과이다. 이를 통해 리튬망간산화물 합성 시, 소량으로 첨가된 도핑 물질이 불순물로 따로 존재하거나 합성을 방해하지 않았음을 확인할 수 있다.Fig. 1 shows the results of XRD analysis for Comparative Examples and Examples. As a result of the analysis, the peak of the spinel structure can be confirmed, and the change due to the doping of Al and phosphorus anions and the change of the doping amount of the phosphorus anions were not found. There is a difference in intensity, but all of the examples are results with no significant difference. As a result, it can be confirmed that a small amount of the doping material added during lithium manganese oxide synthesis does not exist separately or interfere with the synthesis.

평가예Evaluation example 2: 격자 상수 측정 2: Measurement of lattice constant

비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 양극 활물질의 격자 상수를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 아래 표 2를 통해 리튬망간산화물 합성 시 음이온 PO4 3 -(이온 반경 2.78Å)가 O2 -(이온반경 1.32Å)자리로 들어가며, 인계 음이온의 도핑량이 증가함에 따라 격자상수가 경향성 있게 늘어나는 것을 확인할 수 있다.The lattice constants of the cathode active materials of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5 were measured and are shown in Table 2 below. As shown in Table 2, the anion PO 4 3 - (ionic radius: 2.78 Å) enters the O 2 - (ionic radius: 1.32 Å) site during the synthesis of lithium manganese oxide and the lattice constant increases with increasing doping amount of phosphorus anion Can be confirmed.

구분division 화학식The 격자상수(Å) (error)Lattice constant (A) (error) 비교예 1Comparative Example 1 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O4 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 4 8.2083 (0.00076)8.2083 (0.00076) 실시예 1Example 1 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .997(PO4)0.003 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .997 (PO 4) 0.003 8.2086 (0.00084)8.2086 (0.00084) 실시예 2Example 2 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .995(PO4)0.005 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .995 (PO 4) 0.005 8.2092 (0.00094)8.2092 (0.00094) 실시예 3Example 3 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .995(PO4)0.007 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .995 (PO 4) 0.007 8.2127 (0.00107)8.2127 (0.00107) 실시예 4Example 4 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .99(PO4)0.01 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .99 (PO 4) 0.01 8.2160 (0.00118)8.2160 (0.00118) 실시예 5Example 5 Li1 .03Mn1 .92Al0 .08O3 .98(PO4)0.02 Li 1 .03 Mn 1 .92 Al 0 .08 O 3 .98 (PO 4) 0.02 8.2206 (0.00145)8.2206 (0.00145)

평가예Evaluation example 3: 주사 전자 현미경( 3: Scanning electron microscope ( SEMSEM ) 촬영) Shooting

비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 양극 활물질에 대해 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영하여 그 결과를 도 2에 나타내었다. The cathode active materials of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5 were photographed by a scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in Fig.

도 2에서 Al과 인계 음이온의 도핑에 따른 상이 점은 확인되지 않았다. 도 2를 통하여 1~3㎛의 1차 입자들이 단단하게 뭉쳐 18㎛ 안팎의 구형 2차 입자가 형성되어 있음을 확인할 수 있다. In Fig. 2, no difference was observed due to the doping of Al and phosphorus anions. Referring to FIG. 2, it can be seen that primary particles of 1 to 3 μm solidly clump together to form spherical secondary particles of about 18 μm.

평가예Evaluation example 4: 에너지 분광 분석 ( 4: Energy spectroscopic analysis ( EDSEDS ))

입자의 내부를 확인하기 위해 실시예 1의 양극 활물질을 FIB-SEM으로 촬영하고, 입자 단면 층을 에너지 분광법(EDS; energy dispersive spectroscopy)으로 분석하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. The cathode active material of Example 1 was photographed with FIB-SEM to confirm the inside of the particles, and the particle cross-sectional layer was analyzed by energy dispersive spectroscopy (EDS). The results are shown in FIG.

도 3의 사진에 표시한 1, 2, 3의 세 군데의 원소 분석을 진행한 결과 내부의 기공 1번과 2번에서는 PO4의 P가 확연히 존재하고 있음을 확인할 수 있다. 반면 밀집된 부분인 3번에서는 P에 비해 상대적으로 Al이 크게 검출되었다. As a result of analyzing the three elements 1, 2 and 3 shown in the photograph of FIG. 3, it can be seen that the P 4 of the PO 4 is clearly present in the pores 1 and 2 inside. On the other hand, in the dense part 3, Al was relatively larger than P.

이는 실질적으로 인계 음이온은 리튬망간산화물의 합성에 참여하여 입자내부에서 확인되었다는 또 하나의 증거가 된다.This is another proof that the phosphorus anion was substantially incorporated into the synthesis of lithium manganese oxide and was confirmed inside the particle.

또한 FIB-SEM 단면 분석을 통하여, 열처리를 거치는 합성과정에서 도핑 물질 중 Al은 입자의 내부로, 인계 음이온은 입자의 표면으로 각각 이동하여, 기공(pore)부분에는 인계 음이온이, 밀집한(dense) 부분에는 Al이 상대적으로 크게 확인되는 것으로 판단된다.In addition, through the FIB-SEM cross-section analysis, Al in the doping material migrates to the inside of the particle and phosphorus anion moves to the surface of the particle in the synthesis process through the heat treatment, and phosphorus anions are concentrated in the pore portion, It is considered that Al is relatively large.

평가예Evaluation example 5: 유도 결합  5: Inductive coupling 플라즈마plasma 분석( analysis( ICPICP ; ; inductivelyinductively coupledcoupled plasmaplasma ))

정량적으로 원소의 양을 확인하기 위하여 비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 양극 활물질에 대해 ICP 분석을 수행하였고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. ICP analysis was performed on the cathode active materials of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5 to quantitatively determine the amount of elements, and the results are shown in Table 3 below.

구분division AlAl LiLi PP 비교예 1Comparative Example 1 1.331.33 4.404.40 N.D.N.D. 실시예 1Example 1 1.321.32 4.434.43 0.06710.0671 실시예 2Example 2 1.321.32 4.444.44 0.10520.1052 실시예 3Example 3 1.331.33 4.444.44 0.15870.1587 실시예 4Example 4 1.321.32 4.454.45 0.21300.2130 실시예 5Example 5 1.341.34 4.504.50 0.24500.2450

상기 표 3에서 각 함량 단위는 ppm이다.In Table 3, each content unit is ppm.

상기 표 3을 통하여, 인계 음이온의 도핑 양을 늘려 감에 따라 P의 함량이 경향성 있게 증가하고 있음을 확인할 수 있다. From Table 3, it can be seen that the content of P increases with increasing doping amount of phosphorus anion.

평가예Evaluation example 6:  6: FTFT -- IRIR ( ( FourierFourier TransformTransform InfraredInfrared SpectroscopySpectroscopy ) 분석) analysis

도 4는 비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 양극 활물질에 대한 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR) 분석 그래프이다.4 is a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis graph for the cathode active material of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5.

상기 XRD분석에서는 확인할 수 없었던 소량 첨가된 인계 음이온을 FT-IR분석으로 확인할 수 있다. 파장 1410~1200 cm-1, 580~450 cm-1 구간에서, 비교예 1을 제외하고 실시예 1 내지 5 모두 PO4 음이온을 확인할 수 있었고, 흡수(absorbance) 정도에 따라 상대적으로 PO4 도핑 양이 순차적으로 증가함을 확인할 수 있다.A small amount of phosphorus anion which can not be confirmed by the XRD analysis can be confirmed by FT-IR analysis. Except for Comparative Example 1, in all of the wavelengths 1410 to 1200 cm -1 and 580 to 450 cm -1 , all of Examples 1 to 5 were PO 4 Anion can be confirmed, and it can be confirmed that the amount of PO 4 doping is sequentially increased depending on the degree of absorption.

평가예Evaluation example 7: 전지의 고온 수명 특성 평가 7: Evaluation of high-temperature lifetime characteristics of battery

도 5는 비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 수명 특성 평가 그래프이다. 수명 특성 평가는 55℃에서 cut-off 3.0~4.3V로 진행되었다. 1C에 해당하는 정전류를 인가하여 50회 충방전을 진행한 결과, Al만 도핑된 비교예 1은 50사이클 진행 후 초기 방전 용량 대비 98.1%를 유지하는 것으로 나타났다. Fig. 5 is a graph showing evaluation of life characteristics of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5. Fig. The lifetime characteristics were evaluated at cut-off of 3.0 ~ 4.3V at 55 ℃. As a result of charging / discharging 50 times by applying a constant current corresponding to 1C, it was found that Al-doped Comparative Example 1 maintained 98.1% of the initial discharge capacity after 50 cycles.

Al에 추가적으로 PO4가 같이 도핑 된 실시예 1 내지 5의 그래프에서는 50사이클 후 용량 유지율 각각 98.6, 99.0, 98.1, 96.6, 95.0%로 확인되었다. In the graphs of Examples 1 to 5 in which PO 4 was additionally doped with Al, the capacity retention rates after 50 cycles were respectively 98.6, 99.0, 98.1, 96.6 and 95.0%.

또한 실시예 1 내지 5의 그래프에서는 인계 음이온의 도핑 양이 증가 함에 따라 초기 방전 용량은 증가하는 것으로 경향성 있게 나타났다.Also, in the graphs of Examples 1 to 5, the initial discharge capacity tends to increase as the doping amount of the phosphorus anion increases.

결국, 실시예 1 내지 3의 경우 비교예 1보다 우수한 고온 수명 특성을 나타내었고, 특히 실시예 2는 50 사이클에서 용량 유지율이 99%로 현저히 우수하였다. 또한 실시예 1 내지 5의 전지는 비교예 1에 비하여 초기 용량이 증가하였다. 특히 실시예 3 내지 5의 경우 비교예 1에 비하여 초기 방전 용량이 현저히 증가하였음을 알 수 있다. As a result, Examples 1 to 3 exhibited superior high-temperature lifetime characteristics to those of Comparative Example 1, and in Example 2, the capacity retention rate was remarkably excellent at 50 cycles. In addition, the cells of Examples 1 to 5 showed an increase in initial capacity as compared with Comparative Example 1. Especially, in Examples 3 to 5, the initial discharge capacity was remarkably increased as compared with Comparative Example 1.

평가예Evaluation example 8: 전지의 C- 8: C- raterate 특성 평가 Character rating

실시예 2와 비교예 1에 대한 C-rate 특성을 도 6에 나타내었다. 상기 수명 특성 평가와 마찬가지로 cut-off 3.0~4.3V로 진행되었고, 25℃ 상온에서 측정되었다. 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3, 5, 7C에 해당하는 전류를 인가하였고, 각 전류에 해당하는 방전 용량을 도 6에 표기하였다. The C-rate characteristics for Example 2 and Comparative Example 1 are shown in FIG. Similar to the evaluation of the lifetime characteristics, the cut-off was conducted at 3.0 to 4.3 V and the temperature was measured at 25 캜. 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3, 5, and 7C, and the discharge capacity corresponding to each current is shown in FIG.

0.1C 대비 5C, 7C의 방전효율은 실시예 2가 각각 85.79, 78.72%로 비교예 1의 82.04, 72.13%에 비해 C-rate 특성이 월등히 높은 것을 확인 할 수 있다. The discharge efficiencies of 5C and 7C versus 0.1C are 85.79 and 78.72%, respectively, in Example 2, and the C-rate characteristics are much higher than those of Comparative Example 1 at 82.04 and 72.13%.

이는 인계 음이온의 도핑을 통한 격자상수의 증가로 인해 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 용이해져 고율에서도 높은 C-rate 특성을 나타내는 것으로 판단된다.This is because the increase of the lattice constant due to the doping of the phosphorus anion facilitates the insertion and desorption of lithium ions, and thus the C-rate characteristics are high at a high rate.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (21)

인(P)계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질.A lithium manganese oxide doped with phosphorus (P) based anions. 제1항에서,
상기 인계 음이온은 PO4 3 -인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
Wherein the phosphorus anion is a PO 4 3 - phosphorus cathode active material for a lithium secondary battery.
제1항에서,
상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물은 알루미늄이 더 도핑되어 있는 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
Wherein the lithium manganese oxide doped with phosphorus anion is further doped with aluminum.
제1항에서,
상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 이차 전지용 양극 활물질:
[화학식 1]
LixMn2 - yAlyO4 -z(PO4)z
상기 화학식 1에서, 0.9≤x≤1.5, 0≤y≤0.1, 및 0.001≤z≤0.02이다.
The method of claim 1,
Wherein the lithium manganese oxide doped with phosphorus-based anions is represented by the following Formula 1:
[Chemical Formula 1]
Li x Mn 2 - y Al y O 4 -z (PO 4 ) z
In the above formula (1), 0.9? X? 1.5, 0? Y? 0.1, and 0.001? Z?
제1항에서,
상기 화학식 1에서 0.003≤z≤0.007인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
0.003? Z? 0.007 in the above formula (1).
제1항에서,
상기 화학식 1에서 0.05≤y≤0.1인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
Wherein 0.05? Y? 0.1 in the above formula (1).
제1항에서,
상기 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물의 격자 상수는 8.2085 내지 8.2300인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
Wherein the lithium manganese oxide doped with phosphorus anion has a lattice constant of 8.2085 to 8.2300.
제1항에서,
상기 양극 활물질은 1차 입자가 응집된 2차 입자의 형태이고,
상기 2차 입자의 평균 입경은 8㎛ 내지 30㎛인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
The cathode active material is in the form of secondary particles in which primary particles are aggregated,
Wherein the secondary particles have an average particle diameter of 8 to 30 占 퐉.
제8항에서,
상기 1차 입자의 평균 입경은 0.1㎛ 내지 5㎛인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
9. The method of claim 8,
Wherein the primary particles have an average particle diameter of 0.1 占 퐉 to 5 占 퐉.
제1항에서,
상기 양극 활물질에서 유도 결합 플라즈마(ICP; inductively coupled plasma) 분석에 의해 측정된 인(P)의 함량은 0.01ppm 내지 0.5ppm인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
The content of phosphorus (P) in the positive electrode active material as measured by inductively coupled plasma (ICP) analysis is 0.01 ppm to 0.5 ppm.
제1항에서,
상기 양극 활물질은 구형(spherical)인 리튬 이차 전지용 양극 활물질.
The method of claim 1,
Wherein the cathode active material is a spherical cathode active material for a lithium secondary battery.
리튬 원료, 망간 원료, 및 인 원료를 포함하는 금속염 수용액을 제조하는 단계;
상기 금속염 수용액을 분쇄하는 단계;
상기 분쇄된 금속염 수용액을 분무 건조하여 금속 산화물 전구체를 제조하는 단계;
상기 금속 산화물 전구체를 열처리하는 단계; 및
인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물을 수득하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
Preparing a metal salt aqueous solution containing a lithium source, a manganese source, and a phosphorus source;
Pulverizing the aqueous metal salt solution;
Spray-drying the pulverized metal salt aqueous solution to prepare a metal oxide precursor;
Heat treating the metal oxide precursor; And
Thereby obtaining a lithium manganese oxide doped with a phosphorus anion. The method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery according to claim 1,
제12항에서,
상기 인 원료는 NH4H2PO4, C6H18O8P2, C4H11O4P, C6H13O9P, AlPO4, 또는 이들의 조합인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 12,
The phosphorus raw material may be at least one selected from the group consisting of NH 4 H 2 PO 4 , C 6 H 18 O 8 P 2 , C 4 H 11 O 4 P, C 6 H 13 O 9 P, AlPO 4 , Gt;
제12항에서,
상기 인 원료는 상기 리튬 원료 1 몰에 대하여 0.001 내지 0.02몰 포함되는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 12,
Wherein the phosphorus raw material is contained in an amount of 0.001 to 0.02 mol based on 1 mol of the lithium source.
제12항에서,
상기 금속염 수용액은 알루미늄 원료를 더 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 12,
Wherein the metal salt aqueous solution further comprises an aluminum raw material.
제15항에서,
상기 금속염 수용액에서 상기 알루미늄 원료의 농도는 0.05M 내지 0.1M인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the concentration of the aluminum raw material in the aqueous metal salt solution is 0.05M to 0.1M.
제12항에서,
상기 금속염 수용액을 분쇄하는 단계는 원료 물질들의 입경이 1 ㎛ 이하가 되도록 분쇄하는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 12,
Wherein the pulverizing the metal salt aqueous solution is carried out by pulverizing the raw materials so that the particle diameters of the raw materials are not more than 1 占 퐉.
제12항에서,
상기 금속 산화물 전구체를 열처리하는 단계는 850℃ 내지 950℃에서 수행되는 것인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 12,
Wherein the step of heat-treating the metal oxide precursor is performed at 850 캜 to 950 캜.
제12항에서,
상기 금속 산화물 전구체의 평균 입경은 8㎛ 내지 30㎛인 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법.
The method of claim 12,
Wherein the average particle diameter of the metal oxide precursor is 8 占 퐉 to 30 占 퐉.
제12항에서,
상기 수득된 인계 음이온이 도핑된 리튬망간산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 이차 전지용 양극 활물질의 제조 방법:
[화학식 1]
LixMn2 - yAlyO4 -z(PO4)z
상기 화학식 1에서, 0.9≤x≤1.5, 0≤y≤0.1, 및 0.001≤z≤0.02이다.
The method of claim 12,
The obtained phosphorus-anion-doped lithium manganese oxide is represented by the following Formula 1:
[Chemical Formula 1]
Li x Mn 2 - y Al y O 4 -z (PO 4 ) z
In the above formula (1), 0.9? X? 1.5, 0? Y? 0.1, and 0.001? Z?
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 양극 활물질을 포함하는 양극,
음극, 및
전해액을 포함하는 리튬 이차 전지.
A positive electrode comprising the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 11,
Cathode, and
A lithium secondary battery comprising an electrolytic solution.
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