KR20150135245A - Anode active material, anode for secondary battery, secondary battery, and method for manufacturing the anode active material - Google Patents

Anode active material, anode for secondary battery, secondary battery, and method for manufacturing the anode active material Download PDF

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마사야 시키시마
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후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

안정된 양이온 교환 구조를 갖는 규산 철 망간 리튬계의 양극 활물질 등을 제공한다.
전기 화학적인 방법에 의하지 않고, 일반식 LiXFeYMn(1-Y)SiO4(0<X≤2.5, 0<Y≤1)로 표시되며, 공간군 P21/n 또는 Pmn21을 가지며, Fe/Mn 사이트에 Li가 들어가고, Li 사이트에 Fe/Mn 및 Li의 어느 하나가 들어간 양이온 교환 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 양극 활물질을 얻는다. 본 발명에서는 충방전에 따라 비정질화하는 Mn을 포함한 규산 철 망간 리튬에서도 양이온 교환 구조를 얻을 수 있다. 이러한 양이온 교환 구조는 그 후의 충방전에 있어서도 안정된 결정 구조를 유지하기 때문에, 사이클 특성이 뛰어난 이차 전지를 얻을 수 있다.
A lithium-based manganese iron-based positive electrode active material having a stable cation exchange structure, and the like.
Regardless of the electrochemical method, having the general formula Li X Fe Y Mn (1- Y) SiO 4 (0 <X≤2.5, 0 <Y≤1) is represented by the space group P2 1 / n or 1 Pmn2 , A positive electrode active material characterized in that Li enters the Fe / Mn site and has a cation exchange structure in which one of Fe / Mn and Li is contained in the Li site. In the present invention, a cation exchange structure can also be obtained in lithium silicate manganese lithium containing Mn which is amorphized by charge and discharge. Such a cation exchange structure maintains a stable crystal structure even in subsequent charge and discharge, and thus a secondary battery excellent in cycle characteristics can be obtained.

Description

양극 활물질, 이차 전지용 양극, 이차 전지, 및 양극 활물질의 제조 방법{ANODE ACTIVE MATERIAL, ANODE FOR SECONDARY BATTERY, SECONDARY BATTERY, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE ANODE ACTIVE MATERIAL}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a positive electrode active material, a positive electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a method for manufacturing a positive electrode active material. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 이차 전지에 이용되는 규산 철 망간 리튬계 양극 활물질 등에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium-based manganese lithium-based cathode active material used for a secondary battery.

최근, 전자 기기의 모바일화와 고기능화에 따라, 구동 전원인 이차 전지는 가장 중요한 부품 중 하나로 되어 있다. 특히, 리튬이온 이차 전지는 이용되는 양극 활물질과 음극 활물질의 높은 전압에서 얻어지는 에너지 밀도의 높이로부터, 종래의 NiCd 전지나 Ni 수소 전지를 대체하여 이차 전지의 주류 위치를 차지하기에 이르고 있다. 그러나, 현재의 리튬이온 전지에 이용되며 표준이 되고 있는 코발트산리튬(LiCoO2)계 양극 활물질과 흑연이 주체인 카본계 음극 활물질의 조합에 의한 리튬이온 이차 전지는 작금의 고기능 고부하 전자 부품의 소비 전력량을 충분히 공급할 수가 없어, 휴대 전원으로서는 요구 성능을 충족시킬 수 없게 되어 있다.2. Description of the Related Art [0002] In recent years, as electronic devices have become more mobile and more sophisticated, secondary batteries, which are driving power sources, have become one of the most important components. In particular, the lithium ion secondary battery has replaced the conventional NiCd battery or the Ni hydrogen battery to occupy the mainstream position of the secondary battery from the height of the energy density obtained from the high voltage of the used positive electrode active material and negative electrode active material. However, the lithium ion secondary battery by the combination of the lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) cathode active material which is used for the current lithium ion battery and the carbon-based anode active material which is the main body of the graphite, consumes the high functional high- The power can not be supplied sufficiently and the required performance can not be satisfied as a portable power source.

또한, 코발트산리튬은 희소 금속인 코발트를 이용하고 있기 때문에, 자원적인 제약이 크고 고가여서 가격 안정성에 과제가 있다. 또한, 코발트산리튬은 180℃ 이상의 고온이 되면 다량의 산소를 방출하기 때문에, 이상 발열 때나 전지의 단락 시에는 폭발이 일어날 가능성이 있다.Lithium cobalt oxide uses cobalt, which is a rare metal, and therefore, there are problems in resource stability, high price, and price stability. Further, since lithium cobalt oxide releases a large amount of oxygen at a high temperature of 180 DEG C or higher, there is a possibility that explosion may occur during abnormal heat generation or short circuit of the battery.

그래서, 코발트산리튬보다 열적 안정성이 뛰어난, 규산철리튬(Li2FeSiO4)이나 규산망간리튬(Li2MnSiO4)을 비롯한 폴리 음이온계의 규산 천이금속 리튬이 자원면, 비용면, 및 안전면을 충족시키는 재료로서 주목을 모으고 있다. 이 규산 천이금속 리튬은 조성식 내에 Li를 2개 보유하고 있으며, 2 전자 반응에 의한 고용량을 기대할 수 있는 재료이다.Therefore, a polyanionic silicate transition metal lithium, including lithium iron silicate (Li 2 FeSiO 4 ) or lithium manganese lithium (Li 2 MnSiO 4 ), which is superior in thermal stability to lithium cobalt oxide, As a material that meets the requirements. The lithium silicate transition metal lithium has two Li in the composition formula and is a material which can expect a high capacity by two electron reactions.

양극 재료로서의 규산철리튬은 합성 후 충방전을 행하면, Li를 1개분밖에 이탈 삽입할 수가 없어, Li 2개분의 고용량의 실현이 어렵다는 것이 알려져 있다(예를 들어, 비특허문헌 1). 이는 2 전자째의 반응 전위가 4.8V로 높아(비특허문헌 2), 실제로 전지 셀의 충방전을 행하면, 4.5V 이상의 고 전위에서 전해액의 분해를 수반하여, 그 이상의 충방전을 할 수 없다는 것에 기인한다. 한편으로, 1 전자만 반응하는 규산철리튬에서는 첫회의 충전 시에 그 결정 구조가 변화한다는 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1, 비특허문헌 1, 3). 규산철리튬을 충전하면 일부의 Li 사이트에서 Li이 이탈하지만, 이 때, Fe 원자가 원래 Li 원자가 있었던 Li 사이트로 이동한다. 이 결과, 방전 시에는 종래의 Fe 사이트에 Li이 삽입되고, 이러한 양이온 교환 구조로 된 뒤에는 충방전에 의해 Li의 이탈 삽입이 안정되게 행해진다.It is known that lithium silicate ferrite as a cathode material can be inserted and inserted only by one Li after carrying out charging and discharging after synthesis, and it is difficult to realize a high capacity of Li 2 pieces (for example, Non-Patent Document 1). This is because the reaction potential of the second electron is as high as 4.8 V (Non-Patent Document 2), and when the battery cell is actually charged and discharged, the electrolyte is decomposed at a high potential of 4.5 V or higher, . On the other hand, it is known that the crystal structure of lithium silicate which reacts only with one electron changes during the first charging (for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 3). When Li silicate is charged, Li is separated from some Li sites, but the Fe atoms migrate to Li sites originally having Li atoms. As a result, at the time of discharging, Li is inserted into the conventional Fe site. After this cation exchange structure is formed, release and insertion of Li is stably performed by charging and discharging.

한편, 양극 재료로서의 규산망간리튬은 합성 후 충방전을 행함으로써, 그 반응 전위가 1 전자째도 2 전자째도 4.5V 이하인 것으로부터, Li을 2개분 이탈 삽입할 수가 있어, 고용량을 실현할 수 있는 재료라는 것이 알려져 있다. 그러나, 규산망간리튬은 첫회의 충전에 의해서 결정 구조가 비정질화되어, 2 전자 반응을 사이클 특성이 양호하게 행할 수가 없다(예를 들어, 비특허문헌 4).On the other hand, lithium manganese lithium as a positive electrode material is charge / discharge after synthesis, and its reaction potential is 4.5 V or less for the first electron and the second electron, so that Li can be released and inserted into two portions and a material capable of realizing a high capacity Is known. However, the lithium manganese lithium can not be satisfactorily subjected to a two-electron reaction with good cycle characteristics because the crystal structure is amorphized by the first charging (see Non-Patent Document 4, for example).

특허문헌 1 : 특허 5298286호 공보Patent Document 1: Japanese Patent No. 5298286

비특허문헌 1 : Journal of Electrochemical Society, 159(5) A525-A531 (2012)Non-Patent Document 1: Journal of Electrochemical Society, 159 (5) A525-A531 (2012) 비특허문헌 2 : Electrochemical Communications 8 (2006) 1292-1298Non-Patent Document 2: Electrochemical Communications 8 (2006) 1292-1298 비특허문헌 3 : Journal of The American Chemical Society 2011, 133, 13031-13035Non-Patent Document 3: Journal of The American Chemical Society 2011, 133, 13031-13035 비특허문헌 4 : Chemistry of Materials 2010, 22, 5754-5761Non-Patent Document 4: Chemistry of Materials 2010, 22, 5754-5761

특허문헌 1에서는 규산철리튬 및 규산망간리튬이 기재되어 있고, 충전 후의 결정 구조에 기인한 XRD 패턴에 대해서도 개시되어 있다. 그러나, 망간을 포함하는 규산망간리튬이나 규산 철 망간 리튬은 최초의 충전 시에 비정질화되어, 결정 구조를 유지하지 않는다는 것이 알려져 있으며, 실제로는 특허문헌 1의 방법으로, 규산 철 망간 리튬의 양질의 양이온 교환 구조를 안정적으로 형성하는 것은 불가능하다.In Patent Document 1, lithium iron silicate and lithium manganese lithium are described, and an XRD pattern due to the crystal structure after filling is also disclosed. However, it has been known that lithium manganese silicate containing manganese or lithium manganese iron manganese is amorphized at the time of initial charging and does not maintain the crystal structure. Actually, it has been known by the method of Patent Document 1 that a lithium manganese- It is impossible to stably form a cation exchange structure.

본 발명은 전술한 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 안정된 양이온 교환 구조를 갖는 규산 철 망간 리튬계의 양극 활물질 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a lithium-based manganese iron-based cathode active material having a stable cation exchange structure.

전술한 목적을 달성하기 위해, 제1 발명은 일반식 LiXFeYMn(1-Y)SiO4(0<X≤2.5, 0<Y≤1)로 표시되며, 공간군(群) P21/n 또는 Pmn21의 적어도 어느 한쪽의 결정 구조를 갖고, 또한 Fe/Mn 사이트의 일부에 Li 원자가 들어가며, Li 사이트의 일부에 Fe 원자 또는 Mn 원자 중 어느 하나가 들어간, 양이온 교환 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 양극 활물질이다. 전술한 공간군 P21/n 또는 Pmn21의 적어도 하나 한쪽의 결정 구조라 함은 공간군 P21/n 또는 Pmn21을 모체 구조로 한 결정 구조도 포함한다.In order to achieve the above object, the first invention is represented by the general formula Li X Fe Y Mn (1- Y) SiO 4 (0 <X≤2.5, 0 <Y≤1), space group (群) P2 1 / n or Pmn2 1 , and also has a cation exchange structure in which a Li atom is contained in a part of the Fe / Mn site and either a Fe atom or a Mn atom is contained in a part of the Li site As a cathode active material. The crystal structure of at least one of the above-described space group P2 1 / n or Pmn2 1 also includes a crystal structure having a space group P2 1 / n or Pmn2 1 as a matrix structure.

여기서, 공간군 P21/n 또는 Pmn21을 모체 구조로 한다 함은 비특허문헌 5와 같은 공간군 P21/n이나 비특허문헌 6과 같은 공간군 Pmn21을 갖는 결정 구조라고 하는 의미가 아니라, 그들의 결정 구조를 기초로 하고, 그 원자의 상대적인 위치 관계만을 서술하고 있다는 것이다.Here, assuming that the space group P2 1 / n or Pmn2 1 is a matrix structure does not mean a crystal structure having a space group P 2 1 / n as in non-patent document 5 or a space group Pmn 2 1 such as non-patent document 6 , Based on their crystal structure and describing only the relative positional relationship of the atoms.

비특허문헌 5 : Journal of the American chemical society, 2011, 133, 1263-1265.Non-Patent Document 5: Journal of the American Chemical Society, 2011, 133, 1263-1265.

비특허문헌 6 : Electrochemistry Communications, 7, 156, 2005.Non-Patent Document 6: Electrochemistry Communications, 7, 156, 2005.

공간군 P21/n으로 표시되는 결정 구조와 공간군 Pmn21로 표시되는 결정 구조는 매우 가까운 관계에 있다. 이들의 결정 구조는 일반식 LiXFeYMn(1-Y)SiO4(0<X≤2.5, 0<Y≤1)로 표시되는 조성의 물질을 소성에 의해서 제조함으로써 통상 생성되는 안정적인 결정 구조이므로, 본 명세서에서는 통상 구조라고 부른다. 여기서, 비특허문헌 5와 같이, 어느 소성 온도에 있어서, Y가 1에 가까우면 P21/n이 되고, Y가 0에 가까우면 Pmn21로 되며, 그 사이에서는 P21/n과 Pmn21의 공존 상태, 혹은 고용체 상태로 되는 것이 일반적인 것으로 알려져 있다((비특허문헌 7) Journal of Materials Chemistry 2011, 21, 17823-17831).The crystal structure represented by the space group P2 1 / n and the crystal structure represented by the space group Pmn2 1 are in a very close relationship. These crystal structures have a stable crystal structure which is usually produced by producing a material having a composition represented by the general formula Li X Fe Y Mn (1-Y) SiO 4 (0 <X ≦ 2.5, 0 <Y ≦ 1) It is referred to as a normal structure in this specification. Here, as in the case of non-patent document 5, P2 / n becomes 1 / n when Y is close to 1 and Pmn2 1 when Y is close to 0 at any firing temperature, and P2 1 / n and Pmn2 1 Coexisted state, or solid solution state ((Non-Patent Document 7) Journal of Materials Chemistry 2011, 21, 17823-17831).

그러나, 실제의 재료에서는 반드시 평형 상태는 얻을 수 없고, 또한, 결정 구조의 차이도 근소하기 때문에, X선 회절에 의한 식별도 어려우므로 결정 구조를 조성과의 관계에서 일의적(一義的)으로 결정하기는 어렵다. 또한, 양극 활물질로서 실제 사용에 제공하는 경우는 상기 범위의 조성이라면 어느 쪽의 결정 구조라도 동일하게 사용이 가능하므로, 본 발명에서는 이들을 엄밀히 구별하지 않고, 공간군 P21/n 또는 Pmn21의 적어도 어느 한쪽의 결정 구조를 가지는 것으로 정의한다.However, since an equilibrium state can not always be obtained in an actual material, and the difference in crystal structure is also small, it is difficult to identify it by X-ray diffraction, so that the crystal structure is uniquely determined in relation to composition It is difficult to do. In the case of providing the cathode active material for practical use, any crystal structure can be used as long as it has the above-mentioned composition. Therefore, in the present invention, at least the space group P2 1 / n or Pmn2 1 It is defined as having one of the crystal structures.

한편, 이들 통상 구조에 대해, Fe 원자 또는 Mn 원자와, Li 원자가 통상 구조의 위치에서 교체된 결정 구조를 양이온 교환 구조라고 부른다. 여기서, Fe/Mn 사이트라 함은 통상 구조에서 Fe 원자 또는 Mn 원자가 존재하는 위치이다. Li 사이트라 함은 통상 구조에서 Li 원자가 존재하는 위치이다.On the other hand, for these conventional structures, a crystal structure in which a Fe atom or a Mn atom and a Li atom are substituted at a position of a general structure is called a cation exchange structure. Here, the Fe / Mn site refers to a position where a Fe atom or a Mn atom exists in a normal structure. The Li site is a position where a Li atom exists in a normal structure.

Fe 및/또는 Mn의 일부에 대신하여, Co 또는 Ni의 적어도 한쪽이 치환되어도 좋다.At least one of Co and Ni may be substituted for Fe and / or a part of Mn.

Fe 및/또는 Mn의 일부에 대신하여, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Cu, Zn, Sr, Zr, Mo의 적어도 어느 하나가 치환되어도 좋다.At least one of Mg, Ca, Ti, V, Cr, Cu, Zn, Sr, Zr and Mo may be substituted in place of a part of Fe and / or Mn.

또한, 양이온 교환 구조에서는, Fe 또는 Mn은 가수(價數)가 +2.5 ~ +3.5가이다.In the cation exchange structure, Fe or Mn has a valence of +2.5 to +3.5.

제1 발명에 의하면, 종래의 전기 화학적인 방법을 이용하지 않고, 합성 화학적 방법으로 양이온 교환 구조를 얻을 수 있다. 이 때문에, 전기 화학적인 방법에서는 비정질화되어 버리기 때문에 양이온 교환 구조로 전이할 수 없었던 규산 철 망간 리튬에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 양이온 교환 구조로 된 규산 철 망간 리튬은 그 후의 충방전에서도 비정질화되지 않고 결정 구조를 유지할 수 있다.According to the first invention, a cation exchange structure can be obtained by a synthetic chemical method without using a conventional electrochemical method. Therefore, the present invention can be applied to lithium silicate-manganese lithium which can not be transferred to a cation exchange structure because it becomes amorphous by an electrochemical method. Further, the lithium silicate manganese lithium having a cation exchange structure is not amorphized even after charging and discharging, and can maintain the crystal structure.

이와 같이, Mn함유의 규산 철 망간 리튬의 양이온 교환 구조를 제조할 수 있기 때문에, 2 전자 반응을 사이클 특성이 양호하게 얻을 수 있으며, 용량이 증대하고 에너지 밀도가 증대한 활물질을 얻을 수 있다.Since the cation exchange structure of Mn-containing lithium silicate manganese lithium can be produced in this manner, a two-electron reaction can be obtained with satisfactory cycle characteristics, and an active material with increased capacity and increased energy density can be obtained.

또한, Fe 및/또는 Mn의 일부에 대신하여, Co 또는 Ni의 적어도 한쪽이 치환되더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다.Further, even if at least one of Co and Ni is substituted for Fe and / or a part of Mn, the same effect can be obtained.

또한, Fe 및/또는 Mn의 일부에 대신하여, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Zn, Mo의 어느 하나가 더욱 첨가됨으로써, 용량의 증대 및 에너지 밀도의 증대라는 상기와 동일의 효과에다가, 결정 구조를 안정화할 수 있고 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.Further, by adding any one of Mg, Ca, Ti, V, Cr, Zn and Mo in place of a part of Fe and / or Mn, the same effect as the above- The crystal structure can be stabilized and the cycle characteristics can be improved.

또한, Li의 일부에 대신하여, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Zr, Mo의 적어도 어느 하나가 치환됨으로써, 상기와 마찬가지로 용량의 증대, 에너지 밀도의 증대, 결정 구조의 안정화, 사이클 특성의 향상이라는 효과를 얻을 수 있다.Further, by substituting at least one of Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Zr and Mo in place of a part of Li, , The effect of increasing the energy density, stabilizing the crystal structure, and improving the cycle characteristics can be obtained.

또한, 이러한 양이온 교환 구조에서는, Fe 또는 Mn은 가수가 +2.5 ~ +3.5가인 것을 알 수 있고. Fe 또는 Mn이 가수 변화함으로써, Si나 O가 가수 변화하지 않고 안정 구조를 유지하고 있음을 알 수 있다.Further, in such a cation exchange structure, Fe or Mn has a valence of +2.5 to +3.5. It can be seen that Si or O does not change in the valence state and maintains the stable structure due to the change in the number of Fe or Mn.

제2 발명은 집전체와, 상기 집전체의 적어도 한쪽 면에 제1 발명에 관련한 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 양극이다.A second aspect of the present invention is a positive electrode for a secondary battery, comprising a current collector and a positive electrode active material layer comprising a positive electrode active material according to the first aspect of the invention on at least one side of the current collector.

또한, 제3 발명은 제2 발명에 관련한 이차 전지용 양극과, 리튬 이온을 흡수 저장 및 방출 가능한 음극과, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 갖고, 리튬 이온 전도성을 가진 전해질 중에 상기 양극과 상기 음극과 상기 세퍼레이터를 설치한 것을 특징으로 하는 이차 전지이다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a secondary battery comprising a positive electrode for a secondary battery according to the second invention, a negative electrode capable of absorbing and storing lithium ions, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, Wherein the negative electrode and the separator are provided.

제2 및 제3 발명에 따르면, 사이클 특성이 뛰어난 이차 전지용 양극 및 이차 전지를 얻을 수 있다.According to the second and third inventions, a positive electrode and a secondary battery for a secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained.

제4 발명은 적어도 리튬원(源), 철원, 망간원 및 실리콘원을 이용하여 규산 철 망간 리튬계의 활물질을 합성하는 공정과, 상기 활물질로부터 리튬의 일부를 이탈시키는 공정과, 상기 활물질을 가열하여, 리튬 사이트의 일부와 철 사이트의 일부가 교체되어, 양이온 교환 구조로 전이시키는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조 방법이다.A fourth aspect of the present invention is a process for producing a lithium secondary battery comprising the steps of synthesizing an active material of lithium-manganese iron manganese at least using a lithium source, an iron source, a manganese source, and a silicon source; a step of removing a part of lithium from the active material; And a step of transferring a portion of the lithium site and a portion of the iron site to a cation exchange structure.

제4 발명에 따르면, 전기 화학적인 방법을 이용하지 않고, 양이온 교환 구조를 갖는 양극 활물질을 얻을 수 있다.According to the fourth invention, a cathode active material having a cation exchange structure can be obtained without using an electrochemical method.

본 발명에 의해, 안정된 양이온 교환 구조를 갖는 규산 철 망간 리튬계의 양극 활물질 등을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a cathode active material of lithium iron silicate having a stable cation exchange structure.

도 1은 비수전해질 이차 전지(30)를 도시하는 도면.
도 2는 미립자 제조 장치(1)를 도시하는 개략도.
도 3은 공간군 Pmn21의 단위 격자를 도시하는 도면.
도 4(a)는 공간군 Pmn21을 가진 결정 구조를 도시하는 도면으로서, 통상 구조를 나타내는 도면.
도 4(b)는 공간군 Pmn21을 가진 결정 구조를 도시하는 도면으로서, 양이온 교환 구조를 나타내는 도면.
도 5(a)는 합성 직후의 결정 구조(20a)를 도시하는 개념도.
도 5(b)는 Li의 일부를 이탈시킨 상태의 결정 구조(20b)를 도시하는 개념도.
도 6(a)는 양이온 교환 구조를 도시하는 도면으로서, 1 전자 충전 상태의 결정 구조(20c)를 나타내는 개념도.
도 6(b)는 양이온 교환 구조를 도시하는 도면으로서, 방전 상태의 결정 구조(20d)를 나타내는 개념도.
도 7은 X선 회절 측정에서의 피크를 도시하는 도면.
도 8은 X선 회절 측정에서의 피크를 도시하는 도면.
도 9(a)는 통상 구조와 양이온 교환 구조에서의 Fe-K단(端)의 XANES(X-ray Absorption Near Edge Structure)의 결과.
도 9(b)는 도 9(a)의 XANES 스펙트럼에서 추산되는 Fe의 가수.
도 10은 통상 구조와 양이온 교환 구조에서의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)의 결과.
도 11(a)는 통상 구조와 양이온 교환 구조에서의 Mn-K단의 XANES의 결과.
도 11(b)는 도 11(a)의 XANES 스펙트럼에서 추산되는 Mn의 가수.
도 12는 통상 구조와 양이온 교환 구조에서의 XPS의 결과.
1 is a view showing a nonaqueous electrolyte secondary battery 30;
2 is a schematic view showing the particulate production apparatus 1. Fig.
3 is a diagram showing a unit grid of space group Pmn2 1 ;
4 (a) is a diagram showing a crystal structure having a space group Pmn2 1, and showing a typical structure thereof.
Fig. 4 (b) is a diagram showing a crystal structure having a space group Pmn2 1 , which shows a cation exchange structure. Fig.
Fig. 5 (a) is a conceptual diagram showing a crystal structure 20a immediately after synthesis. Fig.
5 (b) is a conceptual diagram showing a crystal structure 20b in a state in which a part of Li is removed.
Fig. 6 (a) is a diagram showing a cation exchange structure, and is a conceptual diagram showing a crystal structure 20c of one electron-charged state. Fig.
Fig. 6 (b) is a diagram showing a cation exchange structure, and is a conceptual diagram showing a crystal structure 20d in a discharge state. Fig.
7 is a view showing a peak in X-ray diffraction measurement.
8 is a view showing a peak in X-ray diffraction measurement.
9 (a) is a result of X-ray absorption near-edge structure (XANES) of the Fe-K end in a normal structure and a cation exchange structure.
FIG. 9 (b) is the mantissa of Fe estimated in the XANES spectrum of FIG. 9 (a).
10 is a result of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in a normal structure and a cation exchange structure.
11 (a) is a result of XANES of the Mn-K stage in a normal structure and a cation exchange structure.
11 (b) is a mantissa of Mn estimated in the XANES spectrum of Fig. 11 (a).
12 shows the results of XPS in a conventional structure and in a cation exchange structure.

(양극 활물질)(Cathode active material)

이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명한다. 규산 철 망간 리튬은 일반식 LiXFeYMn(1-Y)SiO4(0<X≤2.5, 0<Y≤1)로 표시된다. 또한, 통상은 0<X≤2의 범위이다. 또한, 0<Y<1인 것이 바람직하다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The lithium silicate lithium manganese is represented by the general formula Li x Fe Y Mn (1-Y) SiO 4 (0 <X? 2.5, 0 < Y? 1 ). Normally, the range is 0 < It is preferable that 0 < Y < 1.

또한, Fe 및/또는 Mn의 일부를, 실제 용량의 증대나 평균 전위의 향상에 의한 에너지 밀도의 향상을 기대할 수 있는 Co 또는 Ni의 적어도 한쪽으로 치환해도 좋고, 또한, Fe 및/또는 Mn의 일부를 Mg, Ca, Ti, V, Cr, Zn, Mo의 적어도 어느 하나로 치환해도 좋다. 이와 같은 원소를 첨가함으로써, 결정 구조를 안정시켜서 사이클 수명의 향상을 기대할 수 있고, 게다가 실제 용량의 증대나 전위의 향상에 의한 에너지 밀도 증대를 기대할 수 있다. 또한, 규산 철 망간 리튬의 결정 구조에 대해서는 상세를 후술한다.In addition, a part of Fe and / or Mn may be substituted with at least one of Co and Ni which can be expected to increase the energy density due to the increase of the actual capacity or the average potential, May be substituted with at least one of Mg, Ca, Ti, V, Cr, Zn, and Mo. By adding such an element, the crystal structure can be stabilized and the cycle life can be improved. In addition, the energy density can be expected to be increased by increasing the actual capacity and the potential. Details of the crystal structure of lithium manganese silicide lithium will be described later.

본 발명의 규산 철 망간 리튬의 입자는, 투과형 전자 현미경(TEM) 관찰에 의해 입자 직경을 측정하여 1차 입자의 입자 직경 분포를 구하면 10 ~ 200nm의 범위에 존재하며, 평균 입자 직경이 25 ~ 100nm로 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 입자 직경 분포는 10 ~ 150nm의 범위, 평균 입자 직경이 25 ~ 80nm로 존재하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 입자 직경 분포가 10 ~ 200nm의 범위에 존재한다 함은, 얻어진 입자 직경 분포가 10 ~ 200nm의 전 범위에 걸칠 필요는 없으며, 얻어진 입자 직경 분포의 하한이 10nm 이상이고 상한이 200nm 이하임을 의미한다. 즉, 얻어진 입자 직경 분포가 10 ~ 100nm라도 좋고, 50 ~ 150nm라도 좋다.The particles of the lithium silicate iron manganese lithium are present in the range of 10 to 200 nm when the particle diameter distribution of the primary particles is obtained by measuring the particle diameter by a transmission electron microscope (TEM) observation, and the average particle diameter is 25 to 100 nm Is preferably present. It is more preferable that the particle diameter distribution is in the range of 10 to 150 nm and the average particle diameter is in the range of 25 to 80 nm. The presence of the particle diameter distribution in the range of 10 to 200 nm means that the obtained particle diameter distribution does not need to span the entire range of 10 to 200 nm and that the lower limit of the obtained particle diameter distribution is 10 nm or more and the upper limit is 200 nm or less do. That is, the obtained particle diameter distribution may be 10 to 100 nm or 50 to 150 nm.

또한, SiO4의 일부를 다른 음이온에 의해 치환시킬 수도 있다. 예를 들어, 천이 금속의 산인, 티탄산(TiO4)이나 크롬산(CrO4), 바나딘산(VO4, V2O7), 지르콘산(ZrO4), 몰리브덴산(MoO4, Mo7O24), 텅스텐산(WO4), 등등이며, 혹은 붕산(BO3)이나 인산(PO4)에 의한 치환이다. 규산 이온의 일부를 이들 음이온 종에 의해 치환함으로써, Li 이온의 이탈과 삽입의 반복에 의한 결정 구조 변화의 억제와 안정화에 기여하고, 사이클 수명을 향상시킨다. 또한, 이들 음이온 종은 고온에서도 산소를 방출하기 어려우므로, 발화로 이어질 일도 없어 안전하게 사용할 수 있다.In addition, a part of SiO 4 may be replaced by another anion. For example, a transition metal acid such as titanic acid (TiO 4 ), chromic acid (CrO 4 ), vanadic acid (VO 4 , V 2 O 7 ), zirconic acid (ZrO 4 ), molybdic acid (MoO 4 , Mo 7 O 24 ), tungstic acid (WO 4 ), etc., or substitution with boric acid (BO 3 ) or phosphoric acid (PO 4 ). By substituting a part of the silicate ion by these anion species, it contributes to inhibition and stabilization of crystal structure change due to repetition of separation and insertion of Li ions and improves cycle life. Further, since these anionic species are difficult to release oxygen even at high temperatures, they can be safely used because they do not lead to ignition.

양극 활물질은 표면에 탄소 피복을 갖는 것이 바람직하다. 게다가, 탄소 피복을 갖는 양극 활물질의 분체 전도율이 10-3S/cm 이상인 것이 바람직하다. 양극 활물질의 분체 전도율이 10-3S/cm 이상이면, 양극에 사용되었을 때 충분한 도전성을 얻을 수 있다. 또한, 탄소 피복을 갖는 양극 활물질 중의 탄소 함유량이 1.5중량% 이상인 것이 바람직하다. 탄소의 함유량이 1.5중량% 이상이면, 분체 전도율도 높아지고, 양극 활물질을 양극으로 사용할 때 충분한 도전성을 얻을 수 있다.The positive electrode active material preferably has a carbon coating on the surface. In addition, it is preferable that the powder conductivity of the cathode active material having a carbon coating is 10 -3 S / cm or more. When the powder conductivity of the positive electrode active material is 10 &lt; -3 &gt; S / cm or more, sufficient conductivity can be obtained when used for the positive electrode. Further, it is preferable that the carbon content in the positive electrode active material having carbon coating is 1.5 wt% or more. When the content of carbon is 1.5% by weight or more, the powder conductivity is also high, and when the positive electrode active material is used as the positive electrode, sufficient conductivity can be obtained.

(비수전해질 이차 전지용 양극)(Positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery)

양극 활물질은 비수전해질 이차 전지용 양극에 사용되는 양극 활물질로서 사용 가능하다. 양극 활물질을 이용하여 비수전해질 이차 전지용 양극을 형성하는 데는, 양극 활물질의 분말에 대해, 필요에 따라서 카본 블랙 등의 전도 조제를 더 가함과 동시에, 폴리테트라 플루오로 에틸렌이나 폴리불화 비닐리덴, 폴리이미드 등의 결착제, 부타디엔 고무 등의 분산제, 카르복시 메틸 셀룰로오스 기타 셀룰로오스 유도체 등의 증점제를 가하고 수계 용매든지 유기 용매 중에 넣어 슬러리로 한 것을, 알루미늄을 95중량% 이상 포함한 알루미늄합금박 등의 집전체 위에 한쪽 면 내지는 양면에 도포하고, 소성하여 용매를 휘발 건조응고시킨다. 이로써, 집전체 위에 양극 활물질을 포함한 활물질층을 갖는 비수전해질 이차 전지용 양극이 얻어진다.The positive electrode active material can be used as a positive electrode active material used for a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery. In forming the positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery by using the positive electrode active material, the positive electrode active material powder may further contain a conductive additive such as carbon black, if necessary, and at the same time, a polytetrafluoroethylene or polyvinylidene fluoride, , A dispersing agent such as butadiene rubber, a thickening agent such as carboxymethyl cellulose and other cellulose derivatives, and an aqueous solvent is put in an organic solvent to form a slurry. The slurry is coated on a collector such as an aluminum alloy foil containing 95 wt% Coated on both sides or both sides, and fired to volatilize and dry the solvent. Thereby, a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery having an active material layer containing a positive electrode active material on the current collector is obtained.

양극 활물질의 입자 직경이 작을 경우, 슬러리의 도포성이나 집전체와 활물질층과의 밀착성, 집전성을 올리기 위해서, 양극 활물질을 스프레이 드라이법에 의해 탄소원 등과 과립화해도 좋다. 과립화된 이차 입자의 덩어리는 대략 1 ~ 20㎛ 정도의 큰 덩어리로 되지만, 이에 따라 슬러리 도포성이 향상되어, 전지 전극의 특성과 수명도 더욱 양호해진다. 스프레이 드라이법에 이용되는 슬러리는 수계 용매 또는 비수계 용매의 어느 것도 사용할 수 있다.When the particle size of the positive electrode active material is small, the positive electrode active material may be granulated with a carbon source or the like by a spray-drying method in order to increase the applicability of the slurry, the adhesion between the current collector and the active material layer, and the current collecting property. The mass of the granulated secondary particles becomes a large mass of about 1 to 20 mu m, but the slurry application performance is improved, and the characteristics and the life of the battery electrode are also improved. The slurry used in the spray-drying method may be either an aqueous solvent or a non-aqueous solvent.

또한, 양극 활물질을 포함한 슬러리를 알루미늄 합금 박 등의 집전체 위에 코팅 형성한 양극에서, 활물질층 형성면의 집전체 표면 조도로서 일본 공업 규격(JIS B 0601-1994)에 규정되는 십점 평균 조도 Rz가 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하다. 형성된 활물질층과 집전체와의 밀착성이 뛰어나고, Li 이온의 삽입 이탈에 수반하는 전자 전도성 및 집전체까지의 집전성이 증대하며, 충방전의 사이클 수명이 향상된다.Further, in the case of a positive electrode in which a slurry containing a positive electrode active material is coated on a current collector such as an aluminum alloy foil, a ten-point average roughness Rz defined in Japanese Industrial Standard (JIS B 0601-1994) as a collector surface roughness of the active material layer- And more preferably 0.5 mu m or more. The adhesion between the formed active material layer and the current collector is excellent, the electron conductivity accompanying the insertion and desorption of Li ions increases, and the current collecting ability to the collector increases, and the cycle life of charging and discharging is improved.

(비수전해질 이차 전지)(Non-aqueous electrolyte secondary battery)

본 실시 형태의 양극을 이용한 고용량인 이차 전지를 얻으려면, 종래 공지의 음극 활물질을 이용한 음극이나 전해액, 세퍼레이터, 전지 케이스 등의 각종 재료를 특히 제한없이 사용할 수 있다.In order to obtain a secondary battery of a high capacity using the anode of the present embodiment, various materials such as a negative electrode using an anode active material known in the art, an electrolytic solution, a separator, and a battery case can be used without particular limitation.

도 1은 비수전해질 이차 전지(30)를 도시하는 단면도이다. 본 실시 형태의 비수전해질 이차 전지(30)는 양극(33), 리튬 이온을 흡수 저장 및 방출 가능한 음극(35), 및 세퍼레이터(37)로 구성된다. 양극(33), 음극(35) 및 세퍼레이터(37)는 세퍼레이터(37)-음극(35)-세퍼레이터(37)-양극(33)의 순으로 적층 배치된다. 또한, 양극(33)이 내측이 되도록 휘감아서 극판군(極板群)이 구성되어, 전지 캔(41) 내에 삽입된다. 양극(33)은 양극 리드(43)를 거쳐 양극 단자(47)에 접속되고, 음극(35)은 음극 리드(45)를 거쳐 전지 캔(41)에 접속된다. 이상에 의해, 비수전해질 이차 전지(30)의 내부에서 발생한 화학 에너지를 전기 에너지로서 외부로 취출할 수 있게 된다. 전지 캔(41) 내에는 리튬 이온 전도성을 갖는 전해질(31)이 극판군을 덮도록 충전된다. 전지 캔(41)의 상단(개구부)에는 환형상의 절연 가스킷을 거쳐서 밀봉체(39)가 부착된다. 밀봉체(39)는 원형 덮개판과 그 상부의 양극 단자(47)로 구성되며, 그 내부에 안전 밸브 기구를 내장한다. 이상에 의해, 비수전해질 이차 전지(30)가 제조된다.1 is a sectional view showing a nonaqueous electrolyte secondary battery 30. The nonaqueous electrolyte secondary battery 30 of the present embodiment is constituted by a positive electrode 33, a negative electrode 35 capable of absorbing and storing lithium ions, and a separator 37. The anode 33, the cathode 35 and the separator 37 are stacked in the order of the separator 37, the cathode 35, the separator 37 and the anode 33 in this order. Further, the positive electrode 33 is wound so as to be inwardly to constitute the electrode plate group (electrode plate group) and inserted into the battery can 41. The positive electrode 33 is connected to the positive electrode terminal 47 via the positive electrode lead 43 and the negative electrode 35 is connected to the battery can 41 via the negative electrode lead 45. As a result, the chemical energy generated inside the nonaqueous electrolyte secondary battery 30 can be taken out to the outside as electric energy. In the battery can 41, the electrolyte 31 having lithium ion conductivity is filled so as to cover the electrode plate group. A sealing member 39 is attached to an upper end (opening portion) of the battery can 41 via an annular insulating gasket. The sealing member 39 is constituted by a circular lid plate and a positive electrode terminal 47 thereon, and a safety valve mechanism is incorporated therein. Thus, the nonaqueous electrolyte secondary battery 30 is manufactured.

본 실시 형태에 관련한 양극을 이용한 이차 전지는 용량이 높고 양호한 전극 특성이 얻어지지만, 이차 전지를 구성하는 비수 용매를 이용하는 전해액에 불소를함유하는 비수 용매를 이용하거나 또는 첨가하면, 충방전에 의한 반복을 거쳐도 용량이 저하하기 어렵고 긴 수명이 된다.The secondary battery using the positive electrode according to the present embodiment has high capacity and good electrode characteristics. However, when a non-aqueous solvent containing fluorine is used or added to the electrolyte solution using the non-aqueous solvent constituting the secondary battery, The capacity is hardly lowered and the life is long.

예를 들면, 특히 실리콘계의 고용량인 음극 활물질을 포함한 음극을 이용하는 경우에는, Li 이온의 도핑·탈도핑에 의한 큰 팽창 수축을 억제하기 위해서, 전해액에 불소를 함유하거나, 불소를 치환기로서 갖는 비수 용매를 포함하는 전해액을 이용하는 것이 바람직하다. 불소함유 용매는 충전 시, 특히 처음의 충전 처리 시의 Li 이온과의 합금화에 의한 실리콘계 피막의 체적 팽창을 완화시키므로, 충방전에 의한 용량 저하를 억제할 수 있다. 불소함유 비수 용매에는 불소화에틸렌 카보네이트나 불소화 쇄상(chain-like) 카보네이트 등를 이용할 수 있다. 불소화에틸렌 카보네이트에는 모노-테트라-플루오로에틸렌 카보네이트(4-플루오로-1, 3-디옥솔란-2-온, FEC)가, 그리고 불소화 쇄상 카보네이트에는 메틸2, 2, 2-트리플루오로에틸 카보네이트, 에틸2, 2, 2-트리플루오로에틸 카보네이트 등이 있으며, 이들을 단일 또는 복수 병용하여 전해액에 첨가해서 이용할 수 있다. 불소기는 실리콘과 결합하기 쉽고 견고하기도 하므로, Li 이온과의 충전 합금화에 의한 팽창 시에도 피막을 안정시켜 팽창의 억제에 기여할 수 있다고 보여진다.For example, in the case of using a negative electrode containing a high-capacity negative active material of silicon, in order to suppress large expansion and contraction due to doping and de-doping of Li ions, it is preferable to use an electrolyte containing fluorine in the electrolyte or a nonaqueous solvent containing fluorine as a substituent It is preferable to use an electrolytic solution. The fluorine-containing solvent relaxes the volumetric expansion of the silicone film due to the alloying with Li ions during charging, particularly during the initial charging treatment, and thus the capacity decrease due to charge and discharge can be suppressed. Fluorinated ethylene carbonate or fluorinated chain-like carbonate can be used as the fluorine-containing nonaqueous solvent. Mono-tetra-fluoroethylene carbonate (4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one, FEC) is used for the fluorinated ethylene carbonate and methyl 2,2,2-trifluoroethyl carbonate , Ethyl 2, 2, 2-trifluoroethyl carbonate, and the like, and they can be used singly or in a combination of two or more in an electrolytic solution. Since the fluorine group is easy to bond with silicon and is firm, it is believed that the fluorine group can stabilize the coating even when inflated by charging alloyed with Li ion, thereby contributing to suppression of expansion.

(본 실시 형태에 관련한 양극 활물질의 제조 방법)(Method for producing a positive electrode active material according to this embodiment)

먼저, 규산 철 망간 리튬의 전구체를 소성한다. 규산 철 망간 리튬의 전구체는 화염 가수 분해나 열 산화 등의 반응 과정을 포함한 제조 방법, 예를 들어 분무 연소법에 의해 합성된다.First, the precursor of lithium manganese silicide is baked. The precursor of lithium manganese iron lithium is synthesized by a manufacturing method including a reaction process such as flame hydrolysis or thermal oxidation, for example, a spray combustion method.

다음에, 얻어진 전구체를 탄소원과 혼합하고, 불활성 가스 분위기 중에서 소성한다. 전구체 입자에 포함되는 비정질인 화합물이나 산화물 형태의 혼합물이 소성에 의해 규산 철 망간 리튬계의 결정 형태의 화합물로 변화하고, 양극 활물질이얻어진다.Next, the obtained precursor is mixed with a carbon source and fired in an inert gas atmosphere. The amorphous compound contained in the precursor particles or the mixture of the oxide form is changed to a compound of crystalline form of lithium manganese iron manganese oxide by firing, and a cathode active material is obtained.

또한, 양극 활물질의 표면을 탄소로 피복하는 것이 바람직하기 때문에, 양극 활물질을 탄화 수소 가스의 분위기 하에서 어닐링하는 것이 바람직하다.Further, since it is preferable to coat the surface of the positive electrode active material with carbon, it is preferable to anneal the positive electrode active material under an atmosphere of hydrocarbon gas.

(분무 연소법에 의한 전구체 입자의 제조 방법)(Method for producing precursor particles by spray combustion)

분무 연소법에 의해 전구체 입자를 제조하는 미립자 제조 장치(1)의 예를 도 2에 도시한다. 반응 용기(11)에는 미립자 합성 노즐(9)이 배치되고, 연소 가스 공급부(5), 지연성(支燃性) 가스 공급부(7), 및 원료 용액 공급부(3)가 접속된다. 연소 가스 공급부(5), 지연성 가스 공급부(7), 및 원료 용액 공급부(3)로부터는 각각 가연성 가스, 공기, 원료 용액 등이 미립자 합성 노즐(9)에서 발생하는 화염 중에 공급된다. 또한, 반응 용기(11) 내에서 생성된 배기 중의 전구체 입자(15)가 필터(13)에 의해 회수된다.An example of a particulate production apparatus 1 for producing precursor particles by a spray combustion method is shown in Fig. The reaction vessel 11 is provided with a particulate synthesis nozzle 9 to which a combustion gas supply unit 5, a delayed gas supply unit 7 and a raw material solution supply unit 3 are connected. Flammable gas, air, raw material solution and the like are supplied from the combustion gas supply part 5, the retarding gas supply part 7 and the raw material solution supply part 3 to the flames generated from the particulate synthesis nozzle 9, respectively. In addition, the precursor particles 15 in the exhaust produced in the reaction vessel 11 are recovered by the filter 13.

분무 연소법은 염화물 등의 원료 기체를 공급하는 방법이나 기화기를 통해서 원료 액체 또는 원료 용액을 공급하는 방법에 의해, 지연성 가스와 가연성 가스와 함께 구성 원료를 화염 중에 공급하고, 구성 원료를 반응시켜, 목적 물질을 얻는 방법이다. 분무 연소법으로서, VAD(Vapor-phase Axial Deposition)법 등을 매우 적합한 예로서 들 수 있다. 이들 화염의 온도는 가연성 가스와 지연성 가스의 혼합비나 나아가서 구성 원료의 첨가 비율에 따라 변화하지만, 통상 1000 ~ 3000℃의 사이에 있고, 특히 1500 ~ 2500℃ 정도인 것이 바람직하며, 나아가 1500 ~ 2000℃ 정도인 것이 보다 바람직하다. 화염 온도가 저온이면, 화염 중에서의 반응이 완료되기 전에 미립자가 화염의 밖으로 나와 버릴 가능성이 있다. 또한, 화염온도가 고온이면, 생성되는 미립자의 결정성이 지나치게 높아지고, 그 후의 소성 공정에서 안정상(安定相)이지만 양극 활물질로서는 바람직하지 않은 상이 생성되기 쉬워지고 만다.The spray combustion method is a method in which a constituent material is fed into a flame together with a retarding gas and a combustible gas by a method of supplying a raw material gas such as chloride or a method of supplying a raw material liquid or a raw material solution through a vaporizer, This is a method for obtaining a target substance. As a spray combustion method, a Vapor-Phase Axial Deposition (VAD) method or the like is a very suitable example. The temperature of these flames generally varies depending on the mixing ratio of the flammable gas and the retarding gas, and further depends on the addition ratio of the constituent materials, but is usually in the range of 1000 to 3000 캜, particularly preferably in the range of 1500 to 2500 캜, Deg.] C. If the flame temperature is low, there is a possibility that the particulates may come out of the flame before the reaction in the flame is completed. In addition, if the flame temperature is high, the crystallinity of the produced fine particles becomes excessively high, and an image which is stable (stable phase) in the subsequent firing step, but is undesirable for the positive electrode active material is likely to be generated.

또한, 화염 가수 분해법은 화염 중에서 구성 원료가 가수 분해되는 방법이다. 화염 가수 분해법에서는 화염으로서 산수소 화염이 일반적으로 이용된다. 가연성 가스로서 수소 가스가, 지연성 가스로서 산소 가스가 공급된 화염의 중심(元)에 양극 활물질의 구성 재료를 포함한 용액과 화염 원료(산소 가스와 수소 가스)를 동시에 노즐로부터 공급하여 목적 물질을 합성한다. 화염 가수 분해법에서는 불활성 가스 충전 분위기 중, 나노 스케일의 극미소한 주로 비정질로 이루어지는 목적 물질의 미립자를 얻을 수 있다.In addition, the flame hydrolysis method is a method in which a constituent material is hydrolyzed in a flame. In the flame hydrolysis method, an oxyhydrogen flame is generally used as a flame. A solution containing a constituent material of a cathode active material and a flame raw material (oxygen gas and hydrogen gas) are simultaneously supplied from a nozzle to a center of a flame in which hydrogen gas as a flammable gas and oxygen gas as a delayed gas are supplied, Synthesized. In the flame hydrolysis method, fine particles of a target material composed mainly of amorphous nanoscale minuscule in an inert gas filled atmosphere can be obtained.

또한, 열 산화법이라 함은 화염 중에서 구성 원료가 열 산화되는 방법이다. 열 산화법에서는 화염으로서 탄화수소 화염이 일반적으로 이용된다. 가연성 가스로서 탄화수소계 가스가, 지연성 가스로서 공기가 공급된 화염의 중심에, 구성 원료와 화염 원료(예를 들어, 프로판 가스와 산소 가스)를 동시에 노즐로부터 공급하면서 목적 물질을 합성한다. 탄화수소계 가스로서는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등의 파라핀계 탄화수소 가스나, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 등의 올레핀계 탄화수소 가스를 사용할 수 있다.The thermal oxidation method is a method in which the constituent materials are thermally oxidized in the flame. In the thermal oxidation method, hydrocarbon flame is generally used as a flame. A target material is synthesized by simultaneously supplying a constituent material and a flame raw material (for example, propane gas and oxygen gas) from a nozzle to a center of a flame in which hydrocarbon gas as a combustible gas is supplied with air as a retarding gas. As the hydrocarbon-based gas, paraffinic hydrocarbon gases such as methane, ethane, propane and butane, and olefinic hydrocarbon gases such as ethylene, propylene and butylene can be used.

(전구체 입자를 얻기 위한 구성 원료)(Constituent material for obtaining precursor particles)

본 실시 형태의 전구체 입자를 얻기 위한 구성 원료는 적어도 리튬원, 철원, 망간원, 실리콘원이다. 더욱이, 필요에 따라서 다른 원소의 첨가 원료를 사용해도 좋다. 원료가 고체의 경우는 분말 그대로 공급하거나, 액체에 분산하여 또는 용매에 녹여서 용액으로 하고, 기화기를 통해서 화염에 공급한다. 원료가 액체의 경우에는 기화기를 통하는 외에, 공급 노즐 전에 가열 또는 감압 및 버블링에 의해서 증기압을 높여 기화 공급하는 것도 가능하다. 특히, 리튬원, 철원, 망간원, 실리콘원의 혼합 용액을 직경 20㎛ 이하의 안개 모양의 물방울로서 공급하는 것이 바람직하다.The constituent materials for obtaining the precursor particles of the present embodiment are at least a lithium source, an iron source, a manganese source, and a silicon source. Further, the additive materials of other elements may be used if necessary. When the raw material is a solid, it is supplied as a powder, dispersed in a liquid or dissolved in a solvent to form a solution, and supplied to the flame through a vaporizer. When the raw material is a liquid, it is also possible to vaporize and supply the vapor by raising the vapor pressure by heating, depressurizing and bubbling before the supply nozzle, in addition to passing through the vaporizer. Particularly, it is preferable to supply a mixed solution of a lithium source, an iron source, a manganese source, and a silicon source as mist droplets having a diameter of 20 mu m or less.

리튬원으로서는 염화 리튬, 수산화 리튬, 탄산 리튬, 초산 리튬, 브롬화 리튬, 인산 리튬, 황산 리튬 등의 리튬 무기산염, 옥살산 리튬, 초산 리튬, 나프텐산 리튬 등의 리튬 유기산염, 리튬 에톡시드 등의 리튬 알콕시드, 리튬의 β―디케토나토 화합물 등의 유기 리튬 화합물, 산화 리튬, 과산화 리튬 등을 이용할 수 있다. 나프텐산이란, 주로 석유 중의 복수의 산성 물질이 혼합된 상이한 카르복실산의 혼합물이고, 주성분은 시클로펜탄과 시클로헥산의 카르복실산 화합물이다.Examples of the lithium source include lithium inorganic salts such as lithium chloride, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium acetate, lithium bromide, lithium phosphate and lithium sulfate, lithium organic acid salts such as lithium oxalate, lithium acetate and lithium naphthenate, An organic lithium compound such as an alkoxide, a? -Diketonato compound of lithium, lithium oxide, lithium peroxide, or the like can be used. Naphthenic acid is a mixture of different carboxylic acids, mainly mixed with a plurality of acidic substances in petroleum, and the main components are the carboxylic acid compounds of cyclopentane and cyclohexane.

철원으로서는 염화 제2 철, 옥살산 철, 초산 철, 황산 제1 철, 질산 철, 수산화 철, 2-에틸 헥산산 제2 철, 나프텐산 철 등을 이용할 수 있다. 또한, 스테아린산, 디메틸디티오카르바민산, 아세틸아세토네이트, 올레인산, 리놀산, 리놀렌산 등의 철의 유기 금속염이나, 산화 철 등도 조건에 따라 사용된다.As the iron source, ferric chloride, iron oxalate, iron acetate, ferrous sulfate, iron nitrate, iron hydroxide, ferric 2-ethylhexanoate, iron naphthenate and the like can be used. Further, organic metal salts of iron such as stearic acid, dimethyldithiocarbamic acid, acetylacetonate, oleic acid, linoleic acid and linolenic acid, iron oxide and the like are also used depending on the conditions.

망간원으로서는 염화 망간, 옥살산 망간, 초산 망간, 황산 망간, 질산 망간, 옥시 수산화 망간, 2-에틸 헥산산 제2 망간, 나프텐산 망간, 헥소에이트 망간 등을 이용할 수 있다. 또한, 스테아린산, 디메틸디티오카르바민산, 아세틸아세토네이트, 올레인산, 리놀산, 리놀렌산 등의 망간의 유기 금속염, 산화 망간 등도 조건에 따라 사용된다.As the manganese source, manganese chloride, manganese oxalate, manganese acetate, manganese sulfate, manganese nitrate, manganese oxyhydroxide, manganese 2-ethylhexanoate, manganese naphthenate, and manganese hexate can be used. Further, organic metal salts of manganese such as stearic acid, dimethyldithiocarbamic acid, acetylacetonate, oleic acid, linoleic acid and linolenic acid, manganese oxide and the like are also used depending on conditions.

실리콘원으로서는 사염화 규소, 옥타메틸 시클로 테트라실록산(OMCTS), 이산화 규소나 일산화 규소 또는 이들 산화 규소의 수화물, 오르토 규산과 메타 규산, 메타 2 규산 등의 축합(縮合) 규산, 테트라에틸 오르토 실리케이트(테트라에톡시 실란, TEOS), 테트라메틸 오르토 실리케이트(테트라메톡시 실란, TMOS), 메틸 트리메톡시 실란(MTMS), 메틸 트리에톡시 실란(MTES), 헥사메틸 디실록산(HMDSO), 테트라메틸 디실록산(TMDSO), 테트라메틸 시클로 테트라실록산(TMCTS), 옥타메틸 트리실록산(OMTSO), 테트라-n-브톡시 실란, 등등을 이용할 수 있다.Examples of the silicon source include silicon tetrachloride, octamethylcyclotetrasiloxane (OMCTS), silicon dioxide or silicon monoxide, hydrates of these silicon oxides, condensation silicic acids such as orthosilicic acid and metasilicic acid and meta-2 silicic acid, tetraethylorthosilicate (Methoxysilane, ethoxysilane, TEOS), tetramethylorthosilicate (tetramethoxysilane, TMOS), methyltrimethoxysilane (MTMS), methyltriethoxysilane (MTES), hexamethyldisiloxane (TMDSO), tetramethylcyclotetrasiloxane (TMCTS), octamethyltrisiloxane (OMTSO), tetra-n-butoxysilane, and the like.

또한, 규산 철 망간 리튬의 규산의 일부를 다른 음이온에 의해 치환하는 경우는 음이온원으로서 천이 금속의 산화물, 붕산, 인산의 원료를 가한다.When a part of silicic acid of lithium manganese silicide lithium is replaced by another anion, a raw material of a transition metal oxide, boric acid and phosphoric acid is added as an anion source.

예를 들면, 산화 티탄, 아(亞)티탄산 철이나 아티탄산 망간 등의 아티탄산 금속염, 티탄산 아연이나 티탄산 마그네슘, 티탄산 바륨 등의 티탄산염, 산화 바나듐, 메타 바나딘산 암모늄, 산화 크롬, 크롬산염이나 2 크롬산염, 산화 망간, 과망간산염이나 망간산염, 코발트산염, 산화 지르코늄, 지르콘산염, 산화 몰리브덴, 몰리브덴산염, 산화 텅스텐, 텅스텐산염, 붕산이나 삼산화 이붕소, 메타 붕산나트륨이나 4 붕산나트륨, 붕사 등의 각종 붕산염, 아인산, 오르토 인산이나 메타 인산 등의 인산, 인산 수소 2 암모늄, 인산 2 수소 암모늄 등의 인산 수소 암모늄염 등을, 각각의 원하는 음이온원과 합성 조건에 따라서 이용할 수 있다.Examples thereof include metal salts such as titanium oxide, metal titanate such as iron (II) titanate or manganese octanate, zinc titanate, magnesium titanate, titanate such as barium titanate, vanadium oxide, ammonium metavanadate, chromium oxide Zirconium oxide, zirconate, molybdenum oxide, molybdate, tungsten oxide, tungstate, boric acid or trioxide disodium, sodium metaborate or sodium tetraborate, borax Phosphoric acid such as orthophosphoric acid or metaphosphoric acid, ammonium dihydrogenphosphate, ammonium hydrogenphosphate such as dihydrogenphosphate, and the like can be used depending on the synthesis conditions with each desired anion source.

이들 원료를 동일 반응계(系)에 화염 원료와 함께 공급하여 전구체 입자를 합성한다. 생성된 전구체 입자는 배기 중에서 필터로 회수할 수 있다. 또한, 이하와 같이 코어 봉의 주위에 생성시킬 수도 있다. 반응기 안에 실리카나 실리콘계의 코어 봉(종봉(種棒)이라고도 불림)을 설치하고, 이것에 불고 있는 산수소 화염 중이나 프로판 화염 중에 화염 원료와 함께 리튬원, 철원, 망간원, 실리콘원을 공급하고, 가수 분해 또는 산화 반응시키면, 코어 봉 표면에 주로 나노미터 정도의 미립자가 생성 부착한다. 이들 생성 미립자를 회수하고, 경우에 따라서는 필터나 체로 걸러서 불순물이나 응집 조대화(粗大化)한 부분을 제거한다. 이렇게 하여 얻어진 전구체 입자는 나노 스케일의 극미소한 입자 직경을 가지며, 주로 비정질인 미립자로 이루어진다.These raw materials are supplied to the same reaction system (system) together with the flame raw materials to synthesize precursor particles. The resulting precursor particles can be recovered as a filter in the exhaust. It may also be formed around the core rod as follows. A silicon source or a silicon-based core rod (also called a seed rod) is installed in the reactor and a lithium source, a copper source, a manganese source, and a silicon source are supplied together with a flame raw material in an oxyhydrogen flame or a propane flame, When decomposition or oxidation reaction is carried out, fine particles of about nanometers are mainly formed on the surface of the core rod. These produced fine particles are recovered, and if necessary, filtered or sieved to remove impurities or coarse particles. The precursor particles thus obtained are composed of fine particles having a nanoscale extremely minute particle diameter and mainly amorphous.

본 실시 형태에 관련한 전구체 입자의 제조 방법인 분무 연소법은 제조할 수 있는 전구체 입자가 비정질이며 입자의 크기도 작다. 게다가, 분무 연소법에서는 종래의 수열(水熱) 합성법이나 고상법(固相法)에 비해서, 단시간에 대량의 합성이 가능하고, 저비용으로 균질한 전구체 입자를 얻을 수 있다.In the spray combustion method, which is a method for producing precursor particles according to this embodiment, precursor particles that can be produced are amorphous and have a small particle size. In addition, compared with the conventional hydrothermal synthesis method and the solid phase method, the spray combustion method enables a large amount of synthesis to be performed in a short time, and homogeneous precursor particles can be obtained at low cost.

본 발명에 있어서는 전구체 입자를 환원제와 섞어서 소성함으로써, 통상 구조의 양극 활물질을 얻을 수 있다. 본 실시 형태에서의 전구체라 함은 소성함으로써 규산 철 망간 리튬의 결정을 얻을 수 있는 재료이다. 특히, 본 실시 형태에서의 전구체는 철이나 망간의 가수가 3가이고 비정질이지만, 환원제와 섞어서 소성함으로써 철이나 망간의 가수가 3가에서 2가로 변화한다. 전구체 입자의 조성은 화학양론적 조성을 만족하는 것이 바람직하다.In the present invention, the positive electrode active material having a normal structure can be obtained by mixing precursor particles with a reducing agent and firing. The precursor in the present embodiment is a material capable of obtaining crystals of lithium manganese iron lithium by firing. Particularly, the precursor in the present embodiment is amorphous and has a valence of iron or manganese. However, when the iron or manganese is mixed with a reducing agent and fired, the valence of iron or manganese changes from trivalent to two. The composition of the precursor particles preferably satisfies the stoichiometric composition.

또한, 전구체 입자의 형상이 대략 구형이며, 입자의 평균 종횡비(긴 직경/짧은 직경)가 1.5 이하, 바람직하게는 1.2 이하, 보다 바람직하게는 1.1 이하이다. 또한, 입자가 대략 구형이라 함은 입자 형상이 기하학적으로 엄밀한 구형이나 타원 구형인 것까지는 의미하지 않으며, 미소한 돌기부가 있어도 입자의 표면이 대체로 매끄러운 곡면으로 구성되어 있으면 좋다.The shape of the precursor particles is substantially spherical, and the average aspect ratio (long diameter / short diameter) of the particles is 1.5 or less, preferably 1.2 or less, and more preferably 1.1 or less. The term &quot; substantially spherical &quot; means that the particle shape is not limited to a geometrically rigid spherical or elliptical spherical shape, and even if there is a minute protruding portion, the surface of the particle may be formed of a substantially smooth curved surface.

이들 전구체 입자를 2θ = 10 ~ 60°의 범위의 분말법 X선 회절을 측정하면, 거의 회절 피크를 갖지 않거나, 가진다고 해도 회절 피크가 작고 폭이 넓은 회절각을 나타낸다. 즉, 전구체 입자는 결정자(結晶子)가 작은 미립자 또는 작은 단결정이 모인 다결정 미립자로 구성되거나, 이들 미립자의 주위에 비정질 성분이 존재하는 미결정 형태이다.When these powder precursor particles are measured by powder X-ray diffractometry in the range of 2? = 10 to 60 °, they show little or no diffraction peak, and a small diffraction peak and a broad diffraction angle. That is, the precursor particles are composed of polycrystalline microparticles in which crystallites are small or small single crystals are aggregated, or in the microcrystalline form in which amorphous components exist around these microparticles.

본 실시 형태의 분무 연소법에서는 화염 중에서 탄소는 연소하므로, 얻어진 전구체 입자에는 탄소가 포함되지 않는다. 만일 탄소 성분이 혼입했다고 해도 극미량이고, 양극에 사용할 때의 전도 조제로 될 정도의 양은 아니다.In the spray combustion method of the present embodiment, since carbon is burned in the flame, the resulting precursor particles do not contain carbon. Even if the carbon content is mixed, it is very small in amount and not enough to be used as an auxiliary agent for use in an anode.

(양극 활물질의 제조)(Production of cathode active material)

분무 연소법으로 얻어진 전구체 입자를 추가로 탄소원과 혼합한 후에, 불활성 가스 충전 분위기 하에서 소성한다. 이 때, 전구체 입자에 포함되는 비정질인 화합물이나 산화물 형태의 혼합물이 소성에 의해 주로 폴리 음이온계의 규산 철 망간 리튬계의 결정 형태의 화합물로 변화한다.The precursor particles obtained by the spray combustion method are further mixed with a carbon source and then fired in an atmosphere filled with an inert gas. At this time, an amorphous compound or an oxide-type mixture contained in the precursor particles is changed into a compound of a crystal form of predominantly polyanionic iron silicic iron-manganese lithium by firing.

또한, 불활성 가스 충전 분위기 하에서는, 소성 시에 탄소원이 연소해 버리는 것과, 양극 활물질이 산화되어 버리는 것을 막을 수 있다. 불활성 가스로서는 질소 가스, 아르곤 가스, 네온 가스, 헬륨 가스, 이산화탄소 가스 등을 사용할 수 있다. 소성 후의 생성물의 도전성을 높이기 위해서, 폴리비닐 알코올 등의 다가 알코올, 폴리비닐 피롤리돈, 카르복시메틸 셀룰로오스, 아세틸 셀룰로오스 등의 중합체, 설탕 등의 당류, 카본 블랙 등의 도전성 탄소를, 탄소원으로서 소성 전에 전구체 입자에 가하고 소성한다. 폴리비닐 알코올은 소성 전의 전구체 입자의 결합재로서의 역할을 수행하는 데다가, 소성 중에 철이나 망간을 양호하게 환원할 수 있으므로, 특히 바람직하다.Further, under an atmosphere filled with an inert gas, it is possible to prevent the carbon source from burning at the time of firing and to prevent the cathode active material from being oxidized. As the inert gas, a nitrogen gas, an argon gas, a neon gas, a helium gas, a carbon dioxide gas, or the like can be used. In order to enhance the conductivity of the product after firing, a conductive carbon such as a polyhydric alcohol such as polyvinyl alcohol, a polymer such as polyvinylpyrrolidone, carboxymethylcellulose, acetylcellulose, a sugar such as sugar, or carbon black may be used as a carbon source The precursor particles are added and calcined. The polyvinyl alcohol is particularly preferable because it plays a role as a binder of the precursor particles before firing and is capable of satisfactorily reducing iron or manganese during firing.

소성 조건은 온도 300 ~ 900℃와 처리 시간 0.5 ~ 10시간의 조합으로 적절히 소망하는 결정성과 입자 직경의 소성물을 얻을 수 있다. 고온이나 장시간의 소성에 의한 과대한 열 부하는 조대한 결정 입자를 생성시킬 수 있으므로 회피해야 하며, 소망하는 결정성 또는 미결정성의 규산 철 망간 리튬이 얻어질 정도의 가열 조건에서, 결정자의 크기를 최대한 작게 억제할 수 있는 소성 조건이 바람직하다. 소성 온도는 400 ~ 700℃ 정도인 것이 바람직하다.The firing conditions can be suitably obtained in combination with a temperature of 300 to 900 DEG C and a treatment time of 0.5 to 10 hours to obtain a fired product having desired crystallinity and particle diameter. Excessive heat load due to firing at a high temperature or for a long time may cause coarse crystal grains to be formed. Therefore, it is necessary to avoid the size of the crystallite under heating conditions to such an extent that desired crystalline or microcrystalline lithium manganese- It is preferable that the firing condition is as small as possible. The firing temperature is preferably about 400 to 700 占 폚.

(탄화수소 가스에 의한 어닐링)(Annealing by hydrocarbon gas)

소성에 의해 양극 활물질을 형성한 후, 탄화수소 가스로 어닐링하여 양극 활물질의 표면에 탄소 피복을 형성한다.A cathode active material is formed by firing and then annealed with a hydrocarbon gas to form a carbon coating on the surface of the cathode active material.

어닐링 시의 온도가 600℃ ~ 750℃인 것이 바람직하다. 어닐링 온도가 너무 낮으면 탄화수소 가스로부터의 탄소의 석출이 늦어지고, 너무 높으면 결정이 과대하게 성장해 버리기 때문이다.It is preferable that the temperature at annealing is 600 占 폚 to 750 占 폚. If the annealing temperature is too low, the deposition of carbon from the hydrocarbon gas will be delayed. If the annealing temperature is too high, the crystals will grow excessively.

탄화수소 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다. 탄화수소 가스에도 환원성이 있지만, 추가로 환원을 진행하기 위해서 환원성 가스를 혼합하여 공급해도 된다.The hydrocarbon gas is preferably at least one selected from the group consisting of methane, ethane, propane and butane. The hydrocarbon gas is also reducible, but a reducing gas may be mixed and supplied for further reduction.

환원성 가스는 수소, 아세틸렌, 일산화탄소, 황화수소, 이산화황, 포름알데히드 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다.The reducing gas is preferably one or more selected from among hydrogen, acetylene, carbon monoxide, hydrogen sulfide, sulfur dioxide and formaldehyde.

어닐링에 의해, 탄화수소 가스가 철 또는 탄화 철을 포함하는 입자와 반응하고, 탄화수소 가스가 분해·결합하여, 양극 활물질의 표면을 탄소 피복할 수 있다.By the annealing, the hydrocarbon gas reacts with the particles containing iron or iron carbide, and the hydrocarbon gas is decomposed and bonded to cover the surface of the cathode active material with carbon.

또한, 얻어진 양극 활물질은 소성 공정이나 어닐링 공정에서 응집하고 있는 경우가 많기 때문에, 절구나 볼 밀 기타 분쇄 수단에 걸어줌으로써, 다시 미립자로 될 수 있다.Further, since the obtained positive electrode active material is often aggregated in the sintering step or the annealing step, it can be re-granulated by hanging it on a sphere or ball mill or other grinding means.

도 4(a)는 이상과 같이 하여 형성된 미립자의 공간군 Pmn21을 갖는 결정 구조를 도시하는 도면이다. 또한, 도 4는 공간군 Pmn21을 갖는 결정 구조를 도시하지만, 이하의 설명은 공간군 P21/n을 갖는 결정 구조에 대해서도 마찬가지이다. 공간군 Pmn21을 갖는 결정 구조는 사방정(斜方晶)을 단위 격자로 하여, 단위 격자 중에 16개의 원자를 갖는 결정 구조이다.4 (a) is a diagram showing a crystal structure having a space group Pmn2 1 of fine particles formed as described above. Fig. 4 shows a crystal structure having a space group Pmn2 1 , but the following description is also applicable to a crystal structure having a space group P2 1 / n. The crystal structure having the space group Pmn2 1 is a crystal structure having an orthorhombic unitary lattice and 16 atoms in the unit lattice.

단위 격자를 사시도로 나타내면 도 3과 같이 되고, a, b, c의 각 변은 직교하고 있다. LiXFeYMn(1-Y)SiO4(0<X≤2.5, 0<Y≤1)의 계(系)에서는 a, b, c의 길이(격자 상수)는 각각 6.3옹스트롬, 5.3옹스트롬, 5.0옹스트롬 정도의 값을 가지며, 조성에 따라서 1% 정도의 변화가 있을 수 있다.The unit grid is shown in a perspective view as shown in Fig. 3, and the sides of a, b, and c are orthogonal. The lengths (lattice constants) of a, b, and c in the system of Li x Fe Y Mn (1-Y) SiO 4 (0 <X? 2.5, 0 < Y? 1 ) are 6.3 angstroms, 5.3 angstroms, It has a value of about 5.0 angstroms and may vary by about 1% depending on the composition.

단위 격자를 반복하여 늘어 놓으면 도 4(a)와 같이 되지만, 도 4(a) 상에서 A로 나타내는 원자가 Fe 원자 또는 Mn 원자이다. 마찬가지로, B로 나타내는 원자가 Si 원자이다. C로 나타내는 원자가 Li 원자이다. O로 나타내는 원자가 O 원자이다.When the unit lattice is repeatedly arranged, as shown in Fig. 4 (a), the atoms represented by A in Fig. 4 (a) are Fe atoms or Mn atoms. Similarly, the atom represented by B is a Si atom. The atom represented by C is a Li atom. The atom represented by O is O atom.

또한, P21/n의 공간군을 갖는 결정 구조라 함은 도 4(a)의 Pmn21의 Fe/Mn 사이트와 Si 사이트가 이루는 a축에 평행한 열(列)의 원자를 둘러싸는, O 원자의 사면체의 방향이 주기적으로 변화한 구조이다. 따라서, P21/n의 단위 격자는 도 3에 도시하는 사방정과는 상이하며, 축이 다른 단사정이고 장주기 구조를 갖지만, 원자의 배열로서는 아주 가까운 관계에 있다는 것을 알 수 있다.The crystal structure having a space group of P2 1 / n means that a crystal structure having a space group of P2 1 / n includes O atoms (atoms) surrounding atoms of a column parallel to the a axis formed by the Fe / Mn site of Pmn2 1 and the Si site of FIG. And the direction of the tetrahedron is periodically changed. Therefore, it can be seen that the unit lattice of P2 1 / n is different from the quadratic quadrature shown in Fig. 3, and the axes have different monoclinic and long period structures, but have a very close relationship with the arrangement of atoms.

도 4(a)에 도시하는 결정 구조를 통상 구조라고 부른다. 이 통상 구조는 Si-O 결합에 의한 사면체(도 4에 파선으로 기재)와 Fe/Mn-O 결합에 의한 사면체(도 4에 미기재)가 연결된 고리(鎖) 부분과, Li-O 결합에 의한 사면체(도 4에 미기재)가 연결된 고리 부분으로 구성된다. 도 4(a)에서, Fe 원자 또는 Mn 원자가 존재하는 위치를 Fe/Mn 사이트, Li 원자가 존재하는 위치를 Li 사이트라 부르기로 한다. 즉, 통상 구조에서는 Fe/Mn 사이트에 Fe 원자 또는 Mn 원자가, Li 사이트에 Li 원자가 들어간 구조를 취하고 있다. 또한, 도 4에서의 각각의 원자와 O 원자가 만드는 사면체 각각에 대해서는 도면에서의 설명을 명확하게 하기 위해 Si-O 결합에 의한 사면체만 기재하고 있다.The crystal structure shown in Fig. 4 (a) is called a normal structure. This conventional structure has a structure in which a tetrahedron (represented by a broken line in FIG. 4) by a Si-O bond and a tetrahedron by a Fe / Mn-O bond And a tetrahedron (not shown in Fig. 4) is connected. In Fig. 4 (a), the position where the Fe atom or the Mn atom exists is referred to as the Li site, and the position where the Fe / Mn site and the Li atom exist is referred to as Li site. That is, in the normal structure, Fe atoms or Mn atoms are contained in the Fe / Mn site and Li atoms are contained in the Li site. In addition, for each of the tetrahedrons formed by atoms and O atoms in Fig. 4, only tetrahedra with Si-O bonds is described in order to clarify the explanation in the drawings.

도 5(a)는 도 4(a)의 통상 구조를 간략화하고, 이차원적으로 나타낸 결정 구조(20a)를 도시하는 개념도이다. 또한, 실제로는 Si 및 Fe는 산소와 결합하여 사면체를 구성하고 있으나, 도시는 생략한다. 통상 구조에서는 Fe/Mn 사이트에 Fe 원자 또는 Mn 원자가, Li 사이트에 Li 원자가 들어간 구조를 취하고, 통상은 이 상태에서 양극 활물질로서 이용된다.Fig. 5A is a conceptual diagram showing a crystal structure 20a shown in a two-dimensional manner, with the general structure of Fig. 4A being simplified. In reality, Si and Fe are combined with oxygen to form a tetrahedron, but the illustration is omitted. In a typical structure, a Fe atom or a Mn atom is contained in the Fe / Mn site and a Li atom is contained in the Li site, and is usually used as a cathode active material in this state.

본 발명에서는 이 상태로부터 추가로 화학 처리를 행한다. 예를 들어, 염산에 의한 산 처리나 물로의 침지를 행한다. 이 처리를 행함으로써, 도 5(b)에 도시하는 결정 구조(20b)와 같이 Li 사이트의 일부로부터 Li 원자를 이탈시킬 수 있다. 즉, Li 사이트의 일부가 빈 구멍이 된다.In the present invention, further chemical treatment is performed from this state. For example, acid treatment with hydrochloric acid or immersion in water is carried out. By carrying out this treatment, Li atoms can be removed from a part of the Li site as in the crystal structure 20b shown in Fig. 5 (b). That is, a part of the Li site becomes an empty hole.

이 상태로부터, 불활성 가스 분위기 하에서 소정의 온도로 가열 처리하면, Fe/Mn 사이트의 Fe 원자 또는 Mn 원자의 일부가 빈 구멍이 된 Li 사이트로 이동하는 것으로 생각된다.From this state, if it is heat-treated at a predetermined temperature in an inert gas atmosphere, it is considered that Fe atoms in the Fe / Mn site or a part of Mn atoms migrate to Li sites in which vacancies are formed.

도 6(a)는 Fe 원자 또는 Mn 원자가 Li 사이트로 이동하고, Fe/Mn 사이트에 빈 구멍이 생긴 상태의 결정 구조(20c)를 도시하는 도면이다. 이 상태가 양이온 교환 구조를 갖는 양극 활물질의 결정 구조가 된다.6 (a) is a diagram showing a crystal structure 20c in which Fe atoms or Mn atoms migrate to Li sites and vacancies are formed in Fe / Mn sites. This state is a crystal structure of the cathode active material having a cation exchange structure.

즉, 종래는 이 형태로 되기 위해 결정 구조(20a)로부터 충전을 행함으로써 결정 구조(20c)로 될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 이와 같은 전기 화학적인 방법을 이용하지 않고, 양이온 교환 구조를 얻을 수 있다. 따라서, 결정 구조(20a)의 상태로부터 충전을 행함으로써 비정질화하는 바와 같은 망간을 포함한 규산 철 망간 리튬이라도, 본 방법에 의해 합성 화학적으로 양이온 교환 구조를 얻을 수 있다.That is, conventionally, the crystal structure 20c may be formed by filling the crystal structure 20a in this form. However, in the present invention, a cation exchange structure can be obtained without using such an electrochemical method. Therefore, even if lithium manganese iron manganese containing manganese is amorphized by charging from the state of the crystal structure 20a, a cation exchange structure can be synthesized chemically by this method.

이 상태에서 방전을 행하면, 도 6(b)에 도시하는 결정 구조(20d)가 된다. 이를 입체적으로 나타내면, 도 4(b)와 같이 된다. 또한, 도면 중 AC는 Fe 원자 또는 Mn 원자와 Li 원자의 양자가 배치될 수 있음을 나타낸다. 즉, Li 원자가 Fe/Mn 사이트에 생긴 빈 구멍에 삽입된다. 이 후에는 충방전를 반복해도, 이 양이온 교환 구조를 유지한 상태에서 결정 구조(20c, 20d)의 변화를 반복한다.When the discharge is performed in this state, it becomes the crystal structure 20d shown in Fig. 6 (b). When this is expressed in three dimensions, it is as shown in Fig. 4 (b). In the figure, AC indicates that Fe atoms or both Mn atoms and Li atoms can be arranged. That is, Li atoms are inserted into vacancies formed in the Fe / Mn site. Subsequently, even if charging and discharging are repeated, the change of the crystal structures 20c and 20d is repeated while maintaining the cation exchange structure.

다음에, 상기 방법으로 얻어진 양극 활물질의 결정 구조를 CuK α선을 이용한 X선 회절 측정으로 평가했다. 도 7 및 도 8은 측정 결과이다.Next, the crystal structure of the cathode active material obtained by the above method was evaluated by X-ray diffraction measurement using CuK alpha rays. Figures 7 and 8 show the measurement results.

도 7에서, D는 LixFeSiO4의 통상 구조(결정 구조(20a))의 측정 결과이며, 공간군 P21/n을 포함하거나 또는 Pmn21의 결정 구조가 일부 포함되어 있을 가능성을 갖는 측정 결과이다. E는 LixFeSiO4(0<X≤2.5)의 양이온 교환 구조(결정 구조(20d))의 측정 결과, F는 Lix(Fe0.75Mn0.25)SiO4(0<X≤2.5)의 양이온 교환 구조(결정 구조(20d))의 측정 결과이다.In Fig. 7, D is the measurement result of the normal structure (crystal structure 20a) of Li x FeSiO 4 , and the measurement result including the space group P 2 1 / n or the possibility that the crystal structure of Pmn 2 1 is partially contained to be. E is a cation exchange structure of Li x FeSiO 4 (0 <X≤2.5 ) measurement results (crystal structure (20d)), F is Li x (Fe 0.75 Mn 0.25) cation exchange of SiO 4 (0 <X≤2.5) Structure (crystal structure 20d).

LixFeSiO4와 Lix(Fe0.75Mn0.25)SiO4의 어느 것도 공간군 P21/n 또는 Pmn21의 적어도 어느 한쪽의 양이온 교환 구조가 전기 화학적이 아니라 합성 화학적으로 얻어진 것임을 알 수 있다. 특히 22.2도 부근과 23.0도 부근에 있는 2개의 피크가 본 조성에서의 양이온 교환 구조의 특징이다. 이들은 비특허문헌 1 또는 비특허문헌 2에 나타낸 양이온 교환 구조와 동일한 피크를 갖고 있다. 즉, Mn을 포함하는 Li2(Fe0.75Mn0.25)SiO4라도, 실질적으로 비정질화함이 없이 양이온 교환 구조로 전이할 수 있었다.It can be seen that none of the Li x FeSiO 4 and Li x (Fe 0.75 Mn 0.25 ) SiO 4 has at least one of the cation exchange structures of the space group P 2 1 / n or Pmn 2 1 obtained synthetically, not electrochemically. In particular, two peaks near 22.2 ° and 23.0 ° are characteristic of the cation exchange structure in this composition. These have the same peak as the cation exchange structure shown in Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2. That is, even Li 2 (Fe 0.75 Mn 0.25 ) SiO 4 containing Mn could transition to a cation exchange structure without substantial amorphization.

상기에 의해 얻어진 양극 활물질에 대해서, 전도 조제(카본 블랙)를 10중량%가 되도록 혼합하고, 내부를 질소로 치환한 볼 밀을 이용하여 추가로 5시간 혼합했다. 혼합 분말과 결착제인 폴리불화 비닐리덴(PVdF)을 중량비 95:5의 비율로 혼합하고, N-메틸-2-피롤리돈(NMP)를 가해 충분히 혼련해서 양극 슬러리를 얻었다.The positive electrode active material thus obtained was mixed with 10% by weight of a conductive auxiliary agent (carbon black), and further mixed for 5 hours using a ball mill in which the inside was replaced with nitrogen. The mixed powder and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed in a weight ratio of 95: 5, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added thereto and sufficiently kneaded to obtain a positive electrode slurry.

두께 15㎛의 알루미늄 박 집전체에, 양극 슬러리를 50g/m2의 코팅량으로 도포하고, 120℃에서 30분 동안 건조했다. 그 후, 롤 프레스로 2.0g/cm3의 밀도가 되도록 압연 가공하고, 2cm2의 원반 모양으로 펀칭하여 양극으로 했다.A positive electrode slurry was applied to an aluminum foil current collector having a thickness of 15 탆 at a coating amount of 50 g / m 2 and dried at 120 캜 for 30 minutes. Thereafter, the sheet was rolled so as to have a density of 2.0 g / cm &lt; 3 &gt; using a roll press, and punched out in the form of a disk of 2 cm &lt; 2 &gt;

이들 양극과, 음극에 금속 리튬, 그리고 전해액에 에틸렌 카보네이트 및 디에틸 카보네이트를 체적비 1:1의 비율로 혼합한 혼합 용매에 LiPF6을 1M의 농도로 용해한 것을 사용하여 리튬 이차 전지를 제작했다. 또한, 제작 분위기는 노점이 -50℃ 이하로 했다. 각각의 극은 집전체가 달린 전조 캔에 압착하여 이용했다. 상기 양극, 음극, 전해질 및 세퍼레이터를 이용하여 직경 25mm, 두께 1.6mm의 코인형 리튬 이차 전지로 했다.A lithium secondary battery was produced by dissolving LiPF 6 in a concentration of 1 M in a mixed solvent obtained by mixing these positive electrodes, metallic lithium to the negative electrode, and ethylene carbonate and diethyl carbonate to the electrolyte in a volume ratio of 1: 1. In addition, the atmosphere of the dew point was set to -50 DEG C or less. Each pole was used by squeezing it into a rolling can with a collector. A coin-type lithium secondary battery having a diameter of 25 mm and a thickness of 1.6 mm was obtained by using the positive electrode, negative electrode, electrolyte and separator.

다음에, 상기의 코인형 리튬 이차 전지에 의해, 양극 활물질의 전극 특성의 시험 평가를 다음과 같이 실시했다.Next, the electrode characteristics of the positive electrode active material were tested and evaluated by the coin type lithium secondary battery as follows.

시험 온도 25℃ 또는 60℃, 0.1C의 전류 레이트에서, CC-CV법(정전류 정전압)에 의해 4.5V(쌍 Li/Li+)까지 충전을 행하고, 그 후 전류 레이트가 0.01C까지 떨어진 후에 충전을 정지했다. 그 후, 0.1C 레이트에서, CC법(정전류)에 의해 1.5V(상기와 같음)까지 방전을 행하고, 충방전 용량 및 사이클 수명을 측정했다.(Pair Li / Li +) by a CC-CV method (constant current constant voltage) at a test temperature of 25 ° C or 60 ° C and a current rate of 0.1C. After the current rate dropped to 0.01C, Stopped. Thereafter, discharge was carried out at 0.1 C rate up to 1.5 V (same as above) by the CC method (constant current), and the charge-discharge capacity and the cycle life were measured.

표 1에 첫회 방전 용량의 결과를 나타낸다. 또한, 표 2에는 30사이클 후의 방전 용량을 나타낸다. 본 발명의 실시예는 표 중 "양이온 교환 구조"로 나타낸 것이며, 이것은 첫회 충전 전(방전 상태)의 결정 구조가 양이온 교환 구조이다. 비교예는 표 중 "통상 구조"로 나타낸 것이며, 첫회 충전 전(방전 상태)의 결정 구조가 통상 구조이다. 표 1 및 표 2를 보고 알 수 있는 바와 같이, 첫회의 충전 전부터 양이온 교환 구조로 된 양극 활물질을 사용하여 충방전을 행함으로써, 고용량이면서 통상 구조(첫회 충전 전에서)보다 양호한 사이클 특성이 얻어지고 있음을 알 수 있다.Table 1 shows the results of the first discharge capacity. Table 2 shows the discharge capacity after 30 cycles. An embodiment of the present invention is represented by a "cation exchange structure" in the table, and the crystal structure before the first charge (discharge state) is a cation exchange structure. The comparative example is represented by "normal structure" in the table, and the crystal structure before the first charge (discharge state) is a normal structure. As can be seen from Tables 1 and 2, by carrying out charge and discharge using the positive electrode active material having a cation exchange structure from the beginning of charging for the first time, it is possible to obtain a cycle characteristic superior in a high capacity and in a normal structure .

[표 1][Table 1]

Figure pct00001
Figure pct00001

(0<X≤2.5)(0 <

[표 2][Table 2]

Figure pct00002
Figure pct00002

(0<X≤2.5)(0 <

도 9(a)에, 전술한 방법으로 제작한 미(未)충방전 상태의 양극 활물질 LixFeSiO4 및 Lix(Fe0.75Mn0.25)SiO4의 통상 구조와 양이온 교환 구조에서의 Fe-K단의 XANES(X-ray Absorption Near Edge Structure)의 결과를 나타낸다. 또한, 도 9(b)에서는 비특허문헌 8에서 개시된 측정 방법을 참고로, 규격화된 XANES 스펙트럼 강도의 90% 위치의 에너지를 흡수단 상승부로 하여, Fe의 가수 및 흡수단 상승부 위치의 상관을 추산했다. 이들을 보면, 통상 구조에서는 +2가를 가진 Fe가 양이온 교환 구조로 됨으로써 산화하고, +3가 부근으로 변화하고 있는 모습을 알 수 있다. 이 때 추산된 양이온 교환 구조에서의 Fe의 가수는 3.1 ~ 3.2이었다.9 (a) shows the typical structure of the Li x FeSiO 4 and Li x (Fe 0.75 Mn 0.25 ) SiO 4 cathode active materials prepared by the above-described method and Fe-K in the cation exchange structure X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES). 9 (b), with reference to the measurement method disclosed in the non-patent document 8, the energy at 90% of the normalized XANES spectrum intensity is regarded as the absorption edge rising portion, and the correlation between the valence of Fe and the rising edge position of the absorption edge Estimated. From these results, it can be seen that in the normal structure, Fe having +2 is converted into a cation exchange structure and oxidized, and +3 is changed to the vicinity. At this time, the valence of Fe in the estimated cation exchange structure was 3.1 to 3.2.

(비특허문헌 8) Electrochimica Acta 55 (2010) 8876.(Non-Patent Document 8) Electrochimica Acta 55 (2010) 8876.

도 10에, 전술한 방법으로 제작한 미충방전 상태의 양극 활물질 LixFeSiO4 및 Lix(Fe0.75Mn0.25)SiO4의 통상 구조와 양이온 교환 구조에서의 Fe2p3 /2의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)의 결과를 나타낸다. 통상 구조의 결과를 보면, Fe가 +2가의 표준 샘플과 마찬가지로 710eV 부근과 716eV 부근에 광범위한 피크(비교 대상과의 차이) 구조를 보이기 때문에, Fe가 +2가 부근을 갖는 것을 알 수 있다. 한편으로, 양이온 교환 구조에서는 이들 피크 구조가 보이지 않기 때문에, Fe가 +3가 부근을 갖는 것으로 시사된다. XANES 및 XPS의 결과로부터, 양이온 교환 구조의 Fe의 가수가 통상 구조의 Fe의 가수보다 증가하고 있다고 확인할 수 있었다.Fig. 10 is a graph showing the relationship between the positive electrode active material Li x FeSiO 4 And Li x (Fe 0.75 Mn 0.25) The results of XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) of Fe2p 3/2 in the normal structure and a cation exchange structure of SiO 4. As a result of the normal structure, it can be seen that Fe has a vicinity of +2 because Fe exhibits a wide peak (difference with respect to the comparison object) structure in the vicinity of 710 eV and 716 eV in the same manner as the standard sample of +2 valence. On the other hand, since these peak structures are not seen in the cation exchange structure, it is suggested that Fe has +3 near the valence. From the results of XANES and XPS, it can be confirmed that the valence of Fe in the cation exchange structure is generally higher than the valence of Fe in the structure.

도 11(a)에, 전술한 방법으로 제작한 미충방전 상태의 양극 활물질 Lix(Fe0.75Mn0.25)SiO4의 통상 구조와 양이온 교환 구조에서의 Mn-K단의 XANES의 결과를 나타낸다. 또한, 도 11(b)에는 비특허문헌 8에서 개시된 측정 방법을 참고로, 규격화된 XANES 스펙트럼 강도의 90% 위치의 에너지를 흡수단 상승부로 하여, Mn의 가수 및 흡수단 상승부 위치의 상관을 추산했다. 이들을 보면, 통상 구조에서는 +2가를 갖는 Mn이 양이온 교환 구조로 됨으로써 산화하고, +3가 방향으로 접근하고 있는 모습을 알 수 있다. 이 때 추산된 가수는 2.6이었다.Fig. 11 (a) shows the results of XANES of the Mn-K phase in the cation exchange structure and the normal structure of the Li x (Fe 0.75 Mn 0.25 ) SiO 4 cathode active material in the insecticidal state produced by the above-mentioned method. 11 (b), with reference to the measurement method disclosed in the non-patent document 8, the energy at 90% of the normalized XANES spectrum intensity is used as the absorption edge rising portion, and the correlation between the mantle of Mn and the position of the rising edge of the absorption edge Estimated. In view of these, in the normal structure, Mn having +2 is converted to a cation exchange structure and oxidized, and it can be seen that it is approaching +3 direction. The estimated singer number was 2.6.

도 12에, 전술한 방법으로 제작한 양극 활물질 Li2(Fe0.5Mn0.5)SiO4의 통상 구조와 양이온 교환 구조에서의 Mn2p3 /2의 XPS의 결과를 나타낸다. 통상 구조의 결과를 보면, Mn이 +2가의 표준 샘플과 마찬가지로 647eV 부근에 광범위한 피크(비교 대상과의 차이) 구조를 보이기 때문에, Mn이 +2가 부근을 갖는 것을 알 수 있다. 한편으로, 양이온 교환 구조에서는 이 피크 구조가 보이지 않기 때문에, Mn이 +3가 방향으로 접근하고 있는 것으로 시사된다. XANES 및 XPS의 결과로부터, 양이온 교환 구조의 Mn의 가수가 통상 구조의 Mn의 가수보다 증가하고 있다고 확인할 수 있었다.Figure 12, produced by the method described above positive electrode active material Li 2 (Fe 0.5 Mn 0.5) The results of Mn2p of the 3/2 XPS in the normal structure and a cation exchange structure of SiO 4. As a result of the normal structure, Mn is in the vicinity of 647 eV in the vicinity of 647 eV as in the case of the standard sample of Mn +2, and thus Mn is in the vicinity of +2. On the other hand, this peak structure is not seen in the cation exchange structure, suggesting that Mn approaches +3. From the results of XANES and XPS, it was confirmed that the number of manganese in the cation exchange structure is generally larger than the number of manganese in the structure.

이상의 경우로부터, 본 발명에 따르면, 전기 화학적인 방법에 의하지 않고 규산 천이금속 리튬을 양이온 교환 구조로 변화시켜, 미충방전 상태(전지로서 사용하기 전)의 조성 LixFeYMn(1-Y)SiO4(0.5<X≤1.5, 0<Y≤1)에서 Fe 또는 Mn은 가수가 +2.5 ~ +3.5가임을 알 수 있으며, Fe 또는 Mn이 가수 변화함으로써, Si나 O가 가수 변화됨이 없이 안정 구조를 유지하는 것을 알 수 있다. 이 때문에, 그 후의 충방전에 있어서도 안정된 결정 구조를 유지하므로 사이클 특성이 뛰어난 이차 전지를 얻을 수 있다.According to the present invention, according to the present invention, the lithium silicate transition metal lithium is changed to the cation exchange structure without using the electrochemical method and the composition Li x Fe Y Mn (1-Y) of the insecticidal discharge state In the case of SiO 4 (0.5 <X? 1.5, 0 <Y? 1), Fe or Mn has a valence of +2.5 to +3.5, and Fe or Mn is changed to a valence, The structure is maintained. Therefore, a secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained because a stable crystal structure is maintained even in subsequent charge and discharge.

도 8은 LiX(Fe0.75Mn0.25)SiO4에 대해서, 충방전을 반복했을 때의 결정 구조의 변화를 도시한다. G는 충방전 전의 결과이고, H는 1사이클의 충방전 후의 결과이며, I는 5사이클의 충방전 후의 결과이다.Fig. 8 shows a change in crystal structure when Li x (Fe 0.75 Mn 0.25 ) SiO 4 is repeatedly charged and discharged. G is the result before charging / discharging, H is the result after 1 charge / discharge cycle, and I is the result after 5 cycles of charging / discharging.

이 결과로부터, Mn을 포함한 LiX(Fe0.75Mn0.25)SiO4라도 비정질화하지 않고 양이온 교환 구조를 유지했다.From these results, Li x (Fe 0.75 Mn 0.25 ) SiO 4 containing Mn was not amorphized and maintained a cation exchange structure.

이상, 본 발명에 따르면, 전기 화학적인 방법에 의하지 않고 규산 천이 금속 리튬을 양이온 교환 구조로 변화시킬 수 있다. 이 때문에, 종래는 충방전에 따라서 비정질화하는 Mn을 포함한 규산 철 망간 리튬에서도 양이온 교환 구조를 얻음으로써, 그 후의 충방전에 있어서도 안정된 결정 구조를 유지하기 때문에, 사이클 특성이 뛰어난 이차 전지를 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, lithium silicate transition metal lithium can be changed to a cation exchange structure without using an electrochemical method. Therefore, conventionally, a cation exchange structure is obtained even in lithium manganese iron manganese containing manganese which is amorphized by charge / discharge, so that a stable crystal structure is maintained even in the subsequent charging and discharging. Thus, have.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 양호한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 당업자라면, 본 출원에서 개시한 기술적 사상의 범주 내에서 각종 변경예 또는 수정예에 생각이 미칠 수 있음이 분명하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 양해된다.While the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to these examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be made within the scope of the technical idea disclosed in the present application and they are obviously also within the technical scope of the present invention.

또한, 도면 중, "O"는 통상 구조, "CM"은 양이온 교환 구조를 각각 의미한다.In the figures, "O" means a normal structure and "CM" means a cation exchange structure.

1 : 미립자 제조 장치
3 : 원료 용액 공급부
5 : 연소 가스 공급부
7 : 공기 공급부
9 : 미립자 합성 노즐
11 : 반응 용기
13 : 필터
15 : 전구체 미립자
20a, 20b, 20c, 20d : 결정 구조
30 : 비수전해질 이차 전지
31 : 전해질
33 : 양극
35 : 음극
37 : 세퍼레이터
39 : 밀봉체
41 : 전지 캔
43 : 양극 리드
45 : 음극 리드
47 : 양극 단자
1: Particle preparation device
3: raw material solution supply part
5: Combustion gas supply part
7: Air supply
9: Particle synthesis nozzle
11: Reaction vessel
13: Filter
15: precursor fine particles
20a, 20b, 20c, 20d: crystal structure
30: Non-aqueous electrolyte secondary battery
31: electrolyte
33: anode
35: cathode
37: Separator
39:
41: Battery cans
43: positive lead
45: cathode lead
47: positive terminal

Claims (8)

일반식 LiXFeYMn(1-Y)SiO4(0<X≤2.5, 0<Y≤1)로 표시되며,
공간군 P21/n 또는 Pmn21의 적어도 어느 한쪽의 결정 구조를 갖고, 또한, Fe/Mn 사이트의 일부에 Li 원자가 들어가고, Li 사이트의 일부에 Fe 원자 또는 Mn 원자의 어느 하나가 들어간, 양이온 교환 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
Is represented by the general formula Li X Fe Y Mn (1-Y) SiO 4 (0 <X? 2.5, 0 < Y? 1 )
Mn, at least one of a space group P2 1 / n and Pmn2 1 , a Li atom is contained in a part of the Fe / Mn site and a Fe atom or a Mn atom is contained in a part of the Li site, Structure. &Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
Fe 및/또는 Mn의 일부에 대신하여, Co 또는 Ni의 적어도 한쪽이 치환되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
The method according to claim 1,
Wherein at least one of Co and Ni is substituted for Fe and / or a part of Mn.
제1항 또는 제2항에 있어서,
Fe 및/또는 Mn의 일부에 대신하여, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Cu, Zn, Sr, Zr, Mo의 적어도 어느 하나가 치환되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein at least one of Mg, Ca, Ti, V, Cr, Cu, Zn, Sr, Zr and Mo is substituted in place of a part of Fe and / or Mn.
제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
Li의 일부에 대신하여, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Zr, Mo의 적어도 어느 하나가 치환되는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein at least one of Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Zr and Mo is substituted for a part of Li.
집전체와,
상기 집전체의 적어도 한쪽 면에 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층
을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 양극.
The whole house,
A positive electrode active material layer comprising the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 3 on at least one surface of the current collector
And a positive electrode for a secondary battery.
제4항에 기재된 이차 전지용 양극과,
리튬 이온을 흡수 저장 및 방출 가능한 음극과,
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 갖고,
리튬 이온 전도성을 갖는 전해질 중에, 상기 양극과 상기 음극과 상기 세퍼레이터를 설치한 것을 특징으로 하는 이차 전지.
A positive electrode for a secondary battery according to claim 4,
A negative electrode capable of absorbing and storing lithium ions,
And a separator disposed between the anode and the cathode,
Wherein the positive electrode, the negative electrode and the separator are provided in an electrolyte having lithium ion conductivity.
적어도 리튬원(源), 철원, 망간원 및 실리콘원을 이용하여 규산 철 망간 리튬계의 활물질을 합성하는 공정과,
상기 활물질로부터 리튬의 일부를 이탈시키는 공정과,
상기 활물질을 가열하여, Li 사이트의 일부와 Fe/Mn 사이트의 일부가 교체되어, 양이온 교환 구조로 전이시키는 공정
을 구비하는 것을 특징으로 하는 양극 활물질의 제조 방법.
A step of synthesizing a lithium-based active material between iron silicic acid and manganese oxide using at least a lithium source, an iron source, a manganese source, and a silicon source;
Removing a part of lithium from the active material;
A step of heating the active material to convert a part of the Li site and a part of the Fe / Mn site to a cation exchange structure
And forming a cathode active material layer on the cathode active material layer.
일반식 LiXFeYMn(1-Y)SiO4(0.5≤X<1.5, 0<Y≤1)로 표시되며,
공간군 P21/n 또는 Pmn21의 적어도 어느 한쪽의 결정 구조를 갖고, 또한, Fe/Mn 사이트의 일부에 Li 원자가 들어가고, Li 사이트의 일부에 Fe 원자 또는 Mn 원자의 어느 하나가 들어가며, Fe 또는 Mn의 가수가 +2.5 ~ +3.5가인 양이온 교환 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 양극 활물질.
Is expressed by the general formula Li X Fe Y Mn (1-Y) SiO 4 (0.5? X <1.5, 0 < Y? 1 )
At least one of the space group P2 1 / n and Pmn2 1 has a crystal structure, Li atoms are incorporated into a part of the Fe / Mn site, and either a Fe atom or a Mn atom is contained in a part of the Li site, And the cation of Mn has a cation exchange structure of +2.5 to +3.5.
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