KR20160139143A - Positive electrode active material precursor and method for manufacturing the same, positive electrode active material manufactured by using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양극 활물질을 제조하는데 사용되는 전구체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a precursor used for producing a cathode active material and a method for producing the precursor.
리튬 이차 전지에서는 양극 제조 시 양극 활물질로 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 및 리튬 복합금속 산화물(예를 들어, LiNi1-xCoxO2 (0<x<1), Li(Ni-Co-Mn)O2, Li(Ni-Co-Al)O2) 등이 사용된다. 그러나 이러한 산화물들로 제조된 양극을 포함하는 리튬 이차 전지는 출력이 높지 않아, 고출력이 요구되는 전기자전거나 전기자동차에 적용하는데 한계가 있다.In the lithium secondary battery, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) and lithium composite metal oxide (for example, LiNi 1-x Co x O 2 (0 <x <1) , Li (Ni-Co-Mn) O 2 , and Li (Ni-Co-Al) O 2 . However, the lithium secondary battery including the anode made of such oxides has a low power output and is limited in application to electric bicycles and electric vehicles requiring high output.
이에 따라 리튬 이차 전지의 출력 특성을 향상시키기 위해 양극 제조 시 내부가 빈 중공 구조를 가지는 양극 활물질을 사용하는 기술이 제안된 바 있다(하기 특허문헌 참조). 상기 중공 구조를 가지는 양극 활물질은 일반적인 치밀 구조의 양극 활물질에 비해 표면적이 넓어 전해액과의 접촉 면적이 넓다. 이로 인하여 리튬 이온의 이동이 원활해지며, 그 결과 리튬 이차 전지의 출력 특성이 개선될 수 있다. 또한, 충·방전 사이클이 반복됨에 따라 양극 활물질은 체적 변화가 일어나 그 형태가 변형되며, 이러한 변형은 리튬 이차 전지의 수명을 저하시키는 요인으로 작용하게 되는데, 상기 중공 구조를 가지는 양극 활물질은 상대적으로 변형이 억제되어 리튬 이차 전지의 수명 특성을 개선시킬 수 있다.Accordingly, in order to improve the output characteristics of the lithium secondary battery, a technique of using a cathode active material having an empty hollow structure in the production of an anode has been proposed (see Patent Literature). The cathode active material having a hollow structure has a wider surface area than a cathode active material having a generally dense structure, and thus has a large contact area with the electrolyte solution. As a result, the movement of lithium ions becomes smooth, and as a result, the output characteristics of the lithium secondary battery can be improved. In addition, as the charge / discharge cycle is repeated, the cathode active material undergoes a volume change and its shape is deformed. Such deformation acts as a factor to lower the lifetime of the lithium secondary battery. The cathode active material having the hollow structure is relatively Deformation can be suppressed and the lifetime characteristics of the lithium secondary battery can be improved.
그러나 중공 구조를 가지는 양극 활물질은 내부가 비어 있어, 양극 제조 시 압연 공정에서 중공 구조가 붕괴될 가능성이 높기 때문에 양극의 내구성 및 밀도를 높이는데 한계가 있으며, 이는 결과적으로 리튬 이차 전지를 수명 특성을 높이는데 제한적인 요인으로 작용한다.However, since the cathode active material having a hollow structure has a hollow interior, there is a limit to increase the durability and density of the anode because the hollow structure is likely to collapse during the rolling process in the anode manufacturing process. As a result, It acts as a limiting factor in height.
따라서 표면적이 넓으면서도 양극의 내구성 및 밀도를 높일 수 있는 양극 활물질의 개발이 요구되고 있다.Therefore, development of a cathode active material capable of increasing the durability and density of the anode while having a wide surface area is required.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 양극 활물질의 표면적을 넓힐 수 있는 양극 활물질 전구체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a cathode active material precursor capable of enlarging the surface area of a cathode active material and a method for manufacturing the same.
또 본 발명은 양극의 내구성 및 밀도를 높일 수 있는 양극 활물질 및 이의 제조방법을 제공하는 것도 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a cathode active material capable of increasing the durability and density of the anode and a method for producing the same.
또한 본 발명은 리튬 이차 전지의 출력 특성을 높이면서도 내구성 및 밀도가 높은 양극을 제공하는 것도 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a positive electrode having high durability and high density while improving the output characteristics of a lithium secondary battery.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 코어층; 상기 코어층 상에 구비된 산화층; 및 상기 산화층 상에 구비된 표면층을 포함하는 양극 활물질 전구체를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a core layer; An oxide layer provided on the core layer; And a surface layer provided on the oxide layer.
또한 본 발명은, a) 금속 수산화물을 수산화 나트륨 수용액과 암모니아 수용액이 혼합된 수용액에 투입하고, 불활성 분위기에서 코어층을 형성하는 단계; b) 상기 코어층의 표면에 산화층을 형성하는 단계; 및 c) 상기 산화층의 표면에 상기 코어층과 동일한 성분을 가지는 표면층을 형성하는 단계를 포함하는 양극 활물질 전구체의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method for producing a metal hydroxide, comprising the steps of: a) introducing a metal hydroxide into an aqueous solution mixed with an aqueous sodium hydroxide solution and an aqueous ammonia solution to form a core layer in an inert atmosphere; b) forming an oxide layer on the surface of the core layer; And c) forming a surface layer having the same composition as that of the core layer on the surface of the oxide layer.
또 본 발명은, 코어부; 상기 코어부와 이격된 표면부; 상기 코어부와 상기 표면부를 연결하는 하나 이상의 브릿지부; 및 상기 코어부와 상기 표면부 사이에 존재하는 하나 이상의 포어부를 포함하는 양극 활물질을 제공한다.According to another aspect of the present invention, A surface portion spaced apart from the core portion; At least one bridge portion connecting the core portion and the surface portion; And at least one pore portion existing between the core portion and the surface portion.
또한 본 발명은, A) 상기 제조방법으로 제조된 양극 활물질 전구체를 준비하는 단계; B) 상기 양극 활물질 전구체를 리튬 전구체와 혼합하여 혼합 전구체를 제조하는 단계; 및 C) 상기 혼합 전구체를 열처리하는 단계를 포함하는 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a cathode active material, comprising the steps of: A) preparing a cathode active material precursor prepared by the above production method; B) mixing the cathode active material precursor with a lithium precursor to prepare a mixed precursor; And C) heat-treating the mixed precursor.
또 본 발명은 상기 양극 활물질을 이용하여 제조된 양극 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium secondary battery including the positive electrode and the positive electrode prepared using the positive electrode active material.
본 발명의 양극 활물질은 내부인 코어부와 외부인 표면부는 채워져 있고, 코어부와 표면부의 사이는 비어 있기(즉, 포어부 존재) 때문에 표면적이 넓으면서도 구조적으로 안정하다. 따라서 본 발명의 양극 활물질로 양극을 제조할 경우 내구성 및 밀도가 높은 양극을 제공할 수 있으며, 이러한 양극을 리튬 이차 전지에 적용함에 따라 고출력 및 장수명을 가지는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.The positive electrode active material of the present invention is structurally stable while having a large surface area because the core portion inside and the outside surface portion are filled and the core portion and the surface portion are empty (that is, the pore portion exists). Therefore, when a positive electrode is manufactured using the positive electrode active material of the present invention, it is possible to provide a positive electrode having high durability and high density. By applying such a positive electrode to a lithium secondary battery, a lithium secondary battery having high output and long life can be provided.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 양극 활물질 전구체를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 양극 활물질을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 양극 활물질 전구체의 단면 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 양극 활물질의 단면 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2를 설명하기 위한 참고도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실험예 4를 설명하기 위한 참고도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a cathode active material precursor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a cathode active material according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional image of the cathode active material precursor prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
4 is a cross-sectional image of the cathode active material prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
5 is a reference diagram for explaining Experimental Example 2 of the present invention.
6 to 8 are reference views for explaining Experimental Example 4 of the present invention.
이하 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.
본 발명은 양극 활물질 전구체에 산화층을 인위적으로 형성시키고, 이를 이용하여 양극 활물질을 제조함에 따라 내부는 채워져 있고, 내부와 외부 사이에 포어부가 존재하는 양극 활물질을 제공하는 것으로, 이에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 이때, 본 발명의 양극 활물질 전구체는 하나의 입자를 기준으로 설명하는 것이며, 본 발명의 양극 활물질은 하나의 양극 활물질 전구체 입자로 제조된 것을 기준으로 설명하는 것이다.The present invention provides a positive electrode active material which is formed by artificially forming an oxide layer on a positive electrode active material precursor, preparing a positive electrode active material by using the same, and having a pore between the inside and the outside, Specifically, it is as follows. Here, the cathode active material precursor of the present invention is described based on one particle, and the cathode active material of the present invention is described based on one cathode active material precursor particle.
1. 양극 활물질 전구체1. Cathode active material precursor
도 1을 참조하면, 본 발명의 양극 활물질 전구체는 코어층(11), 산화층(12) 및 표면층(13)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the cathode active material precursor of the present invention includes a
본 발명의 양극 활물질 전구체에 포함되는 코어층(11)은 양극 활물질 전구체의 중심부이다. 이러한 코어층(11)을 이루는 물질은 특별히 한정되지 않으나, 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 수산화물이다. 또한 코어층(11)의 두께(T1)(직경)는 특별히 한정되지 않으나, 양극 활물질의 구조적 안정성을 고려할 때, 제조하고자 하는 양극 활물질 두께(직경)의 1/2 내지 4/5인 것이 바람직하다.The
본 발명의 양극 활물질 전구체에 포함되는 산화층(12)은 코어층(11) 상에 구비된다. 상기 산화층(12)을 이루는 물질은 특별히 한정되지 않으나, 금속 산화물 단독으로 이루어지거나, 금속 산화물과 금속 수산화물이 혼합된 상태로 이루어질 수 있다. 이때, 금속 산화물과 금속 수산화물에 포함된 금속은 특별히 한정되지 않으나, 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속일 수 있다. 이러한 산화층(12)의 두께(T2)는 특별히 한정되지 않으나, 양극 활물질의 표면적, 구조 안정성 및 밀도를 고려할 때, 0.5 내지 1.5 ㎛인 것이 바람직하다.The oxide layer (12) included in the positive electrode active material precursor of the present invention is provided on the core layer (11). The material forming the
본 발명의 양극 활물질 전구체에 포함되는 표면층(13)은 산화층(12) 상에 구비된다. 상기 표면층(13)을 이루는 물질은 코어층(11)과 동일한 금속 수산화물이다. 이러한 표면층(13)의 두께(T3)는 특별히 한정되지 않으나, 양극 활물질의 구조 안정성 및 밀도를 고려할 때, 2 내지 5 ㎛인 것이 바람직하다.The
한편 본 발명의 양극 활물질 전구체에 포함된 산화층(12)은 그 밀도가 코어층(11)과 표면층(13)의 밀도보다 낮으며, 이로 인해 본 발명의 양극 활물질은 내부와 외부가 채워져 있고, 내부와 외부 사이에 빈 공간인 포어부를 가지게 된다. 즉, 본 발명의 산화층(12)의 내부 밀도는 코어층(11)과 표면층(13)의 내부 밀도보다 낮은 것으로, 이러한 밀도차를 가지는 본 발명의 양극 활물질 전구체를 열처리하여 양극 활물질을 제조할 경우 상대적으로 밀도가 낮은 산화층(12)은 열처리에 의한 금속원자의 재배열율이 떨어져(즉, 재배열되는 금속원자의 수가 부족함) 빈 공간인 포어부로 전환되는 것이다.Meanwhile, the density of the
또한 산화층(12)은 그 내부 밀도가 코어층(11)과 표면층(13)의 내부 밀도보다는 낮되, 산화층(12) 내에서도 밀도차가 존재하며, 이로 인해 본 발명의 양극 활물질은 내부인 코어부와 외부인 표면부를 연결하는 브릿지부를 하나 이상으로 가지게 된다. 즉, 산화층(12)은 내부 밀도가 낮은 부분(X)과 내부 밀도가 높은 부분(Y)이 존재하며, 이를 열처리하여 본 발명의 양극 활물질을 제조할 경우 내부 밀도가 낮은 부분(X)은 금속원자의 재배열율이 떨어져 빈 공간인 포어부로 전환되고, 상기 내부 밀도가 낮은 부분(X)보다 상대적으로 내부 밀도가 높은 부분(Y)은 금속원자의 재배열율이 높아 브릿지부로 전환되는 것이다.The internal density of the
2. 양극 활물질 전구체의 제조방법2. Manufacturing Method of Cathode Active Material Precursor
본 발명은 상기에서 설명한 양극 활물질 전구체의 제조방법을 제공하는데, 이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The present invention provides a method for producing the above-described cathode active material precursor, which will be described in detail as follows.
a) 코어층(11) 형성a) Formation of
금속 수산화물을 수산화 나트륨 수용액과 암모니아 수용액이 혼합된 수용액에 투입하여 코어층(11)을 형성한다. 구체적으로, 침전제인 수산화 나트륨 수용액과 착화제인 암모니아 수용액이 혼합된 수용액에 금속 수산화물을 투입하고, 공침 반응을 진행하여 금속 수산화물로 이루어진 코어층(11)(핵 입자)을 형성한다.The metal hydroxide is added to an aqueous solution containing an aqueous sodium hydroxide solution and an aqueous ammonia solution to form the
상기 금속 수산화물은 특별히 한정되지 않으나, 황산니켈 수산화물(NiSO4·6H2O), 황산망간 수산화물(MnSO4·H2O) 및 황산코발트 수산화물(CoSO4·7H2O)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 이러한 금속 수산화물은 공침 반응이 잘 이루어질 수 있도록 용매(예를 들어, 물 또는 이온교환수)에 투입하여 금속 수용액으로 준비한 후 이를 수산화 나트륨 수용액과 암모니아 수용액이 혼합된 수용액에 투입하는 것이 바람직하다. 이때, 금속 수용액에 포함된 금속의 농도는 1.5 내지 2.5 M 범위일 수 있다.The metal hydroxide is not particularly limited, but is preferably selected from the group consisting of nickel sulfate hydrate (NiSO 4 .6H 2 O), manganese sulfate hydrate (MnSO 4 .H 2 O) and cobalt sulfate hydrate (CoSO 4 .7H 2 O) It can be more than a species. The metal hydroxide is preferably added to a solvent (for example, water or ion-exchanged water) to prepare a metal aqueous solution so that the coprecipitation reaction can be performed well, and then the metal hydroxide is added to an aqueous solution containing an aqueous sodium hydroxide solution and an aqueous ammonia solution. At this time, the concentration of the metal contained in the metal aqueous solution may be in the range of 1.5 to 2.5 M.
한편 상기 코어층(11)의 산화방지를 위해 코어층(11)은 불활성 분위기에서 형성되는 것이 바람직하며, 코어층(11)의 형성이 잘 이루어질 수 있도록 공침 반응의 내부 pH를 11.0 내지 12.0로 유지하는 것이 바람직하다. 또한 코어층(11) 형성을 위해 사용되는 반응기의 온도 및 회전속도는 특별히 한정되지 않으나, 온도는 30 내지 50 ℃이고 회전속도는 300 내지 700 rpm인 것이 바람직하다.Meanwhile, in order to prevent the oxidation of the
b) 산화층(12) 형성b) Formation of oxide layer (12)
상기에서 형성된 코어층(11)의 표면에 산화층(12)을 형성한다. 상기 코어층(11)의 표면에 산화층(12)을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 코어층(11)을 산소 농도 400 내지 1000 ppm인 분위기에 노출시키거나 산화제로 처리하여 산화층(12)을 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로 불활성 분위기에서 코어층(11)을 형성한 후 불활성 가스(예를 들어, 질소, 헬륨, 아르곤)와 함께 400 내지 1000 ppm 농도의 산소를 주입하거나, 수산화 나트륨 수용액과 암모니아 수용액이 혼합된 수용액에 산화제(예를 들어, 과산화수소)를 첨가하여 산화층(12)을 형성한다.An
이러한 산화층(12)은 산소 농도 400 내지 1000 ppm인 분위기에 노출시키는 시간과 산화제 첨가량에 따라 그 두께를 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 코어층(11)을 산소 농도 400 내지 1000 ppm인 분위기에 노출시키는 시간은 특별히 한정되지 않으나, 1 내지 4 시간인 것이 바람직하다. 또한 산화층(12)의 형성을 위해 첨가되는 산화제의 첨가량은 특별히 한정되지 않으나, 반응기 100 부피%를 기준으로, 1 내지 2 부피%인 것이 바람직하다. The thickness of the
c) 표면층(13) 형성c) Formation of the
상기에서 형성된 산화층(12)의 표면에 코어층(11)과 동일한 성분을 가지는 표면층(13)을 형성한다. 이러한 표면층(13)을 형성하는 방법은 코어층(11)을 형성하는 방법과 동일하다. 구체적으로, 산화층(12)의 형성을 위해 불활성 가스와 함께 주입했던 산소의 주입을 차단하고, 상기 공침 반응을 계속적으로 진행하여 산화층(12)의 표면에 표면층(13)을 형성한다. 또한 산화층(12)의 형성을 위해 주입된 산화제는 산화층(12)의 형성 과정에서 모두 소모되며, 이후 공침 반응을 계속적으로 진행함에 따라 산화층(12)의 표면에 표면층(13)이 형성된다.A
3. 양극 활물질3. Cathode active material
도 2를 참조하면, 본 발명의 양극 활물질은 코어부(21), 표면부(22), 브릿지부(23) 및 포어부(24)를 포함한다.2, the cathode active material of the present invention includes a
본 발명의 양극 활물질에 포함된 코어부(21)는 양극 활물질의 내부이다. 이러한 코어부(21)를 이루는 물질은 특별히 한정되지 않으나, 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 산화물과 리튬이 결합된 복합 산화물로 이루어질 수 있다.The
본 발명의 양극 활물질에 포함된 표면부(22)는 양극 활물질의 외부로 코어부(21)와 이격되어 있다. 여기서 코어부(21)와 표면부(22)의 이격 거리(포어부(24)의 두께)(D)는 특별히 한정되지 않으나, 양극 활물질의 표면적 및 구조적 안정성, 밀도를 고려할 때, 0.5 내지 2.5 ㎛인 것이 바람직하다. 이러한 표면부(22)를 이루는 물질은 코어부(21)를 이루는 물질과 동일하다.The
본 발명의 양극 활물질에 포함된 브릿지부(23)는 코어부(21)와 표면부(22)를 연결한다. 이러한 브릿지부(23)는 하나 이상 존재하며 코어부(21)를 이루는 물질과 동일한 물질로 이루어진다.The
본 발명의 양극 활물질에 포함된 포어부(24)는 코어부(21)와 표면부(22) 사이에 하나 이상 존재한다. 이러한 포어부(24)의 형상은 특별히 한정되지 않으나, 도 2에 도시된 바와 같이 절단된 고리 형태를 가지는 것이 바람직하다.At least one
이와 같은 본 발명의 양극 활물질은 코어부(21)와 표면부(22) 사이에 포어부(24)가 존재하여 표면적이 넓으면서도 내부인 코어부(21)가 비어 있지 않고 채워져 있기 때문에 내부가 빈 중공 구조(즉, 본 발명의 코어부(21)가 없음)의 양극 활물질에 비해 구조적으로 안정하다. 따라서 본 발명의 양극 활물질로 양극을 제조할 경우 밀도 및 내구성이 우수한 양극재을 제공할 수 있으며, 이러한 양극재을 리튬 이차 전지에 적용함에 따라 출력 특성 및 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.In the cathode active material of the present invention, since the
4. 양극 활물질의 제조방법4. Manufacturing method of cathode active material
본 발명은 상기에서 설명한 양극 활물질의 제조방법을 제공하는데, 이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The present invention provides a method for producing the above-described cathode active material, which will be described in detail as follows.
A) 양극 활물질 전구체 준비A) Preparation of cathode active material precursor
먼저, 양극 활물질 전구체를 준비한다. 여기서 양극 활물질 전구체를 제조하는 방법은 상기 '2. 양극 활물질 전구체의 제조방법'에서 설명한 바와 동일하므로 생략하도록 한다.First, a cathode active material precursor is prepared. Here, the method of preparing the cathode active material precursor is described in the above '2. Method for preparing a cathode active material precursor "
B) 혼합 전구체 제조B) Preparation of mixed precursor
상기에서 준비된 양극 활물질 전구체와 리튬 전구체를 혼합하여 혼합 전구체를 제조한다. 상기 리튬 전구체로 사용되는 물질은 특별히 한정되지 않으나, 수산화리튬(LiOH), 질산리튬(LiNO3), 탄산리튬(Li2CO3), 황산리튬(Li2SO4) 및 아세트산리튬(LiCH3CO2)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.The prepared precursor of the cathode active material and the lithium precursor are mixed to prepare a mixed precursor. The material used in the lithium precursor is not particularly limited, and lithium hydroxide (LiOH), lithium nitrate (LiNO 3), lithium carbonate (Li 2 CO 3), lithium sulfate (Li 2 SO 4), and acetic acid lithium (LiCH 3 CO 2 ). ≪ / RTI >
C) 열처리C) Heat treatment
상기에서 제조된 혼합 전구체를 열처리하여 코어부(21), 표면부(22), 브릿지부(23) 및 포어부(24)를 포함하는 양극 활물질을 제조한다. 구체적으로, 코어층(11), 산화층(12) 및 표면층(13)을 포함하는 양극 활물질 전구체는 상기에서 설명한 바와 같이 각 층의 밀도가 다르다. 본 발명은 이러한 양극 활물질 전구체를 열처리함에 따라 코어부(21), 표면부(22), 브릿지부(23) 및 포어부(24)를 포함하는 양극 활물질을 제조하는 것이다. 이때, 양극 활물질 전구체의 산화층(12) 내에서도 상대적으로 밀도가 높은 부분이 존재하게 되며, 이러한 부분에 의해 본 발명의 양극 활물질은 브릿지부(23)를 포함하게 된다.The mixed precursor is thermally treated to prepare a cathode active material including a
한편 상기 혼합물을 열처리하는 조건은 특별히 한정되지 않으나, 열처리 온도는 800 내지 950 ℃이고, 열처리 시간은 5 내지 24 시간인 것이 바람직하다.The conditions for the heat treatment of the mixture are not particularly limited, but the heat treatment temperature is preferably 800 to 950 ° C and the heat treatment time is preferably 5 to 24 hours.
5. 양극 및 리튬 이차 전지5. Bipolar and lithium secondary batteries
본 발명은 상기에서 설명한 양극 활물질을 이용하여 제조된 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는데, 이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The present invention provides a positive electrode and a lithium secondary battery comprising the positive electrode active material as described above, which will be described in detail below.
본 발명의 양극은 상기에서 설명한 양극 활물질을 이용하는 것을 제외하고는, 당 업계에 공지된 재료 및 방법으로 제조된다.The positive electrode of the present invention is manufactured by materials and methods known in the art, except that the positive electrode active material described above is used.
본 발명의 리튬 이차 전지는 양극; 음극; 분리막; 및 비수 전해질을 포함한다. 이러한 본 발명의 리튬 이차 전지는 상기에서 설명한 양극을 포함하는 것을 제외하고는, 당 업계에 공지된 재료 및 방법으로 제조된다. 이와 같은 본 발명의 리튬 이차 전지는 다양한 분야에 적용될 수 있으나, 고출력 및 장수명이 요구되는 중대형 전자기기(예를 들어, 전기자전거 또는 전기자동차)에 적용하는 것이 바람직하다.The lithium secondary battery of the present invention comprises a positive electrode; cathode; Separation membrane; And a nonaqueous electrolyte. Such a lithium secondary battery of the present invention is manufactured by materials and methods known in the art, except that it includes the above-described anode. The lithium secondary battery of the present invention can be applied to various fields, but it is preferably applied to middle and large-sized electronic devices (for example, electric bicycle or electric vehicle) which require high output and long life.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.
[실시예 1][Example 1]
1) 양극 활물질 전구체 제조1) Preparation of cathode active material precursor
니켈, 코발트 및 망간의 몰 비율이 60:20:20이 되도록 황산니켈 수산화물(NiSO4·6H2O), 황산코발트 수산화물(CoSO4·7H2O) 및 황산망간 수산화물(MnSO4·H2O)을 이온교환수에 녹여 2.4 M의 금속 수용액을 준비하였다. 35L 공침 반응기에 9% 암모니아 수용액과 상기 금속 수용액을 일정 속도로 주입하면서 질소 분위기에서 공침 반응을 진행하여 코어층을 형성시켰다. 상기 공침 반응기의 온도 및 회전속도는 각각 50 ℃ 및 400 rpm으로 하였다. 또한 pH는 11.0 내지 12.0이 유지되도록 25% 수산화 나트륨 수용액을 주입하였다.Sulfuric acid mol ratio of nickel, cobalt and manganese so that the nickel hydroxide 60:20:20 (NiSO 4 · 6H 2 O) , cobalt hydroxide sulfate (CoSO 4 · 7H 2 O), and sulfate of manganese hydroxide (MnSO 4 · H 2 O ) Was dissolved in ion-exchanged water to prepare a 2.4 M aqueous metal solution. 35L coprecipitation reactor, a coprecipitation reaction was carried out in a nitrogen atmosphere while a 9% ammonia aqueous solution and the metal aqueous solution were injected at a constant rate to form a core layer. The temperature and the rotation speed of the coprecipitation reactor were set to 50 ° C and 400 rpm, respectively. In addition, 25% sodium hydroxide aqueous solution was injected so that the pH was maintained at 11.0 to 12.0.
형성된 코어층의 직경이 5 ㎛일 때, 600 ppm의 산소를 포함하는 질소 분위기를 1 시간 동안 유지시켜 산화층을 형성하였다.When the diameter of the formed core layer was 5 占 퐉, a nitrogen atmosphere containing 600 ppm of oxygen was maintained for 1 hour to form an oxide layer.
다음, 산소를 포함하지 않는 질소 분위기 하에 공침 반응을 다시 진행하여 표면층이 형성된 침전물을 얻었다. 이후 얻어진 침전물을 회수하여 원심분리형 여과기를 사용하여 40~50 ℃의 세정수를 사용하여 여과액의 pH가 9.0 이하일 때까지 세정 후, 150 ℃에서 24 시간 동안 건조시켜 직경이 10 ㎛인 양극 활물질 전구체(조성: [Ni0.6Mn0.2Co0.2](OH)2)를 제조하였다.Then, the coprecipitation reaction was conducted again under a nitrogen atmosphere containing no oxygen to obtain a precipitate having a surface layer formed thereon. The resulting precipitate was recovered and washed with a centrifugal filter at a temperature of 40 to 50 ° C. until the pH of the filtrate was 9.0 or less and then dried at 150 ° C. for 24 hours to obtain a cathode active material precursor having a diameter of 10 μm (Composition: [Ni 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 ] (OH) 2 ).
2) 양극 활물질 제조2) Manufacture of cathode active material
상기에서 제조된 양극 활물질 전구체와 수산화리튬(LiOH)을 1:1의 몰 비로 혼합 후, Air 분위기에서 2 ℃/min의 승온 속도로 840 내지 880 ℃의 온도에서 8 내지 12시간 동안 열처리하여 양극 활물질을 제조하였다.The cathode active material precursor prepared above and lithium hydroxide (LiOH) were mixed at a molar ratio of 1: 1 and then heat-treated at a temperature rising rate of 2 ° C / min at a temperature of 840 to 880 ° C for 8 to 12 hours in an air atmosphere, .
[실시예 2][Example 2]
600 ppm의 산소를 포함하는 질소 분위기를 2 시간 동안 유지시켜 산화층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that a nitrogen atmosphere containing 600 ppm of oxygen was maintained for 2 hours to form an oxide layer.
[실시예 3][Example 3]
형성된 코어층의 직경이 7 ㎛일 때, 600 ppm의 산소를 포함하는 질소 분위기를 1 시간 동안 유지시켜 산화층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxidized layer was formed by maintaining a nitrogen atmosphere containing 600 ppm of oxygen for 1 hour when the formed core layer had a diameter of 7 탆.
[실시예 4][Example 4]
형성된 코어층의 직경이 7 ㎛일 때, 600 ppm의 산소를 포함하는 질소 분위기를 2 시간 동안 유지시켜 산화층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxide layer was formed by maintaining the nitrogen atmosphere containing 600 ppm of oxygen for 2 hours when the formed core layer had a diameter of 7 탆.
[실시예 5][Example 5]
형성된 코어층의 직경이 7 ㎛일 때, 600ppm의 산소를 포함하는 질소 분위기를 4 시간 동안 유지시켜 산화층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.The cathode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxidized layer was formed by maintaining a nitrogen atmosphere containing 600 ppm of oxygen for 4 hours when the diameter of the formed core layer was 7 탆.
[실시예 6][Example 6]
형성된 코어층의 직경이 7 ㎛일 때, 34.5% 과산화수소 용액을 반응기 총 부피를 기준으로, 1 부피% 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that a 34.5% hydrogen peroxide solution was added in an amount of 1 volume% based on the total volume of the reactor when the diameter of the formed core layer was 7 占 퐉.
[비교예 1][Comparative Example 1]
600 ppm의 산소를 포함하는 질소 분위기를 1 시간 동안 유지시키지 않고 질소 분위기에서만 양극 활물질 전구체(산화층을 형성하지 않음)를 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that a cathode active material precursor (not forming an oxide layer) was produced only in a nitrogen atmosphere without maintaining a nitrogen atmosphere containing 600 ppm of oxygen for 1 hour.
[비교예 2][Comparative Example 2]
질소 분위기 대신에 산소 분위기를 적용하여 양극 활물질 전구체를 제조하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질을 제조하였다.A cathode active material was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that a cathode active material precursor was prepared by applying an oxygen atmosphere instead of a nitrogen atmosphere.
[실험예 1] 단면확인[Experimental Example 1] Cross section confirmation
실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 양극 활물질 전구체 및 양극 활물질 각각의 단면을 주사전자현미경으로 확인하였으며, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.Sections of each of the cathode active material precursors and cathode active materials prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were confirmed by scanning electron microscopy and the results are shown in FIG. 3 and FIG.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1, 2의 양극 활물질 전구체에는 고리 형상의 금속 산화물층이 존재하지만, 비교예 1, 2의 양극 활물질 전구체에는 금속 산화물층이 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, the cathode active material precursors of Examples 1 and 2 according to the present invention had an annular metal oxide layer, but it was confirmed that no metal oxide layer existed in the cathode active material precursors of Comparative Examples 1 and 2 have.
또한 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1, 2의 양극 활물질에는 포어부가 존재하지만, 비교예 1, 2의 양극 활물질에는 포어부가 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다(즉, 비교예 1, 2는 내부가 모두 채워져 있는 치밀 구조의 양극 활물질임).Referring to FIG. 4, it can be seen that there are pores in the cathode active materials of Examples 1 and 2 according to the present invention, but no pores are present in the cathode active materials of Comparative Examples 1 and 2 (that is, 2 is a dense-structured cathode active material filled in the inside).
[실험예 2] XRD 분석[Experimental Example 2] XRD analysis
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 양극 활물질의 XRD를 당 업계에 공지된 방법으로 분석하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.The XRD of the cathode active material prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was analyzed by methods known in the art, and the results are shown in FIG.
도 5를 참조하면, 실시예 1의 양극 활물질과 비교예 1의 양극 활물질은 XRD 분석 결과가 동일한 것을 알 수 있다. 이러한 점은 양극 활물질 전구체 제조 시 산화층을 형성하더라도 제조되는 양극 활물질의 결정구조에는 영향을 미치지 않는다는 것을 뒷받침하는 것이다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the XRD analysis results of the cathode active material of Example 1 and the cathode active material of Comparative Example 1 are the same. This supports the fact that even when the oxide layer is formed in the production of the cathode active material precursor, the crystal structure of the cathode active material produced is not affected.
[실험예 3] 밀도 측정[Experimental Example 3] Density measurement
실시예 1 내지 6 및 비교예 1, 2에서 제조된 양극 활물질 전구체 및 양극 활물질의 탭 밀도(Tap density)와 펠렛 밀도(Pellet density)를 다음과 같은 방법으로 각각 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.The tap density and the pellet density of the cathode active material precursor and the cathode active material prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by the following methods and the results are shown in Table 1 Respectively.
1. 탭 밀도(g/cc): 100 ml 메스실린더를 사용하여 양극 활물질 전구체 50g, 양극 활물질 100g 주입 및 1000회 Tap 시행 후 밀도 측정1. Tap density (g / cc): Density measurement after injection of 50 g of cathode active material precursor, 100 g of cathode active material and 1000 times of tap using a 100 ml measuring cylinder
2. 펠렛 밀도(g/cc): 펠렛 몰드에 양극 활물질 전구체 2 g, 양극 활물질 3 g 주입 후 2.5 ton의 압력을 가해 펠렛 제조 및 밀도 측정2. Pellet density (g / cc): 2 g of the positive electrode active material precursor and 3 g of the positive electrode active material are injected into the pellet mold.
(g/cc)Tap density
(g / cc)
(g/cc)Pellet density
(g / cc)
(g/cc)Tap density
(g / cc)
(g/cc)Pellet density
(g / cc)
상기 표 1을 참조하면, 산소가 포함된 가스를 주입하는 시간이 길어질수록 본 발명의 양극 활물질 전구체의 탭 밀도와 펠렛 밀도는 감소하는 경향이 있지만 이를 이용하여 제조된 본 발명의 양극 활물질은 치밀 구조인 비교예 1, 2의 양극 활물질보다 펠렛 밀도가 높은 것을 확인 할 수 있다.Referring to Table 1, the tap density and the pellet density of the cathode active material precursor of the present invention tend to decrease as the time for injecting oxygen-containing gas is longer. However, the cathode active material of the present invention, It is possible to confirm that the pellet density is higher than that of the cathode active materials of Comparative Examples 1 and 2.
이와 같이 본 발명의 양극 활물질은 내부와 외부 사이에 포어부가 존재하여 충진 밀도가 높기 때문에 낮은 압력으로 압연 하더라도 높은 밀도를 가지는 양극을 제조할 수 있고, 양극 제조 시 양극 활물질의 입자 깨짐 현상을 최소화 할 수 있다.As described above, the positive electrode active material of the present invention has a pore portion between the inside and the outside and has a high packing density, so that it is possible to produce a positive electrode having a high density even when rolled at a low pressure and to minimize particle breakage of the positive electrode active material .
[제조예 1][Production Example 1]
실시예 1에서 제조된 양극 활물질, 도전재로서 카본블랙, 결합재로서 PVDF를 92 : 5 : 3의 중량비로 혼합한 후 NMP를 투입하여 슬러리 상태의 혼합물을 제조하였다. 제조된 혼합물을 알루미늄 호일 위에 60 내지 80 ㎛로 증착한 후 80 ℃에서 12 시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다.The cathode active material prepared in Example 1, carbon black as a conductive material, and PVDF as a binder were mixed in a weight ratio of 92: 5: 3 and then NMP was added thereto to prepare a slurry-like mixture. The prepared mixture was deposited on aluminum foil at 60 to 80 탆 and dried at 80 캜 for 12 hours to prepare a positive electrode.
제조된 양극으로 2032 규격의 Coin Cell형 리튬 이차 전지를 제조하였다.Coin cell type lithium secondary battery of 2032 standard was manufactured by the produced anode.
[비교제조예 1][Comparative Production Example 1]
실시예 1에서 제조된 양극 활물질 대신에 비교예 1에서 제조된 양극 활물질을 적용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Production Example 1, except that the cathode active material prepared in Comparative Example 1 was used instead of the cathode active material prepared in Example 1.
[실험예 4] 전지 성능 평가[Experimental Example 4] Evaluation of cell performance
제조예 1 및 비교제조예 1에서 제조된 리튬 이차 전지를 25 ℃에서 10 시간 동안 방치하고 개방회로 전압 OCV (Open circuit voltage)가 안정된 후, 0.1 C에서 Cut-off 전압 3.0 내지 4.3 V의 초기 충·방전 및 수명 평가를 진행하였으며(1 C 기준용량 170mAh/g), 그 결과를 도 6 내지 도 8 및 표 2에 나타내었다.The lithium secondary battery manufactured in Production Example 1 and Comparative Production Example 1 was left at 25 占 폚 for 10 hours, and after the open circuit voltage OCV was stabilized, the initial charge of 3.0 to 4.3 V at a cut- The discharge and the life evaluation were carried out (the capacity at 1 C was 170 mAh / g), and the results are shown in FIGS. 6 to 8 and Table 2.
(0.1C, mAh/g)1 st discharge capacity
(0.1 C, mAh / g)
(%)1 st reversible efficiency
(%)
(50cycle, %)Life characteristics
(50 cycles,%)
상기 표 2 및 도 6, 7을 참조하면, 본 발명의 양극 활물질이 적용된 리튬 이차 전지는 초기 방전용량, 가역효율 및 수명특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2 and FIGS. 6 and 7, it can be seen that the lithium secondary battery to which the cathode active material of the present invention is applied has excellent initial discharge capacity, reversible efficiency and life characteristics.
또한 도 8은 0.1 C 0.2 C, 0.5 C, 1.0 C에서의 충·방전 그래프를 나타낸 것으로, 이로부터 본 발명의 양극 활물질이 적용된 리튬 이차 전지는 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.FIG. 8 is a graph showing charging and discharging at 0.1 C 0.2 C, 0.5 C, and 1.0 C, indicating that the lithium secondary battery to which the cathode active material of the present invention is applied has excellent performance.
11: 코어층
12: 산화층
13: 표면층
21: 코어부
22: 표면부
23: 브릿지부
24: 포어부11: core layer
12: oxide layer
13: Surface layer
21: core portion
22: surface portion
23:
24:
Claims (13)
상기 코어층 상에 구비된 산화층; 및
상기 산화층 상에 구비된 표면층을 포함하는 양극 활물질 전구체.A core layer;
An oxide layer provided on the core layer; And
And a surface layer provided on the oxide layer.
상기 산화층의 밀도가 상기 코어층과 상기 표면층의 밀도보다 낮은 양극 활물질 전구체.The method according to claim 1,
Wherein the density of the oxide layer is lower than the density of the core layer and the surface layer.
상기 산화층의 두께는 0.5 내지 1.5 ㎛인 양극 활물질 전구체.The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the oxide layer is 0.5 to 1.5 占 퐉.
b) 상기 코어층의 표면에 산화층을 형성하는 단계; 및
c) 상기 산화층의 표면에 상기 코어층과 동일한 성분을 가지는 표면층을 형성하는 단계를 포함하는 양극 활물질 전구체의 제조방법.a) introducing the metal hydroxide into an aqueous solution containing an aqueous sodium hydroxide solution and an aqueous ammonia solution to form a core layer in an inert atmosphere;
b) forming an oxide layer on the surface of the core layer; And
c) forming a surface layer having the same composition as the core layer on the surface of the oxide layer.
상기 b) 단계는 상기 코어층을 산소 농도 400 내지 1000 ppm인 분위기에 노출시켜 상기 산화층을 형성하는 양극 활물질 전구체의 제조방법.5. The method of claim 4,
And b) forming the oxide layer by exposing the core layer to an atmosphere having an oxygen concentration of 400 to 1000 ppm.
상기 b) 단계는 상기 코어층을 산화제로 처리하여 상기 산화층을 형성하는 양극 활물질 전구체의 제조방법.5. The method of claim 4,
Wherein the step b) comprises treating the core layer with an oxidizing agent to form the oxide layer.
상기 코어부와 이격된 표면부;
상기 코어부와 상기 표면부를 연결하는 하나 이상의 브릿지부; 및
상기 코어부와 상기 표면부 사이에 존재하는 하나 이상의 포어부를 포함하는 양극 활물질.A core portion;
A surface portion spaced apart from the core portion;
At least one bridge portion connecting the core portion and the surface portion; And
And at least one pore portion existing between the core portion and the surface portion.
상기 코어부와 상기 표면부의 이격 거리는 0.5 내지 2.5 ㎛인 양극 활물질.8. The method of claim 7,
Wherein a distance between the core portion and the surface portion is 0.5 to 2.5 占 퐉.
상기 포어부는 절단된 고리 형태를 가지는 양극 활물질.8. The method of claim 7,
Wherein the pore portion has a cut ring shape.
B) 상기 양극 활물질 전구체를 리튬 전구체와 혼합하여 혼합 전구체를 제조하는 단계; 및
C) 상기 혼합 전구체를 열처리하는 단계를 포함하는 양극 활물질의 제조방법.A) preparing a cathode active material precursor prepared by the method of any one of claims 4 to 6;
B) mixing the cathode active material precursor with a lithium precursor to prepare a mixed precursor; And
C) heat treating the mixed precursor.
상기 C) 단계의 열처리는 800 내지 950 ℃에서 5 내지 24 시간 동안 이루어지는 양극 활물질의 제조방법.11. The method of claim 10,
Wherein the heat treatment in step C) is performed at 800 to 950 占 폚 for 5 to 24 hours.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20180111323A (en) * | 2017-03-31 | 2018-10-11 | 주식회사 엘지화학 | Method for preparing positive electrode active material, positive electrode active material for secondary battery prepared by the same and lithium secondary battery comprising the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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KR101890462B1 (en) | 2018-08-21 |
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