KR20150112338A - Cathode active material having core-shell structure and manufacturing method therof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a cathode active material having a core-shell structure, and a manufacturing method thereof. The present invention may include: a core unit which contains lithium oxides; and an alpha-phased shell unit which is formed by coating transition metal oxides on the surface of the core unit and thermal-treating the outcome. Therefore, the present invention can give high capacity and high power to a lithium secondary battery and improve rate properties and energy density.

Description

코어-쉘 구조의 양극 활물질 및 이의 제조방법{Cathode active material having core-shell structure and manufacturing method therof}[0001] The present invention relates to a cathode active material having a core-shell structure and a cathode active material having a core-

본 발명은 코어부의 표면에 알파(alpha)상의 쉘부가 구비된 것으로서, 고온상태에서도 리튬이차전지의 고용량 및 고출력을 부여하고 사이클 특성 및 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 코어-쉘 구조의 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a core-shell structure cathode active material having an alpha-shell portion on the surface of a core portion and capable of imparting high capacity and high output of a lithium secondary battery and improving cycle characteristics and energy density even in a high temperature state, And a manufacturing method thereof.

최근 전자기기의 소형화는 휴대전화, 노트북(PC), 휴대용 개인 정보 단말기(PDA)등으로 점점 다양해지고 있으며, 이에 따른 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다.Recently, miniaturization of electronic devices has been diversified into mobile phones, notebook computers (PCs), and portable personal digital assistants (PDAs), and the interest in energy storage technology has been increasing.

또한 하이브리드자동차(HEV), 전기 자동차(EV) 등에 사용되는 전지의 경우 고용량, 고출력뿐만 아니라 안정성 또한 큰 과제로 남아있다. 적용분야가 확대되면서 저장기술에 대한 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있으므로 충전, 방전이 가능한 이차전지의 개발에 대한 관심이 고조되고 있다.In addition, in the case of batteries used in hybrid vehicles (HEV) and electric vehicles (EV), not only high capacity and high output, but also stability are a big problem. As the field of application has expanded, research and development on storage technologies have been actively carried out, and therefore there is a growing interest in the development of secondary batteries capable of charging and discharging.

이차전지는 양극, 음극 및 전해액 등으로 구성되어 있는데, 그 중 양극의 비율이 가장 높고 중요하다. 양극재료는 양극 활물질로서 일반적으로 충, 방전시 높은 에너지 밀도를 가지는 동시에, 가역 리튬이온의 층간 삽입, 탈리에 의해 구조가 파괴되지 않아야 한다. 또한, 전기전도도가 높아야 하며, 전해질로 사용되는 유기용매에 대한 화학적 안정성이 높아야 한다. 뿐만 아니라 제조비용이 낮고, 환경오염 문제가 최소가 되는 물질이어야 한다.The secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and the ratio of the positive electrode is the most important. The cathode material is a cathode active material and generally has a high energy density during charging and discharging, and the structure should not be destroyed by intercalation or desorption of reversible lithium ions. In addition, the electrical conductivity should be high, and the chemical stability of the organic solvent used as the electrolyte should be high. In addition, it should be a material whose production cost is low and environmental pollution problem is minimized.

리튬이온 이차전지의 양극 활물질로는 리튬이온의 삽입, 탈리가 가능한 층상화합물인 니켈산 리튬(LiNiO2), 코발트산 리튬(LiCoO2), 망간산 리튬(LiMnO4)등이 있다. 이중 LiNiO2은 전기용량이 높으나 충방전시 사이클 특성, 안정성 등에 문제가 있어서 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 또한, LiCoO2은 용량이 클 뿐만 아니라 사이클 수명과 용량률(rate capability) 특성이 우수하고 합성이 쉽다는 장점을 가지고 있지만, 코발트의 높은 가격과 인체에 유해하며 고온에서 열적 불안정성 등의 단점을 가지고 있다.Examples of the positive electrode active material of the lithium ion secondary battery include lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnO 4 ), and the like, which are layered compounds capable of intercalating and deintercalating lithium ions. LiNiO 2 has a high electric capacity, but it has not been put to practical use due to problems such as cycle characteristics and stability during charging and discharging. In addition, LiCoO 2 has advantages such as high capacity, excellent cycle life and rate capability, and easy synthesis. However, LiCoO 2 has a disadvantage of high cost of cobalt and harmful to human body and thermal instability at high temperature have.

이에 반해 LiMn2O4는 보다 합성이 간단하고, 가격이 저렴하며, 친환경적이다. 그러나, Mn은 평균 3.5가로서 존재하며 충방전 중에 국부적인 Mn3 +이온에 대한 Jahn-Teller 비틀림 현상으로 인해 리튬망간 산화물의 구조가 붕괴되고, 전해질과의 반응으로 망간 이온이 용출되어 전극 수명이 감소한다는 단점이 존재한다. 이러한 상기 양극 활물질의 단점들은 리튬이차전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.LiMn 2 O 4 , on the other hand, is simpler to synthesize, less expensive, and environmentally friendly. However, Mn is present at an average of 3.5, and the structure of lithium manganese oxide is collapsed due to the Jahn-Teller twist phenomenon for local Mn 3 + ions during charging and discharging, and manganese ions are eluted by the reaction with the electrolyte, There is a disadvantage that it decreases. Disadvantages of such a cathode active material are hindering commercialization of a lithium secondary battery.

한편, 공침법은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)을 포함하는 수용액과 공침제로 사용하는 수산화나트륨을 사용하고, 착염제로는 킬레이트제를 사용하여 동시에 침전시키는 방법으로 얻어진 전구체를 리튬(Li)염과 혼합하여 양극 활물질을 얻는 방법이다.On the other hand, the coprecipitation method is a method in which sodium hydroxide used as an aqueous solution containing nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) and sodium hydroxide used as a co-infiltrant and co- Is mixed with a lithium salt to obtain a cathode active material.

그러나 공침법은 물질의 특성적인 면에서 균일한 조성을 얻는다는 점에서 고상법의 단점을 극복하였으나, 활물질의 입자크기가 전구체의 입자크기에 영향을 받으며, 합성 과정의 공정변수가 매우 많고 과정이 복잡하기 때문에 최적화 과정에 많은 노력과 시간이 필요하다는 문제점이 있다.However, the coprecipitation method overcomes the drawbacks of the solid phase method in that it obtains a homogeneous composition in terms of the characteristics of the material. However, since the particle size of the active material is influenced by the particle size of the precursor, Therefore, there is a problem that a lot of effort and time are required in the optimization process.

대한민국 등록특허 제0515029호Korea Patent No. 0515029 대한민국 등록특허 제0807970호Korea Patent No. 0807970 대한민국 공개특허 제2010-0081456호Korea Patent Publication No. 2010-0081456 대한민국 등록특허 제1147601호Korea Patent No. 1147601

본 발명의 목적은 코어부의 표면에 알파(alpha)상의 쉘부가 구비된 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a cathode-shell structure cathode active material having a shell part on the surface of the core part in alpha.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the cathode active material of the core-shell structure.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 코어-쉘 구조의 양극 활물질은 리튬 산화물을 포함하는 코어부; 및 상기 코어부의 표면에 전이금속 산화물을 코팅한 후 열처리하여 형성된 결정질 알파(alpha)상의 쉘부;를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a positive electrode active material having a core-shell structure, comprising: a core portion containing lithium oxide; And a crystalline alpha -type shell portion formed by coating a surface of the core portion with a transition metal oxide and then performing heat treatment.

상기 리튬 산화물은 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, 및 Li(NixCoyMnz)O2(0<x<1, 0<y<1, 0<z<1, x+y+z=1)로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.The lithium oxide is LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiNiO 2, and Li (Ni x Co y Mn z ) O 2 (0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1). &lt; / RTI &gt;

상기 전이금속 산화물은 하기 [화학식 1]로 표시되는 것일 수 있다;The transition metal oxide may be represented by the following Chemical Formula 1;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

MOx MO x

상기 화학식 1에서, M은 Ti, Mn, Fe, Co 및 Ru로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, x는 전이금속 M과 결합 가능한 산소의 원소 개수이다.M is at least one element selected from the group consisting of Ti, Mn, Fe, Co, and Ru, and x is the number of oxygen atoms capable of bonding with the transition metal M.

상기 열처리는 500 내지 900 ℃에서 수행될 수 있으며, 상기 전이금속 산화물의 함량은 리튬 산화물을 기준으로 0.1 내지 20 중량%일 수 있다.The heat treatment may be performed at 500 to 900 占 폚, and the content of the transition metal oxide may be 0.1 to 20% by weight based on the lithium oxide.

또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 코어-쉘 구조의 양극 활물질의 제조방법은 (a) 리튬 산화물 및 전이금속 산화물 전구체를 용액 내에서 혼합하는 단계; (b) 환원분위기 하에서 상기 리튬 산화물 표면에 전이금속 산화물이 코팅된 화합물을 얻는 단계; 및 (c) 상기 화합물을 500 내지 900 ℃로 열처리하는 단계;를 포함하여 리튬 산화물 표면에 알파상의 전이금속 산화물이 형성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cathode-shell structure cathode active material, comprising the steps of: (a) mixing a lithium oxide and a transition metal oxide precursor in a solution; (b) obtaining a compound coated with a transition metal oxide on the surface of the lithium oxide in a reducing atmosphere; And (c) heat-treating the compound at 500 to 900 占 폚 to form an alpha-phase transition metal oxide on the surface of the lithium oxide.

상기 (a)단계에서 전이금속 산화물 전구체는 금속 알콕사이드 용액, 금속염 유기 용액 또는 금속 수용액일 수 있으며, 상기 금속은 Ti, Mn, Fe, Co 및 Ru로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step (a), the transition metal oxide precursor may be a metal alkoxide solution, a metal salt organic solution, or an aqueous metal solution, and the metal may be at least one selected from the group consisting of Ti, Mn, Fe, Co and Ru.

상기 (a)단계에서 리튬 산화물은 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, 및 Li(NixCoyMnz)O2(0<x<1, 0<y<1, 0<z<1, x+y+z=1)로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.In the step (a), the lithium oxide is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , and Li (Ni x Co y Mn z ) O 2 (0 <x <1, 0 <y <1, , x + y + z = 1).

상기 (b)단계에서 환원제는 히드라진 또는 에틸렌 글리콜일 수 있으며, 상기 (c)단계에서 열처리는 1 내지 7시간 동안 수행될 수 있다.In the step (b), the reducing agent may be hydrazine or ethylene glycol. In the step (c), the heat treatment may be performed for 1 to 7 hours.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬이차전지는 상기 양극 활물질 및 바인더를 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극의 단락을 방지하는 분리막; 및 리튬염을 포함하는 전해질;을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery comprising: a cathode including the cathode active material and a binder; A negative electrode comprising a negative electrode active material; A separation membrane for preventing a short circuit between the anode and the cathode; And an electrolyte comprising a lithium salt.

상기 바인더는 폴리아마이드-이미드, 폴리이미드 및 폴리비닐리덴 플로라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 상기 양극은 도전성 탄소, 도전성 금속 또는 도전성 고분자인 도전제를 더 포함할 수 있다.The binder may be at least one selected from the group consisting of polyamide-imide, polyimide, and polyvinylidene fluoride, and the anode may further include a conductive agent that is conductive carbon, a conductive metal, or a conductive polymer.

상기 음극 활물질은 활성탄소, 흑연계 탄소 또는 리튬 이온이 삽입된 흑연계 탄소를 포함할 수 있으며, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiCF3SO3, LiSbF6 및 LiAsF6로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The negative active material may include activated carbon, graphite carbon, or lithium ions are inserted into the graphite-based carbon, a lithium salt is composed of LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3, LiSbF 6 and LiAsF 6 Lt; / RTI &gt;

본 발명의 코어-쉘 구조의 양극 활물질은 리튬 산화물의 표면에 알파(alpha)상의 전이금속 산화물을 코팅함으로써, 보다 안정된 구조를 형성하여 리튬 산화물의 구조가 파괴되는 것을 방지하고 망간 등 이온의 용출을 저해하여 충방전시 에너지 밀도 및 율 특성이 향상된 리튬이차전지를 제공할 수 있다.The cathode active material of the core-shell structure of the present invention is formed by coating a transition metal oxide on the surface of lithium oxide to form a more stable structure to prevent the structure of lithium oxide from being destroyed, It is possible to provide a lithium secondary battery having improved energy density and rate characteristics at the time of charging and discharging.

또한, 고온상태에서도 리튬이차전지의 고용량 및 고출력을 부여하고 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.Also, the lithium secondary battery can be provided with a high capacity and a high output power at a high temperature, and the cycle characteristics can be improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 양극 활물질 및 알파상 MnO2를 촬영한 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양극 활물질을 촬영한 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 반쪽 전지에 대한 충방전 전압특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 반쪽 전지를 고온에서 충방전을 수행하였을 때의 방전용량을 측정한 그래프이다.
1 is a SEM photograph of a cathode active material and an alpha phase MnO 2 prepared according to one embodiment of the present invention and a comparative example.
2 is a TEM photograph of a cathode active material manufactured according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing charge-discharge voltage characteristics of a half-cell manufactured according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
FIG. 4 is a graph showing discharge capacity of a half-cell manufactured according to an embodiment of the present invention and a comparative example when charging / discharging is performed at a high temperature.

본 발명은 고온상태에서도 리튬이차전지의 고용량 및 고출력을 부여하고 사이클 특성 및 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 코어부의 표면에 알파(alpha)상의 쉘부가 구비된 코어-쉘 구조의 양극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a positive electrode active material having a core-shell structure having an alpha-shell portion on the surface of a core portion capable of imparting a high capacity and a high output of a lithium secondary battery at a high temperature and improving cycle characteristics and energy density, .

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 코어-쉘 구조의 양극 활물질은 리튬 산화물을 포함하는 코어부; 및 상기 코어부의 표면에 전이금속 산화물을 코팅한 후 열처리하여 형성된 알파(alpha)상의 쉘부;를 포함한다.The cathode active material of the core-shell structure of the present invention comprises a core portion containing lithium oxide; And an alpha -type shell portion formed by coating a surface of the core portion with a transition metal oxide and then performing heat treatment.

상기 코어부는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, 및 Li(NixCoyMnz)O2(0<x<1, 0<y<1, 0<z<1, x+y+z=1)로 이루어진 군에서 선택된 1종인 리튬 산화물을 포함한다. 상기 리튬 산화물은 충방전이 진행됨에 따라 구조가 파괴되고 망간, 코발트 또는 니켈 이온의 용출이 일어나며 고온의 환경에서 약하므로 코어부를 감싸도록 쉘부를 형성하여 망간, 코발트 또는 니켈 이온의 용출을 막고 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.The core portion LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiNiO 2, and Li (Ni x Co y Mn z ) O 2 (0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1). &Lt; / RTI &gt; The lithium oxide is destroyed due to the progress of charging and discharging and elution of manganese, cobalt or nickel ion occurs. Since the lithium oxide is weak in a high temperature environment, the shell portion is formed to enclose the core portion to prevent elution of manganese, cobalt or nickel ions, Can be improved.

상기 쉘부는 하기 [화학식 1]로 표시되는 전이금속 산화물을 500 내지 900 ℃, 바람직하게는 600 내지 700 ℃에서 1 내지 7시간 동안 열처리하여 비정질 상에서 결정질의 상(알파상)으로 전환 시킬 수 있다. 일반적으로, 쉘부는 리튬 산화물의 망간, 코발트 또는 니켈 이온의 용출을 용이하게 막을 수 있을 뿐만 아니라 고온에서도 파괴되지 않고 코어부를 보호한다. 상기 쉘부의 알파상은 TEM분석을 통해 SAED 패턴 또는 FTT 이미지를 통해 결정성을 확인 할 수 있다. The shell portion can be converted into a crystalline phase (alpha phase) on an amorphous phase by heat-treating the transition metal oxide represented by the following Chemical Formula 1 at 500 to 900 占 폚, preferably 600 to 700 占 폚, for 1 to 7 hours. Generally, the shell portion not only easily prevents elution of manganese, cobalt or nickel ions of lithium oxide, but also protects the core portion without being destroyed even at a high temperature. The alpha phase of the shell portion can be confirmed by TEM analysis through SAED pattern or FTT image.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

MOx MO x

상기 화학식 1에서, M은 Ti, Mn, Fe, Co 및 Ru로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, x는 전이금속 M과 결합 가능한 산소의 원소 개수이다.M is at least one element selected from the group consisting of Ti, Mn, Fe, Co, and Ru, and x is the number of oxygen atoms capable of bonding with the transition metal M.

쉘부로 상기 전이금속 산화물을 사용하지 않고 Si, Al, Zr, Mg 등의 금속을 포함한 금속 산화물을 사용하는 경우에는 1000 ℃이상의 온도로 열처리를 해야 상전환이 일어나며, 그마저도 정상입자보다 비정상입자가 많은 비율로 형성되고 리튬 산화물과 고온에서 쉽게 분리된다. 또한, 알파상으로 상전환되지 않은 전이금속 산화물 자체를 코팅층으로 사용하는 경우에는 알파상으로 상전환한 경우에 비하여 리튬이차전지의 용량 및 출력이 저하되며, 충방전시 에너지 밀도 및 율 특성이 저하될 뿐만 아니라 리튬이차전지의 수명이 저하된다. When a metal oxide containing a metal such as Si, Al, Zr, or Mg is used without using the transition metal oxide as the shell portion, heat treatment is performed at a temperature of 1000 ° C or more to cause phase transformation. Are formed in large proportions and are easily separated from lithium oxides at high temperatures. In addition, when the transition metal oxide itself not converted to the alpha phase is used as the coating layer, the capacity and output of the lithium secondary battery are lowered as compared with the case where the phase is changed to the alpha phase, and the energy density and rate characteristics And the lifetime of the lithium secondary battery is reduced.

또한, 열처리 온도 및 시간이 상기 하한치 미만인 경우에는 상전환이 일어나지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 양극 활물질의 특성이 저하될 수 있다.When the heat treatment temperature and time are less than the lower limit value, the phase change may not occur. If the temperature is higher than the upper limit value, the characteristics of the cathode active material may be deteriorated.

상기 전이금속 산화물의 함량은 리튬 산화물을 기준으로 0.1 내지 20 중량%, 바람직하게는 5 내지 10 중량%이다. 전이금속 산화물의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 쉘부가 코어부에 포함되는 망간, 코발트 또는 니켈 이온의 용출을 억제하는 보호막 역할을 수행하지 못하여 망간, 코발트 또는 니켈 이온과 전해질의 반응이 일어날 수 있고 방전용량의 증가가 충분하지 않으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 쉘부의 두께가 두꺼워져 리튬 산화물의 특성이 저하될 우려가 있다.
The content of the transition metal oxide is 0.1 to 20% by weight, preferably 5 to 10% by weight, based on the lithium oxide. When the content of the transition metal oxide is less than the lower limit, the shell part does not act as a protective film for inhibiting the elution of manganese, cobalt or nickel ions contained in the core part, so that the reaction of manganese, cobalt or nickel ions with the electrolyte may occur, The increase in the capacity is not sufficient. If the upper limit is exceeded, the thickness of the shell portion becomes thick, and the characteristics of the lithium oxide may be deteriorated.

또한, 본 발명은 공침법을 이용하여 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a cathode-shell structure cathode active material by coprecipitation.

본 발명의 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조하는 방법은 (a) 리튬 산화물 및 전이금속 산화물 전구체를 용액 내에서 혼합하는 단계; (b) 환원분위기 하에서 상기 리튬 산화물 표면에 전이금속 산화물이 코팅된 화합물을 얻는 단계; 및 (c) 상기 화합물을 500 내지 900 ℃로 열처리하는 단계를 포함한다.The method for producing the cathode active material of the core-shell structure of the present invention comprises the steps of: (a) mixing lithium oxide and a transition metal oxide precursor in solution; (b) obtaining a compound coated with a transition metal oxide on the surface of the lithium oxide in a reducing atmosphere; And (c) heat treating the compound at 500 to 900 &lt; 0 &gt; C.

먼저, 상기 (a)단계에서는 리튬 산화물을 증류수에서 0.5 내지 2시간 동안 교반한 후 전이금속 산화물 전구체를 첨가하여 함께 0.5 내지 1시간 동안 교반한다.In the step (a), the lithium oxide is stirred in distilled water for 0.5 to 2 hours, and then the transition metal oxide precursor is added and stirred together for 0.5 to 1 hour.

상기 전이금속 산화물 전구체는 금속 알콕사이드 용액, 금속염 유기 용액 또는 금속 수용액으로서, 상기 금속으로는 Ti, Mn, Fe, Co 및 Ru로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.The transition metal oxide precursor may be a metal alkoxide solution, a metal salt organic solution or an aqueous metal solution, and the metal may be one selected from the group consisting of Ti, Mn, Fe, Co, and Ru.

다음으로, 상기 (b)단계에서는 환원제를 첨가하여 환원분위기 하에서 상기 (a)단계에서 제조된 혼합용액을 교반하여 리튬 산화물 표면에 전이금속 산화물이 코팅된 화합물을 얻는다.Next, in the step (b), a reducing agent is added and the mixed solution prepared in the step (a) is stirred under a reducing atmosphere to obtain a compound coated with a transition metal oxide on the surface of the lithium oxide.

상기 코팅되는 전이금속 산화물 전구체의 함량은 합성되는 시간을 조절하는 것이 아니라, 코팅될 전이금속 산화물의 수율에 따라 함량을 조절할 수 있다.The content of the coated transition metal oxide precursor may be controlled according to the yield of the transition metal oxide to be coated, not by controlling the time for synthesizing the transition metal oxide precursor.

상기 환원제로는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 히드라진(hydrazine) 또는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 들 수 있다. 통상 고밀도의 입자를 형성시키기 위해서는 충분한 교반력을 필요로 하지만, 공기의 말려 들어감 등에 의하여 불안정한 망간, 코발트 또는 니켈 이온이 부분적으로 산화되는 것에 의해 고밀도의 생성물이 얻어지지 않는다. 이러한 산화를 억제하기 위하여 환원제를 첨가한다.The reducing agent is not particularly limited, but hydrazine or ethylene glycol may be preferably used. Normally, sufficient agitating force is required to form high-density particles, but unstable manganese, cobalt or nickel ions are partially oxidized due to air entrainment or the like, so that high-density products can not be obtained. A reducing agent is added to suppress such oxidation.

다음으로, 상기 (c)단계에서는 (b)단계에서 제조된 화합물을 500 내지 900 ℃로 1 내지 7시간동안 열처리하여 코팅된 전이금속 산화물의 상을 전환시킨다.Next, in step (c), the compound prepared in step (b) is heat-treated at 500 to 900 ° C for 1 to 7 hours to convert the phase of the coated transition metal oxide.

이렇게 제조된 알파(alpha)상의 전이금속 산화물의 두께는 2 내지 50 nm이다.
The thickness of the thus prepared alpha metal phase transition metal oxide is 2 to 50 nm.

또한, 본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium secondary battery including the above cathode active material.

본 발명에 따른 리튬이차전지는 상기 양극 활물질 및 바인더를 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극의 단락을 방지하는 분리막; 및 리튬염을 포함하는 전해질;을 포함한다.The lithium secondary battery according to the present invention comprises a positive electrode comprising the positive electrode active material and a binder; A negative electrode comprising a negative electrode active material; A separation membrane for preventing a short circuit between the anode and the cathode; And an electrolyte comprising a lithium salt.

상기 양극에 포함되는 바인더는 폴리아마이드-이미드, 폴리이미드 및 폴리비닐리덴 플로라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 또한 양극은 도전제를 더 포함할 수 있는데, 상기 도전제로는 도전성 탄소, 도전성 금속 또는 도전성 고분자를 들 수 있다.The binder contained in the positive electrode may include at least one selected from the group consisting of polyamide-imide, polyimide, and polyvinylidene fluoride. Further, the anode may further include a conductive agent, and examples of the conductive agent include conductive carbon, conductive metal, and conductive polymer.

상기 음극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물로서, 구체적으로 활성탄소, 흑연계 탄소 또는 리튬 이온이 삽입된 흑연계 탄소일 수 있다.The negative electrode active material is a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium, and specifically may be a graphite carbon having activated carbon, graphite carbon, or lithium ion inserted therein.

또한, 상기 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiCF3SO3, LiSbF6 및 LiAsF6로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
The lithium salt may be at least one selected from the group consisting of LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiSbF 6 and LiAsF 6 .

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

실시예Example 1. One.

1-1. 코어-쉘 구조의 양극 활물질의 제조1-1. Preparation of cathode-shell structure cathode active material

리튬 산화물로 LiMn2O4를 상온(25 ℃)에서 증류수에 1시간 동안 충분히 교반한 후 MnO2 전구체로 KMnO4를 첨가하여 함께 교반한 다음 동일한 온도에서 환원제인 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 한방울씩 첨가하면서 3시간 동안 반응시켜 코어-쉘 구조의 양극 활물질을 제조한 후 600 ℃에서 3시간 동안 열처리하여 코팅된 MnO2을 알파상으로 상전환시켰다.LiMn 2 O 4 as a lithium oxide was thoroughly stirred in distilled water at room temperature (25 ° C) for 1 hour, and KMnO 4 was added as a MnO 2 precursor. The mixture was stirred together, and then ethylene glycol as a reducing agent was added dropwise And the mixture was reacted for 3 hours to prepare a cathode-shell structure cathode active material. The cathode active material was heat-treated at 600 ° C for 3 hours to convert the coated MnO 2 to an alpha phase.

이때, 상기 LiMn2O4를 기준으로 코팅되는 MnO2의 함량이 5 중량%(LiMn2O4의 함량은 95 중량%)가 되도록 혼합하여 준다. 상기 LiMn2O4의 표면에 형성되는 MnO2의 합성 여부는 망간 산화물의 전구체인 KMnO4은 보라색을 나타내고, 생성되는 MnO2(s)는 검은색을 나타내므로 상기 혼합용액의 색 변화를 통해 확인이 가능하다.At this time, the content of MnO 2 coated on the basis of LiMn 2 O 4 is 5 wt% (LiMn 2 O 4 content is 95 wt%). The synthesis of MnO 2 formed on the surface of LiMn 2 O 4 indicates that KMnO 4, which is a precursor of manganese oxide, is violet and the resulting MnO 2 (s) is black, This is possible.

1-2. 양극 제조 및 반쪽전지 제조1-2. Manufacture of anode and manufacture of half-cell

상기 과정에서 합성된 코어-쉘 구조의 양극 활물질, 도전제(Denka Black; DB), 결합제(Polyvinylidene Fluoride; PVdF)를 92 : 4 : 4의 중량비로 혼합한 후 NMP를 분산매로 하여 아게이드 몰타 세트(Agate Morta)를 이용하여 슬러리를 알루미늄 호일에 도포한 후 80 ℃에서 8 시간 동안 건조하여 양극 활물질층을 형성함으로써 리튬이차전지의 양극을 제조하였다. 상기 제조된 양극의 전도성을 향상시키기 위하여 80 ℃의 진공오븐에서 12시간 동안 진공 건조시켰다.The synthesized core-shell structure cathode active material, Denka Black (DB) and polyvinylidene fluoride (PVdF) were mixed at a weight ratio of 92: 4: 4, and NMP was used as a dispersion medium. (Agate Morta), and dried at 80 DEG C for 8 hours to form a positive electrode active material layer, thereby preparing a positive electrode of a lithium secondary battery. In order to improve the conductivity of the prepared anode, it was vacuum dried in a vacuum oven at 80 캜 for 12 hours.

상기 제조된 양극은 반쪽 전지의 작업 전극으로 이용하고, 상대전극으로는 리튬금속을 사용하였으며, 분리막은 전해질이 습윤된 폴리프로필렌을, 전해질로는 1 M LiPF6염이 용해되어 있는 에틸렌 카보네이트, 에틸-메틸 카보네이트 및 디메틸 카보네이트가 1 : 1 : 1의 부피비로 혼합된 용액을 사용하여 반쪽 전지를 제작하였다. 제작된 반쪽 전지는 Coin 2032 타입으로 제작되었으며, 전지 조립의 모든 공정은 상대습도 3%미만으로 유지되는 드라이 룸에서 진행하였다.
The prepared anode was used as the working electrode of the half-cell and the counter electrode was a lithium metal, a separator is a polypropylene, the electrolyte is wet, as the electrolyte is 1 M LiPF 6 salt of ethylene carbonate, ethyl dissolved -Methyl carbonate and dimethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1: 1 was used to prepare a half-cell. The fabricated half cell was fabricated in Coin 2032 type, and all processes in the cell assembly proceeded in a dry room where the relative humidity was kept below 3%.

비교예Comparative Example 1. One.

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, MnO2 전구체를 사용하지 않고 LiMn2O4 양극 활물질을 제조하였으며, 이를 이용하여 양극 및 반쪽 전지를 제조하였다.
But the same manner as in Example 1, without the use of LiMn 2 O 4 MnO 2 precursor A positive electrode and a half cell were fabricated using the prepared positive electrode active material.

시험예Test Example 1.  One. 실시예Example  And 비교예의Comparative example SEMSEM 촬영 shooting

도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 양극 활물질과 알파상 MnO2를 촬영한 SEM 사진이다.FIG. 1 is a SEM photograph of a cathode active material and alpha-phase MnO 2 prepared according to one embodiment of the present invention and a comparative example.

도 1에 도시된 바와 같이, 도 1a는 판상 형태의 알파상 MnO2를 촬영한 사진이고, 도 1b는 비교예 1에서 제조된 LiMn2O4 양극 활물질을 촬영한 사진이며, 도 1c는 실시예 1에서 제조된 LiMn2O4 표면에 알파상 MnO2가 코팅된 양극 활물질을 촬영한 사진다. 도 1b의 사진을 보면, LiMn2O4은 판상의 알파상 MnO2보다 입자 크기가 큰 것을 알 수 있다. 또한 도 1c의 사진을 보면, LiMn2O4 표면에 알파상 MnO2가 코팅된 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 1, FIG. 1A is a photograph of a plate-shaped alpha phase MnO 2 , FIG. 1B is a photograph of a LiMn 2 O 4 cathode active material prepared in Comparative Example 1, FIG. 1 is a photograph of a cathode active material coated with an alpha phase MnO 2 on the surface of LiMn 2 O 4 prepared in FIG. 1B, it can be seen that LiMn 2 O 4 has a particle size larger than that of the plate-like alpha phase MnO 2 . 1C, it can be seen that the surface of LiMn 2 O 4 is coated with alpha phase MnO 2 .

상기 도 1a에서 촬영한 알파상 MnO2은 MnO2 전구체로 KMnO4를 증류수에 30분 동안 용해시킨 후 환원제인 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 한방울씩 첨가하면서 3시간 동안 반응시켜 MnO2(s)를 형성한 다음 600 ℃에서 3시간 동안 열처리하여 알파상 MnO2을 제조하였다. MnO2의 합성 여부는 망간 산화물의 전구체인 KMnO4은 보라색을 나타내고, 생성되는 MnO2(s)는 검은색을 나타내므로 상기 혼합용액의 색 변화를 통해 확인하였다.
The alpha phase MnO 2 photographed in FIG. 1A was prepared by dissolving KMnO 4 as a MnO 2 precursor in distilled water for 30 minutes and then reacting MnO 2 (s) for 3 hours while adding dropwise ethylene glycol as a reducing agent. And then annealed at 600 ° C for 3 hours to prepare alpha phase MnO 2 . Synthesis if the MnO 2 of KMnO 4 is a manganese oxide precursor denotes a purple, MnO 2 (s) produced exhibits a black color was confirmed by a change in color of the mixed solution.

시험예Test Example 2.  2. 실시예의Example TEMTEM 촬영 shooting

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양극 활물질을 촬영한 TEM 사진이다.2 is a TEM photograph of a cathode active material manufactured according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 4V 스피넬계 LiMn2O4 표면에 알파상 MnO2가 코팅된 것을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 2, it can be confirmed that the surface of 4V spinel type LiMn 2 O 4 is coated with alpha phase MnO 2 .

시험예Test Example 3.  3. 실시예Example  And 비교예의Comparative example 출력특성 측정 Measurement of output characteristics

도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 반쪽 전지에 대한 충방전 전압특성을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing charge-discharge voltage characteristics of a half-cell manufactured according to an embodiment of the present invention and a comparative example.

도 3의 그래프는 cut-off voltage를 3.5 내지 4.3V로 한 양극의 충/방전 전압 특성을 나타낸 것으로서, 율 특성의 경향을 보기 위해 <0.1C, 0.1D>, <0.1C, 0.2D>, <0.1C, 0.5D>, <0.1C, 1D>, <0.1C, 2D>, <0.1C, 3D>, <0.1C, 4D>의 과정을 각각 5 사이클(cycles)로 수행했을 때의 방전용량을 확인하였다. 기본적으로 율 특성을 테스트하기 위해 충전의 c-rate는 일정하게 0.1C로 유지한 채 방전의 c-rate를 변화에 따른 경향성을 본 것이다.The graph of FIG. 3 shows the charge / discharge voltage characteristics of the anode with a cut-off voltage of 3.5 to 4.3 V. The graphs of <0.1C, 0.1D>, <0.1C, 0.2D> The discharge when the processes of <0.1C, 0.5D>, <0.1C, 1D>, <0.1C, 2D>, <0.1C, 3D>, <0.1C, 4D> The dose was confirmed. Basically, in order to test the rate characteristics, the c-rate of the charge was constantly maintained at 0.1 C, and the tendency of the c-rate of the discharge was observed.

도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 반쪽 전지는 코어-쉘 구조의 양극 활물질로 제조된 양극이 전해질에 대하여 부반응을 유발하지 않고 보다 안정된 율 특성을 보이는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 3, the half-cell manufactured according to Example 1 showed that the anode made of the cathode-shell structure of the core-shell structure exhibited a more stable rate characteristic without causing a side reaction with respect to the electrolyte.

시험예Test Example 4.  4. 실시예Example  And 비교예의Comparative example 고온특성 측정 High temperature characteristic measurement

도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 반쪽 전지를 55 ℃의 고온에서 1C로 충전과 방전을 수행하였을 때의 방전용량을 측정한 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the discharge capacity of a half-cell manufactured according to an embodiment of the present invention and a comparative example when charging and discharging are performed at a high temperature of 55 ° C at 1C.

도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 양극 활물질은 코팅된 MnO2가 LiMn2O4를 보호하여 고온조건의 열악한 환경 속에서도 구조적 안정성을 유지하며, MnO2로 코팅하지 않은 비교예 1의 양극 활물질보다 높은 방전용량을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, MnO2의 코팅층은 전해질 속의 미량의 수분과 전해액 용질의 LiPF6과 반응하여 생긴 HF로부터 LiMn2O4를 보호하므로 구조적으로 안정성이 우수한 것으로 판단된다.4, the Example 1, the positive electrode active material prepared in accordance with the will, and the coated MnO 2 to maintain the harsh environment structural stability even in a high temperature condition by protecting the LiMn 2 O 4, for example, compared to non-coated with MnO 2 1 &lt; / RTI &gt; of the positive electrode active material. In addition, the MnO 2 coating layer is structurally superior in stability because it protects LiMn 2 O 4 from HF formed by reacting with a small amount of water in the electrolyte and LiPF 6 in the electrolyte solution.

Claims (16)

리튬 산화물을 포함하는 코어부; 및
상기 코어부의 표면에 전이금속 산화물로 형성된 결정질 알파(alpha)상의 쉘부;를 포함하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질.
A core portion containing lithium oxide; And
And a crystalline alpha-phase shell portion formed of a transition metal oxide on the surface of the core portion.
제1항에 있어서, 상기 리튬 산화물은 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, 및 Li(NixCoyMnz)O2(0<x<1, 0<y<1, 0<z<1, x+y+z=1)로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질.The method of claim 1, wherein the lithium oxide is LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiNiO 2, and Li (Ni x Co y Mn z ) O 2 (0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z < 1, x + y + z = 1). The positive electrode active material of the core-shell structure according to claim 1, 제1항에 있어서, 상기 전이금속 산화물은 하기 [화학식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질;
[화학식 1]
MOx
상기 화학식 1에서, M은 Ti, Mn, Fe, Co 및 Ru로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, x는 전이금속 M과 결합 가능한 산소의 원소 개수이다.
The positive electrode active material of claim 1, wherein the transition metal oxide is represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
MO x
M is at least one element selected from the group consisting of Ti, Mn, Fe, Co, and Ru, and x is the number of oxygen atoms capable of bonding with the transition metal M.
제1항에 있어서, 상기 열처리는 500 내지 900 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질.The cathode active material according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at 500 to 900 占 폚. 제1항에 있어서, 상기 전이금속 산화물의 함량은 리튬 산화물을 기준으로 0.1 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질.The cathode active material according to claim 1, wherein the content of the transition metal oxide is 0.1 to 20% by weight based on the lithium oxide. (a) 리튬 산화물 및 전이금속 산화물 전구체를 용액 내에서 혼합하는 단계;
(b) 환원분위기 하에서 상기 리튬 산화물 표면에 전이금속 산화물이 코팅된 화합물을 얻는 단계; 및
(c) 상기 화합물을 500 내지 900 ℃로 열처리하는 단계;를 포함하여 리튬 산화물 표면에 알파상의 전이금속 산화물가 형성되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질의 제조방법.
(a) mixing lithium oxide and a transition metal oxide precursor in solution;
(b) obtaining a compound coated with a transition metal oxide on the surface of the lithium oxide in a reducing atmosphere; And
(c) heat-treating the compound at a temperature ranging from 500 to 900 占 폚, wherein an alpha-phase transition metal oxide is formed on the surface of the lithium oxide.
제6항에 있어서, 상기 (a)단계에서 전이금속 산화물 전구체는 금속 알콕사이드 용액, 금속염 유기 용액 또는 금속 수용액인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질의 제조방법.[7] The method of claim 6, wherein the transition metal oxide precursor in step (a) is a metal alkoxide solution, a metal salt organic solution, or an aqueous metal solution. 제7항에 있어서, 상기 금속은 Ti, Mn, Fe, Co 및 Ru로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질의 제조방법.The method according to claim 7, wherein the metal is at least one selected from the group consisting of Ti, Mn, Fe, Co, and Ru. 제6항에 있어서, 상기 (a)단계에서 리튬 산화물은 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, 및 Li(NixCoyMnz)O2(0<x<1, 0<y<1, 0<z<1, x+y+z=1)로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질의 제조방법. The lithium secondary battery according to claim 6, wherein the lithium oxide is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 and Li (Ni x Co y Mn z ) O 2 (0 <x < , 0 < z < 1, x + y + z = 1). 제6항에 있어서, 상기 (b)단계에서 환원제는 히드라진 또는 에틸렌 글리콜인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질의 제조방법.The method of claim 6, wherein the reducing agent in step (b) is hydrazine or ethylene glycol. 제6항에 있어서, 상기 (c)단계에서 열처리는 1 내지 7시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 양극 활물질의 제조방법.[7] The method of claim 6, wherein the heat treatment in step (c) is performed for 1 to 7 hours. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 양극 활물질 및 바인더를 포함하는 양극;
음극 활물질을 포함하는 음극;
상기 양극과 음극의 단락을 방지하는 분리막; 및
리튬염을 포함하는 전해질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
A positive electrode comprising a positive electrode active material and a binder according to any one of claims 1 to 5;
A negative electrode comprising a negative electrode active material;
A separation membrane for preventing a short circuit between the anode and the cathode; And
A lithium secondary battery comprising an electrolyte comprising a lithium salt.
제12항에 있어서, 상기 바인더는 폴리아마이드-이미드, 폴리이미드 및 폴리비닐리덴 플로라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The lithium secondary battery of claim 12, wherein the binder is at least one selected from the group consisting of polyamide-imide, polyimide, and polyvinylidene fluoride. 제12항에 있어서, 상기 양극은 도전성 탄소, 도전성 금속 또는 도전성 고분자인 도전제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.13. The lithium secondary battery of claim 12, wherein the anode further comprises a conductive agent that is conductive carbon, a conductive metal, or a conductive polymer. 제12항에 있어서, 상기 음극 활물질은 활성탄소, 흑연계 탄소 또는 리튬 이온이 삽입된 흑연계 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.13. The lithium secondary battery of claim 12, wherein the negative electrode active material comprises activated carbon, graphite carbon, or graphite carbon having lithium ions inserted therein. 제12항에 있어서, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiCF3SO3, LiSbF6 및 LiAsF6로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The lithium secondary battery according to claim 12, wherein the lithium salt is at least one selected from the group consisting of LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiSbF 6 and LiAsF 6 .
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